CN114962105A - 一种进行涂层处理的单体泵控制阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种进行涂层处理的单体泵控制阀，涉及发动机燃油技术领域，在导向段和撞击段及二者之间的控制阀基体表面上涂覆DLC涂层；其中，控制阀的基体材质采用W5Mo5Cr4V2；进行涂层处理后的控制阀表面硬度增强，使得控制阀表面更加致密光滑，能够有效增加控制阀的磨损寿命，增加控制阀的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及发动机燃油技术领域，具体涉及一种进行涂层处理的单体泵控制阀。
背景技术
柴油机具有燃油消耗率低、排放性能优良、使用寿命长等优势，随着技术的发展，柴油机的平顺性、冷启动性等方面都得到了极大的提升，并逐渐向高速化、轻量化以及高强化等方面发展。提高柴油机强化程度(即提高柴油机的功率和效率)的主要途径包括：提高转速、增加循环进气量和循环喷油量。然而提高转速必然导致每循环的工作时间减少，而循环进气量和喷油量的增加要求在更短的时间内使更多空气、燃油进入气缸，这样就要求必须采用更高的进气压力和喷油压力。换言之，对于燃油系统，就要求喷油持续期内有高喷射压力和高喷油速率。鉴于我国现有的机加工技术水平和油品，未来高功率密度发动机需要很高的单缸供油量，同时还要求燃油系统有良好的喷射特性，以利于混合气形成、加快扩散燃烧。在众多的燃油喷射系统中，电控单体泵(可简称为单体泵)燃油系统是一个不错的选择。
控制阀是单体泵的关键零件，需要通过控制阀的启闭来建立高喷油压力。控制阀的材料选择、结构设计以及表面涂层等都直接影响供油系统的喷射压力、喷油量和喷油速率。
现有技术中，控制阀7的导向段在反复撞击和磨损的情况下有明显的划痕，极易导致高压密封处泄露加剧(如图3和图4所示，在高压和高速撞击下，控制阀7在回位弹簧5和液压力的作用下反复撞击控制阀挡块10，导致其产生形变，影响密封效果，产生泄露)；其中，如图1所示，控制阀7通过衔铁螺钉3安装在电磁阀上，即控制阀7通过衔铁螺钉3与电磁阀中的衔铁2连接；高度调整块8套装在衔铁2之外，且设置于电磁阀的阀体9内部；上限位块4、回位弹簧5和下限位块6均套装在控制阀7上，且回位弹簧5将上限位块4压紧在高度调整块8的下表面、将下限位块6压紧在控制阀7的凸台L(如图2所示)上；线圈1置于电磁阀的阀体9内部，且线圈1与衔铁2之间有气隙，不相接触。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种进行涂层处理的单体泵控制阀，进行涂层处理后的控制阀表面硬度增强，使得控制阀表面更加致密光滑，能够有效增加控制阀的磨损寿命，增加控制阀的耐磨性。
本发明的技术方案为：一种进行涂层处理的单体泵控制阀，在导向段和撞击段及二者之间的控制阀基体表面上涂覆DLC涂层；其中，控制阀的基体材质采用W5Mo5Cr4V2。
优选地，所述DLC涂层的厚度控制为1.5～2.5μm。
优选地，将所述控制阀撞击段与阀体之间的夹角设置为2°～3°。
优选地，在所述控制阀的上端端部沿轴向开设通孔Ⅰ，在控制阀上靠近上油腔位置处的径向两对侧开设通孔Ⅱ。
优选地，在所述控制阀内部开设六边形内孔。
优选地，将所述控制阀上的DLC涂层替换为TiN涂层。
有益效果：
(1)本发明在现有技术中的控制阀的导向段和撞击段及二者之间涂覆DLC涂层，进行涂层处理后的控制阀表面硬度可以达到2300±400HV，使得控制阀表面更加致密光滑，能够有效增加控制阀的磨损寿命，增强控制阀的耐磨性，从而有利于避免高压密封处泄露现象的发生及加剧。
(2)本发明将DLC涂层的厚度控制在设定的最佳范围内，能够有效保证控制阀的使用寿命和工作可靠性；既避免了涂层太薄，起不到提高耐磨性与延长使用寿命的作用且易产生表面裂纹；又避免了涂层太厚，容易造成涂层剥落且容易产生界面裂纹。
(3)本发明在控制阀撞击段与阀体之间设计一个合适的夹角，既可避免二者之间没有夹角而容易产生密封不足引起泄露，又可避免夹角过大导致泄油过慢影响电磁响应。
(4)本发明在控制阀端部开设的通孔Ⅰ以及在靠近上油腔位置处开设的通孔Ⅱ，可以使单体泵在充油和泄油过程更为顺畅，并保证上、下两个油腔在互相交换燃油时更为迅速，同时，两个油腔的油压平衡，使得控制阀受力时只受到回位弹簧的弹簧力和电磁阀的电磁力作用，有利于增加控制阀工作时的稳定性。
(5)本发明在控制阀内部设置的六边形内孔，配合内六角扳手能够将控制阀与衔铁准确固定，并能够有效避免控制阀安装时可能产生的外部磨损。
附图说明
图1为现有技术中博世电控单体泵中的电磁阀和控制阀之间的结构关系示意图。
图2为示出有凸台L的控制阀剖视图。
图3为示出有撞击处的控制阀结构示意图。
图4为示出有控制阀和阀体之间夹角的电磁阀和控制阀之间的结构关系示意图。
图5为示出有导向段和撞击段的控制阀结构示意图。
图6为本发明中涂层和控制阀基体的仿真模型示意图。
图7为本发明中涂层厚度和残余应力的仿真结果示意图。
图8为本发明的控制阀中设置的通孔及六边形内孔的示意图。
其中，1-线圈，2-衔铁，3-衔铁螺钉，4-上限位块，5-回位弹簧，6-下限位块，7-控制阀，8-高度调整块，9-阀体，10-控制阀挡块，11-下油腔，12-上油腔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种进行涂层处理的单体泵控制阀，进行涂层处理后的控制阀表面硬度增强，使得控制阀表面更加致密光滑，能够有效增加控制阀的磨损寿命，增加控制阀的耐磨性。
如图5所示，该进行涂层处理的单体泵控制阀在传统的控制阀导向段和撞击段及二者之间的基体表面上进行DLC(类金刚石)涂层处理，DLC涂层具有良好的耐磨性、减震性、耐腐蚀性与更低的表面摩擦系数等特性，处理后的控制阀表面硬度为2300±400HV，表面更加致密光滑，能够有效增加控制阀的磨损寿命，增加控制阀的耐磨性；其中，控制阀的基体材质采用W5Mo5Cr4V2，该材质硬度高、耐磨，进一步有利于增加控制阀本身的磨损寿命。
由于涂层和基体之间的热力学性能和物理性能存在差异，涂层在从沉积温度冷却到室温的过程中会产生残余应力，残余应力对涂层的质量和状态有着重要的影响，直接关系到涂层的结合强度、断裂强度和硬度等诸多力学性能；通常，涂层的失效形式为大面积剥落，这是由于残余拉应力会导致涂层在控制阀表面垂直方向开裂，最终在裂纹终端形成切应力集中，致使涂层分层；而残余压应力则为涂层的屈曲和最终剥落提供驱动力；对于涂层/基体系统来说，涂层厚度是一个非常重要的参数，它对涂层残余应力有着重要影响；涂层太薄，起不到提高耐磨性与延长使用寿命的作用且易产生表面裂纹；涂层太厚，容易造成涂层剥落且容易产生界面裂纹；所以将涂层厚度控制在最佳范围内才能保证控制阀的使用寿命和工作的可靠性，本实施例中，将DLC涂层的厚度控制为1.5～2.5μm，涂层均匀、致密、连续，且能够保证涂层附着力不小于45N；同时，控制阀表面涂覆涂层之前应经化学方法清洁干净，涂后表面不允许有宏观颗粒，控制阀的金属基体不允许退火，并要求表面无剥落、划痕及损伤。
本实施例中，采用ansys workbench对不同涂层厚度的残余应力进行仿真，如图6所示，采用涂层+控制阀基体的仿真模型，控制阀基体厚度为1mm，涂层厚度范围为0.5μm～4μm，取0.5μm为一个步长；涂层与控制阀基体之间采用固结(无滑动)的接触方式，涂层表面不存在裂纹，涂层的制备温度即初始温度为400℃，控制阀基体与涂层同时从初始温度降至室温22℃；
如图7所示，从仿真结果来看，不同涂层厚度对应的残余应力均为负值，即为残余压应力；随着涂层厚度增加，残余压应力从厚度为0.5μm时的-0.58GPa逐渐增大到4μm时的-2.21Gpa，所以涂层厚度不宜太厚；
考虑到太薄的涂层在控制阀往复运动时容易被磨损殆尽，起不到延长控制阀寿命的效果；当涂层厚度为2μm时，涂层残余压应力为-1.36GPa，为合理值；通过500小时可靠性试验，测试涂层厚度为2μm时控制阀的磨损情况，试验结果发现涂层经过500小时的连续摩擦后，表面虽有磨损但仍然比较完好，不存在涂层磨损殆尽露出控制阀基体的情况；基于此，将涂层厚度范围确定为2±0.5μm。
本实施例中，如图4所示，若控制阀与阀体9之间不存在夹角，二者之间为紧密贴合状态，在液压力和回复弹簧5的弹力的作用下控制阀会反复撞击阀体9，此时会产生较大的冲击力，进而会产生形变导致密封不足而引起泄露，因此需要控制阀与阀体9之间的接触面有一个夹缝用以存储部分油液加以缓冲，减小撞击；但是，控制阀与阀体9之间的夹角不宜过大，否则会导致泄油过慢影响电磁响应，因此，将控制阀撞击段与阀体9之间的夹角设置在2°～3°之间。
本实施例中，如图8所示，在控制阀的上端端部沿轴向开设通孔Ⅰ，在控制阀上靠近上油腔12位置处的径向两对侧开设通孔Ⅱ；开设通孔Ⅰ和通孔Ⅱ可以使单体泵在充油和泄油过程更为顺畅，两个油腔(上油腔12和下油腔11)在互相交换燃油时更为迅速，两个油腔的油压平衡，使得控制阀受力时只受到回位弹簧5的弹簧力和电磁阀的电磁力作用，增加控制阀工作时的稳定性；其中，上油腔12为阀体9、上限位块4和衔铁2之间形成的腔体，下油腔11为阀体9和控制阀挡块10之间形成的腔体。
由于控制阀在工作时需要安装到电磁阀的衔铁2上，且安装到衔铁2上需要一定的拧紧力矩，如果使用外部的夹持器具来施加这个拧紧力矩，容易损坏控制阀的表面；本实施例中，在控制阀内部开设一个六边形内孔，可以利用内六角扳手来固定控制阀，起到方便安装和保护控制阀外表面的作用。
本实施例中，控制阀上的DLC涂层可以替换为氮化钛(TiN)涂层。
该控制阀的工作原理为：
在单体泵的柱塞压油过程中：ECU(电子控制单元，是单体泵的外围驱动结构)在特定时刻给出控制脉冲，通过驱动电路使电磁阀通电，控制阀随电磁阀动作而动作以切断低压油路和高压油路，随着柱塞上行，柱塞腔内的燃油被压缩而产生高压燃油，并经高压油管输送到喷油器(其为单体泵的外部结构)前端；控制脉冲结束后，电磁阀断电，控制阀恢复至原有状态(即工作之前的状态)，单体泵内的高压燃油快速流回低压油路。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，在导向段和撞击段及二者之间的控制阀基体表面上涂覆DLC涂层；其中，控制阀的基体材质采用W5Mo5Cr4V2。
2.如权利要求1所述的进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，所述DLC涂层的厚度控制为1.5～2.5μm。
3.如权利要求1所述的进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，将所述控制阀撞击段与阀体之间的夹角设置为2°～3°。
4.如权利要求1所述的进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，在所述控制阀的上端端部沿轴向开设通孔Ⅰ，在控制阀上靠近上油腔位置处的径向两对侧开设通孔Ⅱ。
5.如权利要求1所述的进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，在所述控制阀内部开设六边形内孔。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的进行涂层处理的单体泵控制阀，其特征在于，将所述控制阀上的DLC涂层替换为TiN涂层。
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