柴油機噴油裝置針閥體座面磨損和變形的研究

【日】　佐竹晃　孫正基　小林郁夫　益子正文　佐藤進　小酒英范

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柴油機噴油裝置針閥體座面磨損和變形的研究

【日】佐竹晃孫正基小林郁夫益子正文佐藤進小酒英范

柴油機噴油器針閥體座面的磨損是由于針閥對針閥體座面沖擊引起的，它會影響燃油噴霧的形態和噴油特性。近年來，在針閥表面采用涂上類金鋼石碳(DLC)覆層來防止磨損。介紹了磨損試驗，并進行了各種分析研究。利用場致發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察針閥體座面磨損表面，發現在非DLC的常規噴油嘴中能夠看到腐蝕磨損痕跡，而DLC噴油嘴中則仍保留著機械磨損痕跡。所以，在磨損區域硬度測量的結果發現其表面以下硬度增加了。腐蝕磨損是非DLC噴油嘴的磨損原因，塑性變形是DLC噴油嘴的主要磨損原因。

熱機發動機零部件潤滑噴油器針閥體座面磨損塑性變形

0　前言

近年來，為了降低柴油機氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放量，通常采用高噴油壓力和多次噴油等技術。此外，為了減少燃油中硫的含量和多環芳香烴的含量，對燃油進行改質處理[1]。

但噴油泵和噴油嘴的潤滑主要還是依靠燃油自身的潤滑性。如果上述噴射條件或燃油組成發生變化，則燃油噴射裝置各個部分的磨損和摩擦特性都將惡化，尤其是在噴油嘴內部[2]。如圖1所示，通過針閥的開啟和關閉可以控制燃油的噴射過程。如果針閥體座面產生了變形，則會影響噴油嘴內部的流動，從而使噴油時間、噴霧角度和噴油量等噴霧特性參數產生變化。所以，要求研究清楚這些影響變形的因素。

圖1　噴油嘴偶件頭部結構

現在，對于針閥座面磨損的解決辦法是在與針閥體座面相配的針閥座面加工1層類金剛石碳(DLC)覆層，即生產出1種DLC噴油嘴供市場使用[3]。DLC覆層具有表面平滑、摩擦系數低、對與之配合的表面損傷性較低的特點。研究已經表明，DLC對降低針閥體座面磨損也有一定的效果[4]。

在此之前，用傳統的噴油嘴進行磨損試驗，采用掃描電子顯微鏡-電子探針顯微分析儀(SEM-EPMA)等對磨損面進行研究分析，弄清楚磨損機理。但是，在DLC噴油嘴中，有報告認為在噴油嘴內產生的變形有可能是塑性變形引起的[5]。因此，必須研究清楚在DLC噴油嘴中的影響磨損和塑性變形的原因。

通過金屬滑動等試驗中已經得知，由于滑動面下的塑性硬化抑制了其后的變形，通過SEM觀察金屬晶體組織的流動，在表面深度方向上可以決定塑性變形的程度等[6]。

在本項研究中，以常用的共軌式燃油系統為基礎，研制了燃油循環式磨損試驗機。利用該設備組織試驗，改變針閥體座面的溫度，采用帶DLC覆層或不帶DLC覆層等作為可變參數，測量針閥體座面的最大磨損深度和變形量，通過試驗了解對噴油嘴內的磨損和變性的影響。利用電子顯微鏡觀察座面部分，并對DLC噴油嘴和不帶DLC復層的非DLC噴油嘴進行比較。此外，為了進一步調查塑性變形的影響，還測量了針閥座滑動面下的硬度。

2　磨損試驗機及試驗分析方法

2.1試驗裝置

利用常用的6缸柴油機用共軌式燃油噴射系統為基礎開發了磨損試驗機。圖2為試驗裝置的構成圖。

圖2　磨損試驗機結構圖

為了控制燃油消耗量，將燃油噴射到腔中，冷卻后再回流到油箱中循環利用。為了防止燃料著火、氧化和劣化等，試驗裝置內部首先用氬氣清掃。為了研究溫度對針閥體座面變形的影響，在噴油嘴周圍附近布置電加熱器對噴油嘴進行加熱。此外，還需插入熱電偶測量噴油嘴的表面溫度。利用熱電偶測量得到的噴油嘴的表面溫度,通過比例-積分-導數(PID)控制加熱器的外加電壓[7]。噴油嘴表面溫度和座面溫度的關系用測溫噴嘴事先測定，在本系統中可以將座面溫度設定在100℃～350℃之間。

如圖1所示，針閥的材質是高速工具鋼。當座面溫度在120℃～240℃范圍內時維氏硬度的定值為745HV。針閥體的材質是經過滲碳處理的鉻鉬鋼。座面溫度在120℃時維氏硬度是720HV，當溫度為240℃時維氏硬度降低到680HV。本試驗中使用的DLC噴油嘴只有針閥表面帶DLC覆層。

2.2試驗條件

2.2.1采用DLC噴油嘴的磨損變形試驗

表1中列出了采用DLC噴油嘴的磨損變形試驗的條件。燃料采用與輕柴油等同的基本燃料，并添加提高酸系潤滑性的添加劑，調整高頻往復試驗值到400μm之后使用。為了研究針閥體座面溫度對變形的影響，針閥體座面溫度分別設定為相當于實機高負荷運轉狀態下的250℃、300℃和350℃3種溫度條件。在試驗經過10h和25h的時候測量變形量。此外，考慮到初期變形經過25h大致完成，所以25h結束試驗。試驗時燃油噴射壓力180MPa，噴油通電時間480μs，噴油泵固定轉速1400r/min，噴油嘴的孔徑是Φ 0.110mm，孔數為8孔。

表1　DLC噴油嘴試驗的具體條件

2.2.2硬度測量和觀察金屬結構采用的噴油嘴試驗條件

表2中示出了硬度測量和觀察金屬結構用噴油嘴試驗條件。燃料、燃油噴射壓力、噴油通電時間和噴油泵轉速與前項相同。但是，為了研究DLC覆層的影響，DLC噴油嘴和傳統的不帶DLC覆層的噴油嘴的座面溫度在300℃和240℃的條件下進行。

此外，這次測量過程中采用以前著眼于磨損試驗中用過的噴油嘴，所以試驗時間有所不同。

表2　噴油嘴的試驗條件

2.3最大磨損深度及變形量的定義和測量方法

試驗前后，采用觸針式表面粗糙度儀測量針閥體座面的表面形狀，通過相互比較，求出針閥體座面的最大磨損深度和針閥體座面的變形量。圖3示出了采用觸針式表面粗糙儀進行測量的情況，圖4示出了磨損試驗前后座面表面的數據和最大磨損深度、變形量的測量實例。此外，圖4中還示出了針閥的外形。

圖3　磨損的評價方法(感應針儀)

圖4　最大磨損深度及變形的定義

如圖5所示，在針閥的肩部接觸部分，沿著針閥形狀、座面與試驗前相比較出現了凹陷。一般認為，這種變形是磨損和塑性變形所造成的[8]。在本項研究中將這種凹陷最深部分稱為最大磨損深度。

另一方面，從最大磨損深度的位置開始向噴油嘴端部移動，和試驗前相比，針閥體座面很明顯產生了塑性變形，呈現出隆起。從最大磨損深度開始向噴油嘴端部移動，直到針閥的下一個肩部(900m)的位置處的變形量定義為針閥座面的隆起量。

2.4采用FE-SEM觀察座面部分

為了觀察DLC噴油嘴的磨損情況，如圖5所示，用金屬絲放電加工法將試驗后的噴油嘴端部剖開，做成觀察分析用的樣品。采用JEOL公司生產的JSM-6301F型場發射掃描電子顯微鏡觀察座面。

圖5　噴油嘴剖面實例(納米壓痕和FE-SEM觀察區域)

2.5用納米壓頭測量硬度

一般認為，在產生了塑性變形的部位由于塑性硬化，整體硬度就會增加[9]。所以，采用納米壓頭測量硬度，研究判斷是否產生塑性變形。剖切噴油嘴端部之后，為了使表面變得光滑，采用金剛砂紙先后按照型號800、1200、2400和4000的順序進行打磨拋光。最后采用Elionix公司生產的ENT-110a型硬度計測量硬度。

圖6　最大磨損深度和變形的定義

圖6中示出了測量范圍和測量方向。圖6中的針閥體座面和噴油嘴壓力室部分的交界面定義為坐標原點。座面剖面的深度方向定義為Z坐標軸，從座面表面開始，在2m和7m的深度位置上，以及在座面平行的17m間隔內，在向著座面上游的方向上每1只試件測量160點。

3　結果和分析

3.1DLC噴油嘴針閥座面的SEM觀察

最初，為了比較DLC噴油嘴和非DLC噴油嘴的磨損情況，用場發射掃描電子掃描顯微鏡(FE-SEM)觀察未使用過的噴油嘴和過去進行過磨損試驗的DLC噴油嘴，以及非DLC噴油嘴的針閥體座面。圖7～圖9示出了上述3種噴油嘴的結果。試驗中針閥體座面溫度都是240℃，DLC噴油嘴進行試驗的時間是100h，非DLC噴油嘴的試驗時間是50h。此外，其他的試驗條件如表2所示。

圖7　SEM圖像(800倍，3000倍)未使用的噴油嘴針閥體座面

圖7中看到的橫向線痕是噴油嘴生產時產生的機械加工痕跡，圖8中在DLC噴油嘴中可以觀察到這種機械加工的痕跡。而圖9中非DLC噴油嘴中表皮粗糙不平的圖像并未看到[4]。可以推斷，在DLC噴油嘴中腐蝕磨損得到了抑制。

圖8　SEM圖像(800倍，3000倍)： DLC噴油嘴(針閥體座面240℃，酸性400m(100h))

圖9　SEM圖像(800倍，3000倍)： DLC噴油嘴針閥體(座面磨損表面240℃，酸性400m(50h))

3.2座面溫度與最大磨損深度及變形量的關系

圖10和圖11示出了DLC噴油嘴座面溫度對最大磨損深度及變形量的影響。這里所示出的數據是對兩組數據的平均值和誤差都進行了統一后的結果。

圖10　針閥體座面的最大磨損深度

圖11　針閥體座面的變形

試驗得出，在任何溫度下，隨著試驗時間的延長最大磨損深度和變形量都會隨之增加。所以，在試驗達到10h之前，針閥體座面的變形急劇變化，其后變化就會變小。此外，伴隨著溫度上升最大磨損深度，以及變形量也隨之增加。

3.3針閥體座面滑動面下的硬度測量

圖12～圖14中分別示出了DLC噴油嘴、非DLC噴油嘴和未使用過的DLC噴油嘴的座面部分滑動面以下的硬度測量結果。在圖12和圖13中還將表面形狀的輪廓同時示出，其中，實線代表深度為2m的硬度，虛線是深度為7m位置上的硬度。此外，形狀輪廓的虛線是針閥的形狀，實線是變形前后的形狀。

針閥和滑動的針閥體座面部分的表面在試驗之后硬度都會變大，而且與噴油嘴的種類無關。并且與表面相比，位置越深的部位的硬度越低。由此認為，從針閥的肩部開始受到滑動影響的表面產生了塑性變形，所以硬度增加了。另外，在DLC噴油嘴滑動部分的表面硬度比非DLC噴油嘴的硬度大。這是由于DLC噴油嘴受到的塑性變形的影響比較大的緣故。

圖12　DLC噴油嘴的硬度和表面形狀

圖13　非DLC噴油嘴的硬度和表面形狀

圖14　未使用過的DLC噴油嘴

另外，DLC、非DLC的兩者在最大磨損深度的周圍都有一些部位的硬度急劇降低。這種現象可以解釋為由于針閥肩部引起的表面磨損，硬度比較低的表面不停顯露。并且在未使用過的DLC噴油嘴中也有一些部位會出現硬度急劇降低的現象，因此，由于實際測量點數較少，在生產噴油嘴的過程中已經有一些局部區域可能已經產生了硬度變化。所以，今后的研究中需要增加測量點數。

4　DLC覆層的變形

由上述結果可知,DLC噴油嘴的座面的變形與參考文獻[4]所介紹的磨損機理有很大不同。傳統的非DLC噴油嘴中的磨損機理的要點為： (1) 在高溫環境下，會促進氧化范圍向座面部分發展；(2) 在高壓環境下，由于酸性添加劑向金屬表面附著和脫離，從而會造成座面的表面強度下降；(3) 由于針閥的沖擊，氧化區域會產生剝離。

在非DLC噴油嘴中由于針閥的沖擊導致氧化區域的剝離，一般認為這是腐蝕磨損的痕跡，在SEM圖像中觀察到表面的粗糙不平。與此相反，在DLC噴油嘴中幾乎看不到座面部分任何腐蝕磨損的痕跡。這是由于DLC對配合面的攻擊性比較低，所以，不會因針閥造成氧化區域的剝離。如圖15所示，機械加工的痕跡仍然存在，針閥體的基部被壓陷，座面產生了塑性變形。由于DLC覆層降低了腐蝕，可以認為是通過避免金屬和金屬之間直接接觸而防止咬合磨損。

圖15　DLC噴油嘴針閥體座面塑性變形概念圖

圖16　溫度對針閥座面最大磨損深度的影響

圖17　溫度對變形的影響(DLC噴油嘴和非DLC噴油嘴)

DLC噴油嘴和非DLC噴油嘴試驗時座面溫度對最大磨損深度和變形量的影響如圖16和圖17所示。

盡管DLC噴油嘴相對非DLC噴油嘴的試驗時間長度是2倍，但是，最大磨損深度比非DLC噴油嘴仍然偏小。這說明DLC覆層具有減輕腐蝕磨損的效果。

一方面，DLC噴油嘴的變形量大，抑制了磨損；另一方面，因針閥壓陷進去的部分被擠向座面的下游避讓，生成凸起部分。所以，在這個過程中滑動部分的表面硬度會增加。

依據上述內容，在非DLC噴油嘴中腐蝕磨損是座面變形的主要原因，但DLC噴油嘴與之不同，塑性變形是主要原因。

5　結論

通過試驗調查研究了柴油機燃油噴射裝置噴油嘴針閥座面溫度和DLC覆層對針閥體座面磨損及塑性變形的影響，得到了如下結論：

(1) 用FE-SEM仔細觀察試驗用的DLC噴油嘴的座面部分發現，可以看到生產噴油嘴時的機械加工的痕跡，但并未出現如非DLC噴油嘴中常見的由于腐蝕磨損引起粗糙不平的表面圖紋。

(2) 在溫度為100～240℃時，采用DLC和非DLC噴油嘴進行試驗時發現，非DLC噴油嘴最大磨損深度較大，DLC噴油嘴變形量偏大。

(3) 隨著試驗時間增加，DLC針閥體座面最大磨損深度及變形量都會隨之增加，但增加率卻逐步減小。

(4) 采用DLC噴油嘴進行試驗時，當座面溫度處在250～350℃范圍內，隨著溫度上升，最大磨損深度和變形量都會增大。

(5) 在未使用過的DLC噴油嘴中，靠近滑動部分的表面的硬度比表面下硬度要更大，這是由于針閥肩部的接觸滑動，表面產生塑性變形而導致的硬度增加。

(6) 磨損試驗后的非DLC噴油嘴也是呈現靠近滑動部分的表面硬度比其他部位要高，但是，與DLC噴油嘴相比，其表面硬度略低，與非DLC噴油嘴相比，DLC噴油嘴受到的塑性變形的影響比較大。

(7) 無論是DLC噴油嘴、還是非DLC噴油嘴，其最大磨損深度周圍的硬度都會急劇降低。這是因為由于針閥肩部的作用，座面部分磨損，形成硬度比較低的新的表面層，但是，在未使用的DLC噴油嘴中也存在硬度急劇降低的區域。

由上可以認為，關于噴油嘴針閥體座面磨損及變形問題，在傳統的非DLC噴油嘴中主要是腐蝕磨損引起，在DLC噴油嘴中主要是塑性變形引起。

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