DE102016108633A1

DE102016108633A1 - Kraftstoffeinspritzleitung und rohrförmiger Leitungskanal

Info

Publication number: DE102016108633A1
Application number: DE102016108633.9A
Authority: DE
Inventors: Jozef Balun; André Lömker; Christian Kronholz; Michael Markert; Marco Walterfang
Original assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-30
Also published as: CN107354375A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor, umfassend einen rohrförmigen zumindest bereichsweise gekrümmten Leitungskanal (10) aus einer Stahllegierung zur Durchleitung eines Kraftstoffes. Die Kraftstoffeinspritzleitung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (10) eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa sowie ein Gefüge mit einem Bainitanteil von mindestens 70% aufweist. Weiterhin wird ein rohrförmiger Leitungskanal (10) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzleitung, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor sowie einen rohrförmigen Leitungskanal für eine Kraftstoffeinspritzleitung.
Bei Antrieben für Kraftfahrzeuge oder Antriebe für andere Geräte, wie Generatoren oder Pumpen werden Dieselmotoren verwendet. Hierbei erfolgt die Kraftstoffzufuhr beziehungsweise Einspritzung zu den Zylindern über eine Pumpe, durch die Drücke von mehr als 1000 bar erzeugt werden, wobei es stets Bestrebungen gibt, diesen Druck zu erhöhen. Die Verbindung zwischen der Einspritzpumpe und den einzelnen Zylindern wird durch Rohrleitungen gebildet. Die Rohrleitungen sind hierbei einem hohen und zudem pulsierenden Druck, insbesondere Innendruck ausgesetzt. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten die Dauerfestigkeit eines Rohres zu beeinflussen. Insbesondere können die Rohrabmessung, insbesondere die Wanddicke des Rohres vergrößert werden. Zum anderen kann die Innenoberfläche behandelt werden. Auch ist die Behandlung des Rohres durch Autofrettage bekannt. Schließlich können Werkstoffe in einem Zustand mit höherer Festigkeit verwendet werden. Insbesondere bei dem letzten Punkt erreicht man irgendwann aber die Grenzen des technisch sinnvollen Bereichs. Das heißt, dass die Festigkeit nicht beliebig gesteigert werden kann, da hierdurch eine Weiterverarbeitung des Rohres zu einem Leitungskanal, beispielsweise durch Bördeln und Biegen, nicht mehr möglich wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Lösung zu schaffen, bei der eine Kraftstoffeinspritzleitung und insbesondere der Leitungskanal den Anforderungen beim Betrieb der Einspritzpumpe zuverlässig standhalten kann und zudem den räumlichen Begrenzungen, die beispielsweise in einem Fahrzeug gegeben sind, genügen kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem ein rohrförmiger Leitungskanal geschaffen wird, dessen Werkstoff ein geeignetes Gefüge mit geeigneten Werkstoffkennwerten aufweist.
Die Aufgabe wird daher gelöst durch eine Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor, umfassend einen rohrförmigen zumindest bereichsweise gekrümmten Leitungskanal aus Stahl zur Durchleitung eines Kraftstoffes. Die Kraftstoffeinspritzleitung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa sowie ein Gefüge mit einem Bainitanteil von mindestens 70% aufweist.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen rohrförmigen Leitungskanal für eine Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor, der aus einer Stahllegierung besteht. Der rohrförmige Leitungskanal ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa sowie ein Gefüge mit einem Bainitanteil von mindestens 70% aufweist.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzleitung beschrieben werden, gelten – soweit anwendbar – entsprechend für den erfindungsgemäßen Leitungskanal und umgekehrt und werden daher gegebenenfalls nur einmalig beschrieben.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzleitung kann zusätzlich zu einem Leitungskanal weitere Elemente, wie Überwurfmuttern und dergleichen aufweisen. Der Leitungskanal ist erfindungsgemäß ein rohrförmiger Leitungskanal. Der rohrförmige Leitungskanal kann in der Kraftstoffeinspritzleitung als zumindest bereichsweise gekrümmter rohrförmiger Leitungskanal vorliegen ist. Besonders bevorzugt wird der Leitungskanal daher aus einem Rohr hergestellt, das in zumindest einem Bereich bogenförmig gekrümmt wird. In weiteren Bereichen kann der Leitungskanal weiterhin eine gerade Rohrform aufweisen.
Indem der Leitungskanal der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzleitung eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa aufweist, kann eine ausreichende Festigkeit gewährleistet werden, die den Beanspruchungen, insbesondere dem hohen Innendruck, der auf die Kraftstoffeinspritzleitung wirkt, standhalten kann. Bevorzugt beträgt die Zugfestigkeit des Leitungskanals der Kraftstoffeinspritzleitung mindestens 1.150 MPa. Da das Gefüge, insbesondere das Mikrogefüge, des Werkstoffes, aus dem der Leitungskanal hergestellt ist, einen Bainitanteil von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% aufweist, kann zudem auch sichergestellt werden, dass der Leitungskanal den pulsierenden Drücken, insbesondere einer Innendruckschwellbelastung, die beim Betrieb der Einspritzpumpe auftreten, standhalten kann. Im Gegensatz zu Kraftstoffeinspritzleitungen, bei denen zur Steigerung der Festigkeit des Leitungskanals eine dickere Wandstärke verwendet werden muss, kann diese bei der vorliegenden Erfindung aufgrund des Gefüges und der Zugfestigkeit des Leitungskanals gering gehalten werden. Zudem ist die Herstellung des zur Fertigung des Leitungskanals erforderlichen Rohres, beispielswiese durch Ziehvorgänge möglich, da die Festigkeit des Werkstoffes des Leitungskanals solche Umformvorgänge noch zulässt. Als Bainitanteil wird vorzugsweise der Flächenanteil des Bainit in Prozent angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Leitungskanal zumindest bereichsweise eine Bruchdehnung A5 von mindestens 12% auf. Dieser Materialkennwert bezeichnet die Verlängerung der Probe nach dem Bruch bezogen auf die Anfangsmesslänge der Probe. Durch die hohe Bruchdehnung, die an dem Leitungskanal zumindest bereichsweise vorliegt, ist eine hohe Duktilität gegeben und den Beanspruchungen beim Betrieb der Pumpe kann daher standgehalten werden. Die Bruchdehnung A5 bezieht sich auf eine Probe, bei der die Anfangslänge der Probe, die einen Rundstab darstellt, fünfmal dem Anfangsdurchmesser der Probe entspricht. L₀ = 5·d₀. Bevorzugt beträgt die Bruchdehnung des Leitungskanals mindestens 14%.
Die Bruchdehnung A5 liegt erfindungsgemäß zumindest bereichsweise an dem Leitungskanal vor. Vorzugsweise wird hierbei der Leitungskanal durch ein Rohr gebildet, das vor der Verarbeitung, insbesondere vor dem Biegen eine Bruchdehnung A5 von mindestens 12% aufweist. Nach dem Biegen des Rohres zu dem Leitungskanal liegt die Bruchdehnung von mindestens 12% zumindest in dem Bereich des Leitungskanals vor, in dem dieser nicht gebogen ist. Bevorzugt beträgt die Bruchdehnung des Rohres im nicht gebogenen Bereich mindestens 12%, im gebogenen Bereich mindestens 14%.
Gemäß einer Ausführungsform hält der Leitungskanal einem Systemdruck von mindestens 2.500bar, insbesondere mindestens 3.000bar, bezogen auf einen Außendurchmesser von mindestens 6,0 mm stand. Der Systemdruck bezeichnet hierbei den Einspritzdruck zuzüglich Überschwingern, das heißt kurzfristiges Überschreiten des eingestellten Einspritzdrucks. Die Dauerschwingfestigkeit, die hierzu erforderlich ist, kann durch den sogenannten Wöhlerversuch ermittelt werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann daher der Einspritzdruck gegenüber bekannten Einspritzdrücken von 2.500bar erhöht werden und dadurch eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffes und somit eine Kraftstoffersparnis erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Leitungskanal eine Wanddicke von 3,35mm auf. Besonders bevorzugt ist der Außendurchmesser des rohrförmigen Leitungskanals AD = 6,35mm und der Innendurchmesser ID = 3mm. Diese Abmessung des Leitungskanals ist insbesondere für PKW geeignet.
Bei dem Einsatz der Krafteinspritzleitung in einem LKW können hingegen beispielsweise Rohre mit einer Wanddicke von 5mm verwendet werden. Besonders bevorzugt ist hierbei der Außendurchmesser des rohrförmigen Leitungskanals AD = 8mm und der Innendurchmesser ID = 3mm. In diesem Fall weist der Leitungskanal Betriebsdrücke von mindestens 3500 bar, insbesondere zwischen 3500 und 4000 bar auf.
Erfindungsgemäß können aber auch rohrförmige Leitungskanäle anderer Abmessung verwendet werden. Es wird aber stets eine hohe Belastbarkeit des Leitungskanals gegen statische und Schwingdruckbelastungen gewährleistet, wobei der Bauraum, das heißt dass insbesondere die Abmessungen der Wandstärke und damit der Außendurchmesser des rohrförmigen Leitungskanals bei gleichem Innendurchmesser gering gehalten werden können.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der Leitungskanal aus einer Stahllegierung, die neben Eisen und schmelzbedingten Verunreinigungen zumindest folgende Bestandteile in Gewichts-% umfasst:

C 0,10–0,25

Mn 1,00–2,25

Cr 1,00–2,50

V < 0,40

S maximal 0,04

P maximal 0,04

Ti + Nb maximal 0,04.
Durch diese Zusammensetzung der Legierung kann zum einen das Ausbilden von Bainit in dem Gefüge der Stahllegierung des Leitungskanals sichergestellt beziehungsweise begünstigt werden. Zum anderen kann die Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit, der Legierung in dem erfindungsgemäßen Bereich von mindestens 1.050 MPa zuverlässig eingestellt werden.
Durch die Begrenzung von Titan und Niob auf in Summe maximal 0,04 wird erreicht, dass für die Dauerfestigkeit nachteilige Titannitride oder primäre Karbonitride im metallischen Mikrogefüge des Leitungskanals vorliegen.
Der Chromgehalt ist vorzugsweise auf einen Bereich von 1,90 bis 2,20 Gew.-% beschränkt.
Vanadium liegt in der Legierung vorzugsweise in einer Menge von mindestens 0,05 Gew.-% vor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Legierung für den Leitungskanal zusätzlich zu den genannten Legierungselementen in den genannten Gehalten mindestens ein und vorzugsweise alle der folgenden weiteren Legierungselemente in Gew.-% auf:

Si 0,03–1,0

Mo 0,2–0,8

Al 0,01–0,06.
Mit dieser Legierung können die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Leitungskanals zuverlässig eingestellt werden

Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der Leitungskanal aus einer Stahllegierung, die neben Eisen und schmelzbedingten Verunreinigungen zumindest folgende Bestandteile in Gewichts-% umfasst:

C	0,17–0,35
Si	0,03–0,6
Mn	0,5–1,6
P	max. 0,015
S	max. 0,03
Cr	0,8–1,2
Mo	0,5–0,7
Ni	max. 0,2
Cu	max. 0,2
Al	0,02–0,05
V max.	0,01
Nb	0,01–0,05
N max.	0,015
B	0,0010–0,005
Ti	0,01–0,1

Durch die Zugabe von Niob (Nb) von maximal 0,05 Gew.-% und weiter bevorzugt von maximal 0,03 Gew.-% kann insbesondere die Bildung von Primärcarbiden verhindert werden und damit eine Spannungskonzentration in dem Gefüge verhindert werden. Ebenso kann durch die Begrenzung der Zugabe von Titan auf einen Maximalgehalt von 0,1% die Bildung von Titannitriden verhindert werden.
Das Rohr, das zur Herstellung des Leitungskanals verwendet wird, wird vorzugsweise so wärmebehandelt, dass dieses erwärmt, anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Beispielsweise kann das Rohr auf 920°C erwärmt werden. Anschließend wird das Rohr angelassen. Das Abkühlen kann mit einer Abkühlgeschwindigkeit beispielsweise im Bereich kleiner 5 K/s erfolgen. Das auf Raumtemperatur abgekühlte Rohr kann dann beispielsweise bei 500°C angelassen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung kann bei geeigneter Legierung, beispielsweise bei einer der oben angegebenen Ausführungsformen ein Bainitanteil von 95% eingestellt werden. Wobei die Zugfestigkeit bei mehr als 1.050 MPa, beispielsweise bei 1.250 bis 1.300 MPa liegen kann.
In 1 ist eine Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzleitung 1 gezeigt. Die Kraftstoffeinspritzleitung 1 besteht in der gezeigten Ausführungsform aus einem rohrförmigen Leitungskanal 10 sowie aus Endelementen 11, die beispielsweise Düsen oder Ventile darstellen können. Zudem sind in der 1 weiterhin Befestigungselemente 12 gezeigt, die beispielsweise als Überwurfmutter ausgestaltet sein können.
Der Leitungskanal 10 ist in der gezeigten Ausführungsform aus einem Rohr hergestellt. Das Rohr ist in einem Bereich 100 bogenförmig gekrümmt. Diese Krümmung kann durch Biegen des Rohres erzeugt werden. In den zwischen dem gekrümmten Bereich 100 und den Enden des Leitungskanals 10 liegenden Bereichen 101 wird der Leitungskanal 10 durch ein gerades Teil 101 des Rohres gebildet. Die Rohrenden werden vor dem Biegen zur Herstellung der Kraftstoffeinspritzleitung 1 bearbeitet, insbesondere gebördelt und optional aufgedickt. Davor werden Befestigungselemente über beide Enden geführt. Zudem kann die Innenseite des Leitungskanals 10 durch Autofrettage verstärkt werden. Diese Bearbeitung kann nach dem Biegen des Rohres durchgeführt werden.
Der Leitungskanal 10 besteht beispielsweise aus einem Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1.100 MPa. Dieser Wert kann in dem gebogenen Bereich 100 des Leitungskanals 10 gegebenenfalls höher als in dem geraden Bereich 101 sein. Zudem weist der Leitungskanal 10 vorzugsweise eine Bruchdehnung A5 von mindestens 15% auf. Dieser Wert liegt zumindest in dem geraden, das heißt dem nicht durch Biegen bearbeiteten Bereich 101 vor.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dieseleinspritzrohr geschaffen, das beispielsweise mit Abmessungen von AD 8mm × ID 3mm einem Druck von 3600 bar als 1ppm Wert standhalten kann. Insbesondere können Dieseleinspritzrohre für den LKW-Bereich (8 × ID 3mm) und PKW Bereich (6,35 × ID 3mm) geschaffen werden, die die Anforderungen an die Festigkeit in Kombination mit der Duktilität erfüllt. Auch anderen Abmessungen für Produkte beispielsweise vom europäischen Markt oder für Produkte des asiatischen Marktes sind mit der vorliegenden Erfindung möglich.
Erfindungsgemäß wird ein Gefüge mit hohem bainitischen Anteil, insbesondere mehr als 70% verwendet, da es eine gute Kombination von Festigkeit und Duktilität ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzleitung können zur Herstellung des Leitungskanals lange Rohre, die auch als Halbzeugrohre bezeichnet werden können, verwendet werden. Diese können mit einer Länge von 6m aus Stabmaterial hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere weist das Rohr, das den Leitungskanal bildet, eine gute Verformbarkeit in Kombination mit der hohen Festigkeit und der ausreichenden Dauerfestigkeit auf.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffeinspritzleitung
10: Leitungskanal
100: gebogener Bereich
101: gerader Bereich
11: Endelement
12: Befestigungselement

Claims

Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor, umfassend einen rohrförmigen zumindest bereichsweise gekrümmten Leitungskanal (10) aus einer Stahllegierung zur Durchleitung eines Kraftstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (10) eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa sowie ein Gefüge mit einem Bainitanteil von mindestens 70% aufweist.
Kraftstoffeinspritzleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (10) zumindest bereichsweise eine Bruchdehnung A5 von mindestens 12% aufweist.
Kraftstoffeinspritzleitung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (10) einem Systemdruck von mindestens 2.500bar, vorzugsweise mindestens 3.000bar, standhält.
Kraftstoffeinspritzleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal eine Wanddicke von 3,35mm aufweist und vorzugsweise einen Außendurchmesser des rohrförmigen Leitungskanals AD = 6,35mm und einen Innendurchmesser ID = 3mm aufweist.
Kraftstoffeinspritzleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal aus einer Stahllegierung besteht, die neben Eisen und schmelzbedingten Verunreinigungen zumindest folgende Bestandteile in Gewichts-% umfasst: C 0,10–0,25 Mn 1,00–2,50 Cr 1,00–2,50 V < 0,40 S maximal 0,04 P maximal 0,04 Ti + Nb maximal 0,04.
Kraftstoffeinspritzleitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom in einem Bereich von 1,90 bis 2,20 Gew.-% enthalten ist.
Kraftstoffeinspritzleitung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung für den Leitungskanal mindestens einen und vorzugsweise alle der folgenden weiteren Legierungselemente in Gew.-% aufweist: Si 0,03–1,0 Mo 0,2–0,8 Al 0,01–0,06.
Kraftstoffeinspritzleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Leitungskanals die folgenden Legierungselemente in den angegebenen Bereichen in Gew.-% umfasst: C 0,17–0,35 Si 0,03–0,6 Mn 0,5–1,6 P max. 0,015 S max. 0,01 Cr 0,8–1,2 Mo 0,5–0,7 Ni max. 0,2 Cu max. 0,2 Al 0,02–0,05 V max. 0,01 Nb 0,01–0,05 N max. 0,015 B 0,0010–0,005 Ti 0,01–0,1.
Rohrförmiger Leitungskanal für eine Kraftstoffeinspritzleitung für einen Dieselmotor, wobei der Leitungskanal aus einer Stahllegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (10) eine Zugfestigkeit von mindestens 1.050 MPa sowie ein Gefüge mit einem Bainitanteil von mindestens 70% aufweist.