EP2025924A2 - Ventilelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP2025924A2
EP2025924A2 EP08104759A EP08104759A EP2025924A2 EP 2025924 A2 EP2025924 A2 EP 2025924A2 EP 08104759 A EP08104759 A EP 08104759A EP 08104759 A EP08104759 A EP 08104759A EP 2025924 A2 EP2025924 A2 EP 2025924A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
shape memory
memory alloy
sealing surface
valve
sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08104759A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2025924A3 (de
Inventor
Norman Krings
Juergen Hackenberg
Alexander Reitzle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2025924A2 publication Critical patent/EP2025924A2/de
Publication of EP2025924A3 publication Critical patent/EP2025924A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F02M61/166—Selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • 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
    • F02M61/1886—Details of valve seats not covered by groups F02M61/1866 - F02M61/188
    • 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
    • F02M2200/80—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly
    • F02M2200/8053—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly involving mechanical deformation of the apparatus or parts thereof
    • 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
    • F02M2200/9015—Elastomeric or plastic materials

Definitions

  • the invention is based on a valve element according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing a valve element and its use.
  • the residual hydrocarbon contents in the exhaust gas occur because of the high pressures, such as those used in direct injection systems in internal combustion engines, even with the valve closed fuel in a combustion chamber of the internal combustion engine can occur and this is not burned but discharged unburned with the exhaust gas from the combustion chamber becomes.
  • the usual pressures used for fuel injection are currently up to 150 bar for gasoline direct injection and up to 2000 bar for diesel direct injection.
  • An inventively designed device for sealing a fluid flow comprises a first sealing surface and a second sealing surface, wherein the second sealing surface is provided for sealing the fluid flow against the first sealing surface.
  • at least one of the sealing surfaces is coated with a coating of a shape memory alloy.
  • the shape memory alloy adapts to the geometry of the closing element under the closing pressure, whereby an improved tightness of the valve element is achieved. Furthermore, the deformation of the shape memory alloy is reversible, so that an adaptation to the geometry of the closing element is ensured even after multiple opening-closing cycles.
  • shape memory alloys are used for the coating of the sealing surface, which have a reversible shape change after the action of an external force.
  • shape memory alloys an up to 15% reversible change in shape during the application of force is possible.
  • Suitable shape memory alloys are, for example, nickel-titanium, copper-zinc-aluminum, gold-cadmium or iron-manganese-silicon.
  • the operation of the shape memory alloy is generally based on a reversible transformation of an austenitic to a martensitic crystal structure. Due to the reversibility of the transformation takes the shape memory alloy after the end of the force effect their original form again.
  • the tolerance and manufacturing requirements for the surface in this region can be determined e.g. a valve element can be raised again to technically and economically meaningful dimensions without a functional impairment of the valve element can take place in terms of tightness function.
  • the corresponding tolerance and manufacturing requirements are e.g. the roughness, roundness and flatness of the valve seat.
  • the first sealing surface is e.g. a valve seat of a valve element and the second sealing surface is formed on a closing element of the valve element.
  • the closing element is generally spherical or conical in shape and the valve seat is conical.
  • the sealing surface is first shaped by conventional metal-working methods.
  • High-strength steels which can withstand the requirements of the forces occurring due to the high pressure and can not be deformed by occurring forces are particularly suitable as material for the sealing surface.
  • a shape memory alloy is applied to the molded sealing surface.
  • the shape memory alloy can be post-processed in a further step in order to obtain the desired final geometry.
  • the application of the shape memory alloy can e.g. by an electrochemical coating process.
  • the shape memory alloy is contained in an ionic form in an electrolyte and is deposited by supplying voltage on the sealing surface.
  • masking techniques known to those skilled in the art. In this case, the areas of the sealing surface are masked, at which no deposition of the shape memory alloy should take place.
  • the shape memory alloy in powder form on the sealing surface and then to sinter the powder into a continuous coating.
  • the deposition can be done in this case by a powder coating, a magnetic deposition or an electrophoretic deposition.
  • the deposition process is followed by the sintering process.
  • care must be taken that a characteristic limit value for each alloy is not exceeded complete irreversible transformation of the shape memory alloy into a purely austenitic system. This transformation destroys the "memory function" of the alloy. This means that in a sintering process above this temperature, a force on the alloy leads to a mechanical deformation that is no longer reversible.
  • force and non-contact machining methods are preferably used.
  • Such force and non-contact machining methods are e.g. electrochemical or chemical processes.
  • Suitable electrochemical methods are e.g. an electrochemical metal working, in which a voltage is applied between the coated sealing surface to be processed and an electrode, which represents a negative shape of the geometry to be achieved, and by the tension metal is removed from the sealing surface to be processed.
  • Other suitable electrochemical processes are e.g. electrochemical polishing or electrodischarge-machining.
  • Suitable purely chemical methods are e.g. Etching, pickling or similar.
  • a valve element made with a sealing surface according to the invention is suitable e.g. as an injection valve in a fuel injector, as a hydraulic valve or as a valve for supplying fuel in a fuel cell.
  • sealing structures for high-pressure applications can be produced cost-effectively, since complex and expensive high-precision methods, eg internal grinding, honing or embossing, can be replaced.
  • the leakproofness of existing valves can be increased by the method according to the invention.
  • legal guidelines may be achieved with currently used valves by these are processed according to the invention.
  • a valve seat with the shape memory alloy or the sealing surface of a closing element it is also possible, e.g. to coat sealing surfaces of flat gaskets with the shape memory alloy.
  • the coating with the shape memory alloy is particularly preferred when the sealing surface is e.g. is claimed swinging by pressure pulsations. Such a pulsation of the pressure occurs e.g. in high-pressure injection systems of internal combustion engines. This pulsation leads to leaks that can be prevented by coating at least one sealing surface with the shape memory alloy.
  • FIG. 1 a stress-strain diagram of a shape memory alloy is shown.
  • a stress-strain diagram 1 As in FIG. 1 is shown on the ordinate 3 the stress ⁇ and on the abscissa the strain ⁇ plotted.
  • the stress-strain diagram 1 shown here shows the behavior exemplarily for an alloy of nickel and titanium.
  • the stress ⁇ increases, the elongation ⁇ initially increases only slightly.
  • the shape memory alloy in austenitic phase is elastically deformed.
  • the upper curve 7 shows the expansion curve with increasing stress ⁇ .
  • the lower curve 9 shows the curve with decreasing voltage. It can be seen here that, with a strongly decreasing stress, first a slight regression of the elongation ⁇ takes place by elastic relief of the martensitic metal phase. This behavior leads to the in FIG. 1 recognizable hysteresis. If the pressure falls below a certain limit, the martensitic structure transforms again into an austenitic structure at constant stress and greatly decreasing strain, until the starting point of the stress-strain diagram is reached.
  • the stress-strain diagrams are similar for different shape memory alloys, in which a deformation due to force occurs, when the force application is reversible.
  • nickel-titanium other suitable shape memory alloys, as described above, are copper-zinc-aluminum, gold-cadmium or iron-manganese-silicon.
  • FIG. 2 schematically a method for coating a valve seat is shown.
  • a valve seat 11 is formed in a first step from any desired material.
  • the valve seat 11 is a valve seat for an injection valve, as used in internal combustion engines.
  • the valve seat 11 is in this case formed in a nozzle body 13.
  • the nozzle body 13 includes side walls 15 and the valve seat 11.
  • the valve seat 11 is conical in the embodiment shown here.
  • In the valve seat 11 at least one injection opening is formed, which is not shown here.
  • the shape and geometry of the injection opening is known to the person skilled in the art and depends on how the fuel is to be injected into the internal combustion engine.
  • valve seat 11 in the nozzle body 13 is carried out by any known to the expert processing method. Usually, the valve seat 11 is produced by machining processes. However, further suitable methods for producing the valve seat 11 in the nozzle body 13 are also forming, e.g. Deep drawing or embossing, or electrochemical metal working (ECM).
  • ECM electrochemical metal working
  • material for the nozzle body are all materials that do not deform in the forces that occur due to the high pressure of the fluid flowing through the valve.
  • material for the nozzle body 13 are metals, in particular high-strength steels.
  • a mask 17 is applied in a first step.
  • the side walls 15 are provided with the mask 17.
  • the material for masking e.g. Plastics, paints or ceramics.
  • the application of the mask 17 takes place e.g. by lithographic processes (photolithography) or by mechanical pressing or insertion of plastic or ceramic sleeves.
  • the ceramic must in this case be used so that it is relatively easy to remove again, e.g. by using a ceramic inlay.
  • the mask 17 can be dispensed with. This is e.g. possible when the shape memory alloy is e.g. can be applied by a printing process or local electrochemical deposition.
  • a raw coating 19 is applied to the valve seat 11.
  • the raw coating 19 consists of a shape memory alloy.
  • the raw coating 19 is also applied to the side walls 15. Instead of the side walls 15, it is also possible that any other areas of the nozzle body 13 with the masking 17, which are not to be coated with the raw coating 19 from the shape memory alloy covered. So it is e.g. also possible to mask predetermined areas of the valve seat 11, which are not to be coated with the shape memory alloy.
  • the application of the raw coating 19 from the shape memory alloy takes place, for example, by electrochemical deposition methods, by powder coating, by magnetic deposition or electrophoretic deposition.
  • the particles deposited on the valve seat 11 are typically of the micrometer or nanometer size. Particle size depends, among other things, on how thick the raw coating 19 should be. The thickness of the raw coating 19 is dependent on the deformation properties of the material used and is usually in a range of 20 microns to 100 microns.
  • the raw coating 19 When the raw coating 19 has been applied to the valve seat 11 in the form of pulverulent particles, these are connected to one another in a next step. This is generally done by sintering. Suitable sintering processes with which the powder particles of the raw coating 19 can be interconnected are known e.g. Laser sintering or the local induction of a high-frequency alternating magnetic field, the so-called Hall effect, can be used. After sintering, the masking is removed again. This can be done in plastic masks by dissolving the plastic in suitable solvents. Ceramic inlays are pulled out of the component to be coated. As a result, a nozzle body 13 is obtained, in which the valve seat 11 is provided with the raw coating 19 and the side walls 15 are uncoated.
  • sintering Suitable sintering processes with which the powder particles of the raw coating 19 can be interconnected are known e.g. Laser sintering or the local induction of a high-frequency alternating magnetic field, the so-called Hall effect, can
  • the geometry of the raw coating 19 does not correspond to the desired final geometry. If this is the case, it is necessary to finish the raw coating 19 in order to achieve the desired final geometry. Due to the shape memory properties, the shape memory alloy of the raw coating 19, purely mechanical processing is difficult to carry out. For this reason, electrochemical or chemical processes are preferred for post-processing.
  • electrochemical processes for post-processing are, for example, an electrochemical metal machining, electrochemical polishing, electro-dischargemachining. All other electrochemical processes known to those skilled in the art with which the raw coating 19 can be processed are also possible.
  • Suitable chemical processes for post-processing are, for example, etching or pickling processes. Also other purely chemical Methods that are known to those skilled in the art, and with which the green coating 19 can be processed, are suitable.
  • material is removed from the raw coating 19 by the post-processing.
  • the thickness of the raw coating 19 is thus reduced.
  • a coating 21 is achieved whose geometry corresponds to the desired requirements.
  • the inventive method for coating valve seats can be used not only for new valve elements, but it can also already manufactured and in operation located valve elements are provided with the coating according to the invention to improve their function.
  • valve seat 11 it is also possible that the closing element is coated. It is only important that between the valve seat 11 and the closing element, a layer of the shape memory alloy is present to compensate for geometric irregularities between the two elements.
  • the closing element 23 In order to close injection openings 25 of the valve and thus end the injection process in a combustion chamber of the internal combustion engine, the closing element 23 is placed with its sealing surface 27 in the valve seat 21.
  • the valve seat 11 is coated with the shape memory alloy coating 21.
  • the shape memory alloy adapts to the shape of the sealing surface 27. As a result, a tight closing of the valve is achieved.
  • the closed valve is in FIG. 3b shown.
  • the closing element as in FIG. 3b shown with the arrow lifted out of the seat.
  • the injection openings 25 are released again and fuel can flow into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the shape memory alloy of the coating 21 returns to its original shape. This is in Figure 3c shown.
  • valve seat 11 In addition to the coating of a valve seat 11 shown here with the shape memory alloy, it is also possible, for example, to coat a sealing surface of a flat gasket with the shape memory alloy in order to achieve a tight connection, in particular when the gasket is pulsatingly loaded.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventilelement zum Verschließen oder Freigeben eines Fluidstroms unter hohem Druck, umfassend ein Schließelement und ein Ventilsitz (11), wobei das Schließelement zum Verschließen in den Ventilsitz (11) gestellt wird. Der Ventilsitz (11) ist mit einer Beschichtung aus einer Formgedächtnislegierung beschichtet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilelementes sowie die Verwendung eines Ventilelementes.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Ventilelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilelements sowie dessen Verwendung.
  • Insbesondere dann, wenn Fluidströme mit einem hohen Druck abgedichtet werden sollen, sind sehr hohe Anforderungen an das Ventilelement zu stellen. So können aufgrund des Drucks des abzudichtenden Fluids Mikroleckagen bzw. Undichtheiten auftreten, die dazu führen, dass auch bei einem geschlossenen Ventilelement Fluid austreten kann. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn die Ventilelemente als Einspritzventile in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden. Bei bisherigen gesetzlichen Vorgaben wurden die durch Leckagen bzw. Undichtheiten auftretenden Rest-Kohlenwasserstoffgehalte im Abgas nicht begrenzt. Neue gesetzliche Vorgaben schreiben jedoch auch hier maximale Grenzwerte vor.
  • Die Rest-Kohlenwasserstoffgehalte im Abgas treten dadurch auf, dass aufgrund der hohen Drücke, wie diese bei Direkteinspritzsystemen in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, auch bei geschlossenem Ventil Kraftstoff in einen Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine eintreten kann und dieser nicht verbrennt sondern unverbrannt mit dem Abgas aus dem Verbrennungsraum ausgetragen wird. Übliche Drücke, die zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzt werden, liegen derzeit bei der Benzin-Direkteinspritzung bei bis zu 150 bar und bei der Diesel-Direkteinspritzung bei bis zu 2000 bar.
  • Derzeit wird eine Verringerung der Leckagen durch eine stetige Verkleinerung von Fertigungstoleranzen bei Rundheit und Oberflächengüte der herzustellenden Dichtstrukturen erreicht. Die Toleranzen der Rundheit liegen bei 1 µm und niedriger und die Rauhwerte sind sehr viel kleiner als 1 µm. Jedoch ist der Aufwand, derartige Fertigungstoleranzen zu erzielen, sehr groß und übersteigt in zunehmenden Maße den wirtschaftlichen Nutzen.
  • Um die Abgaswerte einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern ist z.B. aus DE-A 10 2004 040 760 bekannt, einen Raum zwischen einem Ventilsitzteil mit darin ausgebildetem Ventilsitz und einer Düsenplatte, die stromabwärts vom Ventilsitz angeordnet ist und eine Vielzahl von Düsenlöchern aufweist, zu verändern, um eine Änderung der Spritzeigenschaften zu erzielen. Die Veränderung erfolgt dadurch, dass ein verformbares Element in diesen Raum aufgenommen ist. Das verformbare Element ist z.B. aus einer Formgedächtnislegierung, die aufgrund von Temperatureinflüssen ihre Form verändert. Durch das hier beschriebene Kraftstoffeinspritzventil werden zwar die Spritzeigenschaften verändert und dadurch bessere Abgaswerte erzielt, jedoch wird nicht verhindert, dass auch bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil Mikroleckagen und Undichtheiten auftreten können.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Abdichten eines Fluidstroms umfasst eine erste Dichtfläche und eine zweite Dichtfläche, wobei die zweite Dichtfläche zum Abdichten des Fluidstroms gegen die erste Dichtfläche gestellt wird. Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Dichtflächen mit einer Beschichtung aus einer Formgedächtnislegierung beschichtet.
  • Vorteil der Beschichtung mindestens einer der Dichtflächen mit der Formgedächtnislegierung ist es, dass sich die Formgedächtnislegierung unter dem Schließdruck an die Geometrie des Schließelements anpasst, wodurch eine verbesserte Dichtheit des Ventilelements erzielt wird. Des Weiteren ist die Verformung der Formgedächtnislegierung reversibel, so dass eine Anpassung an die Geometrie des Schließelements auch nach vielfachen Öffnungs-Schließ-Zyklen gewährleistet ist.
  • Erfindungsgemäß werden für die Beschichtung der Dichtfläche Formgedächtnislegierungen eingesetzt, die eine reversible Formänderung nach Einwirkung einer äußeren Kraft aufweisen. Im Allgemeinen ist bei derartigen Formgedächtnislegierungen eine bis zu 15 %ige reversible Formänderung während der Krafteinwirkung möglich.
  • Geeignete Formgedächtnislegierungen sind z.B. Nickel-Titan, Kupfer-Zink-Aluminium, Gold-Cadmium oder Eisen-Mangan-Silizium. Die Funktionsweise der Formgedächtnislegierung beruht im Allgemeinen auf einer reversiblen Umwandlung einer austenitischen in eine martensitische Kristallstruktur. Durch die Reversibilität der Umwandlung nimmt die Formgedächtnislegierung nach dem Ende der Krafteinwirkung ihre ursprüngliche Form wieder an.
  • Durch die Beschichtung mindestens einer der Dichtflächen mit der Formgedächtnislegierung können die Toleranz- und Fertigungsanforderungen an die Oberfläche in diesem Bereich z.B. eines Ventilelements wieder auf technisch und wirtschaftlich sinnvolle Maße angehoben werden, ohne dass eine Funktionsbeeinträchtigung des Ventilelementes hinsichtlich der Dichtheitsfunktion stattfinden kann. Die entsprechenden Toleranz- und Fertigungsanforderungen sind z.B. der Rauhwert, die Rundheit und die Ebenheit des Ventilsitzes.
  • Die erste Dichtfläche ist z.B. ein Ventilsitz eines Ventilelements und die zweite Dichtfläche ist an einem Schließelement des Ventilelements ausgebildet.
  • Bei für den Hochdruckbereich geeigneten Ventilen ist das Schließelement im Allgemeinen kugel- oder kegelförmig ausgebildet und der Ventilsitz konisch ausgebildet.
  • Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dichtfläche wird zunächst die Dichtfläche durch übliche Metallbearbeitungsverfahren geformt. Als Material für die Dichtfläche eignen sich insbesondere hochfeste Stähle, die den Anforderungen an die auftretenden Kräfte durch den hohen Druck standhalten und sich nicht durch auftretende Kräfte verformen lassen. In einem nächsten Schritt wird auf die ausgeformte Dichtfläche eine Formgedächtnislegierung aufgetragen. Die Formgedächtnislegierung kann gegebenenfalls in einem weiteren Schritt nachbearbeitet werden, um die gewünschte Endgeometrie zu erhalten.
  • Das Auftragen der Formgedächtnislegierung kann z.B. durch ein elektrochemisches Beschichtungsverfahren erfolgen. Hierbei ist die Formgedächtnislegierung in ionischer Form in einem Elektrolyten enthalten und wird durch Spannungszufuhr auf der Dichtfläche abgeschieden. Um eine Abscheidung nur an den gewünschten Stellen zu erzielen, ist es möglich, dem Fachmann bekannte Maskiertechniken einzusetzen. Hierbei werden die Bereiche der Dichtfläche maskiert, an denen keine Abscheidung der Formgedächtnislegierung erfolgen soll.
  • Alternativ ist es auch möglich, die Formgedächtnislegierung in Pulverform auf der Dichtfläche abzuscheiden und das Pulver anschließend zu einer durchgehenden Beschichtung zu sintern. Das Abscheiden kann in diesem Fall durch eine Pulverbeschichtung, eine magnetische Abscheidung oder eine elektrophoretische Abscheidung erfolgen. An das Abscheiden schließt sich der Sinterprozess an. Beim Sintern ist jedoch darauf zu achten, dass eine für jede Legierung charakteristische Grenztemperatur nicht überschritten wird, bei der eine vollständige, irreversible Umwandlung der Formgedächtnislegierung in ein rein austenitisches System stattfindet. Durch diese Umwandlung wird die "Gedächtnisfunktion" der Legierung zerstört. Das bedeutet, dass bei einem Sinterprozess oberhalb dieser Temperatur eine Krafteinwirkung auf die Legierung zu einer mechanischen Umformung führt, die nicht mehr reversibel ist.
  • Um die für die Dichtfläche gewünschte Geometrie zu erhalten, ist es unter Umständen erforderlich, die abgeschiedene Beschichtung aus der Formgedächtnislegierung nachzubearbeiten. Aufgrund der Gedächtnisfunktion der abgeschiedenen Legierung ist eine mechanische Bearbeitung jedoch nur schwer durchzuführen. Aus diesem Grund werden vorzugsweise kraft- und berührungslose Bearbeitungsverfahren eingesetzt. Derartige kraft- und berührungslose Bearbeitungsverfahren sind z.B. elektrochemische oder chemische Verfahren. Geeignete elektrochemische Verfahren sind z.B. eine elektrochemische Metallbearbeitung, bei der zwischen der zu bearbeitenden beschichteten Dichtfläche und einer Elektrode, die eine Negativform der zu erzielenden Geometrie darstellt, eine Spannung angelegt wird und durch die Spannung Metall aus der zu bearbeitenden Dichtfläche herausgelöst wird. Weitere geeignete elektrochemische Verfahren sind z.B. elektrochemisches Polieren oder electrodischarge-machining. Beim elektrochemischen Polieren werden mittels einer Formelektrode, einem hochviskosen Elektrolyten und elektrischem Strom Unebenheiten von der Oberfläche entfernt. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für den Abtrag massiver Materialmengen geeignet, sondern wird zum Finishen einer Struktur verwendet. Beim electro-dischargemachining werden Strukturen mittels eines lokal induzierten Hochenergieplasmas erzeugt. Hierdurch können in kurzer Zeit große Mengen an Material abgetragen werden.
  • Geeignete rein chemische Verfahren sind z.B. Ätzen, Beizen oder Ähnliche.
  • Ein mit einer erfindungsgemäßen Dichtfläche hergestelltes Ventilelement eignet sich z.B. als Einspritzventil in einem Kraftstoffinjektor, als Hydraulikventil oder als Ventil zur Brennstoffzufuhr in einer Brennstoffzelle. Hierbei handelt es sich jeweils um Verfahren, bei denen ein unter hohem Druck stehender Fluidstrom abgesperrt oder freigegeben werden muss. Insbesondere ist es jeweils unerwünscht, dass bei geschlossenem Ventilelement Fluid aufgrund von Leckageströmungen oder Undichtigkeiten durchtreten kann.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Dichtstrukturen für Hochdruckanwendungen kostengünstig herstellen, da aufwendige und teure Hochpräzisionsverfahren, z.B. Innenschleifen, Honen oder Prägen, ersetzt werden können. Zudem lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Dichtheit bestehender Ventile erhöhen. Hierdurch lassen sich auch zukünftige, gesetzliche Richtlinien gegebenenfalls mit derzeit eingesetzten Ventilen erzielen, indem diese erfindungsgemäß bearbeitet werden.
  • Neben der Beschichtung eines Ventilsitzes mit der Formgedächtnislegierung oder der Dichtfläche eines Schließelementes ist es auch möglich, z.B. Dichtflächen von Flachdichtungen mit der Formgedächtnislegierung zu beschichten. Die Beschichtung mit der Formgedächtnislegierung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Dichtfläche z.B. durch Druckpulsationen schwingend beansprucht wird. Ein solches Pulsieren des Druckes tritt z.B. in Hochdruck-Einspritzanlagen von Verbrennungskraftmaschinen auf. Dieses Pulsieren führt zu Undichtigkeiten, die durch das Beschichten mindestens einer Dichtfläche mit der Formgedächtnislegierung verhindert werden können.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Figur 1
    ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm einer Formgedächtnislegierung,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschich- tung eines Ventilsitzes.
    Figuren 3a - 3c
    einen Öffnungs- und Schließvorgang eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In Figur 1 ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm einer Formgedächtnislegierung dargestellt.
  • In einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm 1, wie es in Figur 1 dargestellt ist, ist auf der Ordinate 3 die Spannung σ und auf der Abszisse die Dehnung ε aufgetragen. Das hier dargestellte Spannungs-Dehnungs-Diagramm 1 zeigt das Verhalten exemplarisch für eine Legierung aus Nickel und Titan. Mit steigender Spannung σ nimmt die Dehnung ε zunächst nur leicht zu. In diesem Bereich wird die in austenitischer Phase vorliegende Formgedächtnislegierung elastisch verformt. Sobald die Spannung σ jedoch einen Grenzwert überschritten hat, erfolgt eine starke Zunahme der Dehnung ε bei konstanter Spannung σ durch Umwandlung der austenitischen Metallphase in eine martensitische Metallphase. Dies ist in der oberen Kurve 7 ersichtlich, die den Dehnungsverlauf bei zunehmender Spannung σ zeigt. Bei dem Aufbringen der Spannung σ ist darauf zu achten, dass die Dehnungsgrenze nicht überschritten wird, damit die Formänderung reversibel bleibt. Die untere Kurve 9 zeigt den Verlauf bei abnehmender Spannung. Hierbei ist zu erkennen, dass bei stark abnehmender Spannung zunächst eine geringe Rückbildung der Dehnung ε durch elastische Entlastung der martensitischen Metallphase erfolgt. Dieses Verhalten führt zu der in Figur 1 erkennbaren Hysterese. Wird bei weiterer Entlastung ein bestimmter Grenzwert unterschritten, so wandelt sich das martensitische Gefüge bei konstanter Spannung und stark abnehmender Dehnung wieder in ein austenitisches Gefüge um, bis der Ausgangspunkt des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes erreicht wird.
  • Aufgrund der Gemeinsamkeit, dass das Verhalten der Formgedächtnislegierungen auf eine Kristallumwandlung von der austenitischen in die martensitische Struktur und zurück zurückzuführen ist, ähneln sich die Spannungs-Dehnungs-Diagramme für unterschiedliche Formgedächtnislegierungen, bei denen eine Verformung aufgrund von Krafteinwirkung auftritt, die bei Rücknahme der Krafteinwirkung reversibel ist.
  • Daraus, dass sich die Kurven 7, 9 an den Belastungsgrenzen, d.h. bei minimaler Spannung σ bzw. maximaler Spannung σ berühren, ist ersichtlich, dass während der Belastung keine plastische Umformung stattfindet sondern die Formgedächtnislegierung die ursprüngliche Form wieder annimmt.
  • Neben Nickel-Titan sind weitere geeignete Formgedächtnislegierungen, wie zuvor schon beschrieben, Kupfer-Zink-Aluminium, Gold-Cadmium oder Eisen-Mangan-Silizium.
  • In Figur 2 ist schematisch ein Verfahren zur Beschichtung eines Ventilsitzes dargestellt.
  • Zur Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilelementes wird in einem ersten Schritt aus einem beliebigen Material ein Ventilsitz 11 geformt. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Ventilsitz 11 ein Ventilsitz für ein Einspritzventil, wie es in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Der Ventilsitz 11 ist hierbei in einem Düsenkörper 13 ausgebildet. Der Düsenkörper 13 umfasst Seitenwände 15 und den Ventilsitz 11. Der Ventilsitz 11 ist in der hier dargestellten Ausführungsform konisch ausgebildet. Im Ventilsitz 11 ist mindestens eine Einspritzöffnung ausgebildet, die hier jedoch nicht dargestellt ist. Die Form und Geometrie der Einspritzöffnung ist dem Fachmann bekannt und davon abhängig wie der Kraftstoff in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden soll.
  • Das Ausbilden des Ventilsitzes 11 im Düsenkörper 13 erfolgt durch ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Bearbeitungsverfahren. Üblicherweise wird der Ventilsitz 11 durch spanende Verfahren hergestellt. Weitere geeignete Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 11 im Düsenkörper 13 sind jedoch auch Umformen, z.B. Tiefziehen oder Prägen, oder die elektrochemische Metallbearbeitung (ECM).
  • Als Material für den Düsenköper eignen sich alle Materialien, die sich bei den auftretenden Kräften, die aufgrund des hohen Druckes des Fluids, das durch das Ventil fließt, nicht verformen. Bevorzugt als Material für den Düsenkörper 13 sind Metalle, insbesondere hochfeste Stähle.
  • Um zu vermeiden, dass Bereiche des Düsenkörpers 13 beschichtet werden, die nicht beschichtet werden sollen, wird in einem ersten Schritt eine Maskierung 17 aufgetragen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Seitenwände 15 mit der Maskierung 17 versehen. Als Material für die Maskierung eignen sich z.B. Kunststoffe, Lacke oder Keramiken. Das Aufbringen der Maskierung 17 erfolgt z.B. durch lithographische Verfahren (Photolithographie) oder durch mechanisches Einpressen bzw. Einsetzen von Kunststoff- bzw. Keramikhülsen. Die Keramik muss hierbei so eingesetzt werden, dass sie relativ einfach wieder entfernbar ist, z.B. durch Einsatz eines Keramikinlays.
  • Bei einem Verfahren, bei dem die Formgedächtnislegierung gezielt auf den Ventilsitz 11 aufgetragen werden kann, kann auf die Maskierung 17 verzichtet werden. Dies ist z.B. dann möglich, wenn sich die Formgedächtnislegierung z.B. durch ein Druckverfahren oder lokale elektrochemische Abscheidung aufbringen lässt.
  • In einem dritten Schritt wird eine Rohbeschichtung 19 auf den Ventilsitz 11 aufgetragen. Die Rohbeschichtung 19 besteht dabei aus einer Formgedächtnislegierung. Durch die Maskierung 17 wird vermieden, dass die Rohbeschichtung 19 auch auf die Seitenwände 15 aufgetragen wird. Anstelle der Seitenwände 15 ist es auch möglich, dass beliebige andere Bereiche des Düsenkörpers 13 mit der Maskierung 17, die nicht mit der Rohbeschichtung 19 aus der Formgedächtnislegierung beschichtet werden sollen, abgedeckt werden. So ist es z.B. auch möglich, vorgegebene Bereiche des Ventilsitzes 11 zu maskieren, die nicht mit der Formgedächtnislegierung beschichtet werden sollen.
  • Das Aufbringen der Rohbeschichtung 19 aus der Formgedächtnislegierung erfolgt z.B. durch elektrochemische Abscheideverfahren, durch Pulverbeschichtung, durch magnetische Abscheidung oder elektrophoretische Abscheidung.
  • Bei elektrochemischer Abscheidung der Formgedächtnislegierung auf dem Ventilsitz 11 bildet sich direkt eine homogene, zusammenhängende Beschichtung aus. Bei den anderen Beschichtungsverfahren, d.h. bei Pulverbeschichtungsverfahren, magnetischer Abscheidung oder elektrophoretischer Abscheidung der Formgedächtnislegierung wird diese in Form von Partikeln auf den Ventilsitz 11 aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Formgedächtnislegierung liegt diese weiterhin in Pulverform vor und bildet noch keine fest haftende Schicht. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Partikel nach dem Abscheiden miteinander zu verbinden.
  • Die Partikel, die auf dem Ventilsitz 11 abgeschieden werden, haben üblicherweise eine Größe im Mikrometer- oder Nanometerbereich. Die Partikelgröße ist unter anderem davon abhängig wie dick die Rohbeschichtung 19 werden soll. Die Dicke der Rohbeschichtung 19 ist abhängig von den Verformungseigenschaften des verwendeten Materials und liegt üblicherweise in einem Bereich von 20 µm bis zu 100 µm.
  • Wenn die Rohbeschichtung 19 in Form von pulverförmigen Partikeln auf den Ventilsitz 11 aufgebracht wurde, werden diese in einem nächsten Schritt miteinander verbunden. Dieses erfolgt im Allgemeinen durch Sintern. Geeignete Sinterverfahren, mit denen die Pulverpartikel der Rohbeschichtung 19 untereinander verbunden werden können, sind z.B. Lasersintern oder die lokale Induzierung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes, der so genannte Hall-Effekt, einsetzbar. Nach dem Sintern wird die Maskierung wieder entfernt. Dies kann bei Kunststoffmaskierungen durch Lösen des Kunststoffes in geeigneten Lösungsmitteln geschehen. Keramikinlays werden aus dem zu beschichtenden Bauteil herausgezogen. Hierdurch wird ein Düsenkörper 13 erhalten, bei dem der Ventilsitz 11 mit der Rohbeschichtung 19 versehen ist und die Seitenwände 15 unbeschichtet sind.
  • In Abhängigkeit vom eingesetzten Beschichtungsverfahren ist es möglich, dass die Geometrie der Rohbeschichtung 19 nicht der gewünschten Endgeometrie entspricht. Wenn dies der Fall ist, ist es erforderlich die Rohbeschichtung 19 nachzubearbeiten, um die gewünschte Endgeometrie zu erzielen. Aufgrund der Formgedächtniseigenschaften, der Formgedächtnislegierung der Rohbeschichtung 19 sind rein mechanische Bearbeitungen schwer durchführbar. Aus diesem Grund werden zur Nachbearbeitung elektrochemische oder chemische Verfahren bevorzugt. Als elektrochemische Verfahren zur Nachbearbeitung eignen sich z.B. eine elektrochemische Metallbearbeitung, elektrochemisches Polieren, electro-dischargemachining. Auch alle weiteren, dem Fachmann bekannten elektrochemischen Verfahren, mit denen die Rohbeschichtung 19 bearbeitet werden kann, sind möglich. Geeignete chemische Verfahren zur Nachbearbeitung sind z.B. Ätz- oder Beizverfahren. Auch andere rein chemische Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, und mit denen die Rohbeschichtung 19 bearbeitet werden kann, sind geeignet.
  • Üblicherweise wird durch die Nachbearbeitung Material von der Rohbeschichtung 19 abgetragen. Die Dicke der Rohbeschichtung 19 wird somit reduziert. Es wird eine Beschichtung 21 erzielt, deren Geometrie den gewünschten Anforderungen entspricht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Ventilsitzen lässt sich nicht nur für neue Ventilelemente einsetzen, sondern es können auch bereits hergestellte und im Betrieb befindliche Ventilelemente mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen werden, um deren Funktion zu verbessern.
  • Alternativ zur Beschichtung des Ventilsitzes 11 ist es auch möglich, dass das Schließelement beschichtet wird. Hierbei ist es nur wichtig, dass zwischen dem Ventilsitz 11 und dem Schließelement eine Schicht aus der Formgedächtnislegierung vorhanden ist, um geometrische Unebenheiten zwischen den beiden Elementen auszugleichen.
  • In den Figuren 3a, 3b und 3c ist ein Öffnungs- und Schließvorgang eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils am Beispiel eines Einspritzventils für eine Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
  • Um Einspritzöffnungen 25 des Ventils zu schließen und damit den Einspritzvorgang in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu beenden, wird das Schließelement 23 mit seiner Dichtfläche 27 in den Ventilsitz 21 gestellt. Der Ventilsitz 11 ist mit der Beschichtung 21 aus der Formgedächtnislegierung beschichtet. Sobald das Schließelement 23 in den Ventilsitz 11 gestellt wird, passt sich die Formgedächtnislegierung der Form der Dichtfläche 27 an. Hierdurch wird ein dichtes Schließen des Ventils erzielt. Das geschlossene Ventil ist in Figur 3b dargestellt. Um den nächsten Einspritzvorgang zu starten wird das Schließelement wie in Figur 3b mit dem Pfeil gezeigt, aus dem Sitz gehoben. Hierdurch werden die Einspritzöffnungen 25 erneut freigegeben und Kraftstoff kann in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einströmen. Durch die Bewegung des Schließelementes 23 aus dem Ventilsitz 11 nimmt die Formgedächtnislegierung der Beschichtung 21 wieder ihre ursprüngliche Form an. Dies ist in Figur 3c dargestellt.
  • Neben der hier dargestellten Beschichtung eines Ventilsitzes 11 mit der Formgedächtnislegierung ist es zum Beispiel auch möglich, eine Dichtfläche einer Flachdichtung mit der Formgedächtnislegierung zu beschichten, um eine dichte Verbindung zu erzielen, insbesondere dann, wenn die Dichtung pulsierend belastet wird.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum Abdichten eines Fluidstroms, umfassend eine erste Dichtfläche (11) und eine zweite Dichtfläche (27), die zum Abdichten des Fluidstroms gegen die erste Dichtfläche (11) gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Dichtflächen (11,27) mit einer Beschichtung (21) aus einer Formgedächtnislegierung beschichtet ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung eine reversible Formänderung nach Einwirkung einer äußeren Kraft aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung ausgewählt ist aus Nickel-Titan, Kupfer-Zink-Aluminium, Gold-Cadmium oder Eisen-Mangan-Silizium.
  4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche ein Ventilsitz (11) eines Ventilelementes ist und die zweite Dichtfläche (27) an einem Schließelement (23) des Ventilelementes ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement kugelförmig oder kegelförmig ausgewählt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (11) konisch ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche und die zweite Dichtfläche als Flachdichtung ausgebildet sind.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Abdichten eines Fluidstroms gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zunächst die erste Dichtfläche (11) geformt wird, in einem weiteren Schritt auf die erste Dichtfläche (11) die Formgedächtnislegierung aufgetragen wird und die Formgedächtnislegierung anschließend gegebenenfalls nachbearbeitet wird, um die gewünschte Endgeometrie zu erhalten.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung durch ein elektrochemisches Beschichtungsverfahren aufgetragen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung durch Pulverbeschichtung, magnetische Abscheidung eines Pulvers oder elektrophoretische Abscheidung aufgetragen und anschließend gesintert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung mit Kraft- und berührungslosen Verfahren durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft - und berührungslose Verfahren ein elektrochemisches, chemisches oder erosives Verfahren ist.
  13. Verwendung des Ventilelementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, als Einspritzventil in einem Kraftstoffinjektor für eine Verbrennungskraftmaschine, als Hydraulikventil oder als Ventil zur Brennstoffzufuhr in eine Brennstoffzelle.
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