JPH04272468A - アルコール燃料用噴射ポンプのプランジャー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルコール燃料用ディー
ゼルエンジンの噴射ポンプのプランジャーに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】アルコールディーゼルエンジンは、クリ
ーンディーゼルエンジン実現の一つの方法として開発が
行われている。例えば、特願昭６３−８００６０号公報
がある。

【０００３】しかし、アルコールは低粘性のため燃料噴
射ポンプのプランジャー摺動面において焼付きおよび摩
耗増大等の問題が発生し、開発の障害になっている。そ
の対策として、従来硬度の高いセラミックス等を用いた
り、Ｃｒ等の硬質メッキやＣＶＤ等によりＴｉＮあるい
はＴｉＣ等をコーティングして硬度をあげ、耐摩耗性を
向上させる表面硬化法が試みられている。

【０００４】しかし、これらの材料および表面硬化処理
品を用いても焼き付きが生じてしまい、実用上充分小さ
な摩擦係数を有し、焼き付きを起こし難い材料等の開発
が望まれていた。また、これらの材料等はその表面が非
常に固く、加工性が悪いので仕上げ加工に非常に手間が
かかる。特に上記摺動部分はミクロンオーダーの超精密
仕上げが要求され、これらの材料および表面処理品では
ミクロンオーダーの面粗度を得るのは極めて困難であっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はアルコール燃
料を用いた場合でもシリンダーとの摺動に際して焼付き
を起こさない極めて優れた低摩擦特性を有する長寿命の
プランジャーを提供しようとするものである。

【０００６】本発明者等は、アルコール用ディーゼルエ
ンジンの噴射ポンプ作動時におけるプランジャーとシリ
ンダー壁との摺動現象について鋭意研究を重ねた。プラ
ンジャーとシリンダー壁との摺動は、通常はアルコール
による流体潤滑状態にあると考えられる。しかし、特に
高負荷運転時などにおいては、アルコール潤滑膜が部分
的に切られた作動状態も起き得ると考えられ、これが焼
付きの発生する最も大きな原因と考えられる。すなわち
、アルコール潤滑膜が切れた部分では、プランジャーと
シリンダーが直接接触して摺動運動をすることになる。 このため、この部分での摩擦が大きくなり、ついに焼付
きに到るのである。本発明者等は、このような考えのも
とに以下に記載する焼付き防止策を考えた。

【０００７】（１）アルコールによる流体潤滑状態が維
持できるように、アルコール潤滑膜が切れた状態が発生
しにくいような工夫をすること、

【０００８】（２）たとえアルコール潤滑膜が切れた状
態が局部的、瞬間的に発生しても、その部分で低摩擦の
摺動が維持されるようにすること、

【０００９】尚、（２）でアルコール潤滑膜の切れた部
分でのプランジャーとシリンダー間の動状態は、低湿度
の空気中（相対湿度２０〜６０％）での摺動状態に近い
と考えられる。

【００１０】このように、焼付き防止対策は上記（１）
、（２）を同時に満足するものであることが望まれた。

【００１１】本発明者等は、プランジャーを加熱するこ
となく処理が可能で、処理による寸法変化がなく、低摩
擦係数を有する固体潤滑被膜を形成し得る蒸着とイオン
照射とを組み合わせた表面処理法に着目し、本発明をな
すに至ったのである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、有機物の蒸着
とともに気体元素のイオンの照射とを行うことによって
シリンダーとの摺動面に形成した、非晶質炭素と珪素を
主成分とする固体潤滑被膜を具備することを特徴とする
アルコール燃料用噴射ポンプのプランジャーに関するも
のである。

【００１３】

【発明の効果】本発明に係る主成分が非晶質炭素と珪素
からなる固体潤滑被膜を形成したプランジャーは、アル
コールによる流体潤滑状態をより良く維持でき、たとえ
アルコール潤滑膜が切れた状態が発生しても、極めて低
摩擦の摺動状態を維持できる。

【００１４】図１に示したように、本発明に係る固体潤
滑被膜処理は、他のプラズマＣＶＤによって形成したダ
イヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、純カーボン膜（
ｐｕｒｅＣ）、従来のＮイオン注入、Ｎｉ−Ｐメッキ、
窒化処理と比べて、メタノールとの濡れ性に優れる（ア
ルコールの接触角が小さい）。

【００１５】このため、噴射ポンプ作動時に、プランジ
ャーとシリンダー壁間にアルコールの膜が形成され易く
、アルコールによる流体潤滑の状態がより良く維持され
る。したがって、これは特にアルコール使用時の焼付き
防止に有利に作用する。

【００１６】また、図２は、相対湿度２０〜６０％の比
較的低湿度の空気中、すなわち、アルコール流体潤滑膜
の切れた状態に対応した雰囲気下でのピンオンディスク
の試験による各種表面処理材等のＳＵＪ２に対する摩擦
係数を求めたものであるが、固体潤滑被膜は０．０５程
度の極めて低い摩擦係数を示す。この値は、従来の処理
と比べ十倍以上低い。また、他のカーボン系材料、例え
ばＤＬＣやｐｕｒｅＣ膜と比べても２〜３倍低い。

【００１７】このように、固体潤滑被膜処理は、単一の
処理で、焼付き防止の方策として考えられる前記（１）
および（２）を同時に良好に満足するものである。従っ
て、この処理は、アルコール用ディーゼル噴射ポンププ
ランジャーの耐焼付き被覆処理として最適のものである
。

【００１８】

【実施例】（本発明の具体例）前記本発明をより具体化
した具体例を説明する。

【００１９】本具体例に係る固体潤滑被膜は、非晶質炭
素−珪素を主成分とする膜からなり、珪素の含有量は１
０〜２０％であり、少量の水素、酸素も含まれる。該膜
の厚さは５μｍ以下で用いる。５μｍより厚いと剥離し
易くなる。

【００２０】また、該膜の面粗度は極めて滑らかである
ため、処理後に特に仕上げ加工を必要としない。

【００２１】非晶質炭素−珪素膜は以下のような方法に
よって形成する。すなわち、有機物質を真空雰囲気中で
プランジャー表面に加熱蒸着すると同時に該有機物質を
分解するに十分なエネルギーを有する気体元素のイオン
を照射するものである。

【００２２】真空雰囲気は１０−４Ｔｏｒｒ以下の高真
空とし、有機物質は室温での蒸気圧が１０−４Ｔｏｒｒ
以下のものを使用する。このような有機物質としては、
液体状のものとして、真空ポンプのオイルとして使用さ
れているシリコーン系オイル、炭化水素系オイル、ある
いは潤滑油として使われているフッ素系オイル等がある
。特に、メチルフェニルシロキサン（シリコーン系オイ
ル）やアルキルナフタレン（炭化水素系オイル）、パー
フロロポリエーテル（フッ素系オイル）は代表的なもの
である。固体状のものとしては、例えばナフタレン、ア
ントラセン、フタロシアニン等が使用できる。これらの
ものは単独でも、あるいは組み合わせて使用しても良い
。

【００２３】照射すべきイオンビームとしては、有機物
質の分解を引き起こし得るＨｅ以上の質量を有するイオ
ン種が使用できる。イオンビームの生成の容易さから気
体元素、特に形成される炭素膜と反応して膜質を変える
ことがないＨｅ、Ｎ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅが望まし
い。

【００２４】イオンのエネルギーは、有機物を十分に分
解できる程度であれば良く、通常１ＫｅＶ以上であれば
よい。

【００２５】良好な固体潤滑性を有する非晶質炭素珪素
膜を製造するために必要なイオンの照射量は、用いるイ
オンの種類のよるが、Ｈｅ＋　イオンの場合、１×１０
１６個／ｃｍ２　、その他のイオンの場合には１×１０
１５個／ｃｍ２　以上が望ましい。照射量が上記値より
少ないと、炭素膜の良好な密着性が得られない。

【００２６】（本発明の具体例の効果）本具体例によっ
てプランジャー表面に形成された固体潤滑被膜は、有機
物質を蒸着すると同時にイオン照射を行うための１分子
層もしくは数分子層程度の極めて薄い層の堆積が連続的
に行われることとなり、形成されえた膜中に歪応力が殆
ど含まれず、プランジャーと膜との定着性は極めて高く
なる。図３は固体潤滑被膜被覆とＤＬＣおよびｐｕｒｅ
Ｃについて、無潤滑下でピンオンディスク試験を行い低
摩擦の得られる摺動回数を比較したものである。被覆が
剥がれると、摩擦係数は急激に高くなるが、この時の摺
動回数を比較することによって密着性を評価できる。図
３より被覆の寿命は、それぞれ８×１０６　回、２×１
０４　回、３×１０２　回である。実用的にはこのよう
な試験において１０６　回程度の寿命が必要と推定され
、これを満たすのは処理の固体潤滑被覆処理のみであり
、この結果からも被膜の密着性が優れていることが明ら
かである。また、膜の厚さは極めて均一で、ミクロンオ
ーダーの面粗度を有し、処理後に精密仕上げ等を必要と
しない。

【００２７】（実施例１）軽油を燃料とした従来のディ
ーゼルエンジン用列型噴射ポンプを用意し、軽油の代わ
りにアルコールを燃料として、本発明に係る固体潤滑被
膜を形成したプランジャーの特性を評価した。

【００２８】まず、焼入れ焼戻処理を行った鋼（ＪＩＳ
　　ＳＵＪ２）からなるプランジャー１６個を用意した
。 プランジャーをシリンダーに取りつけた状態の概略図を
図４に示す。プランジャー１の外周面とシリンダー２の
内周面とが摺動し、プランジャーの端面３でアルコール
を押し出す。固体潤滑被膜は、図５に示すように、プラ
ンジャー１の外周面でシリンダーの内周面と接する部分
４に形成した。

【００２９】固体潤滑被膜を形成するための装置は、図
６に示すように被覆形成処理用真空容器６に、公知の高
エネルギーのイオンビーム発生装置７を接続し、該イオ
ンビーム発生装置から発生したイオンビームを前記真空
容器に導入できるようになっている。真空容器内に処理
すべき部品を取りつけるホルダー９を配置し、該ホルダ
ーに取りつけられた部品の表面が見える位置に炉１１を
取りつける。蒸発源である有機物質１２が炉１１に入れ
られ、炉の加熱により有機物質１１が蒸発する。前記真
空容器には炉から蒸発する蒸気を遮断するシャッター１
３が取りつけられる。

【００３０】被覆処理を行う場合、まず、シャッター１
３を閉じた状態で炉１１を加熱し、有機物質１２を蒸発
させる。

【００３１】炉１１を適当な温度に加熱した後、シャッ
ター１３を開くと同時にイオンビーム８の照射を開始す
る。部品１０の表面に被覆させる固体潤滑被膜の厚さは
、シャッター１２を開いている時間より制御できる。 また、照射するイオンビームのエネルギー、種類、照射
量を適宜選択し、形成する膜の炭素密度を制御する。高
い炭素密度の被膜を得るには、全照射量を多くする。一
定時間内での全照射量の調製は、イオンビームの電流密
度を制御することにより行う。

【００３２】プランジャーの外周面でシリンダーと接触
する部分に固体潤滑被膜を形成するために、該プランジ
ャーをホルダー９に支持した。蒸発源であるペンタフェ
ニルトリメチルトリシロキサンを炉に入れ、真空容器を
約１０−６　Ｔｏｒｒ　まで減圧した後、炉を加熱し、
炉温が約８０℃になったところでシャッターを開くと同
時に１．５ＭｅＶに加速したＡｒ＋　イオン照射してシ
リンダー表面に約２μｍの固体潤滑被膜を形成した。

【００３３】ペンタフェニルトリメチルトリシロキサン
は分子状もしくはクラスター状で飛来してセラミック表
面に付着すると考えられ、加速されたＡｒ＋　イオンは
ペンタフェニルトリメチルトリシロキサン分子に衝突し
、該分子を分解する。このとき、分子中の化学結合の弱
い部分が最も多く分解し、ペンタフェニルトリメチルト
リシロキサンでは、Ｃ−Ｈ結合が切断され、水素原子の
一部が分子から解放される。このようにして形成された
固体潤滑被膜は、高密度の炭素を含むが、純粋な炭素の
膜ではなく、珪素や酸素も含まれ、少量の水素も含む。 また、該膜は非晶質であり、結晶質炭素であるグラファ
イトやダイヤモンドとも異なる。

【００３４】このようにイオン照射は有機物質を高密度
に炭素を含む非晶質の物質に変えるわけであるが、この
過程において、大きな収縮（体積変化もしくは密度変化
）を伴う。このような変化がある基体表面で起きるとき
、変化する物質が１分子層もしくは数分子層程度の極く
薄い段階で起こるならば、収縮は拘束を受けず自由に生
ずる。従って、生成した無機質極薄膜と基体界面には歪
応力は殆ど発生しない。したがって、歪応力に起因する
密着性の低下を防止できる。

【００３５】このように、固体潤滑被膜を形成したプラ
ンジャー４個について、プランジャーとシリンダーとの
焼付特性をベンチ試験によって評価した。プランジャー
をポンプの各気筒（４気筒）に組み込み、ベンチ上にて
ランニングを行った。試験には、燃料としてメタノール
１００％のアルコールを用いた。

【００３６】運転条件は二段階よりなり、第１段階の試
験条件は図７に示すようにポンプ回転数Ｎｐ（ポンプシ
ャフトが１回転するとプランジャーが１往復する）を約
１２００ｒｐｍ　一定とし、プランジャー加圧力Ｐｖを
５００ｋｇ／ｃｍ２　、７００ｋｇ／ｃｍ２　、９００
ｋｇ／ｃｍ２　、と３段階に変化させ、各圧力での運転
時間を１５分とした。運転中に焼付きが生じると、プラ
ンジャーに往復運動を与えるポンプシフトの回転トルク
が急激に上昇することから、焼付きの発生を検知するこ
とができる。

【００３７】第２段階の評価は、第１段階で合格したプ
ランジャーにつき、図８に示す条件でポンプを運転し、
運転開始から焼付きが発生するまでの時間を求めるもの
である。運転時間は１００時間を上限とした。

【００３８】上記評価試験には、本発明による固体潤滑
被膜を被覆したプランジャー４本の他に、比較のために
窒素イオン注入処理（Ｎ＋　イオンを注入エネルギー１
００ＫｅＶで２×１０１７個／ｃｍ２　注入）を行った
もの、窒化ホウ素−ニッケル・リン複合メッキ処理（被
覆層厚さ５μｍ）を行ったもの、および単に焼入れ、焼
戻し処理を施しただけのプランジャーについても、各４
本づつ試験を行った。

【００３９】第１段階の評価結果を図９に示す。図より
、窒素イオン注入処理では、１本がＰｖ＝９００ｋｇ／
ｃｍ２　での試験中に焼付きを発生したが、他の３本は
、第１段階評価試験では焼付きを発生しなかった。処理
なしのものでは、Ｐｖ＝９００ｋｇ／ｃｍ２　までの試
験で焼付きを生じなかったものは１本もなかった。図よ
り明らかなように、第１段階の試験で４本ともすべて合
格したのは、本発明の固体潤滑被膜を施したもののみあ
った。

【００４０】第１段階の試験で焼付きを発生しなった、
プランジャーについて、さらに第２段階の試験を行った
。本試験では、各処理３本づつ用いた。結果を図１０に
示す。本実施例の処理を施したものは、３本ともすべて
１００時間経過後も焼付きを生じなかったが、他の処理
はいずれも１００時間内に焼付きを発生した。

【００４１】また、１００時間耐久試験に合格したプラ
ンジャーを装着した噴射ポンプの噴射量は、１００時間
試験後も全く減少しなった。プランジャーもしくはシリ
ンダーが摩耗すると、通常は噴射量が減少するが、本処
理品ではそれがないことから、摩耗によるポンプ性能の
劣化が極めて小さいことがわかる。

【００４２】これらの結果より、本発明の処理がアルコ
ール用ディーゼル噴射ポンププランジャーの焼付き防止
に極めて優れた効果を発揮するものであることが分る。

【００４３】〔実施例２〕この実施例では、図１１に示
すように、プランジャー１の表面にまず硬質表面処理層
５を形成し、該硬質表面処理層５の上に固体潤滑被膜４
を形成した点が前記実施例１の、プランジャー１と異な
っている。ＳＵＪ２鋼からなるプランジャーの表面に硬
質表面処理層として厚さ５μｍの窒化ホウ素−ニッケル
・リン複合メッキ層５を形成した。

【００４４】該硬質表面処理層５の上に前記第１実施例
と同様にして厚さ１μｍの固体潤滑被膜４を形成した。 本実施例に係るプランジャーを用いて実施例１と同様の
試験条件で評価を行ったところ、実施例１の固体潤滑被
膜のみを形成したプランジャーに比し、約１．２倍の寿
命を示した。

【００４５】本実施例に係るプランジャーはポンプ運転
時に固体潤滑被膜４に加わる荷重を受け持つ下地である
硬質表面処理層４の硬度が高いため、固体潤滑被膜の潤
滑性がさらに良くなり、前記実施例よりさらに良い効果
を発揮する。

【００４６】なお、本発明は前記両実施例に限定される
ものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種表面処理のメタノールに対する接触角度を
比較した図

【図２】各種表面処理の相対湿度と摩擦係数との関係図

【図３】各種表面処理の摺動回数と摩擦係数との関係図

【図４】プランジャーをシリンダーに取りつけた状態を
示した断面概略図

【図５】プランジャーに固体潤滑被膜を形成した断面概
略図

【図６】固体潤滑被膜の形成方法に使用する装置の概略
構成図

【図７】第１段階の試験条件を示した図

【図８】第２段
階の試験条件を示した図

【図９】各種表面の処理の第１
段階の試験結果を示した図

【図１０】各種表面処理の第２段階の試験結果を示した
図

【図１１】硬質表面処理層の上に固体潤滑被膜を形成し
たプランジャー断面概略図

【符号の説明】

１　　プランジャー ２　　シリンダ ５　　硬質表面処理層 ６　　真空容器 ７　　イオンビーム発生装置 ８　　イオンビーム ９　　ホルダー １０　　部品 １１　　炉 １２　　有機物質 １３　　シャッター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有機物の蒸着とともに気体元素のイオンの
   照射とを行うことによってシリンダーとの摺動面に形成
   した、非晶質炭素と珪素を主成分とする固体潤滑被膜を
   具備することを特徴とするアルコール燃料用噴射ポンプ
   のプランジャー。