[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 Motorbetrieb 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 ßlweichef 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 Edeistahlrohre 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 umgossen 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 Edelstählen, 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 Verschneidungen 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 ferner 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 umgossen 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 umgossen 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 umgossen 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 Innenquerschnittsfläche 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 Innenquerschnittsfläche 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 umgossen 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. 1 b zeigt einen Querschnitt durch den Kraftstoffhochdruckspeicher aus Figur 1 a.

[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.

10027l 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 :

1 Außenmantel 2 Innen-Längsrohr 3 Innen-Querrohre 4 Befestigung für Kraftstoffzu-und-abgangsleitungen 5 Befestigungslachen 6 Innenrohrwandung 7 Außenmantelwandung 8 Verstärkung der Außenmantelwandung