DE19956256A1 - Leerhubeinstellung zwischen einem Aktor und einem Übertragungselement eines Ventils in einem Kraftstoffinjektor - Google Patents

Abstract

Ein Stellantrieb 19 wird in einem Kraftstoffinjektor 1 positioniert, indem ein plastisch verformbares Abstandselement 31 in das Gehäuse des Kraftstoffinjektors eingelegt wird, das Abstandselement entsprechend dem gewünschten Leerhub des Ventils bleibend zusammengepresst wird und an dem Abstandselement anliegend das Aktorgehäuse am Gehäuse des Kraftstoffinjektors befestigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Stellantriebes in einem Kraftstoffinjektor, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und einen Kraft­ stoffinjektor mit einem Stellantrieb.

Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit hohen Ein­ spritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindigkeiten gearbei­ tet wird. Bei diesem Speichereinspritzsystem wird Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher ge­ fördert, von dem aus der Kraftstoff mit Hilfe von Kraftstof­ finjektoren in Brennkraftmaschinen eingespritzt wird. Der Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventil auf, das von ei­ nem Servoventil geöffnet und geschlossen wird, um den zeitli­ chen Verlauf des Einspritzvorganges in die Brennkammer fest­ zulegen. Das Servoventil wird dabei von einem elektrisch an­ gesteuerten Aktor, insbesondere von einem Piezo-Aktor, betä­ tigt. Bei einem derartigen Piezo-Aktor wird durch Anlegen von elektrischer Spannung eine Längsdehnung hervorgerufen. Diese wird auf das Servoventil übertragen, das wiederum das Ein­ spritzventil steuert. Damit die im µm-Bereich liegende Längs­ dehnung des Piezo-Aktors das Servoventil geeignet betätigen kann, wird diese Längsdehnung z. B. mechanisch durch einen im Kraftstoff gelagerten Hebelübersetzer oder hydraulisch durch einen Druckraum verstärkt.

Um die für einen optimalen Verbrennungsverlauf erforderlichen schnellen Schaltgeschwindigkeiten und kleinen Einspritzmengen beim Kraftstoffinjektor erzielen zu können, ist es erforder­ lich, den Kraftstoffinjektor sehr genau einzustellen. Dies gilt insbesondere für den sich zwischen dem Piezo-Aktor und dem Servoventil ergebenden Leerhub im Kraftstoffinjektor.

Diese Leerhubeinstellung wird gemäß dem Stand der Technik bisher so vorgenommen, dass die genaue Anordnung der einzel­ nen Komponenten des Kraftstoffinjektors, insbesondere deren Abstände zueinander, rechnerisch aus den Abmessungen dieser Komponenten ermittelt werden. Hierzu muss jede Komponente einzeln vermessen werden. Nach dem Ausmessen wird der Leerhub dann durch zwischen dem Injektorgehäuse und dem Aktorgehäuse angeordnete Einstellscheiben eingestellt, die lediglich mini­ male Toleranzen aufweisen dürfen und deshalb aufwendig zu fertigen sind. Um den so eingestellten Leerhub zu prüfen, ist es erforderlich, den Kraftstoffinjektor zusammenzubauen und unter Betriebsbedingungen zu testen. Falls Funktionsfehler festgestellt werden, muss der Kraftstoffinjektor nach dem Testlauf wieder zerlegt werden. Dann müssen die Einstell­ scheiben eventuell aufwendig nachgearbeitet oder ausgetauscht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Ver­ fahren zum genauen Positionieren eines Stellantriebes in ei­ nem Kraftstoffinjektor, eine Vorrichtung zur Durchführung ei­ nes solchen Verfahrens sowie einen derartigen Kraftstoffin­ jektor bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa­ tentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und die Vorrichtung ge­ mäß Patentanspruch 4 sind besonders einfach realisierbar dann, wenn das Einstellen der Position des Stellantriebes im Injektorgehäuse bereits beim Verformen des Abstandselementes durch den Pressvorgang mit dem Aktorgehäuse selbst vorgenom­ men werden kann. Um das Aktorgehäuse als Pressstempel verwen­ den zu können, ist es jedoch erforderlich, ein geeignet har­ tes Material für das Aktorgehäuse zu verwenden. Dabei wird der Aktor entsprechend dem gewünschten Leerhub angesteuert und das Aktorgehäuse mit dem entsprechend der Ansteuerung ge­ ringfügig ausgefahrenen Aktor auf das Abstandselement ge­ presst. Alternativ ist es auch möglich, dass bei ausgebautem Aktor bzw. Aktorgehäuse ein Pressstempel das Abstandselement gemäß dem gewünschten Leerhub des Ventils bleibend zusammen­ presst. Dabei ist der Pressstempel derart ausgebildet, dass er bei Erreichen der Einstellung des gewünschten Leerhubes das Übertragungselement gerade berührt bzw. betätigt, wodurch der Press- bzw. Positionierungsvorgang mikrometergenau been­ det wird.

Zum Einstellen und Überprüfen der Positionierung des Stellan­ triebes im Injektorgehäuse, insbesondere zur Bestimmung des Leerhubs der Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Servo­ ventil, wird bspw. an den Aktor ein dessen Leerhub entspre­ chendes Ansteuersignal gelegt - oder ein passender Pressstem­ pel verwendet - und der Pressvorgang begonnen sowie gleich­ zeitig der Druckverlauf im Injektor gemessen. Dabei wird mit­ tels eines Druckerzeugers Kraftstoff unter einem hohen Druck in den Kraftstoffinjektor eingespeist und das Aktorgehäuse - oder der Pressstempel - so lange auf das Abstandselement ge­ presst und dieses entsprechend plastisch verformt, bis das Ventil gerade betätigt wird, was zu einem messbaren Druckab­ fall im Injektor führt. Dieser Zeitpunkt bzw. diese Position kann beispielsweise auch durch eine elektrische Widerstands­ messung zwischen dem Stempel- und dem Übertragungselement festgestellt werden.

Nachfolgend ist anhand schematischer Darstellungen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kraftstoffinjektor,

Fig. 2 stark vereinfacht eine Einstellvorrichtung mit dem vergrößert, abschnittsweise und in einem Längs­ schnitt dargestellten Kraftstoffinjektor beim Pressvorgang des Stauchringes, und

Fig. 3 abschnittsweise den zusammengebauten Kraftstoffin­ jektor in einem Längsschnitt gemäß Fig. 2.

Ein Kraftstoffinjektor 1 gemäß Fig. 1 besteht im wesentli­ chen aus einem Einspritzventil 3, einer Einspritzdüse 5, ei­ nem in einem Injektorkopf 7 enthaltenen Stellantrieb 19 ( Fig. 3) sowie einem Aktoranschluss 9. Im Injektorkopf 7 ist weiterhin ein Hochdruckzulauf 11, über den Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugeführt werden kann, sowie ein Leckageab­ lauf 13, über den überschüssiger Kraftstoff aus dem Kraft­ stoffinjektor 1 in einen Kraftstoffvorratsbehälter (nicht ge­ zeigt) zurückgeführt werden kann, vorgesehen. Am Injektorkopf 7 ist mittels einer Hohlschraube 15 ein Aktorgehäuse 17 exakt festgelegt und insbesondere in Aktorlängsrichtung unver­ schiebbar befestigt.

Der Stellantrieb 19 im Injektorkopf 7 besteht gemäß Fig. 3 im wesentlichen aus einem im Aktorgehäuse 17 angeordneten Piezo-Aktor 21 und einem Servoventil 23, die in einer stufig ausgebildeten Innenbohrung 25 im Injektorkopf 7 montiert sind. Der Piezo-Aktor 21 setzt sich dabei in an sich bekann­ ter Weise aus mehreren übereinander gestapelten Piezoelemen­ ten zusammen, die in dem Aktorgehäuse 17 zwischen einer Kopf­ platte 27 und einer Bodenplatte 29, die ventilseitig einen kreisrunden Aufsatz aufweist, vorgespannt sind. Dabei ist die Position des Bodenplattenaufsatzes beispielsweise derart, dass dessen Stirnfläche exakt bündig mit der ventilseitigen Stirnfläche des Aktorgehäuses 17 bei nicht angesteuertem Ak­ tor abschließt. Der Piezo-Aktor 21 ist weiter leitend über aus der Kopfplatte 27 hervorstehende Kontaktstifte mit dem Aktoranschluss 9 verbunden, so dass über den Aktoranschluss 9 Spannung an den Piezo-Aktor 21 angelegt und damit dessen Aus­ dehnung gesteuert hervorgerufen werden kann. Der Piezo-Aktor 21 ist am oberen Ende der stufig ausgebildeten Innenbohrung 25 im Injektorkopf 7 befestigt. Dabei wird das Aktorgehäuse 17 mit seiner ventilseitigen Stirnfläche auf einen an sich bekannten metallischen, plastisch geeignet verformten Stauch­ ring 31 gedrückt. Der Stauchring 31 liegt auf einer ringför­ mig umlaufenden Auflagescheibe 33. Diese wiederum ist auf ei­ nem Absatz in der Innenbohrung 25 des Injektorkopfes 7 ange- ordnet. Das Aktorgehäuse 17 ist dabei mittels der Hohlschrau­ be 15 fest an den Stauchring 31 gedrückt und in dieser Posi­ tion exakt definiert am Injektorkopf gehalten. Dazu können die Hohlschraube 15 und das Injektorgehäuse 17 korrespondie­ rende Absätze aufweisen oder anders geeignet ausgebildet sein.

Die durch Elektrostriktion erzeugte Längsdehnung des Piezo- Aktors 21 bzw. die Bewegung der Bodenplatte 29 in Längsrich­ tung des Aktors wird von einem als Hebelübersetzer 35 ausge­ bildeten Übertragungselement auf das Servoventil 23 übertra­ gen und etwa den Faktor 1,5 verstärkt. Der Arbeitshub beträgt dabei typischerweise um etwa 40 µm. Der Hebelübersetzer 35 ist zwischen dem kreisrunden Aufsatz an der Bodenplatte 29 des Piezo-Aktors 21 und einem Ventilkolben 37 des Servoven­ tils 23 angeordnet und mit einem Schenkel auf einer in der Innenbohrung 25 des Injektorkopfes 7 unterhalb der Führungs­ scheibe 39 angeordneten Auflagescheibe 33 unverschiebbar ab­ gestützt. Bei der Hebelbewegung werden der Hebelübersetzer 35 durch die Auflagescheibe 33 und der Ventilkolben 37 durch die Führungsscheibe 39 geführt bzw. relativ zueinander positio­ niert. Der Ventilkolben 37 liegt weiterhin auf einem Ventil­ pilz 41 an, der im Ruhezustand an einer Ventilfeder 43 auf einen Ventilsitz 45 in der Innenbohrung 25 des Injektorkopfes 7 gedrückt wird.

Der in Fig. 3 dargestellte Kraftstoffinjektor 1 mit dem Stellantrieb 19 arbeitet beim Einsatz in einer Brennkraftma­ schine wie folgt: Über den Hochdruckzulauf 11 (Fig. 1) wird Kraftstoff unter einem sehr hohen Druck in den Kraftstoffin­ jektor 1 eingespeist. Im Ruhezustand, d. h. bei nicht ange­ steuertem Piezo-Aktor 21, wird der Ventilpilz 41 durch die Ventilfeder 43 auf den Ventilsitz 45 gedrückt, so dass die vom Servoventil 23 angesteuerte Einspritzdüse 5 bspw. ge­ schlossen ist. Dabei entspricht der Abstand des Bodenplatten­ aufsatzes 29 zum Hebelübersetzer 35 exakt dem Leerhub des Ventils und beträgt in der Regel etwa 1 = 2 bis 4 µm. Beim Anlegen einer Spannung über den Aktoranschluss 9 an den Pie­ zo-Aktor 21 bewirkt die durch Elektrostriktion hervorgerufe­ nen Längsdehnung des Piezo-Aktors 21, dass sich dessen Boden­ platte 29 bzw. der Aufsatz auf den Hebelübersetzer 35 zu be­ wegt. Nach Zurücklegen des Leerhubes 1 drückt der Bodenplat­ tenaufsatz 29 gegen den Anliegebereich des Hebelübersetzers 35, wodurch sich dieser auf der Führungsscheibe 39 abgestützt dreht. Infolge der Drehbewegung des Hebelübersetzers 35 wird der am Hebelübersetzer 35 anliegende Ventilkolben 37 tiefer in die Innenbohrung 25 des Injektorkopfes 7 vorgeschoben. Der am Ventilkolben 37 anliegende Ventilpilz 41 wird gegen die Haltekraft der Ventilfeder 43 von seinem Ventilsitz 45 abge­ hoben und so die vom Servoventil 23 angesteuerte Einspritzdü­ se 5 geöffnet. Nach Beenden der Stromzufuhr zieht sich der Piezo-Aktor 21 bzw. der Bodenpattenaufsatz 29 wieder aus der Innenbohrung 25 des Injektorkopfes 7 zurück, bis er in seiner Ruheposition beispielsweise wieder exakt bündig zur Stirnflä­ che des Aktorgehäuses 17 mit Abstand vom Hebelübersetzer steht. Dabei wird der Ventilpilz 41 durch die Ventilfeder 43 auf den Ventilsitz 45 gedrückt und damit die angesteuerte Einspritzdüse 5 wieder geschlossen.

Um eine genaue Einstellung des Leerhubes des Ventils vorneh­ men zu können, ist eine Einstellvorrichtung gemäß Fig. 2 vorgesehen. Die Einstellvorrichtung weist eine an sich be­ kannte Vorschubeinrichtung 51 auf, die die Vertikalbewegung eines Pressstempels 53 in Pfeilrichtung gemäß Fig. 2 mikro­ metergenau steuert. Der Pressstempel 53 weist ein absatzför­ mig aus der Stempelpressfläche hervorstehendes Leerhubein­ stellelement 55 auf. Dieses ist aus einem elektrisch leiten­ den Material ausgebildet und elektrisch isoliert vom Pressstempel 53 in diesem befestigt. Der Überstand des Leer­ hubeinstellelementes 55 entspricht dabei dem gewünschten Leerhub 1 des einzustellenden Ventils, wobei jeweils die ex­ akte Postion der Betätigungsfläche des Bodenplattenaufsatzes 29 (Fig. 3) relativ zur ventilseitigen Auflagefläche des Ak­ torgehäuses im Ruhezustand des Aktors zu berücksichtigen ist.

Die Einstellvorrichtung gemäß Fig. 2 weist weiterhin eine Steuervorrichtung 57 auf, die über elektrische Leitungen ei­ nerseits den Injektor bzw. den Injektorkopf 7 und anderer­ seits das Leerhubeinstellelement 55 elektrisch leitend mit­ einander verbindet. Weiterhin ist zwischen den Injektorkopf 7 und das Leerhubeinstellelement 55 eine Spannungsquelle und ein elektrisches Schaltelement, bspw. ein Relais geschaltet, welches die Stromversorgung der Vorschubeinrichtung 51 ab­ schalten kann. Der Kraftstoffinjektor 1 ist beim Einstellvor­ gang in einem Tisch 59 eingespannt, der den Kraftstoffinjek­ tor 1 gegen den vom Pressstempel 53 auf den Injektorkopf 7 nachfolgend ausgeübten Druck festhält.

Die Einstellvorrichtung und das Verfahren zum Positionieren des Stellantriebes 19 funktionieren wie folgt: Zunächst wird der Überstand des Leerhubeinstellelementes 55 gegenüber der Pressfläche des Stempels 53 entsprechend dem gewünschten Leerhub 1 mikrometergenau eingestellt. Dabei wird die relati­ ve Position der Stirnfläche des Bodenplattenaufsatzes 29 zur Stirnfläche des Aktorgehäuses 17 bei nicht aktiviertem Aktor berücksichtigt. Ist bspw. die Betätigungs- bzw. Stirnfläche des Bodenplattenaufsatzes 29 im Ruhezustand exakt bündig zur ventilseitigen Stirnfläche bzw. Auflagefläche des Aktorgehäu­ ses 17, wird der Überstand exakt gemäß dem gewünschten Leer­ hub des Ventils eingestellt. Der Injektorkopf 7 wird bei aus­ gebautem Aktorgehäuse 17 in den Arbeitstisch 59 eingespannt und der Stauchring 31 in das Injektorgehäuse eingelegt. Die Vorschubeinrichtung 51 fährt den Stempel 53 in die Innenboh­ rung 25 des Injektorkopfes 7. Schließlich berührt die Press­ fläche des Stempels 53 den Stauchring 31. In dieser Position ist jedoch das Leerhubeinstellelement 55 noch von dem Hebe­ lübersetzer 35 beispielsweise im Bereich von 1/10 mm beab­ standet. Der durch die Steuervorrichtung 57 gebildete elek­ trische Kreis ist also noch unterbrochen. Die Vorschubein­ richtung 51 fährt den Stempel 53 weiter in die Innenbohrung 25 und deformiert bzw. staucht dabei den Stauchring 31 so weit, bis das Leerhubeinstellelement 55 die Berührfläche des Hebelübersetzers 35 gerade kontaktiert. In diesem Moment bzw. exakt in dieser Position ist der aus dem Leerhubeinstellele­ ment 55, dem Hebelübersetzer 35, der Auflagescheibe 33 bzw. der Führungsscheibe 39, dem Injektorkopf 7 und den entspre­ chenden Leitungen der Steuervorrichtung 57 gebildete elektri­ sche Kreis geschlossen. Das Relais unterbricht deshalb die Stromversorgung der Vorschubeinrichtung 51 und stoppt dadurch die Verfahrbewegung des Pressstempels 53 mikrometergenau. An­ schließend wird der Stempel 53 wieder aus dem Injektorkopf 7 bewegt. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Danach wird der Kraftstoffinjektor 1 komplett zusammengebaut, wie in Fig. 1 und 3 gezeigt.

Die Erfindung ist auch bei bekannten Kraftstoffinjektoren einsetzbar, die einen bspw. elektromagnetisch betriebenen Ak­ tor aufweisen, der ohne Hubübersetzer, z. B. Hebelübersetzer, und ohne Servoventil direkt über ein Übertragungselement, z. B. einen Kolben, mit der Düsennadel in Verbindung steht. Der Leerhub entspricht hier der Differenz zwischen der Auslenkung des Aktors in dessen Ruhezustand und der Auslenkung des Ak­ tors, bei der das Einspritzventil sich gerade zu öffnen be­ ginnt. Somit weist der Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors einen Aktor und ein Ventil auf, zwischen denen ein Übertra­ gungselement angeordnet ist und zwischen denen ein vorgegebe­ ner Leerhub eingestellt ist. Dabei kann bspw. das Ventil als Servoventil oder als Einspritzventil ausgebildet und das Übertragungselement als Kolben- oder als Hebelelement ausge­ bildet sein. Die Merkmale der vorherigen Ausführungsbeispiele können mit den hier beschriebenen Ausführungsformen des Stel­ lantriebes des Kraftstoffinjektors kombiniert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Positionieren eines Stellantriebes (19) in einem Gehäuse eines Kraftstoffinjektors (1) mit einem Ventil, wobei der Stellantrieb einen Aktor (21) mit einem Aktorgehäu­ se (17) und ein im Gehäuse angeordnetes Übertragungselement (35) zwischen dem Aktor und dem Ventil aufweist, um eine Längsbewegung des Aktors auf das Ventil zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß ein plastisch verformbares Abstandselement (31) in das Gehäu­ se eingelegt wird, daß das Abstandselement entsprechend dem gewünschten Leerhub des Ventils bleibend zusammengepresst wird, und daß an dem Abstandselement anliegend das Aktorge­ häuse am Gehäuse des Kraftstoffinjektors befestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Gehäuse eingelegte Abstandselement bei ausgebautem Ak­ tor mit einem Stempel (53) so weit zusammengepresst wird bis ein Leerhubeinstellelement (55) des Stempels auf das Übertra­ gungselement (35) des Stellantriebes trifft bzw. dieses betä­ tigt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand zwischen dem Übertragungselement (35) und dem Leerhubeinstellelement (55) gemessen wird, und daß die Preßbewegung des Stempels (53) gestoppt wird, wenn das Übertragungselement das Leerhubeinstellelement berührt bzw. kontaktiert.

4. Vorrichtung zum Positionieren eines Stellantriebes (19) in einem Gehäuse eines Kraftstoffinjektors (1), wobei der Stel­ lantrieb einen Aktor (21) mit einem Aktorgehäuse und ein Übertragungselement (35) zwischen dem Aktor und einem Ventil aufweist, um eine Längsbewegung des Aktors auf das Ventil zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorschubeinrichtung (51) zum Pressen eines Stempels (53) auf ein in das Gehäuse eingelegtes plastisch verformbares Ab­ standselement (31) vorgesehen ist, welcher Stempel ein ent­ sprechend dem gewünschten Leerhub des Ventils über die Stem­ pelpreßfläche hinausragendes Leerhubeinstellelement (55) auf­ weist, und daß eine Steuervorrichtung (57) vorgesehen ist, die die Bewegung der Vorschubeinrichtung stoppt, sobald das Leerhubeinstellelement des Stempels auf das Übertragungsele­ ment des Stellantriebes (19) trifft bzw. dieses betätigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung den elektrischen Widerstand zwischen dem Übertragungselement (35) und dem Leerhubeinstellelement (55) mißt und die Preßbewegung der Vorschubeinrichtung stoppt, sobald das Übertragungselement das Leerhubeinstelle­ lement berührt bzw. kontaktiert.

6. Kraftstoffinjektor mit einem Gehäuse, in dem ein Stellan­ trieb (19) angeordnet ist, der einen Aktor (21) mit einem Ak­ torgehäuse (17) und ein Übertragungselement (35) zwischen dem Aktor und dem Ventil aufweist, um eine Längsbewegung des Ak­ tors auf das Ventil zu übertragen, wobei das Aktorgehäuse am Gehäuse des Kraftstoffinjektors befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definition der relativen Position des Aktorgehäuses und damit des Aktors zum Gehäuse des Kraftstoffinjektors und da­ mit des Übertragungselementes zwischen beiden ein entspre­ chend dem gewünschten Leerhub des Ventils bleibend verformtes plastisches Abstandselement (31)angeordnet ist.

7. Kraftstoffinjektor nach Patentanspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandselement durch einen Stauchring (31) gebildet ist.