EP2439307B1 - Verfahren zum Beschichten eines in Wirkverbindung mit Kraftstoff angeordneten, als Kraftstoffeinspritzkomponente ausgebildeten Bauteils und Anordnung zweier Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Beschichten eines in Wirkverbindung mit Kraftstoff angeordneten, als Kraftstoffeinspritzkomponente ausgebildeten Bauteils und Anordnung zweier Bauteile Download PDF

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EP2439307B1
EP2439307B1 EP11180417.5A EP11180417A EP2439307B1 EP 2439307 B1 EP2439307 B1 EP 2439307B1 EP 11180417 A EP11180417 A EP 11180417A EP 2439307 B1 EP2439307 B1 EP 2439307B1
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Definitions

  • the invention relates to a method for coating a component, which is arranged in operative connection with fuel and designed as a fuel injection component, and an arrangement of two components.
  • the two components are arranged one another with a guide play to each other.
  • WO 03/002859 discloses an internal combustion engine, characterized in that an with an air-fuel mixture to be combusted and / or with engine oil coming into contact surface of at least one component of the combustion chamber and / or an adjoining space at least partially has a catalytic Vanadiumoxidsbe slaughterung for the oxidation of coking residues.
  • FIG. 12 shows a fuel pump for pressurizing fuel to feed the fuel to a fuel injector, with a hardened layer comprising a slip device of an iron group part with an oxide layer.
  • the present invention seeks to provide a method for coating a component arranged in operative connection with fuel, designed as a fuel injection component considered even with relatively close management game between two components over the service life of a component reduces the adhesion or the formation of deposits or aging products.
  • This object is achieved in a method for coating a component with the features of claim 1.
  • the invention is based on the idea to form an anti-adhesion coating on a component which is formed as an oxide layer. In this case, the catalytic effect of the component surface to form the deposits is prevented by the oxide layer.
  • the oxide layer can be formed on a component by exposing the component in an oxygen-containing atmosphere or in water vapor. Exposure occurs at an elevated temperature higher than 50 ° Celsius. As a result, the formation of the oxide layer can be targeted and accelerated, so that the production time for the component can be reduced. In addition, the oxide layer can be reinforced again if, during or after the formation of the oxide layer, this water vapor is exposed.
  • the method according to the invention can be applied to components which have a chromium-containing steel or consist of a chromium-containing steel.
  • the free chromium binds with oxygen and the iron in the oxygen in each case a compound.
  • the reaction of the iron and chromium passivates the component. This means that the possibly catalytic support of the chemical elements is hindered by the chemical reactions of the deposit formation on the component surface.
  • Such an oxide layer is therefore comparable to a barrier layer.
  • the material for the component is 100CR6 steel.
  • the oxide layer is formed in the form of loops after a machining surface treatment of the component.
  • the machining surface treatment forms a kind of basis for the oxide layer, wherein the machining of the component simultaneously forms the component with its desired dimensions.
  • the invention also encompasses an arrangement of two components in which at least one component has an oxide layer produced by the method according to the invention.
  • the two components of the arrangement are arranged to be movable relative to one another and concentric, and that a guide gap between 1.0 ⁇ m and 5.5 ⁇ m is formed between the two components.
  • the thickness of the oxide layer on the at least one component of the arrangement is up to a maximum of 2 ⁇ m.
  • the arrangement is preferably used as part of a fuel injector, but it is not limited to fuel injectors. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following descriptions of preferred embodiments and from the drawing.
  • FIG. 1 an arrangement 10 of two components 1, 2 is shown.
  • the arrangement 10 is in particular components 1, 2 of a fuel injector 100, which is preferably part of a fuel injection system in a so-called common-rail system.
  • a fuel injector 100 which is preferably part of a fuel injection system in a so-called common-rail system.
  • an operating pressure of more than 1,500 bar, preferably more than 2,000 bar prevail in the common rail system.
  • the fuel injection system or the fuel injector 100 is operated with fuel to which at least a certain amount of biodiesel, for example in a range of about 20%, is admixed.
  • the component 1 is a cylindrical element in the form of a valve needle that can be moved up and down in a longitudinal axis 3 in the direction of the double arrow 4.
  • the component 2 is an injector housing of the fuel injector 100 or another component in which the valve needle is axially displaceable. It is only essential that the component 1 is arranged in the component 2 such that between the two components 1, 2 in the embodiment radially encircling guide gap 5 is formed. In this case, the size of the guide gap 5 is preferably (in the example of valve needle and guide bore 12) between 1.0 ⁇ m and 5.5 ⁇ m.
  • the component 1 has a first oxide layer 11 on its outer circumference, and the second component 2 has a second oxide layer 13 on the wall of its guide bore 12.
  • the components 1, 2 consist of a chromium-containing steel, in particular of 100CR6 steel.
  • the method for forming the two oxide layers 11, 13 on the components 1, 2 will now be described with reference to FIGS Fig. 2 explained in more detail:
  • the component 1.2 is produced by machining or made to measure. This may in particular be a grinding process in which, for example, the outer diameter of the component 1 in the region of its (later) oxide layer 11 or the bore diameter of the component 2 in the region of the guide bore 12 is manufactured or brought to a specific nominal dimension.
  • the thus manufactured component 1, 2 is exposed in a second process step 30 of an oxygen-containing atmosphere. As a result, the component 1, 2 is passivated.
  • the oxide layer 11, 13 is formed on the component surfaces of the two components 1, 2, in that the free chromium and the iron enter into a bond with the oxygen of the oxygen atmosphere.
  • the second process step 30 takes place at a temperature of more than 50 ° C. above the ambient temperature in order to accelerate or intensify the oxidation process or the formation of the oxide layers 11, 13.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines in Wirkverbindung mit Kraftstoff angeordneten, als Kraftstoffeinspritzkomponente ausgebildeten Bauteils und eine Anordnung zweier Bauteile. Bei der Anordnung ist es dabei insbesondere vorgesehen, dass die beiden Bauteile hierbei ein mit einem Führungsspiel zueinander angeordnet sind.
  • Insbesondere bei zukünftigen Kraftstoffeinspritzsystemen ist ein immer größer werdender Anteil von alternativen Kraftstoffen, im Falle von Dieseleinspritzsystemen insbesondere von Biodiesel, vorgesehen. Derartige alternative Kraftstoffe neigen jedoch zur Produktion von Alterungsprodukten, die sich an den Oberflächen der Kraftstoffeinspritzkomponenten bilden bzw. ablagern. Dies hat zur Folge, dass sich das zur Bewegung eines ersten Bauteils, das in einem zweiten Bauteil geführt ist, erforderliche Führungsspiel im Laufe der Zeit durch die sich ablagernden Alterungsprodukte nach und nach verringert, was zu einer Erhöhung der Reibung zwischen den beiden Bauteilen durch Erzeugen einer Klebekraft infolge der Ablagerungen führt. Im Falle beispielsweise eines Kraftstoffinjektors, bei der ein zylindrisches Bauteil in Form insbesondere einer Ventilnadel in einer Bohrung in einem Injektorgehäuse geführt ist, kann dies zur Folge haben, dass der Antrieb zum Betätigen der Ventilnadel die erforderlichen Stellkräfte nicht mehr aufbringen kann. Dies kann zu einem verzögerten oder nicht stattfindenden Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine führen.
  • Es hat sich hierbei herausgestellt, dass beim Einsatz von Biodiesel sich die Ablagerungen bzw. Alterungsprodukte durch deren polaren Charakter der Fettsäuren an den metallischen Oberflächen der Bauteile absetzen bzw. haften. Da auf der anderen Seite eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Komponenten des Einspritzsystems erwünscht ist, besteht weiterhin die Tendenz zur Verringerung des angesprochenen Führungsspiels zwischen Bauteilen, um Leckageverluste zu verringern, die in den Gesamtwirkungsgrad des Kraftstoffeinspritzsystems negativ eingehen. Da die Tendenz zur Ablagerung der Alterungsprodukte umso größer ist, je geringer ein durchströmter Führungsspalt ausgebildet ist, wird die Tendenz zu Ablagerungen durch die angesprochenen engen Führungsspiele zusätzlich verstärkt.
  • WO 03/002859 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisch und/oder mit Motoröl in Kontakt kommende Oberfläche mindestens eines Bauteils des Brennraums und/ oder eines hieran angrenzenden Raumes zumindest bereichsweise eine katalytische Vanadiumoxidsbeschichtung zur Oxidation von Verkokungsrückständen aufweist.
  • EP 1 310 577 zeigt eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu fördern, mit einer gehärteten Schicht, die eine Rutscheinrichtung aus einem Eisengruppen-Teil mit einer Oxidschicht umfasst.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten eines in Wirkverbindung mit Kraftstoff angeordneten, als Kraftstoffeinspritzkomponente ausgebildeten Bauteils bereitzustellen, das auch bei relativ engem Führungsspiel zwischen zwei Bauteilen über die Lebens- bzw. Betriebsdauer eines Bauteils betrachtet das Anhaften bzw. die Bildung von Ablagerungen bzw. Alterungsprodukten verringert. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Beschichten eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, eine Anti-Haft-Beschichtung an einem Bauteil auszubilden, die als Oxidschicht ausgebildet ist. Hierbei wird die katalytische Wirkung der Bauteiloberfläche zur Bildung der Ablagerungen durch die Oxidschicht unterbunden. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass Ablagerungen beim Einsatz von Biodiesel, die im Stillstand entstehen, keinen Systemausfall des Kraftstoffeinspritzsystems bewirken, da die angesprochenen Ablagerungen bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Bauteils beim Start des Kraftstoffeinspritzsystems ausgespült bzw. abgeschert werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten eines Bauteils sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Die Oxidschicht lässt sich an einem Bauteil durch Aussetzen des Bauteils in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre oder in Wasserdampf ausbilden. Das Aussetzen erfolgt unter einer erhöhten Temperatur höher als 50° Celsius. Dadurch kann die Bildung der Oxidschicht gezielt und auch beschleunigt erfolgen, so dass die Herstellungszeit für das Bauteil herabgesetzt werden kann. Die Oxidschicht lässt sich darüber hinaus nochmals verstärken, wenn während oder nach der Ausbildung der Oxidschicht diese Wasserdampf ausgesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bei Bauteilen anwenden, die einen chromhaltigen Stahl aufweisen bzw. aus einem chromhaltigen Stahl bestehen. Hierbei bindet das freie Chrom mit Sauerstoff und das Eisen im Sauerstoff jeweils eine Verbindung aus. Durch die Reaktion des Eisens und des Chroms (der oxidationsfähigen Legierungselemente des Stahls) wird das Bauteil passiviert. Das bedeutet, dass die ggf. katalytische Unterstützung der chemischen Elemente an den chemischen Reaktionen der Belagsbildung an der Bauteiloberfläche behindert wird. Eine derartige Oxidschicht ist daher vergleichbar mit einer Barriereschicht.
    Besonders bevorzugt ist es, wenn das Material für das Bauteil 100CR6-Stahl ist.
    Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Oxidschicht nach einer spanenden Oberflächenbehandlung des Bauteils in Form von Schleifen ausgebildet wird. Hierbei bildet die spanende Oberflächenbehandlung eine Art Grundlage für die Oxidschicht, wobei die spanende Bearbeitung des Bauteils gleichzeitig das Bauteil mit seinen Soll-Dimensionen ausbildet.
    Die Erfindung umfasst auch eine Anordnung zweier Bauteile, bei denen wenigstens ein Bauteil eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Oxidschicht aufweist. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass die beiden Bauteile der Anordnung relativ zueinander beweglich und konzentrisch angeordnet sind, und dass zwischen den beiden Bauteilen ein Führungsspalt zwischen 1,0µm und 5,5 µm ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung der Bauteile ermöglicht relativ geringe Leckageverluste und somit - insbesondere beim Einsatz in den Kraftstoffventilen - einen relativ hohen Gesamtwirkungsgrad.
  • Es hat sich als ausreichend bzw. vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dicke der Oxidschicht an dem wenigstens ein Bauteil der Anordnung bis maximal 2µm beträgt.
  • Die Anordnung findet bevorzugt Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffinjektors, es ist jedoch nicht auf Kraftstoffinjektoren beschränkt.
    Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor im Bereich der Führung seiner Düsennadel und
    Fig. 2
    ein vereinfacht dargestelltes Flussablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Herstellung eines Bauteils.
  • In der Fig. 1 ist eine Anordnung 10 zweier Bauteile 1, 2 dargestellt. Bei der Anordnung 10 handelt es sich im Speziellen um Bauteile 1, 2 eines Kraftstoffinjektors 100, der vorzugsweise Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems in einem sogenannten Common-Rail-System ist. Hierbei kann in dem Common-Rail-System ein Betriebsdruck von mehr als 1.500bar, vorzugsweise mehr als 2.000bar herrschen. Weiterhin wird das Kraftstoffeinspritzsystem bzw. der Kraftstoffinjektor 100 mit Kraftstoff betrieben, dem zumindest eine bestimmte Menge von Biodiesel, beispielsweise in einem Bereich von etwa 20%, beigemischt ist.
  • Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein in einer Längsachse 3 in Richtung des Doppelpfeils 4 auf- und abbewegbares zylindrisches Element in Form einer Ventilnadel. Bei dem Bauteil 2 handelt es sich um ein Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors 100 oder eine sonstige Komponente, in der die Ventilnadel axialverschieblich geführt ist. Wesentlich ist lediglich, dass das Bauteil 1 in dem Bauteil 2 derart angeordnet ist, dass zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 ein im Ausführungsbeispiel radial umlaufender Führungsspalt 5 ausgebildet ist. Hierbei beträgt die Größe des Führungsspalts 5 vorzugsweise (im Beispiel von Ventilnadel und Führungsbohrung 12) zwischen 1,0µm und 5,5µm. Das Bauteil 1 weist an seinem Außenumfang eine erste Oxidschicht 11 auf, und das zweite Bauteil 2 an der Wand seiner Führungsbohrung 12 eine zweite Oxidschicht 13.
    Die Bauteile 1, 2 bestehen aus einem chromhaltigen Stahl, insbesondere aus 100CR6-Stahl.
    Das Verfahren zum Ausbilden der beiden Oxidschichten 11, 13 an den Bauteilen 1, 2 wird nunmehr anhand der Fig. 2 näher erläutert: In einem ersten Prozessschritt 20 wird hierbei das Bauteil 1,2 spanend hergestellt bzw. auf Maß gebracht. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Schleifvorgang handeln, bei dem beispielsweise der Außendurchmesser des Bauteils 1 im Bereich seiner (späteren) Oxidschicht 11 bzw. der Bohrungsdurchmesser des Bauteils 2 im Bereich der Führungsbohrung 12 auf ein bestimmtes Sollmaß gefertigt bzw. gebracht wird. Anschließend wird das so gefertigte Bauteil 1, 2 in einem zweiten Prozessschritt 30 einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt. Hierdurch wird das Bauteil 1, 2 passiviert. Das bedeutet, dass sich an den Bauteiloberflächen der beiden Bauteile 1, 2 jeweils die Oxidschicht 11, 13 ausbildet, indem der freie Chrom und das Eisen mit dem Sauerstoff der Sauerstoffatmosphäre eine Verbindung eingeht. Der zweite Prozessschritt 30 erfolgt unter einer gegenüber der Umgebung erhöhten Temperatur von mehr als 50°C Celsius, um den Oxidationsprozess bzw. die Bildung der Oxidschichten 11, 13 zu beschleunigen bzw. zu intensivieren. Weiterhin kann optional in einem Prozessschritt 40 vorgesehen sein, dass die Oxidschichten 11, 13 durch Aussetzen der Bauteile 1, 2 von Wasserdampf nochmals verstärkt wird.
    Bevorzugt ist es, wenn die Oxidschicht 11, 13, eine Schichtdicke von bis zu 2µm aufweist. Eine derartige Dicke der Oxidschicht 11, 13 bewirkt keine Veränderung bzw. Reduzierung der Materialhärte des Materials der Bauteile 1, 2 und somit keinen damit verbundenen erhöhten Verschleiß der Bauteile 1, 2.
  • Ergänzend wird erwähnt, dass der Einsatz der beschriebenen Oxidschichten 11, 13 nicht nur bei Kraftstoffinjektoren 100 in Kraftstoffeinspritzsystemen möglich ist, sondern vielmehr bei allen Bauteilen 1, 2, bei denen die Ablagerung bzw. das Anhaften von Alterungs- bzw. Ablagerungsprodukten von Biodiesel oder ähnlichem verhindert werden soll.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Beschichten eines in Wirkverbindung mit Kraftstoff angeordneten, als Kraftstoffeinspritzkomponente ausgebildeten und aus einem chromhaltigen Stahl gefertigten Bauteils (1, 2), bei dem die Beschichtung nach der Fertigung des Bauteils (1, 2) an einer Oberfläche des Bauteils (1, 2) ausgebildet wird, indem das Bauteil bei einer erhöhten Temperatur größer als 50 °C einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder Wasserdampf ausgesetzt wird, sodass die Beschichtung als Oxidschicht (11, 13) ausgebildet ist und als Anti-Haft-Beschichtung gegen Alterungs- bzw. Ablagerungsbestandteile des Kraftstoffs wirkt und eine katalytische Wirkung der Bauteiloberfläche durch die Oxidschicht unterbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Bauteil (1, 2) 100Cr6-Stahl verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (11, 13) nach einer spanenden Oberflächenbehandlung des Bauteils (11, 13) in Form von Schleifen ausgebildet wird.
  4. Kraftstoffinjektor mit einem Bauteil (1, 2), das nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.
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