柴油机中燃油阀的喷嘴及喷嘴的制造方法

摘要

柴油机燃油阀(2)的喷嘴(1)由具有下部的中心部件(11)和外套(10)组成，所述外套和中心部件钎焊在一起。外套(10)由耐腐蚀合金制成，中心部件(11)由疲劳强度σA至少为±500MPa的铁基合金制成。

说明书

本发明涉及一种柴油机尤其是二冲程十字头型发动机中燃油阀的喷嘴，具有与许多喷嘴孔连通的中心纵向通道，所述喷嘴由具有下部的中心部件和外套组成，所述外套和中心部件钎焊在一起，所述外套包围至少所述中心部件的具有喷嘴孔的下部。

DE10042956描述了这种喷嘴，其中陶瓷材料制成的外套钎焊或摩擦焊接在金属材料制成的中心部件外表面上。在这种公知的喷嘴中，所述外套是绝缘外套，以减轻对金属材料的热影响。绝缘陶瓷材料较脆，这导致存在着陶瓷材料小片在喷嘴孔周围区域内剥落的危险，在喷嘴孔周围区域喷嘴具有复杂的几何形状。

EP0982493A1描述了一种燃油阀，其中向上延伸入阀壳体的喷嘴经过主阀座，且向上经过滑块引导件。燃油阀的这些部件由钢制成，而使阀座等具有所需的硬度。喷嘴的最下部分通过激光焊接、等离子焊接或热粉末喷涂而具有抗腐蚀涂层，其中完全或部分熔化的材料在混和区域粘结在钢材上。混和区域的材料具有可以使耐腐蚀合金在使用一定时间后破裂的特性。在使用过程中，喷嘴暴露于强热循环载荷，导致出现耐腐蚀合金的附着力下降的危险。

在本发明的上下文中，词语钎料和钎焊应当从宽泛的意义上理解，从而覆盖软钎料和软钎焊，而不限于使用任何特定的钎料或钎焊材料。因此钎料和钎焊不应看作仅表示在450℃以上的温度下活化的高温熔化的材料，也适用于在450℃以下活化的材料。

本发明的目的是提供一种有利地具有长寿命的喷嘴。

鉴于此，本发明首先提及的喷嘴特征在于所述外套由耐腐蚀合金制成，且所述中心部件由疲劳强度σ_A至少为±500MPa的铁基合金制成。

代替陶瓷材料使用合金作为外套材料，使其可以获得外套材料的适当延展性，这样阻止材料破裂。而且，耐腐蚀合金使外套材料能承受温度影响。与使用绝缘陶瓷材料相比，合金的使用具有在外套表面上喷嘴的工作温度更低的优点。原因是不非常绝缘的合金将外套材料中蓄积热量的更大部分向内传导至更冷的中心部件，从而使热量传给喷入发动机燃烧室内的燃油。

因为在钎焊之前外套制成独立的坯料，相对于通过焊接施加的材料，在所述外套中的耐腐蚀合金的均匀性能更加优越，通过焊接施加的材料通常都表现出合金成分的变化，并且在焊接中受到热影响的区域可能引发微裂纹。所述外套的有利性能在钎焊过程中得到保持，提供了所述外套相对于所述中心部件的机械或几何条件锁定，且没有材料改变的熔化和/或边界区域的热影响，该区域从涂层的焊接可知。通过钎焊连接本身有助于延长喷嘴的寿命，因为在钎焊区域没有微裂纹，从而通过使用具有更高疲劳强度的材料而可以进一步延长喷嘴的寿命。喷嘴的寿命实质上延长，因为所述中心部件由疲劳强度σ_A至少为±500MPa的铁基合金制成。通常，用于中心部件的铁基合金在具有复杂几何形状的喷嘴区域提供了较高的强度，因为位于较小区域内的多个喷嘴孔以不同的角度切入中心纵向通道。

疲劳强度对于喷嘴的寿命特别重要的原因是，除了普通的基于热量的载荷之外，预计疲劳载荷会出现相当大的增加，因为使用了比迄今采用的更高的喷射压力和更快的压力变化，以便对柴油机中的燃油喷射进行更精确的控制，从而使燃油燃烧更好，且减少形成污染化合物。

在上述文献DE 100 42 956中描述的中心部件内与每个喷嘴孔相对，所述外套具有大于喷嘴孔的直径的锥形孔。这意味着在喷嘴孔周围的区域，所述中心部件的表面受到热量和燃烧室中的腐蚀性燃烧产物的影响。在本发明的一个实施例中，在中心部件和外套之间的过渡区域的喷嘴孔在所述外套和所述中心部件上具有相同的直径。这意味着，首先，中心部件的材料被外套的耐腐蚀合金完全覆盖，从而可以避免腐蚀性燃烧产物接近，而使中心部件的铁基合金降级。其次，所述外套构成喷嘴孔的实际部分，从而冷燃油接近所述外套材料的表面流动，且全程冷却直到外套的外表面，在外表面处出现最严重的热影响。这导致喷嘴孔周围的外套材料的温度下降，以及在中心部件和外套之间的喷嘴孔的敏感性过渡区域内的基本上更低的工作温度。

可取的是，所述耐腐蚀合金是镍基合金，因为经验表明这些合金具有在柴油机燃烧室中普遍存在的腐蚀性环境中的良好性能。可应用的代替镍基合金的替代品是钴基合金，比如钨铬钴合金。

在适当的实施例中，位于外套和中心部件之间的钎焊材料由镍基合金制成。镍基钎焊材料可以使钎焊温度良好地适应根据本发明在喷嘴热处理时的温度条件和发动机工作时的温度条件。而且，在连接表面的镍基合金与镍基耐腐蚀合金一起良好地发挥作用。

所述外套可以通过粉末冶金制成，例如烧结的坯料形式，或由钎焊在一起的粉末制成。在一个实施例中，整个外套或外套的一部分由铸造或锻造材料制成，所述材料将良好、均匀的材料特性与外套的较低制造成本结合起来。

所述喷嘴适当地设计为位于在含有燃油阀的主阀座的心轴引导件延伸部分上的燃油阀内的分离单元。采用这种设计，所述喷嘴不受主阀座处出现的较大应力影响或仅在最小程度上受到影响。在喷嘴更换时，更换也限于较小的部件，它们主要构成伸入到燃烧室内的燃油阀的部件。

可能希望使用含有这样成分的钎焊材料，即该成分可以与外套或中心部件中的邻接材料中不希望的化合物反应，或者它可能是所希望的，以便获得比利用钎焊材料可获得的分离更有效的邻接材料分离。在这些情况下，优点是这样设计喷嘴，即使外套内表面和/或中心部件外表面设有扩散阻挡层。这种扩散阻挡层可以例如是镍、铜，镍合金或铜合金，因为铜和镍都适于形成致密、稳定的涂层。替代品可以是钴涂层，钴合金或铬涂层。尤其优选的是电解沉积的镍，它形成非常致密的涂层，具有良好的强度特性和相对于使用的钎焊材料来说较高的熔点。所述扩散阻挡层防止或限制尤其是小元素的扩散，比如碳、硼和硅，而使它们不从具有较高含量的自由形式的所述元素的合金或钎焊材料扩散入具有较低含量的所述元素的合金中。

为了进一步改进承受非常高载荷的喷嘴的喷嘴寿命，中心部件可具有至少为±750MPa的疲劳强度σ_A。

在一个实施例中，陶瓷材料构成的绝缘件位于中心纵向通道端部下方的外套底端内，所述绝缘件的下表面被外套的耐腐蚀合金完全覆盖。绝缘陶瓷材料被外套材料包封，从而避免燃烧室的腐蚀影响。而且，陶瓷材料在通常应力较低，尤其是疲劳载荷较低的区域位于外套底部。由于这种位置以及与燃烧室绝缘，可以利用使重叠的喷嘴部分免于最大热影响的优点，而没有任何由于使用陶瓷材料造成的对喷嘴性能来说实质上不利的影响。

在另一方面，本发明涉及一种制造柴油机中燃油阀的喷嘴的方法，尤其是两冲程十字头型发动机，该喷嘴具有与许多喷嘴孔连通的中心纵向通道，具有下部的中心部件，所述下部与包围至少所述中心部件下部的外套钎焊在一起。考虑到获得更长的喷嘴寿命，本发明的方法特征在于所使用的外套材料是耐腐蚀合金，中心部件使用疲劳强度σ_A至少为±500MPa的铁基合金，且所述中心部件和外套通过真空钎焊钎焊在一起。至于使用钎焊于疲劳强度σ_A至少为±500MPa的合金制成的中心部件的耐腐蚀合金制成的外套的优点，请参见本发明第一方面的喷嘴的上述内容。真空钎焊的使用带来了附加优点，外套和中心部件以及钎焊材料在钎焊过程中不氧化，也没有在相应材料中形成气穴的危险。而且，真空炉中的温度可以有利地快速变化，而精确地控制钎焊温度下的时间和实际钎焊温度。

在所述方法的另一改进中，在硬化热处理过程中进行真空钎焊。采用这种组合钎焊和硬化，可以避免为钎焊进行特殊的热处理。而且，在制造小系列喷嘴，比如每个系列10至200个喷嘴时获得特定的优点。热处理通常在特殊车间进行，该车间可具有提前计划数周的特定生产运行。在这种车间，硬化通常每天都进行，而特殊热处理仅以相当长的间隔进行。通过在通常的硬化温度下硬化的同时进行钎焊，小系列可以一天一天地进行热处理，因为喷嘴由于其较小尺寸，总可以找到在炉内与其他已经打算热处理的物品一起进行热处理的空间。

对于组合处理，喷嘴的制造步骤优选这样计划，即中心部件和外套放在一起，且互相相对固定，此后形成喷嘴孔，此后进行组合真空钎焊和硬化。虽然这种方法需要外套和中心部件相互固定，从而保持外套和中心部件内孔的同轴性，直到已经进行钎焊，这通常是优选的，否则必须进行更费时间的火花加工，在硬化的中心部件上加工出喷嘴孔。互相固定可以例如通过机械锁定来实现，例如在中心部件和外套上的短螺纹形式，或通过将一或多个销子压入中心部件和外套之间的空间内，或可以通过在外套和中心部件之间的离散点处胶粘。

组合处理的替代方案是这样一种处理顺序，其中进行中心部件和外套的真空钎焊，且在钎焊在一起的喷嘴上形成喷嘴孔，此后喷嘴硬化。在这种方法中，作为将喷嘴部件粘合在一起形成单元的独立热处理进行钎焊，在仍未硬化的喷嘴上加工出喷嘴孔之前，这样提供了更快的加工。如果钎焊温度在中心部件的奥氏体化温度之上，那么从钎焊温度到加工温度的冷却如此适当缓慢地进行，以致在该冷却过程中没有发生任何明显程度的硬化。当完成喷嘴加工时，在独立的热处理中进行硬化。

当在钎焊之后在独立的热处理中进行硬化时，用于真空钎焊的钎焊材料优选为钎焊温度高于用于硬化的硬化温度的钎焊材料。这样的优点是钎焊材料不会在硬化时变为液体，这可能导致需要重新修整。

在钎焊和硬化之后，优选进行回火，以调节喷嘴材料的性能，包括尤其是铁基材料的疲劳强度。

可以使用颗粒材料来制造外套，且在此情况下整个外套或外套材料的一部分优选将具有下部的中心部件面向上放置，管状保持器放在中心部件上，颗粒材料填充入保持器，钎焊材料放在粉末上方，然后进行钎焊，从而使粉末钎焊在一起形成外套材料。这样的优点是简单的管段可以用作保持器，代替加工成套筒形状的外套坯料，其中内部几何形状匹配中心部件的外部几何形状。

现在将参照示意图详细描述本发明。

图1是经过安装在燃油阀下端大致轮廓示例上的喷嘴的纵向剖面图，

图2是经过钎焊之前喷嘴的喷嘴部件的剖面图，

图3示出了经过钎焊和加工喷嘴孔之后图2的喷嘴的剖面图，

图4是对应于图2的为钎焊制备的喷嘴部件另一示例的剖面图，

图5和6示出了在钎焊之前和之后的喷嘴部件的第三示例，

图7示出了在钎焊之前的喷嘴部件15的第四示例，

图8示出了具有包封绝缘材料的另一实施例。

图1示出了内燃机中燃油阀的喷嘴，总体上标为1，该内燃机可以是四冲程发动机，但优选为二冲程十字头型发动机，每个汽缸具有一个以上的燃油阀。后一种发动机通常对喷嘴的寿命有严格的要求，其中因为所述发动机通常在重质燃油下工作，这可能甚至含硫。

喷嘴经中心孔在阀壳体2端部伸出，其环形表面3可以压靠汽缸盖14的对应邻接表面，而使具有喷嘴孔4的喷嘴顶端伸入到燃烧室15内，且可以在燃油阀打开时喷射燃油。燃油阀具有有阀针6的阀滑块5以及阀座7，在示出的阀设计中，阀座位于滑块引导件8的下端。滑块引导件向下压靠喷嘴1的面向上的表面。阀针可以支撑环圈形式的第二关闭部件12，该部件经较长且薄的轴13旋入阀前端7的孔中，或以其他方式安装。这种用于在雾化结束时快速关闭喷嘴孔的第二关闭部件对于大型二冲程十字头型发动机的喷嘴来说是公知的。有利的是，第二关闭部件可以由工具钢制成，因为它沿也由工具钢制成的纵向通道的内表面滑动。这是利用了两种工具钢互相运行良好的事实。

本发明的喷嘴也可用于没有这种第二关闭部件的燃油阀，以及主阀座在喷嘴中位于下方的燃油阀，致使阀座下方的燃油通道体积最小。而且喷嘴孔可以不仅朝向喷嘴的一侧，而且代之以一侧和另一侧，或沿喷嘴的整个圆周分散。

喷嘴具有中心纵向通道9，喷嘴孔4从通道向外通向喷嘴的外表面。喷嘴由耐腐蚀合金制成的外套10和铁基合金制成的中心部件11组成。所述外套10构成至少在喷嘴孔周围的喷嘴最外区域，且可能向上延伸，并构成在从阀壳体2伸出的喷嘴整个部分上的喷嘴外表面。

耐腐蚀合金制成的外套10可以由颗粒原材料制成，但优选由铸造或锻造材料制成。可用作外套材料的适用合金示例是镍基合金，该合金例如按重量百分比计，且除了通常存在的杂质之外，包含15至30％的Cr，0.02至0.55％的C和任选的下述一种或多种成分：0至15％的W，0至8％的Al，0至5％Ti，0至20％的Co，0至2％Hf，0至5％的Nb和/或Ta，0至35％的Mo，0至10％的Si，0至1.5％的Y，和0至20％的Fe。所述合金可含有不可避免的杂质，且余量为镍。

这种合金的典型示例具有下述成分：23％Cr，7％W，5.6％Al，1％Si，0.5％C和0.4％Y。这种合金例如可具有±350MPa至±440MPa的疲劳强度σ_A。

镍基合金也可以是下述类型，按重量计且除了通常存在的杂质之外，包含35至60％的Cr，0.02至0.55％的C和任选的下述一种或多种成分：0至小于1.0％的Si，0至5.0％的Mn，0至5.0％的Mo和/或W，0至小于0.5％的B，0至8.0％的Al，0至1.5％Ti，0至0.2％的Zr，0至3.0％的Nb，0至最大2％的Hf，0至最大1.5％的Y，0至1％的N，和合计含量0至最大为5％的Co与Fe。所述合金可含有不可避免的杂质，且余量为Ni。这种材料具有较高的疲劳强度，和非常高的抗热腐蚀和燃油的侵蚀影响的能力。

用作外套材料的其他合金示例在表1中示出。

表1：

  合金  除通常存在的杂质之外的大致成分(重量％)热膨胀系数(10^-6/℃)  Inconel 625 0.1％C 22％Cr 9％Mo 3.5％Nb0.4％Al 0.4％Ti，余量Ni    13.9  Inconel 617 0.07％C 22％Cr 12.5％Co 9％Mo1.2％Al 0.6％Ti，余量Ni    13.8  Inconel 725 0.03％C 21％Cr 8％Mo 3.5％Nb1.4％Ti，9％Fe，余量Ni    14.1  Inconel 657 0.1％C 50％Cr 1.5％Nb，余量Ni    13.4  Hastelloy B2 0.01％C 28％Mo 1％Cr 2％Fe1％Co，余量Ni    11.6  Hastelloy G30 0.03％C 30％Cr 15％Fe 5％Co5.5％Mo，1.5％Nb 2％Cu 2.5％W，余量Ni    15.2

热膨胀系数在上面描述为从20℃加热至500℃的平均线性热膨胀系数，即，它与500℃相关。可取的是，所述外套材料具有比中心部件更高的热膨胀系数，从而在加热时形成钎焊间隙。这样在从钎焊温度冷却到20℃时，在中心部件中出现压缩应力。如果所述外套材料具有比中心部件的材料更低的热膨胀系数，则外套和中心部件应当互相适应，使得在20℃时两部件之间的间隙比所需的钎焊间隙更大。

也可以使用钴基合金，比如Celsit 50-P，但它们具有约±150MPa的疲劳强度σ_A，因此它们不是优选的材料。

用于喷嘴中心部件的合金材料可以是铁基合金，优选为工具钢类型。所述中心部件可以通过用于工具钢的普通方法制成，或可以是ESR(电渣精炼)重铸。所述中心部件例如可以锻造或其他方式变形，比如挤压。应提出的示例是工具钢AISI H13，成分为0.4％C，1.0％Si，0.4％Mn，5.2％Cr，1％V，1.3％Mo，余量为Fe，或工具钢AISIH19，成分为0.45％C，0.4％Si，0.4％Mn，4.5％Co，4.5％Cr，0.5％Mo，2％V，4.5％W，余量为Fe，或来自美国的CrucibleResearch的工具钢CPM1V和CPM3V，通过可以随后挤压或加工的粉末冶金制成，CPM1V含有0.5％C，4.5％Cr，1％V，2.75％Mo，2％W，0.4％Si，0.5％Mn，余量为Fe，CPM3V含有0.8％C，7.5％Cr，2.5％V，1.3％Mo，0.9％Si，0.4％Mn，余量为Fe.

用于中心部件的其他合金材料示例在表2中示出，其中热膨胀系数以与表1相同的方式给出。

表2：

    合金除通常存在的杂质之外的大致成分(重量％)热膨胀系数(10^-6/℃)  AISI H11 0.4％C 5％Cr 1.3％Mo，0.5％V，余量Fe    13.1  AISI H21 0.3％C 3.5％Cr 9.5％W，0.5％V，余量Fe    12.8  AISI A8 0.5％C 5％Cr 1.4％Mo，1.2％W，余量Fe    12.1  AISI M2 0.9％C 4.3％Cr 5％Mo 6％W，2％V，余量Fe    12.3  AISI O1 0.9％C 0.5％Cr 0.5％W，余量Fe    13.3

例如可以如下所述进行钎焊。在多个实施例和示例中，相同类型的部件使用相同的附图标记。外套10和中心部件11如图2所示放置，外套在中心部件下部周围。外套10为套筒形状，且包围整个下部11a，该下部具有比中心部件的上部11b更小的外径。下部11a的外径为0至0.5mm，小于外套的内径，从而在两表面之间有0至0.25mm的间隙，且所述直径优选互相适应，而使间隙大小在0.05mm至0.1mm之间。

钎焊材料14沿外套10的上端以及外套和中心部件11之间的界面或间隙放在环形路径内。钎焊材料可以放在界面上的小凹槽内，或如图2所示，在外套上边缘的小凸缘15上。凸缘15仅用于在钎焊前保持钎焊材料，和在钎焊过程中将钎焊材料导入间隙内。在钎焊之后可以去除所述凸缘，例如通过磨削。

喷嘴坯料放入炉中，加热至钎焊温度，在此温度下由于毛细作用钎焊材料被吸入外套和中心部件之间的间隙中，此后钎焊材料16凝固，使所述表面互相锁定，参见图3。钎焊温度可以例如在925℃至1230℃之间。当以独立的热处理进行硬化时，钎焊温度优选为1100℃至1230℃之间。

钎焊材料例如可以是含有Cr、Si或B的镍基钎料。相应的镍基钎料通常含有5至20％Cr，和/或4至10％Si和/或C、B或Cu。示例是来自美国密歇根州的Madison Heights的Wall ColmomoyCorporation的钎焊材料，可以使用该公司的Nicrobraz系列的钎焊材料，这使其可以选择具有适当钎焊温度和钎料成份的钎焊材料。例如，Nicrobraz 30含有19％Cr，10.2％Si，最大0.06％C，余量为Ni，且具有约1190℃的钎焊温度。

在喷嘴坯料钎焊之后，喷嘴坯料的外部和内部几何形状可以精加工。这尤其意味着喷嘴孔4可以在坯料上加工出，且坯料的外表面也可车削或磨削至其最终形状。可取的是，如图3所示，喷嘴孔4从外套外表面至喷嘴孔内端的、在中心通道9内或处的区域具有恒定的直径。喷嘴孔的直径可以例如在0.5mm至1.5mm之间。

当完成几何形状加工时，喷嘴坯料可以硬化至中心部件的适当硬度。例如可以在1000℃至1100℃之间的温度下进行硬化，浸泡时间为10至40分钟。然后，以一次或多次回火处理的形式进行最后的热处理，回火对最终喷嘴的疲劳强度非常重要。回火可以例如在450℃至600℃的温度区间内进行，浸泡时间为2小时。可取的是，使用2小时的2或3个时间段在真空炉中或正常压力下且具有特殊气氛，比如还原性或惰性气氛的炉中进行两次或三次回火。

图4示出了在进行钎焊之前钎焊材料14的另一位置。钎焊材料14放在通道17的顶部，该通道穿过外套10面向上的端部，通向外套和中心部件之间的界面。钎焊材料可以被小型环形凸起围绕，以防止钎焊材料在钎焊过程中流动。

也可以在硬化同时进行钎焊，且在这种情况，钎焊材料优选具有925℃至1100℃之间的钎焊温度，且适当地为1000℃至1100℃。在将外套放在中心部件上，且布放钎焊材料14之后，坯料放入炉中，升温加热至硬化温度，例如可以在1025℃的温度下持续30分钟，或在1050℃的温度下持续15分钟。

对于特定的工具钢，疲劳强度通过对喷嘴坯料进行热处理而可以调节。所述工具钢可具有约为±500-900MPa的疲劳强度σ_A。可取的是，所述疲劳强度σ_A至少为±750MPa。同时，工具钢有利地具有耐磨性和硬度。

代替如图2所示制造具有精确内部几何形状的套筒形状的外套坯料，整个外套或外套的一部分可以由颗粒原材料制成。这可以例如如图5所示进行，取切断的管段，将其作为保持器18放在中心部件下部11a周围，所述中心部件已经提前向上反转。颗粒原材料19填充入保持器内，直到覆盖整个下部11a，且粉末在下部11a顶端上方到达适当的高度。粉末可以由多种粉末尺寸混和，且可以使用不同金属合金的粉末。而且，可以添加陶瓷粉末，以实现绝缘效果。陶瓷粉末例如可以放在所述下部顶端上方较短距离的层中，然后由耐腐蚀合金粉末覆盖。也可以使用多种粉末的分级混和物。

在粉末上方，钎焊材料14放置足够的数量，以便在钎焊时将粉末粘合成致密的结构。在钎焊之后，保持器18位于外套10的外表面上，如图6所示。保持器18在喷嘴最后精加工时去除。

在另一实施例中，保持器18为外套材料形成的管，且放在下部11 a的周围，如图7所示。保持器18是外套的一部分，且粉末仅必须填充在下部11a的顶部。利用这种保持器和外套设计，使重新精加工的需要最小化。

图8示出了外套含有完全包封在外套材料内的陶瓷材料20形成的绝缘件实施例。例如在陶瓷材料的外表面上可以有至少1mm的外套材料，从而不会降低喷嘴的耐腐蚀能力。

如果需要，可以使用扩散阻挡层。所述阻挡层可以是涂层，例如通过电解沉积施加在中心部件或外套上，或通过其他表面涂敷方法，比如电镀。所述阻挡层例如可以由镍、铜、钴或镍-磷制成。或者，所述涂层可以通过喷涂施加。所述阻挡层例如可以具有5至400μm的厚度，优选为10至100μm。

所述喷嘴可以具有不同于图1所示的其他设计。多个实施例和示例的细节可以组合成新的实施例。