DE3133944C2

DE3133944C2 -

Info

Publication number: DE3133944C2
Application number: DE3133944A
Authority: DE
Inventors: Anton Illnau Ch Steiger; Hans Sulz Ch Beutler
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1987-06-25
Also published as: DK154168B; JPS5844265A; DE3133944A1; IT8222914A0; DK267782A; IT1151949B; JPH0159433B2; DK154168C

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%

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

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%

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.