DE9001286U1 - Dickwandiges kleines Verbundmetallrohr - Google Patents
Dickwandiges kleines VerbundmetallrohrInfo
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Description
Die Erfindimg betrifft ein dickwandiges kleines V^rbundnsetallrohr
für die Kraftstoffeinspritzung. Sie betrifft insbesondere ein Hochdruckrohr "ür die Einspritzung bei der KraftstoffVersorgung eines Dieselmotors, insbesondere
ein dickwandiges kleines Metallrohr für die Kraftstoff einspritzung, &ggr;&lgr;&zgr; einen Außend'-rchaieüiser von höchstens
j mm besitzt wobei die äußeren und inneren Rohrteile metallurgisch
miteinander preßverburv icn sind - und gegenüber
Kavitation, Korrosion und DncV äußerst beständig ist.
Wenn die Kraftstoffeinspritzung unter hohem Druck erfolgt, wie z.B. bei Dieselmotoren, fließt der Kraftstoff im Einspritzrohr
unter Bedingungn, wie einer Injektionszeit von ca. 5 ms (Millisekunden), einer Kraftstofffließ-geschwindigkeit
von maximal ca. 15 m/s (Meter/Sekunden) und einem Innendruck
zwischen 200 - 600 kg/cm (Spitzendruck), wobei Flußgeschwindigkeit
oder Innendruck oft stark variieren.
Derartige Verbundmetallrohre für Kraftstoffe unter hohem Druck wurden bislang nach einem Verfahren hergestellt, das
das Druckeinpassen eines hochdruckbeständigen Kohlenstoffstahlrohrs großer Dicke mit einem solchen geringen Durchmessers
(JIS 6 3455 STS 38) mit jeweils einer vorläufigen plattierten Kupferschicht auf den Umfangen der aufeinanderpassenden
Oberflächen umfaßte. Dann wurden die Rohre wärmebehandelt, wobei die plattierten Kupferfilme als Füllmittel auf
den Umfangsberelchen der aufeinanderpassenden Oberflächen
diente; oder auch durch ein einfaches Verfahren, bei dem ein oder zwei Rohre unterschiedlichen Durchmessers ineinandergesteckt
und durch Ziehen im festen Zustand od. dgl. miteinander preßverbunden wurden.
-A-
Die bisherigen Verfahren waren jedoch sehr aufwendig, weil die Kupferplattierung auf die gesamte Innen- und Außenoberfäche
der Röhren herum aufgebracht werden mußte. Wenn aber das Hart.löten nicht ordnungscs»^ erfolgt, zeigen die miteinander
preßverbundenen aufeinanderliegenden Oberflächen ein
Relaxationsphänomen und es entsteht ein Spalt. In diesem Bereich können dann aufgrund der Materialermüdung Risse und
Brüche auftreten. Aber auch bei ordnungsgemäßam hartlöten
kann nur eine begrenzte Vibrationsfestigkeit erzielt werden,
da das Grundmetall heim Hartlöten durch die Wärme weich wird. Die bisherigen Einspritzrohre aus Verbundmaterial sind daher
unzureichend.
Bei konventionell hergestellten Anordnungen wurden die aufeinanderliegenden
Oberflächen auch einfach nur miteinander preßverbunden. Die aufeinanderliegende Zwischenschicht zeigt
daher ein Relaxationsphänomen, das zur Reduktion der mechanischen Widerstandskraft führt und die Verwendung des Verbundmetallrohrs
als Kraftstoffeinspritzleitung beeinträchtigt.
Gemeinsam mit den Vibrationen des Motors führt dies häufig zur Entstehung von Rissen und Brüchen.
Seit einigen Jahren wird versucht, die Motorleistung zu erhöhen und dabei die NO- und Rußbildung zu reduzieren. Dabei
nimmt der Trend zu, den Kraftstoff unter hohem Druck zu injizieren. Es besteht daher ein Bedarf nach einer Kraftstoffhochdruckeinepritzleitung,
unter den Bedingungen einer Einspritzzeit von 1 bis 2 ms, eine^* Flußgeschwindigkeit von
höchstens 50 m/s und einem Innendruck von 600 bis l.GDO
2
kg/cm (Spitzendruck) geeignet ist.
kg/cm (Spitzendruck) geeignet ist.
Aufgrund dieser extremen Bedingungen muß eine Kraftstoffhochciruckeinspritzleitung
daher folgende Eigenschaften besitzen: 1) Ermüdungsfestkeit gegenüber sich wiederholenden hohen
Dri'ckbel astungen;
2) Beständigkeit gegenüber kavitationsbedinyter Korrosion;
und
3) Beständigkeit gegenüber Vibrationen von der Kfz-Karosserie.
Es ist daher sehr wichtig, Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Riß- und Bruchbildung in der Einspritzleitung zu treffen.
Es wurde daher, um den extremen Bedingungen zu begegnen, vorgeschlagen,
für das Innenrohrteil der Einspritzhochdruckleitung ein dickwandiges Rohr mit kleinem Durchmesser und einer
Wandstärke von 25 bis 40% des Außendurchmessers zu verwenden. Dadurch sollte vermieden werden, dai3 auf der Innenwand des
Rohrinnenteils irreguläre, wellenförmige, einen turbulenten
Kraftstofffluß und Strömungswiderstand verursachende Ausbauchungen
auftreten, und auch, daß ein Spalt zwischen den dickwandigen Innen- und Außenrohrteilen auftritt, der einen Bruch
des Innenrohrteils und/oder Kraftstoffaustritt verursachen kann, vermieden wird. Ein Turbulenzen erzeugender Strömungswiderstand
verursacht ferner Kavitation, was zu kavitationsbedingter Korrosion der Innenrohrwand und zu Bruch führt.
Nichtsdestoweniger ist bislang keine zuverlässige Kraftstoffeinspritzleitung
für Dieselmotoren, die für die extremen Bedingungen geeignet wäre, entwickelt worden..
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine dickwandige kleine Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr, insbesondere für Dieselmotoren,
zur Verfügung zu stellen, die sogar unter extremen Bedingungen hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Kavitationsfestigkeit
und Druckfestigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzrohr mit
a) einem äußeren KohlenstoffStahlrohr;
a) einem äußeren KohlenstoffStahlrohr;
ta) einem inneren Rohr aus rostfreiem Stahl, das mit dem im Durchmesser größeren Kohlenstoffstahlrohr durch Ziehen durch
Preßpassung verbunden ist, wobei die aufeinanderliegenden
preßverbundenen Oberflächen der inneren und äußeren Rohre metallurgisch miteinander verbunden sind und mindestens eine
Innenwandoberfläche des rostfreien Innenstahlrohrs eine Diffusionsschicht aus mindestens einem Metall oder einer Legierung
aus einer Kombination von zwei oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr, Mo, Co, Al und Cu, besitzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranprüchen.
Die vorgenannten und weitere erfindungsgemäßen Vorteile, Merkmale und Aufgaben sind dem Fachmann aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich, wobei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielhaft gezeigt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen kleinen, dickwandigen Kraftstoffeinspritzrohrs;
Fig. 2 einen Teilschnitt der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
und
Fig. 3 den Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 2.
Die Erfindung ist insbesondere für kleine, dickwandige Kraftstoffeinspritzrohre
aus Verbundmater.ial (nachstehend als Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr
bezeichnet) geeignet, wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr 1
aus einem Metalldoppelrohr. Dieses besteht aus einem rohrförmigen Außenteil 11 und einem rohrförmigen Innenteil 12, das
in das rohrförmige Außenteil 11 eingesetzt ist und dieses durchsetzt. Das rohrförmige Innenteil 12 besitzt auf der
Innenwandoberfläche eine Diffusionsschicht 13. Die Diffusi-
onsschicht kann sich alternativ auch auf der Außenoberfläche des rohrförmigen Innenteils 12, d.h. an der Grenzfläche zwischen
den aufeinanderliegenden Außen- und Innenrohrteilen 11,
12, befinden.
Als Außenrohrteil wird erfindungsgemäß ein Kohlenstoff
Stahlrohr (z.B. JIS G 3455 STS 38 und JIS G 3455 STS 42) mit erhöhter Druckfestigkeit verwendet. Als Innenrohrteil 12
wird aus Gründen der Beständigkeit gegenüber kavitationsbedingter Korrosion ein Rohr aus rostfreiem Stahl (z.B.
JIS G 3459 SUS 304TP, SUS 304LTP) verwendet.
Die chemischen Zusammensetzungen der vorgenannten kohlenstoffhaltigen
und rostfreien Stähle sind in Tabelle 1 gezeigt.
(Chemische Zusammensetzungen der Außen- und Innenrohre)
| Material | C | Si | 10- 35 |
Chemische Zusammensetzung | P S Ni | Cr |
| max. 0,25 |
0, 0, |
Mn | max. max. 0,035 0,035 |
|||
| STS 38 | 0,30- 1,10 |
|||||
SUS304
TP
TP
max. max. max. max. max. 8,00- 18,00-0,08 1,00 2,00 0,04 0,03 11,00 20,00
Um den Kraftstoff unter hohem Druck zuverlässig zu leiten, besitzt das Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr 1 vorzugsweise
ein doppelwandiges Metallrohr mit einem Außendurchmesser von höchsten 30 mm und einer Wanddicke von 25 bis 40% des äußeren
Durchmessers. Der Außendurchmesser und die Wanddicke können
vom Fachmann leicht bestimmt und auf den vorgegebenen Wert eingestellt werden.
Beim Herstellen des Verbund-Kraftstoffeinspritzrohrs 1 ist es
wichtig, daß zwischen den Außen- und Innenrohrteilen kein
Spalt entsteht und, daß keine wellenförmigen Ausbauchungen auf der Innenwandoberfläche 14 der Einspritzrohr entstehen.
Pas heißt, jeglicher Fließwiderstand auf der Wandoberfläche der Durchgangsrohr sollte aus Gründen der Beständigkeit gegenüber
kavitationsbedingter Korrosion auf das Äußerste vermieden werden.
Für das Herstellungsverfahren des Verbund-Kraftstoffeinspritzrohrs
aus dem Metalldoppelrohr bedeutet dies, daß eine Spaltbildung zwischen den rohrförmigen Außen- und Innenteilen
und die Bildung von irregulären Ausbuchtungen oder Wellen auf der Innenwandoberfläche 14 der Einspritzrohr verhindert werden
müssen. Dieses gilt insbesondere, wenn die rohrförmigen Außen- und Innenteile durch Ziehen, um deren Durchmesser zu
vermindern, preßverbunden werden und vor allem, wenn die preßverbundenen rohrförmigen Außen- und Innenteile nach der
Wärmebehandlung durch Formrollen geformt werden. (In der Praxis wird aber ein doppelwandiges Metallrohr bei einer zu
starken Wärmebehandlung leicht verformt).
Aufgrund dieser Kenntnisse wurde gefunden, daß es wichtig ist, die Dicke des Innenrohrteils 12 zu begrenzen, so daß
kein Spalt und keine irregulären Ausbuchtungen auf der Innenwand des Verbund-Kraftstoffeinspritzrohrs entstehen. Das erfindungsgemäße
Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr 1 besitzt deshalb ein rohrförmiges Innenteil 12 aus rostfreiem Stahl mit
einer Dicke von vorzugsweise 1,5 bis 8,5% des Außendurch-messers des gesamten Metalldoppelrohrs.
Dieser Wert ergibt sich folgendermaßen: Wenn das Innenrohrteil
mehr als 8,5% dick ist, nehmen Spaltbildungsneigung zwi-
• · 1 I · ■
sehen Außen- und Innenrohrteilen sowie plastische Deformationen
entlang der Achse des Außenrohrteils 11 drastisch zu, da nach dem Ziehen, vor der Diffusion und während des Verbundpressens
durch Wärmebehandeln geformt wird« Wenn aber das Innenrohrteil weniger als 1,5% dick ist, besteht die nicht zu
vernachlässigende Gefahr, daß beim Formen des Rohrinnenteils auf der Walzstraße irreguläre oder wellenförmige Ausbuchtungen
auf der Innenwand 14 der Durchgangspassage entstehen.
Ein erfindungswesentliches Merkmal besteht darin, daß zumindest auf der Innenwand des Innenrohrteils 12 eine Diffusionsschicht aus mindestens einem Metall oder einer Legierung aus
einer Kombination von zwei oder mehreren Metallen einer Gruppe, bestehend aus Ni, Cr, Mo, Co, Al und Cu, besitzt. Die
Diffusionsschicht kann alternativ auch auf der Außenwandoberfache des rohrförmigen Innenteils 12, d.h. auf der gemeinsamen
Grenzschicht zwischen den aufeinanderllegenden äußeren
und inneren Rohrteilen 11, 12, angeordnet sein. In diesem Fall ist das Metall oder die Legierung an der gemeinsamen
Grenzfläche zwischen den äußeren und inneren Rohrteilen 11, 12 diffundiert, so daß es die Verbindung der beiden Rohrteile
unterstützt.
Die Diffusionsschicht aus dem o.g. Metall oder Legierung wird
hergestellt, indom eine Metall- oder Legierungsschicht zuvor
auf der Innenwand 14 des Innenrohrteils 12, z.B. durch Plattieren, aufgebracht wird und dann die äußeren und inneren
Rohrteile 11, 12 miteinander preßverbunden und wärmebehandelt werden. Zur Herstellung des Innenrohrteiles kann alternativ
auch ein Reifen oder Band aus rostfreiem Stahl durch Plattieren oder Aufbringen der obigen Metalle oder der Legierung beschichtet
werden. Das resultierende Innenrohrteil wird dann wärmebehandeit, so daß eine Diffusionsschicht aus Metall oder
Legierung entsteht. Die Herstellungsverfahren für die Diffusionsschicht
sind jedoch nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
Die Beschichtung der Innenwand des Rohrinnenteils 12 - oder dessen Innen- und Außenwand - kann auch durch chemisches
Plattieren erfolgen. Die Beschichtung ist dann gewöhnlich 1
bis 20 vsa dick, soll aber keineswegs darauf beschränkt ~<*>±n.
Die äußeren und inneren Rohrteile 11, 12 werden erfindungsgemäß preßverbunden und in einem Vakuumofen oder einem Ofen mit
nicht osidierönder oder reduzierender Atmosphäre wärmebshan-
delt. Dabei werden die aufeinanderliegenden Grenzflächen der
äußeren und inneren Rohrteile 11, 12 metallurgisch und integral verbanden. Bei der Wärmebehandlung wird also die Diffusionsschicht gebildet.
Die Wärmebehandlung im Vakuumofen oder in dem Ofen mit reduzierender Atmosphäre erfolgt nach dem obigen Verbundpressen.
Sie dauert bei 700 bis 1.2000C gewöhnlich 1 bis 30 Minuten.
Dies reicht im allgemeinen aus, um die aufeinanderliegenden Grenzflächen der Außen- und Innenrohrteile metallurgisch miteinander zu verbinden.
Das erfindungsgemäße dickwandige kleine Kraftstoffeinspritzverbund führt u.a. zu folgenden Vorteilen:
(i) Es besitzt eine Innenwandoberfläche mit großer Härte, da
auf der Innenwand Rohrinnenteils eine Nickeldiffusionsschicht vorliegt, so daß deren Druckfestigkeit und Beständigkeit gegenüber kavitationsbedingter Korrosion verbessert ist.
(11) Die beiden Rohrteile sind durch Pressen und Biegen kaum
noch voneinander zu trennen, da die aufeinanderliegenden Flächen vom Außenrohrteil (aus Kohlenstoffstahl) und Innenrohrteil
(aus rostfreiem Stahl) durch Diffusion fest miteinander verbunden sind. (Wenn nämlich ein Spalt zwischen dem Außen-
und Innenrohrteil entstehen würde, würde das Innenrohrteil innerhalb kurzer Zeit wegen der abrupten Druckveränderungen
- Ii -
im Kraftstoff unter Hochdruck brechen. Ein solcher Spalt kann aber erfindungsgemäß nicht mehr auftreten.
(iii) Es besitzt eine verbesserte Druckfestigkeit und Beständigkeit
gegenüber kavitationsbedingter Korrosion, da wegen
der erfindungsgemäßen Begrenzung der Innenrohrdicke keine irregulären
Ausbuchtungen auf der Innenwand des Rohrinnentei.ls
mehr auftreten. Die wellenförmigen und irregulären Ausbuchtungen auf der Innenwand des Rohrinnenteils entstehen
nämlich gew&hnlie" beim Fc &tgr;&eegr;&bgr;&eegr;, insbesondere in der Endphase
liü-im Formen unter Formdruc , bei der Herstellung derartiger
Vexbund-Kraftstoffeinsprit..-rohre. Si.* vermindern die Beständigkeit
de* Rohre gegenüber kavxtationsbedingter Korrosion.
Es werden zum Eaispiele der Erfindung beschrieben. Die Erfindung
ist jedoch reicht auf diese einzelnen Beispiele beschränkt
.
Als rohrformiges Außenteil wurde ein Rohr (Außendurchmesser
10 mm, Innendurchmesser 5 nun) aus STS38-Kohlenstoffstahl verwendet.
Das rohrförmige Innenteil bestand aus einem Rohr (Außendurchmesser 5 nun, Dicke 0,5 mm) aus rostfreiem SUS304-Stahl,
das auf der Innenwand mit einer 7 um dicken Nickelplattierung beschichtet war. Die Außen- und Innenrohrteile
wurden gereinigt und insbesondere Verschmutzungen wie öl und Kohlenstoffresten von den inneren und äußeren kreisförmig gebogenen
Oberflächen der Außen- und Innenrohrteile entfernt. Danach wurde das Innenrohrteil in das Außenrohrteil eingeschoben.
Durch Ziehen auf einer Ziehbank wurden dann die Außenrohr- und Innenrohrteile aneinandergepaßt. Als Resultat
wurde ein Metalldoppelrohr erhalten, das einen Außendurchmesser von 6,35 mm und einen Innendurchmesser von 2,0 mm besaß.
Danach wurde das Metalldoppelrohr 5 Minuten bei 1.1000C in
einem kontinuierlich betriebenen Ofen unter nicht-oxidierender Atmosphäre wärmebehandelt, um die aufeinanderliegenden
Oberflächen der rohrförmigen ?..?Be^- und Innenrohrteile metallurgisch
miteinander zu verbanden. Dabei wurde auch eine nickelreiche Diffusionsschicht mit großer Härte und hervorragenden
Ermüdungseigenschaften hergestellt, da die aufgebrachte Nickelbeschichtung allseitig in die Innenwand des Innenrohrteils
diffundiert. Das so erhältliche metallische Doppelrohr wurde dann entsprechend weiterbearbeitet, z.B. durch
Anbringen eines Verbindungskopfstücks. Es wurde eine Hochdr-ckkraftstoffeinspritzverbundrohr
erhalten, die für Dieselmotoren geeignet war. Die erfindungsgemäße Rohr war, verglichen
mit bisherigen Rohren, äußerst druckfest und beständig gegenüber kavitationsbedinqter Korrosion.
Es wurde ein Kavitationskorrosionstest mit einem einwandigen Einspritzrohr bisheriger Bauart durchgeführt. Die verwendete
Einspritzrohr bestand aus angelassenem STS 38-Stahl und besaß einen Außendurchmesser und eine Dicke wie oben beschrieben.
Die Injektionsbedingungen warei. so gewählt, daß die Druckwellen,
die die Kavitationskorrosion in der Rohr verursachen, höchstens 0,6 mm betrugen. Dabei stellte sich heraus, daß auf
der Innenwandoberfläche der einwandigen Injektionsrohr keine Korrosion aufgrund von Kavitation auftrat. Im Vergleich mit
bisherigen Rohren zeigte sich ferner, daß auch die Ermüdungsfestigkeit
gegenüber sich wiederholenden Hochdruckbelastungen um ca. das 2,4fache verbessert war.
Der Biegeermüdungstest, der sogenannte "5.8 Biegeermüdungstest",
nach Bremsleitungstestverfahren JA SOM 104 zeigte, daü auch die Vibrationsfestigkeit um 15% verbessert war.
b.a wurde ein metallisches Doppelrohr wie im Beispiel 1 hergestellt
nur daß das rostfreie Rohr für das Innenrohrteil
aus einem rostfreien Reifen (Stahlband) bestand. Das Innenroh
rteil wurde dabei hergestellt, indem auf dem rostfreien Stahlreifen eine 1 um dicke Nickelschicht und dann eine 6 um
dicke Chromschicht aufiebracht wurden. Der so beschichtete
Reifen aus rostfreiem Stahl wurde dann zu einer Rohr geformt und schließlich durch Ziehen mit Hilfe von Stopfen zu einer
Rohr geformt. Es wurde auch versucht, das Innenrohrteil aus
einem beschichteten Stahlband mit einer Nickelbeschichtung der gleichen Dicke herzustellen. Aus dem resultierenden
metallischen Doppelrohr wurde dann ein Verbund-Kraftstoffeinspritzrohr
hergestellt. Die resultierende Rohr war wie das in Beispiel 1 hergestellte äußerst beständig gegenüber Druck und
kavitationsbedingter Korrosion.
Claims (4)
1. Dickwandiges kleines Verbundmetallrohr für die Kraftstoffeinspritzung,
mit:
a) einem äußeren KohlenstoffStahlrohr;
b) einem inneren Rohr aus rostfreiem Stahl, das mit dem im Durchmesser größeren Kohlenstoffstahlrohr durch Ziehen durch
Preßpassung verbunden ist, wobei die aufeinanderliegenden preßverbundenen Oberflächen der inneren und äußeren Rohre
metallurgisch miteinander verbunden sind und mindestens eine Innenwandoberfläche des rostfreien Innenstahlrohrs eine Diffusionsschicht
aus mindestens einem Metall oder einer Legierung aus einer Kombination von zwei oder mehreren Metallen,
ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr, Mo, Co, Al und Cu, besitzt.
Bankverbindungen : Deylsche, ßank,fG. fäLZ 7flp70Q10) Kppto-Nr. 27468C9
(Accounts) : P}stg]rdkorfo;MüJich^i, (BLZ; 700 lOOqqt Konlo-Nr. Mchn -!69131-803
— 2 —
2. Verbundmetallrohr für die Kraftstoffeinspritzung gemäß Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß messer von weniger als 30 mm besitzt.
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Außendurch-
3. Verbundmetallrohr für die Kraftstoffeinspritzung gemäß Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ion Rohrs 25 bis 40% des Außendurchmessers beträgt.
4. Verbundmetallrohr für die Kraftstoffeinspritzung gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Innenrohres aus rostfreiem Stahl 1,5 bis 8,5% des
Außendurchmessers des Verbundmetallrohres für die Kraftstoffeinspritzung beträgt.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP1026719A JP2796551B2 (ja) | 1989-02-07 | 1989-02-07 | 厚肉細径燃料噴射管及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9001286U1 true DE9001286U1 (de) | 1990-06-28 |
Family
ID=12201151
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