(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼エンジンの燃料噴射ノズル（１）におけるノズルヘッド（２）であり、
前記ノズルヘッドが、通常生じる不純物を除きクロム基合金で形成されており、該クロム基合金が、質量％で、少なくとも４５％のＮｉ、５０％を超え５５％以下のＣｒ、ゼロ％を超え５％以下の炭素、ゼロ％を超え５％以下のＳｉ、および、Ｌａ、Ｃｅ、イットリウム（Ｙ）、Ｈｆ、Ｓｃ、および希土類元素から成る群から選ばれた少なくとも１種の反応元素を含み、各反応元素の合計含有量がゼロ％を超え５％以下であることを特徴とするノズルヘッド。
【請求項２】
前記各反応元素の含有量が最大１％である請求項１に記載されたノズルヘッド。
【請求項３】
前記各反応元素の含有量が最大０．２％である請求項１に記載されたノズルヘッド。
【請求項４】
炭素（Ｃ）の含有量が最大１％であり、Ｓｉの含有量が最大１％である請求項２または請求項３に記載されたノズルヘッド。
【請求項５】
炭素（Ｃ）の含有量が最大０．０５％であり、Ｓｉの含有量が最大１％である請求項２または請求項３に記載されたノズルヘッド。
【請求項６】
炭素（Ｃ）の含有量が最大０．０５％であり、Ｓｉの含有量が最大０．５％である請求項２または請求項３に記載されたノズルヘッド。
【請求項７】
熱間等静水圧圧縮成形法によって製造された請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載されたノズルヘッド。
【請求項８】
粒径が１０〜２００マイクロメータである金属粉末から製造された請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載されたノズルヘッド。
【請求項９】
粒径が４０〜１５０マイクロメータである金属粉末から製造された請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載されたノズルヘッド。
【請求項１０】
長手方向ボア（２０）と、燃料を燃焼空間に導入するための、前記長手方向ボアから始まる少なくとも１つのノズル開口とを有し、前記長手方向ボア（２０）から前記ノズル開口（２１）への移行部分が丸みを与えられている請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載されたノズルヘッド。
【請求項１１】
前記長手方向ボア（２０）から前記ノズル開口（２１）への移行部分が電気化学的に丸みを与えられている請求項１０に記載されたノズルヘッド。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載されたノズルヘッドを有する燃焼エンジン用燃料噴射ノズル。
【請求項１３】
請求項１２に記載された燃料噴射ノズルを有する燃焼エンジン。
【請求項１４】
前記燃焼エンジンが大型ディーゼルエンジンである請求項１３に記載された燃焼エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼エンジン（とりわけ、大型ディーゼルエンジン）の燃料噴射ノズルにおけるノズルヘッド、および該ノズルヘッドを有する燃焼エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、船舶用の駆動ユニットとして、または定置プラントで発電用に使用される大型ディーゼルエンジンでは、燃料噴射ノズルによって、燃料（典型的には、重油またはその他のディーゼル燃料）が燃焼空間内に導入される。これらの噴射ノズルは、通常、燃焼空間内に部分的に突出するノズルヘッド（アトマイザとも呼ばれる）を含む。ノズルヘッドは、熱的、機械的および化学的に高い負荷状態に曝される摩耗部品である。歪の程度に応じて、ノズルヘッドに損傷（例えば、腐食、エロージョンおよび／または摩耗の結果としての材料の消失、または、亀裂）を生じることがあり、これによって破損につながる可能性がある。
【０００３】
機械的歪は、千バールを越えることがある噴射圧にも起因する。キャビテーションおよび／またはエロージョンによって、ノズルヘッド内部に材料消耗が生じることがある。熱歪は、燃焼空間内の高温、および燃焼温度と新気供給される掃気温度との間の非常に大きな温度変化に帰因する。また、断続的噴射は、燃料が導入されるノズルヘッドの内部に衝撃的温度変化をもたらす。ノズルヘッドの化学的歪は、主に高温腐食または熱腐食（上昇温度での腐蝕）に起因する。主として、燃料に含まれるバナジウム、ナトリウムおよび硫黄によって引き起こされる熱腐食は、材料薄肉化とエロージョンを促進する。とりわけ、腐食が生じると、ノズルヘッドを使用できなくなり、また、僅か数千時間の動作の後に交換しなければならなくなる。
【０００４】
今日、鋼、または、ニッケル基またはコバルト基合金（例えば、ステライト６）が、大型ディーゼルエンジンのノズルヘッド用材料として使用されている。今日、エロージョン、摩耗およびキャビテーション（特にノズルヘッドのボアにおける）に関しては、コバルト基合金であるステライト６により、大型ディーゼルエンジンのノズルヘッド用として、十分な部品耐用年数を達成できる。しかし、前記合金によって引き起こされるかあるいは増幅される熱腐食および材料消耗に対する抵抗性について、なお改良の必要性がある。開発により、さらに強力な将来の大型ディーゼルエンジンについて、特にノズルヘッドに対する要求応力が増大し続けることが予想される。
【０００５】
３０〜４８％のニッケル成分を有し、さらに１．５〜１５％のタングステンおよび／または１〜６．５％のモリブデンを含有し、タングステンおよびモリブデンの成分の合計が１５％を超えないクロム基合金が、ＥＰ−Ａ−０５２９２０８から公知である。この合金は、自動車エンジンのバルブの被覆に特に適切な被覆材料（表面硬化）として開示されている。タングステンおよび／またはモリブデンの成分は、被覆材料に必要な強度および硬度を与えるために重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大型ディーゼルエンジンの高負荷状態により良く対処でき、また特に熱腐食抵抗性が高い材料から成るノズルヘッドを提案することである。
【０００７】
前記目的を満たす本発明の課題は、独立請求項で定義される内容によって特徴づけられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明によれば、以下の燃焼エンジン（とりわけ、大型ディーゼルエンジン）の燃料噴射ノズルにおけるノズルヘッドが提供される。
燃焼エンジンの燃料噴射ノズルにおけるノズルヘッドであり、
前記ノズルヘッドが、通常生じる不純物を除きクロム基合金で形成されており、該クロム基合金が、質量％で、少なくとも４５％のＮｉ、５０％を超え５５％以下のＣｒ、ゼロ％を超え５％以下の炭素、ゼロ％を超え５％以下のＳｉ、および、
Ｌａ、Ｃｅ、イットリウム（Ｙ）、Ｈｆ、Ｓｃ、および希土類元素から成る群から選ばれた少なくとも１種の反応元素を含み、各反応元素の合計含有量がゼロ％を超え５％以下であるノズルヘッド。
【０００９】
本発明によるクロム基合金は、腐食、特に熱腐食、エロージョン、摩耗、材料損失およびキャビテーションに対して特に抵抗性があると証明されている。このようなクロム基合金から製造されるノズルヘッドは、大型ディーゼルエンジンの高負荷状態に非常によく耐えることができる。その機械的強度、亀裂形成に対する抵抗性および脈動歪に対する長期の抵抗性は、それらの要求も満たしている。大型ディーゼルエンジンの本発明ノズルヘッドでは、８０００〜１５０００の動作時間が可能であることが示されている。
【００１０】
特に、本発明材料の高いクロム含有量は、重油を用いる大型ディーゼルエンジンの燃焼空間に典型的に生じるような高温腐食による激しい攻撃に対する抵抗性にとって特に重要である。クロムは、緻密で確実に接着するクロム酸化物層をノズルヘッドの表面に形成し、これによって材料に化学抵抗性を与える。さらに、高クロム含有量の故に、クロムはノズルヘッドの内部からノズルヘッドの表面に急速に拡散し、ノズルヘッドに生じていたクロム酸化物層の損傷を修復する。
【００１１】
本発明材料は、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、および希土類元素から成る群から選ばれる少なくとも１種の反応元素を含み、各反応元素の合計含有量は最大５％である。
【００１２】
本発明材料中の反応元素の機能は、クロム酸化物層それ自体のその安定性およびノズルヘッドとのその接着に積極的に影響を与えることである。特に温度変化による歪についても、少量の反応元素で、酸化物層の酸化挙動、特に接着力を改善できる。
【００１３】
技術的な機械的特性に関して、ニッケル含有量は少なくとも４５％を要する。本発明材料は、さほど脆くなく、また結果として低クロム量になるため、処理性または加工性が良好である。
【００１４】
特に、極めて好ましい実施態様では、本発明材料は、通常生じる不純物を除き、質量％で、Ｎｉ：少なくとも４５％、Ｃｒ：５０％超〜５５％、炭素（Ｃ）：ゼロ％超〜５％、Ｓｉ：ゼロ％超〜５％、および１種以上の反応元素：ゼロ％超〜５％を含む。ノズルヘッドは、独特の方法で大型ディーゼルエンジンの高負荷状態に耐えることができ、また特に熱腐食抵抗性の高い前記組成の合金で製造できることが確認されている。
【００１５】
硬度または強度を増大するタングステンまたはモリブデンのような成分の添加は、本発明材料には不要である。
【００１６】
各反応元素の含有量は、最大１％（とりわけ、最大０．２％）であることが特に有利である。好適には、炭素（Ｃ）の含有量は最大１％（とりわけ、最大０．０５％）であり、またＳｉの含有量は最大１％（とりわけ、最大０．５％）である。
【００１７】
本発明材料に、反応元素の１種が存在することで通常十分である。しかし、用途に応じて、複数の反応元素を有する材料を製造することも有利だろう。
【００１８】
材料、特に合金の化学的組成のみでなく、製造工程もその特性にとって決定的なものとなることが多い。本発明材料、または該材料から成るノズルヘッドは、熱間等静水圧圧縮成形法で製造することが有利であることが証明されている。
【００１９】
本発明材料は、好適には、主粒径１０〜２００マイクロメータ（特に、４０〜１５０マイクロメータ）を有する金属粉末から製造される。このことは、粉末粒子の大部分が粒径１０〜２００マイクロメータ（特に、４０〜１５０マイクロメータ）であることを意味する。
【００２０】
好適実施態様では、ノズルヘッドは、長手方向ボアと、燃料を燃焼空間に導入するための、長手方向ボアから始まる少なくとも１つのノズル開口とを有し、長手方向ボアからノズル開口への移行部分は好ましくは電気化学的に丸みを付与される（電解加工される）。燃料流路における鋭い縁は、移行領域に丸みを付与することによって回避され、これによって流動状態が最適化される。
【００２１】
本発明ノズルヘッドは、燃焼エンジン用、特にディーゼルエンジン用の燃料噴射ノズルに特に適切である。本発明ノズルヘッド、またはそれが設けられた燃料噴射ノズルは、大型ディーゼルエンジン、例えば、クロスヘッド駆動部を有するユニフロー掃気付きの２行程大型ディーゼルエンジンまたは４行程大型ディーゼルエンジンに特に適する。
【００２２】
本発明のさらに有利な手段と実施態様が、従属請求項から得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を見ながら、本発明の具体例について説明する。唯一の図面は概略図である。
【００２４】
図１は、全体として符号１で示されている、大型ディーゼルエンジン（特に、ユニフロー掃気付きの２行程大型ディーゼルエンジン）の燃料噴射ノズルの断面である。燃料噴射ノズル１は、ノズル本体３に固定された本発明によるノズルヘッド２の実施態様を含む。ノズルヘッド２は、図示のとおり、ノズルヘッドを別々に、すなわち燃料噴射ノズル１全体を交換する必要なしに交換できるように、ノズル本体３に取り外し可能に取着できることが好ましい。
【００２５】
ノズルヘッド２は、長手方向ボア２０と、複数（図では、２つのみが示されているが、例えば、５つ）のノズル開口２１とを有する。各ノズル開口２１は、長手方向ボア２０から始まり、そこから半径方向に僅かに下方に傾斜するように延在する。
【００２６】
運転の際、燃料（通常は重油、またはその他のディーゼル燃料）が、それ自体公知の方法で大型ディーゼルエンジンの作動サイクルに断続的に一致して、長手方向ボア２０とノズル開口２１とを通じて燃焼空間内（詳細は図示せず）に高圧で噴射される。
【００２７】
本実施態様では、ノズル２は、反応元素を含むクロム基合金材料から成る。反応元素としては、希土類または類似金属が適切である。特に、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）が適切である。本発明材料は、良好な加工性を保証するために、４５〜５０質量％の高比率ニッケルを含むことが好ましい。
【００２８】
本実施態様では、合金のニッケル量が４５％を超え、ランタンは、０．１％質量部未満の反応元素として含まれる。通常の不純物を除き、残部はクロムである。
【００２９】
本発明材料は、１種以上の反応元素を含み、好適には最大１質量％（とりわけ、最大０．２質量％）の各反応元素が含まれる。
【００３０】
本発明によるノズルヘッド２は、熱間等静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）工程によって製造されることが好ましい。
【００３１】
製造について、出発材料、すなわち本明細書では反応元素としてのクロム、ニッケルおよびランタンは、それ自体公知の方法で粉末にアトマイズされる。本実施態様の粉末の粒径は、大部分４５〜１５０マイクロメータである。未完成品（ブランク）または半加工品（例えば、棒）が、熱間等静水圧圧縮成形によって粉末から製造される。ノズルヘッド２は、機械的方法（通常は、切断加工）によって未完成品から製造される。長手方向ボア２０とノズル開口２１は穿孔される。次いで、好適には、長手方向ボア２０とノズル開口２１との間の移行領域（縁）に丸みが付与される。これらの縁は、好適には、電解加工で丸くされる。
【００３２】
熱間等静水圧圧縮成形の工程パラメータは、それぞれの用途のために最適化できる。
【００３３】
本発明材料または当該材料から製造されるノズルヘッド２は、熱腐食に対し、およびそれに関連する材料消耗に対して優れた抵抗性を有する。同様に、非常に優れた方法で、熱的、機械的および化学的負荷状態の他の要求に対処することができる。このようなノズルヘッド２では、８０００〜１５０００時間の運転時間を達成できる。ノズルヘッドは、このような長期間の使用後でも、なお良好な状態を示した。この長期間の耐用年数は経済的観点において特に大きな利点である。
【００３４】
したがって、本発明ノズルヘッドは、高出力でノズルヘッドの定格応力に対する要求をさらに高める次世代大型ディーゼルエンジンにも適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施態様としてのノズルヘッドを有する燃料噴射ノズルの断面図。
【符号の説明】
１  燃料噴射ノズル、
２  ノズルヘッド、
３  ノズル本体、
２０  長手方向ボア、
２１  ノズル開口
【図１】
0004870323.tif 000002