DE19944977A1 - Beschichtungen zur Anwendung bei Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten - Google Patents

Beschichtungen zur Anwendung bei Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten

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Abstract

Eine Beschichtung für Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten, die zur Anwendung mit Brennstoffen mit niedriger Schmierfähigkeit geeignet sind, wird offenbart. Die Erfindung besteht aus einer Metallkohlenstoffmaterialbeschichtung oder aus einer Metallnitridbeschichtung auf dem Brennstoffpumpstößel oder auf anderen Brennstoffeinspritzsystemkomponenten. Die Erfindung verwendet eine Beschichtung auf dem Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel, die die Abnutzung oder das Bressen minimiert, welches mit dem Stößel und dem Kolben assoziiert ist.

Description

Viele Verbrennungsmotoren, egal ob verdichtungsgezündete oder funkengezündete Motoren, sind mit Brennstoffein­ spritzsystemen versehen, um die Notwendigkeit für eine präzise und zuverlässige Brennstofflieferung in die Brennkammer des Motors zu erfüllen. Eine solche Präzision und Zuverlässigkeit ist notwendig, um die Ziele der Stei­ gerung des Brennstoffwirkungsgrades, der Maximierung der Leistungsausgabe und die Steuerung von unerwünschten Ne­ benprodukten der Verbrennung anzusprechen.
Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist eine Präzisions­ vorrichtung, die die Brennstoffmenge zumessen muß, die für jeden Zyklus des Motors erforderlich ist, und muß den nötigen Hochdruck entwickeln, um den Brennstoff in die Brennkammer beim richtigen Zeitpunkt des Betriebszykluses einzuspritzen. Viele Brennstoffeinspritzeinheiten verwen­ den einen hydraulisch betätigten Mechanismus, um die Brennstoffladung unter Druck zu setzen, um das erwünschte Brennstoffsprühmuster zu erhalten. Das hydraulisch betä­ tigte System arbeitet mit einem Brennstoffeinspritzstö­ ßel, der innerhalb einer Bohrung angeordnet ist, die in der Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgebildet ist, um mit einem nahezu inkompressiblen flüssigen Brennstoff in Eingriff zu kommen. Dieses mechanische Unterdrucksetzen des flüssigen Brennstoffes erzeugt einen extrem hohen Brennstoffeinspritzdruck, der oft 140.000 MPa (20.000 psi) überschreitet.
Zusätzlich arbeitet die hydraulisch betätigte elektroni­ sche gesteuerte Einspritzeinheit oft unter viel härteren Umständen als die mechanisch betätigte elektronisch ge­ steuerte Einspritzeinheit. Die hydraulisch betätigte elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit hat einen kürze­ ren Brennstoffeinspritzstößel und somit eine kürze Ein­ griffslänge bzw. Paßlänge in dem damit zusammenpassenden Zylinder.
Experimente haben gezeigt, daß die Länge des Stößelein­ griffes bzw. der Stößelführung der hydraulisch betätigten elektronisch gesteuerten Einspritzeinheit ungefähr die Hälfte des Stößels der mechanisch betätigten elektronisch gesteuerten Einspritzeinheit ist.
Das verringerte Oberflächengebiet, in dem sich die Kon­ taktspannung ausbreitet, bewirkt, daß die hydraulisch be­ tätigte elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit gestei­ gerte Abnutzung an den Kontaktoberflächen erfährt, und zwar im Verhältnis zu dem mechanisch betätigten elektro­ nisch gesteuerten Einspritzeinheiten, die beträchtlich längere Eingriffslängen zwischen dem Brennstoffeinspritz­ vorrichtungsstößel und dem dazu passenden Zylinder haben. Die hydraulisch betätigte elektronisch gesteuerte Ein­ spritzeinheit erfordert eine überlegene Schmiergrenz­ schicht, um die höhere Kontaktspannung zu bekämpfen.
Die Betreibbarkeit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ist in gewissem Ausmaß abhängig von dem einzuspritzenden Brennstoff und insbesondere von der Schmierfähigkeit, der Viskosität oder anderen herausragenden physikalischen Ei­ genschaften des einzuspritzenden Brennstoffes. Die Anwen­ dung von Brennstoffen mit geringer Schmierfähigkeit kann insbesondere schwere Probleme verursachen insbesondere eine Abnutzung des Brennstoffeinspritzvorrichtungsstö­ ßels, und schließlich das Fressen des Brennstoffein­ spritzvorrichtungsstößels innerhalb der Bohrung der Brennstoffeinspritzvorrichtung. Eine Abnutzung wird typi­ scherweise durch einen Mangel an Schmierung an der Schnittstelle zwischen zwei harten Oberflächen verur­ sacht, was eine Aufschweißung oder eine Adhäsion der be­ rührenden Teile bewirkt, beispielsweise tendieren ein Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel und ein Brennstof­ feinspritzvorrichtungszylinder, die aneinander ohne ord­ nungsgemäße Schmierung gleiten, dazu, Anzeichen der Ab­ nutzung zu zeigen. Die Abnutzung die eine Form von Abrieb ist, wird das Spiel zwischen dem Stößel und dem Kolben verändern, und wird die Oberfläche rauh machen, so daß die Gleitbewegung des Stößels nicht sanft ist, was beides dazu führt, daß eine unrichtige Brennstoffmenge in das System eingespritzt wird. Schließlich kann eine kontinu­ ierliche Abnutzung zum Fressen des Brennstoffeinspritz­ vorrichtungsstößels in dem Zylinder führen, da der Stößel und der Zylinder effektiv zu einem Teil ohne möglicher Bewegung zusammenschmelzen. Wie oben erwähnt, ist die Ab­ nutzung von Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten insbesondere bei Brennstoffeinspritzsystemen offensicht­ lich, die Brennstoffe mit niedriger Schmierfähigkeit ver­ wenden.
Die zuvor erwähnten Probleme bestehen primär obwohl nicht ausschließlich bei Brennstoffen mit niedriger Schmierfä­ higkeit und anderen nicht standardisierten Brennstoffen, wie beispielsweise Benzin, Naphthalin, D1-Dieselbrenn­ stoffe, Flugzeugbrennstoffe, gemischte Brennstoffe oder Schwerbrennstoffe, Rohöle oder Wasser/Brennstoff-Emul­ sionen, die wasserkontinuierliche und brennstoffkontinu­ ierliche Emulsionen aufweisen.
Verschiedene verwandte Techniken haben die Anwendung von Titannitrid-(TiN-)Beschichtungen auf Brennstoffeinspritz­ vorrichtungsstößeln in Betracht gezogen, um die Abnutzung der beschichteten Teile zu verringern. Das bei TiN-Be­ schichtungen angetroffene Problem ist, daß eine TiN-Be­ schichtung gewöhnlicherweise bei extrem hohen Temperatu­ ren aufgebracht wird (beispielsweise bei ungefähr 450°C) was unerwünschte thermische Spannungen erzeugen kann und damit in Beziehung stehende Versagensvorgänge des Brenn­ stoffeinspritzvorrichtungsstößels. Es wird auch angenom­ men, daß TiN-Beschichtungen auf Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößeln dazu tendieren, die Abnutzung der mit dem Stößel zusammenpassenden Komponente bei der Paß- oder Sitzstelle zu steigern. Zusätzlich tendieren TiN-Be­ schichtungen dazu, die Gesamtkosten des Brennstoffein­ spritzvorrichtungsstößels zu steigern, da der TiN-be­ schichtete Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel einen Werkzeugstahl benötigt, um den hohen Temperaturen zu wi­ derstehen, die beim Aufbringen der TiN-Beschichtung beob­ achtet werden.
Alternativ haben verschiedene verwandte Techniken die An­ wendung von Keramikmaterialien als das Grundmaterial für den Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel anstelle von Metall in Betracht gezogen, Unglücklicherweise ist die Anwendung von Keramikmaterialien für Brennstoffeinspritz­ vorrichtungsstößel sehr teuer, und die daraus resultie­ renden monolithischen Keramikbrennstoffeinspritzvorrich­ tungsstößel haben nicht typischerweise die notwendige Dauerhaftigkeit oder Zuverlässigkeit für die kommerzielle Anwendung in Dieselmotoren oder anderen Schwerlastmo­ toranwendungen gezeigt.
Die vorliegende Erfindung hilft dabei, eines oder mehrere der zuvor erwähnten Brennstoffeinspritzvorrichtungspro­ bleme und die Nachteile der Lösungen von verwandten Tech­ niken für solche Probleme zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung kann als eine diamantartige kohlenstoffbe­ schichtete niedrig legierte Stahlkomponente für ein Brennstoffeinspritzsystem charakterisiert werden, welches verbesserte Grenzschmiercharakteristiken hat, und wobei verbesserte Freßbeständigkeitscharakteristiken offenbart werden. Die Komponente weist ein Stahlsubstrat und eine Primärbeschichtung auf (beispielsweise Wolframcarbid, welches Kohlenstoff enthält) und zwar abgelagert auf dem Substrat. Die Primärbeschichtung hat eine Dicke von im allgemeinen nicht mehr als ungefähr als 5 Mikrometern.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steigerung der Grenzschmierung von niedrig legiertem Stahl mit geschmierten Kontakten in einem Brennstoffeinspritzsystem offenbart. Das Verfahren weist die Schritte auf, ein niedrig legiertes Stahlsubstrat vorzubereiten und dann eine Metallnitridbeschichtung oder eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung auf dem nied­ rig legiertem Stahlsubstrat zu bilden, und zwar unter Verwendung eines physikalischen Dampfablagerungsprozesses bzw. PVD-Prozesses bei niedriger Temperatur.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß die offenbar­ ten Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen der Brennstoffsystemkomponente dahingehend arbeiten, daß sie die Schmierfähigkeit von gewissen Brennstoffen mit nied­ riger Schmierfähigkeit verbessern. Die offenbarten Be­ schichtungen, die auf den Brennstoffeinspritzvorrich­ tungsstößel und die entsprechende damit zusammenpassende Komponente aufgebracht werden (beispielsweise auf dem Brennstoffeinspritzvorrichtungszylinder) können beträcht­ lich die Möglichkeit von mit Schmierung in Beziehung ste­ henden Versagensfällen der Brennstoffeinspritzvorrichtung verringern. Die Verwendung von solchen Beschichtungen auf Brennstoffeinspritzsystemkomponenten kann die Notwendig­ keit für Hilfsschmiermittel für die Brennstoffzusammen­ setzungen mit niedriger Schmierfähigkeit verringern oder minimieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht ei­ ner mechanisch betätigten elektronisch gesteu­ erten Einspritzeinheit.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines beschichteten Brennstoffeinspritzstößels gemäß der vorliegen­ den Erfindung.
Fig. 3 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht ei­ ner hydraulisch betätigten elektronisch gesteu­ erten Einspritzeinheit.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die folgende Beschreibung handelt vom besten Weg, der ge­ genwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht gezo­ gen wird. Die Beschreibung soll nicht im einschränkenden Sinne gesehen werden, sondern wird nur zum Zwecke der Be­ schreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung dar­ gelegt. Der Umfang und die Breite der Erfindung sollten mit Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine typische Brennstoffein­ spritzvorrichtung 2 in einer im allgemeinen zylindrischen Bohrung 16 in einem Motorblock 6 über eine Montageanord­ nung 40 montiert. Die Montageanordnung 40 weist eine Klammer 42 und einen Bolzen bzw. eine Schraube 44 auf, die verschraubbar die Klammer 38 am Motorblock 6 sichert. Brennstoff wird an die Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 über eine Brennstoffversorgungsleitung 4 geliefert, die in dem Motorblock 6 ausgebildet ist, und übermäßiger Brennstoff läuft aus der Einspritzvorrichtung 2 über eine Brennstoffrückleitung 8 ab. Die Brennstoffversorgungslei­ tung 4 und die Brennstoffablaufleitung bzw. Brenn­ stoffrückleitung 8 sind strömungsmittelmäßig durch einen ringförmigen Brennstoffhohlraum 10 verbunden, der den Au­ ßenumfang der Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 umgibt.
Der von der Brennstoffversorgungsleitung 4 gelieferte Brennstoff, der auf einen Druck von ungefähr 420 MPa (60 psi) gebracht wird, fließt periodisch zwischen den Ein­ spritzzyklen zu einer im allgemeinen zylindrischen Brenn­ stoffdruckkammer 12, die in der Mitte der Brennstoffein­ spritzvorrichtung 2 ausgebildet ist. Der Brennstoff in der Druckkammer 12 wird periodisch auf einen Druck über 140 000 MPa (20 000 psi) unter Druck gesetzt, und bei­ spielsweise auf ungefähr 210 000 MPa (30 000 psi), und zwar durch einen Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel 14, der sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung 16 hin und her bewegt, die in einer zylindrischen Erweiterung 18 eines Teils 20 des Brennstoffeinspritzvorrichtungskörpers ausgebildet ist.
Wenn der Stößel 14 durch den (nicht gezeigten) Kipphebel­ arm nach unten gedrückt wird, der an der Scheibe 22 ange­ bracht ist, steigt der Brennstoffdruck in der Druckkammer 12, und somit steigt auch der Brennstoffdruck im Düsen­ hohlraum 24. Wenn der Brennstoffdruck im Düsenhohlraum 24 einen Schwellendruck erreicht, bewirkt die vom Strömungs­ mitteldruck ausgeübte Kraft, daß das Düsenrückschlagele­ ment 26 nach oben gedrückt wird, wobei er somit die Düse öffnet und bewirkt, daß Brennstoff eingespritzt wird.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines be­ schichteten Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößels gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in Fig. 2 zu se­ hen, weist der veranschaulichte Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößel 14 einen Hauptkörperteil 28 auf, einen Stößelendabschnitt 30 und einen Lastendabschnitt 32.
Die verschiedenen Abschnitte des Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößels sind aus einem niedrig legierten Stahl­ substrat 34 geformt oder herausgearbeitet. Der Ausdruck "niedrig legiert" wie er hier verwendet wird, bedeutet eine Stahlqualität, bei der die härtenden Elemente, wie beispielsweise Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel zusam­ men weniger als ungefähr 3,5 Gew.-% der Gesamtstahlzusam­ mensetzung bilden. Ein niedrig legiertes Stahlsubstrat 34 ist für viele Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten vorzuziehen, und zwar einschließlich des Brennstoffein­ spritzvorrichtungsstößels 14 und des (nicht gezeigten) Brennstoffeinspritzvorrichtungszylinders, und zwar vom Standpunkt der Einsparung und Zuverlässigkeit.
Die Zusammensetzung der Primärbeschichtung 36 wird vor­ zugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Metallnitri­ den besteht, und insbesondere aus Chromnitrid, Zirkonni­ trid, Molybdännitrid, Titankohlenstoffnitrid oder Zirkon­ kohlenstoffnitrid. Alternativ wird die Primärbeschichtung 36 aus der Gruppe ausgewählt, die aus Metallkohlenstoff­ materialien besteht, wie beispielsweise Titan, welches diamantartigen Kohlenstoff (DLC = diamond like carbon) enthält, Wolfram-DLC oder Chrom-DLC. Das am meisten vor­ zuziehende Metallkohlenstoffmaterial ist Wolframcarbid, welches Kohlenstoff enthält. Wenn kohlenstoffenthaltendes Wolframcarbid verwendet wird, wird der Wolframgehalt gra­ diert, und kann sich somit in irgendeinem gegebenen Be­ reich von zwischen ungefähr 0% bis ungefähr 100% bewegen, und vorzugsweise zwischen ungefähr 15% und ungefähr 30%.
Abhängig von der beabsichtigten Anwendung und Umgebung der beschichteten Brennstoffeinspritzvorrichtungskompo­ nente kann es vorteilhaft sein, eine Verbindungsschicht 38 aus einer Chromschicht oder einer anderen geeigneten Metallschicht auf das niedrig legierte Stahlsubstrat 34 aufzubringen, um eine verbesserte Adhäsion der Primärbe­ schichtung 36 zu sehen, wenn kohlenstoffenthaltendes Wolframcarbid als die Primärbeschichtung verwendet wird. Falls es verwendet wird, wird das optionale Verbindungs­ lagenmaterial vorzugsweise unter Verwendung eines ähnli­ chen Dampfablagerungsprozesses aufgebracht, um eine Ver­ bindungslage 38 mit einer Dicke von im allgemeinen zwi­ schen 0,05 Mikrometern und 0,5 Mikrometern zu ergeben, und insbesondere mit ungefähr 0,05 Mikrometer bis unge­ fähr 0,5 Mikrometern.
Die Beschichtungsdicke des Brennstoffeinspritzstößels sollte möglichst gleichförmig sein, wie auf einer Probe der Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten durch den Kugeleindringungstest an einer Vielzahl von Stellen auf dem Stößel gemessen. Alternativ kann man eine gleichför­ mige Beschichtungsdicke durch Abtast- bzw. Scan-Elek­ tronen-Mikroskopmessungen bzw. SEM-Messungen von ausge­ wählten Querschnitten der Brennstoffeinspritzvorrich­ tungsstößel oder durch Anwendung von Röntgenfluoreszenz demonstrieren.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Primärbe­ schichtung 36 eine Dicke von wünschenserterweise nicht mehr als ungefähr 5,0 Mikrometern und hat vorzugsweise eine Dicke von zwischen ungefähr 0,05 Mikrometern und un­ gefähr 1,7 Mikrometern. Eine Primärbeschichtungsdicke von mehr als ungefähr 5 Mikrometern ist nicht wünschenswert, da die Beschichtung Restbeanspruchungen entwickeln kann, die hoch genug sind, um die Primärbeschichtung 36 von der Verbindungslage 38 oder dem Substrat 34 zu trennen. Die Primärbeschichtung kann auf der gesamten Länge des Stö­ ßels aufgebracht werden, oder die Beschichtung kann teil­ weise aufgebracht werden, und zwar abhängig von dem tat­ sächlich verwendeten Stößelmodell. Um eine Teilbeschich­ tung aufzubringen, wird der Stößel durch einen kleinen Napf (1/4" hoch) und zwar mit einem geringfügig größeren Durchmesser gehalten, um den Stößel am Platz zu halten. Alternativ kann der Stößel am Platz durch einen Magnet gehalten werden, um den Stößel teilweise zu beschichten.
Die Chromverbindungslage 38 hat eine Dicke von wünschens­ werterweise nicht mehr als ungefähr 1 Mikrometer und hat vorzugsweise eine Dicke von zwischen ungefähr 0,1 Mikro­ metern und 1,0 Mikrometern und vorzugsweise zwischen un­ gefähr 0,1 und 0,3 Mikrometern. Wie bei der Primärbe­ schichtung 36 ist eine Verbindungslagendicke von mehr als ungefähr 1,0 Mikrometern nicht wünschenswert, da die Ver­ bindungslage 38 Restspannungen entwickeln kann, die hoch genug sind, um sich vom Substrat 20 zu trennen.
Die Steuerung von einigen oder allen der anderen physika­ lischen Eigenschaften der Beschichtungen und des be­ schichteten Substrats als der Dicke ist auch wichtig zur Erzeugung einer sehr zuverlässigen und kostengünstigen Komponente. Beispielsweise sind Beschichtungsadhäsion, Beschichtungshärte, Substrathärte, Oberflächentextur und Reibungskoeffizienten einige der physikalischen Eigen­ schaften, die überwacht werden sollten. Obwohl unter­ schiedliche Anwendungen unterschiedliche physikalische Eigenschaften erfordern könnten, offenbart die folgende Beschreibung einige der Eigenschaften in den bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Wie oben gezeigt, sollten die aufgebrachten Beschichtun­ gen im allgemeinen frei von Oberflächenfehlern sein, und festgelegte Oberflächentextureigenschaften oder Oberflä­ chentexturmessungen haben, und zwar abhängig von der be­ absichtigen Anwendung der Komponente. Oberflächenfehler werden im allgemeinen auf einer Probe der beschichteten Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel beobachtet, und zwar durch Beobachtung von mehren Punkten auf der Ober­ fläche der Proben bei einem Vergrößerungsfaktor von unge­ fähr 100 Mal. Die Oberflächenbeobachtungen werden im all­ gemeinen mit verschiedenen Klassifizierungsstandards ver­ glichen, um sicherzustellen, daß die Beschichtungen im wesentlichen frei von Oberflächenfehlern sind, und zwar im Gegensatz zu Nadellöchern und Substratdefekten.
Zusätzlich sollten die aufgebrachten Beschichtungen all­ gemein am Stahlsubstrat anhaften. Beschichtungsadhäsion bzw. -anhaftung kann bei einer gegebenen Menge von Brenn­ stoffeinspritzvorrichtungsstößeln bemessen werden, und zwar beispielsweise durch Verwendung von Standardhärte­ tests (beispielsweise Rockwell-C-HDNS-Messungen). Die Auftreffstellen auf der Oberfläche werden beobachtet und im allgemeinen mit verschiedenen Adhäsionsklassifizie­ rungsstandards verglichen, die auf der Größe und Menge der vorhandenen Risse basieren, und auf der Abplatzung von Beschichtungen.
Im offenbarten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtungs­ härte auch eine wichtige Charakteristik des Brennstoffe­ inspritzvorrichtungsstößels. Vorzugsweise hält die aufge­ brachte kohlenstoffenthaltende Wolframcarbidbeschichtung eine Härte von mehr als 1000 Kg/mm2 aufrecht, wie unter Verwendung einer Knoop-Härte-HDNS-Last von 50 Gramm ge­ messen. Alternativ hält die aufgebrachte CrN-Beschichtung eine Härte von mehr als 1500 Kg/mm2 aufrecht, und zwar gemessen unter Verwendung einer Knoop-Härte-HDNS-Last von 50 Gramm. In beiden offenbarten Ausführungsbeispielen ist die Substrathärte nach dem Beschichtungsprozess vorzugs­ weise 75-79 RKW unter Verwendung einer 30 N-Härtetestvor­ richtung.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das beschichtete niedrig legierte Stahlteil vorzugsweise einen Grenz­ schmierfähigkeitswert von mehr als dem Grenzschmierfähig­ keitswert des erwähnten niedrig legierten Stahlsubstrates wie unter Verwendung von ISO 12156, Version 1,3 HFRR (High Frequency Reciprocating Rig = mit hoher Frequenz hin und her beweglicher Schlitten) gemessen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das beschichtete niedrig legierte Stahlteil wünschenswerterweise einen Reibungskoeffizienten von nicht mehr als 0,5 oder weniger während der Reibungskoeffizient der nicht oxidierten nicht beschichteten legierten Stahlkomponente 0,5 ist, und vorzugsweise hat das beschichtete Stahl einen Rei­ bungskoeffizienten von nicht mehr als 0,2 oder weniger. Es ist wünschenswert, daß der Reibungskoeffizient nicht mehr als ungefähr 0,2 oder weniger ist, da die günstigen Effekte der verbesserten Grenzschmierung durch eine we­ sentliche Steigerung des Reibungskoeffizienten verschoben werden.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, wird dem Fachmann klar sein, daß zusätzlich zur Beschichtung der Brennstoffein­ spritzvorrichtungsstößel es genauso vorteilhaft wäre, ei­ ne Beschichtung auf der Komponente vorzusehen, mit der die Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößelflächen in Kon­ takt kommen, nämlich auf dem Brennstoffeinspritzvorrich­ tungszylinder. Die Beschichtung der Berührungsflächen des Brennstoffeinspritzvorrichtungszylinders und von anderen Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten mit Metallni­ trid- und diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungen mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften ist vorteilhaft nicht nur vom Standpunkt der zusätzlichen Schmierung und der verringerten Abnutzung, die auf den beschichteten Komponenten verwirklicht wird, sondern auch vom Stand­ punkt der Steuerung der Abnutzungsmuster der Berührungs­ flächen wie hier erklärt.
Irgendeine der Dampfablagerungstechniken, wie beispiels­ weise physikalische Dampfablagerung bzw. PVD (beispiels­ weise Sputtern), chemische Dampfablagerung bzw. CVD und Lichtbogendampfablagerung oder Hybridverfahren davon kön­ nen eingesetzt werden, um die Beschichtungen auf dem niedrig legierten Stahlsubstrat aufzubringen. Im bevor­ zugten Ausführungsbeispiel wird die Chromnitrid-(CrN-)­ Beschichtung durch einen Lichtbogendampfablagerungsprozeß (AVD-Prozeß; AVD = arc vapour deposition) abgelagert.
Im allgemeinen wird bei der Lichtbogendampfablagerung die Lichtbogenquelle angepaßt, um eine positive Ladung auf den erzeugten Dampf aufzuprägen. Eine negative Bias- bzw. Vorspannung einer ausgewählten Spannung (beispielsweise 50 V) wird auf das Substrat durch eine Spannungsquelle aufgebracht. Eine Dampfablagerungsbeschichtung wird auf dem Zielsubstrat abgelagert. Solche Lichtbogendampfabla­ gerungsbeschichtungsverfahern, die eine Lichtbogenquelle verwenden, um eine positive Ladung auf den erzeugten Dampf aufzuprägen, und eine negative Vorspannspannung, um eine negative Ladung auf das Substrat aufzuprägen sind in der Technik allgemein bekannt.
Jedoch ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel mit dem kohlenstoffenthaltenden Wolframcarbid das Sputtern das bevorzugte Verfahren, welches verwendet wird, um die koh­ lenstoffenthaltende Wolframcarbidbeschichtung aufzubrin­ gen, da es die Steuerung der Wolframcarbidmenge in der Beschichtung gestattet. Wie zuvor bemerkt, kann die Ver­ bingungslage aus Chrom, die in Verbindung mit der kohlen­ stoffenthaltenden Wolframcarbidbeschichtung verwendet wird, durch Sputtern oder AVD aufgebracht werden, vor­ zugsweise durch AVD.
Das niedrig legierte Stahlteil wird aus einem nicht oxi­ dierten Stahlsubstrat gebildet, welches gereinigt worden ist, und vorbereitet worden ist, um die Verbindung mit der bevorzugten Beschichtung oder der Verbindungslage oder mit beidem zu erleichtern. Vor der Beschichtung kann eine Reinigung und die Vorbereitung des Stahlsubstrates durch herkömmliche Verfahren erreicht werden, wie bei­ spielsweise durch Entfetten, Gitterbestrahlung, Ätzen, chemisch unterstützte Schwingungstechniken und ähnliches. Solche Oberflächenendbearbeitungstechniken sind dem Fach­ mann wohl bekannt. Die bevorzugten Substratoberflächen­ endbearbeitungsvorgänge, die vor der Beschichtungsauf­ bringung ausgeführt werden, sehen einen Schleifprozeß vor, um eine sehr glatte Oberfläche zu erhalten, eine Ul­ traschallreinigung mit einer alkalischen Lösung, und die Ionenätzung der Substratoberfläche unter Verwendung von Argon. Zusätzlich werden alle Wärmebehandlungsvorgänge, die für die Komponente festgelegt werden, vor der Be­ schichtungsaufbringung ausgeführt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Beschich­ tungsprozeß weiter den Schritt auf, eine Festschmiermit­ telbeschichtung auf dem Substrat zu bilden, und zwar durch einen Lichtbogendampfablagerungs- oder Sputterpro­ zeß. Wie oben erwähnt, sind die bevorzugten Beschichtun­ gen Chromnitrid (CrN) oder kohlenstoffenthaltendes Wolf­ ramcarbid, da solche Beschichtungen eine verbesserte Grenzschmierung mit einer Reibungsverringerung des ge­ schmierten Kontaktes zur Folge haben. Lichtbogendampfab­ lagerung (AVD) ist das bevorzugte Verfahren zur Ablage­ rung der CrN-Beschichtungen auf den niedrig legierten Stahlsubstrat, da der AVD-Prozeß bei Temperaturen im Be­ reich von 150 bis 250°C ausgeführt wird, oder bei ande­ ren Temperaturen, die unter der Temperatur- bzw. Vergü­ tungstemperatur der ausgewählten niedrig legierten Stahl­ qualitäten liegen. Somit bleibt während des Beschich­ tungsprozesses die Härte des Substrates und der Komponen­ te im allgemeinen unbeeinflußt durch das Beschichtungs­ verfahren. Die endbearbeitete Beschichtung ist vorzugs­ weise von gleichförmiger Dicke (beispielsweise zwischen ungefähr 0,5 Mikrometern und ungefähr 1,7 Mikrometern), sie ist glatt, anhaftend und frei von sichtbaren Fehlern. Wie zuvor erwähnt ist Sputtern das bevorzugte Verfahren, welches verwendet wird, um die kohlenstoffenthaltende Wolframcarbidbeschichtung aufzubringen, da es eine Steue­ rung der Wolframcarbidmenge der Beschichtung gestattet. Wie zuvor erwähnt kann die Verbindungslage aus Chrom, in Verbindung mit der kohlenstoffenthaltenden Woframcarbid­ beschichtung durch Sputtern oder AVD aufgebracht werden, und vorzugsweise durch AVD.
Fig. 3 bildet die hydraulisch betätigte elektronisch ge­ steuerte Einspritzeinheit dieser Erfindung ab. Wie bei Fig. 1 ist eine typische Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 gezeigt. Anders wie bei Fig. 1 ist die in Fig. 3 ge­ zeigte Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 hydraulisch betä­ tigt. In der Anordnung sind ein Ventil 46, ein Kolben 48, ein Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel 14 und ein Dü­ senrückschlagelement 26 vorgesehen. Das Ventil 46 wird während des Motorbetriebes geöffnet, um es Öl zu gestat­ ten, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 zu fließen. Der Öldruck drückt auf das Oberteil des Kolbens 48, was ihn nach unten drückt, und zwar ähnlich wie bei dem Kipp­ hebelarm der mechanisch betätigten elektronisch gesteuer­ ten Einspritzeinheit. Der Kolben 48 treibt den Brenn­ stoffeinspritzvorrichtungsstößel 14 an, was den Brenn­ stoff im unteren Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 unter Druck setzt. Wenn der Brennstoffdruck einen Schwellenwert erreicht, wird das Düsenrückschlagelement 26 nach oben bewegt, wobei somit die Düse geöffnet wird und bewirkt wird, daß Brennstoff eingespritzt wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Die offenbarten Beschichtungen für die Brennstoffein­ spritzvorrichtungskomponenten, wie beispielsweise Brenn­ stoffeinspritzvorrichtungsstößel und Brennstoffeinspritz­ vorrichtungszylinder sind insbesondere nützlich bei stark belasteten marginal geschmierten Brennstoffeinspritzsy­ stemanwendungen, wo ein Fressen der Komponente und hohe Abnutzung typischerweise angetroffen werden.
Die Komponente weist ein Stahlsubstrat und eine diamant­ artige Kohlenstoffprimärbeschichtung (beispielsweise koh­ lenstoffenthaltendes Wolframcarbid) auf, das auf dem Substrat abgelagert ist. Die Primärbeschichtung hat eine Dicke von im allgemeinen nicht mehr als ungefähr 5 Mikro­ metern und vorzugsweise eine Dicke von zwischen ungefähr 0,5 Mikrometern und ungefähr 1,7 Mikrometern.
Optional wird eine Verbindungslage aus Chrom oder einem anderen geeigneten Material aufgebracht, um die Adhäsi­ ons- bzw. Haftungseigenschaften der Primärbeschichtung auf dem Substrat zu verbessern. Das Aufbringen einer Ver­ bindungslage zwischen dem Stahlsubstrat und der Primärbe­ schichtung ist allgemein in der Technik bekannt. Die Ver­ bindungslage hat eine Dicke von weniger als 0,50 Mikrome­ tern und vorzugsweise von zwischen ungefähr 0,05 Mikrome­ tern und ungefähr 0,50 Mikrometern. Die tatsächliche Dic­ ke und andere physikalische Eigenschaftscharakteristiken der Beschichtung sind vorzugsweise auf die Anwendung und die Umgebung zugeschnitten, in der das Brennstoffein­ spritzsystem verwendet werden soll.
Die Erfindung kann auch als eine chromnitrid- (CrN-)be­ schichtete niedrig legierte Stahlkomponente für ein Brennstoffeinspritzsystem mit verbesserten Grenzschmier­ charakteristiken charakterisiert werden, und verbesserte Freßbeständigkeitscharakteristiken werden offenbart. Die Komponente weist ein Stahlsubstrat und eine Chromnitrid­ beschichtung auf, die auf dem Substrat abgelagert ist. Die Beschichtung hat eine Dicke von im allgemeinen nicht mehr als ungefähr 5,0 Mikrometern und insbesondere zwi­ schen ungefähr 0,5 und ungefähr 1,7 Mikrometern. Wie bei den mit diamantartigem Kohlenstoff beschichteten Kompo­ nenten sind die tatsächliche Dicke und andere physikali­ sche Eigenschaftscharakteristiken der Chromnitridbe­ schichtung vorzugsweise auf die Anwendung und Umgebung zugeschnitten, in der das Brennstoffeinspritzsystem zu verwenden ist.
Insbesondere wird eine Beschichtung auf dem niedrig le­ gierten Stahlsubstrat durch einen Dampfablagerungsprozeß bei geringer Temperatur geformt, wie beispielsweise durch Sputtern oder durch Lichtbogendampfablagerung unter Ver­ wendung von Beschichtungen, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Metallnitriden und diamantartigen Kohlen­ stoffmaterialien besteht, wie beispielsweise Chromnitrid (CrN) bzw. kohlenstoffenthaltendes Wolframcarbid.
Das Ergebnis ist eine chromnitridbeschichtete niedrig le­ gierte Stahlkomponente oder eine mit kohlenstoffenthal­ tendem Wolframcarbid beschichtete niedrig legierte Stahl­ komponente für ein Brennstoffeinspritzsystem geformt, und zwar mit verbesserten Abnutzungsbeständigkeitscharakteri­ stiken gegenüber dem nicht oxidierten niedrig legierten Stahlteil.
Die Anwendung der offenbarten Komponentenbeschichtungen bei solchen feindlichen bzw. rauhen Brennstoffeinspritz­ systemanwendungen sieht Vorteile vor, auch nachdem solche Beschichtungen sich abnutzen. Wie erwartet werden kann, nutzen sich auch die offenbarten Brennstoffeinspritzvor­ richtungskomponenten-Beschichtungen mit der Zeit und nach kontinuierlicher Verwendung ab. Wenn sich jedoch die Be­ schichtungen abnutzen zeigen die sich berührenden Ober­ flächen der darunter liegenden Substrate entsprechende Abnutzungsmuster. Auch nachdem somit die Komponentenbe­ schichtungen nicht länger vorhanden sind, zeigen die sich berührenden Stahloberflächen der zuvor beschichteten Brennstoffeinspritzvorrichtungskomponenten nur marginale Ausmaße an Abnutzung falls überhaupt.
Anders gesagt, auch wenn die offenbarten Beschichtungen sich allmählich abnutzen, gibt es ein geringes oder gar kein Abnutzungsproblem zwischen den zusammenpassenden Komponenten, da die zusammenpassenden Oberflächen derart abgenutzt werden, daß die Schnittstelle von Stahl auf Stahl nicht stark bleibt, um eine Abnutzung zu bewirken. Somit sehen die offenbarten Beschichtungen den zusätzli­ chen Vorteil des Schutzes der Komponenten vor Abwetzen (einer Form der Abnutzung) vor, und zwar in genau der gleichen Weise, wie eine Einbrechbeschichtung, die sich berührenden Oberflächen schützen würde.
Das veranschaulichende Beispiel, wie es unten dargelegt wird, zeigt den vorteilhaften Effekt der Metallnitridbe­ schichtungen und der diamantartigen Kohlenstoffbeschich­ tungen, die durch Lichtbogendampfablagerung oder Sputtern auf irgendeinem niedrig legierten Stahl abgelagert wer­ den.
Beispiele
Die folgenden Beispiele werden dazu dienen, weiter die Natur der Erfindung darzulegen, sie sollten jedoch nicht als eine Beschränkung deren Umfang angesehen werden.
Beschleunigte Abnutzungs- und Freßtests wurden bei einem Caterpillar-Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel ausge­ führt, der innerhalb einer Caterpillar-Brennstoffein­ spritzvorrichtung arbeitet. Die Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößel wiesen zumindest einen mit einer Chromni­ tridbeschichtung auf, und mindestens einen mit einer koh­ lenstoffenthaltenden Wolframcarbidbeschichtung, und sie wurden mit Abnutzungs- und Freßtests für einen herkömmli­ chen Caterpillar-Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel ohne Beschichtung verglichen. Die Caterpillar-Brennstoff­ einspritzvorrichtungen wurden unter Verwendung einer Di­ rekteinspritzung eines Brennstoffes mit niedriger Schmierfähigkeit unter Direkteinspritzung von Wasser ge­ testet.
Der verwendete Brennstoff war der Caterpillar-Brennstoff 1E2820, der ein Dieselbrennstoff mit niedriger Schmierfä­ higkeit ist. 18 Stößel wurden pro Test verwendet. Die verwendete Stößelteilnummer war Nr. 1124312, und die Ein­ spritzvorrichtungsteilsnr. war Nr. 146-1891. Die Stößel wurden über drei Stunden getestet.
Ein zusätzlicher Leistungstest, ET213, wurde bei 6 Ein­ spritzvorrichtungen ausgeführt. Dieser Test ist ein 1000­ stündiger Ausdauertest unter Verwendung des gleichen Brennstoffes 1E2820 wie oben erwähnt.
Der chromnitridbeschichtete Brennstoffeinspritzvorrich­ tungsstößel zeigte sehr gute Abnutzungsbeständigkeit, wenn er den Brennstoff mit niedriger Schmierfähigkeit prüft, und geringfügig verbesserte Freßbeständigkeit, wenn reines Wasser eingespritzt wird, und zwar im Ver­ gleich zu dem nicht beschichteten Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößel. Der mit kohlenstoffenthaltendem Wolfram­ carbid beschichtete Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel andererseits zeigte sehr gute Abnutzungsbeständigkeit, wenn er entweder den Brennstoff mit niedriger Schmierfä­ higkeit oder reines Wasser pumpt. Vergleichstestergebnis­ se werden in der folgenden Tabelle dargelegt.
Aus dem Vorangegangenen sollte klar werden, daß die vor­ liegende Erfindung somit eine Beschichtung oder Oberflä­ chenbehandlung für Brennstoffeinspritzsystemkomponenten wie beispielsweise Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel vorsieht. Während die hier offenbarte Erfindung mittels spezieller Ausführungsbeispiele und damit assoziierter Prozesse beschrieben worden ist, können zahlreiche Modi­ fikationen und Variationen vom Fachmann daran vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den Ansprüchen dargelegt wird, oder alle ihre materi­ ellen Vorteile zu opfern.

Claims (23)

1. Brennstoffeinspritzanordnung, die folgendes auf­ weist:
einen Einspritzvorrichtungskörper, der eine zylin­ drische Bohrung definiert;
einen Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößel, der in­ nerhalb der zylindrischen Bohrung positioniert ist, wobei die Brennstoffeinspritzanordnung hydraulisch betätigt wird und hin und her bewegt wird durch Be­ wegung des Brennstoffeinspritzvorrichtungsstößels zwischen einer offenen Position und einer geschlos­ senen Position, wobei der Brennstoffeinspritzvor­ richtungsstößel aus einem niedrig legiertem Stahl­ substrat hergestellt ist, und eine Beschichtung dar­ auf vorsieht; und
wobei die Beschichtung eine voreingerichtete Dicke besitzt, wobei die voreingerichtete Dicke im Bereich von zwischen ungefähr 0,5 und 5,0 Mikrometern liegt, und wobei sie aus einer abgelagerten Primärbeschich­ tung besteht.
2. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei die voreingerichtete Dicke der Primärbeschichtung zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 1,7 Mikrometern liegt.
3. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei das niedrig legierte Stahlsubstrat einen Grenz­ schmierfähigkeitswert definiert, und wobei die Be­ schichtung einen Grenzschmierfähigkeitswert defi­ niert, wobei der Grenzschmierfähigkeitswert der Be­ schichtung auf dem Brennstoffeinspritzvorrichtungs­ stößel größer ist als der Grenzschmierfähigkeitswert des niedrig legierten Stahlsubstrates, wie gemessen durch die ISO-12156-Version 1,3 HFRR.
4. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen Reibungskoeffizienten defi­ niert, und wobei der Reibungskoeffizient der Be­ schichtung auf dem Brennstoffeinspritzvorrichtungs­ stößel geringer als 0,5 ist.
5. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Chromnitrid, Zirkonnitrid, Molybdännitrid, Ti­ tankohlenstoffnitrid oder Zirkonkohlenstoffnitrid besteht.
6. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 5, wobei die Beschichtung Chromnitrid ist.
7. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung eine Härte definiert, und wobei die Härte größer ist als 1500 Kg/mm2 wie unter Verwen­ dung einer Knoop-Härte-HDNS-Last von 50 Gramm gemes­ sen.
8. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus titanenthaltendem diamantartigem Kohlenstoff, aus chromenthaltendem diamantartigem Kohlenstoff oder aus wolframenthaltendem diamantartigem Kohlen­ stoff besteht.
9. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 8, wobei die Beschichtung wolframenthaltender diamantartiger Kohlenstoff ist.
10. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung eine Härte definiert, und wobei die Härte größer ist als 1000 Kg/mm2 wie unter Verwen­ dung einer Knoop-Härte-HDNS-Last von 50 Gramm gemes­ sen.
11. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei das niedrig legierte Stahlsubstrat aus einer Stahl­ qualität zusammengesetzt ist, die Härtbarkeitsele­ mente besitzt, bei denen die Härtbarkeitselemente zusammen weniger als ungefähr 3,5 Gew.-% des niedrig legierten Stahlsubstrats bilden.
12. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Abnutzungsbeständigkeitscha­ rakteristik definiert, und wobei das niedrig legier­ te Stahlsubstrat eine Abnutzungsbeständigkeitscha­ rakteristik definiert, und wobei die Abnutzungsbe­ ständigkeitscharakteristik der Beschichtung größer ist als die Abnutzungsbeständigkeitscharakteristik des niedrig legierten Stahlsubstrats.
13. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, die weiter eine Verbindungslage zwischen dem niedrig le­ gierten Stahlsubstrat und der Beschichtung aufweist.
14. Brennstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 13, wobei die Verbindungslage eine Chromlage mit einer Dicke im Bereich von zwischen ungefähr 0,05 und ungefähr 0,50 Mikrometern besitzt.
15. Verfahren zur Steigerung eines Grenzschmierfähig­ keitswertes an der Schnittstelle des niedrig legier­ ten Stahlsubstrats, welches hin und her beweglich in bewegender Beziehung mit einem Einspritzvorrich­ tungsköper einer hydraulisch betätigten Brennstoffe­ inspritzanordnung positioniert ist, welches folgen­ des vorsieht:
Vorbereitung eines Brennstoffstößels, hergestellt aus einem niedrig legierten Stahlsubstrat;
Ablagerung einer Primärbeschichtung auf dem niedrig legierten Stahlsubstrat unter Verwendung eines phy­ sikalischen Ablagerungsprozesses bei niedriger Tem­ peratur, wobei die Beschichtung eine voreingerichte­ te Dicke besitzt, wobei die vöreingerichtete Dicke im Bereich von zwischen ungefähr 0,5 und 5,0 Mikro­ metern liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das niedrig le­ gierte Stahlsubstrat eine Stahlqualität mit Härtbar­ keitselementen ist, wobei die Härtbarkeitselemente zusammen weniger als ungefähr 3,5 Gew.-% des niedrig legierten Stahlsubstrates bilden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Dicke der Pri­ märbeschichtung zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 1,7 Mikrometern liegt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus titanenthal­ tendem diamantartigem Kohlenstoff, aus chromenthal­ tendem diamantartigem Kohlenstoff oder aus wolfram­ enthaltendem diamantartigem Kohlenstoff besteht.
19. Verfahren nach Anspruch 18, welches weiter eine Ver­ bindungslage zwischen dem niedrig legierten Stahl­ substrat und der Beschichtung aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verbindungsla­ ge eine Chromlage mit einer Dicke im Bereich von zwischen ungefähr 0,05 und 0,50 Mikrometern ist.
21. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Chromnitrid, Zirkonnitrid, Molybdännitrid, Titankohlenstoffnitrid oder Zirkonkohlenstoffnitrid besteht.
22. Verfahren nach Anspruch 21, welches weiter eine Ver­ bindungslage zwischen dem niedrig legierten Stahl­ substrat und der Beschichtung aufweist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Verbindungsla­ ge eine Chromlage mit einer Dicke im Bereich von zwischen ungefähr 0,05 und ungefähr 0,50 Mikrometern besitzt.
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