DE102007001560A1

DE102007001560A1 - Verfahren zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils

Info

Publication number: DE102007001560A1
Application number: DE200710001560
Authority: DE
Inventors: Stephan Wengerek; Horst Bruennet; Dirk Velten
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils (112) vorgeschlagen, bei welchem das Hochdruckbauteil (112) zumindest teilweise mit einem Hochdruck beaufschlagt wird. Dabei werden Druckeigenspannungen in das Hochdruckbauteil (112) eingebracht. Zur Durchführung des Verfahrens wird das Hochdruckbauteil (112) mit einem Reaktionsgemisch in Kontakt gebracht, wobei das Reaktionsgemisch ausgestaltet ist, um nach einem Zündvorgang eine chemische Reaktion durchzuführen. Bei dieser chemischen Reaktion wird ein den Hochdruck aufweisendes fluides Hochdruckmedium erzeugt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Verfahren zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit von Hochdruckbauteilen, welche auf dem Einbringen von Eigenspannungen in diese Hochdruckbauteile beruhen. Derartige Verfahren sind in der Technik auch unter der Bezeichnung „Autofrettage" oder unter der Bezeichnung „Kaltstrecken" bekannt. Es existieren zahlreiche verschiedene Varianten dieses Verfahrens.
Bei derartigen Verfahren werden über ein hydraulisches Medium Eigenspannungen in die Hochdruckbauteile eingebracht. So werden beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik Verteilerrohre für Sammelhochdruck-Einspritzsysteme (Common-Rail-Verteilerrohre, Rails) nach der Zerspanung hydraulisch autofrettiert, das heißt es werden durch einen Innenhochdruck beaufschlagenden Prozess gezielt Druckeigenspannungen über ein hydraulisches Medium eingebracht, um eine dauerfeste Auslegung zu ermöglichen und dem späteren anliegenden Systemdruck des Common-Rail-Systems standzuhalten.
Die hydraulische Autofrettage stellt jedoch sehr große Anforderungen an die Anlagentechnik. So wird in der Regel der Hochdruck über ein Druckübersetzersystem erzeugt. Derartige Druckübersetzersysteme weisen jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer auf, welche üblicherweise in einer Anzahl von Lastwechseln des Druckübersetzersystems angegeben wird. So halten typische für die hydraulische Autofrettage verwendete Druckübersetzersysteme beispielsweise lediglich 30000 Lastwechseln stand. Teile der Abdichteinheiten derartiger Druckübersetzersysteme haben sogar geringere Standzeiten, so dass in der Praxis hohe Kosten durch Instandhaltung und Wartung der Anlagen anfallen.
Weiterhin erfolgt bei herkömlichen Anlagen der Druckaufbau in der Regel über die Bewegung eines Kolbens im Druckübersetzer. Dieser Kolben baut entsprechend dem Übersetzungsverhältnis den Hochdruck auf. Dieser Vorgang kann jedoch nicht beliebig be schleunigt werden, insbesondere da bei erhöhter Kolbengeschwindigkeit eine Beschädigung des Kolbens auftreten kann, wodurch die Standzeit der Anlage weiter verringert wird.
Diese Beschränkung des Durchsatzes typischer Druckübersetzer führt jedoch dazu, dass in vielen Fällen, beispielsweise bei der Produktion von Hochdruck-Speichereinspritzsystemen, die Autofrettage den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bildet. Nachfolgende Montageschritte erreichen geringere Taktzeiten, so dass eine Verringerung der Taktzeiten bei der Autofrettage sich insgesamt positiv auf die Taktzeit der Herstellung der Hochdruckkomponenten auswirken würde.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils vorgeschlagen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermeidet und die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen in Hochdruckbauteile ermöglicht.
Gleichzeitig ist das beschriebene Verfahren in der Lage, überstehende Grate der Hochdruckbauteile, welche beispielsweise bei einem vorangehenden Zerspanungsprozess gebildet worden sind, wirksam zu entfernen. Die Einbringung von Druckeigenspannungen und die Entgratung der Hochdruckbauteile kann dabei in einem einzelnen Prozessschritt erfolgen.
Weiterhin wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Anlagentechnik dieser Vorrichtung gestaltet sich insgesamt weniger aufwändig als die Anlagentechnik für herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass keine standzeitkritischen hydraulischen Hochdruckkomponenten zur Anwendung kommen müssen. Derartige hydraulische Hochdruckkomponenten können jedoch zusätzlich eingesetzt werden, da sich das vorgeschlagene Verfahren auch mit herkömmlichen Autofrettage-Techniken kombinieren lässt.
Der Prozess bietet darüber hinaus ein erhebliches Potential zur Taktzeitreduzierung und somit zur Erhöhung des Durchsatzes und zur Reduzierung der Herstellungskosten der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung hergestellten Hochdruckbauteile. Vorgelagerte Entgratungsschritte können vorzugsweise entfallen. Das Verfahren kann jedoch auch weitere, im Folgenden nicht genannte Schritte aufweisen, bei spielsweise übliche Nachbearbeitungsschritte, die dem Fachmann aus der Technik der Herstellung von Hochdruckkomponenten bekannt sind.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Autofrettage-Verfahren besteht darin, dass auf die Verwendung typischer Hydraulikflüssigkeiten, wie beispielsweise Hydraulikölen, vorzugsweise verzichtet werden kann. Damit reduziert sich der Reinigungsaufwand nach Durchführung des Verfahrens erheblich. Auf eine energieaufwändige und zeitaufwändige Reinigung kann verzichtet werden, und die Umweltbelastung, welche üblicherweise durch Verwendung von Neutralreinigern oder sogar Lösungsmitteln beim Waschvorgang auftritt, kann stark vermindert werden.
Ein Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, das Hochdruckbauteil mit einem Reaktionsgemisch in Kontakt zu bringen, welches nach einem Zündvorgang eine chemische Reaktion durchführt. Bei dieser chemischen Reaktion wird ein fluides Hochdruckmedium erzeugt, welches mit Hochdruck beaufschlagt ist, der wiederum auf das Hochdruckbauteil einwirken kann. Dieser Hochdruck übersteigt vorzugsweise einen Fließdruck des Hochdruckbauteils. Typische Drücke liegen im Bereich zwischen 4000 und 12000 bar, vorzugsweise im Bereich zwischen 8000 und 10000 bar. Vorzugsweise weist dieses fluide Hochdruckmedium eine gegenüber der Raumtemperatur stark erhöhte Temperatur auf.
Das Reaktionsgemisch kann insbesondere eine homogene oder heterogene Mischung aus mindestens zwei Reaktanden aufweisen, wobei jedoch auch „Reaktionsgemische" möglich sind, welche lediglich einen einzelnen Reaktanden umfassen, beispielsweise einen Reaktanden, welcher sich in einer chemischen Zersetzungsreaktion zersetzen kann. Somit ist der Begriff des „Reaktionsgemischs" weit zu fassen und kann im Prinzip jegliches homogene oder heterogene, aus einer oder mehreren Edukten zusammengesetzte Medium umfassen.
Das fluide Hochdruckmedium weist vorzugsweise mindestens ein flüssiges und/oder gasförmiges Reaktionsprodukt der chemischen Reaktion dieser Reaktanden bzw. des Reaktionsgemischs auf. Die chemische Reaktion kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass mindestens ein Reaktand zu dem fluiden Hochdruckmedium umgesetzt wird, wobei das fluide Hochdruckmedium eine größere Molmenge an gasförmigen Verbindungen aufweist als der mindestens eine Reaktand. In diesem Fall bewirkt beispielsweise allein die höhere Molmenge des fluiden Hochdruckmediums eine Drucksteigerung, insbesondere wenn die chemische Reaktion in einem abgeschlossenen Reaktionsvolumen stattfindet. Bei diesem abgeschlossenen Reaktionsvolumen kann es sich beispielsweise um einen Hohlraum des Hochdruckbauteils handeln, welcher ein Innenvolumen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Hochdruck jedoch auch „von außen" auf das Hochdruckbauteil einwirken.
Anstelle einer chemischen Reaktion, bei welcher die Molmenge an gasförmigen Verbindungen erhöht wird, kann die chemische Reaktion auch derart ausgestaltet sein, dass die Molmenge an gasförmigen Reaktanden sich insgesamt nicht verändert oder sogar verringert wird. In diesem Fall wird vorzugsweise die Erzeugung des Hochdrucks zur Beaufschlagung des Hochdruckbauteils durch eine Erhöhung der Temperatur bewirkt. Diese Temperaturerhöhung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass eine exotherme chemische Reaktion verwendet wird.
So lassen sich beispielsweise Oxidationsreaktionen einsetzen, wie beispielsweise die bekannte Wasserstoff-Knallgasreaktion: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Bei dieser Reaktion wird zwar insgesamt die Molmenge an gasförmigen Substanzen von ursprünglich 3 mol auf 2 mol verringert. Durch die bei dieser exothermen Reaktion freiwerdende molare Reaktionsenthalpie wird jedoch, insbesondere wenn ein thermisch abgeschlossenes Reaktionsvolumen verwendet wird, das fluide Hochdruckmedium (in diesem Fall Wasserdampf) stark gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt.
Diese Erwärmung lässt sich aus der bekannten Reaktionsenthalpie und der Wärmekapazität des fluiden Hochdruckmediums leicht berechnen. Über die Annahme einer bestimmten Gasgleichung, beispielsweise der idealen Gasgleichung, lässt sich aus dieser Temperaturerhöhung dann die entsprechende Drucksteigerung berechnen. Auf diese Weise können die Reaktionsbedingungen gezielt eingestellt werden, um einen gewünschten Hochdruck zu erzeugen, beispielsweise einen Hochdruck, der den Fließdruck des Hochdruckbauteils übersteigt. Andererseits können die Reaktionsbedingungen derart gewählt werden, dass der erzeugte Hochdruck die Belastbarkeit des Hochdruckbauteils nicht übersteigt, so dass beispielsweise keine Beschädigungen des Hochdruckbauteils auftreten.
Neben der beschriebenen Wasserstoff-Knallgasreaktion lassen sich zahlreiche, dem Fachmann bekannte andere Reaktionen einsetzen, vorzugsweise spontan und schnell ablaufende exotherme Reaktionen, beispielsweise Chlor-Knallgasreaktionen oder andere Reaktionen. Dabei sind die Reaktionen nicht auf Gas-Gas-Reaktionen begrenzt, so dass auch Reaktanden und/oder Reaktionsprodukte mit anderen Aggregatszuständen einsetzbar sind. Zusätzlich lassen sich auch Inertgase einsetzen, also an der chemischen Reaktion nicht beteiligte Gase, beispielsweise um einen bestimmten Vordruck bereits vor Einleiten der chemischen Reaktion zu erzeugen.
Insbesondere für den Einsatz in den oben beschriebenen Einspritzkomponenten, beispielsweise für die Frettage eines Rails, hat es sich vorteilhaft erwiesen, das Reaktionsgemisch unter einem den Normaldruck übersteigenden Überdruck in das Innenvolumen einzubringen. Dieser Überdruck ist entsprechend der obigen Beschreibung an die Art des Reaktionsgemisches anzupassen. So hat es sich insbesondere für den Einsatz der beschriebenen Knallgasreaktion in Rails als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Überdruck im Bereich zwischen 0,1 bar und 1000 bar, insbesondere im Bereich zwischen 10 bar und 500 bar, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 150 bar und 250 bar verwendet wird.
Vorteilhafterweise wird das chemische Verfahren derart gewählt, dass das fluide Hochdruckmedium keine schädlichen Bestandteile aufweist. Auch sonst sollte die chemische Reaktion derart ausgestaltet sein, dass bei dieser keine schädlichen Nebenprodukte auftreten können, welche das Bauteil schädigen. Für den Einsatz in den beschriebenen Einspritzkomponenten hat sich insbesondere Ruß als schädliches Nebenprodukt erwiesen, wobei jedoch auch andere Nebenprodukte, wie beispielsweise Säuren schädigenden Einfluss aufweisen können. Neben einer geeigneten Auswahl der chemischen Reaktion, insbesondere einer Wahl der Reaktanden, kann dies auch durch eine geeignete Dossage, beispielsweise eine geeignete Wahl der Konzentrationsverhältnisse der Reaktanden im Reaktionsgemisch, erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Spülung des Hochdruckbauteils eingesetzt werden, beispielsweise eine Gasspülung, um unerwünschte Nebenprodukte zu entfernen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils dargestellt, mittels derer das oben beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Darstellung in 1 ist lediglich eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer derartigen Vorrichtung 110. Die Vorrichtung 110 kann darüber hinaus durch weitere Einrichtungen zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahrensvarianten aufweisen.
Als Beispiel eines Hochdruckbauteils 112 ist in 1 ein Rail eines Common-Rail-Systems dargestellt, also ein Hochdruck-Verteilerrohr. Dieses Rail 112 weist einen im Wesentlichen rohrförmigen Körper 114 auf. Weiterhin weist das Rail 112 Vertiefungen 118 auf, in welchen Hochdruckanschlüsse 120 zur Beaufschlagung von Kraftstoffinjektoren mit unter Druck stehendem Kraftstoff angeordnet sind.
Das Hochdruckbauteil 112 wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Aufnahme 122 innerhalb eines Gehäuses 124 eingespannt. Das Gehäuse 124 wirkt als Sicherheitsraum, um beispielsweise im Notfall (z. B. bei einem Bersten des Hochdruckbauteils 112 und/oder einer auftretenden Undichtigkeit) im Wesentlichen den Druck des Hochdruckmediums aufzunehmen und diesen zumindest weitgehend von der Arbeitsumgebung fernzuhalten. So kann insbesondere das Volumen des Gehäuses 124 derart dimensioniert sein, dass sich das Hochdruckmedium im Gehäuse 124 bis auf einen durch die Wandung des Gehäuses 124 tolerierten Überdruck (beispielsweise 2 bar) entspannt. Beispielsweise kann für ein typisches Rail als Hochdruckbauteil 112 üblicherweise mit einem Volumen des Gehäuses 124 von ca. 1 bis 5 m³, insbesondere 2 m³, gearbeitet werden. Weiterhin kann das Gehäuse 124 auch derart eingerichtet sein, dass dieses als Splitterschutz fungieren kann.
Mittels einer (in diesem Fall zweiteilig ausgebildeten) Zufuhrvorrichtung 126 wird über ein Rohrleitungssystem 128, welches vorteilhafterweise mit Ventilen 130 ausgestattet ist, das Reaktionsgemisch in das Innenvolumen des Hochdruckbauteils 112 eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass es sich bei diesem Reaktionsgemisch um ein zündfähiges Gasgemisch handelt, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff für die oben beschriebene Knallgasreaktion. Dieses zündfähige Gasgemisch wird vorzugsweise unter einem Druck von ca. 30 bar eingefüllt.
Vor dem Zuführen des Gasgemischs werden die Hochdruckanschlüsse 120 durch geeignete Dichtelemente 132 verschlossen. Diese Dichtelemente 132, welche in 1 (wie auch die übrigen Bauteile) lediglich angedeutet sind, können darüber hinaus weitere Funktionen wahrnehmen, beispielsweise die Funktion der Druckmessung im Innenvolumen des Hochdruckbauteils 112 oder ähnliches.
Auch kann, wie in 1 dargestellt, die Zündung der Reaktion über eines oder mehrere dieser Dichtelemente 132 erfolgen. So kann beispielsweise eines dieser Dichtelemente 132 mit einer Zündvorrichtung 134 verbunden sein, welche beispielsweise die oben beschriebene Knallgasreaktion auslöst. Die Zündvorrichtung 134 kann zu diesem Zweck beispielsweise einen Zündfunken im Innenvolumen des Hochdruckbauteils 112 erzeugen, welcher die erforderliche Aktivierungsenergie für den Zündvorgang liefert.
Auch andere Arten von Zündvorgängen sind denkbar und können entsprechend der gewählten chemischen Reaktion ausgestaltet sein. So können beispielsweise auch photochemische Zündvorgänge eingesetzt werden, indem das Reaktionsgemisch (beispielsweise über ein oder mehrere Dichtelemente 132) mit sichtbarem Licht oder UIV-Licht bestrahlt wird. Alternativ oder zusätzlich können zum Zweck des Zündens auch chemische Initiatoren in das Innenvolumen eingebracht werden, beispielsweise über eine Initiatorleitung, welche ebenfalls wieder mit einem oder mehreren der Dichtelemente 132 in Verbindung stehen kann.
Vor dem Zünden der chemischen Reaktion können die Zuleitungen, insbesondere das Rohrleitungssystem 128, vom Hochdruckbauteil 112 entfernt werden und dieses kann stattdessen entsprechend verschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verschließen vor dem Zünden der chemischen Reaktion auch durch die Ventile 130 erfolgen.
Durch den Zündvorgang wird die chemische Reaktion in dem Hochdruckbauteil 112 eingeleitet, beispielsweise die oben beschriebene Knallgasreaktion. Dadurch wir der Hochdruck im Hochdruckbauteil 112 erzeugt, wobei der sich dabei bildende Wasserdampf das oben beschriebene fluide Hochdruckmedium bildet. Dieses bringt entsprechend Druckeigenspannungen in das Hochdruckbauteil 112 ein. Der gewünschte Zieldruck ist dabei abhängig von den speziellen Bauteilanforderungen des Hochdruckbauteils 112. Weiterhin werden durch die bei der chemischen Reaktion freiwerdende thermische Energie Grate im Hochdruckbauteil 112 entfernt, so dass eine gleichzeitige Entgratung stattfindet. Ein zusätzlicher thermischer Entgratungsprozess (TEM) kann entfallen.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit eines Hochdruckbauteils (112), wobei das Hochdruckbauteil (112) zumindest teilweise mit einem Hochdruck beaufschlagt wird, wobei Druckeigenspannungen in das Hochdruckbauteil (112) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckbauteil (112) mit einem Reaktionsgemisch in Kontakt gebracht wird, wobei das Reaktionsgemisch ausgestaltet ist, um nach einem Zündvorgang eine chemische Reaktion durchzuführen, wobei ein den Hochdruck aufweisendes fluides Hochdruckmedium erzeugt wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck einen Fließdruck des Hochdruckbauteils (112) übersteigt.
Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck im Bereich zwischen 4000 und 12000 bar und vorzugsweise im Bereich zwischen 8000 und 10000 bar liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch eine homogene oder heterogene Mischung aus mindestens zwei Reaktanden aufweist, wobei das fluide Hochdruckmedium mindestens ein flüssiges und/oder gasförmiges Reaktionsprodukt der chemischen Reaktion der mindestens zwei Reaktanden aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion derart ausgestaltet ist, dass mindestens ein Reaktand zu dem fluiden Hochdruckmedium umgesetzt wird, wobei das fluide Hochdruckmedium eine größere Molmenge an gasförmigen Verbindungen aufweist als der mindestens eine Reaktand.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion eine exotherme Reaktion, vorzugsweise eine spontan ablaufende exotherme chemische Reaktion, umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion mindestens eine Oxidationsreaktion umfasst, insbesondere eine Knallgasreaktion.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Verfahren derart gewählt wird, dass das fluide Hochdruckmedium keine für das Hochdruckbauteil (112) schädlichen Bestandteile aufweist, vorzugsweise keine der folgenden Bestandteile: Ruß und/oder Säuren.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckbauteil (112) mindestens einen Hohlraum mit einem Innenvolumen aufweist, wobei das Reaktionsgemisch in das Innenvolumen eingebracht wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch unter einem den Normaldruck übersteigenden Überdruck in das Innenvolumen eingebracht wird, wobei der Überdruck vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 bar und 1000 bar, insbesondere im Bereich zwischen 10 bar und 500 bar, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 150 bar und 250 bar liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckbauteil (112) mindestens ein Bauteil eines Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine umfasst, insbesondere ein Bauteil eines Hochdruckspeichereinspritzsystems, insbesondere ein Hochdruckspeicher.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Entfernung von Graten an dem Hochdruckbauteil (112).
Vorrichtung (110) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend mindestens eine Aufnahme (122) des Hochdruckbauteils (112), mindestens eine Vorrichtung (126) zur Zufuhr des Reaktionsgemischs und mindestens eine Zündvorrichtung (134) zur Auslösung des Zündvorgangs.