DE102017217315A1

DE102017217315A1 - Ventil für eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe und Verfahren zur Herstellung des Ventils

Info

Publication number: DE102017217315A1
Application number: DE102017217315.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Krumbholz; Sascha Laue; Christoph Buehler; Ruthard Bonn; Michael Kleindl; Wolfgang Bueser; Thomas Woehrle; Thomas Herboth; Hanling Li-Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2018-10-18
Also published as: WO2018188925A1; CN110494645B; CN110494645A; KR20190138797A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem beweglichen Schließelement (58) und einem festen Ventilkörper (68), an dem das Schließelement (58) in eine das Ventil schließende Anlage kommen kann, wobei das Schließelement (58) und/oder der Ventilkörper (68) ein verschleißfestes Material aufweist und/oder eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.Beispielsweise eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) für ein Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem hydraulisch zwischen einem Auslass (36) und einem vom Auslass (36) stromaufwärtigen Bereich in einem Gehäuse (50) angeordneten und zu dem stromaufwärtigen Bereich hin öffnenden Druckbegrenzungsventil (42), welches ein Schließelement (58) aufweist, das von einer Ventilfeder (60) in Schließrichtung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das beispielsweise das Schließelement (58) beispielsweise ein Hartmetall aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, beispielsweise zur Verwendung in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
Vom Markt her bekannt sind Kraftstoff-Hochdruckpumpen für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für eine Benzindirekteinspritzung. Eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich, beispielsweise stromabwärts von einer Vorförderpumpe, in einen Hochdruckbereich, insbesondere in einen Hochdruckspeicher (Rail) fördern. Dazu weisen Kraftstoff-Hochdruckpumpen verschiedene Ventile auf, neben einem Einlassventil und einem Auslassventil insbesondere häufig ein Druckbegrenzungsventil, welches einen Kraftstoffdruck in dem Hochdruckbereich auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzen kann. Somit kann ein Betrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbessert und mögliche Beschädigungen des Kraftstoffsystems verhindert werden.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Ventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung betrifft ein Ventil, dessen Schließelement und/oder dessen Ventilkörper ein verschleißfestes Material aufweist und/oder eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Unter „ein Material aufweisen“ ist im Rahmen der Anmeldung zu verstehen, dass das Material zu einem gewissen, nicht vernachlässigbarem Anteil (also zum Beispiel nicht weniger als 0,1Gew-%) enthalten ist. Gleichwohl kann darunter auch zu verstehen sein, dass das Material überwiegend, also zum Beispiel zu mindestens 50 Gew-%, oder gänzlich enthalten ist.
Unter einer „Oberfläche“ ist im Rahmen der Anmeldung eine an der Oberfläche eines Körpers liegende Schicht zu verstehen, beispielsweise mit einer Dicke von wenigstens hundert Nanometern oder sogar von wenigstens einem Mikrometer.
Verschleißfeste Materialien sind beispielsweise Cermete und Hartmetalle, beispielsweise Wolframkarbid, beispielsweise Wolframkarbid mit einem Nickelanteil von mehr als 0,5% Gew-% und/oder von weniger als 15 Gew-%, beispielsweise mit einem Nickelanteil von 8-9 Gew-% oder Wolframkarbid mit einem Nickelanteil von nicht mehr als 9 Gew-%. Derart hohe Anteile eines Binders, hier: Nickel, vermögen dem Material eine hohe Duktilität und eine hohe Zähigkeit zu verleihen. Es hat sich herausgestellt, dass dies die Lebensdauer des Ventils zu erhöhen vermag. Wolframkarbide mit anderen spezifischen Zusammensetzungen und spezifischen Materialeigenschaften sind an sich bekannt und von der Erfindung insbesondere ebenfalls umfasst. Ferner Materialien, die aus mindestens einem metallischen Hartstoff, insbesondere einem Karbid, beispielsweise Wolframkarbid (WC), Titankarbid (TiC), Tantalkarbid (TaC), Chromkarbid(CrC) und/oder einem anderen Karbid bestehen, oder solch einen Hartstoff aufweisen und/oder überdies ein Bindematerial aufweisen, beispielsweise Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Nickel-Chrom (NiCr) und/oder dergleichen.
Cermets im Allgemeinen weisen einen keramischen und einen metallischen Anteil auf. Die keramischen Komponenten sind beispielsweise Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid und/oder dergleichen, während die metallischen Komponenten beispielsweise Niob, Molybdän, Titan, Cobalt, Zirconium, Chrom und/oder der dergleichen sind.
Verschleißfeste Oberflächen weisen beispielsweise eine CrCN-Schicht, CrN-Schicht, DLC-Schicht (z.B. a-C:H und/oder ta-C und/oder CrN und/oder CrC), Nickel-Schicht, Nickel-Wolfram-Schicht, Nickel-Phosphor-Schicht, Nickel-Phosphor-Chrom-Schicht, Chrom-Schicht, NiP+SiC-Dispersion-Schicht, weiche Einlaufschicht, Nitrierschicht, Titandioxid-Schicht und/oder Titancarbidschicht und/oder dergleichen auf oder bestehen aus einer solchen Schicht oder aus mehreren solchen Schichten.
Die Erfindung betrifft in Weiterbildung auch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Förderraum und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum und einem Einlass angeordnetem und zu dem Förderraum hin öffnendem Einlassventil und/oder einem hydraulisch zwischen dem Förderraum und einem Auslass angeordnetem und zu dem Auslass hin öffnendem Auslassventil und/oder einem hydraulisch zwischen dem Auslass und einem von dem Auslass stromaufwärtigen Bereich und zu dem stromaufwärtigen Bereich hin öffnenden Druckbegrenzungsventil, dessen Druckbegrenzungsventil und/oder dessen Einlassventil und/oder dessen Auslassventil ein Ventil ist mit einem beweglichen Schließelement und einem festen Ventilkörper, an dem das Schließelement in eine das Ventil schließende Anlage kommen kann, wobei das Schließelement und/oder der Ventilkörper ein verschleißfestes Material aufweist und/oder eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Als besonders verschleißfest haben sich Ventile, insbesondere Druckbegrenzungsventile, herausgestellt, deren Schließelement aus Wolframkarbid besteht und deren Ventilkörper eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Als besonders verschleißfest haben sich auch Ventile, insbesondere Druckbegrenzungsventile, herausgestellt, deren Ventilkörper aus Wolframkarbid besteht und deren Schließelement eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Die geometrische Form des Schließelements ist durch die Erfindung grundsätzlich nicht festgelegt; beispielsweise kann es sich um eine Kugel oder um einen Kegel oder eine Platte und/oder dergleichen handeln.
Das Schließelement kann beispielsweise eine Wolframkarbidkugel sein.
In unabhängiger Weise oder als Weiterbildung betrifft die Erfindung auch ein Ventil, zum Beispiel ein Druckbegrenzungsventil in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, dessen Schließelement von einer Ventilfeder mittelbar über einen umgeformten, insbesondere kaltgeschlagenen Schließkörper in eine Schließrichtung beaufschlagbar ist. Der umgeformte, insbesondere kaltgeschlagene Schließkörper ist mit geringerem Aufwand herstellbar als ein durch zerspanende Bearbeitung (z.B. Drehen) hergestellter Schließkörper.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von karbidhaltigen martensitischen Materialien, das zu verschleißfesten Oberflächen und somit zu Ventilen gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsangsanspruch führt.
Dieses Verfahren sieht vor, dass das Schließelement und/oder der Ventilkörper ausgehend von einem Grundmaterial, das ein karbidhaltiger martensitischer Stahl mit folgenden Anteilen:

C: 0-2 Gew%,
N: 0 - 0,6 Gew%,
Cr: 10 - 20 Gew%,
Ni: 0-3 Gew%,
Mn: 0-3 Gew%,
Co: 0-3 Gew%,

- Glühen bei 900°C - 1300°C bei einem Stickstoffpartialdruck zwischen 50mbar und 5bar für 1 - 90 min;
- Abschrecken in Stickstoff, Argon oder Helium mit einem Abschreckdruck von 1
- 40 bar bei einer Temperatur von -273°C bis - 70°C;
- Anlassen bei 150°C - 600°C.

Hinsichtlich der angegebenen Stoffanteile können die angegebenen Parameterbereiche jeweils inklusive oder exklusive der angegebenen Grenzen zu verstehen sein.
Das Verfahren bewirkt insbesondere, dass während des Glühens Stickstoff in das Grundmaterial eindiffundiert, sodass sich in dem betreffenden Bauteil infolge der damit verbundenen Volumenzunahme Druckeigenspannungen aufbauen.
Das Verfahren bewirkt ferner insbesondere, dass während des Glühens Stickstoff in das Grundmaterial eindiffundiert. Infolge des gelösten Stickstoffs sowie der damit verbundenen steigenden Kohlenstofflöslichkeit löst sich Chromkarbid auf und Chrom wird frei. Letzteres bedingt, dass sich die Korrosionsbeständigkeit erhöht.
Die Schweißeignung des Grundmaterials wird durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere beibehalten bzw. nicht beeinträchtigt.
Wenngleich weitere Maßnahmen zum Einbringen von Druckeigenspannungen, insbesondere Rollieren und Kugelstrahlen, nicht zwingend erforderlich sind, können sie in Weiterbildung der Erfindung eine weitere Erhöhung der Druckeigenspannungen generieren.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine; und
2 einen Längsschnitt durch ein Druckbegrenzungsventil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems von 1.
3 eine Alterative Ausführung des Ventilkörpers
4 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Ventils

Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, über einen Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Förderraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.
Vorliegend ist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 30 mittels einer Nockenscheibe 32 in der Zeichnung vertikal bewegt werden kann. Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 36 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist ein in der 1 als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 40 sowie ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 42 angeordnet. Der Auslass 36 ist an eine Hochdruckleitung 44 und über diese an einen Hochdruckspeicher 46 („Common Rail“) angeschlossen.
Das Auslassventil 40 kann zum Auslass 36 und das Druckbegrenzungsventil 42 zu dem Förderraum 26 hin öffnen. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 22 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 angesteuert. Abweichend von der Darstellung der 1 kann ein in der 1 linker Anschluss des Druckbegrenzungsventils 42 alternativ statt mit dem Auslass (ohne Bezugszeichen) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 auch mit dem Förderraum 26, dem Niederdruckbereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 oder einem beliebigen sonstigen Element stromaufwärts der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 verbunden sein.
Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Mengensteuerventil 24 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zu dem Hochdruckspeicher 46 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Im Normalfall ist das Druckbegrenzungsventil 42 geschlossen.
Wenn in einem vom Normalfall abweichenden Betriebsfall ein Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 höher ist als ein Kraftstoffdruck in einem Bereich des Förderraums 26 (zuzüglich einer Federkraft einer Ventilfeder 60 des Druckbegrenzungsventils 42, siehe auch die 2), so kann das Druckbegrenzungsventil 42 öffnen und somit kann Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 44 zurück in den Förderraum 26 und von dort gegebenenfalls zurück in die Niederdruckleitung 18 strömen. Durch die Expansion kann der Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 auf einen zulässigen Wert sinken und das Druckbegrenzungsventil 42 wieder schließen.
2 zeigt einen Längsschnitt durch das Druckbegrenzungsventil 42 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 von 1. Das Druckbegrenzungsventil 42 ist hydraulisch zwischen dem Auslass 36 und einem vom Auslass 36 stromaufwärtigen Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 angeordnet und kann zu dem stromaufwärtigen Bereich hin öffnen. Das Druckbegrenzungsventil 42 bzw. dessen nachfolgend näher beschriebene Elemente sind in diesem Beispiel im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt.
Das Druckbegrenzungsventil 42 umfasst ein im Wesentlichen als zylindrische Hülse ausgeführtes Gehäuse 50. An einer in der 1 linken Stirnseite weist das Gehäuse 50 eine axiale erste Öffnung 52 auf, wobei ein Radius der Öffnung 52 einem Innenradius der zylindrischen Hülse entspricht. Die erste Öffnung 52 ist hydraulisch dem Auslass 36 bzw. dem zu diesem stromabwärtigen Hochdruckbereich zugeordnet. An einer in der 2 rechten Stirnwand 54 ist das Gehäuse 50 geschlossen ausgeführt. In einem rechten unteren Abschnitt weist das Gehäuse 50 eine radiale zweite Öffnung 56 auf. Die zweite Öffnung 56 ist hydraulisch dem besagten stromaufwärtigen Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeordnet und beispielsweise mit dem Förderraum 26 verbunden. Vorliegend ist das Gehäuse 50 einstückig ausgeführt.
In einem in der 2 horizontal mittleren Abschnitt weist das Druckbegrenzungsventil 42 ein Schließelement 58 auf, welches von einer als Schraubenfeder ausgeführten Ventilfeder 60 mittels eines Schließkörpers 62 in Schließrichtung beaufschlagt wird, also in der 2 nach links. Vorliegend ist das Schließelement 58 eine „frei fliegende“ Ventilkugel. Alternativ kann es sich beispielsweise auch um einen Ventilkegel, insbesondere um einen „frei fliegenden“ Ventilkegel handeln.
In der 2 rechts ist ein Anschlagkörper 64 des Druckbegrenzungsventils 42 angeordnet, der mit dem Schließkörper 62 zusammenwirkt. Der Anschlagkörper 64 stützt sich axial an der Stirnwand 54 des Gehäuses 50 ab und wird von der Ventilfeder 60 gegen die Stirnwand 54 des Gehäuses 50 beaufschlagt, also nach rechts. Dazu weist ein Abschnitt des Gehäuses 50 im Bereich der Stirnwand 54 einen verminderten Innendurchmesser auf, wodurch der Anschlagkörper 64 und somit auch die Ventilfeder 60 definiert gehalten werden.
Der Schließkörper 62 und der Anschlagkörper 64 sind im Wesentlichen identisch ausgeführt. Insbesondere sind ein Endabschnitt 62a des Schließkörpers 62 und ein Endabschnitt 64a des Anschlagkörpers 64 tellerförmig ausgeführt, wobei ein Außendurchmesser des jeweiligen Endabschnitts 62a bzw. 64a größer ist als ein Innendurchmesser der Ventilfeder 60.
Weiterhin umfassen der Schließkörper 62 einen zapfenförmigen Führungsabschnitt 62b und der Anschlagkörper 64 einen zapfenförmigen Führungsabschnitt 64b, welche beide radial innerhalb der Ventilfeder 60 zueinander benachbart angeordnet sind. Entsprechend ist ein jeweiliger Außendurchmesser der Führungsabschnitte 62b und 64b kleiner als ein Innendurchmesser der Ventilfeder 60. Dadurch wird unter anderem eine verbesserte Führung der Ventilfeder 60 ermöglicht.
Vorliegend weist der Schließkörper 62 an dem tellerförmigen Endabschnitt 62a eine Zentrierausnehmung 66 zur radialen Halterung des Schließelements 58 auf und ist ansonsten identisch zu dem Anschlagkörper 64 ausgeführt. Mittels des Schließkörpers 62 bzw. der Zentrierausnehmung 66 kann eine durch die Ventilfeder 60 erzeugte Druckkraft optimal auf das Schließelement 58 übertragen werden.
In einem in der 2 linken Abschnitt des Gehäuses 50 ist ein Ventilkörper 68 angeordnet, der an einer radial äußeren Mantelfläche in dem Gehäuse 50 reibschlüssig gehalten und vorzugsweise darin eingepresst ist. Der Ventilkörper 68 weist einen durchgehenden axialen zentrischen Längskanal 70 auf, welcher abschnittsweise einen konstanten Innendurchmesser aufweist. Der Längskanal 70 ist durch die erste Öffnung 52 mit dem Auslass 36 hydraulisch verbunden. An einem in der 2 rechten Endabschnitt des Längskanals 70 ist an dem Ventilkörper 68 ein radial umlaufender Ventilsitz 72 ausgebildet, welcher mit dem Schließelement 58 zusammenwirkt.
Vorliegend sind der Schließkörper 62 und der Anschlagkörper 64 als Umformteile (z.B. Kaltschlagteile) ausgeführt. Alternativ könnten sie auch massiv ausgeführt sein.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 50 des Druckbegrenzungsventils 42 ein integraler Bestandteil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 und somit kein eigenständiges Element. Dazu weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 beispielsweise eine zylindrische Bohrung auf, in welcher die funktionalen Elemente des Druckbegrenzungsventils 42 aufgenommen sind.
Die Funktion des Druckbegrenzungsventils 42 wurde bereits weiter oben bei der 1 allgemein beschrieben. Wie in der 2 zu erkennen, sind die Geometrien des Schließkörpers 62 und des Anschlagkörpers 64 derart bemessen, dass ein maximaler Öffnungsweg des Schließkörpers 62 und damit des Schließelements 58 begrenzt ist. Dabei können die Führungsabschnitte 62b und 64b des Schließkörpers 62 bzw. des Anschlagkörpers 64 an jeweiligen Endabschnitten plan aneinander anschlagen. Auf diese Weise kann eine Druckbeanspruchung der Ventilfeder 60 reduziert werden. Außerdem kann ein hydraulisches Totvolumen der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 vermindert und ein so genannter „Liefergrad“ verbessert werden. Vorzugsweise sind der maximale Öffnungsweg des Schließelements 58 sowie die Geometrien des Ventilkörpers 68 und des Schließkörpers 62 derart bemessen, dass das Schließelement 58 definiert gehalten bzw. definiert bewegt werden kann („Flugweg“).
Im vorliegenden Beispiel ist das Schließelement 58 als Kugel ausgeführt. Gleichwohl könnte es in alternativen Ausführungsformen auch eine andere geometrische Form aufweisen, beispielsweise die eines Kegels oder einer Platte.
Im vorliegenden Beispiel besteht das Schließelement 58 aus Wolframkarbid. Gleichwohl könnte es in alternativen Ausführungsformen auch aus einem anderen verschleißfesten Material, z.B. einem Cermet oder Hartmetall bestehen oder Wolframkarbid oder ein anderes Hartmetall lediglich aufweisen. Beispiele für bevorzugte andere Hartmetalle sind Titankarbid, Tantalkarbid, Chromkarbid und/oder andere Karbide. Das Schließelement kann alternativ auch solch ein Hartmetall aufweisen und überdies ein Bindematerial aufweisen, beispielsweise Kobalt, Nickel, Eisen, Nickel-Chrom und/oder dergleichen. Der Ventilkörper 68 besteht in diesem Beispiel aus Stahl oder er besteht aus Stahl und weist eine verschleißfeste Oberfläche auf.
In einem anderen Beispiel besteht der Ventilkörper 68 aus Wolframkarbid. Gleichwohl könnte er in alternativen Ausführungsformen auch aus einem anderen verschleißfesten Material, z.B. einem Cermet oder Hartmetall bestehen oder Wolframkarbid oder ein anderes Hartmetall lediglich aufweisen. Beispiele für bevorzugte andere Hartmetalle sind wie oben angegeben. Das Schließelement 58 besteht in diesem Beispiel aus Stahl oder es besteht aus Stahl und weist eine verschleißfeste Oberfläche auf.
In anderen Beispielen und in Weiterbildungen weisen der Ventilkörper und/oder der Schließkörper eine verschleißfeste Oberfläche auf. Es kann sich jeweils um eine CrCN-Schicht, CrN-Schicht, DLC-Schicht (z.B. a-C:H und/oder ta-C und/oder CrN und/oder CrC), Nickel-Schicht, Nickel-Wolfram-Schicht, Nickel-Phosphor-Schicht, Nickel-Phosphor-Chrom-Schicht, Chrom-Schicht, NiP+SiC-Dispersion-Schicht, weiche Einlaufschicht, Nitrierschicht, Titandioxid-Schicht und/oder Titancarbidschicht handeln.
Als besonders verschleißfest haben sich Ventile, insbesondere Druckbegrenzungsventile, herausgestellt, deren Schließelement aus Wolframkarbid besteht und deren Ventilkörper eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Als besonders verschleißfest haben sich auch Ventile, insbesondere Druckbegrenzungsventile, herausgestellt, deren Ventilkörper aus Wolframkarbid besteht und deren Schließelement eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Grundsätzlich ist es möglich, den gesamten Ventilkörper 68 aus dem verschleißfesten Material zu fertigen. 3 zeigt eine Alternative hierzu, bei der ein Ventilkörper 68 aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich einem Grundkörper 68a, der beispielsweise aus einem Stahl besteht und einem Dichtsitzeinsatz 68b, der den Bereich des Ventilkörpers bildet, der mit dem Schließelement 58 in dichtende Anlage kommt. Der Dichtsitzeinsatz 68b besteht im Beispiel aus dem verschleißfesten Material, beispielsweise aus Wolframcarbid. Der Dichtsitzeinsatz 68b ist in den Grundkörper 68a beispielsweise eingepresst, eingelötet oder er wird in dem Grundkörper 68a mittels eines Formschlusses gehalten.
Die geometrische Form des Schließelements 58 ist durch die Erfindung nicht notwendigerweise festgelegt, neben Kugeln und Kegeln kann es sich beispielsweise auch um plattenförmige Schließelemente handeln.
Andere Ausführbeispiele betreffen Ventile in Kraftstoff-Hochdruckpumpen, die nicht Druckbegrenzungsventile sind, sondern die beispielsweise Einlassventile oder Auslassventile oder dergleichen in Kraftstoff-Hochdruckpumpen sind. Die betreffenden Ventile und die betreffenden Kraftstoff-Hochdruckpumpen können unter anderem so ausgestaltet sein, wie es vorangehend beispielhaft anhand von Druckbegrenzungsventilen beschrieben wurde.
In einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens (4) wird ein Ventilsitz aus der Stahlsorte X90CrMoV18 15 Minuten lang bei 1050°C und bei einem Stickstoffpartialdruck von 0,5bar geglüht, siehe Verfahrensschritt 101. Anschließend wird bei einem Druck von 6 - 10 bar in Stickstoff, Argon oder Helium bei -273°C - -70°C, bei 1 bis 40 bar so rasch abgeschreckt, Verfahrensschritt 102, dass eine Bildung von Chromnitrid nicht erfolgt. Nachfolgend erfolgt bei 150 - 600°C ein Anlassen 103.
Ein zweites Beispiel unterscheidet sich von dem vorangehenden Beispiel dadurch, dass der Stickstoffpartialdruck während des Glühens 1,2 bar ist und die Dauer des Glühens auf 7 Minuten verkürzt ist.
In beiden Beispielen konnte eine Randschicht, die einen Stickstoffgradienten und eine Härte von 680 HV aufweist, generiert werden, wobei in der Randschicht die martensitische Phase des Grundmaterials erhalten blieb. Eine Ausbildung einer austenitischen Randschicht, die die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, insbesondere die Ermüdungsbeständigkeit, drastisch verschlechtern kann, erfolgte nicht.

Claims

Ventil mit einem beweglichen Schließelement (58) und einem festen Ventilkörper (68), an dem das Schließelement (58) in eine das Ventil schließende Anlage kommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (58) und/oder der Ventilkörper (68) ein verschleißfestes Material aufweist und/oder eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verschleißfeste Material ein Cermet und/oder ein Hartmetall ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verschleißfeste Material Wolframkarbid ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschleißfeste Material Wolframkarbid mit einem Nickelanteil von nicht mehr als 9 Gew-% ist, insbesondere mit einem Nickelanteil von 8-9% ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschleißfeste Oberfläche eine CrCN-Schicht, CrN-Schicht, DLC-Schicht, Nickel-Schicht, Nickel-Wolfram-Schicht, Nickel-Phosphor-Schicht, Nickel-Phosphor-Chrom-Schicht, Chrom-Schicht, NiP+SiC-Dispersion-Schicht, weiche Einlaufschicht, Nitrierschicht, Titandioxid-Schicht und/oder Titancarbidschicht ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) für ein Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Förderraum (26) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Einlass (20) angeordnetem und zu dem Förderraum (26) hin öffnendem Einlassventil (24) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Auslass (36) angeordnetem und zu dem Auslass (36) hin öffnendem Auslassventil (40) und einem hydraulisch zwischen dem Auslass (36) und einem von dem Auslass (36) stromaufwärtigen Bereich und zu dem stromaufwärtigen Bereich hin öffnenden Druckbegrenzungsventil (42), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (42) und/oder das Einlassventil (24) und/oder das Auslassventil (40) ein Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Druckbegrenzungsventil (42) ist, dessen Schließelement (58) eine Wolframkarbidkugel oder ein Wolframkarbidkegel ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (68) des Druckbegrenzungsventils (42) die die verschleißfeste Oberfläche aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Druckbegrenzungsventil (42) ist, dessen Schließelement (58), beispielsweise eine Kugel oder ein Kegel, eine Nickelbeschichtung aufweist und/oder dessen Ventilkörper (68) aus Stahl besteht oder eine Beschichtung mit oder aus CrN oder/oder mit oder aus CrCN aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Druckbegrenzungsventil (42) ist, dessen Schließelement (58) eine Kugel oder ein Kegel und die verschleißfeste Oberfläche aufweist und der Ventilkörper (68) des Druckbegrenzungsventils (42) ein in einem Pumpengehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) aufgenommener Einsatz (68b) aus Wolframkarbid ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet, gekennzeichnet durch ein Ventil, insbesondere ein Druckbegrenzungsventil (42), dessen Schließelement (58) von einer Ventilfeder (60) mittelbar über einen umgeformten, beispielsweise kaltgeschlagenen, Schließkörper (62) in eine Schließrichtung beaufschlagbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach Anspruche 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Einlassventil (42) ist, dessen Schließelement (58) und/oder dessen Ventilkörper (68) aus Wolframcarbid besteht.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) nach Anspruche 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (58) eine Ventilplatte ist und/oder der Ventilkörper (68) ein in einem Pumpengehäuse () der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) aufgenommener Einsatz () ist.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (58) und/oder der Ventilkörper (68) ausgehend von einem Grundmaterial, das ein karbidhaltiger martensitischer Stahl mit folgenden Anteilen: C: 0-2 Gew-%, N: 0 - 0,6 Gew-%, Cr: 10 - 20 Gew-%, Ni: 0-3 Gew-%, Mn: 0-3 Gew-%, Co: 0-3 Gew-%, ist, hergestellt wird, indem das Grundmaterial folgende Behandlung erfährt: - Glühen (101) bei 900 - 1300°C bei einem Stickstoffpartialdruck zwischen 50mbar und 5bar für 1 - 90 min; - Abschrecken (102) in Stickstoff, Argon oder Helium mit einem Abschreckdruck von 1 - 40 bar bei einer Temperatur von -273°C bis - 70°C; - Anlassen (103) bei 150 - 600°C.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,8 Gew-% oder mehr Kohlenstoff aufweist.