-
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffverteiler gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffverteilers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
-
Ein Kraftstoffverteiler ist Bestandteil der Kraftstoffversorgung eines Kraftfahrzeuges. Der Kraftstoff wird mit hohem Druck in einen Grundkörper des Kraftstoffverteilers eingebracht und über Kraftstoffinjektoren in die Zylinder übergeleitet. Die Kraftstoffverteiler sind dabei sehr hohem Drücken ausgesetzt, so dass die Bestrebungen die Kraftstoffverteiler einstückig und werkstoffeinheitlich auszugestalten zunehmen, um nicht notwendige Verbindungsstellen zwischen Einzelkomponenten zu vermeiden.
-
Eine Möglichkeit besteht darin, den Kraftstoffverteiler als Schmiedebauteil herzustellen und durch nachfolgende mechanische Bearbeitung einen rohrförmigen Grundkörper, sowie Kraftstoffeinlass und Injektoraufnahmen herauszuarbeiten. So offenbart beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2010 051 004 A1 eine Kraftstoffverteilerbaugruppe, die zumindest teilweise durch Schmieden hergestellt ist. Insbesondere ist das Kraftstoffverteilerrohr schmiedetechnisch hergestellt, wobei die Injektoraufnahmen einstückig mit dem Verteilerrohr ausgebildet sind.
-
Auch die
DE 295 21 402 U1 offenbart einen geschmiedeten Kraftstoffverteiler dessen rohrartiger Grundkörper durch Schmieden geformt ist und mit ebenfalls durch Schmieden angeformten Anschlussstutzen versehen ist. Bei diesen Anschlussstutzen handelt es sich um Injektoraufnahmen, Kraftstoffeinlässe, sowie Aufnahmen für Drucksensoren. Ebenfalls angeformt sind Befestigungselemente zum Befestigen weiterer Kraftfahrzeugbauteile.
-
Die
DE 39 32 672 A1 offenbart einen Kraftstoffzufuhrverteiler, der allerdings nicht geschmiedet ist, sondern im Druckgussverfahren hergestellt ist. Es sind Laschen zur Befestigung des Kraftstoffverteilers vorgesehen, die über Rippen verstärkt sind.
-
Die
US 2014/0305411 A1 offenbart einen weiteren Kraftstoffverteiler mit einer Befestigungskonstruktion, bei der Injektoraufnahmen über einen Verstärkungssteg mit Stützelementen verbunden sind. Die Verstärkungsstege ermöglichen eine Verstärkung der Stützelemente und eine Aussteifung des Grundkörpers.
-
Mit Hilfe von Stützelementen werden die Kraftstoffverteiler zumeist an weiteren Kraftfahrzeugbauteilen befestigt. Im Betrieb wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch die Kraftstoffinjektoren aus dem Grundkörper herausgeführt. Dabei werden die Injektoraufnahmen durch die Arbeit der Kraftstoffinjektoren bewegt, während die mittels der Stützelemente mit dem Kraftfahrzeug verbundenen Abschnitte des Kraftstoffverteilers in Ruhe bleiben. Die Folge ist eine Verformung des Kraftstoffverteilers. Diese Verformung soll möglichst gering gehalten werden. Ist die Bewegungsfreiheit der Injektoraufnahmen zu groß, werden beispielsweise Dichtelemente, die zwischen dem Kraftstoffinjektor und der Injektoraufnahme angeordnet sind, durch die fortwährende Bewegung sehr schnell undicht werden oder verschleißen, so dass die Gefahr von unerwünschtem Kraftstoffaustritt besteht. Dieser Nachteil tritt beispielsweise auch bei der in der
DE 295 21 402 U1 offenbarten Konstruktion auf.
-
Grundsätzlich könnte eine entsprechende Versteifung des Kraftstoffverteilers durch eine Erhöhung der Wanddicke des Kraftstoffverteilers erreicht werden. Dadurch wird allerdings das Gewicht des Kraftstoffverteilers in die Höhe getrieben, was im Zuge der für den Leichtbau im Kraftfahrzeugsektor notwendigen Gewichtseinsparungen nicht wünschenswert ist.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen leichtbauenden Kraftstoffverteiler zur Verfügung zu stellen, bei dem die Deformation in Betrieb minimiert ist. Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen entsprechenden Kraftstoffverteiler bereit zu stellen.
-
Die gegenständliche Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8. Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffverteilers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 10 und 11.
-
Die Erfindung betrifft einen geschmiedeten Kraftstoffverteiler für ein Kraftfahrzeug mit einem rohrförmigen Grundkörper, zumindest einem werkstoffeinheitlich und einstückig daran ausgeformten Einlass, einer Mehrzahl werkstoffeinheitlich und einstückig daran ausgeformter Injektoraufnahmen und zumindest einem werkstoffeinheitlich und einstückig daran ausgeformten Stützelement zum Befestigen an einem weiteren Kraftfahrzeugbauteil, wobei sich zwischen den Injektoraufnahmen und dem zumindest einem Stützelement ein werkstoffeinheitlich und einstückig ausgeformter Verstärkungssteg erstreckt.
-
Wie eben bereits oben skizzenartig beschrieben wird im Bereich der Injektoraufnahme im Fahrzeugbetrieb eine Kraft in den Kraftstoffverteiler eingeleitet. Die Ausleitung der Kraft erfolgt über die Stützelemente, die zumeist an einem Zylinderkopf befestigt sind. Die dadurch in den Kraftstoffverteiler eingebrachte Verformung soll minimiert werden, insbesondere soll die Injektoraufnahme im Betrieb höchstens 1/10 Millimeter aus ihrer Einbaulage bewegt werden. Zwischen Injektoraufnahme und Kraftstoffinjektor ist zur Abdichtung ein O-Ring angebracht. Dieser besteht aus einem Gummi- oder Kautschukmaterial und kann durch eine sich übermäßig bewegende Injektoraufnahme schnell undicht werden oder verschleißen. Dieses Problem wird vermieden, wenn die Verformung des Kraftstoffverteilers auf ein Minimum begrenzt wird. Ansonsten besteht die Gefahr, dass Kraftstoff austritt und sich schlimmstenfalls sogar entzündet. Aus Sicherheitsgründen muss das Bauteil daher hier absolut dicht sein.
-
Die Versteifung zur Eindämmung der Deformation wird durch den werkstoffeinheitlich und einstückig ausgeformten Verstärkungssteg erreicht, der sich zwischen den Injektoraufnahmen und dem zumindest einen Stützelement erstreckt. Durch den Verstärkungssteg wird der Lastpfad zwischen dem Krafteinleitungspunkt in der Injektoraufnahme und dem Kraftausleitungspunkt im Stützelement minimiert. Dies führt zu einer Versteifung und damit zu einer Reduktion der Verformung des Kraftstoffverteilers.
-
Schmiedeverfahren bieten den großen Vorteil, dass der erfindungsgemäße Kraftstoffverteiler werkstoffeinheitlich und einstückig hergestellt werden kann. Dadurch werden Lot- oder Schweißnähte oder ähnliche Verbindungsstellen zwischen den Einzelteilen, die potentielle Schwachstellen des Bauteils darstellen, vermieden. Außerdem wird die Anzahl der für den Zusammenbau notwendigen Arbeitsschritte verkleinert, was wiederum zu einem günstigeren Herstellungsprozess führt. Das Schmiedeverfahren ermöglicht es zudem, anspruchsvolle Bauteilgeometrien zu realisieren. Grundsätzlich ist hier jedes Schmiedeverfahren denkbar, bevorzugt wird allerdings ein Gesenkschmiedeverfahren angewendet.
-
In bevorzugter Weise kommt als Werkstoff austenitischer Stahl, bevorzugt eine Edelstahllegierung zum Einsatz. Beispiele hierfür sind Stähle des Typs 1.4307 oder 1.4301. Voraussetzung für den Einsatz eines Materials ist es insbesondere, dass das Material kraftstoffbeständig ist um korrosive Schädigungen des Materials zu vermeiden.
-
Alternativ kann ein geeignet beschichteter Stahl zum Einsatz kommen, so dass ebenfalls eine ausreichende Kraftstoffbeständigkeit sichergestellt ist.
-
Der Kraftstoffverteiler weist einen rohrförmigen Grundkörper auf, in den durch den Einlass unter hohem Druck stehender Kraftstoff eingebracht wird. Unter einem rohrförmigen Grundkörper ist im Rahmen der Erfindung ein länglicher hohler Körper zu verstehen, der allerdings weder hinsichtlich des Innenraums, noch hinsichtlich des Außenumfangs zwingend einen runden oder kreisrunden Querschnitt aufweisen muss. Ein runder Querschnitt des Innenraums ist allerdings insofern zu bevorzugen, als dass der Innenraum durch eine Sacklochbohrung oder eine andere mechanische Bearbeitung nach dem Schmiedeprozess gebildet wird und in diesem Zuge ein runder Querschnitt naturgemäß erzeugt wird.
-
Die Injektoraufnahmen dienen der Verbindung mit den Kraftstoffinjektoren, die den Kraftstoff in den Zylinderkopf weiterleiten. Mittels dem zumindest einen Stützelement wird der Kraftstoffverteiler an einem weiteren Kraftfahrzeugbauteil befestigt und an diesem abgestützt.
-
Die Position des Einlasses ist im Wesentlichen von konstruktiven Bedingungen abhängig. Er kann sich sowohl an einer Stirnwand als auch an einer Seitenwand des Grundkörpers befinden. Befindet er sich an einer Seitenwand, so ist es notwendig, dass das offene Ende des Grundkörpers, das durch die Bohrung erzeugt wurde, mit einem Stopfen verschlossen wird. Außerdem ist es möglich, dass an einem Ende des Grundkörpers oder an dessen Seitenwand eine weitere Aufnahme vorgesehen ist, die ebenfalls bevorzugt werkstoffeinheitlich und einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist. In dieser Aufnahme kann beispielweise ein Drucksensor zur Kontrolle des Innendrucks in dem Kraftstoffverteiler eingebracht werden.
-
Bevorzugt erstreckt sich ein Verstärkungssteg zwischen jeweils einer Injektoraufnahme und einem dazu benachbarten Stützelement. Wie bereits erläutert ist es notwendig, den Lastpfad über die kürzest mögliche Verbindung zwischen Ein- und Ausleitungspunkte der Kraft zu leiten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Verstärkungssteg direkt von einer Injektoraufnahme als Krafteinleitungspunkt direkt zum benachbarten Stützelement als Kraftausleitungspunkt geführt wird. Dadurch wird die kürzest mögliche Führung des Lastpfades erreicht ohne unnötiges Gewicht in Form von weiteren Verstärkungsstegen zu erzeugen.
-
Bevorzugt sind die Injektoraufnahmen und das zumindest eine Stützelement parallel zueinander ausgerichtet. Unter einer parallelen Ausrichtung ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass die Mittellängsachse von Injektoraufnahmen und Stützelement senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers in derselben Ebene ausgerichtet sind. Diese konstruktive Ausgestaltung bringt es vorteilhaft mit sich, dass die Injektoren optimal in den Injektoraufnahmen angeordnet werden können und der gesamte Kraftstoffverteiler sehr einfach montiert werden kann. Zudem wird die schmiedetechnische Herstellung durch die einfachere geometrische Gestaltung ebenfalls vereinfacht, indem die Injektoraufnahmen und Stützelemente in einer Trennebene des Schmiedewerkzeugs angeordnet werden können.
-
Der Verstärkungssteg ist üblicherweise mit einer Injektoraufnahme, einem Stützelement sowie gegebenenfalls dem Grundkörper verbunden. Die an diese Bestandteile des Kraftstoffverteilers angrenzenden Ränder des Verstärkungssteges werden als verbundene Ränder bezeichnet. Ein Rand des Verstärkungssteges, der nicht an einen der Bestandteile des Kraftstoffverteilers angrenzt, wird hingegen als freier Rand bezeichnet.
-
Ein freier Rand des Verstärkungssteges weist bezogen auf dessen Erstreckung senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers und beabstandet zur Injektoraufnahme und dem Stützelement ein Minimum auf. Dabei kann es sich um ein stetiges Minium handeln, was bedeutet, dass der freie Rand eine gleichmäßige, stetige Kurve beschreibt. Es kann sich dabei auch um ein unstetiges Minimum handeln, das bedeutet, dass der freie Rand zumindest lokal eine ungleichmäßige, unstetige Kurve beschreibt. Beispielsweise weist der Verstärkungssteg an dieser Stelle eine dreieckförmige Ausnehmung aus oder der freie Rand ist aus mehreren linearen Streckenabschnitten zusammengesetzt. Ebenso ist es möglich, dass es sich nicht um ein lokales, punktförmiges Minimum handelt, sondern das Minimum plateauförmig ausgebildet ist, so dass der Verstärkungssteg in einem bestimmten Bereich eine konstante Erstreckung senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers aufweist.
-
Bevorzugt verläuft der freie Rand des Verstärkungssteges in einer stetigen Kurve, wobei der Radius bevorzugt 5 bis 10 Millimeter bevorzugt etwa 7 bis 8 Millimeter beträgt. Ziel ist es durch den Verlauf des freien Randes einen möglichst kurzen Lastpfad zu erzeugen, wobei ein möglichst weicher Übergang zwischen Verstärkungssteg und der anliegenden Kraftstoffverteilerkomponente, also einer Injektoraufnahme oder einem Stützelement, erzeugt wird.
-
Der freie Rand schließt mit einem mit dem Stützelement verbundenen Rand des Verstärkungssteges einen Winkel α und mit der Injektoraufnahme einen Winkel β ein, der kleiner 90° bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner als 45° ist. Durch einen so ausgestalteten weichen Übergang zwischen dem Verstärkungssteg und der anliegenden Kraftverteilerkomponente wird die Belastung insbesondere auf die Verbindungsstellen zwischen dem Verstärkungssteg und der Kraftverteilerkomponente minimiert. Der Verstärkungssteg ist entlang eines verbundenen Randes mit einer Injektoraufnahme bzw. einem Stützelement bzw. mit dem Grundkörper linienförmig verbunden. Dies bedeutet, dass der Verbindungsbereich zwischen dem Verstärkungssteg und den Kraftstoffverteilerkomponenten linienförmig lang und schmal erstreckt.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verlauf des freien Randes einen möglichst kurzen Lastpfad durch den Verstärkungssteg zwischen dem Eingangspunkt einer Kraft an einer Injektoraufnahme und dem Ausgangspunkt der Kraft an einem mit der Injektoraufnahme durch den Verstärkungssteg verbundenen Stützelement ermöglicht. Durch eine derartige auf geometrische Gesichtspunkte hinwirkende Ausgestaltung des Verstärkungsstegs wird die Länge des Lastpfades minimiert und auch folglich die Belastung auf ein Minimum reduziert. Die konkrete geometrische Ausgestaltung des Verstärkungssteges ist nach den konstruktiven Gegebenheiten zu ermitteln und anzuwenden. Durch eine geschickte Gestaltung des Verstärkungssteges ist neben der Minimierung des Lastpfades auch eine Gewichtsoptimierung möglich, da auf diese Art und Weise unnötiges Material für den Verstärkungssteg vermieden wird.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Dicke des Verstärkungssteges im Mittel 2 bis 6 Millimeter, bevorzugt 2,5 bis 4,5 Millimeter, besonders bevorzugt 4 Millimeter beträgt. Die Dicke des Verstärkungssteges in einer konkreten Ausgestaltung hängt wieder von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Hier können sowohl die geometrischen Gegebenheiten der einzelnen Kraftstoffverteilerkomponenten eine Rolle spielen, genauso wie der vorhandene Bauraum oder bekannten Lastpfade. Es bietet sich auf diese Art und Weise eine weitere Möglichkeit das Verhalten des Kraftstoffverteilers zu optimieren. Unter „im Mittel“ ist hier der Mittelwert der Dicke über die gesamte Erstreckung des Verstärkungssteges senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers zu verstehen.
-
Indem der Verstärkungssteg eine über seine Ausdehnung zwischen den Kraftstoffverteilerkomponenten variable Dicke aufweisen kann, erhält man eine zusätzliche Einstellungsmöglichkeit zur Anpassung der Geometrie des Bauteils an die identifizierten Lastpfade und zur Gewichtsoptimierung.
-
Besonders entlang der verbundenen Ränder des Verstärkungsstegs kann dieser in einem Bereich unmittelbar benachbart zu den Bauteilkomponenten eine größere Dicke aufweisen, als in der übrigen Flächenerstreckung. Der Verstärkungssteg weist dann im Anschluss an die Bauteilkomponenten eine erste Dicke auf, die gleichmäßig in eine zweite Dicke, die der Solldicke des Verstärkungssteges entspricht, übergeht.
-
In bevorzugter Art und Weise ist der Verstärkungssteg aus einem in einem Schmiedevorgang gebildeten Grat ausgeformt. Bei bestimmten Schmiedeverfahren, beispielsweise dem Gesenkschmieden, kommt es zu der Erzeugung eines Grates in der Trennebene des Schmiedewerkzeugs. Dieser ist nach Beendigung des Schmiedevorgangs durch einen zusätzlichen Bearbeitungsvorgang zu entfernen. Der abgekantete Grat bildet somit Abfall. Dadurch dass der im Verfahren sowieso anfallende Grat zur Ausbildung des Verstärkungssteges genutzt wird, kann der Verfahrensabfall stark reduziert werden. Außerdem ist es nicht notwendig einen entsprechenden Verstärkungssteg bereits in der Werkzeugform an sich vorzusehen, was eine Vereinfachung des Werkzeugs bzw. der Werkzeugform zur Folge hat. Nach dem Schmiedevorgang wird der Grat mechanisch bearbeitet. Es erfolgt durch Warm- oder Kaltabgraten vor, nach oder während der Fertigstellung des Kraftstoffverteilers.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Einlass an einer Seitenwand des Grundkörpers ausgebildet ist.
-
Bevorzugt schließt eine Längsachse des Einlasses mit einer Aufstandsebene eines Stützelements einen Winkel von 60° bis 80°, bevorzugt 65° bis 75°, bevorzugt 70° bis 73° ein.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass an einer Seitenwand des Grundkörpers eine Aufnahme ausgebildet ist. Diese Aufnahme ist ebenso werkstoffeinheitlich und einstückig an dem Grundkörper ausgeformt. In einer solchen Aufnahme kann beispielsweise ein Drucksensor eingebracht sein, der der Kontrolle des Innendrucks des Kraftstoffverteilers dient. Hier kommen noch einmal die Vorteile des gesamten Verfahrens zum Tragen, in dem die Aufnahme nicht separat in einem weiteren Arbeitsgang angefügt werden muss.
-
In vorteilhafter Weise schließt eine Längsachse der Aufnahme mit einer Aufstandsebene eines Stützelements einen Winkel von 70° bis 90° bevorzugt 75° bis 85° besonders bevorzugt von 79° bis 81° ein.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kraftstoffverteilers für ein Kraftfahrzeug weist folgende Schritte auf:
- • Einbringen eines Rohlings in ein Schmiedewerkzeug
- • Schmiedetechnisches Umformen des Rohlings zu einem Halbzeug in einem oder mehreren Schritten unter Ausbildung eines Grates
- • Entformen des Halbzeuges
- • Fertigstellung des Kraftstoffverteilers durch mechanische Bearbeitung des Halbzeugs, wobei unter anderem der Grat derart beschnitten wird, dass ein Verstärkungssteg ausgebildet wird
-
Wie weiter oben im Rahmen der gegenständlichen Beschreibung des Kraftstoffverteilers bereits erläutert bietet ein Schmiedeverfahren insbesondere den Vorteil, dass das gesamte Bauteil werkstoffeinheitlich und einstückig ausgeformt werden kann. Im Gegensatz zu sogenannten gebauten Kraftstoffverteilern ist es hier nicht notwendig, dass in mehreren Arbeitsschritten einzelne Teile durch Heften und Löten, Schweißen oder andere derartige insbesondere stoffschlüssige Verbindungsverfahren miteinander verbunden werden.
-
Ausgangspunkt des Verfahrens ist ein Rohling aus einem metallischen Material. In bevorzugter Weise handelt es sich dabei um einen austenitischen Stahl, bevorzugt um eine Edelstahllegierung. Beispiele hierfür sind Stähle des Typs 1.4307 oder 1.4301. Voraussetzung für den Einsatz des Materials ist es insbesondere, dass das Material kraftstoffbeständig ist um korrosive Schädigungen des Materials zu vermeiden. Unabhängig von einem Edelstahl kann auch ein geeignet beschichteter Stahl zum Einsatz kommen.
-
Ein solcher Rohling, dabei handelt es sich um einen Metallblock oder auch eine Welle oder einen Stab, wird in das Schmiedewerkzeug eingebracht. Bei diesem Schmiedewerkzeug handelt es sich bevorzugt um ein Gesenkschmiedewerkzeug, wobei beim sogenannten Gesenkschmieden mit Grat ganz natürlich während des Verfahrens ein Grat an dem Rohling ausgebildet wird. Das Umformen des Rohlings zu einem Halbzeug erfolgt in einem oder mehreren Schritten.
-
Nach dem Entformen des Halbzeugs wird dieses mechanisch bearbeitet. Unter mechanischer Bearbeitung ist jegliche Art von Bohren, Schneiden, Abgraten und dergleichen zu verstehen. Insbesondere werden in diesem Arbeitsschritt Bohrungen ausgeführt, durch die der Innenraum des Grundkörpers sowie die Einlässe und die Injektoraufnahmen ausgeformt werden. Bei der Bohrung für den Innenraum des Grundkörpers kann es sich sowohl um eine Sacklochbohrung als auch um eine durchgehende Bohrung handeln. Bei einer Sacklochbohrung kann der Eingang des Bohrloches sowohl als Einlass für den Kraftstoff genutzt werden oder aber durch einen Stopfen verschlossen werden. Gleiches ist für eine durchgehende Bohrung möglich, so dass ein Bohrlochende als Einlass für den Kraftstoff genutzt wird und das andere durch einen Stopfen verschlossen wird oder dass beide durch einen Stopfen verschlossen werden.
-
Insbesondere erfolgt die mechanische Bearbeitung derart, dass der Grat derart beschnitten wird, dass ein Verstärkungssteg ausgebildet wird.
-
Bevorzugt wird der Grat in der Trennebene eines zweiteiligen Schmiedewerkzeugs ausgebildet. Durch die Nutzung dieses Grates als Verstärkungssteg werden mehrere Vorteile des Verfahrens genutzt. Beim Gesenkschmieden mit Grat ist der Einsatz relativ einfacher Werkzeuge möglich. Im Gegensatz dazu muss beispielsweise beim Gesenkschmieden ohne Grat das Werkzeug besonders abgedichtet werden. Außerdem kann beim Gesenkschmieden mit Grat der überschüssige Werkstoff einfach abfließen, während im anderen Fall die Werkstoffmenge präzise bemessen werden muss. Der beim Gesenkschmieden mit Grat entstehende Grat ist im Normalfall ein Abfallprodukt, das nach dem Beschnitt, also nach dem Abgraten, entsorgt wird. Dadurch dass gerade dieser Grat zur Ausbildung des Verstärkungssteges verwendet wird, wird der Abfall minimiert, gleichzeitig das Schmiedewerkzeug vereinfacht und der gesamte Prozess kostengünstiger ausgestaltet.
-
Durch die Ausgestaltung des Formhohlraums für den Grat ist es zudem möglich die Geometrie des Verstärkungssteges mitzubestimmen, etwa in Hinblick auf die Dicke des Verstärkungssteges, so dass auf diese Art und Weise eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Geometrie eingeführt wird.
-
In bevorzugter Art und Weise ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Injektoraufnahmen und zumindest ein Stützelement zum Befestigen eines weiteren Kraftfahrzeugbauteils ausgebildet werden und der Grat so beschnitten wird, dass nur zwischen den Injektoraufnahmen und Stützelement ein Verstärkungssteg ausgebildet wird, wobei aber auch zwischen zwei Injektoraufnahmen ein Verstärkungssteg ausgebildet werden kann. Durch diese Maßnahme wird das Verfahren hinsichtlich Gewicht und Nutzenoptimierung noch verbessert. Der Verstärkungssteg wird nur an den Stellen des Kraftstoffverteilers ausgeformt, wo er den maximalen Nutzen mit sich bringt. Gleichzeitig wird nur so viel Material verwendet wie notwendig, so dass auch hinsichtlich des Gewichts der Kraftstoffverteiler optimiert wird.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Umformen des Rohlings zu einem Halbzeug ein Vorschmieden und ein Fertigschmieden umfasst. Durch dieses mehrstufige Vorgehen bei der Herstellung des Halbzeuges ist es möglich, die Geometrie optimal auszuformen, um eine hohe Prozesssicherheit zu erreichen.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist in den nachfolgenden Figuren beschrieben. Komponenten mit identischer Funktion sind dabei mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Kraftstoffverteilers,
- 2 ein Halbzeug vor der mechanischen Bearbeitung in der Draufsicht,
- 3 ein Kraftstoffverteiler in der Draufsicht,
- 4 eine vergrößerte Darstellung des Kraftstoffverteilers aus 3,
- 5 eine Schnittdarstellung des Grundkörpers mit Einlass,
- 6 eine Schnittdarstellung des Grundkörpers mit Aufnahme und
- 7 eine Seitenansicht des Kraftstoffverteilers.
-
Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffverteiler 1 ist schmiedetechnisch hergestellt und umfasst einen rohrförmigen Grundkörper 2, einen werkstoffeinheitlich und einstückig an einer Seitenwand 7 des Grundkörpers 2 ausgeformten Einlass 3, eine Mehrzahl werkstoffeinheitlich und einstückig daran ausgeformter Injektoraufnahmen 4 und werkstoffeinheitlich und einstückig daran ausgeformte Stützelemente 5. Mittels der Stützelemente 5 wird der Kraftstoffverteiler 1 an einem weiteren Kraftfahrzeugbauteil befestigt. Zwischen den Injektoraufnahmen 4 und den Stützelementen 5 erstreckt sich jeweils ein werkstoffeinheitlich und einstückig ausgeformter Verstärkungssteg 6. Weiterhin ist eine Aufnahme 8 für einen Drucksensor zur Ermittlung des Innendrucks vorgesehen.
-
Üblicherweise werden die Stützelemente 5 am Zylinderkopf (nicht näher dargestellt) durch eine Verschraubung befestigt. Daher weisen die Stützelemente 5 Schraublöcher 25 auf, die durch spanende mechanische Bearbeitung hergestellt werden. In Einbaulage kommt das Stützelement 5 mit einer Aufstandsebene 22 mit dem Zylinderkopf zur Anlage, wobei Schrauben senkrecht zur Aufstandsebene 22 durch die Schraublöcher 25 und in korrespondierende Gewinde im Zylinderkopf geführt werden. Dabei kann die Aufstandsebene 22 auch an die Oberfläche des Zylinderkopfs angepasst werden, um eine vollflächige Anlage zu erreichen.
-
Im betriebsbereiten Zustand in einem Kraftfahrzeug werden die Kraftstoffinjektoren, die den Kraftstoff in den Zylinderkopf befördern, in Bohrungen 12 der Injektoraufnahmen 4 angeordnet. Im Betreib wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über die Injektoren in den Zylinderkopf eingebracht. Die resultierende Gegenkraft bewegt die Injektoren in Richtung des Kraftstoffverteilers. Durch die Bewegung der Injektoren wird an den Injektoraufnahmen 4 eine Kraft in den Kraftstoffverteiler 1 eingeleitet. Dadurch werden die Injektoraufnahmen 4 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Gleichzeitig verbleiben die mit dem Zylinderkopf fest verbundenen Stützelemente 5 in Ruhe. Daraus resultiert eine Verformung des gesamten Kraftstoffverteilers 1. Durch die Verstärkungsstege 6 wird diese Verformung auf ein Minimum reduziert. Um einen dauerhaften, fehlerfreien und kraftstoffdichten Betrieb des Kraftstoffverteilers 1 zu gewährleisten, muss die Auslenkung der Injektoraufnahmen 4 kleiner als 1/10 Millimeter sein. Dies kann durch erfindungsgemäße Verstärkungsstege 6 zwischen Injektoraufnahmen 4 und Stützelementen 5 erreicht werden, da die Verstärkungsstege 6 zu einer Versteifung des Kraftstoffverteilers 1 führen.
-
In der Darstellung in 1 erstrecken sich Verstärkungsstege 6 jeweils zwischen einer Injektoraufnahme 4 und einem benachbarten Stützelement 5. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch möglich beispielsweise zwischen zwei benachbarten Injektoraufnahmen einen Verstärkungssteg 6 auszubilden. Dadurch kann falls notwendig eine zusätzliche Versteifungswirkung erzielt werden.
-
Bei der Herstellung des Kraftstoffverteilers 1 wird zunächst ein Rohling in ein Schmiedewerkzeug eingebracht. Je nach Komplexität des endgültigen Bauteils wird dieser Rohling in einem oder mehreren Fertigungsschritten in ein Halbzeug 13 umgeformt, wie es in 2 in der Draufsicht dargestellt ist. Einlass 3, Aufnahme 8, Injektoraufnahmen 4 sowie Stützelemente 5 werden dabei werkstoffeinheitlich und einstückig an dem Grundkörper 2 ausgeformt. Gleichzeitig wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein Grat 14 ebenfalls werkstoffeinheitlich und einstückig ausgeformt.
-
Nach dem Entformen aus dem Schmiedewerkzeug wird das Halbzeug 13 weiter mechanisch bearbeitet. Hierbei wird beispielsweise durch eine Sacklochbohrung der Innenraum 23 des Grundkörpers 2 erzeugt. Dabei bleibt eine erste Stirnwand 9 des Grundkörpers 2 unversehrt, die durchstoßene zweite Stirnwand 11 wird durch einen Stopfen 10 verschlossen. Ebenfalls werden die Bohrungen 12 für die Injektoraufnahmen 4 sowie den Einlass 3, die Aufnahme 8 für einen Drucksensor sowie die Schraublöcher 25 erzeugt. Die mechanische Bearbeitung umfasst dabei jegliche spanende Bearbeitung ebenso wie Beschnitt, Abkanten oder Abgraten.
-
Wie die Schnittbilder in den 5 und 6 zeigen, weist der Innenraum 23 durch die Sacklochbohrung einen kreisrunden Querschnitt auf, was auch hinsichtlich der Widerstandskraft hinsichtlich des Innendrucks vorteilhaft ist. Der Querschnitt bleibt zudem über die gesamte Länge des Grundkörpers 2 gleich. Durch andersartige mechanische Bearbeitung des Halbzeugs 13 ist es aber auch möglich, davon abweichende Querschnitte zu erzeugen. Beispielsweise wären hier den Belastungen, sei es durch den Innendruck oder äußere Krafteinwirkungen, lokal angepasste Wandstärken denkbar. Dann würde der Querschnitt des Innenraums 23, mithin der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts, entlang der Längsachse 15 des Grundkörpers 2 variieren. Aber auch ein von der kreisrunden Form verschiedener Querschnitt ist vorstellbar.
-
Lokal angepasste Wandstärken können auch dadurch erzeugt werden, dass der äußere Umfang senkrecht zu der Längsachse 15 des Grundkörpers 2 über dessen Länge variiert. Dann bleibt der Querschnitt des Innenraums 23 konstant.
-
Der Grat 14 wird ebenfalls beschnitten, so dass daraus die Verstärkungsstege 6 erzeugt werden. Bei Schmiedeverfahren mit mehrteiligen Werkzeugteilen kann der Grat 14 gewissermaßen als Abfallprodukt bei der Herstellung erzeugt werden, um den Schmiedevorgang zu vereinfachen. Ein Beispiel ist hier das Gesenkschmieden mit Grat. Die Erzeugung des Grates macht einfachere Schmiedeprozesse und - werkzeuge möglich, da überschüssiges Material einfach abfließen kann und soll und daher auch keine besondere Dichtigkeit des Werkzeuges erforderlich ist. Der entstandene Grat hingegen wird durch Abgraten entfernt. Durch eine erfindungsgemäße Gestaltung des Kraftstoffverteilers 1 wird dieser Nachteil kompensiert. Die Abfallmenge an Schmiedematerial wird reduziert, was zu Kosteneinsparungen führt. Gleichzeitig können Schmiedewerkzeuge weiterhin einfach gestaltet werden, was zusätzlich Investitionskosten reduziert und die Handhabung vereinfacht.
-
Um die Montage des Kraftstoffverteilers 1 möglichst einfach zu gestalten und ebenfalls die Belastung des Kraftstoffverteilers 1 im Betrieb zu reduzieren, sind die Injektoraufnahmen 4 und die Stützelemente 5 parallel zueinander ausgerichtet. Das bedeutet dass die Längsachsen 16 der Injektoraufnahmen 4 und die Längsachsen 17 der Stützelemente 5 wie in 3 gezeigt senkrecht zur Längsachse 15 des Grundkörpers 2 ausgerichtet sind und in einer Ebene - hier der Zeichenebene - liegen. Hierdurch kann die Verschraubung zusammen mit der Montage der Injektoren unkompliziert durchgeführt werden. Die schmiedetechnische Herstellung wird durch diese geometrische Gestaltung zudem vereinfacht, indem die Injektoraufnahmen und Stützelemente in einer Trennebene des Schmiedewerkzeugs angeordnet werden können.
-
Ein vergrößerter Ausschnitt des Endes des Kraftstoffverteilers 1 an der ersten Stirnwand 9 ist in 4 gezeigt. Hier wird eine bevorzugte geometrische Ausgestaltung eines Verstärkungssteges 6 dargestellt. Der Verstärkungssteg 6 ist mit seinen verbundenen Rändern 20a,20b,20c mit dem Grundkörper 2, der Injektoraufnahme 4 und dem Stützelement 5 verbunden. Der Verstärkungssteg 6 erstreckt sich senkrecht von der Längsachse 15 des Grundkörpers 2 radial nach außen. Der freie Rand 19 beschreibt hier eine gleichmäßige, stetige Kurve. Die Erstreckung E1 , E2 , E3 ist dabei nicht konstant, vielmehr weist der Verlauf des freien Randes 19 ein Minimum 18 auf. Die Erstreckung E2 hat dort einen Minimalwert. Dieses Minimum 18 ist zudem beabstandet zu der Injektoraufnahme 4 und dem Stützelement 5. Das bedeutet, dass die Erstreckung E1 ,E3 des Verstärkungssteges 6 senkrecht zur Längsachse 15 des Grundkörpers 2 in der Nähe von Injektoraufnahme 4 und Stützelement 5 immer größer ist als die Erstreckung E2 im Bereich des Minimums 18.
-
Diese Ausgestaltung hat vornehmlich zwei Gründe. Zum einen soll der Lastpfad zwischen Krafteinleitungspunkt an der Injektoraufnahme 4 und Kraftausleitungspunkt an dem Stützelement 5 möglichst kurz gehalten werden, damit eine versteifende Wirkung eintritt. Zum anderen müssen die Übergänge zwischen Injektoraufnahme 4 sowie Stützelement 5 einerseits und Verstärkungssteg 6 andererseits möglichst weich gehalten werden, um die Gefahr einer Rissbildung auszuschließen. Das bedeutet, dass der Verstärkungssteg 6 nicht abrupt an eine der beiden anderen Komponenten anschließt, sondern zu der jeweils anschließenden Komponente des Kraftstoffverteilers 1 hin gleichmäßig ausläuft. Anders formuliert soll der Winkel α, der von dem freien Rand 19 des Verstärkungselementes 6 und dem verbundenen Rand 20a an dem Stützelement 5 eingeschlossen wird, kleiner als 90° sein. Bevorzugt ist er kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner als 45°. Dasselbe gilt für den Winkel β zwischen dem freien Rand 19 und dem verbundenen Rand 20c des Verstärkungssteges 6 an der Injektoraufnahme 4.
-
Die genaue Ausgestaltung des Verstärkungselementes 6 hinsichtlich der Winkel α,β und auch des Radius der Kurve, die den freien Rand 19 beschreibt, ist von den konstruktiven Gegebenheiten abhängig. In 3 ist beispielsweise zu erkennen, dass Injektoraufnahmen 4 und Stützelemente 5 jeweils unterschiedlich weit voneinander beabstandet sind. Dies führt dazu, dass die einzelnen Verstärkungsstege 6 notwendigerweise nicht identisch ausgestaltet werden können, da jeweils unterschiedliche Lastpfade abgebildet werden müssen, wobei trotzdem ein weicher Übergang zwischen dem Verstärkungssteg 6 und Injektoraufnahme 4 oder Stützelement 5 gewährleistet sein muss.
-
5 zeigt ein Schnittbild auf Höhe des Einlasses 3 durch den Kraftstoffverteiler 1. Hier wird die Ausrichtung des Einlasses 3 relativ zur übrigen Konstruktion deutlich. Die Längsachse 21 des Einlasses 3 und die Aufstandsebene 22 des Stützelements 5 schließen den Winkel γ ein. Die Aufstandsebene 22 ist die Ebene, entlang der die Stützelemente 5 mit einem weiteren Bauteil, etwa dem Zylinderkopf, in Anlage kommen. Der Winkel γ beträgt 60° bis 80°, bevorzugt 65° bis 75°, besonders bevorzugt 70° bis 73°.
-
Eine analoge Darstellung für die Anordnung der Aufnahme 8 zeigt 6. Hier ist zu erkennen, dass die Längsachse 24 der Aufnahme 8 und die Aufstandsebene 22 des Stützelements 5 den Winkel δ einschließen. Der Winkel δ beträgt 70° bis 90° bevorzugt 75° bis 85°, besonders bevorzugt von 79° bis 81°.
-
Der Kraftstoffverteiler 1 wird über die Stützelemente 5 an dem Zylinderkopf befestigt. Dies geschieht hier über eine schraubtechnische Verbindung durch die Schraublöcher 25. Entsprechende Schrauben werden senkrecht zur Aufstandsebene 22 durch die Schraublöcher 25 geführt. Durch die beschriebene Anordnung von Einlass 3 und Aufnahme 8 ist eine Zugänglichkeit der Schraublöcher von oben gegeben, was die Montage des Kraftstoffverteilers 1 vereinfacht. Gleichzeitig sind der Einlass 3 für die Kraftstoffzuführung und die Aufnahme 8 für die Signalleitungen des Drucksensors in Einbaulage nach wie vor gut zugänglich.
-
7 zeigt nochmals den Kraftstoffverteiler in einer Seitenansicht mit Blick auf die Injektoraufnahmen 4. Hier ist zu erkennen, dass die Verstärkungsstege 6 in dieser Ausführungsform eine gleichmäßige Dicke d aufweisen. Die Dicke d beträgt 2 bis 6 Millimeter, bevorzugt 2,5 bis 4,5 Millimeter, besonders bevorzugt 4 Millimeter. Es wird auch noch einmal die Erstreckung der Verstärkungsstege 6 senkrecht von der Längsachse 15 des Grundkörpers 2 radial nach außen deutlich.
-
Die Dicke d muss nicht über die gesamte Erstreckung der Verstärkungsstege 6 konstant sein. Sie kann sowohl in Richtung der Längsachse 15 des Grundkörpers 2 als auch senkrecht zu der Längsachse 15 variieren. Dadurch kann gegebenenfalls die Versteifungswirkung weiter optimiert werden. Dennoch soll die Dicke d im Mittel über die gesamte Fläche des Verstärkungselements 6 2 bis 6 Millimeter, bevorzugt 2,5 bis 4,5 Millimeter, besonders bevorzugt 4 Millimeter betragen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kraftstoffverteiler
- 2
- Grundkörper
- 3
- Einlass
- 4
- Injektoraufnahme
- 5
- Stützelement
- 6
- Verstärkungssteg
- 7
- Seitenwand
- 8
- Aufnahme
- 9
- erste Stirnwand
- 10
- Stopfen
- 11
- zweite Stirnwand
- 12
- Bohrung
- 13
- Halbzeug
- 14
- Grat
- 15
- Längsachse von 2
- 16
- Längsachse von 4
- 17
- Längsachse von 5
- 18
- Minimum
- 19
- freier Rand
- 20
- verbundener Rand
- 21
- Längsachse von 3
- 22
- Aufstandsebene
- 23
- Innenraum von 2
- 24
- Längsachse von 8
- 25
- Schraubloch
- E1
- Erstreckung
- E2
- Erstreckung
- E3
- Erstreckung
- d
- Dicke
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- γ
- Winkel
- δ
- Winkel
