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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 10 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 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 10 angegebenen Brennstoffeinspritzanlage und des im Anspruch 11 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 zumindest den ersten Körper 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 weitgehend 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 4 MPa (40 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 16 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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Der Lötprozess kann mit einer Löttemperatur zwischen 1100 °C und 1250 °C durchgeführt werden. Hierbei kann der Lötprozess in einer Schutzgasatmosphäre und/oder einer reduzierten Atmosphäre stattfinden. Die Prozesszeit für ein Hartlöten hängt von dem ausgewählten Lot ab und kann beispielsweise mindestens 60 Minuten und/oder maximal 120 Minuten betragen. Hierbei ist es durch eine geeignete Anpassung der Prozessparameter, insbesondere der jeweiligen Prozesstemperatur, auch möglich, dass das Löten und das Aufsticken zumindest teilweise zeitlich zusammengelegt beziehungsweise überlappend durchgeführt werden.
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Somit ergeben sich besondere Vorteile bei den in den Ansprüchen 2 bis 9 vorgeschlagenen Weiterbildungen. Hierbei versteht es sich, dass diese Weiterbildungen in entsprechender Weise einzeln oder in Kombination auch bei der Brennstoffeinspritzanlage nach Anspruch 10 und dem Verfahren nach Anspruch 11 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 beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer als Brennstoffverteiler ausgebildeten Komponente und mehreren Einspritzventilen in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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 erste Körper 8 und weitere Körper 18, 19 der Komponente 2 umgeben. 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 Brennstoffverteiler 2 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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In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Körper 8 als rohrförmiger Grundkörper 8 ausgebildet. Die Körper 18, 19 sind mit dem rohrförmigen Grundkörper 8 durch Lötprozesse verbunden. Hierbei können die Körper 18, 19 als Verschluss- und Anschlussstück 18 beziehungsweise als Verschlusskappe 19 dienen. Ferner sind Körper 20, 21, 22 vorgesehen, die mit dem Grundkörper 8 durch Lötprozesse verbunden sind. Diese Körper 20, 21, 22 sind beispielsweise Anschlusstassen für die Einspritzventile 3, 4, 5. Zur Veranschaulichung sind diesbezüglich Lötnähte 30 bis 34 dargestellt. Die Lötnähte verbinden hierbei jeweils Teile 23 bis 27 des Grundkörpers 8 mit den weiteren Körpern 18 bis 22. Ferner können in entsprechender Weise auch weitere Körper mit dem Grundkörper 8 beziehungsweise den Körpern 18 bis 22 verbunden werden, die beispielsweise als Halte- oder Befestigungselemente, als Anschluss für eine Messeinrichtung, insbesondere Druckmesseinrichtung, und dergleichen dienen. Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Grundkörper 8 aus zwei oder mehr durch Löten miteinander verbundene Körper gebildet ist.
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Denkbar ist es auch, dass zusätzlich zu zumindest einer Lötverbindung noch andere Verbindungstechniken zum Einsatz kommen.
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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. Die Lötverbindung kann dann beispielsweise zum Verbinden von als Anschlussstücke dienenden weiteren Körpern mit einem als Leitungsrohr dienenden Körper dienen.
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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. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der rohrförmige Grundkörpers 8 der Komponente 2 aus einem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 hergestellt. Dieser wird einer Wärmebehandlung zur Eindiffusion von Stickstoff in den Werkstoff unterzogen. Bei dem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 1.4301 handelt es sich um einen austenitischen RSH-Stahl (X5CrNi18-10, AISI 304).
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Durch das thermochemische Behandlungsverfahren kann die Dehngrenze eines diesbezüglichen Prüflings erheblich, beispielsweise um 90%, gesteigert werden. Die Zugfestigkeit kann sich durch das thermochemische Behandlungsverfahren ebenfalls, beispielsweise um 30 %, steigern. Ferner können die Verformungskennwerte durch das thermochemische Behandlungsverfahren um beispielsweise 30 % reduziert werden.
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Ausgehend von an Hand eines Prüflings empirisch 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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Somit kann insbesondere der Grundkörper 8, der als Brennstoffverteilerrohr 8 dienen kann, für Anwendungen ausgelegt werden, die beispielsweise einen Innendruck von 20 MPa (200 bar) betreffen. Dadurch können unter anderen steigende Anforderungen hinsichtlich eines Schadstoffausstoßes erreicht werden. Durch die vergrößerte Streckgrenze und die erhöhte Zugfestigkeit des eingesetzten Werkstoffs, beispielsweise des austenitischen nicht rostenden Stahls 1.4301, mittels des Hochtemperaturnitrierens wird die höhere mechanische Beanspruchbarkeit bei gleichzeitigem Erhalt der Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Hierbei kann auch ein unter Einsatz von Überdruck- beziehungsweise Schutzgas umgeschmolzener Stahl zum Einsatz kommen. Hierbei ist es möglich, den aufgestickten Stahl in die zum Löten dienende Prozesskette zu integrieren. Hierbei werden die Abschreckbedingungen so gewählt, dass die Bildung von Chromnitriden, welche die Korrosionsbeständigkeit reduzieren, weitgehend verhindert sind und der Verzug des Bauteils minimiert wird.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung kann das Löten von bereits aufgestickten Stählen beziehungsweise das Löten von Stählen während des Aufstickens erfolgen. Beispielsweise kann der erste Körper 8 aus einem stickstoffhaltigen Stahl mit mindestens 0,1 Gewichtsprozent Stickstoff, insbesondere mit mehr als 0,2 Gewichtsprozent Stickstoff, ausgebildet sein. Solch ein stickstoffhaltiger Stahl kann beispielsweise mittels Hochtemperaturnitrieren aus einem nicht rostenden Stahl hergestellt werden. Ferner kann solch ein Stahl aus einem unter Überdruck- beziehungsweise Schutzgas umgeschmolzenen Stahlgut beziehungsweise Stahlgütern hergestellt werden. Um Chromnitridausscheidungen während eines Aufheizens und/oder eines Abkühlens zu vermeiden, werden beim Lötprozess die Abschreck- und gegebenenfalls auch die Aufheizbedingungen entsprechend angepasst. Bei einem vor dem Lötprozess bereits abgeschlossenen Hochtemperaturnitrieren besteht bei der Wahl der Löttemperatur zwar keine Einschränkung, so dass die Löttemperatur beispielsweise in einem Bereich von 1.100 °C und 1.250 °C flexibel gewählt werden kann. Dann besteht aber das Risiko der Chromnitridausscheidungen während des Aufheizens und des Abkühlens, so dass im Rahmen des Lötprozesses die Aufheiz- und Abschreckbedingungen entsprechend angepasst werden müssen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der kritische Temperaturbereich, der sich in diesem Fall sowohl auf das Aufheizen als auf das Abkühlen/Abschrecken bezieht, möglichst schnell durchlaufen wird, um die Bildung von Chromnitrid zu verhindern. Dies bedeutet, dass die Gesamtzeit, in der sich die Temperatur des ersten Körpers 8 in dem kritischen Temperaturbereich befindet, möglichst kurz gehalten wird. Je nach Größe des ersten Bauteils 8 und der Durchführung des Lötprozesses bezieht sich die kritische Erwärmung und Abkühlung zumindest auf die Teile 23 bis 27, an denen die Lötnähte 30 bis 34 ausgestaltet werden beziehungsweise an denen die Verbindung mit den zweiten Körpern 18 bis 22 durch Löten erfolgt. Bei einer zumindest weitgehend homogenen Aufheizung des ersten Körpers 8 während des Lötprozesses bezieht sich dieses natürlich auf den gesamten Körper 8. Ferner können auch die weiteren Körper 8 bis 22 aus aufgestickten Stählen gebildet sein, so dass auch diese dann entsprechend schnell auf- und abgekühlt werden müssen.
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Somit wird in diesem Fall der Lötprozess entsprechend angepasst, so dass ein zu langsames Aufheizen beziehungsweise Abkühlen von bereits aufgesticktem Material, das zur Bildung von Chromnitriden mit dem bereits im Werkstoff gelösten Stickstoff führen würde, zumindest in dem kritischen Temperaturbereich vermieden wird. Der kritische Temperaturbereich kann hierbei insbesondere mit einer unteren Grenze von 400 °C und mit einer oberen Grenze von 1.100 °C vorgegeben werden.
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Gegebenenfalls kann hierbei eine Anpassung in Bezug auf die Art und Weise, wie der erste Körper aufgestickt ist, erfolgen. Insbesondere kann in Bezug auf einen oberflächennah beziehungsweise homogen aufgestickten Werkstoff des ersten Körpers 8 die Bildung von Chromnitriden beim Aufheizen und/oder Abkühlen festgestellt werden und dann entsprechend so eingestellt werden, dass in Bezug auf die im jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Eigenschaften, insbesondere eine Korrosionsbeständigkeit, die Bildung von Chromnitriden ausreichend gering ist.
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Der Lötprozess kann im Vakuum durchgeführt werden. Es können aber auch Stickstoff (N2) und/oder Wasserstoff (H2) und/oder Argon und/oder Helium und/oder Formiergas zugegeben werden. Ein Druck kann hierbei vorzugsweise zwischen 0,1 Pa und 1 MPa (10 bar) liegen.
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Wenn bei einer abgewandelten Ausgestaltung der Lötprozess so in das thermochemische Behandlungsverfahren integriert wird, dass der bereits aufgeheizte und zumindest teilweise nitrierte Stahl gelötet wird, dann bezieht sich der kritische Temperaturbereich gegebenenfalls nur auf das Abkühlen/Abschrecken, da ein Aufheizen eines nitrierten Stahls über den kritischen Temperaturbereich gegebenenfalls vermieden werden kann.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung kann der Lötprozess vor dem thermochemischen Behandlungsverfahren durchgeführt werden. In diesem Fall sollte die Schmelztemperatur des Lots beim Nitrieren nicht erreicht werden. Ein temperaturmäßiger Sicherheitsabstand zu einer Schmelztemperatur des Lots ist hierbei sinnvoll. Hierbei kann ein Temperaturabstand festgelegt werden, der beispielsweise 20 °C beträgt. Das thermochemische Behandlungsverfahren wird dann vorzugsweise so durchgeführt, dass die Temperatur zumindest um den vorgegebenen Temperaturabstand, beispielsweise die 20 °C, unter der für die Lötverbindung gegebenen Schmelztemperatur bleibt. Somit ist insbesondere ein zweistufiges Vorgehen möglich, bei dem zuerst der Lötprozess und dann ein Hochtemperaturnitrieren erfolgt. Durch die Wahl der Nitriertemperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Lotes wird eine Verflüssigung des Lotes während des Nitrierens verhindert, so dass die Qualität der Lotnaht erhalten bleibt.
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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]
