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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Komponente, die zum Führen und/oder Speichern von zumindest einem Fluid dient, und ein Verfahren zur Herstellung solch einer Komponente. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Komponenten für Brennstoffeinspritzanlagen, wobei es sich bei der Komponente beispielsweise um einen Brennstoffverteiler, insbesondere eine Brennstoffverteilerleiste, handeln kann.
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Aus der
DE 10 2011 082 743 A1 ist ein Brennstoffverteiler für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen bekannt. Der bekannte Brennstoffverteiler umfasst ein Verteilerrohr. Hierbei ist bereits erkannt worden, dass für Hochdruckanwendungen eine Brennstoffverteilerleiste zum Einsatz kommen kann, die aus Stahl ausgebildet ist. Hierdurch kann eine Druckfestigkeit für Drücke von mehr als 15 MPa (150 bar) erreicht werden. Solch ein Hochdruckrail aus Stahl kann als Lötrail hergestellt werden. Hierbei dient ein Stahlrohr als Basis, an das die einzelnen Komponenten, insbesondere Verschlusskappen, Anschraubhalter, ein Hochdruckanschluss und die Schnittstellen zu den Einspritzventilen, angelötet werden. Ferner ist bereits diesbezüglich das Problem erkannt worden, dass im Betrieb mechanische Spannungen im Rail auftreten. Wird das aus Stahl bestehende Rail nämlich auf einem Zylinderkopf befestigt, der in der Regel aus Aluminium besteht, dann kommt es durch die Aufheizung des Motors zu thermischen Ausdehnungen, wodurch das Rail gedehnt wird, was Spannungen im Rail erzeugt. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, das Verteilerrohr so auszugestalten, dass ein axialer Längenausgleich ermöglicht ist. Ferner können Halter für das Verteilerrohr so ausgestaltet werden, dass der axiale Längenausgleich ermöglicht ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung ermöglicht ist, die insbesondere eine hohe mechanische Stabilität und speziell eine Erhöhung des Systemdrucks ermöglicht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Komponente, der im Anspruch 11 angegebenen Brennstoffeinspritzanlage und des im Anspruch 12 angegebenen Verfahrens möglich.
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In vorteilhafter Weise kann die Komponente als hochinnendruckbeanspruchtes beziehungsweise hochinnendruckbeanspruchbares Bauteil aus einem nicht rostenden stickstoffangereichertem Stahl ausgebildet werden. Ausgehend von einer Ausgestaltung, die beispielsweise für einen Innendruck von 20 MPa (200 bar) ausgelegt ist, kann durch die Eindiffusion von Stickstoff in den Grundkörper eine weitere Erhöhung des Systemdrucks erreicht werden. Für den Anwendungsfall einer Brennstoffeinspritzanlage wirkt sich dies unter anderem positiv hinsichtlich eines Schadstoffausstoßes einer Brennkraftmaschine aus, da mit einem erhöhten Systemdruck ein geringer Schadstoffausstoß erzielbar ist, wodurch diesbezüglich steigenden Anforderungen Rechnung getragen werden kann. Eine weitere Drucksteigerung erfordert jedoch eine höhere mechanische Beanspruchbarkeit, insbesondere hinsichtlich der Streckgrenze und der Zugfestigkeit des eingesetzten Werkstoffs. Als eingesetzter Werkstoff kommt beispielsweise ein austenitischer nicht rostender Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 in Frage. Eine signifikante Steigerung von mechanischen Eigenschaften von austenistischen, nicht rostenden Stählen, wie beispielsweise der Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301, bei gleichzeitigem Erhalt der Korrosionsbeständigkeit kann hier mittels Hochtemperaturnitrieren erreicht werden. Hierbei kann der Werkstoff entweder lokal im Randbereich oder durchgängig mit Stickstoff angereichert werden. Dadurch wird eine weitere Erhöhung des Systemdrucks, insbesondere eines Brennstoffdrucks, ermöglicht.
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Eine mögliche Durchführung des Behandlungsverfahrens ist wie folgt möglich. Durch das thermochemische Wärmebehandlungsverfahren, das insbesondere zur Erhöhung des Betriebsdrucks in Brennstoffverteilerleisten, insbesondere in einem rohrförmigen Grundkörper beziehungsweise Brennstoffverteilerrohr und ähnlichen Komponenten aus nicht rostenden Stählen, dient, kann eine Eindiffusion von 0,1 % bis 1 % Stickstoff erfolgen. Als nicht rostende Stähle können hierbei ferritische, martensitische, austenitische und Duplexstähle zum Einsatz kommen.
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Das Behandlungsverfahren kann dabei so ausgelegt werden, dass bei gesteigerter Beanspruchbarkeit, insbesondere verbesserter Streckgrenze und höherer Zugfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Maßhaltigkeit des Werkstoffs erhalten bleiben. Dies erfordert eine genaue Kontrolle und/oder Abstimmung der Verfahrensparameter, insbesondere der Zeit, Temperatur und der Gasatmosphäre, beispielsweise eines Stickstoffdrucks, sowie definierte Abschreckbedingungen. Speziell die Abschreckbedingungen sind hierbei in vorteilhafter Weise so gewählt, dass die Bildung von Chromnitrid weitgehendst verhindert und der Verzug minimiert sind.
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Eine Prozesstemperatur des Behandlungsprozesses kann zwischen 1.000 ° C und 1.300 ° C liegen beziehungsweise eingerichtet sein, wobei der Stickstoffpartialdruck zwischen 0,05 MPa (0,5 bar) und etwa 0,5 MPa (5 bar) liegt. Ein Abschreckdruck kann zwischen 0,6 MPa (6 bar) und 2 MPa (20 bar) liegen, wobei das Abschreckmedium aus Stickstoff, Argon und/oder Helium besteht. Speziell beim martensitischen und ferritischen Güten erfolgt nach dem Härten vorzugsweise ein Tiefkühlen im Temperaturbereich zwischen -120 ° C und -70 ° C mit einem vorteilhaften anschließenden Anlassen im Temperaturbereich von 180 ° C bis 600 ° C.
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Eine Prozesszeit beim Aufsticken kann zwischen 15 Minuten und 12 Stunden betragen. Hierbei ist gegebenenfalls auch eine Aufteilung der Prozesszeit auf mehrere Abschnitte beziehungsweise eine zeitweise Unterbrechung des Aufstickens denkbar, wenn diese im jeweiligen Anwendungsfall zweckmäßig ist.
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Somit ergeben sich besondere Vorteile bei den in den Ansprüchen 2 bis 10 vorgeschlagenen Weiterbildungen. Hierbei versteht es sich, dass diese Weiterbildungen in entsprechender Weise einzeln oder in Kombination auch bei der Brennstoffeinspritzanlage nach Anspruch 11 und dem Verfahren nach Anspruch 12 zur Weiterbildung dienen können.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer als Brennstoffverteiler ausgebildeten Komponente und mehreren Einspritzventilen in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Flachprobe in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise und zur Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung;
- 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise und zur Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung und
- 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise und zur Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen Ausgestaltung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Brennstoffeinspritzanlage 1 mit einer als Brennstoffverteiler 2 ausgebildeten Komponente 2, mehreren Einspritzventilen 3, 4, 5, einer Pumpe 6 beziehungsweise Pumpenanordnung 6 und einem Tank 7. Im Fall einer Pumpenanordnung 6 sind vorzugsweise eine Vorpumpe und eine Hochdruckpumpe vorgesehen. Zur Vereinfachung der Darstellung wird im Folgenden von einer einzelnen Pumpe 6 ausgegangen. Im Betrieb fördert die Pumpe 6 aus dem Tank 7 Brennstoff in einen Innenraum 13, den der rohrförmigen Grundkörper 8 der Komponente 2 umgibt. Bei dem Brennstoff kann es sich insbesondere um ein Benzin oder ein auf Benzin basierendes Gemisch handeln. Insbesondere zur Verbesserung einer Abgaszusammensetzung sind hierbei hohe Drücke wünschenswert, mit denen der Brennstoff aus dem rohrförmigen Grundkörper 8 zu den einzelnen Einspritzventilen 3 bis 5 geführt wird. Durch geeignete Innenwände oder andere Teiler können auch mehrere Innenräume 13 vorgesehen sein, um beispielsweise mehrere Fluide zu führen und/oder zu speichern.
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Im allgemeinen kann die Komponente 2 zum Führen und/oder Speichern von zumindest einem Fluid dienen. Hierbei können auch andere Fluide als Brennstoffe zum Einsatz kommen, wobei gegebenenfalls eine entsprechend abgewandelte Ausgestaltung erforderlich sein kann. Ferner kann es sich bei der Komponente 2 auch um ein anderes Bauteil, insbesondere um eine Leitung 9 beziehungsweise Brennstoffleitung 9, handeln, die in diesem Ausführungsbeispiel die Pumpe 6 mit der Komponente 2 verbindet.
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Bei der Ausgestaltung des rohrförmigen Grundkörpers 8 ist es vorteilhaft, wenn eine Wandstärke 15 seiner Außenwand 14 begrenzt bleibt. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten, eines Gewichts, eines Platzbedarfs und dergleichen. Außerdem kann hierdurch gegebenenfalls eine verbesserte Herstellbarkeit gewährleistet werden. Die erhöhte Stabilität des rohrförmigen Grundkörpers 8 wird durch ein Behandlungsverfahren erreicht,
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Zumindest der rohrförmige Grundkörper 8 der Komponente 2 wird einem Behandlungsverfahren zur Eindiffusion von Stickstoff in den Grundkörper 8 unterzogen. Bei diesem Behandlungsverfahren kommt es zu einer mehr oder weniger tiefen Eindiffusion von Stickstoff in einen als Ausgangswerkstoff dienenden nicht rostenden Stahl. Insbesondere kann das Behandlungsverfahren so ausgestaltet werden, dass die Eindiffusion von Stickstoff in der Nähe zumindest einer Oberfläche 16, 17 (oberflächennah) erfolgt oder auch im Wesentlichen über die gesamte Wandstärke 15 des rohrförmigen Grundkörpers 8 erfolgt.
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Je nach Ausgestaltung des Behandlungsverfahrens sind hierbei gewisse Anpassungen an den jeweiligen Anwendungsfall möglich. Nachfolgend ist eine bevorzugte Ausgestaltung anhand des erzielten Ergebnisses beschrieben. Hierbei wird zur Ermöglichung einer Bauteilprüfung ein Zugversuch anhand einer vorgegebenen Flachprobe 10 durchgeführt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind dann in entsprechender Weise auch auf den entsprechend behandelnden Stahl des rohrförmigen Grundkörpers 8 der Komponente 2 übertragbar.
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2 zeigt eine Flachprobe 10, die aus einem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 hergestellt ist. Hierbei werden beispielsweise mehrere Flachproben 10, insbesondere hier drei Flachproben 10, in gleicher Weise einer Wärmebehandlung zur Eindiffusion von Stickstoff in den Werkstoff der Flachprobe 10 unterzogen, um eine Durchschnittsbildung zu ermöglichen. Ferner wird zum Vergleich eine Flachprobe 10 herangezogen, bei der keine solche Behandlung zur Eindiffusion von Stickstoff erfolgt ist. Die Bemaßung dieser Flachprobe 10 ist in der 2 in Millimeter angegeben. Eine Blechdicke der Flachprobe 10 ist hierbei mit 0,8 mm gewählt. Wie in der 2 dargestellt ist, beträgt die Breite des Prüfquerschnitts 16 mm, während die Breite zur Einspannung in eine Prüfmaschine 32 mm beträgt. Außerdem ist ein Radius zwischen einem Prüfbereich 11 und einem Einspannbereich 12 beziehungsweise 12' hier mit 25 mm vorgegeben. Bei dem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 1.4301 handelt es sich um einen austenitischen RSH-Stahl (X5CrNi18-10, AISI 304). Die Flachproben 10 liegen im geglühten Werkstoffzustand vor und haben ein metallisch glänzendes Aussehen.
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Ein Zugversuch an solch einer geglühten Flachprobe 10 kann beispielsweise mit einer statischen Zugprüfmaschine, insbesondere dem Modell Zwick Z100, die eine Maximallast von 100 kN hat, durchgeführt werden. Hierbei kann ein Feindehnungsaufnehmer mit einer Messlänge von 40 mm zum Einsatz kommen. Zur formelmäßigen Umrechnung bestimmter Messgrößen kann ein Elastizitätsmodul E von 196 GPa herangezogen werden. Als Prüfgeschwindigkeiten können im elastischen Bereich 10 MPa pro Sekunden und im elastischen Bereich 0,067 pro Sekunde eingestellt werden.
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3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise und zur Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung der Komponente 2. Hierbei sind Ergebnisse von Zugversuchen mit drei Flachproben 10 dargestellt, die mit dem thermochemischen Behandlungsverfahren zur Eindiffusion von Stickstoff behandelt sind. Hierbei ist natürlich anstelle einer Eindiffusion von Stickstoff in den rohrförmigen Grundkörper 8 eine Eindiffusion in die Flachprobe 10 erfolgt. Die von der Zugprüfmaschine aufgebrachte und gemessene Spannung ist hierbei an der Ordinate angetragen, während die Dehnung an der Abszisse angetragen ist. Die drei Flachproben 10 werden dabei jeweils bis zum Bruch belastet. Aus den Kurven werden Werkstoffkennwerte für die einzelnen Flachproben 10 ermittelt. Ferner wird der arithmetische Mittelwert aus den jeweils drei Werten bestimmt. Hierbei ist anzumerken, dass sich nur geringe Abweichungen zwischen den einzelnen Messwerten experimental gezeigt haben, was sich auch durch die weitgehende Übereinstimmung der Messkurven, die in der 3 dargestellt sind, zeigt.
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4 zeigt ein Diagramm zur Erläutung der Funktionsweise und zur Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung im Vergleich zu einer herkömmlichen Ausgestaltung. Hierbei sind in der 4 die Mittelwerte der Werkstoffkennwerte dargestellt. Der jeweils linke Balken betrifft die drei mit dem thermochemischen Behandlungsverfahren behandelten Flachproben 10, während der jeweils rechte Balken eine geglühte, aber nicht nitrierte Flachprobe 10 aus demselben Stahl, nämlich dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 betrifft.
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Aus der 3 und den in 4 angegebenen Werten ergeben sich bei dieser möglichen Ausgestaltung im Vergleich zur herkömmlichen Ausgestaltung zusammenfassend folgende Ergebnisse:
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Im Rahmen der Werkstoffprüfung wurden hierbei drei quasi statische Zugverfahren an Flachproben 10 mit nitrierten Stählen der Werkstoffnummer 1.4301 und ein Zugversuch mit einer geglühten, aber nicht nitrierten Flachprobe 10 durchgeführt. Die statische Auswertung der Prüfversuche und die bestimmten zugehörigen Werkstoffkennwerte zeigen, dass sich die ermittelten Festigkeits- und Verformungskennwerte der Einzelversuche bezüglich der nitrierten Flachproben 10 kaum unterscheiden und sich nur ein geringe Streuung ergibt.
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Hierbei hat sich die Dehngrenze durch das thermochemische Behandlungsverfahren um 90% gesteigert. Die Zugfestigkeit hat sich durch das thermochemische Behandlungsverfahren um 30 % gesteigert. Ferner konnten die Verformungskennwerte durch das thermochemische Behandlungsverfahren um 30 % reduziert werden.
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Ausgehend von den ermittelten Werkstoffkennwerten können beispielsweise durch Simulationsrechnungen Auslegungen der Komponente 2 an den jeweiligen Anwendungsfall erfolgen. Hierbei können unter anderem auch durch die Wandstärke 15 Abstimmungen erfolgen. Ferner kann durch die Eindringtiefe der Nitrierung in den Werkstoff eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall stellt die Auswahl des nicht rostenden Stahls dar, der dem thermochemischen Verfahren zur Eindiffusion von Stickstoff in den Grundkörper 8 unterzogen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082743 A1 [0002]
