EP1419314B1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen und ein verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen und ein verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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EP1419314B1
EP1419314B1 EP02748600A EP02748600A EP1419314B1 EP 1419314 B1 EP1419314 B1 EP 1419314B1 EP 02748600 A EP02748600 A EP 02748600A EP 02748600 A EP02748600 A EP 02748600A EP 1419314 B1 EP1419314 B1 EP 1419314B1
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fuel injection
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internal combustion
steel
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
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    • F02M2200/90Selection of particular materials
    • F02M2200/9053Metals
    • F02M2200/9061Special treatments for modifying the properties of metals used for fuel injection apparatus, e.g. modifying mechanical or electromagnetic properties

Definitions

  • the temperature load of the fuel injection valves and thus of the needle seat in the valve body will increase further by increasing the performance or increasing the braking power, especially in commercial vehicles.
  • the case-hardening steels used hitherto and the hardening methods used for them are no longer sufficient for these applications.
  • the fuel injection valve according to the invention for internal combustion engines according to the preamble of claim 1 has the advantage over that the valve body is up to high temperatures form and wear resistant and is suitable for use at all operating points of an internal combustion engine.
  • the valve body of the fuel injection valve is made of a high-alloy hot work steel which has been hardened by a carburizing process. By combining the high-alloyed hot-work steel with a suitable carburizing process, the advantages of material and hardening process add up positively.
  • the hot-working steel is up to a temperature of 450 ° C form and wear resistant.
  • the fuel injection valve is suitable for use at all possible operating points of the internal combustion engine.
  • the high-alloy hot-work tool consists at least approximately of 0.4% carbon, 5% chromium, 1% molybdenum and other metallic and non-metallic elements in traces of less than 1% in total, with the 100% missing iron is.
  • Such steels, such as X 40 CrMo V 51, are commercially available and can be used without further effort.
  • the carburization process is a gas carburization process.
  • the inventive method for producing a valve body which is part of a fuel injection valve for internal combustion engines, has the advantage that the valve body by the treatment for use in the combustion chamber of an internal combustion engine has the necessary heat resistance.
  • the valve body is carburized in a gas atmosphere containing a hydrocarbon and then heat treated at a temperature of about 900 ° C in a vacuum, but at most at a pressure of 100 Pa.
  • the carburizing will take place at a pressure of less than 100 kPa.
  • this underpressure carburizing process provides a reduction in the formation of edge oxidations which reduce strength.
  • a fuel injection valve is shown in longitudinal section as an example of a hardened valve body.
  • the fuel injection valve shown in Figure 1 has a valve body 1, in which in a bore 3, a valve needle 5 is arranged longitudinally displaceable.
  • a substantially conical valve seat 9 is formed, in which at least one injection port 11 is formed, which connects the bore 3 with the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the valve needle 5 has a guide portion 15, with which it is sealingly guided in a leading portion 23 of the bore 3.
  • the valve needle 5 tapers to form a pressure shoulder 13 and merges into a reduced diameter shaft portion 17.
  • a substantially conical valve sealing surface 7 is formed on the valve needle 5, which cooperates with the valve seat 9 and so when it rests against the valve seat 9 which closes at least one injection opening 11 with respect to the bore 3.
  • a pressure chamber 19 is formed by a radial extension of the bore 3, which can be filled via an inlet channel 25 with fuel under high pressure.
  • the pressure chamber 19 continues to the valve seat 9 as an annular channel 21, which surrounds the shaft portion 17 of the valve needle 3. In this way, the fuel flows from the inlet channel 25 through the pressure chamber 19 and the annular channel 21 to the valve seat 9 and, if the valve sealing surface 7 is lifted from the valve seat 9, through the injection openings 11 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the valve needle 5 is controlled by the ratio of the hydraulic forces on the pressure shoulder 13 and the valve sealing surface 7 on the one hand and a closing force on the other hand, which acts on the combustion chamber facing away from the end of the valve needle 5 and the valve needle 5 acts in the direction of the valve seat 9.
  • One possible operating state of the fuel injection valve is that the closing force on the valve needle 5 remains constant, while the fuel pressure in the pressure chamber 19 and in the annular channel 21 changes from the inlet channel 25 due to the supply of fuel. Due to the fuel pressure in the pressure chamber 19 and in the region of the valve seat 9, the valve needle 5 experiences a hydraulic force, which is directed away from the valve seat 9.
  • this hydraulic force is greater than the closing force on the valve needle 5, then it moves away from the valve seat 9 and thus lifts off from the valve seat 9 with the valve sealing surface 7. If the pressure in the pressure chamber 19 drops below a certain threshold pressure, then the closing force on the valve needle 5 predominates and it moves again in the direction of the valve seat 9 until the valve sealing surface 7 closes the at least one injection opening 11 again.
  • valve body 1 Due to the longitudinal movement of the valve needle 5 and the relatively hard placement of the valve needle 5 on the valve seat 9 results in the region of the valve 9 high forces on the valve body 1. In addition, results from the longitudinal movement of the valve needle 5 in the leading portion 23 of the bore 3 friction losses between the valve needle 5 and the wall of the bore 3, which can lead to an inadmissibly high wear in a soft material of the valve body 1.
  • a so-called hot-work steel which belongs to the tool steels. Particularly advantageous is the use of high-alloy hot-work steels has proven, such as the steel X 40 CrMoV 51.
  • This high-alloyed hot-work tool steel can be exposed to working temperatures of up to 450 ° C without losing its hardness and wear resistance.
  • the surface of the valve body 1 must be additionally hardened.
  • carbon is introduced into the near-surface layers of the valve body 1 in a so-called carburizing process, as a result of which the surface becomes curable.
  • carburizing process is the gas carburizing process in which the steel is exposed to an atmosphere of hydrocarbons and chemically inert gases such as nitrogen (N 2 ) at a temperature of 900 ° C to 1000 ° C. The carbon diffuses into the near-surface layers of the valve body 1, so that there increases the carbon content.
  • the hardening depths are 0.3 to 4 mm.
  • carburizing the material becomes curable, which is carried out by a subsequent heating in a vacuum oven.
  • the workpiece in this case the valve body 1, heated to about 800 ° C, wherein in the curing oven is largely vacuum, in any case, a pressure of less than 100 Pa.
  • the advantage of this method of hardening the valve body 1 is the combination of a high-alloyed hot-work steel with a gas carburizing process which operates under reduced pressure, that is to say at a pressure of less than 100 kPa.
  • the advantages of the hot-work steel add up to those of the carburizing and hardening process.
  • a reduction in the number of cuts in the subsequent grinding work on the functional geometries is obtained since the injection opening 11 is reworked by hydroerosive grinding.
  • Another advantage is the reduction of the necessary initial hardness of the fuel injection valve and thus an improved workability after the heat treatment of the valve body 1.
  • One also obtains a reduction of the cavitation sensitivity of the surfaces especially in Zulaufbohrungs- and needle seat portion of the valve body. 1

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Description

    Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Härten von Stahl bekannt. Hierdurch soll die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit des Werkstoffs und seine Bearbeitbarkeit beeinflusst werden. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte Aufkohlen, bei dem Kohlenstoff in die oberflächennahen Schichten des Werkstücks eingebracht wird. Ein diesbezügliches Verfahren wird beispielsweise in der Schrift US 4 836 864 beschrieben. Weitere Möglichkeiten sind das Nitrieren von Stählen, bei dem Stickstoff in die oberflächennahen Schichten des Werkstücks eingebracht wird (siehe DE 3 536 452 A). Auch bei Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie vorzugsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden und beispielsweise in der DE 196 18 650 A1 beschrieben sind, ist der Einsatz solch gehärteter und behandelter Stähle bekannt, um die Lebensdauer der Stähle zu verlängern. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Motoren wird durch Leistungssteigerung oder Erhöhung der Bremsleistung insbesondere bei Nutzfahrzeugen die Temperaturbelastung der Kraftstoffeinspritzventile und damit des Nadelsitzes im Ventilkörper weiter zunehmen. Die bisher verwendeten Einsatzstähle und die dafür verwendeten Härtungsmethoden reichen für diese Anwendungen nicht mehr aus.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Ventilkörper bis zu hohen Temperaturen form- und verschleißbeständig ist und so für die Anwendung bei allen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine geeignet ist. Der Ventilkörper des Kraftstoffeinspritzventils besteht aus einem hochlegierten Warmarbeitsstahl, der durch ein Aufkohlverfahren gehärtet worden ist. Durch die Kombination des hochlegierten Warmarbeitsstahls mit einem geeigneten Aufkohlverfahren addieren sich die Vorteile von Material und Härtverfahren positiv. Man erhält eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit des hochlegierten Stahls durch eine reduzierte Kerbwirkung beim Einsatz, eine Reduzierung der Abträge bei der anschließenden Schleifbearbeitung an den Funktionsgeometrien und eine Reduzierung der notwendigen Ausgangshärte des Ventilkörpers und damit eine verbesserte Bearbeitbarkeit sowie eine Reduzierung der Kavitationsempfindlichkeit im Ventilkörper, insbesondere im Bereich des Ventilsitzes.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist der Warmarbeitsstahl bis zu einer Temperatur von 450 °C form- und verschleißbeständig. Hierdurch ist das Kraftstoffeinspritzventil für den einen Einsatz bei allen möglichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine geeignet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der hochlegierte Warmarbeitsstahl zumindest näherungsweise aus 0,4 % Kohlenstoff, 5 % Chrom, 1 % Molybdän und sonstigen metallischen und nicht metallischen Elementen in Spuren von insgesamt weniger als 1 %, wobei der zu 100 % fehlende Anteil Eisen ist. Derartige Stähle, wie z.B. X 40 CrMo V 51, sind handelsüblich und können ohne weiteren Aufwand zum Einsatz kommen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Aufkohlverfahren ein Gasaufkohlverfahren. Durch das Aufkohlen wird eine sonst nötige aufwendige Nachbearbeitung überflüssig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers, der Teil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen ist, weist den Vorteil auf, dass der Ventilkörper durch die Behandlung für den Einsatz im Brennraum einer Brennkraftmaschine die notwendige Warmfestigkeit aufweist. Hierzu wird der Ventilkörper in einer Gasatmosphäre, die einen Kohlenwasserstoff enthält, aufgekohlt und anschließend bei einer Temperatur von etwa 900 °C im Vakuum, höchstens jedoch bei einem Druck von 100 Pa, wärmebehandelt. Durch die Kombination dieser beiden Verfahrensschritte bei einem hochlegierten Warmarbeitsstahl kann eine optimale Härtung und Verschleißfestigkeit des hochlegierten Warmarbeitsstahl erreicht werden, so dass dieser auch bei Temperaturen, wie sie unter extremen Belastungen im Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine auftreten, verwendbar bleibt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahren wird das Aufkohlen bei einem Druck von weniger als 100 kPa stattfinden. Durch dieses Unterdruckaufkohlverfahren erhält man insbesondere eine Verminderung der Bildung von Randoxidationen, die festigkeitsvermindernd sind.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt als Beispiel für einen gehärteten Ventilkörper dargestellt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Das in Figur 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem in einer Bohrung 3 eine Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. Am brennraumseitigen Ende der Bohrung 3 ist ein im wesentlichen konischer Ventilsitz 9 ausgebildet, in dem wenigstens eine Einspritzöffnung 11 ausgebildet ist, die die Bohrung 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet. Die Ventilnadel 5 weist einen Führungsabschnitt 15 auf, mit dem sie in einen führenden Abschnitt 23 der Bohrung 3 dichtend geführt ist. In Richtung des Ventilsitzes 9 verjüngt sich die Ventilnadel 5 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht in einen im Durchmesser verminderten Schaftabschnitt 17 über. An ihrem Ende ist an der Ventilnadel 5 eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 ausgebildet, die mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt und so bei Anlage am Ventilsitz 9 die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 gegenüber der Bohrung 3 verschließt.
  • Auf Höhe der Druckschulter 13 ist durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ein Druckraum 19 ausgebildet, der über einen Zulaufkanal 25 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Der Druckraum 19 setzt sich dem Ventilsitz 9 zu als Ringkanal 21 fort, der den Schaftabschnitt 17 der Ventilnadel 3 umgibt. Auf diese Weise fließt der Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 25 durch den Druckraum 19 und den Ringkanal 21 bis zum Ventilsitz 9 und, falls die Ventildichtfläche 7 vom Ventilsitz 9 abgehoben ist, durch die Einspritzöffnungen 11 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Die Ventilnadel 5 wird durch das Verhältnis der hydraulischen Kräfte auf die Druckschulter 13 und die Ventildichtfläche 7 einerseits und einer Schließkraft andererseits gesteuert, welche auf das brennraumabgewandte Ende der Ventilnadel 5 einwirkt und die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 9 beaufschlagt. Ein möglicher Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils ist der, dass die Schließkraft auf die Ventilnadel 5 konstant bleibt, während sich der Kraftstoffdruck im Druckraum 19 und im Ringkanal 21 durch nachgeführten Kraftstoff aus dem Zulaufkanal 25 ändert. Durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 19 und im Bereich des Ventilsitzes 9 erfährt die Ventilnadel 5 eine hydraulische Kraft, die vom Ventilsitz 9 weggerichtet ist. Ist diese hydraulische Kraft größer als die Schließkraft auf die Ventilnadel 5, so bewegt sich diese vom Ventilsitz 9 weg und hebt somit mit der Ventildichtfläche 7 vom Ventilsitz 9 ab. Unterschreitet der Druck im Druckraum 19 einen bestimmten Schwelldruck, so überwiegt die Schließkraft auf die Ventilnadel 5 und sie bewegt sich wieder in Richtung des Ventilsitzes 9, bis die Ventildichtfläche 7 die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 erneut verschließt.
  • Durch die Längsbewegung der Ventilnadel 5 und das relativ harte Aufsetzen der Ventilnadel 5 auf den Ventilsitz 9 ergeben sich im Bereich des Ventils 9 hohe Kräfte auf den Ventilkörper 1. Darüber hinaus ergibt sich durch die Längsbewegung der Ventilnadel 5 im führenden Abschnitt 23 der Bohrung 3 Reibungsverluste zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3, was bei einem weichen Material des Ventilkörpers 1 zu einem unzulässig hohen Verschleiß führen kann. Um die Härte und damit die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, verwendet man für den Ventilkörper 1 einen sogenannten Warmarbeitsstahl, der zu den Werkzeugstählen gehört. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von hochlegierten Warmarbeitsstählen erwiesen, wie beispielsweise des Stahls X 40 CrMoV 51. Dieser hochlegierte Warmarbeitsstahl kann Arbeitstemperaturen von bis zu 450 °C ausgesetzt werden, ohne dabei an Härte und damit an Verschleißfestigkeit zu verlieren. Um jedoch die erforderlichen Qualitätsanforderungen für Kraftstoffeinspritzventile zu erreichen, muss die Oberfläche des Ventilkörpers 1 zusätzlich gehärtet werden. Hierzu wird in die oberflächennahen Schichten des Ventilkörpers 1 Kohlenstoff in einem sogenannten Aufkohlverfahren eingebracht, wodurch die Oberfläche härtbar wird. Ein mögliches Aufkohlverfahren ist das Gasaufkohlverfahren, bei dem der Stahl bei einer Temperatur von 900 °C bis 1000 °C einer Atmosphäre aus Kohlenwasserstoffen und chemisch inerten Gasen, wie beispielsweise Stickstoff (N2), ausgesetzt wird. Dabei diffundiert der Kohlenstoff in die oberflächennahen Schichten des Ventilkörpers 1 ein, so dass dort der Kohlenstoffgehalt ansteigt. Die Einhärtungstiefen betragen hierbei 0,3 bis 4 mm. Durch das Aufkohlen wird der Werkstoff härtbar, was durch ein anschließendes Heizen im Vakuumofen durchgeführt wird. Hierbei wird das Werkstück, in diesem Fall der Ventilkörper 1, auf ca. 800 °C erwärmt, wobei in dem Härtungsofen weitgehend Vakuum herrscht, auf jeden Fall ein Druck von weniger als 100 Pa.
  • Der Vorteil dieses Härtungsverfahrens des Ventilkörpers 1 besteht in der Kombination eines hochlegierten Warmarbeitsstahls mit einem Gasaufkohlverfahren, das mit Unterdruck arbeitet, also bei einem Druck von weniger als 100 kPa. Hierdurch addieren sich die Vorteile des Warmarbeitsstahls mit denen des Aufkohl- und Härtverfahrens. Man erhält eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit des hochlegierten Stahls durch reduzierte Kerbwirkung beim Einsatz des Unterdruckaufkohlverfahrens, da Randoxidationen vermieden werden. Gleichzeitig erhält man eine Reduzierung der Abträge bei der anschließenden Schleifbearbeitung an den Funktionsgeometrien, da die Einspritzöffnung 11 durch hydroerosives Schleifen nachbearbeitet wird.
  • Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung der notwendigen Ausgangshärte des Kraftstoffeinspritzventils und damit eine verbesserte Bearbeitbarkeit nach der Wärmebehandlung des Ventilkörpers 1. Man erhält auch eine Reduzierung der Kavitationsempfindlichkeit der Oberflächen speziell im Zulaufbohrungs- und Nadelsitzbereich des Ventilkörpers 1.
  • Neben dem hochlegierten Warmarbeitsstahl X 40 CrMoV 51 können auch andere hochlegierte Warmarbeitsstähle verwendet werden, die einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,5 % aufweisen.

Claims (6)

  1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1) und wenigstens einer darin ausgebildeten Einspritzöffnung (11), durch die gesteuert durch eine Ventilnadel (5), die mit einem im Ventilkörper (1) ausgebildeten Ventilsitz (9) zusammenwirkt, Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, wobei der Ventilkörper (1) aus einem Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein hochlegierter Warmarbeitsstahl ist, der durch ein Aufkohlverfahren gehärtet worden ist.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmarbeitsstahl bis zu einer Temperatur von 450 °C form- und verschleißbeständig ist.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmarbeitsstahl zumindest näherungsweise 0,4 % Kohlenstoff, 5 % Chrom, 1 % Molybdän und sonstige metallische und nicht metallische Elemente in Spuren von insgesamt weniger als 1 % enthält, wobei der zu 100 % fehlende Anteil Eisen ist.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlverfahren ein Gasaufkohlverfahren ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers (1), der Teil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen ist und aus einem hochlegierten Warmarbeitsstahl vorgefertigt ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    - Aufkohlen des Ventilkörpers in einer Gasatmosphäre, die einen Kohlenwasserstoff enthält,
    - Wärmebehandlung des Ventilkörpers bei einer Temperatur von 900 bis 1000 °C bei einem Druck von weniger als 100 Pa.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen bei einem Druck von weniger als 100 kPa stattfindet.
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