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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebsbereitmachen eines
Einspritzventils für
eine Verbrennungskraftmaschine, das bei einer Inbetriebnahme zunächst mindestens
teilweise mit Luft gefüllt ist.
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Die
Erfindung ist insbesondere wichtig bei Common-Rail-Injektoren. Ein
derartiger Injektor, der selbst keine Druckerhöhung bewirkt, sondern mit dem
zum Einspritzen in den Motor, insbesondere Dieselmotor, unter Druck
stehenden Kraftstoff unmittelbar versorgt wird, reagiert sensibel
auf Luftbestandteile in dem von dem Injektor verarbeiteten Mediums.
Bei diesem Medium handelt es sich im Falle eines betriebsbereiten
Dieselmotors um Dieselkraftstoff, wogegen es sich bei dem Prüfmedium
bei der Messung und Prüfung
des Injektors im Prüffeld üblicherweise
nicht um Dieselkraftstoff handelt, sondern um ein hydraulisch ähnliches
Material das vorzugsweise nicht brennbar ist. Lufteinschlüsse im Injektor, die
bei der Füllung
mit Medium vor Inbetriebnahme vorhanden sind, müssen über den Volumenstrom der Rücklaufmenge
des Mediums, die sich während
des normalen Betriebs z. B. aus Leckagemengen und/oder aus der Betätigung eines
Steuerventils ergibt, zu einem Niederdruckanschluss (Leckageanschluss)
des Injektors hin ausgespült
werden.
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Die
gasförmig
vorhandene Luft weist eine sehr viel größere Kompressibilität als das
flüssige Medium
auf, und hierdurch wird das dynamische Dämpfungsverhalten im Injektor,
insbesondere in einem Magnetventil, unreproduzierbar beeinflusst
und wirkt sich direkt auf die Einspritzmenge aus. Hierdurch sind
im Prüffeld
Messungen erschwert. Bei einem betriebsbereiten Fahrzeug mit Dieselmotor,
bei dem beispielsweise gerade ein Injektor in der Werkstatt ausgetauscht
worden ist und erstmals mit Dieseltreibstoff gefüllt wird, führt die vorhandene gasförmige Luft
ebenfalls zu unreproduzierbaren Einspritzvorgängen, was für kurze Zeit ein unkomfortables Fahrgefühl und Nichteinhaltung
der geforderten Abgaswerte zur Folge haben kann. Im Medium enthaltene
gelöste
Luft wird im vorliegenden Anwendungsfall als nicht störend angesehen,
solange die Luft während
des gesamten Betriebszustandes des Injektors gelöst bleibt und nicht gasförmig wird.
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Bei
dem genannten Magnetventil kann es sich insbesondere um ein Steuerventil
handeln, das über
eine Abflussdrossel das Abströmen
von Medium aus einer Steuerkammer eines hubgesteuerten Injektors
freigibt, um einen Einspritzvorgang zu veranlassen, und sperrt,
um den Einspritzvorgang zu beenden. Verschiedene bewegliche und
unbewegliche Teile des Magnetventils (siehe z. B. 2:
Anker, mindestens eine Feder, zu betätigendes Verschlusselement
für die
Freigabe des Ausströmens;
unbewegliche Führung
des Ankers) sind in einem Funktionsraum angeordnet. Der genannte
Funktionsraum und die in ihm enthaltenen Teile des Steuerventils weisen
zahlreiche Kanten und Vorsprünge
auf, die dazu tendieren, Luftblasen, sofern sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten,
festzuhalten, so dass es erhebliche Zeit (viele Sekunden bis etwa
1 Minute) im normalen Betrieb dauern kann, bis dieser Funktionsraum
nur noch so wenig Luft im gasförmigen
Zustand enthält,
dass praktisch keine Störung
der Funktion des Verbrennungsmotors, beziehungsweise bei der Messung,
erfolgt.
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Der
Funktionsraum steht mit einem Niederdruckanschluss des Injektors
im Allgemeinen unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung besonderer
Absperrorgane, in Verbindung. Beim Betrieb des Injektors bei Umgebungsdruck,
der vereinfachend als 1 bar (absolut) beziehungsweise 0 bar (relativ) angesehen
wird, wird bei Verbrennungsmotoren häufig am Niederdruckanschluss
zumindest ein geringer Überdruck
(zum Beispiel 0,5 bar) gegenüber
dem Umgebungsdruck aufrecht erhalten, um das Leerlaufen von Leckageleitungen
zu verhindern. Es gibt Verbrennungskraftanlagen, bei denen im Betrieb
ein erheblich größerer Druck
(beispielsweise 10 bar) am Niederdruckanschluss des Injektors herrscht,
z. B. bei Injektoren, deren Steuerventil von einem Piezoaktor vorzugsweise über einen
hydraulischen Koppler betätigt
wird. Auch bei einem derartigen Injektor kann es vorteilhaft sein,
ihn mit der Erfindung luftfrei zu machen.
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Aus
der
DE 101 61 852
A1 ist ein Verfahren zum Betriebsbereitmachen eines Common
Rail und der daran angeschlossenen Injektoren für eine Verbrennungskraftmaschine
bekannt, wobei das Common Rail und daher auch die daran angeschlossenen Injektoren
bei einer Inbetriebnahme zunächst
mindestens teilweise mit Luft gefüllt sind und dem Common Rail
und daher auch den Injektoren ein flüssiges Medium, nämlich Kraftstoff
aus einem Tank, unter Hochdruck über
einen für
die Kraftstoffzufuhr üblichen
Hochdruckanschluss jedes Injektors zugeführt wird. Im Ausführungsbeispiel
der
1 wird eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff aus
dem Tank gespült
und damit gekühlt.
Im Ausführungsbeispiel
der
2 wird zusätzlich
auch noch das Common Rail mit Kraftstoff aus dem Tank gespült, wodurch
den Injektoren über
ihren für
die Kraftstoffzufuhr üblichen Hochdruckanschluss
ebenfalls Kraftstoff zugeführt werden
kann.
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Aus
der
US 2 580 696 A ist
ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem zum Betriebsbereitmachen
und Füllen
eines Einspritzventils mit Kraftstoff ein Niederdruckanschluss des
Einspritzventils und damit auch ein offensichtlich vorhandener,
niederdruckseitiger Innenraum des Einspritzventils mit Unterdruck
beaufschlagt werden. Die Kraftstoffzufuhr zum Einspritzventil erfolgt
dabei durch den Hochdruckanschluss des Einspitzventils, wodurch
auch das im Innenraum vorhandene Medium unter dem Unterdruck über den
Niederdruckanschluss ausgespült
wird. Eine Kraftstoffzufuhr unter Hochdruck erfolgt nicht, da die
Kraftstoffpumpe beim Betriebsbereitmachen mit einem Bypass umgangen
wird und die Kraftstoffpumpe während
des Spülens
des Einspritzventils nicht betrieben wird.*
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebsbereitschaft des
Injektors trotz innerhalb von diesem im flüssigen Medium enthaltener gasförmiger Luft,
also bei einer pneumatisch/hydraulischen Füllung des Injektors, rasch
herbeizuführen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
bewirkt, dass die gasförmige
Luft wegen der Druckabsenkung so große Luftblasen bildet, dass diese
sich nicht an Vorsprüngen
irgendwelcher Art im Injektor bleibend verfangen können. Dadurch
wird die Luft weitest gehend entfernt, und es wird ein eindeutig
reproduzierbarer Füllungszustand
des Injektors bei der Prüfung
im Prüffeld
oder beim Betrieb in einem Kraftfahrzeug rasch erreicht.
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Die
Druckabsenkung soll nicht so stark sein, dass der Dampfdruck des
flüssigen
Mediums oder von Teilen von diesem erreicht oder unterschritten wird.
Das rasche Abführen
der mit Gasblasen angereicherten Rücklaufmenge kann durch Wegspülen mit
luftfreiem Medium unter gegenüber
dem Common Rail Druck erheblich niedrigerem Druck beschleunigt werden.
Beim Kraftfahrzeug kann es sich bei diesem Medium um direkt aus
dem Kraftstofftank stammenden Kraftstoff handeln.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nach Patentanspruch 5 weist Einrichtungen zum Anschließen eines
Injektors an eine Quelle hohen Drucks des Mediums und an einen Unterdruckanschluss
auf. Vorteilhaft ist eine Steuervorrichtung mit Steueranschlüssen von
Schaltventilen und weiter vorteilhaft mit einer Ansteuerschaltung
für das Öffnen und Schließen der
Einspritzöffnungen
des Injektors gekoppelt.
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Zeichnung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Anordnung, mit der eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgeführt
werden kann, ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
hydraulisches Prinzipschaltbild der Anordnung zum Entfernen von
Lufteinschlüssen
aus einem Common Rail Injektor, wobei diese Anordnung sowohl im
Prüffeld
eingesetzt wird bei Erstinbetriebnahme des Einspritzsystems beim
Automobilhersteller, oder auch in einem gut ausgerüsteten Reparaturbetrieb
der Kraftfahrzeugtechnik vorhanden sein kann,
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2 einen
Längsschnitt
durch einen bekannten hubgesteuerten Injektor für Dieselkraftstoff mit einem
Magnetventil, das über
eine Ablaufdrossel den Druck in einer Steuerkammer zwecks Betätigung eines
Ventilkolbens zum Öffnen
und Schließen
von Einspritzöffnungen
steuert; und
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3 ein
Zeitdiagramm der Ansteuerung der Ventile V1 bis V4.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die
in 1 gezeigte Anordnung 1 zeigt schematisch
einen in der Anordnung montierten Injektor 2 für Common-Rail-Betrieb
mit einem Hochdruckanschluss 3 für das flüssige Prüfmedium, das frei von gasförmiger Luft
ist. Dieses kann von einem Anschluss 5, an dem das Prüfmedium
unter hohem Druck zur Verfügung
steht, über
eine Rohrleitung 6 zugeführt werden. Der Injektor 2 ist
im Prüffeld
im völlig
leeren, das heißt
nur mit Luft gefüllten
Zustand in die gezeigte Anordnung 1 eingesetzt worden,
oder auch mit Mischbefüllung
(Luft und Prüfmedium),
z. B. bei Wiederholprüfungen.
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Der
Injektor hat im Beispiel einen Anschluss 7 für eine elektrische
Ansteuerung eines magnetischen Steuerventils 8, das bei
Ansteuerung über
eine Ablaufdrossel 9 den Druck in einer Steuerkammer 10 (2)
verringert, um das Öffnen
von Einspritzöffnungen 11 mittels
eines Ventilkolbens 12 zu steuern.
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Leckmengen,
je nach Ausbildung des Injektors auch eine betriebsmäßig anfallende
größere Rücklaufmenge
des Injektors fließen über einen
Anschluss 13 (Niederdruckanschluss, Leckageanschluss) des
Injektors ab. Im Beispiel ist dieser Anschluss nicht unmittelbar
an eine beispielsweise zur Rückleitung
in den Kraftstofftank dienende Rohrleitung angeschlossen, sondern
an einen Adaptionskopf 14, der ermöglicht, den Anschluss 13 mit
anderen Anschlüssen
der Anordnung zu verbinden.
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Hierzu
gehören
eine Vakuumpumpe 16, die über eine Rohrleitung 17 und
eine Rohrverzweigung 18 mit einer mit dem Adaptionskopf
verbundenen Rohrleitung 19 in Verbindung steht; außerdem ein Behälter 20 zur
Aufnahme der genannten Rücklaufmenge,
der über
eine Rohrleitung 21 mit der Rohrverzweigung 18 in
Verbindung steht. Ferner ist ein Niederdruckanschluss 22 für ein Niederdruck-Medium, hier als
Spülmedium
bezeichnet, vorgesehen, das über
eine Rohrleitung 24 und eine Drossel 25 einem der
Rohrleitung 19 gegenüberliegenden
Anschluss des Adaptionskopfs 14 zugeführt wird. Dadurch kann das
Spülmedium
Luftblasen 30, die aus dem Injektor 2 in den Adaptionskopf 14 gelangen,
in Richtung nach links in der Zeichnung ausspülen. Die Funktion der ganzen
Anordnung wird durch Schaltventile gesteuert, und zwar ein Schaltventil
V1 in der Leitung 17, ein Schaltventil V2 in der Leitung 24,
ein Schaltventil V3 in der Leitung 21 und ein Schaltventil
V4 in der Leitung 6. Elektrische Steueranschlüsse der Schaltventile
sind mit einer Steuervorrichtung verbunden, die den Ablauf des Verfahrens
steuert.
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Anhand
von den in 3 angezeigten Kurvenverläufen, die
mit ihrer Grundlinie den geschlossenen und mit ihrer oberhalb der
Grundlinie verlaufenden Linie jeweils den geöffneten Zustand des zugeordneten
Schaltventils bezeichnen, wird der Funktionsablauf erläutert.
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Zunächst sind
alle Schaltventile V1 bis V4 gesperrt. Dann werden die Schaltventile
V1 und V4 geöffnet,
das heißt,
es wird Unterdruck an die Anordnung gelegt, und gleichzeitig wird
Medium unter dem hohen Druck (zum Beispiel 1600 bar bei einem üblichen
Injektor) dem Anschluss 3 des Injektors 2 zugeführt.
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Der
von der Vakuumpumpe 16 erzeugte Unterdruck wirkt über den
Adaptionskopf 14 an dem Anschluss 13 des Injektors
und auch auf dessen hydraulisches Innenvolumen, soweit es mit dem
Anschluss 13 in Verbindung steht, insbesondere auf den Raum,
in dem sich das Steuerventil befindet. Gleichzeitig saugt das Vakuum über die
Rohrleitungen 17 und 19, den Adaptionskopf 14 und
den Anschluss 13 Prüfmedium
aus dem Injektor ab, wobei hier zunächst beim ersten Vorgang möglicherweise
noch sehr viel nicht in Form von Blasen vorhandene Luft vorhanden
sein mag. Etwaige ursprünglich
vorhandene Luftblasen haben sich durch das Vakuum gegenüber dem
ursprünglichen
Zustand vergrößert, (bei
Verringerung des Drucks z. B. von 1 bar auf 0,1 bar etwa im Durchmesser
verdoppelt), und können sich
nun nicht mehr so leicht an irgendwelchen Vorsprüngen verfangen, so dass sie
durch die ständige produzierte
Rücklaufmenge
des Injektors ausgespült werden.
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Dem
elektrischen Anschluss 7 wird über eine mit der genannten
Steuervorrichtung gekoppelte Ansteuerschaltung 7' ein Ansteuersignal
zugeführt,
das den Injektor im Beispiel in der beim Betrieb eines Verbrennungsmotors üblichen
Weise ansteuert, im Beispiel mit 1000 elektrischen Impulsen pro
Minute, so dass das Steuerventil 8 pro Minute 1000 Öffnungs- und
Schließvorgänge ausführt. (Dies
ist sehr viel schneller als z. B. die Schaltfrequenz des Steuerventils 2.)
Während
dieser Zeit fließt
durch den Anschluss 13 Leckagefluid und Steuerfluid, das
beim Hub des Ventilkolbens 12 anfällt, aus und spült in Folge
des vorhandenen Unterdrucks im Bereich des Steuerventils Luftblasen,
die gegenüber
dem Normalbetrieb vergrößert sind,
aus. Die ausgespülten Luftblasen
gelangen in den Adapterkopf 14 und werden dort bei einer bevorzugten
Ausführungsform
des Verfahrens durch Spülmedium,
das von dem Ventil V2 in dem gezeigten Beispiel insgesamt 3 Mal
freigegeben wird, aus dem Adaptionskopf ausgespült, wodurch das Entfernen von
Luft aus der Nähe
des Injektors unterstützt
wird.
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Die
Vakuumpumpe 16 ist zwecks einfacher Handhabung der Anlage
so ausgebildet, dass sie sowohl Luft als auch anfallendes Medium
oder Kraftstoff absaugt. Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens
und der Vorrichtung saugt die Vakuumpumpe 16 lediglich
Luft an; das durch die Leitung 17 im Beispiel vertikal
nach oben strömende
Gemisch aus Luftblasen und flüssigem
Medium gelangt, noch immer unter Vakuum, von oben her in einen Auffangbehälter, wo
das flüssige
Medium sich sammelt, und die Vakuumpumpe ist oberhalb des Auffangbehälters angeschlossen
und kommt somit nicht in Berührung mit
dem flüssigen
Medium. Der genannte Auffangbehälter
muss von Zeit zu Zeit entleert werden.
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Nachdem
die geschilderte Anordnung 1, wie soeben beschrieben, beispielsweise
einige Sekunden in Betrieb war, ist das Schaltventil V1 (Vakuum) inzwischen
wieder geschlossen worden. Im Beispiel erfolgt hierauf noch ein
einziger Spülvorgang.
Die Hochdruckversorgung mit Prüfmedium über das Schaltventil
V4 bleibt weiterhin aufrecht erhalten und das Schaltventil V3 wird
geöffnet,
damit das am Niederdruckanschluss 13 des Injektors 2 weiterhin
austretende, nun hinreichend luftfreie Medium bei weiterer Zufuhr
des Mediums am Hochdruckanschluss 3 durch das Ventil V4
dem Auffangbehälter 20,
wie im Normalbetrieb im Kraftfahrzeug vorgesehen, zugeführt wird
und je nach Bedarf gemessen (quantifiziert) werden kann.
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Anschließend an
den hier beschriebenen Zeitablauf der Tätigkeit der Ventile kann nun
im Prüffeld
eine Messung der Eigenschaften des Injektors vorgenommen werden,
oder es ist nun bei einem in einem Verbrennungsmotor frisch eingesetzten
Verbrennungseinspritzventil dieses luftfrei und es kann die zum
luftfrei machen verwendete Anordnung vom Verbrennungsmotor nach
dessen Stillsetzung entfernt werden und standardmäßige Verbindungen
des Verbrennungsmotors, die zum Anbringen der Messvorrichtung gelöst werden
mussten, werden wieder hergestellt.
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In 1 sind
noch als Zeigerinstrumente symbolisierte Messgeräte oder Messstellen für das Vakuum,
das Niederdruckspülmedium
und das Hochdruckprüfmedium
vorgesehen, durch die die Tätigkeit der
Anlage überwacht
und deren Messwerte in ein Protokoll aufgenommen werden können.
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Bei
den in 3 eingezeichneten Zeitpunkten t1 bis t6, von denen
t1 kurz nach dem Öffnen
der Ventile V1 und V4 liegt, und t6 kurz nach dem Schließen von
V1 liegt, wobei aber das Ventil V2 noch offen (flüssigkeitsleitend)
ist, und die übrigen
Zeitpunkte jeweils offenen und gesperrten Zuständen des Ventils V2 zugeordnet
sind, herrschen folgende Absolutdrücke im Bereich des Niederdruckanschlusses 13 des Injektors 2 und
diesen zugeordnete relative Größen der
einzelnen Luftblasen im Bereich des Steuerventils 8, ausgedrückt als
Volumina:
t1: Absolutdruck 0,1 bar, Luftblasenvolumen 10;
t2:
Absolutdruck 2,6 bar, Luftblasenvolumen 0,38;
t3: Absolutdruck
0,1 bar, Luftblasenvolumen 10
t4: Absolutdruck 2,6 bar, Luftblasenvolumen
0,38;
t5: Absolutdruck 0,1 bar, Luftblasenvolumen 10;
t6:
Absolutdruck 4 bar, Luftblasenvolumen 0,25.
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Die 3 ist
nur als Illustration zu verstehen, in der Praxis können mehr
Spülvorgänge (oder
auch kein einziger Spülvorgang)
und mehrere Wiederholungen des gezeigten Vorgangs ausgeführt werden.
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Beim
Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und bei der Tätigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verringert sich stetig, weil stets neues, luftfreies Medium dem
Anschluss 3 zugeführt wird,
die Anzahl und insbesondere das Gesamtvolumen der im Injektor vorhandenen
Luftblasen und nach kurzer Zeit, jedenfalls nach wenigen Sekunden, ist
der Injektor praktisch luftfrei und Messungen können an dem Injektor nun exakt
vorgenommen werden.
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Soll
die geschilderte Anordnung 1 z. B. in einem Fachbetrieb
der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden, um beispielsweise einen
erneuerten und somit noch luftgefüllten Injektor an einer Verbrennungskraftmaschine
zu installieren, so ist es lediglich erforderlich, die oben geschilderten
Anlagenteile an dem Injektor anzuschließen, also den Adaptionskopf,
und mit diesem die Vakuumpumpe. Die Versorgung mit Hochdruckmedium,
nämlich
in diesem Fall Dieselkraftstoff, ist bereits kraftfahrzeugseitig
ohne besondere Maßnahmen
vorhanden. Es mag sein, dass es in diesem Fall Schwierigkeiten macht,
ein Niederdruckspülmedium,
nämlich
ebenfalls Dieselkraftstoff bereitzustellen. In diesem Fall würde der
Adaptionskopf für
die Verwendung in der Fachwerkstatt einen Anschluss für Spülmedium
nicht aufweisen, oder dieser Anschluss wäre verschlossen.
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Es
kann zweckmäßig sein,
andere Injektoren, z. B. solche, die über einen eingebauten Verdichter
Kraftstoff von relativ niedrigem Druck auf den Einspritzdruck bringen,
erfindungsgemäß von Lufteinschlüssen zu
befreien.
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Es
wird angenommen, dass der Einfluss von Luftblasen bei einem Magnetventil,
wie soeben erläutert,
besonders stark stört,
weil beispielsweise eine Verzögerung
der Öffnungsbewegung
des Ankers des Magnetventils oder eine schnellere Öffnungsbewegung
in Folge von Lufteinschlüssen
gegenüber
dem gewünschten
Zustand zu einem verzögerten
beziehungsweise beschleunigten Anstieg der auf den Anker wirkenden
Magnetkraft führt,
so dass der Einfluss auf die Funktion des Magnetventils besonders
stark ist.
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Die
Erfindung kann auch bei anderen Arten von Steuerventilen mit Nutzen
angewendet werden, insbesondere zum Beispiel bei einem Steuerventil, das über einen
Piezo-Aktor betätigt
wird, auch wenn dieser wegen des Fehlens des soeben geschilderten Mitkopplungseffekts
beim elektromagnetischen Ventil möglicherweise wenig stark vom
Vorhandensein von Luftblasen in seiner Funktion beeinflusst wird. Bei
beiden genannten Ventilarten mag besonders störend sein, dass nach Inbetriebnahme
eines weitgehend luftgefüllten
Einspritzventils zunächst
eine Schaumentwicklung im Bereich, in dem sich die beweglichen Teile
des Steuerventils befinden, auftreten kann, und damit eine Messung
erschwert oder unmöglich
macht. Solche Injektoren, die bei Vorhandensein eines hydraulischen
Kopplers einen Gegenhaltedruck am Leckageanschluss von z. B. 10
bar im normalen Betrieb erfordern, können in der hier geschilderten
Weise von Lufteinschlüssen
befreit werden und dabei normalerweise dem genannten niedrigen Druck
von 0,1 bar ausgesetzt werden, der nicht sehr lange Zeit angewendet
wird.