WO2016041657A1 - Verfahren zum nitrieren eines bauteils eines kraftstoffeinspritzsystems - Google Patents

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WO2016041657A1
WO2016041657A1 PCT/EP2015/066165 EP2015066165W WO2016041657A1 WO 2016041657 A1 WO2016041657 A1 WO 2016041657A1 EP 2015066165 W EP2015066165 W EP 2015066165W WO 2016041657 A1 WO2016041657 A1 WO 2016041657A1
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valve
pressure
component
nitriding
bore
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PCT/EP2015/066165
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Thomas Brandauer
Christian Graspeuntner
Werner Schoerghofer
Roland Rettenbacher
Roland Eder
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M2200/9061—Special treatments for modifying the properties of metals used for fuel injection apparatus, e.g. modifying mechanical or electromagnetic properties

Definitions

  • the invention relates to a method for nitriding a high pressure loaded, made of an alloy steel member of a fuel injection system, wherein the compound layer formed during nitriding in a
  • Process step is removed at least on strength-critical points of the component.
  • Injector of a fuel injection system is very resistant when the injector has a nitrided state. Above all, the corrosion resistance and the wear resistance increase. On the
  • WO 2004/004973 AI also teaches that pore-like rough surfaces are created by the electrochemical process, which lead to local stress peaks and thus to a reduction in strength.
  • WO 2004/004973 Al proposes, therefore, to carry out a hydro-erosive rounding with a highly viscous liquid at critical bore intersections. This allows the injection nozzle to be loaded with internal pressures of 1800 bar.
  • a component of a fuel injection system which has been treated with the nitriding method according to the invention, can be loaded with internal pressures of well over 2500 bar. This is achieved by the combination of at least one nitriding cut with a further method step, in which the porous connecting layer formed by the nitriding step is removed.
  • the method for nitriding a high pressure-loaded, made of an alloy steel component of a fuel injection system comprises the following method steps:
  • the actual nitriding is carried out in at least one step, but can also be divided into several steps.
  • ammonia-containing gas is used for this purpose.
  • formation takes place in the component
  • the state phases of the iron-nitrogen system are subdivided into an ⁇ -nitride region, a ⁇ -nitride region, a ⁇ '-nitride region and an a-nitride region, ⁇ -nitrides have very high nitrogen mass fractions and are usually found on the surface of the nitrided component, the so-called connection layer or the underlying diffusion layer.
  • the ⁇ '-nitride region also has a high nitrogen content, however with more order of nitrogen atoms than in the ⁇ -nitride range.
  • the ⁇ '-nitride region is also found in the bonding and diffusion layer. Both the ⁇ -nitride region and the ⁇ '-nitride region are comparatively hard and brittle. At very high nitriding temperatures, ⁇ -nitrides can also occur, which have very high nitrogen concentrations.
  • the a-nitride region has a comparatively low nitrogen concentration and is comparatively tough. a-nitride regions are usually in the diffusion layer and in the
  • a component depth of about 5 ⁇ to 10 ⁇ below the surface is the transition from the connection to the diffusion layer.
  • the diffusion layer can reach up to about 500 ⁇ m into the interior of the component.
  • the inventive method carries about 5 ⁇ of the connecting layer.
  • At contour jumps and Bohrungsverschneidungen can be the local Abtrag also significantly more than 5 ⁇ .
  • a very hard, but also very brittle or porous layer is removed.
  • the porosity of the connecting layer acts in the unfavorable load case like an initiation crack of the component; a crack propagation into the material interior can thereby
  • a component treated with the method according to the invention thus simultaneously has increased hardness and increased strength, without becoming too brittle. For example, the component becomes more robust against cavitation loads.
  • Electrochemical deburring can be removed relatively uniformly and inexpensively in particular areas inside a component.
  • the connecting layer is removed by flow grinding. Also, this method can preferably be used inexpensively in complex internal geometries.
  • the inventive method is applied to components of a
  • the component is in a high pressure pump of
  • Fuel injection system arranged valve carrier. It includes one
  • valve housing the valve carrier is arranged.
  • the valve housing, the valve carrier and the pump piston define a compression space whose volume due to the
  • a high-pressure pump of a fuel injection system and in this especially the valve carrier is a highly loaded component, as there can prevail internal pressures of about 2500 bar or even 3000 bar.
  • a high swelling resistance and cavitation resistance of the component is required.
  • hard but brittle surfaces must be avoided.
  • inventive method produces a surface coating of this type and is therefore particularly well suited.
  • this method is used at the most critical points of the valve carrier, for example, under high pressure bore intersections.
  • the component is a nozzle body of a fuel injector of a fuel injection system.
  • the fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine comprises a nozzle needle and a nozzle body, wherein the nozzle needle for opening and closing of injection openings in the combustion chamber longitudinally movable in
  • Nozzle body is guided.
  • the injection openings are in the nozzle body
  • the component is a valve piece of the fuel injector.
  • the fuel injector for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine comprises a nozzle needle, a
  • Nozzle body Nozzle body, a control chamber and a control valve.
  • the nozzle needle is longitudinally movably guided in the nozzle body, wherein the nozzle needle formed by the longitudinal movements at least one formed in the nozzle body
  • Injection opening opens and closes.
  • the longitudinal movements of the nozzle needle are controlled by the pressure in a control chamber, wherein the pressure in the control chamber is controlled by the control valve.
  • the control valve comprises a closing body and a valve piece.
  • the closing body cooperates with a valve seat formed on the valve seat and thereby controls the pressure in the control chamber.
  • Cavitation resistance of the nozzle body increased.
  • Fig.l shows schematically a treated with the inventive valve carrier in a high pressure pump of a
  • Fuel injection system with only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 schematically shows a part of a fuel injector of a fuel injection system treated by the method according to the invention, only the essential areas being illustrated.
  • 3 schematically shows another fuel injector treated by the method according to the invention, only the essential areas being shown.
  • Fig.l shows a longitudinal section of a high pressure pump 100 of a
  • Fuel injection system wherein in the high-pressure pump 100, a valve carrier 10 is arranged, which is treated with the nitriding method according to the invention.
  • the high pressure pump 100 is used to supply not shown
  • Injectors with high-pressure fuel which can be done directly or via a common rail.
  • the housing of the high-pressure pump 100 consists of a cylinder housing 1 and a cylinder head 2 bolted thereto.
  • a valve housing 3 is screwed into the cylinder housing 1, which is sealed to the cylinder head 2.
  • a camshaft not shown, is rotatably mounted, which forms the drive of the high-pressure pump 100.
  • Camshaft cooperates, guided in a longitudinal direction 90 which is perpendicular to the camshaft.
  • valve carrier 10 Within the valve housing 3, in the area facing away from the camshaft, the valve carrier 10 and a valve piece 20, both substantially cylindrical in shape, are braced in the longitudinal direction 90.
  • the cylinder head 2 is screwed to the cylinder housing 1 and the cylinder housing 1 with the valve housing 3.
  • the valve carrier 10 is positioned on an outer circumferential surface 14 within the valve housing 3. Furthermore, the valve carrier 10 acts on a first end face 18 with a first bearing surface 30 of the
  • Valve housing 3 and at a second end face 19 with a first sealing surface 27 of the valve member 20 together.
  • the valve piece 20 also acts on a second sealing surface 28 with a second bearing surface 29 of the cylinder head 2 together.
  • a compression chamber 6 is formed, which is hydraulically connected via formed in the valve carrier 10 connecting holes 13 with an annular space formed in the valve carrier 10.
  • the connecting bores 13 extend in the direction of the longitudinal axis of the valve carrier 10. Hydraulically speaking, the connecting bores 13 and the annular space 12 are an extension of the
  • valve carrier 10 extends from the annular space 12, a first bore 11 for
  • Valve member 20 and there opens into a second bore 21 which is formed in the valve member 20 and which in turn formed in a cylinder head 2 in the
  • High-pressure bore 9 opens.
  • the high-pressure bore 9 leads either to an unillustrated common rail of the fuel injection system or into one or more injectors, not shown, of the fuel injection system.
  • valve carrier 10 Within the valve carrier 10 and the valve member 20 valve functions are realized, which open and close a first and a second hydraulic connection:
  • a high pressure valve piston 40 which is guided in the first bore 11 and biased by a high pressure valve spring 42 against the valve carrier 10, opens and closes the first hydraulic connection by opening and closing a first valve seat 45 formed between valve carrier 10 and high pressure valve piston 40.
  • a suction valve piston 41 which is guided in a bore of the high pressure valve piston 40 and by a Saugventilfeder 43 against the valve carrier 10th
  • the low-pressure bore 17 is hydraulically connected at least indirectly to a fuel tank, not shown, or a prefeed pump, not shown, and serves to fill the annular space 12 and compression chamber 6 during the suction cycle of the high-pressure pump 100, or during the
  • volume of the compression chamber 6 expands.
  • the operation of the high-pressure pump 100 is as follows:
  • the camshaft converts due to its cam
  • Compression space 6 minimally (similar to the state shown in Fig.l state) and thus the fuel contained therein maximally compressed.
  • the first valve seat 45 between high pressure valve piston 40 and valve member 10 and the first hydraulic connection is opened as long as the hydraulically resulting force on the high pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 is greater than the force of the high pressure valve spring 42, i. when the difference between the pressure in the annulus 12 and the pressure in the high pressure bore 9 is so great that the resulting hydraulic force on the
  • High pressure valve piston 40 is greater than the spring force of the high pressure valve spring 42. In this state, the injectors and the common rail are filled with high-pressure fuel.
  • Compression chamber 6 and the fuel in the compression chamber 6 relaxes and thus also the fuel in the connecting holes 13, in the annular space 12 and in the first bore 11.
  • With decreasing pressure in the first bore 11 and the hydraulically resulting opening force decreases to the High pressure valve piston 40 so that it is pressed by the force of the high pressure valve spring 42 in the first valve seat 45 and the first hydraulic connection within the first bore 11 closes.
  • the fuel in the compression chamber 6, in the connecting bores 13 and in the annular space 12 can now be further relaxed, without at the same time the pressure in the second bore 21 and the high-pressure bore 9 drops.
  • Low pressure hole 17 drops, which is usually about 5 bar. From a certain pressure difference, the hydraulic force in the annular space 12 and the force of the Saugventilfeder 43 on the Saugventilkolben 41 is no longer sufficient to push the Saugventilkolben 41 against the second valve seat 46. The hydraulic force in the low-pressure bore 17 opens the second hydraulic connection between the valve carrier 10 and the Saugventilkolben 41 against the force of the Saugventilfeder 43. As a result, fuel flows through the low-pressure bore 17 into the annular space 12 and so filled the
  • Valve carrier 10 is thereby closed and the filling process terminated.
  • the pump piston 5 is now moved by the further rotation of the camshaft, not shown, from its bottom dead center position counter to the longitudinal direction 90 in its upper dead center. This will increase the volume of the camshaft
  • Compression chamber 6 is reduced and with closed first valve seat 45 and closed second valve seat 46 of the fuel in the compression chamber 6, connecting holes 13, annulus 12 and first bore 11 to the first Valve seat 45 compressed. The compression takes place until the pressure in
  • High pressure bore 9 exceeds so far that the hydraulically resulting opening force on the high pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 is greater than the closing force of the high pressure valve spring 42 and the first
  • Valve seat 45 and the first hydraulic connection opens.
  • the described operation of the high-pressure pump 100 shows that the strength-critical annular space 12 and the connecting bores 13 per
  • Camshaft rotation between a low pressure state and a high pressure state are cyclically loaded.
  • Low pressure state is a load of about 5 bar, a typical value for the high pressure state is a load of 300 bar to 3000 bar.
  • Connecting holes 13 are thus very heavily stressed due to the strong pressure fluctuations and cavitation prone. Therefore, these ranges are preferably to be treated with the nitriding method of the present invention to ensure the necessary strength and cavitation resistance.
  • FIG. 2 shows schematically a part of a fuel injector 200 of a
  • the fuel injector 200 has a nozzle body 203 in which a
  • Pressure chamber 201 is formed.
  • the pressure chamber 201 is filled with high-pressure fuel and is for example not one
  • a nozzle needle 202 is arranged longitudinally movable.
  • the nozzle needle 202 opens and closes by its longitudinal movement at least one formed in the nozzle body 203 Injection opening 204 for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, not shown.
  • the nozzle body 203 is especially in the region of the injection openings 204 and in the region of the bore intersections from the pressure chamber 201 to the
  • Injection openings 204 exposed to high loads and cavitation risks.
  • the nitriding method according to the invention is used.
  • FIG. 3 schematically shows a further fuel injector 300 of a
  • the fuel injector 300 comprises a nozzle body 303, a pressure chamber 301, a nozzle needle 302 and at least one injection opening 304 analogous to the exemplary embodiment of FIG.
  • the longitudinal movements of the nozzle needle 302 are controlled by the pressure in a control chamber 305, wherein the pressure in the control chamber 305 is in turn controlled by a control valve 310.
  • the control valve 310 comprises a closing body 311 and a valve piece 312.
  • the closing body 311 cooperates with a valve seat 313 formed on the valve piece 312 and thereby opens and closes an outlet throttle 314 formed in the valve piece 312, which hydraulically controls the control space 305 with a not shown
  • the valve piece 312 is especially in the region of the valve seat 313 and the
  • the nitriding process according to the invention comprises the following process steps:
  • the connecting layer is at least on
  • connection layer By removing the connection layer or a large part of the connection layer, the potential initiation cracks, caused by the porosity of the connection layer, are removed at this point of the component, thereby increasing the strength and cavitation resistance of the component.

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Abstract

Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: - Aktivieren des Bauteils; - Nitrieren des Bauteils; - Entfernen der durch das Nitrieren entstandenen Verbindungsschicht an der Oberfläche des Bauteils, wobei die Verbindungsschicht zumindest an festigkeitskritischen Stellen des Bauteils entfernt wird.

Description

Titel
Verfahren zum Nitrieren eines Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die beim Nitrieren entstehende Verbindungsschicht in einem
Verfahrensschritt zumindest an festigkeitskritischen Stellen des Bauteils entfernt wird.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 56 590 AI ist bekannt, dass eine
Einspritzdüse eines Kraftstoffeinspritzsystems sehr widerstandsfähig wird, wenn die Einspritzdüse einen nitrierten Zustand aufweist. Dabei erhöhen sich vor allem die Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißwiderstand. Auf das
Nitrierverfahren an sich wird in dieser Schrift jedoch nicht eingegangen.
Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift WO 2004/004973 AI bekannt, dass ein elektrochemisches Entgraten von Verrundungen einer Einspritzdüse
festigkeitssteigernd wirken kann. Allerdings lehrt die WO 2004/004973 AI auch, dass durch das elektrochemische Verfahren porenartige raue Oberflächen geschaffen werden, die zu lokalen Spannungsspitzen führen und damit zu einer Verringerung der Festigkeit. Die WO 2004/004973 AI schlägt daher vor, an festigkeitskritischen Bohrungsverschneidungen ein hydro-erosives Verrunden mit einer hochviskosen Flüssigkeit durchzuführen. Dadurch kann die Einspritzdüse mit Innendrücken von 1800 bar belastet werden. Offenbarung der Erfindung Demgegenüber kann ein Bauteil eines Kraftstoffeinspritzsystems, das mit dem erfindungsgemäßen Nitrierverfahren behandelt wurde, mit Innendrücken von weit über 2500 bar belastet werden. Dies wird durch die Kombination von zumindest einem Nitrierschnitt mit einem weiteren Verfahrensschritt erzielt, bei dem die durch den Nitrierschritt entstandene poröse Verbindungsschicht entfernt wird.
Dazu weist das Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems folgende Verfahrensschritte auf:
- Aktivieren des Bauteils
- Nitrieren des Bauteils
- Entfernen der durch das Nitrieren entstandenen Verbindungsschicht an der Oberfläche des Bauteils, wobei die Verbindungsschicht zumindest an festigkeitskritischen Stellen des Bauteils entfernt wird. Durch das Aktivieren wird der Widerstand des Bauteils gegen das Eindiffundieren des Stickstoffs verringert. Dieser Schritt erhöht also die Nitrierbarkeit des
Bauteils. Das eigentliche Nitrieren wird in mindestens einem Schritt durchgeführt, kann jedoch auch in mehrere Schritte unterteilt werden. Vorzugsweise wird dazu ammoniakhaltiges Gas verwendet. Je nachdem, mit welcher Nitrierkennzahl KN der zumindest eine Nitrierschritt durchgeführt wird, bilden sich im Bauteil
Nitrideinlagerungen im a- Nitrid- Bereich, im ε-Nitrid-Bereich, im γ- Nitrid- Bereich oder im γ'- Nitrid- Bereich des Lehrer-Diagramms aus, die zu einer Steigerung der Bauteilhärte führen. Im Lehrer- Diagramm werden die Zustandsphasen des Systems Eisen-Stickstoff unterteilt in einen ε- Nitrid- Bereich, einen γ- Nitrid- Bereich, einen γ'- Nitrid- Bereich und einen a- Nitrid- Bereich, ε- Nitride weisen sehr hohe Stickstoffmassenanteile auf und sind in der Regel an der Oberfläche des nitrierten Bauteils zu finden, der sogenannten Verbindungsschicht oder der darunter liegenden Diffusionsschicht. Der γ'- Nitrid- Bereich weist ebenfalls einen hohen Stickstoffanteil auf, allerdings mit mehr Ordnung der Stickstoffatome als im ε- Nitrid- Bereich. Der γ'-Nitrid- Bereich ist ebenfalls in der Verbindungs- und Diffusionsschicht zu finden. Sowohl der ε- Nitrid- Bereich als auch der γ'- Nitrid- Bereich sind vergleichsweise hart und spröde. Bei sehr hohen Nitriertemperaturen können auch γ-Nitride auftreten, die sehr hohe Stickstoffkonzentrationen aufweisen. Der a- Nitrid- Bereich weist eine vergleichsweise niedrige Stickstoffkonzentration auf und ist vergleichsweise zäh. a- Nitrid- Bereiche sind üblicherweise in der Diffusionsschicht und im
Grundwerkstoff zu finden.
In einer Bauteiltiefe von etwa 5 μηη bis 10 μηη unter der Oberfläche befindet sich der Übergang von der Verbindungs- zur Diffusionsschicht. Die Diffusionsschicht kann bis etwa 500 μηη ins Bauteilinnere reichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren trägt etwa 5 μηη der Verbindungsschicht ab. An Kontursprüngen und Bohrungsverschneidungen kann dabei der örtliche Abtrag auch deutlich mehr als 5 μηη betragen. Dadurch wird zwar eine sehr harte, aber auch sehr spröde bzw. poröse Schicht abgetragen. Die Porosität der Verbindungsschicht wirkt im ungünstigen Belastungsfall wie ein Initierungsriss des Bauteils; eine Rissausbreitung ins Materialinnere kann dadurch
vergleichsweise leicht stattfinden. Durch das Abtragen der Verbindungsschicht bzw. eines großen Teils der Verbindungsschicht werden auch die potentiellen Initierungsrisse an dieser Stelle des Bauteils entfernt und dadurch die Festigkeit des Bauteils gesteigert.
In der Diffusionsschicht und im Falle einer nicht komplett abgetragenen
Verbindungsschicht auch im nicht abgetragenen Teil der Verbindungsschicht sind jedoch noch genügend Nitrideinlagerungen vorhanden, so dass die Härte dieser Bereiche gegenüber dem Grundwerkstoff immer noch deutlich gesteigert ist. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandeltes Bauteil weist somit gleichzeitig eine gesteigerte Härte und eine gesteigerte Festigkeit auf, ohne dabei zu spröde zu werden. Das Bauteil wird dadurch beispielsweise robuster gegenüber Kavitationsbelastungen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
Verbindungsschicht durch elektrochemisches Entgraten entfernt. Durch elektrochemisches Entgraten können speziell Bereiche im Inneren eines Bauteils relativ gleichmäßig und kostengünstig abgetragen werden.
In einer alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbindungsschicht durch Strömungsschleifen entfernt. Auch dieses Verfahren kann bevorzugt bei komplexen Innengeometrien kostengünstig eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Bauteilen eines
Kraftstoffeinspritzsystems eingesetzt, da diese Bauteile aufgrund der
Druckanforderungen eine hohe Festigkeit und große Kavitationsresistenz benötigen.
Vorteilhafterweise ist das Bauteil ein in einer Hochdruckpumpe des
Kraftstoffeinspritzsystems angeordneter Ventilträger. Die umfasst einen
Pumpenkolben, der in einer Führungsbohrung eines Ventilgehäuses
längsbeweglich geführt ist, wobei in dem Ventilgehäuse der Ventilträger angeordnet ist. Das Ventilgehäuse, der Ventilträger und der Pumpenkolben begrenzen einen Verdichtungsraum, dessen Volumen aufgrund der
Längsbewegungen des Pumpenkolbens variabel ist.
Eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems und in dieser speziell der Ventilträger ist ein hochbelastetes Bauteil, da dort Innendrücke von über 2500 bar oder sogar 3000 bar herrschen können. Eine hohe Schwellfestigkeit und Kavitationsbeständigkeit des Bauteils ist dadurch erforderlich. Gleichzeitig müssen harte, aber spröde Oberflächen vermieden werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren erzeugt eine Oberflächenbeschichtung dieser Art und ist daher besonders gut geeignet. Bevorzugt wird dieses Verfahren an den besonders kritischen Stellen des Ventilträgers eingesetzt, beispielsweise an unter Hochdruck stehenden Bohrungsverschneidungen.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist das Bauteil ein Düsenkörper eines Kraftstoff injektors eines Kraftstoffeinspritzsystems. Der Kraftstoff injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine Düsennadel und einen Düsenkörper, wobei die Düsennadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen in den Brennraum längsbeweglich im
Düsenkörper geführt ist. Die Einspritzöffnungen sind im Düsenkörper
ausgebildet. Durch das Nitrieren des Düsenkörpers mit dem erfindungsgemäßen Nitrierverfahren werden die Festigkeit und die Kavitationsresistenz des
Düsenkörpers gesteigert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Bauteil ein Ventilstück des Kraftstoffinjektors. Der Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine Düsennadel, einen
Düsenkörper, einen Steuerraum und ein Steuerventil. Die Düsennadel ist längsbeweglich im Düsenkörper geführt, wobei die Düsennadel durch die Längsbewegungen zumindest eine im Düsenkörper ausgebildete
Einspritzöffnung öffnet und schließt. Die Längsbewegungen der Düsennadel werden durch den Druck in einem Steuerraum gesteuert, wobei der Druck im Steuerraum durch das Steuerventil gesteuert wird. Das Steuerventil umfasst einen Schließkörper und ein Ventilstück. Der Schließkörper wirkt mit einem an dem Ventilstück ausgebildeten Ventilsitz zusammen und steuert dadurch den Druck im Steuerraum. Durch das Nitrieren des Ventilstücks mit dem
erfindungsgemäßen Nitrierverfahren werden die Festigkeit und die
Kavitationsresistenz des Düsenkörpers gesteigert.
Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Ventilträger in einer Hochdruckpumpe eines
Kraftstoffeinspritzsystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt schematisch einen Teil eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.3 zeigt schematisch einen weiteren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Kraftstoffinjektor, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Beschreibung
Fig.l zeigt einen Längsschnitt einer Hochdruckpumpe 100 eines
Kraftstoffeinspritzsystems, wobei in der Hochdruckpumpe 100 ein Ventilträger 10 angeordnet ist, der mit dem erfindungsgemäßen Nitrierverfahren behandelt ist. Die Hochdruckpumpe 100 dient der Versorgung von nicht dargestellten
Injektoren mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, wobei dies direkt oder über ein Common Rail erfolgen kann.
Das Gehäuse der Hochdruckpumpe 100 besteht aus einem Zylindergehäuse 1 und einem mit diesem verschraubten Zylinderkopf 2. Ein Ventilgehäuse 3 ist in das Zylindergehäuse 1 eingeschraubt, welches mit dem Zylinderkopf 2 abgedichtet ist. Im Zylindergehäuse 1 ist eine nicht dargestellte Nockenwelle rotierbar gelagert, die den Antrieb der Hochdruckpumpe 100 bildet.
In einer im Ventilgehäuse 3 ausgebildeten Führungsbohrung 35 ist ein
Pumpenkolben 5, der zumindest mittelbar mit der nicht dargestellten
Nockenwelle zusammenwirkt, in einer Längsrichtung 90 geführt, die senkrecht zur Nockenwelle verläuft.
Innerhalb des Ventilgehäuses 3, in dem der Nockenwelle abgewandten Bereich, sind der Ventilträger 10 und ein Ventilstück 20, beide im Wesentlichen von zylindrischer Form, in Längsrichtung 90 verspannt. Dazu ist der Zylinderkopf 2 mit dem Zylindergehäuse 1 verschraubt und das Zylindergehäuse 1 mit dem Ventilgehäuse 3. Der Ventilträger 10 ist an einer äußeren Mantelfläche 14 innerhalb des Ventilgehäuses 3 positioniert. Weiterhin wirkt der Ventilträger 10 an einer ersten Stirnfläche 18 mit einer ersten Auflagefläche 30 des
Ventilgehäuses 3 und an einer zweiten Stirnfläche 19 mit einer ersten Dichtfläche 27 des Ventilstücks 20 zusammen. Das Ventilstück 20 wirkt außerdem an einer zweiten Dichtfläche 28 mit einer zweiten Auflagefläche 29 des Zylinderkopfs 2 zusammen.
Zwischen dem Ventilgehäuse 3, dem Ventilträger 10 und dem Pumpenkolben 5 ist ein Verdichtungsraum 6 ausgebildet, der über im Ventilträger 10 ausgebildete Verbindungsbohrungen 13 mit einem im Ventilträger 10 ausgebildeten Ringraum 12 hydraulisch verbunden ist. Die Verbindungsbohrungen 13 verlaufen in Richtung der Längsachse des Ventilträgers 10. Hydraulisch gesehen sind die Verbindungsbohrungen 13 und der Ringraum 12 eine Erweiterung des
Verdichtungsraums 6, da sie mit diesem ständig verbunden sind.
Im Ventilträger 10 verläuft vom Ringraum 12 eine erste Bohrung 11 zum
Ventilstück 20 und mündet dort in eine zweite Bohrung 21, die im Ventilstück 20 ausgebildet ist und die wiederrum in eine im Zylinderkopf 2 ausgebildete
Hochdruckbohrung 9 mündet. Die Hochdruckbohrung 9 führt entweder in ein nicht dargestelltes Common Rail des Kraftstoffeinspritzsystems oder in eine bzw. mehrere nicht dargestellte Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems.
Innerhalb des Ventilträgers 10 und des Ventilstücks 20 sind Ventilfunktionen realisiert, die eine erste und eine zweite hydraulische Verbindung öffnen und schließen:
Ein Hochdruckventilkolben 40, der in der ersten Bohrung 11 geführt und durch eine Hochdruckventilfeder 42 gegen den Ventilträger 10 vorgespannt ist, öffnet und schließt die erste hydraulische Verbindung, indem er einen zwischen Ventilträger 10 und Hochdruckventilkolben 40 ausgebildeten ersten Ventilsitz 45 öffnet und schließt.
Ein Saugventilkolben 41, der in einer Bohrung des Hochdruckventilkolbens 40 geführt und durch eine Saugventilfeder 43 gegen den Ventilträger 10
vorgespannt ist, öffnet und schließt die zweite hydraulische Verbindung vom Ringraum 12 zu einer im Ventilträger 10 angeordneten Niederdruckbohrung 17, indem er einen zwischen Ventilträger 10 und Saugventilkolben 41 ausgebildeten zweiten Ventilsitz 46 öffnet und schließt. Die Niederdruckbohrung 17 ist hydraulisch zumindest mittelbar mit einem nicht dargestellten Kraftstofftank bzw. einer nicht dargestellten Vorförderpumpe verbunden und dient der Befüllung von Ringraum 12 und Verdichtungsraum 6 während des Saugtaktes der Hochdruckpumpe 100, bzw. während der
Längsbewegung des Pumpenkolbens 5 in Längsrichtung 90, bei der das
Volumen des Verdichtungsraums 6 expandiert.
Die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 ist wie folgt:
Die nicht dargestellte Nockenwelle wandelt aufgrund ihres Nockens ein
Drehmoment in eine axiale Längskraft auf den längsbeweglichen Pumpenkolben 5 um und bewegt diesen somit in der Führungsbohrung 35 in Längsrichtung 90 auf und ab, wodurch sich das Volumen des Verdichtungsraums 6 ändert.
Im oberen Totpunkt des Pumpenkolbens 5 ist das Volumen des
Verdichtungsraums 6 minimal (ähnlich dem in der Fig.l dargestellten Zustand) und damit der darin befindliche Kraftstoff maximal verdichtet. Zu diesem
Zeitpunkt stehen der Verdichtungsraum 6 und damit auch die
Verbindungsbohrungen 13 und der Ringraum 12 unter Hochdruck. Der erste Ventilsitz 45 zwischen Hochdruckventilkolben 40 und Ventilstück 10 bzw. die erste hydraulische Verbindung ist geöffnet, solange die hydraulisch resultierende Kraft auf den Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Kraft der Hochdruckventilfeder 42, d.h. wenn die Differenz zwischen dem Druck im Ringraum 12 und dem Druck in der Hochdruckbohrung 9 so groß ist, dass die daraus resultierende hydraulische Kraft auf den
Hochdruckventilkolben 40 größer ist als die Federkraft der Hochdruckventilfeder 42. In diesem Zustand werden die Injektoren bzw. das Common Rail mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt.
Eine Drehung der Nockenwelle bewirkt nun, dass sich der Pumpenkolben 5 in Längsrichtung 90 bewegt. Dadurch expandiert das Volumen des
Verdichtungsraums 6 und der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6 entspannt sich und somit auch der Kraftstoff in den Verbindungsbohrungen 13, im Ringraum 12 und in der ersten Bohrung 11. Mit abnehmendem Druck in der ersten Bohrung 11 sinkt auch die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40, so dass dieser durch die Kraft der Hochdruckventilfeder 42 in den ersten Ventilsitz 45 gedrückt wird und die erste hydraulische Verbindung innerhalb der ersten Bohrung 11 schließt. Dadurch ist der Fördervorgang ins Common Rail bzw. in die Injektoren beendet. Der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6, in den Verbindungsbohrungen 13 und im Ringraum 12 kann nun weiter entspannt werden, ohne dass gleichzeitig der Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. der Hochdruckbohrung 9 abfällt.
Bis zum unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 5, in dem das Volumen des Verdichtungsraums 6 maximal ist, wird der Kraftstoff im Ringraum 12 so weit entspannt bis der Druck im Ringraum 12 unter den Druck in der
Niederdruckbohrung 17 abfällt, der üblicherweise etwa 5 bar beträgt. Ab einer bestimmten Druckdifferenz reichen die hydraulische Kraft im Ringraum 12 und die Kraft der Saugventilfeder 43 auf den Saugventilkolben 41 nicht mehr aus, um den Saugventilkolben 41 gegen den zweiten Ventilsitz 46 zu drücken. Die hydraulische Kraft in der Niederdruckbohrung 17 öffnet die zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Ventilträger 10 und dem Saugventilkolben 41 entgegen der Kraft der Saugventilfeder 43. Dadurch strömt Kraftstoff über die Niederdruckbohrung 17 in den Ringraum 12 und befüllt so auch die
Verbindungsbohrungen 13, den Verdichtungsraum 6 und die erste Bohrung 11 bis zum ersten Ventilsitz 45.
Sind die Drücke im Ringraum 12 und in der Niederdruckbohrung 17 durch den Befüllungsvorgang annähernd ausgeglichen, so ist die resultierende hydraulische Kraft auf den Saugventilkolben 41 annähernd Null und die Saugventilfeder 43 drückt den Saugventilkolben 41 gegen den zweiten Ventilsitz 46. Die zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Saugventilkolben 41 und dem
Ventilträger 10 wird dadurch geschlossen und der Befüllungsvorgang beendet.
Der Pumpenkolben 5 wird nun durch die weitere Rotation der nicht dargestellten Nockenwelle aus seiner unteren Totpunktstellung entgegen der Längsrichtung 90 in seine obere Totpunktstellung bewegt. Dadurch wird das Volumen des
Verdichtungsraums 6 reduziert und bei geschlossenem ersten Ventilsitz 45 und geschlossenem zweiten Ventilsitz 46 der Kraftstoff in Verdichtungsraum 6, Verbindungsbohrungen 13, Ringraum 12 und erster Bohrung 11 bis zum ersten Ventilsitz 45 verdichtet. Die Verdichtung erfolgt solange, bis der Druck im
Ringraum 12 den Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. in der
Hochdruckbohrung 9 so weit übersteigt, dass die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Schließkraft der Hochdruckventilfeder 42 und den ersten
Ventilsitz 45 bzw. die erste hydraulische Verbindung öffnet.
Daraufhin strömt der verdichtete Kraftstoff vom Ringraum 12 durch die erste Bohrung 11 in die zweite Bohrung 21 und somit auch in die Hochdruckbohrung 9 und ins Common Rail bzw. in die Injektoren. Der Druck in der Hochdruckbohrung
9 nähert sich in der Folge dem Druck im Ringraum 12 an. Der Pumpenkolben 5 befindet sich zu diesem Zeitpunkt etwa wieder im oberen Totpunkt.
Die beschriebene Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 zeigt, dass der festigkeitskritische Ringraum 12 und die Verbindungsbohrungen 13 pro
Nockenwellenumdrehung zwischen einem Niederdruckzustand und einem Hochdruckzustand zyklisch belastet werden. Ein typischer Wert für den
Niederdruckzustand ist eine Belastung von etwa 5 bar, ein typischer Wert für den Hochdruckzustand ist eine Belastung von 300 bar bis 3000 bar.
Die Bohrungsverschneidungen zwischen dem Ringraum 12 und den
Verbindungsbohrungen 13 sind somit aufgrund der starken Druckschwankungen sehr stark beansprucht und auch kavitationsanfällig. Daher sind diese Bereiche bevorzugt mit dem erfindungsgemäßen Nitrierverfahren zu behandeln, um die notwendige Festigkeit und Kavitationsbeständigkeit sicherzustellen.
Fig.2 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftstoffinjektors 200 eines
Kraftstoffeinspritzsystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Kraftstoffinjektor 200 weist einen Düsenkörper 203 auf, in dem ein
Druckraum 201 ausgebildet ist. Der Druckraum 201 ist mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt und wird beispielsweise von einem nicht
dargestellten Common Rail oder einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems gespeist. Im Druckraum 201 ist eine Düsennadel 202 längsbeweglich angeordnet. Die Düsennadel 202 öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung zumindest eine im Düsenkörper 203 ausgebildete Einspritzöffnung 204 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine.
Der Düsenkörper 203 ist speziell im Bereich der Einspritzöffnungen 204 bzw. im Bereich der Bohrungsverschneidungen vom Druckraum 201 zu den
Einspritzöffungen 204 hohen Beanspruchungen und Kavitationsrisiken ausgesetzt. Um die Festigkeit und die Kavitationsresistenz des Düsenkörpers 203 zu erhöhen, wird das erfindungsgemäße Nitrierverfahren eingesetzt.
Fig.3 zeigt schematisch einen weiteren Kraftstoffinjektor 300 eines
Kraftstoffeinspritzsystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Kraftstoffinjektor 300 umfasst analog zu dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 einen Düsenkörper 303, einen Druckraum 301, eine Düsennadel 302 und zumindest eine Einspritzöffnung 304.
Die Längsbewegungen der Düsennadel 302 werden durch den Druck in einem Steuerraum 305 gesteuert, wobei der Druck im Steuerraum 305 wiederum von einem Steuerventil 310 gesteuert wird. Das Steuerventil 310 umfasst einen Schließkörper 311 und ein Ventilstück 312. Der Schließkörper 311 wirkt mit einem an dem Ventilstück 312 ausgebildeten Ventilsitz 313 zusammen und öffnet und schließt dadurch eine im Ventilstück 312 ausgebildete Ablaufdrossel 314, welche den Steuerraum 305 hydraulisch mit einem nicht dargestellten
Niederdruckraum verbindet.
Das Ventilstück 312 ist speziell im Bereich des Ventilsitzes 313 und der
Ablaufdrossel 314 hohen Beanspruchungen und Kavitationsrisiken ausgesetzt. Um die Festigkeit und die Kavitationsresistenz des Ventilstücks 312 zu erhöhen, wird das erfindungsgemäße Nitrierverfahren eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Nitrierverfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Aktivieren des Bauteils: zur Verringerung des Widerstands gegen
Eindiffundieren des Stickstoffs
- Nitrieren des Bauteils: zur Steigerung der Härte durch Nitrideinlagerungen - Entfernen der durch das Nitrieren entstandenen Verbindungsschicht an der Oberfläche des Bauteils: die Verbindungsschicht wird zumindest an
festigkeitskritischen Stellen des Bauteils entfernt, um die Bruchgefahr an den spröden Korngrenzen der Verbindungsschicht zu reduzieren.
Durch das Abtragen der Verbindungsschicht bzw. eines großen Teils der Verbindungsschicht werden die potentiellen Initierungsrisse, hervorgerufenen durch die Porosität der Verbindungsschicht, an dieser Stelle des Bauteils entfernt und dadurch die Festigkeit und die Kavitationsresistenz des Bauteils gesteigert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Nitrieren eines hochdruckbelasteten, aus einem legierten Stahl bestehenden Bauteils eines Kraftstoffeinspritzsystems,
durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- Aktivieren des Bauteils
- Nitrieren des Bauteils
- Entfernen der durch das Nitrieren entstandenen Verbindungsschicht an der Oberfläche des Bauteils, wobei die Verbindungsschicht zumindest an festigkeitskritischen Stellen des Bauteils entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungsschicht durch elektrochemisches Entgraten entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungsschicht durch Strömungsschleifen entfernt wird.
4. Bauteil, das nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 nitriert ist.
5. Hochdruckpumpe (100) eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit einem
Pumpenkolben (5), der in einer Führungsbohrung (35) eines Ventilgehäuses (3) längsbeweglich geführt ist, wobei in dem Ventilgehäuse (3) ein Ventilträger (10) angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse (3), der Ventilträger (10) und der Pumpenkolben (5) einen Verdichtungsraum (6) begrenzen, dessen Volumen aufgrund der Längsbewegungen des Pumpenkolbens (5) variabel ist und so mit wechselndem Kraftstoffdruck belastet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilträger (10) nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 nitriert ist.
6. Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Bohrung (11) des Ventilträgers (10) ein Ringraum (12) ausgebildet ist, der mit dem Verdichtungsraum (6) durch zumindest eine im Ventilträger (10) ausgebildete Verbindungsbohrung (13) ständig hydraulisch verbunden ist, wobei der Ventilträger (10) zumindest im Bereich der Bohrungsverschneidung zwischen der zumindest einen Verbindungsbohrung (13) und dem Ringraum (12) nitriert ist.
7. Kraftstoffinjektor (200) eines Kraftstoffeinspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel (202), die zum Öffnen und Schließen von in einem Düsenkörper (203) ausgebildeten Einspritzöffnungen längsbeweglich in dem Düsenkörper (203) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (203) nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 nitriert ist.
8. Kraftstoffinjektor (300) eines Kraftstoffeinspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel
(302) , die längsbeweglich in einem Düsenkörper (303) geführt ist, wobei die Düsennadel (302) durch die Längsbewegungen zumindest eine im Düsenkörper
(303) ausgebildete Einspritzöffnung (304) öffnet und schließt und wobei die Längsbewegungen der Düsennadel (302) durch den Druck in einem Steuerraum (305) gesteuert werden, wobei der Druck im Steuerraum (305) durch ein
Steuerventil (310) gesteuert wird, wobei das Steuerventil (310) einen
Schließkörper (311) und ein Ventilstück (312) umfasst und der Schließkörper (311) mit einem an dem Ventilstück (312) ausgebildeten Ventilsitz (313) zusammenwirkt und dadurch den Druck im Steuerraum (305) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstück (312) nach einem Verfahren der
Ansprüche 1 bis 3 nitriert ist.
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