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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Hochdruckkörpers einer Hochdruckvorrichtung.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Die Bildung von Schadstoffen ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden, wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke über 2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen hohe Anforderungen an die Konstruktion verschiedener Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Dies gilt insbesondere für die Konstruktion eines Pumpenkörpers einer Hochdruckpumpe oder eines Common Rails oder eines Injektorkörpers eines Einspritzventils, in denen Kraftstoff führende Ausnehmungen mit den entsprechenden Druckbelastungen angeordnet sind.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Hochdruckkörpers einer Hochdruckvorrichtung zu schaffen, das beziehungsweise die kostengünstig realisierbar ist, und einen zuverlässigen und präzisen Betrieb der Hochdruckvorrichtung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Herstellen eines Hochdruckkörpers einer Hochdruckvorrichtung. Der Hochdruckkörper mit einer Ausnehmung, die eine Wand aufweist, wird bereitgestellt, wobei der Hochdruckkörper mindestens im Bereich der Wand ein Material aufweist, das einen vorgegebenen Anteil an Austenit hat. Auf die Ausnehmung wirkt mindestens einmal für eine vorgegebene Zeitdauer ein Fluid mit einem vorgegeben Druck ein, derart, dass in dem Hochdruckkörper wenigstens im Bereich der Wand der Ausnehmung mindestens ein Teil des Austenit in Martensit umgewandelt wird.
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In einer Ausführungsform ist die Hochdruckvorrichtung insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. In weiteren Ausführungsformen ist die Hochdruckvorrichtung insbesondere ein Common Rail oder ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
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Bei einem Einwirken des Fluids auf die Ausnehmung mit dem vorgegeben Druck unter mindestens teilweiser Umwandlung des Austenit in Martensit gelangt Martensit durch das umgebende nicht umgewandelte Gefüge unter Druck, da Martensit ein größeres Volumen einnimmt als Austenit. Dies hat den Vorteil, dass damit Druckeigenspannungen in den Bereichen des Hochdruckkörpers, die direkt an die Ausnehmung grenzen, aufgebaut werden können. Die aufgebauten Druckeigenspannungen in den Bereichen des Hochdruckkörpers, die direkt an die Ausnehmung grenzen, bleiben bei den Arbeitstemperaturen des Hochdruckkörpers erhalten, da der Martensit bei diesen Temperaturen seine mechanischen Eigenschaften nicht ändert. Da eine Umwandlung des Austenits in Martensit langzeitstabil erhalten bleiben kann, kann eine hohe Dauerhaltbarkeit des Hochdruckkörpers gegenüber Druckeinwirkungen erreicht werden. Während des Betriebs der Hochdruckvorrichtung können die Druckeigenspannungen in den Bereichen des Hochdruckkörpers, die direkt an die Ausnehmung grenzen, den Druckkräften des Fluids entgegenwirken. Des Weiteren kann durch ein zusätzliches plastisches Umformen des Hochdruckkörpers eine hohe Festigkeit des Hochdruckkörpers erreicht werden. Des Weiteren kann eine glatte innere Oberfläche der Ausnehmung des Hochdruckkörpers mit einer geringen Reibung des Fluids an der Wand der Ausnehmung erreicht werden. Des Weiteren kann auf eine zusätzliche Wärmebehandlung des Hochdruckkörpers verzichtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wirkt auf die Ausnehmung mindestens einmal für eine vorgegebene Zeitdauer ein Fluid mit einem Druck von mindestens 2700 bar ein. Dies hat den Vorteil, dass bei diesem Druck ein besonders effektives Umwandeln mindestens eines Teils des Austenits in Martensit erreicht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wirkt auf die Ausnehmung mindestens einmal für eine vorgegebene Zeitdauer ein Fluid mit einem Druck von zirka 4800 bar ein. Dies hat den Vorteil, dass die Plastifizierungsgrenze des Austenits (Streckgrenze) erreicht und eine Beschädigung des Gefüges vermieden werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Material, das der Hochdruckkörper mindestens im Bereich der Wand aufweist, Gusseisen mit Kugelgraphit. Dies hat den Vorteil, dass so der Hochdruckkörper sehr kostengünstig gefertigt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Hochdruckkörper einer Hochdruckvorrichtung in einem ersten Zustand, und
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2 einen weiteren Querschnitt durch den Hochdruckkörper in einem weiteren Zustand.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer schematischen Ansicht ein Ausschnitt aus einem Hochdruckkörper 10 einer nicht weiter dargestellten Hochdruckvorrichtung gezeigt.
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In einer Ausführungsform kann die Hochdruckvorrichtung vorzugsweise eine Hochdruckpumpe, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, sein. In weiteren Ausführungsformen ist die Hochdruckvorrichtung vorzugsweise als Common Rail oder als Einspritzventil ausgebildet, insbesondere als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
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Der Hochdruckkörper 10 weist eine Ausnehmung 12 auf. Die Ausnehmung 12 hat hier einen kreisförmigen Querschnitt. Die Ausnehmung 12 mit einem derartigen Querschnitt kann besonders einfach hergestellt werden. Die Ausnehmung 12 kann jedoch auch andere geeignete Querschnittsformen annehmen. Die Ausnehmung 12 weist eine Wand 14 auf. Ist die Hochdruckvorrichtung vorzugsweise als Hochdruckpumpe, als Common Rail oder als Einspritzventil ausgebildet, so kann der Durchmesser der Ausnehmung 12 beispielsweise etwa 2,5 mm betragen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Hochdruckkörper 10 mindestens im Bereich der Wand 14 der Ausnehmung 12 ein Material auf, das Gusseisen mit Kugelgraphit ist. Ein derartiger Hochdruckkörper 10 kann besonders kostengünstig gefertigt werden.
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Der Hochdruckkörper 10 weist mindestens im Bereich der Wand 14 ein Material auf, das Austenit hat. Insbesondere weist das Material einen vorgegebenen Anteil an Austenit auf. In den 1 und 2 sind Bereiche 16 aus Austenit schematisch in vergrößerter Form in dem Hochdruckkörper 10 dargestellt. Die Darstellung der Bereiche 16 aus Austenit soll ein grundsätzliches Verständnis der hier beteiligten Vorgänge ermöglichen. Diese Darstellung ist jedoch insbesondere nicht maßstäblich bezüglich der Größenverhältnisse der Bereiche 16 aus Austenit gegenüber der Ausnehmung 12.
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Im Folgenden soll das Verfahren zum Herstellen des Hochdruckkörpers 10 der Hochdruckvorrichtung im Detail dargestellt werden.
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Der Hochdruckkörper 10 mit der Ausnehmung 12 wird bereitgestellt. Auf die Ausnehmung 14 wirkt mindestens einmal für eine vorgegebene Zeitdauer ein Fluid mit einem vorgegebenen Druck ein. Dabei wird im Bereich der Wand 14 wenigstens ein Teil der Bereiche 16 aus Austenit in Bereiche 18 aus Martensit umgewandelt (siehe 2, ausgefüllte Bereiche 18).
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Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass Austenit unter mechanischer Beanspruchung in Martensit umgewandelt werden kann. Eine derartige Umwandlung von Austenit in Martensit unter mechanischer Beanspruchung kann sowohl durch Spannung im Austenit als auch durch plastische Dehnung des Austenits hervorgerufen werden. Die Umwandlung von Austenit in Martensit wird in diesem Fall dehnungsinduziert. Der Martensit entsteht unter der Einwirkung der plastischen Verformung des Austenits. Da im kubisch flächenzentrierten Gitter die Packungsdichte größer ist als im raumzentrierten Gitter, kommt es durch die Umwandlung zu einer Volumenzunahme dort, wo Martensit in dem Gefüge vorliegt. Die Bereiche 18 aus Martensit, die von den Bereichen 16 aus Austenit umgeben sind, können aufgrund des größeren Volumens des Martensits einem zusätzlichen Druck des diese umgebenden Materials ausgesetzt sein. Demzufolge werden Druckeigenspannungen aufgebaut in den Bereichen 16 aus Austenit, die in Bereiche 18 aus Martensit umgewandelt werden.
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Vorzugsweise wirkt auf die Ausnehmung 14 (siehe 1) für eine vorgegebene Zeitdauer ein Fluid mit einem Druck von mindestens 2700 bar, vorzugsweise einem Druck von zirka 4800 bar ein. Derartige Drücke ermöglichen eine besonders effektive Umwandelung mindestens eines Teils des Austenits in Martensit. Dabei wird die Plastifizierungsgrenze des Austenits (Streckgrenze) erreicht und eine Beschädigung des Gefüges kann vermieden werden.
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Neben der unter mechanischer Beanspruchung stattfindenden Umwandlung des Austenits in Martensit werden Teile des Hochdruckkörpers 10 im Bereich der Wand 14 der Ausnehmung 12 zusätzlich plastisch verformt. Auch durch die plastische Verformung von Bereichen der Wand 14 werden Druckeigenspannungen in diesen Bereichen der Wand 14 aufgebaut werden.
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Wirkt während des Betriebs der Hochdruckvorrichtung, die einen derartig behandelten Hochdruckkörper 10 aufweist, ein Fluid mit einem hohen Druck auf die Ausnehmung 12 ein, so wirken die Druckeigenspannungen in den Bereichen der Wand 14 des Hochdruckkörpers 10 den Druckkräften des Fluids entgegen. Dies ist sowohl dann der Fall, wenn ein konstanter Druck auf die Ausnehmung 12 einwirkt als auch, wenn ein pulsierender Druck des Fluids vorliegt.
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Besonders vorteilhaft ist, dass in Bereichen der Wand 14, in denen Bereiche 18 aus Martensit angeordnet sind, aufgrund der Langzeitstabilität von Martensit die Druckeigenspannungen über die Zeit erhalten bleiben können. Damit kann auch die Druckfestigkeit des Hochdruckkörpers 10 über einen langen Zeitraum bestehen bleiben und reproduzierbar ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren, sodass auch derartige Anordnungen von der Erfindung umfasst sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochdruckkörper
- 12
- Ausnehmung
- 14
- Wand
- 16
- Bereiche aus Austenit
- 18
- Bereiche aus Martensit