DE19930312C1 - Verfahren zum Behandeln von Bauteiloberflächen in einem Kraftstoffinjektor und Steuermodul für einen Kraftstoffinjektor - Google Patents

Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor werden die Oberflächen insbesondere einer Düsennadel bzw. eines Steuerkolbens und ihrer zugehörigen Führungen durch Implantieren von mehrfach ionisierten Gasradikalen vergütet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbe­ handlung von Werkstücken, das zur Vergütung von Bauteilober­ flächen in einem Kraftstoffinjektor eingesetzt wird, und ein Steuermodul für einen Kraftstoffinjektor.

In der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend Einspritz­ systeme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Diese hohen Einspritzdrücke stellen große Anforderungen an die Verschleißfestigkeit der in den Ein­ spritzsystemen eingesetzten Kraftstoffinjektoren. Die Kraft­ stoffinjektoren bestehen dabei im wesentlichen aus einer An­ steuereinheit, einem Steuermodul und einem Einspritzventil. Das Einspritzventil weist einen Düsenkörper und eine Düsenna­ del auf, wobei die Düsennadel axial beweglich, jedoch gegen den Einspritzdruck abdichtend in einer Führungsbohrung im Dü­ senkörper eingesetzt ist. Die Düsennadel hat einen Sitz im Düsenkörper, wobei unterhalb des Sitzes Kraftstoffeinspritz­ löcher im Düsenkörper eingebracht sind. Durch Öffnen und Schließen der Düsennadel kann dann Kraftstoff in eine Brenn­ kammer eines Verbrennungsmotors eingespritzt werden. Das Steuermodul weist ein Servoventil mit einem Steuerkolben auf, der das Öffnen und Schließen der Düsennadel steuert, wobei der Steuerkolben im allgemeinen mit dem Einspritzdruck beauf­ schlagt ist. Der Steuerkolben steht wiederum in einer Wirk­ verbindung mit der Ansteuereinheit, die das Steuermodul elek­ trisch oder elektromagnetisch betätigt.

Um zu verhindern, daß Kraftstoffleckagen aufgrund des hohen Systemdrucks im Einspritzventil bzw. im Steuermodul des Kraftstoffinjektor auftreten, sind die Düsennadel bzw. der Steuerkolben und die entsprechenden Führungen so aufeinander abgestimmt, daß nur ein sehr enger Dichtspalt bleibt. Das ge­ ringe Führungsspiel zwischen der Düsennadel bzw. dem Steuer­ kolben und den entsprechenden Führungen führt leicht zu Ver­ schleißerscheinungen an der Düsennadel bzw. am Steuerkolben. Um der Gefahr eines solchen Verschleißes vorzubeugen, sind die Düsennadel bzw. der Steuerkolben im allgemeinen mit einer Kohlenstoffbeschichtung gehärtet. Aus der europäischen Pa­ tentanmeldung EP 0 818 622 A1 ist ein Verfahren zur Vergütung von Kraftstoffeinspritzdüsen-Bauteilen aus Stahl (Steuermodul und/oder Führungsbohrung) bekannt, wobei die Oberflächen zu­ nächst mit einer ein bis zehn Mikrometer dicken a-C-Schicht versehen werden, die anschließend mittels Ionenimplantation stabilisiert wird. Weiterhin ist aus der US-5,226,975-A ein Verfahren zur Vergütung von Kraftstoffeinspritzdüsen-Bautei­ len bekannt, wobei hier zunächst galvanisch eine Cr-Schicht aufgetragen wird, die nachfolgend in N₂- oder NH₃-Atmosphäre unter Zusatz von H₂ oder CH₄ bei 1 bis 13 mbar und 315°C bis 538°C nitriert wird.

Das Anbringen einer zusätzlichen Schicht auf der Düsennadel bzw. dem Steuerkolben ist jedoch sehr aufwendig und kann die Maßgenauigkeit der Bauteile beeinträchtigen. Weiterhin können beim Aufbringen der Kohlenstoffschicht Kanten auf der Ober­ fläche entstehen, die dann aufwendig nachbearbeitet werden müssen. Auch lassen sich mit einer Kohlenstoffschicht nur sehr schwer die bei Kraftstoffinjektoren gewünschten Ver­ schleißfestigkeitswerte erzielen.

Aus der deutschen Patentschrift DE 30 45 434 C2 ist ein Ver­ fahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Metallen bekannt, bei dem eine Oberflächenvergütung von Fe-Legierungs­ werkstoffen für den Kegelventilsitz einer Brennstoffein­ spritzpumpe mittels Ionenimplantation von Y-, Lantaniden- oder Aluminium-Ionen erfolgt. Diese Ionenimplantation erfolgt gegebenenfalls zusammen mit N- oder CO-Ionen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Aus dem Aufsatz "Ionenstrahltechno­ logien - Werkzeug für das 21. Jahrhundert" (Vakuum in For­ schung und Praxis, Nummer 3, 1996, Seiten 143 bis 154) ist die Anwendbarkeit derartiger Ionenimplantationen insbesondere auch für Einspritzsysteme von Motoren bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Oberflä­ chenbehandlungsverfahren und ein Steuermodul für einen Kraftstoffinjektor bereit zu stellen, bei denen sich auf ein­ fache Weise eine hohe Verschleißfestigkeit der Bauteilober­ flächen erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Steuermodul gemäß Anspruch 5 gelöst.

Gemäß der Erfindung werden in Bauteiloberflächen eines Kraftstoffinjektors, insbesondere den Bauteiloberflächen ei­ nes Steuermoduls Ionen implantiert. Hierdurch werden Struk­ turfehler auf den Bauteiloberflächen, die die Hauptursache für eine Reibung zwischen den Bauteilen und damit für den Ma­ terialverschleiß sind, ausgeglichen, so daß sich eine nahezu perfekte Kristallstruktur auf der Bauteiloberfläche ergibt. Diese nahezu perfekte Kristallstruktur bewirkt eine "glatte" Oberfläche, die zu einer erheblichen Reduzierung der Haft- und Gleitreibung zwischen den Bauteilen und damit des Ver­ schleißes der Bauteile führt. Es lassen sich insbesondere dann hohe Verschleißfestigkeitswerte erzielen, wenn Ionen im­ plantiert werden, von denen mehr als ein Elektron abgetrennt ist. Solche Ionen erreichen hohe Eindringtiefen in die Bau­ teiloberflächen, so daß auch tiefliegende Fehler in der Kris­ tallstruktur ausgeglichen werden können.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Einspritzventil in einem Kraftstoffinjektor, und

Fig. 2 eine Anlage zum Ausführen der Oberflächenbehand­ lung von Bauteilen in einem Kraftstoffinjektor.

Anhand von Fig. 1 wird ein Einspritzventil 1, das Teil eines Kraftstoffinjektors ist, näher erläutert, bei dem eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Das Einspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 11 auf, in dem eine Sackbohrung ausgeführt ist. Diese Sackbohrung ist in eine Führungsbohrung 13, eine Druckkammer 14 und eine Nadelschaftbohrung 18 unter­ teilt. Die Druckkammer 14 ist weiterhin über eine Zulaufboh­ rung 15 an eine Hochdruckkraftstoffversorgung angeschlossen.

In der Führungsbohrung 13 ist eine Düsennadel 12 mit ih­ rem Führungsschaft 22 eingesetzt. An den Führungsschaft 22 der Düsennadel 12 schließt sich über eine Druckschulter 16 ein Nadelschaft 17 an, der in der Nadelschaftbohrung 18 ange­ ordnet ist und an seinem vorderen Ende einen Sitzkegel 19 trägt. Der Sitzkegel 19 der Düsennadel 12 hat einen Sitz in einer konischen Düsenkuppe 20 des Düsenkörpers 11. In dieser konischen Düsenkuppe 20 sind unterhalb des Sitzkegels 19 der Düsennadel 12 Kraftstoffeinspritzlöcher 21 ausgeführt, über die Kraftstoff in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann.

Im Ruhezustand wird eine Haltekraft, z. B. durch eine Wirkverbindung mit einem Steuerkolben in einem Steuermodul (nicht gezeigt) auf den Führungsschaft 22 der Düsennadel 12 ausgeübt, so daß der Sitzkegel 19 der Düsennadel 12 in der konischen Düsenkuppe 20 aufsitzt und die Kraftstoffeinspritz­ löcher 21 verschließt. Zum Einspritzen wird durch geeignete Ansteuerung über das Steuermodul die Haltekraft auf den Füh­ rungsschaft 22 der Düsennadel 12 reduziert, so daß die in der Druckkammer 14 vom Kraftstoffdruck auf die Druckschulter 16 ausgeübte Kraft die Düsennadel 12 gegen die Haltekraft auf den Führungsschaft 22 zurückschiebt. Hierbei hebt der Sitzke­ gel 19 der Düsennadel 12 von der konischen Düsenkuppe 20 ab und Kraftstoff wird aus der Druckkammer 14 über die Nadel­ schaftbohrung 18 und die Kraftstoffeinspritzlöcher 21 in die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt.

Um eine Leckage von Kraftstoff, der z. B. bei einem Com­ mon-Rail-Einspritzsystem unter einem Druck von bis zu 1600 bar und mehr stehen kann, aus der Druckkammer 14 über die Führungsbohrung 13 zu verhindern, wird der Dichtspalt zwi­ schen dem Führungsschaft 22 der Düsennadel 12 und der Füh­ rungsbohrung 13 im Düsenkörper 11 sehr klein ausgelegt. In­ folge des engen Dichtspalts besteht die Gefahr, daß bei Strukturfehlern auf der Oberfläche des Führungsschaftes 22 bzw. der Führungsbohrung 13 der Führungsschaft 22 auf der Führungsbohrung 13 reibt, wodurch ein Verschleiß des Füh­ rungsschaftes 22 der Düsennadel 12 bzw. der Führungsbohrung 13 im Düsenkörper 11 hervorgerufen werden kann.

Um einem solchen Verschleiß vorzubeugen, werden insbe­ sondere die Oberflächen des Führungsschaftes 22 der Düsenna­ del 12 und der Führungsbohrung 13 im Düsenkörper 11 nachbe­ handelt. Eine solche Nachbehandlung kann aber auch bei einem Steuermodul im Kraftstoffinjektor, das zum Öffnen und Schlie­ ßen des Einspritzventils eingesetzt wird, durchgeführt wer­ den. In einem solchen Steuermodul ist ein Steuerkolben in ei­ ner Führungsbohrung eingesetzt, wobei der Steuerkolben in ei­ nem Steuerraum im allgemeinen mit dem Systemdruckdruck im Kraftstoffinjektor beaufschlagt wird. Um eine Leckage des Druckmediums aus dem Steuermodul zu verhindern, ist der Dichtspalt zwischen Führungsbohrung und Steuerkolben sehr eng ausgelegt, so daß auch hier aufgrund von Reibung die Gefahr eines Verschleißes der Bauteile besteht.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Anlage 3, mit der die er­ findungsgemäße Oberflächenbehandlung der Bauteile des Kraft­ stoffinjektors durchgeführt werden kann. Die Anlage 3 weist einen Rezipienten 31 auf, in dem ein Werkzeughalter 35 ange­ ordnet ist, an dem das Bauteil des Kraftstoffinjektors mit der zu behandelnden Oberfläche befestigt werden kann. In dem in Fig. 2 gezeigten Fall ist dies die Düsennadel 12. Im Rezi­ pienten 31 ist weiterhin eine Ionenquelle 34 und eine Heizung 36 angeordnet. Der Rezipient 31 weist außerdem einen Vakuu­ manschluß 33 auf, an dem eine Hochdruckvakuumpumpe ange­ schlossen werden kann. Zur Oberflächenbehandlung wird im Re­ zipienten 31 vorzugsweise ein Hochvakuum mit einem Druck von weniger als 10^-2 Pa erzeugt.

Bei der Oberflächenbehandlung des Bauteils, in Fig. 2 also der Düsennadel 12, wird nach Einstellung des Vakuums mit Hilfe der Ionenquelle 34 ein Plasma im Rezipienten 31 herge­ stellt, wobei vornehmlich die Gase N₂, CH₄ und O₂ ionisiert werden. Die Ionenquelle 34 ist dabei so ausgelegt, daß den Gasatomen vorzugsweise mindestens zwei Elektronen entzogen werden, wobei im Plasma ein Ionisierungsgrad der Gasatome bzw. Gasmoleküle von über 80% erreicht wird. Zur Oberflä­ chenbehandlung des Bauteils wird im Rezipienten 31 mit Hilfe der Heizung 36 eine Temperatur von 40° bis 150°C einge­ stellt.

Durch die mehrfach ionisierten Gasradikale im Rezipien­ ten 31 werden Strukturfehler auf der Bauteiloberfläche, die während des Herstellungsprozesses entstehen, ausgeglichen. Die mehrfach ionisierten Gasradikale dringen aufgrund ihres geringen Durchmessers in die Oberfläche des am Werkzeughal­ ters 35 befestigten Bauteils ein und lagern sich an offenen Atomverbindungen bzw. in Gitterlücken an. Die Eindringteile der Ionen kann dabei bis zu 150 µm betragen. Die sich in der Bauteiloberfläche einlagernden Ionen erzeugen durch Ausgleich von Fehlstellen eine nahezu perfekte Gitterstruktur, wodurch die Güte der Bauteiloberfläche wesentlich gesteigert wird. Solche Bauteiloberfläche zeichnet sich durch eine hohe Wider­ standskraft gegen Verschleiß aus, wodurch sich eine hohe Le­ bensdauer des Bauteils erreichen läßt.

Das dargestellte Oberflächenbehandlungsverfahren eignet sich besonders zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Dü­ sennadel bzw. des Steuerkolbens und deren Führungen in einem Kraftstoffinjektor. Das obige Verfahren sorgt neben einer ho­ hen Verschleißfestigkeit auch für eine gute Korrosionsbestän­ digkeit der Bauteile im Kraftstoffinjektor.

Claims (6)

1. Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Werk­ stücks, bei dem in der Oberfläche des Werkstücks Ionen implantiert werden, wobei das Verfahren zum Vergüten von Oberflächen von Bauteilen in einem Kraftstoffinjektor eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
Ionen implantiert werden, denen mindestens zwei Elektro­ nen entzogen sind, dass
die Ionen in die Bauteiloberfläche bei einer Temperatur von 40° bis 100°C implantiert werden, und dass
die Ionen bis in eine Bauteiltiefe von 150 µm implantiert werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Ionen in einem Plasma vorliegen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ionisierungsgrad des Plasmas über 80% beträgt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gase N₂, O₂ oder CH₄ ionisiert werden.

5. Steuermodul in einem Kraftstoffinjektor mit einem Steuer­ modulkörper, der einen Steuerraum zur Aufnahme eines Medi­ ums und eine mit dem Steuerraum in Verbindung stehende Führungsbohrung aufweist, und einem Steuerkolben, der in der Führungsbohrung geführt und auf der dem Steuerraum zu­ gewandten Fläche von dem im Steuerraum herrschendem Druck des Mediums beaufschlagt wird, wobei die Oberfläche des Steuerkolbens und/oder die Oberfläche der Führungsbohrung durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ver­ gütet sind.

6. Steuermodul gemäß Anspruch 5, wobei der Steuerkolben eine Düsennadel des Kraftstoffinjektors ist.