DE19716659A1 - Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr für eine Dieselkraftstoff-Verbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoff-Einspritzrohr nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 wie es in der Kraftstoff-Zufuhr einer Dieselkraftstoff-Verbrennungsmaschine verwendet wird und sie bezieht sich insbesondere auf ein dickes Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr, dessen Durchmesser relativ klein ist mit Werten von ungefähr 6,0 bis 15,0 mm und mit einer Dicke von ungefähr 2,2 mm bis 5,5 mm.

Bislang wird üblicherweise ein Stahlrohr mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 340 N/mm² bis 410 N/mm² üblicherweise für ein Kraftstoff-Einspritzrohr eines Dieselmotors verwendet. Da ein Verfahren zum Einspritzen von atomisiertem Kraftstoff mit hohem Druck entwickelt worden ist, um den Kraftstoff innerhalb der Motorzylinder vollständiger zu verbrennen und saubere Abgase abzugeben entsprechend der Entwicklung der Abgas-Reinigungstechnik, die zur Beschränkung der Abgase bei einem Dieselmotor durchgeführt wurde, werden diese Rohre mit einem hohen Innendruck von 1200 bar oder mehr, was in der Vergangenheit das Maximum gewesen ist, belastet. Es ist daher erforderlich, eine höhere Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffes vorzugeben, um dem hohen Innendruck standzuhalten. Als Gegenmaßnahme hierzu besteht eine Tendenz zur Verwendung eines hochzugfesten Stahles mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 490 N/mm² bis 800 N/mm². Ein solches hochzugfestes Stahlrohr wird allgemein durch Ziehen hergestellt.

Das hochzugfestes Stahlrohr, das durch Ziehen hergestellt wird, weist jedoch manchmal feine Falten mit einer Tiefe von ungefähr 100 µm auf der Innen-Oberfläche auf, wenn das Rohr heiß aus einem Gußblock hergestellt wird und aus einem großen Rohr durch Ziehen (Verlängern) in ein Rohr mit den erforderlichen Abmessungen verarbeitet wird. Es ist bekannt, daß die Falten durch eine Fließdifferenz des Materials innerhalb und außerhalb des Rohres hervorgerufen werden, welche entsteht, wenn das Rohr bearbeitet wird durch Reduzierung in einem Gesenk von der Außenseite des Rohres her und durch Walzen mit einem Dorn von seiner Innenseite her. Das heißt, ein solches Phänomen tritt auf aufgrund des Unterschusses in der Verlängerung, welcher dadurch hervorgerufen wird, daß die Dehnung und die Verlängerung (Dehnbarkeit und Verarbeitbarkeit) nahezu umgekehrt proportional zueinander sind. Dieser Effekt tritt in beträchtlichem Maße in einem dicken Rohr auf. Da es eine geringe Dehnbarkeit besitzt verbleiben ferner die Falten auf dem inneren Teil, welcher durch den Dorn gewalzt wird, als Faltenanrisse zurück. Speziell wenn feine Falten von ungefähr 100 µm in der Tiefe auf der Innen-Oberfläche des Rohres vorliegen, besteht eine Gefahr der Zerstörung durch Material-Ermüdung und damit des Berstens des Rohres, da eine Spannungs­ konzentration an dem Teil mit Falten auftritt, wenn ein hoher Innendruck, der 1200 bar überschreitet, wiederholt an das Rohr angelegt wird.

Da ferner die Durchmesser-Reduzierung durch Ziehen nicht in einem Schritt mit dem hochzugfesten Stahlrohr erfolgen kann, wird es erforderlich, das Ziehen mehrere Male durchzuführen, um eine erforderliche Abmessung des Rohres zu erhalten. Daher besteht ein Problem darin, daß die Produktionskosten des Kraftstoff-Einspritzrohres sehr hoch werden, da es neben der geringen Produktivität erforderlich ist, die Gerätekosten durch Installierung einer Rohr-Verlängerungsmaschine, einer Gesenkmaschine, einer Korrekturmaschine und ähnlichen Maschinen zu erhöhen.

Beispielsweise ist im Fall eines hochzugfesten Stahlrohres mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 800 N/mm² eine Querschnittsreduzierung durch Ziehen in einem Schritt auf ungefähr 30% der Ausbeute bei der konventionellen Herstellung beschränkt. Im Falle eines typischen nahtlosen Rohres mit einer Mundstückgröße im Durchmesser von 34 mm ist es möglich gewesen, dieses auf die Größe eines Einspritzrohres durch viermaliges Ziehen (Anzahl der Verlängerungen des Rohres) bei der üblichen Klasse der Zugfestigkeit von 340 N/mm² bis 410 N/mm² zu bearbeiten, während es im Falle des hochzugfesten Stahlrohres in der Klasse der Zugfestigkeit von 800 N/mm² erforderlich ist, das Ziehen achtmal durchzuführen.

Ferner gibt es im Fall des hochzugfesten Stahlrohres mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 800 N/mm² ein Problem dahingehend, daß beim Ziehen verschiedene Begrenzungen, wie beispielsweise die Größe eines Werkzeuges in Form eines Gesenkes, die der Gesenkmaschine auferlegte Belastung, die Reduzierung einer Anzahl von Rohre, die gleichzeitig auf der Rohr-Zieh- bzw. Reckmaschine gezogen werden, beseitigt werden müssen, um das Verfahren zu verbessern.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die zuvor erwähnten Probleme zu lösen durch Vorgabe eines Kraftstoff-Einspritzrohres, das aus einem hochzugfesten Stahl hergestellt wird, welcher einen hohen Innendruck von 1200 bar oder mehr aushalten kann, indem anstelle des herkömmlichen Kraftstoff-Einspritzrohres, das aus einem einzigen Rohr mit einer einzigen Wand gebildet wird, ein doppelt-strukturiertes Verbundrohr verwendet wird, das aus einem Innenrohr und aus einem Außenrohr zusammengesetzt ist.

Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzrohr für einen Dieselmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Doppel-Rohrstruktur ein inneres Rohr und ein äußeres Rohr aufweist, wobei das Innenrohr ein nahtgeschweißtes Rohr aus einer hochzugfesten Stahlplatte, wie beispielsweise aus einem rostfreien Stahl oder einem Mn-Stahl, ist mit einer Wandstärke von 0,4 bis 1,5 mm und das äußere Rohr ein Stahlrohr ist, das aus dem gleichen Material wie das Innenrohr oder aus Kohlenstoffstahl besteht.

Das spezifische Wesen der vorliegenden Erfindung sowie andere Aufgaben und Vorteile derselben gehen klar aus der folgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen hervor. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene vergrößerte Schnittansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen dicken Doppel-Metallrohres mit einem kleinen Innendurchmesser zeigt,

Fig. 2 eine Vorderansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zum Zeigen des Ergebnisses des Lebensdauertestes von Kraftstoff-Einspritzrohren.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Doppelrohr als ein Kraftstoff-Einspritzrohr verwendet, um ein dickes Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr mit relativ kleinem Durchmesser durch eine geringere Anzahl von Ziehprozessen zu fertigen und um feine Falten zu verhindern, die andernfalls in beträchtlichem Umfang auf der Innenoberfläche eines dicken Rohres auftreten.

Ferner wird in diesem Fall aus den nachfolgenden Gründen ein nahtgeschweißtes Rohr verwendet, das aus einer hochzugfesten Stahlplatte mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 490 N/mm² bis 800 N/mm² hergestellt ist, wie beispielsweise aus einem rostfreien Stahl oder einem Mn-Stahl (Stahl der Mn enthält) und das eine Dicke von 0,4 mm bis 1,5 mm besitzt.

Da das nahtgeschweißte Rohr die Verwendung einer kaltgewalzten Stahlplatte als Ausgangsmaterial erlaubt, die keine Falten aufweist und deren Oberflächenzustand gut ist, kann ein Rohr mit einer glatten Innen-Oberfläche hergestellt werden, wobei die Verursachung von Falten (große Bearbeitbarkeit) bei der Herstellung eines nahtlosen Rohres aus einem Blockmetall vermieden wird. Da ferner das nahtgeschweißte Rohr eine Verminderung der Dicke des Innenrohres auf 0,4 bis 1,5 mm gestattet, ist ein Unterschied in der Bearbeitbarkeit innerhalb und außerhalb der Dicke bei dem Recken des Rohres gering, wodurch es möglich ist, Falten auf weniger als 25 µm in der Tiefe zu unterdrücken. Durch die durch den Erfinder und andere ausgeführten Untersuchungen ist klargestellt worden, daß ein nahtgeschweißtes Rohr mit einem Außendurchmesser von 6,4 mm und einem Innendurchmesser von 1,8 mm eine hohe Ermüdungsfestigkeit auch dann besitzt, wenn ein hoher Innendruck von ungefähr 1700 bar innerhalb des Rohres angelegt wird und wenn eine Tiefe der Innenflächenfalten geringer als 25 µm ist.

Wenn dementsprechend ein nahtgeschweißtes Rohr für das Innenrohr verwendet wird, das unter Verwendung des hochzugfesten Stahles mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 490 N/mm² bis 800 N/mm² hergestellt wird, wobei der Stahl beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Mn-Stahl besteht, so kann dieses Rohr die maximale Beanspruchung auf der Innenoberfläche des Rohres auch dann aushalten, wenn ein großer Rohr-Innendruck von ungefähr 1800 bar angelegt wird, wobei nahezu die Gefahr des Berstens des Rohres eliminiert wird. In diesem Fall ist es selbstverständlich, daß die Tiefe der Falten an dem Schweißteil und dem Teil, der durch die Hitze beeinflußt wird, wo die Möglichkeit der Verursachung von Falten bei dem nahtgeschweißten Rohr am ehesten besteht, geringer als 25 µm gehalten wird. Es sei vermerkt, daß, wenn die Dicke des Innenrohres geringer als 0,4 mm ist, ein Einfluß des Außenrohres auf die Innen-Oberfläche des Rohres übertragen wird und wobei eine Korrektur-Markierung auf der Innen-Oberfläche gebildet wird, wenn das Rohr bei seiner Ausrichtung in der Geraden korrigiert wird. Wenn die Dicke auf der anderen Seite 1,5 mm überschreitet, so wirkt das Innenrohr ähnlich einem Dorn und es wird eine Lücke zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr gebildet.

Da das Außenrohr nicht eine so hohe Ermüdungsfestigkeit gegen den Innendruck wie das Innenrohr besitzen muß, ist es unterdessen möglich, ein nahtloses Rohr zu verwenden, das aus weichem Stahl hergestellt ist. Die Verwendung des hochzugfesten Stahlrohres aus rostfreiem Stahl und Mn-Stahl entsprechend der geforderten Ermüdungsfestigkeit gegen den Innendruck, wie das nahtlose Rohr, ermöglicht jedoch die Erzielung einer langen Lebensdauer.

Die vorliegende Erfindung sei unten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene vergrößerte Schnittansicht zum Zeigen eines Beispieles des erfindungsgemäßen dicken Doppel-Metallrohres mit einem kleinen Innendurchmesser und Fig. 2 ist eine Vorder-Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1. In den Figuren beziffert das Bezugszeichen 1 das äußere Rohr, das Bezugszeichen 2 das innere Rohr und das Bezugszeichen 3 einen Durchgang für den Kraftstoff.

Das erfindungsgemäße Doppel-Metallrohr umfaßt das relativ dicke äußere Rohr 1, welches einen Außendurchmesser von ungefähr 15 mm oder weniger und einen kleinen Innendurchmesser besitzt und welches beispielsweise aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl hergestellt ist sowie das dünne innere Rohr 2, mit dem Durchgang 3, welches im Preßsitz innerhalb des äußeren Rohres 1 positioniert ist, und welches aus einem nahtgeschweißten Rohr aus rostfreiem Stahl besteht und eine Dicke von 0,4 mm bis 1,5 mm aufweist.

Da das innere Rohr 2, das aus dem nahtgeschweißten Stahlrohr gebildet wird und das geformt wird durch Verwendung einer kaltgewalzten Stahlplatte (hochzugfester Stahl) keine Falten und einen guten Oberflächenzustand aufweist und da kein Grund besteht, Falten bei der Rohrbildung des nahtlosen Rohres aus dem Blockmetall bzw. Gußblock zu bilden, besitzt dieses eine glatte Innen-Oberfläche. Da die Dicke des inneren Rohres nur 0,4 mm bis 1,5 mm beträgt, besteht nahezu keine Gefahr der Faltenbildung bei seiner Verlängerung (Rechnung).

Beispiele

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis des Lebensdauertestes des Kraftstoff-Einspritzrohres zeigt, welches ein Außenrohr mit einer Zusammensetzung (weicher Stahl) gemäß Tabelle 1 besitzt mit einem Außendurchmesser von 6,4 mm, einer Dicke von 1,8 mm und einem Innendurchmesser von 2,8 mm, und welches ein Innenrohr besitzt, das aus einem nahtgeschweißten Rohr hergestellt ist mit einer Zusammensetzung (hochzugfesten Stahl), die ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt ist und mit einem Außendurchmesser von 2,8 mm, einer Dicke 0,5 mm und einem Innendurchmesser von 1,8 mm, wobei die Falten auf der Innen-Oberfläche 25 µm oder weniger in der Tiefe sind. Dieses Lebensdauer-Testergebnis wurde erhalten durch Verbindung der Test-Kraftstoff-Einspritzrohre an Versuchs-Kraftstoff-Einspritzpumpen, indem ein Düsenhalter mit der Kante des Kraftstoff-Einspritzrohres verbunden wurde und in dem mit jedem Kraftstoff-Einspritzrohr unter Verwendung eines leichten Öles als Kraftstoff ein Einspritztest mit 10 Millionen Einspritzungen durchgeführt wurde.

Tabelle 1

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 zeigt ebenfalls ein Ergebnis des Lebensdauertestes eines anderen Kraftstoff-Einspritzrohres, umfassend ein Außenrohr, das aus dem gleichen Material wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt ist mit einem Außendurchmesser von 6,4 mm, einer Dicke von 1,9 mm und einem Innendurchmesser von 2,6 mm, und das ein Innenrohr aufweist, das aus einem nahtgeschweißten Rohr aus SUS 304 gebildet ist mit einem Außendurchmesser von 2,6 mm, einer Dicke von 04, mm und einem Innendurchmesser von 1,8 mm und mit Falten auf der Innenfläche mit einer Tiefe von 25 µm oder weniger. Das Testverfahren war das gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt ebenfalls zu Vergleichszwecken Ergebnisse des gleichen durchgeführten Lebensdauertests mit einem Kraftstoff-Einspritzrohr, das einmal ein Außenrohr aus STS 35, das den gleichen Außendurchmesser und gleiche Dicke wie beim ersten Ausführungsbeispiel aufweist und bei dem zum andern ein Innenrohr verwendet wird, das aus einem nahtlosen Rohr (Zugfestigkeit: 800 N/mm²) aus SUS 304 gebildet ist und das Falten von 35 µm oder weniger in der Tiefe auf der Innenfläche besitzt und dabei den gleichen Außendurchmesser, die gleiche Dicke und den gleichen Innendurchmesser wie beim ersten Ausführungsbeispiel aufweist. Die Fig. 3 zeigt ferner die Ergebnisse für ein Kraftstoff-Einspritzrohr, das aus einem einzigen Rohr gebildet wird, das aus einem hochzugfesten Stahl hergestellt ist und den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Dicke wie zuvor beschrieben besitzt (Dehnungsfestigkeit: 490 N/mm²).

Aus dem in Fig. 3 gezeigten Ergebnis liegt es auf der Hand, daß im Falle des Kraftstoff-Einspritzrohres, das aus einem Einzelrohr aus hochzugfesten Stahl gebildet wird und das Falten von 25 µm oder weniger in der Tiefe auf der Innenfläche aufweist, dieses bei einem Spitzendruck im Bereich von 1600 bis 1700 bar auf der Düsenseite nicht berstet und daß bei einem solchen das Falten auf der Innenfläche aufweist, die 40 µm in der Tiefe überschreiten, eine Ermüdungszerstörung auftritt und wobei es aufgrund der Spannungs­ konzentration, die an dem Teil mit Falten bei dem zuvor erwähnten Spitzendruck auf der Düsenseite auftreten, berstet. Im Fall des Doppel-Einspritzrohres, das gleich oder besser als das zuvor beschriebene Einfach-Kraftstoff-Einspritzrohr ist, da es einen Innendruck von 1800 bar maximal aushalten kann, wenn die Falten auf der Innenfläche 25 µm oder weniger in der Tiefe besitzen, wurde ein Zerstörung durch Ermüdung und ein Bersten bei ungefähr 1700 bar ausgelöst, wenn die Falten auf der Innenfläche 30 µm oder mehr in der Tiefe aufweisen.

Im Gegensatz hierzu verursachen die Kraftstoff-Einspritzrohre des ersten und zweiten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, die das nahtgeschweißte Rohr für das Innenrohr verwenden, keine Ermüdungszerstörung, und es bestand keine Berst- zw. Bruchgefahr auch dann, wenn der Innendruck von ungefähr 1700 bar innerhalb des Rohres wiederholt zehnmillionenmal angelegt wurde.

Wie zuvor beschrieben, hat das Kraftstoff-Einspritzrohr für einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung die vorteilhafte Wirkung, daß die Spannungskonzentration die durch die Falten auf der Innenfläche hervorgerufen werden, vermindert wird und daß ein herkömmlich ausgelegtes dünnes Rohr verwendet werden kann, ohne daß eine Ermüdungszerstörung auftritt, indem ein Innenrohr verwendet wird, welches durch Verwendung der hochzugfesten Stahlplatte mit einer Zugfestigkeit in der Klasse von 490 N/mm² bis 800 N/mm² hergestellt wird und indem die Falten auf der Innenfläche bei 25 µm oder weniger in der Tiefe gehalten werden.

Während bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert worden sind, ergeben sich für den Fachmann Veränderungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepte, die durch die folgenden Ansprüche umrissen sind.

Claims (8)

1. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr für einen Dieselmotor mit einer dicken Doppel-Rohrstruktur, bestehend aus einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (1) mit einem kleinen Innendurchmesser im Innenrohr, die so ausgebildet sind, daß das Innenrohr (2) ein nahtgeschweißtes Rohr aus einer hochzugfesten Stahlplatte mit einer Dicke von 0,4 mm bis 1,5 mm ist und daß das Außenrohr (1) ein dickes Stahlrohr ist.

2. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1, wobei das Innenrohr (2) aus rostfreiem Stahl oder Mn-Stahl hergestellt ist.

3. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Innenrohr (2) eine Zugfestigkeit in der Klasse von 490 N/mm² bis 800 N/mm² besitzt.

4. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1, bei dem das Außenrohr (1) aus dem gleichen Material wie das Innenrohr (2) oder aus Kohlenstoffstahl besteht.

5. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1 mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 6,0 mm bis 15 mm und einer Dicke im Bereich von ungefähr 2,2 mm bis 5,5 mm.

6. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1, bei dem das nahtgeschweißte Rohr aus einer kaltgewalzten Stahlplatte zu einem Rohr geformt wird.

7. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1, bei dem das Außenrohr (1) aus einem nahtlosen Stahlrohr gebildet ist.

8. Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzrohr gemäß Anspruch 1, bei dem die Doppel-Rohrstruktur durch Schrumpfpressen des Innenrohres (2) und des Außenrohres (1) durch Rohrrecken gebildet ist.