Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherrohes aus Stahl für Kraftstoffeinspritzanlagen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Hochdruckspeicherrohr gemäß Patentanspruch 6.
Hochdruckspeicherrohre für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen werden auch als Common-Rail-System bezeichnet. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander entkoppelt.
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.
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
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 (
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.
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 Rz ≤ 1,0 µm und Ra ≤ 0,2 µm erreicht werden.
Hochdruckspeicherrohre sind z. B. aus der
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbaren sehr geringen Rauhigkeitswerte im Bereich von Rz ≤ 1,0 µm und Ra ≤ 0,2 µm lassen sich die Dauerschwingfestigkeit negativ beeinflussende Spannungskonzentrationen und Kerbwirkungseffekte so reduzieren, dass eine hohe Lebensdauer des Speicherrohres erreicht wird.
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.
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.
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.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt beispielhaft die chemische Zusammensetzung für einen solchen Stahl:
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:
Bei besonderen Anforderungen ist es zudem möglich beide Rohrteile aus dem gleichen Werkstoff herzustellen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Das als Verbundrohr ausgebildete Hochdruckspeicherrohr besteht aus einem ersten inneren Rohrteil 2, welches in ein zweites äußeres Rohrteil 1 mit geringem Spiel eingeschoben ist.
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 Rz im Bereich von ≤ 1,0 µm und eine Rauhigkeit Ra im Bereich von ≤ 0,2 µm aufweisen.
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.
Um einen Innendruck aufbauen zu können ist das Hochdruckspeicherrohr an einem Ende mit einem Abdichtstopfen 5 versehen.
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.
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