DE3133944A1 - "brennstoff-einspritzduese, insbesondere fuer dieselmotoren" - Google Patents
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Description
-
- Brennstoff-Einspritzdüse, insbesondere für Dieselmotoren
- Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Einspritzdüse, insbesondere für Dieselmotoren. Einspritzdüsen besitzen die Aufgabe, den Brennstoff in Form von feinen Strahlen in einem Brennraum zu verteilen, bei Dieselmotoren in die hochkomprimierte Brennluft über dem im Bereich des oberen Totpunktes befindlichen Kolben. Die Düsen sind hohen Temperaturen ausgesetzt. Sie sind bisher mindestens in dem die Spritzbohrungen enthaltenden Teil aus harten Spezialstählen hergestellt worden.
- Metallische Werkstoffe für Einspritzdüsen sind aufgrund ihrer kristallinen Struktur empfindlich gegen erosive Einwirkungen, hervorgerufen durch die sehr hohen Geschwindigkeiten des Brennstoff-Stromes. Die Erosionsgefahr erhöht sich darüberhinaus mit steigendem Anteil an unverbrennbaren Aschenbestandteilen im Brennstoff und der Anwesenheit anderer, fester Partikel, wie z.B. feinste Kohlepartikel, die unter Bildung eines Oel-Kohle-Slurry dem Brennstoff für Dieselmotoren beigemischt sind.
- Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die bei kristallinen Strukturen vorhandenen Korngrenzen die Erosion entscheidend fördern. Sie bezweckt die Schaffung von Einspritzdüsen mit wesentlich verbessertem Erosionsverhalten. Zu diesem Zweck ist eine Einspritzdüse nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die strahl- bildenden Düsenelemente aus einem mineralischen, korngrenzenlosen Einkristallkörper bestehen, der eine Vickers-Härte von mindestens 2000 HV (kp/mm²) besitzt.
- Die Erfindung ist nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse für einen Dieselmotor, und Fig. 2 eine Ansicht der Düse in Richtung des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeiles.
- Der Mantel 11 der Einspritzdüse ist mit einer entralen Bohrung 12 versehen, in welcher die Ventilnadel 13 geführt ist. In geschlossenem Zustand sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14. Während des Einspritzvorganges wird die Ventilnadel 13 von ihrem Sitz 14 abgehoben und Brennstoff strömt aus dem Raum 15 in den Raum 16, aus dem er über die- Spritzbohrungen des als Ganzes mit 17 bezeichneten Düsenkopfes in den Brennraum austritt.
- Der Ventilsitz 14 wird vom Teil 18 gebildet, der verschiebbar im Düsenmantel 11 eingesetzt ist. Die Dichtheit wird von O-Ringen 19 gewährleistet. Die Düsenelemente 20a und 20b sind in zwei Reihen in einen metallischen Träger 21 eingesetzt. Der Träger 21 ist nohikegelartig ausgebildet und sitzt seinerseits in einer entsprechend geformten kegeligen Ausnehmung 22 im Düsenmantel 11. Im Betrieb wird der Träger 21 aufgrund der Differenz der hydraulischen Druckkräfte nach unten gepresst, was ein einwandfreies Abdichten gewährleistet und gleichzeitig aber auch ein Nachlaufen infolge der ungleichen Wärmedehnungen des Trägers 21 gegenüber dem Düsenmantel 11 ermöglicht.
- Die eigentlichen Düsenelemente 20a und 20b bestehen aus Saphir. Sie sind kegelstumpfförmig mit nach aussen gerichtetem Oeffnungswinkel ausgebildet und in entsprechend konisch ausgeriebenen Bohrungen des Trägers 21 eingesetzt.
- Bei der Herstellung werden die Düsenelemente 20a und 20b von aussen in den Träger 21 eingepresst, wobei ein kleiner Ueberstand nach aussen in Kauf genommen wird. Nach dem Einpressvorgang werden die äusseren Stirnflächen der Düsenelemente und die Trägeraussenwand bündig geschliffen. Auf der Trägerinnenseite stehen die Düsenelemente mit einem dem Durchmesser der Spritzbohrungen 24 vergleichbaren Mass über die Trägerinnenfläche vor. Mit dieser Massnahme gelingt es, die hohen Strömungsgeschwindigkeiten, die lokal beim Einlaufen in die Düsenelemente entstehen, von der metallischen Innenwand des Trägers 21 fern zu halten.
- Der Träger 21 besteht aus einer Tantal-Wolfram-Legierung mit folgender Zusammensetzung: Ta 89 - 91 % W 9 - 11 % Spuren von einem oder mehreren der Elemente N, O, H, C, Fe, M, Ni, Nb.
- Dieser Werkstoff besitzt einen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten (1 ) von 5,7 # 10-6; dieser Koeffizient ent-°C spricht praktisch demjenigen von Saphir, aus dem die Düsenelemente bestehen, letzterer beträgt 5,10-6 im Temperaturbereich von 0 - 1000 C und 7,0 10-6 im Bereich von 100 - 4000 C. Mit dieser Wahl des Werkstoffes für die Herstellung des Trägers 21 kann praktisch eine unterschiedliche Wärmedehnung von Düsenelementen 20a und 20b und Träger 21 mindestens soweit ausgeschaltet werden, dass ein fester Sitz der Düsenelemente gesichert ist.
- Es wäre aber auch möglich7 als Trägerwerkstoff eine Hartmetall-Legierung mit folgender Zusammensetzung zu verwenden: Wolframkarbid 32 - 93 % Titankarbid und/ oder Tantalkarbid O - 59 % Kobalt 4 - 15 % Chrom und/oder Niob 0 - 2 % Diese Hartmetall-Legierung besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 . 10-6 bis 7,0 " 10-67 durch geeignete Abstimmung der Legierungskomponenten 1 3t sich ohne weiteres eine Uebereinstimmung mit dem massgeblichen Koeffizienten von Saphir erzielen.
- Im Düsenmantel 11 ist koaxial zu den Spritzbohrungen 24 der Düsenelemente je ein Spritztrichter ausgespart. Die kurzen zylindrischen Bohrungen 26 am Trichteranfang besitzen etwa den doppelten Durchmesser wie die Spritzbohrungen 24 selbst, sind aber kleiner als der Aussendurchmesser der Elemente 20a und 20b, gemessen an der Aussenfläche des Trägers 21. Damit sind die Düsenelemente 20a und 20b gegen Herauspressen durch den Druck im Raum 16 gesichert. Die eigentliche Trichterpartie öffnet sich anschliessend um einen Winkel von etwa 600 nach aussen. Damit wird sichergestellt, dass die Spritztrichter über ihre ganze axiale Länge eine solche lichte Weite aufweisen, dxss im Betrieb der Einspritzdüse keine Berührung der Brennstoff-Strahlen mit der Trichterwand stattfindet. Vielmehr gelangen die einzelnen Brennstofftröpfchen unmittelbar nach ihrem Austritt aus den Düsenelementen 20a und 20b ausschliesslich mit der Luft im Brennraum des Motors in Berührung.
- Zur genauen Ausrichtung der Düsenelemente 20a und 20b auf die Spritztrichter im Düsenmantel dient ein Schlitz 27 am Boden des Trägers 21, dessen Laoe mit Hilfe von zwei Stiften 28 im Düsenmantel 11 fixiert ist.
- Die Erfindung ist nicht auf das geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt. So sind andere Befestigungsarten der Düsenelemente im Träger 21 möglich, z.B. mit Hilfe von abgesetzten zylindrischen Partien, die ein Herausfallen der Düsenelemente in das Innere des Trägers 21 verhindern, oder aber Befestigungsverfahren, wie Löten, Kleben etc.
- Eine besonders erosionsfeste Ausführung des Kristallkörpers der Düsenelemente kann dann erreicht werden, wenn die Achse der Spritzbohrungen mit der optischen Achse des Kristalls zusammenfällt. Es sind auch andere mineralische Einkristallkörper möglich als Werkstoff zur Herstellung der Düsenelemente, z.B. Diamant, der eine Härte von 8000 VK (kp/mm2) aufweist. Für dieses Kristallmaterial empfiehlt sich die unter dem Warenzeichen "Invar" bekanntgewordene Legierung folgender Zusammensetzung: Ni 35 % Mn 0,5 - 1,0 % Si 0,5 8 max Cu 0,5 % max.
- Der Ausdehnungskoeffizient beträgt je nach Temperaturbereich zwischen 1,5 ' 10-6 und 2,6 10'6; der Ausdehnungskoeffizient von Diamant beträgt etwa 1,1 10-6. In allen Fällen hat der mineralische Einkristallkörper aber eine Vickers-Härte von mindestens 2000 HV (kp/mm2) aufzuweisen. Leerseite
Claims (14)
- Patentansprüche Brennstoff-Einspritzdüse, insbesondere für Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlbildenden Düsenelemente (20a, 20b) aus einem mineralischen, korngrenzenlosen Einkristallkörper bestehen, der eine Vickers-Härte Härte von mindestens 2000 HV (kp/mm ) besitzt.
- 2. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelemente (20a, 20b) aus Diamant bestehen.
- 3. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelemente (20a, 20b) aus Saphir bestehen.
- 4. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; dass die Düsenelemente (20a, 20b) in einen metallischen Träger (21) eingesetzt sind, dessen Werkstoff wenigstens angenähert einen gleich grossen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten wie der Werkstoff für die Düsenelemente aufweist.
- 5. Brennstoff-Einspritzdüse nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) im wesentlichen aus einer Tantal-Wolfram-Legier'ang mit 89 - 91 % Ta, 9 - 11 % W und Spuren von einem oder mehreren der Elemente N, 0, H, C, Fe, Ma, Ni und Nb aufweist.
- 6. Brennstoff-Einspritzdüse nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) aus einer Nickel-Eisen-Legierung folgender Zusammensetzung besteht: Ni 35 % Mn 0,5 - 1 % Si max. 0,5 % Cu max. 0,5 % Fe Rest
- 7. Brennstoff-Einspritzdüse nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) aus einer Hartmetall-Legierung folgender Zusammensetzung besteht: Wolframkarbid 32 - 93 % Titankarbid und/ oder Tantalkarbid O - 59 % Kobalt 4 - 15 % Cr und/oder Nb O - 2 %
- 8.Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) hohlkegelartig ausgebildet ist und in eine entsprechend geformte kegelige Ausnehmung (22) im Düsenmantel (11) eingesetzt ist.
- 9. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelemente (20a, 20b) auf der Innenseite des Trägers (21) um ein dem Durchmesser der Bohrung (24) der Düsenelemente (20a, 20b) vergleichbares Mass über die Trägerinnenfläche vorstehen.
- 10. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelemente (20a, 20b) kegelstumpfförmig mit nach aussen gerichtetem Oeffnungswinkel ausgebildet und in entsprechend geformte Ausnehmungen des Trägers (21) eingesetzt sind.
- 11. Brennstoff-Einspritzdüsen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Stirnfläche der Düsenelemente (20a, 20b) und die Trägeraussenwand bündig geschliffen sind.
- 12. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmantel (11) koaxial zur Spritzbohrung (24) der Düsenelemente (20a, 20b) angeordnete Spritztrichter (25) aufweist, deren lichte Weite über ihre ganze axiale Erstreckung mindestens so gross gewählt ist, dass im Betrieb der Einspritzdüse keine Berührung des Brennstoffstrahles mit der Spritztrichterwand stattfindet.
- 13. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelemente (20a, 20b) in zwei Reihen in den Träger (21) eingesetzt sind.
- 14. Brennstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der zur Herstellung der Düsenelemente (20a, 20b) verwendeten Einkristalle mit der Achse der Spritzbohrung (24) der Düsenelemente (20a, 20b) zusammenfällt.
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