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Die Anmeldung betrifft ein Verfahren
zur Einstellung des Brennstoffdurchflusses von Bauteilöffnungen
für Einspritzventile
von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei der genau dosierten Zuführung von
Flüssigkeiten
oder anderen fließfähigen Fluiden
werden Bauteile mit Öffnungen
verwendet, wobei das zu dosierende Fluid durch die Bauteilöffnungen
strömt.
Die Bauteilöffnungen
können
dabei zylindrische, konische oder eine Kombination aus beiden Formen
haben, runde, ovale, eckige oder profilartige Querschnittsflächen aufweisen
und mit Abrundungen bzw. Abschrägungen
versehen sein. Die Bauteile weisen dabei jeweils eine oder mehrere Öffnungen
auf und der Durchfluß bei
bestimmtem Druck wird während der
Fertigung mittels Feinstbearbeitung möglichst genau eingestellt.
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Eine bekannte Anwendung für die genau
dosierte Zuführung
von Fluiden ist die Zuführung
von Brennstoff in Verbrennungsmotore mittels Brennstoffeinspritzventilen.
Brennstoffeinspritzventile weisen eine oder mehrere Spritzöffnungen
auf, durch die der Brennstoff aus dem Ventil austritt und in den
Brennraum des Motors gelangt. Die Spritzöffnungen sind entweder in einem
Ventilkörper
integriert oder in einem scheibenförmigen Teil eingebracht, das
am Ventilkörper
befestigt wird. Der Brennstoffdurchfluß je Zeiteinheit bei definiertem
Druck durch die Spritzöffnungen
wird als statischer Durchfluß bezeichnet. Querschnittsfläche, Form
und Lage der Spritzöffnungen
bei definiertem Druck sind neben anderen Parametern verantwortlich
für den statischen
Durchfluß und
die Brennstoffzerstäubung.
Die Spritzöffnungen sind
dadurch mitverantwortlich für
den Brennstoffverbrauch, den Verbrennungswirkungsgrad und die Geräuschemissionen
von Verbrennungsmotoren. Bei der Herstellung von Brennstoffeinspritzventilen
wird großer
Wert auf die Fertigung der Spritzöffnungen mit sehr geringen
Toleranzen bei gleichzeitig hoher Fertigungsgeschwindigkeit gelegt.
Dabei werden die Spritzöffnungen
so angefertigt, daß insbesondere der
statische Durchfluß bei
bestimmtem Druck mit sehr geringen Toleranzen eingehalten wird.
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Für
die Einstellung und Überprüfung des Durchflusses
von Öffnungen,
insbesondere der Spritzöffnungen
von Brennstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren sind
verschiedene Verfahren bekannt.
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In der
DE 37 23 698 A1 wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem der statische Durchfluß von Düsenkörpern mit
vorgefertigten Abspritzöffnungen in
einem ersten Schritt zunächst
gemessen wird, wobei der Düsenkörper dabei
mit konstantem Druck und einem Prüffluid beaufschlagt wird, das
dem späteren Brennstoff
entspricht. Die Querschnittsfläche
der vorgefertigten Abspritzöffnungen
sind zu klein, so daß der
statische Durchfluß ebenfalls
zu gering ist. In einem zweiten Schritt wird der Düsenkörper mit
einem fließfähigen Schleifmittel
beaufschlagt, so daß dieses Schleifmittel
die Abspritzöffnungen
durchströmt
und Material abträgt,
so daß die
Querschnittsfläche
sich vergrößert. In
einem dritten Schritt wird der Düsenkörper wieder
mit konstantem Druck und dem Prüffluid
beaufschlagt und der statische Durchfluß gemessen. Ist der gemessene
Durchflußwert
noch zu gering, wird in einem vierten Schritt der Düsenkörper wieder
mit Schleifmittel beaufschlagt und anschließend im fünften Schritt wieder der statische
Durchfluß gemessen.
Das abwechselnde Schleifen und Messen wird so oft wiederholt, bis
der gemessene Durchflußwert
dem Sollwert entspricht. Bei dieser Vorgehensweise kann der gewünschte Sollwert
nur schrittweise angenähert
werden, wobei die erreichbare Genauigkeit von der Schrittgröße abhängt. Weiterhin
ist diese schrittweise Annäherung
sehr zeitaufwendig, da beim Wechsel zwischen Messen und Schleifen
der jeweils notwendige Druck im hydraulischen Kreis wieder neu aufgebaut
und stabilisiert werden muß.
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Aus der
DE 44 33 543 C1 ist ein
Verfahren zur Einstellung und Überprüfung des
Durchflusses von Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren bekannt.
Bei diesem Verfahren wird der Durchfluß von komplett montierten Ventilen
in einer Meßvorrichtung überprüft und/oder
eingestellt. Der Durchfluß der Ventile
wird bestimmt durch den Querschnitt der Spritzöffnung und der Lage von Spritzöffnung zu
konischer Ventilnadel, die den Querschnitt der Spritzöffnung in
Abhängigkeit
von der Lage verändert.
Bei dem Verfahren wird das Ventil in einer Meßvorrichtung mit konstantem
Durchfluß beaufschlagt
und von einer Einstelleinrichtung wird die Lage der konischen Ventilnadel
solange verstellt, bis der Ist-Druck einem Soll-Druck entspricht.
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Die
EP 0 77 957 B1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Einstellen der Durchflußöffnungen
von Einspritzventilen. Die Größe der Durchflußöffnungen
wird eingestellt, indem ein abtragendes Medium durch sie hindurchgeleitet
wird. Um eine möglichst
gleichmäßige Bearbeitung
der Oberflächen
und ein möglichst
zuverlässiges
Abtragen vorstehender Grate zu erreichen, wird ein viskoelastisches
Kunststoffmedium als Träger
von abrasiven Partikeln verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren zu schaffen, mit welchem der Brennstoffdurchfluß von Bauteilöffnungen
für Einspritzventile
mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach
dem Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Bauteil mit einer oder mehreren einzustellenden Öffnungen
mit einem Fluid und konstantem Durchfluß beaufschlagt. Die Öffnungen
sind vorgerfertigt mit zu geringer Strömungsquerschnittsfläche. Das Bauteil
wird durchströmt
und die Öffnungen
stellen einen Strömungswiderstand
dar, so daß sich
ein entsprechender Druck einstellt, wobei der Ist-Druck zunächst größer als
der Soll-Druck ist. Das Fluid ist so gewählt, daß Material an den Öffnungen
des Bauteils abgetragen wird, so daß sich der Strömungswiderstand
kontinuierlich verringert. Mit der Verringerung des Strömungswiderstands
bei konstantem Durchfluß verringert
sich ebenfalls der Ist-Druck und nähert sich kontinuierlich dem
Soll-Druck an und die Einstellung stoppt, sobald Ist-Druck gleich
Soll-Druck ist bzw. in einem Sollwertbereich liegt. Durch einmaliges Anwenden
des Verfahrens kann somit der Durchfluß von Bauteilöffnungen
mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Die Materialabtragung
hängt von
den Eigenschaften des Fluids, den Materialeigenschaften des Bauteils,
dem Fluiddruck und der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit ab. Als
Fluid wird die Flüssigkeit
gewählt,
die im späteren
praktischen Betrieb auch durch das Bauteil strömt, so daß eine Korrelation zwischen
Einstellbedingungen und den Bedingungen beim praktischen Betrieb
vorliegt. Die Flüssigkeit
wird zusätzlich
mit abrasiven Partikeln vermischt, um die Materialabtragung zu erhöhen, wobei
die Geschwindigkeit der Materialabtragung von Art, Anzahl und Größe der Partikel
abhängt
und über diese
Parameter ebenfalls beeinflußt
werden kann.
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Zur Erzeugung des definierten, konstanten Volumenstroms
wird ein Flußgenerator
verwendet, der einen präzisen
Zylinder mit darin laufenden Verdrängungskolben sowie einen Schrittmotor
aufweist. Der Schrittmotor wird mit einer Schrittfrequenz betrieben
und treibt den Kolben mit konstanter Geschwindigkeit an, so daß das im
Zylinder befindliche Fluid verdrängt
wird. Der so erzeugte Volumenstrom entspricht exakt dem einzustellenden
Soll-Durchfluß der Bauteilöffnungen.
Der Flußgenerator
kann entweder mit einseitig beaufschlagbarem Kolben oder mit beidseitig
beaufschlagbarem Kolben ausgeführt
werden. Bei der Ausführung
mit beidseitig beaufschlagbarem Kolben wird während dem Einstellvorgang auf
der einen Kolbenseite Fluid aus dem Zylinder ausgestoßen und
auf der anderen Kolbenseite wird Fluid in den Zylinder eingelassen,
so daß keine
zusätzlichen
Zeiten für
das Auffüllen
des Flußgenerators
anfallen. Beim nächsten
Einstellvorgang kehrt die Bewegungsrichtung des Kolbens um, so daß die ausstoßende und die
einlassende Seite des Zylinders vertauscht werden. Beim Auffüllen des
Flußgenerators
wird das Fluid von einer Förderpumpe
zum Flußgenerator
gefördert
und der Förderdruck
wirkt auf die Kolbenseite des Flußgenerators, auf der Fluid
in den Zylinder eingelassen wird. Dieser Förderdruck mindert die notwendige
Vorschubkraft des Kolbens und damit die notwendige Antriebsenergie des
Schrittmotors. Bei gegebener Antriebsenergie des Schrittmotors können somit
hohe Drücke
und Volumenströme
in der Meßvorrichtung
gefahren werden, was zu hohen Materialabtragungen an den Bauteilöffnungen
und kurzen Bearbeitungszeiten führt.
Die Ausführung
mit beidseitig beaufschlagbarem Kolben kann weiterhin dazu genutzt
werden, zwei unterschiedliche Einstellvorgänge je einzustellendem Bauteil
durchzuführen. Beispielsweise
kann zunächst
eine grobe Vorbearbeitung erfolgen, die mit hoher Geschwindigkeit
bei der Materialabtragung aber geringer Einstellgenauigkeit arbeitet
und anschließend
erfolgt dann eine feine Nachbearbeitung, die mit geringer Geschwindigkeit bei
der Materialabtragung aber hoher Einstellgenauigkeit arbeitet. Die
grobe Vorbearbeitung erfolgt dabei in der einen Bewegungsrichtung
des Kolbens, während
die feine Nachbearbeitung in der anderen Bewegungsrichtung des Kolbens
erfolgt. Die unterschiedlichen werte für die Geschwindigkeit bei der Materialabtragung
können
durch Änderung
von Druck und Volumenstrom sowie der Verwendung zweier unterschiedlicher
Fluide zur Bearbeitung der Bauteilöffnungen erreicht werden. Diese
Fluide können
sich z. B. durch Art, Anzahl und Größe der beigemischten abrasiven
Partikel unterscheiden. Diese Vorgehensweise mit zwei unterschiedlichen
Einstellvorgängen
ergibt eine weitere Optimierung von Einstellgeschwindigkeit und
-genauigkeit.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist das Fluid im Flußgenerator und das Fluid, das
durch die einzustellende Bauteilöffnung
strömt, verschieden.
Die beiden Fluide sind mit einem Gehäuse mit Trennmembran oder Trennkolben
verbunden. Dadurch wird die Fluidverdrängung und der Fluiddruck von
einem Fluid auf das andere Fluid übertragen, jedoch können sich
die beiden Fluide nicht miteinander vermischen. Das vom Flußgenerator
verdrängte
Fluid ist für
den Einsatz im Flußgenerator
optimiert und enthält
keine abrasiven Partikel, so daß ein
Betrieb des Flußgenerators
mit geringem Verschleiß ermöglicht wird.
Das durch die Bauteilöffnungen
strömende
Fluid ist für
die Materialabtragung optimiert und beinhaltet deshalb abrasive
Partikel.
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Die Temperatur des Fluids und des
Flußgenerators
werden mittels Temperiervorrichtung eingestellt, so daß Schwankungen
der Genauigkeit infolge Temperaturschwankungen vermieden werden.
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Die ermittelten Meßwerte werden
in einem Rechner verarbeitet, der aufgrund der Meßwerte den Schrittmotor
des Flußgenerators,
die Temperiervorrichtung, die Förderpumpe
sowie die verschiedenen Ventile steuert.
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Ausführungsbeispiele des Verfahrens
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau des Verfahrens sowie die Meßvorrichtung 1 schematisch dargestellt.
Der Flußgenerator 2 mit
einseitig wirkendem Kolben 3 und Schrittmotor 4 verdrängt Fluid 5 mit
definiertem, konstantem Volumenstrom aus dem Zylinder 6,
wobei der Volumenstrom dem Soll-Durchfluß der Bauteilöffnung 11 entspricht.
Dabei ist das Ventil 7 geöffnet und das Ventil 8 ist
geschlossen. Das Fluid 5 strömt dabei über die Leitung 9 durch
das Bauteil 10 und tritt aus der Bauteilöffnung 11 aus
und wird im Behälter 12 aufgefangen.
Während
diesem Vorgang wird der Druck und die Temperatur durch die Sensoren 13, 14 gemessen
und die Meßwerte
an den Rechner 15 übermittelt.
Der Rechner 15 wiederum steuert den Schrittmotor 4 mit
konstanter Schrittfrequenz, so daß die Kolbengeschwindigkeit
und der Volumenstrom ebenfalls konstant sind. Infolge der materialabtragenden
Wirkung des Fluids 5 verringert sich der Strömungswiderstand
der Bauteilöffnung 11 und
der Druck in der Meßvorrichtung 1.
Entspricht der Ist-Druck dem Soll-Druck, ist die Einstellung beendet
und die Steuerung stoppt den Schrittmotor 4. Anschließend wird
das Ventil 7 geschlossen, das Ventil 8 geöffnet, der
Schrittmotor mit umgekehrter Drehrichtung wieder gestartet und die
Förderpumpe 16 mit
Motor 17 fördert
das Fluid 5 aus dem Behälter 12 wieder
in den Flußgenerator,
so daß die
Einstellung eines weiteren Bauteils erfolgen kann. Das Gehäuse 18 des
Flußgenerators 2 ist über die
Leitungen 19, 20 mit der Temperiervorrichtung 21 verbunden und
die Temperiervorrichtung 21 wird von dem Rechner 15 gesteuert,
so daß die
Temperatur von Fluid 5 und Flußgenerator 2 konstant
gehalten wird.
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In 2 ist
das Verfahren mit einem Flußgenerator 22 schematisch
dargestellt, bei dem der Kolben 49 beidseitig beaufschlagbar
ist, so daß bei
der Kolbenbewegung auf einer Kolbenseite Fluid 48 aus dem
Zylinder 50 ausgestoßen
wird und auf der anderen Kolbenseite Fluid 48 in den Zylinder 50 eingelassen
wird. Weiterhin ist das vom Flußgenerator 22 verdrängte Fluid 48 verschieden
von dem Fluid 23, das durch die Bauteilöffnung 11 strömt und die
Materialabtragung bewirkt. Der Flußgenerator 22 ist über die
Leitungen 24, 25 mit Gehäusen 26, 32 verbunden.
Die Gehäuse 26, 32 sind
ebenfalls über
Leitungen 27, 28, 29, 38, 51 mit
dem Bauteil 10 verbunden. Die Volumen der Gehäuse 26, 32 sind
mittels Membran 33, 34 in je zwei Teilvolumen 30, 31 getrennt
und die Volumen 30 sind mit Fluid 48 gefüllt und über die Leitungen 24, 25 mit
dem Flußgenerator
verbunden. Die Volumen 31 sind mit Fluid 23 gefüllt und über die Leitungen 27, 28, 29, 38, 51 mit
dem Bauteil 10 verbunden. Bewegt der Schrittmotor 4 den
Kolben 49, so wird Fluid 48 mit konstantem Volumenstrom
aus dem Flußgenerator 22 in
das Volumen 30 des Gehäuses 26 gefördert und
die Membran 33 mit Druck beaufschlagt. Infolge des Druckes
fördert
die Membran 33 wiederum Fluid 23 mit gleichem
Druck und Volumenstrom, wie vom Flußgenerator erzeugt, über das
Ventil 35 und die Leitungen 27, 29, 51 durch
das Bauteil 10 und die einzustellende Bauteilöffnung 11 in
den Behälter 12.
Zeitgleich zu dem beschriebenen Vorgang fördert die Pumpe 16 Fluid 23 aus
dem Behälter 12 über die
Leitungen 37, 38 und das Ventil 36 in
das Volumen 31 des Gehäuses 32 und
beaufschlagt die Membran 34 mit Druck. Infolge des Druckes
fördert die
Membran 34 wiederum Fluid 48 mit gleichem Druck,
wie von der Förderpumpe 16 erzeugt, über die Leitung 25 in
den Zylinder 50 des Flußgenerators 22. Dadurch
sind keine zusätzlichen
Zeiten für
die Füllung
des Flußgenerators
notwendig. Der Fluiddruck der Förderpumpe
wirkt auf die Kolbenseite des Flußgenerators, auf der Fluid
in den Zylinder eingelassen wird. Die notwendige Kolbenkraft des
Flußgenerators ergibt
sich dann aus dem Differenzdruck zwischen dem Soll-Druck in der
Meßvorrichtung,
den der Flußgenerator
erzeugt, und dem Fluiddruck, den die Förderpumpe 16 erzeugt.
Durch diese unterstützende Wirkung
der Förderpumpe
können
bei gegebener Antriebsenergie des Schrittmotors von dem Flußgenerator
sehr hohe Arbeitsdrücke
und Volumenströme erzeugt
werden. Bei Beendigung eines Einstellvorgangs wird das fertiggestellte
Bauteil 10 durch ein noch nicht bearbeitetes Bauteil ersetzt
und der zuvor beschriebene Vorgang läuft in umgekehrter Weise ab,
so daß der
Kolben 49 des Flußgenerators 22 in entgegengesetzter
Richtung bewegt wird und die Ventile 35, 36 in
ihre zweite Stellung geschaltet werden. Das Verfahren beinhaltet
die bereits weiter oben beschriebene Temperiervorrichtung zur Temperatureinstellung
und die Steuerung des Verfahrens durch einen Rechner.
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Die 3 zeigt
ein Verfahren ähnlich
wie in 2 mit gleicher
Funktion des Flußgenerators 22, jedoch
erfolgt die Einstellung der Bauteilöffnung 11 schrittweise
mit Vor- und Nachbearbeitung. Dabei werden zur Bearbeitung zwei
unterschiedliche Fluide 39 zur Vorbearbeitung und 40 zur
Nachbearbeitung verwendet, die unterschiedliche Materialabtragungen erzeugen.
Damit die beiden Fluide 39, 40 sich nicht vermischen,
sind zwei getrennte Kreisläufe
notwendig. Dazu sind zwei Behälter 41, 45 und
zwei Förderpumpen 42, 46 mit
Motoren 43, 47 vorhanden und das Ventil 44 leitet
das Fluid 39 während
der Vorbearbeitung in den Behälter 41 und
das Fluid 40 während
der Nachbearbeitung in den Behälter 45.
Während
der Nachbearbeitung fördert
die Förderpumpe 42 das
Fluid 39 über
das Ventil 35 in das Gehäuse 26 zurück und während der
Vorbearbeitung fördert
die Förderpumpe 47 das
Fluid 40 über
das Ventil 36 wieder in das Gehäuse 32 zurück.