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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Festkörper sowie einer darin gebildeten Verschneidung eines ersten Hochdruck-Fluidkanals mit einem zweiten Hochdruck-Fluidkanal gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Stand der Technik wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um die Spannungen in Festkörpern zu reduzieren, wie sie an Verschneidungskanten von Hochdruckbohrungen im Festkörper auftreten können. Die Spannungen entstehen, wenn Medien unter hohem Druck, welcher bisweilen im Bereich von 1200 bis 2500 bar liegen kann, über die Verschneidung, i. e. eine Verzweigung der Bohrungen bzw. Fluidkanäle, geführt werden, z. B. Fluide in Form von Gasen oder Flüssigkeiten.
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Die Spannungen, welche innerhalb des Festkörpers auftreten können, sind in Bezug auf die jeweiligen Fluidkanäle axiale, radiale und Spannungen in Umfangsrichtung. Ausgehend seitens der an der Verschneidung beteiligten Fluidkanäle überlagern sich derartige Spannungen, wobei im Bereich der Verschneidungskanten Spannungsmaxima auftreten. Schädlich sind hier vor allem die auftretenden Zugspannungen.
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Insbesondere bei spitzen Winkeln zwischen sich verschneidenden Leitungen sind die Verschneidungskanten stark belastet und bruchgefährdet, wobei besonders ungünstige Spannungsverteilungen entstehen, wenn sich zwei Bohrungen mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern verschneiden. Eine Gefährdung steigt mit Lastdruckschwankungen und Druckschwellbeanspruchung, wie sie z. B. bei Kraftstoffinjektoren z. B. eines Common-Rail-Systems üblich sind.
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Die Druckschrift
ER 1 731 750 B1 offenbart eine Anordnung der vorliegenden Art, wobei zur Spannungsreduzierung vorgeschlagen wird, von außerhalb des Festkörpers eine Spannung mittels eines Druckerzeugungsmittels in den Festkörper einzubringen. Dies ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 000 538 A1 offenbart daneben eine Geometrie, mittels derer eine Festigkeitssteigerung in einem autofrettierten Bauelement erzielbar ist. Hierzu ist ein Innendurchmesser einer Hochdruckbohrung über einen sich von der Verschneidungskante in Richtung der Bohrung wegerstreckenden Abschnitt verringert. Bei Bohrungen insbesondere sehr kleinen Innendurchmessers ist eine weitere Verringerung bisweilen jedoch problematisch.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung bereitzustellen, bei welcher Bauteilspannungen im Verschneidungsbereich auf vorteilhaft einfache Weise regelmäßig reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Anordnung mit einem Festkörper sowie einer darin gebildeten Verschneidung eines ersten Hochdruck-Fluidkanals mit einem zweiten Hochdruck-Fluidkanal. Die Hochdruck-Fluidkanäle im Festkörper sind vorzugsweise je als Bohrung ausgeführt, i. e. als Hochdruck-Bohrung, wobei zur Festigkeitsverbesserung im Hochdruckbereich der Festkörper insbesondere autofrettiert sein kann. Der Festkörper besteht bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, z. B. auch einer Legierung.
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Im Bereich der Verschneidung, i. e. einer Verzweigung, der Hochdruck-Fluidkanäle im Festkörper, mündet der zweite Hochdruck-Fluidkanal vom ersten Hochdruckfluidkanal ab. Die Abmündung ist hierbei durch eine Öffnung bzw. Mündungsöffnung im ersten Hochdruck-Fluidkanal gebildet, von welcher der zweite Fluidkanal in Fluidkommunikation mit dem ersten Hochdruck-Fluidkanal abzweigt. Hierbei können der erste und der zweite Hochdruck-Fluidkanal im Wesentlichen beliebige Winkel miteinander einschließen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur Spannungsreduzierung im Verschneidungsbereich die Bildung mindestens einer Aushöhlung im Festkörper benachbart zur Mündungsöffnung im ersten Hochdruck-Fluidkanal vorgeschlagen. Die Aushöhlung weitet hierbei den Öffnungsquerschnitt des ersten Hochdruck-Fluidkanals benachbart zur Öffnung auf, und bildet mit dem ersten Hochdruck-Fluidkanal insofern einen gemeinsamen Hohlraum aus. Eine solche Aushöhlung kann vorteilhaft einfach als Nut, als Sackloch oder allgemein als lokal eng begrenzte und insofern partielle Materialausnehmung ausgeführt sein. Die Aushöhlungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Mündungsöffnung insbesondere je separat gebildete, eigenständige Materialausnehmungen, weiterhin insbesondere von der Mündungsöffnung beabstandet gebildete Materialausnehmungen.
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Die Öffnung bzw. der Hohlraum einer wie vorstehend beschriebenen Aushöhlung steht mit dem Innenraum des ersten Hochdruck-Fluidkanals in Fluidkommunikation, so dass im ersten Hochdruck-Fluidkanal geführte Medien über die Öffnung der Aushöhlung in diese eindringen können. Die Aushöhlung im Festkörper ist hierbei insofern derart gebildet, dass sie den ansonsten insbesondere gleich bleibenden bzw. konstanten Öffnungsquerschnitt bzw. Innendurchmesser des ersten Hochdruck-Fluidkanals partiell vergrößert. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass Erstreckungsbereiche der Mündungsöffnung und der Aushöhlung in Bezug auf die axiale Erstreckungsrichtung des ersten Fluidkanals miteinander korrespondieren.
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Insbesondere in jenen Konstellationen, in denen ein zweiter Hochdruck-Fluidkanal eines kleinen Innendurchmessers von einem ersten Hochdruck-Fluidkanal eines relativ dazu großen Innendurchmessers abmündet – wie dies auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist – kann ohne die erfindungsgemäße Spannungsreduzierung unter hohem Druck eine radiale Aufweitung bzw. Verformung des relativ größeren ersten Hochdruck-Fluidkanals auftreten, welche den relativ kleineren zweiten Hochdruck-Fluidkanal ovalisiert bzw. verformt. Gerade diese Verformung führt zu starken Spannungsüberhöhungen im Verschneidungskantenbereich des ersten und zweiten Hochdruck-Fluidkanals.
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Durch die vorgeschlagene Aushöhlung, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich in den Verschneidungsbereich an der Abmündungsöffnung eingebracht wird, kann der zweite Hochdruck-Fluidkanal seine Ursprungsform durch eine Verformung der jeweiligen Aushöhlung vorteilhaft beibehalten, so dass durch die Aushöhlung die Spannungen im Verschneidungsbereich bzw. den Fluidkanal-Übergangen gegenüber einem herkömmlichen Übergang deutlich reduziert sind.
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Eine Aushöhlung insbesondere in Form einer Nut oder eines Sacklochs kann sich bei einer Ausführungsform der Erfindung über wenigstens einen Teil des Umfangs des ersten Hochdruck-Fluidkanals erstrecken.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass benachbart zur Abmündung eine Mehrzahl von Aushöhlungen gebildet sind, insbesondere zwei Aushöhlungen, welche jeweils den Öffnungsquerschnitt des ersten Hochdruck-Fluidkanals benachbart zur Abmündungsöffnung aufweiten bzw. vergrößern. Somit lässt sich eine Verformung von Aushöhlungen über verschiedene Mündungs-Umfangsabschnitte des zweiten Hochdruck-Fluidkanals und somit eine gute Spannungsreduzierung erzielen. Vorzugsweise kann hierbei je eine Aushöhlung in Umfangsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals vor und hinter der Abmündung benachbart zu dieser gebildet sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Aushöhlung an der Abmündung um den zweiten Hochdruck-Fluidkanal zumindest teilweise umlaufend zu bilden, insbesondere geschlossen umlaufend und vorzugsweise als Ringnut. Hierdurch kann allseitig um die Mündung eine Spannungsreduzierung durch Vermeidung einer Verformung des Mündungsquerschnitts bewirkt werden.
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Allgemein ist vorgesehen, dass die Erstreckungsbereiche der Abmündungsöffnung und je einer Aushöhlung in Bezug auf die axiale Erstreckungsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals miteinander korrespondieren, wobei sich die Aushöhlung insbesondere zumindest über die Mündungsbreite bzw. den Mündungsdurchmesser des zweiten Hochdruck-Fluidkanals erstreckt.
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Weiterhin ist bevorzugt, die eine oder mehrere Aushöhlungen symmetrisch an dem ersten Hochdruck-Fluidkanal auszubilden, insbesondere symmetrisch zu einer gemeinsamen Symmetrieebene von erstem und zweitem Hochdruck-Fluidkanal, welche durch deren jeweilige, in Fluidströmungsrichtung verlaufende Symmetrieachsen aufgespannt wird, sowie insbesondere auch symmetrisch zu einer dazu quer verlaufenden gemeinsamen Symmetrieebene.
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Allgemein ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, eine Aushöhlung einer wie vorstehend beschriebenen Geometrie mittels eines elektrochemischen Verfahrens, zum Beispiel ECM, oder spanend zu fertigen.
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Mittels der vorgeschlagenen Anordnung kann eine Baugruppe oder eine Vorrichtung gebildet sein, insbesondere ein Kraftstoffinjektor, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 4 exemplarisch und schematisch verschiedene mögliche Ausführungsformen von Anordnungen gemäß der Erfindung, wobei jede Figur je eine Ansicht im Querschnitt (linke Ansicht) und eine teilgeschnittene Ansicht im Längsschnitt (in Bezug auf die Erstreckungsrichtung des ersten Fluidkanals) durch eine Anordnung zeigt (rechte Ansicht), wobei in der Längsschnittansicht die Hochdruck-Fluidkanäle und Aushöhlungen in einer ungeschnittenen Draufsicht auf ihre Mantelflächen dargestellt sind.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Anordnung 1 mit einem Festkörper 2, welcher autofrettiert aus einem hochdruckbeständigen Metall gefertigt ist. In dem Festkörper 2 ist ein erster Hochdruck-Fluidkanal 3 als Hochdruck-Bohrung mit einem ersten Innendurchmesser d1 gebildet. Ein zweiter Hochdruck-Fluidkanal 4, welcher ebenfalls als Hochdruckbohrung gebildet ist und einen zweiten, gegenüber dem ersten Innendurchmesser d1 deutlich geringeren Innendurchmesser d2 aufweist (vorliegend im Verhältnis von im Wesentlichen 1:5), bildet im Festkörper 2 eine Verschneidung mit dem ersten Hochdruck-Fluidkanal 3 in Form einer Abzweigung bzw. Verzweigung. Hierbei mündet der zweite Hochdruck-Fluidkanal 4 in einem Verschneidungsbereich 5 ausgehend von einer Abmündungsöffnung 6, welche im ersten Hochdruck-Fluidkanal 3 gebildet ist, von diesem ab, insbesondere rechtwinklig, alternativ z. B. spitzwinklig.
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Benachbart zu der die Abmündung des zweiten Hochdruck-Fluidkanals 4 bildenden Öffnung 6 im ersten Fluidkanal 3 ist jeweils mindestens eine Aushöhlung 7a, b gebildet, welche den Öffnungsquerschnitt des ersten Fluidkanals 3 benachbart zu der Öffnung 6 aufweitet.
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1 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Anordnung 1, bei welcher eine Aushöhlung 7a als ringförmig umlaufende, insbesondere als kreisförmige Nut gebildet ist, welche sich – unter Bildung eines gemeinsamen Innenhohlraums mit dem ersten Hochdruck-Fluidkanal 3 – um die Mündungsöffnung 6 herum im Festkörper 2 mit Abstand zur Mündungsöffnung 6 erstreckt. Die umlaufende Nut 7a weist in Bezug auf die Mantelfläche des ersten Fluidkanals 3 gleichbleibende Tiefe auf, so dass sich bei Abwicklung derselben über 360° eine Wellenform zeigt. Die Nut 7a ist als separate Materialausnehmung im Festkörper 2 mit geringem Abstand zur Mündungsöffnung 6 gebildet, i. e. in radialer Richtung in Bezug auf den zweiten Hochdruck-Fluidkanal 4, und weist eine Nutbreite auf, die etwa dem halben Durchmesser d2 des zweiten Hochdruck-Fluidkanals 4 entspricht. Hierbei korrespondiert die Nutbreite der Nut 7a im Wesentlichen mit der Nuttiefe derselben.
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2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Anordnung 1, bei welcher in Umfangsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals 3 je beidseitig der Mündungsöffnung 6 benachbart zu dieser eine Aushöhlung 7a, 7b gebildet ist, welche den Öffnungsquerschnitt des ersten Fluidkanals 3 aufweitet. Die je separat als Materialausnehmung im Festkörper 2 gebildeten Aushöhlungen 7a, 7b sind jeweils baugleich beulenförmig als Sackloch ausgehend vom Innenhohlraum des ersten Hochdruck-Fluidkanals 3 in Fluidkommunikation mit demselben gebildet.
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Die Aushöhlungen 7a, 7b sind wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß 1 mit geringem Abstand benachbart zur Mündungsöffnung 6 angeordnet, wobei deren Öffnungsdurchmesser je geringfügig größer ist als der Durchmesser d2 des zweiten Hochdruck-Fluidkanals 4. Hierbei sind die Aushöhlungen 7a, 7b zur Erzielung einer symmetrischen Anordnung von der Mündungsöffnung 6 in Umfangsrichtung betrachtet gleichbeabstandet.
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Bei dieser Ausführungsform ist zudem die Bildung einer Nut 8 vorgesehen, welche die Aushöhlungen 7a, 7b zur Spannungsreduzierung unterstützt. Die Nut 8 ist als in Umfangsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals 3 umlaufende Ringnut gebildet, von deren Nutgrund sich sowohl die Aushöhlungen 7a und 7b als auch der zweite Fluidkanal 4 via der im Nutgrund gebildeten Öffnung 6 weg erstrecken. Die Ringnut 8 von bogenförmigem Querschnitt weist eine Nuttiefe auf, welche im Wesentlichen der Tiefe der Aushöhlungen 7a und 7b entspricht, und eine Breite, welche im Wesentlichen dem Doppelten des Durchmessers d2 des zweiten Hochdruck-Fluidanals 4 entspricht.
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3 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform einer Anordnung 1, bei welcher in gleicher Weise gebildete, nierenförmige Aushöhlungen 7a, 7b in Umfangsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals 3 betrachtet beidseitig der Mündungsöffnung 6 gleichbeabstandet zu dieser gebildet sind, i. e. je eine vor und eine hinter der Mündungsöffnung 6. Hierbei ist ein Bereich größter Tiefe der Aushöhlungen 7a, 7b in Umfangsrichtung unmittelbar benachbart zur Mündungsöffnung 6 gebildet. Die nierenförmigen Aushöhlungen 7a, 7b erstrecken sich in axialer Richtung in Bezug auf den ersten Hochdruck-Fluidkanal 3 beidseitig jeweils über die Abmessungen der Mündungsöffnung 6 hinaus, wobei die Tiefe hin zu den axialen Enden abnimmt. Die Querschnittsabmessung in Umfangsrichtung als auch die maximale Tiefe jeder Aushöhlung 7a, 7b entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser d2 des zweiten Hochdruck-Fluidkanals 4.
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4 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Anordnung 1, bei welcher in Umfangsrichtung des ersten Hochdruck-Fluidkanals 3 je beidseitig, i. e. vor und nach, der Mündung 6 ein Sackloch 7a, 7b in gleicher Weise gebildet ist. Jedes Sackloch 7a, 7b, welches halbtonnenförmig gebildet ist, weist in axialer Richtung in Bezug auf den ersten Hochdruck-Fluidkanal 3 einen Bereich größter Tiefe auf, welcher sich korrespondierend mit der Mündungsöffnung 6 axial erstreckt. Die Aushöhlungen 7a, 7b sind mit halbrundem Querschnitt gebildet.
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Wie den 1 bis 4 zu entnehmen ist, wird allgemein die Bildung je einer symmetrischen Anordnung 1 unter Einbezug der Aushöhlungen 7a bzw. 7a und 7b angestrebt. Eine solche ermöglicht insbesondere eine gleichförmige Spannungsreduzierung an den Verschneidungskanten. Eine Symmetrie wird insbesondere hinsichtlich einer gemeinsamen Mittelebene des ersten 3 und zweiten 4 Fluidkanals angestrebt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- ER 1731750 B1 [0005]
- DE 102009000538 A1 [0006]
