Kraftstoffeinspritzventil

Abstract

 Bei einem Kraftstoffeinspritzventil (10) für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Einspritzdüse (14), welche eine Düsenkuppe (26) mit wenigstens einem Düsenauslass (28) für den Kraftstoff aufweist, weist erfindungsgemäß wenigstens eine stromaufwärts der Düsenkuppe (26) angeordnete und mit dem Kraftstoff in Kontakt kommende Oberfläche (48) einer Ventilkomponente zumindest teilweise eine Beschichtung (46) auf, welche einem Anhaften von Biokraftstoff und/oder Biokraftstoffbestandteilen, insbesondere von Biodiesel und harzartigen Alterungspolymeren, entgegenwirkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Kraftstoffeinspritzventile sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2005 019 328 A1 sowie DE 10 2005 038 385 A1 bekannt geworden. Die dort gezeigten Kraftstoffeinspritzventile weisen im Bereich ihrer Düsenöffnung bzw. der Düsenkuppe eine Beschichtung auf, die einem Anhaften von Verbrennungsrückständen entgegenwirken soll.

[0003] Der zunehmende Einsatz von Biokraftstoffen, wie beispielsweise von Biodiesel, z.B. als Beimischung zu fossilen Dieselkraftstoffen kann jedoch auch bei diesen Kraftstoffeinspritzventilen zu Ablagerungen führen, welche Kraftstoffkanäle innerhalb der Kraftstoffeinspritzventile verstopfen und beweglich gelagerte Ventilkomponenten festsetzen können, was einen Ausfall des Kraftstoffeinspritzventils und damit des gesamten Antriebssystems zur Folge haben kann.

[0004] Diese Ablagerungen bilden sich im Gegensatz zu den unter hohen Verbrennungstemperaturen entstehenden Verkokungen im Bereich der Düsenkuppe bei deutlich niedereren Betriebstemperaturen oder selbst außerhalb eines Betriebs des Kraftstoffeinspritzventils bzw. der Verbrennungskraftmaschine. Die Ablagerungen weisen infolgedessen im Vergleich zu den auf eine unvollständige Verbrennung zurückzuführenden Verkokungen ein breiteres chemisches Spektrum von insbesondere harzartigen polymeren Verbindungen, Fettsäuren bzw. deren Metallseifen und dergl. auf, welche zudem Kleinstpartikel (Verunreinigungen) im Kraftstoff binden können.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil mit möglichst geringem fertigungstechnischem Aufwand derart zu verbessern, dass dieses bei Einsatz von Biokraftstoffen bzw. einer erhöhten Beimischung von Biokraftstoffen eine weiter verbesserte Zuverlässigkeit aufweist.

Vorteile der Erfindung

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

[0007] Der mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil verbundene Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass die Gefahr von Funktionsstörungen des Kraftstoffeinspritzventils bei der Verwendung von Biokraftstoffen bzw. Kraftstoffen mit erhöhtem Biokraftstoffanteil auf einfache und zuverlässige Weise verringert wird. Ablagerungen, die beispielsweise in Biodiesel bzw. mit diesem versetztem fossilem Kraftstoff anzutreffen sind bzw. sich aus dem Biokraftstoff bilden können, weisen häufig harzartige polymere Verbindungen auf und haften demzufolge nicht oder nur in verringertem Maße auf der erfindungsgemäß beschichteten Oberfläche der Ventilkomponente. Diese Ablagerungen können daher leicht durch eine im Betrieb gegebene Kraftstoffströmung bzw. betriebsbedingte Schwingungen bzw. Reibung von der beschichteten Oberfläche abgelöst werden. Die Beschichtung ist nicht nur eine Barriere für Beläge, die durch Biodiesel entstehen, sondern allgemein für Beläge, die durch erneuerbare Kraftstoff gebildet werden.

[0008] Im Hinblick auf die Gefahr einer durch Ablagerungen verursachten Funktionsstörung verstellbar gelagerter Ventilkomponenten ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest teilweise beschichtete Oberfläche der Ventilkomponente als Lagerfläche der Ventilkomponente dient. Die Ventilkomponente kann dabei beispielsweise ein Kopplungselement sein, wie sich dieses etwa bei hydraulischen oder piezoelektrischen Kopplern findet, die einer Übersetzung eines Aktorhubs dienen und ein eventuell vorhandenes Spiel zwischen dem Aktor und einem Steuer- bzw. Servoventil ausgleichen. Hauptmerkmal des hydraulischen Kopplers ist es, die negative Temperaturausdehnung der Piezo-Keramik auszugleichen. Erfindungsgemäß kann auch die dem Kopplungselement zugeordnete Lagerfläche die Beschichtung aufweisen.

[0009] Die Beschichtung weist nach einer Weiterbildung der Erfindung eine strukturierte Oberfläche auf. Dadurch kann einerseits eine besonders wirkungsvolle Antihafteigenschaft der Beschichtung realisiert werden. Andererseits ermöglicht die strukturierte Oberfläche einen besonders niedrigen Gleitreibungswiderstand der Beschichtung, was insbesondere bei Lagerflächen günstig ist.

[0010] Im Hinblick auf die für eine zuverlässige Funktion eines Kraftstoffeinspritzventils erforderliche hohe Maßgenauigkeit der Komponenten weist die Beschichtung vorzugsweise eine Dicke zwischen 200 Nanometer und 50 Mikrometer auf.

[0011] Die Beschichtung ist vorzugsweise auf einen solchen Temperaturbereich ausgerichtet, dem die stromaufwärts der Düsenkuppe angeordneten Ventilkomponenten im Betrieb ausgesetzt sind. Die Beschichtung braucht daher vorzugsweise nur eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 350°C, vorzugsweise von lediglich bis zu 300°C, aufzuweisen, was unter Kostengesichtspunkten günstig ist.

[0012] Die Antihaftwirkung der Beschichtung ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise auf Methylester, Glycerin, Fette und/oder fette Öle, Reaktionsprodukte von Detergentien und Fettsäuren ausgerichtet. Dadurch wird das Anhaften von in Biokraftstoffen, wie etwa Biodiesel oder auch Pflanzenölen, anzutreffenden Komponenten zuverlässig vermieden.

[0013] Die Beschichtung kann insbesondere im Wege einer chemischen oder einer physikalischen Gasphasenabscheidung aufgebracht sein. Alternativ kann die Beschichtung aber auch ein Polymer, insbesondere ein im Wege des Sol-Gel Prozesses gewonnenes Hybridpolymer, sein, wobei die Beschichtung im nasschemischen Verfahren, vorzugsweise durch Tauchen, Sprühen, Rakeln oder durch Rotationsbeschichtung, auf die Oberfläche der jeweiligen Ventilkomponente aufgebracht sein kann. Als mögliche Ausgangskomponenten des Sol-Gel-Verfahrens können dabei verschiedene Silizium-Alkoxide, beispielsweise Tetraethoxisilan (TEOS), sowie deren Abwandlungen durch den Ersatz einer oder mehrerer Alkoxidgruppen durch organische Moleküle zum Einsatz kommen. Spezielle Prekursoren, die als Seitenketten perfluorierte Alkane und/oder andere hydrophobe organische Ketten tragen, sind im Hinblick auf den erwünschten Anti-Haft Effekt der Beschichtung geeignet. Ebenso können SI-Prekursoren zum Einsatz kommen, die über (perfluorierte)Kohlenstoffketten bereits vorvernetzt sind. Anstelle der Etoxisilane kommen auch andere Alkohole, wie etwa Methanol, Propanol, Butanol und/oder Diole, wie beispielsweise Glykol, Propandiol, oder Triole, wie etwa Glycerin, für eine Veresterung in Frage.

[0014] Für eine hohe Langlebigkeit weist die Beschichtung vorzugsweise wenigstens in ihrem Oberflächenbereich zumindest einen nanoskaligen Füllstoff, insbesondere Aluminium-, Titan- oder Zirkoniumoxyd, hexagonales Bornitrid oder organische Nanopartikel, auf.

Zeichnungen

[0015] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung exemplarisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen stark schematisierten Längsschnitt eines Kraftstoffeinspritzven-tils nach der Erfindung; und

Fig. 2

einen vergrößerten Längsschnitt eines in der Fig. 1 mit "A" bezeichneten Ausschnitts eines zu der Fig. 1 ähnlichen Kraftstoffeinspritzventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0016] In der Fig. 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Kraftstoffeinspritzventil für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine gezeigt. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist einen Ventilkörper 12 und eine in den Ventilkörper 12 integrierte Einspritzdüse 14 auf.

[0017] Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist an seiner in Fig. 1 oben dargestellten Stirnseite 16 einen Hochdruckanschluss 18 für mit Biodiesel versetzten bzw. aus Biodiesel bestehenden Kraftstoff auf, der über einen mit 20 bezeichneten Zulaufkanal zur Einspritzdüse 14 sowie über eine in der Erfindung nicht näher dargestellte Zulaufdrossel in einen Ventilsteuerraum 22 geführt ist. Der Ventilsteuerraum 22 dient in an sich bekannter Weise einer Ansteuerung einer Ventilnadel 24, d.h. einem Öffnen und Schließen zweier in einer Düsenkuppe 26 der Einspritzdüse 14 angeordneter Düsenauslasse 28.

[0018] Der Ventilsteuerraum 22 ist dabei über ein Steuerventil 30, das durch einen piezoelektrisch erregbaren Aktor 32 geöffnet werden kann, mit einem Kraftstoffrücklauf 34 verbunden. Der piezoelektrisch erregbare Aktor 32 ist über ein als hydraulischer Kopplerkolben ausgebildetes erstes Kopplungselement 36 sowie ein dem ersten Kopplungselement 36 nachgeschaltetes und als Ventilkolben ausgebildetes zweites Kopplungslement 38 mit dem Steuerventil 30 verbunden. Die beiden Kopplungselemente 36, 38 sind stromaufwärts der Düsenkuppe 26 in einem Kopplerkörper 40 translatorisch verschiebbar angeordnet und nach Inbetriebnahme des Kraftstoffeinspritzventil 10 dauerhaft von Kraftstoff umspült bzw. von diesem benetzt.

[0019] Wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht, ist das erste Kopplungselement 36 mit einer ersten Lagerfläche 42 an einer entsprechenden zweiten Lagerfläche 44 des Kopplerkörpers 40 im Gleitspiel-Formschluss geführt. Das erste Kopplungslement 36 weist erfindungsgemäß eine insgesamt mit einer Beschichtung 46 versehene Oberfläche 48 auf, wodurch insbesondere auch die von der Oberfläche 48 gebildete erste Lagerfläche 42 mit der Beschichtung 46 versehen ist. Die Beschichtung 46 wirkt einem Anhaften von Biokraftstoff und/oder Biokraftstoffbestandteilen, insbesondere von Biodiesel und harzartigen Polymeren, welche im Biodiesel nach einem Alterungsprozess und der Reduzierung der Kraftstoffstabilität auftreten, entgegen.

[0020] Alternativ oder zusätzlich kann auch die von dem Kopplerkörper 40 gebildete zweite Lagerfläche 44 für das erste Kopplungselement 36 mit einer Beschichtung 46 versehen sein.

[0021] Nach einer in der Zeichnung nicht näher gezeigten weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zudem auch das zweite Kopplungselement 38 bzw. die zugeordnete Lagerfläche 44' des Kopplerkörpers 40 in zu vorstehend erläutertem Ausführungsbeispiel entsprechender Weise eine Beschichtung aufweisen.

[0022] Die Dicke der Beschichtung 46 beträgt in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel 50 Nanometer, kann jedoch auch einen anderen Wert zwischen 200 Nanometern und 50 Mikrometern aufweisen.

[0023] Die Beschichtung 46 des ersten Kopplungselements 36 braucht, da das erste Kopplungselement 36 im Betrieb mit deutlich geringeren Temperaturen beaufschlagt ist als etwa die Düsenkuppe 26 der Einspritzdüse 14, nur eine Temperaturbeständigkeit von ungefähr 300°C aufzuweisen. Die Beschichtung 46 ist im vorliegenden Fall als Hybrid-Polymerschicht mit Zirkoniumoxyd als nanoskaligen Füllstoff, Wachsen und anderen polymeren Komponenten, im Sol-Gel Verfahren hergestellt und nachfolgend nasschemisch auf das erste Kopplerelement 36 aufgetragen.

[0024] Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung 46 auch einen Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxy (PFA) Polymer umfassen bzw. aus diesem gebildet sein.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzventil (10) für ein Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Einspritzdüse (14), welche eine Düsenkuppe (26) mit wenigstens einem Düsenauslass (28) für den Kraftstoff aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine stromaufwärts der Düsenkuppe (26) angeordnete und mit dem Kraftstoff in Kontakt kommende Oberfläche (48) einer Ventilkomponente zumindest teilweise eine Beschichtung (46) aufweist, welche einem Anhaften von Biokraftstoff und/oder Biokraftstoffbestandteilen, insbesondere von Biodiesel und harzartigen Alterungspolymeren, entgegenwirkt.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise beschichtete Oberfläche (48) der Ventilkomponente eine Lagerfläche (42; 44; 44') der Ventilkomponente ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkomponente ein, vorzugsweise hydraulisches, Kopplungselement (36) ist, welches einem Aktor (32) und einem Steuerventil (30) zwischengeschaltet ist.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46) eine strukturierte Oberfläche aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (46) zwischen 200 Nanometer und 50 Mikrometer beträgt.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46) eine Temperaturbeständigkeit von maximal 350°C, vorzugsweise von maximal 300°C, aufweist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftwirkung der Beschichtung (46) auf Ablagerungen von Metallseifen, Alterungspolymeren, Methylester, Glycerin, Fette und/oder fette Öle, ausgerichtet ist.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46) funktionelle Siloxane aufweist und insbesondere mittels eines Plasmaprozesses aufgebracht ist.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46) Alkoholate und/oder Alkoxysilane, welche vorzugsweise funktionale Gruppen für eine organische Polymerisationsreaktion umfassen, aufweist, und insbesondere mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt ist.

10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46) wenigstens einen nanoskaligen Füllstoff, vorzugsweise Aluminium-, Titan-, Zirkoniumoxyd und/oder hexagonales Bornitrid und/oder einen anderen organischen Füllstoff, aufweist.

Zeichnung