DE10013198A1 - Injector for a combustion engine injection unit, comprises a fuel nozzle with an opening, a nozzle needle and a guide. - Google Patents
Injector for a combustion engine injection unit, comprises a fuel nozzle with an opening, a nozzle needle and a guide.Info
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Abstract
Injektor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Kraftstoffdüse mit einer Düsenöffnung (6) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, einer in dem Injektor beweglich gelagerten Düsennadel (7) zur Freigabe oder Absperrung der Düsenöffnung (6) in Abhängigkeit von der Stellung der Düsennadel (7) sowie einer Gleitführung zur beweglichen Lagerung der Düsennadel (7) und/oder eines Steuerelements zum Antrieb der Düsennadel (7), wobei die Kontaktflächen der Gleitführung und/oder der Düsennadel (7) und/oder des Steuerelements mindestens teilweise mit einer Oberflächenbeschichtung (18, 19, 20) versehen sind.Injector for an injection system of an internal combustion engine, with a fuel nozzle with a nozzle opening (6) for injecting fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine, a nozzle needle (7) movably mounted in the injector to release or shut off the nozzle opening (6) depending on the position the nozzle needle (7) and a sliding guide for the movable mounting of the nozzle needle (7) and / or a control element for driving the nozzle needle (7), the contact surfaces of the sliding guide and / or the nozzle needle (7) and / or the control element being at least partially included a surface coating (18, 19, 20) are provided.
Description
Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine Einspritzanla ge einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to an injector for an injection system ge an internal combustion engine according to the preamble of the An saying 1.
Bei herkömmlichen Injektoren für Einspritzanlagen von Brenn kraftmaschinen erfolgt die Steuerung der Kraftstoffeinsprit zung üblicherweise durch eine Düsennadel, die in dem Injektor verschiebbar angeordnet ist und die Düsenöffnung der Ein spritzdüse in Abhängigkeit von ihrer Stellung entweder frei gibt oder absperrt. Die mechanische Ansteuerung der Düsenna del erfolgt hierbei üblicherweise durch einen Aktor, der ent weder direkt oder mittels eines Servoventils auf ein Übertra gungsglied wirkt, das mit der Düsennadel verbunden ist. Dü sennadel und das Übertragungsglied sind hierbei üblicherweise in einer Gleitführung mit einem geringen Lagerspiel gelagert, wobei die Schmierung dieser Lagerung in der Regel durch den einzuspritzenden Kraftstoff erfolgt. Zur Betätigung eines Servoventils durch den Antrieb findet insbesondere bei Ein satz eines piezoelektrischen Aktors ein Hubübersetzer Verwen dung. Im Fall einer mechanischen Hubübersetzung kommt es zwangsläufig zu einer Gleitbewegung zwischen den Übersetzer teilen, wobei die Schmierung idealerweise ebenfalls durch den einzuspritzenden Kratfstoff erfolgt.In conventional injectors for fuel injection systems from Brenn Engines control the fuel injection tion usually through a nozzle needle that is in the injector is slidably arranged and the nozzle opening of the one spray nozzle either free depending on its position gives or blocks. The mechanical control of the nozzle del is usually done by an actuator that ent neither directly or by means of a servo valve on a transfer acting member that is connected to the nozzle needle. Dü Sennadel and the transmission link are common stored in a sliding guide with little bearing play, the lubrication of this bearing usually by the fuel to be injected. To operate a Servo valve by the drive takes place especially when on Set of a piezoelectric actuator use a stroke translator dung. In the case of a mechanical stroke ratio, it happens inevitably to a sliding movement between the translators share, the lubrication ideally also by the Injection material is injected.
Nachteilig an dieser Art der Lagerung ist der reibungsbeding te Verschleiß an den Kontaktflächen der Gleitführung sowie die fehlende bzw. unbefriedigende Trockenlauffähigkeit.The disadvantage of this type of storage is the friction te wear on the contact surfaces of the sliding guide as well the lack of or unsatisfactory dry running ability.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Injek tor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem zwi schen der Düsennadel bzw. dem Übertragungsglied einerseits und der Gleitführung andererseits sowie im Bereich des Hub übersetzers eine möglichst geringe Reibung auftritt und dar über hinaus eine Trockenlauffähigkeit gegeben ist.The invention is therefore based on the object of an injection To create gate of the type described above, in which between the nozzle needle or the transfer member on the one hand and the sliding guide on the other hand and in the area of the stroke the lowest possible friction occurs and represents there is also a dry running capability.
Die Erfindung wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The invention is based on that described above known injector according to the preamble of claim 1, solved by the characterizing features of claim 1.
Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, die Kontaktflächen der Gleitführung und/oder der Düsennadel und/oder des Übertragungsglieds bzw. weiterer Steuerelemente wie beispielsweise eines Hubübersetzers mindestens teilweise mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, welche die Reibung an den Kontaktflächen verringert.The invention encompasses the general technical teaching that Contact surfaces of the slide guide and / or the nozzle needle and / or the transmission element or further control elements such as a stroke translator, at least in part to be provided with a surface coating which Friction on the contact surfaces reduced.
Derartige Oberflächenbeschichtungen sind an sich bekannt und können beispielsweise von den Firmen BERNEX GmbH (Deutsch land) und Sylvester & Company (USA) hergestellt werden, so daß im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung entspre chender Herstellungsverfahren verzichtet wird.Such surface coatings are known per se and can, for example, from the companies BERNEX GmbH (German country) and Sylvester & Company (USA) that in the following correspond to a detailed description corresponding manufacturing process is dispensed with.
Im Rahmen der Erfindung können unter anderem Oberflächenbe schichtungen mit Vickers-Härten von weniger als 1000 HV ver wendet werden, die auch als "Soft-Coatings" bezeichnet wer den. Derartige Soaft-Coatings können beispielsweise aus Sul fiden (z. B. MoS2, WS2), Seleniden (z. B. MoSe2, WSe2), Kohlen stoffverbindungen (z. B. Graphit, Plasmapolymere), Polymeren (z. B. PTFE, Polyimide), Weichmetallen (Gold, Silber, Blei, Zink, Indium, Aluminium oder Kupfer) oder Nickelverbindungen bestehen.Within the scope of the invention, surface coatings with Vickers hardnesses of less than 1000 HV can be used, which are also referred to as "soft coatings". Such juice coatings can, for example, from sulphides (e.g. MoS 2 , WS 2 ), selenides (e.g. MoSe 2 , WSe 2 ), carbon compounds (e.g. graphite, plasma polymers), polymers (e.g. B. PTFE, polyimides), soft metals (gold, silver, lead, zinc, indium, aluminum or copper) or nickel compounds.
Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, relativ harte Oberflächenbeschichtungen mit Vickers-Härten von mehr als 1000 HV zu verwenden, die auch als "Hard-Coatings" be zeichnet werden. Derartige Hard-Coatings können beispielswei se aus einer Kohlenstoffverbindung bestehen und darüber hin aus auch Wasserstoff aufweisen, wobei der Wasserstoffanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 10 und 30% liegen kann. Darüber hinaus kann die Oberflächenbeschichtung auch Silizium, Nitrid, Bornitrid oder Metallcarbit enthalten, wo bei der Anteil von Metallcarbit in der Oberflächenbeschich tung vorzugsweise zwischen 10 und 20% und die Partikelgröße des Metallcarbits zwischen 10 und 20 nm liegt. Die Kohlen stoffverbindung der Oberflächenbeschichtung enthält in der Regel lineare, planare sowie tetragonale Verbindungen, wobei die Härte der Oberflächenbeschichtung mit dem Anteil von tetragonalen Verbindungen zunimmt, so daß sich die Härte ge zielt einstellen läßt. Vorzugsweise liegt der Anteil der tetragonalen Verbindungen in der Kohlenstoffverbindung der Oberflächenbeschichtung oberhalb von 60%, um eine ausreichen de Härte und Abriebfestigkeit der Oberflächenbeschichtung zu erreichen.However, it is also possible within the scope of the invention, relatively hard surface coatings with Vickers hardness of more to use as 1000 HV, which also as "hard coatings" be be drawn. Such hard coatings can, for example se consist of a carbon compound and beyond also have hydrogen, the hydrogen content in the surface coating lie between 10 and 30% can. In addition, the surface coating can also Contain silicon, nitride, boron nitride or metal carbite where the proportion of metal carbite in the surface coating tion preferably between 10 and 20% and the particle size the metal carbide is between 10 and 20 nm. The coals contains the surface coating in the Usually linear, planar and tetragonal connections, where the hardness of the surface coating with the proportion of tetragonal connections increases, so that the hardness ge aims to set. The proportion of tetragonal compounds in the carbon compound of the Surface coating above 60% to be sufficient de hardness and abrasion resistance of the surface coating to reach.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Oberflächenbeschichtung aus mehreren, übereinander angeordne ten Lagen mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen. Eine derartige mehrlagige Anordnung bietet den Vorteil, daß die innen liegende Lage auf eine optimale Haftung auf dem Un tergrund ausgelegt werden kann, während die außen liegende Lage eine minimale Reibung bietet. Dies wird vorzugsweise da durch erreicht, daß der Eisenanteil in der Oberflächenbe schichtung von der freien Oberfläche ausgehend bis zur Haf tungsgrenzfläche zunimmt. Es ist also in dieser Variante der Erfindung nicht erforderlich, daß die einzelnen Lagen der Oberflächenbeschichtung scharf gegeneinander abgegrenzt sind und jeweils eine einheitliche Materialzusammensetzung aufwei sen. Vielmehr kann sich die Materialzusammensetzung der Ober flächenbeschichtung auch kontinuierlich über die Tiefe verän dern.In the preferred embodiment of the invention, the Surface coating consisting of several, one above the other layers with different material compositions. Such a multilayer arrangement offers the advantage that the inner layer for optimal adhesion on the Un can be laid out while the outside Location provides minimal friction. This will preferably be there achieved by that the iron content in the surface stratification from the free surface to the harbor interface increases. So in this variant it is the Invention not required that the individual layers of Surface coating are sharply distinguished from each other and each have a uniform material composition sen. Rather, the material composition of the upper surface coating also continuously changes over the depth other.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Other advantageous developments of the invention are in the Subclaims marked or are together below men with the description of the preferred embodiment the invention explained with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 einen im wesentlichen herkömmlichen Injektor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine sowie Fig. 1 shows an essentially conventional injector for an injection system of an internal combustion engine and
Fig. 2 einen mechanischen Hubübversetzer im Querschnitt sowie Fig. 2 shows a mechanical Hubübversetzer in cross section and
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine beschichtete Kontakt fläche. Fig. 3 shows a cross section through a coated contact surface.
Die in Fig. 1 gezeigte Querschnittsdarstellung zeigt einen Düsenkörper 1 sowie ein Steuergehäuse 2 eines im wesentlichen herkömmlich aufgebauten Injektors, wobei der Düsenkörper 1 und das Steuergehäuse 2 im fertig montierten Zustand des In jektors durch eine Überwurfmutter fixiert werden, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Zur Kraftstoffzuführung ist in dem Steuergehäuse 2 ein Kraftstoffkanal 3 angeordnet, der im montierten Zustand des Injektors mit einem weiteren Kraftstoffkanal 4 in dem Düsenkörper 1 fluchtet, wobei der Kraftstoffkanal 4 in eine Druckkammer 5 in dem Düsenkörper 1 mündet. Die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt durch eine an der Unterseite des Düsenkörpers 1 angeordnete Einspritzöffnung 6, wobei die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung durch eine Düsennadel 7 erfolgt, die in dem Injektor axial verschiebbar angeordnet ist und die Einspritzöffnung 6 in Abhängigkeit von ihrer Po sition entweder freigibt oder absperrt. Die Düsennadel 7 ist hierbei in dem Düsenkörper 1 in einer Führungsbohrung ange ordnet, wobei der Innendurchmesser der Führungsbohrung größer ist als der Außendurchmesser der Düsennadel 7, so daß der Kraftstoff von der Druckkammer 5 durch den Zwischenraum zwi schen der Innenwand des Düsenkörpers 1 und der Mantelfläche der Düsennadel 7 zu der Einspritzöffnung 6 strömen kann.The cross-sectional view shown in Fig. 1 shows a nozzle body 1 and a control housing 2 of an essentially conventionally constructed injector, wherein the nozzle body 1 and the control housing 2 are fixed in the assembled state of the injector by a union nut, which is not shown for simplicity. To supply fuel, a fuel channel 3 is arranged in the control housing 2 , which is aligned with a further fuel channel 4 in the nozzle body 1 in the assembled state of the injector, the fuel channel 4 opening into a pressure chamber 5 in the nozzle body 1 . The fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine through an injection opening 6 arranged on the underside of the nozzle body 1 , the fuel injection being controlled by a nozzle needle 7 which is arranged axially displaceably in the injector and the injection opening 6 as a function of its bottom sition either releases or blocks. The nozzle needle 7 is arranged in the nozzle body 1 in a guide bore, the inner diameter of the guide bore being larger than the outer diameter of the nozzle needle 7 , so that the fuel from the pressure chamber 5 through the gap between the inner wall of the nozzle body 1 and the outer surface the nozzle needle 7 can flow to the injection opening 6 .
Die mechanische Führung der Düsennadel 7 erfolgt durch eine Führungsbohrung, die im Kopf des Düsenkörpers 1 zentrisch an geordnet ist und gegenüber dem Außendurchmesser der Düsenna del in diesem Bereich nur ein geringes Übermaß aufweist, so daß die Führung der Düsennadel 7 im oberen Bereich weitgehend spielfrei erfolgt. Gleiches gilt für einen in dem Steuerge häuse 2 angeordneten Steuerkolben 8.The mechanical guidance of the nozzle needle 7 takes place through a guide bore which is arranged centrally in the head of the nozzle body 1 and has only a slight excess in relation to the outer diameter of the nozzle nozzle del in this area, so that the guide of the nozzle needle 7 in the upper region takes place largely without play . The same applies to a control piston 8 arranged in the control housing 2 .
Fig. 2 zeigt einen Hubübersetzer, der in einem Injektor dazu verwendet wird, den relativ geringen Hub eines Aktors 9 in den erforderlichen größeren Hub der Düsennadel umzusetzen. Hierzu weist der Hubübersetzer einen einseitigen Schwenkhebel 10 auf, der einseitig im Bereich seiner Schwenkachse mit ei ner balligen Kontaktfläche 11 auf einem Lager 12 aufliegt. Auf der dem Aktor 9 zugewandten Seite weist der Schwenkhebel 10 ebenfalls eine ballige Kontaktfläche 13 auf, die an der Weggeberseite des Aktors 9 anliegt, so daß eine Abwärtsbewe gung der Weggeberseite des Aktors 9 zu einem Schwenken des Schwenkhebels 10 im Uhrzeigersinn führt. Auf der von dem Ak tor 9 abgewandten Seite weist der Schwenkhebel 10 ebenfalls eine ballige Kontaktfläche 14 auf, die an der oberen Stirn seite eines Stössels 15 aufliegt, wobei der Stössel 15 mit seiner unteren Stirnfläche auf eine Ventilkugel 16 wirkt, die in einem Ventilsitz 17 angeordnet ist. Wichtig ist hierbei, daß der Berührpunkt zwischen der Kontaktfläche 13 und dem Ak tor 9 stets zwischen den Berührpunkten der unteren Kontakt flächen 11, 14 liegt, um die gewünschte Übersetzung zu errei chen. Fig. 2 shows a Hubübersetzer used in an injector to implement the relatively small stroke of an actuator 9 in the required larger stroke of the nozzle needle. For this purpose, the stroke translator has a one-sided pivot lever 10 , which rests on one side in the region of its pivot axis with egg ner spherical contact surface 11 on a bearing 12 . On the side facing the actuator 9 , the pivot lever 10 also has a spherical contact surface 13 which rests on the encoder side of the actuator 9 , so that a downward movement of the encoder side of the actuator 9 leads to a pivoting of the pivot lever 10 in a clockwise direction. On the gate of the Ak 9 opposite side 10, the pivot lever also has a crowned contact surface 14, the side rests a plunger 15 at the upper end, wherein the plunger 15 acts with its lower end face on a valve ball 16, which in a valve seat 17 is arranged. It is important here that the contact point between the contact surface 13 and the gate 9 is always between the contact points of the lower contact surfaces 11 , 14 in order to achieve the desired translation.
Bei der Bewegung des Schwenkhebels 10 tritt jedoch zwangsläu fig eine Relativbewegung an den Kontaktflächen 11, 13 bzw. 14 auf, die mit einer störenden mechanischen Reibung verbunden ist. Zur Verringerung dieser Reibung an den Kontaktflächen 11, 13, 14 ist auf die Kontaktflächen 11, 13, 14 bzw. auf die entsprechende Kontaktfläche der Düsennadelführung jeweils ei ne Oberflächenbeschichtung aufgebracht, die im Querschnitt schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Die Oberflächenbe schichtung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus drei übereinander angeordneten Lagen 18, 19, 20, wobei die einzel nen Lagen 18, 19, 20 nicht scharf gegeneinander abgegrenzt sind. Vielmehr ändert sich die Materialzusammensetzung mit der Schichtdicke weitgehend kontinuierlich. Bei der Oberflä chenbeschichtung handelt es sich hierbei um eine Metall- Kohlenstoffschicht aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Argon, Chrom, Eisen und Wolfram, wobei der Eisenanteil in der dem Unter grund nahen Schicht 20 sehr hoch ist, um eine gute Haftung auf der Innenwandung des Steuergehäuses 2 bzw. des Injektors 1 zu erreichen. In der außen liegenden Schicht 18 ist der Ei senanteil dagegen sehr gering, wohingegen der Kohlenstoffan teil sehr hoch ist, um eine gute Festkörperschmierung und ei ne geringe Reibung zu erreichen. Zwischen den beiden Lagen 18 und 20 befindet sich die auch als Gradienten- oder Haftver mittlerschicht bezeichnete Lage 19, die sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen hohen Chromanteil auszeich net. Die Dicke der auch als Außenschicht bezeichneten äußeren Lage 18 der Oberflächenbeschichtung beträgt rund 1,5 µm, wäh rend die Dicke der inneren, auch als Haftschicht bezeichneten Lage 20 rund 0,7 µm beträgt. Entsprechend ist die auch als Gradienten- oder Haftvermittlerschicht bezeichnete Lage 19 der Oberflächenbeschichtung rund 0,8 µm dick.When moving the pivot lever 10 , however, inevitably occurs a relative movement at the contact surfaces 11 , 13 and 14 , which is associated with a disturbing mechanical friction. In order to reduce this friction on the contact surfaces 11 , 13 , 14 , a surface coating is applied to the contact surfaces 11 , 13 , 14 and to the corresponding contact surface of the nozzle needle guide, which is shown schematically in cross section in FIG. 3. The surface coating in this embodiment consists of three layers 18 , 19 , 20 arranged one above the other, the individual layers 18 , 19 , 20 not being clearly delimited from one another. Rather, the material composition changes largely continuously with the layer thickness. The surface coating is a metal-carbon layer made of carbon, oxygen, argon, chromium, iron and tungsten, the iron content in the layer 20 close to the base being very high, for good adhesion to the inner wall of the control housing 2 or the injector 1 . In the outer layer 18, however , the proportion of egg is very low, whereas the part of carbon is very high in order to achieve good solid-state lubrication and low friction. Between the two layers 18 and 20 there is also the layer 19 , also referred to as the gradient or adhesive layer, which is characterized in the present exemplary embodiment by a high chromium content. The thickness of the outer layer 18, also referred to as the outer layer, of the surface coating is approximately 1.5 μm, while the thickness of the inner layer 20 , also referred to as the adhesive layer, is approximately 0.7 μm. Accordingly, the layer 19 of the surface coating, also referred to as a gradient or adhesion promoter layer, is approximately 0.8 μm thick.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Va rianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken in Ab wandlungen Gebrauch macht und ebenfalls in den Schutzbereich des vorliegenden Patents fällt.The invention is not based on the above limited leadership example. Rather, a number of Va Rianten conceivable that from the inventive idea in Ab changes and also in the protected area of the present patent falls.
Claims (16)
einer Kraftstoffdüse mit einer Düsenöffnung (6) zur Einsprit zung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschi ne,
einer in dem Injektor beweglich gelagerten Düsennadel (7) zur Freigabe oder Absperrung der Düsenöffnung (6) in Abhängigkeit von der Stellung der Düsennadel (7) sowie
einer Gleitführung zur beweglichen Lagerung der Düsennadel (7) und/oder eines Steuerelements (10) zum Antrieb der Düsen nadel (7),
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (11, 13, 14) der Gleitführung und/oder der Düsennadel (7) und/oder des Steuerelements (10) mindes tens teilweise mit einer Oberflächenbeschichtung (18, 19, 20) versehen sind.1. Injector for an injection system of an internal combustion engine, with
a fuel nozzle with a nozzle opening ( 6 ) for injecting fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine,
a nozzle needle ( 7 ) movably mounted in the injector to release or shut off the nozzle opening ( 6 ) depending on the position of the nozzle needle ( 7 ) and
a sliding guide for the movable mounting of the nozzle needle ( 7 ) and / or a control element ( 10 ) for driving the nozzle needle ( 7 ),
characterized in that the contact surfaces ( 11 , 13 , 14 ) of the sliding guide and / or the nozzle needle ( 7 ) and / or the control element ( 10 ) are at least partially provided with a surface coating ( 18 , 19 , 20 ).
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