Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil mit einer Ventilnadel, welche zumindest teilweise aus Duplexstahl hergestellt ist.
Elektromagnetisch betätigbare Kraftstoffeinspritzventile sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei ist üblicherweise eine Ventilnadel an einem Magnetanker angeordnet, wobei für einen Einspritzvorgang die Ventilnadel mittels elektromagnetischer Kraft von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand und wieder zurück in den geschlossenen Zustand gebracht wird. Da im Betrieb Wärmedehnungen der Ventilnadel auftreten können, werden bisher martensitische Werkstoffe verwendet, welche insbesondere unter den Aspekten ihres Wärmedehnungsverhaltens und ihrer Verschleißbeständigkeit ausgewählt werden. Ein Nachteil dieser martensitischen Werkstoffe sind jedoch ihre magnetischen Eigenschaften. Hierdurch kann ein unerwünschter magnetischer Fluss von einem Magnetanker über die Ventilnadel zu einem Innenpol auftreten. Hierdurch können jedoch Schaltzeiten negativ beeinflusst werden und insbesondere ein magnetisches Kleben der Ventilnadel am Innenpol verstärkt werden.
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Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Ventilnadel nur eine sehr geringe Sättigungsinduktion aufweist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Ventilnadel eine hohe Verschleißfestigkeit insbesondere bei Schlagverschleiß auf. Dies ist besonders für die Lebensdauer und Einspritzgenauigkeit des Kraftstoffeinspritzventils wichtig, da die Ventilnadel bei maximaler Öffnung gegen einen Anschlag stoßen kann und somit einer hohen Schlagbelastung ausgesetzt ist. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Ventilnadel kostengünstig bereitgestellt werden und insbesondere ist eine Schweißbarkeit der Ventilnadel sichergestellt. Dadurch können sehr kostengünstige Herstellungsverfahren verwendet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ventilnadel zumindest teilweise aus einem Duplexstahl hergestellt ist. Der Duplexstahl umfasst dabei ein erstes ferritisches oder martensitisches Gefüge und ein zweites, austenitisches Gefüge. Hierdurch wird eine geringe Wärmedehnung und/oder eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Oberflächenhärte und eine hohe Verschleißfestigkeit, erreicht. Ein weiterer Vorteil der teilweise aus Duplexstahl hergestellten Ventilnadel ist ihre Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kraftstoff, da der Kraftstoff direkt mit der Ventilnadel in Kontakt steht. Die aus Duplexstahl hergestellte Ventilnadel weist ferner eine geringe Sättigungsinduktion im austenitisch dominierten Bereich (Magnetisierbarkeit) auf, wodurch magnetische Verlustströme über die Ventilnadel vermieden werden können.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt ist die Ventilnadel vollständig aus Duplexstahl hergestellt. Hierdurch kann die Ventilnadel besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Beispielsweise kann ein Nadelschaft mit einer Ventilkugel mittels einer Schweißverbindung verbunden werden. Auch kann Kraftstoff die komplette Ventilnadel benetzen.
Besonders bevorzugt ist das austenitische Gefüge inselartig im ersten ferritischen Gefüge angeordnet. Dadurch kann eine relativ gleichmäßige Verteilung des austenitischen Gefüges innerhalb einer ferritischen Matrix erhalten werden.
Weiter bevorzugt umfasst die Ventilnadel ferner einen ersten Ankeranschlag, welcher aus Duplexstahl hergestellt ist, und/oder einen zweiten Ankeranschlag, welcher ebenfalls aus Duplexstahl hergestellt ist. Der erste und zweite Ankeranschlag dienen dabei als Anschläge für einen Magnetanker, welcher vorzugsweise zwischen dem ersten und zweiten Ankeranschlag verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel umfasst ferner einen Führungsbereich für den Magnetanker, welcher zwischen dem ersten und zweiten Ankeranschlag angeordnet ist, wobei der Führungsbereich ebenfalls aus Duplexstahl hergestellt ist. Hierdurch weist der Führungsbereich einen hohen Verschleißwiderstand auf.
Weiter bevorzugt ist eine Sättigungsinduktion der aus Duplexstahl hergestellten Ventilnadel zwischen 0 bis 1 Tesla, insbesondere zwischen 0 und 0,8 Tesla und besonders bevorzugt ≤ 0,5 Tesla. Bei einer Sättigungsinduktion < 0,5 Tesla sind magnetische Verlustströme über die Ventilnadel so gering, dass keinerlei Nachteile hinsichtlich höheren Schaltgeschwindigkeiten und einer Dynamik des Kraftstoffeinspritzventils bzw. ein unerwünschtes Ankerkleben auftreten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein die Ventilnadel zumindest teilweise umgebendes Bauteil, z.B. ein Ventilgehäuse und/oder eine Ventilhülse, des Kraftstoffeinspritzventils ebenfalls aus Duplexstahl oder martensitischen oder ferritischen Stahl hergestellt. Vorzugsweise wird hierbei der gleiche Duplexstahl wie zur Herstellung der Ventilnadel verwendet. Hierdurch können insbesondere wärmebedingte Längenänderungen der Ventilnadel durch eine entsprechende Längenänderung des umgebenden Bauteils kompensiert werden, so dass eine hohe Betriebssicherheit und auch Genauigkeit hinsichtlich Einspritzzeiten und Einspritzmengen erhalten wird.
Der Duplexstahl für die Ventilnadel ist vorzugsweise ein 1.4362 (X2CrNiN23-4)-Stahl. Besonders bevorzugt ist ein Volumenanteil des ersten ferritischen Gefüges gleich einem Volumenanteil des zweiten austenitischen Gefüges. Weiter bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Duplexstahl einen oder mehrere Legierungsbestandteile, wie z.B. Cr, Ni, N, Mn.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Ventilnadel eines Kraftstoffeinspritzventils, wobei erfindungsgemäß in einem ersten Schritt eine Ventilnadel zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Duplexstahl hergestellt wird und in einem zweiten Schritt eine Oberflächenhärte der Ventilnadel erhöht wird und/oder die lokalen Gefügeeigenschaften entsprechend der funktionalen Anforderungen hinsichtlich Verschleiß und/oder Magnetisierbarkeit angepasst werden. Die Erhöhung der Oberflächenhärte oder die gezielte Gefügemodifikation wird besonders bevorzugt mittels einer Wärmebehandlung (Niedertemperatur-Aufsticken/-Aufkohlen oder Hochtemperatur-Aufsticken/-Aufkohlen) durchgeführt. Der Schritt der Wärmebehandlung erhöht dabei eine Verschleißfestigkeit der Ventilnadel bei gleichbleibender Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere werden dabei die hervorragenden korrosionsbeständigen Eigenschaften des Duplexstahls nicht beeinträchtigt. Bei der Wärmebehandlung wird eine Härtung durch ein Diffusionsverfahren erreicht. Dabei diffundieren Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome in die bestehenden Zwischengitter ein, was bei großen Mengen von eindiffundiertem Kohlenstoff zu Druckspannungen an der Oberfläche führt, wodurch eine sehr hohe Oberflächenhärte erreicht wird. Weiterhin kann durch das gezielte Einbringen von Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomen die Gefügezusammensetzung in Richtung ferritisches/martensitisches oder austenitisches Gefüge gesteuert werden. So lassen sich gezielt lokale magnetische Eigenschaften im Bauteil erzielen. Weiter bevorzugt erfolgt eine lokale Wärmebehandlung, insbesondere des Nadelschafts, der Ventilnadel, durch welche eine lokale Gefügeumwandlung erzeugt wird, die lokal eine geringere Magnetisierbarkeit des Bauteils erzeugt oder einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizient besitzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann damit so eingestellt werden, dass er dem der Ventilhülse entspricht und somit unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Ventilgehäuse und Ventilnadel reduziert werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt dabei vorzugsweise bei ungefähr 10 bis 12 x 10-6 K-1.
Weiter bevorzugt werden Führungsflächen an der Ventilnadel, insbesondere mittels Polieren oder dergleichen, nachbearbeitet.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf
Wie aus
Ein Rückstellelement 6 ist mit der Ventilnadel 2 verbunden, um die Ventilnadel 2 in die Ausgangsposition zurückzustellen.
Die Ventilnadel 2 umfasst einen länglichen Nadelschaft 20 und eine Ventilkugel 23. Die Ventilkugel 23 ist mittels einer Schweißverbindung 25 an den Nadelschaft 20 angeschweißt. Da die Ventilnadel 20 vollständig aus einem Duplexstahl hergestellt ist, kann die Ventilkugel 23 an den Nadelschaft 20 angeschweißt werden. Die Ventilnadel 2 umfasst ferner einen ersten Ankeranschlag 21 und einen zweiten Ankeranschlag 22. Der Magnetanker 3 ist dabei zwischen dem ersten und zweiten Ankeranschlag 21, 22 angeordnet. Hierbei ist an der Ventilnadel 2 ein Führungsbereich 24 für den Magnetanker 3 vorgesehen. Der Führungsbereich 24 für den Magnetanker weist dabei eine Vickershärte von ≥ 600 HV10 auf.
Da alle Bauteile der Ventilnadel 2 aus Duplexstahl hergestellt sind, weist die Ventilnadel 2 nur eine sehr geringe magnetische Sättigungsinduktion auf. Hierdurch werden insbesondere magnetische Verlustströme über die Ventilnadel 2 vermieden. Die Verwendung eines Duplexstahls stellt dabei eine hohe Korrosionsbeständigkeit insbesondere auch gegenüber Kraftstoff bereit.
Ferner umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 1 ein Ventilgehäuse 10. Das Ventilgehäuse 10 ist vorzugsweise ebenfalls aus Duplexstahl hergestellt, besonders bevorzugt aus dem gleichen Duplexstahl wie die Ventilnadel 2.
Hierdurch wird ein gleicher Wärmeausdehnungskoeffizient für die Ventilnadel 2 und das Ventilgehäuse 10 erhalten.
Da sämtliche Bauteile der Ventilnadel 2 aus Duplexstahl hergestellt sind, können beispielsweise auch der erste und/oder zweite Ankeranschlag 21, 22 mittels eines Umformverfahrens, beispielsweise eines Stauchverfahrens, hergestellt werden. Weiterhin besitzt die Ventilnadel 2 eine relativ hohe Festigkeit bei guter Duktilität. Ferner kann durch eine gezielte Wärmebehandlung von Teilbereichen der Ventilnadel 2 eine jeweils unterschiedliche Gefügezusammensetzung bzw. eine Gefügeverteilung erreicht werden, wodurch bestimmte Bauteileigenschaften, insbesondere verbesserte Härten oder lokal unterschiedliche Magnetisierbarkeiten oder lokal unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten, eingestellt werden können.
Hierbei ist zwischen dem ersten und zweiten Ankeranschlag 21, 22 der Führungsbereich 24 für den Magnetanker 3 bereitgestellt, wobei der Führungsbereich 24 ebenfalls aus Duplexstahl hergestellt ist und einer Wärmebehandlung unterzogen wurde. Hierdurch kann das ferritische/austenitische Gefüge derart eingestellt werden, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 10 bis 12 x 10-6 K-1 erhalten wird, wobei die Härte des Duplexstahls beibehalten wird.
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