CN1538054A - 燃料喷射阀 - Google Patents
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Abstract
一种用于汽车内燃机的燃料喷射阀,包括针阀和相对部件,它们在存在燃料的情况下彼此滑动接触。硬碳薄膜涂覆在针阀和相对部件的基底材料的滑动部分中的至少一个上。该硬碳薄膜的表面硬度在1500至4500kg/mm2努氏硬度的范围内,膜厚度的范围从0.3至2.0μm,且表面粗糙度(Ry)(μm)满足由以下公式(A)表示的关系:Ry<(0.75-Hk/8000)×h+0.0875(A);其中,h是硬碳薄膜的厚度(μm),Hk是硬碳薄膜的表面硬度,单位为努氏硬度(kg/mm2)。
Description
发明领域
本发明涉及对用于汽车的、由燃料润滑的滑动部件的改进,尤其是,本发明涉及对用于汽车的燃料喷射阀的改进,该燃料喷射阀包括针阀,该针阀的(与相对部件可滑动接触的)滑动部分涂覆有特殊的硬碳薄膜,以便有很高的耐久性可靠性,并获得低摩擦系数。
技术背景
近来,越来越希望改进汽车的燃料经济性和排气排放控制,因此,对在以燃料润滑的滑动部分处的滑动状态的要求更加严格,以便抑制在该滑动部分中的摩擦。已经提出了在燃料喷射阀的滑动部分处形成氮化铬、氮化钛等的硬薄膜来作为抑制在滑动部分处的摩擦的措施,如日本专利临时申请NO.7-63135中所述。
形成这样的硬薄膜的最大优点是与表面处理例如电镀以及表面硬化材料例如热处理相比能够获得非常高的表面硬度。通过在滑动部分上施加该硬薄膜,可以大大提高耐磨损性。另外,在润滑情况下,该硬薄膜能够抑制由于磨损引起的表面粗糙度变差,因此防止相对部件由于该变差的表面粗糙度而磨损,并防止由于增加了与相对部件的直接接触(金属接触)而引起的摩擦力增加,从而可以使润滑条件保持初始状态很长时间。而且,因为硬薄膜自身很硬,它可以使相对部件适应该硬薄膜,因此它可以提供使粗糙表面变光滑的功能。因此,可以预期在润滑情况下,该硬薄膜和相对部件的表面粗糙度都得到了改进。
目前已经知道非晶碳膜例如金刚石状碳(DLC)膜是一种硬薄膜,它自身具有很高的硬度,并且有自身作为固体润滑剂的特性,因此它在非润滑状态下具有非常低的摩擦系数。
当在显微镜下在润滑油中观察时,滑动部分分成硬薄膜通过油膜与相对部件滑动接触的部分以及由于硬薄膜和相对部件的表面粗糙度(形状)而产生的凸起直接与对面部件接触而形成金属接触的另一部分。在形成金属接触的后一部分中,通过在该部分施加DLC膜,降低产生的摩擦力的效果可以认为与没有润滑时的情况相同。在该方面,已经对施加DLC膜作为降低内燃机中的摩擦的技术进行了研究。
不过,通过PVD处理或CVD处理形成的硬薄膜与表面处理例如电镀相比具有很高的内应力,并有非常高的硬度。因此,当硬薄膜施加在机器部件的滑动部分上时,硬薄膜将从基底材料上剥落或形成裂纹。对于硬薄膜的该剥落,已经提出通过考虑硬薄膜和基底材料之间的粘接性提供合适的中间层或者通过提供多层结构的硬薄膜来软化内应力,从而进行改进。
由于在硬薄膜自身中形成裂纹以及由于该裂纹而使硬薄膜剥落,因此,普通技术很难通过调节硬薄膜(特别是硬碳薄膜)和相对部件的表面粗糙度和形状来改进硬薄膜,以便防止这些问题。迄今为止已经提出的措施只是在滑动部分的表面处形成包含C、H、Si以及无法去除的杂质的硬碳薄膜,并调节硬碳薄膜的厚度和硬度,如日本专利临时申请No.2002-332571中所述。
发明内容
不过,如上所述,尽管已经对包含C、H、Si以及无法去除的杂质的硬碳薄膜的滑动进行了一些研究,但是并没有通过对硬碳薄膜的部件、厚度、硬度和表面粗糙度以及燃料喷射阀所用的燃料进行总体判断而对滑动进行研究。特别是,与氮化钛(TiN)或氮化铬(CrN)膜相比,上述硬碳薄膜非常易于变脆,因此不仅需要根据膜的特性进行膜形成控制,而且不能不考虑包含在将用于燃料喷射阀的燃料中的添加剂等的影响。因此,在目前情况下,上述各种情况之间的关系还不明显。
本发明的目的是提供一种改进的燃料喷射阀,该燃料喷射阀能够有效克服在普通燃料喷射阀中遇到的缺点。
本发明的另一目的是提供一种改进的燃料喷射阀,该燃料喷射阀保证它的耐久性可靠性,能获得较低摩擦系数,并改进了抗咬合性,同时提高了它在低摩擦系数下的响应特性。
本发明的又一目的是提供一种改进的燃料喷射阀,该燃料喷射阀的滑动部分涂覆有硬碳薄膜,其中,该硬碳薄膜能够有效防止形成裂纹、剥落等,当通常低延展性的硬碳薄膜施加在滑动部分上时将发生裂纹、剥落等,因为该硬碳薄膜与通过表面处理例如电镀等形成的膜相比有极高的硬度。
根据本发明,燃料喷射阀包括针阀,该针阀包括基底材料。相对部件包括基底材料,在存在用于汽车的燃料的情况下,该基底材料的滑动部分与针阀的基底材料的滑动部分滑动接触。此外,硬碳薄膜涂覆在针阀和相对部件的基底材料的滑动部分中的至少一个上。该硬碳薄膜的表面硬度在1500至4500kg/mm2努氏(Knoop)硬度的范围内,膜厚度的范围从0.3至2.0μm,且表面粗糙度(Ry)(μm)满足由以下公式(A)表示的关系:
Ry<(0.75-Hk/8000)×h+0.0875 (A)
其中,h是硬碳薄膜的厚度(μm),Hk是硬碳薄膜的表面硬度,单位为努氏硬度(kg/mm2)。
优选实施例的详细说明
根据本发明的燃料喷射阀包括针阀,该针阀是在存在用于汽车的燃料的情况下使用的滑动部件。该针阀包括由铁基底材料料或钢或者铝基底材料料制成的基底材料或主体部分。针阀的基底材料具有可与相对部件的滑动部分或表面进行滑动接触的滑动部分或表面。
在该燃料喷射阀中,相对部件是(用于针阀的)引导件或构成燃料喷射阀的壳体,因此,硬碳薄膜形成于基底材料上,以便可与相对部件滑动接触。应当知道,相对部件的基底材料或主体部分可以涂覆有硬碳薄膜,而不是涂覆在针阀的基底材料上,这也将获得与针阀涂覆有硬碳薄膜的情况相同的效果。
在还没有涂覆特定材料的硬碳薄膜的情况下,由铁基材料等制成的基底材料优选是具有不大于0.03μm的表面粗糙度(中心线平均粗糙度)Ra,尽管该表面粗糙度可能受滑动部件和汽车燃料的种类和性质的影响。如果表面粗糙度超过0.03μm,则硬碳薄膜的、由于表面粗糙度引起的凸出部分将使得施加给相对部件的局部Hertz接触压力增加,从而导致在硬碳薄膜中形成裂纹。该现象的机理将在后面详细介绍。
本发明的燃料喷射阀的针阀在存在燃料的情况下工作,该燃料也作为润滑油。燃料包含基于酯的添加剂和基于胺的添加剂中的至少一种,更具体地说,辛烷增强剂、十六烷增强剂、抗氧化剂、金属钝化剂、清洁剂-分散剂、防冻剂和防腐剂中的至少一种。应当知道,在存在该添加剂的情况下,在针阀或相对部件中可以有效降低摩擦系数和提高抗磨损性。
该添加剂的实例是脂肪酸酯和脂肪酸胺化合物,它们有直碳链(或组)或分支碳链,且该碳链的碳数范围为从6至30,优选是碳数范围为从8至24。添加剂可以单独使用或合适地组合(或作为混合物)使用。当碳数并不在从6至30的范围内时,不能充分获得摩擦系数降低效果。脂肪酸酯的实例是由具有直碳链或分支碳链且碳链的碳数范围为从6至30的脂肪酸与脂肪族一元醇或脂肪族多元醇形成的酯。脂肪酸酯的特殊实例是甘油一油酸、甘油二油酸酯、山梨聚糖一油酸、山梨聚糖二油酸酯等。脂肪酸胺化合物的实例是脂肪族一元胺或它们的烯基氧化物加合物、脂肪族多元胺、咪唑啉化合物等以及它们的衍生物。脂肪酸胺化合物的特殊实例是月桂胺、月桂基二甲基胺(lauryldiethylamine)、硬脂胺、油基丙邻二胺(oleylpropylenediamine)等。
下面将详细介绍涂覆在滑动部件的滑动部分上的硬碳薄膜。
用于燃料喷射阀的硬碳薄膜主要由碳形成,通常是除了无法去除的杂质之外只由碳形成的膜。该硬碳薄膜优选是通过各种PVD处理形成的DLC(金刚石状碳)薄膜,特别是通过电弧离子电镀处理。
硬碳薄膜的表面硬度(努氏硬度)的范围为从1500至4500kg/mm2,膜厚度的范围从0.3至2.0μm,且表面粗糙度(最大高度:μm)Ry满足由以下公式(A)表示的关系:
Ry<(0.75-Hk/8000)×h+0.0875 (A)
其中,h是硬碳薄膜的厚度(μm),Hk是硬碳薄膜的努氏硬度(kg/mm2)。
上述公式(A)是根据对实验进行分析的结果而形成的,在该实验中,通过PVD处理例如电弧离子电镀处理而在各种滑动部件的滑动部分处形成硬碳薄膜,然后使该硬碳薄膜相对于相对部件进行滑动。特别是,上述公式(A)特别通过考虑硬碳薄膜的硬度、表面粗糙度和厚度、基底材料的形状以及相对部件的表面粗糙度和形状来确定,并特别结合了在硬碳薄膜上形成缺陷且在硬碳薄膜的滑动过程中硬碳薄膜由于该缺陷而产生剥落的情况。
特别是,在通过硬碳薄膜的滑动而在硬碳薄膜上形成缺陷的所有情况下,硬碳薄膜产生裂纹,从而产生微观剥落(形成硬碳薄膜的剥落块),因此形成缺陷,其中,这样产生的剥落块进行拉动,从而使该缺陷发展成较大缺陷。在这方面,本发明人发现在所有情况下,产生缺陷的因素或原因是作用在硬碳薄膜上的负载,本发明人对此进行了进一步的研究,从而得出了上述公式(A)的关系。
相反,当象普通技术那样只考虑假设由在平滑动部件和简单弯曲的相对部件之间的线接触产生的Hertz接触压力时,则认为当硬碳薄膜的膜厚度相对较厚超过一定水平时,不会产生该裂纹,因此将忽略上述公式(A)的关系。
其中,已知在硬碳薄膜上形成过大负载的一个原因是在硬碳薄膜中形成的沉积物。该沉积物形成是在通过PVD处理例如电弧离子电镀处理形成的膜中形成的一种特殊现象。在形成该硬碳薄膜的过程中,从作为硬碳薄膜的原材料的目标中飞离出的粒子并不是单个离子或原子的状态,因此处于簇状态或熔融状态。这样,成簇状态或熔融状态的粒子飞向基底材料表面,这些粒子保持在该基底材料表面上,它们处于硬碳薄膜中。此外,硬碳薄膜在这些粒子周围以堆积的方式生长,因此,这些粒子在硬碳薄膜中分布成硬粒状凸起。
这些沉积物或粒状凸起将很容易在硬碳薄膜的滑动过程中脱落。因此,当该沉积物或粒状凸起卡在硬碳薄膜和相对部件之间的接触部分中时,来自相对部件的压力通过该沉积物或粒状凸起而传递给硬碳薄膜,在硬碳薄膜中,在该位置的局部压力远远大于Hertz接触压力(该Hertz接触压力是根据相对部件的宏观曲率并考虑弹性变形而计算的),因此,局部压力将是在硬碳薄膜中引起形成裂纹的原因。而且,由于硬碳薄膜与相对部件的滑动接触而引起的剪切力加在上述局部压力上,因此,曲线朝着硬碳薄膜的外周线性发展。这引起硬碳薄膜自身的宏观剥落。
在硬碳薄膜上形成过大负载的另一原因是相对部件有很高的表面粗糙度。该原因分类成第一情况和第二情况,在第一情况中,由于该较高表面粗糙度引起的凸起增加了局部Hertz接触压力,而在第二情况中,当滑动部件和相对部件的平直度不充分时,滑动部件和相对部件之间的线接触变成点接触。特别是,在第二情况下,可能在上述沉积物的组合作用下大大促进硬碳薄膜的裂纹形成。
此外,关于上述公式(A)的形成,通过分析可知,硬碳薄膜的厚度和硬度可能是形成裂纹的因素或原因。更具体地说,对于硬度,当硬碳薄膜的厚度增加时,当颗粒以特定负载压靠硬碳薄膜时,硬碳薄膜的变形量减小,从而增加了当负载施加给硬碳薄膜时阻止形成裂纹的阻力。因此,为了实现良好的润滑状态,根据滑动部件的滑动状态的负载确定硬碳薄膜所需的特定膜厚度。对于硬度,通常膜的硬度和延展性成矛盾关系,因此,已知当膜的硬度增加时延展性降低。更具体地说,膜的硬度降低至一定程度将增加膜防止形成裂纹的阻力。应当知道,为了形成上述公式(A),也考虑了这种情况。
下面将详细介绍上述公式(A)的限制条件。
首先,设定硬碳薄膜的膜厚并不小于0.3μm的限制条件,因为考虑到来自相应相对部件的输入力,当膜厚小于0.3μm时将不可避免地形成裂纹。另一限制条件是膜厚不大于2.0μm,因为当膜厚超过2.0μm时,在形成硬碳薄膜的步骤中将产生较大残余应力,这导致基底材料自身翘曲的问题。硬碳薄膜的翘曲将促使硬碳薄膜与相对部件进行点接触,因此,膜厚超过2.0μm是直接促使硬碳薄膜在滑动部件和相对部件之间的不充分接触下形成裂纹的因素或原因。
硬碳薄膜的表面粗糙度由硬碳薄膜的硬度和厚度之间的关系而获得,如后面所述。
允许用于具有努氏硬度Hk的硬碳薄膜的凹坑深度h’(通过沉积物颗粒或通过由于滑动表面的粗糙度引起的凸起产生)由以下的经验公式(1)表示:
h’/h=0.6-Hk/10000 (1)
其中h是硬碳薄膜的厚度。
对于硬碳薄膜的表面粗糙度Ry,通过对各种膜的研究,发现了由以下公式(2)表示的关系:
a=0.8Ry-0.07 (2)
其中a是保持在膜上的沉积物的高度。
当由在硬碳薄膜中存在的沉积物而引起膜缺陷、由于该缺陷引起的膜裂纹、或者膜剥落时,可以通过控制硬碳薄膜的表面粗糙度来防止这些情况,因此,在沉积物作为实际凹坑深度的情况下,满足a<h’就很充分。
因此,由上述关系导出上述公式(A:Ry<(0.75-Hk/8000)×h+0.0875)。
另外,优选是作为杂质包含在硬碳薄膜中的氢量不超过0.5原子%。更具体地说,因为当例如通过CVD处理形成硬碳薄膜时CH(烃)基气体用作碳供给源,因此氢是必然包含或混合在硬碳薄膜中的元素。当氢的含量超过0.5原子%时,硬碳薄膜的硬度降低,从而降低硬碳薄膜的表面粗糙度,因此将有摩擦恶化的趋势。
下面将介绍要涂覆硬碳薄膜的基底材料的合适范围。
钢例如不锈钢或者铝基合金由于重量轻而用作要涂覆硬碳薄膜的基底材料。基底材料在涂覆有硬碳薄膜之前的表面粗糙度将影响以后形成于基底材料上的硬碳薄膜的表面粗糙度,因为硬碳薄膜的膜厚非常小。因此,当基底材料的表面粗糙度很高时,由于硬碳薄膜的表面粗糙度引起的凸起增加了局部Hertz接触压力,从而产生了在硬碳薄膜中引起裂纹形成的原因。
上述表面粗糙度Ra(中心线平均粗糙度)表示通过对测量线与粗糙度曲线的平均线的偏离绝对值的总和进行平均而获得。最大高度Ry(Rmax)表示最高的峰的高度和最深的沟谷的深度的总和。在JIS(日本工业标准)B 0601(:2001)中,表面粗糙度Ra和最大高度Ry分别表示为Ra75和Rz。在后面所述的实例和对比实例中,通过使用表面粗糙度测试器在测量长度为48mm、测量速度为0.5mm/秒和测量节距为0.5μm的情况下对表面粗糙度进行测量。
实例
通过使下面的实例与对比实例比较,可以更容易理解本发明,这些实例将用于说明本发明,但并不限制本发明的范围。
实例1
由不锈钢原材料切出作为基底材料的柱状测试件,该柱状测试件的直径为18mm,长度为22mm。该测试件的表面精加工成具有0.03μm的表面粗糙度Ra。然后,通过电弧离子电镀方法(PVD)在测试件的精加工表面形成DLC薄膜(硬膜),从而制成本实例的试样。形成的DLC薄膜有2250kg/mm2的努氏硬度,最大高度Ry为0.04μm,厚度h为0.5μm,且(公式(A)右侧的)值为0.32。
对比实例1
与实例1相同的柱状测试件用作基底材料。该柱状测试件在没有在测试件的精加工表面上形成DLC薄膜的情况下用作本对比实例的试样。
对比实例2
与实例1相同的柱状测试件用作基底材料。然后,在测试件的精加工表面上形成TiN膜,从而制成本对比实例的试样。
对比实例3
与实例1相同的柱状测试件用作基底材料。然后,在测试件的精加工表面上形成Cr2N膜,从而制成本对比实例的试样。
对比实例4
与实例1相同的柱状测试件用作基底材料。该测试件的表面进行精加工,以便使表面粗糙度Ra为0.1μm。然后,通过电弧离子电镀方法(PVD)在该测试件的精加工表面上形成与实例1中相同的DLC薄膜,从而制成本实例的试样。
评估测试1
实例和对比实例的各个试样在后面介绍的测试状态下进行摩擦磨损测试,以便测量摩擦系数和咬合负载,在该咬合负载下,试样和与它滑动接触的相对部件发生咬合。该测试的结果如表1中所示。
测试条件
(a)相对部件:盘部件(测试件),该盘部件由铬钼钢形成,直径为24mm,厚度为7mm;
(b)测试系统:由Optimol Instruments Pruftechnik GmbH制造的SRV测试系统(机器No.39903163),其中,试样在与盘部件(相对部件)滑动接触时进行往复运动;
(c)往复运动的频率:50Hz
(d)负载施加方式:施加在试样上的负载以130N/分的速率增加;
(e)滑动宽度:1mm;以及
(f)测试油:普通汽油(在日本),它存在于试样和盘部件之间。
评估测试2
分别制成与上述实例和对比实例的试样相对应的、用于以汽油为燃料的燃料喷射阀的针阀。除了与对比实例1相对应的针阀外,各针阀通过使基底材料涂覆有与实例或对比实例相同的硬膜而制成。各针阀装配在燃料喷射阀中。然后,测量燃料喷射阀的响应延迟时间,从而评估燃料喷射阀的响应特征曲线。评估测试2的结果也在表1中表示,该响应特征曲线的结果表示了与标准阀(1.00)的相对值,该标准值是对应于对比实例1的针阀的响应延迟时间。
表1
项目 | 基底材料的表面粗糙度Ra(μm) | 硬膜 | 摩擦磨损测试的测试结果 | 响应特征曲线的评估 | |
摩擦系数 | 咬合负载(N) | ||||
实例1 | 0.03 | DLC | 0.10 | 1040 | 0.80 |
对比实例1 | Nil | 0.18 | 650 | 1.00 | |
对比实例2 | TiN | 0.17 | 710 | 0.96 | |
对比实例3 | Cr2N | 0.14 | 800 | 0.92 | |
对比实例4 | 0.1 | DLC | 在测试过程中硬膜剥落(不能获得测量值) |
由表1的测试结果明显可知,与对比实例1至3相比,实例1(以及相对应的燃料喷射阀的针阀)有较低摩擦系数、较高咬合负载和较高响应特征曲线,其中,在实例1中,基底材料涂覆有作为硬碳薄膜的DLC薄膜,而在对比实例1至3中,基底材料没有涂覆硬膜,或者涂覆有TiN膜或Cr2N膜。另外,即使当基底材料涂覆有相同DLC薄膜,在基底材料在涂覆有薄膜之前的表面粗糙度比实例1中更粗糙的情况下,薄膜必然在测试过程中剥落,如对比实例4所示。
由上述可知,根据本发明,硬碳薄膜,特别是DLC薄膜根据表面硬度和膜厚度来合适控制表面粗糙度或形状。因此,该硬碳薄膜能够有效防止当硬碳薄膜施加在汽车的燃料喷射阀的滑动部分上时将出现的裂纹、剥落等。因此,燃料喷射阀可以保证它的耐久性可靠性,获得较低摩擦系数,并改进抗咬合性,同时提高它在获得的低摩擦系数下的响应特性。
在本发明的燃料喷射阀中,硬碳薄膜允许负载的力输入状态根据硬碳薄膜(特别是DLC薄膜)的厚度和硬度来确定。因此,通过根据在给定膜和该膜将施加的部分的滑动状态来调节例如硬碳薄膜的表面粗糙度、形状等因素,力输入状态限制在特定范围内,因此,可以防止膜在施加该膜的部分处发生裂纹和剥落,同时长时间保持它的作为膜的功能。
日本专利申请P2003-110398(2003年4月15日递交)的整个内容被本文参引。
尽管上面已经参考本发明的特殊实施例和实例来介绍了本发明,但是本发明并不局限于上述实施例和实例。本领域技术人员根据上述教导可以知道上述实施例和实例的变化和改变。本发明的范围将参考下面的权利要求确定。
Claims (7)
1.一种燃料喷射阀,包括:
针阀,该针阀包括基底材料;
相对部件,该相对部件包括基底材料,在存在用于汽车的燃料的情况下,该基底材料的滑动部分与针阀的基底材料的滑动部分滑动接触;以及
硬碳薄膜,该硬碳薄膜涂覆在针阀和相对部件的基底材料的滑动部分中的至少一个上,该硬碳薄膜的表面硬度在1500至4500kg/mm2努氏硬度的范围内,膜厚度的范围从0.3至2.0μm,且表面粗糙度(Ry)(μm)满足由以下公式(A)表示的关系:
Ry<(0.75-Hk/8000)×h+0.0875 (A)
其中,h是硬碳薄膜的厚度(μm),Hk是硬碳薄膜的表面硬度,单位为努氏硬度(kg/mm2)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射阀,其中:用于汽车的燃料包含从以下组中选定的至少一种添加剂:基于酯的添加剂和基于胺的添加剂。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射阀,其中:该至少一种添加剂是从以下组中选定的至少一种:辛烷增强剂、十六烷增强剂、抗氧化剂、金属钝化剂、清洁剂-分散剂、防冻剂和防腐剂。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射阀,其中:该硬碳薄膜包含氢原子,该氢原子的量不超过0.5原子%。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射阀,其中:该硬碳薄膜是金刚石状碳薄膜。
6.根据权利要求5所述的燃料喷射阀,其中:该金刚石状碳薄膜通过电弧离子电镀处理形成。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射阀,其中:针阀和相对部件的基底材料的滑动部分中的至少一个在该至少一个滑动部分涂覆有硬碳薄膜之前具有不超过0.03μm的表面粗糙度(Ra)。
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