Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Einstellen eines Ventilhubs, insbesondere eines Ventilnadelhubs eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
Ein Einspritzventil gemäß DE-A1 40 26 721 hat in einem Ventilgehäuse einen Ventilsitzkörper, welcher mit einem am Gehäuse festgelegten Lochkörper verbunden ist. Auf dem Ventilsitzkörper sitzt eine Ventilnadel mit einem Ventilschließkörper auf. Die exakte Einstellung des Ventilnadelhubs erfolgt am fertig montierten Einspritzventil, indem der am Gehäuse festgelegte Lochkörper plastisch in Richtung des Ventilschließkörpers verformt wird. Durch die Verformung des Lochkörpers wird der Ventilnadelhub von einer voreingestellten Größe auf einen geforderten Ventilhub verringert. Mit dem Ventilnadelhub wird die statische Durchflußmenge des Einspritzventils festgelegt.
Eine rationelle Fertigung eines Ventils erfordert, daß die Einstellung des Ventilhubs in einen Fließfertigungsprozeß integrierbar ist. Dies bedingt ferner, daß der Ventilhub mit hoher Wiederholgenauigkeit einstellbar ist. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine Verschiebung des Ventilsitzes mittels einer plastischen Verformung des Lochkörpers mit hoher Wiederholgenauigkeit bei hoher Zustellgeschwindigkeit des Verdrückstempels möglich ist. Dadurch wird zur Einstellung des Ventilhubs eine Taktzeit erreicht, die eine Integration in einen Fließfertigungsprozeß ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem selbstlernenden Einstellablauf zur Hubeinstellung und setzt sich aus einer Einlernphase und einer Hubendeinstellphase zusammen. Durch die damit erzielbare Optimierung der Parameter wird bei möglichst geringer Taktzeit beste Qualität erreicht. Durch Editieren der Parameter ist es außerdem möglich, das Verfahren für unterschiedliche Ventiltypen einzusetzen.
Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Krafteinleitung über ein Federelement zu realisieren. Das Federelement wirkt dabei als Übersetzung und ermöglicht der Verstelleinrichtung eine hohe Zustellgeschwindigkeit. Die Anordnung eines Kraftsensors in der Kraftübertragungskette erlaubt eine gute Anfahrpunkterkennung, so daß zusätzlich eine relativ hohe Anfahrgeschwindigkeit möglich ist. Ein hochauflösendes Wegmeßsystem sitzt auf dem Ventil auf und ist vertikal verschiebbar, so daß die Auswirkungen von Elastizitäten der Vorrichtung eliminiert werden können. Eine spezielle Spanneinrichtung garantiert, daß sich das Ventil frei nach einer Einstichplanfläche ausrichtet und somit eine definierte Lage erhält.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt eines düsenseitigen Endes eines Brennkrafteinspritzventils, Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 3 eine Schnittdarstellung entsprechend den Linien III-III gemäß Figur 2, Figur 4a einen ersten Teil eines Prozeßablaufplanes zur Bestimmung eines Ventilhubs während des Einstellens und Figur 4b einen zweiten Teil des Prozeßablaufplanes nach Figur 4a.
Das in Figur 1 mit seinem düsenseitigen Teil teilweise dargestelltes Einspritzventil 20 hat einen rohrförmigen Sitzträger 21 mit einer Längsöffnung 23, in der beispielsweise eine rohrförmige Ventilnadel 24 angeordnet ist, die mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 25 in einer Führungsöffnung 26 eines Ventilsitzkörpers 27 aufliegt. An der dem Ventilschließkörper 25 abgewandten Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 27 mit einem Lochkörper 28 konzentrisch und fest verschweißt. Der Lochkörper 22 weist einen topfförmigen Querschnitt mit einem umlaufenden Halterand 29 auf. Der Lochkörper 28 ist in der Längsöffnung 23 mit dem Halterand an der Wandung der Längsöffnung 23 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte Schweißnaht 22 verbunden. Die durch das Verschweißen des Lochkörpers 28 festgelegte Lage des Ventilsitzkörpers 27 in der Längsöffnung 23 bestimmt eine Voreinstellung des Ventilhubs der Ventilnadel 24. Nähere Ausführungen zum Aufbau und zur Wirkungsweise des Einspritzventils gehen aus der DE-A1 40 26 721 hervor.
Die Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2 zeigt ein auf eine Grundplatte 10 montiertes massives Gestell 11, eine Meßeinrichtung 30, eine auf dem Gestell 11 befestigte Spanneinrichtung 40 und eine Verstelleinrichtung 50. Am Gestell 11 beziehungsweise auf der Grundplatte 10 ist eine Säulenführung 14 mit einer Führungsstange 15 befestigt. Die Führungsstange 15 ist mit einem Ausleger 16 verbunden, an dem die Meßeinrichtung 30 befestigt ist. Am Ausleger 16 greift ferner eine Kolbenstange 17 eines pneumatischen Stellzylinders 18 an. In der Spanneinrichtung 40 ist ein Einspritzventil 20 zentriert und von unten noch oben gespannt.
Die Meßeinrichtung 30 ist ein hochauflösendes Meßsystem und besitzt eine Tastmeßeinrichtung 31, die auf einen Wegaufnehmer 32 einwirkt. Die Tastmeßeinrichtung 31 weist einen in einer nicht dargestellten Hochgenauigkeits-Kugelführung geführten Meßschlitten 33 mit einem Meßdorn 34 auf, der beispielsweise aus Hartmetall ausgeführt ist. Der Wegaufnehmer 32 ist fest mit dem Meßschlitten 33 verbunden. Am Gehäuse der Tastmeßeinrichtung 31 ist ein auswechselbarer Anschlag 35 angebracht, mit dem die Anschlagwege für verschiedene Einspritzventile festlegbar sind.
Die Meßeinrichtung 30 wird vom Zustellzylinder 18 derart zugestellt, daß der Meßdorn 34 durch die hohle Ventilnadel 24 hindurchreicht und auf dem Ventilschließkörper 25 aufsitzt. Danach liegt der Anschlag 35 auf dem Gehäuse 21 des Einspritzventils auf. Der Wegaufnehmer 32 liefert ein elektrisches Meßsignal, welches der Ventilhuberfassung dient und von der Steuerung für den Einstellvorgang ausgewertet wird. Zur Auf laufüberwachung des Meßdorns 34 ist eine Lichtschranke vorgesehen, welche bei einer Aktivierung den Zustellzylinder 18 veranlaßt, die Meßeinrichtung 30 in die obere Ausgangsposition zurückzufahren.
Der Aufbau der Spanneinrichtung 40 und der Verstelleinrichtung 50 geht aus Figur 3 hervor. Die Spanneinrichtung 40 weist einen aus einem oberen Teil 41 und einem unteren Teil 42 bestehenden massiven Träger 43 auf. Zwischen den Trägerteilen 41 und 42 ist ein aus beispielsweise zwei Teilen bestehender, horizontal bewegbarer Zentrierschieber 44 angeordnet, der mit einem axialen Spiel behaftet, das Einspritzventil 20 an einer Hinterschneidung spannt. Zum spielfreien Führen des Schiebers 44 ist im unteren Trägerteil 42 eine nicht dargestellte Kugelrastung vorgesehen. Im oberen Trägerteil 41 ist eine Aufnahme 45 mit nicht dargestellten Zentrierungen für das Einspritzventil 20 eingelassen. Der Zentrierschieber 44 wird beispielsweise von nicht näher dargestellten Betätigungselementen 46 axial bewegt, wobei die Bewegung von nicht dargestellten Pneumatikzylindern ausgeführt wird. Der untere Trägerteil 42 weist eine Aussparung 47 auf, durch die das düsenseitige Ende des Einspritzventils 20 hindurchragt.
Unterhalb des Trägers 40 ist die Verstelleinrichtung 50 mit einer Verdrückeinheit 51 und einer Zustelleinheit 52 angeordnet. Die Verdrückeinheit 51 weist einen Verdrückdorn 53 mit einer zentralen Bohrung 54 auf, in der ein Verdrückstempel 55 eingesteckt ist. Der Verdrückdorn 53 ist reibungsarm beispielsweise in einer Kugelführung 56 gelagert, wobei die Kugelführung 56 in einem Grundkörper 57 aufgenommen ist. Am verstelleinrichtungsseitigen Ende besitzt der Verdrückdorn 53 einen elastischen Ring 58, welcher den Kugelkäfig im unbelasteten Zustand in Arbeitsstellung zurückschiebt, so daß beim Verdrückvorgang nur Rollreibung und keine Gleitreibung auftritt.
Zwischen Grundkörper 57 und Einspritzventil 20 befindet sich eine Andrückglocke 60, die über beispielsweise zwei Führungsbolzen 61 mit dem Grundkörper 57 verbunden ist, wobei die Führungsbolzen 61 axial verschiebbar im Grundkörper 57 gelagert sind. Aus der einspritzventilseitigen Stirnfläche des Grundkörpers 57 ragen beispielsweise vier überfederte Bolzen 62 heraus, die an der Andrückglocke 60 angreifen und diese mittels der Federkraft von unten an das Einspritzventil 20 herandrücken, so daß das axiale Spannspiel des Einspritzventils 20 im Zentierschieber 44 beseitigt wird.
Der Grundkörper 57 ist an einem Joch 63 verschraubt, welches zwei Führungsstangen 65 der Zustelleinheit 52 trägt. Die beiden Führungsstangen 65 sind jeweils in zwei Führungsbuchsen 66 gelagert, die am Gestell 11 befestigt sind. Von den Führungsstangen 65 wird ferner eine Vortriebseinheit 67 geführt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gewinderollenschraubtrieb ist. Die Vortriebseinheit 67 weist zwei weitere mit einem Gehäuse 68 verbundene Laufbuchsen 69 auf, die die Führung der Vortriebseinheit 67 an den Führungsstangen 66 realisieren. Im Gehäuse 68 ist eine Gewindemutter 70 angeordnet, in der eine Gewindespindel 71 geführt wird. Die Gewindespindel 71 besitzt einen Schaft, an dem ein Bund 73 angedreht ist. Der Bund 73 stützt sich an einem Axial/Radial-Lager 75 ab, welches auf einer am Gestell 11 festgelegten Auflage 76 aufliegt. Auf der Gewindespindel 71 sitzt eine Riemenscheibe 77, die über einen Zahnriemen 78 mit einem nicht dargestellten Schrittmotor verbunden ist.
Am Jochs 63 sitzt antriebsseitig eine topfförmige Aufnahme 80 für eine Schraubenfeder 81. Das Joch 63 weist koaxial zum Verdrückdorn 53 hin eine Öffnung 64 auf, in der eine Buchse 83 mit einem Kraftsensor 82 positioniert ist. Die Buchse 83 enthält eine Überlastsicherung. Die topfförmige Aufnahme 80 hat im antriebsseitigen Boden eine Durchführung 85, durch die ein zylinderförmiger Ansatz 86 des Gehäuses 68 greift und an dessen Stirnseite eine Druckscheibe 87 befestigt ist, auf der eine Schraubenfeder 81 aufsitzt.
Der Verstellweg des Verdrückdorns 53 wird von der Vortriebseinheit 67 erzeugt, wobei die dabei entstehende Verdrückkraft über die Schraubenfeder 81 und den Kraftsensor 82 auf den Verdrückdorn 53 übertragen wird. Der Kraftsensor 82 dient zur Erkennung des Anfahrpunktes des Verdrückstempels 55 am Lochkörper 28 des Einspritzventils 20. Ferner dient der Kraftsensor 82 zur Überwachung der Kraftwerte während des Einstellvorgangs.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
Ein Einspritzventil 20 wird in die Aufnahme 45 der Spanneinrichtung 40 eingesetzt und mittels des Zentrierschiebers 44 gespannt. Nach dem Betätigen des Zentrierschiebers 44 wird die Verstelleinheit 50 an das düsenseitige Ende des Einspritzventils 20 herangeführt. Dies geschieht durch Betätigen des nicht dargestellten Schrittmotors, wodurch die Vortriebseinheit 67 die Verdrückeinheit 51 vom Kraftsensor 82 kraftüberwacht soweit zustellt, bis der Verdrückstempel 55 am Lochkörper 28 des Einspritzventils 20 anliegt. Dadurch wird gleichzeitig über die voreilende, überfederte Andrückglocke 60 das Einspritzventil 20 gegen den Zentrierschieber 44 der Spanneinrichtung 40 gedrückt. Dadurch ist garantiert, daß sich das Einspritzventil 20 nach der Einstichplanfläche ausrichtet und axial spielfrei vom Zentrierschieber 44 gehalten wird.
Vom Zustellzylinder 18 wird nun die Meßeinrichtung 30 zugestellt, bis der Anschlag 35 auf dem Einspritzventil 20 und der Meßdorn 34 auf dem Ventilschließkörper 25 aufsitzt.
Mit der Zuführung der Meßeinrichtung 30 erfolgt gleichzeitig eine Kontaktierung des Magnetkreises des Einspritzventils 20. Nach dem Registrieren der unteren Position des Ventilschließkörpers 25 wird der Meßdorn 34 vom Ventilschließkörper 25 abgehoben und der Magnetkreis des Einspritzventils 20 aktiviert. Dadurch wird die Ventilnadel 24 betätigt und der Ventilschließkörper 25 vom Ventilsitzkörper 27 abgehoben. In dieser Position des Ventilschließkörpers 25 wird erneut der Meßdorn 34 auf den Ventilschließkörper 25 aufgesetzt und der Wegaufnehmer 32 auf Null gestellt. Durch Wegnahme der Spannung für den Magnetkreis fällt der Ventilschließkörper 25 in die Ausgangsstellung zurück. Somit wird der Ist-Hub der Ventilnadel 24 ermittelt.
Vom nicht dargestellten Schrittmotor wird nun die Vortriebseinheit 67 betätigt, wobei die Vorschubbewegung von der als Energiespeicher wirkenden Schraubenfeder 81 aufgenommen wird. Aufgrund der Federkennlinie der Schraubenfeder 81 wird die von der Zustellbewegung der Vortriebseinheit 67 in der Schraubenfeder 81 gespeicherte Kraft über den Kraftsensor 82 auf den Verdrückdorn 53 und den Verdrückstempel 55 auf den Lochkörper 28 übertragen, welcher aufgrund der wirkenden Kraft von beispielsweise maximal 1600 bis 1700 Newton plastisch verformt wird. Die Druckfeder 81 wirkt dabei als Übersetzung und erlaubt eine schnelle Anfahr- und Zustellgeschwindigkeit der Zustelleinheit 52.
Die Figuren 4a und 4b zeigen einen Prozeßablaufplan zur Bestimmung des von der Verstelleinrichtung 50 auszuführenden Zustellwegs des Verdrückstempels 55 zur Einstellung des Ventilhubs des Einspritzventils 20. Anhand des voreingestellten Ist-Hubs der Ventilnadel 24 und des gewünschten Soll-Hubs wird der Zustellweg als Solldifferenz erfaßt. Mit der Solldifferenz wird zu Beginn des Verdrückvorgangs gemäß Schritt 100 eine Startschrittzahl für den Schrittmotor als Zustellung für den Verdrückstempel 55 ermittelt. Vom Schrittmotor wird nun die ermittelte Schrittzahl im Schritt 101 zugestellt und der damit erzielte Zustellweg gemäß Schritt 102 eingelesen. Im darauffolgenden Schritt 103 wird geprüft, ob der Zielwert des Zustellwegs erreicht ist. Ist der Zielwert nicht erreicht, wird eine neue Schrittzahl gemäß Schritt 104 ermittelt und erneut der mit dieser Schrittzahl realisierte Zustellweg gemessen. Die Schritte 101 bis 104 werden so lange wiederholt, bis der Zielwert gemäß Schritt 103 erreicht ist. Die Schritte 101 bis 104 stellen somit eine Einlernphase dar.
Ist der Zielwert erreicht, wird der Verdrückstempel 55 zurückgefahren (Schritt 105). Dabei wird der Lochkörper 28 entlastet, wodurch der Lochkörper 28 aufgrund des Anteils der elastischen Verformung zurückfedert. In dieser Lage wird gemäß Schritt 106 der Hub der Ventilnadel 24 erneut gemessen und gemäß Schritt 107 geprüft, ob der Hub innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Liegt der Hub innerhalb der vorgegebenen Toleranz, wird der Verdrückvorgang beendet (Schritt 108). Liegt der Hub nicht in der vorgegebenen Toleranz, wird gemäß Schritt 109 von einer nicht dargestellten Rechnereinheit eine Kennlinie anhand der mit dem ersten Zustellvorgang realisierten Werte ermittelt. Die Kennlinie ist nicht linear und hat für jedes Einspritzventil einen anderen Verlauf, der von mehreren Faktoren abhängig ist, zum Beispiel vom Anfangshub, von der Schräglage des Lochkörpers 28, von Material- und Geometrieunterschieden des Lochkörpers 28 sowie vom Rückfederweg und von der Elastizität, die infolge des Schweißens des Lochkörpers 28 unterschiedlich sein kann.
Anhand der im Schritt 109 ermittelten Kennlinie wird die zum Erreichen des Soll-Ventilhubs notwendige Schrittzahl für einen zweiten Zustellungvorgang in Schritt 110 ermittelt und im Schritt 111 der Soll-Zustellweg als zweiter Zielwert berechnet. Nachfolgend wird der Schrittmotor mit der aus der Kennlinie ermittelten Schrittzahl zugestellt (Schritt 112) und der Zustellweg erneut gemessen (Schritt 113). Im Schritt 114 wird geprüft, ob der gemessene Zustellweg den neuen Zielwert des Soll-Zustellwegs erreicht hat. Ist die Bedingung gemäß Schritt 114 nicht erfüllt, wird gemäß Schritt 115 eine Korrektur-Schrittzahl berechnet und die Schritte 112, 113, 114 und 115 werden solange wiederholt, bis die Bedingung gemäß Schritt 114 erfüllt ist.
Im Schritt 116 wird der Verdrückstempel 55 erneut zurückgefahren und damit der Lochkörper 28 entlastet. Im entlasteten Zustand wird wiederum der Ventilnadelhub von der Meßeinrichtung 30 ermittelt (Schritt 117). Gemäß Schritt 118 wird geprüft, ob der Ventilnadelhub innerhalb des Toleranzbereichs liegt. Ist der Toleranzbereich erreicht, wird der Verdrückvorgang beendet (Schritt 119).
Liegt der ermittelte Ventilnadelhub nicht innerhalb der Toleranz, wird im Schritt 120 geprüft, ob der Ventilnadelhub noch zu groß ist. Wird die Bedingung gemäß Schritt 120 nicht erfüllt, ist der Soll-Ventilhub bereits unterschritten und das Einspritzventil wird gemäß Schritt 121 verworfen. Ist der Hub hingegen noch zu groß, wird im Schritt 122 die Anzahl der Zustellvorgänge abgefragt. Wurde beispielsweise bereits dreimal zugestellt, wird das Einspritzventil gemäß Schritt 121 ebenfalls verworfen. Wurden weniger als drei Zustellvorgänge durchgeführt, geht das Programm zurück zu Schritt 110, und es wird erneut aus der Kennlinie eine Schrittzahl und ein weiterer Zielwert für einen Zustellweg eines dritten Zustellvorgang ermittelt. Die Schritte 111 bis 122 wiederholen sich entsprechend.
Das Verfahren ist nicht auf die Einstellung des Ventilhubs von Einspritzventilen beschränkt. Es ist anwendbar für alle Hubeinstellungen, bei denen durch Umformung mindestens eine Hubbegrenzung eingestellt wird.