DE102005020365A1

DE102005020365A1 - Ventil, insbesondere Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102005020365A1
Application number: DE200510020365
Authority: DE
Inventors: Werner Teschner; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09
Also published as: EP1880101A1; CN101171421A; WO2006117266A1; EP1880101B1

Abstract

Ventil, vorzugsweise Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (1) mit einem darin angeordneten, beweglichen Ventilelement (5), dessen Oberfläche zumindest eine mit einer verschleißmindernden Beschichtung (40) versehene Teilfläche (7; 15) aufweist. Die beschichtete Teilfläche (7; 15) ist im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt, wobei innerhalb und/oder am Rand der beschichteten Teilfläche (7; 15) eine Kante (36; 38; 39) ausgebildet ist, die abgerundet ausgeführt ist (Figur 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Ventil aus, wie es bspw. in der Offenlegungsschrift DE 100 38 954 A1 gezeigt ist. Ein solches Ventil, das vorzugsweise als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist, weist ein Gehäuse auf, in dem ein Ventilelement beweglich angeordnet ist. Das Ventilelement weist verschiedene Teilflächen auf, die im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt sind. Zumindest einige dieser Teilflächen sind mit einer verschleißmindernden Beschichtung versehen, die den Verschleiß, der durch die Gleit- oder Aufprallbewegung entsteht, mindert und so die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils verbessert.

Nähere Untersuchungen dieser Teilflächen haben ergeben, dass es zu Ablösungen dieser Beschichtung kommen kann. Die Ablösung der Beschichtung beginnt vorzugsweise dort, wo am Rand der beschichten Teilfläche oder innerhalb der beschichteten Teilfläche eine scharfe Kante ausgebildet ist. Ein einmal begonnener Ablösungsprozess der Beschichtung setzt sich im Laufe der Lebensdauer des Ventils fort, bis die verschleißmindernde Wirkung stark beeinträchtigt ist, was die Lebensdauer des Ventils beträchtlich verkürzen kann.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungen von Ventilen bekannt, insbesondere von Kraftstoffeinspritzventilen. So zeigt die DE 101 33 433 Beschichtungen, insbesondere auch diamantartige Beschichtungen, sowohl des Ventilelements als auch der mit dem Ventilelement zusammenwirkenden Flächen im Gehäuse, also des Ventilsitzes. Auch aus der Schrift WO 01/61182 ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem das Ventilelement eine Beschichtung aufweist, die verschleißmindernd wirkt. Die Beschichtung umfasst hier die gesamte Oberfläche des Ventilelements einschließlich der Ventildichtfläche, die mit dem Ventilsitz zusammenwirkt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Lebensdauer gegenüber einem herkömmlich beschichteten Ventilelement verlängert ist und dass die Beschichtung auf den entsprechend mechanisch beanspruchten Teilflächen des Ventilelements über die gesamte Lebensdauer des Ventils erhalten bleibt. Hierzu sind Kanten, die innerhalb der beschichteten Teilflächen oder am Rand der beschichteten Teilflächen ausgebildet sind, gerundet ausgebildet. Dadurch kann das Abplatzen der Beschichtung in diesem Bereich zuverlässig verhindert werden, was die Beschichtung insgesamt zuverlässig auf den beschichteten Teilflächen haften lässt.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die beschichtete Teilfläche als im wesentlichen konische Ventildichtfläche ausgebildet, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der im Gehäuse ausgebildet ist. Das Ventilelement bewegt sich in seiner Längsrichtung, so dass es zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz zu einer Aufprallbelastung kommt, wenn der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen durch die Längsbewegung des Ventilelements gesteuert wird. An der Ventildichtfläche ist eine Ringnut ausgebildet, die am Übergang zur Ventildichtfläche eine erste und eine zweite Übergangskante aufweist. In vorteilhafter Weise sind diese Übergangskanten gerundet ausgebildet, sodass die verschleißmindernde Beschichtung auf der gesamten Ventildichtfläche und insbesondere im Bereich der Übergangskanten zuverlässig haftet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die beschichtete Teilfläche als zylindrischer Führungsabschnitt ausgebildet, mit dem das Ventilelement in einer entsprechenden Bohrung im Gehäuse geführt ist. Die Kanten, die den Führungsabschnitt des Ventilelements begrenzen, sind hier ebenfalls gerundet ausgebildet, um die Haftung der verschleißmindernden Beschichtung zu gewährleisten.

Die Verrundung der Kanten geschieht vorzugsweise mit einem Radius, der im Bereich von 10 μm bis 250 μm liegt. Hierbei ist ein Bereich von 100 μm bis 150 μm besonders vorteilhaft, insbesondere im Bereich der Ventildichtfläche eines Ventilelements.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Es zeigt
1 einen Schnitt durch ein Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, und
2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Bereichs von 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, im Längsschnitt dargestellt. Das Ventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen, die in Einbaulage des Ventils in einen Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 5 angeordnet, die einen Führungsabschnitt 15 aufweist, mit der das Ventilelement 5 in einem entsprechenden Bohrungsabschnitt 23 der Bohrung 3 geführt ist. Das Ventilelement 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 15 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht in einen Schaftbereich 25 über, der sich bis zu einer im wesentlichen konischen Ventildichtfläche 7 erstreckt. Die Ventildichtfläche 7 bildet eine Teilfläche des Ventilelements 5, mit der das Ventilelement 5 mit dem konischen Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Auf Höhe der Druckschulter 13 ist die Bohrung 3 radial erweitert, so dass ein Druckraum 19 gebildet wird, der sich das Ventilelement 5 umgebend bis zum Ventilsitz 9 fortsetzt. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Gehäuse 1 verlaufender Zulaufkanal 27, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.
Das Ventilelement 5 wird an seinem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die bspw. hydraulisch oder durch ein Federelement erzeugt werden kann, wobei die entsprechenden Vorrichtungen in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Wird Kraftstoff in den Druckraum 19 unter Druck eingeleitet, so ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7, wodurch eine axiale Öffnungskraft auf das Ventilelement 5 ausgeübt wird, welche vom Ventilsitz 9 weggerichtet und damit der Schließkraft entgegengerichtet ist. Je nach Verhältnis von Schließkraft und hydraulischer Öffnungskraft bewegt sich das Ventilelement 5 vom Ventilsitz 9 weg und gibt die Einspritzöffnungen 11 frei oder sie bewegt sich in Anlage an den Ventilsitz 9 und verschließt so die Einspritzöffnungen 11 gegenüber dem Druckraum 19. Ob die Steuerung letztendlich durch die Schließkraft oder durch einen veränderlichen Druck im Druckraum 19 erfolgt, hängt vom Typ des Ventils ab. Ventile dieser Art kommen vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen zum Einsatz.
In 2 ist der mit II bezeichneten Ausschnitt von 1 vergrößert dargestellt. Die Ventildichtfläche 7 weist eine erste Konusfläche 32 und eine zweite Konusfläche 34 auf, die durch eine Ringnut 30 voneinander getrennt sind, wobei die Ringnut 30 eine Breite d aufweist. Am Übergang der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 ist eine erste Übergangskante 36 ausgebildet, und am Übergang der Ringnut 30 zur zweiten Konusfläche 34 eine zweite Übergangskante 38. Der Öffnungswinkel der ersten Konusfläche 32 ist hierbei kleiner als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 9, während der Öffnungswinkel der zweiten Konusfläche 34 größer ist als der des Ventilsitzes 9. Durch diese Ausgestaltung der Konusflächen 32, 34 kommt das Ventilelement 5 in seiner Schließstellung mit der ersten Übergangskante 36 am Ventilsitz 9 zur Anlage. Die erste Übergangskante 36 bildet damit eine Dichtkante, an der eine hohe Flächenpressung herrscht, damit die Einspritzöffnungen 11 auch bei hohem Druck im Druckraum 19 sicher abgedichtet werden.
Die Ventildichtfläche 7 ist mit einer Beschichtung 40 versehen, die eine verschleißmindernde Wirkung hat und die z.B. als diamantartige Schicht ausgebildet ist, also eine sogenannte Diamond-Like-Carbon-Schicht (DLC-Schicht). In 2 ist das Ventilelement 5 in der linken Bildhälfte teilweise geschnitten dargestellt, so dass die Beschichtung 40 sichtbar wird. Die Beschichtung 40 ist hier der Deutlichkeit halber stark überhöht dargestellt: Die Dicke beträgt in der Regel einige Zehntel bis hin zu wenigen Mikrometern.
Die erste Übergangskante 36 und die zweite Übergangskante 38 sind jeweils gerundet ausgebildet, bspw. mit einem Radius R, wie es in 2 angedeutet ist. Der Rundungsradius R liegt hierbei im Bereich von 10 μm bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 100 μm bis 150 μm. Die Breite d der Ringnut 30 ist hierbei vorzugsweise im Bereich von etwa 500 μm, sodass ein weicher, stetiger Übergang von der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 und von dieser zur zweiten Konusflächen 34 gegeben ist.
Es kann auch vorgesehen sein, eine dritte Übergangskante 39, die am Übergang der ersten Konusfläche 32 zum Schaftbereich 25 des Ventilelements 5 ausgebildet ist, ebenfalls mit einem Radius R zu runden. Es ist jedoch auch eine andere Rundung möglich, die nicht genau einem Kreissegment mit Radius R entspricht, sondern im Querschnitt eine andere Form aufweist, wobei in jedem Fall wichtig ist, dass eine scharfe Kante vermieden wird.
In gleicher Weise ist es auch möglich, zur Minderung der Reibung zwischen dem Führungsabschnitt 15 des Ventilelements 5 und dem Bohrungsabschnitt 23 eine verschleißmindernde Beschichtung 40 auf die Teilfläche des Ventilelements 5 aufzubringen, die den Führungsabschnitt 15 bildet. Auch hier ist ein Rundungsradius R am Übergang des Führungsabschnitts 15 zur Druckschulter 13 vorgesehen, sodass sich die Beschichtung 40 in diesem Bereich nicht löst.
Es ist auch möglich, das Ventilelement 5 über seine gesamte Oberfläche mit einer verschleißmindernden Beschichtung 40 zu versehen, weil es prozesstechnisch günstiger sein kann, das gesamte Ventilelement 5 mit einer DLC-Schicht zu versehen und nicht nur Teilflächen davon. Der Rundungsradius R oder die sonstige Rundungsform muss nicht an allen Kanten dieselbe sein. Es ist auch möglich, verschiedene Rundungsradien vorzusehen, die an die Gegebenheiten jeweils angepasst sind. Neben der Beschichtung eines Ventilelements 5, das hier die Form einer kolbenförmigen Ventilnadel aufweist, kann die Beschichtung auch auf jedes andere bewegliche Teil eines Ventils aufgebracht werden, wobei auch hier die Kanten entsprechend gerundet sind.

Claims

Ventil, vorzugsweise Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (1) mit einem darin angeordneten, beweglichen Ventilelement (5), dessen Oberfläche zumindest eine mit einer verschleißmindernden Beschichtung (40) versehene Teilfläche (7; 15) aufweist, wobei die beschichtete Teilfläche (7; 15) im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb und/oder am Rand der beschichteten Teilfläche (7; 15) eine Kante (36; 38; 39) ausgebildet ist, die abgerundet ausgeführt ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Teilfläche (7; 15) als im wesentlichen konische Ventildichtfläche (7) ausgebildet ist, die an dem einem Ventilsitz (9) zugewandten Ende des Ventilelements (5) ausgebildet ist, wobei das Ventilelement (5) mit dem Ventilsitz (9) zusammenwirkt und die Ventildichtfläche (7) mit der verschleißmindernden Beschichtung (40) versehen ist.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventildichtfläche (7) eine Ringnut (30) ausgebildet ist, die am Übergang zur Ventildichtfläche (7) eine erste Übergangskante (36) und eine zweite Übergangskante (38) aufweist, wobei die Übergangskanten (36; 38) gerundet ausgebildet sind.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Teilfläche (7; 15) des Ventilelements (5) als zylindrischer Führungsabschnitt (15) ausgebildet ist, mit dem das Ventilelement (5) in einer entsprechenden Bohrung (3) im Gehäuse (1) geführt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung mit einem Rundungsradius (R) vorgenommen ist, der im Bereich von 10 μm bis 250 μm liegt.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundungsradius (R) im Bereich von 100 μm bis 150 μm liegt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (40) als eine kohlenstoffhaltige, diamantartige Beschichtung ausgebildet ist (diamond like carbon, DLC).