DE10259174A1

DE10259174A1 - Tribologisch beanspruchtes Bauelement und Gasmotor oder Verbrennungsmotor damit

Info

Publication number: DE10259174A1
Application number: DE10259174A
Authority: DE
Inventors: Stefan Grosse; Sascha Henke; Rainer Feuerfeil; Andreas Gross
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: FR2849062B1; DE10259174B4; GB0329126D0; GB2397826A; US20040144335A1; US7455906B2; FR2849062A1; GB2397826B

Abstract

Es wird ein tribologisch beanspruchtes Bauelement (5), insbesondere eine Einspritznadel, ein Einspritzventil oder ein Bauteil eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, vorgeschlagen. Dieses weist einen sich bei Betrieb relativ zu einem Gegenkörper (6) bewegenden und dabei tribologisch beanspruchten Oberflächenbereich (20) auf, der mit einer ersten Beschichtung (21) versehen ist. Diese erste Beschichtung (21) weist eine erste Schicht (22) aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom% auf. Weiter wird ein Gasmotor oder ein mit einem trockenen Gas, wie Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff oder unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebener Verbrennungsmotor mit einem derartigen tribologisch beanspruchten Bauelement, vorgeschlagen.

Description

Die Endung betrifft ein tribologisch beanspruchtes Bauelement, insbesondere eine Einspritznadel, ein Einspritzventil oder ein Bauteil eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, sowie einen Gasmotor oder einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen tribologisch beanspruchten Bauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
In Gasmotoren werden bisher vielfach Ventile auf Basis von Benzin-Einspritzventilen eingesetzt. Da das bislang zum Einsatz kommende Erdgas aufgrund ölgedichteter Kompressoren einen geringen Anteil von Öl enthält, besitzen diese Ventile eine ausreichend lange Funktionsdauer, da schon geringste Mengen von Öl für einen zuverlässigen Betrieb ausreichen.
Bei zukünftigen Anwendungen ist jedoch damit zu rechnen, dass Gasmotoren zunehmend mit ölfrei verdichteten und gleichzeitig mit nahezu vollständig, insbesondere mit Hilfe eines Kältetrockners, getrockneten Gasen betrieben werden. Versuche mit solchen ölfreien, trockenen Gasen bei Motoren mit Benzineinspritzventilen nach dem Stand der Technik haben gezeigt, dass dadurch die Funktionsdauer der Ventile von bisher einigen tausend Stunden auf wenige Stunden zurückgeht. Insbesondere wurde festgestellt, dass Ventilnadeln bereits nach 10 Stunden bis 100 Stunden Betriebs- oder Versuchsdauer mit trockenem Stickstoff fressen. Diese Problematik betrifft auch weitere trockene Gase wie beispielsweise Wasserstoff.
Um einen Verschleißschutz von tribologisch hoch belasteten Bauteilen, beispielsweise in Komponenten von Einspritzsystemen oder Einspritzventilen, bereit zu stellen, können andererseits auch kohlenstoffhaltige Schichten in Form von sogenannten DLC-Schichten (diamond-like-carbon) oder iC-WC-Schichten eingesetzt werden. Auch diese versagen jedoch bei einem Einsatz in absolut trockener Umgebung, was im Fall von Einspritzven tilen in einem Modellverschleißtest (Schwingverschleiß) im Zeitraffer sehr gut nachempfunden werden kann. Dabei wird ein Prüfkörper mit einer oszillierenden Kugel aus Stahl (1000r6) belastet, wobei ein Maß für die Beständigkeit des mit einer derartigen Beschichtung versehenen Prüfkörpers die Zeit bis zu dem Versagen der Beschichtung auf dem Prüfkörper ist.
Bekannt ist weiterhin, dass durch die Erhöhung des Anteils an Wasserstoff in diamantähnlichen Kohlenstoffschichten bzw. DLC-Schichten der Reibwer in trockener Umgebung erniedrigt werden kann. So wird in A. Erdemir et al., "Effect of source gas and deposition method on friction and wear performance of diamond-like carbon films", Surf. and Coatings Technology, 94–95, (1997), Seiten 525ff. beschrieben, dass diamantähnliche Kohlenstoffschichten einen Reibwert von 0,02 in trockener Umgebung besitzen, sofern sie einen erhöhten Wasserstoffanteil aufweisen. Eine derartige Erhöhung des Wasserstoffanteiles wird dort durch Verwendung von Methan bzw. eines Methan/Wasserstoff-Gemisches anstelle von Acetylen bei der Abscheidung der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff erreicht.
Daneben ist aus WO 97/04142 eine Beschichtung und ein Verfahren zu deren Erzeugung bekannt, die auch unter trockenen Bedingungen einen niedrigen Reibwert, jedoch nur eine geringe Verschleißbeständigkeit aufweist. Die dort erzeugte Beschichtung besteht aus Molybdändisilizid und wird über ein Sputter-Verfahren auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines tribologisch beanspruchten Bauelementes, das mit einer Beschichtung derart versehen ist, dass das Bauelement auch in einem Verbrennungsmotor oder einem Gasmotor eingesetzt werden kann, der mit einem trockenen, insbesondere ölfreien Gas als Brennstoff betrieben wird. Insbesondere soll das tribologisch beanspruchte Bauelement mit einer Beschichtung versehen sein, die sowohl einen niedrigen Reibwert als auch eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße tribologisch beanspruchte Bauelemnt hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es in trockener Umgebung und/oder ölfreier Umgebung ge genüber einer herkömmlichen Beschichtung mit einer Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff oder der aus WO 97/04142 bekannten Molybdändisilizid-Beschichtung eine deutlich höhere Beständigkeit gegenüber Verschleiß aufweist.

Insbesondere weist die Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von inindestens 30 Atom% gegenüber Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem typischen Wasserstoffanteil von ca. 25 Atom% in einem Modellverschleißtest (Schwingverschleiß) deutlich verbesserte Standzeiten, insbesondere unter trockenen und ölfreien Bedingungen, auf.

Insofern eignet sich das tribologisch beanspruchte Bauelement vor allem zum Einsatz in einem Gasmotor oder in einem mit einem trockenen Gas mit Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff oder einem unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebenen Verbrennungsmotor.

Besonders vorteilhaft ist das tribologisch beanspruchte Bauelement dabei eine Einspritznadel, ein Einspritzventil oder ein Bauteil eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors wie ein Dichtsitz, ein Führungsbereich einer Einspritznadel oder ein Sitzbereich einer Einspritznadel.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, dass sich das tribologisch beanspruchte Bauelement auch für Betriebszustände eignet, bei dem zwischen dein Oberflächenbereich des Gegenkörpers und dem Oberflächenbereich des Bauelementes ein nicht geschmierter Festkörperkontakt vorliegt.

In geschinierten Kontakten trennt normalerweise ein Schmierfilm die beiden Reibpartner. Unter Mischreibungsbedingungen oder unter extremen Betriebsparametern kann es aber zum Schmierfilmabriss und damit zu einem direkten Festkörperkontakt der beiden Reibpartner kommen. Bei trockenen Betriebszuständen, wie sie typischerweise in einem mit einem trockenen Gas wie Erdgas oder Wasserstoff betriebenen Gasmotor vorkommen, und bei dein ein solcher Festkörperkontakt unvermeidbar über die gesamte Betriebsdauer des Systems vorliegt, ist daher das tribologisch beanspruchte Bauelement so auszulegen, dass es nicht zu einem sogenannten "Fressen" kommt.

Das tribologisch beanspruchte Bauteil hat in diesem Fall den Vorteil, dass die Schicht mit dem diamantähnlichen Kohlenstoff zumindest teilweise die Funktion eines ansonsten vorhandenen Schinierfilms zwischen dem Bauelement und dem Gegenkörper übernehmen kann. Insbesondere wird durch diese Schicht der direkte Kontakt von zwei Oberflächen aus Stahl und damit die Adhäsionsneigung derartiger metallischer Oberflächen vermieden, und es wird durch den gleichzeitig niedrigen Reibwert der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff neben ihrer hohen Verschleißbeständigkeit bzw. Abriebbeständigkeit eine Art Festkörperschmierung erzielt. Schließlich wird durch die vorgesehene Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff auch die chemische Reaktivität der Oberfläche des Gegenkörpers bzw. der Oberfläche des beschichteten Bauelementes reduziert.

Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung mit der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit hohem Wasserstoffanteil einerseits ein reibarmer Verschleißschutz des tribologisch beanspruchten Bauelementes, insbesondere im Fall eines Bauelementes in Form einer Komponente einer Kraftstoffeinspritzung bei Verwendung von alternativen, trockenen, gasförmigen und ölfreien Kraftstoffen, und andererseits eine signifikante Verlängerung der Lebensdauer des tribologisch beanspruchten Bauelementes und des damit bei Betrieb in reibendem Kontakt stehenden Gegenkörpers durch Verringerung der Oberflächenreaktivität, metallischen Adhäsionsneigung und der Vermeidung von Mikroverschweißungen und Tribooxidationen erzielt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibug näher erläutert. Es zeigen 1 eine Prinzipskizze eines Ausschnittes des Bauelementes und des diesem zugeordneten Gegenkörpers im Schnitt, und 2 eine Messung des Reibungskoeffizienten des tribologisch beanspruchten Bauelemetes als Funktion der Zeit sowie eine Messung der Abriebkurve als Funktion der Zeit.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird am Beispiel einer Beschichtung des Führungsbereiches einer üblichen Einspritznadel in einem Einspritzsystein eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges erläutert, der insbesondere als Gasmotor oder als unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebener Verbrennunugsmotor ausgeführt ist.
Alternativ kann auch der Sitzbereich der Einspritznadel, das Einlassventil oder andere Komponenten der Einspritztechnik in Bereichen einer hohen tribologischen Beanspruchung mit einer dünnen, reibarmen und gleichzeitig verschleißbeständigen Beschichtung versehen werden.
Als Beschichtung werden diamantähnliche Kohlenstoffschichten aufgebracht, die mit Hilfe einer Plasmastrahlquelle aus einem Plasmastrahl gemäß DE 101 046 14 A1 abgeschieden worden sind.
Dabei ist es ein wesentliches Kennzeichen der Erfindung, dass der Wasserstoffgehalt in der erzeugten Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf dem tribologisch beanspruchten Bauelement einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Wasserstoffanteil von mindestens 30 Atom% aufweist. Der Wasserstoffanteil in bekannten Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoffschichten liegt demgegenüber bei maximal 25 Atom%.
Durch die Erhöhung des Wasserstoffanteils in der Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf mindestens 30 Atom%, vorzugsweise mindestens 32 Atom%, besonders bevorzugt zwischen 32 Atom% und 40 Atom%, wird überraschenderweise neben einer Reduktion des Reibungskoeffizienten auch eine besonders verschleißbeständige bzw. abriebbeständige Schicht erreicht.
Die Plasinastrahlquelle gemäß DE 101 046 14 A1 erlaubt es weiter, besonders einfach derartig hohe Wasserstoffanteile bzw. hohe Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisse einzustellen. Prinzipiell sind jedoch auch andere Techniken zur Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen geeignet, den Wasserstoffanteil in den erhaltenen Schichten auf mindestens 30 Atom% zu steigern. Beispielsweise kann dies durch Beimischung eines erhöhten Wasserstoff-Flusses oder durch Wahl von Methan als Kohlenstoffspender bei der Abscheidung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht an Stelle des üblichen C,H, geschehen.
Im Einzelnen zeigt 1 einen Ausschnitt aus einem tribologisch beanspruchten Bauelement 5, beispielsweise eine Einspritznadel eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem Oberflächenbereich 20, auf dem sich eine erste Beschichtung 21 mit einer ersten Schicht 22 befindet. Im erläuterten Beispiel besteht die erste Beschichtung 21 aus der ersten Schicht 22, es kann jedoch zwischen der ersten Schicht 22 und dein Bauelement 5 beispielsweise auch noch eine Haftschicht vorgesehen sein. Das Bauelement 5 besteht beispielsweise aus Stahl.
Gegenüber dem Bauelement 5 befindet sich weiter ein sich bei Betrieb relativ zu diesem bewegender Gegenkörper 6 wie ein Führungskörper für die Einspritznadel 5, der beispielsweise ebenfalls aus Stahl besteht.
In einem Oberflächenbereich 25 des Gegenkörpers 6, der gegenüber dem Oberflächenbereich 20 des Bauelementes 5 angeordnet ist, ist eine zweite Beschichtung 23 mit einer zweiten Schicht 24 vorgesehen. Im erläuterten Beispiel besteht die zweite Beschichtung 23 aus der zweiten Schicht 24. Analog zu dem Gegenkörper 5 kann jedoch zwischen der zweiten Schicht 24 und dem Gegenkörper 6 beispielsweise auch noch eine Haftschicht vorgesehen sein.
Bevorzugt ist die zweite Beschichtung 23 hinsichtlich Struktur und Zusammensetzung analog zu der ersten Beschichtung 21 des tribologisch beanspruchten Bauelementes 5 aufgebaut.
Die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 bestehen aus diamantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von inindestens 30 Atom%, beispielsweise 33 Atom%.
Sie wurden mittels eines PECVD-Verfahrens ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition") gemäß DE 101 046 14 A1 auf der Oberfläche des Bauelementes 5 und der Oberfläche des Gegenkörpers 6 aufgebracht. Dazu wurde bei der Abscheidung die Trägergaskonzentration durch Zusatz von Wasserstoff gegenüber bisher übliche Abscheideparametern verändert.
Die Dicke der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 24 liegt bevorzugt zwischen 0,5 μm und 20 μm, insbesondere zwischen 1 μm bis 10 μm.
Um die verbesseiten Eigenschaften der ersten Schicht 22 aus diamantähnlichein Kohlenstoff mit erhöhtem Wasserstoffanteil bzw. der zweiten Schicht 24 gegenüber einer Beschichtung gemäß WO 97/04142 hinsichtlich Reibeigenschaften und Verschleißeigenschaften nachzuweisen, wurde eine Vergleichsuntersuchung in Form eines Schwingverschleißtests mit einer oszillierenden Kugel aus Stahl (1000r6-Stahl, Kugel mit 4 mm Durchmesser) als Prüfkörper und dem tribologisch beanspruchten Bauelement mit der Beschichtung 21 als Gegenkörper vorgenommen.
Die Last bzw. Normalkraft betrug dabei 10 Newton, die Schwingweite 200 μm, die Schwingfrequenz 20 Hz, die Umgebungstemperatur 50°C, die Prüfzeit 16 Stunden und die Dicke der ersten Schicht ca. 5,5 μm. Weiter wurde als Umgebungsmedium trockener Stickstoff mit einer Restfeuchtigkeit kleiner 1% eingesetzt.
Einerseits wurde bei dieser Vergleichsuntersuchung auf dem Bauelement 5 die erste Schicht 22 aus diamautähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von ca. 33% abgeschieden, und andererseits auf der Oberfläche des Bauelementes 5 eine aufgesputterte Molybdändisilizid-Beschichtung gemäß WO 97/04142 erzeugt.
Die 2 zeigt das Ergebnis dieses Schwingverschleißtests im Fall des tribologisch beanspruchten Bauelementes 5 mit der erfindungsgemäßen Beschichtung. Dabei ist auf der x-Achse zunächst die Zeit in Minuten und auf der linken y-Achse der Reibungskoeffizient und auf der rechten y-Achse der Abrieb aufgetragen.
Als erste Messkurve 10 zeigt 2 den Verlauf des Abriebs (rechte y-Achse) in um als Funktion der Zeit in Minuten (x-Achse) und als zweite Messkurve 11 den Verlauf des Reibungskoeffizienten μ (linke y-Achse) als Funktion der Zeit (in Minuten).
Man erkennt, dass der Reibwert zunächst mit einem Wert von ca. 0,05 startet und bis zu einer Lebensdauer von ca. 840 Minuten einen Wert von ca. 0,1 erreicht.
Der Verschleiß bzw. Abrieb steigt gleichzeitig ab einer Lebensdauer von ca. 550 Minuten kontinuierlich an, während zuvor nahezu kein Abrieb bzw. Verschleiß festzustellen ist.
Die zum Vergleich erzeugten Molybdändisilizid-Schichten mit einer Schichtdicke von ca. 1 μm fallen bei gleichen Testbedingungen bereits bei einer Lebensdauer von 30 bis 90 Minuten aus. Das Versagen ist dabei auf Grund von Haftungsproblemen in den meisten Fällen spontan und nicht kontinuierlich.
Aufgesputterte Molybdändisilizidschichten mit Schichtdicken von mehr als 1 μm sind auf Grund mangelnder Haftung derzeit kaum herstellbar.
Aus 2 ist insgesamt zu entnehmen, dass sich die erfindungsgemäße Beschichtung sehr gut zur Verminderung sowohl von Verschleiß, als auch Erreichung eines niedrigen Reibwertes eignet, so dass diese insbesondere für tribologisch hochbelastete Bauteile in der Einspritztechnik auch unter absolut trockenen Bedingungen eingesetzt werden kann.

Claims

Tribologisch beanspruchtes Bauelement, insbesondere Einspritznadel, Einspritzventil oder Bauteil eines Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem sich bei Betrieb relativ zu einem Gegenkörper (6) bewegenden und dabei tribologisch beanspruchten Oberflächenbereich (20), der mit einer ersten Beschichtung (21) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (21) eine erste Schicht (22) aus diainantälinlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von inindestens 30 Atom% aufweist.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffanteil der ersten Schicht (22) zwischen 32 Atom% und 40 Atom% liegt.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Schicht (22) in dem Oberflächenbereich (20) an der Oberfläche des Bauelementes (5) befindet.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (21) eine Haftschicht aufweist, die sich zwischen der ersten Schicht (22) und dein Bauelement (5) befindet.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb ein Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) und der Oberflächenbereich (20) des Bauelementes (5) in reibenden Kontakt miteinander stehen.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) mit einer zweiten Beschichtung (23) mit einer zweiten Schicht (24) aus dia mantähnlichem Kohlenstoff mit einem Wasserstoffanteil von inindestens 30 Atom%, insbesondere 32 Atom% bis 40 Atom%, versehen ist.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Schicht (24) in dem Oberflächenbereich (25) an der Oberfläche des Gegenkörpers (6) befindet.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung (23) eine Haftschicht aufweist, die sich zwischen der zweiten Schicht (24) und dem Gegenkörper (6) befindet.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb zwischen dem Oberflächenbereich (25) des Gegenkörpers (6) und dein Oberflächenbereich (20) des Bauelementes (5) ein insbesondere nicht geschmierter Festkörperkontakt vorliegt.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schicht (22, 24) mit einer Plasinastrahlquelle aus einem Plasmastrahl abgeschieden worden ist.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schicht (22, 24) eine Dicke von 0,5 μm bis 20 μm, insbesondere 1 μm bis 10 μm, aufweist.
Tribologisch beanspruchtes Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (5) ein Einlassventil, ein Dichtsitz, ein Führungsbereich einer Einspritznadel oder ein Sitzbereich einer Einspritznadel eines Einspritzsystems oder eines Einspritzventils ist.
Gasmotor oder mit einem trockenen Gas wie Ergas oder Wasserstoff als Brennstoff oder unter ölfreien und/oder wasserfreien Verbrennungsbedingungen betriebener Verbrennungsmotor mit einem tribologisch beanspruchten Bauelement nach einem der Ansprüche l bis 12.