DE10031203C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Einspritzventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Einspritzventilen.

Die Dichtheit der Einspritzventile ist eine wesentliche Vor­ raussetzung für die Funktionstüchtigkeit des Dieselmotors. Dies gilt insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme, die im Gegensatz zu Systemen mit periodischem Druckaufbau perma­ nent unter dem jeweiligen Spitzendruck stehen. Undichte Ein­ spritzventile bedingen erhöhten Kraftstoffverbrauch und hohe Abgasemissionen und können zu Motorschäden durch "Diesel­ schlag" führen. Deshalb ist eine Dichtheitsprüfung der Ein­ spritzventile dringend erforderlich.

Die Dichtheitsprüfung wurde bisher hydraulisch vorgenommen. Dabei wird das Einspritzventil an einen Düsenfederhalter bzw. einen Injektor montiert und an eine regelbare Druckölversor­ gung angeschlossen. Nach Ermittlung des Öffnungsdrucks des Einspritzventils wird dessen hydraulische Leckage bei Drücken bestimmt, die unterhalb des Öffnungsdrucks liegen. Bei der Bestimmung der Leckagemenge wird die Anzahl der Tropfen ge­ zählt, die pro Minute von der Düsenspitze abfallen.

Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe, durch den Öff­ nungsdruck vorgegebene Prüfdruck. Dieser erfordert eine feinst bearbeitete Dichtfläche am Einspritzventilkörper, die bei der für das Dichtsein erforderlichen hohen Flächenpres­ sung empfindlich gegen Verunreinigungen ist. Außerdem sind das Abdichten und eine Automatisierung, so wie das Tropfen­ zählen umständlich und zeitaufwendig.

Die DE 33 15 503 C1 beschreibt eine Testeinrichtung für Hoch­ druckeinspritzventile, bei der die Funktionsweise eines Ein­ spritzventils über ein Testöl überprüft wird. Das Testöl wird dabei von einer Gasdruckquelle mit Zulauf zum Einspritzventil dekodiert.

Die DE 37 25 052 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Ermittlung der Leckluftmenge von Einspritzventilen. Dabei wird ein elektrisch ansteuerbares Einspritzventil im Kraftstoffzulauf mit Druckluft versorgt. Die Austrittsöffnungen des Einspritz­ ventils sind mit einer Messkammer und einem Messglas verbun­ den. Bei der Prüfung der Dichtheit des Dichtsitzes des Ein­ spritzventils wird die Druckluft über den Kraftstoffzulauf in das Einspritzventil gedrückt und die über die Austrittsöff­ nung entweichende Druckluftmenge erfasst.

Aus der WO 98/24014 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung und/oder Einstellung von Ventilen bekannt, bei der ein Einspritzventil über die Einspritzöffnung mit einem gas­ förmigen Medium beaufschlagt wird. Das Einspritzventil wird über einen Elektromagneten angesteuert und der Durchfluss des gasförmigen Mediums bei geöffnetem Einspritzventil gemessen.

Aus der DE 31 20 044 C2 ist eine Kraftstoff­ einspritzdüse für Brennkraftmaschinen bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur pneumatischen Dichtheitsprüfung bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise eine bessere Überprüfung der Dichtung möglich ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6.

Der Vorteil der pneumatischen Dichtheitsprüfung liegt in der geringeren Viskosität des Prüfgases im Vergleich zum Prüföl. Das Prüfgas hat bei Undichtheit des Einspritzventils trotz eines gegenüber dem Prüföldruck niedrigen Prüfdrucks einen wesentlich größeren Volumenstrom zur Folge. Dadurch wird die Messempfindlichkeit erhöht und die Taktzeit bei einer serien­ mäßigen Überprüfung der Dichtheit reduziert. Außerdem wird die Gefahr einer Beschädigung der Dichtfläche des Ventilkör­ pers verringert, da die Dichtfläche zum Abdichten des An­ schlusses des Kraftstoffzulaufs nur eine geringe Flächenpres­ sung einer Gummidichtung erfährt.

Da die Dichtheitsprüfung durch pneumatisches Erzeugen einer Schließkraft F_S als Differenz einer den Ventilsitz belasten­ den Druckkraft F_L und einer die Druckstufe belastenden Gegen­ kraft F_N2 sowie durch objektives Messen des dabei auftreten­ den Leckagestroms erfolgt, ist ein einfaches Handling mit kurzen Messzeiten ermöglicht. Außerdem ist eine Reihe zu der Schließkraft problemlos zu verwirklichen. Die Messung des Leckagestroms verläuft unabhängig von den Messenden und er­ reicht dadurch exakte, reproduzierbare Ergebnisse.

Die Variation der Schließkraft F_S ist z. B. dadurch möglich, dass die den Ventilsitz belastende Kraft F_L durch einen ein­ stellbaren Gasdruck p_L und die die Druckstufe belastende Kraft F_N2 durch einen konstanten Gasdruck p_N2 erzeugt werden.

Die Dichtheit eines Einspritzventils und damit der Leckage­ strom hängen stark von der Schließkraft F_S ab. Bei höherer Schließkraft F_S tritt kein oder ein nur geringer Leckagestrom auf. Dieser steigt zunächst bei Reduzierung der Schließkraft F_S leicht und bei Annäherung an deren Nullwert exponentiell an. Diese Abhängigkeit ist bei allen Einspritzventilen prin­ zipiell gleich. Es gibt demnach keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen dichten und undichten Einspritzventilen. Je niedriger die Schließkraft F_S ist, desto mehr divergieren die Messwerte der einzelnen Einspritzventile. Die für die Dicht­ heitsprüfung optimale Schließkraft F_S ist die, bei der sich die Leckageströme der einzelnen Einspritzventile hinreichend unterscheiden, aber sich noch innerhalb des Messbereichs ei­ nes Leckagemessgeräts befinden.

Der bei der optimalen Schließkraft F_S noch zulässige Leckage­ strom ist durch Motormesswerte (z. B. Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission) empirisch festgelegt.

Eine erhebliche Vereinfachung und Verkürzung der Dichtheits­ prüfung der Einspritzventile wird dadurch erreicht, dass die Dichtheitsprüfung des Ventilsitzes und eine Messung der Na­ delführungsleckage in nur einer Anlage durchgeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 besteht darin, dass die Ventilna­ del von der Kraft F_L eines in einem Pneumatikzylinder ange­ ordneten Pneumatikkolbens beaufschlagbar und der Kraftstoff­ zulauf mit einer Druckgasquelle N₂ verbindbar ist, während die Düsenöffnungen mit einem Dichtheitsmessgerät in Strö­ mungsverbindungen stehen. Auf diese Weise kann die Belastung der Ventilnadel und damit die Schließkraft F_S rasch und ein­ fach variiert werden. Die Leckagemessung mittels Dichtheits­ messgeräts führt zu exakten und rasch verfügbaren Messwerten.

Es ist von Vorteil, dass die Druckgasquelle N₂ ein Stick­ stoffbehälter ist, dessen Druck über einen Druckminderer auf vorzugsweise 20 bar reduziert ist. Flaschenstickstoff bietet den Vorteil, dass sein Feuchtigkeitsgehalt nahezu 0 und der Druck ausreichend hoch ist, um dessen reduzierten Wert über längere Zeit konstant zu halten. Der gewählte Wert von 20 bar ist ausreichend, um bei Undichtheit einen für die Volumenmes­ sung hinreichend großen Volumenstrom zu erzeugen.

Dadurch, dass der Pneumatikzylinder mit Druckluft L von vari­ ierbaren Druck p_L beaufschlagbar ist, kann die Belastung, der Ventilnadel und damit die Schließkraft frei gewählt werden.

Das Differenzdruckmessgerät liefert auch bei kleinen Leckage­ strömen genaue Messwerte. Der sich dabei einstellende Ge­ gendruck ist, bezogen auf den Prüfdruck, vernachlässigbar klein und beeinflusst das Messergebnis nicht.

In der einzigen Figur ist eine Prüfvorrichtung für die Dichtheit eines Einspritzventil nach der Erfindung schematisch dargestellt.

Die einzige Figur zeigt einen Prüfstand für die Dichtheits­ prüfung von Einspritzventilen. Dieser weist eine Einspannvor­ richtung 1 auf, in die das zu prüfende Einspritzventil 2 ein­ gespannt wird. Außerdem ist eine Druckluftversorgung mit Druckluft L von einstellbarer Druckhöhe p_L und eine Prüfgas­ versorgung mit Druckstickstoff N₂ mit konstanter Druckhöhe p_N2 von 20 bar vorgesehen. Druckstickstoff wird wegen seines ge­ ringen Feuchtigkeitsgehalts verwendet, um Korrosion im zu prüfenden Einspritzventil zu verhindern.

Mit der Druckluft L wird der Pneumatikkolben 3 eines Pneuma­ tikzylinders 4 beaufschlagt. Aus dem Produkt der Druckhöhe p_L und der Kolbenfläche A des Pneumatikkolbens 3 wird die Druck­ kraft F_L gebildet, mit der eine in einem Ventilkörper 5 ge­ führte Ventilnadel 6 auf einen Ventilsitz 7 gedrückt wird, wobei Düsenöffnungen 8 abgedichtet werden.

Die Zufuhr von Druckstickstoff N₂ in das Einspritzventil 2 erfolgt über einen Kraftstoffzulauf 9. Der Druck p_N2 des Druckstickstoffs N₂ lastet auf der Fläche A_D der Druckstufe 10 der Ventilnadel 6. Das Produkt des Drucks p_N2 und der Flä­ che A_D führt zu der auf der Druckstufe 10 wirkenden Gegen­ kraft F_N2, die die Druckkraft F_L zur Schließkraft F_S reduziert. Die Schließkraft F_S bewirkt das Schließen des Ventil­ sitzes 7 des Einspritzventils 2.

Bei undichtem Ventilsitz 7 gelangt der am Ventilsitz 7 mit dem Prüfdruck p_N2 anliegende Druckstickstoff N₂ durch die Dü­ senöffnungen 8 zu einem Dichtheitsmessgerät 11. Dieses ist als Differenzdruckmessgerät ausgebildet. Da dessen Druckan­ stieg während der Dichtheitsmessung minimal ist, bleibt das der Dichtheitsprüfung zugrundeliegende Druckgefälle praktisch konstant.

Die Vorrichtung nach der Erfindung funktioniert folgendermaßen:
Nach Einspannen des Prüflings in die Einspannvorrichtung 1 wird die Ventilnadel 6 durch den Pneumatikkolben 3 des Pneu­ matikzylinders 4 auf den Ventilsitz 7 gedrückt. Aufgrund der Größe der Fläche A des Pneumatikkolbens 3 und der Fläche A_D der Druckstufe 10 des Einspritzventils 2 besteht Gleichge­ wicht zwischen der auf dem Pneumatikkolben 3 wirkenden Kraft F_L und der auf die Druckstufen wirkenden Kraft F_N2 bei einem vorgebbaren Luftdruck p_L und einem Prüfdruck p_N2 im Bereich von 20 bar. In diesem Fall ist die Schließkraft F_S = 0. Da die Leckageströme kurz vor dem Öffnen des Einspritzventils besonders groß sind und dadurch eine gute Unterscheidung der einzelnen Prüflinge ermöglichen, ist der Luftdruck p_L auf 0,8 bar festgelegt. Nach Aufbringen des Prüfdrucks p_N2 von 20 bar wird der Leckagestrom mit dem Dichtheitsmessgerät 11 gemes­ sen. Liegt dieser unter einem vorgegebenen Grenzwert pro Mi­ nute, wird das Einspritzventil 2 als dicht erklärt, liegt er über dem vorgegebenen Grenzwert pro Minute, gilt das Ein­ spritzventil 2 als undicht.

Das Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Ein­ spritzventilen nach der Erfindung ist einfach zu handhaben, liefert schnell ge­ naue Ergebnisse und schont den Prüfling und ist einfach zu automatisieren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Einspritzventils (2), mit einem Ventilkörper (5), in dem eine Ventilnadel (6) dichtend geführt und ein Kraftstoffzulauf (9) vorgesehen sind, wobei die Ventilnadel (6) eine Druckstufe (10) und der Ventilkörper (5) einen Ventilsitz (7) aufweist, der Düsenöff­ nungen (8) beherrscht, wobei die Dichtheitsprüfung pneumatisch erfolgt, und wobei pneumatisch eine Schließkraft (F_S) als Differenz einer den Ventilsitz (7) belastenden Druckkraft (F_L) und einer die Druckstufe (10) belastenden Gegenkraft (F_N2) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auftretender Leckagestrom gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ventilsitz (7) belastende Kraft (F_L) durch einen ein­ stellbaren Gasdruck (p_L) und die die Druckstufe (10) be­ lastende Gegenkraft (F_N2) durch einen konstanten Gasdruck (p_N2) erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung der für die Dichtheitsprüfung optimalen Schließkraft (F_S) und des dabei zulässigen Leckagestroms em­ pirisch erfolgen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtheitsprüfung des Ventilsitzes (7) und einer Messung der Nadelführungsleckage in nur einer Anlage durchgeführt werden.

6. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Einspritzventil (2), dass einen Ventilkörper (5) auf­ weist, in dem eine Ventilnadel (6) dichtend geführt und ein Kraftstoffzulauf (9) vorgesehen sind, wobei die Ventilnadel (6) eine Druckstufe (10) und der Ventilkörper (5) einen Ven­ tilsitz (7) aufweist, der Düsenöffnungen (8) beherrscht, wo­ bei weiter die Ventilnadel (6) von der Kraft (F_L) eines in einem Pneumatikzylinder (4) angeordneten Pneumatikkolbens (3) beaufschlagbar ist und der Kraftstoffzulauf (9) mit einer Druckgasquelle (N₂) verbindbar ist, während die Düsenöffnun­ gen (8) mit einem Dichtheitsmessgerät (11) in Strömungsver­ bindungen stehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasquelle (N₂) ein Stickstoffbehälter ist, des­ sen Druck über einen Druckminderer vorzugsweise auf einen Prüfdruck (p_N2) von 20 bar reduziert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pneumatikzylinder (4) mit Druckluft (L) von variier­ barem Druck (p_L) beaufschlagbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtheitsmessgerät (11) vorzugsweise ein Differenz­ druckmessgerät ist.