DE60130826T2

DE60130826T2 - Beschichtetes Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60130826T2
Application number: DE60130826T
Authority: DE
Inventors: Noreen L. Rochester Mastro; Robert Washington Halsall; Jeffrey M. Honeoye Falls Noll; Stephen J. Bloomfield Harris; David W. Henrietta Rogers
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: US6508416B1; DE60130826D1; EP1150004B1; EP1150004A3; EP1150004A2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftstoffeinspritzeinrichtungen zur Förderung von Kraftstoff zum Einlasssystem eines Verbrennungsmotors und im Spezielleren eine elektromagnetische Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit verbesserten Verschleißeigenschaften.
Hintergrund der Erfindung
Viele der Komponenten in einem modernen Verbrennungsmotor müssen auf genaue Toleranzen gefertigt werden, um den Kraftstoffverbrauch und die Motorleistung zu optimieren und Fahrzeugemissionen zu minimieren. Dennoch erwartet man, dass diese Komponenten in den rauesten Umgebungen wie z. B. bei extremen Temperaturen und wiederholter starker Belastung ohne ein vorzeitiges Versagen arbeiten.
Es ist im Stand der Technik bekannt, Beschichtungen aus verschiedenen Materialien auf kritischen Komponenten von Verbrennungsmotoren zu verwenden, um die Verschleißfestigkeit zuverbessern und/oder die Reibung zu reduzieren. Zum Beispiel sind amorphe Kohlenwasserstofffilme und amorphe oder nanokristalline Keramikbeschichtungen, die bei Antriebsstrangkomponenten, insbesondere bei Ventilstößeln angewandt werden, in den US-Patenten Nr. 5 237 967 , 5 249 554 und 5 309 874 beschrieben. Auch das US-Patent Nr. 5 783 261 beschreibt die Verwendung einer amorphen, kohlenstoffbasierten Beschichtung, die bis zu 30 Gew.-% eines Karbid bildenden Materials enthält, um die Lebensdauer eines Kraftstoffeinspritzeinrichtungsventils mit einer in einem Ventilkörper arbeitenden Nadel zu verlängern. Die GB-A-2 341 911 offenbart einen Kraftstoff einspritzeinrichtungsplunger mit einer Primärbeschichtung aus z. B. Wolfram-DLC. Der bevorzugte Wolframgehalt in einem Wolframkarbid enthaltenden Kohlenstoff beträgt zwischen 15 und 30 %.
In einem Verbrennungsmotor muss ein Kraftstoffeinspritzeinrichtungsventilmechanismus eine gesteuerte Menge von Kraftstoff synchron mit dem Zyklus des Motors liefern, um den Kraftstoffverbrauch, die Leistung und die Fahrzeugemissionen zu steuern. Die Einspritzeinrichtungsflächen, die einem Gleit- und/oder Stoßkontakt mit anderen Metallflächen ausgesetzt sind, sind typischerweise durch einen herkömmlichen Kraftstoff wie Z. B. Benzin geschmiert, wodurch ein übermäßiger Verschleiß, der die Lebensdauer der Einspritzeinrichtung verringert, verhindert wird.
Mit den weltweiten Schwankungen bei der Ölversorgung hat sich der Markt alternativen Kraftstoffen wie z. B. Kraftstoffen mit Alkoholkomponenten als Mittel zum Ergänzen der Ölversorgung zugewandt. Allerdings kann die Aufnahme eines Alkohols wie z. B. Ethanol in einem Benzinkraftstoff die Acidität des Kraftstoffs deutlich erhöhen und seine Schmierfähigkeit verringern, was zu einem Korrosionsverschleiß, Fressen, Reiben und anderen Schäden an beiden zusammengepassten Teilen von Gleit- und Stoßflächen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung führt. Der Schaden kann eine unregelmäßige Kraftstoffdosierung durch die Einspritzeinrichtung zur Folge haben. Die Größe des Effekts hängt von der Menge des dem Kraftstoff zugesetzten Alkohols und der Qualität des Alkohol enthaltenden Kraftstoffes ab. Es hat sich herausgestellt, dass Kraftstoffe, die Ethanol geringerer Qualität enthalten, mit mehr als 25 ppm Schwefelsäure verunreinigt sind, was die oben angeführten Probleme sehr erschwert und zu großen Einspritzeinrichtungs-Durchflussverschiebungen (Kalibrationsänderungen) und einem periodisch auftretenden Hängenbleiben von Ventilen führen kann, bevor die Einspritzeinrichtung nur einen Bruchteil ih rer normalen Lebensdauer erreicht. Dies wiederum beeinflusst negativ die Fähigkeit des Motors, die Menge von im Brennraum aufgenommenem Kraftstoff präzise zu steuern, was den Kraftstoffverbrauch, die Leistung und die Emissionen nachteilig beeinflussen kann.
Eine Reduktion des Verschleißes einer Einspritzeinrichtungsventilanordnung, insbesondere einer, die mit korrosiven Ethanol-Benzin-Gemischen oder anderen Kraftstoffen mit die Schmierfähigkeit begrenzenden Komponenten wie z. B. schwefelarmen Dieselkraftstoffen verwendet werden soll, ist somit ein höchst erstrebenswertes Ziel, das durch die vorliegende Erfindung realisiert ist. Was im Stand der Technik ebenfalls benötigt wird, ist eine Einspritzeinrichtungsventilanordnung mit einer erhöhten Leistungszuverlässigkeit mit minimalen/m Durchflussverschiebungen auf Grund von Verschleiß oder Hängenbleiben von Ventilen über ihre Lebensdauer.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Zusammengefasst umfasst die vorliegende Erfindung, die vorzugsweise auf eine elektromagnetische Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit verbesserten Verschleißeigenschaften abzielt, einen Körper mit einem Kraftstoffeinlass und einem Kraftstoffauslass. Ein Ventilsitz ist abdichtend mit dem Körper und einem beweglichen Ventilelement, das an dem Kraftstoffauslass positioniert ist, verbunden, um die Strömung von Kraftstoff aus dem Auslass zu steuern. Das Ventilelement umfasst ein Ventilauslasselement, das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz bereitstellt. Das Ventilelement und das Ventilauslasselement umfassen ferner Verschleißflächen, die einem wiederholten Stoß- und/oder Gleitkontakt ausgesetzt sind. Zumindest ein Abschnitt dieser Verschleißflächen ist mit einer dün nen Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet, die durch Einschluss von mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist. Ein Solenoidstellantrieb, der in dem Körper angeordnet ist, steuert die Bewegung des Ventilelements relativ zu dem Ventilsitz.
Es hat sich herausgestellt, dass sich die Qualität der Haftung der DLC-Beschichtung verschlechtern kann, wenn die Beschichtungsdicke deutlich über 6 μm ansteigt. Dies kann zu einem Verlust der Haftung, einem Absplittern der Beschichtung und einer Verschlechterung der Fähigkeit der Beschichtung führen, einem Metallverschleiß zu widerstehen. In einer weiteren Ausführungsform ist eine erste Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall als Basis unter der DLC-Schicht im Bereich des magnetischen Weges angeordnet. Die Dicke der nichtmagnetischen Schicht bildet den notwendigen Luftspalt in dem magnetischen Weg, wodurch es möglich ist, eine dünnere DLC-Beschichtung zur Haftungsoptimierung auf das Gebiet aufzubringen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei das bewegbare Ventilelement einen rohrförmigen Kern, der einen axialen Kraftstoffeinlassdurchgang definiert, zusammen mit einem im Wesentlichen kugelförmigen Ventilelement umfasst, das eine abdichtende Grenzfläche mit einem Ventilsitz bereitstellt. Es ist zu erkennen, dass die in den Zeichnungen gezeigten Merkmale nicht unbedingt maßstabgetreu sind.
2A–D sind seitliche Querschnittsansichten, die vier Ausführungsformen des in der in 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfassten Ventilelements zeigen.
3A–D sind seitliche Querschnittsansichten, die vier weitere Ausführungsformen des in der in 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfassten Ventilelements zeigen.
4 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei das bewegbare Ventilelement eine feste Säule umfasst, die mit einem halbkugelförmigen Abschnitt verbunden ist, welcher eine abdichtende Grenzfläche mit einem Ventilsitz bereitstellt.
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorliegen den Erfindung, wobei das bewegbare Ventilelement einen Zapfen umfasst, der eine Nadel aufweist, welche eine abdichtende Grenzfläche mit einem Ventilsitz bereitstellt.
6 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzeinrichtungsventils der vorliegen den Erfindung, wobei das bewegbare Ventilelement eine im Wesentlichen flache Scheibe umfasst, die eine abdichtende Grenzfläche mit einem Ventilsitz bereitstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Abschnitt der Verschleißflächen, d. h. der Flächen des Ventilelements, die einem wiederholten Stoß- und/oder Gleitkontakt ausgesetzt sind, mit einer Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet sind, die durch das Vorhandensein von mehr als 30 Gew.-% eines Karbid bildenden Materials stabilisiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silizium, Titan und Wolfram besteht. DLC, ein amorpher Kohlenstoff mit einem hohen Grad an sp³-Bindung ist, wie im Stand der Technik bekannt, ein extrem hartes Material, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und einen hohen Grad an chemischer Inertheit aufweist. Die Möglichkeit einer DLC-Beschichtung von verschiedenen Substraten wird durch eine Anzahl kommerzieller Einrichtungen angeboten.
In 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 mit einem Körper 11, einem Ventilsitz 12, der abdichtend mit dem Körper 11 verbunden ist, und einem bewegbaren Ventilelement 13, das einen rohrförmigen Kern 14 umfasst, welcher einen Kraftstoffhohlraum 15 bereitstellt, der sich von einem Einlass 16 zu einem Auslass 17 erstreckt, der mit um den Umfang beabstandeten Kraftstoffdurchflussöffnungen 18 versehen ist. Der Kern 14, der als Anker dient, dessen Bewegung auf eine Erregung eines Solenoidstellantriebs 19 anspricht, ist vorzugsweise aus Stahl, bevorzugter aus magnetischem Edelstahl gebildet. Das Ventilelement 13 umfasst ferner ein Ventilauslasselement 20, das vorzugsweise aus Stahl, bevorzugter aus gehärtetem Edelstahl gebildet ist. Das Ventilauslasselement 20, das im Wesentlichen kugelförmig ist und einen Radius aufweist, der für einen Eingriff mit dem Ventilsitz 12 ausgewählt ist, ist vorzugsweise aus gehärtetem Edelstahl gebildet und ist mit dem Kern 14 vorzugsweise durch Schweißen verbunden. Der Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 ist ähnlich dem in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfassten, die in der Europäischen Anmeldung EP 0 781 916 A1 beschrieben ist.
Der Kern 14 besitzt eine äußere Einlassend-Verschleißfläche 21 des, die in Stoßkontakt mit einem Polstück 22 gelangt, und eine ringförmige äußere Verschleißfläche 23, die in Gleitkontakt mit einer Führung 22a gelangt, die mit dem Polstück 22 verbunden ist. Das Ventilauslasselement 20 besitzt eine äußere Verschleißfläche 24, die mit dem Ventilsitz 12 und einer Ventilführung 25 in Kontakt steht. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Abschnitt der Verschleißflächen 21, 23 und 24 mit einer Schicht 26 aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet, die durch das Vorhandensein von mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 40 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 50 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist. Die DLC-Schicht 26 auf den Verschleißflächen 21, 23 und 24 des rohrförmigen Kerns 14 und des Ventilauslasselements 20, die in dem Ventilelement 13 umfasst sind, ist in 2A gezeigt. Die DCL-Schicht 26 auf jeder der Verschleißflächen 21, 23 und 24 weist eine Dicke von bis zu 6 μm, vorzugsweise bis zu 3 μm auf. In einer unten beschriebenen alternativen Ausführungsform weist die DCL-Schicht 26 auf der äußeren Einlassend-Verschleißfläche 21 und der ringförmigen Verschleißfläche 23 des Kerns 14 eine Dicke von vorzugsweise bis zu 1 μm auf.
Silizium ist das Karbid bildende Material und die DLC-Schicht 26 ist Vorzugsweise durch ein plasmaunterstütztes chemisches Gasphasenabscheidungs (CVD)-Verfahren auf den Kern- und Ventilkugeloberflächen gebildet, die durch Sputtern mit einem Inertgas wie z. B. Argon geätzt wurden.
Solche Verfahren sind im Stand der Technik, z. B. dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 5 783 261 , bekannt.
Die Menge des Karbid bildenden Materials, z. B. Silizium, die in der DLC-Schicht vorhanden ist, kann durch Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (SEM-EDX) unter Verwendung z. B. eines mit einer Beschleunigungsstrahlspannung von 5 kV betriebenen Hitachi S-2700 SEM-Geräts bestimmt werden.
Die 2B–D zeigen Ventilelemente 27, 28 und 29, die sich von dem Ventilelement 13 hauptsächlich in der Form des Ventilauslasselements, das mit dem Ventilsitz 12 und der Ventilführung 25 in Kontakt steht, unterscheiden. Das Ventilelement 27 umfasst ein Ventilauslasselement 30, das im Wesentlichen eine halbkugelförmige Form aufweist, und das Ventilauslasselement 31 des Ventilelements 28 ist kegelstumpfförmig. Auch das Ventilauslasselement 32 des Ventilelements 29 ist kegelstumpfförmig, umfasst jedoch ferner eine Nadel 33, die einer Strahlbild- und/oder Dosierfunkzion dient. Eine Leitplatte 39, wie in 1 gezeigt, die verschieden dimensionierte Öffnungen enthält, wird üblicherweise verwendet, um eine Kraftstoffdosierung für die Ventilelemente 13, 27 und 28 vorzusehen und die Zerstäubung des Kraftstoffstrahls zu unterstützen.
Die 3A–D zeigen Ventilelemente 35, 36, 37 und 38 gemäß der vorliegenden Erfindung, die den in den 2A–D gezeigten Ventilelementen 13, 27, 28 bzw. 29 ähnlich sind, außer dass sie eine nichtmagnetische Metallschicht 34 auf der Verschleißfläche 21 und der ringförmigen Verschleißfläche 23 des Kerns 14 umfassen. Die Eigenschaften und die Art und Weise der Bildung von DLC-Schichten auf den Verschleißflächen 21, 23 und 24 für die bewegbaren Ventilelemente 35, 36, 37 und 38 wie auch für die Elemente 27, 28 und 29 sind dieselben wie die oben für das Ventilelement 13 beschriebenen. Die nicht magnetische Metallgrundschicht 34 dient dazu, einen minimalen magnetischen Luftspalt zwischen der Stoßfläche 21 und dem Polstück 22 und zwischen der Verschleißfläche 23 und der Führung 22a beizubehalten, was die Verwendung einer dünneren DCL-Schicht 26 in diesem Gebiet, vorzugsweise mit einer Dicke von weniger als 1 μm, erlaubt, um Korrosion zu vermeiden und die Reibung zu reduzieren. Die Schicht 34 umfasst vorzugsweise Chrom wie z. B. Dünnschicht-Sphärochrom (nodular thin dense chrome = NTDC), das durch Galvanisieren in einer Dicke bis zu 6 μm, vorzugsweise bis zu 4 μm abgeschieden werden kann.
Als eine Alternative zur Verwendung von zwei getrennten Verfahren, um die nichtmagnetische Metallschicht 34 und die DLC-Schicht 26 abzuscheiden, kann eine Grundschicht 34 aus glattem Chrom oder einem anderen nichtmagnetischen Metall wie z. B. Titan oder Wolfram, die für den Luftspalt verwendet wird, gemeinsam mit der DLC-Schicht 26 in einem einzigen mehrstufigen CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden werden, wie im Stand der Technik bekannt.
Bei einer Bewertung mit einem korrosiven, 85 % Ethanol und Spuren von Schwefelsäure enthaltenden Kraftsoff überschritt die DLC-Beschichtung 26 auf einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 eine Verbraucheranforderung von 250 Millionen Einspritzzyklen ohne wesentlichen Schaden an der Kraftstoffeinspritzeinrichtung deutlich. Selbst nach 1,1 Milliarden Einspritzzyklen war nahezu kein Verschleiß an den Gleit- und Stoßflächen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 festzustellen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 umfasst einen Körper 411, einen Ventilsitz 412, der mit dem Körper 411 abdichtend verbunden ist, und ein bewegbares Ventilelement 413, das eine feste Säule 414 umfasst, die in einem halbkugelförmigen Ventilauslasselement 415 endet, das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz 412 bereitstellt. Der Körper 411 umfasst einen Kraftstoffhohlraum 416, der sich von einem Einlass 417, der mit einem Filter 418 versehen ist, zu einem Auslass 419 erstreckt. (Die Pfeile zeigen den Durchfluss von Kraftstoff durch den Körper 411 an). Die Säule 414 und das Ventilauslasselement 415 sind vorzugsweise aus Stahl, bevorzugter aus gehärtetem Edelstahl gebildet. Das Ventilelement 413 umfasst ferner einen magnetischen Kernring 420, der vorzugsweise durch eine Presspassung mit der Säule 414 verbunden ist, und spricht auf eine Erregung des Solenoidstellantriebs 421 an.
Der magnetische Kernring 20 umfasst eine Verschleißfläche 422, wo er in Gleitkontakt mit einem Abstandhalter 423 gelangt. Das Ventilauslasselement 415 umfasst Verschleißflächen 424 und 425, wo es in Gleit- und Stoßkontakt mit dem Ventilsitz 12 gelangt. Zumindest ein Abschnitt der Verschleißflächen 422, 424 und 425 umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung eine aufgebrachte Schicht 426 aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), die durch den Einschluss von mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist.
Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung wie z. B. die in 1 gezeigte Einspritzeinrichtung dient nur der Steuerung mittels Ventil, wobei das Dosieren typischerweise durch eine Leitplatte 39 bewerkstelligt wird, was eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Kraftstoffablagerungen vorsieht. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Einspritzeinrichtungen vom Nadel-Typ, die einen Zapfen sowohl für die Steuerung mittels Ventil als auch zum Dosieren verwendet. In 5 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 50 gezeigt, die einen Körper 511, einen Ventilsitz 512, der mit dem Körper 511 abdichtend verbunden ist, und ein bewegbares Ventilelement 513 umfasst, das einen Zapfen 514 umfasst, der in einem Ventilauslasselement 515 endet, das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz 512 bereitstellt. Der Körper 511 umfasst einen Kraftstoffhohlraum 517, der sich von einem Einlass 518 zu einem Auslass 519 erstreckt.
Im Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 50 bewirkt das Erregen des Ventilelements 513 durch die Solenoidstellantriebsanordnung 50, dass sich der Zapfen 514 und das Ventilauslasselement 515 von dem Ventilsitz 512 nach außen in eine offene Position bewegen. Das Zusammenwirken des Ventilauslasselements 515 und des Ventilsitzes 512 bestimmt die Kraftstoffdurchflussrate und das Spritzbild.
Das Ventilelement 513 umfasst eine Stoßverschleißfläche 422, wo es in Stoßkontakt mit einem Polstück 522 gelangt, und eine Verschleißfläche 523, wo es in Gleitkontakt mit einer oberen Führung 525 steht. Der Zapfen 514 umfasst eine Verschleißfläche 524, wo er in Gleitkontakt mit einer unteren Führung 526 steht. Der Ventilauslass 515 umfasst eine Verschleißfläche 527, wo er in Gleit- und Stoßkontakt mit dem Ventilsitz 512 gelangt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest ein Abschnitt der Verschleißflächen 521, 523, 524 und 527 eine aufgebrachte Schicht 528 aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), die durch Einschluss von mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist. Die Schicht 528 weist eine Dicke von vorzugsweise bis zu 1 μm auf.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 60 der vorliegenden Erfindung, die einen Körper 611 umfasst, der einen Kraftstoffeinlass 612 und einen Kraftstoffauslass 613 aufweist und mit einer Basis 614 abdichtend verbunden ist, die ein Kraftstoffreservoir 615 und einen Ventilsitz 616 umfasst. Ein scheibenförmiges Ventilelement 617 umfasst als ein Ventilauslasselement 618 eine im Wesentlichen flache Fläche 618a, die eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz 616 bereitstellt. Die Fläche 618a, von der ein Abschnitt eine Verschleißfläche des Ventilelements 617 ist, umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schicht 619 aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), die durch Einschluss von mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist und auf der Fläche 618a aufgebracht ist. Die Schicht 619 weist eine Dicke von vorzugsweise bis zu 1 μm auf.
Der Körper 611 umfasst einen Solenoidstellantrieb 620 und eine Vorspannfeder 621. Das Ventilelement 617, das als Anker dient, umfasst ein magnetisches Material, z. B. einen magnetischen Edelstahl. Eine flexible, nichtmagnetische Scheibe 622, die zwischen dem Körper 611 und einem Distanzring 623 positioniert ist, trennt das Ventilelement 617 von dem Solenoidstellantrieb 620, der, wenn er erregt wird, bewirkt, dass das Ventilelement 617 nach oben und von dem Ventilsitz 616 weg gedrängt wird. Bei einer Deaktivierung bewirkt die Vorspannfeder 621, dass sich das Ventilelement 617 nach unten bewegt und die DLC-Schicht 619 auf der Fläche 618a mit dem Ventilsitz 616 abdichtend in Kontakt gelangt und dadurch den Durchfluss von Kraftstoff sperrt. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 60 arbeitet allgemein wie in dem US-Patent Nr. 5 348 233 beschrieben.
Die verschiedenen Ausführungsformen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung weisen eine verbesserte Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit in Fällen auf, bei denen mit Alkoholen oder Wasser verunreinigte Kraftstoffe beteiligt sind, und finden in Brennstoffzellenanwendungen Verwendung, wo die Haltbarkeit der Einspritzeinrichtung ein vordringliches Problem darstellt.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventilauslasselement als kugelförmig, halbkugelförmig, kegelstumpfförmig, in der Form einer Nadel oder flach beschrieben. Es ist jedoch einzusehen, dass das Ventilauslasselement alternativ in jeder beliebigen Form ausgestaltet sein kann, um die gewünschte Kraftstoffsteuerung mittels Ventil und/oder Kraftstoffdosierung durch die Einspritzeinrichtung zu erzielen.
Die vorhergehende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erfolgte zum Zweck der Illustration und der Beschreibung und soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarte genaue Form beschränken. Der Fachmann wird einsehen, dass die offenbarten Ausführungsformen im Licht der Lehre obigen abgewandelt werden könne. Die beschriebenen Ausführungsformen sind zur Illustration der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung gewählt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen mit Abwandlungen zu nutzen, die für eine bestimmte Verwendung geeignet sind. Daher ist die vorhergehende Beschreibung als beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten und der tatsächliche Umfang der Erfindung ist der in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebene.

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die umfasst: mindestens eine Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a), wobei die mindestens eine Verschleißfläche einem mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist; und eine Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619), die auf der mindestens einen Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) mehr als 30 Gew.-% an Siliziumkarbid bildendem Material umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) mehr als 40 Gew.-% des Siliziumkarbid bildenden Materials umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) mehr als 50 Gew.-% des Siliziumkarbid bildenden Materials umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) eine Dicke aufweist und die Dicke bis zu 6 μm beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) eine Dicke aufweist und die Dicke bis zu 3 μm beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619) eine Dicke aufweist und die Dicke bis zu 1 μm beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall (34), die zwischen der mindestens einen Verschleißfläche (21, 23) und der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall (34) aus der Gruppe ausgewählt ist, die im Wesentlichen aus Chrom, Titan und Wolfram besteht.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall (34) auf die mindestens eine Verschleißfläche (21, 23) durch Galvanisieren, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall (34) eine Dicke aufweist und die Dicke bis zu 6 μm beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Schicht aus einem nichtmagnetischen Metall (34) eine Dicke aufweist und die Dicke bis zu 4 μm beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Körper (11; 411; 511; 611) mit einem Kraftstoffeinlass (16, 417; 518; 612) und einem Kraftstoffauslass (17; 419; 519; 613); einen Ventilsitz (12; 412; 512; 616), der mit dem Körper (11; 411; 611) verbunden ist; ein Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) mit einem Ventilauslasselement (20; 30, 31, 32; 415; 515; 618), wobei mindestens eines von dem Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) und dem Ventilauslasselement (20; 30, 31, 32; 415; 515; 618) mindestens eine Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a) aufweist, wobei die Verschleißfläche einem mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist und das Ventilauslasselement (20; 30, 31, 32; 415; 515; 618) derart ausgestaltet ist, dass es eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12; 412; 512; 616) bereitstellt, und das Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) derart ausgestaltet ist, dass es einen Durchfluss von Kraftstoff aus dem Kraftstoffauslass (17; 419; 519; 613) steuert; eine Solenoidstellantriebsanordnung (19; 421; 520; 620), die innerhalb des Körpers (11; 411; 511; 611) angeordnet ist, wobei die Solenoidstellantriebsanordnung (19; 421; 520; 620) eine Bewegung des Ventilelements (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) relativ zu dem Ventilsitz (12; 412; 512; 616) steuert; und die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619), die auf mindestens einer Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine elektromagnetische Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit verbesserten Verschleißeigenschaften ist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst: einen Körper (11; 411; 511; 611) mit einem Kraftstoffeinlass (16; 417; 518; 612) und einem Kraftstoffauslass (17; 419; 519; 613); einen Ventilsitz (12; 412; 512; 616), der mit dem Körper (11; 411; 511; 611) verbunden ist; ein Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617), das mindestens eine Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a) aufweist, wobei das Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) an dem Kraftstoffauslass (17; 419; 519; 613) des Körpers (11; 411; 511; 611) positioniert ist, um einen Kraftstoffdurchfluss aus dem Auslass (17; 419; 519; 613) zu steuern; wobei das Ventilelement (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) ein Ventilauslasselement (20; 30, 31, 32; 415; 515; 618) umfasst, das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12; 412; 512; 616) bereitstellt; eine Solenoidstellantriebsanordnung (19; 421; 520; 620), die innerhalb des Körpers (11; 411; 511; 611) angeordnet ist, wobei die Solenoidstellantriebsanordnung (19; 421; 520; 620) eine Bewegung des Ventilelements (13; 27, 28, 29; 413; 513; 617) relativ zu dem Ventilsitz (12; 412; 512; 616) steuert; und die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26; 426; 528; 619), die auf mindestens einer Verschleißfläche (21, 23, 24; 422; 521, 523, 524, 527; 618a) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilelement (13; 413) aus Edelstahl gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, wobei das Ventilauslasselement (20; 415) aus gehärtetem Edelstahl gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilelement (13) ferner einen rohrförmigen Kern (14) umfasst, wobei der rohrförmige Kern (14) einen axialen Kraftstoffhohlraum (15) definiert, wobei der Kern ferner eine Einlassende-Verschleißfläche (21) und eine ringförmige Verschleißfläche (23) aufweist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 17, wobei der rohrförmigen Kern (14) ferner Kraftstoffdurchflussöffnungen (18) umfasst, die in dem rohrförmigen Kern (14) definiert sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Stahlsäule (414), die sich innerhalb des Körpers (411) erstreckt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26) auf der ringförmigen Verschleißfläche (23) des rohrförmigen Kerns (14) eine Dicke von bis zu 1 μm aufweist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 16, wobei das Ventilauslasselement (20), das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12) bereitstellt, im Wesentlichen halbkugelförmig ist und einen Radius aufweist, der für einen Eingriff mit dem Ventilsitz (12) ausgewählt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilauslasselement (30), das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12) bereitstellt, im Wesentlichen kugelförmig ist und einen Radius aufweist, der für einen Eingriff mit dem Ventilsitz (12) ausgewählt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilauslasselement (31), das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12) bereitstellt, eine kegelstumpfförmige Verschleißfläche umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilauslasselement (32), das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (12) bereitstellt, eine Nadel (33) umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 24, wobei eine Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (26), die durch Einschluss von mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials stabilisiert ist, auf der Nadel (33) angeordnet ist und die Schicht (26) eine Dicke von bis zu 1 μm aufweist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 14, wobei das Ventilauslasselement (618), das eine abdichtende Grenzfläche mit dem Ventilsitz (616) bereitstellt, ein scheibenförmiges Ventilelement (617) mit einer im Wesentlichen flachen Verschleißfläche (618a) umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 26, wobei eine Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (619), die mehr als 30 Gew.-% eines Siliziumkarbid bildenden Materials umfasst, auf der flachen Verschleißfläche (618a) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 26, wobei das scheibenförmige Ventilelement (617) einen magnetischen Edelstahl umfasst.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 28, wobei die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (619) eine Dicke von bis zu 1 μm aufweist.