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Stand der Technik
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In
Hochdruckspeichereinspritzsystemen für Kraftstoff, insbesondere
für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen,
kommen Kraftstoffinjektoren zum Einsatz, die einem sehr hohen Druckniveau
von über
1600 bis 2000 bar ausgesetzt sind. An die Kraftstoffinjektoren und
die darin verbauten Komponenten werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich
einer Dauerfestigkeit für
konstante als auch pulsierende Drücke, die im Betrieb der Kraftstoffinjektoren
auftreten können,
gestellt. Ein Verfahren zur Erhöhung
der Pulsfestigkeit eines hohlförmigen
Bauteiles, oder einer im Wesentlichen rohrförmig ausgebildeten Baugruppe,
ist die Autofrettage. Unter Autofrettage wird das Einbringen von
Druckeigenspannungen durch Plastifizierung an Hochdruck beanspruchten
Bauteilen verstanden. Im Rahmen der Autofrettage kann eine Festigkeitssteigerung
für den
Einsatz der autofrettierten Bauteile bei hohen und pulsierenden
Innendrücken
erreicht werden. Dabei wird ein im Wesentlichen rohrförmiges Bauteil,
wie zum Beispiel der Haltekörper
eines Kraftstoffinjektors oder auch eine Ventilplatte bzw. eine
Drosselplatte bereits nach der Herstellung einem über dem
späteren
Betriebsdruck und über
der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass Bereiche
an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesen
Bereichen Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz
vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit
des autofrettierten Bauteils steigern können. Die rohrförmigen Bauteile
können
mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck oder/und längere Zeit
betrieben werden als ohne Autofrettagebehandlung.
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Die
im Rahmen des Autofrettageverfahrens erzielbare Festigkeitssteigerung
beruht im Wesentlichen auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten
inneren und der elastisch verformten äußeren Zone. Diese wird von
der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert, wieder ihre
ursprüngliche Form
einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Dies erklärt die auftretenden Zugspannungen
der äußeren Schicht.
Die innere plastisch verformte Schicht wiederum wird von der zurückfedernden äußeren Schicht
zusammengedrückt
oder auch zusammengepresst. Dies ist die Ursache für die auftretenden Druckspannungen.
Einer der Vorteile beim späteren Betrieb
mit Innendruck ist nun der, dass die durch den im Betrieb aufgebrachten
Innendruck an der Randfaser (welche die innerste Schicht des Rohres darstellt),
auftretenden Spannungsspitzen, durch die bereits vorhandenen Druckspannungen
aus der Autofrettage kompensiert werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
den Kraftstoffinjektor im montierten Zustand, d. h. nach der Montage
bzw. der Verschraubung, dem Autofrettageverfahren zu unterziehen.
Dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken folgend, sind keine
separaten Adapterteile und keine aufwändigen Einzelfrettierprozesse
an den einzelnen Injektorteilen erforderlich. Es kann eine Nacharbeit
der Stirnflächen,
wie sie in der Regel nach Einzelautofrettage der später zu fügenden Komponenten
auftritt, der Bauteile vermieden werden.
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Nach
der Montage wird der Kraftstoffinjektor als Gesamtbaugruppe in axialer
Richtung eingespannt. Ein Spannadapter der Spannvorrichtung drückt einerseits
in einen Konus des Hochdruckanschlusses oberhalb eines Hochdruckanschlussstückes, andererseits
erfolgt die Abstützung
des montierten Kraftstoffinjektors an der Düsenspannmutter, mit dem ein
Haltekörper
und ein Düsenkörper des Kraftstoffinjektors
miteinander verschraubt sind. Der Hochdruckanschluss der Leitung
des Hochdruckspeichereinspritzsystems, wie zum Beispiel eines Common-Rail-Systems,
dichtet an einem ersten Durchmesser ab, während der Spannadapter vorzugsweise
auf einen zweiten, den ersten Durchmesser geringfügig übersteigenden
Durchmesser wirkt. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt,
dass durch eine gegebenenfalls induzierte plastische Verformung
am Dichtdurchmesser des Spannadapters bei der Autofrettage der Dichtdurchmesser
des Hochdruckanschlusses nicht beeinflusst wird und insbesondere
keiner Nacharbeit zu unterziehen ist.
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Die
Höhe der
Axialkraft zur Abdichtung des Autofrettagedrucks liegt in der Größenordnung
zwischen 30 und 40 kN. Durch dieses Kraftniveau ist die Abdichtung
im Konus des Hochdruckanschlusses bei dem zweiten Durchmesser sicher
gewährleistet.
Die eingeleitete Axialkraft entspricht im Wesentlichen der Axialkraft,
die die Düsenspannmutter
beim Verschrauben in den Dichtverbund einleitet. Dies bedeutet,
dass während
des beim Autofrettageverfahren auftretenden Druckes die Düsenspannmutter
kurzfristig komplett druckentlastet wird, da die von außen eingeleitete
Axialkraft, d. h. die Abstützkraft
der Spannvorrichtung der Vorspannkraft entspricht, die ansonsten
die Düsenspannmutter
in den kompletten Dichtverband aus Haltekörper, Düsenkörper, Ventilplatte und Drosselplatte
einleitet.
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Der
im Wege des Autofrettageverfahrens anliegende Druck liegt vorzugsweise
für eine
sehr kurze Zeitspanne, zum Beispiel in der Größenordnung von 1 s an. Diese
Zeit ist einerseits ausreichend lang bemessen, um das Autofrettageverfahren
vollständig durchzuführen; andererseits
ist diese Zeitspanne relativ kurz, so dass verhindert wird, dass
sich Leckagepfade an den Dichtflächen
ausbilden, die sich zwischen dem Haltekörper und der Ventilplatte bzw.
der Ventilplatte und der Drosselplatte sowie der Drosselplatte und
dem der Planseite des Düsenkörpers einstellen.
Somit ist eine Schwitzleckage am Kraftstoffinjektor nach außen hin
vermieden.
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Die
Höhe des
absoluten Autofrettagedruckes orientiert sich im Wesentlichen an
dem Bauteil im Bauteilverbund, welches die niedrigste Festigkeit
innerhalb des Hochdruckpfades aufweist. Vorzugsweise liegt der Autofrettagedruck
in der Größenordnung von
7 kbar und orientiert sich an der Druckfestigkeit, die der Haltekörper innerhalb
des Montageverbundes aufweist. Um ein Wandern eines im Haltekörper eingepressten
Stabfilters unmittelbar hinter dem Hochdruckanschluss während der
Autofrettage zu verhindern, ist der Pressverbund, d. h. das Einbringen
des Stabfilters in den Haltekörper
neu auszulegen.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, werden die folgenden Baugruppen eines Kraftstoffinjektors
dem Autofrettageverfahren unterzogen: der Haltekörper, insbesondere dessen Hochdruckbohrung,
die Ventilplatte mit Hochdruckbohrung und Ventilraum, die Drosselplatte
mit Hochdruckbohrung und den Drosselbohrungen für die Ablaufdrossel, die Fülldrossel
und die Zulaufdrossel sowie die Innenwand des Düsenkörpers.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors,
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2 eine
Darstellung von Komponenten, die einen Montageverbund an eifern
Kraftstoffinjektor bilden in einem vergrößerten Maßstab,
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3 eine
Seitenansicht einer Drosselplatte gemäß des Montageverbundes in 2,
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4 eine
perspektivische Draufsicht auf die Drosselplatte gemäß der Darstellung
in 3,
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5 Kontaktpartner
zwischen einer Spannvorrichtung für das Autofrettageverfahren
am oberen Bereich des Montageverbundes und
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6 eine
schematische Wiedergabe eines eingespannten mit einer Axialkraft
FA beaufschlagten Montageverbundes während der
Autofrettage.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
zu entnehmen, dass ein hochdruckbeaufschlagtes Bauteil 10, wie
zum Beispiel ein Kraftstoffinjektor, ein Hochdruckspeichereinspritzsystem
wie zum Beispiel dem Common-Rail-Einspritzsystem zur Anwendung kommt,
ein Aktormodul 12 umfasst. Bei dem Aktormodul 12 kann
es sich sowohl um ein Magnetventil als auch um einen Piezoaktor
oder dergleichen handeln. Ein Düsenkörper 18 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ist mit
einem Haltekörper 16 im
oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 10durch eine Düsenspannmutter 14 verbunden. Über die
Düsenspannmutter 14,
die mit einem vorgegebenen wohldefinierten Drehmoment angezogen wird,
wird eine Axialkraft in den Montageverbund des Kraftstoffinjektors 10 eingeleitet,
der zumindest den Düsenkörper 18,
den Haltekörper 16 sowie
die Düsenspannmutter 14 umfasst.
Im oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 10 befinden sich
wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht,
ein elektrischer Anschluss 20 sowie ein Hochdruckanschluss 22.
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2 zeigt
in vergrößerter Darstellung
Komponenten des Montageverbundes eines Kraftstoffinjektors, wie
er in 1 dargestellt ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass der Kraftstoffinjektor 10 unterhalb des Aktormodules 12,
welches im Haltekörper 16 aufgenommen
ist, eine Ventilplatte 26 aufweist. Sowohl die Ventilplatte 26 als
auch der Haltekörper 16 ist
von einer Hochdruckbohrung 24 durchzogen, die einem Autofrettageprozess
zu unterziehen ist. Aus der Darstellung gemäß 2 geht des
Weiteren hervor, dass neben dem Düsenkörper 18 am brennraumseitigen
Ende des Kraftstoffinjektors 10 und dem Haltekörper 16 neben
der Ventilplatte 26 eine Drosselplatte 34 im Montageverbund
des Kraftstoffinjektors 10 enthalten ist.
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In
der Ventilplatte 26 befindet sich ein Ventilraum 28,
der einen Ventilbolzen 30 aufnimmt. Der Ventilbolzen 30 ist
von einer Dichthülse 32 umschlossen,
die sich an ersten Planseite 38 der Drosselplatte 34 abstützt. Eine
dem Düsenkörper 18 zuweisende zweite
Planseite der Drosselplatte 34 ist durch Bezugszeichen 40 identifiziert.
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Die
zweite Planseite 40 der Drosselplatte 34 begrenzt
einen Steuerraum 36. Über
die Druckbeaufschlagung bzw. die hier nicht näher dargestellte Druckentlastung
des Steuerraumes 36 erfolgt die Betätigung des Einspritzventilgliedes,
welches in aller Regel nadelförmig
ausgebildet ist.
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3 zeigt
in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt
durch die Drosselplatte, wie sie im Montageverbund des Kraftstoffinjektors
gemäß der 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist.
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Aus
den Darstellungen gemäß 3 geht hervor,
dass die Drosselplatte 34 die erste Planseite 38 sowie
die zweite Planseite 40 aufweist. Mit der ersten Planseite 38 liegt
die Drosselplatte 34 an der unteren Stirnseite der Ventilplatte 26 an,
während
die zweite Planseite 40 den Düsenkörper 18 im Montageverbund
kontaktiert sowie den Steuerraum 36 begrenzt, wie in 2 dargestellt.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
darüber
hinaus hervor, dass in der Drosselplatte 34 zwischen der
ersten und zweiten Planseite 38, 40 eine Ablaufdrossel 42,
eine Zulaufdrossel 44 sowie eine Fülldrossel 46 verläuft. Über die
Fülldrossel 46 erfolgt eine
schnellere Befüllung
des Ventilraums 28, nachdem das Ventil geschlossen ist.
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Darüber hinaus
verläuft
in der Drosselplatte 34 gemäß der Darstellung in 3 mindestens
eine Stiftbohrung 48, mit der die Drosselplatte 34 in
Bezug auf ihre Umfangslage im Montageverbund gemäß der Darstellung in 2 orientiert
wird.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist
eine perspektivische Draufsicht auf die Drosselplatte gemäß 3 zu
entnehmen.
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Aus
der perspektivischen Wiedergabe gemäß 4 geht hervor,
dass die Drosselplatte neben der bereits erwähnten Ablaufdrossel 42,
der Zulaufdrossel 44 und der Fülldrossel 46 eine
Ablaufbohrung 50 in Richtung des Niederdruckbereiches aufweist. Über die
Ablaufbohrung 50 werden zum niederdruckseitigen Anschluss
des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Darstellung in 1 Leckagemenge
bzw. Steuermenge abgesteuert, die bei Betätigung des Kraftstoffinjektors
bei Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Steuerraumes 36 gemäß der Darstellung in 2 anfallen.
Aus der perspektivischen Darstellung gemäß 4 ergibt
sich, dass die Drosselplatte 34 mit zwei Stiftbohrungen 48 versehen
ist. Die erwähnten
Drosseln 42, 44, 46 erstrecken sich jeweils zwischen
der ersten Planseite 38 und der zweiten Planseite 40 der
Drosselplatte 34 analog zur Darstellung gemäß 3.
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5 zeigt
eine obere Einspannstelle eines Montageverbundes in einer Spannvorrichtung,
die einen Adapter 52 umfasst, der ein gerundetes Ende 54 aufweist.
Der Adapter 52 stellt den oberen Teil einer Spannvorrichtung
dar. Wie aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht,
befindet sich an der Oberseite des Haltekörpers 16 ein Hochdruckanschluss 60. Der
Hochdruckanschluss 60 umfasst ein Außengewinde, an welchem im Einbaufalle
des Kraftstoffinjektors 10 eine Hochdruckleitung angeschlossen
wird, über
welche der Kraftstoffinjektor mit unter sehr hohem Druck stehenden
Kraftstoff über
ein Hochdruckförderaggregat
beaufschlagt wird. Das Druckniveau, mit welchem der Kraftstoff dem
Kraftstoffinjektor 10 zugeführt wird, liegt in der Größenordnung
zwischen 1800 und 2000 bar.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht,
liegt das gerundete Ende 54 des Adapters 52 entlang
eines Dichtdurchmesser 56 im Bereich des Konus 58 an.
In vorteilhafter Weise drückt
der mit einem Druckmedium beaufschlagbarer Adapter 52 in den
Konus 58 des Hochdruckanschlusses 60 oberhalb
des Hochdrucknippels, andererseits erfolgt die Stützung des
Montageverbundes, wie in 6 dargestellt, an einer Auflageschulter 70 der
Düsenspannmutter 14.
Während
der Hochdrucknippel der Hochdruckleitung eines Kraftstoffeinspritzsystems
an einem kleineren Durchmesser, der in der Größenordnung zwischen 6 und 7
mm liegt, dichtet der Spannadapter 52 wie in der Darstellung
gemäß 5 dargestellt,
vorzugsweise an einem etwas größeren Durchmesser,
der zwischen 7 und 8 mm liegen kann. Dadurch ist sichergestellt,
dass durch eine gegebenenfalls induzierte plastische Verformung
am Dichtdurchmesser 56 des Spannadapters 52 bei
der Autofrettage der Dichtdurchmesser des Hochdrucknippels 60 selbst
nicht beeinflusst wird.
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6 zeigt
den gesamten Montageverbund gestützt
durch eine Auflage und beaufschlagt durch eine Axialkraft FA.
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Wie
vorstehend bereits im Zusammenhang mit 5 beschrieben,
wird der Montageverbund eines Kraftstoffinjektors 10, der
zumindest den Haltekörper 16,
den Düsenkörper 18 und
die Düsenspannmutter 14 sowie
gegebenenfalls die Ventilplatte 26 und die Drosselplatte 34 umfasst,
in der Spannvorrichtung eingespannt. Die Spannvorrichtung wird durch
den in 5 dargestellten mit einer Rundung 54 versehenen
Spannadapter 52 sowie die Auflage 64 gebildet,
in der eine Öffnung 66 eingebracht
ist. Die Höhe
der Axialkraft FA zur Abdichtung des Autofrettagedrucks
am Dichtdurchmesser 56 im Konus 58 des Hochdruckanschlusses 60,
liegt vorzugsweise zwischen 35 kN und 40 kN. Dadurch ist die Abdichtung
im Konus 58 am Dichtdurchmesser 56 gewährleistet.
Die eingeleitete Axialkraft FA entspricht
der Axialkraft, die die Düsenspannmutter 14 beim
Verschrauben des Montageverbundes in diesen einleitet. Während der
Autofrettage des Montageverbundes des Kraftstoffinjektors 10,
wird die Düsenspannmutter 14 zwangsläufig kurzfristig
komplett entlastet, da die von außen eingeleitete Axialkraft
FA der Vorspannkraft entspricht, die ansonsten über die
Düsenspannmutter 14 in
den Montageverbund 14, 16, 18 eingeleitet
wird.
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Der
Autofrettagedruck, der über
den Spannadapter 52 in den Montageverbund 14, 16, 18 eingeleitet
wird, liegt vorzugsweise nur für
eine kurze Zeitspanne, zwischen 1 und 2 s an. Diese Zeit ist einerseits
ausreichend lang bemessen, um die Autofrettage durchzuführen und
andererseits kurz genug um zu verhindern, dass sich Leckagepfade
an den Dichtflächen
ausbilden. Somit wird Schwitzleckage nach außen vermieden. Die Dichtflächen werden zum
Beispiel durch die Planseiten 38, 40 der Drosselplatte 34,
die jeweiligen Planseiten der Ventilplatte 26 sowie die
obere Planseite des Düsenkörpers 18 sowie
die untere Planseite des Haltekörpers 16 gebildet.
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Die
Höhe des
Autofrettagedruckes orientiert sich an dem Bauteil mit der niedrigsten
Festigkeit innerhalb des Hochdruckpfades. Der Autofrettagedruck,
mit dem zum Beispiel die Hochdruckbohrung 34 am Haltekörper 16 sowie
der Abschnitt der Hochdruckbohrung 34 der sich durch die
Ventilplatte erstreckt, beaufschlagt wird, liegt in der Größenordnung
von 7 kbar und orientiert sich im Wesentlichen an der Festigkeit
des Haltekörpers 16 im
Montageverbund 14, 16, 18 des Kraftstoffinjektors 10.
Um ein Wandern des eingepressten Stabfilters aus dem Haltekörper während der
Autofrettage zu verhindern, ist dessen Pressbund gegebenenfalls
zu modifizieren und neu auszulegen.
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Im
Wege des Autofrettageverfahrens des gesamten vormontierten Montageverbundes
werden insbesondere folgende Bauteile autofrettiert. Der Haltekörper 16 mit
darin verlaufender Hochdruckbohrung 24 ist dem Autofrettagedruck
ebenso ausgesetzt wie die Ventilplatte 26, durch die sich
ein Abschnitt der Hochdruckbohrung 24 befindet, ebenso wie
der Ventilraum 28. Des Weiteren wird die Drosselplatte 34 autofrettiert,
welche ebenfalls einen Abschnitt der Hochdruckbohrung 24 umfasst
sowie die Drosselbohrungen für
die Ablaufdrossel 42, die Zulaufdrossel 44 sowie
die Fülldrossel 46.
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Des
Weiteren wird im Wege des Autofrettageverfahrens die Innenwand des
Düsenkörpers 18 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 autofrettiert,
d. h. plastisch verformt.
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Mit
dem Autofrettageverfahren in der in 5 und 6 dargestellten
Spannvorrichtung, zwischen dem Spannadapter 52 und der
Auflage 64 mit Öffnung 66 zur
Abstützung
der Auflageschulter 70 der Düsenspannmutter 14,
werden die Komponenten des Montageverbundes 14, 16, 18 mit
dem Autofrettagedruck in der Größenordnung
von 7 kbar beaufschlagt, der deutlich über dem späteren Betriebsdruck des Kraftstoffinjektors 10 liegt.
Der Betriebsdruck liegt in der Größenordnung zwischen 1800 und
200 bar. Aufgrund des Autofrettagedruckes der für eine Zeitspanne von 1 bis
2 s, vorzugsweise 1 s anliegt, werden Bereiche der Innenwände der Hochdruckbohrung 24 im
Haltekörper 16,
in der Ventilplatte 26, der Drosselplatte 34 sowie
Düsenkörper 18 über der
Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt. Nach dem Entspannen,
d. h. der Zurücknahme
des Autofrettagedrucks entstehen in diesen Bereichen Druckeigenspannungen,
die eine Rissbildung im späteren
Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit des Kraftstoffinjektors 10 bis
hin zur Dauerfestigkeit zu steigern vermögen. Dies bedeutet entweder,
dass der Kraftstoffinjektor bei einem höheren Betriebsdruck oder/und
längere
Zeit betrieben werden kann, als ohne die Autofrettagebehandlung.
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Der
Effekt der Autofrettage liegt auf der wechselseitigen Beziehung
der plastifizierten inneren Bereichen und der elastisch verformten äußeren Zone.
Diese wird von der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert,
wieder ihre ursprüngliche Form
einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Aufgrund der Dehnung treten in
der äußeren Schicht
Zugspannungen auf. Die innere, plastisch verformte Schicht wiederum
wird von der zurückfedernden äußeren Schicht
zusammengedrückt
oder auch zusammengepresst. Dabei treten die Druckspannungen auf.
Einer der Vorteile beim späteren
Betrieb mit dem Betriebsdruck ist der, dass die durch den im Betrieb
aufgebrachten Innendruck an der Randfaser, d. h. an der innersten
Schicht des Rohres, im vorliegenden Falle zum Beispiel der Hochdruckbohrung 24 im
Haltekörper 16 der
Ventilplatte 26 sowie des Düsenkörpers 18 auftretenden
Spannungsspitzen durch die bereits vorhandenen Druckspannungen aus
der Autofrettage kompensiert werden können.
