AT508050B1 - Vorrichtung zum einspritzen von kraftstoff in den brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 508 050 B1 2011-09-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine Einspritzdüse mit einer axial verschieblichen Düsennadel, welche zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Druck im Steuerraum über ein wenigstens einen Zu- oder Ablaufkanal für Kraftstoff öffnendes oder schließendes Steuerventil gesteuert wird, bei welchem mit einem Betätigungsglied ein gegen eine Sitzfläche eines Ventilsitzes pressbares Ventilschließglied gekuppelt ist, wobei das Ventilschließglied auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite im Axialschnitt gesehen eine gekrümmte Oberfläche aufweist und der Ventilsitz eine die Verschleißfestigkeit erhöhende Beschichtung aufweist.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Steuerventils für eine Einspritzvorrichtung.

[0003] Bei servogesteuerten Einspritzinjektoren für Brennkraftmaschinen, insbesondere in Common-Rail Einspritzsystemen, erfolgt die Steuerung der Einspritzung mit Hilfe eines Magnetventils. Das Magnetventil steuert den Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum einer Einspritzdüse. Um hohe Lebensdauern auch bei schlechten Kraftstoffqualitäten gewährleisten zu können, kann das Magnetventil vorzugsweise als Kugelventil ausgebildet sein. Dabei kann der kegelige Ventilsitz zur weiteren Erhöhung der Lebensdauer beschichtet werden, beispielsweise mit Titannitrid oder mit Chromnitrid.

[0004] Das Dokument DE 197 38 351 A1 zeigt und beschreibt einen Ventilsitz bei einem Speicherkraftstoffeinspritzsystem, wobei zur Verminderung des Verschleißes verschleißfeste Materialien zum Einsatz gelangen.

[0005] In der WO 2004/033895 A1 ist ein Einspritzventil gezeigt, in welchem ein Ventilschließkörper mit einer Sitzfläche zusammenwirkt, wobei gewisse Flächen des Einspritzventils mit einer korrosionshemmenden und/oder reibungsmindernden Schicht beschichtet sind.

[0006] Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines modularen Common-Rail-Einspritzsystems gemäß dem Stand der Technik. Aus dem Kraftstofftank 1 wird mit einer Vorförderpumpe 2 Kraftstoff angesaugt und von der Hochdruckpumpe 3 auf den erforderlichen Systemdruck gebracht und dem Einspritzinjektor 4 zugeführt. Der Injektor 4 besteht aus einer Einspritzdüse 5, einer Drosselplatte 6, einem Magnetventil 7, einem mit einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) ausgestatteten Injektorkörper 8 und eine Düsenspannmutter 9, die die Teile zusammenhält. Im Ruhezustand ist das Magnetventil 7 geschlossen, sodass Hochdruckkraftstoff aus der Hochdruckbohrung 10 über die Quernut 11 und die Zulaufdrossel 12 in den Steuerraum 13 der Düse 5 strömt, der Abfluss aus dem Steuerraum 13 über die Ablaufdrossel 14 aber am Ventilsitz 15 des Magnetventils 7 blockiert ist. Der im Steuerraum 13 anliegende Systemdruck drückt gemeinsam mit der Kraft der Düsenfeder 16 die Düsennadel 17 in den Düsennadelsitz 18, sodass die Spritzlöcher 24 verschlossen sind.

[0007] Wird das Magnetventil 7 betätigt, indem der Elektromagnet 25 angesteuert und das Magnetventilglied 27 gegen die Kraft der Magnetventilfeder 26 aus dem Ventilsitz 15 gehoben wird, gibt es den Durchfluss über den Ventilsitz 15 frei, und Kraftstoff strömt aus dem Steuerraum 13 durch die Ablaufdrossel 14, den Magnetventilankerraum 19, die Ablaufspalte 20, die Entlastungsbohrung 21 und die Niederdruckbohrung 22 zurück in den Kraftstofftank 1. Es stellt sich ein durch die Strömungsquerschnitte von Zulaufdrossel 12 und Ablaufdrossel 14 definierter Gleichgewichtsdruck im Steuerraum 13 ein, der so gering ist, dass der im Düsenraum 23 anliegende Systemdruck die im Düsenkörper 29 längs verschieblich geführte Düsennadel 17 zu öffnen vermag, sodass die Spritzlöcher 24 freigegeben werden und die Einspritzung erfolgt.

[0008] Fig. 2 zeigt in einer Vergrößerung den Sitzbereich des Magnetventils. Die Ventilplatte 6, die in einer alternativen Ausprägung auch gleichzeitig die Drosselplatte des Injektors sein kann, ist im Bereich des Ventilsitzes 31 kegelig ausgebildet. Zur Erhöhung der Lebensdauer des 1/10 österreichisches Patentamt AT 508 050 B1 2011-09-15

Magnetventils ist in diesem kegeligen Bereich eine Beschichtung 32 aufgebracht, beispielsweise TiN oder CrN. Im Neuzustand ruht die Ventilkugel 30 derart am Ventilsitz 15, dass sich theoretisch eine Linienberührung zwischen Ventilkugel 30 und Ventilsitz 15 ergibt. Aufgrund der Belastung der Kugel durch das Ventilglied 27 kommt es daher hier schnell zu Verschleiß, der an dieser Stelle die Dicke der Beschichtung verringert.

[0009] Fig. 3 zeigt den Zustand des Ventilsitzes nach moderater Laufzeit des Ventils. Die Linienberührung am Ventilsitz 15 hat sich aufgrund von Verschleiß zu einem Sitzbereich, d.h. zu einer Sitzfläche 31 entwickelt.

[0010] Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Ventilplatte 6 im Sitzbereich 31. Man erkennt, dass sich die anfängliche Beschichtungsdicke, die vorzugsweise bei Neuteilen 2 bis 5 pm. beträgt, im Sitzbereich 31 stark reduziert (33). Schlimmstenfalls kann bereits nach kurzer Laufzeit die vorhandene Schichtdicke komplett aufgebraucht sein, sodass im Bereich 31 bereits nach kurzer Zeit der Grundwerkstoff hervortritt und die weitere Haltbarkeit des Sitzes nicht mehr gegeben ist.

[0011] Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, die Schädigung des Ventilsitzes und insbesondere der dort aufgebrachten Beschichtung zu verringern.

[0012] Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wesentlichen derart weitergebildet, dass die Sitzfläche des Ventilsitzes eine der Krümmung des Ventilschließglieds im Wesentlichen entsprechende Krümmung aufweist und die Beschichtung im gekrümmten Bereich der Sitzfläche mit einer gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet ist. Dadurch, dass die Sitzfläche des Ventilsitzes eine der Krümmung des Ventilschließglieds im Wesentlichen entsprechende Krümmung aufweist, wird ein Flächenkontakt zwischen dem Ventilschießglied und der Sitzfläche des Ventilsitzes sichergestellt, sodass es zu einer Druckverteilung über eine größere Fläche kommt und Druckspitzen an der Sitzfläche vermieden werden. Es kommt an der Sitzfläche daher nicht zu einer lokalen Überbeanspruchung und damit zusammenhängend auch nicht zu einem starken Verschleiß der Beschichtung. Dadurch, dass die Beschichtung im gekrümmten Bereich der Sitzfläche mit einer gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet ist, ergeben sich gleichmäßige Verhältnisse über die gesamte Sitzfläche, wodurch die Lebensdauer des Ventils wesentlich erhöht wird.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Ventilschließglied von einer Kugel gebildet. Die Krümmung des gekrümmten Bereichs der Sitzfläche weist in diesem Fall eine dem Kugelradius im Wesentlichen entsprechenden Krümmungsradius auf.

[0014] Mit Vorteil ist die Krümmung der Sitzfläche in einem kegeligen Bereich des Ventilsitzes ausgebildet.

[0015] Die Beschichtung umfasst bevorzugt Titannitrid oder Chromnitrid, wobei die Beschichtung im Bereich der gekrümmten Sitzfläche bevorzugt ein Schichtdicke von wenigstens 2 pm, höchstens, 10 pm aufweist.

[0016] Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Steuerventils wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung derart vorgegangen, dass die Ventilplatte von einem die gewünschte Krümmung aufweisenden Prägekörper beaufschlagt wird und die gekrümmte Sitzfläche durch Eindrücken des Prägekörpers in die Ventilplatte hergestellt wird und dass danach die gekrümmte Sitzfläche mit einer Beschichtung mit gleichmäßiger Dicke versehen wird.

[0017] Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 5 den Vorbereitungsprozess zu einer beschichteten Ventilplatte und Fig. 6 eine Ventilplatte, die nach Fig. 5 vorbehandelt und beschichtet wurde.

[0018] In Fig. 5 ist die Ventilplatte 6 des in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Einspritzinjektors dargestellt, der ursprünglich einen kegeligen Ventilsitz 15 aufweist. Zur Erzeugung einer gekrümmten Sitzfläche 31 wird vor der Beschichtung der Ventilplatte eine Prägekugel 34 in den kegeligen Teil der Ventilplatte 6 eingelegt und mit einer Kraft 35 beaufschlagt, die derart ge- 2/10

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT 508 050 B1 2011-09-15 wählt ist, dass es dabei zu einer deutlichen Verformung ("Prägen") des kegeligen Teils kommt. [0019] Fig. 6 zeigt eine Ventilplatte 6, die nach Fig. 5 vorbehandelt und beschichtet wurde. Eine derart vorbehandelte Ventilplatte 6 besitzt bereits im Neuzustand einen eindeutigen Sitzbereich 31 wobei auch im Sitzbereich 31 eine gleichmäßige Schichtdicke 33 gegeben ist. Bei Inbetriebnahme des Ventils mit einer derart vorbereiteten Ventilplatte 6 kommt es daher nicht zu anfänglich starkem Verschleiß im Sitzbereich 31, und die Lebensdauer der Beschichtung 32 wird dadurch signifikant erhöht. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine Einspritzdüse mit einer axial verschieblichen Düsennadel, welche zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Druck im Steuerraum über ein wenigstens einen Zu- oder Ablaufkanal für Kraftstoff öffnendes o-der schließendes Steuerventil gesteuert wird, bei welchem mit einem Betätigungsglied ein gegen eine Sitzfläche eines Ventilsitzes pressbares Ventilschließglied gekuppelt ist, wobei das Ventilschließglied auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite im Axialschnitt gesehen eine gekrümmte Oberfläche aufweist und der Ventilsitz eine die Verschleißfestigkeit erhöhende Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (31) des Ventilsitzes (15) eine der Krümmung des Ventilschließglieds (30) im Wesentlichen entsprechende Krümmung aufweist und die Beschichtung (32) im gekrümmten Bereich der Sitzfläche (31) mit einer gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (30) von einer Kugel gebildet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Sitzfläche (31) in einem kegeligen Bereich des Ventilsitzes (15) ausgebildet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) Titannitrid oder Chromnitrid umfasst.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) im Bereich der gekrümmten Sitzfläche (31) ein Schichtdicke von wenigstens 2 pm, höchstens, 10 pm aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (7) als Magnetventil ausgebildet ist.
7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Steuerventils mit einem Ventilschließglied, das im Axialschnitt gesehen eine gekrümmte Oberfläche aufweist, und einer eine Sitzfläche für das Ventilschließglied aufweisenden Ventilplatte mit einer die Verschleißfestigkeit erhöhenden Beschichtung, wobei die Sitzfläche der Ventilplatte eine der Krümmung des Ventilschließglieds im wesentlichen entsprechende Krümmung aufweist und eine Beschichtung mit einer im gekrümmten Bereich der Sitzfläche gleichmäßigen Schichtdicke trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte von einem die gewünschte Krümmung aufweisenden Prägekörper beaufschlagt wird und die gekrümmte Sitzfläche durch Eindrücken des Prägekörpers in die Ventilplatte hergestellt wird und dass danach die gekrümmte Sitzfläche mit einer Beschichtung mit gleichmäßiger Dicke versehen wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte vor der Beaufschlagung mit dem Prägekörpers eine kegelige Sitzfläche aufweist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Prägekörper eine Kugel verwendet wird. 3/10 österreichisches Patentamt AT 508 050 B1 2011-09-15
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auch auf den der gekrümmten Sitzfläche benachbarten Bereich der Ventilplatte aufgebracht wird. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 4/10