EP2789845A1 - Kraftstoffverteiler aus Duplexstahl - Google Patents

Kraftstoffverteiler aus Duplexstahl Download PDF

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EP2789845A1
EP2789845A1 EP14160817.4A EP14160817A EP2789845A1 EP 2789845 A1 EP2789845 A1 EP 2789845A1 EP 14160817 A EP14160817 A EP 14160817A EP 2789845 A1 EP2789845 A1 EP 2789845A1
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EP
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fuel distributor
fuel
duplex steel
arrangement according
fuel rail
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EP14160817.4A
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Dipl.-Ing. Eugen Aul
Damian Zwiener
Georg Dertinger
Petra Thiele
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Benteler Automobiltechnik GmbH
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Benteler Automobiltechnik GmbH
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    • 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
    • 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
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/46—Details, component parts or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus covered by groups F02M69/02 - F02M69/44
    • F02M69/462—Arrangement of fuel conduits, e.g. with valves for maintaining pressure in the pipes after the engine being shut-down
    • F02M69/465—Arrangement of fuel conduits, e.g. with valves for maintaining pressure in the pipes after the engine being shut-down of fuel rails
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/90—Selection of particular materials
    • F02M2200/9053—Metals

Definitions

  • the present invention relates to a fuel rail arrangement according to the features in the preamble of claim 1.
  • Object of the present invention is therefore to show a fuel rail assembly that meets the current requirements for the expected operating conditions, taking into account the safety factor and at the same time is inexpensive to produce.
  • the fuel distributor arrangement according to the invention for an internal combustion engine of a motor vehicle has a fuel distributor rail with a fuel distributor pipe and branches off from the fuel distributor pipe Injektoritn and is inventively characterized in that the fuel rail and optionally the holder is formed of duplex steel.
  • the invention it is thus possible to realize a significantly higher strength at the same or reduced geometric dimensions.
  • the austenitic proportions of the duplex steel itself also guarantee a sufficient resistance to occurring corrosion.
  • the fuel rail of the fuel rail thus the main distribution pipe of duplex steel.
  • other attachments for example, the branched off from the fuel rail injector or stopper plugs, mounting brackets or connection channels may also be formed of duplex steel.
  • the individual components are in particular coupled to one another by means of a high-temperature soldering method at a temperature range between 500 ° C. and 1150 ° C.
  • the following materials are used according to the invention: 1.4462, 1.4162, 1.4362 or 1.4662.
  • the higher strength compared to the prior art is also given after brazing.
  • Another advantage is that other attachments, such as Injektoringn, Kraftstoffverteilerrohrbefest Trenten and / or Kraftstoffverteilerrohrschellen and sealing plugs and / or passage plugs can be made of conventional austenitic steels and still be positively and / or cohesively coupled with the inventively duplex steel due to the material compatibility ,
  • the production of the fuel rail made of duplex steel can be integrated into existing production facilities for known from the prior art fuel rail assemblies. This saves an investment overhead in the conversion of the plant to the inventive use of the duplex steel for the fuel rail.
  • the duplex steel has a nickel content, expressed in weight percent, between 0.1% and 5%, in particular between 0.1% and 3.5% and particularly preferably less than 3.5%.
  • the low nickel content significantly reduces the risk of stress corrosion cracking. As a result, the durability of the fuel rail is increased at the same time.
  • the duplex steel preferably has the following alloying elements expressed in weight percent: chrome (Cr) 20 to 25% by weight molybdenum (Not a word) 2.50 to 3.50 wt.%,
  • the structure of the duplex steel is preferably designed such that the proportion of ferrite corresponds to 50 to 70% and the proportion of austenite corresponds to 50 to 30%.
  • the duplex steel further has, after brazing, a yield strength Rp0.2 of greater than or equal to 490 MPa and a tensile strength RM greater than or equal to 760 MPa.
  • the joining process thus the high-temperature soldering process according to the invention in less than ten minutes, more preferably in less than eight minutes, especially in less than six minutes and most preferably in less than five minutes.
  • the cooling itself follows in particular in a time window of less than four minutes.
  • a sufficient strength of the prepared fuel rail assembly, in particular with regard to the solder joints is thus ensured without affecting the balance of the structural phases of austenite and ferrite of the duplex steel.
  • the cooling process by gas cooling very particularly preferably by cooling with nitrogen instead of helium or argon instead to realize the requirements for the technical cleanliness of the component with simultaneous high cooling performance.
  • FIG. 1 shows a fuel distributor assembly 1 according to the invention in a perspective view.
  • the fuel rail assembly 1 has a fuel rail 2, wherein the fuel rail 2 has a centrally extending fuel rail 3. From the fuel rail 3 are branched injector 4, wherein the injector 4, shown in FIG. 2 , coupled to the fuel rail 3 by means of thermal joint seam 5 are.
  • the fuel rail 3 is formed of duplex steel, whereas, for example, the Injektoragen 4 may be formed of a conventional austenitic steel. Nevertheless, it is easily possible to couple the Injektoragen 4 with the fuel rail 3 via a thermal joint seam 5.
  • the fuel rail 3 which is related to the image plane, there is a closing plug 6 with a return line and on the left side a closing plug 7 with a supply line.
  • a validation pressure of up to 600 bar can be applied permanently.
  • the fuel rail 3 itself has a wall thickness W, which is constant or reduced compared to conventional fuel rail 3, but at the same time higher resistance to increasing operating requirements.
  • mounting bracket 8 are at least positively coupled to the fuel rail 3, to couple it to an internal combustion engine, not shown, in particular on a cylinder head of an internal combustion engine.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Kraftstoffverteileranordnung (1) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Kraftstoffverteilerleiste (2) mit einem Kraftstoffverteilerrohr (3) und von dem Kraftstoffverteilerrohr (3) abzweigenden Injektoraufnahmen (4). Das Kraftstoffverteilerrohr (3) ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass es aus Duplexstahl ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffverteileranordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Kraftstoff an einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Dabei kann der Einspritzvorgang in ein Ansaugrohr, in eine Vorkammer oder aber auch alternativ direkt in den Verbrennungsraum erfolgen. Hierzu ist ein Kraftstoffverteiler an der Verbrennungskraftmaschine montiert, wobei der Kraftstoffverteiler mit einer Kraftstoffförderpumpe gekoppelt ist. Diese Kraftstoffförderpumpe erzeugt in einem Kraftstoffverteilerrohr einen Druck, Betriebsdruck bzw. Nenndruck (Pnenn) bei Benzinhochdruckeinspritzleitungen von 300 bar bis 400 bar, insbesondere 350 bar. Die Auslegung erfolgt: Pnenn * 1,5 = Validierungsdruck.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass hier austenitische Werkstoffe verwendet werden, um in dem Umgebungsumfeld einer Verbrennungskraftmaschine sowie der Förderung von Kraftstoffen eine hinreichende Korrosionsbeständigkeit aufzuweisen.
  • Im Zuge des Downsizings von Verbrennungskraftmaschinen, was eine Leistungssteigerung bei gleichbleibendem oder verringertem Hubraum bedeutet, sind die Kraftstoffförderdrücke gestiegen. Die Anforderungen an den Bauraum bzw. das Packaging des Kraftstoffverteilers selber sind jedoch gleichgeblieben.
  • Um nunmehr eine hinreichende Betriebssicherheit zu gewährleisten und auch eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Additiven des Kraftstoffes, beispielsweise Ethanol und Methanol zu gewährleisten, muss bei den verwendeten Werkstoffguten eine Erhöhung der Wandstärke stattfinden. Dies erschwert jedoch zugleich die Herstellung des Kraftstoffverteilers, da beispielsweise das Kraftstoffverteilerrohr bzw. Halterung durch umformtechnische Bearbeitung hergestellt wird, wobei die Umformung selbst deutlich erschwert wird. Durch die Erhöhung der Wandstärke, darf das Volumen der Vorkammer nicht verringert werden. Es ist nur eine Erhöhung der Wandstärke nach Außen (in den Bauraum) möglich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kraftstoffverteileranordnung aufzuzeigen, die die aktuellen Anforderungen an die zu erwartenden Betriebszustände unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors erfüllt und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.
  • Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kraftstoffverteileranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteileranordnung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges weist eine Kraftstoffverteilerleiste mit einem Kraftstoffverteilerrohr und von dem Kraftstoffverteilerrohr abzweigenden Injektoraufnahmen auf und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffverteilerrohr und optional der Halter aus Duplexstahl ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine deutlich höhere Festigkeit bei gleichen oder aber reduzierten geometrischen Abmessungen zu realisieren. Die austenitischen Anteile des Duplexstahls selber garantieren zudem eine hinreichende Resistenz gegen auftretende Korrosion. Somit ist es möglich, mindestens gleichbleibende oder aber verringerte Wandstärken gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffverteilerleisten zu realisieren, die gleichzeitig jedoch erhöhten Betriebsdrücken standhalten und somit auch langlebiger ausgebildet sind.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es dabei möglich, mindestens das Kraftstoffverteilerrohr der Kraftstoffverteilerleiste, mithin das Hauptverteilerrohr aus Duplexstahl auszubilden. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch weitere Anbauteile, beispielsweise die von dem Kraftstoffverteilerrohr abgezweigten Injektoraufnahmen oder aber Verschlussstopfen, Befestigungshalterungen oder Anschlusskanäle auch aus Duplexstahl ausgebildet sein. Die einzelnen Bauteile werden insbesondere mit einem Hochtemperaturlötverfahren bei einem Temperaturbereich zwischen 500° C und 1150° C miteinander gekoppelt. Insbesondere kommen folgende Werkstoffe zum erfindungsgemäßen Einsatz: 1.4462, 1.4162, 1.4362 oder 1.4662. Die gegenüber dem Stand der Technik höhere Festigkeit ist auch nach dem Hartlöten gegeben.
  • Hierbei ist es möglich, bei einer Wandstärke zwischen 3 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 3,1 mm und 3,5 mm und besonders bevorzugt von circa 3,3 mm des Kraftstoffverteilerrohres Betriebsdrücken zwischen 200 bar und 600 bar, insbesondere von 300 bar bis 500 bar und ganz besonders bevorzugt von bis zu 500 bar mit hinreichender Betriebsfestigkeit und Dauerhaltbarkeit standzuhalten. Durch die zumindest gleichbleibende, wenn nicht sogar reduzierte Wandstärke gegenüber einem vergleichbaren, aus austenitischem Werkstoff hergestellten Kraftstoffverteilerrohr reduziert sich das Gewicht der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteileranordnung. Gegebenenfalls höhere Anschaffungskosten des Duplexstahls werden durch geringere Verarbeitungskosten während der Umformung und/oder durch ein geringeres benötigtes Volumen kompensiert. Im Ergebnis kann somit bei gleichbleibenden und/oder verringerten geometrischen Abmessungen erhöhten Anforderungen an die Betriebskonfiguration gerecht werden, bei mindestens gleichbleibenden Herstellungskosten und verbesserter Dauerhaltbarkeit.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass weitere Anbauteile, wie beispielsweise Injektoraufnahmen, Kraftstoffverteilerrohrbefestigungen und/oder Kraftstoffverteilerrohrschellen sowie Verschlussstopfen und/oder Durchgangsstopfen aus herkömmlichen austenitischen Stählen hergestellt werden können und mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Duplexstahl dennoch form- und/oder stoffschlüssig aufgrund der Materialverträglichkeit gekoppelt werden können. Somit kann beispielsweise die Produktion des Kraftstoffverteilerrohres aus Duplexstahl in bereits vorhandene Produktionsanlagen für aus dem Stand der Technik bekannte Kraftstoffverteileranordnungen integriert werden. Dies spart einen Investitionsmehraufwand in der Umrüstung der Anlage auf die erfindungsgemäße Verwendung des Duplexstahls für das Kraftstoffverteilerrohr.
  • Weiterhin bevorzugt weist der Duplexstahl einen Nickelgehalt, ausgedrückt in Gewichtsprozent, zwischen 0,1 % und 5 %, insbesondere zwischen 0,1 % und 3,5 % und besonders bevorzugt von weniger als 3,5 % auf. Durch den geringen Nickelgehalt wird die Gefahr einer Spannungsrisskorrosion deutlich reduziert. Hierdurch wird gleichzeitig die Dauerhaltbarkeit des Kraftstoffverteilers erhöht.
  • Ferner weist der Duplexstahl bevorzugt die nachfolgenden Legierungselemente ausgedrückt in Gewichtsprozent auf:
    Chrom (Cr) 20 bis 25 Gew.-%
    Molybdän (Mo) 2,50 bis 3,50 Gew.-%,
  • Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Das Gefüge des Duplexstahls ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass der Anteil Ferrit 50 bis 70% entspricht und der Anteil Austenit 50 bis 30% entspricht. Der Duplexstahl weist nach dem Hartlöten ferner eine Streckgrenze Rp0,2 von größer gleich 490 MPa und eine Zugfestigkeit RM größer gleich 760 MPa auf.
  • Dies wird bei den eingesetzten Duplexstahlgüten insbesondere dadurch erreicht, dass der Fügeprozess, mithin der Hochtemperaturlötprozess erfindungsgemäß in unter zehn Minuten besonders bevorzugt in unter acht Minuten, insbesondere in unter sechs Minuten und ganz besonders bevorzugt in unter fünf Minuten durchgeführt wird. Mithin findet eine Aufwärmung auf bis zu mehr als 1.000 °C Hochtemperaturlöttemperatur sowie eine darauffolgende Abkühlung auf kleiner gleich (≤) 400 °C statt. Die Abkühlung selbst folgt insbesondere in einem Zeitfenster von weniger als vier Minuten. Eine hinreichende Festigkeit an der hergestellten Kraftstoffverteileranordnung, insbesondere im Hinblick auf die Lotverbindungsstellen ist somit gewährleistet, ohne dabei das Gleichgewicht der Gefügephasen von Austenit und Ferrit des Duplexstahls zu beeinträchtigen. Insbesondere findet der Kühlprozess durch eine Gaskühlung ganz besonders bevorzugt durch eine Kühlung mit Stickstoff alternativ mit Helium oder Argon statt, um die Anforderungen an die technische Sauberkeit des Bauteils bei gleichzeitiger hoher Kühlleistung zu realisieren.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerrohres wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und in den Figuren schematisch dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Kraftstoffverteileranordnung in perspektivischer Ansicht und
    Figur 2
    eine Kraftstoffverteileranordnung in Längsschnittansicht.
  • In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
  • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kraftstoffverteileranordnung 1 in perspektivischer Ansicht. Die Kraftstoffverteileranordnung 1 weist eine Kraftstoffverteilerleiste 2 auf, wobei die Kraftstoffverteilerleiste 2 ein zentral verlaufendes Kraftstoffverteilerrohr 3 besitzt. Von dem Kraftstoffverteilerrohr 3 abgezweigt sind Injektoraufnahmen 4, wobei die Injektoraufnahmen 4, gezeigt in Figur 2, an das Kraftstoffverteilerrohr 3 mittels thermischer Fügenaht 5 gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kraftstoffverteilerrohr 3 aus Duplexstahl ausgebildet ist, wohingegen beispielsweise die Injektoraufnahmen 4 aus einem konventionellen austenitischen Stahl ausgebildet sein können. Dennoch ist es einfach möglich, die Injektoraufnahmen 4 mit dem Kraftstoffverteilerrohr 3 über eine thermische Fügenaht 5 zu koppeln. Ferner ist an dem auf die Bildebene bezogen rechten Ende des Kraftstoffverteilerrohres 3 ein Verschlussstopfen 6 mit Rücklaufleitung und auf der linken Seite ein Verschlussstopfen 7 mit Zuführleitung angeordnet. Hierüber ist es dann wiederum möglich, jeweils einen Kraftstoff in einen Innenraum 9 des Kraftstoffverteilerrohres 3 zu befördern, in dem ein Validierungsdruck von bis zu 600 bar dauerhaft anliegen kann. Das Kraftstoffverteilerrohr 3 selbst weist eine Wandstärke W auf, die gegenüber konventionellen Kraftstoffverteilerrohren 3 gleichbleibend oder aber reduziert ist, bei jedoch gleichzeitig höherer Beständigkeit gegen steigende Betriebsanforderungen. Ferner sind Montagehalter 8 an das Kraftstoffverteilerrohr 3 zumindest formschlüssig gekoppelt, um dieses an einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine insbesondere an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine zu koppeln.
    • Bezugszeichen:
    • 1 -
    Kraftstoffverteileranordnung
    2 -
    Kraftstoffverteilerleiste
    3 -
    Kraftstoffverteilerrohr
    4 -
    Injektoraufnahme
    5 -
    thermische Fügenaht
    6 -
    Verschlussstopfen
    7 -
    Verschlussstopfen
    8 -
    Montagehalter
    9 -
    Innenraum
    W -
    Wandstärke

Claims (7)

  1. Kraftstoffverteileranordnung (1) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Kraftstoffverteilerleiste (2) mit einem Kraftstoffverteilerrohr (3) und von dem Kraftstoffverteilerrohr (3) abzweigenden Injektoraufnahmen (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffverteilerrohr (3) und optional ein Halter (8) aus Duplexstahl ausgebildet ist.
  2. Kraftstoffverteileranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffverteilerrohr (3) eine Wandstärke (W) zwischen 3 und 4 mm, insbesondere zwischen 3,1 mm und 3,5 mm und bevorzugt von 3,3 mm aufweist.
  3. Kraftstoffverteileranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffverteilerrohr (3) für einen Betriebsdruck zwischen 200 und 600 bar, insbesondere von 300 bis 500 bar, ganz besonders bevorzugt von 500 bar ausgelegt ist.
  4. Kraftstoffverteileranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffverteilerleiste (2) weitere Anbauteile aufweist, wobei die Anbauteile mit dem Kraftstoffverteilerrohr (3) mittels Hochtemperaturlöten oder Hartlöten gekoppelt sind.
  5. Kraftstoffverteileranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenig belasteten Anbauteile weiterhin aus einem austenitischen Stahl ausgebildet sind.
  6. Kraftstoffverteileranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Duplexstahl einen Nickelgehalt ausgedrückt in Gewichtsprozent zwischen 0,1 und 5%, insbesondere zwischen 0,1 und 3,5% und besonders bevorzugt von weniger als 3,5% aufweist.
  7. Kraftstoffverteileranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bauteile aus Duplexstahl ausgebildet sind, wobei die Bauteile bevorzugt mittels eines thermischen Fügeverfahrens miteinander gekoppelt sind.
EP14160817.4A 2013-04-08 2014-03-20 Kraftstoffverteiler aus Duplexstahl Active EP2789845B1 (de)

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