Beschreibungdescription
Ventilnadel und VentilValve needle and valve
Die Erfindung betrifft eine Ventilnadel und ein Ventil mit einem Ventilkörper, in dem ein Sitz ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel, die einen Sitzbereich hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers .The invention relates to a valve needle and a valve with a valve body, in which a seat is formed, and with a valve needle, which has a seating area which is in contact with the seat of the valve body in a closed position of the valve needle.
Derartige Ventile werden insbesondere eingesetzt zum Zuführen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden zunehmend mit Fluid, insbesondere Kraftstoff versorgt, das unter einem sehr hohen Druck steht, so zum Beispiel bis zu 2000 bar bei Diesel-Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden zunehmend häufig mittels Piezoan— trieben angetrieben, die ein sehr schnelles Schalt erhalten haben und so mehrere Teileinspritzungen während eines Ar- beitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermög- liehen. Je nach Betriebszustand erfolgen beispielsweise bis zu fünf Teileinspritzungen pro Arbeitszyklus des Zylinders.Valves of this type are used in particular for supplying fuel in combustion chambers of internal combustion engines. Valves of this type are increasingly supplied with fluid, in particular fuel, which is at a very high pressure, for example up to 2000 bar in diesel internal combustion engines. Valves of this type are increasingly being driven by means of piezo drives, which have been given a very fast switching and thus allow several partial injections during a working cycle of a cylinder of the internal combustion engine. Depending on the operating state, for example, up to five partial injections are carried out per working cycle of the cylinder.
In ihrer Schließstellung liegt die Ventilnadel mit ihrem Sitzbereich an einem Sitz eines Ventilkörpers des Ventils an. Bei jedem Einspritzvorgang wird die Ventilnadel in eine Position entfernt von der Schließposition gesteuert und anschließend wieder in die Schließposition gesteuert. Aufgrund der hohen Kräfte, mit denen die Ventilnadel in ihrem Sitzbereich in den Sitz des Ventilkörpers gedrückt wird, und der während des Betriebs sehr häufigen Bewegungen der Ventilnadel hin und weg von ihrer Schließposition ist die Ventilnadel einem sehr starken Verschleiß ausgesetzt. Beim Schließen des Einspritzventils treten Mikrorelativbewegungen des Sitzbereichs und
des Sitzes des Ventilkörpers auf, die auch vor Erreichen der Fließgrenze zu hohen ab assiven Belastungen der Ventilnadel und des Ventilkörpers führen. Dadurch kann sich dann das Strahlbild und die Dichtheit des Einspritzventils negativ verändern und gegebenenfalls ein Ausfall des Ventils auftreten.In its closed position, the valve needle rests with its seating area on a seat of a valve body of the valve. With each injection process, the valve needle is moved into a position away from the closed position and then moved back into the closed position. Due to the high forces with which the valve needle is pressed into the seat of the valve body in its seating area and the very frequent movements of the valve needle back and forth from its closed position during operation, the valve needle is subjected to very heavy wear. When the injection valve is closed, microrelative movements of the seat area and occur of the seat of the valve body, which lead to high abassive loads on the valve needle and the valve body even before the yield point is reached. As a result, the spray pattern and the tightness of the injection valve can change negatively, and a failure of the valve may occur.
Aus der DE 100 38 954 AI ist ein Einspritzventil bekannt, dessen Ventilnadel mit einer metallischen Haftvermittler- schicht und einer darauf aufgebrachten diamantartigen Verschleißschutzschicht versehen ist. Die Dicke der Verschleißschutzschicht liegt im Bereich von 0,05 bis zu maximal 4 μm. Aufgrund der immer weiter zunehmenden Anzahl an Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders und wachsenden Anforderungen an die Gesamtlebensdauer des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel können unter Umständen mit einer derartigen Verschleißschutzschicht diese Anforderungen nicht mehr erfüllt werden.An injection valve is known from DE 100 38 954 A1, the valve needle of which is provided with a metallic adhesion promoter layer and a diamond-like wear protection layer applied thereon. The thickness of the wear protection layer is in the range from 0.05 to a maximum of 4 μm. Due to the ever increasing number of partial injections during a working cycle of a cylinder and increasing demands on the overall service life of the valve or the valve needle, these requirements can no longer be met with such a wear protection layer.
Aus der WO 01/61182 ist ebenfalls ein Ventil mit einer Ventilnadel bekannt, die mit einer diamant rtigen Kohlenstoffschicht beschichtet ist.From WO 01/61182 a valve with a valve needle is also known, which is coated with a diamond-like carbon layer.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilnadel und ein Ventil zu schaffen, die beziehungsweise das über eine lange BetriebsZeitdauer zuverlässig sind.The object of the invention is to provide a valve needle and a valve which are reliable over a long period of operation.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ventilnadel und ein Ventil mit einer Ventilnadel und mit einem Ventilkörper,
in dem ein Sitz ausgebildet ist. Die Ventilnadel hat einen Sitzbereich, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers. Der Ventilkörper ist im Bereich des Sitzes und/oder die Ventilnadel ist im Sitzbereich mit einer Schichtenfolge aus mindestens einer Haftschicht, einer ersten Verschleißschutzschicht und einer zweiten Haftschicht mit einer zweiten Verschleißschutzschicht versehen. Die Verschleißschutzschichten können so eine Dicke aufweisen, durch die sichergestellt werden kann, dass keine zu hohen Eigenspannungen auftreten, die zu einem Abplatzen der Verschleißschutzschichten führen können. Aufgrund der mehrfach vorhandenen Verschleißschutzschicht kann zum anderen die Ventilnadel beziehungsweise der Ventilkörper auch unter stark abrassiven Bedingungen für eine sehr lange Betriebsdau— er geschützt werden.The invention is characterized by a valve needle and a valve with a valve needle and with a valve body, in which a seat is formed. The valve needle has a seating area which is in contact with the seat of the valve body in a closed position of the valve needle. The valve body is provided in the area of the seat and / or the valve needle is provided in the seat area with a layer sequence of at least one adhesive layer, a first wear protection layer and a second adhesive layer with a second wear protection layer. The wear protection layers can thus have a thickness which can ensure that excessive residual stresses do not occur which can lead to the wear protection layers flaking off. On the other hand, due to the multiple wear protection layer, the valve needle or the valve body can be protected even under highly abrasive conditions for a very long operating time.
Die Schichtstruktur hat ferner den Vorteil, dass jeweils ggf. dünner ausgebildete Verschleißschutzschichten eine höhere E— lastizität haben als eine einzige entsprechend dicker ausge- bildete Verschleißschutzschicht. Ist die Dicke einer einzigen Verschleißschutzschicht hingegen stark vergrößert, so kann sie nur noch äußert geringer Verformungen verkraften, ohne dass es zu einer Rissbildung kommt. Durch die Haftschichten, die elastische Eigenschaften haben, ist die gesamte Elastizi— tat der Schichtenfolge erhöht.The layer structure also has the advantage that wear protection layers, which may be thinner, have a higher elasticity than a single, correspondingly thicker wear protection layer. If, on the other hand, the thickness of a single wear protection layer is greatly increased, it can only cope with extremely small deformations without causing cracks. The total elasticity of the layer sequence is increased by the adhesive layers, which have elastic properties.
Eine noch längere Betriebdauer kann gewährleistet werden, wenn die Schichtenfolge der ersten Haftschicht und der ersten Verschließschutzschicht mehrfach wiederholt ist.An even longer service life can be guaranteed if the layer sequence of the first adhesive layer and the first protective layer is repeated several times.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein allmählicher Obergang von der jeweiligen Haft— schiebt zu der nächsten Verschleißschutzschicht und umge-
kehrt. Dies hat den Vorteil, dass die guten tribologischen Eigenschaften der Verschleißschutzschichten, das heißt der geringe Reibungskoe izient , die hohe Härte und ein geringerer Verschleisskoe izient, in entsprechendem Maße auch in dem Übergangsbereich von der jeweiligen Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt vorhanden sind.In a further advantageous embodiment of the invention, there is a gradual transition from the respective adhesive slide to the next wear protection layer and versa. This has the advantage that the good tribological properties of the wear protection layers, i.e. the low coefficient of friction, the high hardness and a lower wear coefficient, are also present to a corresponding extent in the transition area from the respective adhesive layer to the wear protection layer and vice versa.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschichten diamantartige Kohlenstoffschichten sind. Derartige diamantartige Kohlenstoffschichten zeichnen sich durch einen sehr hohen Kohlensto fanteil aus und eine hohe Anzahl an tetragonalen Kohlenstoffbindungen, sogenannte sp3— Verbindungen. Diamantartige Kohlenstoffschichten besitzen di— amantähnliche Eigenschaften und weisen so eine große Härte und einen geringen Verschleißkoe fizienten auf.It is particularly advantageous if the wear protection layers are diamond-like carbon layers. Diamond-like carbon layers of this type are distinguished by a very high proportion of carbon and a high number of tetragonal carbon bonds, so-called sp 3 compounds. Diamond-like carbon layers have diamond-like properties and are therefore extremely hard and have a low wear coefficient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Haftschichten jeweils eine Metallschicht. Entsprechende Metallschichten zeichnen sich durch gute haftvermit— telnde Eigenschaften für die Verschleißschutzschichten aus. Sie gewährleisten eine sehr gute Dauerhaltbarkeit der Verschleißschutzschichten wegen der guten Wärmeleitungseigen— schaffen von Metallen und einer damit verbundenen verbesserten Wärmeabführung von den Verschleißschutzschichten. Dies ist insbesondere beim Einsatz des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel unter hohen Betriebstemperaturen ein wesentlicher Vorteil, da die einzelnen Verschleißschutzschichten besser gegen thermische Zerstörung geschützt sind. Durch die verbesserte Wärmeabführung kann insbesondere im Zusammenhang mit diamantartigen Kohlenstoffschichten äußerst wirksam eineIn a further advantageous embodiment of the invention, the adhesive layers are each a metal layer. Corresponding metal layers are characterized by good adhesive properties for the wear protection layers. They ensure a very good durability of the wear protection layers due to the good heat conduction properties - creation of metals and a related improved heat dissipation from the wear protection layers. This is a significant advantage, especially when the valve or the valve needle is used under high operating temperatures, since the individual wear protection layers are better protected against thermal destruction. The improved heat dissipation can be extremely effective, especially in connection with diamond-like carbon layers
Graphitisierung der diamantartigen Kohlenstoffschichten verhindert werden, das heißt eine Umwandlung der sp3— Kohlenstoffbindung in graphittypische sp2-
Kohlenstoffbindungen. So kann auch bei extremen Betriebsbedingungen über eine sehr lange Betriebsdauer der Verschleiß— schütz gewährleistet werden.Graphitization of the diamond-like carbon layers can be prevented, that is, a conversion of the sp3 carbon bond into graphite-typical sp2 Carbon bonds. In this way, the wear protection can be guaranteed over a very long operating period even under extreme operating conditions.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Haftschicht reaktive Verbindungen . So zeigen z.B. Nitride oder Carbide eine hohe Härte und Verschleißfes— tigkeit, wenn als Reaktionspartner für die Metallkomponente z.B. Stickstoff, Sauerstoff oder ein Kohlenstoffgas einge- setzt wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the adhesive layer comprises reactive compounds. For example, Nitrides or carbides have a high hardness and wear resistance if, for example, as a reaction partner for the metal component Nitrogen, oxygen or a carbon gas is used.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings. Show it:
Figur 1 ein Ventil,1 shows a valve,
Figur 2a eine Vergrößerung eines Ausschnitts des Ventils gemäß Figur 2 im Bereich einer Spitze einer Ventilnadel und Figuren 2b und 2c weitere Vergrößerungen der Ventilnadel im Bereich der Ventilspitze.2a shows an enlargement of a section of the valve according to FIG. 2 in the region of a tip of a valve needle and FIGS. 2b and 2c further enlargements of the valve needle in the region of the valve tip.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction and function are provided with the same reference symbols in all figures.
Ein Einspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf mit einer Ausnehmung 3, in die eine Ventilnadel 4 eingebracht ist. Die Ventilnadel 4 hat eine Führung 5, in deren Bereich sie in der Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 2 geführt ist. Die Ausnehmung 3 weist ein Sackloch 6 auf von dem eine Düsenöffnung 7 durch den Ventilkörper 2 nach außen geführt ist und durch die der Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zugemessen wird. In dem Bereich einer Spitze 8 der Ventilnadel 4 hat die Ventilnadel 4 einen Sitzbereich 9, mit
dem sie in der in der Figur 1 dargestellten Schließposition mit einem Sitz 10 des Ventilkörpers 2 zur Anlage kommt und so das Sackloch 6 und damit auch die Düsenöffnung 7 von einer Zuführbohrung 11 zum Zuführen von Kraftstoff abdichtet.An injection valve 1 has a valve body 2 with a recess 3, into which a valve needle 4 is inserted. The valve needle 4 has a guide 5, in the area of which it is guided in the recess 3 of the valve body 2. The recess 3 has a blind hole 6 from which a nozzle opening 7 is guided through the valve body 2 to the outside and through which the fuel is metered into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine. In the area of a tip 8 of the valve needle 4, the valve needle 4 has a seating area 9 with that it comes into contact with a seat 10 of the valve body 2 in the closed position shown in FIG. 1 and thus seals the blind hole 6 and thus also the nozzle opening 7 from a supply bore 11 for supplying fuel.
Die Ventilnadel (Figuren 2a bis 2c) ist zumindest in ihrem Sitzbereich 9 mit einer im folgenden beschriebenen Schichten— folge beschichtet. Sie kann jedoch auch in einem weitergehenden Bereich, so zum Beispiel in dem gesamten Bereich der Spitze 8 der Ventilnadel 4 oder auch bis hin zu ihrer Führung 5 oder einschließlich ihrer Führung 5, mit der im folgenden beschriebenen Schichtenfolge beschichtet sein. Alternativ o- der zusätzlich kann auch der Ventilkörper 2 mit der im folgenden Schichtenfolge zumindest im Bereich des Sitzes 10 des Ventilkörpers beschichtet sein. Bevorzugt ist jedoch die Ventilnadel 4 mit der Schichtenfolge beschichtet, da dies fertigungstechnisch einfacher ist.The valve needle (FIGS. 2a to 2c) is coated, at least in its seating area 9, with a layer sequence described below. However, it can also be coated in a wider area, for example in the entire area of the tip 8 of the valve needle 4 or even up to its guide 5 or including its guide 5, with the layer sequence described below. Alternatively or additionally, the valve body 2 can also be coated with the following layer sequence at least in the region of the seat 10 of the valve body. However, valve needle 4 is preferably coated with the layer sequence, since this is simpler in terms of production technology.
Die Schichtenfolge besteht zumindest aus einer ersten Haft— schicht 14, einer ersten VerschleißschützSchicht 16, einer zweiten Haftschicht 18 und aus einer zweiten Verschleißschutzschicht 20. Die Haftschichten 14,18,22 sind so ausgebildet, dass sie ein gutes Haften der Verschleißschützschichten 16,20,24 gewährleisten. Die Haftschichten 14,18,22 beste— hen bevorzugt aus reinen Metallen, so zum Beispiel Cr, Ti, AI, W, Wc oder sind reaktive Verbindungen zum Beispiel mit Stickstoff, das heißt Hartstoffschichten oder mit Stickstoff und Sauerstoff, das heißt Oxinitride oder mit einem Reaktiv— gas, einem Kohlenwasserstoffgas versehene Schichten.The layer sequence consists at least of a first adhesive layer 14, a first wear protection layer 16, a second adhesive layer 18 and a second wear protection layer 20. The adhesive layers 14, 18, 22 are designed such that they adhere well to the wear protection layers 16, 20. 24 ensure. The adhesive layers 14, 18, 22 preferably consist of pure metals, for example Cr, Ti, Al, W, Wc or are reactive compounds, for example with nitrogen, that is to say hard material layers or with nitrogen and oxygen, that is to say oxynitrides or with a reactive gas, a hydrocarbon gas layer.
Die Verschleißschutzschichten 16, 20, 24 bestehen bevorzugt aus diamantartigen Kohlenstoffschichten, die sich durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aufzeichnen und bei denen die
Kohlenstoffatome eine hohe Anzahl an sp^-verbindungen sogenannten tetragonalen Kohlensto fverbindungen eingehen. Derartige diamantartige Kohlenstoffschichten werden auch als DLC- Schichten, als amorpher, diamantartiger Kohlenstoff a-c:h o— der auch als wasserstofffreie KohlenstoffSchicht ta-c Schichten bezeichnet. Der Abrassionsverschleiss—Koe fizient derartiger Schichten liegt dabei unter 1 x 10-^5 rct^N-^-irf"! . Die Gleitreibungs— oeffizienten dieser Schichten liegen im Tro— ckenlauf bei μ < 0,2 und in dieselgeschmierten Anordnungen deutlich darunter.The wear protection layers 16, 20, 24 preferably consist of diamond-like carbon layers which are distinguished by a very high carbon content and in which the Carbon atoms enter into a large number of sp ^ compounds, so-called tetragonal carbon compounds. Such diamond-like carbon layers are also referred to as DLC layers, as amorphous, diamond-like carbon ac: ho- or also as a hydrogen-free carbon layer ta-c layers. The abrasion wear coefficient of such layers is below 1 x 10- ^ 5 rct ^ N - ^ - irf " !. The sliding friction coefficients of these layers are dry at μ <0.2 and in diesel-lubricated arrangements significantly lower.
Die Abscheidung derartiger kohlenstoffhaltiger verschleißschutzschichten kann beispielweise mittels eines CVD (= Chemical vapour d-position) —Prozess erfolgen sie kann jedoch auch mittels eines aserbogenplasma-Prozesses erfolgen.Such carbon-containing wear protection layers can be deposited, for example, by means of a CVD (= chemical vapor d-position) process, but can also be carried out by means of an azero plasma process.
Die einzelne Verschleißschutzschicht ist bevorzugt zwischen ca. 0,1 bis 3 um dick. Die einzelne Haftschicht 14, 18, 22 ist bevorzugt wenige Hunderstel bis Zehntel um dick. Durch eine derart abwechselnde Schichtenfolge lassen sich ohne weiteres eine Gesamtschichtdicke von beispielsweise 10 μm herstellen. Wenn die Haftschichten 14, 18, 22 eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, so wird auch bei einer hohen thermischen Belastung, wie sie bei Brennkraftmaschinen vorkommt, zuver- lässig eine Graphitisierung der Verschleißschutzschichten 16, 20, 24 vermieden. So kann es von Vorteil sein auch zum Erreichen von weniger dicken aber auch von sehr dicken Gesamtschichtdicken eine Vielzahl von Haftschichten und Verschleiß- Schutzschichten vorzusehen, um so die thermische Belastung der einzelnen VerschleißSchutzschicht gering zu halten. Es kann auch von Vorteil sein die inneren Verschleißschutzschichten dünner auszubilden als die äußeren Verschleiß- schutzschichten .
So können beispielsweise neben der ersten und zweiten Haftschicht 14, 18 und der ersten und der zweiten Verschleißschutzschicht 16, 20 noch eine dritte Haftschicht 22 (Figur 2C) und eine dritte Verschleißschutzschicht 24 vorgesehen sein. Es können jedoch auch noch zusätzliche Haftschichten und Verschleißschutzschichten vorgesehen sein. Durch entsprechende Prozessführung bei der Abscheidung der Haftschichten und der Verschleißschutzschichten kann auch ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt erfolgen. Dadurch können dann auch im Bereich des Übergangs entsprechend angepasste tribo— logische Eigenschaften sichergestellt werden. Durch die beschriebene Schichtenfolge sind GesamtSchicht icken von 10 μm und darüber herstellbar. Selbstverständlich können die Gesamtschichtdicken auch deutlich geringer sein als 10 μm.
The individual wear protection layer is preferably between about 0.1 to 3 µm thick. The individual adhesive layer 14, 18, 22 is preferably a few hundredths to tenths thick. With such an alternating layer sequence, a total layer thickness of, for example, 10 μm can easily be produced. If the adhesive layers 14, 18, 22 have good thermal conductivity, a graphitization of the wear protection layers 16, 20, 24 is reliably avoided even under a high thermal load, as occurs in internal combustion engines. So it can be advantageous to provide a large number of adhesive layers and wear protection layers to achieve less thick but also very thick total layer thicknesses, so as to keep the thermal load on the individual wear protection layer low. It can also be advantageous to make the inner wear protection layers thinner than the outer wear protection layers. For example, in addition to the first and second adhesive layers 14, 18 and the first and second wear protection layers 16, 20, a third adhesive layer 22 (FIG. 2C) and a third wear protection layer 24 can also be provided. However, additional adhesive layers and wear protection layers can also be provided. Appropriate process control during the deposition of the adhesive layers and the wear protection layers can also result in a gradual transition from the respective adhesive layer to the wear protection layer and vice versa. In this way, correspondingly adapted tribological properties can also be ensured in the area of the transition. The layer sequence described enables total layer thicknesses of 10 μm and above to be produced. Of course, the total layer thicknesses can also be significantly less than 10 μm.