DE102009046437A1

DE102009046437A1 - Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse

Info

Publication number: DE102009046437A1
Application number: DE102009046437A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kern; Heiner Dr. Haberland; Wolfgang Wagner
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN102051459A; EP2320064B1; EP2320064A1; JP5722588B2; KR101314932B1; KR20110049662A; DE102009046437B4; JP2011099435A; CN102051459B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse, wobei die Kraftstoffführung dienenden Ausnehmungen der Einspritzdüse mit einem rheopexischen Fluid oder einem dilatanten Fluid gefüllt werden, und wobei das Fluid mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird, sodass sich in den Ausnehmungen der Einspritzdüse ein derartiger Innendruck aufbaut, dass die Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Einspritzdüsen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Schiffsdieselbrennkraftmaschinen, handelt es sich um hochbeanspruchte Bauteile. So sind Einspritzdüsen abhängig vom Einspritztakt hohen Einspritzdrücken ausgesetzt. Die Dauerschwellfestigkeit von Einspritzdüsen beschränkt dabei die realisierbaren Einspritzdrücke.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse zu schaffen, mit Hilfe dessen die Dauerschwellfestigkeit derselben erhöht werden kann. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden der Kraftstoffführung dienende Ausnehmungen der Einspritzdüse mit einem rheopexischen oder dilatanten Fluid gefüllt, wobei das Fluid mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird, sodass sich in den Ausnehmungen der Einspritzdüse ein derartiger Innendruck aufbaut, dass die Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse erhöht wird.
Als Autofrettage (Selbstschrumpfung) bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von beispielsweise Rohrleitungen für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr einem über dem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Bereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen.
Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten inneren und der elastisch verformten äußeren Zone, die von der plastisch verformten inneren Zone daran gehindert wird, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Die Durchführung erfolgt, in dem das Rohr mit einer Flüssigkeit mit möglichst geringer Kompressibilität gefüllt und die Rohrenden dicht verschlossen werden. Nun bringen Pumpen meist über Druckübersetzer den benötigten Druck auf. Nach kurzer Haltezeit kann wieder entlastet werden. Autofrettage findet auch bereits Anwendung bei der Common-Rail-Einspritzung, siehe beispielsweise das Dokument DE 10 2007 011 868 B3 .
Hierzu können bereits handelsübliche Autofrettageöle verwendet werden, wobei diese Fluide maximal ca. 5000 bar übertragen können.
Das Problem hierbei ist jedoch, dass beispielsweise die Spritzlöcher der Einspritzdüsen nicht damit verdichtet werden können.
Die hier vorliegende Erfindung schlägt erstmals vor, zur Erhöhung der Dauerschwellfestigkeit von Einspritzdüsen Ausnehmungen der Einspritzdüsen mit einem Fluid zu füllen, das rheopexische oder dilatante Eigenschaften aufweist, wobei das Fluid mit den rheopexischen oder dilatanten Eigenschaften mit einem Autofrettsgedruck beaufschlagt wird, sodass sich in den Ausnehmungen der Einspritzdüse ein Innendruck aufbaut, mit dem die Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse erhöht werden kann.
Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass durch Befüllen von der Kraftstoffführung dienenden Ausnehmungen der Einspritzdüse mit einem rheopexischen oder dilatanten Fluid und durch Anlegen eines entsprechenden Autofrettagedrucks die Dauerschwellfestigkeit von Einspritzdüsen erhöht werden kann. Hierdurch ist es möglich, höhere Einspritzdrücke zu realisieren. Weiterhin lassen sich Einspritzdüsengeometrien darstellen, die bislang aus Festigkeitsgründen nicht möglich waren. Hierdurch ist auch eine Reduzierung des Kraftstoff verbrauchs und von Emissionen der Brennkraftmaschine möglich.
Rheopexie ist die Eigenschaft eines nicht newtonischen Fluids, nach einer Scherung eine höhere Viskosität zu zeigen. Rheopexie ist stark zeitabhängig und bedeutet, dass die Viskosität bei konstanter Scherung mit der Zeit ansteigt. Dieses Verhalten ist eng verwandt mit der Dilatanz, bei der die Viskosität nur während der Scherung höher ist. Dilatanz zeichnet sich im Gegensatz zur Rheopexie dadurch aus, dass sie nicht zeitabhängig ist, sondern nur von der Scherung abhängt. Je größer die aufgebrachte Scherung ist, um so viskoser bzw. zäher verhält sich das Fluid.
Beispielsweise ist in den Dokumenten DE 30 25 562 A1 und EP 01 74 566 B1 die Herstellung und Grundfunktion dilatanter Copolymerdispersionen beschrieben.
Das hier zu verwendende Fluid besteht beispielsweise aus zwei Komponenten, nämlich einem öligen Grundfluid (Autofrettageöl) vermischt mit einem Medium mit körniger Struktur wie Quarzsand oder Ähnlichem.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1: einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse 1, wobei die Einspritzdüse 1 von einem Einspritzdüsenkörper 2 bereitgestellt wird, in den Ausnehmungen ein gebracht sind, nämlich ein Kraftstoffzulauf 3, ein Sacklochbereich 4 und Spritzlöcher 5, wobei im Übergangsbereich zwischen dem Kraftstoffzulauf 3 und dem Sacklochbereich 4 ein sogenannter Nadelsitz 6 ausgebildet ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine derartige Einspritzdüse 1 dadurch zu bearbeiten, dass die der Kraftstoffführung dienenden Ausnehmungen 3, 4, 5 und 6 der Einspritzdüse 1 mit einem rheopexischen Fluid oder einem dilatanten Fluid gefüllt werden, und dass das Fluid mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird, sodass sich in den Ausnehmungen 3 bis 6 der Einspritzdüse 1 ein derartiger Innendruck ausbaut, dass die Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse 1 erhöht wird.
Der Autofrettagedruck wird dabei derart bemessen, dass sich im Werkstoff der Einspritzdüse, nämlich im Werkstoff des Einspritzdüsenkörpers 2, Spannungen oberhalb der Streckgrenze des Werkstoffs und unterhalb der Zugfestigkeit desselben ausbilden. Der Autofrettagedruck ist weiterhin derart bemessen, dass die Einspritzdüse im Bereich der Ausnehmungen 3 bis 6, die der Kraftstoffführung dienen, zumindest abschnittsweise plastisch verformt und damit partiell plastifiziert wird, sodass nach dem Abbau des Autofrettagedrucks in dem plastisch verformten bzw. plastifizierten Abschnitten Druckeigenspannungen verbleiben, Diese Druckeigenspannungen bewirken bei schwellender Betriebsbelastung durch Druck eine Reduzierung der Mittelspannung und damit eine Erhöhung der Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse 1.
Der Erfindung liegt demnach die Erkenntnis zugrunde, dass unter Ausnutzung eines Fluids mit rheopexischen oder dilatanten Eigenschaften die Dauerschwellfestigkeit einer Einspritzdüse 1 erhöht werden kann. Fluide mit rheopexischen oder dilatanten Eigenschaften weisen mit steigender Scherung der Fluidteilchen eine erhöhte Viskosität auf, wobei bei rheopexischen Fluiden diese Viskositätserhöhung von der Zeitdauer der Scherung abhängig ist. Bei einer Einspritzdüse 1 befinden sich engste Strömungsquerschnitte im Bereich der Spritzlöcher 5, sodass der größte Viskositätszuwachs des rheopexischen oder dilatanten Fluids bei Anlegen des Autofrettagdrucks in den Spritzlöchern 5 zu erwarten ist. In Strömungsrichtung stromaufwärts des engsten Strömungsquerschnitts der Spritzlöcher 5 gesehen, also zumindest im Bereich des Kraftstoffzulaufs 3, des Sacklochs 4 sowie des Nadelsitzes 6, erfolgt eine zumindest partielle bzw. abschnittsweise plastische Verformung der Einspritzdüse 1 im Bereich ihrer innen liegenden Ausnehmungen 3 bis 6. Eine gesonderte Abdichtung der Spritzlöcher 5 in einem Außenbereich derselben ist nicht erforderlich.
Wie bereits voran beschrieben enthalten dilatante oder rheopexische Fluide körnige Bestandteile, welche beim Anliegen einer ausreichenden Scherung gegeneinander blockieren und so die Viskositätserhöhung bewirken. Diese körnigen Bestandteile können, bei entsprechender Härte der Körner, in der Umströmung von Stahlbauteilen abrasiv wirken. Damit kann ein solches Fluid zusätzlich für das Verfahren der hydroerosiven Verrundung (HE-Verrundung) von Spritzlöchern der Einspritzdüsen eingesetzt werden. Beide Verfahren (HE-Verrundung und Autofrettage der Einspritzdüsen) können somit in einem Arbeitsgang vereint werden. Die Verfahren sind so zu gestalten, dass das Fluid zunächst mit geringem Druck durch die Einspritzdüse strömt und die Spritzlocheinläufe erosiv bearbeitet werden. Die dilatanten oder rheopexischen Eigenschaften treten bei der entsprechend geringen Scherung in den Spritzlöchern nicht auf. Im Anschluss wird der Druck, mit dem das Fluid durch die Düse gepumpt wird, erhöht, so dass dann das dilatante oder rheopexische Verhalten des Fluids auftritt und der Durchfluss durch die Spritzlöcher zum Erliegen kommt. Der Druck ist dann weiter bis zum Autofrettagedruck zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Einspritzdüse
2: Einspritzdüsenkörper
3: Kraftstoffzulauf
4: Sacklochbereich
5: Spritzlöcher
6: Nadelsitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007011868 B3 [0005]
DE 3025562 A1 [0011]
EP 0174566 B1 [0011]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffführung dienende Ausnehmungen der Einspritzdüse mit einem rheopexischen Fluid oder einem dilatanten Fluid gefüllt werden, und dass das Fluid mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird, sodass sich in den Ausnehmungen der Einspritzdüse ein derartiger Innendruck aufbaut, dass die Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Autofrettagedruck derart bemessen wird, dass sich im Werkstoff der Einspritzdüse Spannungen oberhalb der Streckgrenze des Werkstoffs und unterhalb der Zugfestigkeit des Werkstoffs ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Autofrettagedruck derart bemessen wird, dass die Einspritzdüse im Bereich der Ausnehmungen, die der Kraftstoffführung dienen, zumindest abschnittsweise plastisch verformt wird, und dass nach dem Abbau des Autofrettagedrucks in den plastisch verformten Abschnitten Druckeigenspannungen verbleiben.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Bearbeiten einer Einspritzdüse für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rheopexische oder dilatante Fluid zusätzlich zur Erhöhung der Dauerschwellfestigkeit der Einspritzdüse auch zur hydroerosiven Verrundung der Einspritzlöcher der Einspritzdüse eingesetzt wird, derart, dass das Fluid zunächst mit geringem Druck durch die Einspritzdüse gepumpt wird und nach der erosiven Bearbeitung der Einspritzlöcher der Druck für den Durchfluss des Fluids bis zum Autofrettagedruck erhöht wird.