DE60202042T2

DE60202042T2 - Kraftstoffpumpe und direkt einspritzende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60202042T2
Application number: DE60202042T
Authority: DE
Inventors: Shizuka Hitachinaka-shi Yamaguchi; Noboru Hitachiota-shi Baba; Toshiaki Naka-gun Nagayama; Katsuyoshi Naka-gun Terakado; Arata Naka-gun Kagiyama; Hideki Naka-gun Machimura; Hiroyuki Hitachinaka-shi Yamada; Yukio Hitachinaka-shi Takahashi; Masayoshi Hitachinaka-shi Kotaki; Kazuo Hitachinaka-shi Ojima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: US6860255B2; DE60202042D1; EP1310577A1; US20030089343A1; JP2003148294A; EP1310577B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zum Fördern von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor und einem Direkteinspritzmotor, und insbesondere eine Kraftstoffpumpe, die als eine Hochdruckpumpe einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für einen Direkteinspritzmotor eines Fahrzeugs verwendet wird, bei der der Kraftstoff direkt von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die mit der Brennkammer des Fahrzeugmotors und mit dem Direkteinspritzmotor verbunden ist, in eine Brennkammer eingespritzt wird.
Im Allgemeinen erfordert eine zylinderinterne Direkteinspritzvorrichtung eine Hochdruckpumpe, mit der Benzin mit einem hohen Druck über 3 MPa in die Zylinder eines Verbrennungsmotors gefördert werden kann, da es notwendig ist, Benzin sogar während des Verdichtungshubs direkt in die Zylinder einzuspritzen.
Ein Typ der Hochdruckpumpen ist eine Radialkolben-Hochdruck-Kraftstoffpumpe. Eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe dieses Typs ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 10-318091 offenbart.
Ein weiterer Typ der Hochdruckpumpen ist eine Schrägplatten-Axialkolben-Pumpe, bei der eine Drehbewegung einer innerhalb eines Gehäuses durch eine Welle in Drehung versetzten Schrägplatte durch eine Schwingplatte in eine Schwingbewegung umgewandelt wird und Fluid angesaugt und unter Druck gesetzt wird, um dann unter einem hohen Druck von einem Kolben gefördert zu werden, der durch die Schwingbewegung der Schwingplatte wechselseitig bewegt ist. Die Schrägplatten-Axialkolben-Pumpe ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 9-236080 offenbart.
Bei den Kraftstoffpumpen mit diesen Aufbauten wird der Kraftstoff durch die Bewegung eines sich wechselseitig bewegenden Kolbens oder mehrerer sich wechselseitig bewegender Kolben innerhalb einer Kraftstoffkammer eines Mechanismusabschnitts, in dem hoher Druck erzeugt wird, angesaugt und gefördert, und dadurch wird der Kraftstoff unter hohen Druck gesetzt. Demgemäß ist das in der Kraftstoffkammer befindliche Fluid nur der Benzinkraftstoff. Deshalb wirkt das Benzin in jedem Mechanismus an einem Gleitabschnitt als Schmieröl. Ferner erfolgt an einem anderen Abschnitt als der Kraftstoffkammer das Gleiten bei verschiedenen Mechanismustypen, die die Drehbewegung in die wechselseitige Bewegung umwandeln, unter Verwendung eines Schmieröls unter der Bedingung einer hohen Geschwindigkeit (hohen Umfangsgeschwindigkeit) und eines hohen Oberflächenpressdrucks.
Was die abriebbeständigen Gleitteile betrifft, offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7-216548 beispielsweise ein abriebbeständiges Gleitteil einer Kraftstoffeinspritzdüsenvorrichtung, bei der eine Nitridschicht durch eine Plasmanitrierbehandlung an einem Abschnitt in der Kraftstoffeinspritzdüse ausgebildet ist, der mit einem anderen Teil in relativem Kontakt steht oder an ihm gleitet, und ferner eine TiCN-Schicht durch Plasma-CVD auf der Nitridschicht ausgebildet ist.
Die oberflächenbehandelte Schicht nach dem Stand der Technik wird nachstehend beschrieben. Es wird beschrieben, dass ein Verfahren zur Ausbildung der Schicht Plasma-CVD ist und das Material der harten Schicht eine TiCN-Schicht ist. Ferner besitzt die Nitridschicht bezüglich der Dicke der oberflächenbehandelten Schicht eine Dicke von 5 bis 20 μm und das TiCN eine Dicke von 2 bis 10 μm. Demgemäß beträgt der Bereich der Dicke der oberflächenbehandelten Schicht minimal 7 μm und maximal 30 μm. Da die Schicht im allgemeinen durch das Plasma-CVD unter einem Druck von mehreren Pa ausgebildet wird, ist das Plasma-CVD-Verfahren bei der Behandlung eines schmalen Abschnitts aufgrund der mittleren freien Weglänge (Bewegungsstrecke eines Teilchens in einer Gasatmosphäre ohne Zusammenstoß) besser als das PVD-Verfahren, aber die Behandlungsschwierigkeit ist bei beiden fast gleich. Da jedoch Chlor aus einem Bestandteil eines Zuführgases in die Schicht gemischt wird, besteht andererseits das Problem, dass die Schichteigenschaften wie zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit, Härte und dergleichen verschlechtert werden.
Die TiCN-Schicht kombiniert die Eigenschaften von TiN und TiC, die gegenseitig individuelle Probleme kompensieren. Die Härte der Schicht liegt innerhalb eines Bereichs von Hv 2500 bis 3000, aber der Reibungskoeffizient beträgt im allgemeinen 0,6. Dagegen hat der Reibungskoeffizient von Kohlenstoffgruppen-Schichten (DLC) einen sehr niedrigen Wert von unter 0,1. Durch das Ausbilden der Nitridschicht ➀ wird die Oberflächenrauheit der TiCN-Schicht akzeptabel. Es wird beschrieben, dass mit der Erhöhung der Härte des Basismaterials beabsichtigt wird, ➁ die Fähigkeit zu verbessern, ein Abblättern der TiCN-Schicht zu verhindern. Es wird jedoch nicht der Grund beschrieben, warum die Dicke der TiCN-Schicht auf 5 bis 20 μm festgelegt ist. Es wird beschrieben, dass die Leistung der TiCN-Schicht als eine abriebbeständige Schicht ungenügend ist, wenn die Dicke weniger als 2 μm beträgt, und eine negative Einwirkung aufgrund von innerer Spannung der TiCN-Schicht auftritt, wenn die Dicke mehr als 10 μm beträgt. Dagegen hat die Kohlenstoffgruppen-Schicht (DLC) eine exzellente Abriebbeständigkeit sogar dann, wenn die Dicke 0,5 bis 1,5 μm beträgt.
Seit einigen Jahren besteht der Wunsch, eine zylinderinterne Direkteinspritzvorrichtung für den Verbrennungsmotor, insbesondere für den Benzinmotor von Fahrzeugen zu verwenden, um das Kraftstoffverbrauchscharakteristikum zu verbessern, die Menge an schädlichen Abgasen zu reduzieren und die Fahrreaktion wie zum Beispiel die Beschleunigungsleistung zu verbessern.
Bei der Kraftstoffpumpe der zylinderinternen Direkteinspritzvorrichtung gleiten die Gleitabschnitte in dem Pumpenabschnitt (Unter-Druck-Setzungs-Abschnitt) innerhalb der Kraftstoffkammer unter der Bedingung eines hohen Oberflächenpressdrucks in dem Kraftstoff (Benzin) aneinander. Deshalb werden die Abschnitte als Hauptverschleißabschnitte betrachtet, weil die Abschnitte unter einem hohen Oberflächenpressdruck aneinander gleiten und in Kontakt miteinander stehen.
Bei dem Mechanismusabschnitt in dem Pumpenabschnitt im Inneren der Kraftstoffkammer, wie zum Beispiel dem Kolben und dem Zylinder zum Unter-Druck-Setzen des Kraftstoffs (Benzin), erfolgt das Gleiten zwischen dem Kolben und dem Zylinder in dem Kraftstoff. Wenn Benzin als das Schmieröl für die Gleitumgebung verwendet wird, werden beide Gleitflächen der Gleitmechanismus-Abschnitte leicht abgerieben, weil die Viskosität des Benzins verglichen mit der Viskosität eines normalen Schmieröls extrem klein ist.
Außerdem wird manchmal mit Methylalkohol versetztes Benzin oder Methylalkohol oder schlechtes Benzin als Kraftstoff verwendet. Ein Benzin solcher Art bildet manchmal eine oxidierende Abriebsumge bung. In einem solchen Fall wird die Umgebung beim Abreiben der Kontaktabschnitte des Gleitmechanismus-Abschnitts ungünstiger, und demgemäß wird die Abriebmenge der Gleitabschnitte als erhöht betrachtet.
Wenn der Gleitmechanismus-Abschnitt in der Kraftstoffkammer, das heißt, die Kontaktabschnitte zwischen dem Zylinder und dem sich wechselseitig im Zylinder bewegenden Kolben, so abgerieben werden, dass sich die Abriebmenge vergrößert, können der Saug- und Förderwirkungsgrad und auch die Zuverlässigkeit vermindert sein.
Bei der Radialkolbenpumpe wiederum gleiten eine Antriebsnocke, die durch eine übertragene Antriebskraft des Motors mit hoher Geschwindigkeit in Drehung versetzt ist, und eine Hebeeinrichtung zum Umwandeln der Drehbewegung in eine wechselseitige Bewegung in einer Umgebung aneinander, in der die Zufuhr von Schmieröl (Motoröl) ungenügend ist. Deshalb müssen die Antriebsnocke und die Hebeeinrichtung von einem Niedriggeschwindigkeitsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeitsbereich blockierwiderstandsfähig und abriebfest sein.
Ferner gleiten bei der rotierenden Schrägplatten-Axialkolben-Pumpe die Schrägplatte und die Rutscheinrichtung zum Umwandeln der Drehbewegung der Welle in eine wechselseitige Bewegung in einem Schmieröl (Motoröl) aneinander. Obwohl das Gleiten in dem Schmieröl (Motoröl) erfolgt, können in Abhängigkeit von den Gleitbedingungen strenge Anforderungen an die Eigenschaften der Materialien erforderlich sein. Das heißt, die Teile müssen von einem Niedriggeschwindigkeitsbereich bis zu einem Hochgeschwindigkeitsbereich blockierwiderstandsfähig und abriebfest sein.
Mit anderen Worten besteht das Problem, dass ein Auftreten abnormen Abriebs, das heißt, ein Blockieren bei der Schrägplatte und der Rutscheinrichtung oder bei der Antriebsnocke und der Hebeeinrichtung des Gleitmechanismus-Abschnitts eine Außerbetriebsetzung der Kraftstoffpumpe verursacht.
Deshalb muss jedes Teil in dem Gleitmechanismus-Abschnitt in Kraftstoff mit geringerer Schmierfähigkeit oder in einem Kraftstoff, der einen oxidativen Bestandteil enthält, oder auch in einem Schmieröl wie zum Beispiel Motoröl von großer Lebensdauer, insbesondere abriebfest und korrosionsbeständig sein.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 8-35075 wird beschrieben, dass eine Ionennitridschicht ausgebildet wird und dass eine harte Schicht, bestehend aus einem Nitrid, einem Karbid oder einem Karbonitrid von wenigstens einer Art, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, auf der Ionennitridschicht durch ein PVD-Verfahren ausgebildet wird. Es ist offenbart, sie auf ein Metallformstück aufzubringen, um die Hafteigenschaften und die Haltbarkeit zu verbessern. Der Blockierwiderstand, die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit unter der Bedingung einer hohen Temperatur und eines hohen Oberflächenpressdrucks werden jedoch nicht erörtert.
In der DE 100 39 169 A1 ist eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff offenbart, um den Kraftstoff zu einem Einspritzventil zu fördern, die eine Gleitfläche eines Maschinenteils der Kraftstoffpumpe aufweist, auf der eine gehärtete Schicht, bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und der karbonitrierten Schicht, ausgebildet ist. Auf der gehärteten Schicht ist eine weitere Schicht ausgebildet, die aus einer Metallver bindung durch Integration von Kohlenstoff oder Stickstoff mittels thermischer Diffusion in die gehärtete Schicht besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffpumpe bereitzustellen, bei der die Gleitmechanismusteile im Inneren der Kraftstoffkammer in einem Schmieröl (Motoröl), oder in einem Kraftstoff, der eine geringere Schmierfähigkeit hat, oder auch in einem Kraftstoff, der einen oxidativen Bestandteil enthält, eine hohe Beständigkeit gegen Kolbenfresser, eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, sowie einen Direkteinspritzmotor bereit zu stellen, der die Kraftstoffpumpe verwendet.
Dieses Ziel wird durch eine Kraftstoffpumpe erreicht, die die Merkmale von Anspruch 1 hat. Bei einer Kraftstoffpumpe, die Kraftstoff unter Druck setzt, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Fahrzeugmotors zu fördern, sind Schichten mit Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit einzeln auf Oberflächen von Teilen ausgebildet, die miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten.
Teile, die in einem Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, sind aus einem abriebfesten Material gefertigt, das hohe Beständigkeit gegen Kolbenfresser, hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit hat, und Teile, die gleiten, indem sie eine Last zwischen den Oberflächen der Teile, die miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, aufnehmen, sind aus einem gesinterten Material der Eisengruppe gefertigt und werden jeweils auf der Oberfläche mit einer Oxidschicht überzogen oder einer Oberflächenbehandlung zum Erhöhen der Oberflächenhärte des Teils selbst selbst unterzogen oder mit einer korrosionsbeständigen und abriebfesten Schicht überzogen.
Eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten, bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf mindestens einer von mehreren Gleitflächen, die durch den Kraftstoff oder Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, und eine Kohlenstoffschicht auf, die eine größere Härte als eine Härte der gehärteten Schicht hat und auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet ist.
Eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten, bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf einer von mehreren Gleitflächen, die durch den Kraftstoff oder Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, und eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten, bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf einer anderen Gleitfläche gegenüber der ersten Gleitfläche sowie eine Kohlenstoffschicht auf, die eine größere Härte als eine Härte der gehärteten Schicht aufweist und auf den Oberflächen der gehärteten Schichten der ersten Gleitfläche und der anderen Gleitfläche ausgebildet ist.
Eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht bestehend aus mindestens einer Schicht ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht auf Gleitflächen, die durch den Kraftstoff oder Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, und eine Kohlenstoffschicht auf, die eine größere Härte als eine Härte der gehärteten Schicht auf den Oberflächen der gehärteten Schichten hat.
Eine Kraftstoffpumpe mit einer Welle, die durch Antreiben eines Fahrzeugmotors in Drehung versetzt ist, einer Nocke, die durch die Rotation der Welle in Drehung versetzt ist, und einem Kolben, der in einem Zylinder durch die Drehbewegung der Nocke über eine Hebeeinrichtung wechselseitig bewegt ist, wobei die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff unter Druck setzt, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht bestehend aus mindestens einer Schicht ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht auf mindestens einer der Gleitflächen des Kolbens und des Zylinders, die miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, und eine Kohlenstoffschicht auf, die eine höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kraftstoff als eine Korrosionsbeständigkeit der gehärteten Schicht hat, wobei die Kohlenstoffschicht auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet ist.
Eine Kraftstoffpumpe mit einer Welle, die durch Antreiben eines Fahrzeugmotors in Drehung versetzt ist, einer Nocke, die durch die Rotation der Welle in Drehung versetzt ist, und einem Kolben, der in einem Zylinder durch die Rotationsbewegung der Nocke über eine Hebeeinrichtung wechselseitig bewegt ist, wobei die Kraftstoffpumpe Kraftstoff unter Druck setzt, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht bestehend aus mindestens einer Schicht ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht auf einer Gleitfläche der Hebeeinrichtung, die über Schmieröl mit der Nocke in Kontakt steht und daran gleitet, und eine Kohlenstoffschicht mit einer größeren Härte als eine Härte der gehärteten Schicht auf, wobei die Kohlenstoffschicht auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet ist.
Eine Kraftstoffpumpe wird vorgesehen, die in ihrem Gehäuse eine Welle zum Übertragen einer Drehbewegung von außen, eine Schrägplatte zum Umwandeln der Rotation der Welle in eine Schwingbewegung und einen Kolben zum Umwandeln der Schwingbewegung der Schrägplatte in eine wechselseitige Bewegung in einem Zylinder über eine Rutscheinrichtung aufweist, wobei die Rutscheinrichtung aus einem gesinterten Eisengruppen-Material gefertigt ist und eine Oxidschicht auf einer Oberfläche der Rutscheinrichtung ausgebildet ist.
Die oben beschriebene Pumpe weist eine gehärtete Schicht bestehend aus mindestens einer Schicht ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, die auf einer äußeren Umfangsfläche des Kolbens und auf einer inneren Umfangsfläche des Zylinders ausgebildet ist, und eine Kohlenstoffschicht mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit und hoher Härte auf, die auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbens ausgebildet ist.
Eine Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Fahrzeugmotors zu fördern, weist eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten, bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders, die als eine Gleitfläche des einen Teils dient, und eine Kohlenstoffschicht auf einer äußeren Umfangsfläche auf, die als eine Gleitfläche des anderen Teils dient, wobei die Gleitflächen über Schmieröl oder den Kraftstoff miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten und ein weiteres Teil, das auf einer Endfläche des oben beschriebenen anderen Teils gleitet, aus einem gesinterten Material der Eisengruppe gefertigt ist und eine Oxidschicht auf einer Oberfläche des weiteren Teils ausgebildet ist.
Ferner ist die vorliegende Erfindung durch einen Direkteinspritzmotor mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einspritzt, vorzugsweise den Kraftstoff gemäß einer Magerverbrennungs-Steuerung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von über 45 einspritzt, und eine Kraftstoffpumpe zum Fördern des Kraftstoffs zu der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gekennzeichnet, wobei die Kraftstoffpumpe eine beliebige der oben beschriebenen Kraftstoffpumpen ist.
Ferner wird bevorzugt, dass das Rutschelement bei der vorliegenden Erfindung aus einem gesinterten Eisengruppen-Material, das einer Karburierungsabschreckbehandlung unterzogen worden ist, oder aus einem gesinterten Eisengruppen-Material gefertigt ist, das mit einer Oxidschicht überzogen ist, die eine Hauptkomponente Fe₃O₄ hat und durch eine Dampfbehandlung bei 500 bis 600°C ausgebildet ist. Es wird bevorzugt, dass das gesinterte Eisengruppen-Material eine Fe-Legierung ist, die 0,2 bis 0,8% C oder 0,2 bis 1,0% C und 1 bis 5% Cu oder 0,2 bis 0,8% C, 0,5 bis 3% Cu und 1 bis 8% Ni auf Gewichtsbasis enthält und eine kleine Menge Poren hat. Die Schmierfähigkeit des gesinterten Eisengruppen-Materials lässt sich durch Imprägnieren der Poren mit einem Schmieröl erhöhen.
Ferner wird bevorzugt, dass die Schrägplatte bei der vorliegenden Erfindung aus einem Gusseisen, einem Maschinenkonstruktions-Legierungsstahl, einem legierten Werkzeugstahl, einem wärmebehandelten martensitischen rostfreien Stahl oder einem oberflächenbehandelten Material irgendeines der oben genannten Materialien gefertigt ist.
Ferner wird bevorzugt, dass nach einer Oberflächenbehandlung die gehärtete Schicht der vorliegenden Erfindung behandelt wird, um schwache Verbindungen zu eliminieren, indem sie bis zu einer Temperatur gewärmt werden, die gleich einer Temperatur oder höher als eine Temperatur der Oberflächenbehandlung ist. Die Diffusionsoberflächenbehandlung wird an einer nitrierten Schicht, einer karbonitrierten Schicht, einer weichnitrierten Schicht, einer salzbadweichnitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht oder einer Verbundschicht aus den oben genannten Schichten durchgeführt. Es wird bevorzugt, dass Fe₃N (weiße chemische Verbindungsschicht) nicht in der nitrierten Schicht der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht ausgebildet ist. Es wird bevorzugt, dass die nitrierte Schicht als nitrierte Schicht des Zylinders bei einer Behandlungstemperatur von unter 450°C ausgebildet ist.
Ferner wird eine Schicht der Kohlenstoffgruppe als die korrosionsbeständige und abriebfeste Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Da die Kohlenstoff enthaltende Schicht eine große Härte und einen kleinen Abrieb hat, und ferner chemisch stabil ist, Reaktivität des Materials mit einem Material des Gleitelements auf der anderen Seite. Deshalb sind die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit wesentlich verbessert. Umso mehr, als die Kohlenstoffgruppen-Schicht aufgrund eines niedrigen Reibungskoeffizienten eine gute Gleitleistung zeigt. Auf der anderen Seite wird bevorzugt, dass als die Kohlenstoffschicht eine diamantförmige oder diamantähnliche Schicht (DLC), eine Metall enthaltende, diamantähnliche Schicht (Me-DVC) oder eine Verbundschicht aus WC und C (WC/C) verwendet wird.
Ferner wird gewünscht, dass für die Gleitelemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, ein martensitischer rostfreier Stahl, ein legierter Stahl oder ein Lagerstahl verwendet wird. Der Zylinder der vorliegenden Erfindung weist ein Loch oder mehrere (drei) Löcher in jedem Block auf und ist vorzugsweise aus einem legierten Werkzeugstahl, der 0,25 bis 0,5% C (vorzugsweise 0,3 bis 0,45%) oder 1 bis 2% C (vorzugsweise 1,3 bis 1,6%) enthält, einem legierten Werkzeugstahl, der 5 bis 13% Cr (vorzugsweise 6,5 bis 8,5%), weniger als 2% Mo (vorzugsweise 0,7 bis 1,5%) und weniger als 1% V (vorzugsweise 0,1 bis 0,6%) enthält, oder einem martensitischen rostfreien Stahl gefertigt. Es wird bevorzugt, dass die als die gehärtete Schicht dienende nitrierte Schicht vorzugsweise durch die Salzbadbehandlung bei einer Behandlungstemperatur von 350 bis 500°C ausgebildet ist, so dass die Dicke der gehärteten Schicht 20 bis 40 μm wird. Auf der anderen Seite wird es bevorzugt, dass der Kolben aus einem legierten Werkzeugstahl, der 1 bis 2% C (vorzugsweise 1,3 bis 1,6%), 10 bis 113,5% Cr (vorzugsweise 11 bis 13%), weniger als 2% Mo (vorzugsweise 0,7 bis 1,5%) und weniger als 1% V (vorzugsweise 0,1 bis 0,6%) enthält, oder einem martensitischen rostfreien Stahl gefertigt ist. Es wird bevorzugt, dass die als die gehärtete Schicht dienende nitrierte Schicht vorzugsweise durch die Ionennitrierbehandlung bei einer Behandlungstemperatur von 350 bis 600°C ausgebildet ist, so dass die Dicke der gehärteten Schicht 70 bis 130 μm wird.
Wenn ferner die Gleitmechanismus-Teile im Inneren der Kraftstoffpumpenkammer in einem Schmieröl (Motoröl) oder dem Kraftstoff (Benzin) aneinander gleiten, sind das Material, die Oberflächenbehandlung und die Kombination aus jedem der Gleitteile optimal eingestellt. In Bezug auf jedes der Gleitteile in dem Schmieröl (Motoröl) wird der Blockierwiderstand unter hoher Gleitgeschwindigkeit (hoher Umfangsgeschwindigkeit) besonders berücksichtigt, und die Materialspezifikation ist so gewählt, dass mit seinem Aufbau ein solches Charakteristikum erzielt werden kann.
Ferner wird in Bezug auf jedes der Gleitteile in dem Kraftstoff (Benzin) die Abriebfestigkeit durch Durchführen der Oberflächenbehandlung verbessert.
Eine diffusionsoberflächenbehandelte Schicht oder eine korrosionsbeständige und abriebfeste gehärtete Schicht ist als die oberflächenbehandelte Schicht ausgebildet. In Bezug auf die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht, wie die Schichten aus der Gruppe der nitrierten Schichten, bei denen die Härte durch Diffusion von hauptsächlich Stickstoff zur Ausscheidung von feinkörnigen Nitraten/Nitriden vergrößert ist, gibt es die nitrierte Schicht, die karbonitrierte Schicht, die weichnitrierte Schicht und die salzbadnitrierte Schicht. Ferner kann auch die Karburierungsbehandlung zum Erzielen hoher Härte durch Diffusion von Kohlenstoff in einem Hochtemperaturbereich mit nachfolgendem Durchführen einer Abschreck- Wärme-Behandlung eingesetzt werden. In der Gruppe der nitrierten Schicht werden Nitrid produzierende Elemente als Nitride ausgebildet, um die Härte höher als die des Basismaterials zu machen, und um ihm Beständigkeit gegen Blockierung zu verleihen, und um die Widerstände des Basismaterials gegen Reibung und Abrieb zu verbessern. Ferner hat die nitrierte Schicht eine Eigenschaft, auch unter einem hohen Oberflächenpressdruck kaum ablösbar zu sein, weil die nitrierte Schicht eine behandelte Schicht ist, die sich in das Basismaterial fortsetzt. Die karbonitrierte Schicht kann in einer tiefen Schicht ausgebildet sein und hat demgemäß eine gute Widerstandsleistung, wenn sie einem hohen Oberflächenpressdruck ausgesetzt ist.
Ferner ist die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht als eine Basisschicht für die Ausbildung der sehr harten Kohlenstoffgruppen-Schicht oder Metallverbindungsschicht mit Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit ausgebildet. Durch Ausbilden der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht kann die Härte des Basismaterials erhöht werden, um die Belastungswiderstands-Eigenschaft gegen einen hohen Oberflächenpressdruck und auch den Ablösewiderstand der harten Schicht zu verbessern.
Durch den oben beschriebenen Aufbau wird der Reibungskoeffizient klein, und ein Anhängen oder Anhaften von einem Material am anderen Material kommt kaum vor. Deshalb kann das Auftreten von anfänglichem Abrieb, normalem Abrieb und Blockieren verhindert werden. Dadurch kann eine Kraftstoffpumpe mit einer hohen Zuverlässigkeit bereitgestellt werden. Die oben genannten Merkmale und die anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachstehend weiter im Detail beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil einer ersten Ausführungsform einer Kraftstoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau der ersten Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Illustration, die den Aufbau der oberflächenbehandelten Schichten bei den ersten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
4 sind graphische Darstellungen, die die Behandlungsprozesse zum Ausbilden der Nitridschicht bei der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
5 ist eine graphische Darstellung, die die Härteverteilung in der Nitridschicht von legiertem Werkzeugstahl bei der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine graphische Darstellung, die die Korrosionsbeständigkeit verschiedener Arten von oberflächenbehandelten Materialien bei der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine graphische Darstellung, die Abriebversuchsergebnisse für verschiedene Arten von oberflächenbehandelten Materialien zeigt.
8 ist eine graphische Darstellung, die Abriebversuchsergebnisse für verschiedene Arten von oberflächenbehandelten Materialien zeigt.
9 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die oberflächenbehandelte Schicht in dem Kolben von 1 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt.
10 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die oberflächenbehandelte Schicht in dem Ansaugventil von 1 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt.
11 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die oberflächenbehandelte Schicht in dem Förderventil von 1 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt.
12 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die oberflächenbehandelten Schichten in der Antriebsnocke und der Hebeeinrichtung von 1 gemäß der Ausführungsform 2 zeigt.
13 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform einer Kraftstoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine Ansicht, die die Hübe bei der zweiten Ausführungsform der Kraftstoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine perspektivische Ansicht, die den Zirkulationsweg des Motoröls zeigt.
16 ist eine graphische Darstellung, die die Versuchsergebnisse für den Blockierwiderstand zwischen verschiedenen Arten von Materialien für die Schrägplatte und die Rutscheinrichtung zeigt.
17 ist eine graphische Darstellung, die die Versuchsergebnisse für den Blockierwiderstand zwischen verschiedenen Arten von Materialien für die Schrägplatte und die Rutscheinrichtung zeigt.
18 ist eine graphische Darstellung, die den Abrieb an der Rutscheinrichtungs-Kugeloberfläche zeigt, der bei einem Abriebversuch erzielt wurde.
19 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Reibungskoeffizient und Temperatur des Motoröls zeigt, wenn die Rutscheinrichtung und der Kolben aneinander gleiten.
20 ist eine mikroskopische Fotografie, die den Querschnitt der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Rutscheinrichtung zeigt.
21 ist eine graphische Darstellung, die die Härteverteilung in der Nitridschicht des legierten Werkzeugstahls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
22 ist eine vergrößerte Teilansicht, die die oberflächenbehandelte Schicht des Kolbens von 13 gemäß der Ausführungsform 4 zeigt.
23 ist eine Ansicht, die die Konstruktion einer Ausführungsform eines Direkteinspritzbenzinmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Die vorliegende Ausführungsform betrifft eine Radialkolben-Kraftstoffpumpe (Einzylindertyp). Die Radialkolben-Kraftstoffpumpe umfasst eine Welle zum Übertragen einer Antriebskraft eines Motors, eine Antriebsnocke zum Umwandeln der Drehbewegung der Welle in eine Schwingbewegung, einen Kolben zum Umwandeln der Drehbewegung der Antriebsnocke innen in einem Zylinder über eine Rutscheinrichtung in eine wechselseitige Bewegung und eine Zylinderbohrung, die mit dem Kolben kombiniert ist, um Kraftstoff anzusaugen und zu fördern, wobei eine nitrierte Schicht, eine karburierungsabgeschreckte Schicht oder eine karburierungsabgeschreckte Schicht, die mit einer sehr harten Schicht der Kohlenstoffgruppe überzogen ist, auf mindestens einer der Oberflächen der oben beschriebenen durch Kraftstoffschmierung gleitenden Mechanismusabschnitte und Pumpenteileabschnitte ausgebildet ist.
1 und 2 zeigen die Details der Radialkolbenpumpe gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, und 2 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Ein Pumpenhauptkörper 100 umfasst einen Kraftstoffansaugdurchgang 110, einen Förderdurchgang 111 und eine Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112. Ein Ansaugventil 105 und ein Förderventil 106 sind in dem Kraftstoffansaugdurchgang 110 und dem Förderdurchgang 111 vorgesehen und werden durch Federn 105a und 106a in einer Richtung gehalten, um jeweils als Absperrventil zum Begrenzen der Fließrichtung des Kraftstoffs zu dienen.
Dort wird ein Kolben 102 eines Unter-Druck-Setzungs-Teils verschiebbar in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 gehalten. Eine Hebeeinrichtung 103, die an dem unteren Ende des Kolbens 102 angeordnet ist, wird durch eine Feder 104 zu einer Nocke 200 geschoben. Der Kolben 102 wird durch die Nocke 200, die durch die Motornockenwelle in Drehung versetzt ist, wechselseitig bewegt und so weiter, um das Volumen im Inneren der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 zu verändern. Wenn das Ansaugventil 105 während des Verdichtungshubs des Kolbens 102 geschlossen ist, wird der Druck innen in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 erhöht. Dadurch öffnet sich automatisch das Förderventil 106, um den Kraftstoff unter Druck zu setzen und zu einem Common-Rail 153 zu fördern. Obwohl das Ansaugventil 105 sich automatisch öffnet, wenn der Druck der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 niedriger als der Druck an dem Kraftstoffeinlasskanal wird, wird das Schließen des Ansaugventils 105 durch die Einwirkung eines Solenoids 300 bestimmt.
Das Solenoid 300 ist an dem Pumpenhauptkörper 100 angebracht. In dem Solenoid 300 sind ein Verbindungsteil 301 und eine Feder 302 angeordnet. Wenn sich das Solenoid 300 im AUS-Zustand befindet, wird eine Kraft auf das Verbindungsteil 301 in einer Richtung ausgeübt, die das Ansaugventil 105 durch die Feder 302 öffnet. Da die von der Feder 302 ausgeübte Kraft größer als die von der Feder 105 des Ansaugventils ausgeübte Kraft ist, ist das Ansaugventil 105 in einem offenen Zustand, wenn sich das Solenoid im AUS-Zustand befindet, wie in 1 gezeigt.
Wenn der Hochdruck-Kraftstoff von dem Pumpenhauptkörper 100 zugeführt wird, wird das Solenoid 300 in den EIN-Zustand (stromführenden Zustand) gebracht. Wenn die Kraftstoffzufuhr gestoppt ist, ist der Strom zu dem Solenoid 300 unterbrochen, so dass das Solenoid 300 in den AUS-Zustand (nicht stromführenden Zustand) gebracht wird.
Während das Solenoid 300 in dem EIN-Zustand (stromführenden Zustand) gehalten ist, wird eine Magnetkraft, die größer als die Ausübungskraft der Feder 302 ist, erzeugt, um das Verbindungsteil 301 zu der Seite des Solenoids 300 hin anzuziehen. Deshalb wird das Verbindungsteil 301 von dem Ansaugventil 105 getrennt. Unter den oben beschriebenen Bedingungen wird das Ansaugventil 105 ein automatisches Ventil, das sich im Gleichlauf mit der wechselseitigen Bewegung des Kolbens 102 öffnet und schließt. Demgemäß ist das Ansaugventil 105 während des Verdichtungshubs geschlossen, und der Kraftstoff wird entsprechend dem reduzierten Volumen der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 unter Druck gesetzt und zu dem Common-Rail 153 gefördert, indem er das Förderventil 106 aufdrückt.
Wenn das Solenoid 300 dagegen in dem AUS-Zustand (nicht stromführenden Zustand) gehalten ist, wird das Verbindungsteil 301 durch die Ausübungskraft der Feder 302 mit dem Ansaugventil 105 verbunden, um das Ansaugventil 105 im Öffnungszustand zu halten. Deshalb kann, da der Druck der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 sogar während des Verdichtungshubs in einem Niederdruckzustand fast gleich dem Druck an dem Kraftstoffeinlasskanalabschnitt gehalten wird, das Förderventil 106 nicht geöffnet werden, und demgemäß wird der Kraftstoff entsprechend dem reduzierten Volumen der Unter- Druck-Setzungs-Kammer über das Ansaugventil 105 auf die Kraftstoffeinlasskanalseite zurückgebracht.
Wenn das Solenoid 300 ferner während des Verdichtungshubs in den EIN-Zustand gebracht wird, wird auf der Stelle damit begonnen, den Kraftstoff unter Druck zu setzen und zu dem Common-Rail 153 zu fördern. Wenn ferner einmal damit begonnen wurde, den Kraftstoff unter Druck zu setzen und zu fördern, behält das Ansaugventil 105 den geschlossenen Zustand, auch wenn das Solenoid 300 nach dem Einsetzen der Kraftstoffförderung in den AUS-Zustand gebracht wird, weil der Druck innen in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 erhöht ist.
Der Systemaufbau des Kraftstoffzuführsystems unter Verwendung der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Kraftstoff in einem Tank 150 wird durch eine Niederdruckpumpe 151 zu dem Kraftstoffeinlasskanal des Pumpenhauptkörpers 100 geleitet und durch eine Druckreguliereinrichtung 152 auf einen konstanten Druck reguliert. Dann wird der Kraftstoff durch den Pumpenhauptkörper 100 unter Druck gesetzt, um unter Druck gesetzt und über den Kraftstoffförderkanal zu dem Common-Rail 153 gefördert zu werden. Einspritzeinrichtungen 154, ein Entlastungsventil 155 und ein Drucksensor 156 sind in dem Common-Rail 153 angeordnet. Die Anzahl der angebrachten Einspritzeinrichtungen 154 entspricht der Anzahl der Zylinder des Motors, und die Einspritzeinrichtung 154 spritzt Kraftstoff gemäß einem Signal von einer Motorsteuereinheit (ECU) in den Zylinder. Ferner verhindert das Entlastungsventil 155 dadurch, dass es geöffnet ist, wenn der Druck in dem Common-Rail einen vorgegebenen Wert übersteigt, dass die Rohrleitung beschädigt wird.
Bei der Radialkolben-Kraftstoffpumpe, wie sie oben beschrieben ist, sind die Hauptteile, die unter den in dem Kraftstoff betriebenen Teilen korrosionsbeständig und abriebfest sein müssen, der Kolben des Unter-Druck-Setzungs-Teils der Pumpenkammer und eine Zylinderbohrung, die eine Gleitbohrung zum wechselseitigen verschiebbaren Abstützen des Kolbens hat. Insbesondere ist der Radialspalt zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung so ausgelegt, dass er kleiner als 10 μm ist, um die Kraftstoffleckage aus der Unter-Druck-Setzungs-Kammer zu minimieren. Deshalb verschlechtert sich die Pumpenleistung, wenn der Radialspalt durch Abrieb vergrößert wird.
Ferner muss der Kolben auch in einem Gleitabschnitt mit einer Wellendichtung zum Abdichten zwischen dem Kraftstoff und dem Öl korrosionsbeständig und abriebfest sein. Abrieb in dem Gleitabschnitt ist unerwünscht, da das Öl verdünnt wird, was die Schmierleistung vermindert, und die Kraftstoffersparnis sich verschlechtert, wenn das Öl in den Kraftstoff ausläuft.
Die Materialzusammensetzungen für den Kolben und den Zylinderblock werden wie folgt ausgewählt. Da der Außenumfang des Kolbens anfänglich an der Zylinderbohrung unter Linearkontaktbedingungen gleitet, wird der Oberflächenpressdruck (Hertzsche Pressung) groß. Deshalb sind die Materialien vorzugsweise von großer Härte. Zur Verwendung für den Zylinderblock wird ein martensitischer rostfreier Stahl wie zum Beispiel ein Material vom Typ SUS440C oder ein Material vom Typ SUS420J2 abgeschreckt und getempert. Der martensitische rostfreie Stahl hat eine gute Ergiebigkeit, da ein Produktformstück durch Pressen erhalten werden kann. Ein legierter Werkzeug stahl (ein Material vom Typ SKD61, ein Material vom Typ SKD11 oder dergleichen) oder ein Lagerstahl kann zur Verwendung für den Zylinderblock abgeschreckt und getempert werden.
Die Härte der Materialien vom Typ SUS440C und SUS420J2 wird durch Abschrecken und Tempern Hv 500 bis 700. Ferner haben diese Materialien wegen des rostfreien Stahls eine gute Korrosionsbeständigkeit.
Dasselbe kann für das Material des Kolbens gesagt werden. Der Kolben wird jedoch unter einem Oberflächenpressdruck verwendet, der höher als der des Zylinderblocks ist, und das Material des Kolbens wird einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um durch weitere Erhöhung seiner Härte die Abriebfestigkeit zu erzielen.
3 zeigt Oberflächenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung. Jede der Oberflächenstrukturen ist in einer komplexen oberflächenbehandelten Schicht ausgebildet, die erzielt wird, indem eine diffusionsoberflächenbehandelte Schicht einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht oder einer karbonitrierten Schicht in dem Basismaterial ausgebildet wird und dann die Oberfläche mit einer sehr harten Kohlenstoffgruppen-Schicht, die korrosionsbeständig und abriebfest ist, überzogen wird.
Die Oberflächenstruktur von 3(a) besteht aus der Kohlenstoffgruppen-Schicht und einer diffusionsoberflächenbehandelten Schicht I. Die Oberflächenstruktur von 3(b) ist aus der Kohlenstoffgruppen-Schicht und einer diffusionsoberflächenbehandelten Schicht II zusammengesetzt.
Die Diffusionsoberflächen-Schicht I ist eine Nitriergruppen-Schicht, bei der die Härte durch Diffusion von hauptsächlich Stickstoff mittels einer Behandlung in einem Niedrigtemperaturbereich erhöht ist, die die Eigenschaft des Basismaterials, feine Nitridkörner auszuscheiden, nicht verschlechtert, und als Nitriergruppen-Schichten gibt es eine nitrierte Schicht, eine karbonitrierte Schicht, eine weichnitrierte Schicht und eine salzbadweichnitrierte Schicht. Eine harte Oberflächenschicht mit einer Oberflächenhärte über Hv 1000 lässt sich leicht ausbilden, aber die Dicke der behandelten Schicht ist relativ dünn. Ferner hat die Nitriergruppen-Schicht die Eigenschaft, kaum kleben zu bleiben, und demgemäß kann die Reaktivität gegen Reibung und Abrieb des Materials verbessert sein.
Die Diffusionsoberflächen-Schicht II ist eine Karburierungsgruppen-Schicht, bei der die hohe Härte durch Diffusion von Kohlenstoff in einem Hochtemperaturbereich und anschließendes Durchführen einer Abschreck-Wärme-Behandlung erzielt wird. Die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht II ist eine gehärtete Schicht, die eine größere Tiefe als die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht I hat und demgemäß eine gute Belastungswiderstandsleistung beim Aufnehmen eines hohen Oberflächenpressdrucks aufweist.
Jede dieser diffusionsoberflächenbehandelten Schichten hat die Eigenschaft, sich auch unter einem hohen Oberflächenpressdruck kaum abzulösen, da sich die behandelte Schicht bis in das Basismaterial fortsetzt. Ferner wirkt sich die Erhöhung der Härte des Basismaterials und das Überziehen der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht dahingehend aus, dass die Belastungswiderstandsleistung gegen hohen Oberflächenpressdruck und gleichzeitig der Ablösewiderstand der harten Schicht verbessert sein können.
Zur Erfüllung der oben beschriebenen Zieleigenschaften sind die Struktur und die Oberflächenform der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht I wichtig, die als die Basis für die korrosionsbeständige und abriebfeste harte Schicht dienen soll. Das heißt, es ist notwendig, dass die Oberfläche der nitrierten Schicht keine Struktur oder Form hat, die den Ablösewiderstand der harten Schicht verschlechtert.
Ein Ionennitrierverfahren besteht darin, dass ein zu behandelnder Gegenstand auf der Kathodenseite in einem drucklosen Behälter (einer Anode) platziert wird, und nach Zuführen eines Stickstoff-Prozessgases (N₂) und eines Verdünnungsgases (H₂) in den drucklosen Behälter eine Gleichstromentladung (Glühentladung) durch Anlegen einer hohen Gleichspannung zwischen der Anode und der Kathode zur Diffusion von durch das Gleichstromplasma ionisierten Stickstoffatomen in das Innere des Gegenstands hinein erzeugt wird.
Gemäß einer allgemeinen Ionennitrierbehandlung wird eine spröde ε-Phase (Fe₂N, Fe₃N), die als eine weiße Verbindungsschicht aus Fe-Nitrid bezeichnet wird, auf dem obersten Oberflächenabschnitt ausgebildet. Als ein Verfahren zum Entfernen der spröden weißen Verbindung sind auch eine Nitrierbehandlung und eine Diffusionsbehandlung anwendbar. In diesem Fall kann die Härte der nitrierten Schicht gesteuert werden.
4 sind graphische Darstellungen, die die Behandlungsprozesse zur Steuerung der Härte der nitrierten Schicht zeigen, die bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In diesem Fall kann das Gasnitrierverfahren auf die Nitrierbehandlung während des Behandlungsprozesses angewendet werden. Das Ionennitrierverfahren (das Plasmanitrierverfahren), mit dem die Verbindung der Oberflächenschicht durch Variieren der Gaszusammensetzung weitgehend gesteuert werden kann, ist jedoch geeigneter.
Der in der Abbildung gezeigte Behandlungsprozess (a) ist ein Prozess, bei dem die Nitrierbehandlung und der Diffusionsprozess kontinuierlich durchgeführt werden. Bei dem Ionennitrierbehandlungsverfahren wird der drucklose Behälter gekühlt, und die Temperatur des zu behandelnden Gegenstandes kann durch die zugeführte elektrische Energie (elektrische Entladungsenergie) willkürlich angehoben und aufrechterhalten werden. Ferner hat der Behandlungsprozess (a) einen Vorteil, weil sich hier durch Steuerung der Gaszusammensetzung die Atmosphäre von der Stickstoffatmosphäre zu der Nicht-Stickstoff-Atmosphäre (Diffusion) ändern lässt.
Der in der Abbildung gezeigte Behandlungsprozess (b) ist ein Prozess, bei dem die Nitrierbehandlung und der Diffusionsprozess nicht kontinuierlich durchgeführt werden. Die Nitrierbehandlung wird mittels des Ionennitrierverfahrens durchgeführt, und der Diffusionsprozess wird durch Anheben und Aufrechterhalten der Temperatur unter Verwendung eines Vakuum-Wärmebehandlungsofens durchgeführt. Es ist möglich, einen Prozess in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Inertgasatmosphäre aus N₂, Ar oder dergleichen, unter Verwendung eines Atmosphärendruck-Wärmebehandlungsofens einzusetzen.
5 ist eine graphische Darstellung, die die Härteverteilung in der Nitridschicht von legiertem Werkzeugstahl vom Typ SKD11 zeigt, der bei der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ausbildung des Kolbens verwendet wird. Bei der Oberflächenhärte der nitrierten Schicht war ein Wert von über Hv 1000 zum Ziel gesetzt, und bei der gehärteten Tiefe mit einem Wert von über Hv 500 waren über 0,1 mm zum Ziel gesetzt. Die Behandlungsbedingungen sind wie folgt: die Behandlungstemperatur beträgt 530°C, die Behandlungszeit ist 8 Stunden, die Gaszusammensetzung N₂/H₂ = 1/3 und der Behandlungsdruck 400 Pa. Aus der Härteverteilung für den nur nitrierbehandelten Werkzeugstahl vom Typ SKD11 wird ersichtlich, dass die Härte von der Oberfläche bis zu einer Position von 25 μm Tiefe Hv 1060 beträgt und dann allmählich zu der Innenseite hin abnimmt, um schließlich die Härte des Basismaterials zu erreichen.
Der Diffusionsprozess wurde unter Verwendung des behandelten Gegenstands mit der oben genannten Härteverteilung durchgeführt. Das Diffusionsverfahren wird mittels des Ionennitrierverfahrens unter der Bedingung durchgeführt, dass die Behandlungstemperatur 550°C, die Behandlungszeit 2,5 Stunden beträgt, das Prozessgas sich nur aus H₂ zusammensetzt und der Behandlungsdruck 400 Pa beträgt. Aus der Härteverteilung für den Werkzeugstahl, der nach der Nitrierbehandlung einem Diffusionsprozess unterzogen wurde, wird ersichtlich, dass die Härte von der Oberfläche bis zu einer Position von 25 μm Tiefe Hv 1010 beträgt und dann allmählich zu der Innenseite hin abnimmt, um schließlich die Härte des Basismaterials zu erreichen.
Gemäß einem Analyseergebnis für die Oberflächenschicht wurde die ε-Phase der weißen Verbindung bestehend aus Fe₂N, Fe₃N eliminiert. Durch Durchführung der Nitrierbehandlung und des Diffusionsprozesses ist es nicht notwendig, die Oberfläche der spröden ε-Phase abzuschleifen, und es ist auch möglich, die nitrierte Schicht mit einer gesteuerten Härte und Festigkeit auszubilden.
Ausgehend von den Ergebnissen wird durch Durchführung des Nitrierprozesses und des Diffusionsprozesses, die bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, die nitrierte Schicht mit einer gesteuerten Härte und Festigkeit ausgebildet. Ferner kann die Verbindung auf der Oberflächenschicht gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, eine Diffusionsoberflächenschicht bereitzustellen, auf der eine sehr harte Kohlenstoffgruppen-Schicht ausgebildet werden soll.
6 zeigt die Korrosionsbeständigkeit für verschiedene Arten von Materialien. Die graphische Darstellung zeigt die Beziehung zwischen natürlichem Potenzial und Grübchenkorrosionspotenzial in einer Lösung, die 13,5 Vol.-% Ethylalkohol in Wasser enthält und eine Säure-Ionen-Konzentration mit einem Gesamtsäurewert von 0,13 mgKOH/g hat. Ein Material mit einem höheren natürlichen Potenzial und einem höheren Grübchenkorrosionspotenzial hat eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die verschiedenen Arten von rostfreiem Stahl sind in einem höheren natürlichen Potenzialbereich und einem höheren Grübchenkorrosionspotenzialbereich und haben demgemäß eine gute Korrosionsbeständigkeit. Dagegen sind der Werkzeugstahl vom Typ SKD11 und die nitrierten Materialien des Werkzeugstahls in einem niedrigeren Bereich. Ferner wird ersichtlich, dass das nitrierte Material aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS440 auch in dem niedrigeren Bereich liegt und demgemäß durch die Nitrierbehandlung die Korrosionsbeständigkeit vermindert wird.
Es wird angenommen, dass die Kraftstoffpumpe mit Benzin versetzten Methylalkohol oder Benzin mit Methylalkohol oder verschlechtertes Benzin verwendet. Falls derartiges Benzin verwendet wird, muss in Erwägung gezogen werden, dass das Material dahingehend beeinflusst wird, dass es aufgrund des Vermischens des Wassergehalts und des Vermischen des Säuregehalts oxidiert wird. Das heißt, ein Korrosionsabriebphänomen kann auftreten, wenn sich die Kontaktabschnitte der Gleitmechanismusabschnitte in einer oxidierenden Umgebung befinden. In einem solchen Fall ergibt sich ein Problem daraus, dass die Umgebung für den Abrieb ungünstiger wird, und demgemäß die Abriebmenge in dem Gleitabschnitt vergrößert sein wird.
Deshalb ist bei der vorliegenden Erfindung die sehr harte korrosionsbeständige und abriebfeste Kohlenstoffgruppen-Schicht, wie in 3 gezeigt, auf der obersten Oberfläche des Materials ausgebildet. Die Kohlenstoffgruppen-Schicht besteht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC).
Die Kohlenstoffgruppen-Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) ist beispielsweise durch das Hochfrequenz-Plasma-CVD-Verfahren, das Ionisations-Bedampfungs-Verfahren, ein unsymmetrisches Magnetron-Sputter-Verfahren und so weiter ausgebildet; das Verfahren ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
Die Kohlenstoffgruppen-Schicht, die durch diese Verfahren ausgebildet ist, hat aufgrund der feinkörnigen Struktur und der nicht-metallischen Eigenschaft eine gute Korrosionsbeständigkeit. Aus 6 wird ersichtlich, dass der diamantähnliche Kohlenstoff (DLC) im oberen Bereich des natürlichen Potenzials und des Grübchenkorrosionspotenzials liegt und demgemäß eine gute Korrosionsbeständigkeit hat. Ferner sind TiN, TiAlN und CrN (das Basismaterial ist SKD11) verglichen mit den verschiedenen Arten rostfreien Stahls außer SUS304 auch im oberen Bereich des natürlichen Potenzials und des Grübchenkorrosionspotenzials und haben demgemäß eine gute Korrosionsbeständigkeit. Wie oben beschrieben, ist die Korrosionsbe ständigkeit des mit dem diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC) überzogenen SKD11-Stahls im Vergleich zu der des Basismaterials des SKD11-Stahls wesentlich verbessert.
Die Kohlenstoffgruppen-Schicht hat ferner die Wirkung, das Metall-Transfer-Bonding-Phänomen zu unterdrücken, das zwischen dem Basismaterial und dem Paarmaterial verursacht wird, besitzt einen kleinen Reibungskoeffizienten und verhindert anfänglichen Abrieb, normalen Abrieb und Blockieren. Deshalb zeigte der SKD-Stahl mit Kohlenstoffgruppen-Schicht verglichen mit den verschiedenen Arten der in 7 und 8 gezeigten Materialien eine kleinere Menge an Abrieb. Ferner hat die SKD-Schicht mit Kohlenstoffgruppen-Schicht eine gute Korrosionsbeständigkeit. Ausgehend von diesen Fakten kann der SKD-Stahl mit Kohlenstoffgruppen-Schicht für ein Gleitteil verwendet werden, das in einem Kraftstoff in einer ungünstigen Korrosionsumgebung betrieben wird.
Dies ist der Grund, warum die in 3 gezeigte Oberflächenstruktur für den Kolben 102 eingesetzt wird. 9 ist eine detaillierte Ansicht, die einen Teil des Kolbens in der Ausführungsform 1 zeigt. Der Kraftstoff Benzin wird durch das Ansaugventil 105 zugeführt und dann in die Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 eingeleitet. Da der Kraftstoff in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 unter Druck gesetzt wird, fließt der Kraftstoff durch den Radialspalt zum Gleiten des Kolbens 102 an der Gleitbohrung 108a des Innenabschnitts des Zylinders 108 nach außen aus. Die Leckagemenge wird durch Abdichten der Leckage unter Verwendung einer Dichtung 120 minimiert.
Abrieb tritt auf durch das Gleiten zwischen dem Zylinder und dem Kolben und zwischen dem Kolben und der Dichtung. Um dem Abrieb der Dichtung 120 (eines elastischen Körpers, beispielsweise, aus Gummi) und des Kolbens 102 und dem Abrieb des Kolbens 102 und der Zylindergleitbohrung 108a Rechnung zu tragen, sind eine diffusionsoberflächenbehandelte Schicht und eine oberflächenbehandelte Schicht 102a einer sehr harten korrosionsbeständigen und abriebfesten Kohlenstoffgruppen-Schicht in dem Kolben 102 ausgebildet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die korrosionsbeständige und abriebfeste harte Schicht und die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht I von 3(a) in der oberflächenbehandelten Schicht 102a ausgebildet. Der legierte Stahl vom Typ SKD11 wird als das Basismaterial eingesetzt, und eine in 5 gezeigte 100 μm dicke nitrierte Schicht ist als die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht I ausgebildet. Die Oberfläche ist mit einer 1,5 μm dicken DLC-Schicht überzogen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine aus einem elastischen Körper gefertigte Dichtung 120 in dem Außenumfang des Kolbens 102 angeordnet, um zu verhindern, dass Öl zum Schmieren einer Nocke 200 in das Innere der Kraftstoffpumpe fließt und dass der innen in der Pumpe befindliche Kraftstoff herausfließt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Dichtung 120 mit einem Metallrohr 120a zu einem Einzelteil vereinigt und auf den Pumpenhauptkörper 100 pressgepasst. Das Befestigungsverfahren ist aber nicht auf das oben genannte beschränkt.
Ferner besteht die Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 aus dem Zylinder 108, der die Gleitbohrung zum wechselseitigen verschiebbaren Abstützen des Kolbens 102 hat. Der Bohrungsabschnitt des Zylinders 108 besteht aus der Gleitbohrung 108a mit einem Radialspalt zwischen der Gleitbohrung 108a und dem Kolben 102 von unter 10 μm zum Minimieren der Kraftstoffleckage aus der Unter-Druck-Setzungs- Kammer und aus einer expandierenden Innenwand 108b zum Ausbilden der Unter-Druck-Setzungs-Kammer.
Ferner ist ein vertikaler Durchgang 109, der mit der Gleitbohrung 108a in Verbindung steht, in dem Außenumfangsabschnitt des Zylinders 108 vorgesehen, und der vertikale Durchgang 109 steht mit einem Kraftstoffansaugdurchgang 110 in Verbindung, der über einen horizontalen Durchgang 110b mit einem Kraftstoffeinlasskanal 110a in Verbindung steht. Ein Absperrventil 400 zum Beschränken einer Fließrichtung von der Seite des Kraftstoffansaugdurchgangs 110 zu der Seite des vertikalen Durchgangs 109 ist in dem Einlasskanal des horizontalen Durchgangs 110b vorgesehen.
Durch den oben beschriebenen Aufbau kann der Kraftstoff, der beim Unter-Druck-Setzungs-Hub von der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 durch den Spalt zwischen der Gleitbohrung 108a und dem Kolben 102 fließt, zu dem Niederdruck-Abschnitt auf der Seite des Kraftstoffansaugdurchgangs 110 hin fließen. Deshalb wird der Druck auf der Kraftstoffkammerseite der Dichtung 120 gleich dem Druck in dem Kraftstoffansaugdurchgang 110, und demgemäß ist es möglich, zu verhindern, dass der Kraftstoff nach außen ausläuft, ohne die Steifigkeit der Dichtung 120 groß zu erhöhen.
Da die Kraftstoffleckage in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 durch den Spalt in dem Kolbengleitabschnitt auf das Minimum unterdrückt werden kann, ist es ferner möglich, die Effizienz der Pumpenförderung bei Normalbetrieb zu verbessern.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Hauptteile, die unter den im dem Kraftstoff betriebenen und gleitenden Teilen korrosionsbeständig und abriebfest sein müssen, das Ansaugventil 105 und das Förderventil 106, die in dem Kraftstoffansaugdurchgang 110 und dem Förderdurchgang 111 vorgesehen sind, und der Kolben 102 des Unter-Druck-Setzungs-Teils der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 und der Zylinder 108, der die Gleitbohrung zum wechselseitigen verschiebbaren Abstützen des Kolbens 102 aufweist.
Insbesondere ist der Radialspalt zwischen dem Kolben 102 und dem Zylinder 108 auf einen Wert kleiner als 10 μm eingestellt, um die Kraftstoffleckage aus der Unter-Druck-Setzungs-Kammer zu minimieren. Deshalb kann die Pumpenleistung durch Vergrößerung des Radialspalts aufgrund von Anhaften, verursacht durch Blockieren oder abnormen Abrieb, reduziert sein.
Im Folgenden wird eine Anwendung der vorliegenden Ausführungsform auf die anderen Abriebabschnitte beschrieben. 10 ist eine detaillierte Ansicht, die einen Teil des Ansaugventils 105 zeigt, und 11 ist eine detaillierte Ansicht, die einen Teil des Förderventils 106 zeigt.
In dem Abschnitt des in 10 gezeigten Ansaugventils 105 wird Kraftstoff von dem Kraftstoffansaugdurchgang 110 zugeführt und durch den Spalt zwischen einer Kugel 142 und dem Ansaugventil 105 in die Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 gesaugt, wenn eine Kolbenstange 140 wechselseitig bewegt wird. Die Abschnitte, die das Abriebproblem haben, sind A: die Kontaktabschnitte der Kugel 142 und des Ansaugventils 105; B: die Gleitabschnitte des Ansaugventils 105 und der Absperrventilführung 143; C: die Abschnitte der Kolbenführung 141 und der Blattabschnitt des Ansaugventils 105; und D: der Abstützabschnitt der Kolbenstange 140.
In dem Abschnitt des in 11 gezeigten Förderventils 106 wird der Kraftstoff in der Unter-Druck-Setzungs-Kammer 112 unter Druck gesetzt, und durch Öffnen und Schließen des Förderventils 106 gefördert. Die Abschnitte, die das Abriebproblem haben, sind E: der Kontaktabschnitt des Absperrventilblatts 107 und des Förderventils 106; und F: die Kontaktabschnitte des Förderventils 106 und der Absperrventilhalteeinrichtung 130.
Um dem Abrieb in jedem der oben beschriebenen Abschnitte Rechnung zu tragen, wurde bei jedem der Teile eine oberflächenbehandelte Schicht bestehend aus einer diffusionsoberflächenbehandelten Schicht und einer sehr harten korrosionsbeständigen und abriebfesten Kohlenstoffgruppen-Schicht ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurden die oberflächenbehandelten Schichten 105b und 107a bestehend aus der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht und der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht I von 3(a) jeweils in dem in 10 gezeigten Ansaugventil 105 und dem in 11 gezeigten Absperrventilblatt 107 ausgebildet. Rostfreier Stahl SUS420J wurde als das Basismaterial eingesetzt, und die 50 μm dicke nitrierte Schicht wurde als die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht I ausgebildet. Eine WC/C-Schicht von 2 μm Dicke wurde auf der Oberfläche ausgebildet.
Eine Reihe von Dauerprüfungen wurde unter Verwendung einer tatsächlichen Radialkolbenpumpe von 1 mit dem oben beschriebenen Kraftstoffkammeraufbau durchgeführt. Das Ergebnis der Prüfung war, dass die Pumpe ohne jegliche Abnormität betrieben werden und einen stabilen Wert bei der Benzin-Förderleistung erreichen konnte. Nach Beendigung der Dauerprüfung wurde die Pumpe auseinander genommen, um die Teile in der Kraftstoffkammer zu untersuchen. Das Ergebnis der Untersuchung war, dass bei keinem der Teile das Auftreten irgendeines abnormen Abriebs gefunden werden konnte, und alle Teile sich im normalen Abriebszustand befanden. Ferner war die Abriebmenge der Teile in den abgeriebenen Abschnitten des Ansaugventils 105 und des Förderventils 106 klein. Dagegen wurde bei einer unbehandelten Radialkolbenpumpe in dem äußeren Radialumfang des Kolbens 11 und dem Gleitabschnitt der Dichtung 17 eine Verminderung der Dicke aufgrund von Abrieb beobachtet.
Aus den oben erwähnten Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Pumpe das Anhaften zwischen den Gleitteilen kaum auftritt und die Abriebfestigkeit verbessert ist. Da die oberflächenbehandelte Schicht, bestehend aus der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht und der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht, ausgebildet ist, lässt sich die korrosionsbeständige und abriebfeste Schicht kaum ablösen und hat demgemäß gute Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. Durch diese Eigenschaften ist die Abriebfestigkeit in der ungünstigen Umgebung verbessert, und demgemäß kann die zum Ziel gesetzte Kraftstoffpumpe erhalten werden.
Ausführungsform 2
12 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil der Radialkolbenpumpe von 1 detailliert zeigt. Es wird nun eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der ein Gleitmechanismusabschnitt, der korrosionsbeständig und abriebfest sein muss, in der Radialkolbenpumpe von 1 ausgeführt ist. 12 zeigt die Ausführungsform in Bezug auf einen Gleitabschnitt zwischen einer Antriebsnocke, die durch Übertragung einer Antriebskraft des Motors auf die Nocke in Drehung versetzt wird, und einer Hebeeinrichtung zur Umwandlung der Drehbewegung der Antriebsnocke in die wechselseitige Bewegung des Kolbens.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Schmierung zwischen der Antriebsnocke und dem Hebeeinrichtungsabschnitt unzureichend ist, weil dem Abschnitt Motoröl in einem Sprühzustand zugeführt werden kann. Da die Antriebsnocke sich mit einer hohen Geschwindigkeit gleich der Drehgeschwindigkeit des Motors oder halb so schnell bewegt, wird die relative Gleitgeschwindigkeit auf der Hebeeinrichtungsoberfläche +30 m/s bis –4 m/s. Ferner steht die Antriebsnocke unter einem Druck von über 500 MPa mit dem Hebeeinrichtungsabschnitt in Kontakt. Deshalb bilden die Antriebsnocke und der Hebeeinrichtungsabschnitt einen mechanischen Abschnitt, der unter den Bedingungen einer hohen Umfangsgeschwindigkeit und hohem Oberflächenpressdruck gleitet, und demgemäß müssen sie abriebfest sein. Zur Verbesserung der Abriebfestigkeit der Antriebsnocke und des Hebeeinrichtungsabschnitts wird an der Oberfläche der Hebeeinrichtung eine nitrierte Schicht vorgesehen und in der Oberfläche eine sehr harte Kohlenstoffgruppen-Schicht ausgebildet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform bestand die oberflächenbehandelte Schicht 103a der Hebeeinrichtung 103 aus der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht und der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht I von 3(a). Der legierte Werkzeugstahl vom Typ SKD11 wurde als das Basismaterial eingesetzt, und eine in 5 gezeigte 100 μm dicke nitrierte Schicht wurde als die diffusionsoberflächenbehandelte Schicht I ausgebildet. Eine 1,5 μm dicke DLC-Schicht wurde auf der Oberfläche ausgebildet. Für die Antriebsnocke wird ein Gusseisen verwendet.
Eine Reihe von Dauerprüfungen wurde unter Verwendung einer tatsächlichen Radialkolbenpumpe von 1 mit dem oben beschriebenen Antriebsnocken- und Hebeeinrichtungsaufbau durchgeführt. Das Ergebnis der Prüfung war, dass die Pumpe ohne jegliche Abnormität betrieben werden und einen stabilen Wert bei der Benzin-Förderleistung erreichen konnte. Nach Beendigung der Dauerprüfung wurde die Pumpe auseinander genommen, um die Teile in der Kraftstoffkammer zu untersuchen. Das Ergebnis der Untersuchung war, dass bei keinem der Teile das Auftreten irgendeines abnormen Abriebs gefunden werden konnte, und alle Teile sich im normalen Abriebszustand befanden. Ferner war die Abriebmenge der Teile in den abgeriebenen Abschnitten der Antriebsnocke 200 und des Hebeeinrichtungsabschnitts 103 klein. Dagegen wurde bei einem unbehandelten Hebeeinrichtungsabschnitt 103 ein Auftreten von Abblättern und eine Verminderung der Dicke aufgrund von Abrieb beobachtet.
Aus den oben erwähnten Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Pumpe das Anhaften zwischen den Gleitteilen kaum auftritt und die Abriebfestigkeit verbessert ist. Da die oberflächenbehandelte Schicht bestehend aus der korrosionsbeständigen und abriebfesten sehr harten Kohlenstoffgruppen-Schicht und der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht ausgebildet ist, lässt sich die korrosionsbeständige und abriebfeste Schicht kaum ablösen und hat demgemäß gute Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. Durch diese Eigenschaften ist die Abriebfestigkeit in der ungünstigen Umgebung verbessert, und demgemäß kann die zum Ziel gesetzte Kraftstoffpumpe erhalten werden.
Ausführungsform 3
13 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Axialkolben-Kraftstoffpumpe vom Schrägplattentyp (Drei-Zylinder-Typ) zeigt. Die Schrägplattentyp-Axialkolben-Pumpe weist eine Welle 1 zum Übertragen einer Antriebskraft von außen in das Innere des Gehäuses, eine Schrägplatte 9 zum Umwandeln der Drehbewegung über die Welle in eine Schwingbewegung, Kolben zum Umwandeln der Drehbewegung der Schrägplatte über eine Rutscheinrichtung 10 in eine wechselseitige Bewegung und Zylinderbohrungen 13 zum Ansaugen und Fördern von Kraftstoff auf, wobei jede der Zylinderbohrungen mit jedem der Kolben 11 verbunden ist. Die glatten Oberflächen der Schrägplatte 9 und der Rutscheinrichtung 10, die durch ein Schmieröl (Motoröl) geschmiert sind, sind so ausgelegt, dass für sie ein Material verwendet wird, das unter Berücksichtigung des Blockierwiderstands in einem Bereich hoher Rutschgeschwindigkeit (hoher Umfangsgeschwindigkeit) ausgewählt ist, und die kugelförmigen Abschnitte der Rutscheinrichtung 10 und des Kolbens 11 sind so ausgelegt, dass für sie ein Material verwendet wird, das unter Berücksichtigung der Abriebfestigkeit bei Linearkontakt unter einem hohen Oberflächenpressdruck ausgewählt ist. Die Rutscheinrichtung 10 ist aus einem gesinterten Eisengruppen-Teil mit einer Oxidschicht gefertigt. In Bezug auf die Rutschflächen des Kolbens 11 und des zylindrischen Rutschabschnitts der Zylinderbohrung 13, die durch Kraftstoff (Benzin) geschmiert sind, ist eine gehärtete Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karbonitrierten Schicht und einer karburierungsabgeschreckten Schicht, auf beiden Oberflächen ausgebildet. Oder es ist eine gehärtete Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karbonitrierten Schicht und einer karburierungsabgeschreckten Schicht, oder eine Schicht ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einem Karbid, einem Nitrid und einem Karbonitrid, die korrosionsbeständig und abriebfest sind, auf der äußeren Oberfläche des Kolbens 11 ausgebildet. Eine gehärtete Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karbonitrierten Schicht und einer karburierungsabgeschreckten Schicht, ist auf der inneren Umfangsfläche der Zylinderbohrung 13 ausgebildet.
Bei dem Aufbau der Kraftstoffpumpe gibt es eine kleine Anzahl von Teilen, die dadurch in dem Benzin gleiten, dass ein Dichtungselement in dem Endabschnitt des Gleitabschnitts zwischen dem Kolben 11 und der Zylinderbohrung 13 vorgesehen ist. Es ist deshalb unnötig, den bei einer herkömmlichen Pumpe verwendeten Faltenbalg zum Trennen des Schmieröls und des Kraftstoffs anzuordnen, und die Schmierung des Antriebsmechanismusabschnitts ist ausreichend.
Wie in 13 gezeigt, weist eine Verbindungseinrichtung 2 zum Übertragen der von der Nockenwelle des Motors übertragenen Antriebskraft die Welle 1 auf, die durch einen Stift 3 passend mit Verbindungseinrichtung 2 verbunden ist. Die Welle 1 ist mit der Schrägplatte 9 vereinigt, die sich in Radialrichtung ausdehnt und im Endabschnitt eine schräge Ebene hat. Die Rutscheinrichtungen 10 sind in Kontakt mit der Schrägplatte 9. In dem äußeren Umfangsabschnitt der Rutscheinrichtung 10 auf der Seite der Schrägplatte 9 ist ein Konus zum Unterstützen der Bildung einer Ölschicht zwischen der Schrägplatte 9 und der Rutscheinrichtung 10 vorgesehen. Ferner ist ein weiteres Ende der Rutscheinrichtung 10 in Kugelform ausgebildet und wird durch eine Kugel abgestützt, die an dem im Inneren der Zylinderbohrung 13 gleitenden Kolben 11 ausgeformt ist, und die durch Drehung der Schrägplatte 9 erzeugte Schwingbewegung wird in eine wechselseitige Bewegung des Kolbens 11 umgewandelt.
Bei der Pumpe mit dem oben beschriebenen Aufbau werden Ansaugen und Fördern des Kraftstoffs wie folgt ausgeführt. Die Vielzahl der Zylinderbohrungen 13 und die Vielzahl der Kolben 11 bilden die einzelnen Pumpenkammern 14 in dem Zylinder 12. Ein Ansaugraum 15, der mit jedem der Kolben 11 in Verbindung steht, ist in dem zentralen Abschnitt des Zylinders ausgebildet, so dass der Pumpenkammer 14 Kraftstoff zugeführt wird. Um Kraftstoff zu dem Ansaugraum 15 zu leiten, ist eine pumpenexterne Kraftstoffleitung an einem hinteren Körper 20 angebracht, so dass die Ansaugkammer 30 in dem zentralen Abschnitt des hinteren Körpers 20 über einen Ansaugdurchgang innen in dem hinteren Körper 20 mit dem in dem Zylinder 12 vorgesehenen Ansaugraum 15 verbunden ist.
Im Inneren des Kolbens 11 gibt es ein Ansaugventil 24 (Absperrventil) zum Ansaugen des Kraftstoffs, das aus einer Kugel 21 und einer Feder 22 und einer Stoppeinrichtung 23 zum Abstützen der Feder 22 aufgebaut ist. Eine Kolbenfeder 25 drückt den Kolben 25 immer zu der Seite der Schrägplatte 9 hin, um dem Kolben 11 zusammen mit der Rutscheinrichtung 10 zu der Schrägplatte 9 zu folgen.
Ein Durchgang A16, der mit dem Ansaugventil 24 im Inneren des Kolbens 11 in Verbindung steht, ist als ein Verbindungsdurchgang zwischen einer in der Zylinderbohrung vorgesehenen hinteren Verkleidung 51 und dem Ansaugraum 15 ausgebildet. Die hintere Verkleidung 51 hat einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung 13, und die hintere Verkleidung 51 ist bis zu einer Tiefe hinab ausgebildet, die es ermöglicht, dass zwischen einem Einführungsloch 19 und der hinteren Verkleidung 51 eine Ver bindung besteht, wenn das Volumen der Pumpenkammer 14 klein genug wird (wenn die Position des Kolbens seinen oberen Totpunkt erreicht), so dass der Kraftstoff immer in den Kolben 11 eingeführt werden kann.
14 ist eine vergrößerte Ansicht des Kolbens 11, die den Ansaug- und Förderhub erläutert. Bei dem Ansaughub (einem Hub, bei dem der Kolben 11 in eine Richtung bewegt wird, die das Volumen der Pumpenkammer 14 vergrößert), wird der Kraftstoff durch Öffnen des innen in dem Kolben 11 vorgesehenen Ansaugventils 24 zu einem Zeitpunkt in die Pumpenkammer 14 gesaugt, wenn der Druck innen in der in dem Zylinder 11 vorgesehenen Pumpenkammer 14 niedriger wird als ein vorgegebener Druck. Wenn der Förderhub (ein Hub, bei dem der Kolben 11 in eine Richtung bewegt wird, die das Volumen der Pumpenkammer 14 verkleinert) beginnt, wird der während des Ansaughubs in die Pumpenkammer 14 gesaugte Kraftstoff durch Öffnen des aus einer Kugel 26 und einer Feder aufgebauten Förderventils 28 zu einem Zeitpunkt von der Pumpenkammer 14 zu der in dem hinteren Körper 20 vorgesehenen Förderkammer 29 gefördert, wenn der Druck im Inneren der Pumpenkammer 14, ähnlich wie bei dem Ansaugventil 24, einen vorgegebenen Druck erreicht. Hier wird der Durchgangsaufbau der Pumpe selbst dadurch kompakt gemacht, dass die in dem hinteren Körper 20 vorgesehene Ansaugkammer 30 durch einen O-Ring 31 von der Förderkammer 29 getrennt ist und die Ansaugkammer 30 näher am Zentrum als die Förderkammer 29 positioniert ist.
Die durch den Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer erzeugte Last wird über den Kolben 11 und die Rutscheinrichtung 10 zu der Schrägplatte 9 der Welle 1 übertragen. Das heißt, eine aus den Lasten der mehreren Kolben 11 resultierende Kraft wirkt auf die Schräg platte 9. Die resultierende Kraft wirkt auf die Schrägplatte 9 als die Summe einer Axiallast und einer Radiallast einer Schrägwinkelkomponente. Zur Erzielung einer ruhigen Drehung durch Tragen dieser Lasten werden ein Radiallager 7 und ein Drucklager 8 auf die Welle 1 aufgepasst, um die Lasten mit dem Körper 5 zu tragen.
Die Abschnitte, die diese Lasten tragen (die Rutscheinrichtungen 10/die Schrägplatte 9, die Rutscheinrichtungen 10/die Kolbenkugeln und der Lagerabschnitt) sind Abschnitte, die die Relativgeschwindigkeit infolge der Drehung und der Lasten tragen, und der Rutschabrieb lässt sich durch den Einsatz von Ölschmierung reduzieren. Dafür ist ein Aufbau zum Lagern von Öl in einer zwischen dem Körper 5 und dem Zylinder 12 ausgebildeten Schrägplattenkammer 38 notwendig.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist in dem Zylinder 12 eine Dichtung 17 zum Abdichten des Kraftstoffs gegenüber dem Öl bei der wechselseitigen Bewegung des Kolbens vorgesehen. Die wechselseitig schwingende Dichtung 17 dichtet einen Spalt zwischen dem Kolben 11 und der Zylinderbohrung 13 ab, und die Dichtung 17 wird ein Dichtungselement zwischen dem Kraftstoff und dem Öl. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der auf die Dichtung 17 wirkende Druck immer ein Niederdruck des oben beschriebenen Ansaugdrucks, weil es den Verbindungsdurchgang 16 zwischen der Dichtung 17 und der Pumpenkammer 14 gibt und demgemäß der Druck der Hochdruckkammer nicht auf die Dichtung 17 ausgeübt wird. Deshalb sind die Dauerhaftigkeit und die Zuverlässigkeit der Dichtung 17 erhöht.
15 ist eine perspektivische Ansicht des Motorabschnitts, die den Zirkulationsweg und ein Zirkulationsverfahren für das Motoröl erläutert. Der Aufbau ist so, dass die Welle 1, die durch eine Wellendichtung 35 und eine Verbindungseinrichtung hindurchtritt, in einen Verbindungseinrichtungsanschlussabschnitt 33 einer Motornocke 6 mit einem Öldurchgang 34 im Axialzentrum eingepasst ist, und dass Öl von dem Motor über einen Verbindungsdurchgang 4 zugeführt wird, wobei die Schrägplattenkammer 38 in der Mitte der Welle 1 vorgesehen ist. Die Wellendichtung 35 dichtet das Öl nicht komplett ab, so dass der minimal erforderliche Durchsatz an Öl von der Motorseite zu der Schrägplattenkammer 38 sichergestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine dezentrierende Last, die durch eine Verschiebung bei den Zentren zwischen der Motornocke 6 und der Welle 1 verursacht wird und über die Wellendichtung 35 auf die Antriebswelle wirkt, so klein wie möglich halten, und demgemäß lässt sich die Dauerhaftigkeit des Radiallagers 7 verbessern. Ferner kann durch Begrenzung des Ölflusses in die Schrägplattenkammer 38 auf die minimal erforderliche Menge der Austausch des Öls, das durch über die oben beschriebene Dichtung 17 in die Schrägplattenkammer 38 ausfließenden Kraftstoff verdünnt ist, erfolgen, während ein Temperaturanstieg der Schrägplattenkammer 38 unterdrückt wird. Außerdem lässt sich der Motor mit dem Kleinhalten der Motorgröße vereinbaren, da dieses Ziel mittels Einführung des Öls durch das Zentrum der Welle 1 ohne Setzen eines zusätzlichen Öldurchgangs auf der Motorseite erreicht wird.
Obwohl das Öl über den bei der vorliegenden Ausführungsform im Zentrum der Welle vorgesehenen Verbindungsdurchgang 4 eingeführt wird, ist der Öleinführungsdurchgang so angeordnet, dass eine Öldruckquelle des Motors mit der Schrägplattenkammer 38 der Pumpe in Verbindung steht. Nachstehend wird nun ein Durchgang zum Zurückbringen des von dem Motor zugeführten Öls zu der Schrägplattenkammer 38 beschrieben. Der Durchgang wird von einem Rück lauf-Durchgang von der Schrägplattenkammer 38 zu einer Motornockenkammer 39 gebildet. Dieser Rücklaufdurchgang 36 ist an einer Stelle auf der Seite der Verbindungseinrichtung 2 näher als eine Befestigungsflanschseite 37 an dem in dem Pumpenkörper 5 vorgesehenen Motor positioniert. Dadurch kann das Öl in der Schrägplattenkammer 38 zum Motor zurückgebracht werden, ohne einen speziellen Durchgang auf der Motorseite vorzusehen. Dadurch, dass die Menge des aus der Schrägplattenkammer 38 herausfließenden Öls nicht kleiner gehalten wird als die Menge des in die Schrägplattenkammer 38 hineinfließenden Öls und der Druck im Inneren der Schrägplattenkammer 38 durch Verwendung des Rücklaufdurchgangs 36 nicht vergrößert wird, ist die Zuverlässigkeit der Dichtung 17 erhöht. Da der Druck im Inneren der Schrägplattenkammer 38 nicht erhöht wird und immer niedriger gehalten wird als der Ansaugdruck des Kraftstoffs, wird verhindert, dass das Öl zu der Kraftstoffseite hin ausfließt.
Der große Unterschied des oben beschriebenen Aufbaus zu der herkömmlichen Schrägplattentyp-Axialkolben-Pumpe besteht darin, dass die Rutscheinrichtungen mit einer hohen Umfangsgeschwindigkeit auf der Schrägplatte in dem Schmieröl rutschen. Die Drehbewegung der Schrägplatte wird über die Rutscheinrichtung in die Schwingbewegung zum wechselseitigen Bewegen des Kolbens umgewandelt. Dabei ist das Schmieröl von dem Kraftstoff dadurch getrennt, dass das Dichtungselement in dem Gleitabschnitt zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung vorgesehen ist. Deshalb ist die Anzahl der im Benzin gleitenden Komponenten verringert.
Zu Anfang werden als diese Rutschelemente die Materialstrukturen der Schrägplatte 9 und der Rutscheinrichtung 10 beschrieben, die durch das Schmieröl (Motoröl) geschmiert sind.
Die Schrägplatte ist durch Übertragung der Antriebskraft von dem Motor auf die Welle in Drehung versetzt. Die Drehgeschwindigkeit der Schrägplatte ist halb so groß wie die Drehgeschwindigkeit des Motors und reicht von einer Drehgeschwindigkeit im Leerlaufbetrieb bis zu einer Drehgeschwindigkeit im Hochgeschwindigkeitsbereich. Zu jenem Zeitpunkt wird die Gleitgeschwindigkeit zwischen der Schrägplatte und der Rutscheinrichtung 0,3 bis 5 m/s, und der Oberflächenpressdruck wird ungefähr 8 MPa, obwohl er von dem Förderdruck abhängt. Deshalb ist es erforderlich für die Materialstrukturen, dass kein Blockieren zwischen der Schrägplatte und der Rutscheinrichtung auftritt und die Menge an normalem Abrieb beim Gleiten bei einer so hohen Umfangsgeschwindigkeit klein ist. Deshalb wurden Eigenschaften verschiedener Arten von Materialien bewertet, und der Materialaufbau für die Schrägplatte und die Rutscheinrichtung wurde wissenschaftlich untersucht.
16 und 17 sind graphische Darstellungen, die die Untersuchungsergebnisse zeigen, die bei Blockierwiderstandsversuchen mit verschiedenen Arten von Materialien für die Schrägplatte und die Rutscheinrichtung erhalten wurden. Biegefestigkeit und Ermüdungsfestigkeit sind für das Material der Schrägplatte erforderlich, weil die Schrägplatte die Funktion der die Antriebskraft übertragenden Welle hat. Deshalb wurden als Materialien für die Schrägplatte karburierungsabgeschreckte Materialien wie zum Beispiel SCM415 als einsatzgehärtete Stähle aus Maschinenkonstruktionsstahl, ein nitrierbehandeltes Material als ein Feinstahl aus SCM435, nitrierte Materialien vom Typ SUS403 und SUS4290J2 als rostfreie Stähle und ein duktiles Eisen (ADI), das durch austenitische Temperbehandlung stark verfestigt und sehr zäh gemacht worden ist, als ein Gusseisen als Versuchsstücke verwendet.
Für die Rutscheinrichtung erforderliche Materialspezifikationen sind Abriebfestigkeit, Blockierwiderstand und Druckfestigkeit (über einem maximal erzeugten Oberflächenpressdruck auf der Kugelseite). Als Materialien für die Rutscheinrichtung wurden ein nitriertes Material aus rostfreiem Stahl vom Typ SUS403, ein abgeschrecktes Material aus legiertem Werkzeugstahl vom Typ SKD11, eine Aluminiumlegierung als eine Al-Si-Legierung (A390), eine siliziddispergierte Aluminium-Bronze-Legierung als eine Kupfergruppen-Legierung, eine hochfeste Messing-Legierung und ein nur gesintertes Material, ein karburierungsabgeschrecktes Material und ein oxidschichtausgebildetes Material (oxidierbehandelt in Dampf von 550°C) aus gesinterten Eisengruppen-Materialien (Güteklasse SMF4, Zugfestigkeit von 400 bis 500 N/mm²) als Versuchsstücke verwendet. Das oxidschichtausgebildete Material ist mit einer Schicht mit Fe₃O₄ als Hauptbestandteil überzogen. Zusätzlich zu den oben genannten wurden auch eine Rutscheinrichtung aus einem nitrierten Material vom Typ SUS403 als Basismaterial mit einer TiN-Schicht oder einer CrN-Schicht (3 bis 5 μm dick) und eine Rutscheinrichtung aus einem nitrierten Material vom Typ SKD11 als Basismaterial mit einer TiN-Schicht oder einer CrN-Schicht (3 bis 5 μm dick) als Versuchsstücke verwendet.
Bauteileprüfungen auf Blockierwiderstand zwischen der Schrägplatte und der Rutscheinrichtung wurden durch ein Dreh-Rutsch-Verfahren durchgeführt. Beim Dreh-Rutsch-Verfahren wird durch Schieben der Rutscheinrichtung gegen eine rotierende Scheibe (die Schrägplatte) eine Rutschbewegung ausgeführt. Das sich bewegende Stück ist die Scheibe mit ⌀100 × 8 mm, und das feststehende Stück ist die Rutscheinrichtung. Die Last wurde während einer anfänglichen Einlaufperiode von 5 Minuten auf einen Wert von 0,98 MPa eingestellt und dann alle 2 Minuten in Schritten von 0,98 MPa erhöht, bis die Last 29,4 MPa erreichte. Als Reibungsumgebung wurde Schmieröl (Motoröl) verwendet.
Aus den Blockierwiderstandsprüfungsergebnissen von 16 und 17 ist ersichtlich, dass sich Unterschiede bei den Rutscheinrichtungsmaterialien oder Unterschiede bei der Kombination mit den Schrägplattenmaterialien stark auswirken. Wenn die Rutscheinrichtung aus dem nitrierten Material vom Typ SUS403 (Hv 750) besteht, geht der blockierende Oberflächenpressdruck auf 6,9 MPa herunter, wenn das sich bewegende Teil aus dem nitrierten Material vom Typ SUS403 (Hv 1100) besteht, das heißt, wenn das sich bewegende Teil mit der gleichen Art von härterem Material kombiniert ist. In dem Fall jedoch, in dem die Rutscheinrichtung aus dem nitrierten Material vom Typ SCM435 (Hv 660) mit einer Härte fast gleich der des Materials für das sich bewegende Teil ist, tritt das Blockieren nicht einmal beim Niedriggeschwindigkeitsrutschen mit einem Oberflächenpressdruck von 29,4 MPa auf und tritt auch nicht einmal beim Hochgeschwindigkeitsrutschen mit einem Oberflächenpressdruck von 27,4 MPa auf. Das heißt, die Kombination der Materialien zeigt ein gutes Ergebnis. Im Fall des Materials vom Typ FCD500ADI mit einer niedrigeren Härte tritt das Blockieren nicht einmal beim Niedriggeschwindigkeitsrutschen mit einem Oberflächenpressdruck von 29,4 MPa auf, aber es tritt beim Hochgeschwindigkeitsrutschen mit einem Oberflächenpressdruck von 9,8 MPa auf. Dies zeigt, dass beim Hochgeschwindigkeitsrutschen die niedrigere Härte des Basismaterials dominanter wird als die Auswirkungen der festen Schmierfähigkeit und der Ölretentionsfähigkeit des Kugelgraphits.
Wenn die Rutscheinrichtung aus abgeschrecktem SKD11-Material des legierten Werkzeugstahls (Hv 613 bis 697) besteht, während das sich bewegende Stück aus dem Material vom Typ FCD500ADI gefer tigt ist, tritt Blockieren unter Niedriggeschwindigkeitsgleitbedingungen nicht einmal bei einem Oberflächenpressdruck von 29,4 MPa auf. Unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen ist der Oberflächenpressdruck beim Auftreten von Blockieren jedoch sowohl im Fall des karburierungsabgeschreckten Materials vom Typ SCM415 (Hv 700) wie auch des induktionsgehärteten Materials vom Typ FCD500 (Hv 550 bis 650) innerhalb des niedrigeren Bereichs. Daraus ergibt sich, dass das SKD11-Material mit einer Struktur, bei der hartes Karbonat in dem harten Basismaterial dispergiert ist, unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen einen schlechteren Blockierwiderstand hat.
Wenn die Rutscheinrichtungen aus der Al-Si-Legierung bestehen, wird unabhängig von der Wärmebehandlung des Gusseisens für das sich bewegende Stück insgesamt ein guter Blockierwiderstand beobachtet. Wie oben beschrieben, hat das weiche Material der Al-Si-Legierung ein gute Korrosionsbeständigkeit aufgrund des Effekts, dass gleichförmig verteilte harte Klumpen aus anfänglich kristallinem Si und sehr kleine Partikel aus eutektischem Si mit einem anderen Material in Kontakt kommen, wodurch Vertiefungen ausgebildet werden, mit denen eine Ölschicht auf dem weichen Basismaterial gehalten werden kann.
Wenn das sich bewegende Stück aus einem induktionsgehärteten Material vom Typ FCD500 (Hv 550 bis 650) besteht, zeigt der blockierende Oberflächenpressdruck der aus der Kupferlegierung gefertigten Rutscheinrichtung guten Blockierwiderstand, wobei Blockieren nicht einmal bei einem Oberflächenpressdruck von 29,4 MPa weder unter Niedriggeschwindigkeitsgleitbedingungen noch unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen auftritt. Die Kupferlegierung hat den strukturellen Effekt, dass hexagonales Mn₅Si₃-Silizid mit Selbstschmierfähigkeit mit einem anderen Material in Kontakt kommt, wodurch Ver tiefungen ausgebildet werden, mit denen eine Ölschicht auf dem Basismaterial gehalten werden kann.
Der blockierende Oberflächenpressdruck der aus dem karburierungsabgeschreckten Material oder dem nur gesinterten Material des gesinterten Eisengruppen-Materials gefertigten Rutscheinrichtung zeigt guten Blockierwiderstand, wobei Blockieren nicht einmal bei einem Oberflächenpressdruck von 29,4 MPa weder unter Niedriggeschwindigkeitsgleitbedingungen noch unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen auftritt. Das gesinterte Eisengruppen-Material zeigt gute Abriebfestigkeit und guten Blockierwiderstand aufgrund eines Ölretentionseffekts, der durch in dem gesinterten Material befindliche spezifische Löcher erzielt wird.
Der blockierende Oberflächenpressdruck des gesinterten Eisengruppen-Materials mit der Oxidschicht ist unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen leicht verringert. Der Grund kann darin gesehen werden, dass die für das gesinterte Material spezifischen Löcher durch die Dampfbehandlung geschlossen werden, was die Schmierfähigkeit insbesondere unter Hochgeschwindigkeitsgleitbedingungen aufgrund einer Abnahme des Ölretentionseffekts reduziert, und dass, wenn die Oxidschicht zerbrochen ist, die zerbrochenen Oxidschichtschuppen harte Fremdobjekte werden, die Blockieranfangspunkte verursachen. Jedoch genügt der blockierende Oberflächenpressdruck des gesinterten Eisengruppen-Materials mit der Oxidschicht dem Blockierwiderstand über dem in der tatsächlichen Pumpe maximal angenommenen Oberflächenpressdruck.
Der blockierende Oberflächenpressdruck der Rutscheinrichtung mit der TiN oder der CrN-Schicht ist 2- bis 3-mal größer als der blockierende Oberflächenpressdruck des nitrierten Basismaterials für die Rutscheinrichtung, und darin kann die bemerkenswerte Wirkung der Schicht gesehen werden. Der Grund dafür ist, dass auf der Gleitoberfläche Anhaften kaum auftritt, weil die TiN oder die CrN-Schicht eine Härte in dem extrem hohen Bereich von Hv 2000 bis 3000 hat und chemisch stabil ist. Dabei hat die nitrierte Schicht des Basismaterials die Wirkung, durch Vergrößern der Härte des Basismaterials verhindern zu können, dass die TiN oder die CrN-Schicht aufgrund einer hohen auf der Gleitoberfläche erzeugten Spannung einbeult.
Aus den oben beschriebenen Ergebnissen ergab sich, dass als Materialien für die Rutscheinrichtung und die Schrägplatte die Kombinationen des nitrierten SUS403-Materials, der Al-Si-Legierung, der Kupferlegierung, des Materials mit der TiN-Überzugsschicht oder des Materials mit der CrN-Überzugsschicht für die Rutscheinrichtung und des nitrierten SCM435-Materials oder des Gusseisens für die Schrägplatte dem Blockierwiderstand über dem in der tatsächlichen Pumpe erzeugten maximalen Oberflächenpressdruck (7,9 MPa) genügen.
Abriebversuche unter Verwendung einer tatsächlichen Pumpe wurden in den Kombinationen der oben beschriebenen Rutscheinrichtungs- und Schrägplattenmaterialien durchgeführt. Ein Motor-Prüfstandversuch zur Bewertung der Abriebfestigkeit wurde durchgeführt, indem die aus den verschiedenen Arten von Materialien gefertigten Schrägplatten und Rutscheinrichtungen in einer tatsächlichen Pumpe montiert wurden. Die Prüfung wurde unter den Prüfungsbedingungen einer Kraftstofftemperatur von 95°C, einer Schmieröltemperatur von 135°C, einem Kraftstoffdruck von 7 MPa und einer Pumpendrehgeschwindigkeit von 400 U/min durchgeführt. Das Ergebnis war, dass durch Rutschen zwischen der Rutscheinrichtung und der Schrägplatte verursachter Abrieb kaum beobachtet wurde und einen sehr kleinen Wert (0 bis 2 μm) hatte, der bei der Pumpe kein Problem darstellt.
Als nächstes wurde die Abriebfestigkeit in den kugelförmigen Flächenabschnitten der Rutscheinrichtung 10 und des Kolbens 11 bewertet. Das Ergebnis war, dass Abrieb auf der Seite der Rutscheinrichtungskugel durch das Rutschen an dem Kolben (aus nitriertem SKD11-Material) verursacht wurde, und ein bemerkenswerter Unterschied zwischen den Materialien erschien.
18 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Veränderung (Abriebmenge) der Höhe der Rutscheinrichtungs-Kugelfläche und der abgelaufenen Zeit sichtbar macht und die Ergebnisse des Abriebversuchs unter Verwendung der tatsächlichen Pumpe zeigt, die durch Kombinieren des nitrierten Materials vom Typ SUS403, der Al-Si-Legierung, des gesinterten Eisengruppen-Materials (mit der Oxidschicht) für die Rutscheinrichtung und des Materials FCD450ADI für die Schrägplatte erhalten wurden. Aus der Beziehung zwischen der Abriebmenge in der Rutscheinrichtungs-Kugelfläche für jedes der Materialien und der abgelaufenen Zeit ist ersichtlich, dass es bemerkenswerte Unterschiede zwischen den Materialien gibt. Das heißt, dass die Abriebmenge für die Al-Si-Legierung 40 bis 140 μm groß und die Abriebmenge für das gesinterte Eisengruppen-Material und für das nitrierte Material vom Typ SUS403 klein ist. Der Grund, warum die Abriebmenge auf der Seite der Kugelfläche der Al-Si-Legierung groß ist, besteht darin, dass auf der weichen Al-Si-Legierung Abrieb verursacht wird, weil die Seite der Kugelfläche in Linearkontakt an dem harten nitrierten SKD11-Material des Kolbens gleitet. Zu dieser Zeit werden harte Klumpen aus anfänglich kristallinem Si und sehr kleine Teilchen aus eutektischem Si zu einem Schleifpulver, das den Schleifabrieb beschleunigt. Es ist wichtig, die Schleifabriebmenge zu reduzieren, und zu diesem Zweck ist es notwendig, die Härte des Rutscheinrichtungsmaterials zu erhöhen. Diese Tatsache wird ebenfalls durch die Bewertungsergebnisse von 18 gezeigt.
Ein Faktor, der die Abriebfestigkeit beim Gleiten der kugelförmigen Flächenabschnitte der Rutschrichtung 10 und des Kolbens 11 beeinflusst, ist die Temperatur der Umgebung, das heißt, die Temperatur des Schmieröls oder Motoröls. Eine garantierte Motoröltemperatur in einer tatsächlichen Pumpe ist 140°C. Jedoch ist es im Hinblick auf den Sicherheitsfaktor notwendig, die Abriebfestigkeit in einem Temperaturbereich über der garantierten Temperatur aufrechtzuerhalten. Deshalb wurde unter Verwendung der aus dem gesinterten Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht) und aus dem nitriertem Material vom Typ SUS403 gefertigten Rutscheinrichtungen, die unter den Materialkombinationen beim Versuch mit der tatsächlichen Pumpe an dem Prüfstandmotor gute Abriebfestigkeit gehabt hatten, durch Abriebtests an Bauteilen die Wirkung der Motoröltemperatur auf die Abriebfestigkeit bewertet.
Die Prüfung wurde unter Verwendung einer Abriebprüfeinrichtung vom Typ Matsubara durchgeführt, indem in einem abgeschlossenen Behälter eine Rutscheinrichtung an eine rotierende Seitenspannvorrichtung und ein Kolben an eine feststehende Spannvorrichtung gesetzt und an der feststehenden Spannvorrichtung eine Last angelegt wurde. Die Prüfungsatmosphäre wurde auf eine Stickstoff-Gas-Umgebung eingestellt und der Druck auf 3,5 MPa reguliert. Die Prüfbedingungen waren Rutscheinrichtungs-Drehgeschwindigkeiten von 15 und 60 U/min, eine Prüfzeit von 120 min., eine Last von 1,08 kN, und die Schmieröltemperatur wurde zwischen 30 und 160°C variiert.
19 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung der Motoröltemperatur auf den Reibungskoeffizienten zwischen dem aus nitriertem Material vom Typ SKD11 gefertigten Kolben und den aus dem gesinterten Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht) und aus nitriertem Material vom Typ SUS403 gefertigten Rutscheinrichtungen zeigt. Wenn die Rutscheinrichtung aus nitriertem Material vom Typ SUS403 besteht, nimmt die Wirkung der Motoröltemperatur auf den Reibungskoeffizienten mit steigender. Öltemperatur zu. Wenn die Rutscheinrichtung jedoch aus dem gesinterten Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht) besteht, ändert sich der Reibungskoeffizient nicht und behält einen konstanten Wert von fast 0,1, selbst wenn die Öltemperatur erhöht wird.
20 zeigt ein Beispiel für einen Querschnittsaufbau der aus dem gesinterten Material der Eisengruppe (mit der Oxidschicht) gefertigten Rutscheinrichtung, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die graufarbige Oxidschicht ist auf der Oberfläche und auf der Basismaterialoberfläche in Kontakt mit Löchern im Inneren ausgebildet, und das Basismaterial hat einen Perlit-Aufbau. Der Grund, warum der Reibungskoeffizient des gesinterten Materials der Eisengruppe (mit der Oxidschicht) klein ist und sich nicht groß verändert, wenn die Öltemperatur steigt, wird darin gesehen, dass die Reibungskraft durch die Existenz der durch die Dampfbehandlung ausgebildeten Oxidschicht reduziert ist und dass die Schmierwirkung aufgrund des Ölretentionseffekts der für das gesinterte Material spezifischen Löcher die Abnahme der Ölschicht an der Reibungsoberfläche aufgrund des Temperaturanstiegs ausgleicht. Im Fall des nitrierten Materials vom Typ SUS403 wird jedoch die Reibungskraft erhöht, weil beide Reibungsoberflächen glatte Oberflächen sind und es demgemäß den oben beschriebenen Schmiereffekt nicht gibt. Wie in der Abbildung dargestellt, gab es 5 Löcher mit einer Größe von 5 bis 20 μm innerhalb eines Sichtfeldes von 100 μm × 70 μm.
Aus den oben beschriebenen Ergebnissen wurde ersichtlich, dass die aus dem gesinterten Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht) gefertigte Rutscheinrichtung bis zu dem hohen Temperaturbereich des Motoröls stabiler war als die aus dem nitriertem Material vom Typ SUS403 gefertigte Rutscheinrichtung. Deshalb ist das für die Rutscheinrichtung geeignete Material das gesinterte Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht), das bis zu dem hohen Schmieröltemperaturbereich über der garantierten Öltemperatur der tatsächlichen Pumpe eine gute Abriebfestigkeit hat. Ferner ist das gesinterte Eisengruppen-Material vom Gesichtspunkt der Ergiebigkeit her vorzuziehen, da das gesinterte Eisengruppen-Material eine gute Ergiebigkeit und niedrige Kosten bietet.
Für die Schrägplatte wird jedoch das Material FCD450ADI verwendet. Die anderen auf die Schrägplatte anwendbaren Materialien sind die Maschinenkonstruktionslegierungsstähle und die oberflächenbehandelten Materialien der Maschinenkonstruktionslegierungsstähle. Beispielsweise werden das karburierungsabgeschreckte Material des Chrom-Molybdän-Stahls vom Typ SCM415, das nitrierte Material des Chrom-Molybdän-Stahls vom Typ SCM435 und so weiter als die oberflächenbehandelten Materialien der Maschinenkonstruktionslegierungsstähle verwendet. Damit ergibt sich die Spezifikation für die Materialien, die dem für die Kraftstoffpumpe erforderlichen Blockierwiderstand zwischen der Schrägplatte 9 und der Rutscheinrichtung 10 unter den Bedingungen des Gleitens mit einer hohen Umfangsgeschwindigkeit und der für die Kraftstoffpumpe erforderlichen Abriebfestigkeit beim Gleiten zwischen den kugelförmigen Flächenabschnitten der Rutscheinrichtung 10 und des Kolbens 11 genügen.
Ansonsten gibt es noch als die Hauptteile, die in dem Kraftstoff betrieben werden und gleiten und die korrosionsbeständig und abriebfest sein müssen, den Kolben des Unter-Druck-Setzungs-Teils der Pumpenkammer und die Zylinderbohrung des Zylinders, die die Gleitbohrung zum wechselseitigen und verschiebbaren Abstützen des Kolbens hat. Insbesondere ist der Radialspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder so ausgelegt, dass er kleiner als 10 μm ist, um die Kraftstoffleckage aus der Unter-Druck-Setzungs-Kammer zu minimieren. Deshalb wird die Pumpenleistung sich verringern, wenn der Radialspalt durch Abrieb vergrößert wird.
Ferner muss der Kolben in dem Gleitabschnitt mit der Wellendichtung zum Abdichten zwischen dem Kraftstoff und dem Öl korrosionsbeständig und abriebfest sein. Der Abrieb in dem Gleitabschnitt ist unerwünscht, da das Öl verdünnt wird, wenn der Kraftstoff in das Öl ausläuft, was die Schmierleistung vermindert, und auch die Kraftstoffersparnis verschlechtert.
Deshalb sind die Materialstrukturen des Kolbens und des Zylinderblocks wie folgt festgelegt. Da der äußere Radialabschnitt des Kolbens anfänglich unter Linearkontaktbedingungen an der Zylinderbohrung gleitet, nimmt der äußere Radialabschnitt des Kolbens einen hohen Oberflächenpressdruck (Hertzsche Pressung) auf. Deshalb ist das Material vorzugsweise von großer Härte. Als Materialien für den Zylinderblock werden abgeschreckter und getemperter martensitischer rostfreier Stahl vom Typ SUS440C oder SUS420J2 verwendet. Der martensitische rostfreie Stahl hat eine gute Ergiebigkeit, da er durch Pressen in die Produktform gebracht werden kann. Ferner sind auch legierte Werkzeugstähle, wie zum Beispiel das abgeschreckte und getemperte Material vom Typ SKD61, das abgeschreckte und getemper te Material vom Typ SKD11 und so weiter verwendbar. Die Materialien vom Typ SUS440C und SUS420J2 sind durch Abschrecken und Tempern auf Hv 500 bis 700 gehärtet. Ferner haben die Materialien vom Typ SUS440C und SUS420J aufgrund der rostfreien Stähle eine gute Korrosionsfestigkeit.
Wenn jedoch die Gleitbedingungen zwischen dem Zylinderblock und einer Materialart für den Kolben aufgrund der Kombination ungünstiger werden, kann zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung aufgrund einer ungenügenden Härte des oben genannten Basismaterials des Zylinderblocks ein abnormer Abrieb auftreten. Deshalb wird zur Verbesserung der Abriebfestigkeit des Zylinderblocks durch weiteres Erhöhen der Härte des oben genannten Basismaterials das Material des Zylinderblocks oberflächenbehandelt. Dasselbe kann von dem Material des Kolbens gesagt werden. Da der Kolben einem Oberflächenpressdruck ausgesetzt ist, der höher ist als der des Zylinderblocks, wird das Material des Kolbens oberflächenbehandelt, um die Abriebfestigkeit durch weiteres Erhöhen der Härte zu verbessern.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Oberflächenstrukturen für die Zylinderbohrung des Zylinderblocks und für den Kolben so ausgelegt, dass eine diffusionsoberflächenbehandelte Schicht in dem Basismaterial ausgebildet ist.
In Bezug auf die Oberflächenbehandlung ist die Ionennitrierbehandlung zum Ausbilden einer gleichförmigen nitrierten Schicht in der Zylinderbohrung ungeeignet, weil in einem schmalen Abschnitt Bereiche vorhanden sind, die keine Glühentladung erzeugen. Deshalb wurde die Niedrigtemperaturnitrierbehandlung unter Verwendung eines Salzbads auf die Nitrierschicht-Ausbildung der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht der Zylinderbohrung angewandt.
Das heißt, dass die Nitrierbehandlung, die die Korrosionsbeständigkeit nicht verschlechtert (nachstehend als die Niedrigtemperaturnitrierbehandlung bezeichnet), auf die Nitrierschichtausbildung der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht angewandt wurde. Durch Ausbildung der nitrierten Schicht bei einer Temperatur unter 450°C wird eine S-Phase ausgebildet, und verhindert, dass Cr in dem Basismaterial Nitrid ausbildet. Als Verfahren zum Ausbilden der nitrierten Schicht bei einer niedrigen Temperatur gibt es ein Behandlungsverfahren, bei dem Gas oder ein Salzbad verwendet wird. Jedoch hat die durch das Behandlungsverfahren ausgebildete nitrierte Schicht eine dünne behandelte Tiefe, weil die Nitriertemperatur niedrig ist. Deshalb ist das oben beschriebene Nitrierverfahren zum Ausbilden der nitrierten Schicht in einem Gleitmechanismusabschnitt, auf den eine hohe Last (Spannung) angelegt ist, ungeeignet.
21 ist eine graphische Darstellung, die die Härteverteilung des Zylinderbohrungsabschnitts eines Zylinderblocks aus dem legierten Werkzeugstahl (7%Cr-Mo-V-Stahl) zeigt, der unter Verwendung des Salzbads niedrigtemperaturnitrierbehandelt ist. Die Behandlungsbedingungen sind eine Behandlungstemperatur von 450°C und eine Behandlungszeit von 2 Stunden. Die ausgebildete nitrierte Schicht hat an einer Position 10 μm von der Oberfläche entfernt einen hohen Härtewert von ungefähr Hv 1200 und eine gesamte gehärtete Tiefe von ungefähr 0,03 mm. Keine ε-Phase aus Fe-Nitrid, die als die spröde weiße Verbindung bezeichnet wird, ist auf der Oberfläche ausgebildet. Deshalb kann die Abriebfestigkeit beim Gleiten an dem Kolben sichergestellt werden.
Die Korrosionsbeständigkeit ist in 6 dargestellt worden. Sowohl das natürliche Potenzial als auch das Grübchenkorrosionspotenzial der niedrigtemperaturnitrierbehandelten Materialien vom Typ SKD11 und SUS420J2 sind überlegenere Potenziale im Vergleich zu denen der anderen Vergleichsmaterialien oder der nitrierten Materialien im Allgemeinen. Deshalb haben die niedrigtemperaturnitrierbehandelten Materialien vom Typ SKD11 und SUS420J2 eine gute Korrosionsbeständigkeit.
Eine Dauerprüfung wurde unter Verwendung der tatsächlichen Schrägplattentyp-Axialkolbenpumpe von 13 mit dem oben beschriebenen Aufbau durchgeführt. Das Ergebnis war, dass die Pumpe ohne jegliche Abnormität betrieben wurde und auch die Benzin-Förderleistung stabil war. Nach der Dauerprüfung wurde die Pumpe auseinander genommen, um die Bauteile in der Kraftstoffkammer zu untersuchen. Das Ergebnis der Untersuchung war, dass alle Teile sich in einem normalen Abriebszustand ohne irgendeinen abnormen Abrieb befanden.
Aus den oben erwähnten Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei der aus der Schrägplatte aus Gusseisen, aus der Rutscheinrichtung aus gesintertem Eisengruppen-Material (mit der Oxidschicht), aus dem Kolben aus nitriertem SKD11-Material und aus dem Zylinder aus niedrigtemperaturnitriertem legiertem Werkzeugstahl aufgebauten Pumpe gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Anhaften zwischen den Gleitteilen kaum auftritt und die Abriebfestigkeit verbessert ist. Durch diese guten Eigenschaften ist die Abriebfestigkeit in der ungünstigen Umgebung verbessert, und demgemäß kann die zum Ziel gesetzte Kraftstoffpumpe erhalten werden.
Ausführungsform 4
22 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die Einzelheiten eines Teils der in 13 dargestellten Kraftstoffpumpe zeigt. Es wird nun eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der die Korrosionsbeständigkeit und die Abriebfestigkeit der Gleitmechanismusabschnitte in der Schrägplattentyp-Axialkolben-Hochdruckpumpe von 13 noch weiter verbessert sein müssen. Benzin fließt nacheinander in nachstehender Reihenfolge durch den Ansaugraum 15, den Verbindungsdurchgang A 16, die in dem Zylinder 12 vorgesehene hintere Verkleidung 51 und dann den Verbindungsdurchgang A 16, das Einlassloch 19, das Ansaugventil zur Innenseite des Kolbens 11 hin, um unter Druck gesetzt zu werden. Dabei dichtet die in dem Zylinder 12 angeordnete Dichtung 17 den Kraftstoff von dem Öl ab, wenn der Kolben 11 wechselseitig bewegt wird. Die vorliegende Ausführungsform trägt dem Abrieb der Dichtung 17 (eines elastischen Körpers, beispielsweise eines Gummiteils) und des Kolbens und dem Abrieb des Kolbens 11 und der Zylinderbohrung 13 Rechnung. Als Gleitmechanismusabschnitt, der korrosionsbeständig und abriebfest sein muss, wurde eine korrosionsbeständige und abriebfeste harte Schicht 11a auf der obersten Oberfläche des Kolbens 11 ausgebildet. Zur Ausbildung der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht kann das physikalische Abdampfungsverfahren, wie zum Beispiel das Ionenplattierungsverfahren, eingesetzt werden, mit dem eine feine Überzugsschicht mit hoher Haftkraft in einem Niedrigtemperaturbereich ausgebildet werden kann. Das Verfahren ist nicht auf das obige beschränkt. So lassen sich beispielsweise das Bogen-Ionen-Plattierungs-Verfahren, das Hohlkathoden-Verfahren, das Bogenentladungs-Verfahren oder das Sputter-Verfahren einsetzen. Das Material für die Überzugsschicht ist aus TiC, WC, SiC als Karbiden, TiN, CrN, BN, TiAlN als Nitriden, TiCN als Karbonitriden und so weiter, je nach Verwendungszweck, ausgewählt.
Ausgehend von der Korrosionsbeständigkeit der korrosionsbeständigen und abriebfesten harten Schicht in 6, sind sowohl das natürliche Potenzial als auch das Grübchenkorrosionspotenzial der harten Schichten überlegenere Potenziale. Deshalb haben die harten Schichten eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die harte Schicht hat die Wirkung, das Metall-Transfer-Bonding-Phänomen, das zwischen der harten Schicht und einem anderen Material verursacht wird, zu unterdrücken und das Anhäng- und Blockierphänomen zu verhindern, und hat einen kleinen Reibungskoeffizienten zum Verhindern von anfänglichem Abrieb, normalem Abrieb und Blockieren. Demgemäß war die Wirkung des Korrosionsabriebs klein. Dadurch können die Komponenten in der ungünstigen Korrosionsumgebung als Gleitteile in dem Kraftstoff betrieben werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde eine korrosionsbeständige und abriebfeste harte Schicht auf der oberflächenbehandelten Schicht 11a des Kolbens 11 ausgebildet. Der legierte Werkzeugstahl vom Typ SKD11 wurde als Basismaterial ausgewählt, und die harte Schicht von 3 μm wurde auf der Oberfläche ausgebildet. Die anderen Gleitabschnitte waren die gleichen wie die bei der ersten Ausführungsform. Eine Dauerprüfung wurde unter Verwendung der tatsächlichen Schrägplattentyp-Axialkolbenpumpe von 13 mit dem oben beschriebenen Aufbau durchgeführt. Das Ergebnis war, dass die Pumpe ohne jegliche Abnormität betrieben wurde und die Benzin-Förderleistung auch stabil war. Nach der Dauerprüfung wurde die Pumpe auseinander genommen, um die Bauteile in der Kraftstoffkammer zu untersuchen. Das Ergebnis der Untersuchung war, dass alle Bauteile sich in einem normalen Abriebszustand ohne ir gendeinen abnormen Abrieb befanden. Bei der Pumpe mit unbehandelten Komponenten wurde jedoch eine kleine Menge Abrieb in der äußeren Oberfläche des Kolbens 11 und in dem Gleitabschnitt der Dichtung 17 beobachtet.
Aus den oben erwähnten Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei der gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgebauten Pumpe das Anhaften zwischen den Gleitabschnitten kaum auftrat und die Abriebfestigkeit verbessert war. Da die oberflächenbehandelte Schicht des Kolbens aus der korrosionsbeständigen und abriebfesten Schicht und der diffusionsoberflächenbehandelten Schicht besteht, hat der Kolben die Eigenschaften, dass Abblättern sogar unter einem hohen Oberflächenpressdruck kaum auftritt und dass die Korrosionsbeständigkeit gut ist. Durch diese guten Eigenschaften ist die Abriebfestigkeit in der ungünstigen Umgebung verbessert, und demgemäß kann die zum Ziel gesetzte Kraftstoffpumpe erhalten werden.
Ausführungsform 5
23 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors eines zylinderinternen Benzin-Direkteinspritztyps für Fahrzeuge zeigt, bei dem die Kraftstoffpumpe gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 4 verwendet wird. Ein Endabschnitt einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61, die in einem Zylinderkopf 70 vorgesehen ist, ist zu einer Brennkammer 74 hin geöffnet, so dass von einem Kraftstoffsaugraum zugeführter Kraftstoff direkt in die Brennkammer 74 eingespritzt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Motor die Hochdruckkraftstoffpumpe zum Zuführen von Kraftstoff zu der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 auf, um Benzin zu zerstäuben, das unter Ult ramagerverbrennungsbedingungen verbrannt wird, und den Kraftstoff direkt in den Motorzylinder einzuspritzen.
Zwischen einem Einlassventil 64 und einem Auslassventil 65 ist eine Zündkerze 63 angeordnet, und mittels einer durch einen elektrischen Funken ausgelösten Zündung beginnt die Verbrennung einer Mischung aus der Einlassluft, die bei Öffnung des Einlassventils 64 durch die Bewegung eines flachen Kolbens 68 über einen Einlassluftkanal 66 angesaugt wird, und des Kraftstoffs, der von der Einspritzeinrichtung 61 eingespritzt wird. Nach der Verbrennung wird das Gas bei Öffnung des Auslassventils 65 durch die Bewegung des Kolbens 68 über das Auslassventil 65 abgeführt.
Ein Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Steuerkreis 62 ist mit einer Einspritzeinrichtungs-Steuersignalklemme 71 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 elektrisch verbunden. Ferner ist eine elektronische Steuereinheit (ECU) 69 zum Ausgeben eines Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Antriebstriggersignals und eines Signals zum Festlegen, ob die Kraftstoffeinspritzeinrichtung angetrieben wird oder nicht, um so eine Betriebsverzögerung des Ventilkörpers abzukürzen, mit dem Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Steuerkreis 62 elektrisch verbunden. Betriebszustände des Motors werden der elektronischen Steuereinheit 69 eingegeben, und das Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Antriebstriggersignal wird entsprechend den Betriebszuständen festgelegt.
Die über den Einlasskanal 66 zugeführte Luftmenge wird durch zwei magnetische Einrichtungen M gesteuert, die durch Kopplung mit einer Beschleunigungseinrichtung in Bewegung versetzt sind. Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und NOx werden durch Verwendung eines ternären Katalysators eines Niedrigsauerstoffspeichertyps 72 aus dem Abgas nach der Verbrennung entfernt, und NOx wird durch einen mageren NOx-Katalysator 73 noch weiter entfernt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 zum Einspritzen in den Motorzylinder zu ultrafeinen Tröpfchen mit einem Durchmesser von unter 25 μm, vorzugsweise von unter 15 μm, insbesondere vorzugsweise von unter 10 μm zerstäubt, und der Motor wird unter Ultramagerverbrennungsbedingungen mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 50 betrieben.
Ein Katalysator, der Pt oder Pt und Ce auf einem Aluminiumoxid-Träger aufweist, wird als der ternäre Katalysator 72 verwendet, und ein Katalysator, der Pt oder Pt und Na- und Ti-Oxide auf einem Aluminiumoxid-Träger aufweist, wird als der NOx-Katalysator 73 verwendet.
Der gesamte Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 ist wie folgt. Sie ist auf dem Zylinderkopf 70 angebracht. Das heißt, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 an einem Gehäuse befestigt ist und einen Kern, einen Spulensatz, einen Anker und eine Wirbelventileinheit aufweist, die durch ein Ende des Gehäuses abdichtend abgestützt ist. Ferner weist die Ventileinheit einen abgestuften hohlen zylindrischen Ventilhauptkörper, der einen zylindrischen Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser und einen zylindrischen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser hat, ein Ventilblatt mit einem Kraftstoffeinspritzloch, wobei das Ventilblatt an einem Mittellochplättchen im Inneren des Ventilhauptkörpers befestigt ist, und ein durch eine Solenoideinrichtung angetriebenes Nadelventil eines Ventils zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzlochs durch In-Berührung-Kommen mit und Lösen von dem Ventilblatt auf. Es gibt zwei O-Ringe, die auf der Seite, wo Kraftstoffdruck ausgeübt wird, in Kontakt mit der unteren Oberfläche des Spulensatzes und innen in einem Raum, der das Gehäuse und den Kern umgibt, angeordnet sind. Der Durchmesser des Kraftstoffeinspritzlochs ist 0,8 mm.
Nachstehend wird der Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung beschrieben. Wenn die Spule stromführend ist, wird ein Magnetfluss in dem magnetischen Kreis, bestehend aus dem Anker, dem Kern und dem Gehäuse, erzeugt, um den Anker zu der Kernseite hinzuziehen. Wenn dann das Nadelventil, das mit dem Anker zu einem einzigen Körper vereinigt ist, von dem Ventilblatt zur Bildung eines Spalts gelöst wird, tritt der Hochdruckkraftstoff in das Einspritzloch des Ventilblatts ein, um zu ultrafeinen Tröpfchen zerstäubt und durch den Plättchenendauslass des Einspritzlochs versprüht zu werden.
Ferner ragt die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 um 2 bis 10 mm zur Innenseite des Zylinderkopfs hin vor.
Insbesondere der Ventilhauptkörper, das Ventilblatt, das Nadelventil und der Wirbler werden durch kalte plastische Bearbeitung von 1%C-16%Cr ferritischem rostfreien Stahl des JIS-Standard-Typs SUS44C und Ausglühen des Werkstücks und anschließendes Spanen des Werkstücks in die endgültige Form hergestellt. Der Durchmesser des Kraftstoffeinspritzlochs ist 0,8 mm, und die Kreisform des Innendurchmessers beträgt unter 0,5 μm.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Ausbilden einer organischen Überzugsschicht auf dem Plättchenendabschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 und die Wirkung der organischen Überzugsschicht beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer organischen Überzugsschicht von 1,5 bis 8 nm Dicke am Kraftstoffeinspritzloch und seiner Umgebung oder mit einer organischen Überzugsschicht auf der Oberfläche des Kraftstoffeinspritzlochs. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung lässt sich dadurch erreichen, dass eine oder eine Kombination aus zwei oder mehr der folgenden Anforderungen erfüllt ist, dass das Einspritzloch eine Bohrung hat, durch die der Kraftstoff zu Tröpfchen mit einem Durchmesser unter 20 μm zerstäubt werden kann, dass die Bohrung des oben beschriebenen Einspritzlochs in einem Bereich von 0,3 bis 0,8 mm liegt und dass das oben beschriebene Einspritzloch und seine Umgebung aus einem ferritischen rostfreien Stahl bestehen, der 0,6 bis 1,5% C, unter 1%, Si, unter 1,5% Mn und 15 bis 20% Cr auf Gewichtsbasis enthält.
Die organische Überzugsschicht ist durch eine kovalente Bindung mit dem Basismaterial verbunden, und die Dicke ist vorzugsweise 1,5 bis 30 nm, insbesondere vorzugsweise 1,5 bis 10 nm, und die beste Dicke ist 1,5 bis 7 nm.
Als organische Schichten sind Schichten verwendbar, die unter Glühentladung einer Perfluorpolyether-Verbindung, eines Tetrafluorethylen-Monomers, eines Silikonharzes, eines Polyamidharzes und so weiter ausgebildet sind und durch eine Lösung aus einem Teflonharz, einem metallischem Alkoxid und einem Fluoralkylgruppen-Substituent-Alkoxid erhalten werden.
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Direkteinspritzmotor, der einen Zylinderkopf mit einer Einlasseinrichtung und einer Auslasseinrichtung in einer Brennkammer, einen sich innen in dem Zylinderkopf wechselseitig bewegenden Kolben, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die so angeordnet ist, dass Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt werden kann, und eine Zündungseinrichtung zum Zünden des von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzten Kraftstoffs aufweist, wobei die oben beschriebene Kraftstoffpumpe und die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung verwendet werden können.
Ferner ist die vorliegende Ausführungsform ein Direkteinspritzmotor, der einen Zylinderkopf mit einer Einlasseinrichtung und einer Auslasseinrichtung in einer Brennkammer, einen sich innen in dem Zylinderkopf wechselseitig bewegenden Kolben, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die so angeordnet ist, dass Kraftstoff gemäß einer Magerverbrennungs-Steuerung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von über 45 in die Brennkammer eingespritzt werden kann, und eine Zündungseinrichtung zum Zünden des von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzten Kraftstoffs aufweist, wobei die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine organische Überzugsschicht auf der Oberfläche des Einspritzlochs zum Versprühen des Kraftstoffs und in der Umgebung des Einspritzlochs hat und die oben beschriebene Kraftstoffpumpe verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, zu verhindern, dass durch Verbrennen von Benzin erzeugte Ablagerungen sich an die Oberfläche der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Direkteinspritzmotors anlagern, und es ist insbesondere möglich, die Ultramagerverbrennungssteuerung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von über 45 durchzuführen, und es ist demgemäß möglich, ein sehr kraftstoffsparsames Fahrzeug zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die bemerkenswerte Wirkung, dass durch Kombinieren von Materialkonstruktionen für die Gleitteile in dem Kraftstoff, insbesondere für das Teil, das an dem Kolben gleitet, und durch Ausbilden der blockierwiderstandsfähigen, abriebfesten und korrosionsbeständigen Überzugsschicht auf jedem der Gleitmechanismusteile verhindert wird, dass bei der Kraftstoff pumpe Blockieren und abnormer Abrieb auftreten. Deshalb kann eine sehr zuverlässige Hochdruckkraftstoffpumpe bereitgestellt werden, und eine bemerkenswerte Wirkung bei der zylinderinternen Direkteinspritzung des Magerverbrennungsmotors für Fahrzeuge erzielt werden.

Claims

Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu fördern, mit einer gehärteten Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe von Schichten bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf mindestens einer von mehreren Gleitflächen, die über den Kraftstoff oder Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten; gekennzeichnet durch eine Kohlenstoffschicht mit größerer Härte als eine Härte der gehärteten Schicht, die auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet ist.
Kraftstoffpumpe zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf beiden von zwei Gleitflächen, die über den Kraftstoff oder Schmieröl miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten; und eine Kohlenstoffschicht mit größerer Härte als eine Härte der gehärteten Schicht, die auf jeder Oberfläche der gehärteten Schichten der Gleitflächen ausgebildet ist.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Welle, die durch Antreiben eines Fahrzeugmotors in Drehung versetzt ist; eine Nocke (200), die durch die Rotation der Welle in Drehung versetzt ist; und einen Kolben (102), der in einem Zy linder (108) durch die Drehbewegung der Nocke (200) über eine Hebeeinrichtung (103) wechselseitig bewegt ist, die Kraftstoffpumpe (151) Kraftstoff unter Druck setzt, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (154) des Fahrzeugmotors zu fördern, wobei: eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf mindestens einer der Gleitflächen des Kolbens (102) und des Zylinders (108) ausgebildet ist, die miteinander in Kontakt stehen und aneinander gleiten, und eine Kohlenstoffschicht mit einer höheren Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kraftstoff als eine Korrosionsbeständigkeit der gehärteten Schicht ist auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Welle, die durch einen Antrieb eines Kraftfahrzeugmotors in Drehung versetzt ist; eine Nocke (200), die durch die Rotation der Welle in Drehbewegung versetzt ist; und einen Kolben (102), der in einem Zylinder durch die Rotationsbewegung der Nocke durch eine Hebeeinrichtung wechselweise bewegt ist, die Kraftstoffpumpe Kraftstoff unter Druck setzt, um den Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Fahrzeugmotors zu fördern; wobei: eine gehärtete Schicht, bestehend aus mindestens einer Schicht, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einer nitrierten Schicht, einer karburierungsabgeschreckten Schicht und einer karbonitrierten Schicht, auf einer Gleitfläche der Hebeeinrichtung (103) ausgebildet ist, die über Schmieröl mit dem Nocken in Kontakt steht und daran gleitet, und eine Kohlenstoffschicht mit einer größeren Härte als eine Härte der gehärteten Schicht ist auf einer Oberfläche der gehärteten Schicht ausgebildet.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht aus Diamantähnlichem Kohlenstoff besteht.
Ein Direkteinspritzmotor mit einem Zylinder; einem Kolben, der sich wechselweise in dem Zylinder bewegt; einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder; und einer Kraftstoffpumpe zum Fördern des Kraftstoffs zu der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei die Kraftstoffpumpe eine beliebige der in den Ansprüchen 1 bis 5 beschriebenen Pumpen ist.