VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HOCHDRUCKSPEICHERROHRES AUS STAHL FÜR KRAFTSTOFFEINSPRITZANLAGEN SOWIE MIT DIESEM VERFAHREN HERGESTELLTES HOCHDRUCKSPEICHERROHR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohes aus Stahl für Kraftstoffeinspritzanlagen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Hochdruckspeicherrohr gemäß Patentanspruch 6.

[0002] Hochdruckspeicherrohre für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen werden auch als Common-Rail-System bezeichnet. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander entkoppelt.

[0003] Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt kontinuierlich Druck, der unabhängig von der Einspritzfolge im zentralen Hochdruckspeicher gespeichert wird. Von diesem Speicher führen Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren, die den Motorzylindern zugeordnet sind. Der aufgebaute Druck steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung.

[0004] Um bei Einspritzdrücken von heute bis zu 1800 bar den hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und dem Korrosions- und Kavitationswiderstand gerecht zu werden, ist es für Bauteile, die weniger eine Speicherfunktion als vielmehr eine Leitungsfunktion ausüben, wie die Kraftstoffhochdruckleitungen, z. B. aus den Schriften DE 203 17 565 U1, DE 198 08 012 C2 und DE 197 16 659 C2 bekannt, diese als Verbundrohre auszuführen.

[0005] Diese Verbundrohre bestehen aus einem relativ dünnwandigen inneren und einem relativ dickwandigen äußeren Rohrteil, die über einen Presssitz miteinander verbunden sind. Der Presssitz wird beispielsweise durch Kaltziehen (DE 197 16 659 C2) erzeugt.

[0006] Das innere Rohrteil besteht aufgrund des im direkten Kontakt mit dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffgemisch aus einem hochlegierten, korrosionsbeständigen und hochfesten Stahl, während das äußere Rohrteil üblicherweise aus einem un- oder niedriglegierten Stahl besteht.

[0007] Hochdruckspeicherrohre, die keine Leitungsfunktion sondern im Wesentlichen Speicherfunktion haben, müssen neben den erforderlichen mechanischen Eigenschaften, eine hohe Dauerschwingfestigkeit aufweisen, um den im Betrieb vorhandenen hohen und pulsierenden Drücken standzuhalten. Hierzu bedarf es einer hervorragenden mit einer sehr niedrigen Rauheit versehenen Rohrinnenoberfläche, die mit den bekannten Herstellungsverfahren für Hochdruckspeicherrohre nicht zu erreichen ist. Beispielsweise sollten Rauheitswerte von R_z ≤ 1,0 µm und R_a ≤ 0,2 µm erreicht werden.

[0008] Hochdruckspeicherrohre sind z. B. aus der DE 10 2004 030 394 B3 und der DE 199 36 685 A1 bekannt.

[0009] Um den hohen Oberflächenanforderungen gerecht zu werden, ist es bekannt, die Hochdruckspeicherrohre aus nur aus einem Rohrteil bestehenden Rohr mittels Tiefbohrung aus Vollmaterial herzustellen oder kaltgefertigte, nahtlose oder geschweißte Präzisionsstahlrohre in zwei Zügen kalt nachgezogen, zu verwenden.

[0010] Nachteile des Tiefbohrens sind der hohe Materialeinsatz und der aufwändige Tiefbohrprozess. Die Oberflächenqualität und die Eigenschaften der Bohrungsrandzone entsprechen oftmals nicht den Anforderungen, und die geforderte hohe Dauerschwingfestigkeit wird nur über einen zusätzlichen Autofrettageprozess erreicht.

[0011] Bei kaltgefertigten Rohren verursacht der zweimalige Ziehprozess hohe Kosten, die Rohre weisen oftmals keine ausreichende Oberflächenqualität und unzureichende Randzoneneigenschaften auf und eine kostenaufwändige Autofrettage ist ebenfalls notwendig. Bei einem aus der DE 103 03 853 A1 bekannten Hochdruckspeicherrohr, handelt es sich um ein Verbundrohr aus zwei Rohrteilen, die durch Erwärmung bzw. Schrumpfung miteinander verbunden sind. Nachteilig ist auch hier, dass das innere Rohrteil tiefgebohrt hergestellt wird.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohes aus Stahl mit hoher Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen anzugeben, das die Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren überwindet.

[0013] Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Hochdruckspeicherrohr ist im Anspruch 6 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0014] Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren angewandt, bei dem das Hochdruckspeicherrohr als Verbundrohr ausgebildet ist, wobei ein erstes inneres Rohrteil in eine zweites äußeres Rohrteil mit geringem Spiel eingeschoben wird, und das innere Rohrteil durch mechanische Umformung spaltfrei und kraftschlüssig mit dem äußeren Rohrteil verbunden wird.

[0015] Die mechanische Umformung besteht aus einem Einwalzprozess, bei dem das innere Rohrteil unter Verwendung eines darin verfahrenen, mit Übermaß versehenen Walzwerkzeuges, eine plastische und das äußere Rohrteil eine elastische Dehnung erfährt, und nach dem Umformprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils das innere Rohrteil mit einer der betrieblichen Druckbeaufschlagung angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird.

[0016] Das Rohreinwalzen ist ein Verfahren, das auf dem Prinzip des Glattwalzens mit Walzübermaß in zusammengesteckten Rohrteilen beruht. Dabei kommt es zu einer lokalen Aufweitung des inneren Rohrteils in einem angepassten äußeren Rohrteil. Das innere .Rohrteil wird durch das Walzwerkzeug, das mit Walzübermaß axial durch das innere Rohrteil verfährt, plastisch aufgeweitet.

[0017] Ist nur ein geringes Spiel zwischen innerem und äußeren Rohrteil vorhanden wird das äußere Rohrteil durch die plastische Aufweitung des inneren Rohrteils elastisch verformt, so dass sich nach der Rückfederung des äußeren Rohrteils im Fügespalt eine hohe Flächenpressung einstellt und so eine kraftschlüssige Verbindung ergibt.

[0018] Dieses bislang zur Herstellung von Hochdruckspeicherrohren aus Verbundrohren unübliche Verfahren konnte nach umfangreichen Untersuchungen für diesen Anwendungsfall so adaptiert werden, dass nun die einzuhaltenden Oberflächenanforderungen bei gleichzeitiger Senkung der Fertigungskosten im Vergleich zu den bekannten Verfahren möglich ist.

[0019] Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbaren sehr geringen Rauhigkeitswerte im Bereich von R_z ≤ 1,0 µm und R_a ≤ 0,2 µm lassen sich die Dauerschwingfestigkeit negativ beeinflussende Spannungskonzentrationen und Kerbwirkungseffekte so reduzieren, dass eine hohe Lebensdauer des Speicherrohres erreicht wird.

[0020] Die durch den Einwalzprozess eingebrachten Druckeigenspannungen auf das innere Rohrteil beeinflussen die Dauerschwingfestigkeit des Bauteils positiv. Dies kann dazu führen, dass auch die bei den bekannten Verfahren notwendige Autofrettagebehandlung zur Erhöhung der Druckeigenspannungen auf das Bauteil oder eine aufwändige zusätzliche Glättung der Innenoberfläche mit diesem Verfahren abhängig von den gestellten Anforderungen entfallen kann, so dass die Fertigungskosten nochmals reduziert werden können. Auch ein aufwändiger Tiefbohrprozess ist nicht mehr notwendig.

[0021] Zur Realisierung der hohen Dauerschwingfestigkeit des Hochdruckspeicherrohres bei gleichzeitiger Reduzierung der Materialkosten lassen sich vorteilhaft Materialkombinationen einsetzen, die den unterschiedlichen Anforderungen an das innere und äußere Rohrteil gerecht werden.

[0022] Da bei der plastischen Umformung die Anforderungen an das Umformvermögen des inneren Rohrteils beim Rohreinwalzen besonders hoch sind, wird für das innere Rohr vorteilhaft ein hochlegierter Stahl mit hoher Zähigkeit eingesetzt.

[0023] Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt beispielhaft die chemische Zusammensetzung für einen solchen Stahl:

Tabelle 1

Chemische Analyse (%)
C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	N	Ni
≤ 0,07	≤ 1,00	≤ 2,00	≤ 0,045	≤ 0,015	≤ 2,50	16,5-19,5	≤ 0,11	8,0-13,0

[0024] Die Umformbeanspruchungen für das äußere Rohrteil sind dagegen geringer, da das Rohrteil nur im elastischen Bereich verformt wird. Aus diesem Grund kann für das äußere Rohr vorteilhafterweise ein preiswerterer un- oder niedriglegierter Stahl eingesetzt werden, wie er beispielsweise in der Tabelle 2 dargestellt ist:

Tabelle 2

Chemische Analyse (%)
C	Si	Mn	P	S	Al
≤ 0,22	≤ 0,55	≤ 1,60	≤ 0,04	≤ 0,04	≥ 0,02

[0025] Bei besonderen Anforderungen ist es zudem möglich beide Rohrteile aus dem gleichen Werkstoff herzustellen.

[0026] Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

[0027] Das als Verbundrohr ausgebildete Hochdruckspeicherrohr besteht aus einem ersten inneren Rohrteil 2, welches in ein zweites äußeres Rohrteil 1 mit geringem Spiel eingeschoben ist.

[0028] Erfindungsgemäß ist das Verbundrohr durch Rohreinwalzen (hier nicht dargestellt) in der Weise hergestellt, dass nach dem Einwalzprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils 1, das innere Rohrteil 2 mit einer dem Betriebsdruck angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird und die Innenoberfläche des inneren Rohrteils 1 Rauhigkeitswerte von R_z im Bereich von ≤ 1,0 µm und eine Rauhigkeit R_a im Bereich von ≤ 0,2 µm aufweisen.

[0029] Das äußere Rohrteil 1 ist relativ dickwandig ausgebildet und besteht aus einem un- oder niedriglegierten Stahl. Das innere Rohrteil 1 ist relativ dünnwandig ausgebildet und besteht aus einem der plastischen Verformung beim Rohreinwalzen angepassten hochlegierten Werkstoff.

[0030] Um einen Innendruck aufbauen zu können ist das Hochdruckspeicherrohr an einem Ende mit einem Abdichtstopfen 5 versehen.

[0031] Zum Anschließen von Druckleitungen für die Einspritzdüsen an das Hochdruckspeicherrohr, ist das Verbundrohr mit einer entsprechenden Anzahl an durchgehenden Radialbohrungen 3 versehen, auf denen am äußeren Rohrteil 1 koaxial Anschlüsse 4 für die Druckleitungen angebracht sind.

Bezugszeichenliste

[0032] 

Nr.	Bezeichnung
1	äußeres Rohrteil
2	inneres Rohrteil
3	Radialbohrung
4	Anschluss Druckleitung
5	Abdichtstopfen

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohres als Verbundrohr aus Stahl für Drücke bis 1800 bar und darüber mit hoher statischer Festigkeit und Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen mit Common-Rail-Systemen für Brennkraftmaschinen, wobei ein erstes inneres Rohrteil (2) in ein zweites äußeres Rohrteil (1) mit geringem Spiel eingeschoben wird und das innere Rohrteil (2) durch mechanische Umformung spaltfrei und kraftschlüssig mit dem äußeren Rohrteil (1) verbunden wird dadurch gekennzeichnet,
dass die mechanische Umformung aus einem Einwalzprozess besteht, wobei das innere Rohrteil (2) unter Verwendung eines darin verfahrenen, mit Übermaß versehenen Walzwerkzeuges eine plastische und das äußere Rohrteil (1) eine elastische Dehnung erfährt und nach dem Umformprozess über die elastische Rückfederung des äußeren Rohrteils (1) das innere Rohrteil (2) mit einer dem Betriebsdruck angepassten Druckeigenspannung beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere (2) und das äußere (1) Rohrteil aus unterschiedlich legierten Werkstoffen besteht, wobei das äußere Rohrteil (1) aus einem hochfesten Werkstoff und das innere Rohrteil (2) aus einem hochfesten Werkstoff mit großem Umformvermögen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet,
dass das äußere Rohrteil (1) aus einem un- oder niedriglegierten und das innere Rohrteil (2) aus einem hochlegierten Werkstoff besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass das äußere- und innere Rohrteil (1, 2) aus dem gleichen Werkstoff besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Rohrteil (2) eine im Vergleich zum äußeren Rohrteil (1) geringere Wanddicke aufweist.

6. Hochdruckspeicherrohr als Verbundrohr aus Stahl für Drücke bis 1800 bar und darüber mit hoher statischer Festigkeit und Dauerschwingfestigkeit für Kraftstoffeinspritzanlagen mit Common-Rail-Systemen für Brennkraftmaschinen, hergestellt mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbundrohr aus einem nahtlosen oder geschweißten inneren Rohrteil (2) und aus einem nahtlosen oder geschweißten äußeren Rohrteil (1) besteht und die Innenoberfläche des inneren Rohrteils eine Rauhigkeit R_z im Bereich von ≤ 1,0 µm und eine Rauhigkeit R_a im Bereich von ≤ 0,2 µm aufweist.

7. Hochdruckspeicherrohr nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Rohrteil (2) aus einem hochlegierten und das äußere Rohrteil (1) aus einem un- oder niedriglegierten Stahl besteht.

8. Hochdruckspeicherrohr nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere- (2) und äußere Rohrteil (1) aus dem gleichen Werkstoff bestehen.

9. Hochdruckspeicherrohr nach einem der Ansprüche 6 - 8
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Rohrteil (2) eine im Vergleich zum äußeren Rohrteil (1) geringere Wanddicke aufweist.

Claims

1. A method of manufacturing a high-pressure storage pipe in the form of a composite pipe of steel for pressures up to 1800 bar and above with high static strength and fatigue strength for fuel injection systems with common rail systems for combustion engines, wherein a first inner pipe part (2) is inserted into a second outer pipe part (1) with little play and the inner pipe part (2) is connected to the outer pipe part (1) in a gap-free and non-positive locking manner by mechanical forming, characterised in that the mechanical forming consists of a rolling process, wherein the inner pipe part (2) undergoes plastic expansion through the use of a rolling tool which is moved in the latter and is oversized and the outer pipe part (1) undergoes elastic expansion and, after the forming process, the inner pipe part (2) is acted upon by an internal compressive stress, matched to the operating pressure, via the elastic resilience of the outer pipe part (1).

2. A method according to claim 1, characterised in that the inner (2) and the outer (1) pipe part consist of differently alloyed materials, wherein the outer pipe part (1) consists of a high-strength material and the inner pipe part (2) consists of a high-strength material with great formability.

3. A method according to claim 2, characterised in that the outer pipe part (1) consists of an unalloyed or low-alloyed material and the inner pipe part (2) consists of a high-alloyed material.

4. A method according to claim 1, characterised in that the outer and inner pipe parts (1, 2) consist of the same material.

5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the inner pipe part (2) has a thinner wall thickness than the outer pipe part (1).

6. A high-pressure storage pipe in the form of a composite pipe of steel for pressures up to 1800 bar and above with high static strength and fatigue strength for fuel injection systems with common rail systems for combustion engines, manufactured using the method according to claims 1 to 5, characterised in that the composite pipe consists of a seamless or welded inner pipe part (2) and of a seamless or welded outer pipe part (1) and the inner surface of the inner pipe part has a roughness R_z in the region of ≤ 1.0 µm and a roughness R_a in the region of ≤ 0.2 µm.

7. A high-pressure storage pipe according to claim 6, characterised in that the inner pipe part (2) consists of a high-alloyed steel and the outer pipe part (1) of an unalloyed or low-alloyed steel.

8. A high-pressure storage pipe according to claim 6, characterised in that the inner pipe part (2) and the outer pipe part (1) consist of the same material.

9. A high-pressure storage pipe according to any one of claims 6-8, characterised in that the inner pipe part (2) has a thinner wall thickness than the outer pipe part (1).

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un tube accumulateur de haute pression sous la forme d'un tube composite en acier pour des pressions allant jusqu'à 1800 bars et plus, avec une résistance statique élevée et une limite de fatigue élevée pour des installations d'injection de carburant avec des systèmes de type Common Rail destinés à des moteurs à combustion interne, dans lequel une première partie tubulaire interne (2) est insérée dans une seconde partie tubulaire externe (1) avec un faible jeu et la partie tubulaire interne (2) est raccordée à la partie tubulaire externe (1) par déformation mécanique par adhérence sans jeu,
caractérisé en ce que
la déformation mécanique est obtenue par une opération de dudgeonnage, dans laquelle la partie tubulaire interne (2) subit, en utilisant un outil de laminoir qui s'y déplace et est surdimensionné, une expansion plastique et la partie tubulaire externe (1) subit une expansion élastique et, après l'opération de déformation via le retour élastique de la partie tubulaire externe (1), la partie tubulaire interne (2) est sollicitée par une contrainte propre de pression adaptée à la pression de fonctionnement.

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les parties tubulaires interne (2) et externe (1) sont constituées de matériaux de différents alliages, dans lequel la partie tubulaire externe (1) est constituée d'un matériau hautement résistant et la partie tubulaire interne (2) est constituée d'un matériau hautement résistant ayant un grand pouvoir de déformation.

3. Procédé selon la revendication 2,
caractérisé en ce que
la partie tubulaire externe (1) est constituée d'un matériau non allié ou faiblement allié et la partie tubulaire interne (2) est constituée d'un matériau fortement allié.

4. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les parties tubulaires externe et interne (1, 2) sont constituées du même matériau.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que
la partie tubulaire interne (2) présente une épaisseur de paroi plus faible que celle de la partie tubulaire externe (1).

6. Tube accumulateur de haute pression sous la forme d'un tube composite en acier destiné à des pressions allant jusqu'à 1800 bars et plus, présentant une résistance statique élevée et une limite de fatigue élevée pour des installations d'injection de carburant avec des systèmes de type Common Rail pour des moteurs à combustion interne, fabriqué avec le procédé des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
le tube composite est constitué d'une partie tubulaire interne (2) sans soudure ou soudée et d'une partie tubulaire externe (1) sans soudure ou soudée et la surface interne de la partie tubulaire interne présente une rugosité R_z dans la plage de valeurs ≤ 1,0 µm et une rugosité R_a dans la plage de valeurs ≤ 0,2 µm.

7. Tube accumulateur de haute pression selon la revendication 6,
caractérisé en ce que
la partie tubulaire interne (2) est constituée d'un acier fortement allié, tandis que la partie tubulaire externe (1) est constituée d'un acier non allié ou faiblement allié.

8. Tube accumulateur de haute pression selon la revendication 6,
caractérisé en ce que
les parties tubulaires interne (2) et externe (1) sont constituées du même matériau.

9. Tube accumulateur de haute pression selon l'une quelconque des revendications 6 à 8,
caractérisé en ce que
la partie tubulaire interne (2) présente une épaisseur de paroi plus faible que celle de la partie tubulaire externe (1).

Zeichnung