DE10300845A1

DE10300845A1 - Anschlussstutzen für Hochdruckverschraubungen

Info

Publication number: DE10300845A1
Application number: DE2003100845
Authority: DE
Inventors: Laszlo Roza; Henning Kreschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-07-29
Also published as: WO2004063557A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Kraftstoffversorgung von Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei als Hochdruckeinspritzleitungen ausgebildete Kraftstoffleitungen mittels Leitungsköpfen (11) an Hochdruckleitungsanschlüssen (8) anschließbar sind. Die Hochdruckleitungsanschlüsse (8) weisen Anschlussstutzen (1) auf, deren Kegelwinkel alpha an einem Dichtsitz (23) in einem Bereich zwischen 65 DEG und 90 DEG liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Anschlussstutzen für Hochdruckeinspritzleitungen mit Innenkegel für die Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungskraftmaschinen. Die Hochdruckleitungen befördern den Kraftstoff zu den Kraftstoffinjektoren und umfassen ein dickwandiges, meist nahtlos gezogenes Präzisionsstahlrohr, dessen Enden mit konischen Nippeln versehen sind.
Stand der Technik
Stand der Technik ist ein Anschlussstutzen für Hochdruckeinspritzleitungen mit 60° Innenkegel, so wie er in DIN ISO 2974 beschrieben wird. DIN ISO 2974 ist eine Maßnorm, die vorwiegend der Austauschbarkeit der Anschlussstutzen für Hochdruckeinspritzleitungen dient.
Bei dem Anschlussstutzen für Hochdruckeinspritzleitungen mit 60° Innenkegel nach DIN ISO 2974 besteht der Nachteil, dass bei sehr hohen Innendrücken die Dichtheit der Verschraubung zwischen Stutzen und Hochdruckleitung nicht mehr gewährleistet ist. Abhängig vom eingesetzten Material und den bei der Montage eingestellten Parametern können Undichtheiten zwischen Stutzen und Hochdruckleitung bereits bei Drücken von etwa 1350 bar auftreten. Da bei zukünftigen Einspritzverfahren zu erwarten ist, dass die Komponenten der Einspritzanlage und damit auch die Verschraubungen einem weiter steigenden Betriebsdruck ausgesetzt sein werden, ist hier Abhilfe erforderlich.
Aus DE 196 40 480 A1 ist ein Kraftstoffhochdruckspeicher bekannt. Dieser wird bei einem Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Kraftstoffhochdruckspeicher wird von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoffhochdruck versorgt und weist als Anschlussstutzen ausgebildete Anschlüsse auf. Von den Anschlussstutzen aus mündet je eine Verbindungsbohrung exzentrisch zur Achse eines rohrartigen Körpers in diesen ein. Der rohrartige Körper wird auf dem Wege des Schmiedens hergestellt und weist durch Schmieden angeformte Anschlussstutzen und Befestigungselemente auf.
DE 199 37 946 C1 offenbart einen Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen. Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffhochdruckspeicher wird die hydraulische Verbindung zwischen Anschlussstutzen und Speicherraum durch mehrere Verbindungsbohrungen dargestellt. Aufgrund dessen verringern sich die Belastungsspitzen im Bereich der von Verschneidungen von Verwindungsbohrungen und Speicherraum, so dass die Druckbelastbarkeit des Kraftstoffhochdruckspeichers aufgrund der abgesenkten Belastungsspitzen des Materials erhöht werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass der Kegelwinkel am Dichtsitz auf einen Bereich zwischen 65° und 90° vergrößert wird. Die Veränderung des Kegelwinkels bewirkt eine günstigere Verteilung der über das Anzugsmoment aufgebrachten axialen Vorspannkraft und der daraus resultierenden radialen Kraftkomponente. Damit kann die Druckfestigkeit einer Hochdruckverschraubung erheblich gesteigert werden, ohne dass zusätzliche Dichtelemente erforderlich sind.
Die Sicherheit kann hierbei erhöht werden, wenn die verschraubten Teile mit identischer und hoher Festigkeit eingesetzt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Kegelwinkel von 80° optimal ist für die Umsetzung des Anzugsmomentes der Hochdruck-Leitungsverschraubung in einen entsprechenden Kontaktdruck am Dichtsitz des Leitungskopfes mit dem Anschlussstutzen. Durch den hohen Kontaktdruck wird eine hohe Dichtigkeit auch bei starken dynamischen Beanspruchungen erzielt.
Eine weitere Vergrößerung des Kegelwinkels bewirkt eine entsprechende Abnahme der radialen Kräfte am Dichtsitz. Damit nimmt die radiale Aufweitung des Dichtkegels bei Druckbelastung stark zu. Eine sichere Abdichtung ist nicht mehr gewährleistet.
Ab einem Druck von p = 1.000 bar sollen alle verschraubten Komponenten aus einem Werkstoff mit einer Zugfestigkeit R_m > = 800 N/mm² hergestellt werden. Bei den verschraubten Komponenten handelt es sich um die Verschraubung des Hochdruckstutzens des Kraftstoffhochdruckspeichers (Common Rail), bei Pumpe-Düse-Systemen um die Verschraubung zwischen Kraftstoffinjektor und der Hochdruckpumpe sowie um Verschraubungen der Leitungsköpfe der Verbindungsleitungen an den Kraftstoffinjektoren, um Überwurfmuttern und eingesetzte Zwischenhülsen. Damit lässt sich bei einem heute üblicherweise verwendeten Kegelwinkel von etwa 60° und einem optimalen Kegelwinkel von etwa 80° die Flächenpressung um ca. 15 % erhöhen, wodurch die Dichtheit der Verschraubung zwischen den verschraubten Komponenten erheblich erhöht werden kann.
Gleichzeitig bedeutet die Optimierung des Kegelwinkels und die damit einhergehende Steigerung der Flächenpressung am Dichtsitz, dass bei geringeren Drücken größere Fertigungstoleranzen zulässig sind und damit weniger strenge Anforderungen an die Herstellung des Anschlussstutzens und des Leitungskegels gestellt werden müssen.
Unter Bezugnahme auf den bisherigen Stand der Technik wirkt sich die Erfindung außerdem vorteilhaft auf die Montage der Hochdruckverschraubung aus, da die Vergrößerung des Kegelwinkels und die Schwenkbarkeit des Leitungskopfes das Einführen des Leitungskopfes in den Anschlussstutzen vereinfacht. Dieser Effekt führt sowohl bei der manuellen als auch bei der automatisierten Montage zu Kosteneinsparungen.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben:
Es zeigt:
1 Anschlussstutzen für Hochdruck-Einspritzleitungen mit 60° Innenkegel gemäß des Standes der Technik,
2 Kräfte am Dichtsitz und
3 Schnitt durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Anschlussstutzen für eine Hochdruck-Einspritzleitung mit einem Innenkegel im Bereich 65° bis 90°.
Ausführungsvarianten
In 1 ist ein Anschlussstutzen für Hochdruck-Einspritzleitungen mit 60° Innenkegel gemäß des Standes der Technik (nach DIN ISO 2974) dargestellt. DIN ISO 2974 ist eine Maßnorm, die vorwiegend der Austauschbarkeit der Anschlussstutzen für Hochdruckeinspritzleitungen dient.
1 ist ein Hochdruckleitungsanschluss 8 entnehmbar, der ein als Außengewinde ausgebildetes Gewinde 9 aufweist. Der Hochdruckleitungsanschluss 8 mit Außengewinde 9 ist von einer Bohrung durchzogen, deren Symmetrieachse mit Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist. Die Bohrung läuft in einem Kegelsitz 14 aus, der einen Kegelwinkel α von 60° aufweist.
2 zeigt die Kräfte an einem Kegel, die dann auftreten, wenn ein Leitungskegel 13 einen Kegelsitz 14 berührt. Beim Fügen eines Rail-Konus' und einer Kalotte eines Leitungskopfes ergibt sich theoretisch ein Linienkontakt zwischen diesen miteinander zu verschraubenden Komponenten. Aufgrund von Abplattungen, die sich im Kontaktbereich der miteinander zu verschraubenden Komponenten einstellen, etwa bei Steigerung des Anzugsdrehmomentes, stellt sich in der Praxis stets ein flächiger Kontakt ein. Die Breite der sich einstellenden Abflachung während des Verschraubungsvorganges zwischen einem Rail-Konus und einer Kalotte eines Leitungskopfes, beispielsweise eines Leitungskopfes einer Hochdruckleitung, nimmt aufgrund der plastischen Deformation der miteinander zu verschraubenden Komponenten während des Verschraubens aufgrund des Fließens des Materials zu. Aus der über das Anzugsmoment aufgebrachten axialen Vorspannkraft F_V resultiert eine radiale Komponente F_R. Die senkrecht auf den Kegelsitz 14 wirkende Kontaktkraft F_K und die radiale Kraft F_R sind abhängig von der in axiale Richtung wirkenden Vorspannkraft F_V. Aus der Zusammensetzung der Kräfte am Kegel folgt, dass mit einer Vergrößerung des Kegelwinkels α eine Abnahme der radialen Kraft F_R verbunden ist.
3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Anschlussstutzen 1 für eine Hochdruck-Einspritzleitung mit einem Innenkegel, der in einem Kegelwinkelbereich zwischen 65° bis 90° ausgebildet ist.
Ein Anschlussstutzen 1 ist Teil eines Hochdruckspeichers 2 und umfasst an seiner Außenseite ein Gewinde 9. Die Druckerzeugung innerhalb des Hochdruckspeichers 2 erfolgt durch eine nicht näher dargestellte Hochdruckpumpe, die den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 2 fördert. Der Hochdruckspeicher ist mit kurzen Hochdruckleitungen mit den einzelnen Kraftstoffinjektoren zur Versorgung der Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine verbunden. Ein Leitungskopf 11 einer Hochdruckleitung weist einen Durchmesser 25 auf; seine Mantelfläche ist mit Bezugszeichen 24 identifiziert.
Der in 3 im Schnitt dargestellte Hochdruckspeicher 2 umfasst einen in 3 sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden rohrartigen Körper aus Stahl, der mit Anschlüssen für die Kraftstoffzufuhr und die Kraftstoffabfuhr versehen ist. Die einzelnen Anschlüsse, sowohl für die Kraftstoffzufuhr als auch für die Kraftstoffabfuhr am Hochdruckspeicher 2 sind als Anschlussstutzen 1 ausgebildet. Ausgehend von einem jeden Anschlussstutzen 1 verläuft eine Bohrung 15 exzentrisch zur Symmetrieachse 3 des rohrartigen Körpers des Hochdruckspeichers 2. Die exzentrisch verlaufende Bohrung 15 geht an einer Mündungsstelle 17 tangential in den Hohlraum 4 des Hochdruckspeichers 2 über. Die Exzentrizität zwischen einer Symmetrieachse 16 der Bohrung 15 und der Symmetrieachse 3 des Hochdruckspeichers 2 ist durch ε gekennzeichnet. Der Hohlraum 4 wird durch eine Innenwandung 5 begrenzt, wobei der rohrartige Körper des Kraftstoffhochdruckspeichers 2 eine ausreichende Materialstärke aufweist, welche den im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in der Einspritzanlage auftretenden hohen Drücken gewachsen ist. Die Mantelfläche des rohrartigen Körpers des Hochdruckspeichers 2 ist mit Bezugszeichen 6 gekennzeichnet.
Die Abdichtung zwischen dem Leitungskopf 11 und dem Hochdruckleitungsanschluss 8 am Anschlussstutzen 1 des Hochdruckspeichers 2 erfolgt durch die Pressung metallischer Flächen, die sich beim Anziehen eines als Leitungsmutter beispielsweise ausbildbaren Befestigungselementes 10 einstellt. Die Pressung ist abhängig von dem Anzugsdrehmoment, in dem das vorzugsweise als Leitungsmutter ausgebildete Befestigungselement 10 beaufschlagt wird. Das auf das Befestigungselement 10 einwirkende Anzugsdrehmoment erzeugt zwischen einem Dichtsitz 23 an der Oberseite des Hochdruckleitungsanschlusses 8 und einem Leitungskegel 13 des Leitungskopfes 11 einen Kontaktdruck. Der Dichtsitz 23 an der Oberseite des Hochdruckleitungsanschlusses 8 des Anschlussstutzens 1 weist einen Sitzdurchmesser auf, der in der Darstellung gemäß 3 mit Bezugszeichen 18 gekennzeichnet ist. Der sich einstellende Kraftfluss beim Anziehen des Befestigungselementes 10 erfolgt über einen am Befestigungselement 10 ausgebildeten Übergriff 21 und eine am Leitungskegel 13 des Leitungskopfes 11 ausgebildete, etwa konisch verlaufende Schulter 22. Bei der Beaufschlagung des Befestigungselementes 10 mit einem entsprechend hohen Anzugsdrehmoment wird der Leitungskegel 13 des Leitungskopfes 11 in den Dichtsitz 23 an der Oberseite des Hochdruckleitungsanschlusses 8 gestellt und dichtet diesen ab.
Um eine Schwenkbarkeit des Leitungskopfes 11 relativ zum Dichtsitz 23 an der Oberseite des Hochdruckleitungsanschlusses 8 zu gewährleisten, ist im Befestigungselement 11 im oberen Bereich eine vom Übergriff 21 begrenzte Öffnung 19 ausgebildet. Die Öffnung 19 weist einen Durchmesser 26 auf, der größer bemessen ist als der Durchmesser 25 einer Mantelfläche 24 des Leitungskopfes 11. Ferner weist das Befestigungselement 10 einen an der Innenseite der Öffnung 19 ausgebildeten gerundeten Auslauf 20 auf. Der Kippwinkel des Leitungskopfes 11 ist in der Darstellung gemäß 3 mit β bezeichnet und kann Werte zwischen 0° und 2,5° annehmen, wobei der Kippwinkel β zwischen der Symmetrieachsen 12 des Leitungskopfes 11 und der Symmetrieachse 16 der Bohrung 15 liegt. Der maximale Kippwinkel zum Ausgleich von Toleranzen und zur Erleichterung der Montage kann etwa 5° annehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der Hochdruckleitungsanschluss 8 im Bereich des Dichtsitzes zum Anschluss eines Leitungskopfes 11 einer Hochdruck-Einspritzleitung in einen Kegelwinkel α ausgeführt, der zwischen 75° und 85° liegt. Als Optimum zur Herbeiführung einer hochdruckdichten Leitungsverschraubung und der Herbeiführung eines entsprechenden Kontaktdruckes im Betrieb am Dichtsitz 23 zwischen dem Leitungskopf 11 und dem Hochdruckleitungsanschluss 8 hat sich ein Kegelwinkel α von = 80° erwiesen. Bei einem Kegelwinkel von α = 80° lässt sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Kegelwinkel von α = 60° bei unterschiedlichen Vorspannkräften – je nach Hochdruckbeaufschlagung der zu verschraubenden Komponenten – im Betrieb eine Kontaktdrucksteigerung von ca. 25% erzielen.
Eine weitergehende Vergrößerung des Kegelwinkels α würde eine Abnahme der Radialkraft F_R am Dichtsitz 23 im oberen Bereich des Hochdruckleitungsanschlusses 8 bewirken. Damit wäre bei einer Betriebsdruckbelastung einer einen größeren Kegelwinkel α als 85° aufweisenden Verschraubung eine sichere Abdichtung nicht mehr gewährleistet.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene hochdruckfeste Verschraubung lässt sich bei allen druckführenden Leitungsverschraubungen, seien es Kraftstoffleitungen bei Benzin- und Dieselkraftstoff-Einspritzanlagen bei Verbrennungskraftmaschinen, seien es Bremsleitungen, seien es bei Hydraulikleitungen zur Anwendung in der Industrie oder Mobilhydraulik einsetzen.

1: Anschlussstutzen für Hochdruck-Einspritzleitung
2: Hochdruckspeicher
3: Symmetrieachse Hochdruckspeicher 2
4: Hohlraum
5: Innenwandung
6: Mantelfläche
7: Wandung
8: Hochdruckleitungsanschluss
9: Gewinde
10: Befestigungselement (vorzugsweise Leitungsmutter)
11: Leitungskopf
12: Symmetrieachse Leitungskopf
13: Leitungskegel
14: Kegelsitz
15: Bohrung
16: Symmetrieachse Bohrung
17: Mündung
18: Sitzdurchmesser
19: Öffnung Befestigungselement
20: gerundeter Auslauf
21: Übergriff Befestigungselement
22: Schulter Leitungskopf
23: Dichtsitz
24: Mantelfläche Leitungskopf
25: Durchmesser Leitungskopf
26: Durchmesser Aufnahmeöffnung Befestigungselement
α: Kegelwinkel
β: Kippwinkel des Leitungskopfes
ε: Abstand zwischen Symmetrieachsen 3, 16

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Kraftstoffversorgung von Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei als hochdruckführende Leitungen ausgebildete Kraftstoffleitungen über Leitungsköpfe (11) an Hochdruckleitungsanschlüsse (8) dichtend angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckleitungsanschlüsse (8) Anschlussstutzen (1) aufweisen, deren Kegelwinkel α an einem Dichtsitz (23) in einem Bereich zwischen 65° und 90° liegen.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) am Dichtsitz (23) bevorzugt in einem Bereich zwischen 75° und 85° liegt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) am Dichtsitz (23) 80° beträgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskopf (11) mittels einem als Leitungsmutter ausbildbaren Befestigungselement (10) an dem Hochdruckleitungsanschluss (8) befestigt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschraubten Teile Befestigungselement (10), Leitungskopf (11), Leitungskegel (13), Hochdruckleitungsanschluss (8) eine identisch hohe Festigkeit aufweisen.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskopf (11) relativ zum Befestigungselement (10) kippbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (10) eine Öffnung (19) aufweist, deren Durchmesser (26) einen Durchmesser (25) des Leitungskopfes (11) überschreitet, derart, dass eine trennungsfreie Kippbewegung zwischen einem Leitungskopfkegel (13) und dem Hochdruckleitungsanschluss (8) am Dichtsitz (23) möglich ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskopf (11) im Bereich des Dichtsitzes (23) konusförmig ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite einer Öffnung (19) des Befestigungselementes (10) mit einem gerundeten Auslauf (20) versehen ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskopf (11) im Bereich des Dichtsitzes (23) kalottenförmig ausgestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der am Dichtsitz (23) des Hochdruckleitungsanschlusses (8) zu verschraubende Leitungskopf (11) 90% der Festigkeit oder weniger, verglichen mit dem Material des Hochdruckleitungsanschlusses (8), aufweist.