-
Die
Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher, insbesondere einen Kraftstoffhochdruckspeicher,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers gemäß Oberbegriff
der unabhängigen
Patentansprüche.
-
Aus
der
DE 196 40 480
A1 ist ein Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen
bekannt, der aus einem Stahlrohr mit daran angeformten Anschlüssen für die Kraftstoffzu-
und -abfuhr besteht. Derartige Kraftstoffhochdruckspeicher sind
aufgrund der hohen Betriebsdrücke
von derzeit bis zu ca. 1600 bar und zukünftig bis über 2000 bar, die zudem ständig schwanken,
einer ausgeprägten
schwellenden Belastung ausgesetzt.
-
In
der Patentschrift
DE
44 44 553 C2 ist ein Verfahren zur Vorbehandlung von metallischen
rotationssymmetrischen Hohlkörpern
sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Dabei
wird der Hohlkörper
zunächst
gestrahlt und anschließend
rotierend auf eine wanddickenabhängige Temperatur
in einem Bereich zwischen 240 und 260 Grad Celsius erwärmt. Ferner
wird dieser elektrostatisch mit einem pulverförmigen Epoxyharz Primer in einer
Schichtdicke von 10 bis 30 μm
und darauffolgend mit einem pulverförmigen Thermoplast in einer Schichtdicke
von 200 bis 600 μm
sprühbeschichtet, bevor
der Hohlkörper
an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
-
In
der Offenlegungsschrift
DE
41 02 051 A1 ist eine dickwandige Metallrohrleitung mit
einem schmalen Außendurchmesser
von weniger als 20 mm offenbart. Die Rohrleitung wird als Durchtritt
für zu
fördernde
Kraftstoffe, beispielsweise Alkohole, verwendet. Ferner besteht
die Rohrleitung aus einem dickwandigen Metallrohr und einer Beschichtungsauflage,
die sich in direktem Kontakt mit der Innenfläche des Rohrs befindet. Die
Beschichtungsfläche
besteht aus Polytetrafluorethylen, und die Innenfläche der
Beschichtungsauflage bildet einen Fluiddurchtritt.
-
In
der Patentschrift
DE
196 07 521 C1 ist ein mit hohem Druck belastbares Kraftstoff-Verteilrohr
offenbart, das eine zum lösbaren
Anschließen
eines Abzweigrohres dienende Verbindungsanordnung umfasst. Ferner
umfasst das Kraftstoff-Verteilrohr eine
sich radial durch die Wand des Verteilerrohres erstreckende Anschlussbohrung,
die einen inneren Abschnitt und einen anschließenden äußeren Abschnitt aufweist. Eine
Innenbohrung einer Gewindebüchse
setzt die Anschlussbohrung fort, wobei die Gewindebüchse zur
Aufnahme eines Abzweigrohres dient. Durch eine Druckfläche eines
Andrückelements
wird bei dessen Aufschrauben eine Kraft ausgeübt durch die das Abzweigrohr
an den äußeren Abschnitt
gedrückt
wird.
-
Aus
DE 692 24 300 T2 ist
ein Verbundrohr bekannt, welches eine zylindrische äußere Metalleitung
mit einer Außenwand
und einer nach innen gerichteten Wand, die einen zentralen sich
dort längs hindurch
erstreckenden Schacht begrenzt, und ein Innenrohr aus einem geeigneten
nicht- reaktiven Werkstoff aufweist. Dabei ist das Innenrohr von
der zylindrischen Metalleitung umgeben und in dieser angeordnet
ist. Die Innenrohrleitung umgibt und begrenzt eine hohle Rohrleitung,
die sich längs
durch die Verbundrohrleitung erstreckt, und schützt die Fläche der nach innen gerichteten
Metallwand vor Berührung
mit dort hindurch beförderten
potentiell reaktiven Flüssigkeiten.
-
In
der Offenlegungsschrift
DE
198 48 587 A1 ist ein Beladen der Innenwandungen eines
Kraftstoff-Einspritzsystems mit einer fluororganischen Verbindung
offenbart. Dabei wird ein Kohlenwasserstoffrest, der teilweise fluoriert
oder chlorflu oriert ist, über
eine polare oder dipolare Gruppe selektiv an Störstellen der Oberfläche der
Innenwandung angelagert, wodurch die hydraulische Reibung des Kraftstoffes
an der Innenwandung deutlich herabgesetzt wird.
-
Nachteilig
an den bekannten Kraftstoffhochdruckspeichern ist deren Anfälligkeit
für Dauerbrüche bei
länger
anhaltendem Betrieb. Diese Dauerbrüche haben ihre Ursache in Strukturfehlern
der Oberfläche,
Kerbstellen und feinen Rissen, die bei der Massenfertigung einerseits
unvermeidlich sind, andererseits jedoch oftmals nur schwer im Rahmen
einer permanenten Qualitätskontrolle
erkennbar sind. Insgesamt wird die Dauerfestigkeit des Bauteils
durch die Fehlertiefe der Oberflächenbeschädigungen
limitiert. In Risse eindringendes Medium unter schwellendem Hochdruck
führt zur
Rissfortpflanzung und mit fortschreitendem Riss schließlich zum
Versagen des Druckkörpers.
-
Eine
Möglichkeit
der Steigerung der Dauerfestigkeit liegt im weitgehenden Ausschluss
der Risse und sonstigen Oberflächenschäden. Die
hierzu notwendigen Bearbeitungen und/oder permanenten Qualitätsüberwachungen
in der Fertigung sind aufwendig und verursachen erhebliche zusätzliche
Kosten. Eine weitere Möglichkeit,
die Ausbreitung von bereits vorhandenen Rissen zu verhindern, ist
bei der Herstellung von Hochdruckrohren bekannt. In die Hochdruckrohre
werden sehr dünne
Metallrohre oder auch einfache Kunststoffschläuche eingebracht, welche das
Eindringen des im Rohr befindlichen Mediums in Risse oder sonstige
Oberflächenschäden verhindern.
-
Nachteilig
an derartig nachträglich
eingefügten
Innenrohren ist die nur begrenzte Möglichkeit, damit den Innenkonturen
des Hochdruckrohres zu folgen. Ist dieses beispielsweise stark gewinkelt
oder mehrfach gekrümmt,
kann die Einbringung eines dünnen
Metallrohres oder eines flexiblen Kunststoffschlauches erhebliche
Schwierigkeiten bereiten bzw. ganz unmöglich sein.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Hochdruckspeicher mit beliebiger Innenkontur
zu schaffen, bei dem die Dauerfestigkeit bei Beaufschlagung mit
schwellender Innendruckbelastung erhöht ist.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Eine
Beschichtung eines Hochdruckspeichers mit einer nachträglich auf
die Innenfläche
des Druckspeichers aufgebrachten Kunststoffschicht hat insbesondere
den Vorteil, dass der Hochdruckspeicher eine beliebige Innenkontur
aufweisen kann. Er kann beispielsweise eine herkömmliche rohrförmige Kontur
aufweisen. In diesem Fall kann die Beschichtung mit gleichmäßiger Schichtdicke
auch an den Übergängen zu
den Anschlussstutzen aufgebracht sein, was mit einem eingeschobenen
dünnen
Metallrohr gemäß dem erwähnten Stand
der Technik nicht realisiert werden kann. Die Kunststoffschicht
verhindert wirkungsvoll eine Rissausbreitung, ausgehend von Mikroporen
oder Rissen an der – dem
unter hohem Druck stehenden Medium ausgesetzten – Innenfläche des Hochdruckspeichers,
indem solche Poren und Risse verschlossen werden und ein Eindringen
von Medium verhindert wird.
-
Weiterhin
ist es möglich,
die Beschichtung in einen beliebig geformten Hochdruckspeicher einzubringen,
gleichgültig
ob dieser eine gerade, zylindrische, gekrümmte, sphärische oder kugelförmige Kontur
aufweist. Bei einem kugelförmigen
Hochdruckspeicher wäre
es kaum möglich,
eine metallische Innenbeschichtung nachträglich einzufügen, welche
eine zuverlässige
Rissausbreitung verhindern könnte.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers
anzugeben, das eine zuverlässige
und gleichmäßige Beschichtung
ermöglicht.
-
Diese
weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs
10 gelöst.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass durch
Einbringen einer elastomeren oder thermoplastischen Kunststoffbeschichtung
mit anschließender
Zentrifugierung des Hochdruckspeichers die noch flüssige oder
leicht zähe Schicht
gleichmäßig an der
Innenfläche
des Speicher verteilt werden kann und dabei zuverlässig in
alle vorhandenen Mikrorisse und Poren eindringt und diese gegen
das Eindringen vom Medium verschließt.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung und ihre Weiterbildungen finden sich in der
Figurenbeschreibung.
-
Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung näher
erläutert.
-
Die
einzige Figur zeigt einen beispielhaften Hochdruckspeicher im Querschnitt,
der typischerweise aus hochfestem Stahl besteht. An einem Hohlkörper 1,
das die umgebende Hülle
für ein
darin geführtes
flüssiges
Medium 4 bildet, sind mehrere parallele Anschlussstutzen 3 angeordnet,
von denen in der gezeigten Ansicht nur einer sichtbar ist. Neben
einer parallelen Anordnung der Anschlussstutzen sind ebenso versetzte
oder gegenüber
liegende Anordnungen möglich
und vorteilhaft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse für die Medienzu- und
-abfuhr als Anschlussstutzen 3 bezeichnet, was insbesondere
auf geschweißte
Anschlüsse
zutrifft. D.h. hier werden die Anschlussstutzen an ein vorgebohrtes
Stahlrohr angeschweißt.
Ebenso gebräuchlich
sind jedoch auch geschmiedete Hochdruckspeicher, bei denen der Speicher
bereits beim Schmieden mit Verzweigungen versehen wird, die anschließend mit
Gewinden versehen werden.
-
Das
flüssige
Medium 4 kann, je nach Anwendungsfall, beispielsweise Dieselkraftstoff
sein. Der Hohlkörper 1 weist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine zylindrische Kontur auf, kann jedoch ebenso mit einer sphärischen,
beispielsweise kugelförmigen,
Kontur ausgeführt
sein. Eine derartige kugelförmige
Kontur kann vorteilhaft sein, um den hohen Betriebsdrücken bei
Einspritzsystemen von Diesel-Brennkraftmaschinen von bis zu 2000
bar besser Stand zu halten.
-
Derartige
Hochdruckspeicher werden beispielsweise als Kraftstoffhochdruckspeicher,
auch als Speicherleitung bzw. Common-Rail bezeichnet, für Kraftstoffeinspritzsysteme
für Diesel-Brennkraftmaschinen
verwendet. Bei diesen Systemen wird der Kraftstoffhochdruckspeicher
von einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt. Über einzelne
Anschlussstutzen und daran angeschlossene Hochdruckleitungen wird
der Kraftstoff zu elektrisch angesteuerten Einspritzventilen geführt, die
den Kraftstoff der Brennkraftmaschine zumessen. Zwischen Leerlauf
und maximaler Last der Brennkraftmaschine kann ein Betriebsdruck
zwischen ca. 50 bar und bis zu 2000 bar in dem Hochdruckspeicher auftreten.
Dies bedeutet eine ausgeprägte
schwellende Belastung, die auch bei Hohlkörpern aus hochfestem Stahl
zum Versagen führen
kann, wenn sich vorhandene Ris se in der Innenwand des Hohlkörpers aufweiten
und im Material fort schreiten. Eine derartige Rissfortpflanzung
kommt dadurch zu Stande, dass das flüssige Medium in jeden Riss
eindringt, wobei aufgrund des statischen Flüssigkeitsdrucks der Druck von
allen Seiten auf die Risswände
wirkt. Ein derart hoher Druck in der Flüssigkeit kann dann zur Aufweitung
und zum Fortschreiten des Risses führen.
-
Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Hohlkörper 1 als
Stahlrohr ausgeführt.
Typischerweise finden hiefür
Rohre aus hochfestem Stahl Verwendung. An der Innenwand 15 des
Stahlrohrs ist eine Kunststoffschicht 2 aufgebracht, die
beispielsweise aus einem elastomeren, thermoplastischen oder duroplastischen
Kunststoff bestehen kann. Die Kunststoffschicht 2 kann
gegebenenfalls durch eingelagerte Fasern, beispielsweise Glas- oder
Kohlefasern, verstärkt
sein.
-
Die
Kunststoffschicht 2 kann in bevorzugter Weise mittels Spritzverfahren
auf die Innenwand 15 des Hohlkörpers 1 aufgebracht
werden. Zur Herstellung einer gleichmäßigen Schichtdicke der noch
flüssigen
oder bereits schon leicht zähen
Kunststoffschicht 2 kann der Hohlkörper 1 anschließend zentrifugiert
werden, d.h. einer schnellen Rotation unterworfen werden. Durch
ein solches Verfahren kann auch gewährleistet werden, dass feine
Unebenheiten und alle rissgefährdeten
Stellen zuverlässig
ausgekleidet und verschlossen werden.
-
Bevorzugt
finden solche Kunststoffe Verwendung, die in die Risse unter dem
Betriebsdruck im Hohlkörper 1 teilweise
oder vollständig
hinein extrudieren können.
Die Schichtdicke der Kunststoffschicht 2 beträgt zwischen
0,5 mm und wenigen μm, je
nach der durchschnittlich auftretenden Fehlertiefe des verwendeten
Ausgangsmaterials. So liegt beispielsweise die maximale Fehlertiefe
bei Präzisionsstahlrohren
ungefähr
zwischen 40 μm
und 100 μm, bei
einfacheren Stahlrohren bis hinauf zu 0,1 mm. Demzufolge genügt bei Präzisionsstahlrohren
eine Schichtdicke von weniger als 100 μm, während bei einfa cheren Stahlrohren
eine Schichtdicke erforderlich ist, die der maximalen Fehlertiefe
von bis zu 0,1 mm entspricht.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung liegt in einer nur teilweisen Beschichtung
der Innenwand 15 des Hohlkörpers 1 mit der Kunststoffschicht 2.
Es kann genügen,
dass diese nur lokale Anrisse und Unebenheiten ausfüllt. In
diesem Fall ist auch eine leichtere Qualitätskontrolle durchführbar, indem
beispielsweise eine stichprobenartige endoskopische Untersuchung
einer beschichteten Innenwand 15 erfolgt. Wenn nur lokale
Anrisse und Unebenheiten mit der Kunststoffschicht 2 ausgefüllt sind,
lassen sich diese Stellen anschließend leichter auf optischem
Wege kontrollieren und auf ihre Güte hin beurteilen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Variante der Beschichtung werden lediglich
besonders gefährdete Bereiche
des Hochdruckspeichers beschichtet. Dies sind beim geschweißten Hochdruckspeicher,
welcher mit Bohrungen versehen ist, woran anschließend die Anschlussstutzen
für die
Zu- und Abläufe
angeschweißt
werden, die Schweißnähte sowie
die daran angrenzenden Bereiche. Beim geschweißten und geschmiedeten Hochdruckspeicher,
der bereits mit angeschmiedeten Verzweigungen gefertigt wird, in
die nachträglich
nur noch die Gewinde geschnitten werden müssen, sind dies insbesondere
die Bohrungsverschneidungen. Gerade diese erwähnten Bereiche unterliegen
einer besonderen Dauerbelastung und sind besonders bruchgefährdet, sofern
sich an diesen Stellen Mikroporen oder Anrisse befinden. Besonders
bei diesen genannten Stellen, d.h. an inneren Bohrungsverschneidungen
oder Schweißstellen, ist
eine Kunststoffbeschichtung von besonderer Wichtigkeit. An den geraden
Abschnitten, die deutlich weniger dauerbruchgefährdet sind, kann sich eine Beschichtung
erübrigen.
-
Bei
einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers
wird zunächst
der Hohlkörper 1 herge stellt,
wobei die Anschlussstutzen bzw. Verzweigungen 3 entweder
bereits in einem Schmiedevorgang an den Hohlkörper 1 angeformt werden
können
oder bei einem vorgefertigten und anschließend gebohrten Hohlkörper 1 nachträglich angeschweißt werden
können.
Anschließend
wird die Beschichtung aufgebracht. Als bevorzugtes Material für die Kunststoffschicht
kann beispielsweise ein elastomerer, ein thermoplastischer oder
duroplastischer Kunststoff Verwendung finden. Diese verwendeten
Kunststoffe lassen sich leicht im Spritzverfahren verarbeiten und
können
anschließend
im noch flüssigen
oder halbflüssigen
bzw. zähen
Zustand durch Rotieren bzw. Zentrifugieren des Hohlkörpers 1 auf
dessen Innenwand 15 verteilt werden, wobei gleichzeitig
alle Unebenheiten und Anrisse ausgefüllt werden. Ebenso möglich ist
jedoch auch ein Aufbringen der Kunststoffschicht mittels Streichen
oder in einem Tauchbad, woran sich ein Zentrifugieren des Hohlkörpers 1 anschließen kann.
-
Die
Unebenheiten, Mikroporen und Anrisse können dabei entweder bis in
ihre Tiefe oder auch nur teilweise ausgefüllt sein. Eine vollständige Auskleidung
ist zwar von Vorteil, im Anwendungsfall aber nicht unbedingt notwendig,
denn eine nur teilweise Ausfüllung – beispielsweise
nur bis zu einem Drittel oder zur Hälfte der Risstiefe – reicht
aus, um bei der später
auftretenden hohen Druckbelastung das Medium nicht bis zum Rissgrund
vordringen zu lassen. Vielmehr drückt das unter Hochdruck stehende
Medium die Kunststoffschicht tiefer in den Riss, wo sie dann verbleiben
kann oder sich wieder elastisch zurückverformt, je nach verwendetem
Kunststoff. In jedem Fall ist auch hier sichergestellt, dass das
unter Hochdruck stehende Medium nicht bis zum Rissgrund vordringen
und dort zu einer Rissaufweitung führen kann.