-
Technisches Gebiet
-
Diese
Offenbarung betrifft Kraftstoffsystemkomponenten und insbesondere
Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen für
Kraftstoffsystemkomponenten, wie z. B. Kraftstoffinjektorkolben.
-
Hintergrund
-
Viele
Verbrennungsmotoren, ob Motoren mit Kompressionszündung
oder Motoren mit Funkenzündung bzw. Ottomotoren, nutzen
Kraftstoffinjektionssysteme, um eine präzise und zuverlässige
Kraftstoffzufuhr in die Brennkammern des Motors bereitzustellen.
Eine solche Präzision und Zuverlässigkeit sind
erforderlich, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, die Leistungsabgabe
zu maximieren und unerwünschte Emissionen zu vermindern.
Im Allgemeinen umfassen Kraftstoffinjektionssysteme eine Kraftstoffpumpe
und einen oder mehrere Kraftstoffinjektor(en). Die Kraftstoffpumpe
führt den Injektoren Kraftstoff zu, die anschließend
eine präzise Steuerung der Kraftstoffzufuhr und der zeitlichen
Steuerung der Kraftstoffzufuhr an Zylinder des Motors bereitstellen.
-
Herkömmlich
können Hartbeschichtungen auf Komponenten von Kraftstoffsystemen
aufgebracht werden, um einen Verschleiß zu vermindern und/oder
eine Korrosion zu verhindern. Wenn beispielsweise einander zugewandte
Bauteile in Kontakt kommen, kann eine Beschichtung verwendet werden,
um den Verschleiß zwischen den Komponenten durch eine Steuerung
der Reibung und/oder eine Bereitstellung einer erhöhten
Verschleißfestigkeit zu vermindern. Es wird jedoch im Allgemeinen
davon ausgegangen, dass es erwünscht ist, eine Beschichtung
nur auf eine Oberfläche von zwei einander zugewandten Bauteilen
aufzubringen, während die andere der einander zugewandten
Oberflächen aus einem unbeschichteten Metall (z. B. einem
Stahlsubstrat) oder einem anderen Material hergestellt wird, das weicher
ist als die Hartbeschichtung. Auf diese Weise kann das unbeschichtete,
weichere Material durch die diesem zugewandte Beschichtung poliert
werden, so dass eine glatte Oberfläche erzeugt wird, die zu
einer verminderten Gesamtverschleißrate führt.
-
Eine
Kraftstoffsystemkomponente des Standes der Technik, die Hartbeschichtungen
auf zwei einander zugewandten Oberflächen umfasst, ist
in dem
US-Patent 6,062,499 offenbart,
das für Nakamura et al. am 16. Mai 2000 erteilt worden
ist (nachstehend „das '499-Patent”). Das '499-Patent
stellt einen Injektor mit einer einen Kanal aufweisenden Lageroberfläche
und einem damit in Kontakt stehenden bewegbaren Kern bereit. Sowohl
die Lageroberfläche als auch der bewegbare Kern sind mit
Materialien mit großer Härte, wie z. B. Chrom
oder Titan, beschichtet.
-
Obwohl
die Beschichtungen und der Injektor des '499-Patents für
manche Anwendungen eine geeignete Verschleißfestigkeit
bereitstellen können, können die Beschichtungen
des '499-Patents mehrere Nachteile aufweisen. Beispielsweise können
diese Beschichtungen in der Gegenwart von modernen Kraftstoffen,
wie z. B. Biodiesel und Toyu-Kraftstoff, einem Verschleiß mit
inakzeptabel hoher Rate unterliegen. Daher können diese
Beschichtungen versagen, wenn sie unter bestimmten Bedingungen verwendet
werden, wodurch die Kraftstoffsystemkomponente einer Leckage unterliegt
oder Druck verliert.
-
Die
offenbarten Beschichtungen unterstützen bei der Lösung
eines oder mehrerer der vorstehend genannten Probleme bei Kraftstoffinjektoren und
bei der Beseitigung der Mängel der Lösungen solcher
Probleme im Stand der Technik.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Ein
erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren
zum Steuern des Verschleißes in einer Kraftstoffinjektoranordnung.
Das Verfahren umfasst das Auswählen eines Kraftstoffinjektors,
der ein erstes Kraftstoffinjektorkomponente-Substratmaterial, ein
zweites Kraftstoffinjektorkomponente-Substratmaterial, eine erste
Beschichtung auf dem ersten Substratmaterial und eine zweite Beschichtung
auf dem zweiten Substratmaterial umfasst. Die erste Beschichtung
und die zweite Beschichtung sind aus der Gruppe bestehend aus Metallnitriden
und diamantartigem Kohlenstoff ausgewählt. Das Verfahren
umfasst ferner das Betreiben der Kraftstoffinjektoranordnung derart,
dass das erste Beschichtungsmaterial, das aus der Gruppe bestehend
aus Metallnitriden und diamantartigem Kohlenstoff ausgewählt
ist, und das zweite Beschichtungsmaterial, das aus der Gruppe bestehend
aus Metallnitriden und diamantartigem Kohlenstoff ausgewählt ist,
gegeneinander gleiten. Der Injektionsanordnung kann Kraftstoffunter
Verwendung eines Kraftstoffs zugeführt werden, der einen
Reibungskoeffizienten zwischen dem ersten Beschichtungsmaterial
und dem zweiten Beschichtungsmaterial erzeugt, der in der Gegenwart
des ausgewählten Kraftstoffs weniger als 0,15 beträgt.
-
Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren
zum Steuern des Verschleißes in einer Kraftstoffinjektoranordnung.
Das Verfahren kann das Auswählen einer Injektoranordnung
umfassen, die einen Kraftstoffinjektorkolben, der ein Kolbensubstratmaterial
und eine erste Beschichtung auf dem Kolbensubstratmaterial umfasst, und
eine Kraftstoffinjektorbohrung umfasst, die ein Bohrungssubstratmaterial
und eine zweite Beschichtung auf dem Bohrungssubstratmaterial umfasst.
Die erste und die zweite Beschichtung des Kolbens und der Bohrung
gleiten gegeneinander und können Chromnitrid umfassen.
Der Injektionsanordnung kann Kraftstoffunter Verwendung eines Kraftstoffs zugeführt
werden, der mindestens einen eines Kraftstoffs mit ultraniedrigem
Schwefelgehalt und eines Kraftstoffs mit niedrigem Schmiervermögen
umfasst.
-
Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren
zum Steuern des Verschleißes in einer Maschinenanordnung.
Das Verfahren kann das Auswählen einer Maschinenanordnung umfassen,
die ein Substratmaterial und eine erste Beschichtung auf dem Substratmaterial
und ein zweites Substratmaterial und eine zweite Beschichtung auf
dem zweiten Substratmaterial umfasst. Die erste und die zweite Beschichtung
des ersten Substrats und des zweiten Substrats gleiten gegeneinander und
können Chromnitrid umfassen. Der Maschinenanordnung kann
Kraftstoff unter Verwendung eines Kraftstoffs zugeführt
werden, der mindestens einen eines Kraftstoffs mit ultraniedrigem
Schwefelgehalt und eines Kraftstoffs mit niedrigem Schmiervermögen
umfasst.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer mechanisch betätigten Injektoreinheit
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
-
2 ist
eine Seitenansicht eines beschichteten Kraftstoffinjektorkolbens
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
-
3 ist
eine Seitenansicht eines Kolbens und einer Bohrung eines Kraftstoffinjektors,
die beschichtet sind, gemäß einer exemplarischen
Ausführungsform.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Nachstehend
wird detailliert auf die vorliegenden exemplarischen Ausführungsformen
der Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele dafür in den
beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer
dies möglich ist, werden in allen Zeichnungen die gleichen
Bezugszeichen verwendet, um die gleichen oder entsprechende Bauteile
zu bezeichnen.
-
Die
vorliegende Offenbarung betrifft Kraftstoffsystemkomponenten, die
verbesserte Beschichtungen umfassen, sowie Verfahren zum Herstellen und
Verwenden dieser Komponenten zum Steuern des Verschleißes
der Komponenten und zum Verhindern eines Ausfalls des Kraftstoffsystems.
Gemäß eines exemplarischen Verfahrens der vorliegenden
Offenbarung können die Beschichtungen auf einander zugewandte
Oberflächen von Kraftstoffsystemkomponenten oder andere
Maschinenbauteile aufgebracht sein, um eine verbesserte Verschleißfestigkeit während
des Gegeneinandergleitens bereitzustellen. Ferner können
die Beschichtungen und Kraftstoffsystemkomponenten der vorliegenden
Offenbarung zur Verwendung mit verschiedenen Kraftstoffen, Schmiermitteln
oder anderen Fluiden ausgewählt werden, die eine inakzeptabel
starke Korrosion und/oder einen inakzeptabel hohen Verschleiß mit anderen
Beschichtungen erzeugen können.
-
Die
Komponenten der vorliegenden Offenbarung können jedwede
Kraftstoffsystemkomponenten oder andere Maschinenkomponenten umfassen,
die in der Gegenwart verschiedener Flüssigkeiten in einer
gegeneinander gleitenden Konfiguration vorliegen. Beispielsweise
können geeignete Kraftstoffsystemkomponenten Komponenten
von Kraftstoffinjektoren und/oder Kraftstoffpumpen umfassen, die
gegeneinander gleiten. In einer Ausführungsform können
solche Komponenten eine Bohrung und einen Kolben eines Kraftstoffinjektors
umfassen, wobei die Bohrung und der Kolben gegeneinander gleiten
und Hartbeschichtungen auf einander zugewandten Oberflächen
der Bohrung und des Kolbens umfassen, wie es nachstehend detailliert
beschrieben ist.
-
Die 1 ist
eine Querschnittsansicht einer mechanisch betätigten Injektoreinheit
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
Wie es gezeigt ist, kann der Injektor 2 der 1 gegeneinander
gleitende Beschichtungskomponenten umfassen. Beispielsweise umfasst,
wie es gezeigt ist, der Injektor 2 einen Kraftstoffinjektorkolben 14,
der sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung 16 hin und
her bewegt, um während des Betriebs der Maschine Kraftstoff
mit Druck zu beaufschlagen und zu injizieren. Wie es nachstehend
detailliert beschrieben ist, können einander zugewandte
Oberflächen des Kolbens 14 und der Bohrung 16 Oberflächenbeschichtungen
umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie eine verbesserte Beständigkeit
gegen einen Verschleiß und eine Korrosion bereitstellen.
Ferner können die Beschichtungen in manchen Ausführungsformen
zur Verwendung mit einer Anzahl verschiedener Kraftstoffe und/oder
anderer Fluide, einschließlich Biodiesel, Toyu-Kraftstoff,
Kraftstoffe mit niedrigem Schmiervermögen und/oder verschiedene
Schmiermittel, ausgewählt werden.
-
Wie
es gezeigt ist, ist ein Kraftstoffinjektor 2 auf einem
Zylinderkopf 6 mittels einer Montageanordnung 40 montiert,
die ein Klemmstück 42, das an dem Injektor 2 angebracht
ist, und eine Schraube 44 umfasst, die das Klemmstück 42 an
dem Motorblock 6 fixiert. Dem Kraftstoffinjektor 2 wird
Kraftstoff über einen Kraftstoffzuführungskanal 4,
der in dem Motorblock 6 ausgebildet ist, zugeführt
und überschüssiger Kraftstoff läuft von
dem Injektor 2 über einen Kraftstoffablaufkanal 8 ab.
Der Kraftstoffzuführungskanal 4 und der Kraftstoffablaufkanal 8 stehen
mittels eines ringförmigen Kraftstoffhohlraums 10,
der den äußeren Umfang des Kraftstoffinjektors 2 umgibt,
in Fluidverbindung.
-
Der
von dem Kraftstoffzuführungskanal 4 zugeführte
Kraftstoff strömt periodisch zwischen Einspritzzyklen zu
einer im Allgemeinen zylindrischen Kraftstoffdruckbeaufschlagungskammer 12,
die im Zentrum des Kraftstoffinjektors 2 ausgebildet ist.
Der Kraftstoff in der Druckbeaufschlagungskammer 12 wird
durch den Kraftstoffinjektorkolben 14, der sich innerhalb
der zylindrischen Bohrung 16, die in einer zylindrischen
Verlängerung 18 eines Abschnitts des Kraftstoffinjektorkörpers 20 ausgebildet
ist, hin und her bewegt, periodisch mit Druck beaufschlagt. Wenn der
Kolben 14 durch einen Kipphebel (nicht gezeigt), der an
einer Scheibe 22 angebracht ist, nach unten gedrückt
wird, nimmt der Kraftstoffdruck in der Druckbeaufschlagungskammer 12 zu
und folglich nimmt auch der Kraftstoffdruck in einem Düsenhohlraum 24 zu,
der mit der Kammer 12 in Fluidverbindung steht. Wenn der
Kraftstoffdruck in dem Düsenhohlraum 24 einen
Schwellenwert erreicht, führt die Kraft, die durch den
Fluiddruck ausgeübt wird, dazu, dass eine Düsensperre 26 nach
oben gedrückt wird, wodurch die Düse geöffnet
und Kraftstoff eingespritzt wird.
-
Die 2 ist
eine Seitenansicht eines beschichteten Kraftstoffinjektorkolbens 14 gemäß einer exemplarischen
Ausführungsform. Wie es gezeigt ist umfasst der Kolben 14 einen
Hauptkörperabschnitt 28, einen Kolbenendabschnitt 30 und
einen Beschickungsendabschnitt 32. Die verschiedenen Abschnitte
des Kraftstoffinjektorkolbens werden aus einem Substratmaterial 34 geformt
oder durch spanende Bearbeitung gebildet. Ferner kann der Kolben 14 ein Primärbeschichtungsmaterial 36 umfassen,
das direkt auf ein Substrat 34 aufgebracht werden kann oder
auf eine Bindungsschicht 38 aufgebracht werden kann, die
auf dem Substrat 34 ausgebildet ist, wie es nachstehend
detailliert beschrieben ist.
-
Das
Substrat 34 kann aus einer Anzahl geeigneter Materialien
hergestellt werden. Beispielsweise kann das Substrat 34 in
manchen Ausführungsformen jedweden geeigneten Stahl, wie
z. B. einen niedriglegierten Stahl, einen Werkzeugstahl, 51200-Stahl,
und/oder jedwedes andere Material umfassen. Geeignete Materialien
können auf der Basis gewünschter physikalischer
Eigenschaften (z. B. einer Verformungsbeständigkeit) und/oder
des Vermögens zur Bindung an darüber liegende
Beschichtungen und zur Beständigkeit gegenüber
erhöhten Temperaturen, wie sie während der Beschichtungsabscheidung
oder des Gebrauchs der Vorrichtung vorliegen, ausgewählt
werden.
-
In
manchen Ausführungsformen kann das Substrat 34 einen
niedriglegierten Stahl umfassen. Der Begriff niedriglegiert, wie
er hier verwendet wird, ist so zu verstehen, dass er sich auf Stahlqualitäten bezieht,
bei denen Elemente, die eine Härtung bzw. Härtbarkeit
bewirken, wie z. B. Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel,
zusammen weniger als etwa 3,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung
ausmachen. Ferner können niedriglegierte Stähle
aufgrund der relativ niedrigen Kosten und der hohen Zuverlässigkeit
solcher Stähle für Kraftstoffinjektorkomponenten
ausgewählt werden, einschließlich den Kraftstoffinjektorkolben 14 und
die Kraftstoffinjektorbohrung 16.
-
Die
Zusammensetzung der Primärbeschichtung 36 kann
aus verschiedenen Metallnitriden, Metallcarbiden und Materialien
auf Kohlenstoffbasis ausgewählt sein. In manchen Ausführungsformen kann
die Beschichtung 36 mindestens ein Metallnitrid enthalten,
das aus Chromnitrid, Zirkoniumnitrid, Molybdännitrid, Titan-Kohlenstoff-Nitrid
oder Zirkonium-Kohlenstoff-Nitrid ausgewählt ist. Alternativ
kann die Beschichtung 36 ein diamantartiges Kohlenstoff (DLC)-Material,
wie z. B. ein Titan-enthaltendes DLC, ein Wolfram-DLC oder ein Chrom-DLC,
umfassen.
-
Vor
dem Beschichten eines ausgewählten Substratmaterials kann
das Material durch Reinigen und/oder eine Oberflächenbehandlung
vorbereitet werden. Beispielsweise kann das Reinigen durch eine
Anzahl herkömmlicher Verfahren durchgeführt werden,
wie z. B. Entfetten, Sandstrahlen, Ätzen, chemisch unterstützte
Schwingungstechniken und dergleichen. Ferner kann eine Oberflächenfeinbearbeitung
durchgeführt werden, um die Haftung der Beschichtung zu
verstärken und/oder die Beschichtungsstruktur zu beeinflussen.
Beispielsweise kann in manchen Ausführungsformen die gewünschte Substratoberfläche
durch einen Schleifvorgang zum Erhalten einer sehr glatten Oberfläche,
durch Ultraschallreinigen mit einer alkalischen Lösung
und durch Ionenätzen der Substratoberfläche mit
Argon erzeugt werden. Darüber hinaus können in
manchen Ausführungsformen ausgewählte Substrate
vor dem Aufbringen der Beschichtung wärmebehandelt werden,
um weitere Veränderungen der Substratabmessungen nach oder
während der Beschichtungsabscheidung zu verhindern.
-
Die
gewünschte Beschichtung kann unter Verwendung einer Anzahl
geeigneter Verfahren erzeugt werden. Beispielsweise können
geeignete Metallnitrid- und DLC-Beschichtungen unter Verwendung
verschiedener physikalischer Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren)
und/oder chemischer Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) erzeugt
werden. Ferner können Hybridverfahren eingesetzt werden.
Das gewünschte Beschichtungsverfahren kann auf der Basis
einer Anzahl von Faktoren, einschließlich z. B. der Kosten,
der Herstellungsgeschwindigkeit und der Steuerung der Beschichtungszusammensetzung
und -struktur ausgewählt werden.
-
Ferner
kann das Beschichtungsherstellungsverfahren auf der Basis der Art
des für den Kolben 14 und die Bohrung 16 ausgewählten
Substratmaterials ausgewählt werden. Beispielsweise können
manche Substrate durch erhöhte Temperaturen beeinflusst werden
und das Beschichtungsverfahren kann so ausgewählt werden,
dass nachteilige Effekte des Verfahrens auf ausgewählte
Substrate, z. B. durch Begrenzen der Prozesstemperatur und/oder
-zeit, minimiert werden. Beispielsweise können Lichtbogenverdampfungs-
oder Sputterverfahren ausgewählt werden, um Chromnitridbeschichtungen
zu erzeugen, und geeignete Verfahren können ausgewählt
werden, um Temperaturen unter 250°C oder sogar unter 150°C
zu halten, so dass Abmessungsveränderungen in darunter
liegenden Substraten verhindert werden.
-
Geeignete
PVD-Verfahren können z. B. Lichtbogendampfabscheidung und
Sputtern umfassen. Im Allgemeinen wird bei einer Lichtbogendampfabscheidung
eine Lichtbogenquelle angepasst, einem erzeugten Dampf eine positive
Ladung zu verleihen, und eine negative Vorspannung wird an ein Substrat
angelegt, um eine Abscheidung auf dem Zielsubstrat vorzunehmen.
Solche Lichtbogendampfabscheidungsbeschichtungsverfahren, die eine Lichtbogenquelle
nutzen, um einem Dampf eine positive Ladung zu verleihen, und eine negative
Vorspannung nutzen, um dem Substrat eine negative Ladung zu verleihen,
sind allgemein bekannt. In bekannten Sputterverfahren werden Teilchen
an einem Targetmaterial, das ein auf einem ausgewählten
Substrat abzuscheidendes Material umfasst, beschleunigt. Wenn die
Teilchen auf das Target auftreffen, werden kleine Mengen des Targets freigesetzt
und einheitlich auf dem Substrat abgeschieden.
-
Die
Beschichtungsdicke auf dem Kolben 14 sollte im Allgemeinen
einheitlich sein, und zwar gemessen mit einer Probe der Kraftstoffinjektorkomponenten
mittels Rasterelektronenmikroskopie, mittels Röntgenfluoreszenz
oder unter Verwendung eines Kugeleindrucktests an einer Mehrzahl
von Stellen auf dem Kolben 14. In einer Ausführungsform
kann die Primärbeschichtung 36 eine Dicke zwischen
etwa 0,5 Mikrometer und etwa 1,7 Mikrometer aufweisen. Die Primärbeschichtung 36 kann
auf der gesamten Länge des Kolbens 14 aufgebracht
werden oder die Beschichtung kann auf Abschnitte des Kolbens 14 aufgebracht
werden, die höheren Gleitverschleißausmaßen
ausgesetzt sein können.
-
In
manchen Ausführungsformen kann es erwünscht sein,
eine Bindungsschicht 38 aufzubringen, um eine verbesserte
Haftung der Primärbeschichtung 36 bereitzustellen.
Beispielsweise kann in manchen Ausführungsformen eine Chromschicht
oder eine andere geeignete Metallschicht auf ein Substrat aus niedriglegiertem
Stahl aufgebracht werden, um eine Bindungsschicht 38 zu
bilden. Wenn diese eingesetzt wird, kann das optionale Bindungsschichtmaterial
unter Verwendung eines entsprechenden Dampfabscheidungsverfahrens
aufgebracht werden, so dass eine Bindungsschicht 38 mit
einer Dicke von im Allgemeinen zwischen etwa 0,05 Mikrometer und etwa
0,5 Mikrometer bereitgestellt wird; ein Bereich geeigneter Dicken
kann jedoch auf der Basis des verwendeten spezifischen Substrats 34 und
der verwendeten spezifischen Beschichtungen 36 ausgewählt werden.
-
Die
Steuerung einiger oder aller physikalischen Eigenschaften, die von
der Dicke verschieden sind, der Beschichtungsschichten 36, 38 und
des beschichteten Substrats, ist ebenfalls wichtig, um eine sehr
zuverlässige und kostengünstige Komponente herzustellen.
Beispielsweise sind die Beschichtungshaftung, die Beschichtungshärte,
die Substrathärte, die Oberflächentextur und die
Reibungskoeffizienten einige der physikalischen Eigenschaften, die überwacht
und gesteuert werden können, um gewünschte Kraftstoffinjektorkomponenten
herzustellen. Ferner können verschiedene Anwendungen verschiedene
physikalische Eigenschaften erfordern.
-
Wie
es vorstehend angegeben worden ist, sollte die Beschichtung 36 im
Allgemeinen frei von Oberflächendefekten sein. Ferner kann
die Beschichtung 36 abhängig von der vorgesehenen
Verwendung der Komponente spezifischen Oberflächentexturbewertungen
oder Oberflächentexturmessungen unterzogen werden. Oberflächendefekte können
im Allgemeinen bei einer Probe der Kraftstoffinjektorkolben 14 durch
die Untersuchung einer Mehrzahl von Punkten auf der Oberfläche
der Proben bei einer etwa hundertfachen Vergrößerung
festgestellt werden. Die Oberflächenuntersuchungen können
mit verschiedenen Klassifizierungsstandards verglichen werden, um
sicherzustellen, dass die Beschichtung 36 im Wesentlichen
frei von Oberflächendefekten ist. Darüber hinaus
sollten die Beschichtungsschichten 36, 38 im Allgemeinen
am ausgewählten Substratmaterial haften. Die Beschichtungshaftung
kann für eine gegebene Anzahl von Kraftstoffinjektorkolben
z. B. unter Verwendung von Standard-Härtetests (z. B. Rockwell
C-Härtemessungen) bewertet werden, bei denen Aufprallstellen
auf Komponentenoberflächen untersucht und mit verschiedenen
Haftungsklassifizierungsstandards verglichen werden.
-
Wie
es vorstehend erwähnt worden ist, kann es erwünscht
sein, Beschichtungen auf einander zugewandte Oberflächen
von Maschinenkomponenten aufzubringen. Beispielsweise zeigt die 3 eine Seitenansicht
eines Kolbens 14 und einer Bohrung 16 eines Kraftstoffinjektors, die
beschichtet sind. Wie es gezeigt ist, umfassen einander zugewandte
Oberflächen von Kolben 14 und Bohrung 16 die
Beschichtungen 36, 37. Ferner können
in manchen Ausführungsformen die Beschichtungen 36, 37 so
ausgewählt werden, dass sie eine geringe Verschleißrate oder
eine geringe Korrosionsrate selbst in der Gegenwart verschiedener
Kraftstoffe bewirken, einschließlich Biodiesel, japanischem
Kerosin und anderen Kraftstoffen und Schmiermitteln, wie es nachstehend
detailliert beschrieben ist.
-
Wie
es erwähnt worden ist, können die Beschichtungen 36, 37 harte,
verschleißfeste Materialien umfassen. Solche Materialien
können so ausgewählt werden, dass sie einen Verschleiß von
Maschinenkomponenten verhindern, die so konfiguriert sind, dass
sie in einer Aufprallkonfiguration wiederholt miteinander in Kontakt
kommen. Beispielsweise können geeignete Primärbeschichtungsmaterialien
aus verschiedenen Metallnitriden und diamantartigen Kohlenstoffen
(DLC) ausgewählt werden. Ferner können geeignete
Metallnitride Chromnitrid, Zirkoniumnitrid, Molybdännitrid,
Titan-Kohlenstoff-Nitrid oder Zirkonium-Kohlenstoff-Nitrid umfassen,
und geeignete Materialien aus diamantartigem Kohlenstoff können
Titan-enthaltenden diamantartigen Kohlenstoff (DLC), Wolfram-DLC
oder Chrom-DLC umfassen. Darüber hinaus können
geeignete Metall-Kohlenstoff-Materialien, einschließlich
Wolframcarbid-enthaltender Kohlenstoff, ausgewählt werden.
Darüber hinaus können entweder die Bohrung 16 oder
der Kolben 14 oder beide eine optionale Bindungsschicht 38 umfassen, wie
es vorstehend beschrieben worden ist.
-
Die
beschriebenen Beschichtungen können, wenn sie einem wiederholten
Gleitverschleiß ausgesetzt sind, selbst in der Gegenwart
von verschiedenen Kraftstoffen, die durch den Kraftstoffinjektor 2 strömen,
eine gute Verschleißfestigkeit bereitstellen. Es können
verschiedene geeignete Kraftstoffe ausgewählt werden, einschließlich
verschiedene übliche Dieselkraftstoffe und moderne Kraftstoffe
mit niedrigem Schmiervermögen oder Biodiesel. Ferner wurde gefunden,
dass viele gegenwärtige Maschinenkomponenten hohe Verschleißraten
aufweisen, wenn sie einem Aufprall- und/oder Gleitverschleiß in
der Gegenwart bestimmter Kohlenwasserstoffkraftstoffe ausgesetzt
sind, wie z. B. verschiedenen Kraftstoffen mit geringem Schmiervermögen
und/oder Kraftstoffen mit niedrigem Schwefelgehalt. Es wurde gefunden,
dass die offenbarten Beschichtungen eine ausreichende Verschleißfestigkeit
erzeugen, selbst wenn sie in der Gegenwart dieser Kraftstoffe wiederholt
eingesetzt werden. Beispielsweise können geeignete Kraftstoffe,
die mit den offenbarten Kraftstoffinjektoranordnungskomponenten
verwendet werden können, welche mit den offenbarten Beschichtungen
beschichtet sind, 2D-Diesel mit ASTM D975-Qualität, Toyu-Kraftstoff,
Kraftstoff mit niedrigem Schwefelgehalt, K1-Kraftstoff und JP8-Kraftstoff sowie
andere herkömmliche Kraftstoffe umfassen. Ferner können
die offenbarten Beschichtungen auch mit Kraftstoffen verwendet werden,
die verschiedene Additive enthalten, einschließlich Caterpillar 2564968-Kraftstoffadditiv,
Methylsojat (10 bis 30 Vol.-%), Rapsmethylester und Speiseölregenerat. Beispielsweise
können ausgewählte Kraftstoff- und Additivkombinationen
Toyu mit mindestens etwa 10 Vol.-% Methylsojat oder Toyu mit mindestens
etwa 20 Vol.-% Methylsojat umfassen. Ferner kann jedes der offenbarten
Additive mit den offenbarten Kraftstoffen zur Verwendung mit ausgewählten
Beschichtungen kombiniert werden.
-
Darüber
hinaus können die offenbarten Beschichtungen und Kraftstoffsystemkomponenten
mit verschiedenen anderen Kraftstoffen eingesetzt werden. Beispielsweise
können verschiedene Kraftstoffe mit niedrigem Schmiervermögen
und Kraftstoffe mit ultraniedrigem Schwefelgehalt mit manchen Kraftstoffsystemkomponenten
höhere Verschleißraten erzeugen. Es wird davon
ausgegangen, dass die beschichteten Kraftstoffsystemkomponenten
der vorliegenden Offenbarung mit vielen verschiedenen Kraftstoffen
mit niedrigem Schmiervermögen und Kraftstoffen mit ultraniedrigem
Schwefelgehalt niedrige Verschleißraten bereitstellen.
-
Schließlich
sollte beachtet werden, dass die offenbarten Beschichtungen mit
jedweden Maschinenkomponenten verwendet werden können,
die einem wiederholten Aufprall- und/oder Gleitkontakt ausgesetzt
sind, obwohl die offenbarten Beschichtungen zur Verwendung mit einem
Kolben 14 und einer Bohrung 16 beschrieben sind.
Ferner können solche Beschichtungen mit jedweden Maschinenkomponenten,
die diesen Verschleißformen unterliegen, in der Gegenwart
verschiedener Kohlenwasserstoffkraftstoffe und/oder Kraftstoffadditive
verwendet werden. Beispielsweise können solche Komponenten jedwede
Ventile oder andere Komponenten umfassen, die in Kraftstoffpumpen,
Kraftstoffinjektoren und/oder anderen Motorkomponenten eingesetzt werden,
die einem Verschleiß unterliegen können.
-
Beispiel: Beschichtungen von zwei Oberflächen
in der Gegenwart alternativer Kraftstoffe
-
Wie
es vorstehend erwähnt worden ist, können in manchen
Ausführungsformen die offenbarten Beschichtungen auf zwei
oder mehr Komponenten eines Kraftstoffinjektors, einer Kraftstoffpumpe
oder eines anderen Maschinenbauteils aufgebracht werden. Beispielsweise
kann in manchen Ausführungsformen eine Beschichtung auf
einen Kraftstoffinjektorkolben und eine Kraftstoffinjektorbohrung
aufgebracht werden. In der Vergangenheit wurde es als Problem erachtet,
dass verschiedene Kraftstoffinjektorbauteile, die einem Verschleiß durch
Reibung und/oder einen Aufprall unterliegen, inakzeptabel hohe Verschleißraten
aufweisen, wenn sie mit bestimmten Kraftstofftypen eingesetzt werden.
Ferner besteht ein zunehmendes Interesse an der Verwendung bestimmter
alternativer Kraftstoffe aufgrund steigender Kosten von Erdölprodukten,
Bedenken hinsichtlich des Einflusses von Emissionen von bestimmten
Kraftstoffen auf die Umwelt und Bedenken bezüglich einer angemessenen
Versorgung mit Erdöl aufgrund schwindender Reserven und
politischer Konfrontationen.
-
Es
wurden verschiedene Materialien getestet, um deren Verschleißfestigkeit
in der Gegenwart verschiedener Kraftstoffe zu bewerten. Es wurde
die Vorschrift der „American Society of Testing
and Materials (ASTM)" D6079 verwendet. In dieser
Vorschrift wird ein Hochfrequenz-Schwing-Reib-Verschleiß-Prüfstand
(HFRR) eingesetzt. Der HFRR umfasst eine Kugel, die sich auf einer
statischen Ebene mit 50 Hz und mit einer Gleitdistanz von 1 mm hin
und her bewegt. Jeder Prüfstand wurde in 2 ml Kraftstoff mit
einer Temperatur von 60°C eingetaucht. Die Reibung und
der Verschleißriefendurchmesser für jeden Test
wurden gemessen. In jedem Test wurden verschiedene Materialkombinationen
verwendet. In manchen Tests wurde nur die Kugel oder die Ebene mit
einer offenbarten Beschichtung beschichtet. In anderen Ausführungsformen
wurden sowohl die Kugel als auch die Ebene beschichtet, wobei eine
PVD mit einem 52100-Stahlsubstrat eingesetzt wurde. Tests wurden
unter Verwendung einer Anzahl verschiedener Kraftstoffe durchgeführt.
Beispielsweise wurden Caterpillar 1E0262-Kraftstoff, Caterpillar 1E2820-Kraftstoff,
Caterpillar 1E4008-Kraftstoff, Toyu-Kraftstoff, K1-Kraftstoff und
JP8-Kraftstoff verwendet. Ferner wurden Kraftstoffe mit verschiedenen Additiven
getestet, einschließlich Caterpillar 2564968-Kraftstoffadditiv,
Methylsojat (10 bis 30 Vol.-%), Rapsmethylester und Speiseölregenerat.
-
Es
wurde gefunden, dass bestimmte Kraftstoffe und Materialkombinationen
niedrige Reibungskoeffizienten erzeugen. Beispielsweise kann unter Verwendung
von CrN-Beschichtungen sowohl auf der Kugel als auch auf der Ebene
ein Reibungskoeffizient von weniger als etwa 0,15, oder weniger
als etwa 0,13 oder weniger als etwa 0,12 bei der Verwendung von
Toyu, Caterpillar 1E0262-Kraftstoff oder Toyu mit Caterpillar 2564968-Kraftstoffadditiv
erzeugt werden. Ferner gilt dies für Caterpillar 1E0262-Kraftstoff
mit oder ohne 20 Vol.-% Methylsojat, Caterpillar 1E2820-Kraftstoff mit
Caterpillar 2564968-Kraftstoffadditiv, Toyu-Kraftstoff mit 20 Vol.-%
Methylsojat, Caterpillar 1E4008-Kraftstoff mit oder ohne Caterpillar
2564968-Kraftstoffadditiv oder 20 Vol.-% Methylsojat, K1-Kraftstoff,
JP8-Kraftstoff mit oder ohne 20 Vol.-% Methylsojat, Speiseölregenerat
oder Methylsojat allein.
-
Es
wurden verschiedene Materialien getestet. Beispielsweise umfassten
Beschichtungen auf der Kugel, der Ebene oder beiden unter Verwendung eines
52100-Stahlsubstrats gesputtertes Chromnitrid (CrN), Wolframcarbid
(WC), Wolfram-diamantartiger Kohlenstoff (W-DLC), Siliziumnitrid
(SiN), stromlos plattiertes Nickel (eNi), amorphen diamantartigen Kohlenstoff
(a-DLC) und Zirkoniumoxid (ZrO).
-
Verschiedene
Materialien und Kraftstoffkombinationen erzeugten niedrige Verschleißraten.
Beispielsweise waren die Verschleißriefen bei der Verwendung
einer CrN-Beschichtung sowohl auf der Kugel als auch auf der Ebene
beim Einsatz von Caterpillar 1E0262-Kraftstoff, Toyu-Kraftstoff
und Toyu-Kraftstoff mit Caterpillar 2564968-Additiv klein. Daher
wird davon ausgegangen, dass diese Materialien geeignete Beschichtungen
auf einander zugewandten Oberflächen von Ventilen für
Kraftstoffinjektoren und anderen Maschinenkomponenten mit Kraftstoffen
mit niedrigem Schmiervermögen bereitstellen können.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Die
vorliegende Offenbarung betrifft Kraftstoffsystemkomponenten mit
verbesserter Verschleißfestigkeit und verminderten Ausfallhäufigkeiten
in der Gegenwart verschiedener moderner Kraftstoffe.
-
Die
Komponente kann ein Substrat und eine auf dem Substrat abgeschiedene
Primärbeschichtung umfassen. Die Primärbeschichtung
kann eine Anzahl geeigneter harter Materialien, wie z. B. ein Metallnitrid
oder ein diamantartiges Kohlenstoffmaterial, umfassen. Gegebenenfalls
wird eine Bindungsschicht aus Chrom oder einem anderen geeigneten Metall
aufgebracht, um die Hafteigenschaften der Primärbeschichtung
an dem Substrat zu verbessern.
-
In
einer Ausführungsform können die beschichteten
Kraftstoffsystemkomponenten zur Verwendung mit verschiedenen alternativen
Kraftstoffen und anderen Fluiden ausgewählt werden, die
inakzeptabel hohe Verschleißraten verursachen können, wenn
sie mit unbeschichteten Kraftstoffsystemkomponenten verwendet werden.
Die Anwendung der Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung auf einander
zugewandte Oberflächen kann niedrige Komponentenverschleißraten
in der Gegenwart herkömmlicher Motorkraftstoffe, jedoch
auch in der Gegenwart alternativer Kraftstoffe, wie z. B. von Kraftstoffen
mit niedrigem Schmiervermögen, Caterpillar-Kraftstoffen,
Biodiesel, Toyu-Kraftstoff, JP8- und K1-Kraftstoff, bereitstellen.
Ferner kann der verbesserte Verschleiß durch den Zusatz
verschiedener Kraftstoffadditive erreicht werden, wie z. B. Methylsojat,
Speiseölregenerat und Rapsmethylester.
-
Für
Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und
Variationen an den offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden
können, ohne vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.
Andere Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren
sind für Fachleute in Anbetracht der Beschreibung und bei der
Ausführung der hier offenbarten Ausführungsformen
offensichtlich. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich
als exemplarisch aufgefasst werden, wobei der tatsächliche
Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche
und deren Äquivalente angegeben ist.
-
Zusammenfassung
-
BESCHICHTUNGEN ZUR VERWENDUNG
IN KRAFTSTOFFSYSTEMKOMPONENTEN
-
Es
wird ein Verfahren zum Steuern des Verschleißes in einer
Kraftstoffinjektoranordnung (2) bereitgestellt. Das Verfahren
kann das Auswählen einer Injektoranordnung umfassen, die
einen Kraftstoffinjektorkolben (14), der ein Kolbensubstratmaterial (34)
und eine erste Beschichtung (36) auf dem Kolbensubstratmaterial
umfasst, und eine Kraftstoffinjektorbohrung (36) umfasst,
die ein Bohrungssubstratmaterial und eine zweite Beschichtung (37)
auf dem Bohrungssubstratmaterial umfasst. Die erste und die zweite
Beschichtung des Kolbens und der Bohrung gleiten gegeneinander und
können Chromnitrid umfassen. Der Bohrungsanordnung kann
Kraftstoffunter Verwendung eines Kraftstoffs zugeführt werden,
der aus der Gruppe bestehend aus Toyu-Kraftstoff, Caterpillar 1E0262-Kraftstoff,
Caterpillar 1E2820-Kraftstoff, Caterpillar 1E4008-Kraftstoff, K1-Kraftstoff
und JP8-Kraftstoff ausgewählt ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „American
Society of Testing and Materials (ASTM)” D6079 [0037]