EP2382385A1 - Verfahren und system zur einspritzung von kraftstoff in brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und system zur einspritzung von kraftstoff in brennkraftmaschinen

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EP2382385A1
EP2382385A1 EP09743893A EP09743893A EP2382385A1 EP 2382385 A1 EP2382385 A1 EP 2382385A1 EP 09743893 A EP09743893 A EP 09743893A EP 09743893 A EP09743893 A EP 09743893A EP 2382385 A1 EP2382385 A1 EP 2382385A1
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EP
European Patent Office
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fuel
coating
fatty acid
components
injection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09743893A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Gebhard
Peter Cromme
Friedrich Boecking
Claudia Klotz
Thomas Pauer
Helmut Sommariva
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M59/445—Selection of particular materials
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/95—Fuel injection apparatus operating on particular fuels, e.g. biodiesel, ethanol, mixed fuels

Definitions

  • the invention relates to a method for injecting fuel into internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and to a system for injecting fuel into internal combustion engines according to the preamble of claim 8.
  • the fatty acid or fatty acid ester content in the fuel is increased compared to mineral fuel. If these constituents of the biofuel come into contact with metallic surfaces of the injection system, deposits form, which grow continuously. With increasing biofuel content in the fuel increases the risk of
  • the object of the present invention is to propose a method and an injection system which avoids or reduces the disturbing deposits, in particular on functionally relevant components when using biofuels.
  • the invention describes a method and a device for improving the reliability of existing and future injection systems when using biofuels, in particular biodiesel or biodiesel-containing fuels.
  • biofuels in particular biodiesel or biodiesel-containing fuels.
  • the diesel common rail system in particular aged or strongly water-containing biodiesel lead to deposits on components relevant for the function, such as e.g. Valves, valve members, valve seats, valve tappets, nozzle, nozzle needles, polygon rings, eccentric rings, pistons, bucket tappets,
  • the deposits are formed essentially by adsorption (physisorption and / or chemisorption) of the fatty acids or fatty acid esters present in the biodiesel and subsequent polymerization reaction of the fatty acids or fatty acid esters with constituents from the biodiesel, which leads to a continuous increase in the biodiesel Deposits leads.
  • adsorption of fatty acids or fatty acid esters present in the biodiesel and subsequent polymerization reaction of the fatty acids or fatty acid esters with constituents from the biodiesel, which leads to a continuous increase in the biodiesel Deposits leads.
  • Fatty acid esters presupposes metallic or ionic bonds on the surface, with which so-called chelate complexes are formed.
  • the core of the invention is a coating of the critical constituents of the components of the injection system, for example the pump or the injector with a thin layer, to which fatty acids or fatty acid esters can no longer be adsorbed.
  • Suitable thin films must also have a very high chemical resistance to biodiesel and mineral diesel.
  • the adsorption of fatty acids or fatty acid esters is avoided by a surface modification.
  • a thin layer of a few atomic layers of a material having covalent bonds is sufficient.
  • fatty acids or fatty acids can not form chelate complexes, as a result no lasting adsorption of these compounds on the surface can occur.
  • Thin film must also have a very high resistance to biodiesel or mineral diesel.
  • Suitable materials for such a thin layer include, in particular, nitrides, carbides (including nonstoichiometric compounds) and mixed forms of both, such as, for example, silicon nitride, titanium nitride, carbide, etc.
  • Layers of carbon are likewise suitable, in particular DLC layers (diamond like carbon) and diamond layers.
  • oxidic systems such as SiO x , organic thin films or organic monolayers (SAMs, self assembled monolayers) are likewise suitable as a protective layer against the adsorption of fatty acids or fatty acid esters.
  • PECVD Pullasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • sputtering etc.
  • C-coating according to the invention on both mutually movable, cooperating component partners, such as roller shoe and roller, polygon ring and Cup, eccentric ring and piston, nozzle needle and nozzle, valve member and valve seat applied.
  • the rinsing fuel forming the protective layer should preferably be a synthetic fuel, preferably a one-component fuel, with appropriate purity, which has no C-C double bonds and no covalent bonds on the free surface of the protective layer.

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Abstract

Es wird 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, inbesondere Fettsäuren und Fettsäureestern hat.

Description

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Beschreibung
Titel
Verfahren und System zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen
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 an- wachsen. 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 Zu- verlässigkeit 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, Ven- tilstößeln, 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 konti- nuierlichen 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 Ad- sorption 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. nichtstöchiometri- sche Verbindungen) sowie Mischformen aus beiden wie z.B. Siliziumnitrid, Titan- nitrid,- 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, seif assembled monolayer) ebenfalls als Schutzschicht gegen die Adsorption von Fettsäuren bzw. Fettsäureestern geeignet. Viele der Dünnschichtvarianten können auf einfache Weise durch PECVD (Plasma En- hanced 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 zu- einander 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 Aufbrin- gung 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

Ansprüche
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 gekenn- zeichnet, 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 Be- Schichtung 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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