Technisches Gebiet
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An Verbrennungskraftmaschinen kommen heute vermehrt Kraftstoffeinspritzsysteme zum
Einsatz, die einen Hochdrucksammelraum (Common Rail) umfassen. Im
Hochdrucksammelraum, der durch eine Hochdruckquelle mit einem extrem hohen Druckniveau
beaufschlagt ist, ist das Kraftstoffvolumen gespeichert, mit welchem die einzelnen, den
Brennräumen einer Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Kraftstoffinjektoren nahezu
druckpulsationsfrei mit Kraftstoff versorgt werden. Im Betrieb treten bei
Hochdrucksammelräumen extrem hohe Drücke auf, weshalb an die Hochdruckfestigkeit sehr hohe
Anforderungen gestellt werden.
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Stand der Technik
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Aus DE 195 48 611 A1 ist ein Kraftstoffhochdruckspeicher eines Common Rail
Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine bekannt. Dieser umfasst einen rohrförmigen
Grundkörper, der eine in Längsrichtung verlaufende Sacklochbohrung und mehrere daran
aufgenommene Anschlüsse aufweist. In Common Rail Einspritzsystemen fördert eine
Hochdruckpumpe, eventuell unter Zuhilfenahme einer Vorförderpumpe, den
einzuspritzenden Kraftstoff aus einem Tank in den zentralen Kraftstoffhochdruckspeicher, der
gemeinhin als Common Rail bezeichnet wird. Vom Rail führen einzelne Kraftstoffleitungen
zu den einzelnen Injektoren, die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet sind.
Die Injektoren werden in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine einzeln von der Motorelektronik angesteuert, um Kraftstoff in den Brennraum der
Brennkraftmaschine einzuspritzen. Durch den Kraftstoffhochdruckspeicher sind die
Druckerzeugung und die Einspritzung voneinander entkoppelt. Im Betrieb treten in dem
Kraftstoffhochdruckspeicher sehr große Drücke auf, weshalb an die Hochdruckfestigkeit des
Kraftstoffhochdruckspeichers sehr hohe Anforderungen gestellt werden.
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DE 199 36 533 A1 bezieht sich ebenfalls auf einen Kraftstoffhochdruckspeicher. Dieser
umfasst einen rohrförmigen Grundkörper, der eine in Längsrichtung verlaufende
Sacklochbohrung und mehrere von dieser abzweigende Anschlüsse aufweist. In dem geschlossenen
Ende der Sacklochbohrung ist ein Verschlußstopfen angeordnet. Die Sacklochbohrung
weist an ihrem geschlossenen Ende einen geringeren Durchmesser auf als in dem zur
Aufnahme des Kraftstoffs dienenden Abschnitt der Sacklochbohrung.
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Im Bereich von Anschlüssen für Kraftstoffhochdruckleitungen, die zu den einzelnen
Kraftstoffinjektoren der Verbrennungskraftmaschine führen, sind Querbohrungen ausgebildet,
an denen eine Materialanhäufung vorliegt, die eine Verformungsbehinderung der
Wandungsfläche des Hochdrucksammelraumes bewirken. Die Verformungsbehinderung im
Bereich der Anschlüsse für die Kraftstoffhochdruckleitungen führt zu einer erhöhten
Spannungsbelastung der Begrenzungswand des Hochdrucksammelraumes. Dies begrenzt jedoch
die Innendruckbelastung eines solcherart beschaffenen Hochdrucksammelraumes. Die
Entwicklungstendenzen im Bereich der Entwicklung von Kraftstoffeinspritzsystemen
verlaufen jedoch in Richtung eines weiter steigenden Kraftstoffdruckniveaus.
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Darstellung der Erfindung
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind vor allem darin zu erblicken, dass im
Bereich der unvermeidlich erforderlichen Kraftstoffhochdruckleitungsanschlüsse eine die
Verformung der Begrenzungswandung behindernde Materialanhäufung durch Anbringung
einer Hinterschneidung zwischen dem Anschlussgewinde und der Außenseite der
Begrenzungswand des Hochdrucksammelraumes vermieden wird. Somit werden die
angeschmiedeten, massiven Bereiche der Anschlussgewinde vom Rail-Rohr weitestgehend entkoppelt,
so dass der rohrförmig konfigurierte Hochdrucksammelraum sich ungestört verformen
kann. Damit kann das Spannungsniveau im Bereich der ermüdungsbruchgefährdeten
Kraftstoffanschlussleitungen niedrig gehalten werden, so dass ein Innendruckerhöhungspotential
des Hochdrucksammelraumes zur Verfügung steht, welches prinzipiell eine weitere
Druckerhöhung im rohrförmig konfigurierten Hochdrucksammelraum ermöglicht.
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Die Hinterschneidung zwischen dem Anschlussgewinde und der Außenseite der
Begrenzungswandung des Hochdrucksammelraumes kann umlaufend ausgebildet werden.
Daneben kann die Hinterschneidung auch nur lokal angebracht werden, zum Beispiel durch zwei
einander gegenüberliegende Anfräsungen unterhalb des Anschlussgewindeauslaufs. Die
Hinterschneidung kann sowohl bei der Fertigung des Hochdrucksammelraumes als
Schmiedeteil ausgebildet werden; sie kann auch im Rahmen einer nachträglich erfolgenden
mechanischen spanabhebenden Bearbeitung dieses Bauteiles gefertigt werden.
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Der Durchmesser, in welchem die Hinterschneidung ausgeführt werden kann, ist lediglich
vom Innendruck des Bauteiles definiert und kann bis zur durch die elastische Verformung
gegebenen Grenze beansprucht werden, da keine Spannungserhöhungen durch unstetige
Geometrien am Bauteil vorhanden sind.
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Anstelle einer Hinterschneidung zwischen dem Anschlussgewinde und der Außenseite der
Begrenzungswandung des Hochdrucksammelraumes kann das Anschlussgewinde auch
durch einen Rohrabschnitt vom Hochdrucksammelraum entfernt aufgenommen sein und
damit von diesem entkoppelt werden.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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Fig. 1 eine bekannte Ausführungsvariante eines Hochdrucksammelraumes mit
spannungserhöhender Materialanhäufung am Anschlussgewinde einer
Kraftstoffhochdruckleitung,
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Fig. 2 einen umlaufenden Hinterschnitt zwischen Anschlussgewinde und Außenseite
des Hochdrucksammelraumes,
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Fig. 3 eine lokale, durch zwei einander gegenüberliegende Anfräsungen gebildete
Hinterschneidung und
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Fig. 4 die Entkopplung eines Anschlussgewindes für eine Hochdruckleitung vom
Hochdrucksammelraum durch Zwischenschaltung eines Rohrabschnittes.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausführungsvariante eines Hochdrucksammelraums mit
spannungserhöhender Materialanhäufung am Anschlussgewinde einer
Kraftstoffhochdruckleitung.
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Der Kraftstoffhochdruckspeicher eines Kraftstoffeinspritzsystems umfasst einen
rohrfürmig ausgebildeten Grundkörper, der einen sich im wesentlichen in Längsrichtung
erstreckenden Hohlraum 2 in Gestalt einer Sacklochbohrung begrenzt. Die den Hohlraum
bildende Sacklochbohrung innerhalb des rohrförmigen Grundkörpers 1 ist in einem Abschnitt 3
mit größerem Durchmesser und in einem Abschnitt 4 mit geringerem Durchmesser
ausgebildet. Der Abschnitt des rohrförmigen Grundkörpers 1, ausgebildeten in geringerem
Durchmesser, ist mit einem Verschluss 5 versehen, der in der Ausführungsvariante gemäß
Fig. 1 als ein Verschlußstopfen mit Gewindeabschnitt ausgebildet ist.
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Diesem gegenüberliegend ist am rohrförmigen Grundkörper 1 ein offenes Ende 6
ausgebildet, welches seinerseits ein Innengewinde umfasst, an welchem die Anschlussleitung für
eine hier nicht dargestellte Hochdruckquelle, zum Beispiel eine Hochdruckpumpe,
eventuell unter Vorschaltung einer Vorförderpumpe, angeschlossen werden kann.
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Der Abschnitt 3 mit größerem Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers 1 bildet eine
dem Hohlraum 2 zuweisende Innenwandung 7 aus, die auf einer Seite des rohrförmigen
Grundkörpers 1 von Querbohrungen 12 mehrerer Anschlüsse 8, 9 und 10 für
Kraftstoffhochdruckleitungen durchsetzt wird. Im Bereich der Mündungen der Bohrungen 12 der
einzelnen Anschlüsse 8, 9 und 10 für die Kraftstoffhochdruckleitungen zu den die
Brennräume der Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff versorgenden Kraftstoffinjektoren
hat sich eine Bruchgefahr aufgrund eines hohen Spannungsniveaus als
innendruckbegrenzend erwiesen, die durch die Materialanhäufung unterhalb der hier nicht dargestellten
Gewindeabschnitte der Anschlüsse 8, 9 und 10 und der Begrenzungswandung des
rohrförmigen Grundkörpers 1 verursacht wird. Auf der den Anschlüssen für die
Kraftstoffhochdruckleitungen 8, 9 und 10 gegenüberliegenden Seite ist der rohrförmige Grundkörper 1
mit Befestigungselementen 11 zur Befestigung an der Verbrennungskraftmaschine
versehen.
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Fig. 2 zeigt eine umlaufende Hinterschneidung zwischen Anschlussgewinde und
Außenseite eines Hochdrucksammelraumes.
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Der in Fig. 2 lediglich mit seinem Endabschnitt dargestellte rohrförmige Grundkörper 1
ist mit einem Anschluss für eine Kraftstoffhochdruckleitung 8 versehen, der von einer
Bohrung 12 durchsetzt ist. Die Bohrung 12 mündet in den Abschnitt 3 des rohrförmigen
Grundkörpers 1, der mit größerem Durchmesser ausgebildet ist. Der Anschluss 8 für die
Kraftstoffhochdruckleitung ist mit einem Außengewinde 13 versehen, an welchem zum
Beispiel in Gestalt einer Überwurfmutter die hier nicht dargestellte Hochdruckleitung zum
Kraftstoffinjektor angeschlossen werden kann.
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Zwischen der Außenseite der Begrenzungswandung 19 des rohrförmigen Grundkörpers 1
und dem Gewindeauslauf des Außengewindes 13 ist in der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante eine umlaufende Hinterschneidung 14 ausgebildet.
Durch die umlaufende Hinterschneidung 14 wird der massive, angeschmiedete Bereich des
Anschlusses 8 von der Begrenzungswand 19 des als Hochdrucksammelraum dienenden
rohrförmigen Grundkörpers 1 entkoppelt. Durch diese Maßnahme stellt sich ein
günstigerer Spannungsverlauf um die in den Abschnitt 3 mit größerem Durchmesser des
rohrförmigen Grundkörpers 1 mündende Bohrung 12 des Anschlusses 8 ein. Damit kann das
Auftreten eines Ermüdungsbruches im Übergangsbereich zwischen Begrenzungswandung und
Anschluss 8 für eine Hochdruckleitung vermieden werden und ein günstigerer
Spannungsverlauf erzielt werden; andererseits wird mit dieser Maßnahme erreicht, dass der durch eine
Sacklochbohrung 2 gebildete Hohlraum des rohrförmigen Grundkörpers 1 über eine
längere Standzeit mit einem höheren Innendruck beaufschlagt werden kann. Der sich an den
Abschnitt 3 mit größerem Durchmesser anschließende Abschnitt 4 des rohrförmigen
Grundkörpers 1 wird durch einen beispielsweise als Verschlußschraube konfigurierten
Verschluss 5 nach außen abgedichtet.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Entkopplung zwischen Anschluss und
Hochdrucksammelraumwand durch zwei einander gegenüberliegende Ausfräsungen
gebildeten Hinterschnitt.
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Aus der Darstellung gemäß Fig. 3 geht der mittlere Abschnitt eines rohrförmigen
Grundkörpers 1 näher hervor. Der durch eine Sacklochbohrung 2 gebildete Hohlraum des
rohrförmigen Grundkörpers 1 ist im Bereich der Mündung der Querbohrung 12 des
Anschlusses 9 im vergrößerten Durchmesser ausgebildet. An der Innenwandung 7 der
Begrenzungswand 19 des rohrförmigen Grundkörpers 1 mündet die Bohrung 12. Gemäß dieser
Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist zwischen dem
Anschluss 9, der ebenfalls mit einem Außengewinde 13 zum Anschluss einer
Kraftstoffhochdruckleitung versehen ist, und der Außenseite der Begrenzungswandung 19 eine lokale
Hinterschneidung 15 ausgebildet. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der rohrförmige
Grundkörper 1 über seine Länge mit mehreren Befestigungselementen 11 versehen
sein kann, mit welchen der als Hochdrucksammelraum dienende rohrförmige Grundkörper
1 im Zylinderkopfbereich einer Verbrennungskraftmaschine befestigt ist.
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Aus der Darstellung gemäß Fig. 3.1 geht eine Draufsicht auf den in Fig. 3 dargestellten
Anschluss für eine Kraftstoffhochdruckleitung näher hervor.
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Unterhalb des in Fig. 3 angedeuteten Außengewindes 13 des Anschlusses 9 sind
unterhalb des Gewindeauslaufes des Außengewindes 13 zwei einander gegenüberliegende
Anfräsungen 16 bzw. 17 ausgeführt. In der in Fig. 3.1 wiedergegebenen Darstellung liegen
die Anfräsung 16 sowie die weitere Anfräsung 17 um 180° zueinander versetzt; daneben
wäre es auch möglich, die einen Materialabtrag darstellenden Anfräsungen 16 bzw. 17
sternförmig zu konfigurieren, d. h. in einem Winkel von 120° zueinander unterhalb des
Außengewindes 13 anzubringen. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, die
Materialabträge 16 bzw. 17 jeweils um 90° zueinander versetzt unterhalb des
Gewindeauslaufs des Außengewindes 13 am Anschluss 9 für die Hochdruckleitung anzuordnen. In
Fig. 3.1 handelt es sich bei den mit Bezugszeichen 16 bzw. 17 bezeichneten
Materialabträgen um Anfräsungen; anstelle von Anfräsungen kann das Erzeugen von Aussparungen
in Form von Materialabträgen unterhalb des Außengewindes 13 am Anschluss 9 für die
Hochdruckleitung auch durch andere spanabhebende Fertigungsverfahren erzeugt werden.
Denkbar ist auch, die Hinterschneidungen direkt bei der Fertigung des als Schmiedeteil
hergestellten rohrförmigen Grundkörpers 1 zu fertigen. In der Darstellung gemäß Fig. 3.1
liegt der Materialabtrag 16 und der weitere Materialabtrag 17 um einen Versatz von 180°
zueinander exakt senkrecht zu den Begrenzungswänden 19 des rohrförmigen Grundkörpers
1. Die Wandungsstärke der Begrenzungswand 19 des als Hochdrucksammelraum
dienenden rohrförmigen Grundkörpers 1 ist mit Bezugszeichen 20 identifiziert.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Entkopplung eines Anschlusses des
Hochdrucksammelraumes vom Außengewinde durch Zwischenschaltung eines
Rohrabschnittes.
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Gemäß der Darstellung in Fig. 4 befindet sich ein Anschluss 10 in einer durch die Länge
23 eines Rohrabschnittes 22 gebildeten Distanz von der Außenseite des rohrförmigen
Grundkörpers 1. Dazu ist der Anschluss 10 am Außengewinde 13 zum Anschluss einer
Kraftstoffhochdruckleitung und der Rohrabschnitt 22 sowie die Begrenzungswandung 19
des rohrförmigen Grundkörpers 1 von einer Bohrung 21 mit vergrößerter Länge
durchzogen. Diese Ausführungsvariante ist verglichen zu den in Fig. 2 als umlaufender
Hinterschnitt 14 bzw. in Fig. 3 als lokaler Hinterschnitt 15 ausgebildeten Hinterschnitten zu
einem Rohrabschnitt 22 ausgedehnt. Der Durchmesser des Hinterschnitts, d. h. der
Außendurchmesser des Rohrabschnitts 22 wird lediglich vom Innendruck im Hohlraum 2 des
rohrförmigen Grundkörpers 1 definiert und kann so gewählt werden, dass das Bauteil bis
an die Grenze der elastischen Verformung beansprucht werden kann, da keine
Spannungserhöhungen durch unstetige Geometrien auftreten können.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Entkopplung der Anschlüsse 8, 9 bzw. 10 von der
Wandung 19 des als Hochdrucksammelraum dienenden rohrförmigen Grundkörpers 1
vermeidet eine Materialanhäufung im Übergangsbereich vom Außengewinde 13 der
Anschlüsse 8, 9 und 10 zur Außenseite der Begrenzungswandung 19 des rohrförmigen
Grundkörpers 1. Dadurch stellt sich im Übergangsbereich zwischen den Anschlüssen 8, 9
und 10 zur Begrenzungswandung 19 des rohrförmigen Grundkörpers 1 ein günstigeres
Spannungsniveau ein, da eine Verformungsbehinderung durch Materialanhäufung in
diesem Bereich nunmehr ausgeschlossen ist. Damit ist eine ungestörte Verformung des
rohrförmigen Grundkörpers 1 durch Beaufschlagung seines als Sacklochbohrung 2
ausgebildeten Hohlraumes möglich, so dass der Hohlraum mit einer höheren Innendruckbelastung
unterworfen werden kann, ohne dass Ermüdungsbrüche über die Standzeit des
rohrförmigen Grundkörpers 1 bei Einsatz als Hochdrucksammelraum an einem
Kraftstoffeinspritzsystem auftreten können.
Bezugszeichenliste
1 rohrförmiger Grundkörper
2 Sacklochbohrung
3 Abschnitt mit größerem Durchmesser
4 Abschnitt mit geringerem Durchmesser
S Verschlussschraube
6 offenes Ende
7 Innenwandung
8 Anschluss für Kraftstoffhochdruckleitung
9 Anschluss für Kraftstoffhochdruckleitung
10 Anschluss für Kraftstoffhochdruckleitung
11 Befestigungselement
12 Bohrung
13 Anschlussgewinde
14 umlaufende Hinterschneidung
15 lokale Hinterschneidung
16 Materialabtrag
17 weiterer Materialabtrag
18 Versatz (180°)
19 Begrenzungswandung
20 Wandstärke
21 verlängerte Querbohrung
22 Rohrabschnitt
23 Rohrabschnittlänge