DE10247524A1

DE10247524A1 - Kraftstoffverteiler

Info

Publication number: DE10247524A1
Application number: DE2002147524
Authority: DE
Inventors: Bernhard Arnold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: WO2004036028A1; EP1549846A1; DE10247524B4

Abstract

Kraftstoffverteiler (1), der einen Druckspeicher (3) zur Aufnahme von statisch komprimiertem, unter Druck stehendem Kraftstoff aufweist, mit mindestens einer in den Druckspeicher (3) mündenden Querbohrung (4), wobei der Kraftstoffverteiler (1) durch Umformen, insbesondere Gießen, hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffverteiler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Kraftstoffverteiler werden häufig im Kraftstoffversorgungssystem von Brennkraftmaschinen verwendet. Ein derartiges Kraftstoffversorgungssystem wird auch als Common-Rail-System bezeichnet. Bei einem solchen System wird der Kraftstoff von der Kraftstoffhochdruckpumpe über eine Hochdruckleitung zum Druckspeicher des Kraftstoffverteilers (Rail) gepumpt. Vom Druckspeicher führen einzelne Druckleitungen zu den Einspritzdüsen. Die Druckleitungen sind an mit dem Kraftstoffverteiler verbundenen Anschlussnippeln angeschlossen.

Aus der EP 0 866 221 A1 ist ein Kraftstoffverteiler bekannt, der im wesentlichen aus einem gezogenen oder gewalzten Rohr besteht. Der zylindrische Innenraum des Rohres dient als Druckspeicher. Die stirnseitigen offenen Enden des Rohres sind jeweils mit einem Verschlusselement verschlossen. Am Umfang des Kraftstoffverteilers sind radial angeordnete Anschlussnippel angeschweißt oder gelötet. Zur Aufnahme der Anschlussnippel werden radiale Einsteckbohrungen im Kraftstoffverteiler eingebracht, in die die Anschlussnippel vor dem Verschweißen oder Löten eingesetzt werden.

Aus der DE 295 21 402 U1 ist ein Kraftstoffverteiler bekannt, bei dem der Kraftstoffverteiler als rohrartiger Körper durch schmieden geformt ist, mit ebenfalls durch schmieden angeformten, radial angeordneten, Anschlussnippeln. In die Anschlussnippel sind Bohrungen eingebracht die radial in den Druckspeicher münden und die den Druckspeicher mit den Hochdruckleitungen, welche zu den Einspritzdüse führen, verbindet.

Bei derartigen geschmiedeten Kraftstoffverteiler wird der Druckspeicher in der Regel durch Aufbohren oder Drehen hergestellt. Die offene Stirnseite des Kraftstoffverteilers wird entweder mit einem Verschlusselement verschlossen oder sie ist wie in der DE 295 21 402 U1 als axialer Anschlussstutzen ausgebildet.

Beide Ausführungsarten des Kraftstoffverteilers, sowohl mit geschweißtem als auch mit geschmiedetem Anschlussnippel, haben den Nachteil, dass im Übergangsbereich zwischen dem Druckspeicher und den Radialbohrungen hohe Spannungen auftreten. In der Regel werden deshalb die Kanten im Übergangsbereich in einem zusätzlichen Arbeitsschritt abgerundet um somit einen günstigeren Spannungsverlauf zu gewährleisten. Die Herstellung solcher Kraftstoffverteiler ist allerdings aufwendig und teuer.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Kraftstoffverteiler liegt darin, dass sie ein relativ hohes Gewicht aufweisen, da die Wandstärke der Kraftstoffverteilers in der Regel nicht an die tatsächlichen Beanspruchungen angepasst ist sondern eine konstante Dicke aufweist. Die Verschlusselemente sowie die zusätzliche Verteilerlänge, die zur Aufnahme des Verschlusselements notwendig ist, erhöhen das Systemgewicht zusätzlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffverteiler zu schaffen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoffverteiler durch Urformen insbesondere Gießen hergestellt ist. Das Gießen bietet wesentliche Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Herstellungsverfahren.

Die Herstellung des Kraftstoffverteiler erfolgt unmittelbar aus dem schmelzflüssigen Werkstoff ohne die sonst notwendigen Umformungen wie Beispielsweise das Herstellen der Hohlräume durch ausdrehen oder ausbohren. Hierdurch ergeben sich günstige Material- und Energiebilanzen. Darüber hinaus bietet das Gießen hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung die größtmögliche Gestaltungsmöglichkeit, hierdurch kann der Kraftstoffverteiler besonders bedarfsgerecht ausgebildet werden. Die Verrundungen der Kanten am Übergang von den Radialbohrungen zum Druckspeicher können bereits beim Herstellen des Gussmodels berücksichtigt werden, so dass ein nachträgliches, zeit- und kostenintensives, Verrunden der Kanten am gegossenen Kraftstoffverteiler entfallen kann. An weniger belasteten Stellen kann die Materialstärke bereits bei der konstruktiven Gestaltung des Modells entsprechend verringert werden. Hierdurch kann das Gewicht des Kraftstoffverteilers optimiert werden. Und durch die Verwendung eines verlorenen Modells kann der Druckspeicher in vorteilhafter Weise ohne eine stirnseitige Öffnung hergestellt werden. Hierdurch entfallen die sonst notwendigen Verschlusselemente was zu einer wesentlich kompakteren Bauform und zu einer weiteren Gewichtsreduzierung führt. Zudem verringert sich durch den Wegfall der Verschlusselemente der Montageaufwand erheblich.

Durch die hohe Oberflächenqualität und die sehr geringen Toleranzen, die sich mit den heutigen Gießverfahren erzielen lassen, ist in der Regel eine Nachbearbeitung der Kraftstoffverteiler nicht notwendig. Das Gießen stellt somit eine besonders preisgünstige Möglichkeit zum Herstellen von Kraftstoffverteilern da.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftstoffverteilers sind die Anschlussnippel integraler Bestandteil des Kraftstoffverteilers. Hierdurch ergibt sich ein besonderes vorteilhafter Spannungsverlauf innerhalb des Kraftstoffverteilers und die sonst zusätzlich erforderlichen Ar beitsschritte zum Befestigen der Anschlussnippel am Kraftstoffverteiler entfallen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
1 einen gegossenen Kraftstoffverteiler in Schnittdarstellung,
2a den Endbereich des gegossenen Kraftstoffverteilers gemäß 1 und 2b den Endbereich eines geschmiedeten Kraftstoffverteilers in Schnittdarstellung,
3 eine weitere Ausführungsform des gegossenen Kraftstoffverteilers in Form eines Kugelverteilers in Schnittdarstellung und
4 einen bereits aus dem Stand der Technik bekannten Kugelverteiler in Schnittdarstellung.
1 zeigt einen gegossenen Kraftstoffverteiler 1 mit integrierten Anschlussnippeln 2. Der gesamte Kraftstoffverteiler 1 ist in einem Stück gegossen. Das Gussmodell wurde derart gestaltet, dass die stark spannungsbelasteten Bereiche am Übergang vom Druckspeicher 3 zu den Querbohrungen 4 am gegossenen Kraftstoffverteiler 1 eine verrundete Kante 5 aufweisen. Um die Druckbeanspruchung des Kraftstoffverteilers 1 zu reduzieren befindet sich auf der den Querbohrungen 4 gegenüberliegenden Seite im Druckspeicher 3 eine kalottenförmige Vertiefungen 6.
Durch den Einsatz eines verlorenen Models entsteht ein Kraftstoffverteiler 1 mit einem Druckspeicher 3, der an seinen Stirnseiten 7 geschlossen ist. Hierdurch kann auf das nachträgliche Verschließen des Druckspeichers 3 an den Stirnseiten 7 durch zusätzliche Verschlusselemente, wie dies üblicherweise beim geschmiedeten oder geschweißten Kraftstoffverteiler notwendig ist, verzichtet werden. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Bauform.
2 zeigt in einer Gegenüberstellung den Endbereich eines gegossenen Kraftstoffverteilers 1'(2a) und den eines geschmiedeten Kraftstoffverteilers 1" (2b). Durch die verschlossene Stirnseite 7', die durch den Einsatz eines verlorenen Models beim Gießen ermöglicht wird, ergibt sich eine deutlich kompaktere Bauform des Kraftstoffverteilers im Vergleich zum geschmiedeten Kraftstoffverteiler 1" mit offener Stirnseite 7" . Die Reduzierung der Baulänge ist durch die Länge x in Figur 2a/2b verdeutlicht.
Durch die geschlossene Stirnseite 7' kann auf ein zusätzliches Verschlusselement verzichtet werden.
Durch die kompaktere Bauform und den Wegfall des Verschlusselementes wird das Gewicht des Kraftstoffverteilers erheblich reduziert.
Die offene Stirnseite 7" des geschmiedeten Kraftstoffverteilers 1" muss dagegen durch ein zusätzliches Verschlusselement 8 verschlossen werden. Das Verschlusselement 8 besteht aus einer Dichtkugel 9 und einem dazugehörigen Gewindestopfen 10. Durch Anziehen des Gewindestopfens 10 wird die Dichtkugel 9 in den Dichtsitz 11 des Kraftstoffverteilers 1" gepresst. Die Dichtkugel 9 weist eine größere Härte als der Dichtsitz 11 auf, wodurch sich dieser verformt und einen Dichten Sitz gewährleistet. Durch die hohen Anzugskräfte, die notwendig sind, um bei den im Druckspeicher 1" herrschenden hohen Drücken einen Dichten Sitz der Dichtkugel 9 im Dichtsitz 11 zu gewährleisten, treten hohe lokale Spannungen im Kraftstoffverteiler 1" auf. Diese lokalen Spannungen, die den Kraftstoffverteiler lokal stark beanspruchen, werden durch die geschlossene Stirnseite 7' des gegossenen Kraftstoffverteilers 1' vermieden.
Durch die geschlossene Stirnseite 7' kann auf die sonst notwendigen Arbeitsschritte, die zur Aufnahme des Verschlusselements notwendig sind, wie beispielsweise das Vorsehen eines Dichtsitzes 11 für die Dichtkugel 9 und das Schneiden eines Gewindes 12 für den Gewindestopfen 10, verzichtet werden. Darüber hinaus verringert sich der Montageaufwand bei einem Kraftstoffverteiler mit geschlossener Stirnseite 7' deutlich gegenüber einem Kraftstoffverteiler mit offener Stirnseite 7", was zusätzlich die Herstellungskosten verringert.
Als Gießverfahren eignet sich besonders ein Feingussverfahren. Bei diesem Verfahren arbeitet man mit verlorenen Formen, verlorene Modellen und mit einteiligen Formen. Die Modelle werden üblicherweise in Einfach- oder Mehrfachwerkzeugen gespritzt. Diese bestehen aus Aluminium, Stahl oder Weichmetall für das ein Urmodell erforderlich ist. Für bestimmte hinterschnitte Konturen können vorgeformte wasserlösliche oder keramische Kerne erforderlich sein. Von dem Urmodell wird eine mehrteilige Form abgenommen, in der das Gussmodell aus Spezialwachsen oder ähnlichem, Thermoplasten oder deren Gemischen im Spritzgussverfahren hergestellt wird. In der Regel werden mehrere dieser Gussmodelle dann mit einem gesondert hergestellten Gießsystem zu sogenannten Gießbäumen oder Gießtrauben zusammengestellt. Diese Trauben erhalten dann zähflüssige keramische Überzüge, die durch chemische Reaktion aushärten. Die Trauben werden dann in Gießkästen gelegt und mit Formmaterial umhüllt. Nach dem Ausschmelzen bzw. Herauslösen des Modells werden die so entstandenen einteiligen Gießformen gebrannt. Anschließend wird in dem vom Brennen. her noch heißen Formen gegossen, damit auch enge Querschnitte und feine Konturen gegossen werden können.
Neben dem Herstellen des Modells durch Spritzguss sind auch andere Herstellungsverfahren denkbar. Besonders vorteilhaft ist das Herstellen von Modellen mit Layer-Manufacturing-Verfahren (Rapid Prototyping), wie z.B. der Stereolithographie oder dem LOM-Verfahren (Laminated Object Manufacture). Bei diesen Verfahren werden aus dreidimensionalen virtuellen Daten dreidimensionalen Modelle hergestellt.
Das Feingießen ist das Gießverfahren mit den geringsten Toleranzen. Es lassen sich Toleranzen von etwa ± 0,4 bis ± 0,7 vom Nennmaß einhalten.
Selbstverständlich ist das Herstellen der gegossenen Kraftstoffverteiler nicht auf das Feingießverfahren beschränkt vielmehr eignen sich hierzu auch alle anderen Gießverfahren mit verlorenem Modell.
Als Gusswerkstoffe eignen sich alle offenen oder unter Vakuum eingeschmolzenen Stähle und Legierung aus Eisen-, Aluminium-, Nickel-, Kobald-, Titan-, Kupfer-, Magnesium- oder Zirkoniumbasis.
Neben dem in 1 gezeigten, weitgehend zylindrischen Druckspeicher 3 sind auch andere Formen des Druckspeichers denkbar und durch die Gießverfahren realisierbar.
3 zeigt beispielsweise einen gegossenen Kraftstoffverteiler 1''' in Form eines Kugelverteilers. Auch hier besteht der Kraftstoffverteiler 1' ' wiederum aus einem einzigen Bauteil mit integralen Anschlussnippeln 2' '. Auch in diesem Fall sind wieder die kritischen Bereiche am Übergang des Druckspeichers 3'' ' zu den Querbohrungen 4Ä ' verrundet 5'''. Hierdurch ergibt sich wiederum ein besonders vorteilhafte r Spannungsverlauf. Die besonderen konstruktiven Vorteile die sich aus dem Gießverfahren ergeben werden deutlich im Vergleich mit einem herkömmlichen, aus dem Stand der Technik, bekanntem Kugelverteiler wie er in 4 dargestellt ist. Beim herkömmlichen Kugelverteiler besteht der Kraftstoffverteiler 1'''' aus mindestens zwei Bauteilen. Hierdurch ergeben sich an den Fügeflächen 13 Dichtungsproblem die bei der einteiligen Bauform des gegossenen Kraftstoffverteilers 1" ' (3) entfallen. Durch die bedarfsgerechte Auslegung der Wandstärke kann das Gewicht des gegossenen Kraftstoffverteilers 1'' ' (l) im Gegensatz zum herkömmlichen Kugelverteiler deutlich reduziert werden. Darüber hinaus gestaltet sich die Fertigung des Druckspeicher durch Gießen wesentlich einfacher als das nachträgliche herstellen eines kugelförmigen Druckspeichers beim herkömmlichen Kugelverteiler.

Claims

Kraftstoffverteiler (1), der einen Druckspeicher (3) zur Aufnahme von statisch komprimierten, unter Druck stehenden Kraftstoff aufweist, mit mindestens einer in den Druckspeicher (3) mündenden Querbohrung (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffverteiler (1), durch Urformen insbesondere Gießen hergestellt ist.
Kraftstoffverteiler nach Anspruch 1, hergestellt durch ein Feingießverfahren oder ein Vollformgießverfahren mit einer verlorenen Gießform und einem verlorenen Modell.
Kraftstoffverteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (3) einen geschlossenen Endbereich (7) aufweist.
Kraftstoffverteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffverteiler (1) Anschlussnippel (2) aufweist, durch die die Querbohrungen (4) geführt sind und die integraler Bestandteil des Kraftstoffverteilers (1) sind.
Kraftstoffverteiler nach, einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (3) eine zylindrische oder kugelige Gestalt aufweist.
Kraftstoffverteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, hergestellt durch ein Gussverfahren bei dem ein Gussmodell verwendet wird, das derart gestaltet ist, dass am gegossenen Kraftstoff verteiler (1) der Übergang vom Druckspeicher (3) zu den Querbohrungen (4), verrundet ist.
Kraftstoffverteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gusswerkstoff ein eingeschmolzener Stahl oder eine Legierung auf Eisen- oder Aluminium- oder Nickel- oder Kobald- oder Titan- oder Magnesium- oder Zirkoniumbasis eingesetzt wird.