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TECHNICHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine beschichtete Dichtung, die in Dichtungsteilen in einem Fahrzeugmotor verwendet wird.
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HINTERGRUND
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Von Polytetrafluorethylen (PTFE) ist bekannt, dass es als zähes Material mit geringer Reibung verwendbar ist. Es gibt viele Gelegenheiten für eine Verwendung dieses Materials in Systemen, zum Beispiel Kraftfahrzeugmotoren und Düsentriebwerke, wo Metall-, Kautschuk- und Polymerteile sich bei hoher Geschwindigkeit und hohem Druck eng aneinander bewegen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin wird eine beschichtete Dichtung für Dichtungsteile in einem Fahrzeugmotor offenbart. Die beschichtete Dichtung umfasst einen Dichtungskörperteil, der mit Glasfaser gefülltes PTFE, mit Kohlenstoff gefülltes PTFE, mit Molybdändisulfid gefülltes PTFE, mit Bronze gefülltes PTFE oder Kombinationen davon umfasst. Die beschichtete Dichtung umfasst auch einen Beschichtungsteil, der an wenigstens eine(r) Seite des Dichtungskörperteils geklebt bzw. angehaftet ist, wobei der Beschichtungsteil etwa 5 Volumen-% bis etwa 25 Volumen-% der beschichteten Dichtung bildet, wobei der Beschichtungsteil expandiertes PTFE, mit Kohlenstoff gefülltes PTFE oder Kombinationen davon umfasst, der Beschichtungsteil einen Reibungskoeffizienten von kleiner als 0,25 hat, wenn er einem Druck von etwa 100 MPa für eine gesamte Bewegungsstrecke von wenigstens 380 Metern bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 Meter/Sekunde unterwarfen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Figuren klar werden, wobei gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obgleich vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen. Zur Abkürzung können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine vorher beschriebene Funktion haben, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben werden oder nicht.
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1 ist eine schnittperspektivische Ansicht des einsetzbaren Teils eines Benzindirekteinspritzungs-Injektors (SIDI) des isolierten Typs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der beschichteten Dichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der beschichteten Dichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der beschichteten Dichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist ein Graph des Reibungskoeffizienten [Coefficient of Friction (COF)] gegen die Zeit (Sekunden) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4A, 4B, 4C und 4D sind Vergleichsfotografien, die nach Tests der SIDI-Injektoren des isolierten Typs mit Dichtungen aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE (schwarz) und mit Glas gefülltem PTFE (weiß) gemacht wurden;
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5A, 5B, 5C und 5D sind Vergleichsfotografien, die nach Stift-Scheibe-Reibungstests an vier getrennten Aluminiumsegmenten, positioniert mit vier getrennten Dichtungen, aufgenommen wurden;
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6 ist eine Fotografie eines Aluminiumsegments, die nach einem Stift-Scheibe-Reibungstest einer beschichteten Dichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufgenommen wurde; und
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7A und 7B sind Fotografien der Seitenansicht einer mit expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) beschichteten Dichtung aus mit Glasfaser gefülltem PTFE gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die an einem Stift befestigt ist, aufgenommen vor (7A) und nach (7B) einem Stift-Scheibe-Reibungstest.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Herkömmliche Benzindirekteinspritzungs(SIDI)-Kraftstoff-Injektoren sind starr, fest auf Strukturen des Motors eines Kraftfahrzeugs, zum Beispiel dem Zylinderkopf, montiert. So werden die Druckpulsationen und Geräusche von den Injektoren, wenn sie in Betrieb sind, größtenteils in direkter Art auf den Motor übertragen. Demnach können Probleme, die mit Geräusch, Vibration und Rauheit (noise, vibration and harshness (NVH)) in Beziehung stehen für das herkömmliche SIDI-System existieren. Gleichzeitig brauchen die Dichtungen, die an diesen Injektoren verwendet werden, zum Beispiel die Verbrennungsdichtung, die den Injektor gegenüber der Injektorbohrung abdichtet, keine große unregelmäßige Bewegung, wenn überhaupt, zu tolerieren, und zwar wegen der starren Montage des Injektors am Motorblock. Diese starre Montage erlaubt eine Übertragung von NVH größtenteils direkt auf den Motor. Die primäre Funktion der Dichtung besteht darin, gegen Druckpulsationen und Gase aus dem inneren Verbrennungsprozess, die durchschnittlich etwa 25 bis 30 bar sein können, aber auch so hoch wie 300 bar (30 MPa) sein können, abzudichten.
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Im Gegensatz dazu hat ein SIDI-System des isolierten Typs die Injektoren in isolierter und aufgehängter Art am Motor montiert, so dass erzeugte NVH leichter durch den Injektor selbst und das Kraftstoffsystem absorbiert werden kann und folglich nicht so leicht auf andere Teile des Motors übertragen werden. Der Injektor ist demnach in einer Art aufgehängt, die ihn relativ frei lässt, so dass er eine gewisse relative Bewegung bezüglich des Motors hat, und zwar hauptsächlich in vertikalen Auf und Abrichtungen, aber auch eine horizontale Bewegung und eine Bewegung von einer Seite auf die andere. Wegen dieser relativen Bewegungsfreiheit muss die Verbrennungsdichtung des Injektors fähig sein, die verschiedenen Bewegungen und Kräfte, die durch den Aufhängemechanismus des SIDI-Systems des isolierten Typs erzeugt werden, zu tolerieren.
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Die beschichtete Dichtung der vorliegenden Offenbarung kann in einfacher Weise in jedem der Injektoren des herkömmlichen SIDI-Systems oder des SIDI-Systems des isolierten Typs eingesetzt werden. Ihre Beschichtung ist besonders gut geeignet, um den Injektionsaufhängemechanismus des SIDI-Systems des isolierten Typs zu handhaben. Sie kann auch verwendet werden, um Injektoren abzudichten, die in den Einlassöffnungen von Port-Fuel-Injection(PFI)-Motoren (Saugrohr-Benzin-Einspritzmotoren) verwendet werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine beschichtete Dichtung für Dichtungsteile in einem Fahrzeugmotor. In einer anderen Ausführungsform kann die beschichtete Dichtung als Injektionsdichtung in einem SIDI-Injektionssystem und in einem SIDI-Injektionssystem des isolierten Typs verwendet werden.
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1 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine perspektivische Ansicht des einsetzbaren Teils eines SIDI-Injektors 12 zeigt. Spezifisch ausgedrückt, die beschichtete Dichtung 10 kann an einem Injektor 12 in einem SIDI-System oder in einem SIDI-System des isolierten Typs verwendet werden. Es ist auch einzusehen, dass die beschichtete Dichtung 10 entweder als eine dynamische oder eine statische Dichtung verwendet werden kann. In 1 gibt es eine beschichtete Dichtung 10. In einer alternativen Ausführungsform eines Injektors 12 kann der Injektor 12 mit zwei Dichtungen 10 doppelt abgedichtet sein, wobei diese nebeneinander auf dem Injektor 12 positioniert sind, um einen größeren Bereich abzudecken und ein wirksameres Dichtungsvermögen gegenüber dem Druck von Flüssigkeiten und Gasen aus dem Verbrennungsprozess zu bieten.
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In den obigen Ausführungsformen ist der Injektorkörper 12 unter Bildung einer Spitze 14 verlängert, wobei ein Teil dieser von der Dichtung 10 umgeben oder mit der Dichtung 10 beschichtet ist. Für das SIDI-Injektionssystem oder das SIDI-Injektionssystem des isolierten Typs wird die Injektorspitze 14, einschließlich der Dichtung 10, in eine Bohrung eingesetzt, die in die Verbrennungskammer des Motors führt. Die Dichtung 10 toleriert Reibung und Verschleiß bzw. Abnutzung, die durch die dynamische Bewegung des Injektorkörpers 12 induziert werden, wenn dieser wiederholt im Inneren der Injektorbohrung pulsiert. Die Dichtung 10 toleriert auch die Verbrennungsdrücke und statistische horizontale Drücke von einer Seite zu der anderen, die gelegentlich während der dynamischen Bewegung des Injektionskörpers in der Injektorbohrung ausgeübt werden.
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2A, 2B und 2C sind Querschnittsansichten von drei entsprechenden Ausführungsformen der beschichteten Dichtung 10', 10'', 10'''. In jeder der in den 2A, 2B bzw. 2C gezeigten Ausführungsformen umgibt ein Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' einen Kern 26, 26', 26'', der einen Teil der Spitze 14, die in 1 gezeigt ist, darstellt.
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Für jede der Ausführungsformen hierin kann der Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' aus beliebigen geeigneten Materialien ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist allerdings der Dichtungsteil 16, 16', 16'' aus der Gruppe ausgewählt, die aus mit Glasfaser gefülltem PTFE, mit Kohlenstoff gefülltem PTFE, mit Molybdändisulfid gefüllten PTFE, mit Bronze gefülltem PTFE und Kombinationen davon besteht. In einer weiteren Ausführungsform ist der Kohlenstoff in dem Dichtungskörperteil aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE 16, 16', 16'' Graphit. Ein nicht limitierendes Beispiel für ein geeignetes Graphitmaterial ist Kokspulver hoher Reinheit.
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Für eine beliebige der Ausführungsformen hierin kann ein Beschichtungsteil 20, 20', 20'' an den (dem) Dichtungsteil 16, 16', 16'' geklebt oder befestigt sein. Es ist einzusehen, dass der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' aus beliebigen geeigneten Materialien ausgewählt sein kann. In einer Ausführungsform kann der Beschichtungsteil allerdings aus der Gruppe, bestehend aus ePTFE, mit Kohlenstoff gefülltem PTFE und Kombinationen davon, ausgewählt sein, die die Anforderungen bezüglich Verschleißbeständigkeit erfüllen (zum Beispiel etwa 100 MPa Kontaktdruck und 380 Meter gesamte Bewegungsstrecke bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 m/s).
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Was nun 2A angeht, so ist die Dichtung 10' der vorliegenden Offenbarung, die in der Ausführungsform gezeigt ist, die an den (dem) Dichtungskörperteil 16 geklebt oder befestigt ist, welche den Kern 26 umgibt, ein Beschichtungsteil 20. Eine Klebeschicht 18 kann verwendet werden, um den Beschichtungsteil 20 an den Dichtungskörperteil 16 zu kleben. Der Klebstoff in der Klebeschicht 18 kann ein Polymer-basierter Klebstoff sein. In einer Ausführungsform ist der Klebstoff ein wärmehärtendes Epoxyharz.
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Was nun 2B angeht, so ist die Dichtung 20'' in der gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die an den Dichtungskörperteil 16' geklebt oder befestigt ist, welche den Kern 26' umgibt, ein Beschichtungsteil 20'. Ein innerer Teil 22 des Beschichtungsteils 20' umfasst ein ePTFE, das Poren 24 darin hat. Ein Polymer-basierter Klebstoff kann die Poren 24 im Wesentlichen oder vollständig füllen, wodurch ein Verbundmaterial aus ePTFE und dem Polymer-basierten Klebstoff gebildet wird. In einer Ausführungsform stellt der Klebstoff aus den mit Klebstoff gefüllten Poren 24 wenigstens teilweise den Klebstoff für die Klebeschicht 18' bereit, wobei die Schicht 18' den Beschichtungsteil 20' an den Dichtungskörperteil 16' klebt. Der Klebstoff in den mit Klebestoff gefüllten Poren 24 kann in einem Beispiel ein wärmehärtendes Epoxyharz sein. In noch einer anderen Ausführungsform fungiert der Polymer-basierte Klebstoff (z. B. ein wärmehärtendes Epoxyharz, wie es oben genannt ist) als ein Last tragender Partner für das poröse ePTFE zusätzlich zu oder anstelle der Funktion, wenigstens etwas des Klebstoffs in der Klebeschicht 18' bereitzustellen.
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Was nun 2C angeht, so ist die in der Ausführungsform gezeigte Dichtung 10''' der vorliegenden Offenbarung, die an den Dichtungskörperteil 16'', der den Kern 26'' umgibt, geklebt oder befestigt ist, ein Beschichtungsteil 20''. In dieser Ausführungsform klebt der Beschichtungsteil 20'' direkt an dem Dichtungskörperteil 16'', ohne die Klebeschicht 18, 18', die in den 2A und 2B gezeigt ist. Die Adhäsion zwischen dem Beschichtungsteil 20'' und dem Dichtungskörperteil 16'' wird durch Auftragen des Beschichtungsteils 20'' gegen den Dichtungskörperteil 16'' unter Wärme und Druck erreicht.
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In einer Ausführungsform, in der der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' und der Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' chemisch ähnliche Materialien sind (z. B. beide aus Materialien auf PTFE-Basis gebildet), können der Beschichtungsteil und der Dichtungsteil heiß zusammengepresst werden.
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In noch einer anderen Ausführungsform kann der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' Folie, Extrudat oder Band, das auf wenigstens eine Seite des Dichtungskörperteils 16, 16', 16'' aufgetragen ist, angeklebt sein.
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Der Aufbau des SIDI-Injektionssystems, für welches das SIDI-Injektionssystem des isolierten Typs ein nicht-limitierendes Beispiel ist, erwies sich zur Geräuschverringerung in einem Fahrzeugmotor als effizient. Allerdings wurde festgestellt, dass der SIDI-Aufbau eine Mikrobewegung zwischen der Injektordichtung 10, 10', 10'', 10''' und der Injektorbohrung in einem Fahrzeugmotor induzieren kann. Um die Wirkungen dieser Mikrobewegung zu minimieren, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass Dichtungsmaterialien eine geringe Reibung und eine hohe Verschleißbeständigkeit gegenüber der Injektorbohrung, die typischerweise aus gegossenen Aluminiumlegierungen oder Eisen besteht, aufweisen müssen.
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Unbeschichtetes mit Glasfaser gefülltes PTFE (weiß) wurde für eine Verwendung als Dichtung für das SIDI-Injektionssystem beurteilt. Derartiges unbeschichtetes weißes PTFE zeigte, obgleich es funktionell war, übermäßigen Verschleiß und übermäßige Reibung mit resultierenden verringerten Dichtungseigenschaften und verringerter Dauerhaftigkeit.
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Bessere Resultate wurden erhalten, wenn nicht beschichtetes mit Kohlenstoff gefülltes PTFE (schwarz) als Dichtung für das SIDI-Injektionssystem verwendet wurde. Die Dichtung von unbeschichtetem schwarzem PTFE zeigte eine geringere Reibung und höhere Verschleißbeständigkeit als die Dichtung aus unbeschichtetem weißem PTFE.
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Ähnlich gute Resultate wurden erzielt, wenn ein Beschichtungsteil 20 eines ePTFE an einen Dichtungskörperteil 16 aus mit Glasfaser gefülltem PTFE unter Bildung einer beschichteten Dichtung 10' geklebt wurde. Nach einem ähnlichen Verfahren wurde ein Beschichtungsteil 20 aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE an einen Dichtungskörperteil 16 aus mit Glasfaser gefülltem PTFE geklebt. Die Resultate für diese beschichtete Dichtung 10' waren ähnlich den oben beschriebenen Resultaten für die beschichtete Dichtung 10' mit ePTFE. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden demnach, dass die günstigen Eigenschaften von ePTFE und mit Kohlenstoff gefülltem PTFE der Verschleißbeständigkeit und der Reibungsverringerung erhalten werden können, indem ein Beschichtungsteil 20, 20', 20'' aus ePTFE oder mit Kohlenstoff gefülltem PTFE an einen Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' aus einem weniger verschleißbeständigen, weniger die Reibung verringernden und üblicherweise weniger teueren Material, wie es oben beschrieben wurde, geklebt wird.
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Demnach können ähnlich gute Resultate erhalten werden, wenn ein beliebiges der verschiedenen Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' – Materialien mit einer Beschichtung entweder aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE oder ePTFE beschichtet wird und als Dichtung 10, 10', 10'', 10''' mit der Beschichtung als Kontaktbereich mit einer Injektorbohrung einer Verbrennungskammer verwendet wird. In der Tat wurde gefunden, dass in einer Ausführungsform die Außenfläche von solchen beschichteten Dichtungen 10, 10', 10'', 10''' einen Reibungskoeffizienten von kleiner als 0,25 hat, wenn sie einem Druck von etwa 100 MPa für eine gesamte Bewegungsstrecke von wenigstens 380 Metern bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 Meter/Sekunde unterzogen wird. Mit ”etwa” ist in Bezug auf Drücke hierin +/–10 MPa gemeint. In noch einer anderen Ausführungsform wurde festgestellt, dass die Außenfläche von solchen beschichteten Dichtungen 10, 10', 10'', 10''' einen Reibungskoeffizienten von kleiner als 0,1 hat, wenn sie einem Druck von etwa 100 MPa für eine gesamte Bewegungsstrecke von wenigstens 380 Metern bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 Meter/Sekunde unterzogen wird.
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Es ist einzusehen, dass der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' eine beliebige geeignete Menge der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' bilden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bildet der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' etwa 5 Volumen-% bis etwa 25 Volumen-% der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10'''. In einer alternativen Ausführungsform bildet der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' etwa 10 Volumen-% bis etwa 20 Volumen-% der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10'''. Mit ”etwa”, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ist +/–3 Vol.-% gemeint.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' ePTFE, mit Kohlenstoff gefülltes PTFE oder Kombinationen davon und kann der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' eine beliebige Dicke, z. B. im Bereich von etwa 0,004 Inch bis etwa 0,012 Inch, auf der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' haben. Mit ”etwa”, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ist +/–0,002 Inch gemeint. In einer weiteren Ausführungsform, wenn der Beschichtungsteil 20, 20', 20'' mit Kohlenstoff gefülltes PTFE umfasst, ist der Kohlenstoff in dem mit Kohlenstoff gefüllten PTFE-Beschichtungsteil 20, 20', 20'' etwa 10 Volumen-% bis etwa 30 Volumen-% des Beschichtungsteils 20, 20', 20''. Mit ”etwa”, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ist +/–5 Vol.-% gemeint. In noch einer weiteren Ausführungsform ist der Kohlenstoff in dem mit Kohlenstoff gefüllten PTFE-Beschichtungsteil 20, 20', 20'' Graphit. Ein nicht-limitierendes Beispiel für geeignetes Graphitmaterial ist Kokspulver hoher Reinheit.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der der Dichtungskörperteil 16, 16', 16'' mit Glasfaser gefülltes PTFE umfasst, sind die Glasfasern etwa 5 Volumen-% bis etwa 30 Volumen-% des Dichtungskörperteils 16, 16', 16''. Mit ”etwa”, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ist +/–2 Volumen-% gemeint.
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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren unter Verwendung einer beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' in einem Fahrzeugmotor. Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst eine funktionelle Anordnung der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' direkt auf wenigstens einer Fläche eines Injektors 12 in einem Fahrzeugmotor. In einer anderen Ausführungsform wird die beschichtete Dichtung 10, 10', 10'', 10''' als eine Verbrennungsdichtung oder eine Injektionsdichtung in einem SIDI-Injektionssystem oder einem SIDI-Injektionssystem des isolierten Typs angewendet.
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Eine Ausführungsform (Ausführungsformen) der beschichteten Dichtung 10, 10', 10'', 10''' der vorliegenden Offenbarung ist/sind aufgebaut, um wiederholte vertikale Pulsationen auf und ab und Verbrennungsdrücke wie auch horizontale Drücke von einer Seite nach der anderen in einer Injektorbohrung eines Fahrzeugmotors zu tolerieren. Die beschichtete Dichtung 10, 10', 10'', 10''' ist so konfiguriert, dass dem Injektor 12 ermöglicht wird, mit verringerter Reibung, verringertem Geräusch und verbesserter Verschleißbeständigkeit zu funktionieren.
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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein System, um eine verringerte Reibung, verringertes Geräusch und verbesserte Verschleißbeständigkeit bei Injektordichtungen 10, 10', 10'', 10''' in einem Fahrzeugmotor zu erreichen. Das System umfasst die beschichtete Dichtung 10, 10', 10'', 10''', wie sie hier beschrieben wird, die funktionsfähig als eine Injektordichtung an einem Injektor 12 eines Fahrzeugmotors angeordnet ist.
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Um eine Ausführungsform (Ausführungsformen) der vorliegenden Offenbarung weiter zu erläutern, werden die folgenden Beispiele hier angeführt. Es ist einzusehen, dass diese Beispiele zu Erläuterungszwecken angeführt werden und nicht als für den Rahmen der offenbarten Ausführungsform(en) beschränkend konstruiert sein sollen.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Um den Reibungskoeffizienten [Coefficient of Friction (COF)) für drei verschiedene PTFE-Dichtungen zu vergleichen, wurden Daten nach dem folgenden Verfahren gesammelt. Die drei verschiedenen PTFE-Dichtungen, die verglichen wurden, waren eine mit ePTFE beschichtete Dichtung 10', eine mit amorphem Kohlenstoff gefüllte PTFE-Dichtung und eine mit Glasfaser gefüllte PTFE-Dichtung. Um den Reibungskoeffizienten zu bestimmen, wurde eine Last auf die PTFE-Dichtungen angewandt. Eine Stahlkugel, die etwas größer war als der Innendurchmesser der Dichtung, wurde in jede der Dichtungen gestoßen und fest geklebt. Sie wurden dann in eine Stift-Halterung eingesetzt, wobei die äußere Durchmesserfläche der Dichtung als die Stiftspitze freilag, welche gegen die bearbeiteten Aluminiumscheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit, die von Rz = 2 μm, 6 μm bis 20 μm reichte, lief. Auf die Kontaktfläche wurde eine Last angewendet. Der Kontaktdruck wurde auf etwa 100 MPa oder darunter bestimmt. Da eine höhere Last zu einer schnellen Verschleißrate (obgleich sehr niedrig) führt, wurde die gesamte Film/Beschichtungsdicke auf der Basis ihrer Verschleißrate und der verlangten Dauerhaftigkeit (Bewegungsstrecke und – zeit) für eine Bewegungsstrecke von wenigstens 380 Metern berechnet. Darüber hinaus war die Gleitgeschwindigkeit 0,2 m/s und die Testtemperatur betrug 150°C.
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3 wurde auf der Basis der Daten, die nach dem obigen Verfahren gesammelt wurden, gezeichnet. 3 ist ein Graph, in dem der Reibungskoeffizient (COF) über die Zeit für drei verschiedene PTFE-Dichtungen aufgetragen ist. Die vertikale Achse misst den Reibungskoeffizienten und die horizontale Achse misst die Zeit. Die drei verschiedenen PTFE-Dichtungen, die verglichen werden, sind eine mit ePTFE beschichtete Dichtung 10, eine mit amorphem Kohlenstoff gefüllte PTFE-Dichtung und eine mit Glasfaser gefüllte PTFE-Dichtung. Wie in dem Graphen in 3 gezeigt ist, zeigte der Plot 310 für die mit ePTFE beschichtete Dichtung den niedrigsten Reibungskoeffizienten über die Zeit (COF gerade über 0,1 im Verlauf von 2000 Sekunden), wobei der Plot 312 für die mit amorphem Kohlenstoff gefüllte PTFE-Dichtung unmittelbar darauf folgt (COF zwischen 0,1 und 0,2 über 2000 Sekunden). Der Plot 314 für die mit Glasfaser gefüllte PTFE-Dichtung zeigte eine dramatische Erhöhung des Reibungskoeffizienten zu einem höheren Wert (COF zwischen 0,3 und 0,5 über 2000 Sekunden), nachdem die Dichtung begonnen hatte, sich abzunutzen bzw. Verschleiß zu zeigen. Aus den Daten ist auch ersichtlich, dass der Verschleißprozess bzw. Abnutzungsprozess der mit Glasfaser gefüllten PTFE-Dichtung sich auch mit der Zeit beschleunigte. Im Vergleich dazu zeigen Plot 310 und Plot 312 eine stetige niedrige Reibung und keinen signifikanten Verschleiß der Dichtung, obgleich es eine geringe Menge an Dichtungsverschleiß gibt.
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Beispiel 2
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Vier Injektoren (als 4A, 4B, 4C bzw. 4D gezeigt), die für einen SIDI-Motor hergestellt waren, wurden einem Dauerhaftigkeitstest unterzogen. Die Injektoren in den 4A und 4B hatten eine mit Kohlenstoff gefüllte PTFE(schwarz)-Dichtung nahe der Spitze des Injektors im Kontaktbereich mit einer Injektorbohrung einer Verbrennungskammer. Die Injektoren in den 4C und 4D hatten eine mit Glasfaser gefüllte PTFE(weiß)-Dichtung nahe der Spitze des Injektors im Kontaktbereich mit einer Injektorbohrung einer Verbrennungskammer.
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Der erste Injektor (4A) wurde einem Dauerhaftigkeitstest mit einem SIDI-V4-Isolator unterzogen und die Dichtung an dem ersten Injektor ist etwa 10% dicker, um etwa 12% Extra-Verdichtung bereitzustellen, um seine Dichtungsfunktion mit anderen Dichtungen zu vergleichen. Nachdem der erste Injektor diesen Bedingungen unterzogen worden war, wurde er als 100% ”rein” von Abscheidungen, die mit Verbrennungs-Blow-by in Bezug standen, beurteilt, was keinen Dichtungsverschleiß und keine Leckage aus einer Verbrennungskammer anzeigt. Minimaler Verschleiß (nur leichtes Schmieren von Material an der Oberfläche) wurde an der OD-Fläche dieser schwarzen Dichtung beobachtet.
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Der zweite Injektor (4B) wurde einem Dauerhaftigkeitstest mit einem SIDI-V4-Isolator und bei nominaler angepasster Verdichtung unterworfen. Nachdem der zweite Injektor diesen Bedingungen unterworfen worden war, wurde festgestellt, dass er einen etwa 2,5 mm Streifen aus sichtbaren Abscheidungen, aber mit unbekannter Zusammensetzung, oberhalb der Dichtung hatte. Obgleich keine chemische Analyse an dem 2,5 mm-Streifen aus sichtbarer Abscheidung durchgeführt wurde, war sie nicht notwendigerweise Blow-by, da die Dichtung keinen Verschleiß zeigte. An der OD-Fläche dieser schwarzen Dichtung wurde selbst im Mikrometer-Level keine Verschleißspur beobachtet.
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Der dritte Injektor (4C) wurde einem Dauerhaftigkeitstest mit einem SIDI-V4-Isolator und bei nominaler angepasster Verdichtung unterworfen. Nachdem der dritte Injektor diesen Bedingungen unterworfen worden war, wurde festgestellt, dass er einen etwa 2,5 mm-Streifen aus sichtbaren Abscheidungen mit unbekannter Zusammensetzung hatte. Obgleich keine chemische Analyse an dem 2,5 mm-Streifen aus sichtbarer Abscheidung durchgeführt wurde, war sie nicht notwendigerweise Blow-by, da die Dichtung sehr geringen Verschleiß zeigte. Spezifisch ausgedrückt, die Dichtung scheint ein ~50 Mikrometer-Verschleißband an ihrer OD-Fläche an der Seite zu haben, die enger an der Verbrennungskammer liegt. Die Verschleißtiefe ist flacher und im SEM kann keine offensichtlich gerissene Glasfaser gesehen werden.
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Der vierte Injektor (4D) wurde einem Dauerhaftigkeitstest mit einem SIDI-VI-Isolator und bei nominaler angepasster Verdichtung unterzogen. Nachdem der vierte Injektor diesen Bedingungen unterzogen worden war, wurde festgestellt, dass er einen etwa 8 mm-Streifen von Abscheidungen oberhalb der Dichtung hatte. Eine chemische Analyse bestätigte, dass die Abscheidung Verbrennungs-Blow-by über der Dichtung entsprach. Spezifisch ausgedrückt, die Dichtung scheint abgenutzt worden zu sein und es scheint ein gewisses Auslecken aus der Verbrennungskammer erfolgt zu sein. Eine Verschleißspur mit etwa 300 Mikrometer Breite, was der Amplitude der Mikrobewegung des Injektors entspricht, wurde an der OD-Fläche an dem Rand, der näher an der Verbrennungskammer war, beobachtet. SEM-Bilder zeigen in der Verschleißspur gebrochene Glasfasern. Es wird angenommen, dass diese gebrochenen Glasfasern einen Verschleiß der Aluminium-Injektorbohrung beschleunigen, wodurch eventuelle Leckage und Blow-by verursacht wird. Somit unterscheiden sich die Abscheidungen in 4D von der schwarzen, die man an dem flachen Aluminiumsegment in 4C sieht, welcher Abrieb von Dichtungen ist, der aus dauernder Reibung und dauerndem Kontakt von Dichtungen mit der Injektorbohrung resultiert.
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Beispiel 3
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Es wurde ein Stift-Scheibe-Reibungstest durchgeführt. Fünf Dichtungen wurden jeweils 10 000 Runden (~380 Meter) gedreht und/oder pulsiert, und zwar gegen fünf flache Aluminiumflächen. Die flachen Aluminiumflächen waren bearbeitet, so dass sie annähernd dieselbe Rauheit wie die Injektorbohrung hatten. Der in dem Reibungstest verwendete Stift hatte Dichtungen, die um ihn befestigt waren, so dass ein kreisförmiger Flächenrand jeder Dichtung gegen die entsprechenden Aluminiumflächen rieb. Die ersten zwei der Dichtungen, die in den 5A und 5B gezeigt sind, hatten mit Kohlenstoff gefüllte PTFE-Dichtungen um die Stifte befestigt. Die nächsten zwei Dichtungen, die in den 5C und 5D gezeigt sind, hatten mit Glasfaser gefüllte PTFE-Dichtungen um die Stifte befestigt. Die flache Aluminiumfläche der 5A und 5B hatte eine Oberflächenrauheit Rz = 2 Mikrometer, während die flache Aluminiumfläche der 5C und 5D eine Oberflächenrauheit Rz = 6 Mikrometer hatte. Die letzte Dichtung, die auf ein in 6 gezeigtes Aluminiumsegment angewendet wurde, hatte einen Beschichtungsteil 20 aus ePTFE, der an eine mit Glasfaser gefüllte PTFE-Dichtung geklebt war, wobei die beschichtete Dichtung um den Stift befestigt war. Wie gezeigt ist, hinterließen die mit Kohlenstoff gefüllten PTFE-Dichtungen der 5A und 5B deutlich weniger sichtbaren Verschleißabrieb an ihren entsprechenden Aluminiumoberflächen als die mit Glasfasern gefüllten PTFE-Dichtungen der 5C und 5D. Allerdings hinterließ die mit ePTFE beschichtete Dichtung von 6 die geringste Menge an Verschleißabrieb zurück, wobei die Abscheidungen isoliert waren und nicht genügend waren, um eine durchgehende Kreisaußenlinie auf der Aluminiumfläche zurückzulassen, im Gegensatz zu der, die in den 5A, 5B, 5C und 5D gesehen wird.
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Die 7A und 7B sind Makroaufnahmen von Teilen der oben diskutierten mit ePTFE beschichteten Dichtung 10', die fast keinen Verschleißabrieb an der Aluminiumfläche, die in 6 gezeigt ist, zurückließ. 7A ist eine Fotografie des Teils der mit ePTFE beschichteten Dichtung 10', bevor sie der ~10 000 Runden(~380 Meter)-Rotation/Pulsation gegen die Aluminiumfläche bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,2 Meter/Sekunde unterzogen wurde. 7B ist eine Aufnahme desselben Teils der mit ePTFE beschichteten Dichtung 10, nachdem sie der ~10 000 Runden(~380 Meter)-Rotation unterzogen worden war. Wie die Fotos zeigen, gibt es keinen sichtbaren Beweis einer Ablösung oder eines Verschleißes des ePTFE-Beschichtungsteils von der mit Glasfasern gefüllten PTFE-Dichtung 16.
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Während verschiedene Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, wird dem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, bewusst sein, dass die offenbarten Ausführungsformen modifiziert werden können. Daher ist die vorangehende Beschreibung beispielhaft und nicht beschränkend anzusehen.
