DE102008055136A1 - Verfahren und System zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, wobei die Einspritzung über ein Einspritzsystem erfolgt und der einzuspritzende Kraftstoff einen erhöhten Fettsäure- bzw. Fettsäureesteranteil, insbesondere Biodiesel, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kraftstoff in Berührung kommende Komponenten des Einspritzsystems zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen sind, die eine geringe Neigung zur Anlagerung von Kraftstoffbestandteilen, insbesondere Fettsäuren und Fettsäureester, hat.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Infolge der Verwendung von Biokraftstoffen ist der Fettsäure bzw. Fettsäureesteranteil im Kraftstoff im Vergleich zu mineralischem Kraftstoff erhöht. Kommen diese Bestandteile des Biokraftstoffes mit metallischen Oberflächen des Einspritzsystems in Berührung, bilden sich Ablagerungen, die kontinuierlich anwachsen. Mit steigendem Biokraftstoffanteil im Kraftstoff nimmt die Gefahr des Ausfalls von funktionsrelevanten Bauteilen des Einspritzsystems zu.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Einspritzsystem vorzuschlagen, das die störenden Ablagerungen insbesondere an funktionsrelevanten Bauteilen bei Verwendung von Biokraftstoffen vermeidet bzw. reduziert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 gelöst.
  • Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von bestehenden sowie zukünftigen Einspritzsystemen bei Verwendung von Biokraftstoffen, insbesondere Biodiesel oder biodieselhaltigen Kraftstoffen. Bei bestehenden Einspritzsystemen, insbesondere Diesel Common Rail System, führen insbesondere gealterte oder stark wasserhaltige Biodiesel zu Ablagerungen an für die Funktion relevanten Komponenten wie z. B. Ventilen, Ventilgliedern, Ventilsitzen, Ventilstößeln, Düse, Düsennadeln, Polygonringen, Exzenterringen, Kolben, Tassenstößel, Rollenschuhen, Rollen etc. Die Ablagerungen entstehen im Wesentlichen durch eine Adsorption (Physisorption und/oder Chemiesorption) der im Biodiesel vorhandenen Fettsäuren bzw. Fettsäureestern und anschließender Polymerisationreaktion der Fettsäuren bzw. Fettsäureester mit Bestandteilen aus dem Biodiesel, was zu einem kontinuierlichen Anwachsen der Ablagerungen führt. Die Adsorption von Fettsäuren bzw. Fettsäureestern setzt metallische oder ionische Bindungen an der Oberfläche voraus, mit der sog. Chelatkomplexe gebildet werden.
  • Kern der Erfindung ist eine Beschichtung der kritischen Bestandteile der Komponenten des Einspritzsystems, beispielsweise der Pumpe bzw. des Injektors mit einer Dünnschicht, an der Fettsäuren bzw. Fettsäureester nicht mehr adsorbiert werden können. Geeignete Dünnschichten müssen zudem eine sehr hohe chemische Beständigkeit gegenüber Biodiesel und mineralischem Diesel aufweisen.
  • Erfindungsgemäß wird die Adsorption von Fettsäuren bzw. Fettsäureestern durch eine Oberflächenmodifikation vermieden. Im Idealfall reicht eine wenige Atomlagen dicke Dünnschicht aus einem Material, das kovalente Bindungen aufweist, aus. Auf kovalenten Oberflächen können Fettsäuren bzw. Fettsäure keine Chelatkomplexe bilden, in Folge kann es auch zu keiner dauerhaften Adsorption dieser Verbindungen an der Oberfläche mehr kommen. Eine geeignete Dünnschicht muss zudem eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Biodiesel bzw. mineralischem Diesel aufweisen. Zu den geeigneten Materialien für eine derartige Dünnschicht zählen vor allem Nitride, Carbide (incl. nichtstöchiometrische Verbindungen) sowie Mischformen aus beiden wie z. B. Siliziumnitrid, Titannitrid, -carbid etc.. Schichten aus Kohlenstoff sind ebenfalls geeignet, insbeson dere DLC-Schichten (diamond like carbon) und Diamantschichten. Prinzipiell sind auch oxidische Systeme wie SiOx, organische Dünnschichten oder organische Monoschichten (SAM, self assembled monolayer) ebenfalls als Schutzschicht gegen die Adsorption von Fettsäuren bzw. Fettsäureestern geeignet. Viele der Dünnschichtvarianten können auf einfache Weise durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition), Sputtern etc. appliziert werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Bildung geeigneter Beschichtungen besteht in der Herstellung von C-Schichten aus Kohlenstoff. Infolge der C-Schicht kann verhindert werden, dass der Kraftstoff direkt mit einer metallischen Oberfläche in Verbindung kommt. Im Gegensatz zu der bereits bekannten Aufbringung von C-Beschichtungen, bei der der Auftrag nur auf das verschleißträchtigere Teil einer Bauteilpaarung erfolgt, wird die erfindungsgemäße C-Beschichtung auf beide zueinander beweglichen, miteinander zusammenwirkenden Bauteilpartner, wie beispielsweise Rollenschuh und Rolle, Polygonring und Tasse, Exzenterring und Kolben, Düsennadel und Düse, Ventilglied und Ventilsitz aufgebracht.
  • Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Chelat-Prozess aktiv zur Aufbringung einer dauerhaften Schutzschicht zu nutzen, indem die gefährdeten Komponenten des Einspritzsystems, bevor sie mit dem Fettsäure bzw. Fettsäureester haltigen Biokraftstoff in Berührung kommen, mit einem Kraftstoff betrieben werden, der sich zwar über den Chelat-Prozess an metallische Oberflächen der Komponenten anhaftet, jedoch selbst über keine C-C Doppelbindungen verfügt und somit eine Belagsbildung durch den Biokraftstoff unterbindet. Die Schutzschicht muss ausreichend gegen Abrieb durch den später verwendeten Bio- bzw. Mineralkraftstoff resistent sein. So sollte es sich bei dem die Schutzschicht bildenden Spülkraftstoff vorzugsweise um einen synthetischen Kraftstoff, vorzugsweise um einen Einkomponentenkraftstoff, handeln mit entsprechender Reinheit, der an der freien Oberfläche der Schutzschicht keine C-C-Doppelbindungen und keine kovalenten Bindungen aufweist.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen, wobei die Einspritzung über ein Einspritzsystem erfolgt und der einzuspritzende Kraftstoff einen erhöhten Fettsäure- bzw. Fettsäureesteranteil, insbesondere Biodiesel, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kraftstoff in Berührung kommende Komponenten des Einspritzsystems zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen sind, die eine geringe Neigung zur Anlagerung von Kraftstoffbestandteilen, insbesondere Fettsäuren und Fettsäureester, hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung an ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das kovalente Bindungen aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Nitrid, Carbid oder eine Mischform wie beispielsweise Siliziumnitrid, Titannitrid oder Titancarbid enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Kohlenstoff, DLC (diamond like carbon), Diamant oder aus einem Oxid wie beispielsweise SiOx besteht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch PECVD, PVD, CVD oder Sputtern aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten des Einspritzsystems vor Aufnahme des Normalbetriebes mit einem Kraftstoff betrieben werden, der sich einerseits an metallische Bauteile anhaftet, jedoch nicht über C-C Doppelbindungen verfügt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff synthetisch hergestellt und vorzugsweise ein 1-Komponentenkraftstoff mit entsprechender Reinheit ist.
  8. System zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen, wobei der einzuspritzende Kraftstoff einen erhöhten Fettsäure- bzw. Fettsäureesteranteil, insbesondere Biodiesel, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kraftstoff in Berührung kommende Komponenten des Einspritzsystems zumindest teilweise eine Beschichtung aufweisen, die eine geringe Neigung zur Anlagerung von Kraftstoffbestandteilen, insbesondere Fettsäuren und Fettsäureester, hat.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beschichteten Komponenten jeweils um zueinander bewegliche, zusammenwirkende Teile wie beispielsweise Rollenschuh und Rolle, Polygonring und Tasse, Exzenterring und Kolben, Düsennadel und Düse, Ventilglied und Ventilsitz handelt und jeweils beide Partnerteile mit der Beschichtung versehen sind.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung an ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das kovalente Bindungen aufweist.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Nitrid, Carbid oder eine Mischform wie beispielsweise Siliziumnitrid, Titannitrid oder Titancarbid enthält.
  12. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Kohlenstoff, DLC (diamond like carbon), Diamant oder aus einem Oxid wie beispielsweise SiOx besteht.
  13. System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch PECVD, PVD, CVD oder Sputtern aufgebracht ist.
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