EP1709320A2 - Hochdruck-speicherleitung mit gussaussenmantel f r common-ra il - Google Patents

Hochdruck-speicherleitung mit gussaussenmantel f r common-ra il

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Publication number
EP1709320A2
EP1709320A2 EP05716595A EP05716595A EP1709320A2 EP 1709320 A2 EP1709320 A2 EP 1709320A2 EP 05716595 A EP05716595 A EP 05716595A EP 05716595 A EP05716595 A EP 05716595A EP 1709320 A2 EP1709320 A2 EP 1709320A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
line
tube
outer jacket
parts
pipe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05716595A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Stark
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SchmitterGroup AG
Original Assignee
SchmitterGroup AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SchmitterGroup AG filed Critical SchmitterGroup AG
Priority to EP05716595A priority Critical patent/EP1709320A2/de
Publication of EP1709320A2 publication Critical patent/EP1709320A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F02M55/025—Common rails
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/154—Making multi-wall tubes

Definitions

  • the invention relates to a line for the storage of high-pressure fuels, oil or other liquids, for use in a common rail fuel injection system, which consist of one or more inner tube parts and a tubular outer jacket, the outer jacket by casting around the inner tube parts is formed and to a method for producing such a line, according to independent claims 1 and 13.
  • Common rail fuel injection systems are injection systems for internal combustion engines in which an uncontrolled high-pressure pump brings the fuel to a high pressure level.
  • the fuel pressurized in this way fills a pipeline system that is under constant pressure when the engine is operating.
  • All cylinders of the engine are supplied with fuel from this common pipeline system, the injection being implemented by electronic control of the valves assigned to the respective cylinder.
  • each cylinder is connected directly to a piston of the pump, so that there is no connection between the individual cylinder fuel supply lines.
  • the injection into the cylinders is controlled by the piston of the injection pump assigned to the cylinder, which builds up pressure in the line, through which the valve is opened and the fuel is injected.
  • DE 101 40 058 A1 discloses a high-pressure fuel reservoir for a common rail fuel injection system, which is produced in one piece from a high-strength cast material. By manufacturing in the casting process, this high-pressure fuel accumulator can be produced in a favorable manner and with a variable design of the interior.
  • a high-strength casting material with sufficient wall thickness which is relatively cost-intensive, has to be used to control the high pressures occurring and the extreme pressure fluctuations.
  • the spheroidal graphite cast iron used in accordance with DE 101 40 058 A1 like all cast iron, exhibits brittle deformation behavior, that is to say that no plastic deformation to a large extent is possible. Deformations beyond the elastic load capacity limit lead to cracks in brittle materials, which can lead to leaks or complete component failure.
  • the object of the invention is to provide a high-pressure fuel reservoir available, which shows a favorable behavior at high pressures and extreme pressure fluctuations and at the same time is easy and inexpensive to manufacture.
  • This object is achieved by a high-pressure fuel accumulator according to claim 1.
  • Further advantageous, optional embodiments and properties of the invention result from the dependent claims.
  • a method for producing a high-pressure fuel accumulator according to the invention is specified in claim 17 and optionally in the following dependent claims.
  • a high-pressure fuel accumulator according to the invention for a common rail fuel injection system is realized by enclosing one or more inner tubes with an outer tube, the outer tube being cast or extrusion-coated around the inner tube by means of a castable or injectable material will be produced.
  • This design of the high-pressure fuel reservoir surprisingly allows positive features of the different materials used for the individual components to be advantageously combined.
  • a material with high strength can be used as the inner tube, which is also particularly suitable for absorbing high pressures and strong pressure fluctuations due to its elastic and / or plastic deformation behavior.
  • Steel or stainless steel pipes, for example are suitable for this purpose, and their strength and rigidity can be improved by special processing steps such as forging and / or cold forming.
  • part of the required strength can be obtained from the simple and inexpensive cast material with which the inner tube according to the invention is cast or extrusion-coated.
  • the inner tube part (s) can be used to provide sufficient elastic longitudinal and transverse extensibility with the appropriate choice of material. The wall stability and thus the technical reliability are increased.
  • a high-pressure fuel accumulator for use in a common rail fuel injection system is made of a material that can dissipate the heat generated by the compression of the fuel in the accumulator as well as possible. It is therefore advantageous to manufacture the high-pressure fuel accumulator according to the invention from materials with good thermal conductivity.
  • the multi-part high-pressure fuel accumulator For the manufacture of the multi-part high-pressure fuel accumulator according to the invention, metallic materials, which are known to have good thermal conductivity, are therefore special Suitable dimensions.
  • the inner tube (s) of the high-pressure fuel accumulator is manufactured, for example, from steel and a cast iron is cast around the same tube, the close connection between the cast outer jacket and the inner tube part (s) that is produced during casting can optimally dissipate the heat generated without insulating cavities be guaranteed.
  • steel By using steel as the material for the inner tube or tubes of the high-pressure fuel reservoir according to the invention, a high pressure resistance can also be achieved. Since local stress peaks can occur in the inner tube due to the geometry, the use of steel offers further advantages.
  • the wall thickness ratio can vary in the course of the inner tube longitudinal axis in order to adjust the strength and the elastic or plastic properties to different requirements.
  • Such favorable properties of the inner tube can be further increased with the same diameter of the tube wall by using high-strength steels, for example stainless steels, without changing the dimensions of the high-pressure fuel reservoir.
  • high-strength steels for example stainless steels
  • the high-pressure fuel reservoir according to the invention can be adapted to changing requirements with regard to pressure resistance without changing the geometry.
  • High-pressure fuel accumulator according to the invention, however, other materials for the High-pressure fuel accumulator according to the invention are used.
  • high-strength components can also be produced from glass, since glass is very brittle, but has high strength and has the advantage of being very tight against liquids and gases. Very good strength properties can be achieved, particularly in the case of composite materials with glass.
  • Materials with ceramics are another alternative. Since glass and ceramic materials also have good thermal conductivity, these materials can advantageously be used for a high-pressure fuel reservoir according to the invention.
  • plastics and plastic composite materials are also possible.
  • the maximum temperature of a common rail high-pressure fuel accumulator is limited by the permissible maximum temperature of the fuel during injection, the use of plastics is not faced with a fundamental problem in terms of material technology.
  • the material parameters of a plastic can be set very well using modern plastics processing methods, an advantageous alternative in the field of materials technology for the high-pressure fuel reservoir according to the invention can be realized by using plastics. Thanks to their favorable strength / weight ratio, plastic materials are particularly suitable as a material for the cast outer jacket.
  • the outer jacket of the accumulator is formed in several layers. Due to the production of the outer jacket in layers, suitable materials and / or material qualities can be used for different stress areas, as a result of which the high-pressure fuel accumulator according to the invention can be adapted even more precisely to the requirements and stresses. In this way, the profitability of the product can be further optimized. For example, in the case of a two-layer outer jacket made of gray cast iron, casting materials with different strengths can be used in the two layers. It would be conceivable, for. B. also the use of a fiber composite material for a layer to cover particular stress peaks.
  • a high-pressure fuel accumulator according to the invention can be used particularly advantageously in an arrangement as close as possible to the cylinders which are to be supplied with fuel by the injection system. It is therefore advantageous if outlets for the feed lines to the cylinder valves are already provided in the high-pressure fuel accumulator.
  • the inner tube or tube structure is made from several individual tubes. The basis here is a longitudinal tube into which a certain number of cross tubes are inserted sideways. The number of cross tubes required is dependent on the number of cylinders that are to be supplied with fuel from the high-pressure fuel reservoir according to the invention.
  • these tubes can advantageously be connected to one another by soldering or welding.
  • soldering or welding other methods for connecting the individual pipe parts are also conceivable, for example mechanical or mechanical thermal processing methods. It is conceivable, for example, that the pipe parts are connected to one another by pressure and heating (so-called diffusion welding process). Alternatively, a connection by reshaping pipe parts would also be conceivable.
  • the occurrence or the size of the stress peaks at the junctions between the transverse and longitudinal tubes is also dependent on the geometry of the corresponding tube section.
  • the voltage peaks that occur become greater when the longitudinal tube is designed with a small radius at the junction with the cross tube.
  • the inner longitudinal tube is elliptically shaped, at least in the area of the connection points between the transverse and longitudinal tubes, in such a way that the longitudinal axis of the associated transverse tube is located in the extension of the shorter axis of symmetry of the elliptical shape. This gives the connection point a significantly lower curvature, which reduces the voltage peaks that occur.
  • other cross-sectional shapes can also be advantageous. It is conceivable to design the cross-sectional shape of the interior as a polygon, or even one Free form to choose.
  • a casting mold is expediently used, into which a prepared blank for the inner pipe or pipes can be placed and can be cast or overmolded with a molten or liquefied casting material.
  • metallic or non-metallic materials can be used both for the cast outer jacket and for the prefabricated inner blank.
  • Steels, glass or ceramic materials or composite materials are particularly suitable for the inner blank.
  • the outer jacket can advantageously be produced, for example, with cast iron, in particular spheroidal graphite cast iron GGG40, or from a glass, ceramic or plastic material.
  • Mixed forms are also possible, for example the use of a metal for the inner tube parts and a non-metal for the outer jacket or vice versa.
  • the use of composite materials made of metals and non-metals is also possible.
  • High-pressure fuel accumulator with a multilayer outer jacket it is advisable to use several molds for production.
  • the inner tube blank is placed in the first mold, overmolded or cast with the material provided for the first layer and then removed from the mold for cooling and / or curing.
  • the resulting blank is placed in the next mold and then cast or overmolded again. This process is repeated until the desired number of layers is reached.
  • an elliptical cross-section can be achieved when using an inner tube blank with a circular cross-section as follows: A mandrel with an elliptical cross-section is then inserted into the inner tube, which corresponds to the desired inner cross-sectional area of the high-pressure accumulator. The inner tube can then be pressed cold or warm around this mandrel, depending on the desired strength properties. A mandrel adapted to the desired cross-sectional shape can be used for the production of other cross-sectional shapes.
  • a mandrel is inserted which corresponds in its cross-sectional area to the desired inner cross-sectional area of the area to be changed. Then this area is brought to the new shape using mechanical or mechanical - thermal forming techniques such as pressing, hot or cold drawing. The mandrel is then removed from the inside of the tube.
  • an inner longitudinal tube blank Following the production of such an inner longitudinal tube blank, this is connected to the cross tubes to form an inner tube blank.
  • This inner tube blank is then introduced into the casting mold and cast or extrusion-coated there with the intended casting material.
  • High-pressure fuel storage in a common rail fuel injection system it is necessary that the high-pressure accumulator on the one hand can be attached to the engine compartment, and on the other hand, the various supply and discharge lines for the fuel must be securely attached to the high-pressure accumulator.
  • the invention advantageously opens up the option of providing corresponding fastening devices for fastening the high-pressure fuel accumulator in the interior of the engine in the course of the casting on the outer jacket. Furthermore, precautions can be taken in the casting mold to form fastening elements for the fuel lines.
  • 1a is an isometric view of a high-pressure fuel accumulator according to the invention.
  • FIG. 1b shows a cross section through the high-pressure fuel accumulator from FIG. 1a.
  • FIG. 1a shows an isometric representation of a high-pressure fuel reservoir according to the invention.
  • the cast body jacket 1 encloses the inner tubes 2 (longitudinal tube) and 3 (cross tubes). In the area of the transition between the cross tube and the longitudinal tube casing, fastening options 4 are provided for the fuel inlets and outlets.
  • the high-pressure fuel accumulator according to the invention can be fastened in the engine compartment with the fastening tabs 5.
  • Figure 1 b shows a longitudinal section through the high-pressure fuel accumulator from Figure 1a.
  • the course of the inner tubes 2 and 3 and the sheathing thereof with the cast body jacket 1 is shown.
  • the profile of the inlet or outlet attachment 4 can also be seen in section.
  • the inner tube wall 6 has a wall thickness in relation to the outer jacket wall 7 which is in the range between 1: 5 and 1:15.
  • the outer shell is reinforced in its wall thickness 8 in the area of the fuel inlets and outlets.

Landscapes

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Abstract

Leitung für die Speicherung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, ÖI oder sonstigen Flüssigkeiten, zur Verwendung in einem Common-Rail­-Kraftstoffeinspritzsystem, mit einem aus Gusswerkstoff rohrartig gebildeten Aussenmantel, wobei innerhalb des Aussenmantels ein oder mehrere Innen-­Rohrteile angeordnet sind, und der Aussenmantel durch Umgiessen oder Umspritzen des einen oder der mehreren Rohrteile gebildet ist.

Description

Hochdruck-Speicherleitung mit Gußaußenmantel für Common-Rail
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitung für die Speicherung von unter Hochdruck entstehenden Kraftstoffen, Öl oder sonstigen Flüssigkeiten, zur Verwendung in einem Common Rail Kraftstoffeinspritzsystem, die aus einem oder mehreren Innenrohrteilen und einem rohrartigen Außenmantel bestehen, wobei der Außenmantel durch Umgießen der inneren Rohrteile gebildet ist sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leitung, entsprechend den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13.
[0002] Bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen eine ungesteuerte Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Der derart unter Druck gesetzte Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, das bei otorbetrieb unter ständigem Druck steht. Von diesem gemeinsamen Rohrleitungssystem werden sämtliche Zylinder des Motors mit Kraftstoff versorgt, wobei die Einspritzung durch elektronische Steuerung der dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Ventile realisiert wird. Im Gegensatz dazu ist bei der klassischen Einspritzung jeder Zylinder direkt mit einem Kolben der Pumpe verbunden, so dass zwischen dem einzelnen Zylinder-Kraftstoffzuleitungen keine Verbindung besteht. Die Steuerung der Einspritzung in die Zylinder erfolgt hierbei durch den dem Zylinder zugeordneten Kolben der Einspritzpumpe, der in der Leitung einen Druck aufbaut, durch den das Ventil geöffnet und der Kraftstoff eingespritzt wird.
[0003] Die Vorteile der Common Rail Technik liegen in den extrem hohen Einspritzdrücken, die erreicht werden können sowie in der Möglichkeit, durch die elektrisch gesteuerten Ventile sehr kurze Öffnungs- und Einspritzzeiten zu realisieren. Dadurch kann der Einspritzvorgang in verschiedene Teileinspritzungen, zum Beispiel ein oder mehrere Voreinspritzungen, die Haupteinspritzung und ein oder mehrere Nacheinspritzung zu unterteilen. Durch eine derartige Unterteilung des Einspritzvorgangs kann die Verbrennung insgesamt „weicher" gestaltet werden und somit eine saubere und genauer steuerbare Verbrennung realisiert werden. Allerdings sind zur Realisierung dieser Einspritzsysteme extrem hohe Drücke notwendig, die somit sehr hohe Anforderung an die Druckfestigkeit der verwendeten Rohrleitung stellen.
[0004] Die DE 101 40 058 A1 offenbart einen Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, der einstückig aus einem hochfesten Gußwerkstoff hergestellt wird. Durch die Herstellung im Gußverfahren kann dieser Kraftstoffhochdruckspeicher auf günstige Art und Weise und mit einer variablen Gestaltung des Innenraums hergestellt werden. Nachteilig ist aber, dass zur Beherrschung der hohen auftretenden Drücke und der extremen Druckschwankungen ein hochfester Gußwerkstoff in ausreichender Wandstärke verwendet werden muss, der relativ kostenintensiv ist. Auch zeigt der gemäß DE 101 40 058 A1 verwendete Kugelgrafitguß wie alle Gußeisen ein sprödes Verformungsverhalten, dass heißt, es ist keine plastische Verformung in größerem Umfang möglich. Verformungen über die elastische Belastbarkeitsgrenze hinaus führen bei spröden Materialien zu Rissen, die zu Undichtigkeiten oder kompletten Bauteilversagen führen können.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftstoffhochdruckspeicher zur Verfügung zu stellen, der ein günstiges Verhalten bei hohen Drücken und extremen Druckschwankungen zeigt und gleichzeitig einfach und kostengünstig herzustellen ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffhochdruckspeicher nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte, optionale Ausführungsformen und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers ist in Anspruch 17 und optional in den folgenden, abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0006] Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem wird durch die Umschließung eines oder mehrerer Innenrohre mit einem Außenrohr realisiert, wobei das Außenrohr durch Umgießen oder Umspritzen des Innenrohrs mittels eines guß- bzw. spritzfähigen Werkstoffs hergestellt wird. Durch diese Ausführung des Kraftstoffhochdruckspeichers lassen sich in überraschender Weise positive Merkmale der für die einzelnen Bauteile eingesetzten, unterschiedlichen Werkstoffe vorteilhaft kombinieren. So kann als Innenrohr ein Werkstoff mit einer hohen Festigkeit eingesetzt werden, der auch von seinem elastischen und/oder plastischen Verformungsverhalten in besonderem Maße zur Aufnahme von hohen Drücken und starken Druckschwankungen geeignet ist. Hierzu bieten sich beispielsweise Stahl oder Edelstahlrohre an, die durch besondere Bearbeitungsschritte wie zum Beispiel Schmieden und/oder Kaltverformen in ihrer Festigkeit und Steifigkeit noch verbessert sein können. Da Werkstoffe dieser Qualität aber in der Beschaffung und Herstellung sehr kostenintensiv sind, kann bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher ein Teil der benötigten Festigkeit aus dem einfachen und preiswert herzustellenden Gußwerkstoff erhalten werden, mit dem das erfindungsgemäße Innenrohr umgössen oder umspritzt wird. Andererseits kann mit dem oder den Innen-Rohrteilen bei entsprechender Materialwahl für eine ausreichend elastische Längs- und Querdehnfähigkeit gesorgt werden. Die Wandungsstabilität und damit die technische Zuverlässigkeit sind so erhöht.
[0007] Für das Funktionieren eines Kraftstoffhochdruckspeichers in einem Common Rail System ist es von großer Bedeutung, dass die Temperatur des Kraftstoffes, der aus dem Speicher in den Zylinder eingespritzt wird, nicht zu hoch ist. Nur bei einer ausreichend niedrigen Temperatur des Kraftstoffs ist eine saubere, schadstoffarme Verbrennung gewährleistet. Es ist deshalb wünschenswert, dass ein Kraftstoffhochdruckspeicher zum Einsatz in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem aus einem Material hergestellt ist, das die durch die Verdichtung des Kraftstoffs im Speicher entstehende Wärme möglichst gut abführen kann. Daher ist es vorteilhaft, den erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher aus Materialien mit einer guten Wärmeleitfähigkeit herzustellen.
[0008] Für die Herstellung des erfindungsgemäßen, mehrteiligen Kraftstoffhochdruckspeichers sind also metallische Werkstoffe, die bekanntermaßen über eine gute Wärmeleitfähigkeit verfügen, in besonderem Maße geeignet. Bei einer Herstellung des oder der Innenrohre des Kraftstoffhochdruckspeichers zum Beispiel aus Stahl und einem Umgießen desselben Rohres mit einer Eisenlegierung kann durch die beim Guß entstehende, enge Verbindung zwischen dem gegossenen Außenmantel und dem oder den Innen-Rohrteilen ohne isolierende Hohlräume eine optimale Ableitung der entstehenden Wärme gewährleistet werden. Durch die Verwendung von Stahl als Werkstoff für das oder die Innenrohre des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers kann überdies eine hohe Druckfestigkeit realisiert werden. Da im Innenrohr geometriebedingt lokale Spannungsspitzen entstehen können, bietet die Verwendung von Stahl weitere Vorteile. Im Gegensatz zu Gußeisen besitzt Stahl ein duktiles Werkstoffverhalten, d. h. bei einer Belastung über die elastische Belastbarkeitsgrenze hinaus setzt plastisches Verformungsverhalten ein. Spannungen können so in weniger belastete Bereiche „umgeleitet" werden, das Bauteil versagt nicht. Ein spröder Werkstoff wie Gußeisen würde brechen. Daher sind bei Stahl geringere Sicherheitszuschläge bei der Bemessung notwendig.
[0009] Es hat sich hierbei als günstig erwiesen, das Verhältnis der Innenrohr- Wandstärke zur Wandstärke des Außenmantels im Bereich von 1:5 bis 1:15 auszulegen. Dabei kann das Wandstärkenverhältnis im Verlauf der Innenrohr- Längsachse variieren, um die Festigkeit und die elastischen bzw. plastischen Eigenschaften auf unterschiedliche Anforderungen einzustellen.
[0010] Die derartig günstigen Eigenschaften des Innenrohres können bei gleichbleibendem Durchmesser der Rohrwandung durch die Verwendung von hochfesten Stählen, zum Beispiel Edelstahlen, noch weiter gesteigert werden, ohne dabei die Abmessung des Kraftstoffhochdruckspeichers zu verändern. Indem also die Abmessung und/oder Wandungsverhältnisse von Innen- und Außenrohr oder auch die verwendeten Werkstoffe variiert werden, kann der erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckspeicher ohne Änderung der Geometrie an veränderte Anforderungen bezüglich der Druckfestigkeit angepaßt werden.
[0011] Alternativ können aber auch andere Werkstoffe für den erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher zum Einsatz kommen. So lassen sich aus Glas ebenfalls hochfeste Bauteile herstellen, da Glas zwar sehr spröde ist, jedoch eine hohe Festigkeit aufweist und den Vorteil einer sehr hohen Dichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen hat. Insbesondere bei Verbundwerkstoffen mit Glas können sehr gute Festigkeitseigenschaften erreicht werden. Als weitere Alternative bieten sich Werkstoffe mit Keramik an. Da Glas und Keramikwerkstoffe auch über eine gute Wärmeleitfähigkeit verfügen, können diese Werkstoffe vorteilhaft für einen erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher eingesetzt werden.
[0012] Als weitere Alternative ist auch noch die Verwendung von Kunststoffen und Kunststoffverbundwerkstoffen möglich. Insbesondere da die Maximaltemperatur eines Common-Rail-Kraftstoffhochdruckspeichers durch die zulässige Maximaltemperatur des Kraftstoffes beim Einspritzen begrenzt ist, steht dem Einsatz von Kunststoffen kein prinzipielles werkstofftechnisches Problem gegenüber. Da mit modernen Kunststoffverarbeitungsmethoden die Werkstoffparameter eines Kunststoffs sehr gut eingestellt werden können, kann mittels der Verwendung von Kunststoffen eine vorteilhafte Alternative in werkstofftechnischem Bereich für den erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher realisiert werden. Kunststoffmaterialien bieten sich durch ihr günstiges Festigkeit/Gewicht-Verhältnis insbesondere als Werkstoff für den gegossenen Außenmantel an.
[0013] In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers wird der Außenmantel des Speichers in mehreren Schichten gebildet. Durch die Herstellung des Außenmantels in Schichten können für unterschiedliche Beanspruchungsbereiche passende Materialien und/oder Materialqualitäten verwendet werden, wodurch der erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckspeicher noch genauer an die Anforderungen und Beanspruchungen angepasst werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Wirtschaftlichkeit des Produktes weiter optimieren. Beispielsweise können bei einem zweischichtigen Außenmantel aus einem Grauguss in den beiden Schichten Gussmaterialien mit unterschiedlicher Festigkeit zum Einsatz kommen. Denkbar wäre z. B. auch die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes für eine Schicht, um besondere Spannungsspitzen abzudecken.
[0014] Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffhochdruckspeicher lässt sich besonders vorteilhaft in einer Anordnung möglichst nahe an den Zylindern, die durch die Einspritzanlage mit Kraftstoff versorgt werden sollen, einsetzen. Es ist daher vorteilhaft, wenn in dem Kraftstoffhochdruckspeicher bereits Abgänge für die Zuleitungen zu den Zylinderventilen vorgesehen sind. Dazu wird das innere Rohr beziehungsweise Rohrgebilde aus mehreren Einzelrohren gefertigt. Basis bildet hierbei ein Längsrohr, in das seitwärts eine bestimmte Anzahl von Querrohren eingesetzt werden. Die benötigte Anzahl an Querrohren ist hierbei von der Anzahl der Zylinder, die vom erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher aus mit Treibstoff versorgt werden sollen, abhängig. Bei einer Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers mit einem Innenrohr aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl oder Edelstahl, können diese Rohre untereinander vorteilhaft durch Löten oder Schweißen verbunden werden. Es sind aber auch andere Verfahren zur Verbindung der einzelnen Rohrteile denkbar, so zum Beispiel mechanische oder mechanisch thermische Bearbeitungsverfahren. Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Rohrteile durch Druck und Erwärmung miteinander verbunden werden (sogenanntes Diffusionsschweißverfahren). Alternativ wäre auch eine Verbindung durch Umformen von Rohrteilen denkbar.
[0015] Insbesondere bei einer Verwendung eines Innenrohres aus einem Glas oder Keramikwerkstoff ist es vorteilhaft, dass Längsrohr mit seinen Querrohrabgängen als einstückigen Rohling auszuführen.
[0016] Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers in einem Common-Rail-Direkteinspritzsystem treten in diesem Speicher extrem hohe Drücke auf. Common-Rail-Systeme werden mit Kraftstoffdrücken von bis zu 180 Megapascal betrieben, weitere Erhöhungen des Kraftstoffdrucks sind zur Verbesserung der Verbrennungseigenschaften bereits geplant. Hierbei entstehen in der Wandung des Kraftstoffhochdruckspeichers hohe Spannungen. Die höchsten Spannungsspitzen treten hierbei konstruktionsbedingt an den Verschneidungen der Querrohre mit dem Innenrohr auf. Deshalb ist es vorteilhaft, die Bereiche um die Verschneidungen der Querrohre mit dem Längsrohr besonders verstärkt auszubilden, indem dort beispielsweise der Wandungsquerschnitt der Innenrohrteile im Zuge der Verbindung durch Schweißen mittels Auftragsschweißen verstärkt wird. Es ist aber auch denkbar, den Durchmesser des Außenmantels im Bereich der Verschneiduπgen verstärkt auszubilden. Durch eine derartige Anpassung des Gesamtquerschnitts der Wandung des Kraftstoffhochdruckspeichers an die tatsächlich in der Wandung auftretenden Spannung kann der Materialbedarf für den erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeicher optimiert werden.
[0017] Es ist femer vorteilhaft, das Innenrohr im Bereich der Querrohranschlüsse mit einem kleineren Durchmesser auszuführen, damit sich nach dem Gießen bei einem konstanten Gesamtdurchmesser des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers an den Verbindungsstellen der Querrohre mit dem Längsrohr ein deutlich verstärkter Wandungsquerschnitt ergibt. Es ist natürlich alternativ möglich, unter Verzicht auf einen konstanten Gesamtaußendurchmesser den Durchmesser des Außenmantels an den Verbindungsstellen zwischen Quer- und Längsrohr zu erhöhen.
[0018] Das Auftreten beziehungsweise die Größe der Spannungsspitzen an den Verbindungsstellen zwischen Quer- und Längsrohr ist auch von der Geometrie des entsprechenden Rohrabschnittes abhängig. So werden die auftretenden Spannungsspitzen größer, wenn das Längsrohr an der Verbindungsstelle mit dem Querrohr mit einem kleinen Radius ausgeführt ist. Zur Verminderung der Spannungsspitzen ist es daher vorteilhaft, wenn das Innenlängsrohr zumindest im Bereich der Verbindungsstellen zwischen Quer- und Längsrohr derart elliptisch geformt ist, dass die Längsachse des zugeordneten Querrohres sich in der Verlängerung der kürzeren Symmetrieachse der Ellipsenform befindet. Hierdurch erhält die Anschlußstelle eine deutlich geringere Krümmung, wodurch die auftretenden Spannungsspitzen gemindert werden. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere Querschnittsformen vorteilhaft sein. So ist es denkbar, die Querschnittsform des Innenraumes als Polygon auszuführen, oder sogar eine Freiform zu wählen.
[0019] Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers wird zweckmäßig eine Gußform eingesetzt, in die ein vorbereiteter Rohling für das oder die Innenrohre hineingelegt werden und mit einem geschmolzenen oder verflüssigten Gußwerkstoff umgössen oder umspritzt werden kann. Hierbei ist es möglich, dass sowohl für den gegossenen Außenmantel wie auch für den vorgefertigten Innenrohling metallische oder nicht metallische Werkstoffe in Frage kommen. Für den Innenrohling bieten sich insbesondere Stähle, Glas oder keramische Werkstoffe beziehungsweise Verbundwerkstoffe an. Der Außenmantel lässt sich vorteilhaft zum Beispiel mit Gußeisen, insbesondere Kugelgrafitguß GGG40, oder aus einem Glas, Keramik oder Kunststoffwerkstoff herstellen. Es sind hierbei auch Mischformen möglich, zum Beispiel die Verwendung eines Metalls für die Innenrohrteile und eines nicht Metalls für den Außenmantel oder umgekehrt. Auch die Verwendung von Verbundmaterialien aus Metallen und Nichtmetallen sind möglich.
[0020] Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckspeichers mit einem mehrschichtigen Außenmantel ist es zweckmäßig, mehrere Gussformen für die Fertigung zu verwenden. Der Innenrohrrohling wird hierbei in die erste Form eingelegt, mit dem für die erste Schicht vorgesehenen Material umspritzt oder umgössen und anschließend zum Abkühlen und/oder Aushärten aus der Form genommen. Wenn der für die weitere Verarbeitung notwendige Reifegrad der Schicht erreicht ist, wird der entstandene Rohling in die nächste Gussform gelegt und wieder umgössen oder umspritzt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die gewünschte Anzahl an Schichten erreicht ist.
[0021] Es ist zweckmäßig, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers zunächst die Innenrohrteile beziehungsweise den Rohling des Innenrohrs separat vorzufertigen. Hierbei ist insbesondere zur Erzielung der angepaßten Innenrohrquerschnittsflächen die Vorfertigung des Längsrohres von Bedeutung. Bei der Verwendung von Stahl oder einem anderen plastisch verformbaren Stoff für das Innenrohr kann diese Bearbeitung vorteilhaft mittels mechanischer oder mechanisch-thermischer Umformverfahren durchgeführt werden. So lässt sich zum Beispiel ein elliptischer Querschnitt bei Verwendung eines Innenrohrrohlinges mit einem kreisförmigen Querschnitt wie folgt erreichen: In das Innenrohr wird dann ein Dorn mit elliptischem Querschnitt eingeführt werden, welcher der gewünschten Innenquerschnittsflache des Hochdruckspeichers entspricht. Um diesen Dorn kann das Innenrohr dann je nach gewünschten Festigkeitseigenschaften kalt oder warm gepreßt werden. Für die Herstellung von anderen Querschnittsformen kann entsprechend ein auf die gewünschte Querschnittsform angepasster Dorn verwendet werden.
[0022] Analog wird bei der Herstellung eines Längsrohrs mit einer veränderlichen Querschnittsfläche vorgegangen. In die Bereiche, in denen der Querschnitt verändert werden soll, wird ein Dorn eingeführt, der in seiner Querschnittsfläche der gewünschten Innenquerschnittsflache des zu verändernden Bereichs entspricht. Danach wird dieser Bereich mittels mechanischer oder mechanisch - thermischer Umformtechniken wie zum Beispiel Pressen, Warm- oder Kaltziehen auf die neue Form gebracht. Anschließend wird der Dorn aus dem Inneren des Rohres entfernt.
[0023] Im Anschluß an die Herstellung eines derartigen Innenlängsrohrrohlings wird dieser mit den Querrohren zu einem Innenrohrrohling verbunden. Dieser Innenrohrrohling wird dann in die Gußform eingebracht und dort mit den vorgesehenen Gußwerkstoff umgössen oder umspritzt.
[0024] Bei dem erfindungsgemäßen Einsatzzweck eines
Kraftstoffhochdruckspeichers in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem ist es notwendig, dass der Hochdruckspeicher zum einen im Motorraum befestigt werden kann, und zum anderen die verschiedenen Zu- und Ableitungen für den Kraftstoff ihrerseits am Hochdruckspeicher sicher befestigt werden müssen. Hier eröffnet die Erfindung vorteilhaft die Option, entsprechende Befestigungseinrichtungen zur Befestigung des Kraftstoffhochdruckspeichers im Motorinnenraum bereits im Zuge des Gießens am Außenmantel vorzusehen. Weiterhin können bereits in der Gußform Vorkehrungen zur Ausbildung von Befestigungselementen für die Kraftstoffleitungen getroffen werden.
[0025] Weitere Einzelheiten, Merkmale, Kombinationen und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1a eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers.
Fig. 1b zeigt einen Querschnitt durch den Kraftstoffhochdruckspeicher aus Figur 1a.
[0026] In Figur 1a ist eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckspeichers abgebildet. Der Gußkörpermantel 1 umschließt die inneren Rohre 2 (Längsrohr) und 3 (Querrohre). Im Bereich des Übergangs zwischen Querrohr und Längsrohrmantelung sind Befestigungsmöglichkeiten 4 für die Kraftstoffzu- und -abgänge vorgesehen. Mit den Befestigungslaschen 5 kann der erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckspeicher im Motorraum befestigt werden.
[0027] Figur 1 b zeigt einen Längsschnitt durch den Kraftstoffhochdruckspeicher aus Figur 1a. Der Verlauf der Innenrohre 2 und 3 sowie die Ummantelung derselben mit dem Gußkörpermantel 1 ist dargestellt. Auch der Verlauf der Zu- beziehungsweise Ableitungsbefestigung 4 ist im Schnitt erkennbar. Die Innenrohrwandung 6 hat im Verhältnis zur Außenmantelwandung 7 eine Wandstärke, die im Bereich zwischen 1:5 und 1:15 liegt. Der Außenmantel ist im Bereich der Kraftstoffzu- und Abgänge in seiner Wandungsstärke 8 verstärkt ausgebildet.
Bezugszeichenliste: Außenmantel
Innen-Längsrohr Innen-Querrohre
Befestigung für Kraftstoffzu- und -abgangsleitungen
Befestigungslachen
Innenrohrwandung
Außenmantelwandung
Verstärkung der Außenmantelwandung

Claims

Patentansprüche
1. Leitung (1 ,2,3) für die Speicherung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, Öl oder sonstigen Flüssigkeiten, zur Verwendung in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, mit einem aus Gusswerkstoff rohrartig gebildeten Außenmantel (1), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Außenmantels (1) ein oder mehrere Innen-Rohrteile (2,3) angeordnet sind, und der Außenmantel (1) durch Umgießen oder Umspritzen des einen oder der mehreren Rohrteile (2,3) gebildet ist.
2. Leitung (1 ,2,3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus mehreren Schichten besteht, die durch Umgießen oder Umspritzen des einen oder der mehreren Rohrteile (2,3) gebildet sind.
3. Leitung (1 ,2,3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schichten des Außenmantels (1) aus unterschiedlichen Materialien und/oder Materialqualitäten bestehen.
4. Leitung (1 ,2,3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine aus dem Außenmantel (1) und dem oder den Rohrteilen (2,3) zusammengesetzte Leitungsstruktur, wobei der Außenmantel (1) und/oder der oder die Rohrteile (2,3) mit Metall hergestellt sind.
5. Leitung (1 ,2,3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine aus dem Außenmantel (1 ) und dem oder den inneren Rohrteilen
(2,3) zusammengesetzte Leitungsstruktur, wobei der Außenmantel (1) und/oder das oder die Rohrteile (2,3) mit Kunststoff oder anderem nichtmetallischem Material oder mit einem Gemisch aus metallischem und nichtmetallischem Material hergestellt sind.
6. Leitung (1 ,2,3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) mit graphitischen Gusseisen, insbesondere dem Kugelgraphit-Gusseisen GGG 40, oder einem sonstigen Gusseisen hergestellt ist.
7. Leitung (1 ,2,3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Rohrteile (2,3) separat vom
Außenmantel (1 ) gebildet und/oder mit Edelstahl, rostfreiem Stahl, Keramik und/oder Glas hergestellt sind.
8. Leitung (1 ,2,3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Rohrteile (2,3) ein Längsrohr (2), das eine Längsrichtung der Leitung definiert, und ein oder mehrere an das Längsrohr (2) angesetzte Querrohre (3) aufweisen.
9. Leitung (1,2,3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrteile (2,3) untereinander durch Löten oder Schweißen verbunden sind.
10. Leitung (1,2,3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrteile (2,3) miteinander einstückig ausgeführt sind.
11. Leitung (1 ,2,3) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) im Bereich des oder der Übergänge zwischen dem inneren Längsrohr (2) und dem oder den inneren Querrohren (3) verstärkt ausgeführt ist.
12. Leitung (1 ,2,3) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass diese Verstärkung durch eine Erhöhung der Wandstärke des Außenmantels (1) realisiert ist.
13. Leitung (1 ,2,3) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des inneren Längsrohres (2) in
Kreis-, Polygon-, Ellipsen- oder Freiform ausgebildet ist.
14. Leitung (1 ,2,3) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche des inneren Längsrohres (2) im Verlauf der Längsachse des Rohres ändert.
15. Leitung (1 ,2,3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Wandstärken des oder der Innen- Rohrteile zur Wandstärke des Außenmantels, das zwischen 1:5 und 1 :15 liegt.
16. Leitung (1,2,3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Wandstärken des oder der Innen- Rohrteile zur Wandstärke des Außenmantels, das zwischen 1:8 und 1:12 liegt.
17. Verfahren zur Herstellung einer Leitung (1 ,2,3), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, für die Speicherung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, Öl oder sonstigen Flüssigkeiten, zur Verwendung in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, wobei durch Gießen von geschmolzenem oder verflüssigten Gusswerkstoff ein rohrartiger Außenmantel (1) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Innen-Rohrteile (2,3) angeordnet werden, die dann mit dem Gusswerkstoff umgössen und/oder umspritzt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Innenrohrteile (2,3) mit mehreren Schichten gleicher, gleichartiger und/oder unterschiedlicher Gusswerkstoffe umgössen und/oder umspritzt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch die
Verwendung von Metall oder mit Metall versehenem Material zur Herstellung einer aus Außenmantel (1) und einem oder mehreren Rohrteilen (2,3) zusammengesetzten Leitung (1 ,2,3).
20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kunststoff oder anderem nichtmetallischem Material oder von einem Gemisch oder einer Kombination aus metallischem und nichtmetallischen Material zur Herstellung einer aus Außenmantel (1) und einem oder mehreren Rohrteilen (2,3) zusammengesetzten Leitung (1 ,2,3).
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, gekennzeichnet durch die Verwendung von Edelstahl, rostfreiem Stahl und/oder Keramik für das oder die Rohrteile (2,3).
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch die Verwendung von graphitischem Gusseisen, insbesondere dem Kugelgraphit-Gusseisen GGG 40, oder sonstigen Gusseisen für den Außenmantel (1 ).
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Rohrteile (2,3) zunächst separat gebildet, dann miteinander verbunden und in einer Gussform angeordnet und mit dem Gusswerkstoff umgössen oder umspritzt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres Längsrohr (2) aus einem plastisch verformbaren Material, insbesondere Stahl, vor dem Verbinden mit den weiteren inneren Rohrteilen (3) durch mechanische Bearbeitung in seiner
Querschnittsform von einer ursprünglichen Kreisform in eine elliptische oder sonstige Querschnittsform umgeformt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Längsrohr (2) durch folgende Schritte umgeformt wird: • Einführen eines Doms mit der gewünschten Querschnittsform in das Rohrinnere; • Umformen des Rohres auf die gewünschte Querschnittsform mittels Pressen, Kaltziehen und/oder Warmziehen; • Entfernen des Doms aus dem Rohrinneren.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres Längsrohr (2) aus einem plastisch verformbaren Material, insbesondere Stahl, vor dem Verbinden mit den weiteren inneren Rohrteilen (3) durch mechanische Bearbeitung in einigen Bereichen in seiner Querschnittsfläche und/oder -form verändert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Längsrohr (2) durch folgende Schritte umgeformt wird: • Einführen eines Doms in die Bereiche des Rohrinneren, die in ihrer Querschnittsform und/oder Fläche verändert werden sollen; • Umformen des Rohrbereiches in die gewünschte Querschnittsform mittels Pressen, Kaltziehen und/oder Warmziehen; • Entfernen des Doms aus dem Rohrinneren.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Gießens am Außenmantel (1) Anschlusseinrichtungen (4) für KFZ-Zylinder und/oder Leitungsbefestigungen ausgebildet werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Gießens am Außenmantel (1) Anschlusseinrichtungen (5) zur Befestigung der Leitung im Motorraum ausgebildet werden.
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