Titel

Geometrie zur Festiqkeitssteiqerunq bei Bohrunqsverschneidunqen im Hochdruckbereich

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine Geometrie zur Festigkeitssteigerung einer Boh- rungsverschneidung von zwei Hochdruckkanälen in einem autofrettierten Bauelement, insbesondere in einem Bauelement eines Kraftstoffspeicher-Einspritzsystems gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 .

Bei Bauelementen mit Hochdruckkanälen, durch die ein Medium unter hohen Druck geleitet wird, treten in dem Werkstoff des Bauelements durch den Innendruck verur- sachte Spannungen auf, welche sowohl in axialer und radialer Richtung als auch in

Umfangsrichtung der Hochdruckkanäle verlaufen. Bei Bohrungsverschneidungen, das heißt einer Verzweigung von zwei Hochdruckkanälen innerhalb des Bauelements, wie sie beispielsweise bei einem Hochdruck-Kraftstoffverteiler in einem Kraftstoffspeicher- Einspritzsystem eines Diesel-Motors vorhanden sind, überlagern sich die im Werkstoff auftretenden Spannungen aus den beiden Hochdruckkanälen derart, dass im Bereich der Bohrungsverschneidung lokale Spannungskonzentrationen entstehen. Im ungünstigen Fall führen die Spannungsspitzen zur Bildung von Mikro- oder Makrorissen in dem die Hochdruckkanäle umschließenden Werkstoff. Die Dauerfestigkeit des Bauelements wird hierdurch in beträchtlichem Maße verringert, wobei insbesondere eine Druckschwellbeanspruchung der Hochdruckkanäle zur vorzeitigen Rissbildung im Bereich der Bohrungsverschneidung führt. Nachdem insbesondere bei Kraftstoffspeicher- Einspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, die auch als Common-Rail-Systeme bekannt sind, Innendrücke von über 200 MPa bzw. 2000 bar auftreten, stellen Bohrungsverschneidungen im Hochdruckbereich des Einspritzsystems Schwachstellen dar, die infolge der auftretenden Spannungsspitzen zum frühzeitigen Versagen des betreffenden Bauelements führen und somit die Lebensdauer der Brennkraftmaschine erheblich verkürzen. Zur Reduzierung der Höhe der Spannungsspitzen im Bereich von Bohrungsverschnei- dungen ist es aus der DE 198 51 286 A1 bekannt, eine Druckkraft auf den Bereich der Bohrungsverschneidung von außen her aufzubringen. Zur Erzeugung von Druckspan- nungen im Bereich der Bohrungsverschneidung ist im Bauelement gemäß der DE 198

51 286 A1 eine Sacklochbohrung vorgesehen, in die eine Schraube einschraubbar ist, die mit ihrem Ende eine Druckkraft auf den Werkstoff des Bauelements ausübt.

Durch das Erfordernis einer zusätzlichen Sacklochbohrung im Bauelement gemäß der DE 198 51 286 A1 zur Aufnahme einer Schraube zum Einbringen von Druckspannungen in den Werkstoff, welche den Spannungsspitzen in der Bohrungsverschneidung entgegen wirken, vergrößert sich der Aufwand für die Herstellung des Bauelements erheblich. Um eine Beschädigung des Bauelements zu verhindern, darf die Schraube weiterhin nur mit einem definierten Drehmoment angezogen werden.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verzweigung von Hochdruckkanälen in einem Bauelement bereitzustellen, bei welchem das unter hohen Druck stehende Me- dium nur geringe Spannungen in dem die Hochdruckkanäle umgebenden Werkstoff des Bauelements erzeugt.

Gemäß der Erfindung sind im Hochdruckbereich eines autofrettierten Bauelements ein erster und ein zweiter Hochdruckkanal angeordnet, die über eine Bohrungsverschnei- düng miteinander verbunden sind. Das Bauelement kann hierbei beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen.

Zur Verbesserung der Hochdruckdauerfestigkeit sind in dem Werkstoff des erfindungsgemäßen Bauelements ausgeprägte Druckeigenspannungsfelder vorhanden, welche den ersten und den zweiten Hochdruckkanal umschließen. Bei einem nicht durch einen

Innendruck belasteten Bauelement sind die Druckeigenspannungen hierbei im Gleichgewicht und verlaufen über nahezu homogen durch den Werkstoff.

Das ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld im Werkstoff des Bauelements wird vor- zugsweise mit einem als Autofrettage bekannten Verfahren erzeugt. Durch ein einmaliges Überlasten mit Hilfe eines Innendrucks in den Hochdruckkanälen wird der Werkstoff des Bauelements, welcher an die Wandungen der Hochdruckkanäle angrenzt, ge- zielt plastisch verformt. Vor der Belastung der Hochdruckkanäle mit dem sogenannten Reck- bzw. Autofrettagedruck, dessen Größe über dem späteren Betriebsdruck in den Hochdruckkanälen liegt und den Werkstoff über dessen Streckgrenze hinaus beansprucht, werden die Hochdruckkanäle abgedichtet und ein Druckmedium unter hohem Druck in die Hochdruckkanäle eingeleitet. Bei dem Druckmedium handelt es sich hierbei vorzugsweise um ein Hydrauliköl.

Infolge der Plastifizierung der an die Innenwandung der Hochdruckkanäle angrenzenden Werkstoffzone wird die elastisch verformte Werkstoffzone, welche an die plastisch verformte Zone des Werkstoffes anschließt, daran gehindert, sich zu entlasten. Das auf diese Weise in den Werkstoff eingebrachte Druckeigenspannungsfeld wirkt den Spannungen entgegen, die durch den in den Hochdruckkanälen vorherrschenden Innendruck in das Bauelement eingeleitet werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass schädliche Spannungsspitzen abgeschwächt bzw. kompensiert werden.

Für die Durchführung des Verfahrens der Autofrettage ist es erforderlich, dass sowohl der Reckinnendruck, der bis zu 1500 MPa betragen und bei anderen Werkstoffen auch höher liegen kann, als auch dessen Haltezeit auf die Werkstoffeigenschaften des Bauelements abgestimmt sind.

Neben der Höhe des für die Autofrettage erforderlichen Innendrucks wird das im Bauelement erzeugte Druckeigenspannungsfeld im Wesentlichen von der Bauelementgeometrie, der Temperatur des Werkstoffes während der Autofrettage sowie dem Plastifi- zierungsvermögen des Werkstoffes bestimmt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung eines mikrolegierten Edelstahls auf Mangan-Vanadin-Basis erwiesen, welcher zudem eine gute Zerspanbarkeit aufweist.

Der zweite Hochdruckkanal, der den ersten Hochdruckkanal in einem beliebigen Winkel schneidet, umfasst eine Auslassöffnung, die den zweiten Hochdruckkanal mit dem ersten Hochdruckkanal strömungsmäßig verbindet. Im Bereich der Verzweigung der

Hochdruckkanäle weist der zweite Hochdruckkanal gemäß der Erfindung einen Abschnitt auf, der sich von der Auslassöffnung in axialer Richtung des zweiten Hochdruckkanals erstreckt. Der Innendurchmesser des Abschnitts ist dabei gegenüber dem außerhalb des Abschnitts vorhandenen Innendurchmesser des zweiten Hochdruckka- nals verringert. Durch die abschnittsweise Verringerung des Innendurchmessers des zweiten Hochdruckkanals im Bereich der Bohrungsverschneidung entstehen bei einer Innendruckbe- lastung des Bauelements lokale Spannungsspitzen im Werkstoff, die jedoch durch das im Bereich des verringerten Innendurchmessers erhöhte Niveau an Druckeigenspan- nungen mehr als ausgeglichen werden. Die Größe der Spitzenspannungen, welche sich aus der Überlagerung der Spannungen vom ersten und zweiten Hochdruckkanal ergeben, werden somit trotz der Kerbwirkung, welche aus der abschnittsweisen Verringerung des Innendurchmessers hervorgerufen wird, durch das erhöhte Niveau an Druckeigenspannungen im Bereich der Bohrungsverschneidung insgesamt reduziert.

Durch die abschnittsweise Verringerung des Innendurchmessers im Bereich der Bohrungsverschneidung lässt sich somit an der versagensrelevanten Stelle im Bauelement ein Druckeigenspannungsfeld mit einem hohen Niveau erzeugen, welches die Hochdruckfestigkeit des erfindungsgemäßen Bauelements gegenüber einem autofrettierten Bauelement ohne einen Abschnitt mit verringerten Innendurchmesser verbessert.

Eine Möglichkeit zum Herstellen des Abschnitts mit verringertem Innendurchmesser im zweiten Hochdruckkanal besteht darin, dass in das Bauelement zuerst eine Bohrung eingebracht wird, deren Größe dem verringerten Innendurchmesser entspricht. Im An- Schluss daran wird eine weitere Bohrung in das Bauelement eingebracht, deren Innendurchmesser größer als der Innendurchmesser der ersten Bohrung ist. Die Tiefe der weiteren Bohrung ist dabei geringer als die Gesamtlänge des zweiten Hochdruckkanals innerhalb des Bauelements, so dass an dem Ende des zweiten Hochdruckkanals, welches dem ersten Hochdruckkanal zugewandt ist, ein Abschnitt mit verringertem Durchmesser bestehen bleibt. Das Einbringen der Bohrungen erfolgt hierbei vorzugsweise spanend.

Gemäß der Erfindung ist der zweite Hochdruckkanal in axialer Richtung in einen Abschnitt mit einem größeren Innendurchmesser und in den Abschnitt mit verringertem Innendurchmesser unterteilt. Der Übergang zwischen den Abschnitten kann hierbei stufenförmig gestaltet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Übergang zum Abschnitt mit verringertem Innendurchmesser im zweiten Hoch- druckkanal eine konische Form aufweist. Durch die sich hieraus ergebende hydrodynamische vorteilhafte Form werden so genannte Totwasserbereiche, in denen sich das unter Hochdruck stehende Medium ansammeln kann, vermieden. - -

Wie die Anmelder gefunden haben, erhöht sich die Hochdruckdauerfestigkeit des die erfindungsgemäße Bohrungsverschneidung umfassenden Bauelements, wenn sich die Länge des Abschnitts mit verringertem Innendurchmesser des zweiten Hochdruckka- nals verkürzt.

Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Länge des Abschnitts mit verringertem Innendurchmesser bis zu dem Zweifachen der Größe des verringerten Innendurchmessers des zweiten Hochdruckkanals entspricht. Als besonders vorteilhaft für die Hochdruckfestigkeit des Bauelements hat es sich gemäß der Erfindung herausgestellt, wenn die Länge des Abschnitts und die Größe des verringerten Innendurchmessers ein Größenverhältnis von 1 : 1 oder geringer aufweist.

Für eine weitere Vergrößerung der Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Bauele- ments im Bereich der Bohrungsverschneidung der Hochdruckkanäle ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ver- schneidungskante an der Auslassöffnung des zweiten Hochdruckkanals in den ersten Hochdruckkanal eine Abrundung aufweist. Durch diese konstruktive Maßnahme ergibt sich der Vorteil, dass Spannungsspitzen, die bei scharfkantigen ausspringenden E- cken auftreten, ausgeschlossen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Hochdruckkanal einen größeren Innendurchmesser als der zweite Hochdruckkanal auf, wobei der zweite Hochdruckkanal den ersten Hochdruckkanal sowohl senkrecht wie auch in einem beliebigen Winkel schneiden kann.

Um die Bildung von Mikrorissen an der Innenwandung des ersten Hochdruckkanals und des zweiten Hochdruckkanals zu verhindern, kann es gemäß der Erfindung weiterhin vorgesehen sein, dass die Oberflächen der Innenwände des ersten und des zweiten Hochdruckkanals eine größere Rauheit aufweisen. Hierdurch ergibt sich der

Vorteil, dass mögliche Entstehungsstellen von Mikrorissen an der Innenfaser der Innenwände, die bei fortwährender Innendruckbelastung die Bildung von Makrorissen begünstigen, vermieden werden und eine größere Robustheit gegen Oberflächenfehler erreicht wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Bohrungsverschneidung im Hochdruckbereich eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems einer - -

Brennkraftmaschine erwiesen. Bei Einspritzsystemen ergeben sich durch den sich verändernden Innendruck des durch die Hochdruckkanäle geführten Kraftstoffes pulsierende Drucklasten, welche die Lebensdauer eines Bauelements deutlich vermindern können. Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Bohrungsverschneidung von zwei Hochdruckkanälen ergibt sich die Möglichkeit, die Lebensdauer des Bauelements des Einspritzsystem erheblich zu verlängern. Weiterhin ergibt sich durch die erfindungsgemäße Bohrungsverschneidung die Möglichkeit, den Einspritzdruck zu erhöhen und phasengesteuerte Einspritzvorgänge zu optimieren, ohne dass hierbei durch variierende Kraftstoffdruck auftretende Druckschwellbeanspruchungen zu einer Rissbil- düng im Bauelement führen.

Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf eine Zeichnung anhand einer bevorzug- ten Ausführungsform beschrieben.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen Schnitt durch ein hochdruckbelastetes autofrettiertes Bauelement mit einer Bohrungsverschneidung eines ersten und eines zweiten Hochdruckkanals.

In der Darstellung in der Figur 1 ist in schematischer Weise ein hochdruckbelastetes Bauelement 1 gezeigt. Ein Hohlraum eines Hochdruckspeicherkörpers 2 (Common RaN) und ein Hochdruckkanal 4, gehen im Bereich einer Bohrungsverschneidung 6 ineinander über. An dem Ende des Hochdruckkanals 4, welches dem Hochdruckspeicherkörper 2 zugeordnet ist, ist innerhalb des Bauelements 1 eine Auslassöffnung 8 vorgesehen, mit welcher der Hochdruckkanal 4 die Innenwand 10 des Hochdruckspeicherkörpers 2 durchdringt und somit den Hochdruckkanal 4 strömungsmäßig mit dem Hochdruckspeicherkörper 2 verbindet.

Das dargestellte hochdruckbelastete Bauelement 1 kann beispielsweise Bestandteil eines Hochdruckspeichers eines Hochdruckspeicher-Einspritzsystems bzw. eines Com- mon-Rail-Systems einer Brennkraftmaschine sein, bei dem Kraftstoff unter hohen Druck durch den Hochdruckkanal 4 und den Hochdruckspeicherkörper 2 geleitet wird. Wie aus der Darstellung in Figur 1 hervorgeht, weist der Hochdruckkanal 4 im Bereich der Bohrungsverschneidung 6 einen Abschnitt 18 auf, der sich von der Auslassöffnung 8 in axialer Richtung des Hochdruckkanals 4 bis zu einem Übergangsbereich 16 zum Innendurchmesser D2 des Hochdruckkanals 4 erstreckt. Der Abschnitt 18 weist dabei einen Innendurchmesser D3 auf, der gegenüber dem Innendurchmesser D2 des

Hochdruckkanals 4 außerhalb des Abschnitts 18 verringert ist. Der Übergang 16 vom Innendurchmesser D2 zum Abschnitt 18 verringerten Innendurchmessers D3 im Hochdruckkanal 4 ist als Stufenbohrung ausgeführt, wobei der Hochdruckkanal 4 im Bereich des Übergangs 16 konisch geformt ist. Die Länge des Abschnitts 18, welcher sich aus- gehend von der Auslassöffnung 8 in axialer Richtung des Hochdruckkanals 4 bis zum

Übergang 16 erstreckt, entspricht vorzugsweise der Größe des verringerten Innendurchmessers D3 im Bereich des Abschnitts 18.

Der Innendurchmesser D1 des Hochdruckspeicherkörpers 2 ist größer als der Innen- durchmesser D2 des Hochdruckkanals 4 vor dem Abschnitt 18, der im verringerten Innendurchmesser D ₃ ausgeführt ist. Vorzugsweise ist der Abschnitt 18, der auch als Stufenbohrung angesehen werden kann, so gefertigt, dass das Verhältnis des Innendurchmessers D2 des Hochdruckkanals 4 zum verringerten Innendurchmesser D ₃ der Stufenbohrung 18 bzw. des Abschnittes 18 1 : 1 oder weniger beträgt. Die Länge des Abschnittes 18 beeinflusst die Festigkeit des Hochdruckspeicherkörpers 2 als autofret- tiertes Bauteil erheblich.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Bohrungsverschneidung 6 kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Verschneidungskante 14, mit welcher die Aus- lassöffnung 8 die Innenwand 10 des Hochdruckspeicherkörpers 2 schneidet, verrundet ist. Durch die Vermeidung einer ausspringenden Ecke mit einer scharfen Kante werden Spannungskonzentrationen im Schnittbereich der Auslassöffnung 8 und der Innenwand 10 des Hochdruckspeicherkörpers 2 reduziert, die bei einer Innendruckbelastung des Hochdruckspeicherkörpers 2 im Bauelement 1 auftreten.

Zur Steigerung der Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Bohrungsverschneidung 6 im Hochdruckbereich des Bauelements 1 ist die Anwendung des Verfahrens der Au- tofrettage vorgesehen, bei dem der Hochdruckspeicherkörper 2 und der Hochdruckkanal 4 nach außen hin druckdicht abgedichtet werden und ein unter hohen Druck ste- hendes Druckmedium in diese Komponenten 2, 4 eingeleitet wird. Der Hochdruckspeicherkörper 2 und der Hochdruckkanal 4 werden hierbei derart mit einem Innendruck belastet, dass die an die Innenwände 10, 12 des Hochdruckspeicherkörpers 2 und des - -

Hochdruckkanals 4 angrenzende Werkstoffzone plastisch verformt und die daran anschließende Werkstoffzone elastisch verformt wird. Der an die plastisch verformte Zone angrenzende elastisch verformte Werkstoff wird hierbei durch die plastisch verformte Zone an einer Entspannung gehindert. Durch die elastisch verformte Zone ist die plastifizierte Werkstoffzone Druckeigenspannungen ausgesetzt, die den Druckspannungen, welche sich durch den innerhalb des Hochdruckspeicherkörpers 2 und des Hochdruckkanals 4 herrschenden Innendruck ergeben, entgegenwirken.

Das durch Autofrettage in den Werkstoff eingebrachte Druckeigenspannungsfeld um- schließt hierbei den Hochdruckspeicherkörper 2 und den Hochdruckkanal 4. Obwohl durch den Abschnitt 18 mit verringertem Innendurchmesser D3 bei einer Innendruckbe- lastung des Hochdruckspeicherkörpers 2 und des Hochdruckkanals 4 Spannungsspitzen im Bereich der Bohrungsverschneidung 6 auftreten, ist durch den verringerten Innendurchmesser D3 im Bereich der Bohrungsverschneidung 6 gleichzeitig ein hohes Niveau an Druckeigenspannungen in den Werkstoff des Bauelements 1 einbringbar, so dass das Bauelement 1 insgesamt eine gesteigerte Hochdruckfestigkeit aufweist.