WO2009152831A1 - Bauteile mit oberflächenbeschichtung für gaseinspritzsysteme (cng+lpg) von verbrennungsmotoren - Google Patents

Bauteile mit oberflächenbeschichtung für gaseinspritzsysteme (cng+lpg) von verbrennungsmotoren Download PDF

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WO2009152831A1
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Jochen Brand
Christian Welker
Peter Kaestner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates in the field of internal combustion engine technology to the provision of components for gas injection systems, which have a low susceptibility and a long service life.
  • LPG Liquefied Petroleum Gas
  • CNG compressed natural gas
  • Natural gas labeled "L” typically contains about 85% methane, 4% other alkanes, such as ethane, propane, butane or pentane, and 11% inert gases
  • "H” natural gas from the North Sea Region contains about 89% % Methane, 8% other alkanes (ethane, propane, butane, pentane) and 3% inert gases
  • natural gas labeled 'H' from the CIS contains approximately 98% methane, 1% other alkanes (ethane, propane, butane, pentane) and 1% inert gases.
  • the two gases contain various types of impurities and / or impurities, e.g. Paraffin, oil derivatives, sulfur, carbon black, iron oxide and similar impurities and / or admixtures.
  • impurities and / or impurities e.g. Paraffin, oil derivatives, sulfur, carbon black, iron oxide and similar impurities and / or admixtures.
  • the evaporator and the pressure reducer are connected to the cooling water circuit of the engine.
  • the now properly treated gas is fed into the gas filter and from there to the gas nozzles (injectors).
  • the injectors inject the gas with converted gasoline injection nozzle signals from the gas control unit into the intake manifold of the engine per cylinder.
  • Another possibility when using liquefied petroleum gas as fuel is the method of LPG direct injection, as used by VW (model FSI) and Toyota (model WTi) for gasoline direct injection engines.
  • the liquid gas phase is injected directly into the combustion chamber of the engine, for which a pressure booster pump is needed to achieve high injection pressures.
  • various solenoid valves are installed in the respective gas injection system.
  • Injectors can be designed in different ways. Among the best known are the piston injector, the needle injector and the valve injector.
  • a piston injector an electromagnetic head moves a piston in a cylinder, which opens a bore with a underside designed as a seal and closes with spring loading. In this case, a non-contact guidance of the piston in the interior of the injector is possible, wherein the position of the piston is influenced either with a spring or a magnetic field.
  • a needle injector an electromagnetic head moves a needle in a guide that opens a bore with a conical tip and closes spring loaded.
  • an electromagnetic head moves an override lever or directly one or more flaps per injector, which open with a designed as a seal underside of a bore and close spring loaded.
  • LPG and / or CNG instead of gasoline or diesel as the fuel for an internal combustion engine
  • impurities in the gases also lead to contamination of those components which are in direct contact with the gas.
  • natural gas and liquefied gas are dry gases which have a very low hydrodynamic and hydrostatic lubricating effect. This leads to the fact that metallic and non-metallic components, which are in constant motion during the operation of the internal combustion engine and rub against each other, degrease very quickly and are impaired by strong friction.
  • the two types of gas contain aggressive components, which can damage surfaces of metallic and non-metallic components by chemical reactions.
  • the aim of the present invention is therefore to provide components for an internal combustion engine and / or a gas injection system, which are in constant contact with liquefied petroleum gas or natural gas, to provide, which are resistant to the effects caused by the liquefied gas or natural gas, such as impurities, negative friction effects and chemical reactions with the surface.
  • At least a first surface of a component which with gas, in particular with
  • Liquefied gas and / or with natural gas comes in contact with a coating having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m.
  • the low surface energy of the coating expresses its good anti-adhesive effect.
  • the coating is preferably additionally distinguished by favorable frictional properties.
  • the first side of the component is exposed to the influence of gas.
  • the first side is preferably completely coated, but may also be only partially coated at particularly stressed areas.
  • a second surface of the component which does not come into contact with the gas, coated, wherein the coating again has a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or Ober - Surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m having.
  • Defects in the coating occur, which continue when the component is stressed, for example over the entire coating of the first surface of the component.
  • the properties of the coating namely a high wear resistance, a high corrosion resistance, favorable friction properties and a good anti-adhesive effect, are met in particular by carbon-based and / or chromium-based materials, so that materials are preferably selected for the coating, which consists of carbon-based and or chromium-based materials or contain such.
  • amorphous carbon coatings include, in particular, amorphous carbon coatings (DLC), which are summarized in VDI Guideline 2840 for carbon coatings, as they are characterized by high wear resistance, high corrosion resistance, favorable friction properties and good non-stick properties.
  • DLC amorphous carbon coatings
  • a-C: H, aC: H: Me where Me is a metal from the 4th to 6th subgroup of the Periodic Table, aC, ta-C and modifications of aC: H with silicon ( a-C: H: Si) and / or oxygen (aC: H: Si: O).
  • amorphous carbon films are typically classified into seven types of coatings, identified by the abbreviation "aC” (a: amorphous, C: chemical symbol for carbon.) This abbreviation is provided with additional letters (eg "Me") to delineate the seven types of layers ,
  • Two subgroups can be formed: the hydrogen-free and the hydrogen-containing amorphous carbon layers. Since even without the addition of hydrogen gas small amounts of hydrogen, eg. B. from residual gases are incorporated into the layers, a limit of about 3 at.% Hydrogen content can be regarded as a transition from hydrogen-free to the hydrogen-containing carbon layers.
  • Hydrogen - free amorphous carbon films are distinguished by the type of bonding of carbon atoms, which predominates in the layers, and by possible additives:
  • Hydrogen-free amorphous carbon layers aC Depending on how much energy is given to the particles during deposition, the carbon atoms on the substrate surface are predominantly formed in one of the two hybrid states. At low energies, predominantly sp 2 hybridizations result. The layers are so softer. These hydrogen-free amorphous carbon films are given the abbreviation "aC" without additional letters.
  • Tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon layers ta-C At high deposition energies, predominantly sp 3 hybridizations of the tetrahedral arrangement are formed, which lead to higher hardnesses and also to an increase in residual compressive stresses. These tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon layers are then given the abbreviation "ta-
  • Metal-containing hydrogen-free amorphous carbon layers aC: Me differs from the aC layers in that it contains metallic elements.
  • metals are used in which the metal is incorporated into the layer as a compound with the carbon in the form of carbides.
  • the metals of the 4th to 6th subgroup of the Periodic Table of the Elements are used.
  • These metal-containing, hydrogen-free, amorphous carbon films are denoted by "aC: Me", where "Me” stands for "metal.” Instead, they can also the concrete metals are called, for example with tungsten aC: W or with titanium aC: Ti.
  • Carbon layers are appended to the abbreviation a-C with an H as a chemical symbol for hydrogen with a colon.
  • the colon indicates the chemical bonding of the two elements.
  • These layers can be further subdivided into unmodified and modified hydrogen-containing amorphous carbon layers. Modified layers contain additional elements in addition to hydrogen:
  • the unmodified hydrogen-containing amorphous carbon layers containing only hydrogen in addition to the carbon are abbreviated as "aC: H.”
  • the amount of hydrogen contained can vary widely and affect the properties of the layer. The lower the hydrogen content, the stronger the carbon - atoms networked and the harder it is
  • Carbon Layers ta-C H
  • the hydrogen-containing amorphous carbon layers can form predominantly sp 3 hybridizations between the carbon atoms.
  • the modified hydrogen-containing amorphous carbon layers divide into two further groups after the modifying elements: the metal-containing and nonmetal-modified hydrogen-containing amorphous carbon layers.
  • the additional built-in elements are also appended with their abbreviations to the abbreviation aC: H (eg aC: H: SI: O):
  • the metal-containing hydrogen-containing amorphous carbon layers contain metallic elements, e.g. Tungsten (a-C: H: W) or titanium (a-C: H: Ti).
  • metallic elements e.g. Tungsten (a-C: H: W) or titanium (a-C: H: Ti).
  • the non-metal-modified hydrogen-containing amorphous carbon layers contain non-metallic elements, e.g. Silicon (Si), oxygen (O), nitrogen (N), fluorine (F) or boron (B), which may also partially form carbides (e.g.
  • chromium-based materials can be selected. Materials which contain or consist of chromium nitride and / or chromium carbide and / or chromium carbonitride are particularly advantageous. Such chromium-based materials likewise have high wear resistance, high corrosion protection and good non-stick properties. Work up.
  • the coating of the component according to the invention preferably has a thickness in the range of 0.05 ⁇ m and 25 ⁇ m, in particular in the range of 0.1 ⁇ m and 12 ⁇ m, in particular in the range of 0.5 ⁇ m and 6 ⁇ m.
  • the layer thickness can vary within the stated range.
  • the coating of the first surface i.
  • the surface of the component which comes into contact with the gas, in particular LPG and / or natural gas, should meet special quality conditions.
  • the thickness of the coating over the entire surface should not vary as possible.
  • the layer thickness varies over the entire first surface by less than 20%, in particular by less than 10% of the total layer thickness. For many components, e.g. with a piston for an injector, an uneven coating would lead to errors in symmetry.
  • the layer is deposited by means of physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • plasma enhanced chemical vapor deposition For the deposition of carbon-based layers, both PVD and CVD methods are suitable.
  • PVD processes are preferred.
  • evaporators which comprise a housing, a pressure regulating diaphragm, a pressure regulating valve, a pressure relief valve and a seal, and / or gas filters and / or electromagnetic Gasabsperrventile containing a housing, a valve piston, a spring, a piston guide and a seal, and / or gas injection valves, which a piston, a Needle, a flap, a spring, a guide, a sealing cone and a seal included, and / or booster pumps, which include a pump piston or a pump rotor, a pressure regulating diaphragm, a spring, a piston guide and a seal.
  • Main reasons for the coating of the above components are:
  • a gas injection system contains at least one component whose at least one first surface comprises a material having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m, coated.
  • An engine according to the invention also has at least one component and / or a gas injection system, wherein at least one component on its first side, which comes into contact with gas, with a material having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m, and / or low coefficient of friction is coated.
  • a material having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m, and / or low coefficient of friction is coated.
  • all components of the engine, which come into contact with gas coated.
  • the coating of the individual components in gas injection systems and / or motors serves to reduce the friction between moving adjacent components, to produce a non-stick effect against impurities and admixtures of gases, and to prevent aggressive action of the gases on the surfaces of the components.
  • the reduction in friction between moving parts additionally achieves a shorter response time, which makes more accurate engine control possible.
  • a first surface of the component which is in direct contact with the gas, with a material having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of
  • the gas-contacting components of a gas injection system or engine are coated with carbon-based, in particular diamond-like, carbon-based materials and / or chromium-based materials.
  • the above-mentioned DLC layers are deposited by means of PVD and / or CVD methods at least on the first side of the component which comes into contact with gas.
  • chromium-based materials are preferably produced by the PVD process. The respective deposition process is carried out until a layer having a thickness in the range of 0.05 ⁇ m and 25 ⁇ m, in particular in the range of 0.1 ⁇ m and 12 ⁇ m, in particular in the range of 0.5 ⁇ m and 6 ⁇ m, is deposited is.
  • At least all of the following components of carburetors, electromagnetic gas shut-off valves, injectors, and booster pumps should be coated with a low surface energy hard coat and / or low coefficient of friction.
  • the coating of these insides therefore serves only to reduce the adhesion of impurities.
  • the pressure-regulating membrane of an evaporator usually has an elastic material which is less resistant to chemical reactions.
  • a coating is therefore necessary in order to produce an anti-adhesive effect on the one hand and to shield the component against the aggressive components of the gases on the other hand.
  • the pressure regulating valves as well as the overpressure valves of an evaporator and their individual constituents are filigree components which are subjected to high stress. Their coating therefore serves to protect against wear and excessive friction as well as to protect against the adhesion of impurities and to protect against undesired chemical reactions.
  • the housing inner sides of electromagnetic gas shut-off valves for liquefied petroleum gas injection systems are provided by the coating in particular with a non-stick effect. Since springs are also exposed to no direct friction and consist of materials which are usually not attacked by the aggressive components of the gas, the coating of the springs also serves to prevent adhesion of impurities. Valve piston and piston guide of electromagnetic Gasabsperrventilen touch during the movement of the valve piston in the piston guide, so that it can cause friction and thus wear of the material. In this case, the coating serves to protect against wear and to protect against the adhesion of impurities and to protect the piston, in particular, against aggressive components of the gases.
  • the coating protects the piston and piston guide against wear, adhesion of impurities and chemical reactions.
  • a needle injector in particular needle and sealing cone must be protected from wear and adhesion of impurities, since these two components allow the sealing effect of the injector.
  • the flap of a flap injector is not exposed to any friction and a coating therefore serves only to prevent the adhesion of impurities since otherwise no sealing effect would be achieved.
  • the leadership of a Klappeninjektors is coated to avoid wear on the one hand, on the other hand to prevent the adhesion of impurities.
  • the said conventional injectors have in common that they have one or more springs. A coating of these serves only for the purpose of reducing the adhesion of impurities.
  • booster pump for direct injection of LPG.
  • the heart of such a pump is the pump piston or pump rotor. Its coating aims to protect the pump piston or pump rotor from wear, adhesion of impurities and aggressive components of the gases.
  • the pressure control diaphragm of the booster pump usually contains easily reacting materials, so that the coating serves both to protect against the adhesion of impurities and to protect against a chemical reaction with aggressive components of the gases.
  • booster pumps have one or more springs which are coated with the aim of reducing the adhesion of impurities.
  • a piston guide in the form of a cylinder is coated to reduce friction and provide a better anti-adhesive effect.
  • Figure 1 is a perspective view of a
  • Passenger car which is a device containing various inventive
  • FIG. 2 is a perspective view of one
  • Components having a drive with natural gas.
  • Figure 1 shows the outline of a conventional car 8.
  • This car 8 has, optionally in addition to a filler neck for gasoline or diesel (in the figure not shown), a tank neck 1 for LPG on.
  • a gas line Ia LPG in the in the trunk 9 of the car 8 Autogastank 2 (Ersatzradmuldentank).
  • the switch 6 To switch from gasoline to LPG operation, the switch 6 must be operated.
  • Via a further gas line 2a then the LPG is passed into an evaporator 3 in the engine compartment 10.
  • all the gas-carrying lines Ia, 2a, etc. and the inner space of the tank 2 are coated according to the invention.
  • the evaporator 3a whose components are coated as described above according to the component according to the invention, evaporates the LPG and warms it up with the cooling water heat to 75 ° C.
  • the treated gas is fed further into the gas filter 4, where precipitated Olifene and possibly solid particles are filtered out.
  • the purified LPG is passed on to the gas nozzles 5, which distribute the gas to the individual cylinders.
  • the gas nozzles 5 are controlled by means of a gas control unit.
  • the components of both the gas filter 4 and the gas nozzles 5 are provided with a coating having a hardness in the range of in the range of 600 HV and 6000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m.
  • Figure 2 shows, as already Figure 1, the structure of a car 8, which has a device for driving with natural gas.
  • a cylindrical tank 2 (bottle tank) into which can be introduced via the filler neck 1 natural gas.
  • the switch 6 flows through the gas line 2a, the natural gas in the pressure reducer 3b, which reduces the pressure of the natural gas of 200 bar in the tank 2 to 2 to 8 bar.
  • the prepared gas is from there through the gas filter 4 directed to the gas nozzles 5 and distributed to the individual cylinders.
  • gas filter 4 For operation with natural gas all components coming into contact with natural gas, ie gas lines 1a, 2a, tank 2, pressure reducer 3, gas filter 4 and gas nozzles 5 are coated in accordance with the component according to the invention.
  • the devices for the gas operation of a motor vehicle shown in FIGS. 1 and 2 contain a number of components which come into contact with liquid gas or natural gas and therefore with a coating having a hardness in the range of 600 HV and 6000 HV, in particular in the range of 800 HV and 3000 HV, and / or a surface energy of less than or equal to 50 mN / m, in particular less than or equal to 30 mN / m.
  • Such devices are suitable for operating a vehicle over long distances without complications with gas. Practical experience has shown that in conventional, uncoated devices after only 4000 km to 8000 km first problems caused by contamination and wear emerge, while devices containing components of the invention can be at least 40,000 km in use, without causing problems which are due to the gas operation.
  • the coating of components that come into contact with gas in internal combustion engines, where the internal combustion engines are operated instead of gasoline or diesel with LPG or natural gas, solves the problems caused by the use of LPG and / or natural gas, such as by very small hydrostatic or hydrodynamic lubricating effect of the gases occurring high friction phenomena, the adhesion of impurities and Admixtures and the aggressive effect of gases on the surface of the components.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bereitstellung von Bauteilen für Gaseinspritzsysteme und/oder Verbrennungsmotoren, welche eine geringe Störanfälligkeit und eine lange Standzeit aufweisen. Dazu werden die Bauteile, welche mit Flüssig- oder Erdgas in Berührung kommen, zumindest an den Bereichen, welche mit Gas in Kontakt sind, beschichtet. Die Beschichtung zeichnet sich dabei durch eine hohe Verschleißfestigkeit, hohe Korrosionsfestigkeit, günstige Reibungseigenschaften und eine gute AntI-Haftwirkung aus.

Description

Bauteile mit Oberflächenbeschichtung für Gaseinspritzsysteme (CNG + LPG) von Verbrennungsmotoren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Verbrennungsmotortechnik auf die Bereitstellung von Bauteilen für Gaseinspritzsysteme, welche eine geringe Störanfälligkeit und eine lange Standzeit aufweisen.
Seit einigen Jahren wird vermehrt versucht, Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, nicht wie üblich mit Benzin oder Diesel zu betreiben, sondern Gas als Kraftstoff einzusetzen. Dabei wird ins- besondere Flüssiggas und/oder Erdgas eingesetzt. Einerseits besteht die Möglichkeit, ein Fahrzeug, dessen Verbrennungsmotor üblicherweise mit Benzin oder Diesel gespeist wird, so umzurüsten, dass der Verbrennungsmotor mit Gas betrieben werden kann. An- dererseits werden derzeit bereits Fahrzeuge hergestellt, deren Verbrennungsmotoren speziell auf Gasbetrieb eingestellt sind.
Die zur Verwendung als Kraftstoff typischen Gase sind Flüssiggas und Erdgas. Flüssiggas (engl. Liguefied Petroleum Gas, LPG) , welches auch als Autogas bezeichnet wird, enthält 40 % bis 60 % Propan (C3H8) , Spuren von Propen bzw. Propylen (C3H6) mit einer C- Doppelbindung, 60 % bis 40 % Butan (C4H10) und Spuren von Buten bzw. Butylen (C4H8) mit einer C-Doppelbin- dung. Erdgas (engl. Compressed Natural Gas, CNG) kommt in den verschiedensten Zusammensetzungen vor. Üblicherweise unterscheidet man unter Erdgas mit der Bezeichnung „L" und Erdgas mit der Bezeichnung „H" aus dem Nordseegebiet bzw. aus dem Gebiet der GUS- Staaten. Erdgas mit der Bezeichnung „L" enthält typischerweise ca. 85 % Methan, 4 % weitere Alkane, wie beispielsweise Ethan, Propan, Butan oder Pentan, so- wie 11 % Inertgase. Erdgas mit der Bezeichnung „H" aus dem Nordseeraum enthält ungefähr 89 % Methan, 8 % weitere Alkane (Ethan, Propan, Butan, Pentan) sowie 3 % Inertgase. Im Gegensatz dazu enthält Erdgas mit der Bezeichnung „H" aus dem Gebiet der GUS-Staaten unge- fähr 98 % Methan, 1 % weitere Alkane (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 1 % Inertgase.
Zusätzlich zu den gerade genannten Hauptbestandteilen von Flüssiggas und Erdgas enthalten die beiden Gase verschiedene Arten von Verunreinigungen und/oder Beimengungen, so z.B. Paraffin, Ölderivate, Schwefel, Ruß, Eisenoxid und ähnliche Verunreinigungen und/oder Beimischungen .
Um nun einen üblichen Verbrennungsmotor mit Flüssiggas oder Erdgas betreiben zu können, benötigt man ein Gaseinspritzsystem. Abhängig davon, ob Erdgas oder Flüssiggas verwendet werden soll, unterscheiden sich die jeweiligen Einspritzsysteme leicht voneinander. Bei der Verwendung von Flüssiggas wird ein Verdampfer eingesetzt, welcher das Flüssiggas verdampft und mit der Kühlwasserwärme auf ca. 75 0C aufwärmt. Das so aufbereitete Gas weist dann einen Druck zwischen 1,2 bar und 2 bar auf. Im Gegensatz dazu kommt bei Erdgas ein sog. Druckminderer, auch Druckregler genannt, zum Einsatz. Dieser reduziert den Druck des Erdgases von ca. 200 bar im Tank auf 2 bar bis 8 bar. Durch die Entspannung des Gases wird der Umgebung Wärme entzogen (Expansionskälte) . Um dem entgegenzuwirken, sind der Verdampfer und der Druckminderer an den Kühlwas- serkreislauf des Motors angeschlossen. Das nun entsprechend aufbereitete Gas wird in den Gasfilter und von dort aus weiter zu den Gasdüsen (Injektoren) geleitet. Die Injektoren spritzen das Gas mit umgerechneten Benzineinspritzdüsensignalen aus dem Gassteuer- gerät in den Ansaugkrümmer des Motors pro Zylinder ein. Eine andere Möglichkeit bei der Verwendung von Flüssiggas als Kraftstoff ist die Methode der Flüssiggasdirekteinspritzung, wie sie von VW (Modell FSI) und Toyota (Modell WTi) für Benzindirekteinspritzmo- toren eingesetzt wird. Dabei wird die flüssige Gasphase direkt in den Brennraum des Motors gespritzt, wozu eine Druckerhöhungspumpe benötigt wird, um hohe Einspritzdrücke zu erreichen. Zur Sicherheitsabschaltung der Gasleitung werden typischerweise diverse Elektromagnetventile in das jeweilige Gaseinspritz- system eingebaut .
Aufgrund der Vielzahl an Verunreinigungen sowie Beimengungen sowohl im Flüssiggas als auch im Erdgas ist es notwendig, vor der Zuleitung des Gases zu den Injektoren einen Gasfilter anzubringen. Mit dessen Hilfe werden beispielsweise ausfallende Olifene und eventuell vorhandene Feststoffteilchen herausgefiltert, so dass diese die Injektoren nicht beschädigen können . Aufgabe der Injektoren bzw. der Gaseinspritzventile ist es, das aufbereitete Gas auf die einzelnen Zylinder des Motors zu verteilen. Es handelt sich hierbei um elektro-pneumatische Ventile. Das sehr schnell strömende Gas und die damit verbundene Auskühlung bei Volllast erfordern einen Einsatzbereich, der bis weit unter 0 0 C reicht. Die unterschiedliche Leistung der Motoren macht eine dementsprechende Bedüsung der Injektoren notwendig. Genau wie bei den Benzinein- spritzdüsen müssen hohe Anforderungen an Arbeitsgeschwindigkeit, Arbeitsgenauigkeit und Verschleißfestigkeit erfüllt werden.
Injektoren können auf unterschiedliche Weise ausge- bildet sein. Zu den bekanntesten zählen der Kolbeninjektor, der Nadelinjektor und der Klappeninjektor. Bei einem Kolbeninjektor bewegt ein elektromagnetischer Kopf einen Kolben in einem Zylinder, der mit einer als Dichtung ausgeführten Unterseite eine Boh- rung öffnet und federbelastet verschließt. Dabei ist auch eine berührungslose Führung des Kolbens im Inneren des Injektors möglich, wobei die Position des Kolbens entweder mit einer Feder oder einem Magnetfeld beeinflusst wird. Bei einem Nadelinjektor bewegt ein elektromagnetischer Kopf eine Nadel in einer Führung, die mit einer konischen Spitze eine Bohrung öffnet und federbelastet verschließt. Bei einem Klappeninjektor bewegt ein elektromagnetischer Kopf einen Überlenkhebel oder direkt eine oder mehrere Klappen pro Injektor, welche mit einer als Dichtung ausgeführten Unterseite eine Bohrung öffnen und federbelastet verschließen. Bei der Verwendung von Flüssiggas und/oder Erdgas anstelle von Benzin oder Diesel als Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor erweisen sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der beiden Gasarten als problematisch. Zum einen führen Verunreinigungen in den Gasen auch zu Verunreinigungen jener Bauteile, welche mit dem Gas in direktem Kontakt stehen. Weiterhin handelt es sich bei Erdgas und Flüssiggas um trockene Gase, welche eine sehr geringe hydrodynami- sehe und hydrostatische Schmierwirkung besitzen. Dies führt nun dazu, dass metallische und nicht - metallische Bauteile, welche während des Betriebes des Verbrennungsmotors in ständiger Bewegung sind und aneinander reiben, sehr schnell entfetten und durch starke Reibung beeinträchtigt werden. Außerdem enthalten die beiden Gasarten aggressive Bestandteile, welche durch chemische Reaktionen Oberflächen von metallischen und nicht-metallischen Bauteilen beschädigen können.
Die genannten Probleme werden derzeit durch die Verwendung von Filtern, welche Verunreinigungen aus den Gasen herausfiltern, sowie durch die Beimischung von Additiven zu den beiden Gasarten gelöst. Solche Addi- tive können einerseits die mit dem Gas in Berührung stehenden Bauteile fetten sowie die aggressiven Bestandteile der Gase binden, so dass es nicht zu chemischen Reaktionen mit der Oberfläche der Bauteile kommt. Dennoch ist die Lebensdauer der mit dem Gas in Berührung stehenden Bauteile in einem Verbrennungsmotor begrenzt. Die Verwendung von Flüssiggas oder Erdgas als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren ist derzeit wartungsintensiv und es kommt oftmals zu Störungen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, Bauteile für einen Verbrennungsmotor und/oder ein Gasein- spritzsystem, welche in ständiger Berührung mit Flüssiggas oder Erdgas stehen, zur Verfügung zu stellen, welche resistent gegen die durch das Flüssiggas oder Erdgas bedingten Einflüsse, wie z.B. Verunreinigun- gen, negative Reibungseffekte und chemische Reaktionen mit der Oberfläche, sind.
Diese Aufgabe wird durch das Bauteil nach Anspruch 1 sowie das Gaseinspritzsystem nach Anspruch 10 und den Motor nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteils werden in den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen gegeben. Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 12 zur Herstellung eines er- findungsgemäßen Bauteils sowie dessen vorteilhaften Ausführungsformen gemäß der zugehörigen abhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine erste Oberfläche eines Bauteils, welches mit Gas, insbesondere mit
Flüssiggas und/oder mit Erdgas, in Berührung kommt, mit einer Beschichtung versehen, welche eine Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflä- chenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, aufweist. Durch die geringe Oberflächenenergie der Beschichtung wird ihre gute Anti- Haftwirkung ausgedrückt. Vorzugsweise zeichnet sich die Beschichtung zusätzlich durch güns- tige Reibungseigenschaften aus.
Besagte erste Seite des Bauteils ist dem Einfluss von Gas ausgesetzt. Die erste Seite ist vorzugsweise vollständig beschichtet, kann jedoch auch nur teil- weise an besonders beanspruchten Stellen beschichtet sein. Durch eine Beschichtung des Bauteils, welches mit Gas in Berührung kommt, wird der Verschleiß und die Reibung der Bauteile, welche durch die sehr geringe hydrostatische bzw. hydrodynamische Schmierung von Flüssiggas und Erdgas auftritt, reduziert, ein Anhaften der Verunreinigungen bzw. Beimischungen aus den Gasen verringert und die aggressive Wirkung der Gase auf die Oberflächen der Bauteile zumindest teilweise unterbunden.
Vorzugsweise ist auch eine zweite Oberfläche des Bauteils, welche nicht mit dem Gas in Berührung kommt, beschichtet, wobei die Beschichtung wieder eine Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Ober- flächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, aufweist. Durch die Beschichtung der ersten sowie der zweiten Oberfläche des Bauteils, welches mit Gas in Berührung kommt, wird vermieden, dass an den Übergangsstellen zwischen erster und zweiter Oberfläche des Bauteils
Fehler in der Beschichtung auftreten, welche sich bei Beanspruchung des Bauteils beispielsweise über die gesamte Beschichtung der ersten Oberfläche des Bauteils fortsetzen.
Die Eigenschaften der Beschichtung, nämlich eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Korrosionsfestigkeit, günstige Reibungseigenschaften und eine gute Anti- haftwirkung, werden insbesondere von kohlenstoffba- sierten und/oder chrombasierten Materialien erfüllt, so dass für die Beschichtung vorzugsweise Materialien gewählt werden, welche aus kohlenstoffbasierten und/oder chrombasierten Materialien bestehen oder solche enthalten.
Zu den vorteilhaften kohlenstoffbasierten Schichten zählen insbesondere amorphe Kohlenstoffschichten (engl. Diamond-like carbon, DLC), welche in der VDI- Richtlinie 2840 für Kohlenstoffschichten zusammenge- fasst sind, da sie sich durch hohe Verschleißfestig- keit, hohe Korrosionsfestigkeit, günstige Reibungseigenschaften und gute Antihaftwirkung auszeichnen. Besonders vorteilhaft sind die DLC-Schichtvarianten a- C: H, a-C:H:Me, wobei Me für ein Metall aus der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems steht, a-C, ta-C sowie Modifikationen aus a-C: H mit Silicium (a- C:H:Si) und/oder Sauerstoff (a-C:H:Si:O) .
Im Folgenden werden einige Ausschnitte aus der genannten Richtlinie VDI 2840 für Kohlenstoffschichten zitiert. So werden amorphe Kohlenstoffschichten typischerweise in sieben Schichttypen eingeteilt, die mit der Abkürzung „a-C" gekennzeichnet werden (a: amorph, C: chemisches Zeichen für Kohlenstoff) . Diese Abkürzung wird zur Abgrenzung der sieben Schichttypen mit zusätzlichen Buchstaben (z.B. „Me") versehen.
Dabei können zwei Untergruppen gebildet werden: die Wasserstofffreien und die wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten. Da auch ohne Zusatz von Wasserstoffgas geringe Mengen Wasserstoff, z. B. aus Restgasen, in die Schichten eingebaut werden, kann eine Grenze von ca. 3 At- % Wasserstoffanteil als Ü- bergang von wasserstofffreien zu den wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten angesehen werden.
Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten unterscheiden sich durch die Bindungsart der Kohlenstoff - atome, die in den Schichten überwiegt, und durch eventuelle Zusatzstoffe:
• Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten a-C Je nachdem, wie viel Energie man den Teilchen bei der Abscheidung gibt, bilden sich die Kohlenstoffatome auf der Substratoberfläche überwiegend in einem der beiden Hyb- ridzustände aus. Bei geringen Energien ergeben sich überwiegend sp2- Hybridisierungen. Die Schichten sind also weicher. Diese Wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffschichten erhalten die Abkürzung „a-C" ohne Zusatzbuchstaben.
• Tetraedrische Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten ta-C Bei hohen Abscheideenergien bilden sich überwiegend sp3-Hybridisierungen der Tetraederanordnung, die zu höheren Härten und außerdem zu einer Zunahme der Druckeigenspannungen führen. Diese tetraedrischen Wasserstofffreien amorphen Kohlenstoff- schichten erhalten dann die Abkürzung „ta-
• Metallhaltige Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten a-C:Me Die dritte Variante unterscheidet sich von den a-C- Schichten durch den Zusatz von metallischen Elementen. Z.B. werden Metalle verwendet, bei denen das Metall als Verbindung mit dem Kohlenstoff in Form von Carbi - den in die Schicht eingelagert wird. Typisch werden die Metalle der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente verwendet. Diese metallhaltigen wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffschichten werden mit „a-C: Me" bezeichnet, wobei „Me" für „Metall" steht. Es können stattdessen auch die konkreten Metalle bezeichnet wer- -den, z.B. bei Wolfram a-C:W oder bei Titan a-C:Ti .
Zur Kennzeichnung der Wasserstoffhaltigen amorphen
Kohlenstoffschichten wird an die Abkürzung a-C ein H als chemisches Zeichen für Wasserstoff mit einem Doppelpunkt angehängt. Der Doppelpunkt deutet die chemische Bindung der beiden Elemente an. Diese Schichten können weiter unterteilt werden in nicht modifizierte und modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten. Modifizierte Schichten enthalten zusätzlich zum Wasserstoff noch weitere Elemente:
• Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H
Die nicht modifizierten wasserstof fhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten, die neben dem Kohlenstoff nur Wasserstoff enthalten, werden mit „a-C: H" abgekürzt. Die Menge des enthaltenen Wasserstoffs können stark variieren und die Eigenschaften der Schicht beeinflussen. Je geringer der Wasserstoffanteil, desto stärker sind die Kohlenstoff- atome vernetzt und desto härter ist die
Schicht. Bei diesem Schichttyp kann entweder die sp2- oder die sp3- Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen überwiegen.
• Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe
Kohlenstoffschichten ta-C:H Auch bei den wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten können sich überwiegend sp3 -Hybridisierungen zwischen den Koh- lenstoffatomen ausbilden. Die modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten teilen sich nach den Modifizierungselementen in zwei weitere Gruppen auf : die metallhaltigen und die mit Nichtmetallen mo- difizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten. Die zusätzlich eingebauten Elemente werden mit ihren Kürzeln ebenfalls mit Doppelpunkt an die Abkürzung a-C:H angehängt (z.B. a-C:H:SI:O) :
• Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:Me
Die metallhaltigen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten enthalten me- tallische Elemente, z.B. Wolfram (a-C:H:W) oder Titan (a-C:H:Ti) .
• Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:X Die mit Nichtmetallen modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten enthalten nichtmetallische Elemente, wie z.B. Silizium (Si), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) , Fluor (F) oder Bor (B) , die teilweise auch Carbide bilden können (z.B.
Si und B) .
Alternativ können als Materialien für die erfindungs- gemäße Beschichtung des Bauteils chrombasierte Materialien gewählt werden. Besonders vorteilhaft sind dabei Materialien, welche Chromnitrid und/oder Chrom- carbid und/oder Chromcarbonitrid enthalten oder daraus bestehen. Solche chrombasierten Materialien wei- sen ebenfalls eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Korrosionsschutzwirkung und gute Antihafteigen- Schäf ten auf .
Vorzugsweise weist die Beschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils eine Dicke im Bereich von 0,05 μm und 25 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 μm und 12 μm, insbesondere im Bereich von 0,5 μm und 6 μm auf. Je nach Bauteil und Anwendungsfall sowie Toleranzanforderungen kann die Schichtdicke im genannten Bereich variieren.
Insbesondere die Beschichtung der ersten Oberfläche, d.h. der Oberfläche des Bauteils, welche mit dem Gas, insbesondere Flüssiggas und/oder Erdgas, in Berührung kommt, sollte besonderen Qualitätsbeschaffenheiten genügen. Dazu gehört insbesondere, dass die Dicke der Beschichtung über die gesamte Oberfläche möglichst nicht variieren sollte. Vorteilhafterweise variiert die Schichtdicke über die gesamte erste Oberfläche um weniger als 20 %, insbesondere um weniger als 10 % der gesamten Schichtdicke. Bei vielen Bauteilen, z.B. bei einem Kolben für einen Injektor, würde eine ungleichmäßige Beschichtung zu Fehlern in der Symmetrie führen.
Je nach Material der Beschichtung wird die Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden. Für die Abscheidung von kohlenstoffbasier- ten Schichten bieten sich sowohl PVD-Verfahren als auch CVD-Verfahren an. Für die Abscheidung chrombasierter Materialien werden PVD-Verfahren bevorzugt.
Beispiele für Bauteile, welche in einem Gaseinspritz- System bzw. einem Motor mit Gas in Berührung kommen, sind beispielsweise Verdampfer, welche ein Gehäuse, eine Druckregelmembran, ein Druckregelventil, ein Überdruckventil sowie eine Dichtung enthalten, und/oder Gasfilter und/oder elektromagnetische Gasabsperrventile, welche ein Gehäuse, einen Ventilkolben, eine Feder, eine Kolbenführung sowie eine Dichtung enthalten, und/oder Gaseinblasventile, welche einen Kolben, eine Nadel, eine Klappe, eine Feder, eine Führung, einen Dichtkonus sowie eine Dichtung enthalten, und/oder Druckerhöhungspumpen, welche einen Pum- penkolben oder einen Pumpenrotor, eine Druckregel - membran, eine Feder, eine Kolbenführung sowie eine Dichtung enthalten. Hauptgründe für die Beschichtung der oben genannten Bauteile sind:
1. die Reduzierung des Verschleißes und der Reibung der metallischen und nicht-metallischen Bauteile.
2. die Reduzierung der Anhaftung von Verunreinigun- gen und Beimischungen in Gasen an metallischen und nicht-metallischen Bauteilen.
3. der Schutz der metallischen und nichtmetallischen Bauteile gegen aggressive Bestand- teile der Gase.
Erfindungsgemäß enthält ein Gaseinspritzsystem mindestens ein Bauteil, dessen mindestens eine erste Oberfläche mit einem Material, welches eine Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, aufweist, beschichtet ist. Vorzugsweise sind sämtliche Bauteile, welche mit Gas, insbesondere mit Flüssiggas oder Erdgas, in Berührung kommen, mit dem besagten Material, insbesondere einem kohlenstoffhaltigen und/oder chromhaltigen Material, beschichtet.
Auch ein erfindungsgemäßer Motor weist mindestens ein Bauteil und/oder ein Gaseinspritzsystem auf, wobei mindestens ein Bauteil auf seiner ersten Seite, welche mit Gas in Berührung kommt, mit einem Material mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, und/oder geringem Reibungskoeffizienten beschichtet ist. Vorteilhafterweise sind sämtliche Bauteile des Motors, welche mit Gas in Berührung kommen, beschichtet.
Die Beschichtung der einzelnen Bauteile in Gaseinspritzsystemen und/oder Motoren dient der Verringerung der Reibung zwischen sich bewegenden benachbar- ten Bauteilen, der Herstellung einer Antihaftwirkung gegen Verunreinigungen und Beimischungen aus Gasen, sowie dem Verhindern von aggressiver Wirkung der Gase auf die Oberflächen der Bauteile. Zusätzlich wird insbesondere bei Gasinjektoren durch die Reibungsver- ringerung zwischen beweglichen Teilen zusätzlich eine kürzere Ansprechzeit erzielt, wodurch eine exaktere Motorsteuerung möglich wird.
Zur Herstellung von mit Gas in Berührung stehenden Bauteilen für Gaseinspritzsysteme und/oder Motoren mit langer Lebensdauer und/oder geringer Störanfälligkeit wird insbesondere eine erste Oberfläche des Bauteils, welche in direktem Kontakt mit dem Gas steht, mit einem Material mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von
800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, mit Hilfe physikalischer Gaspha- senabscheidung und/oder chemischer Gasphasenabschei- dung beschichtet. Dabei kommt auch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung zum Einsatz.
Die mit Gas in Berührung kommenden Bauteile eines Gaseinspritzsystems oder Motors werden mit kohlen- stoffbasierten, insbesondere diamantähnlichen kohlen- stoffbasierten Materialien und/oder chrombasierten Materialien beschichtet. Vorteilhafterweise werden die oben bereits genannten DLC-Schichten mittels PVD- und/oder CVD-Verfahren mindestens auf der ersten Seite des Bauteils, welches mit Gas in Berührung kommt, abgeschieden. Chrombasierte Materialien werden dagegen vorzugsweise mit dem PVD-Verfahren hergestellt. Der jeweilige Abscheidungsprozess wird so lange durchgeführt, bis eine Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,05 μm und 25 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 μm und 12 μm, insbesondere im Bereich von 0,5 μm und 6 μm, abgeschieden ist.
Im Folgenden werden einige Beispiele für erfindungs- gemäße Bauteile gegeben, wobei jeweils die Gründe für das Beschichten der jeweiligen Bauteile angeführt werden.
Vorzugsweise sollten zumindest sämtliche nachfolgend genannten Bestandteile von Vergasern, elektromagnetischen Gasabsperrventilen, Injektoren und Druckerhöhungspumpen mit einer harten Schicht mit geringer Oberflächenenergie und/oder geringem Reibungskoeffizienten beschichtet sein.
Da die Gehäuseinnenseiten eines Verdampfers üblicher- weise aus widerstandsfähigen Materialien bestehen, dient die Beschichtung dieser Innenseiten daher lediglich der Reduzierung der Anhaftung von Verunreinigungen. Die Druckregelmembran eines Verdampfers weist dagegen zumeist ein elastisches und damit gegen chemische Reaktionen weniger widerstandsfähiges Material auf. Eine Beschichtung ist daher notwendig, um zum einen eine Antihaftwirkung gegen Verunreinigungen herzustellen, zum anderen das Bauteil gegen die ag- gressiven Bestandteile der Gase abzuschirmen. Bei den Druckregelventilen sowie den Überdruckventilen eines Verdampfers sowie deren einzelnen Bestandteilen handelt es sich um filigrane Bauteile, welche stark beansprucht werden. Ihre Beschichtung dient daher so- wohl dem Schutz vor Verschleiß und übermäßiger Reibung als auch dem Schutz vor Anhaftung von Verunreinigungen sowie dem Schutz vor unerwünschten chemischen Reaktionen.
Die Gehäuseinnenseiten von elektromagnetischen Gasabsperrventilen für Flüssiggas-Einspritzsysteme werden durch die Beschichtung insbesondere mit einer Antihaftwirkung versehen. Da auch Federn keiner direkten Reibung ausgesetzt sind und aus Materialien bestehen, welche meist nicht durch die aggressiven Bestandteile des Gases angegriffen werden, dient die Beschichtung der Federn ebenfalls der Vermeidung von Anhaftung von Verunreinigungen. Ventilkolben und Kolbenführung von elektromagnetischen Gasabsperrventilen berühren sich während der Bewegung des Ventilkolbens in der Kolbenführung, so dass es zu Reibungserscheinungen und damit zum Verschleiß des Materials kommen kann. Die Beschichtung dient in diesem Fall dem Schutz vor Verschleiß und dem Schutz vor Anhaftung von Verunreini- gungen sowie dem Schutz insbesondere des Kolbens vor aggressiven Bestandteilen der Gase. Die durch Einfluss von Gas, insbesondere Flüssiggas und/oder Erdgas, gefährdetsten Bestandteile eines Kolbeninjektors sind der Kolben sowie die Kolbenfüh- rung. Die Beschichtung schützt Kolben und Kolbenführung vor Verschleiß, Anhaftung von Verunreinigungen sowie chemischen Reaktionen. Im Falle eines Nadelinjektors müssen insbesondere Nadel und Dichtkonus vor Verschleiß und Anhaftung von Verunreinigungen ge- schützt werden, da diese beiden Bestandteile die Dichtwirkung des Injektors erst ermöglichen. Die Klappe eines Klappeninjektors ist dagegen keiner Reibung ausgesetzt und eine Beschichtung dient daher lediglich der Vermeidung von Anhaftungen von Verunrei- nigungen, da ansonsten keine Dichtwirkung zustande kommen würde. Die Führung eines Klappeninjektors ist beschichtet, um einerseits Verschleiß zu vermeiden, andererseits die Anhaftung von Verunreinigungen zu verhindern. Den genannten herkömmlichen Injektoren ist gemeinsam, dass sie eine oder mehrere Federn aufweisen. Eine Beschichtung dieser dient lediglich dem Zweck der Reduzierung von Anhaftung von Verunreinigungen .
Wie bereits erwähnt, benötigt man für eine Flüssiggasdirekteinspritzung eine Druckerhöhungspumpe. Herzstück einer solchen Pumpe ist der Pumpenkolben oder Pumpenrotor. Seine Beschichtung hat das Ziel, den Pumpenkolben oder Pumpenrotor vor Verschleißerschei- nungen, Anhaftung von Verunreinigungen und aggressiven Bestandteilen der Gase zu schützen. Die Druckregelmembran der Druckerhöhungspumpe enthält meist leicht reagierende Materialien, so dass die Beschichtung sowohl dem Schutz vor Anhaftung von Verunreini- gungen als auch dem Schutz vor einer chemischen Reaktion mit aggressiven Bestandteilen der Gase dient. Auch Druckerhöhungspumpen verfügen über eine oder mehrere Federn, welche mit dem Ziel der Reduzierung der Anhaftung von Verunreinigungen beschichtet sind. Eine Kolbenführung in Form eines Zylinders ist beschich- tet, um die Reibung zu verringern und eine bessere Antihaftwirkung zu erzielen.
Sämtliche der beschriebenen Bauteile, also Verdampfer, elektromagnetische Gasabsperrventile, Injektoren und/oder Druckerhöhungspumpen enthalten verschiedene Dichtungen. Da Dichtungen meist aus kunststoffhalti- gen Materialien zusammengesetzt sind, sind sie wenig widerstandsfähig gegenüber aggressiven Bestandteilen der Gase. Die Beschichtung von Dichtungen dient daher alleine dem Zweck, chemische Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Dichtungen und den aggressiven Bestandteilen der Gase zu vermeiden.
Im Folgenden werden anhand von Figuren einige Anord- nungen aus mehreren der erfindungsgemäßen Bauteile gegeben. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines
PKWs, welcher eine Vorrichtung, ent- haltend verschiedene erfindungsgemäße
Bauteile, für einen Antrieb mit Autobzw. Flüssiggas aufweist; und Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines
PKWs, welcher eine Vorrichtung enthal- tend verschiedene erfindungsgemäße
Bauteile, für einen Antrieb mit Erdgas aufweist .
Figur 1 zeigt die Umrisse eines herkömmlichen PKWs 8. Dieser PKW 8 weist, gegebenenfalls zusätzlich zu einem Tankstutzen für Benzin oder Diesel (in der Figur nicht gezeigt), einen Tankstutzen 1 für Autogas auf. Durch diesen kann über eine Gasleitung Ia Autogas in den im Kofferraum 9 des PKWs 8 befindlichen Autogastank 2 (Ersatzradmuldentank) eingeleitet werden. Um von Benzin- auf Autogasbetrieb umzustellen, muss der Umschalter 6 betätigt werden. Über eine weitere Gasleitung 2a wird dann das Autogas in einen Verdampfer 3 im Motorraum 10 geleitet. Vorzugsweise sind sämtliche gasführende Leitungen Ia, 2a etc. sowie der In- nenraum des Tanks 2 erfindungsgemäß beschichtet. Der Verdampfer 3a, dessen Bestandteile wie oben beschrieben gemäß dem erfindungsgemäßen Bauteil beschichtet sind, verdampft das Autogas und wärmt es mit der Kühlwasserwärme auf 75°C auf. Das aufbereitete Gas wird weiter in den Gasfilter 4 geleitet, wo ausfallende Olifene und eventuell enthaltene Feststoffteil- chen herausgefiltert werden. Das gereinigte Autogas wird weiter zu den Gasdüsen 5 geleitet, welche das Gas auf die einzelnen Zylinder verteilen. Die Gasdü- sen 5 werden mit Hilfe eines Gassteuergerätes gesteuert. Auch die Bestandteile sowohl des Gasfilters 4 als auch der Gasdüsen 5 sind mit einer Beschichtung mit einer Härte im Bereich von im Bereich von 600 HV und 6000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m versehen.
Figur 2 zeigt, wie schon Figur 1, den Aufbau eines PKWs 8, welcher eine Vorrichtung für den Antrieb mit Erdgas aufweist. Im Kofferraum 9 des PKWs 8 befindet sich ein zylinderförmiger Tank 2 (Flaschentank) , in den über den Tankstutzen 1 Erdgas eingeleitet werden kann. Nach geeigneter Einstellung des Umschalters 6 strömt durch die Gasleitung 2a das Erdgas in den Druckverminderer 3b, welcher den Druck des Erdgases von 200 bar im Tank 2 auf 2 bis 8 bar reduziert. Das präparierte Gas wird von dort aus durch den Gasfilter 4 zu den Gasdüsen 5 geleitet und auf die einzelnen Zylinder verteilt. Für den Betrieb mit Erdgas sind sämtliche mit Erdgas in Berührung kommenden Bauteile, also Gasleitungen Ia, 2a, Tank 2, Druckverminderer 3, Gasfilter 4 und Gasdüsen 5 entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteil beschichtet.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen für den Gasbetrieb eines Kraftfahrzeuges enthal- ten eine Reihe von Bauteilen, welche mit Flüssiggas oder Erdgas in Berührung kommen und daher mit einer Beschichtung mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von klei- ner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, versehen sind. Solche Vorrichtungen eignen sich, um ein Fahrzeug über weite Stecken ohne Komplikationen mit Gas zu betreiben. Praxiserfahrungen haben gezeigt, dass bei herkömmlichen, unbe- schichteten Vorrichtungen bereits nach 4000 km bis 8000 km erste durch Verunreinigungen und Verschleiß bedingte Probleme auftauchen, während Vorrichtungen, welche erfindungsgemäße Bauteile enthalten, mindestens 40000 km im Einsatz sein können, ohne dass sich dabei Probleme ergeben, welche durch den Gasbetrieb bedingt sind.
Die Beschichtung von Bauteilen, welche mit Gas in Berührung kommen, in Verbrennungsmotoren, wobei die Verbrennungsmotoren anstelle von Benzin oder Diesel mit Flüssiggas oder Erdgas betrieben werden, löst die durch die Verwendung von Flüssiggas und/oder Erdgas auftretenden Probleme, wie beispielsweise die durch sehr geringe hydrostatische bzw. hydrodynamische Schmierwirkung der Gase auftretenden hohen Reibungserscheinungen, die Anhaftung von Verunreinigungen und Beimischungen sowie der aggressiven Wirkung von Gasen auf die Oberfläche der Bauteile.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil eines Gaseinspritzsystems mit mindestens einer ersten Oberfläche des Bauteils, welche mit
Gas, insbesondere mit Flüssiggas und/oder mit Erdgas, in Berührung kommt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche des Bauteils eine Beschichtung mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800
HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, aufweist.
2. Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, da- durch gekennzeichnet, dass eine zweite Oberfläche des gasführenden Bauteils, welche nicht mit Gas in Berührung kommt, eine Beschichtung mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbesondere kleiner oder gleich 30 mN/m, aufweist.
3. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus kohlenstoffbasierten und/oder chrombasierten
Materialien besteht oder solche enthält.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine diamantähnliche, amorphe Kohlenstoff- Schicht, insbesondere a-C:H und/oder a-C:H:Me, wobei Me ein Metall der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems ist, und/oder a-C und/oder ta-C und/oder a-C:H:Si und/oder a-C:H:Si:O, enthält oder daraus besteht.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Chromnitrid und/oder Chromcarbid und/oder Chrom- carbonitrid enthaltende oder daraus bestehende Schicht ist.
6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Bauteils eine Dicke im Bereich von 0,05 μm und 25 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 μm und 12 μm, insbesondere im Bereich von 0,5 μm und 6 μm, aufweist.
7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung der ersten Oberfläche über die gesamte erste Oberfläche um weniger als
20 %, insbesondere um weniger als 10 %, variiert .
8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden ist.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasführende
Bauteil ein Verdampfer, insbesondere mindestens ein Element aus der Gruppe enthaltend Gehäuse, Druckregelmembran, Druckregelventil, Überdruckventil und Dichtung, und/oder ein Gasfilter und/oder ein elektromagnetisches Gasabsperrventil, insbesondere mindestens ein Element aus der Gruppe enthaltend Gehäuse, Ventilkolben, Feder, Kolbenführung und Dichtung, und/oder ein Gasein- blasventil, insbesondere mindestens ein Element aus der Gruppe enthaltend Kolben, Nadel, Klappe, Feder, Führung, Dichtkonus und Dichtung, und/oder eine Druckerhöhungspumpe, insbesondere mindestens ein Element aus der Gruppe enthaltend
Pumpenkolben, Pumpenrotor, Druckregelmembran, Feder, Kolbenführung und Dichtung, und/oder ein zusätzliches Bauteil in einem Gaseinspritzsystem, insbesondere in einem Motor, ist.
10. Gaseinspritzsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinspritzsystem mindestens ein Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist .
11. Motor, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mindestens ein Bauteil und/oder ein Gaseinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines mit Gas, insbesondere mit Erdgas und/oder Flüssiggas, in Be- rührung stehenden Bauteils für Gaseinspritzsysteme und/oder Motoren mit langer Standzeit und/oder geringer Störanfälligkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Oberfläche des Bauteils, welche mit Gas, insbesondere mit Erd- gas und/oder Flüssiggas, in Berührung kommt, mit einem Material mit einer Härte im Bereich von 600 HV und 6000 HV, insbesondere im Bereich von 800 HV und 3000 HV, und/oder einer Oberflächenenergie von kleiner oder gleich 50 mN/m, insbe- sondere kleiner oder gleich 30 mN/m, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung beschichtet wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein kohlenstoffbasiertes, insbesondere diamantähnliches kohlenstoffbasiertes, Material und/oder chrombasiertes Material enthält oder daraus besteht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil und/oder ein Gaseinspritzsystem und/oder ein Mo- tor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wird.
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