EP1880101B1 - Ventil, insbesondere kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

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EP1880101B1
EP1880101B1 EP06725242A EP06725242A EP1880101B1 EP 1880101 B1 EP1880101 B1 EP 1880101B1 EP 06725242 A EP06725242 A EP 06725242A EP 06725242 A EP06725242 A EP 06725242A EP 1880101 B1 EP1880101 B1 EP 1880101B1
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valve element
sealing surface
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Werner Teschner
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1873—Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/02—Fuel-injection apparatus having means for reducing wear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/90—Selection of particular materials
    • F02M2200/9038—Coatings

Definitions

  • the invention is based on a valve, as, for example, in the published patent application DE 100 38 954 A1 is shown.
  • a valve which is preferably designed as a fuel injection valve, has a housing in which a valve element is movably arranged.
  • the valve member has various faces that are subject to repeated sliding or impact loading during operation of the valve. At least some of these sub-surfaces are provided with a wear-reducing coating which reduces the wear caused by the sliding or impact movement and thus improves the life of the fuel injection valve.
  • the detachment of the coating preferably begins where a sharp edge is formed on the edge of the coated partial surface or within the coated partial surface. Once initiated, the coating stripping process continues over the life of the valve until the wear-reducing effect is severely compromised, which can significantly shorten the life of the valve.
  • valves are known, in particular of fuel injection valves. That's how it shows DE 101 33 433 Coatings, in particular diamond-like coatings, both of the valve element and the cooperating with the valve element surfaces in the housing, so the valve seat.
  • an injection valve is known in which the valve element has a coating which reduces wear.
  • the coating here comprises the entire surface of the valve member including the valve sealing surface which cooperates with the valve seat.
  • Another example is the DE 10313225 ,
  • the valve according to the invention has the advantage that the life is extended compared to a conventionally coated valve element and that the coating is maintained on the correspondingly mechanically stressed partial surfaces of the valve element over the entire life of the valve.
  • the flaking off of the coating in this area can be reliably prevented, which allows the coating as a whole to adhere reliably to the coated partial surfaces.
  • the coated part surface is formed as a substantially conical valve sealing surface which cooperates with a valve seat which is formed in the housing.
  • the valve element moves in its longitudinal direction so that an impact load occurs between the valve sealing surface and the valve seat when the flow of fuel to the injection ports is controlled by the longitudinal movement of the valve element.
  • an annular groove is formed, which at the transition to the valve sealing surface, a first and a second transition edge having. These transition edges are rounded, so that the wear-reducing coating adheres reliably to the entire valve sealing surface and in particular in the region of the transition edges.
  • the rounding of the edges is done with a radius in the range of 100 .mu.m to 150 .mu.m, in particular in the region of the valve sealing surface of a valve element.
  • FIG. 1 is a valve according to the invention, which is shown here as a fuel injection valve, shown in longitudinal section.
  • the valve has a housing 1, in a hole 3 is formed.
  • the bore 3 is delimited at its combustion-chamber-side end by a substantially conical valve seat 9, from which a plurality of injection openings 11 emanate which, in the installation position of the valve, open into a combustion chamber of the corresponding internal combustion engine.
  • a piston-shaped valve element 5 is arranged, which has a guide portion 15, with which the valve element 5 is guided in a corresponding bore portion 23 of the bore 3.
  • the valve element 5 tapers from the guide section 15 to form a pressure shoulder 13 and merges into a shaft region 25 which extends as far as a substantially conical valve sealing surface 7.
  • the valve sealing surface 7 forms a partial surface of the valve element 5, with which the valve element 5 cooperates with the conical valve seat 9.
  • the bore 3 is radially expanded, so that a pressure chamber 19 is formed, which continues the valve element 5 surrounding to the valve seat 9.
  • the pressure chamber 19 opens a running in the housing 1 inlet channel 27, via which the pressure chamber 19 can be filled with fuel under high pressure.
  • the valve element 5 is acted upon at its end remote from the valve seat by a closing force, which can be generated, for example, hydraulically or by a spring element, wherein the corresponding devices are not shown in the drawing. If fuel is introduced into the pressure chamber 19 under pressure, then a hydraulic force results on the pressure shoulder 13 and on parts of the valve sealing surface 7, whereby an axial opening force is exerted on the valve element 5, which is directed away from the valve seat 9 and thus the closing force is opposite.
  • a closing force which can be generated, for example, hydraulically or by a spring element, wherein the corresponding devices are not shown in the drawing.
  • valve element 5 moves away from the valve seat 9 and the injection openings 11 free or it moves into contact with the valve seat 9 and thus closes the injection openings 11 with respect to the pressure chamber 19th Whether the control ultimately by the Closing force or by a variable pressure in the pressure chamber 19, depends on the type of valve. Valves of this type are preferably used in self-igniting internal combustion engines.
  • FIG. 2 is the section of II FIG. 1 shown enlarged.
  • the valve sealing surface 7 has a first conical surface 32 and a second conical surface 34, which are separated from each other by an annular groove 30, wherein the annular groove 30 has a width d.
  • a first transition edge 36 is formed, and at the transition of the annular groove 30 to the second conical surface 34, a second transition edge 38.
  • the opening angle of the first conical surface 32 is smaller than the opening angle of the conical valve seat 9 during the Opening angle of the second conical surface 34 is greater than that of the valve seat 9.
  • the valve sealing surface 7 is provided with a coating 40 which has a wear-reducing effect and which is formed, for example, as a diamond-like layer, that is to say a so-called diamond-like-carbon layer (DLC layer).
  • a coating 40 which has a wear-reducing effect and which is formed, for example, as a diamond-like layer, that is to say a so-called diamond-like-carbon layer (DLC layer).
  • DLC layer diamond-like-carbon layer
  • the first transition edge 36 and the second transition edge 38 are each rounded, for example. With a radius R, as in FIG. 2 is indicated.
  • the rounding radius R is in this case in the range of 100 microns to 150 microns.
  • the width d of the annular groove 30 is preferably in the range of about 500 microns, so that a soft, steady transition from the first cone surface 32 to the annular groove 30 and from this to the second cone surfaces 34 is given.
  • a third transition edge 39 which is formed at the transition of the first conical surface 32 to the shaft region 25 of the valve element 5, also with a radius R to round.
  • a different rounding which does not exactly correspond to a circle segment with radius R, but in cross section has a different shape, in which case it is important that a sharp edge is avoided.
  • valve element 5 with a wear-reducing coating 40 over its entire surface, because it may be more cost-effective to provide the entire valve element 5 with a DLC layer and not just partial surfaces thereof.
  • the rounding radius R or the other rounding form does not have to be the same on all edges. It is also possible to provide different rounding radii, which are adapted to the circumstances in each case.
  • the coating of a valve element 5, which in this case has the shape of a piston-shaped valve needle the coating can also be applied to any other movable part of a valve, in which case the edges are rounded accordingly.

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Abstract

Ventil, vorzugsweise Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (1) mit einem darin angeordneten, beweglichen Ventilelement (5), dessen Oberfläche zumindest eine mit einer verschleißmindernden Beschichtung (40) versehene Teilfläche (7; 15) aufweist. Die beschichtete Teilfläche (7; 15) ist im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt, wobei innerhalb und/oder am Rand der beschichteten Teilfläche (7; 15) eine Kante (36; 38; 39) ausgebildet ist, die abgerundet ausgeführt ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Ventil aus, wie es bspw. in der Offenlegungsschrift DE 100 38 954 A1 gezeigt ist. Ein solches Ventil, das vorzugsweise als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist, weist ein Gehäuse auf, in dem ein Ventilelement beweglich angeordnet ist. Das Ventilelement weist verschiedene Teilflächen auf, die im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt sind. Zumindest einige dieser Teilflächen sind mit einer verschleißmindernden Beschichtung versehen, die den Verschleiß, der durch die Gleit- oder Aufprallbewegung entsteht, mindert und so die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils verbessert.
  • Nähere Untersuchungen dieser Teilflächen haben ergeben, dass es zu Ablösungen dieser Beschichtung kommen kann. Die Ablösung der Beschichtung beginnt vorzugsweise dort, wo am Rand der beschichten Teilfläche oder innerhalb der beschichteten Teilfläche eine scharfe Kante ausgebildet ist. Ein einmal begonnener Ablösungsprozess der Beschichtung setzt sich im Laufe der Lebensdauer des Ventils fort, bis die verschleißmindernde Wirkung stark beeinträchtigt ist, was die Lebensdauer des Ventils beträchtlich verkürzen kann.
  • - Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungen von Ventilen bekannt, insbesondere von Kraftstoffeinspritzventilen. So zeigt die DE 101 33 433 Beschichtungen, insbesondere auch diamantartige Beschichtungen, sowohl des Ventilelements als auch der mit dem Ventilelement zusammenwirkenden Flächen im Gehäuse, also des Ventilsitzes. Auch aus der Schrift WO 01/61182 ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem das Ventilelement eine Beschichtung aufweist, die verschleißmindernd wirkt. Die Beschichtung umfasst hier die gesamte Oberfläche des Ventilelements einschließlich der Ventildichtfläche, die mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Ein anderes Beispiel ist die DE 10313225 .
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Lebensdauer gegenüber einem herkömmlich beschichteten Ventilelement verlängert ist und dass die Beschichtung auf den entsprechend mechanisch beanspruchten Teilflächen des Ventilelements über die gesamte Lebensdauer des Ventils erhalten bleibt. Hierzu sind Kanten, die innerhalb der beschichteten Teilflächen oder am Rand der beschichteten Teilflächen ausgebildet sind, gerundet ausgebildet. Dadurch kann das Abplatzen der Beschichtung in diesem Bereich zuverlässig verhindert werden, was die Beschichtung insgesamt zuverlässig auf den beschichteten Teilflächen haften lässt.
  • Die beschichtete Teilfläche ist als im wesentlichen konische Ventildichtfläche ausgebildet, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der im Gehäuse ausgebildet ist. Das Ventilelement bewegt sich in seiner Längsrichtung, so dass es zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz zu einer Aufprallbelastung kommt, wenn der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen durch die Längsbewegung des Ventilelements gesteuert wird. An der Ventildichtfläche ist eine Ringnut ausgebildet, die am Übergang zur Ventildichtfläche eine erste und eine zweite Übergangskante aufweist. Diese Übergangskanten sind gerundet ausgebildet, sodass die verschleißmindernde Beschichtung auf der gesamten Ventildichtfläche und insbesondere im Bereich der Übergangskanten zuverlässig haftet.
  • Die Verrundung der Kanten geschieht mit einem Radius, der im Bereich von 100 µm bis 150 µm, insbesondere im Bereich der Ventildichtfläche eines Ventilelements.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
    • Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Es zeigt
    • Figur 1
    einen Schnitt durch ein Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, und
    Figur 2
    eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Bereichs von Figur 1.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, im Längsschnitt dargestellt. Das Ventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen, die in Einbaulage des Ventils in einen Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 5 angeordnet, die einen Führungsabschnitt 15 aufweist, mit der das Ventilelement 5 in einem entsprechenden Bohrungsabschnitt 23 der Bohrung 3 geführt ist. Das Ventilelement 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 15 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht in einen Schaftbereich 25 über, der sich bis zu einer im wesentlichen konischen Ventildichtfläche 7 erstreckt. Die Ventildichtfläche 7 bildet eine Teilfläche des Ventilelements 5, mit der das Ventilelement 5 mit dem konischen Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Auf Höhe der Druckschulter 13 ist die Bohrung 3 radial erweitert, so dass ein Druckraum 19 gebildet wird, der sich das Ventilelement 5 umgebend bis zum Ventilsitz 9 fortsetzt. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Gehäuse 1 verlaufender Zulaufkanal 27, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.
  • Das Ventilelement 5 wird an seinem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die bspw. hydraulisch oder durch ein Federelement erzeugt werden kann, wobei die entsprechenden Vorrichtungen in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Wird Kraftstoff in den Druckraum 19 unter Druck eingeleitet, so ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7, wodurch eine axiale Öffnungskraft auf das Ventilelement 5 ausgeübt wird, welche vom Ventilsitz 9 weggerichtet und damit der Schließkraft entgegengerichtet ist. Je nach Verhältnis von Schließkraft und hydraulischer Öffnungskraft bewegt sich das Ventilelement 5 vom Ventilsitz 9 weg und gibt die Einspritzöffnungen 11 frei oder sie bewegt sich in Anlage an den Ventilsitz 9 und verschließt so die Einspritzöffnungen 11 gegenüber dem Druckraum 19. Ob die Steuerung letztendlich durch die Schließkraft oder durch einen veränderlichen Druck im Druckraum 19 erfolgt, hängt vom Typ des Ventils ab. Ventile dieser Art kommen vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen zum Einsatz.
  • In Figur 2 ist der mit II bezeichneten Ausschnitt von Figur 1 vergrößert dargestellt. Die Ventildichtfläche 7 weist eine erste Konusfläche 32 und eine zweite Konusfläche 34 auf, die durch eine Ringnut 30 voneinander getrennt sind, wobei die Ringnut 30 eine Breite d aufweist. Am Übergang der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 ist eine erste Übergangskante 36 ausgebildet, und am Übergang der Ringnut 30 zur zweiten Konusfläche 34 eine zweite Übergangskante 38. Der Öffnungswinkel der ersten Konusfläche 32 ist hierbei kleiner als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 9, während der Öffnungswinkel der zweiten Konusfläche 34 größer ist als der des Ventilsitzes 9. Durch diese Ausgestaltung der Konusflächen 32, 34 kommt das Ventilelement 5 in seiner Schließstellung mit der ersten Übergangskante 36 am Ventilsitz 9 zur Anlage. Die erste Übergangskante 36 bildet damit eine Dichtkante, an der eine hohe Flächenpressung herrscht, damit die Einspritzöffnungen 11 auch bei hohem Druck im Druckraum 19 sicher abgedichtet werden.
  • Die Ventildichtfläche 7 ist mit einer Beschichtung 40 versehen, die eine verschleißmindemde Wirkung hat und die z.B. als diamantartige Schicht ausgebildet ist, also eine sogenannte Diamond-Like-Carbon-Schicht (DLC-Schicht). In Fig. 2 ist das Ventilelement 5 in der linken Bildhälfte teilweise geschnitten dargestellt, so dass die Beschichtung 40 sichtbar wird. Die Beschichtung 40 ist hier der Deutlichkeit halber stark überhöht dargestellt: Die Dicke beträgt in der Regel einige Zehntel bis hin zu wenigen Mikrometern.
  • Die erste Übergangskante 36 und die zweite Übergangskante 38 sind jeweils gerundet ausgebildet, bspw. mit einem Radius R, wie es in Figur 2 angedeutet ist. Der Rundungsradius R liegt hierbei im Bereich von 100 µm bis 150 µm. Die Breite d der Ringnut 30 ist hierbei vorzugsweise im Bereich von etwa 500 µm, sodass ein weicher, stetiger Übergang von der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 und von dieser zur zweiten Konusflächen 34 gegeben ist.
  • Es kann auch vorgesehen sein, eine dritte Übergangskante 39, die am Übergang der ersten Konusfläche 32 zum Schaftbereich 25 des Ventilelements 5 ausgebildet ist, ebenfalls mit einem Radius R zu runden. Es ist jedoch auch eine andere Rundung möglich, die nicht genau einem Kreissegment mit Radius R entspricht, sondern im Querschnitt eine andere Form aufweist, wobei in jedem Fall wichtig ist, dass eine scharfe Kante vermieden wird.
  • In gleicher Weise ist es auch möglich, zur Minderung der Reibung zwischen dem Führungsabschnitt 15 des Ventilelements 5 und dem Bohrungsabschnitt 23 eine verschleißmindernde Beschichtung 40 auf die Teilfläche des Ventilelements 5 aufzubringen, die den Führungsabschnitt 15 bildet. Auch hier ist ein Rundungsradius R am Übergang des Führungsabschnitts 15 zur Druckschulter 13 vorgesehen, sodass sich die Beschichtung 40 in diesem Bereich nicht löst.
  • Es ist auch möglich, das Ventilelement 5 über seine gesamte Oberfläche mit einer verschleißmindernden Beschichtung 40 zu versehen, weil es prozesstechnisch günstiger sein kann, das gesamte Ventilelement 5 mit einer DLC-Schicht zu versehen und nicht nur Teilflächen davon. Der Rundungsradius R oder die sonstige Rundungsform muss nicht an allen Kanten dieselbe sein. Es ist auch möglich, verschiedene Rundungsradien vorzusehen, die an die Gegebenheiten jeweils angepasst sind. Neben der Beschichtung eines Ventilelements 5, das hier die Form einer kolbenförmigen Ventilnadel aufweist, kann die Beschichtung auch auf jedes andere bewegliche Teil eines Ventils aufgebracht werden, wobei auch hier die Kanten entsprechend gerundet sind.

Claims (2)

  1. Ventil, vorzugsweise Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (1) mit einem darin angeordneten, beweglichen Ventilelement (5), dessen Oberfläche eine mit einer verschleißmindernden Beschichtung (40) versehene, im Wesentlichen konische Ventildichtfläche (7) aufweist, die an dem einem Ventilsitz (9) zugewandten Ende des Ventilelements (5) ausgebildet ist, wobei das Ventilelement (5) mit dem Ventilsitz (9) zusammenwirkt und im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt ist, wobei innerhalb der Ventildichtfläche (7) eine Kante (36; 38; 39) ausgebildet ist, die abgerundet ausgeführt ist, wobei in der Ventildichtfläche (7) eine Ringnut (30) ausgebildet ist, die am Übergang zur Ventildichtfläche (7) eine erste Übergangskante (36) und eine zweite Übergangskante (38) aufweist, wobei die Übergangskanten (36; 38) gerundet ausgebildet sind und die erste Übergangskante (36) in Schließstellung des Ventils am Ventilsitz (9) zur Anlage kommt und damit eine Dichtkante bildet, dadurch gekennzeichnet dass die Verrundung mit einem Rundungsradius (R) vorgenommen ist, der im Bereich von 100 µm bis 150 µm liegt.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (40) als eine kohlenstoffhaltige, diamantartige Beschichtung ausgebildet ist (diamond like carbon, DLC).
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EP1880101A1 EP1880101A1 (de) 2008-01-23
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