DE69109127T2

DE69109127T2 - Verfahren zur verbesserung der ventildichtung.

Info

Publication number: DE69109127T2
Application number: DE69109127T
Authority: DE
Inventors: James Kellum; Robert Lehmann; James Parish
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: EP0552196B1; WO1992007183A1; DE69109127D1; US5081766A; EP0552196A1

Description

Die Erfindung betrifft ein federbelastetes Strömungsmittelventil mit elektrischem Antrieb, bei dem das Ventilglied eine längliche Metallnadel mit einem abgerundeten freien Ende und der Ventilsitz ein Metallring mit einer stumpfkegeligen Sitzfläche ist, mit der das freie Ende der Nadel zusammenwirkt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Abdichtung des freien Endes der Nadel an der Ventilsitzfläche, um Strömungsmittel-Leckage durch das Ventil zu verringern, wenn das Ventil in Betrieb und im geschlossenen Zustand ist.
Eine der Anwendungen des Ventils vom Typ der Erfindung ist ein Brennstoff-Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine. Bei Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge mit Funkenzündung wird das Ventil typischerweise von einem elektronischen Steuersystem angesteuert und spritzt Benzin in den Motor ein.
Einer der Hauptgründe für die Brennstoff-Einspritzung bei Motoren liegt darin, daß das Brennstoffvolumen für den Motor genau steuerbar ist. Eine genaue Steuerung der Brennstoff-Einspritzmenge ist aus Gründen der Brennstoff-Ersparnis und der Abgasemissionen bedeutend. Wird ein Brennstoff- Einspritzventil geschlossen, so soll eine Leckage von Brennstoff in den Motor vollkommen verhindert werden, weil diese Leckage unerwünschte Folgen hat. Beispielsweise können auch kleine Leckagevolumen die Abgasemissionen in sehr wesentlicher Weise nachteilig beeinflussen. Bestimmte Länder begrenzen die Mengen bestimmter Abgas-Bestandteile, die in die Atmosphäre abgegeben werden und die Bestrebungen gehen dahin, diese Grenzen immer enger zu ziehen. Somit ist ein handelsübliches Brennstoff-Einspritzventil wahrscheinlich nicht in der Lage, die ständig ansteigende Leckagegrenze zu erfüllen.
Sehr teuere Herstellungsverfahren können natürlich dazu dienen, genaue Flächenendfertigungen und Paßgenauigkeiten der zusammenwirkenden Teile zu erzielen, wenn man äußerst kleine Toleranzen in den Abmessungen und der Endbearbeitung der Teileflächen vorschreibt. Dies steigert offensichtlich die Herstellungskosten, möglicherweise zu nicht mehr wettbewerbsfähigen Preisen für einige Hersteller. Deshalb sind alternative Verfahren mit geringeren Kosten wünschenswert.
EP-A-0 219 591 erläutert ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmittelventils zur Verringerung der Leckage durch das Ventil, wenn dieses in Betrieb und in geschlossener Stellung ist, wobei das Ventil vom Typ mit einem Gehäuse mit einem Auslaßende ist und als bewegliches Ventilglied eine längliche Metallnadel mit einem abgerundeten freien Ende aufweist, die sich unter axialen Druckkräften verbiegen und/oder ausknicken kann, wenn diese eine zulässige axiale Druckkraft überschreiten, und das als Ventilsitzelement ein Metallteil mit einer stumpfkegeligen Wand aufweist, die eine Bohrung umgibt und koaxial zur Nadel liegt, wobei das Ventil im Betrieb die Bohrung durch Abheben und Aufsetzen des abgerundeten freien Endes der Nadel von und auf die stumpfkegelige Wand öffnet und schließt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, daß die Nadel und das Metallteil frei vom Ventilbetrieb und frei von jeglicher Federbelastung axial zwischen zwei fluchtenden Elementen angeordnet wird, die relativ zueinander und voneinander weg längs der Achsenrichtung bewegbar sind, daß die beiden fluchtenden Elemente aufeinanderzu bewegt werden, so dar die Nadel und der Ring axial unter Druck eingespannt werden und daß die beiden fluchtenden Elemente die Nadel und den Ring mit einer gesteuerten Druckeinspannkraft zusammendrücken, die dazu dient, einen Ringbereich des Flächenkontakts zwischen dem abgerundeten freien Ende der Nadel und der stumpfkegeligen Wand zu prägen, ohne die Nadel irreversibel zu verbiegen oder auszuknicken.
Die Merkmale des Anspruchs 1 unterscheiden sich von den in EP-A-0 219 591 beschriebenen darin, daß (a) das Verfahren für ein federbelastetes Strömungsmittelventil mit elektrischem Antrieb und mit einem Anker verwendet wird, wobei das Ventil auf elektrische Erregung und Entregung des Ankers anspricht; (b) das Teil mit der stumpfkegeligen Wand ist eine Ringscheibe in einem Stapel, der im Auslaß angeordnet ist; (c) die von der Wand umschriebene Bohrung ist eine durchgehende Bohrung und (d) die beiden ausgerichteten Elemente werden relativ zueinander bewegt, um eines in das Auslaßende des Gehäuses zu bringen, um den Stapel zu erfassen und um das andere in Anlage an den Anker zu bringen und daß die beiden ausgerichteten Elemente veranlaßt werden, die gesteuerte Druckeinspannkraft derart aufzubringen, dar die Kraft im wesentlichen ihren Maximalwert innerhalb von etwa 0,3 sec aufbaut.
Das durch die Erfindung gelöste Problem kann deshalb so definiert werden, als das Verfahren gemäß EP-A-0 219 591 für ein Ventil mit den Merkmalen (a) bis (c) angepaßt wird.
Ein derartiges Ventil ist beispielsweise in EP-A-0 216 010 dargestellt.
Die Lösung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 vermittelt und weitere Merkmale finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft ein neues und einzigartiges Verfahren zum Verringern der Leckage von in Massen hergestellten Brennstoff-Einspritzventilen des eingangs beschriebenen Typs. Die Erfindung bezieht sich auf die Einfügung eines zusätzlichen Schrittes im Herstellungsprozeß, doch eliminiert sie die Notwendigkeit für engere Toleranzen in der Flächenendfertigung und der Abmessung der Teile. Somit bleiben die gegenwärtig vorherrschenden Herstellungsverfahren weiterhin in Kraft und alles was nötig ist, um die Leckage durch das Einspritzventil zu verringern, ist das Durchführen eines sogenannten Prägeschrittes. Dieser Prägeschritt macht jedoch nicht einen Prägestempel erforderlich, um ein Bauteil zu prägen. Vielmehr besteht dieser Schritt in der Anwendung einer axialen Druckkraft, um das abgerundete freie Ende der Nadel an den stumpfkegeligen Ventilsitz anzupressen, so daß eine Prägewirkung in der Ringzone des Flächenkontakts zwischen den beiden fraglichen Teilen auftritt. Diese Kraftausübung wird vorzugsweise in einer besonderen Weise vorgenommen, so daß die Nadel weder irreversibel verbogen oder im Prägeschritt ausgeknickt wird, und wird - was wichtig ist - gemäß den kennzeichnenden Merkmalen in den Ansprüchen durchgeführt.
Dieser Schritt wird während des Herstellungsverfahrens durchgeführt, so daß weder der Magnet noch die Feder, die Teile des Antriebs für das komplettierte Einspritzventil sind, einen Einfluß auf das Prägeergebnis haben. Die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert den Ausstoß im Massenherstellungsprozeß um annähernd 10%, was bedeutet, daß im Wege einer typischen Produktion wesentlich mehr Einspritzventile die Brennstoff- Leckage-Spezifikationen erfüllen, wenn sie nach dem Zusammenbau getestet werden. Diese Verbesserung verringert die Anzahl der nachzuarbeitenden Einspritzventile. Somit liefert die Erfindung eine erhebliche Verbesserung im Herstellungsverfahren mit den Kosten nur eines einzigen zusätzlichen Schrittes. Ferner ist die zum Ausführen dieses zusätzlichen Schrittes erforderliche Ausrüstung weder besonders teuer noch aufwendig.
Die vorstehenden Merkmale, Vorteile und weiteren Vorzüge der Erfindung zusammen mit zusätzlichen Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen im Zusammenhang mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in der bestmöglichen Ausführungsform. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Brennstoff-Einspritzventils während des Herstellungsvorgangs;
Fig. 2 einen vergrößerten teilweisen Querschnitt in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 1 ohne Darstellung des Ventilgliedes;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterunt bestimmter Merkmale des Verfahrens.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das vordere Ende eines Brennstoff- Einspritzventils 10 mit einem allgemein rohrförmigen Metallgehäuse 12 mit einer Längsachse 14; eine längliche Metallnadel 16 ist koaxial zur Achse 14 im Gehäuse 12 angeordnet und axial innerhalb des Gehäuses 12 befindet sich in diesem eingesetzt ein Stapel, der aus einem Metallnadel- Führungsglied 18, einem Metallring 20, einer dünnen mit Öffnung versehener Metallscheibe 22 und einem Metallstützring 24 besteht, wobei alle diese vier Teile koaxial und quer zur Achse 14 liegen. Der Stapel ist axial am Gehäuse 12 zwischen einer dem freien Ende zugekehrten Innenschulter 26 und einem Flansch 28 des Gehäuses 12 eingebaut, wobei der letztere über den Rand des Stapels gebördelt worden ist, nachdem der Stapel durch das offene freie Ende des Gehäuses an der Schulter 26 eingesetzt worden ist. Ein O- Dichtring 30 liegt in einer Ringnut an der Außenseite des Rings 20, um zwischen dem Stapel und dem Innendurchmesser des Gehäuses eine Dichtung zu schaffen.
Das Nadelführungsglied 18 besitzt ein mittiges kreisförmiges Führungsloch 32, durch welches ein kreisförmiger zylindrischer Abschnitt 34 der Nadel 16 in einem engen Gleitsitz greift. Eine Reihe von kreisförmigen Durchbohrungen 36 ist kreisförmig um das Loch 32 angeordnet.
Der Ring 20 besitzt eine Eintiefung 38, die koaxial zur Achse 14 liegt und eine stumpfkegelige Fläche aufweist. Eine kreisförmige Durchbohrung 40 verläuft vom Boden der Eintiefung 38 koaxial zur Achse 14. Die mit Öffnung versehene Scheibe 22 besitzt eine oder mehrere Dosierungsöffnungen, die mit der Durchbohrung 40 fluchten.
Der Stützring 24 besitzt eine mittige durchgehende Bohrung 42, die mit den Öffnungen der Scheibe 22 fluchtet.
Ein buchsenförmiges Teil 44 ist an der Nadel 16 neben dem Antriebsende der Nadel befestigt. Das Teil 44 ist so geformt, daß dieses Ende der Nadel zugänglich ist. Das Teil 44 besitzt einen engen Gleitsitz an der Innenseite des Gehäuses 12 an dem Ende, das dem Flansch 28 gegenüberliegt und besitzt ebenfalls mehrere Durchgangsbohrungen 46, die zur Achse 14 exzentrisch liegen.
Ist das komplettierte Brennstoff-Einspritzventil in Gebrauch, so gelangt flüssiger Brennstoff unter Druck in dem Einspritzventil durch die Durchgangsbohrungen 46 in Pfeilrichtung in den Ringraum 48, der die Nadel 16 im Gehäuse 12 umgibt. Durchgangsbohrungen 36 dienen zum Strömen des Brennstoffs aus dem Raum 48, um die Eintiefung 38 mit Brennstoff unter Druck zu füllen.
Bei dem komplettierten Einspritzventil wird die Nadel 16 axial hin und her bewegt, um auf dem Ventilsitz aufzusitzen und von ihm abzuheben, der von der stumpfkegeligen Eintiefung 38 gebildet ist. Fig. 1 zeigt den Zustand, bei dem das abgerundete freie Ende der Nadel mit einer ringförmigen Zone in Dichtberührung mit der Eintiefung ist und damit die Durchgangsbohrung 40 zu schließen und damit ist verhindert, daß Brennstoff unter Druck aus dem Einspritzventil über die Öffnungen in die mit Öffnung versehene Scheibe 12 gelangt. Dies zeigt die Schließlage des Einspritzventils. Das komplettierte Brennstoff-Einspritzventil hat eine Schraubenfeder (nicht dargestellt), welche eine axial gerichtete Druckkraft auf die Nadel ausübt und deren abgerundetes freie Ende somit kraftvoll auf die Eintiefung 38 drückt. Die Federvorspannung wird bei Erregung einer Magnetspule überwunden (nicht dargestellt), die antriebsmäßig mit der Nadel gekoppelt ist. Die Erregung des Magneten hebt die Nadel vom Sitz ab, so daß Brennstoff aus dem vorderen Ventilende austreten kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem Punkt des Fließbandes durchgeführt, an dem die Einspritzventile zusammengebaut werden. Fig. 1 zeigt diese Station. Im wesentlichen besteht diese Station aus einer passenden Einspannung zum Abstützen des dargestellten Teils eines Einspritzventils, vorzugsweise in aufrechter Lage. Die Station besitzt eine Einrichtung, die es ermöglicht, daß die Nadel 16 und der Ring 20 derart axial eingespannt werden, dar eine axiale Druckkraft auf die eingespannten Teile in gesteuerter Weise aufgebracht werden kann.
Fig. 1 zeigt zwei Elemente der Einrichtung in der Station, einen Stützstempel 50 und einen Druckstempel 52. Die beiden Teile liegen koaxial zueinander und so, daß die einzuspannenden Teile koaxial zwischen ihnen liegen. Die beiden Stempel werden dann relativ zueinander auf der Achse 14 verschoben, so daß die in Fig. 1 dargestellte Einspannung erfolgt. Diesbezüglich umschreibt der Flansch 28 eine Öffnung, die groß genug ist, um den Eintritt des freien Endes des Druckstempels 52 in Anlage an den Stützring 24 zu gestatten. Das Teil 44 ermöglicht den Anschlag des freien Endes des Stützstempels 50 an diesem Ende der Nadel. Vorzugsweise sind die Anschlagflächen für die entsprechenden Teile flach und glatt, wie dargestellt.
Ist das Einspannen erfolgt, so bringt die Einrichtung eine axiale Druckkraft auf die eingespannten Teile auf. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Kraft über der Zeit. Der Aufbau der Druckkraft zu etwa dem Maximalwert dauert 0,3 sec. Die Maximalkraft wird während einer zusätzlichen Zeit ausgeübt, die mindestens solang ist wie die Aufbauzeit von 0,3 sec und vorzugsweise 0,7 sec beträgt. Dann sinkt die Kraft schnell ab. Die Stempel 50, 52 werden soweit zurückgezogen, daß das Einspritzventilteil in die nächste Station des Fließbandes transportiert werden kann.
Das gerade durchgeführte Verfahren an dem Einspritzventilteil prägt die Ringzone des Dichtkontaktes zwischen der gerundeten Spitze der aufgesetzten Nadel und dem stumpfkegeligen Dichtsitz. Dies verbessert die Abdichtung und verringert die Leckage, die sonst im geschlossenen Zustand des Ventils auftreten könnte. Beispielsweise sollten die Nadel und der Ring etwa die gleiche Härte Rc 56-60 aufweisen und die der Stempel 50, 52 sollte mindestens so hart sein, beispielsweise Rc 58-60. Die Kraft, die aufgebracht wird, sollte die Nadel nicht irreversibel ausbiegen oder knicken. Bei einer Nadellänge von 28 bis 30 mm, einem Durchmesser von 2 mm und einem Radius zwischen 1,18 bis 1,32 mm am gerundeten vorderen Ende wurde mit einer Maximalkraft von etwa 490 Pfund erfolgreich gearbeitet.
Wenn auch ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und erläutert wurde, so lassen sich die erfinderischen Prinzipien in anderer äquivalenter Weise realisieren.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines federbelasteten Strömungsmittelventils (10) mit elektrischem Antrieb, um die Strömungsmittel-Leckage durch das Ventil zu verringern, wenn das Ventil in Betrieb und in geschlossener Stellung ist, wobei das Ventil vom Typ mit einem Gehäuse (12) mit einem Auslaßende ist und als bewegliches Ventilelement einen Anker (44,16) mit einer länglichen Metallnadel (16) aufweist, die ein abgerundetes freies Ende besitzt und die sich unter axialen Druckkräften ausbiegen und/oder ausknicken kann, wenn diese einen zulässigen axialen Wert überschreiten, und das als Ventilsitzelement einen Metallscheibenring (20) mit einer stumpfkegeligen Wand (38) aufweist, die eine Durchgangsbohrung (40) umgibt und koaxial zur Nadel liegt, wobei der Metallscheibenring in einem Stapel im Auslaßende des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Strömungsmittelventil abhängig von einer elektrischen Erregung und Entregung arbeitet, um die Durchgangsbohrung durch Abheben und Aufsetzen des abgerundeten freien Endes der Nadel auf und von der stumpfkegeligen Wand zu öffnen und zu schließen, wobei gemäß dem Verfahren die Nadel und der Ring frei vom elektrischen Betrieb des Ventils und ohne Federvorspannung axial zwischen zwei fluchtenden Elementen (50,52) angeordnet werden, die relativ zueinander und voneinander weg in Achsrichtung verschiebbar sind, die beiden fluchtenden Elemente relativ aufeinanderzu bewegt werden, damit eines in das Auslaß-ende des Gehäuses zum Erfassen des Stapels eintritt und das andere an dem Anker anliegt, so daß die Nadel und der Ring axial unter Druck eingespannt werden und daß die beiden fluchtenden Elemente die Nadel und den Ring mit einer gesteuerten Druckeinspannkraft zusammendrücken, die dazu dient, einen Ringbereich des Flächenkontaktes zwischen dem abgerundeten freien Ende der Nadel und der stumpfkegeligen Wand zu prägen, ohne die Nadel irreversibel auszubiegen oder zu knicken, wobei die beiden fluchtenden Elemente die gesteuerte Druckeinspannkraft derart aufbringen, daß der Aufbau der Kraft auf im wesentlichen seinen Maximalwert innerhalb von etwa 0,3 sec erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbau der Kraft auf im wesentlichen ihren Maximalwert die beiden fluchtenden Elemente diese Kraft im wesentlichen auf ihren Maximalwert während einer zusätzlichen Zeit von mindestens 0,3 sec aufrechterhalten, bevor die Kraft abklingen darf.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fluchtenden Elemente die Kraft im wesentlichen auf ihren Maximalwert während einer zusätzlichen Zeit von 0,7 sec halten, bevor die Kraft abklingen darf.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannkraft aufgebracht wird, indem eines (52) der beiden fluchtenden Elemente direkt an einem ringförmigen Stützglied (24) des Stapels anschlägt, der seinerseits direkt an dem Ring angeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannkraft dadurch aufgebracht wird, daß das andere (50) der beiden fluchtenden Elemente direkt an einem antriebsseitigen Ende der Nadel anschlägt, das dem freien Ende der Nadel gegenüberliegt und daß das eine (52) der beiden fluchtenden Elemente direkt an einem ringförmigen Stützglied (24) des Stapels anschlägt, der seinerseits direkt an dem Ring angeordnet ist.