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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Geometrie zur Festigkeitssteigerung
einer Bohrungsverschneidung von zwei Hochdruckkanälen in
einem autofrettierten Bauelement, insbesondere in einem Bauelement
eines Kraftstoffspeicher-Einspritzsystems gemäß des
Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Bei
Bauelementen mit Hochdruckkanälen, durch die ein Medium
unter hohen Druck geleitet wird, treten in dem Werkstoff des Bauelements
durch den Innendruck verursachte Spannungen auf, welche sowohl in
axialer und radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung der Hochdruckkanäle
verlaufen. Bei Bohrungsverschneidungen, das heißt einer
Verzweigung von zwei Hochdruckkanälen innerhalb des Bauelements,
wie sie beispielsweise bei einem Hochdruck-Kraftstoffverteiler in
einem Kraftstoffspeicher-Einspritzsystem eines Diesel-Motors vorhanden sind, überlagern
sich die im Werkstoff auftretenden Spannungen aus den beiden Hochdruckkanälen
derart, dass im Bereich der Bohrungsverschneidung lokale Spannungskonzentrationen
entstehen. Im ungünstigen Fall führen die Spannungsspitzen
zur Bildung von Mikro- oder Makrorissen in dem die Hochdruckkanäle
umschließenden Werkstoff. Die Dauerfestigkeit des Bauelements
wird hierdurch in beträchtlichem Maße verringert,
wobei insbesondere eine Druckschwellbeanspruchung der Hochdruckkanäle
zur vorzeitigen Rissbildung im Bereich der Bohrungsverschneidung
führt. Nachdem insbesondere bei Kraftstoffspeicher-Einspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen, die auch als Common-Rail-Systeme bekannt
sind, Innendrücke von über 200 MPa bzw. 2000 bar
auftreten, stellen Bohrungsverschneidungen im Hochdruckbereich des
Einspritzsystems Schwachstellen dar, die infolge der auftretenden Spannungsspitzen
zum frühzeitigen Versagen des betreffenden Bauelements
führen und somit die Lebensdauer der Brennkraftmaschine
erheblich verkürzen.
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Zur
Reduzierung der Höhe der Spannungsspitzen im Bereich von
Bohrungsverschneidungen ist es aus der
DE 198 51 286 A1 bekannt,
eine Druckkraft auf den Bereich der Bohrungsverschneidung von außen
her aufzubringen. Zur Erzeugung von Druckspannungen im Bereich der
Bohrungsverschneidung ist im Bauelement gemäß der
DE 198 51 286 A1 eine
Sacklochbohrung vorgesehen, in die eine Schraube einschraubbar ist,
die mit ihrem Ende eine Druckkraft auf den Werkstoff des Bauelements ausübt.
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Durch
das Erfordernis einer zusätzlichen Sacklochbohrung im Bauelement
gemäß der
DE 198 51 286 A1 zur Aufnahme einer Schraube
zum Einbringen von Druckspannungen in den Werkstoff, welche den
Spannungsspitzen in der Bohrungsverschneidung entgegen wirken, vergrößert
sich der Aufwand für die Herstellung des Bauelements erheblich.
Um eine Beschädigung des Bauelements zu verhindern, darf
die Schraube weiterhin nur mit einem definierten Drehmoment angezogen
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verzweigung von Hochdruckkanälen
in einem Bauelement bereitzustellen, bei welchem das unter hohen
Druck stehende Medium nur geringe Spannungen in dem die Hochdruckkanäle
umgebenden Werkstoff des Bauelements erzeugt.
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Gemäß der
Erfindung sind im Hochdruckbereich eines autofrettierten Bauelements
ein erster und ein zweiter Hochdruckkanal angeordnet, die über
eine Bohrungsverschneidung miteinander verbunden sind. Das Bauelement
kann hierbei beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
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Zur
Verbesserung der Hochdruckdauerfestigkeit sind in dem Werkstoff
des erfindungsgemäßen Bauelements ausgeprägte
Druckeigenspannungsfelder vorhanden, welche den ersten und den zweiten Hochdruckkanal
umschließen. Bei einem nicht durch einen Innendruck belasteten
Bauelement sind die Druckeigenspannungen hierbei im Gleichgewicht und
verlaufen über nahezu homogen durch den Werkstoff.
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Das
ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld im Werkstoff des Bauelements
wird vorzugsweise mit einem als Autofrettage bekannten Verfahren
erzeugt. Durch ein einmaliges Überlasten mit Hilfe eines
Innendrucks in den Hochdruckkanälen wird der Werkstoff
des Bauelements, welcher an die Wandungen der Hochdruckkanäle
angrenzt, ge zielt plastisch verformt. Vor der Belastung der Hochdruckkanäle
mit dem sogenannten Reck- bzw. Autofrettagedruck, dessen Größe über
dem späteren Betriebsdruck in den Hochdruckkanälen
liegt und den Werkstoff über dessen Streckgrenze hinaus
beansprucht, werden die Hochdruckkanäle abgedichtet und
ein Druckmedium unter hohem Druck in die Hochdruckkanäle
eingeleitet. Bei dem Druckmedium handelt es sich hierbei vorzugsweise
um ein Hydrauliköl.
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Infolge
der Plastifizierung der an die Innenwandung der Hochdruckkanäle
angrenzenden Werkstoffzone wird die elastisch verformte Werkstoffzone, welche
an die plastisch verformte Zone des Werkstoffes anschließt,
daran gehindert, sich zu entlasten. Das auf diese Weise in den Werkstoff
eingebrachte Druckeigenspannungsfeld wirkt den Spannungen entgegen,
die durch den in den Hochdruckkanälen vorherrschenden Innendruck
in das Bauelement eingeleitet werden. Hierdurch ergibt sich der
Vorteil, dass schädliche Spannungsspitzen abgeschwächt bzw.
kompensiert werden.
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Für
die Durchführung des Verfahrens der Autofrettage ist es
erforderlich, dass sowohl der Reckinnendruck, der bis zu 1500 MPa
betragen und bei anderen Werkstoffen auch höher liegen
kann, als auch dessen Haltezeit auf die Werkstoffeigenschaften des Bauelements
abgestimmt sind.
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Neben
der Höhe des für die Autofrettage erforderlichen
Innendrucks wird das im Bauelement erzeugte Druckeigenspannungsfeld
im Wesentlichen von der Bauelementgeometrie, der Temperatur des Werkstoffes
während der Autofrettage sowie dem Plastifizierungsvermögen
des Werkstoffes bestimmt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei
die Verwendung eines mikrolegierten Edelstahls auf Mangan-Vanadin-Basis
erwiesen, welcher zudem eine gute Zerspanbarkeit aufweist.
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Der
zweite Hochdruckkanal, der den ersten Hochdruckkanal in einem beliebigen
Winkel schneidet, umfasst eine Auslassöffnung, die den
zweiten Hochdruckkanal mit dem ersten Hochdruckkanal strömungsmäßig
verbindet. Im Bereich der Verzweigung der Hochdruckkanäle
weist der zweite Hochdruckkanal gemäß der Erfindung
einen Abschnitt auf, der sich von der Auslassöffnung in
axialer Richtung des zweiten Hochdruckkanals erstreckt. Der Innendurchmesser
des Abschnitts ist dabei gegenüber dem außerhalb
des Abschnitts vorhandenen Innendurchmesser des zweiten Hochdruckkanals
verringert.
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Durch
die abschnittsweise Verringerung des Innendurchmessers des zweiten
Hochdruckkanals im Bereich der Bohrungsverschneidung entstehen bei
einer Innendruckbelastung des Bauelements lokale Spannungsspitzen
im Werkstoff, die jedoch durch das im Bereich des verringerten Innendurchmessers
erhöhte Niveau an Druckeigenspannungen mehr als ausgeglichen
werden. Die Größe der Spitzenspannungen, welche
sich aus der Überlagerung der Spannungen vom ersten und
zweiten Hochdruckkanal ergeben, werden somit trotz der Kerbwirkung, welche
aus der abschnittsweisen Verringerung des Innendurchmessers hervorgerufen
wird, durch das erhöhte Niveau an Druckeigenspannungen
im Bereich der Bohrungsverschneidung insgesamt reduziert.
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Durch
die abschnittsweise Verringerung des Innendurchmessers im Bereich
der Bohrungsverschneidung lässt sich somit an der versagensrelevanten
Stelle im Bauelement ein Druckeigenspannungsfeld mit einem hohen
Niveau erzeugen, welches die Hochdruckfestigkeit des erfindungsgemäßen
Bauelements gegenüber einem autofrettierten Bauelement
ohne einen Abschnitt mit verringerten Innendurchmesser verbessert.
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Eine
Möglichkeit zum Herstellen des Abschnitts mit verringertem
Innendurchmesser im zweiten Hochdruckkanal besteht darin, dass in
das Bauelement zuerst eine Bohrung eingebracht wird, deren Größe
dem verringerten Innendurchmesser entspricht. Im Anschluss daran
wird eine weitere Bohrung in das Bauelement eingebracht, deren Innendurchmesser
größer als der Innendurchmesser der ersten Bohrung
ist. Die Tiefe der weiteren Bohrung ist dabei geringer als die Gesamtlänge
des zweiten Hochdruckkanals innerhalb des Bauelements, so dass an
dem Ende des zweiten Hochdruckkanals, welches dem ersten Hochdruckkanal
zugewandt ist, ein Abschnitt mit verringertem Durchmesser bestehen
bleibt. Das Einbringen der Bohrungen erfolgt hierbei vorzugsweise
spanend.
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Gemäß der
Erfindung ist der zweite Hochdruckkanal in axialer Richtung in einen
Abschnitt mit einem größeren Innendurchmesser
und in den Abschnitt mit verringertem Innendurchmesser unterteilt. Der Übergang
zwischen den Abschnitten kann hierbei stufenförmig gestaltet
sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen
sein, dass der Übergang zum Abschnitt mit verringertem
Innendurchmesser im zweiten Hochdruckkanal eine konische Form aufweist.
Durch die sich hieraus ergebende hydrodynamische vorteilhafte Form
werden so genannte Totwasserbereiche, in denen sich das unter Hochdruck
stehende Medium ansammeln kann, vermieden.
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Wie
die Anmelder gefunden haben, erhöht sich die Hochdruckdauerfestigkeit
des die erfindungsgemäße Bohrungsverschneidung
umfassenden Bauelements, wenn sich die Länge des Abschnitts
mit verringertem Innendurchmesser des zweiten Hochdruckkanals verkürzt.
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Gemäß der
Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Länge des Abschnitts
mit verringertem Innendurchmesser bis zu dem Zweifachen der Größe des
verringerten Innendurchmessers des zweiten Hochdruckkanals entspricht.
Als besonders vorteilhaft für die Hochdruckfestigkeit des
Bauelements hat es sich gemäß der Erfindung herausgestellt,
wenn die Länge des Abschnitts und die Größe
des verringerten Innendurchmessers ein Größenverhältnis
von 1:1 oder geringer aufweist.
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Für
eine weitere Vergrößerung der Dauerfestigkeit
des erfindungsgemäßen Bauelements im Bereich der
Bohrungsverschneidung der Hochdruckkanäle ist es gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass die Verschneidungskante an der Auslassöffnung des zweiten
Hochdruckkanals in den ersten Hochdruckkanal eine Abrundung aufweist.
Durch diese konstruktive Maßnahme ergibt sich der Vorteil,
dass Spannungsspitzen, die bei scharfkantigen ausspringenden Ecken
auftreten, ausgeschlossen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste
Hochdruckkanal einen größeren Innendurchmesser
als der zweite Hochdruckkanal auf, wobei der zweite Hochdruckkanal
den ersten Hochdruckkanal sowohl senkrecht wie auch in einem beliebigen
Winkel schneiden kann.
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Um
die Bildung von Mikrorissen an der Innenwandung des ersten Hochdruckkanals
und des zweiten Hochdruckkanals zu verhindern, kann es gemäß der
Erfindung weiterhin vorgesehen sein, dass die Oberflächen
der Innenwände des ersten und des zweiten Hochdruckkanals
eine größere Rauheit aufweisen. Hierdurch ergibt
sich der Vorteil, dass mögliche Entstehungsstellen von
Mikrorissen an der Innenfaser der Innenwände, die bei fortwährender
Innendruckbelastung die Bildung von Makrorissen begünstigen,
vermieden werden und eine größere Robustheit gegen
Oberflächenfehler erreicht wird.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung der erfindungsgemäßen
Bohrungsverschneidung im Hochdruckbereich eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems
einer Brennkraftmaschine erwiesen. Bei Einspritzsystemen ergeben
sich durch den sich verändernden Innendruck des durch die Hochdruckkanäle
geführten Kraftstoffes pulsierende Drucklasten, welche
die Lebensdauer eines Bauelements deutlich vermindern können.
Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Bohrungsverschneidung
von zwei Hochdruckkanälen ergibt sich die Möglichkeit,
die Lebensdauer des Bauelements des Einspritzsystem erheblich zu
verlängern. Weiterhin ergibt sich durch die erfindungsgemäße
Bohrungsverschneidung die Möglichkeit, den Einspritzdruck
zu erhöhen und phasengesteuerte Einspritzvorgänge
zu optimieren, ohne dass hierbei durch variierende Kraftstoffdruck
auftretende Druckschwellbeanspruchungen zu einer Rissbildung im
Bauelement führen.
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Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf eine Zeichnung anhand einer
bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Schnitt durch ein hochdruckbelastetes autofrettiertes Bauelement
mit einer Bohrungsverschneidung eines ersten und eines zweiten Hochdruckkanals.
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In
der Darstellung in der 1 ist in schematischer Weise
ein hochdruckbelastetes Bauelement 1 gezeigt. Ein Hohlraum
eines Hochdruckspeicherkörpers 2 (Common Rail)
und ein Hochdruckkanal 4, gehen im Bereich einer Bohrungsverschneidung 6 ineinander über.
An dem Ende des Hochdruckkanals 4, welches dem Hochdruckspeicherkörper 2 zugeordnet
ist, ist innerhalb des Bauelements 1 eine Auslassöffnung 8 vorgesehen,
mit welcher der Hochdruckkanal 4 die Innenwand 10 des
Hochdruckspeicherkörpers 2 durchdringt und somit
den Hochdruckkanal 4 strömungsmäßig
mit dem Hochdruckspeicherkörper 2 verbindet.
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Das
dargestellte hochdruckbelastete Bauelement 1 kann beispielsweise
Bestandteil eines Hochdruckspeichers eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems
bzw. eines Common-Rail-Systems einer Brennkraftmaschine sein, bei
dem Kraftstoff unter hohen Druck durch den Hochdruckkanal 4 und
den Hochdruckspeicherkörper 2 geleitet wird.
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Wie
aus der Darstellung in 1 hervorgeht, weist der Hochdruckkanal 4 im
Bereich der Bohrungsverschneidung 6 einen Abschnitt 18 auf,
der sich von der Auslassöffnung 8 in axialer Richtung
des Hochdruckkanals 4 bis zu einem Übergangsbereich 16 zum
Innendurchmesser D2 des Hochdruckkanals 4 erstreckt. Der
Abschnitt 18 weist dabei einen Innendurchmesser D3 auf,
der gegenüber dem Innendurchmesser D2 des Hochdruckkanals 4 außerhalb des
Abschnitts 18 verringert ist. Der Übergang 16 vom
Innendurchmesser D2 zum Abschnitt 18 verringerten Innendurchmessers
D3 im Hochdruckkanal 4 ist als Stufenbohrung ausgeführt,
wobei der Hochdruckkanal 4 im Bereich des Übergangs 16 konisch geformt
ist. Die Länge des Abschnitts 18, welcher sich
ausgehend von der Auslassöffnung 8 in axialer Richtung
des Hochdruckkanals 4 bis zum Übergang 16 erstreckt,
entspricht vorzugsweise der Größe des verringerten
Innendurchmessers D3 im Bereich des Abschnitts 18.
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Der
Innendurchmesser D1 des Hochdruckspeicherkörpers 2 ist
größer als der Innendurchmesser D2 des Hochdruckkanals 4 vor
dem Abschnitt 18, der im verringerten Innendurchmesser
D3 ausgeführt ist. Vorzugsweise
ist der Abschnitt 18, der auch als Stufenbohrung angesehen
werden kann, so gefertigt, dass das Verhältnis des Innendurchmessers
D2 des Hochdruckkanals 4 zum verringerten Innendurchmesser
D3 der Stufenbohrung 18 bzw. des
Abschnittes 18 1:1 oder weniger beträgt. Die Länge
des Abschnittes 18 beeinflusst die Festigkeit des Hochdruckspeicherkörpers 2 als
autofrettiertes Bauteil erheblich.
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Gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsform der Bohrungsverschneidung 6 kann
es weiterhin vorgesehen sein, dass die Verschneidungskante 14,
mit welcher die Auslassöffnung 8 die Innenwand 10 des
Hochdruckspeicherkörpers 2 schneidet, verrundet
ist. Durch die Vermeidung einer ausspringenden Ecke mit einer scharfen
Kante werden Spannungskonzentrationen im Schnittbereich der Auslassöffnung 8 und
der Innenwand 10 des Hochdruckspeicherkörpers 2 reduziert,
die bei einer Innendruckbelastung des Hochdruckspeicherkörpers 2 im
Bauelement 1 auftreten.
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Zur
Steigerung der Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen
Bohrungsverschneidung 6 im Hochdruckbereich des Bauelements 1 ist
die Anwendung des Verfahrens der Autofrettage vorgesehen, bei dem
der Hochdruckspeicherkörper 2 und der Hochdruckkanal 4 nach
außen hin druckdicht abgedichtet werden und ein unter hohen
Druck stehendes Druckmedium in diese Komponenten 2, 4 eingeleitet
wird. Der Hochdruckspeicherkörper 2 und der Hochdruckkanal 4 werden
hierbei derart mit einem Innendruck belastet, dass die an die Innenwände 10, 12 des Hochdruckspeicherkörpers 2 und
des Hochdruckkanals 4 angrenzende Werkstoffzone plastisch
verformt und die daran anschließende Werkstoffzone elastisch
verformt wird. Der an die plastisch verformte Zone angrenzende elastisch
verformte Werkstoff wird hierbei durch die plastisch verformte Zone
an einer Entspannung gehindert. Durch die elastisch verformte Zone
ist die plastifizierte Werkstoffzone Druckeigenspannungen ausgesetzt,
die den Druckspannungen, welche sich durch den innerhalb des Hochdruckspeicherkörpers 2 und
des Hochdruckkanals 4 herrschenden Innendruck ergeben,
entgegenwirken.
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Das
durch Autofrettage in den Werkstoff eingebrachte Druckeigenspannungsfeld
umschließt hierbei den Hochdruckspeicherkörper 2 und
den Hochdruckkanal 4. Obwohl durch den Abschnitt 18 mit
verringertem Innendurchmesser D3 bei einer Innendruckbelastung des
Hochdruckspeicherkörpers 2 und des Hochdruckkanals 4 Spannungsspitzen
im Bereich der Bohrungsverschneidung 6 auftreten, ist durch
den verringerten Innendurchmesser D3 im Bereich der Bohrungsverschneidung 6 gleichzeitig
ein hohes Niveau an Druckeigenspannungen in den Werkstoff des Bauelements 1 einbringbar,
so dass das Bauelement 1 insgesamt eine gesteigerte Hochdruckfestigkeit
aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19851286
A1 [0003, 0003, 0004]