Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsflusses aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 33 433 Al bekannt ist. Das dort gezeigte Ventil ist ein Kraftstoffeinspritzventil, jedoch lässt sich die erfindungsgemäße Ausbildung auch bei anderen Ventilen anwenden. Das aus dem Stand der Technik bekannte Ventil weist ein bewegliches Ventilelement auf, an dem eine Dichtfläche ausgebildet ist, mit der das Ventilelement mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Bei Anlage des Ventilelements auf dem Ventilsitz wird ein Strömungsquerschnitt verschlossen. Hebt das Ventilelement hingegen vom Ventilsitz ab, so wird der Strömungsquerschnitt freigege- ben, sodass die zu dosierende Flüssigkeit durch den Strömungsquerschnitt strömen kann.

Durch das ständige Aufsetzen des Ventilelements auf dem Ventilsitz kommt es sowohl an der Dichtfläche des Ventilelements als auch am Ventilsitz zu Verschleiß, was sich mit der Zeit negativ auf die Funktion des Ventils auswirkt. Dies stellt vor allem dann ein Problem dar, wenn das Ventilelement mit hoher Geschwindigkeit und dadurch bedingt unter Einwirkung hoher Kräfte auf dem Ventilsitz aufsetzt. Eine solche Situation ist beispielsweise bei Einspritzventilen für Brennkraftmaschinen gegeben, wie sie für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden. Da die Flüssigkeit, hier Kraftstoff, unter einem sehr hohen Druck von teilweise deutlich über 100 MPa eingespritzt wird, muss das Ven- tilelement mit entsprechend hohen Kräften bewegt werden, was zu einer starken mechanischen Belastung am Ventilsitz bzw. der Dichtfläche führt und schließlich zu einem erhöhten Verschleiß in diesem Bereich.

Aus der DE 101 33 433 Al sind Einspritzventile bekannt, bei denen die Dichtflächen und/oder der Ventilsitz mit einer verschleißmindernden Beschichtung versehen ist. In

Frage kommen hierbei Hartstoffschichten, die auf Kohlenstoffbasis hergestellt werden,

ebenso wie Beschichtungen mit Metalloxiden wie Titanoxid oder Zirkoniumoxid. Allen diesen Beschichtungen ist jedoch gemein, dass das Aufbringen einer solchen Schicht relativ teuer ist und darüber hinaus stets die Gefahr besteht, dass sich die Schichten aufgrund der mechanischen Schlagbelastung mit der Zeit lösen und abplatzen können. Dies gilt umso mehr, als Kraftstoffeinspritzventile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und in einem großen Temperaturbereich funktionieren müssen. Auch bei anderen Ventilen oder Dosierventilen kann dies ein Problem darstellen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsflusses weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Verschleiß zwischen Ventilsitz und Dichtfläche deutlich reduziert ist. Hierzu werden in den Ventilsitz oder die Dichtfläche zumindest auf einem Teil ihrer Fläche Siliziumoxid-haltige Partikel eingeprägt. Durch das Einprägen dringt das Siliziumoxid in feine Risse und Unebenheiten im Ventilsitz oder der Dichtfläche ein, sodass sich das Gefüge in diesem Bereich verfestigt und der Verschleiß deutlich herabgesetzt ist.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind die Siliziumoxid-haltigen Partikel zumin- dest in dem Bereich in den Ventilsitz und/oder die Dichtfläche eingeprägt, in dem sich die Dichtfläche und der Ventilsitz berühren. Dadurch erreicht man eine Verfestigung genau in dem Bereich, in dem die stärkste mechanische Belastung auftritt, was den Verschleiß effektiv senkt. Die Gesamtstabilität des Ventilelements oder des Ventilsitzes wird hierdurch nicht beeinträchtigt, da nur eine relativ kleine Fläche durch das Einprägen be- arbeitet wird. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung dieser Härtungsmethode bei

Dichtflächen bzw. Ventilsitzen, die konisch ausgebildet sind. So sind Ventile für die Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck häufig so ausgebildet, dass das Ventilelement an seiner Dichtfläche zwei konische Teilflächen aufweist, deren Übergangskante als Dichtkante ausgebildet ist, die an dem entsprechenden Ventilsitz zur Anlage kommt. Durch die hohe Flächenpressung in diesem Bereich erreicht man eine gute Abdichtung, was andererseits jedoch zu den oben geschilderten Verschleißproblemen führen kann. Härtet man den Ventilsitz oder die Dichtfläche genau in diesem Bereich, so vermindert sich der Verschleiß erheblich und die Funktion des Einspritzventils bleibt über die gesamte Lebensdauer konstant.

Das Einprägen der Siliziumoxid-haltigen Partikel ist besonders vorteilhaft, wenn die Dichtfläche und der Ventilsitz aus Stahl gefertigt sind. Eine entsprechende Härtungswirkung kann jedoch auch bei anderen Metallen erreicht werden.

Zum Einprägen der Siliziumoxid-haltigen Partikel wird darüber hinaus ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Dichtfläche bzw. der Ventilsitz genau dort gehärtet wird, wo die verschleißhemmende Wirkung am wirkungsvollsten ist. Hierzu wird das Ventil mit einer Prüfflüssigkeit betrieben, in der Siliziumoxid-haltige Partikel zugegeben sind. Diese Prüfflüssigkeit wird durch den Strömungsquerschnitt des Ventils geleitet, wobei das Ven- tilelement den Strömungsquerschnitt ständig öffnet und schließt. Durch das sich schließende Ventilelement werden die Siliziumoxid-haltigen Partikel in dem Bereich in den Ventilsitz bzw. die Dichtfläche eingeprägt, in dem das Ventilelement in Schließstellung auf dem Ventilsitz aufsetzt.

Als besonders vorteilhaft haben sich Siliziumoxid-haltige Partikel erwiesen, die einen

Anteil von mehr als 90 % reines Siliziumoxid (SiC^) aufweisen. Der Partikeldurchmesser spielt für die Effektivität des Härtungsvorgangs ebenfalls eine Rolle, wobei sich hier ein Partikeldurchmesser von 10 nm bis 100 μm als vorteilhaft erwiesen hat. Die Härtung ergab insbesondere dann gute Ergebnisse, denn die Prüfflüssigkeit mit einem Druck von mehr als 30 MPa durch den Strömungsquerschnitt gepresst wurde. Bei diesen Parametern sind genügend Partikel vorhanden, die durch das Ventilelement in den Ventilsitz eingeprägt werden können.

Um die Siliziumoxid-haltigen Partikel in der Schwebe zu halten, also innerhalb der Prüf- flüssigkeit und sich nicht am Boden des entsprechenden Vorratsbehälters absetzen, in dem die Prüfflüssigkeit vorgehalten wird, kann der Vorratsbehälter mit einem Ultraschallgeber versehen sein, der einen solchen Schallpegel erzeugt, dass sich die Partikel nicht am Boden des Vorratsbehälters absetzen können. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nicht nur die Prüfflüssigkeit, sondern auch genügend Siliziumoxid-haltige Partikel in das Ventil eingebracht werden.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsflus- ses dargestellt. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil und

- A -

Figur 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur 1.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

In Figur 1 ist ein Ventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsflusses dargestellt, wie es zur

Einspritzung von Kraftstoff in selbstzündende Brennkraftmaschinen gebräuchlich ist. Das Ventil weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, die an dem Ende, das in Figur 1 unten dargestellt ist, durch einen konischen Ventilsitz 7 begrenzt ist. Vom Ventilsitz 9 gehen mehrere Einspritzöffnungen 11 aus, die in Einbaulage des Ven- tils in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist ein Ventilelement 5 angeordnet, das eine Kolbenform aufweist und das in einem Führungsabschnitt 23 der Bohrung 3 mit einem Kolbenabschnitt 15 geführt ist. Das Ventilelement 5 verjüngt sich unter Bildung einer Druckschulter 13 dem Ventilsitz 9 zu und geht an seinem ventil- sitzseitigen Ende in eine im wesentlichen konische Dichtfläche 7 über, mit der das Ven- tilelement 5 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Zwischen dem Ventilelement 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender Zulauf kanal 25, mit dem sich der Druckraum 19 mit einer Flüssigkeit befüllen lässt, beispielsweise mit Kraftstoff oder einem Prüföl.

Das bekannte Ventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsflusses arbeitet hierbei so, dass sich das Ventilelement 5 in Längsrichtung bewegt und dadurch einen Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 öffnet und schließt. Bei geöffnetem Strömungsquerschnitt strömt Flüssigkeit aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzöffnun- gen 11 und wird von dort ausgespritzt, während die Einspritzöffnungen 11 in Schließstellung des Ventils durch Anlage des Ventilelements 5 auf dem Ventilsitz 9 verschlossen werden. Die Längsbewegung des Ventilelements 5 wird hierbei einerseits durch die hydraulischen Kräfte gesteuert, die durch einen entsprechenden Druck im Druckraum 19 auf die Druckschulter 19 ausgeübt werden, und andererseits durch eine Schließkraft, die auf das ventilsitzabgewandte Ende des Ventilelements 5 wirkt.

Beim Einsatz des Ventils in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine wird Kraftstoff in den Druckraum 19 geleitet und unter einem hohen Druck, der weit über 100 MPa betragen kann, durch die Einspritzöffnungen 11 ausgespritzt. Das Ventilelement 5 muss dabei mit hohen Kräften bewegt werden, um den Strömungsquerschnitt gegen den Druck im

Druckraum 19 in sehr kurzer Zeit zu öffnen oder zu schließen. Dadurch bedingt schlägt

das Ventilelement 5 mit hoher Geschwindigkeit auf dem Ventilsitz 9 auf, um den Strömungsquerschnitt zuzusteuern.

Um eine sichere Abdichtung zu erreichen, ist die Dichtfläche 7 in eine erste konische Teilflächen 107 und eine zweite konische Teilfläche 207 aufgeteilt, an deren Grenzfläche eine Dichtkante 8 ausgebildet ist. Die Öffnungswinkel der beiden konischen Teilflächen 107, 207 werden so gewählt, dass die Dichtfläche 7 nur im Bereich der Dichtkante 8 auf dem Ventilsitz 9 aufliegt. Dadurch ergibt sich in diesem Bereich eine hohe Flächenpressung und damit eine gute Abdichtung. Diese hohen Kräfte bedingen allerdings auch eine hohe mechanische Beanspruchung in diesem Bereich, dem hier dadurch entgegengewirkt wird, dass Siliziumoxid-haltige Partikel in die Dichtfläche 7 im Bereich der Dichtkante 8 eingeprägt sind. Dies ist in der Figur 2 dargestellt, die eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 darstellt. Im Längsschnitt ist hier ein gehärteter Bereich 30 im Ventilelement 5 erkennbar, der durch die eingeprägten Siliziumoxid- haltigen Partikel gehärtet wurde. In gleicher Weise kann auch ein Bereich des Ventilsitzes 9 gehärtet sein, was in Figur 2 durch den Bereich 30' angedeutet ist. Die gehärteten Bereiche 30, 31 sind in Figur 2 übertrieben groß dargestellt, da deren Dicke bei den entsprechenden Kraftstoffeinspritzventilen nur etwa 1 μm beträgt.

Um das Siliziumoxid bzw. die Siliziumoxid-haltigen Partikel in dem Bereich, in dem sich die Dichtfläche 7 und der Ventilsitz 9 in Schließstellung des Ventils berühren, kann ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden. Bei diesem wird das Ventil mit einer Prüfflüssigkeit befüllt, die Siliziumoxid-haltige Partikel 32 enthält. Diese Partikel 32 können verschiede Körnungen aufweisen, wobei sich ein Durchmesser von 10 nm bis ei- nige 100 μm als vorteilhaft erwiesen hat, je nach Anwendungsgebiet. Als Flüssigkeit eignet sich hierbei beispielsweise ein Prüföl oder im Fall des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels auch Dieselkraftstoff. Nachdem der Druckraum 19 mit der Prüfflüssigkeit, die die Siliziumoxid-haltigen Partikel 32 enthält, unter Druck befüllt worden ist, wird das Ventil abwechselnd geöffnet und geschlossen, sodass sich das Ventilelement 5 bezüglich des Ventilsitzes 9 bewegt und auf diesem wiederholt einschlägt. Hierdurch werden die Siliziumoxid-haltigen Partikel 32, die sich im Bereich der Dichtkante 8 befinden, in den Ventilsitz 9 bzw. in die Dichtfläche 7 im Bereich des Dichtkante 8 eingeprägt. Das Siliziumoxid dringt dabei in feinste Risse und Unebenheiten des Materials, das vorzugsweise Stahl ist, ein und verfestigt so das Gefüge, sodass der Verschleiß in diesem Be- reich deutlich reduziert wird.

AIs besonders wirkungsvoll haben sich Siliziumoxid-haltige Partikel erwiesen, die aus reinem Siliziumoxid (SiC^), wenigstens jedoch mit einem Anteil von 90 % Siliziumoxid bestehen. Die Prüfflüssigkeit, die die Siliziumoxid-haltigen Partikel 32 beinhaltet, sollte hierbei einen Druck von 30 MPa oder mehr aufweisen.

Um die Prüfflüssigkeit mit den daran befindlichen Siliziumoxid-haltigen Partikeln 32 in den Druckraum 19 einzufüllen, wird die Prüfflüssigkeit in einem Vorratsbehälter 35 zur Verfügung gestellt, aus der die Prüfflüssigkeit durch eine Pumpe 36 angesaugt und in den Druckraum 19 eingefüllt wird. Um zu verhindern, dass sich die Partikel 32 am Boden des Vorratsbehälters 35 absetzen, ist ein Ultraschallgeber 37 vorgesehen, der ein entsprechendes Ultraschallfeld im Vorratsbehälter 35 erzeugt, welches ein Absetzen der Partikel 32 verhindert. Dadurch ist sichergestellt, dass stets die erforderliche Konzentration an Partikeln 32 in den Druckraum 19 eingefüllt wird und der Prägeprozess wunschgemäß stattfindet.