Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher,
insbesondere einen Kraftstoffhochdruckspeicher, gemäß
Oberbegriff des Hauptanspruchs. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Hochdruckspeichers. Der Hochdruckspeicher weist einen
hohlen Grundkörper mit mindestens einer Querbohrung auf,
deren Anschlußöffnung eine Fluidverbindung zum Innenraum
des Grundkörpers herstellt.
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Derartige Hochdruckspeicher sind bspw. aus der DE 199 49 962 A1
und der DE 199 48 338 A1 bekannt. Es handelt sich
dort jeweils um einen Kraftstoffhochdruckspeicher für ein
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer
Brennkraftmaschine. Bei derartigen Einspritzsystemen
fördert eine Hochdruckpumpe den einzuspritzenden Kraftstoff
aus einem Tank in den zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher
(Common-Rail). Von dort führen Kraftstoffleitungen zu den
einzelnen Injektoren, die den Zylindern der
Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Die
Kraftstoffhochdruckspeicher sind auf Drücke über 1.000 bar ausgelegt.
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Solche Hochdruckspeicher bestehen in der Regel aus einem
hohlen Gtundkörper, der Anschlußstutzen aufweist, in denen
eine Querbohrung in das Innere des Hohlkörpers führt. Es
hat sich gezeigt, daß die hochdruckbelasteten
Bohrungsverschneidungen, also der Übergangsbereich zwischen
der Rail-(Innen-)und Querbohrung, die höchstbelastete und
damit versagenskritische Stelle bilden. Der Innendruck in
den Bohrungen erzeugt nämlich Zugspannungen in
Umfangsrichtung, wobei sich die Zugspannungen der einzelnen
Bohrungen im Verschneidungsbereich überlagern und dort zu
Rißbildungen führen können.
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In der genannten DE 199 49 962 wird zur Erhöhung der
Druckfestigkeit des Kraftstoffhochdruckspeichers
vorgeschlagen, den Innenraum des Grundkörpers im Bereich
des Anschlußöffnungen eben auszubilden. Hierdurch werden
die Druckverhältnisse positiv beeinflußt und Zugspannungen
im Verschneidungsbereich vermindert, ohne das Bauvolumen
des Hochdruckspeichers zu erhöhen.
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Als Maßnahme zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit wird in
der DE 199 48 338 vorgeschlagen, den Grundkörper des
Hochdruckspeichers im Bereich der Anschlußöffnungen zu
verformen. Bspw. können durch elastische Verformungen des
Grundkörpers von außen in den kritischen Bereich der
Verschneidungen Druckeigenspannungen eingebracht werden,
die im Betrieb von dem in Inneren des Grundkörpers
herrschenden Innendrücken kompensiert werden. Bereiche mit
kritischen Zugspannungen können deutlich verkleinert
werden. Der entsprechende Kraftstoffhochdruckspeicher soll
Drücke von über 2.000 bar aushalten können. In dieser
Schrift wird vorgeschlagen, die elastische Verformung des
Grundkörpers über die Anpreßkraft des Anschlußstutzens zu
realisieren. Als weitere Möglichkeit kann ein als Schablone
dienendes Innenrohr in den Grundkörper eingebracht und mit
Hilfe der Außenkontur des sich verformenden Innenrohrs die
Innenkontur des Grundkörpers im Bereich der Anschlußöffnung
gestaltet werden.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer
Vorgehensweise gemäß der erstgenannten Schrift das
Verformungsverhalten des Innenraums des hohlen Grundkörpers
in der Praxis nur gering beeinflußt wird, und daß das
Herstellungsverfahren zur Ausbildung einer lokalen ebenen
Fläche im Inneren des Grundkörpers im Bereich einer
Anschlußöffnung kompliziert und daher kostenintensiv ist.
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Bei einer elastischen Verformung des Grundkörpers, wie sie
in der zweitgenannten Schrift vorgeschlagen wird, kann in
der Praxis nicht immer eine zeitlich konstante
Wirkungsweise garantiert werden, da die Gefahr besteht, daß
aufgrund äußerer Einflüsse der Grad der elastischen
Verformung und damit die gewünschte Wirkung nachläßt.
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Es soll mit vorliegender Erfindung folglich ein
Hochdruckspeicher und ein Verfahren zu seiner Herstellung
angegeben werden, die die oben genannten Nachteile
vermeiden. Insbesondere soll die einfache Herstellung eines
hochdruckstabilen Hochdruckspeichers möglich sein, dessen
Hochdruckeigenschaften zeitlich unverändert bleiben.
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Vorteile der Erfindung
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Der gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gekennzeichnete
Hochdruckspeicher weist einen hohlen Grundkörper auf, an
dessen Außen- und/oder Innenfläche eine oder mehrere
Einkerbungen und/oder Aussparungen zur Spannungsentlastung
des unter Druck stehenden Hochdruckspeichers angebracht
sind. Durch solche erfindungsgemäßen Entlastungskerben kann
das Deformationsverhalten des Grundkörpers des
Hochdruckspeichers in einer Art verändert werden, daß dem
an der höchst belasteten Stelle auftretenden
Zugspannungszustand eine Druckspannung entgegenwirkt, wobei
sich beide Spannungszustände überlagern mit der Folge, daß
die Maximalspannung reduziert wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß im Sinne dieser Beschreibung
eine Einkerbung sich von einer Aussparung dadurch
unterscheidet, daß die Breite einer Kerbe geringer als
deren Tiefe ist, während die Breite einer Aussparung
mindestens gleich ihrer Tiefe ist. Unter dem Begriff
Entlastungskerbe kann im folgenden - soweit nicht anders
angegeben - sowohl eine Einkerbung als auch eine Aussparung
verstanden werden.
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Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die
Entlastungskerben in der Nähe der höchst belasteten
Spannungsstellen des unter Druck stehenden
Hochdruckspeichers angebracht sind. Die Entlastungskerben
können dann direkt an den kritischen Stellen zu einer
Reduzierung der Maximalspannung beitragen. Die höchst
belasteten Spannungsstellen sind in der Regel die Bereiche
der Anschlußöffnungen, also der Bohrungsverschneidung der
Innenbohrung des hohlen Grundkörpers und der Querbohrung.
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Besonders Kraftstoffhochdruckspeicher (Common Rails) werden
in der Regel aus einem Grundkörper mit zylindrischem
Querschnitt hergestellt, wobei Querbohrungen, ggf.
exzentrisch angebracht, in axialer Richtung versetzt
entlang des rohrförmigen Grundkörpers angeordnet sind. In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind bei einem solchen
Hochdruckspeicher zumindest über Teile des Außen- und/oder
Innenumfangs des Grundkörpers Einkerbungen angebracht.
Vorzugsweise befinden sich diese Einkerbungen in der Nähe
der. Querbohrungen an den höchst belasteten Stellen. Auch
die Anordnung einer Einkerbung direkt im Bereich der
Querbohrung, wodurch diese verbreitert wird, ist möglich.
Aus herstellungstechnischer Sicht sowie hinsichtlich der
Wirksamkeit ist es sinnvoll, wenn sich die Einkerbungen
über den gesamten Umfang des Grundkörpers erstrecken.
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Weiterhin ist es bei einem hohlen Grundkörper zylindrischer
Gestalt vorteilhaft, zumindest über Teile des Innen-
und/oder Außenumfangs des Grundkörpers in axialer Richtung
sich erstreckende Aussparungen anzubringen, wobei diese in
geeigneter Weise einen großen Bereich zwischen zwei in
axialer Richtung benachbarten Querbohrungen einnehmen.
Durch eine solche Maßnahme wird zwar die Wandstärke des
Grundkörpers im Bereich der Aussparungen vermindert. Diese
Wandstärkeverminderung findet in einem ungekerbten Bereich
statt und führt nur zu einem relativ geringen
Spannungsanstieg. Es ist darauf zu achten, daß die minimale
Wandstärke derart gewählt wird, daß das Auftreten des
Spannungsmaximum nach wie vor im Bereich der
Bohrungsverschneidung liegt. Aufgrund der nicht mehr
konstant verlaufenden Wandstärke kommt es zusätzlich zur
Ausbildung einer Druckspannungskomponente im Bereich der
Bohrungsverschneidung. Diese Druckspannung verringert durch
eine entsprechende Überlagerung den Zugspannungszustand in
der Bohrungsverschneidung. Im Ergebnis wird die
Hochdruckfestigkeit des Speichers hierdurch gesteigert.
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Die beschriebenen erfindungsgemäßen Hochdruckspeicher
können dadurch hergestellt werden, daß über Teile des
Umfangs oder über den gesamten Umfang des Grundkörpers
gezielt Entlastungskerben bestimmter Querschnittsform
eingebracht werden. Dies kann bei einer geschmiedeten
Ausführung bereits bei der Rohlingherstellung erfolgen.
Kerbeformen können auch (zusätzlich) durch Dreh- oder
Fräsarbeitsgänge eingebracht werden.
Zeichnung
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Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung
anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
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Es zeigen:
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Fig. 1 einen erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckspeicher im Längsschnitt mit Einkerbungen entlang
des Umfangs des zylindrischen Grundkörpers;
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Fig. 2 einen erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckspeicher mit einem Grundkörper
zylindrischer Gestalt mit mehreren Querbohrungen
und Einkerbungen des Außenumfangs des
Grundkörpers;
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Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers mit einem
Grundkörper zylindrischer Gestalt, in dessen
Außenumfang eine Aussparung eingebracht ist;
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Fig. 4 einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckspeichers im Längsschnitt mit
Innenkerben;
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Fig. 5 einer erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckspeicher zylindrischer Gestalt, in dessen
Innengeometrie eine Aussparung eingebracht ist;
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Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung eines
Kraftstoffhochdruckspeichers mit
erfindungsgemäßen Einkerbungen in der Innen- und
Außenfläche des Grundkörpers;
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Fig. 7 den Ausschnitt einer Ausgestaltung der Erfindung,
bei er eine Innenkerbe entlang der Innenfläche
des Grundkörpers direkt an der Querbohrung
angebracht ist (Fig. 7A), und einen Querschnitt
dieser Darstellung (Fig. 7B); und
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Fig. 8 eine Ausgestaltung des Hochdruckspeichers aus
Fig. 7 in gleicher Darstellungsart, wobei hier
die Querbohrung exzentrisch angeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen
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Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen
Hochdruckspeichers, wie er für ein Common-Rail-
Einspritzsystem Verwendung findet. Der Hochdruckspeicher
besteht aus einem hohlen Grundkörper 1, der zylindrische
Form besitzt. Eine Querbohrung 2 führt über die
Anschlußöffnung 3 in das Innere 4 des Grundkörpers 1.
Kraftstoff kann aus einem Tank unter Hochdruck in das
Innere des Rails geleitet werden und gelangt von dort über
die Querbohrung 2 und den Anschlußstutzen 7 in einen
Injektor. Erfindungsgemäß ist über dem gesamten Umfang der
Außenfläche des Grundkörpers 1 eine Einkerbung 5
angebracht. Diese Entlastungskerbe 5 verändert das
Deformationsverhalten des Grundkörpers 1 bei Belastung mit
Hochdruck derart, daß Zug- und Druckspannungen sich derart
überlagern, daß die Maximalspannung reduziert wird.
Insbesondere die bei den bekannten Hochdruckspeichern im
Bereich der Anschlußöffnung 3 (im Verschneidungsbereich)
auftretenden Zugspannungen werden durch die
erfindungsgemäße Einkerbung 5 auf ein Maß reduziert, das
eine Rißbildung ausschließt.
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Die erfindungsgemäßen Entlastungskerben lassen sich
allgemein mathematisch charakterisieren durch ihren Abstand
a von der nächstgelegenen Querbohrung 2 (höchstbelastete
Stelle), ihre Breite b, ihre Tiefe h sowie einen etwaigen
Kerbradius R, wobei die Abmessungen eines zylindrischen
Grundkörpers neben seiner Länge im wesentlichen durch den
Innendurchmesser d und Außendurchmesser D festgelegt sind.
Es zeigt sich, daß die genannten Parameter der Einkerbungen
in gewissen Bereichen variiert werden können, ohne den
erfindungsgemäßen Effekt der Spannungsreduzierung
aufzuheben. Im allgemeinen sollte die Breite b der
Einkerbung etwas größer als der Durchmesser der Querbohrung
2 und die Tiefe h zwischen 25 und 75% der Wandstärke des
Grundkörpers 1 betragen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die zylindrische Gestalt des
hohlen Grundkörpers für den erfindungsgemäßen
Hochdruckspeicher nicht wesentlich ist.
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Fig. 2 zeigt einen zylindrischen
Kraftstoffhochdruckspeicher mit mehreren Anschlußstutzen 7
mit Querbohrungen 2, die eine Fluidverbindung zum Innenraum
4 des Grundkörpers 1 über Anschlußöffnungen 3 herstellen.
Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß. Fig. 1 sind in der Nähe
der höchst belasteten Stellen (Querbohrung 2) entlang des
Außenumfangs des Grundkörpers 1 Einkerbungen 5 angebracht,
die sich symmetrisch links und rechts von jeder Querbohrung
2 im gleichen Abstand a befinden. Der Abstand zwischen zwei
benachbarten Einkerbungen 5 ist mit B bezeichnet, wobei B
größer als der Abstand a sein sollte, um eine gute
Spannungsreduktion zu erzielen.
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Wird bei dem in Fig. 2 dargestellten Verhältnissen ein
Grenzübergang dahingehend vollzogen; daß B gegen 0 strebt
und die Kerbbreite b sich dem Betrag des Abstandes B der
Kerben in Fig. 2 nähert, erhält man im Ergebnis den in
Fig. 3 dargestellten Aufbau. Da hier die Breite b sehr
viel größer als die Tiefe h der Entlastungskerbe ist, soll
hier im folgenden von einer Aussparung 6 gesprochen werden.
Gleiche Teile des Aufbaus aus Fig. 2 sind in Fig. 3 mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es hat sich gezeigt,
daß trotz verminderter Wandstärke im Bereich der Aussparung
6 des Grundkörpers 1 die Druckfestigkeit aufgrund
verminderter Spannungsbelastung höher ist als bei einem
bekannten Hochdruckspeicher mit durchgehend konstanter
Wandstärke.
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Während in Fig. 1 bis 3 die erfindungsgemäßen Einkerbungen
bzw. Aussparungen an der Außenfläche des Grundkörpers
angebracht sind, zeigt Fig. 4 zwei Innenkerben 5, die
symmetrisch zur Querbohrung 2 über den gesamten Umfang der
Innenfläche des Grundkörpers 1 sich erstrecken. Die
druckbedingte Erweiterung der Innenkerben 5 führt bei
diesem Beispiel zu einer Druckspannung auf die Querbohrung
2 im Bereich der Anschlußöffnung 3, so daß die dort
auftretenden Zugspannungen durch Druckspannungen überlagert
werden, wodurch insgesamt der Spannungszustand positiv
beeinflußt und einer Rißbildung entgegengewirkt wird.
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Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung eines
erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers wie Fig. 3, jedoch
sind hier Aussparungen 6 auf der Innenfläche des hohlen
Grundkörpers 1 vorgesehen. Die im Bereich der Aussparungen
verminderte Wandstärke des Speichers ist so zu wählen, daß
die Maximalspannung im Bereich der Bohrungsverschneidung
liegt.
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Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochdruckspeicher,
dessen Grundkörper 1 eine Kombination von Innen- und
Außenkerben 5 aufweist. Wie im Beispiel der Fig. 4
befinden sich die Innenkerben über den gesamten
Innenquerschnitt des Grundkörpers 1 verteilt symmetrisch
zur Querbohrung 2, während weiter außen, ebenfalls
symmetrisch angeordnete Außenkerben 5 hinzutreten. Die
Symmetrie dieser Anordnung führt zu einer optimalen
Spannungsreduktion.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung einer Innenkerbe 5
zeigt Fig. 7. Die Innenkerbe 5 ist direkt an der
höchstbelasteten Stelle der Querbohrung 2 positioniert. Die
Anschlußöffnung 3 wird hierdurch um die Kerbtiefe h
zurückverlagert. Fig. 7B zeigt den Querschnitt entlang der
Linie AA wobei im Bereich der Einkerbung 5 sich der
Innendurchmesser d des zylindrischen Grundkörpers 1 um den
Betrag 2h vergrößert.
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Die letztgenannte Ausführungsform aus Fig. 7 führte zu der
weiteren Möglichkeit einer größeren Exzentrizität der
Querbohrung 2 bei gleicher oder gar geringerer
Bohrungstiefe. Dies ist anschaulich in Fig. 8 dargestellt.
Die Querbohrung 2 ist hier exzentrisch am Rail angebracht,
was in vielen Fällen von Vorteil für den Zugang zu den
nachfolgenden Injektoren ist. Fig. 8B zeigt den
Querschnitt entlang der Linie AA aus Fig. 8A. Die
erfindungsgemäße Innenkerbe 5 vergrößert bei dieser
Ausführungsform die maximal erreichbar exzentrische
Anbringung der Querbohrung 2.
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Durch die Erfindung kann bei verschiedenen Gestalten des
Grundkörpers eines Hochdruckspeichers sowie bei
verschiedenen Anordnungen von Querbohrungen eine jeweils
angepaßte Ausgestaltung von Entlastungskerben angegeben
werden, die zu einer optimalen Spannungsentlastung des
unter Druck stehenden Hochdruckspeichers und damit zu einer
höheren Druckfestigkeit und höheren Lebensdauer führen.