DE102016209423A1

DE102016209423A1 - Hochdruckspeicher und Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers

Info

Publication number: DE102016209423A1
Application number: DE102016209423.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Uhlmann; Giovanni Ferraro
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-30
Also published as: JP6692931B2; EP3464870A1; KR20190012172A; CN109219698A; JP2019517636A; US20200325866A1; WO2017207156A1

Abstract

Hochdruckspeicher (1) für Brennkraftmaschinen zum Speichern von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Der Hochdruckspeicher (1) umfasst ein Speicherrohr (2) mit einem in dem Speicherrohr (2) ausgebildeten Speicherraum (3). Der Hochdruckspeicher (1) weist einen Zufuhranschluss (7) zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff und zumindest einen Abfuhranschluss (4) zum Abführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff auf. In dem Speicherraum (3) ist eine Wabenstruktur (10) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher, insbesondere für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hochdruckspeichers.
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher, insbesondere für ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hochdruckspeichers.
Hochdruckspeicher sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2008 040 901 A1 . Der bekannte Hochdruckspeicher weist einen Speicherraum zum Speichern von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff auf. Weiterhin sind neben den pumpen- und injektorseitigen Anschlüssen noch Aufnahmen für Anbaukomponenten vorhanden. Dabei sind üblicherweise die beiden Anbaukomponenten Raildrucksensor und Druckregelventil bzw. Druckbegrenzungsventil an den Hochdruckspeicher angebaut.
Das Einspritzsystem, insbesondere der Hochdruckspeicher und die Injektoren, sind insofern empfindlich gegenüber Druckschwingungen, als diese die Lebensdauer der damit beaufschlagten Komponenten reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Hochdruckspeicher für Brennkraftmaschinen weist demgegenüber eine verminderte Beanspruchung und demzufolge eine höhere Lebensdauer auf.
Dazu umfasst der Hochdruckspeicher ein Speicherrohr mit einem in dem Speicherrohr ausgebildeten Speicherraum. Der Hochdruckspeicher weist einen Zufuhranschluss zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff und zumindest einen Abfuhranschluss zum Abführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff auf. In dem Speicherraum ist eine Wabenstruktur angeordnet.
Die Wabenstruktur wirkt bei einer schnellen Durchströmung des Speicherraums, wie sie etwa bei geöffneten Abfuhranschlüssen vorliegt, als Drossel und dämpft somit Druckschwingungen im Speicherraum aber auch in den den Abfuhranschlüssen nachgeschalteten Komponenten, beispielsweise Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine. Mit dem Abdämpfen der Drucküberschwinger wird die Druckbeanspruchung auf die Komponenten verringert und damit die Lebensdauer der Komponenten erhöht. Weiterhin kann die Wabenstruktur auch so gestaltet sein, dass sie das Speicherrohr versteift und dadurch die Festigkeit des Hochdruckspeichers erhöht.
In vorteilhaften Ausgestaltungen sind das Speicherrohr und die Wabenstruktur einstückig ausgeführt. Dadurch kann auf aufwändige Verbindungstechniken verzichtet werden, und der Hochdruckspeicher ist besonders steif ausgeführt. Der Hochdruckspeicher wird mit dem 3D-Druck-Verfahren hergestellt, ein herkömmliches Gussverfahren ist dafür nicht geeignet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Wabenstruktur zumindest eine, vorzugsweise jedoch 10 bis 15 Scheiben, wobei in jeder Scheibe mehrere wabenförmige Ausnehmungen ausgebildet sind. Dadurch wird die Kraftstoffströmung durch die einzelnen Scheiben gedämpft. Druckwellen werden an den Scheiben teilweise reflektiert und überlagern sich so, dass die Drucküberschwinger abgeschwächt werden.
Vorteilhafterweise sind die Scheiben jeweils mit dem gleichen axialen Abstand nacheinander aufgereiht. Dadurch sind die Drosselstellen in gleichen Abständen in axialer Richtung des Speicherraums angeordnet. Die Druckschwingungen im Speicherraum werden so gleichmäßig gedämpft.
In vorteilhaften Ausführungen weisen die Ausnehmungen die Grundform eines regelmäßigen Sechsecks auf. Dies ist eine besonders günstige Drosselgeometrie bei vergleichsweise niedrigem Gewicht. Zum Vergleich weisen kreisrunde Bohrungen keine konstante Stegbreite zwischen den Bohrungen auf und erfordern demzufolge lokal hohe Materialanhäufungen.
Vorteilhafterweise beträgt die Kantenlänge des regelmäßigen Sechsecks 0,75 mm. Dies ist insbesondere für einen Durchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Speicherraums von etwa 10 mm gut geeignet.
In vorteilhaften alternativen Ausführungen umfasst die Wabenstruktur zumindest einen, vorzugsweise jedoch 10 bis 15 Wabenkelche. In jedem Wabenkelch sind mehrere wabenförmige Ausnehmungen ausgebildet. Dadurch wird die Kraftstoffströmung durch die einzelnen Wabenkelche, die wie Drosselstellen wirken, gedämpft. Druckwellen werden an den Wabenkelchen teilweise reflektiert und überlagern sich so, dass die Drucküberschwinger abgeschwächt werden. Die Kraftstoffströmung durch den Speicherraum kann durch die Wabenkelche sehr gezielt gelenkt werden.
Vorteilhafterweise weist jeder Wabenkelch einen Kopfbereich auf, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Speicherraums entspricht, vorzugsweise etwa 10 mm. Weiterhin weist jeder Wabenkelch einen verjüngten Fußbereich auf. Die Verjüngung entlang der axialen Achse kann dabei konisch oder geschwungen verlaufen. Die Kelchform ist dabei ein sehr guter Kompromiss aus guter Strömungsführung, guter Dämpfungsfunktion, hoher Steifigkeit und geringem Gewicht.
In vorteilhaften Weiterbildungen sind die Wabenkelche so angeordnet, dass jeweils ein Kopfbereich mit einem Kopfbereich des nächsten Wabenkelchs und entsprechend ein Fußbereich mit einem Fußbereich des anschließenden Wabenkelchs zusammenwirkt. Die Wabenkelche sind dadurch so in Reihe angeordnet, dass bei Durchströmung der zwei aneinander angeordneten Kopfbereiche eine starke Dämpfung von Druckschwingungen erfolgt. Weiterhin wird durch eine derartige Anordnung die Steifigkeit des Hochdruckspeichers auch in der axialen Richtung erheblich erhöht.
In vorteilhaften Ausführungen weisen die Wabenkelche eine Länge von 5 mm auf. Dadurch sind die Drosselstellen durch die Kopfbereiche in gleichen Abständen in axialer Richtung des Speicherraums angeordnet. Die Druckschwingungen im Speicherraum werden so gleichmäßig gedämpft.
In vorteilhaften Ausführungen weisen die Ausnehmungen die Grundform eines regelmäßigen Sechsecks auf. Dies ist eine besonders günstige Drosselgeometrie bei vergleichsweise niedrigem Gewicht. Zum Vergleich weisen kreisrunde Bohrungen keine konstante Stegbreite zwischen den Bohrungen auf und erfordern demzufolge lokal hohe Materialanhäufungen.
Vorteilhafterweise beträgt die Kantenlänge des regelmäßigen Sechsecks 0,75 mm. Dies ist insbesondere für einen Durchmesser des Speicherraums von etwa 10 mm gut geeignet.
Die Herstellung der vorangehend beschriebenen Hochdruckspeicher erfolgt mit dem 3D-Druck-Verfahren, welches die Fertigung derartiger Geometrien überhaupt erst kostengünstig ermöglicht. Insbesondere die einstückige Ausführung von Speicherrohr und Wabenstruktur ist dann besonders vorteilhaft, nämlich zum einen sehr kostengünstig und zum anderen mit hoher Steifigkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 schematisch einen Hochdruckspeicher im Längsschnitt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
2 einen Ausschnitt eines Halbmodells eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
3 einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers als Halbmodell in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Im Längsschnitt der 1 ist mit 1 ein rohrförmiger Hochdruckspeicher bezeichnet, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Hochdruckspeicher 1 weist ein Speicherrohr 2 auf, welches einen Speicherraum 3 umgibt. Der Hochdruckspeicher 1 ist für ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen vorgesehen und wird üblicherweise auch als Rail bezeichnet.
An dem Speicherrohr 2 des Hochdruckspeichers 1 sind mehrere Abfuhranschlüsse 4 für Kraftstoffdruckleitungen zu nicht dargestellten Injektoren ausgebildet. Weiterhin ist ein Zufuhranschluss 7 zu einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe an dem Speicherrohr 2 ausgebildet. Zusätzlich sind an dem Speicherrohr 2 Aufnahmen 5 und 6 für Anbaukomponenten 8 und 9 ausgebildet. Üblicherweise ist die Anbaukomponente 8 ein Raildrucksensor zur Ermittlung des Drucks in dem Speicherraum 3. Und die Anbaukomponente 9 ist ein Druckventil, vorzugsweise ein Druckregelventil zum Regeln des Drucks in dem Speicherraum 3. Das Druckventil 9 bzw. Druckregelventil 9 ist beispielsweise als elektromagnetisches Ventil ausgeführt und hat einen nicht dargestellten elektrischen Anschluss zur Verbindung mit einem nicht dargestellten Steuergerät bzw. einer Stromversorgung.
Die Aufnahmeöffnung 6 für das Druckventil 9 ist über einen Ablaufkanal 32 mit einem Niederdruckanschluss 34 verbunden, so dass eine über das Druckventil 9 abgesteuerte Kraftstoffmenge zu einem Niederdruckrücklauf geführt werden kann. Dabei mündet der Ablaufkanal 32 derart in die Aufnahmeöffnung 6, dass bei an den Hochdruckspeicher 1 angesetztem Druckventil 9 eine Abdichtung zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil (Ablaufkanal 32) gewährleistet ist.
Im Beispielfall sind das Druckventil 9 und der Raildrucksensor 8 an voneinander abgewandten Enden des Hochdruckspeichers 1 angeordnet. Die Verteilung dieser Anbaukomponenten 8, 9 am Hochdruckspeicher 1 ist dabei grundsätzlich beliebig wählbar.
In 2 ist ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers 1 längs geschnitten in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Hochdruckspeicher 1 ist insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem, beispielsweise ein Common Rail System, geeignet. Von einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe wird Kraftstoff unter hohem Druck über den nicht dargestellten Zufuhranschluss in den Hochdruckspeicher 1 gefördert, von wo aus er über die nicht dargestellten Abfuhranschlüsse an nicht dargestellte Injektoren zum Einspritzen in die Brennräume von Brennkraftmaschinen verteilt wird.
Der Hochdruckspeicher 1 weist das Speicherrohr 2 auf, in welchem der Speicherraum 3 zur Speicherung des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs ausgebildet ist. Aufgrund der Zuführung des Kraftstoffs von der Hochdruckpumpe und der Abführung des Kraftstoffs an die Injektoren entstehen betriebspunktabhängige Strömungsverhältnisse des Kraftstoffs in dem Speicherraum 3 mit Druckschwingungen.
Zur Dämpfung dieser Druckschwingungen ist in dem Speicherraum 3 eine Wabenstruktur 10 angeordnet. In der Ausführung der 2 weist die Wabenstruktur 10 mehrere axial voneinander beabstandete Scheiben 11 auf, in denen wiederum jeweils mehrere wabenförmige Ausnehmungen 12 ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Scheiben 11 dabei in einem Abstand a von mindestens 5 mm zueinander angeordnet und weisen eine Dicke b von 0,5 mm auf. Weiterhin weisen die wabenförmigen Ausnehmungen 12 für einen Speicherraum 3 mit einem Durchmesser D von ca. 10 mm vorteilhafterweise jeweils die Form eines gleichmäßigen Sechsecks mit einer Kantenlänge s von 0,75 mm auf. Die Stegbreite u der Wabenstruktur 10 zwischen den einzelnen Ausnehmungen 12 beträgt dabei vorzugsweise 0,55 mm.
Durch die Scheiben 11 wird der Speicherraum 3 in einzelne Kammern 3a, 3b etc. aufgeteilt, welche über die Querschnittsreduzierung durch die wabenförmigen Ausnehmungen 12 miteinander verbunden sind. Die wabenförmigen Ausnehmungen 12 stellen demzufolge Drosseln in axialer Strömungsrichtung dar, welche bei Durchströmung etwaige Drucküberschwinger wirkungsvoll dämpfen. Dadurch werden die maximalen Druckpeaks innerhalb des Hochdruckspeichers 1 und auch innerhalb der nachgeschalteten Injektoren gedämpft. Entsprechend wird die Lebensdauer dieser Komponenten erhöht.
Vorteilhafterweise sind das Speicherrohr 2 und die Wabenstruktur 10 einstückig ausgebildet, so dass keine aufwändige Verbindungstechnik erforderlich ist. Vorzugsweise ist das entsprechende Herstellverfahren dazu das 3D-Druck-Verfahren; ein herkömmliches Gussverfahren ist für derartige Geometrien in hohen Stückzahlen nicht geeignet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hochdruckspeichers 1 mit Wabenstruktur 10 im Halbmodell in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Wabenstruktur 10 dieser Ausführung umfasst axial aneinander gereihte Wabenkelche 15, welche jeweils kelchförmig mit einem breiten Kopfbereich 17 und einem stark verjüngten Fußbereich 16 gestaltet sind. Die einzelnen Wabenkelche 15 sind dabei so aneinander gereiht, dass ein Fußbereich 16 immer mit einem anderen Fußbereich 16 des nächsten Wabenkelchs 15 zusammenwirkt, und ein Kopfbereich 17 mit dem nächsten Kopfbereich 17. An den jeweiligen Enden des Speicherraums 3 stützen sich die dortigen Fußbereiche 16 bzw. Kopfbereiche 17 an einem entsprechenden Absatz oder einer Stirnfläche des Speicherrohrs 2 ab.
Aufgrund der formschlüssigen Aneinanderreihung der einzelnen Wabenkelche 15 weist die Wabenstruktur 10 in dieser Ausführung eine hohe Steifigkeit auf und steigert so auch die Festigkeit des Speicherrohrs 2 bzw. des gesamten Hochdruckspeichers 1, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Vorzugsweise weisen die einzelnen Wabenkelche 15 eine Länge L von 5 mm auf, wobei vorteilhafterweise 10 bis 15 Wabenkelche 15 in dem Speicherraum 3 aneinandergereiht sind. Weiterhin weisen die wabenförmigen Ausnehmungen 12 für einen Speicherraum 3 mit einem Durchmesser D von ca. 10 mm vorteilhafterweise jeweils die Form eines gleichmäßigen Sechsecks mit einer Kantenlänge s von 0,75 mm auf. Die Stegbreite u der Wabenstruktur 10 zwischen den einzelnen Ausnehmungen 12 beträgt dabei vorzugsweise 0,55 mm.
Generell lässt sich mit dem 3D-Druck-Verfahren eine sehr komplexe Geometrie der Wabenstruktur 10 realisieren, speziell wenn die Wabenstruktur 10 einstückig mit dem Speicherrohr 2 ausgeführt ist. Die oben beschriebenen Ausführungen zeigen sich dabei als besonders effektiv zum Dämpfen der Druckschwingungen im Speicherraum 3, hervorgerufen durch das periodische Fördern von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff von der Hochdruckpumpe über den Zufuhranschluss 7 und das schlagartige Abführen von Kraftstoff über einen oder mehrere Abfuhranschlüsse 4 zu den Injektoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008040901 A1 [0003]

Claims

Hochdruckspeicher (1) für Brennkraftmaschinen zum Speichern von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, wobei der Hochdruckspeicher (1) ein Speicherrohr (2) mit einem in dem Speicherrohr (2) ausgebildeten Speicherraum (3) umfasst, wobei der Hochdruckspeicher (1) einen Zufuhranschluss (7) zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff und zumindest einen Abfuhranschluss (4) zum Abführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicherraum (3) eine Wabenstruktur (10) angeordnet ist.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherrohr (2) und die Wabenstruktur (10) einstückig ausgeführt sind.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) zumindest eine, vorzugsweise 10 bis 15 Scheiben (11) umfasst, wobei in jeder Scheibe (11) mehrere wabenförmige Ausnehmungen (12) ausgebildet sind.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (11) jeweils mit dem gleichen axialen Abstand (a) nacheinander aufgereiht sind.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) die Grundform eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge (s) des regelmäßigen Sechsecks 0,75 mm beträgt.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) zumindest einen, vorzugsweise 10 bis 15 Wabenkelche (15) umfasst, wobei in jedem Wabenkelch (15) mehrere wabenförmige Ausnehmungen (12) ausgebildet sind.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wabenkelch (15) einen Kopfbereich (17) aufweist, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Speicherraums (3) entspricht, und dass jeder Wabenkelch (15) einen verjüngten Fußbereich (16) aufweist.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkelche (15) so angeordnet sind, dass jeweils ein Kopfbereich (17) mit einem Kopfbereich (17) und ein Fußbereich (16) mit einem Fußbereich (16) zusammenwirkt.
Hochdruckspeicher (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkelche (15) eine Länge (L) von 5 mm aufweisen.
Hochdruckspeicher (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) die Grundform eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.
Hochdruckspeicher (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge (s) des regelmäßigen Sechsecks 0,75 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Speicherrohr (2) und die Wabenstruktur (10) einstückig ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckspeicher (1) im 3D-Druck-Verfahren gefertigt wird.