DE60304191T2

DE60304191T2 - Einspritzdüse für Kraftstoffventil in einem Dieselmotor und Herstellungsverfahren für eine Einspritzdüse

Info

Publication number: DE60304191T2
Application number: DE60304191T
Authority: DE
Inventors: Andreas Harro HOEG
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2023-10-04
Also published as: CN100419253C; WO2004031571A1; NO336864B1; KR100994140B1; ATE321205T1; RU2295647C2; EP1556608A1; KR20050053593A; RU2005114357A; CN1692224A; DE60304191D1; DK200201498A; ES2261962T3; JP4208836B2; NO20052228L; AU2003269841A1; EP1556608B1; JP2005537438A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düse für ein Kraftstoffventil in einem Dieselmotor, insbesondere einem Zweitakt-Kreuzkopfmotor, mit einem zentralen Längskanal, der mit einer Anzahl Düsenbohrungen verbunden ist, wobei die Düse von einem Mittelglied mit einem unteren Abschnitt und einer Ummantelung gebildet wird, und wobei das Mittelglied und die Ummantelung miteinander verlötet bzw. hartverlötet sind und die Ummantelung zumindest den unteren Abschnitt des Mittelglieds mit den Düsenbohrungen umhüllt bzw. umgibt.
DE 100 42 956 beschreibt eine derartige Düse, bei der eine Ummantelung aus einem keramischen Material auf die Außenoberfläche eines Mittelglieds aufgelötet oder damit reibungsverschweißt ist, wobei das Mittelglied aus einem metallischen Material besteht. Bei dieser bekannten Düse ist die Ummantelung eine Isolationsummantelung, welche den Wärmeeinfluss auf das metallische Material verringert. Das isolierende, keramische Material ist relativ spröde, wodurch das Risiko verursacht wird, dass kleine Stücke keramischen Materials im Bereich um die Düsenbohrungen herum abbrechen, wo die Düse eine komplexe Geometrie aufweist.
EP 0 982 493A1 beschreibt ein Kraftstoffventil mit einer sich weit in das Ventilgehäuse hinein hinter den Hauptventilsitz und weiter hinter die Gleitführung erstreckenden Düse. Diese Teile des Kraftstoffventils sind aus Stahl hergestellt, um dem Ventilsitz etc. eine geeignete Härte zu geben. Der unterste Teil der Düse ist durch Laserschweißen, Plasmaschweißen oder Pulverbeschichten mit einem Korrosionsschutzüberzug versehen, wodurch in einem Mischbereich vollständig oder teilweise geschmolzenes Material mit dem Stahl verbunden wird. Das Material in dem Mischbereich hat Eigenschaften, die ein Abbröckeln bzw. Abplatzen der korrosionsbeständigen Legierung nach einer bestimmten Betriebsdauer auslösen können. Im Betrieb ist die Düse starken thermischen, zyklischen Belastungen ausgesetzt, welche ein Risiko einer Schwächung der Haftung der korrosionsbeständigen Legierung verursachen.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind die Wörter Löten, bzw. hartlöten oder schweißlöten in einem breiten Sinne zu verstehen, so dass sie auch weichlöten umfassen und ohne dass sie auf die Verwendung eines bestimmten Lots bzw. Lötmittels oder Lötmaterials beschränkt wären. Löten und Hartlöten sind dementsprechend nicht als Angabe von lediglich Hochtemperaturschmelz-Materialien anzusehen, welche bei Temperaturen oberhalb von 450°C aktiviert werden, sondern auch als für unterhalb von 450°C aktivierte Materialien geltend.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse mit einer vorteilhaften Langlebigkeit zu schaffen.
Im Hinblick darauf zeichnet sich die erstgenannte Düse gemäß der Erfindung dadurch aus, dass die Ummantelung aus einer korrosionsbeständigen Legierung hergestellt ist und dass das Mittelglied aus einer eisenbasierten Legierung mit einer Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 500 MPa hergestellt ist.
Die Verwendung einer Legierung als das Ummantelungsmaterial anstatt eines keramischen Materials ermöglicht es, eine geeignete Duktilität des Ummantelungsmaterials zu erzielen, welche dem Abbrechen von Material entgegenwirkt. Darüberhinaus versetzt die korrosionsbeständige Legierung das Ummantelungsmaterial in die Lage, Temperatureinflüssen zu widerstehen. Verglichen mit der Verwendung von isolierendem Keramikmaterial bietet die Verwendung der Legierung den Vorteil einer niedrigeren Betriebstemperatur der Düse an der Oberfläche der Ummantelung. Der Grund dafür ist, dass die nicht sehr isolierende Legierung einen größeren Anteil der in dem Ummantelungsmaterial angesammelten Wärme nach innen zu dem kälteren Mittelglied ableitet, von wo aus die Wärme an den in die Motorbrennkammer eingespritzten Kraftstoff abgegeben wird.
Da die Ummantelung vor dem Verlöten als ein separates Rohteil hergestellt wird, hat die korrosionsbeständige Legierung in der Ummantelung vorteilhaft gleichför mige Eigenschaften, bewertet in Relation zu einem durch Schweißen aufgetragenem Material, welches typischerweise sowohl Schwankungen in der Legierungszusammensetzung zeigt, als auch Mikrorisse in dem durch die Hitze beim Schweißen beeinflussten Bereich verursachen kann. Die vorteilhaften Eigenschaften der Ummantelung werden beim Löten bzw. Verlöten bewahrt, mit dem ein Kraft- oder Formschluss bzw. eine mechanisch oder geometrisch bedingte Verriegelung der Ummantelung mit dem Mittelglied ohne das materialverändernde Schmelzen und/oder einen Wärmeeinfluss der Grenzbereiche, welche von dem Aufschweißen einer Beschichtung bzw. eines Überzugs bekannt sind, bereitgestellt wird. Das Verbinden durch Löten trägt an sich zu einer Verlängerung des Düsenlebens bei, da keine Mikrorisse im Lötbereich sind, und ermöglicht es ferner, eine weitere Verlängerung des Düsenlebens durch Verwendung eines Materials mit einer höheren Dauerfestigkeit zu erzielen. Die Lebensdauer bzw. das Leben der Düse wird wesentlich verlängert, da das Mittelglied aus einer eisenbasierten Legierung mit einer Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 500 MPa hergestellt wird. Im Allgemeinen bietet die für das Mittelglied verwendete, eisenbasierte Legierung eine hohe Festigkeit in dem Bereich der Düse, welcher eine komplexe Geometrie aufweist, weil eine Anzahl von Düsenbohrungen innerhalb eines kleinen Bereichs angeordnet sind, welche in den zentralen Längskanal an verschiedenen Winkeln eingeschnitten sind.
Der Grund dafür, warum die Dauerfestigkeit von besonderer Wichtigkeit für die Düsenlebensdauer ist, liegt darin, dass zusätzlich zu den in herkömmlicher Weise thermisch basierten Lasten auf die Düse ein bedenkenswerter Anstieg der Dauerbelastung als Konsequenz der Verwendung von höheren als bisher aufgebrachten Einspritzdrücken und schnelleren Druckschwankungen zu erwarten ist, um eine genauere Steuerung der Einspritzung und dadurch eine bessere Verbrennung des Kraftstoffs und eine verringerte Bildung von verschmutzenden Verbindungen zu erzielen.
Gegenüber jeder in der obenstehend genannten Veröffentlichung, DE 100 42 956 genannten Düsenbohrung hat die Ummantelung eine konische Bohrung mit einem wesentlich größeren Durchmesser als die Düsenbohrung. Dies bedeutet, dass in dem Bereich um die Düsenbohrungen die Oberfläche des Mittelglieds sowohl durch die Hitze als auch durch die korrodierenden Verbrennungsprodukte in der Brennkammer beeinflusst werden. In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung haben die Düsenbohrungen in dem Übergangsbereich zwischen dem Mittelglied und der Ummantelung im wesentlichen den gleichen Durchmesser in der Ummantelung und in dem Mittelglied. D.h. zunächst, dass das Material in dem Mittelglied vollständig von der korrosionsbeständigen Legierung der Ummantelung bedeckt ist, so dass die korrodierenden Verbrennungsprodukte an einem die eisenbasierende Legierung des Mittelglieds schädigenden Zugang gehindert sind. Zweitens bildet die Ummantelung einen tatsächlichen Teil der Düsenbohrungen, so dass der kalte Kraftstoff nah an der Oberfläche des Ummantelungsmaterials entlang fließt und es entlang des gesamten Wegs an der Außenoberfläche der Ummantelung kühlt, wo die größten Wärmeeinflüsse auftreten. Dies führt zu einem Abfall der Temperatur des Ummantelungsmaterials um die Düsenbohrungen und dadurch zu einer wesentlich niedrigeren Betriebstemperatur in den empfindlichen Übergangsbereichen der Düsenbohrungen zwischen dem Mittelglied und der Ummantelung.
Vorzugsweise ist die korrosionsbeständige Legierung eine nickelbasierte Legierung, da diese Legierungen erfahrungsgemäß gute Eigenschaften in der aggressiven Umgebung aufweisen, welche in den Brennkammern von Dieselmotoren vorherrschen. Anwendbare Alternativen zu nickelbasierten Legierungen sind kobaltbasierte Legierungen, wie beispielsweise Hartmetall, bzw. Stellit.
In einer geeigneten Ausführungsform ist das zwischen der Ummantelung und dem Mittelglied befindliche Lötmittel aus einer nickelbasierten Legierung hergestellt. Nickelbasierte Lötmittel erlauben eine gute Anpassung der Löttemperatur an die Temperaturbedingungen, welche bei einer Wärmebehandlung von Düsen gemäß der Erfindung und beim Betrieb des Motors auftreten. Ferner wirkt die nickelbasierte Legierung in der Verbindungsoberfläche gut mit den nickelbasierenden, korrosionsbeständigen Legierungen zusammen.
Die Ummantelung kann durch Pulvermetallurgie hergestellt werden, beispielsweise in Form eines gesinterten Rohteils oder aus zusammengelötetem Pulver. In einer Ausführungsform ist die gesamte Ummantelung oder ein Teil der Ummante lung aus einem Guss- oder Schmiedematerial, welches gute und gleichförmige Materialeigenschaften mit relativ niedrigen Herstellungskosten für die Ummantelung verbindet.
Die Düse ist geeignet als eine separate Einheit aufgebaut, die in dem Kraftstoffventil in Fortsetzung einer Axialführung angeordnet ist, welche den Hauptventilsitz des Kraftstoffventils enthält. Mit diesem Aufbau wird die Düse nicht oder nur in minimalem Umfang durch die ziemlich hohen Belastungen beeinflusst, die an dem Hauptventilsitz auftreten. Beim Düsenaustausch ist der Austausch ferner auf ein kleineres Teil beschränkt, welches hauptsächlich aus dem Stück des Kraftstoffventils besteht, welches in die Brennkammer hinein ragt.
Es kann wünschenswert sein, ein Lötmittel zu verwenden, welches eine Komponente enthält, die mit unerwünschten Verbindungen mit den benachbarten Materialien in der Ummantelung oder dem Mittelglied reagieren kann, oder es kann erwünscht sein, eine effizientere Trennung von den benachbarten Materialien zu erzielen, als mit der durch das Lötmittel erzielbaren Trennung. In diesen Fällen kann es ein Vorteil sein, die Düse so aufzubauen, dass die Innenoberfläche der Ummantelung und/oder die Außenoberfläche des Mittelglieds mit einer Diffusionsbarriere versehen ist/sind. Eine solche Diffusionsbarriere kann beispielsweise Nikkel, Kupfer, eine Nickellegierung oder eine Kupferlegierung sein, da sowohl Nickel als auch Kupfer geeignet zum Ausbilden einer dichten und stabilen Beschichtung sind. Alternativen können eine Kobaltbeschichtung, eine Kobaltlegierung oder eine Chrombeschichtung sein. Besonders bevorzugt ist ein elektrolythisch abgelagertes Nickel, welches eine sehr dichte Beschichtung mit guten Festigkeitseigenschaften bildet und einen relativ hohen Schmelzpunkt, verglichen mit den verwendeten Lötmaterialien aufweist. Die Diffusionsbarriere verhindert oder beschränkt die Diffusion von insbesondere kleinen Elementen, wie beispielsweise C, Bor und Silikon, so dass sie nicht aus einer Legierung oder einem Lötmaterial mit einem höheren Anteil des Elements in seiner freien Form in eine Legierung mit einem niedrigeren Anteil des Elements diffundieren können.
Zur weiteren Verbesserung der Düsenlebensdauer der besonders hohen lastenunterworfenen Düsen kann das Mittelglied eine Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 750 MPa aufweisen.
In einer Ausführungsform befindet sich ein Isolierstück aus Keramikmaterial in dem Endgrund bzw. Endboden der Ummantelung unterhalb des Endes des zentralen Längskanals, wobei die untere Oberfläche des Isolierstücks bzw. isolierenden Stücks vollständig von der korrosionsbeständigen Legierung der Ummantelung bedeckt ist. Das isolierende Keramikmaterial ist durch das Ummantelungsmaterial eingekapselt und daher gegen die korrodierenden Einflüsse aus der Brennkammer geschützt. Darüber hinaus befindet sich das Keramikmaterial im Ummantelungsgrund bzw. -boden in einem Bereich, in dem das Spannungsniveau im Allgemeinen und insbesondere die Dauer- bzw. Ermüdungsbelastung relativ niedrig sind. Durch diesen Einbauort und mit dieser Isolierung von der Brennkammer ist es möglich, die Vorteile des Abschirmens der überlagerten Düsenabschnitte von den größten Wärmeeinflüssen auszunutzen, ohne jeden wesentlichen negativen Einfluss auf die Düseneigenschaften, die durch die Verwendung von einem Keramikmaterial verursacht werden.
Nach einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Düse für ein Kraftstoffventil in einen Dieselmotor, insbesondere einen Zweitakt-Kreuzkopfmotor mit einem zentralen Längskanal, der mit einer Anzahl von Düsenbohrungen verbunden ist, wobei ein Mittelglied mit einem unteren Abschnitt mit einer Ummantelung verlötet ist, welche zumindest den unteren Abschnitt des Mittelglieds umhüllt bzw. einschließt. Was das Erreichen einer längeren Düsenlebensdauer betrifft, zeichnet sich das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch aus, dass das verwendete Ummantelungsmaterial eine korrosionsbeständige Legierung ist, dass für das Mittelglied eine eisenbasierte Legierung mit einer Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 500 MPa verwendet wird, und dass das Mittelglied und die Ummantelung durch Vakuumlöten zusammengelötet sind. Was die Vorteile einer Verwendung einer Ummantelung aus einer korrosionsbeständigen Legierung betrifft, die an ein aus einer Legierung mit einer Dauerfestigkeit von zumindest ± 500 MPa hergestelltes Mittelglied angelötet ist, wird auf die oben stehende Beschreibung in Verbindung mit der Düse gemäß des ersten Aspekts der Erfindung verwiesen. Eine Verwendung von Vakuumlöten bietet zusätzliche Vorteile, unter anderem, dass weder die Ummantelung und das Mittelglied, noch das Lötmittel während dem Löten oxidieren, noch das Risiko einer Lufttaschenbildung in dem Material relevant ist. Darüber hinaus kann die Temperatur in dem Vakuumofen vorteilhaft schnell geändert werden, so dass der Zeitraum der Löttemperatur und die Ist- bzw. tatsächliche Löttemperatur genau gesteuert sind.
In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das Vakuumlöten während einer Härtungsbehandlung ausgeführt. Mit diesem kombinierten Löten und Härten ist es möglich, das Durchführen einer speziellen Wärmebehandlung für das Löten zu vermeiden. Darüber hinaus wird ein besonderer Vorteil in Verbindung mit der Herstellung von Düsen in Kleinserien erreicht, wie beispielsweise von 10 bis 200 Düsen pro Serie. Die Wärmebehandlung wird normalerweise in speziellen Arbeitsräumen oder Betrieben ausgeführt, welche einen festgelegten Produktionsablauf haben, der einige Wochen im Voraus geplant ist. In einem solchen Betrieb wird ein Härten typischerweise jeden Tag ausgeführt, während spezielle Wärmebehandlungen nur an ziemlich langen Intervallen ausgeführt werden. Durch Ausführen des Lötens zur gleichen Zeit wie das Härten bei den gewöhnlichen Härtungstemperaturen kann die Kleinserie laufend wärmebehandelt werden, da die Düsen aufgrund ihrer geringen Abmessungen immer Raum für die Wärmebehandlung in dem Ofen zusammen mit dem schon für die Wärmebehandlung eingeplanten anderen Objekten finden können.
In Verbindung mit der kombinierten Behandlung werden die Herstellungsschritte der Düse vorzugsweise so geplant, dass das Mittelglied und die Ummantelung zusammengefügt und in Beziehung zueinander fixiert werden, wonach die Düsenbohrungen erstellt werden, wonach das kombinierte Vakuumlöten und Härten ausgeführt wird. Obwohl dieses Verfahren ein wechselseitiges Befestigen der Ummantelung und des Mittelglieds erfordert, um die Koaxialität der Bohrungen in der Ummantelung und dem Mittelglied beibehalten zu können bis das Löten ausgeführt worden ist, wird dies normalerweise einem Ausführen des zeitaufwendigeren Funkenerosionsbearbeitens der Düsenbohrungen in dem gehärteten Mittel glied vorgezogen. Die wechselseitige bzw. gegenseitige Befestigung kann beispielsweise durch mechanisches Sichern ausgeführt werden, beispielsweise in der Form eines Kurzgewindes aus dem Mittelglied und der Ummantelung, oder durch Einpressen von einem oder mehreren Stiften in den Raum zwischen dem Mittelglied und der Ummantelung, oder möglicherweise durch Klebstoffauftrag an einzelnen Punkten zwischen der Ummantelung und dem Mittelglied.
Eine Alternative zu der kombinierten Behandlung ist eine Behandlungsabfolge, bei der das Vakuumlöten des Mittelglieds und der Ummantelung durchgeführt wird und die Düsenbohrungen in der zusammengelöteten Düse erstellt werden, wonach die Düse gehärtet wird. Bei diesem Verfahren wird das Löten als eine unabhängige Wärmebehandlung ausgeführt, mit der die Düsenteile zu einer Einheit verbunden werden, bevor die Düsenbohrungen in die noch ungehärtete Düse eingearbeitet werden, was eine schnellere Einarbeitung liefert. Wenn die Löttemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Mittelglieds liegt, wird das Abkühlen von der Löttemperatur auf die Bearbeitungstemperatur geeignet so langsam ausgeführt, dass kein Härten in nennenswertem Umfang bei diesem Abkühlen stattfindet. Wenn die Düsenbearbeitung abgeschlossen ist, wird das Härten in einer separaten Wärmebehandlung ausgeführt.
Wenn das Härten in einer separaten Wärmebehandlung nach dem Löten ausgeführt wird, ist das Lötmittel für das Vakuumlöten vorzugsweise ein Lötmittel, dessen Löttemperatur höher als die für das Härten aufgebrachte Härtungstemperatur ist. Dies bietet den Vorteil, dass das Lötmittel beim Härten nicht flüssig werden kann, was ansonsten Anlass für eine erneute Entbearbeitung geben könnte.
Nach Löten und Härten wird vorzugsweise ein Tempern ausgeführt, um die Eigenschaften des Düsenmaterials einzustellen, incl. der Dauerfestigkeit von insbesondere dem eisenbasierten Material.
Es ist möglich, partikel- bzw. pulver- oder staubförmiges Material zur Herstellung der Ummantelung zu verwenden, wobei in diesem Fall die gesamte Ummantelung oder ein Teil des Ummantelungsmaterials vorzugsweise dadurch erstellt wird, dass das Mittelglied mit nach oben gerichtetem unteren Abschnitt angeordnet wird, ein röhrenförmiger Halter auf dem Mittelglied angeordnet wird, das Partikelmaterial in den Halter eingefüllt wird, Lötmittel über dem Pulver angeordnet wird und das Löten ausgeführt wird, wodurch das Pulver zu dem Ummantelungsmaterial zusammengelötet wird. Der Vorteil davon ist, dass ein einfacher Röhrenabschnitt als Halter verwendet werden kann, anstatt dass ein Ummantelungsrohteil in eine Hut- bzw. Zwingenform mit der inneren Geometrie gearbeitet wird, die der Außengeometrie des Mittelglieds entspricht.
Die Erfindung wird nun untenstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die höchst schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine Längsschnittansicht durch eine in einem grob umrissenen Beispiel des unteren Endes eines Kraftstoffventils montierten Düse ist,
2 eine Schnittansicht durch Düsenteile einer Düse vor einem Löten,
3 einen Abschnitt durch die Düse von 2 nach einem Löten und einer Einarbeitung einer Düsenbohrung zeigt,
4 eine der 2 entsprechende Schnittansicht eines weiteren Beispiels von zum Löten hergerichteten Düsenteilen ist,
5 u. 6 ein drittes Beispiel von Düsenteilen vor und nach einem Löten zeigen,
7 ein viertes Beispiel von Düsenteilen vor einem Löten zeigt, und
8 eine weitere Ausführungsform mit einem eingekapselten Isoliermaterial zeigt.
1 zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Düse eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine bzw. eines Verbrennungsmotors, welches ein Viertaktmotor sein kann, aber vorzugsweise ein Zweitakt-Kreuzkopfmotor mit mehr als einem Kraftstoffventil an jedem Zylinder ist. Der letztere Motor stellt typischerweise strenge Anforderungen an die Lebensdauer der Düse, unter anderem weil diese Motoren oft mit Schwerölkraftstoff betrieben werden, welcher auch Schwefel enthalten kann.
Die Düse steht durch eine Mittelbohrung am Ende eines Ventilgehäuses 2 heraus, dessen ringförmige Oberfläche 3 gegen eine entsprechende Anschlagoberfläche in einer Zylinderabdeckung bzw. einem Zylinderkopf 14 gepresst sein kann, so dass die Spitze der Düse mit Düsenbohrungen 4 in die Brennkammer 15 des Zylinders vorsteht und Kraftstoff einspritzen kann, wenn das Kraftstoffventil offen ist. Das Kraftstoffventil hat einen Ventilschieber 5 mit einer Ventilnadel 6 und einem Ventilsitz 7, welche bei dem gezeigten Ventilaufbau am unteren Ende einer Schieberführung 8 angeordnet sind. Die Schieberführung wird gegen eine aufwärts gerichtete Oberfläche der Düse 1 herunter gedrückt. Die Düsennadel kann ein Sekundärschließglied 12 in der Form eines Rings tragen, welches in eine Bohrung in den Ventilvorsprung 7 über eine relativ lange und dünne Spindel oder Welle 13 eingeschraubt ist oder anderweitig darin befestigt ist. Ein derartiges Sekundärschließglied zum schnellen Schließen der Düsenbohrungen am Ende der Zerstäubung ist in Zusammenhang mit Düsen für große Zweitakt-Kreuzkopfmotoren weit verbreitet bzw. bekannt. Das Sekundärschließglied kann vorteilhaft aus einem Werkzeugstahl hergestellt sein, da es entlang der Innenoberfläche des Längskanals gleitet, welcher ebenfalls aus einem Werkzeugstahl hergestellt sein kann. Dies ist ein Einsatz der Tatsache, dass zwei Werkzeugstähle gut aneinander entlang laufen.
Die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für Kraftstoffventile verwendet werden, welche keine derartigen Sekundärschließglieder aufweisen und für Kraftstoffventile, bei denen der Hauptventilsitz unten in der Düse angeordnet ist, was zu einem Minimalvolumen des Kraftstoffkanals unterhalb des Ventilsitzes führt. Es ist darüber hinaus möglich, dass die Düsenbohrungen nicht nur nach einer Seite der Düse gerichtet sind, sondern anstatt dessen sowohl auf die eine als auch auf die andere Seite oder über den gesamten Umfang der Düse verteilt sind.
Die Düse hat einen zentralen Längskanal 9, von dem die Düsenbohrungen 4 hinaus zur Außenoberfläche der Düse führen. Die Düse wird von einer aus einer kor rosionsbeständigen Legierung hergestellten Ummantelung 10 und einem aus einer eisenbasierten Legierung hergestellten Mittelglied 11 gebildet. Die Ummantelung 10 bildet zumindest den äußersten Bereich der Düse im Bereich um die Düsenbohrungen herum und kann sich nach oben erstrecken und die Außenoberfläche der Düse über dem gesamten Teil der Düse bilden, der von dem Ventilgehäuse 2 vorspringt.
Die aus der korrosionsbeständigen Legierung hergestellte Ummantelung 10 kann aus einem Pulver- bzw. Partikelausgangsmaterial hergestellt sein, ist aber vorzugsweise aus einem Guß- oder Schmiedematerial hergestellt. Beispiele für einsetzbare Legierungen zum Verwenden als Ummantelungsmaterial können nickelbasierte Legierungen sein, welche beispielsweise in Gewichtsprozent und abgesehen von allgemein auftretenden Unreinheiten von 15 bis 30 % Cr aufweisen, von 0,02 bis 0,55 % C und optional eine oder mehrere der folgenden Komponenten: von 0 bis 15 % W, von 0 bis 8 % Al, von 0 bis 5 % Ti, von 0 bis 20 % Co, von 0 bis 2 % Hf, von 0 bis 5 % Nb und/oder Ta, von 0 bis 35 % Mo, von 0 bis 10 % Si, von 0 bis 1,5 % Y, und von 0 bis 20 % Fe. Die Legierung kann unvermeidbare Unreinheiten enthalten, wobei der Rest Nickel ist.
Ein Beispiel einer solchen Legierung hat die folgende Zusammensetzung:
23 % Cr, 7 % W, 5,6 % Al, 1 % Si, 0,5 % C und 0,4 % Y. Diese Legierung kann beispielsweise eine Dauerfestigkeit σ_A in dem Intervall von ± 350 MPa bis ± 440 MPa aufweisen.
Die nickelbasierten Legierungen können auch von dem Typ sein, der in Gewichtsprozent und abgesehen von allgemein auftretenden Unreinheiten von 35 bis 60 Cr aufweist, von 0,02 bis 0,55 % C und optional eine oder mehrere der folgenden Komponenten:
von 0 bis weniger als 1,0 % Si, von 0 bis 5,0 % Mn, von 0 bis 5,0 % Mo und/oder W, von 0 bis weniger als 0,5 % B, von 0 bis 8,0 % Al, von 0 bis 1,5 % Ti, von 0 bis 0,2 % Zr, von 0 bis 3,0 % Nb, von 0 bis zu einem Maximum von 2 % Hf, von 0 bis zu einem Maximum von 1,5 % Y, von 0 bis zu 1 % N und einen zusätzlichen Gehalt von 0 bis zu einem Maximum von 5 % Co und Fe.
Die Legierung kann unvermeidbare Unreinheiten enthalten, wobei der Rest aus Nickel besteht. Dieses Material hat eine hohe Dauerfestigkeit und einen extrem hohen Widerstand sowohl gegen Heißkorrosion als auch gegen Erosionseinflüsse des Kraftstoffs.
Weitere Beispiele von Legierungen für das Ummantelungsmaterial sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1:
Der thermische Ausdehnungskoeffizient wird oben stehend als der durchschnittliche, lineare Ausdehnungskoeffizient zum Erwärmen von 20°C auf 500°C wiedergegeben, d.h. er ist relevant für 500°C. Vorzugsweise hat das Ummantelungsmaterial einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient als das Mittelglied, so dass die Lötlücke bzw. der Lötspalt beim Erwärmen wächst. Dies führt zu einem Auftreten von Drucklasten bzw. -spannungen in dem Mittelglied in Verbindung mit dem Abkühlen von der Löttemperatur auf 20°C. Wenn das Ummantelungsmaterial einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizient als das Material des Mittelglieds aufweist, sollte die Ummantelung und das Mittelglied so aufeinander abgestimmt sein, dass die Lücke zwischen den beiden Teilen bei 20°C größer als die gewünschte Lötlücke ist.
Es ist ebenfalls möglich, kobaltbasierte Legierungen zu verwenden, wie beispielsweise Celsit 50-P, wobei diese jedoch niedrigere Dauerfestigkeiten σ_A von weniger als ± 150 MPa haben, weshalb sie nicht die bevorzugten Materialien sind.
Legierungsmaterialien, die für das Mittelglied 11 der Düse verwendet werden, können eisenbasierte Legierungen sein, vorzugsweise vom Werkzeugstahltyp. Das Mittelglied kann durch herkömmliche Verfahren für Werkzeugstahl gefertigt werden oder durch ein ESU-(Elektroschlacke-Abscheiden) – Umgießen. Das Mittelglied kann beispielsweise geschmiedet oder anderweitig verformt sein, wie beispielsweise extrudiert. Erwähnenswerte Beispiele sind der Werkzeugstahl AISI H13 mit der Zusammensetzung
0,4 % C, 1,0 % Si, 0,4 % Mn, 5,2 % Cr, 1 % V, 1,3 % Mo und dem Rest Fe, oder der Werkzeugstahl AISI H19 mit der Zusammensetzung 0,45 % C, 0,4 % Si, 0,4 % Mn, 4,5 % Co, 4,5 % Cr, 0,5 Mo, 2 % V, 4,5 % W und dem Rest Fe, oder die Werkzeugstähle CPM 1V und CPM 3V von Crucible Research, U.S.A., die durch Pulvermetallurgie unter Umständen mit nachfolgender Extrussion oder Bearbeitung hergestellt sind, wobei CPM 1V 0,5 % C, 4,5 % Cr, 1 % V, 2,75 % Mo, 2 % W, 0,4 % Si, 0,5 % Mn und den Rest Fe enthält, sowie CPM 3V 0,8 % C, 7,5 % Cr, 2,5 % V, 1,3 % Mo, 0,9 % Si, 0,4 % Mn und den Rest Fe.
Weitere Beispiele von Legierungen für das Mittelglied werden in, Tabelle 2 erwähnt, in der die thermischen Ausdehnungskoeffizienten in gleicher Weise wie in Tabelle 1 wiedergegeben werden.
Tabelle 2:
Das Löten kann beispielsweise wie untenstehend beschrieben ausgeführt werden. In den einzelnen Ausführungsformen und Beispielen werden die gleichen Bezugszeichen für gleichartige Elemente verwendet. Eine Ummantelung 10 und ein Mittelglied 11 sind, wie in 2 gezeigt, mit der Ummantelung um den unteren Abschnitt des Mittelglieds angeordnet. Die Ummantelung 10 ist hutförmig und schließt den gesamten unteren Abschnitt 11a ein, welcher einen kleineren Außendurchmesser als der obere Abschnitt 11b des Mittelglieds aufweist. Der Außendurchmesser des unteren Abschnitts 11a ist um 0 bis 0,5 mm kleiner als der Innendurchmesser der Ummantelung, so dass eine Lücke zwischen den beiden Oberflächen besteht, die von 0 bis 0,25 mm beträgt, wobei die Durchmesser vorzugsweise so aufeinander abgestimmt sind, dass die Lückengröße in dem Intervall von 0,05 bis 0,1 mm liegt.
Das Lötmittel 14 ist in einem ringförmigen Pfad entlang des oberen Endes der Ummantelung 10 in Verbindung mit der Schnittstelle oder der Lücke zwischen der Ummantelung und dem Mittelglied 11 angeordnet. Das Lötmittel kann in einer kleinen Ausnehmung an der Schnittstelle oder, wie in 2 gezeigt, oberhalb eines kleinen, vorstehenden Kragens 15 an der Oberkante der Ummantelung angeordnet sein. Der Kragen 15 dient lediglich zum Halten des Lötmittels vor einem Löten und dazu, um das Lötmittel während eines Lötens in die Lücke zu lenken. Nach dem Löten kann der Kragen beispielsweise durch Schleifen entfernt werden.
Das Düsenrohteil wird in einem Ofen angeordnet und auf die Löttemperatur erwärmt, bei der das Lötmaterial in die Lücke zwischen der Ummantelung und dem Mittelglied durch die Kapillarwirkung gesaugt wird und deren Oberflächen benetzt bzw. anfeuchtet, wonach das Lötmittel 16 sich verfestigt und die Oberflächen miteinander verschließt bzw. aneinander sichert, vergleiche 3. Die Löttemperatur kann beispielsweise in dem Intervall von 925°C bis 1230°C liegen. Wenn das Härten in einer separaten Wärmebehandlung stattfindet, liegt die Löttemperatur vorzugsweise in dem Intervall von 1100°C bis 1230°C.
Das Lötmittel kann beispielsweise ein Nickellot mit einem Anteil von Cr, Si oder B sein. Die relevanten Nickellote enthalten typischerweise von 5 bis 20 % Cr und/oder von 4 bis 10 % Si und/oder C, B oder Cu. Beispiele sind Lötmittel von der Fa. Wall Colmomoy Corporation, Madison Heights, Michigan, U.S.A. Die Lötmittel dieser Firma in den Nicrobraz-Serien können verwendet werden, welche es erlauben, ein Lötmittel mit einer geeigneten Löttemperatur und Lötzusammensetzung zu verwenden. Nicrobraz 30 enthält beispielsweise 19 % Cr, 10,2 % Si, ein Maximum von 0,06 % C und den Rest Ni und hat eine näherungsweise Löttemperatur von 1190°C.
Nach dem Löten des Düsenrohteils können die äußeren und inneren Geometrien des Düsenrohteils endbearbeitet werden. Dies heißt insbesondere, dass die Düsenbohrungen 4 in das Rohteil eingearbeitet bzw. eingebohrt werden können und die Außenoberfläche des Rohteils in ihre endgültige Form gedreht oder geschliffen werden kann. Vorzugsweise haben die Düsenbohrungen 4, wie in 3 gezeigt, einen konstanten Durchmesser von der Außenummantelungsoberfläche bis zum Bereich des Innenendes der Düsenbohrungen in oder am zentralen bzw. Mittelka nal 9. Der Durchmesser der Düsenbohrungen kann beispielsweise in dem Intervall von 0,5 mm bis 1,5 mm liegen.
Wenn die Geometriebearbeitung abgeschlossen ist, kann das Düsenrohteil auf eine geeignete Härte des Mittelglieds gehärtet werden. Das Härten kann beispielsweise bei einer Temperatur in dem Intervall von 1000°C bis 1100°C mit einer Haltezeit von 10 bis 40 Minuten ausgeführt werden. Dann wird eine Endwärmebehandlung in der Form von einer oder mehreren Temperbehandlungen ausgeführt, was von Wichtigkeit für die resultierende Dauertestigkeit der fertigen Düse ist. Das Tempern kann beispielsweise mit einer Haltezeit von 2 Stunden bei einer Temperatur im Intervall von 450°C bis 600°C ausgeführt werden. Vorzugsweise wird ein zweifach- oder dreifach Tempern mit zwei oder drei Perioden von 2 Stunden in einem Vakuumofen oder in einem Ofen bei Normaldruck und einer speziellen Atmosphäre ausgeführt, wie beispielsweise einer Reduzier- oder inaktiven Atmosphäre.
4 zeigt eine alternative Anordnung des Lötmittels 14 vor dem Ausführen des Lötens. Das Lötmittel 14 ist hier auf der Spitze bzw. oberhalb eines Kanals 17 angeordnet, welcher nach innen durch das aufwärts gerichtete Ende der Ummantelung 10 zu der Schnittstelle zwischen der Ummantelung 10 und dem Mittelglied führt. Das Lötmittel kann von einem kleinen ringförmigen Vorsprung umgeben sein, um zu verhindern, dass das Lötmittel während des Lötens wegläuft.
Es ist ebenfalls möglich, das Löten gleichzeitig mit dem Härten auszuführen, wobei in diesem Fall das Lötmittel vorzugsweise eine Löttemperatur in dem Intervall von 925°C bis 1100°C aufweist, und geeigneterweise von 1000°C bis 1100°C. Nach dem Anordnen der Ummantelung auf dem Mittelglied und des Lötmittels 14 wird das Rohteil in einem Ofen angeordnet, welcher evakuiert und auf die Härtungstemperatur erhitzt ist, welche beispielsweise über 30 Minuten bei einer Temperatur von 1025°C oder über 15 Minuten bei einer Temperatur von 1050°C anhält.
Für einen bestimmten Werkzeugstahl ist die Dauerfestigkeit durch die dem Düsenrohteil zugefügte Wärmebehandlung einstellbar. Die erwähnten Werkzeugstähle haben Dauerfestigkeiten σ_A von um die ± 500 bis zu 900 MPa in der fertig gestellten Düse. Vorzugsweise beträgt die Dauerfestigkeit σ_A zumindest ± 750 MPa. Gleichzeitig haben die Werkzeugstähle vorteilhaft hohe Abnutzungswiderstände und Härten.
Anstatt ein der 2 entsprechendes Ummantelungsrohteil der hutartigen Form mit genauer Innengeometrie zu fertigen, kann die gesamte Ummantelung oder ein Teil der Ummantelung aus einem bestimmten Ausgangsmaterial hergestellt werden. Dies kann beispielsweise, wie in 5 gezeigt, dadurch geschehen, dass ein abgestochener Rohrabschnitt genommen und wie ein Halter 18 um den unteren Abschnitt 11a des Mittelglieds angeordnet wird, welcher vorher aufwärts gedreht wurde. Partikel-Ausgangsmaterial 19 wird in den Halter eingefüllt, bis der gesamte untere Abschnitt 11a bedeckt ist, wobei das Pulver in einer geeigneten Höhe über der Spitze des unteren Abschnitts 11a liegt. Das Pulver kann aus verriebenen Pulvergrößen gemischt sein, wobei es ebenfalls möglich ist, Pulver von mehreren unterschiedlichen Metalllegierungen zu verwenden, die von der gleichen Art wie die obenstehend als Ummantelungsmaterial erwähnten sind. Es ist ferner möglich, ein Keramikpulver beizumischen, um einen Isoliereffekt zu erzielen. Das Keramikpulver kann beispielsweise in einer Schicht in kurzer Entfernung oberhalb der Spitze des unteren Abschnitts 11a angeordnet werden und dann durch das Pulver der korrosionsbeständigen Legierungen bedeckt werden. Abgestufte Gemische der verschiedenen Pulver können ebenfalls verwendet werden.
Über dem Pulver wird das Lötmittel 14 in genügender Menge angeordnet, um das Pulver beim Löten in eine dichte Struktur zu binden. Nach dem Löten befindet sich der Halter 18 auf der Außenoberfläche der Ummantelung 10, wie in 6 gezeigt. Der Halter 18 wird beim Entbearbeiten der Düse entfernt.
In einem weiteren Beispiel ist der Halter 18 als ein Rohr aus Ummantelungsmaterial ausgeformt und um den unteren Abschnitt 11a angeordnet, wie in 7 gezeigt. Der Halter ist hier Teil der Ummantelung, wobei das Pulver nur überhalb des unteren Abschnitts 11a eingefüllt werden muss. Mit diesem Aufbau des Halters und der Ummantelung wird der Bedarf für eine Um- bzw. Endbearbeitung minimiert.
8 zeigt eine Ausführungsform, in der die Ummantelung ein Isolierstück aus keramischem Material 20 enthält, welches vollständig in dem Ummantelungsmaterial eingekapselt ist. Dort kann beispielsweise wenigstens 1 mm des Ummantelungsmaterials auf der Außenoberfläche des keramischen Materials sein, so dass die Korrosionsbeständigkeit der Düse nicht vermindert wird.
Wenn nötig kann eine Diffusionsbarriere verwendet werden. Die Barriere kann eine Beschichtung sein, beispielsweise auf das Mittelglied oder die Ummantelung durch eine elektrolythische Ablagerung oder durch andere Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise Galvanisation bzw. Metallisierung, aufgebracht. Die Barriere kann beispielsweise aus Nickel, Kupfer, Kobalt oder Nickelphosphor gemacht sein. Alternativ dazu kann die Beschichtung durch Besprühen bzw. Aufsprayen aufgetragen sein. Die Barriere kann beispielsweise eine Dicke in dem Intervall von 5 bis 400 μm aufweisen, vorzugsweise von 10 bis 100 μm.
Die Düse kann einen anderen Aufbau als den in 1 gezeigten aufweisen. Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele können zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden.

Claims

Düse für ein Kraftstoffventil in einem Dieselmotor, insbesondere einem Zweitakt-Kreuzkopfmotor, mit einem zentralen Längskanal, der mit einer Anzahl Düsenbohrungen verbunden ist, wobei die Düse von einem Mittelglied mit einem unteren Abschnitt und von einer Ummantelung gebildet wird, und wobei das Mittelglied und die Ummantelung miteinander verlötet sind und die Ummantelung zumindest den unteren Abschnitt des Mittelglieds mit Düsenbohrungen umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung aus einer korrosionsbeständigen Legierung hergestellt ist und das Mittelglied aus einer eisenbasierten Legierung mit einer Dauertestigkeit σ_A von zumindest ± 500 MPa.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrungen im Übergangsbereich zwischen dem Mitteiglied und der Ummantelung in der Ummantelung und im Mittelglied im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen.
Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Legierung eine nickelbasierte Legierung ist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot zwischen der Ummantelung und dem Mittelglied aus einer nickelbasierten Legierung hergestellt ist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Ummantelung oder ein Teil der Ummantelung aus einem Guss- oder Schmiedematerial hergestellt ist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse als eine separate Einheit ausgeformt ist, die in dem Kraftstoffventil in Weiterführung einer Achsführung angeordnet ist, welche den Hauptventilsitz des Kraftstoffventils aufnimmt.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche der Ummantelung und/oder die Außenoberfläche des Mittelglieds eine Diffusionsbarriere aufweist/aufweisen, wie beispielsweise eine Schicht von elektrolytisch angelagertem Nickel.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelglied eine Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 750 MPa aufweist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierendes Stück Keramikmaterial im Endgrund der Ummantelung unterhalb des Endes des zentralen Längskanals angeordnet ist, wobei die untere Oberfläche des isolierenden Stücks vollständig von der korrosionsbeständige Legierung der Ummantelung bedeckt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Düse für ein Kraftstoffventil in einem Dieselmotor, insbesondere in einem Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor, mit einem zentralen Längskanal, der mit einer Anzahl Düsenbohrungen verbunden ist, und einem Mittelglied mit einem unteren Abschnitt, der mit einer Ummantelung verlötet ist, welche zumindest den unteren Abschnitt des Mittelglieds umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Ummantelungsmaterial eine korrosionsbeständige Legierung ist, dass für das Mittelglied eine eisenbasierte Legierung mit einer Dauerfestigkeit σ_A von zumindest ± 500 MPa verwendet wird, und dass das Mittelglied und die Ummantelung durch Vakuumlöten zusammengelötet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumlöten während einer Härtungsbehandlung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelglied und die Ummantelung zusammengebracht werden und in Bezug zueinander befestigt werden, woraufhin die Düsenbohrungen erstellt werden, woraufhin das kombinierte Vakuumtöten und Härten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumtöten des Mittelglieds und der Ummantelung ausgeführt wird und die Düsenbohrungen in der zusammengelöteten Düse erstellt werden, woraufhin die Düse gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das für das Vakuumtöten aufgebrachte Lot vorzugsweise ein Lötmaterial ist, dessen Löttemperatur höher als die für das Härten aufgebrachte Härtungstemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse nach dem Löten und Härten getempert wird, vorzugsweise durch Doppel- oder Dreifachtempern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Ummantelung oder ein Teil der Ummantelung dadurch erstellt wird, dass das Mittelglied mit nach oben gerichtetem unteren Abschnitt angeordnet wird, dass ein röhrenförmiger Halter auf dem Mittelglied angeordnet wird, dass ein partikuläres Material in den Halter gefüllt wird, dass das Lot oberhalb des Pulvers angeordnet wird, und dass das Löten ausgeführt wird, wodurch das Pulver zu Ummantelungsmaterial zusammengelötet wird.