DE10226397B4

DE10226397B4 - Verfahren zum Einstellen des Düsenöffnungsdruckes einer Einspritzdüse sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10226397B4
Application number: DE10226397A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Fath; Matthias Spickenreuther; Andreas Dr. Voigt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: DE10226397A1; US20030230133A1; US6976389B2

Abstract

Verfahren zum Einstellen eines Düsenöffnungsdruckes (pD) insbesondere bei einer Dieseleinspritzdüse mit einer Düsennadel (5) und einer Druckstufe (A), wobei die Düsennadel gegen den Ventilsitz mit einer Zuhaltekraft (Fz) gepresst wird, anschließend bei zwei unterschiedlichen an die Einspritzdüse gelegten Prüfdrücken (pU, p1, p2) die auf die Düsennadel wirkenden Prüfkräfte (Fz, F1, F2) gemessen werden, wobei aus den Differenzen der Prüfkräfte und der Prüfdrücke die Druckstufe (A) ermittelt wird, und zuletzt entsprechend dem gewünschten Düsenöffnungsdruck (pD) über die Druckstufe (A) eine Düsenfeder mit einer geeigneten Ventilfederkraft (Fv) ermittelt wird, wobei die aus dem Prüfdruck (p1, p2) resultierende Prüfkraft (F1, F2) kleiner gewählt ist als die Zuhaltekraft (Fz).

Description

Verfahren zum Einstellen des Düsenöffnungsdruckes einer Einspritzdüse sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Düsenöffnungsdruckes insbesondere bei einer Dieseleinspritzdüse sowie eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Bestimmung des so genannten Düsenöffnungsdruckes bei Einspritzsystemen ist besonders wichtig, um reproduzierbar trotz Streuung von Injektor zu Injektor eine geringe Piloteinspritzmenge präzise realisieren zu können. Bei Piezo-Pumpen-Düse-Elementen kann beispielsweise gemäß dem Stand der Technik der Düsenöffnungsdruck mit einer Genauigkeit von ±2–5 eingestellt werden. Bereits die Realisierung dieser Genauigkeit bedarf eines hohen messtechnischen Aufwandes.
Der Düseninnendruck wirkt auf die so genannte Druckstufe der Düse, die den Führungs- und Sitzdurchmesser der Düsennadel beschreibt. Dieser Innendruck bewirkt eine Kraft, die die Düsennadel öffnet. Die in Gegenrichtung wirkende Düsenfeder sorgt dabei dafür, dass die Düsennadel bis zum Erreichen des Düsenöffnungsdruckes zuverlässig geschlossen bleibt. Durch die Dimensionierung der Druckstufe der Düse und der Steifigkeit der Düsenfeder wird der Düsenöffnungsdruck bestimmt. Wenn der Wert der Druckstufe ermittelt ist, kann über die Auswahl der Düsenfeder der Düsenöffnungsdruck genauestens eingestellt werden. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Düsenfedern auch fein genug klassifiziert vorliegen.
Bei Common-Rail-Systemen ist die Einstellung des Düsenöffnungsdruckes bisher beim Stand der Technik unproblematisch, da die Druckstufen anhand ihrer zylindrischen Geometrien extrem genau vorgegeben sind; die Durchmesser werden dabei auf ±3 μm genau gefertigt. Bei den Piezo-Pumpen-Düse-Elementen kann es jedoch erforderlich sein, im Sitzbereich der Düsennadel von der zylindrischen Sitzgeometrie zu nicht zylindrischen Geometrien, z.B. einer Doppelkegel-Geometrie zu wechseln. Dieser Doppelkegel kann fertigungstechnisch jedoch im Regelfall lediglich auf ±50 μm, mit großem Aufwand auf ±20 μm genau gefertigt werden. Dies reicht jedoch nicht aus, eine geforderte Genauigkeit von ±1 % bei der Einstellung des Düsenöffnungsdruckes zu gewährleisten.

Bekannt ist aus der DE 100 27 181 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Sitzdurchmessers und damit der Druckstufe der Düse, wobei jedoch die Messgenauigkeit oberhalb ±1% liegt. Dies ist dadurch verursacht, dass einerseits bei dieser Methode die Düsennadel bewegt wird, so dass die dabei auftretende Reibung die Messung beeinflusst. Andererseits wird kurz vor dem Erreichen des Düsenöffnungsdruckes die Einspritzdüse bereits geringfügig undicht, so dass der Messwert geringfügig verfälscht wird. Weiterhin ist dieses Verfahren auch sehr anfällig gegenüber Druckstößen. Deshalb muss der Druck möglichst langsam hoch geregelt werden, was eine nachteilige Erhöhung der Messdauer dieses Verfahrens zur Folge hat.

Eine andere bekannte Methode zur Bestimmung der Druckstufe der Einspritzdüse besteht darin, den Sitzbereich optisch bzw. geometrisch genau zu vermessen. Jedoch wirken sich dabei verrundete Kanten und sonstige Toleranzen (z.B. Rauhigkeit, Rundlauf, Koaxialität, etc.) der Düsennadel, aber auch die Messgenauigkeit der Systeme (Messgenauigkeiten bei der Bestimmung von Durchmesser- und Längen, optische Auflösung, etc.) und Verschleißthemen (Brechen von Bezugskanten) so stark aus, dass die oben geforderte Genauigkeit nicht erreicht werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Schnarrprüfung, die jedoch in der Regel zur Bestimmung der Reibeigenschaften dient. Diese Methode könnte auch zur Bestimmung der Druckstufe modifiziert werden, wobei die dabei auftretende Reibung eine entscheidende, die Genauigkeit wahrscheinlich zu stark reduzierende Störgröße darstellen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere bei einer Dieseleinspritzdüse den Düsenöffnungsdruck mit einer Genauigkeit von etwa ±1 % einzustellen.

Erfindungsgemäß ist dies bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht. Die Messungen lassen sich in vergleichsweise kurzer Taktzeit durchführen und automatisieren, so dass eine Klassifizierung der Düsen und damit eine geeignete Zuordnung der klassifizierten Düsenfedern auf einfache Weise möglich ist. Die neue Messtechnik beruht auf dem Prinzip der „Auftriebskraft", die durch den Druck im Düseninneren und der Druckstufe entsteht. Hierbei ist es wichtig, dass die Düsennadel in den Ventilsitz gedrückt wird, damit zuverlässig lediglich die Druckstufe und nicht die gesamte projizierte Fläche der Düsennadel wirkt. Bei der neuen Messtechnik wird die Auftriebskraft gemessen, wobei die Düsennadel erfindungsgemäß nicht bewegt wird. Die erforderliche Spanneinrichtung ist dabei zur Einhaltung der Messgenauigkeit möglichst steif auszuführen.

Messtechnisch besonders einfach und schnell ist es, wenn als einer der beiden Prüfdrücke der Umgebungsdruck verwendet wird. Dann ergibt sich eine Prüfkraft unmittelbar als die durch die Spanneinheit eingestellte Zuhaltekraft; es muss also kein besonderer Prüfdruck eingestellt werden.

Alternativ dazu kann die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden, wenn eine echte Zweipunkt-Messung vorgenommen wird. Hierbei wird die Auftriebskraft bei zwei unterschiedlichen Prüfdrücken ermittelt, die beide größer sind als der Umgebungsdruck, und die für den Düsenöffnungsdruck verantwortliche Fläche der Druckstufe kann wieder aus dem Quotienten der jeweiligen Differenzen der gemessenen Prüfkräfte bzw. -drücke bestimmt werden (A = ΔF/Δp). Da die Druckstufe aus den Differenzen von zwei Messreihen bestimmt wird, können mögliche Störeinflüsse weitgehend aufgehoben werden.

Wichtig ist es erfindungsgemäß, zumindest eine ausreichend große Prüfkraft zu erzeugen, da die Größe der Prüfkräfte die Messgenauigkeit des Verfahrens entscheidend beeinflusst. Die aus den eingestellten Prüfdrücken resultierenden Prüfkräfte müssen dabei jedoch stets kleiner sein als die Zuhaltekraft der Spanneinrichtung, damit ein Öffnen des Ventils sicher ausgeschlossen ist. Die Bestimmung der Druckstufe erfolgt durch hydraulische Messungen, da die Durchführung pneumatischer Messungen aufgrund der hohen Drücke problematisch ist.

Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass die Zuhaltekraft etwa gleich der erwarteten Ventilfederkraft des untersuchten Einspritzventils gewählt wird, um die Druckstufe bei möglichst praxisnahen Bedingungen, also quasi im Arbeitpunkt, zu ermitteln.

Um einen einfachen Wechsel der Düsenkörper in der Spanneinrichtung und damit kurze Taktzeiten zu ermöglichen, kann die Spanneinrichtung bzw. der Halteblock zweiteilig ausgeführt sein. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Kraftsensor an der Spanneinrichtung gehalten ist.

Nachfolgend sind ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine dabei verwendete Anordnung beschrieben. Es zeigt die einzige Figur stark vereinfacht in einer Schnittdarstellung die Anordnung zur Einstellung des Düsenöffnungsdruckes bei einer Dieseleinspritzdüse.

Die Anordnung weist eine Spannzange 1 auf, in die ein Düsenkörper 3 mit einer Düsennadel 5 einer Einspritzdüse eingespannt ist. Dazu drückt eine Pressschraube 7 die Düsennadel 5 in den Nadelsitz und verschließt eine Düsenöffnung 9. Zwischen der Pressschraube 7 und der Düsennadel 5 ist ein Kraftsensor 11 angeordnet. In der Spannzange 1 ist ein Druckfluidkanal 13 vorgesehen, der mit der im Düsenkörper 3 ausgebildeten Fluidleitung in Verbindung steht. An den Druckfluidkanal 13 ist eine fein geregelte Druckversorgungseinheit mit Präzisionsdrucksensor angeschlossen (nicht gezeigt). Bei der in der Figur vereinfacht dargestellten Ventilgeometrie würde sich eine Druckstufe A aus den Durchmessern d, D zu A = n/4·(D² – d²) ergeben. Bei im Sitzbereich der Düsennadel 5 vorhandenen komplexeren Geometrien, wie z.B. einer Doppelkegel-Geometrie sind die Größen D und d nicht mehr ausreichend genau zu ermitteln. Deshalb ist die Festlegung eines Düsenöffnungsdruckes pD bzw. einer entsprechenden Ventilfederkraft Fv über die Beziehung Fv = A·pD nicht mehr ausreichend genau möglich.

Zur Ermittlung des Düsenöffnungsdruckes wird deshalb bei der Anordnung gemäß Figur die Ventilnadel 5 in der Spannzange 1 mit einer Zuhaltekraft Fz gegen den Ventilsitz gepresst und diese Zuhaltekraft bei Umgebungsdruck pU gemessen. Anschließend wird ein Prüfdruck p1 angelegt, wobei gilt p1 > pU. Die daraus resultierende Prüfkraft F1 wird mittels des Kraftsensors 11 gemessen. Die Druckstufe ergibt sich nun bei dem Umgebungsdruck pU zu A = (F1 – Fv)/(p1 – pU).

Die auszuwählende Ventilfederkraft Fv kann aus dem gewünschten Düsenöffnungsdruck pD wieder über die Beziehung Fv = A·pDberechnet und eine entsprechende Düsenfeder bereitgestellt und in die Einspritzdüse eingebaut werden. Typische Werte sind dabei 80–500 bar für den Düsenöffnungsdruck pD und Druckstufen A mit einem Führungsdurchmesser von 3,5–6 mm sowie einem Sitzdurchmesser von 1,5–3 mm.

Zur Verringerung bzw. Kompensation insbesondere additiver Störgrößen kann das Verfahren auch mit zwei unterschiedlichen Prüfdrücken p1, p2 durchgeführt werden, die jeweils größer sind als der Umgebungsdruck pU. Es wird die jeweils resultierende Kraft F1, F2 gemessen und die Druckstufe ergibt sich entsprechend zu A = (F1 – F2)/(p1 – p2).

Dabei gilt beispielsweise p2 = p1/2, wobei stets einzuhalten ist, dass die aus dem ersten Prüfdruck p1 resultierende Prüfkraft F1 möglichst nahe am absoluten Wert der Zuhaltekraft Fz liegt. Ein Öffnen des Ventils ist jedoch sicher auszuschließen, um kurz vor dem Öffnen einsetzende Leckströme sicher ausschließen zu können. Nach den beiden Messungen wird zunächst der Prüfdruck p2 abgeschaltet, der Düsenkörper 3 aus der Spannzange 1 entnommen und für die nächste Messreihe wieder ein neuer Düsenköper mit Ventilnadel eingespannt.

Entscheidend beim erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Anordnung ist, dass der Düsenkörper 3 stets in einer Einheit gehalten ist, die keine federnde Wirkung aufweist. Damit können ohne Messfehler die tatsächlich auftretenden Kräfte exakt bestimmt werden. Zudem ist es wichtig, dass die Auflagefläche der Düse im Öffnungsbereich, die Stirnfläche der Pressschraube 7 sowie die Stirnflächen des Kraftsensors 11 möglichst planparallel zueinander gefertigt und angeordnet sind, um möglichst lediglich Kräfte in Axialrichtung zu erzeugen und zu messen. Entsprechend soll auch die Führung der Pressschraube 7 in der Spannzange 1 möglichst exakt senkrecht zu den vorgenannten Flächen angeordnet sein. Die Zuhaltekraft Fz der Düsennadel 5 darf nicht zu groß gewählt werden, da das radiale Führungsspiel zwischen der Düsennadel 5 und dem Düsenkörper 3 im Bereich von ± 0,5–2 μm liegt; eine Stauchung der Düsennadel 5 könnte schnell zu einer erhöhten Reibung zwischen der Düsennadel und dem -körper im Bereich der Führung oder gar zu einem Klemmen der Nadel führen. Die Zuhaltekraft Fz muss jedoch auch so groß gewählt werden, dass trotz Dehnung bzw. Stauchung der Nadel durch den angelegten Prüfdruck die Düse im Nadelsitz zuverlässig geschlossen bleibt. Um einen schnellen Wechsel der verschiedenen Ventilkörper zur Erreichung kurzer Taktzeiten des Messverfahrens zu ermöglichen, kann die Einspannvorrichtung zweigeteilt ausgebildet sein.

Anwendbar ist das erfindungsgemäße Verfahren stets dann, wenn eine präzise Bestimmung einer Druckstufe bzw. eines Öffnungsdruckes notwendig ist und eine andere Messtechnik nicht die erforderliche Genauigkeit ermöglicht (z.B. Diesel-DI-Düsen und -Ventile, Otto-DI-Düsen und -Ventile).

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Düsenöffnungsdruckes (pD) insbesondere bei einer Dieseleinspritzdüse mit einer Düsennadel (5) und einer Druckstufe (A), wobei die Düsennadel gegen den Ventilsitz mit einer Zuhaltekraft (Fz) gepresst wird, anschließend bei zwei unterschiedlichen an die Einspritzdüse gelegten Prüfdrücken (pU, p1, p2) die auf die Düsennadel wirkenden Prüfkräfte (Fz, F1, F2) gemessen werden, wobei aus den Differenzen der Prüfkräfte und der Prüfdrücke die Druckstufe (A) ermittelt wird, und zuletzt entsprechend dem gewünschten Düsenöffnungsdruck (pD) über die Druckstufe (A) eine Düsenfeder mit einer geeigneten Ventilfederkraft (Fv) ermittelt wird, wobei die aus dem Prüfdruck (p1, p2) resultierende Prüfkraft (F1, F2) kleiner gewählt ist als die Zuhaltekraft (Fz).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als einer der beiden Prüfdrücke der Umgebungsdruck (pU) verwendet wird, und dass die Zuhaltekraft (Fz) als eine Prüfkraft gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prüfdrücke (p1, p2) größer sind als der Umgebungsdruck (pU).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegten Prüfdrücke (p1, p2) sich etwa um den Faktor 2 unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Prüfdruck (p1) resultierende Prüfkraft (F1) zumindest etwa 80–90 % der Zuhaltekraft (Fz) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuhaltekraft (Fz) etwa gleich der erwarteten Ventilfederkraft (Fv) gewählt wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüchen mit einer Spanneinrichtung (1, 7), die die Ventilnadel (5) in den Ventilsitz presst, mit einer Druckeinheit zum Anlegen eines Prüfdruckes (p1, p2) an das Einspritzventil, und mit einem Kraftsensor (11) zur Messung der auf die Ventilnadel (5) jeweils wirkenden Kräfte (Fv, F1, F2), wobei die aus dem Prüfdruck (p1, p2) resultierende Prüfkraft (F1, F2) kleiner gewählt ist als die Zuhaltekraft (Fz).
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (11) an der Spanneinrichtung (1, 7) gehalten ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckfluidkanal (13) in der Spanneinrichtung (1) ausgebildet ist.