DE10063713A1 - Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (10) dient zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen (16) insbesondere für Kraftfahrzeuge und insbesondere in der Fertigungsprüfung. Die Vorrichtung (10) umfasst eine Messkammer (14), eine Koppeleinrichtung, durch die mindestens ein Einspritzsystem (16) an die Messkammer (14) druckdicht ankoppelbar ist. Die Vorrichtung (10) umfasst ferner einen Kolben (26), der verschieblich in einer Führungseinrichtung (18) gehalten ist und die Messkammer (14) bereichsweise begrenzt. Schließlich ist noch ein Sensor (50) vorgesehen, der bei einer Einspritzung durch das Einspritzsystem (16) eine Verschiebung des Kolbens (26) erfasst. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird vorgeschlagen, dass der Kolben (26) mindestens im Wesentlichen geschlossen und in seinem Inneren hohl ist.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen insbesondere für Kraftfahrzeuge und insbesondere in der Fertigungsprüfung, mit einer Messkammer, einer Koppeleinrichtung, durch die mindestens ein Einspritzsystem an die Messkammer druckdicht ankoppelbar ist, einem Kolben, der verschieblich in einer Führungseinrichtung gehalten ist und die Messkammer bereichsweise begrenzt, und einem Sensor, der bei einer Einspritzung durch das Einspritzsystem eine Verschiebung des Kolbens erfasst.

Eine solche Vorrichtung ist vom Markt her bekannt und wird als EMI (Einspritzmengenindikator) bezeichnet. Dieser umfasst einen Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist. Die Wand der Messkammer wird zumindest bereichsweise durch den Kolben gebildet. Die Messkammer weist ferner eine Öffnung auf, an die eine Einspritzdüse eines Einspritzsystems, beispielsweise eines Injektors, druckdicht ansetzbar ist. Spritzt die Einspritzdüse Kraftstoff oder ein spezielles Prüffluid in die Messkammer ein, bewegt sich der Kolben, was von einem Wegsensor erfasst wird. Aus dem Weg des Kolbens kann auf die Volumenänderung der Messkammer und hieraus auf die eingespritzte Kraftstoff- bzw. Prüffluidmenge geschlossen werden.

Der bekannte Einspritzmengenindikator hat jedoch verschiedene Nachteile. So kommt es insbesondere bei kurzen, aber heftigen Einspritzimpulsen zu Schwingungen des Kolbens, die nur relativ langsam abklingen und daher eine Messung schnell aufeinander folgender Einspritzungen erschweren oder sogar unmöglich machen. Darüber hinaus findet bei einer Bewegung des Kolbens im Zylinder eine Reibung an den einander berührenden Wänden statt, so dass u. U. die Kolbenbewegung nicht immer das tatsächlich eingespritzte Volumen wiedergibt. Darüber hinaus unterliegt die Kombination aus Kolben und Zylinder auch einem Verschleiß, so dass das Messergebnis und die Messgenauigkeit sich über die Lebensdauer der Vorrichtung ändern können.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass sie mit höherer Genauigkeit auch über eine lange Lebensdauer arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Kolben mindestens im Wesentlichen geschlossen und in seinem Inneren hohl ist.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass besonders bei impulsartigen Einspritzungen der Kolben starken Belastungen ausgesetzt ist, durch die er sich verformen kann. Derartige Verformungen können zu einem Verkanten des Kolbens in der Führungsöffnung der Führungseinrichtung führen, welches für die eingangs genannten Probleme mindestens mitverantwortlich sind.

Durch die erfindungsgemäße geschlossene Bauweise wird die Stabilität des Kolbens erheblich erhöht. Aufgrund der hohlen Bauweise wird dabei das Gewicht nur unwesentlich verändert. Die größere Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens verringert die Verformungen im Betrieb der Messvorrichtung, wodurch das Messergebnis insgesamt genauer wird und der Verschleiss zwischen dem Kolbenmantel und der Führungswand der Führungsöffnung im Zylinder vermindert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Weiterbildung umfasst der Kolben einen einseitig offenen Basiskörper und eine die Öffnung verschließende Kappe, die vorzugsweise auf den Basiskörper aufgepresst und/oder verschweißt ist. Ein derartig aufgebauter Kolben kann relativ preisgünstig und doch stabil hergestellt werden.

Wenn der Kolben mindestens auf seiner der Messkammer zugewandten Seite ein hitzebeständiges und eine schlechte Wärmeleitung aufweisendes Material umfasst, werden die Verformungen bei der Einspritzung eines üblicherweise erwärmten Fluids (ca. 80°C) nochmals reduziert.

In Weiterbildung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass der Kolben einen deckelartigen Aufsatz aus einem hitzebeständigen und eine schlechte Wärmeleitung aufweisenden Material umfasst. Ein solcher Aufsatz dient sozusagen als "Hitzeschild", der die Struktur des Kolbens vor den Temperatureinflüssen des erwärmten Prüffluids schützt.

Alternativ oder zusätzlich zu der oben vorgeschlagenen speziellen Bauweise kann die Stabilität des Kolbens auch durch eine besondere Materialauswahl verbessert werden. So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Kolben mindestens bereichsweise eine Aluminium- und/oder eine Titanlegierung umfasst. Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Kolben mindestens bereichsweise eine Legierung vom Typ AlMgSi1 oder TiAl6V4 umfasst.

Die Verbesserung der Messgenauigkeit kann ferner dadurch erfolgen, dass mindestens die der Führungseinrichtung zugewandte Mantelfläche des Kolbens so behandelt ist, dass sie reibungs- und/oder verschleißarm ist, insbesondere durch eine Hartcoatierung oder das Aufbringen einer C- Beschichtung. Mit derartigen Oberflächenbehandlungen bzw. -beschichtungen lassen sich Oberflächen realisieren, welche zum einen sehr glatt sind und daher nur eine geringe Reibung aufweisen und welche darüber hinaus sehr hart sind und somit nur einem geringen Verschleiß unterliegen.

Die strukturellen Maßnahmen zur Erhöhung der Messgenauigkeit und zur Verlängerung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch auf Seiten der Führungseinrichtung durchgeführt werden. So wird z. B. vorgeschlagen, dass die Führungseinrichtung mindestens bereichsweise eine Aluminium-, eine Stahl- oder eine Titanlegierung, insbesondere AlMgSi1, 31CrMoV9 oder TiAl6V, umfasst.

Darüber hinaus kann die Führungseinrichtung mindestens bereichsweise so behandelt sein, dass sie reibungs- und/oder verschleissarm ist, insbesondere durch eine Hartcoatierung und/oder eine Plasmanitrierung.

Erfindungsgemäß werden auch Werkstoffpaarungen vorgeschlagen, welche im Hinblick auf eine geringe Reibung und einen geringen Verschleiß besonders gut miteinander harmonieren. So wird vorgeschlagen, dass der Kolben und die Führungseinrichtung eine Aluminiumlegierung, insbesondere AlMgSi1, umfassen. Alternativ kann der Kolben eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4 und die Führungseinrichtung eine Stahllegierung, insbesondere 31CrMoV9, oder ebenfalls eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4, umfassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung der oben genannten Art. Die besten Messergebnisse aufgrund geringer Reibung und geringem Verschleiß werden mit der Vorrichtung dann erzielt, wenn der Kolben durch Drehen, Schleifen, Subfinieren und Hartcoatieren oder C-Beschichten und die Führungseinrichtung durch Drehen, Schleifen, Hartcoatieren oder Plasmanitrieren und Honen hergestellt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung 3 unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Messen der Einspritzdüsen insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Die besagte Vorrichtung trägt in der Fig. 1 das Bezugszeichen 10. Sie umfasst eine in einem Gehäuse 12 gebildete Messkammer 14, an die eine Einspritzdüse 16 druckdicht gekoppelt ist. Das Gehäuse 12, die Messkammer 14 und die Einspritzdüse 16 sind in der Figur nur schematisch mit strichpunktierten Linien dargestellt.

Auf ihrer in Fig. 1 unteren Seite wird die Messkammer 14 durch einen Führungszylinder 18 begrenzt, bei dem es sich in der Draufsicht, also in Fig. 1 von oben gesehen, um ein kreiszylindrisches Drehteil handelt. Der Zylinder 18 weist eine zentrische Führungsbohrung 20 auf. Koaxial zu der Führungsbohrung 20 ist in die Oberseite des Zylinders 18 eine Ringnut 22 eingebracht, in die ein Dichtring 24 eingelegt ist. Durch diesen Dichtring 24 wird das Gehäuse 12 druckdicht mit dem Zylinder 18 verbunden.

In der Führungsbohrung 20 des Zylinders 18 ist ein Kolben 26 verschieblich gehalten. Der Kolben 26 ist nach oben, also zur Messkammer 14 hin, durch eine Feder 28 vorgespannt. Der Kolben 26 umfasst zunächst einen zylindrischen Basiskörper 30, dessen obere Stirnwand 32 leicht nach außen gewölbt ist und in ihrer Mitte eine Materialverdickung 34 trägt. Nach unten hin ist der Basiskörper 30 offen, wobei er an seinem unteren Rand einen nach innen gerichteten Ringbund 36 trägt.

Auf die Unterseite des Basiskörpers 30 ist ein ebenfalls zylindrischer Deckel 38 aufgepresst, dessen Außendurchmesser in etwa dem Innendurchmesser des Ringbunds 36 entspricht und der auf seiner äußeren Mantelfläche, in der Nähe seines in Fig. 1 unteren Endes, einen Ringbund 40 aufweist. Der Deckel 38 kann alternativ oder zusätzlich auch verschweißt werden. Dieser dient als Anschlag des Deckels 38 an den unteren Rand des Basiskörpers 30. Die Stirnwand 42 des Deckels 38 ist im Wesentlichen eben ausgeführt und trägt in ihrer Mitte eine zum Basiskörper 30 hin gerichtete Verdickung 44.

In die Außenseite der Stirnwand 42 des Deckels 38 ist im Bereich der Verdickung 44 eine Sackbohrung 46 eingebracht. In dieser ist über ein Gewinde eine nur schematisch dargestellte Kolbenstange 48 befestigt, deren Bewegung durch einen Wegsensor 50 abgegriffen wird. In die Außenseite der Stirnwand 32 des Basiskörpers 30 ist ebenfalls im Bereich der Materialverdickung 34 eine zentrische Sackbohrung 52 vorhanden, welche der Befestigung eines deckelartigen Aufsatzes 54 dient, der aus einem hitzebeständigen und eine schlechte Wärmeleitung aufweisenden Material hergestellt ist. Der Aufsatz 54, dessen Funktion im Wesentlichen die eines Hitzeschildes ist, ist im Wesentlichen kreisförmig und liegt mit seiner Unterseite plan an der Stirnwand 32 des Basiskörpers 30 auf. Die Oberseite des Aufsatzes 54 ist im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Zylinders 18, in ihrem radialen Randbereich jedoch parallel zur Oberseite der Stirnwand 32 des Basiskörpers 30.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem Kolben 26 also insgesamt um einen zylindrischen Hohlkörper. Der Basiskörper 30 des Kolbens 26 ist aus der Aluminiumlegierung AlMgSi1 hergestellt. Er wird hergestellt, indem er zunächst gedreht wird, anschließend die Oberfläche geschliffen, subfiniert und schließlich ein Hartcoating aufgebracht wird. Der Zylinder 18 ist ebenfalls aus der gleichen Aluminiumlegierung, beim Herstellen wird er jedoch nach dem Drehen zunächst geschliffen und dann ebenfalls ein Hartcoating aufgebracht. Zum Schluss wird die Führungsbohrung 20 des Zylinders 18 noch gehont.

Durch diese Material- und Bearbeitungskombination wird die Reibung zwischen dem Kolben 26 und dem Zylinder 18 minimal. Darüber hinaus sind die einzelnen Elemente auch äußerst verschleißfest ausgeführt. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung der Einspritzmenge erhöht und die Lebensdauer, bei der eine genaue Messung möglich ist, verlängert. Da der Kolben 26 einen geschlossenen Hohlkörper bildet, hat er bei geringer Masse eine sehr hohe Steifigkeit. Hierdurch werden die Schwingungen des Kolbens 26 nach einem Einspritzimpuls reduziert und Verformungen, die zu einer erhöhten Reibung zwischen Kolben 26 und Führungsbohrung 20 im Zylinder 18 führen können, vermindert.

Aus der Figur ist ersichtlich, dass in der Umfangswand der Führungsbohrung eine Nut (ohne Bezugszeichen) vorhanden ist, welche folgende Aufgabe erfüllt: Zum einen kann durch sie ein Prüffluid, welches von der Düse 16 eingespritzt wird und als Leckage zwischen dem Zylinder 18 und dem Kolben 26 nach unten läuft, abgeführt werden. Zum anderen verhindert sie den Eintritt von Gas in die Messkammer 14. Dies ist erforderlich, da im Betrieb unterhalb des Kolbens 26, also auf der der Messkammer 14 entgegenliegenden Seite des Kolbens 26, ein Gasdruck von bis zu 100 bar herrschen kann. Würde Gas in die Messkammer 14 gelangen, könnte dies zu Schwingungen des Messkolbens 26 führen und somit die Messergebnisse verfälschen.

Weiterhin dient die Nut als Sicherung gegen eine Beschädigung der Vorrichtung (10) in dem Fall, dass zwischen den Einspritzungen durch die Düse 16 nicht genügend Prüffluid aus der Messkammer 14 abgeführt wird, diese also nicht ausreichend "entleert" wird. Bei einer derartig geringen Entleerung, die also eine "Überfüllung" der Messkammer zur Folge hat, sinkt der Kolben 26 soweit ab, dass das Prüffluid in diese Nut und anschließend in einen Prüffluidablauf abfließen kann. Ein unzulässig starker Druckanstieg in der Messkammer 14 wird somit verhindert.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Kolben 26 auch aus einer Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4, hergestellt werden kann und anstelle eines Hartcoatings die Mantelfläche des Basiskörpers 30 eine Kohlenstoff- Beschichtung aufweisen kann. In diesem Fall sollte der Zylinder 18 aus einer Stahllegierung, vor allem aus 31CrMoV9, oder einer Titanlegierung, beispielsweise TiAl6V4, hergestellt sein und die Führungsbohrung 20 sollte entweder hartcoatiert oder plasmanitriert sein. Auch diese Materialkombination führt zu der gewünschten Verbesserung. Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, dass das Hitzeschild 54 auf die Stirnwand 32 des Basiskörpers 30 des Kolbens 26 auch aufgeklebt werden kann. Weiterhin sei noch darauf hingewiesen, dass die geschlossene Bauweise des Kolbens 26 nicht nur Vorteile im Betrieb der Vorrichtung 10 hat, sondern bereits bei der Herstellung die Stabilität des Kolbens 26 erhöht, so dass die Mantelfläche des Basiskörpers 30 besser, d. h. mit höherer Genauigkeit, bearbeitbar ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen (16) insbesondere für Kraftfahrzeuge und insbesondere in der Fertigungsprüfung, mit einer Messkammer (14), einer Koppeleinrichtung, durch die mindestens ein Einspritzsystem (16) an die Messkammer (14) druckdicht ankoppelbar ist, einem Kolben (26), der verschieblich in einer Führungseinrichtung (18) gehalten ist und die Messkammer (14) bereichsweise begrenzt, und einem Sensor (50), der bei einer Einspritzung durch das Einspritzsystem (16) eine Verschiebung des Kolbens (26) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) mindestens im Wesentlichen geschlossen und in seinem Inneren hohl ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) einen einseitig offenen Basiskörper (30) und einen die Öffnung verschließenden Deckel (38) umfasst, der vorzugsweise auf den Basiskörper (30) aufgepresst und/oder verschweißt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) mindestens auf seiner der Messkammer (14) zugewandten Seite ein hitzebeständiges und eine schlechte Wärmeleitung aufweisendes Material umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) einen deckelartigen Aufsatz (54) aus einem hitzebeständigen und eine schlechte Wäremleitung aufweisenden Material umfasst.

5. Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen (16) insbesondere für Kraftfahrzeuge und insbesondere in der Fertigungsprüfung, mit einer Messkammer (14), einer Koppeleinrichtung, durch die mindestens ein Einspritzsystem (16) an die Messkammer (14) druckdicht ankoppelbar ist, einem Kolben (26), der verschieblich in einer Führungseinrichtung (18) gehalten ist und die Messkammer (14) bereichsweise begrenzt, und einem Sensor (50), der bei einer Einspritzung durch das Einspritzsystem (16) eine Verschiebung des Kolbens (26) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) mindestens bereichsweise eine Aluminium- und/oder eine Titanlegierung umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) mindestens bereichsweise eine Legierung vom Typ AlMgSi1 oder TiAl6V4 umfasst.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die der Führungseinrichtung (18) zugewandte Mantelfläche des Kolbens (26) so behandelt ist, dass sie reibungs- und/oder verschleißarm ist, insbesondere durch eine Hartcoatierung oder das Aufbringen einer C-Beschichtung.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (18) mindestens bereichsweise eine Aluminium-, eine Stahl- oder eine Titanlegierung, insbesondere AlMgSi1, 31CrMoV9 oder TiAl6V4, umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Führungseinrichtung (18) mindestens bereichsweise so behandelt ist, dass sie reibungs- und/oder verschleißarm ist, insbesondere durch eine Hartcoatierung und/oder eine Plasmanitrierung.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (28) und die Führungseinrichtung (18) eine Aluminiumlegierung, insbesondere AlMgSi1, oder der Kolben eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4, und die Führungseinrichtung eine Stahllegierung, insbesondere 31CrMoV9, oder eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4, umfasst.

11. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) durch Drehen, Schleifen, Subfinieren und Hartcoatieren oder C-Beschichten und die Führungseinrichtung (18) durch Drehen, Schleifen, Hartcoatieren oder Plasmanitrieren und Honen hergestellt wird.