FR2849062A1 - Composant expose a des contraintes tribologiques et moteur a gaz ou a combustion interne equipe d'un tel composant - Google Patents

Composant expose a des contraintes tribologiques et moteur a gaz ou a combustion interne equipe d'un tel composant Download PDF

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Abstract

Composant sollicité par des contraintes tribologiques notamment aiguilles d'injection, soupapes d'injection ou composants d'un système d'injection d'un moteur à combustion interne ayant une zone de surface (20) se déplaçant en fonctionnement par rapport à une pièce opposée (6) et subissant ainsi des contraintes tribologiques, cette zone de surface étant munie d'un premier revêtement (21).Le premier revêtement (21) comporte une première couche (22) en carbone type diamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques.

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne un composant sollicité par des contraintes tribologiques notamment aiguilles d'injection, soupapes d'injection ou composants d'un système d'injection d'un moteur à com5 bustion interne ayant une zone de surface se déplaçant en fonctionnement par rapport à une pièce opposée (et subissant ainsi des contraintes tribologiques, cette zone de surface étant munie d'un premier revêtement.
Etat de la technique Dans les moteurs à gaz on utilise actuellement souvent des 10 injecteurs correspondant aux injecteurs d'essence Mais comme le gaz naturel utilisé contient une faible teneur en huile à cause des compresseurs utilisant de l'huile, ces soupapes ont une durée de fonctionnement suffisamment longue car la moindre quantité d'huile suffit pour garantir le bon fonctionnement.
Mais dans les applications futures, il est prévisible que les moteurs à gaz fonctionneront de plus en plus avec des gaz comprimés sans huile et séchés d'une manière pratiquement complète notamment avec un séchoir à froid Les essais effectués avec de tels gaz secs, ne contenant pas de l'huile dans des moteurs à injecteur d'essence selon l'état de 20 la technique ont montré que la durée de fonctionnement des soupapes qui est actuellement de quelques milliers d'heures retombait à quelques heures seulement On a en particulier constaté que les aiguilles d'injecteur étaient attaquées déjà après 10 heures 100 heures de durée de fonctionnement ou d'essai effectuées de l'azote sec Cette difficulté concerne éga25 lement d'autres gaz sec tels que l'hydrogène.
Pour protéger les composants ou pièces fortement sollicités par des contraintes tribologiques, contre l'usure, par exemple les composants de système d'injection ou de l'aiguille d'injecteur, on peut également utiliser des couches contenant du carbone sous la forme de couches DLC 30 (carbone diamant) ou les couches i C-WC Mais de telles couches sont également défaillantes lorsqu'on utilise un environnement absolument sec ce qui est le cas pour des injecteurs soumis à des essais d'usure modélisée (usure aux vibrations) dans une trame de temps comme cela a été prouvé Un organe d'usure reçoit une bille oscillante en acier ( 1000 CR) et 35 une mesure de la résistance du corps d'essai muni d'un tel revêtement est le temps s'écoulant jusqu'à la défaillance du corps de revêtement sur le corps d'essai.
Il est également connu que l'augmentation de la teneur en hydrogène dans les couches de carbone diamant ou couches DLC permette de réduire le coefficient de friction des couches DLC dans un environnement sec.
Le document A Erdemir, " Effect of source gas and deposition method on friction and wear performance of diamond-like carbon films ", Surf And Coatings Technology, 94-95, ( 1997) page 525 et suivantes décrit que des couches de carbone diamant ont un coefficient de friction de 0,02 dans une atmosphère sèche dans la mesure o ces couches 10 ont une forte teneur en hydrogène Une telle augmentation de la teneur en hydrogène s'obtient en utilisant du méthane ou un mélange méthane hydrogène à la place de l'acétylène pour le dépôt de la couche de carbone diamant. Selon le document WO 97/04142, il est également connu 15 un revêtement et un procédé de réalisation de ce revêtement offrant un coefficient de friction plus faible dans des conditions sèches Toutefois la résistance à l'usure est faible Le revêtement créé selon ce document se compose de disiliciure de molybdène Ce revêtement est appliqué par un procédé de pulvérisation sur la surface à revêtir. 20 But de l'invention La présente invention a pour but de développer un composant sollicité par des contraintes tribologiques, et qui comporte un revêtement permettant d'utiliser ce composant dans un moteur à combustion interne ou un moteur à gaz brlant un gaz sec en particulier un gaz sans 25 huile En particulier, le composant exposé aux contraintes tribologiques doit comporter un revêtement ayant un coefficient de friction inférieur et offrant une plus grande résistance à l'usure.
Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un composant du type défi30 ni ci-dessus caractérisé en ce que le premier revêtement comporte une première couche en carbone type diamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques.
Le composant exposé à des contraintes tribologiques selon l'invention offre l'état de la technique que dans un environnement sec 35 et/ou un environnement sans huile, par rapport à un revêtement habituel avec une couche de carbone diamant ou d'un revêtement de molybdène selon le document WO 97/04142 on atteint une résistance beaucoup plus élevée que celle de l'état de la technique.
En particulier la couche de carbone diamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques présente par rapport à des couches de carbone diamant avec une teneur caractéristique d'hydrogène d'environ 25 % atomiques, selon des essais d'usure modélisée (usure par 5 vibrations) des temps de résistance améliorés de manière significative en particulier dans des conditions sèches et sans huile.
En particulier le composant exposé aux contraintes tribologiques convient notamment pour être appliqué à un moteur à gaz ou dans un moteur à combustion interne utilisant un gaz sec avec du gaz naturel 10 ou de l'hydrogène et travaillant dans des conditions de combustion sans huile et/ou sans eau.
Il est particulièrement avantageux que le composant sollicité par des contraintes tribologiques soit une aiguille d'injection, un injecteur ou le composant d'un système d'injection d'un moteur à 15 combustion interne tel que le siège d'étanchéité, la zone de guidage, une aiguille d'injection, une plage formant siège ou une aiguille d'injecteur.
Ainsi il est très avantageux que le composant exposé aux contraintes tribologiques convienne également pour des états de fonctionnement dans lesquels il y a un contact entre les corps solides, non lubri20 fiés entre la zone de surface de la pièce opposée et la zone de surface du composant. Dans les contacts lubrifiés, normalement un film lubrifiant sépare les deux partenaires de friction Dans les conditions de friction mixte ou sous les paramètres de fonctionnement extrêmes, le film de lu25 brifiant peut se déchirer et on peut avoir un contact direct des corps solides des deux partenaires de friction Dans les conditions de fonctionnement sèches comme celles qui existent de façon caractéristique avec un moteur à gaz fonctionnant avec un gaz sec tel que du gaz naturel ou de l'hydrogène, et pour lequel un tel contact entre corps solides est in30 évitable, pendant toute la durée de fonctionnement du système, le composant sollicité par des contraintes tribologiques est conçu pour éviter le grippage. Le composant ou la pièce exposés à des contraintes tribologiques offrent dans ce cas l'avantage que la couche de carbone diamant 35 assure au moins en partie le rôle du film lubrifiant existant par ailleurs entre le composant et le composant opposé En particulier cette couche évite le contact direct entre deux surfaces en acier et la tendance à l'adhérence de telles surfaces métalliques; en même temps grâce au faible coefficient de friction de la couche de carbone diamant, à côté de sa forte résistance à l'usure et de sa résistance à l'abrasion, on aura ainsi une sorte de graissage de corps solides Enfin la couche de carbone diamant réduit également la réactivité chimique de la surface de la pièce opposée ou de la surface du composant du revêtement.
En résumé le revêtement selon l'invention avec la couche en carbone diamant à forte teneur en hydrogène assure d'une part une protection contre l'usure, à faible friction du composant sollicité par des contraintes tribologiques notamment dans le cas d'un composant ou d'une 10 pièce tels qu'un composant du système d'injection de carburant en utilisant en alternative du carburant sec, gazeux et sans huile, et d'autre part on allonge de manière significative la durée de vie du composant exposé aux contraintes tribologiques et ainsi, pour le fonctionnement avec contact de friction de la pièce antagoniste, par réduction de la réactivité de surface 15 et de la tendance à l'adhérence métallique on évite les microsoudures et les oxydations par effet tribologique.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un détail du composant et de l'organe complémentaire qui lui est associé selon une représentation en coupe; la figure 2 montre la mesure du coefficient de friction d'un composant exposé à des contraintes tribologiques en fonction du temps et une 25 mesure de la courbe d'usure en fonction du temps.
Description de modes de réalisation La présente invention sera décrite dans le cas d'un exemple de revêtement de la zone de guidage d'une aiguille d'injection habituelle dans un système d'injection d'un moteur à combustion interne équipant 30 un véhicule automobile; ce moteur est notamment réalisé sous la forme d'un moteur à gaz ou d'un moteur à combustion fonctionnant dans les conditions de combustion sans huile et/ou sans eau.
En variante, la zone du siège de l'aiguille d'injection, la soupape d'admission ou autre composant du système d'injection dans les zo35 nes fortement sollicitées par des contraintes tribologiques, peuvent être munies d'un revêtement mince à faible frottement et en même temps résistant à l'usure.
Comme revêtement on utilise des couches de carbone diamant déposées à l'aide d'une source de plasma à partir d'un faisceau de plasma. Une caractéristique importante de l'invention est que la te5 neur en eau de la couche en carbone diamant présente au niveau du composant sollicité par des contraintes tribologiques, une teneur en hydrogène correspondant à au moins 30 % atomiques supérieure à l'état de la technique La teneur en hydrogène des couches connues de carbone diamant se situe au maximum à 25 % atomiques.
En augmentant la teneur en hydrogène dans la couche de carbone diamant jusqu'à au moins 30 % atomiques et de préférence au moins 32 % atomiques et d'une manière particulièrement préférentielle à un niveau compris entre 32 % atomiques et 40 % atomiques, on réduira non seulement le coefficient de friction mais on aura également une coui 5 che particulièrement résistante à l'usure ou à l'abrasion.
La source de plasma permet en outre d'une manière particulièrement simple de régler de telles proportions élevées en hydrogène par rapport au carbone En principe on peut également utiliser d'autres techniques de dépôt de revêtement de carbone diamant qui augmentent la 20 teneur en hydrogène dans les couches obtenues jusqu'à au moins 30 % atomiques Par exemple en mélangeant un flux d'hydrogène plus élevé ou en choisissant du méthane comme source de carbone, pour le dépôt de la couche de carbone diamant à la place de l'acétylène C 2 H 2 habituel.
De façon plus détaillée, la figure 1 montre une partie d'un 25 composant 5 exposé à des contraintes tribologiques par exemple l'aiguille d'injection d'un système d'injection d'un moteur à combustion interne Ce composant comporte une zone de surface 20 munie d'un premier revêtement 21 avec une première couche 22 Dans l'exemple décrit, le premier revêtement 21 est formé de la première couche 22 mais on peut également 30 avoir par exemple une couche d'accrochage entre le composant 5 et la première couche 22 Le composant 5 est par exemple en acier.
En regard du composant 5 on a un composant opposé 6 qui se déplace par rapport à celui-ci Il s'agit par exemple de l'organe de guidage de l'aiguille d'injection 5 Ce second composant est par exemple éga35 lement en acier.
La zone de surface 25 du composant opposé 6 associée en regard de la zone de surface 20 du composant 5 on a un second revêtement 23 avec une seconde couche 24 Dans l'exemple décrit, le second 6 À revêtement 23 est formé d'une seconde couche 24 De façon analogue au composant 5 on peut également avoir une couche d'accrochage entre la seconde 24 et le composant opposé 6.
Le second revêtement 23 a du point de vue de sa structure 5 et de sa composition, une construction analogue à celle du premier revêtement 21 du composant 5 exposé aux contraintes tribologiques.
La première couche 22 et la seconde couche 24 sont en carbone diamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques et par exemple 33 % atomiques.
Ces couches ont été déposées par le procédé PECVD (dépôt chimique à la vapeur enrichi par plasma) à la surface du composant 5 et à celle du composant opposé 6 Pour cela, lors du dépôt, on a modifié la concentration en gaz porteur par addition d'hydrogène, par rapport aux paramètres de dépôts habituels.
L'épaisseur de la première couche 22 et celle de la seconde couche 24 se situe de préférence entre 0,5 tm et 20 vim et en particulier entre 1 tm et 10 inm.
Pour vérifier l'amélioration des caractéristiques de la première couche 22 en carbone diamant avec une teneur en hydrogène aug20 mentée, ou de la seconde couche 24 par rapport à un revêtement selon le document WO 97/04142, du point de vue des propriétés de friction et d'usure, on a effectué un essai comparé sous la forme d'un essai d'usure aux oscillations en utilisant une bille oscillante en acier (acier 100 Cr 6, bille d'un diamètre de 4 mm) comme organe de contrôle et on l'a utilisé 25 comme pièce complémentaire par rapport au composant à sollicitation tribologique, muni du revêtement 21.
La charge ou la forme normale était de 10 M; l'amplitude d'oscillation était de 200 vim et la fréquence d'oscillations de 20 hz La température ambiante était de 50 C et le temps d'essai de 16 heures. 30 L'épaisseur de la première couche était d'environ 5,5 vim En outre, on a utilisé comme milieu ambiant de l'azote sec avec une humidité résiduelle inférieure à 1 %.
Pour cet essai comparé on a déposé sur le composant 5, la première couche 22 en carbone diamant avec une teneur en hydrogène 35 d'environ 33 % et sur la surface du composant 5 on a formé un revêtement de di-siliciure de molybdène déposée par pulvérisation.
La figure 2 représente le résultat de ce test d'usure par vibration dans le cas du composant 5 exposé à des contraintes tribologiques et muni du revêtement selon l'invention Sur l'axe X on a représenté le temps en minute et sur l'axe Y à gauche on a représenté le coefficient de friction; sur l'axe Y à droite on a représenté l'usure.
La première courbe de mesure 10 de la figure 2 correspond 5 à l'évolution de l'usure (axe y à droite) en Um en fonction du temps mesuré en minute (axe x); la seconde courbe 11 représente l'évolution du coefficient de friction i (axe y à gauche) en fonction du temps (en minutes).
On voit que le coefficient de friction commence tout d'abord par une valeur d'environ 0,05 et jusqu'à une durée de vie d'environ 10 840 minutes, il atteint une valeur d'environ 0,1.
Les couches de disiliciure de molybdène obtenues pour les besoins de la comparaison et ayant une épaisseur de couche d'environ 1 Ulm, sont défaillantes dans les mêmes conditions d'essai dès que l'on a atteint une durée de vie de 30/90 minutes Cette défaillance est dans la 15 plupart des cas spontanée et non continue à cause de difficultés d'accrochage. Les couches de disiliciure de molybdène, pulvérisées d'une épaisseur supérieure à 1 lm ne sont pratiquement pas réalisables actuellement à cause de leur manque d'adhérence.
La figure 2 montre globalement que le revêtement selon l'invention convient très bien pour réduire à la fois l'usure et arriver à un bon coefficient de friction de sorte que cette pièce sollicitée particulièrement fortement par des contraintes tribologiques, peut s'utiliser en technique d'injection même dans des conditions absolument sèches. 25

Claims (11)

REVENDICATIONS
1 ) Composant sollicité par des contraintes tribologiques notamment aiguilles d'injection, soupapes d'injection ou composants d'un système d'injection d'un moteur à combustion interne ayant une zone de surface 5 ( 20) se déplaçant en fonctionnement par rapport à une pièce opposée ( 6) et subissant ainsi des contraintes tribologiques, cette zone de surface étant munie d'un premier revêtement ( 21), caractérisé en ce que le premier revêtement ( 21) comporte une première couche ( 22) en carbone 10 type diamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques.
2 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en hydrogène de la première couche ( 22) est comprise entre 32 % atomiques et 40 % atomiques.
3 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche ( 22) se trouve dans la zone de surface ( 20) du composant ( 5).
4 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendica25 tion 1, caractérisé en ce que le premier revêtement ( 21) comporte une couche d'accrochage entre la première couche ( 22) et le composant ( 5).
5 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant le fonctionnement, une zone de surface ( 25) de la pièce opposée ( 6) et la zone de surface ( 20) du composant ( 5) sont en contact de friction. 35 6 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une ou la zone de surface ( 25) de la pièce opposée ( 6) est munie d'un second revêtement ( 23) ayant une seconde couche ( 24) en carbone type iamant avec une teneur en hydrogène d'au moins 30 % atomiques, et en particulier entre 32 % atomiques et 40 % atomiques.
7 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 6, caractérisé en ce que la seconde couche ( 24) se trouve dans la zone de surface ( 25) de la surface 10 supérieure de la pièce opposée ( 6).
8 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le second revêtement ( 23) comporte une couche d'accrochage entre la seconde couche ( 24) et la pièce opposée ( 6).
9 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en fonctionnement, le contact entre la zone de surface ( 25) de la pièce opposée ( 6) et la zone de surface ( 20) du composant ( 5) est un contact entre corps solides en particulier non graissé.
10 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et/ou la seconde couche ( 22, 24) sont déposées à partir d'un faisceau de plasma fourni par une source de plasma. 30 11 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et/ou la seconde couche ( 22, 24) ont une épaisseur de 0,5 >i à 35 20 i et notamment de 1 /t à 10 t.
12 ) Composant exposé à des contraintes tribologiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant ( 5) est une soupape d'admission, un siège d'étanchéité, une zone de guidage du débit d'injection ou une zone de siège d'une aiguille d'injection, d'un système d'injection ou d'une soupape d'injection.
13 ) Moteur à gaz ou moteur à combustion interne utilisant un gaz sec tel que du gaz naturel ou de l'hydrogène ou fonctionnant dans les conditions de combustion sans huile et/ou sans eau, comportant un composant exposé aux contraintes tribologiques selon l'une des revendications 1 à 12. 10
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