DE3133944C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Einspritzdüsen haben 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. Meistens werden die Düsen
mindestens in dem die Spritzbohrungen enthaltenden Teil aus
harten Spezialstählen hergestellt.
Die metallischen Werkstoffe hierfür sind jedoch aufgrund
ihrer kristallinen Struktur empfindlich gegen erosive
Einwirkungen, hervorgerufen durch die sehr hohen Geschwindigkeiten
des Brennstoff-Stromes. Die Erosionsgefahr erhöht
sich darüber hinaus aufgrund der bei kristallinen Strukturen
vorhandenen Korngrenzen mit steigendem Anteil an unverbrennbaren
Aschenbestandteilen im Brennstoff oder der Anwesenheit
anderer, fester Partikel, wie z. B. feinster Kohlepartikel,
die dem Brennstoff für Dieselmotoren beigemischt sind. Solche
Mischungen werden als Öl-Kohle-Slurry bezeichnet.
Um derartige erosive Einwirkungen zu vermeiden, ist aus der
GB-PS 5 51 912 eine Brennstoffeinspritzdüse für eine Diesel-Brennkraftmaschine
der eingangs beschriebenen Art bekannt,
bei der ein aus Korund bestehendes Düsenelement in eine
ebene Trägerplatte eingesetzt ist, wobei gemäß einer Angabe
in dem Buch "Brockhaus der Naturwissenschaften und der
Technik" 1958, Seite 306, unter dem Stichwort "Korund"
zu entnehmen ist, daß die klaren Korunde wertvolle
Edelsteine wie z. B. Saphir sind. Das bekannte Düsenelement
hat eine kegelige Außenfläche, die zum Brennraum hin konvergiert.
Die der Ventilnadel zugewendete Stirnfläche des
Düsenelementes ist gegenüber der benachbarten Stirnfläche
der Trägerplatte vertieft angeordnet, so daß die beim
Schließen der Ventilnadel auf die Trägerplatte aufsetzende
Dichtfläche der Nadel das Düsenelement nicht berührt. Die
axiale Länge des Düsenelementes ist kürzer als die Dicke der
Trägerplatte, die anschließend an das Austrittsende des
Düsenelementes eine zum Brennen hin sich trichterartig
erweiternde Öffnung aufweist.
Verwendet wird in der Einspritzdüse nach der GB-PS 5 51 912
das aus Korund bestehende Düsenelement ausdrücklich wegen
seiner Härte und thermischen wie chemischen Stabilität.
Auch behält, wie aus der GB-PS weiter zu entnehmen ist,
die polierte Oberfläche ihre Glätte über lange Zeit bei,
so daß Ablagerungen vermieden werden, die sonst das Spritzverhalten
der Düse verschlechtern würden. Obwohl somit mit
dem bekannten Düsenelement aus Korund bereits eine merkliche
Verbesserung der Lebensdauer gegenüber solchen aus
metallischen Werkstoffen beobachtet worden ist, hat sich
jedoch gezeigt, daß auch die bekannten Düsenelemente aus
Korund noch nicht ganz die an sie gestellten Anforderungen
bzgl. einer wünschenswerten Lebensdauer erfüllen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer
von aus einem mineralischen Einkristallkörper mit der
angegebenen Härte bestehenden Düsenelementen weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
optische Achse jedes ein Düsenelement bildenden Einkristallkörpers
mit der Achse der Spritzbohrung im Düsenelement
zusammenfällt und daß der Temperaturausdehnungskoeffizient
des Werkstoffs der Düsenelemente angenähert dem
Temperaturausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Trägers
entspricht.
Es hat sich gezeigt, daß beim Zusammenfallen der genannten
Achsen die Bearbeitung des Einkristallkörpers beim Herstellen
der Spritzbohrung vereinfacht wird, so daß der Zeitaufwand
für die Bearbeitung und damit die Herstellungskosten sich
verringern. Außerdem ist festgestellt worden, daß - wenn
die genannten Achsen nicht zusammenfallen, die Spritzbohrung
also schräg verläuft - die Bohrung im Laufe der Zeit durch den
Verschleiß unrund wird, was sich auf das Spritzverhalten des Düsenelements
und somit auch auf den Ablauf des Verbrennungsvorganges
im Brennraum ungünstig auswirkt und ein baldiges
Auswechseln des Düsenelementes zur Folge haben kann.
Schließlich werden durch das Angleichen der Temperaturausdehnungskoeffizienten
von Träger und Düsenelementen die Beanspruchungen
der Düsenelemente infolge Temperaturänderungen
herabgesetzt, was ebenfalls zur Erhöhung der Lebensdauer der
Düsenelemente beiträgt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einspritzdüse
lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.
Dabei wird im Zusammenhang mit den Ansprüchen 3 und 4 noch auf
die aus der GB-PS 5 51 912 bzw. der US-PS 20 44 697 entnehmbare
Verwendung von Korund bzw. Saphir als Material für die
Herstellung von Düsenelementen und bzgl. der bekannten
Identifikation von Korund und Saphir als Mineral noch auf die
Seite 306 in dem Buch "Brockhaus der Naturwissenschaften und
der Technik" 1958 (Stichwort Korund) verwiesen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse
für einen Dieselmotor und
Fig. 2 eine Ansicht der Düse in Richtung des in Fig. 1
an der Düsenspitze eingezeichneten Pfeiles.
Der Düsenkörper 11 der Einspritzdüse ist mit einer zentralen
Bohrung 12 versehen, in der eine 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 Spritzbohrungen
24 des als Ganzes mit 17 bezeichneten Düsenkopfes in den
Brennraum austritt.
Der Ventilsitz 14 ist in einem Teil 18 ausgebildet, der verschiebbar
im Düsenkörper 11 eingesetzt ist. Die Dichtheit wird
von O-Ringen 19 gewährleistet. Düsenelement 20 a und 20 b, die
die Spritzbohrungen 24 aufnehmen, sind in zwei Reihen in einen
metallischen Träger 21 eingesetzt. Der Träger 21 ist hohlkegelartig
ausgebildet und sitzt seinerseits in einer entsprechend
geformten hohlkegeligen Ausnehmung 22 im Düsenkörper 11. Im
Betrieb wird der Träger 21 aufgrund der Differenz der hydraulischen
Druckkräfte nach unten gepreßt, was ein einwandfreies
Abdichten gewährleistet und gleichzeitig ein Nachlaufen infolge
der ungleichen Wärmedehnungen des Trägers 21 gegenüber dem
Düsenkörper 11 ermöglicht. Die eigentlichen Düsenelemente
20 a und 20 b bestehen aus Saphir in Form je eines korngrenzenlosen
Einkristalls, dessen optische Achse mit der Achse der
Spritzbohrung 24 im Düsenelement zusammenfällt. Sie sind
kegelstumpfförmig mit nach außen divergierendem Öffnungwinkel
ausgebildet und in entsprechend konisch ausgeriebenen
Bohrungen des Trägers 21 eingesetzt. Bei der Herstellung
werden die Düsenelemente 20 a und 20 b von außen in den
Träger 21 eingepreßt, wobei zunächst ein kleiner Überstand
nach außen verbleibt. Nach dem Einpreßvorgang werden die
äußeren Stirnflächen der Düsenelemente und die Trägeraußenwand
dann 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 fernzuhalten.
Der Träger 21 besteht aus einer Tantal-Wolfram-Legierung mit
folgender Zusammensetzung:
Ta89-91%
W 9-11%
Spuren von einem oder mehreren der Elemente N, O, H, C, Fe, Mo, Ni, Nb.
Dieser Werkstoff besitzt einen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten
(l/°C) von 5,7 · 10-6; dieser Koeffizient entspricht
praktisch demjenigen von Saphir, aus dem die Düsenelemente
bestehen; letzterer beträgt 5 · 10-6 im Temperaturbereich von
0-100°C und 7,0 · 10-6 im Bereich von 100-400°C. Mit
dieser Wahl des Werkstoffes für die Herstellung des Trägers 21
kann praktisch eine unterschiedliche Wärmedehnung von Düsenelementen
20 a und 20 b und Träger 21 ausgeschaltet werden,
so daß ein fester Sitz der Düsenelemente gesichert und eine
zusätzliche Beanspruchung der Düsenelemente durch Temperaturänderungen
vermieden ist.
Es wäre aber auch möglich, als Trägerwerkstoff eine Hartmetall-Legierung
mit folgender Zusammensetzung zu verwenden:
Wolframkarbid32-93%
Titankarbid und/oder
Tantalkarbid 0-59% Kobalt 4-15% Chrom und/oder Niob 0-2%
Tantalkarbid 0-59% Kobalt 4-15% Chrom und/oder Niob 0-2%
Diese Hartmetall-Legierung besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten
von 4,5 · 10-6 bis 7,0 · 10-6; durch geeignete Abstimmung
der Legierungskomponenten läßt sich ohne weiteres eien Übereinstimmung
mit dem maßgeblichen Koeffizienten von Saphir
erzielen.
Im Düsenkörper 11 ist koaxial zu den Spritzbohrungen 24 der
Düsenelemente je eine Durchtrittsöffnung 25 ausgespart, die
die Form eines sich zum Brennraum hin erweiternden Trichters
aufweist. Die kurzen zylindrischen Bohrungen 26 am Trichteranfang
besitzen etwa den doppelten Durchmesser wie die Spritzbohrungen
24 selbst, sind aber kleiner als der Außendurchmesser
der Düsenelemente 20 a und 20 b, gemessen an der Außenfläche
des Trägers 21. Damit sind die Düsenelemente 20 a und 20 b gegen
Herauspressen durch den Druck im Raum 16 gesichert. Die eigentliche
Trichterpartie öffnet sich anschließend um einen
Winkel von etwa 60° nach außen. Damit wird sichergestellt,
daß die Durchtrittsöffnungen 25 über ihre ganze axiale Länge
eine solche lichte Weite aufweisen, daß im Betrieb der Einspritzdüse
keine Berührung der Brennstoff-Strahlen mit der Wand
der Durchstrittsöffnungen stattfindet. Vielmehr gelangen die
einzelnen Brennstofftröpfchen unmittelbar nach ihrem Austritt
aus den Düsenelementen 20 a und 20 b ausschließlich mit der
Luft im Brennraum des Motors in Berührung.
Zur genauen Ausrichtung der Düsenelemente 20 a und 20 b auf die
Durchtrittsöffnungen 25 im Düsenkörper dient ein Schlitz 27
am Boden des Trägers 21, dessen Lage mit Hilfe von zwei Stiften
28 im Düsenkörper 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. Es sind auch andere
mineralische Einkristallkörper als Werkstoff für die Düsenelemente
möglich, z. B. Diamant, der eine Härte von 8000 HV
(kp/mm²) aufweist. Für dieses Kristallmaterial empfiehlt sich
die unter der Bezeichnung "Invar Stahl" bekannte Legierung
folgender Zusammensetzung als Werkstoff für den Träger 21:
Ni35%
Mn 0,5-1,0%
Si 0,5% max.
Cu 0,5% max.
FeRest
Der Ausdehnungskoeffizient dieser Legierung 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.
Claims (8)
1. Brennstoffeinspritzdüse für Diesel-Brennkraftmaschinen, mit
einem Düsenkörper und wenigstens einem in einem metallischen,
am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers angeordneten
Träger eingesetzten, eine Spritzbohrung aufweisenden Düsenelement,
das aus einem mineralischen Einkristallkörper mit
einer Härte besteht, die einer Vickershärte von mindestens
2000 HV (kp/mm²) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß
die optische Achse jedes ein Düsenelement (20 a, 20 b) bildenden
Einkristallkörpers mit der Achse der Spritzbohrung (24)
im Düsenelement zusammenfällt und daß der Temperaturausdehnungskoeffizient
des Werkstoffs der Düsenelemente (20 a, 20 b)
angenähert dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs
des Trägers (21) entspricht.
2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (21) hohlkegelartig ausgebildet und in
eine entsprechend hohlkegelig geformte Ausnehmung (22) am
Ende des Düsenkörpers (11) eingesetzt ist und daß der
Düsenkörper (11) mit jeweils einer zu jeder Spritzbohrung
(24) koaxial angeordneten Durchtrittsöffnung (25) versehen
ist, deren lichte Weite über ihre ganze axiale Erstreckung
mindestens so groß gewählt ist, daß im Betrieb der Einspritzdüse
keine Berührung des Brennstoffstrahles mit der
Wand der Durchtrittsöffnung (25) stattfindet.
3. Brennstoffeinspritzdüse nach den Ansprüchen 1 oder 2, mit
einem aus Saphir bestehenden Einkristallkörper für jedes
Düsenelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21)
im wesentlichen aus einer Tantal-Wolfram-Legierung besteht,
die 89-91% Ta, 9-11% W und Spuren von einem oder
mehreren der Elemente N, O, H, C, Fe, Mo, Ni und Nb aufweist.
4. Brennstoffeinspritzdüse nach den Ansprüchen 1 oder 2, mit
einem aus Saphir bestehenden Einkristallkörper für jedes
Düsenelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21)
aus einer Hartmetall-Legierung folgender Zusammensetzung
besteht:
Wolframkarbid32-93%
Titankarbid und/oder
Tantalkarbid 0-59% Kobalt 4-15% Cr und/oder Nb 0-2%
Tantalkarbid 0-59% Kobalt 4-15% Cr und/oder Nb 0-2%
5. Brennstoffeinspritzdüse nach den Ansprüchen 1 oder 2, mit
einem aus Diamant bestehenden Einkristallkörper für jedes
Düsenelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21)
aus einer Nickel-Eisen-Legierung folgender Zusammensetzung
besteht:
Ni35%
Mn 0,5-1%
Si max. 0,5%
Cu max. 0,5%
FeRest
6. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Düsenelement (20 a, 20 b) auf der Innenseite
des Trägers (21) um ein dem Durchmesser der Spritzbohrung
(24) in jedem Düsenelement (20 a, 20 b) vergleichbares
Maß über die Trägerinnenfläche vorsteht und die äußere mit
der Außenfläche des Trägers (21) bündig geschliffene Stirnfläche
jedes Düsenelements an der hohlkegelig geformten Ausnehmung
(22) im Düsenkörper (11) anliegt.
7. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Düsenelement (20 a, 20 b) kegelstumpfförmig
mit nach außen divergierendem Öffnungswinkel ausgebildet
und in eine entsprechend geformte Ausnehmung des
Trägers (21) eingesetzt ist und daß die äußere mit der
Außenfläche des Trägers (21) bündig geschliffene Stirnfläche
jedes Düsenelements an der hohlkegelig geformten
Ausnehmung (22) im Düsenkörper (11) anliegt.
8. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jede koaxial zur Spritzbohrung (24) eines
Düsenelements (20 a, 20 b) angeordnete Durchtrittsöffnung (25)
im Düsenkörper (11) als sich zum Brennraum der Brennkraftmaschine
hin erweiternder Trichter ausgebildet ist.
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