DE10026272B4

DE10026272B4 - Hochdruckspeicher, insbesondere Kraftstoffhochdruckspeicher und Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers

Info

Publication number: DE10026272B4
Application number: DE2000126272
Authority: DE
Inventors: Helmut Hummel; Eckbert Zander
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: DE10026272A1

Abstract

Hochdruckspeicher, insbesondere Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, der folgendes aufweist:
– einen metallischen Hohlkörper (1) zur Speicherung und Verteilung eines flüssigen Mediums (4), insbesondere Kraftstoff,
– wobei der Hohlkörper (1) mit mehreren Anschlussstutzen und/oder Verzweigungen (3) für die Medienzufuhr und die Medienabfuhr, versehen ist,
gekennzeichnet durch
eine Beschichtung die auf der Innenwand (15) des Hohlkörpers (1) aufgebracht ist mit einer Kunststoffschicht (2), und zwar derart, dass gewährleistet ist, dass feine Unebenheiten und alle rissgefährdeten Stellen zuverlässig ausgekleidet und verschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher, insbesondere einen Kraftstoffhochdruckspeicher, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers gemäß Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Aus der DE 196 40 480 A1 ist ein Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen bekannt, der aus einem Stahlrohr mit daran angeformten Anschlüssen für die Kraftstoffzu- und -abfuhr besteht. Derartige Kraftstoffhochdruckspeicher sind aufgrund der hohen Betriebsdrücke von derzeit bis zu ca. 1600 bar und zukünftig bis über 2000 bar, die zudem ständig schwanken, einer ausgeprägten schwellenden Belastung ausgesetzt.
In der Patentschrift DE 44 44 553 C2 ist ein Verfahren zur Vorbehandlung von metallischen rotationssymmetrischen Hohlkörpern sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Dabei wird der Hohlkörper zunächst gestrahlt und anschließend rotierend auf eine wanddickenabhängige Temperatur in einem Bereich zwischen 240 und 260 Grad Celsius erwärmt. Ferner wird dieser elektrostatisch mit einem pulverförmigen Epoxyharz Primer in einer Schichtdicke von 10 bis 30 μm und darauffolgend mit einem pulverförmigen Thermoplast in einer Schichtdicke von 200 bis 600 μm sprühbeschichtet, bevor der Hohlkörper an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
In der Offenlegungsschrift DE 41 02 051 A1 ist eine dickwandige Metallrohrleitung mit einem schmalen Außendurchmesser von weniger als 20 mm offenbart. Die Rohrleitung wird als Durchtritt für zu fördernde Kraftstoffe, beispielsweise Alkohole, verwendet. Ferner besteht die Rohrleitung aus einem dickwandigen Metallrohr und einer Beschichtungsauflage, die sich in direktem Kontakt mit der Innenfläche des Rohrs befindet. Die Beschichtungsfläche besteht aus Polytetrafluorethylen, und die Innenfläche der Beschichtungsauflage bildet einen Fluiddurchtritt.
In der Patentschrift DE 196 07 521 C1 ist ein mit hohem Druck belastbares Kraftstoff-Verteilrohr offenbart, das eine zum lösbaren Anschließen eines Abzweigrohres dienende Verbindungsanordnung umfasst. Ferner umfasst das Kraftstoff-Verteilrohr eine sich radial durch die Wand des Verteilerrohres erstreckende Anschlussbohrung, die einen inneren Abschnitt und einen anschließenden äußeren Abschnitt aufweist. Eine Innenbohrung einer Gewindebüchse setzt die Anschlussbohrung fort, wobei die Gewindebüchse zur Aufnahme eines Abzweigrohres dient. Durch eine Druckfläche eines Andrückelements wird bei dessen Aufschrauben eine Kraft ausgeübt durch die das Abzweigrohr an den äußeren Abschnitt gedrückt wird.
Aus DE 692 24 300 T2 ist ein Verbundrohr bekannt, welches eine zylindrische äußere Metalleitung mit einer Außenwand und einer nach innen gerichteten Wand, die einen zentralen sich dort längs hindurch erstreckenden Schacht begrenzt, und ein Innenrohr aus einem geeigneten nicht- reaktiven Werkstoff aufweist. Dabei ist das Innenrohr von der zylindrischen Metalleitung umgeben und in dieser angeordnet ist. Die Innenrohrleitung umgibt und begrenzt eine hohle Rohrleitung, die sich längs durch die Verbundrohrleitung erstreckt, und schützt die Fläche der nach innen gerichteten Metallwand vor Berührung mit dort hindurch beförderten potentiell reaktiven Flüssigkeiten.
In der Offenlegungsschrift DE 198 48 587 A1 ist ein Beladen der Innenwandungen eines Kraftstoff-Einspritzsystems mit einer fluororganischen Verbindung offenbart. Dabei wird ein Kohlenwasserstoffrest, der teilweise fluoriert oder chlorflu oriert ist, über eine polare oder dipolare Gruppe selektiv an Störstellen der Oberfläche der Innenwandung angelagert, wodurch die hydraulische Reibung des Kraftstoffes an der Innenwandung deutlich herabgesetzt wird.
Nachteilig an den bekannten Kraftstoffhochdruckspeichern ist deren Anfälligkeit für Dauerbrüche bei länger anhaltendem Betrieb. Diese Dauerbrüche haben ihre Ursache in Strukturfehlern der Oberfläche, Kerbstellen und feinen Rissen, die bei der Massenfertigung einerseits unvermeidlich sind, andererseits jedoch oftmals nur schwer im Rahmen einer permanenten Qualitätskontrolle erkennbar sind. Insgesamt wird die Dauerfestigkeit des Bauteils durch die Fehlertiefe der Oberflächenbeschädigungen limitiert. In Risse eindringendes Medium unter schwellendem Hochdruck führt zur Rissfortpflanzung und mit fortschreitendem Riss schließlich zum Versagen des Druckkörpers.
Eine Möglichkeit der Steigerung der Dauerfestigkeit liegt im weitgehenden Ausschluss der Risse und sonstigen Oberflächenschäden. Die hierzu notwendigen Bearbeitungen und/oder permanenten Qualitätsüberwachungen in der Fertigung sind aufwendig und verursachen erhebliche zusätzliche Kosten. Eine weitere Möglichkeit, die Ausbreitung von bereits vorhandenen Rissen zu verhindern, ist bei der Herstellung von Hochdruckrohren bekannt. In die Hochdruckrohre werden sehr dünne Metallrohre oder auch einfache Kunststoffschläuche eingebracht, welche das Eindringen des im Rohr befindlichen Mediums in Risse oder sonstige Oberflächenschäden verhindern.
Nachteilig an derartig nachträglich eingefügten Innenrohren ist die nur begrenzte Möglichkeit, damit den Innenkonturen des Hochdruckrohres zu folgen. Ist dieses beispielsweise stark gewinkelt oder mehrfach gekrümmt, kann die Einbringung eines dünnen Metallrohres oder eines flexiblen Kunststoffschlauches erhebliche Schwierigkeiten bereiten bzw. ganz unmöglich sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochdruckspeicher mit beliebiger Innenkontur zu schaffen, bei dem die Dauerfestigkeit bei Beaufschlagung mit schwellender Innendruckbelastung erhöht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Beschichtung eines Hochdruckspeichers mit einer nachträglich auf die Innenfläche des Druckspeichers aufgebrachten Kunststoffschicht hat insbesondere den Vorteil, dass der Hochdruckspeicher eine beliebige Innenkontur aufweisen kann. Er kann beispielsweise eine herkömmliche rohrförmige Kontur aufweisen. In diesem Fall kann die Beschichtung mit gleichmäßiger Schichtdicke auch an den Übergängen zu den Anschlussstutzen aufgebracht sein, was mit einem eingeschobenen dünnen Metallrohr gemäß dem erwähnten Stand der Technik nicht realisiert werden kann. Die Kunststoffschicht verhindert wirkungsvoll eine Rissausbreitung, ausgehend von Mikroporen oder Rissen an der – dem unter hohem Druck stehenden Medium ausgesetzten – Innenfläche des Hochdruckspeichers, indem solche Poren und Risse verschlossen werden und ein Eindringen von Medium verhindert wird.
Weiterhin ist es möglich, die Beschichtung in einen beliebig geformten Hochdruckspeicher einzubringen, gleichgültig ob dieser eine gerade, zylindrische, gekrümmte, sphärische oder kugelförmige Kontur aufweist. Bei einem kugelförmigen Hochdruckspeicher wäre es kaum möglich, eine metallische Innenbeschichtung nachträglich einzufügen, welche eine zuverlässige Rissausbreitung verhindern könnte.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers anzugeben, das eine zuverlässige und gleichmäßige Beschichtung ermöglicht.
Diese weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass durch Einbringen einer elastomeren oder thermoplastischen Kunststoffbeschichtung mit anschließender Zentrifugierung des Hochdruckspeichers die noch flüssige oder leicht zähe Schicht gleichmäßig an der Innenfläche des Speicher verteilt werden kann und dabei zuverlässig in alle vorhandenen Mikrorisse und Poren eindringt und diese gegen das Eindringen vom Medium verschließt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Vorteile der Erfindung und ihre Weiterbildungen finden sich in der Figurenbeschreibung.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen beispielhaften Hochdruckspeicher im Querschnitt, der typischerweise aus hochfestem Stahl besteht. An einem Hohlkörper 1, das die umgebende Hülle für ein darin geführtes flüssiges Medium 4 bildet, sind mehrere parallele Anschlussstutzen 3 angeordnet, von denen in der gezeigten Ansicht nur einer sichtbar ist. Neben einer parallelen Anordnung der Anschlussstutzen sind ebenso versetzte oder gegenüber liegende Anordnungen möglich und vorteilhaft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse für die Medienzu- und -abfuhr als Anschlussstutzen 3 bezeichnet, was insbesondere auf geschweißte Anschlüsse zutrifft. D.h. hier werden die Anschlussstutzen an ein vorgebohrtes Stahlrohr angeschweißt. Ebenso gebräuchlich sind jedoch auch geschmiedete Hochdruckspeicher, bei denen der Speicher bereits beim Schmieden mit Verzweigungen versehen wird, die anschließend mit Gewinden versehen werden.
Das flüssige Medium 4 kann, je nach Anwendungsfall, beispielsweise Dieselkraftstoff sein. Der Hohlkörper 1 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine zylindrische Kontur auf, kann jedoch ebenso mit einer sphärischen, beispielsweise kugelförmigen, Kontur ausgeführt sein. Eine derartige kugelförmige Kontur kann vorteilhaft sein, um den hohen Betriebsdrücken bei Einspritzsystemen von Diesel-Brennkraftmaschinen von bis zu 2000 bar besser Stand zu halten.
Derartige Hochdruckspeicher werden beispielsweise als Kraftstoffhochdruckspeicher, auch als Speicherleitung bzw. Common-Rail bezeichnet, für Kraftstoffeinspritzsysteme für Diesel-Brennkraftmaschinen verwendet. Bei diesen Systemen wird der Kraftstoffhochdruckspeicher von einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt. Über einzelne Anschlussstutzen und daran angeschlossene Hochdruckleitungen wird der Kraftstoff zu elektrisch angesteuerten Einspritzventilen geführt, die den Kraftstoff der Brennkraftmaschine zumessen. Zwischen Leerlauf und maximaler Last der Brennkraftmaschine kann ein Betriebsdruck zwischen ca. 50 bar und bis zu 2000 bar in dem Hochdruckspeicher auftreten. Dies bedeutet eine ausgeprägte schwellende Belastung, die auch bei Hohlkörpern aus hochfestem Stahl zum Versagen führen kann, wenn sich vorhandene Ris se in der Innenwand des Hohlkörpers aufweiten und im Material fort schreiten. Eine derartige Rissfortpflanzung kommt dadurch zu Stande, dass das flüssige Medium in jeden Riss eindringt, wobei aufgrund des statischen Flüssigkeitsdrucks der Druck von allen Seiten auf die Risswände wirkt. Ein derart hoher Druck in der Flüssigkeit kann dann zur Aufweitung und zum Fortschreiten des Risses führen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper 1 als Stahlrohr ausgeführt. Typischerweise finden hiefür Rohre aus hochfestem Stahl Verwendung. An der Innenwand 15 des Stahlrohrs ist eine Kunststoffschicht 2 aufgebracht, die beispielsweise aus einem elastomeren, thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff bestehen kann. Die Kunststoffschicht 2 kann gegebenenfalls durch eingelagerte Fasern, beispielsweise Glas- oder Kohlefasern, verstärkt sein.
Die Kunststoffschicht 2 kann in bevorzugter Weise mittels Spritzverfahren auf die Innenwand 15 des Hohlkörpers 1 aufgebracht werden. Zur Herstellung einer gleichmäßigen Schichtdicke der noch flüssigen oder bereits schon leicht zähen Kunststoffschicht 2 kann der Hohlkörper 1 anschließend zentrifugiert werden, d.h. einer schnellen Rotation unterworfen werden. Durch ein solches Verfahren kann auch gewährleistet werden, dass feine Unebenheiten und alle rissgefährdeten Stellen zuverlässig ausgekleidet und verschlossen werden.
Bevorzugt finden solche Kunststoffe Verwendung, die in die Risse unter dem Betriebsdruck im Hohlkörper 1 teilweise oder vollständig hinein extrudieren können. Die Schichtdicke der Kunststoffschicht 2 beträgt zwischen 0,5 mm und wenigen μm, je nach der durchschnittlich auftretenden Fehlertiefe des verwendeten Ausgangsmaterials. So liegt beispielsweise die maximale Fehlertiefe bei Präzisionsstahlrohren ungefähr zwischen 40 μm und 100 μm, bei einfacheren Stahlrohren bis hinauf zu 0,1 mm. Demzufolge genügt bei Präzisionsstahlrohren eine Schichtdicke von weniger als 100 μm, während bei einfa cheren Stahlrohren eine Schichtdicke erforderlich ist, die der maximalen Fehlertiefe von bis zu 0,1 mm entspricht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung liegt in einer nur teilweisen Beschichtung der Innenwand 15 des Hohlkörpers 1 mit der Kunststoffschicht 2. Es kann genügen, dass diese nur lokale Anrisse und Unebenheiten ausfüllt. In diesem Fall ist auch eine leichtere Qualitätskontrolle durchführbar, indem beispielsweise eine stichprobenartige endoskopische Untersuchung einer beschichteten Innenwand 15 erfolgt. Wenn nur lokale Anrisse und Unebenheiten mit der Kunststoffschicht 2 ausgefüllt sind, lassen sich diese Stellen anschließend leichter auf optischem Wege kontrollieren und auf ihre Güte hin beurteilen.
In einer weiteren bevorzugten Variante der Beschichtung werden lediglich besonders gefährdete Bereiche des Hochdruckspeichers beschichtet. Dies sind beim geschweißten Hochdruckspeicher, welcher mit Bohrungen versehen ist, woran anschließend die Anschlussstutzen für die Zu- und Abläufe angeschweißt werden, die Schweißnähte sowie die daran angrenzenden Bereiche. Beim geschweißten und geschmiedeten Hochdruckspeicher, der bereits mit angeschmiedeten Verzweigungen gefertigt wird, in die nachträglich nur noch die Gewinde geschnitten werden müssen, sind dies insbesondere die Bohrungsverschneidungen. Gerade diese erwähnten Bereiche unterliegen einer besonderen Dauerbelastung und sind besonders bruchgefährdet, sofern sich an diesen Stellen Mikroporen oder Anrisse befinden. Besonders bei diesen genannten Stellen, d.h. an inneren Bohrungsverschneidungen oder Schweißstellen, ist eine Kunststoffbeschichtung von besonderer Wichtigkeit. An den geraden Abschnitten, die deutlich weniger dauerbruchgefährdet sind, kann sich eine Beschichtung erübrigen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hochdruckspeichers wird zunächst der Hohlkörper 1 herge stellt, wobei die Anschlussstutzen bzw. Verzweigungen 3 entweder bereits in einem Schmiedevorgang an den Hohlkörper 1 angeformt werden können oder bei einem vorgefertigten und anschließend gebohrten Hohlkörper 1 nachträglich angeschweißt werden können. Anschließend wird die Beschichtung aufgebracht. Als bevorzugtes Material für die Kunststoffschicht kann beispielsweise ein elastomerer, ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff Verwendung finden. Diese verwendeten Kunststoffe lassen sich leicht im Spritzverfahren verarbeiten und können anschließend im noch flüssigen oder halbflüssigen bzw. zähen Zustand durch Rotieren bzw. Zentrifugieren des Hohlkörpers 1 auf dessen Innenwand 15 verteilt werden, wobei gleichzeitig alle Unebenheiten und Anrisse ausgefüllt werden. Ebenso möglich ist jedoch auch ein Aufbringen der Kunststoffschicht mittels Streichen oder in einem Tauchbad, woran sich ein Zentrifugieren des Hohlkörpers 1 anschließen kann.
Die Unebenheiten, Mikroporen und Anrisse können dabei entweder bis in ihre Tiefe oder auch nur teilweise ausgefüllt sein. Eine vollständige Auskleidung ist zwar von Vorteil, im Anwendungsfall aber nicht unbedingt notwendig, denn eine nur teilweise Ausfüllung – beispielsweise nur bis zu einem Drittel oder zur Hälfte der Risstiefe – reicht aus, um bei der später auftretenden hohen Druckbelastung das Medium nicht bis zum Rissgrund vordringen zu lassen. Vielmehr drückt das unter Hochdruck stehende Medium die Kunststoffschicht tiefer in den Riss, wo sie dann verbleiben kann oder sich wieder elastisch zurückverformt, je nach verwendetem Kunststoff. In jedem Fall ist auch hier sichergestellt, dass das unter Hochdruck stehende Medium nicht bis zum Rissgrund vordringen und dort zu einer Rissaufweitung führen kann.

Claims

Hochdruckspeicher, insbesondere Kraftstoffhochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, der folgendes aufweist: – einen metallischen Hohlkörper (1) zur Speicherung und Verteilung eines flüssigen Mediums (4), insbesondere Kraftstoff, – wobei der Hohlkörper (1) mit mehreren Anschlussstutzen und/oder Verzweigungen (3) für die Medienzufuhr und die Medienabfuhr, versehen ist, gekennzeichnet durch eine Beschichtung die auf der Innenwand (15) des Hohlkörpers (1) aufgebracht ist mit einer Kunststoffschicht (2), und zwar derart, dass gewährleistet ist, dass feine Unebenheiten und alle rissgefährdeten Stellen zuverlässig ausgekleidet und verschlossen sind.
Hochdruckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) eine im Wesentlichen zylindrische, rohrförmige Kontur aufweist.
Hochdruckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) eine sphärische, kugelförmige Kontur aufweist.
Hochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) aus einem elastischen oder elastomeren Kunststoffmaterial besteht.
Hochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) aus einem plastischen Kunststoffmaterial besteht.
Hochdruckspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff besteht.
Hochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit einer Faserverstärkung versehen ist.
Hochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) nicht die gesamte Innenwand (15) des Hohlkörpers (1), sondern nur lokale Anrisse und Unebenheiten ausfüllt.
Hochdruckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) nicht die gesamte Innenwand (15) des Hohlkörpers (1), sondern nur Übergänge und/oder Radien zu den Anschlussstutzen und/oder Verzweigungen (3) bedeckt.
Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeichers, insbesondere eines Kraftstoffhochdruckspeichers für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellung eines metallischen Hohlkörpers (1), Anbringung mehrerer Anschlussstutzen und/oder Verzweigungen (3) für die Medienzufuhr und die Medienabfuhr, insbesondere für die Kraftstoffzufuhr und die Kraftstoffabfuhr, an die Außenwand des Hohlkörpers (1), Beschichtung der Innenwand (15) des Hohlkörpers (1) mit einer Kunststoffschicht (2), und zwar derart, dass gewährleistet ist, dass feine Unebenheiten und alle rissgefährdeten Stellen zuverlässig ausgekleidet und verschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) durch einen Spritzvorgang oder Streichvorgang oder mittels Tauchbad auf die Innenwand (15) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (2) in flüssiger Form aufgebracht wird und anschließend durch Zentrifugieren des Hohlkörpers (1) gleichmäßig an dessen Innenwand (15) verteilt wird.