PL199117B1 - Materiał na głowicę dyszy paliwowej silnika spalinowego oraz zastosowanie takiego materiału - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest materia l na g lowic e dyszy paliwowej silnika spalinowego, zw lasz- cza silnika wysokopr eznego du zej mocy, odznaczaj acy si e tym, ze materia l jest stopem na bazie chromu, który, z pomini eciem typowych zanieczyszcze n, sk lada si e w procentach wagowych z co najmniej 45% niklu (Ni), w egla (C) w zakresie powy zej 0% do 5 %, 0%-5% krzemu (Si) i 50%-55% chromu (Cr), oraz z co najmniej jednego pierwiastka reaktywnego z grupy sk ladaj acej si e z lantanu (La), ceru (Cr), itru (Y), hafnu (Hf), skandu (Sc) i pierwiastków ziem rzadkich, przy czym udzia l ka zdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwy zej 5%. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał na głowicę dyszy paliwowej silnika spalinowego oraz zastosowanie takiego materiału.

Chodzi tu zwłaszcza o silniki wysokoprężne dużej mocy.

W silnikach wysokoprężnych dużej mocy, stosowanych na przykład jako agregaty napędowe dla statków lub do wytwarzania prądu w urządzeniach stacjonarnych, paliwo -zazwyczaj jest to olej ciężki lub inne paliwo do silników wysokoprężnych - wprowadza się do komory spalania za pomocą dysz paliwowych. Te dysze wtryskowe zawierają z reguły głowicę, wchodzącą częściowo do komory spalania, zwaną również rozpylaczem. Głowica dyszy jest elementem podlegającym zużyciu, poddawanym wysokiemu łącznemu obciążeniu cieplnemu, mechanicznemu i chemicznemu. Zależnie od stopnia obciążenia na głowicy dyszy mogą wystąpić uszkodzenia, na przykład ubytek materiału w następstwie korozji, erozji i/lub abrazji, względnie pęknięcia, które mogą prowadzić do pękania głowicy.

Obciążenia mechaniczne spowodowane są również wysokim ciśnieniem wtrysku, które może wynosić ponad 10⁸Pa (tysiąc barów). Wewnątrz głowicy dyszy mogą wystąpić ubytki materiału w wyniku kawitacji i/lub erozji. Obciążenia cieplne są spowodowane wysokimi temperaturami w komorze spalania i wyjątkowo dużymi zmianami temperatury pomiędzy temperaturą spalania i temperaturą świeżo doprowadzonego powietrza przepłukującego. Także wewnątrz głowicy dyszy, przez którą wprowadzane jest paliwo, pulsujący wtrysk powoduje szokowe zmiany temperatury. Obciążenie chemiczne głowicy dyszy wynika głównie z korozji wysokotemperaturowej lub korozji gazowej. Korozja gazowa, spowodowana w pierwszym rzędzie przez zawarty w paliwie wanad, sód i siarkę, sprzyja wytrawianiu materiału i erozji. Zwłaszcza korozja jest przyczyną tego, że głowica dyszy już po kilku tysiącach godzin pracy może nie nadawać się do użytku i wymaga zastąpienia nową.

Jako materiał na głowice dysz w silnikach wysokoprężnych dużej mocy stosuje się obecnie zazwyczaj stale lub stopy na bazie niklu lub kobaltu, na przykład stellity 6. W oparciu o stellity 6, stanowiące stop na bazie kobaltu, można obecnie osiągnąć czasy pracy elementów w odniesieniu do erozji, abrazji i kawitacji (zwłaszcza w otworach głowicy dyszy) wystarczające dla głowic dysz w silnikach wysokoprężnych. Poprawy wymaga jednak odporność na korozję gazową i spowodowane lub zintensyfikowane przez nią ubytki materiału. Postęp pozwala oczekiwać, że w przyszłych, mających jeszcze większą moc, silnikach wysokoprężnych dużej mocy będą również wzrastać wymagania dotyczące obciążeń, zwłaszcza głowic dysz.

Z opisu europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-A-0 529 208 znany jest stop na bazie chromu, który zawiera od 30 do 48% niklu, od 1,5 do 15% wolframu i/lub od 1 do 6,5% molibdenu, przy czym suma zawartości wolframu i molibdenu nie przekracza 15%. Stop ten jest ujawniony jako materiał powłokowy (Hard Facing - napawanie utwardzające), nadający się zwłaszcza do powlekania zaworów w silnikach samochodowych. Zawartość wolframu i/lub molibdenu jest przy tym istotna, aby nadać materiałowi powłoki wymaganą wytrzymałość i twardość.

Celem wynalazku jest zaproponowanie materiału i wykonanej z niego głowicy dyszy, która lepiej wytrzymuje łączne obciążenia w silniku wysokoprężnym dużej mocy, zwłaszcza zaś wykazuje dużą odporność na korozję gazową.

Materiał na głowicę dyszy paliwowej silnika spalinowego, zwłaszcza silnika wysokoprężnego dużej mocy, odznacza się według wynalazku tym, że materiał jest stopem na bazie chromu, który z pominięciem typowych zanieczyszczeń, składa się w procentach wagowych z co najmniej 45% niklu (Ni), węgla(C) w zakresie powyżej 0% do 5%, 0%-5% krzemu (Si) i 50%- 55 % chromu (Cr), oraz z co najmniej jednego pierwiastka reaktywnego z grupy składającej się z lantanu (La), ceru (Cr), itru (Y), hafnu (Hf), skandu (Sc) i pierwiastków ziem rzadkich, przy czym udział każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 5%.

Korzystnie udział każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,2% wag., udział węgla (C) wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,05% wag., zaś udział krzemu (Si) wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,5% wag.

Korzystnie materiał jest wykonany metodą izostatycznego prasowania na gorąco.

Korzystnie materiał jest z odpowiedniego proszku metalu o przeważającej wielkości ziarna od 10 do 200 mikrometrów, zwłaszcza od 40 do 150 mikrometrów.

Zastosowanie materiału opisanego powyżej do wytwarzania głowicy dyszy paliwowej silnika spalinowego, zwłaszcza silnika wysokoprężnego dużej mocy.

PL 199 117 B1

Korzystnie materiał stosuje się do wytwarzania głowicy dyszy zawierającej wzdłużny otwór i co najmniej jeden, wychodzący ze wzdłużnego otworu, otwór dyszowy do wprowadzania paliwa do komory spalania, przy czym przejście pomiędzy wzdłużnym otworem i otworem dyszowym jest zaokrąglone, korzystnie elektrochemicznie.

Stop według wynalazku na bazie chromu okazuje się wyjątkowo odporny na korozję, zwłaszcza korozję gazową, erozję, abrazję, ubytki materiału i kawitację. Głowica dyszy, wykonana z takiego stopu na bazie chromu, może skutecznie wytrzymywać wysokie łączne obciążenia, występujące w silniku wysokoprężnym. Także jej wytrzymałość mechaniczna, odporność na pękanie i wytrzymałość zmęczeniowa na obciążenia pulsacyjne spełniają stawiane wymagania. Okazało się, że zastosowanie głowicy dyszy według wynalazku w silniku wysokoprężnym dużej mocy pozwala osiągnąć czas pracy od 8000 do 15000 godzin.

Zwłaszcza wysoka zawartość chromu w materiale według wynalazku ma szczególne znaczenie dla odporności na intensywne oddziaływanie korozji wysokotemperaturowej, jaka występuje zazwyczaj w komorze spalania silnika wysokoprężnego zasilanego olejem ciężkim. Chrom tworzy na powierzchni głowic dysz szczelne i trwale przylegające warstwy tlenków chromu, które nadają materiałowi odporność chemiczną. Dzięki wysokiej zawartości chromu może on ponadto szybko dyfundować z wnę trza gł owicy na jej powierzchnię i tam uzupeł niać uszkodzenia powstał e w warstwie tlenków.

Materiał zawiera co najmniej jeden pierwiastek reaktywny z grupy, składającej się z lantanu (La), ceru (Cr), itru (Y), hafnu (Hf), skandu (Sc) i pierwiastków ziem rzadkich, przy czym udział każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 5%.

Funkcja pierwiastków reaktywnych w materiale polega na ich pozytywnym oddziaływaniu na stabilność samej warstwy tlenków chromu oraz jej przyczepność względem głowicy dyszy. Już niewielkie ilości takich pierwiastków reaktywnych mogą wyraźnie poprawić podatność na utlenianie, zwłaszcza zaś przyczepność warstwy tlenków, w szczególności przy zmiennych obciążeniach cieplnych.

Ze względu na mechaniczne własności technologiczne udział niklu wynosi korzystnie co najmniej 45%. Dzięki mniejszej w związku z tym zawartości chromu materiał jest mniej kruchy i daje się łatwiej przetwarzać względnie obrabiać.

Zgodnie z wynalazkiem materiał składa się w procentach wagowych, z pominięciem typowych zanieczyszczeń, z co najmniej 45% niklu (Ni), 50-55% chromu (Cr), 0-5% węgla (C), 0-5% krzemu (Si) i do 5% jednego lub kilku pierwiastków reaktywnych. Okazał o się , ż e przy takim skł adzie stopu moż na wytwarzać głowice dysz, które znakomicie wytrzymują wysokie łączne obciążenia występujące w silnikach wysokoprężnych dużej mocy, zwłaszcza zaś wykazują wysoką odporność na korozję gazową.

Dodatek takich składników jak na przykład wolfram lub molibden, które mają zwiększać twardość względnie wytrzymałość. w materiale według wynalazku nie jest konieczny.

W praktyce korzystne okazało się, jeżeli udział każ dego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 1%, zwłaszcza co najwyżej 0,2%, udział węgla (C) wynosi co najwyżej 1%, zwłaszcza co najwyżej 0,05%, zaś udział krzemu (Si) wynosi co najwyżej 1%, zwłaszcza co najwyżej 0,5%.

Zazwyczaj wystarcza obecność jednego z pierwiastków reaktywnych w materiale według wynalazku. Zależnie od przeznaczenia korzystne może być jednak wytwarzanie materiału z zastosowaniem kilku pierwiastków reaktywnych.

O własnościach materiału, zwłaszcza stopu, decyduje często nie tylko jego skład chemiczny, lecz także proces wytwarzania. W przypadku materiału według wynalazku, względnie wykonanej z niego dyszy gł owicy, korzystne okazał o się , jeż eli materiał jest wykonany metod ą izostatycznego prasowania na gorąco.

Materiał jest korzystnie wykonany z odpowiedniego proszku metalu o przeważającej wielkości ziarna od 10 do 200 mikrometrów, zwłaszcza od 40 do 150 mikrometrów. Oznacza to, że większa część ziaren proszku ma wielkość od 10 do 200, zwłaszcza od 40 do 150 mikrometrów.

W korzystnej postaci wykonania głowica dyszy ma wzdłużny otwór i co najmniej jeden, wychodzący ze wzdłużnego otworu otwór dyszowy do wprowadzania paliwa do komory spalania, przy czym przejście pomiędzy wzdłużnym otworem i otworem dyszowym jest zaokrąglone, korzystnie elektrochemicznie (metodą anodowo-mechaniczną). Zaokrąglenie obszarów przejściowych pozwala wyeliminować ostre krawędzie na drodze przepływu paliwa, co z kolei optymalizuje warunki przepływu.

Głowica według wynalazku nadaje się zwłaszcza dla dyszy paliwowej silnika spalinowego, zwłaszcza silnika wysokoprężnego. Głowica według wynalazku względnie zaopatrzona w nią dysza paliwowa nadaje się w szczególności dla silników wysokoprężnych dużej mocy, na przykład płukanych

PL 199 117 B1 wzdłużnie dwusuwów wysokoprężnych dużej mocy z napędem wodzikowym lub dla czterosuwów wysokoprężnych dużej mocy.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia dyszę paliwową ze zgodną z wynalazkiem głowicą dyszy, w przekroju.

Na rysunku ukazana jest w przekroju dysza paliwowa silnika wysokoprężnego dużej mocy, zwłaszcza dwusuwu wysokoprężnego dużej mocy z płukaniem wzdłużnym, opatrzona w całości odnośnikiem 1. Dysza paliwowa 1 zawiera zgodną z wynalazkiem głowicę 2 w przykładzie wykonania, zamocowaną na korpusie 3. Korzystnie głowica 2 dyszy jest - jak przedstawiono - połączona rozłącznie z korpusem 3, w związku z czym głowicę moż na wymieniać oddzielnie, czyli bez konieczności dokonywania wymiany całej dyszy paliwowej 1.

Głowica 2 dyszy ma wzdłużny otwór 20 oraz kilka, na przykład pięć, otworów dyszowych 21, z których na rysunku przedstawione są tylko dwa. Poszczególne otwory dyszowe 21 wychodzą ze wzdłużnego otworu 20 i rozciągają się stamtąd w kierunku promieniowym, lekko nachylonym w dół. W czasie pracy paliwo, zazwyczaj olej ciężki lub inne paliwo do silników wysokoprężnych, jest wtryskiwane w znany sposób pulsacyjnie, odpowiednio do cyklu pracy silnika wysokoprężnego dużej mocy, i pod dużym ciśnieniem przez wzdłużny otwór 20 i otwory dyszowe 21 do nie przedstawionej bliżej komory spalania.

W tym przykładzie wykonania głowica 2 dyszy jest wykonana z materia łu będącego stopem na bazie chromu, zawierającym pierwiastek reaktywny. Na pierwiastek reaktywny nadaje się pierwiastek ziem rzadkich lub podobny metal. Odpowiedni jest w szczególności lantan (La), cer (Ce), itr (Y), hafn (Hf), skand (Sc). Materiał ma wysoki udział wagowy niklu od 45 do korzystnie 50%, aby wykazywał lepszą podatność na obróbkę.

W niniejszym przykładzie wykonania zawartość niklu w stopie wynosi powyżej 45%, zaś jako pierwiastek reaktywny zastosowany jest lantan o udziale wagowym poniżej 0,1%. Pomijając typowe zanieczyszczenia resztę stanowi chrom.

Materiał może oczywiście zawierać również więcej niż jeden pierwiastek reaktywny. Korzystnie udział wagowy każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej zwłaszcza co najwyżej 0,2%.

Głowica 2 dyszy jest korzystnie wykonana metodą izostatycznego prasowania na gorąco (HIP: hot isostatic pressing).

W procesie wytwarzania materiały wyjściowe czyli tutaj chrom, nikiel i lantan jako pierwiastek reaktywny - rozpyla się w znany sposób do postaci proszku. Wielkość ziarna proszku wynosi w niniejszym przykładzie wykonania w przeważającej części od 45 do 150 mikrometrów. W wyniku izostatycznego prasowania na gorąco z proszku wytwarza się półwyrób, na przykład pręt. Z półwyrobu metodami obróbki mechanicznej, zazwyczaj obróbki wiórowej, wykonuje się głowicę 2 dyszy. Wzdłużny otwór 20 oraz otwory dyszowe 21 wierci się. Korzystnie zaokrągla się wówczas obszary przejściowe (krawędzie) pomiędzy wzdłużnym otworem 20 i otworami dyszowymi 21. Krawędzie te zaokrągla się zwykle elektrochemicznie (obróbką anodowo-mechaniczną).

Parametry procesu izostatycznego prasowania na gorąco można optymalizować dla poszczególnych przypadków zastosowań.

Materiał według wynalazku, względnie wykonana zeń głowica 2 dyszy wykazuje bardzo dobrą odporność na korozję gazową i związane z nią ubytki materiału. Spełniają one również bardzo dobrze wymagania w zakresie zespołu obciążeń cieplnych, mechanicznych i chemicznych występujących w silniku wysokoprężnym duż ej mocy. Za pomocą takich gł owic 2 dysz moż na osiągnąć czas pracy wynoszący od 8000 do 15000 godzin. Nawet po tak długim czasie pracy głowice dysz prezentowały się nadal w dobrym stanie. Ten wyjątkowo długi czas pracy jest bardzo korzystny, zwłaszcza w aspekcie ekonomicznym.

Głowica dyszy według wynalazku nadaje się zatem także dla przyszłych generacji silników wysokoprężnych dużej mocy, które mają jeszcze większą moc, zaś zastosowane w nich głowice dysz muszą spełniać jeszcze wyższe wymagania w zakresie wytrzymałości na obciążenia.

Claims (6)

1. Materiał na głowicę dyszy paliwowej silnika spalinowego, zwłaszcza silnika wysokoprężnego dużej mocy, znamienny tym, że materiał jest stopem na bazie chromu, który, z pominięciem typowych zanieczyszczeń, składa się w procentach wagowych z co najmniej 45% niklu (Ni), węgla(C)

PL 199 117 B1 w zakresie powyż ej 0% do 5%, 0% - 5% krzemu (Si) i 50% - 55% chromu (Cr), oraz z co najmniej jednego pierwiastka reaktywnego z grupy składającej się z lantanu (La), ceru (Cr), itru (Y), hafnu (Hf), skandu (Sc) i pierwiastków ziem rzadkich, przy czym udział każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 5%.

2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że udział każdego pierwiastka reaktywnego wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,2% wag., udział węgla (C) wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,05% wag., zaś udział krzemu (Si) wynosi co najwyżej 1% wag., zwłaszcza co najwyżej 0,5% wag.

3. Materiał według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jest wykonany metodą izostatycznego prasowania na gorąco.

4. Materiał według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jest z odpowiedniego proszku metalu o przeważ ającej wielkości ziarna od 10 do 200 mikrometrów, zwł aszcza od 40 do 150 mikrometrów.

5. Zastosowanie materiału określonego w zastrz. 1 do 4 do wytwarzania głowicy dyszy paliwowej silnika spalinowego, zwłaszcza silnika wysokoprężnego dużej mocy.

6. Zastosowanie według zastrz. 5, znamienne tym, że materiał stosuje się do wytwarzania głowicy dyszy zawierającej wzdłużny otwór (20) i co najmniej jeden, wychodzący ze wzdłużnego otworu (20), otwór dyszowy (21) do wprowadzania paliwa do komory spalania, przy czym przejście pomiędzy wzdłużnym otworem (20) i otworem dyszowym (21) jest zaokrąglone, korzystnie elektrochemicznie.