Titel:

Innendruckbelastetes Bauteil, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft ein innendruckbelastetes Bauteil, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor, mit einem vertikalen Zuströmkanal und mindestens einem quer hiervon abzweigenden horizontalen Anschlusskanal, welche gemeinsam einen Verschneidungsbereich mit elliptischem Querschnitt ausbilden, wobei der Anschlusskanal unter einem spitzen Winkel a gegenüber einer anschlusskanalnahen Symmetrieachse des Querschnitts des Zuströmkanals verläuft.

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Kraftstoffeinspritzsysteme von Kraftfahrzeugen, insbesondere auf sogenannte Common-Rail-Systeme. Die kraftstoffführenden Bauteile derartiger Kraftstoffeinspritzsysteme stehen unter einem sehr hohen Innendruck von üblicherweise bis zu 1600 bar. Darüber hinaus ist der Innendruck auch starken periodischen Schwankungen unterworfen, so dass an das hier interessierende Bauteil entsprechend hohe Festigkeitsanforderungen gestellt werden.

Stand der Technik

Aus der EP 1 435 454 Al geht ein gattungsgemäßes innendruckbelastetes Bauteil hervor. Dieses weist einen vertikalen Zuströmkanal zur Anbindung an einen Kraftstoffhochdruckspeicher sowie einen hiervon quer abzweigenden horizontalen Anschlusskanal zum Anschluss eines Injektors oder dergleichen auf. Dabei mündet der horizontale Anschlusskanal unter einem gegenüber einer anschlusskanalseitigen Symmetrieachse S und der Achse des Anschlusskanals gebildeten spitzen Winkel in den Zuströmkanal ein, so dass sich im Verschneidungsbereich ein elliptischer Querschnitt ergibt. Der Querschnitt des Zuströmkanals ist im Verschneidungsbereich langlochförmig ausgebildet und die Einmündung des Anschlusskanals erfolgt an einem geraden Seitenabschnitt des im Querschnitt langlochförmigen Zuströmkanals. Gemäß anderen offenbarten Querschnittsformen kann der Zuströmkanal auch einen rechteckförmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Durch die Ausführung des Verschneidungsbereichs als Ellipse, die sich hier durch die spitzwinklig schräge Zuführung des im Querschnitt kreisförmigen Anschlusskanals ergibt, können die Beanspruchungen in diesen lokalen Bereichen verringert werden, was zur Folge hat, dass auch der zulässige Innendruck an sich erhöht werden kann.

Gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik sind ähnliche innendruckbelastete Bauteile von Kraftstoffeinspritzsystemen gebräuchlich, bei denen zwei horizontale Anschlusskanäle in einen vertikalen Zuströmkanal, und zwar ohne einen Bohrungsversatz oder eine Schrägstellung des Anschlusskanals, einmünden. Neben den Anschlüssen für den Zuströmkanal und den beiden Anschlusskanälen weist ein solches Bauteil gewöhnlich einen weiteren dem Zuströmkanal zugeordneten Drucksensoranschluss auf. Eingangsseitig ist der Zuströmkanal dagegen an eine Hochdruckpumpe angeschlossen und die Anschlusskanäle bilden Injektoranschlüsse.

Unter Innendruck tritt die höchste Bauteilbeanspruchung auch hier im Verschneidungsbereich der Kanäle auf. Die Geometrien der durchgehend kreisquerschnittförmigen Kanäle sind dabei fertigungstechnisch bedingt, da diese durch eine konventionell spanende Bearbeitung erzeugt werden. Die Konstruktion ist im Übrigen auf einen minimalen Materialeinsatz bei hinreichender Festigkeit optimiert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein innendruckbelastetes Bauteil der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass die Kanalführung durch Überwindung der bislang bestehenden fertigungstechnischen Restriktionen derart geändert werden kann, dass lokale Spannungsmaxima im Verschneidungsbereich weiter abgesenkt werden, um den Materialeinsatz weiter zu senken. Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird ausgehend von einem innendruckbelasteten Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Querschnitt des Zuströmkanals und der Querschnitt des mindestens einen Anschlusskanals eines innendruckbelasteten Bauteils im Verschneidungsbereich elliptisch ausgebildet sind, wobei die Hauptachse X _A des Querschnitts des Anschlusskanals im Verschneidungsbereich unter dem Winkel a zur Hauptachse xz des Querschnitts des Zuströmkanals verläuft.

Die erfindungsgemäße Kanalgeometrie ist durch den Einsatz neuer Fertigungstechnologien - insbesondere Metallpulver-3D-Druck - realisierbar, wodurch die konstruktiven Restriktionen der bisher üblichen spanenden oder formgebundenen Fertigungsmethoden überwunden werden können. Die erfindungsgemäße Kanalgestaltung bewirkt gegenüber der eingangs beschriebenen Kanalgestaltung gemäß dem Stand der Technik eine Reduzierung des Bauteilspannungsniveaus von ca. 50%, so dass mit entsprechend geringeren Wandstärken dimensioniert werden kann, was zur weiteren Materialersparnis beiträgt.

Vorzugsweise sollten die im Verschneidungsbereich gebildeten Kanten zusätzlich verrundet werden, wobei für den erfindungsgegenständlichen Anwendungszweck eine Verrundung der Kanten mit einem Radius R im Bereich von 1 bis 1,5 mm, vorzugsweise 1,2 mm, vorgesehen ist. Insoweit wird die erfindungsgemäße Spannungsreduzierung durch die Summe der Maßnahmen eines Ineinandermündens zweier elliptischer Kanalquerschnitte mit einer schiefen Anbohrung unter dem spitzen Winkel a und einer zusätzlichen lokalen Verrundung der im Verschneidungsbereich auftretenden Kanten weiter verbessert. Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass sich die Querschnittsform des Zuströmkanals und/oder des Anschlusskanals in Richtung Verschneidungsbereich von Kreis auf Ellipse ändert. Dies bedeutet, dass im Verschneidungsbereich der erfindungsgemäße elliptische Querschnitt besteht, wohingegen die externen Anschlüsse am Bauteil einen herkömmlichen Kreisquerschnitt aufweisen zur Aufnahme einer Verschraubung oder dergleichen. Hierdurch lässt sich die herkömmliche Anschlusskonfiguration des Bauteils trotz erfindungsgemäß geänderter Kanalgestaltung weiter nutzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich der Querschnitt des Anschlusskanals in Richtung Verschneidungsbereich bezüglich der Hauptachse X _A konisch erweitert, und dass sich der Querschnitt des Anschlusskanals in Richtung Verschneidungsbereich bezüglich der Querachse Y _A konisch verjüngt. Als Hauptachse wird dabei die längere Halbachse der Ellipse verstanden, wohingegen die kürzere Halbachse der Ellipse hier als Querachse bezeichnet wird. Hinsichtlich des Anschlusskanals ergibt sich somit eine Kanalgeometrie, welche sich ausgehend vom anschlussseitigen Kreisquerschnitt bezüglich der Querachse gestaucht wird und bezüglich der Hauptachse vergrößert wird. Die hierdurch bewirkte zunehmende Abplattung des Anschlusskanals in Richtung Verschneidungsbereich führt zu einer signifikanten Festigungssteigerung im Verschneidungsbereich.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird im Hinblick auf die Kanalgestaltung des Zuströmkanals vorgeschlagen, dass dessen Querschnitt in Richtung Verschneidungsbereich bezüglich der Hauptachse gleich bleibt, wohingegen sich der Querschnitt des Zuströmkanals in Richtung Verschneidungsbereich bezüglich der Querachse konisch verjüngt. Mit anderen Worten bleibt beim vertikalen Zuströmkanal die längere Halbachse der Ellipse in Verlaufsrichtung unverändert, wohingegen die kürzere Halbachse der Ellipse, also die Querachse, gestaucht und damit abgeplattet wird. Auch diese geometrische Maßnahme leistet einen Beitrag zur Festigungssteigerung des Verschneidungsbereichs des Bauteils. Hinsichtlich der Kanalgeometrie wird ferner vorgeschlagen, dass die Länge LE des Abschnitts des sich konisch erweiternden bzw. verjüngenden elliptischen Querschnitts des Anschlusskanals und/oder des Zuströmkanals das 1,5- bis 2- fache des Kreisquerschnitts des Anschlusskanals bzw. des Zuströmkanals beträgt. Dieser Längsverlauf leistet ebenfalls einen Beitrag zur Festigkeitssteigerung des Bauteils im Verschneidungsbereich bei gleichzeitig reduziertem Materialeinsatz, da die erforderliche Kanallänge die für das Bauteil aufzuwendende Materialmenge wesentlich beeinflusst.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der konische Verlauf des Anschlusskanals an einem Treffpunkt T im Mündungsbereich tangential in den elliptischen Querschnitt des Zuströmkanals übergeht. Hierdurch wird zumindest bereichsweise ein kantenfreier Übergang erzeugt, welcher keine Angriffsstelle für Bauteilspannungen bietet. In diesem Zusammenhang wird ferner vorgeschlagen, dass außerhalb des tangentialen Übergangs im Treffpunkt T der Mündungsbereich von Anschlusskanal und Zuströmkanal mit der vorstehend erwähnten Verrundung versehen ist. Insbesondere ein Radius von 1,2 mm hat sich bei den Maßverhältnissen und Druckverhältnissen des erfindungsgegenständlichen Anwendungsgebiets als vorteilhaft, also signifikant bauteilspannungsminimierend, erwiesen.

In diesem Zusammenhang sollte der spitze Winkel a, unter dem der kleinere Querschnitt des Anschlusskanals in den größeren Querschnitt des Zuströmkanals tritt, im Bereich zwischen 3 bis 6° liegen, vorzugsweise 4,4°. Der letztere Wert hat sich für den erfindungsgegenständlichen Anwendungsbereich als besonders vorteilhaft, also signifikant bauteilspannungsminimierend, erwiesen.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass genau zwei horizontale Anschlusskanäle am vertikalen Zuströmkanal angeschlossen sind, wobei die beiden Anschlusskanäle einander gegenüberliegend und auf derselben Höhe in den Zuströmkanal einmünden sollten, um eine spannungsoptimale und materialsparende Gesamtgestalt zu erzielen. Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine teiltransparente perspektivische Ansicht eines innendruck- belasteten Bauteils zum Anschluss von Injektoren eines Common- Rail- Einspritzsystems,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Bauteil gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht auf das Bauteil gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Detaildarstellung um den Verschneidungsbereich des Bauteils in der Seitenansicht gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt des Bauteils gemäß Fig. 1 auf Höhe der Anschlusskanäle, und

Fig. 6 einen Längsschnitt des Bauteils gemäß Fig. 1 durch den Zuströmkanal.

Gemäß Fig. 1 umfasst ein per Metallpulver-3D-Druck hergestelltes innendruckbelastetes Bauteil zum Anschluss zweier - hier nicht weiter dargestellter - Injektoren eines Common-Rail-Systems einer Kraftstoffeinspritzung einen an einer - hier ebenfalls nicht weiter dargestellten - Hochdruckpumpe angeschlossenen vertikalen Zuströmkanal 1, von dem aus zwei horizontale Anschlusskanäle 2 und 3 auf gleicher Höhe in entgegengesetzter Richtung abzweigen. Die Anschlusskanäle 2 und 3 bilden gemeinsam mit dem Zuströmkanal 1 je einen Verschneidungsbereich 4 mit einem elliptischen Querschnitt aus.

Im Folgenden werden die geometrischen Verhältnisse in Bezug auf den Anschlusskanal 2 oder den Anschlusskanal 3 beschrieben, welche jedoch für den jeweils anderen Anschlusskanal 3 bzw. 2 analog gelten. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, verläuft der Anschlusskanal 2 außerdem nicht gerade, sondern unter einem spitzen Winkel a gegenüber einer anschlusskanalnahen Symmetrieachse S des Querschnitts des Zuströmkanals 1.

Wie im weitern Zusammenhang mit der Fig. 3 deutlich wird, sind der Querschnitt des Zuströmkanals 1 und der Querschnitt des Anschlusskanals 2 im Verschneidungsbereich 4 elliptisch ausgebildet. Dabei ändert sich die Querschnittsform des Zuströmkanals 1 und des Anschlusskanals 2 in Richtung Verschneidungsbereich 4 von einem Kreis auf eine Ellipse.

Im Hinblick auf die Detailansicht gemäß Fig. 4 und die beigeordnete Symbolik verjüngt sich der Querschnitt des Anschlusskanals 2 in Richtung Verschneidungsbereich 4 bezüglich der Querachse y _A konisch. Dies bewirkt eine zunehmende Stauchung des Kanalquerschnitts von der anschlussseitigen Kreisform zu einer mündungsseitigen abgeflachten Ellipsenform, was abschnittsweise über die Längenabschnitte Li und L2 erfolgt.

Auch der Querschnitt des Zuströmkanals 1 verjüngt sich in Richtung Verschneidungsbereich 4 bezüglich der Querachse yz konisch. Die Gesamtlänge LE des Abschnitts des sich konisch verjüngenden elliptischen Querschnitts des Zuströmkanals 1 beträgt dabei das 1,5- bis 2,0-fache des Kreisquerschnitts des Zuströmkanals 1. Analog dasselbe gilt auch für den Anschlusskanal 2. Ferner ist der Mündungsbereich von Anschlusskanal 2 und 3 am Zuströmkanal 1 mit einer Verrundung versehen, deren Radius R 1,2 mm beträgt.

Aus dem Querschnitt gemäß Fig. 5 wird ersichtlich, dass sich der Querschnitt des Anschlusskanals 3 in Richtung Verschneidungsbereich 4 bezüglich der Hauptachse X _A konisch erweitert. Selbstverständlich gilt analog dasselbe hinsichtlich des gegenüberliegenden Anschlusskanals 2. Demgegenüber bleibt der Querschnitt des Zuströmkanals 1 in Richtung Verschneidungsbereich 4 bezüglich der Hauptachse xz gleich. Ferner bildet die anschlusskanalnahe Symmetrieachse S des Querschnitts des Zuströmkanals 1 einen spitzen Winkel a mit der Längsachse des Anschlusskanals 3 aus, was natürlich auch analog für den gegenüberliegenden Anschlusskanal 2 gilt. Derselbe spitze Winkel a findet sich auch aufgrund der geometrischen Wechselwinkel-Beziehungen zwischen der Hauptachse X _A des Querschnitts des Anschlusskanals 3 im Verschneidungsbereich 4 und der Hauptachse xz des Querschnitts des Zuströmkanals 1 wieder.

Hinsichtlich der Längengestaltung des Anschlusskanals 3 verläuft dieser im Abschnitt Lo kreisförmig und beginnt in den Abschnitten Li bis L ₃ elliptisch zu werden, bis hin zu einer gestauchten Ellipse, wie vorstehend beschrieben. Der konische Verlauf des Anschlusskanals 3 geht an einem Treffpunkt T im Mündungsbereich zum Zuströmkanal 1 tangential in den elliptischen Querschnitt des Zuströmkanals 1 über.

Gemäß Fig. 6 umfasst die Gesamtlänge des Zuströmkanals 1 einen Längenabschnitt Lo mit kreisrundem Querschnitt, an dem sich ein Längenabschnitt Li mit in Mündungsrichtung zunehmend elliptischem Querschnitt anschließt.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abhandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es auch beispielsweise möglich, dass nur ein einziger Anschlusskanal von einem Zuströmkanal abzweigend an einem innendruckbelasteten Bauteil der hier interessierenden Art angeordnet ist, um ein unter Hochdruck stehendes Medium an einen Verbraucher weiterzuleiten oder zu verteilen.