Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung des Ventilsitzes eines Kraftstoffeinspritzventils. Bei Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie vorzugsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, kommt der exakten Fertigung und Gestaltung des Körpersitzes und der dort zusammen- wirkenden Dichtflächen eine entscheidende Bedeutung zu. Zum einen ist es wichtig, dass die Ventilnadel, wenn sie mit ihrem Nadelsitz auf dem entsprechenden Körpersitz aufsitzt, gegenüber dem anstehenden hohen Kraftstoffdruck eine dichte Verbindung gewährleistet, damit Kraftstoff nicht unkontrolliert in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Andererseits ist eine exakte Fertigung des Kör- persitzes von entscheidender Bedeutung für die Öffnungsdynamik der Ventilnadel:

Nach dem Abheben der Ventilnadel vom Körpersitz wird der Nadelsitz zusätzlich vom Kraftstoffdruck beaufschlagt, sodass sich die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel ändert. Dies beeinflusst die Öffnungsdynamik entscheidend und ist damit wesentlich für die Kraftstoffmenge, die bei der Einspritzung in den Brennraum ge- langt.

Bei Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie beispielsweise aus der DE 103 15 820 Al bekannt sind, ist eine exakte Fertigung des Nadelsitzes und des damit zusammenwirkenden Körpersitzes besonders wichtig, da diese Kraftstoffeinspritzventile zwei Ventilnadeln aufweisen, die koaxial ineinander geführt sind. Die äußere Ventilnadel

steuert hierbei den Kraftstoffzufluss zu äußeren Einspritzöffnungen, während die innere Ventilnadel den Zufluss zu inneren Einspritzörrhungen steuert. Da die äußeren Einspritzörrhungen vom Kraftstoffdruck sowohl von der Innenseite als auch von der Außenseite her beaufschlagt werden, sind an der Ventilaußennadel zwei Dichtkanten ausgebildet, von denen eine oberhalb der äußeren Einspritzörrhungen anliegt, während die zweite Dichtkante unterhalb der äußeren Einspritzöffnungen anliegt. Wirkt auf die Ventilaußennadel eine entsprechende axiale Schließkraft, so liegen beide Dichtkanten auf dem Körpersitz auf und sollten im Idealfall die äußeren Einspritzöffnungen in beide Richtungen abdichten. Dies stellt an die Ferti- gungsgenauigkeit sehr hohe Anforderungen.

Um eine ausreichende Flächenpressung an beiden Dichtkanten zu erreichen, darf der Spalt zwischen der Dichtkante und dem Körpersitz dann, wenn eine der Dichtkanten am Körpersitz aufliegt, nur Bruchteile eines Mikrometers (μm) betragen, damit sichergestellt ist, dass durch die elastische Verformungen der Ventilnadel und des Ventilkörpers schließlich beide Dichtkanten auf dem Körpersitz aufliegen. Dies ist selbst im Neuzustand des Kraftstoffeinspritzventils nicht immer sicher gewährleistet. Zudem können sich diese Verhältnisse durch den Verschleiß zwischen dem Nadelsitz und dem Körpersitz mit der Zeit ändern. Trägt nur noch eine der Dichtkanten die auf die Ventilnadel wirkende Schließkraft, so kann es zu Undichtigkeiten an der anderen Dichtkante kommen, was schließlich zu Undichtigkeiten des Kraftstoffeinspritzventils und zu einem geänderten Öffnungsverhalten führen kann.

Um den Nadelsitz genau an den Körpersitz anzupassen sind verschiedene Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. So kann das Kraftstoffeinspritzventil im Bereich des Körpersitzes beispielsweise durch Läpppaste bearbeitet werden, um das entsprechende Spaltmaß herzustellen. Es bleibt jedoch das Problem, dass sich die Dichtverhältnisse und Spaltmaße beim Kraftstoffeinspritzventil durch den Ver- schleiß ändern, sodass auch ein anfangs einwandfrei funktionierendes Kraftstoffeinspritzventils nicht über die gesamte Lebensdauer die optimale Funktionalität gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung des Ventilsitzes eines Kraftstoffeinspritzventils ist es hingegen möglich, ein zuverlässig dichtendes Kraft- Stoffeinspritzventil herzustellen, das seine Eigenschaften bezüglich der Kraftstoffeinspritzung über die gesamte Lebensdauer behält. Hierzu wird das Kraftstoffeinspritzventil vorbehandelt, indem die Ventilnadel mit einer Axialkraft beaufschlagt wird. Gleichzeitig wird der Ventilkörper, in dem die Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist, mit einem Ultraschallgeber so verbunden, dass eine Ultraschallwel- Ie in den Ventilkörper eingekoppelt wird. Durch die Ultraschallwelle kommt es zu einer leichten Bewegung des Nadelsitzes, der an der Ventilnadel ausgebildet ist, und dem im Ventilkörper ausgebildeten Körpersitz relativ zueinander, sodass sich die Flächen aneinander angleichen und eine dichte Verbindung hergestellt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die

Ventilnadel zusätzlich um ihre Längsachse gedreht. Dadurch erreicht man ein zuverlässiges Angleichen von Nadelsitz und Körpersitz auch dann, wenn die Ventilnadel im zusammengebauten Injektor eine beliebige Winkelposition bezüglich des Körpersitzes einnimmt. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Ventilnadel mit 50 bis 300 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse rotiert. Entsprechend eignen sich Ultraschallfrequenzen, die im Bereich von 10 bis 30 kHz liegen.

Das Verfahren kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden, bei der ein Kraftstoffeinspritzventil, das einen Ventilkörper und eine in diesem angeordnete, längsverschiebbare Ventilnadel aufweist, in eine Aufnahme der Vorrichtung eingesetzt wird. Die Vorrichtung beinhaltet einen Antrieb, der die Ventilnadel mit einer Axialkraft beaufschlagt und ggf. um ihre Längsachse dreht, und einen Ultraschallgeber, der so mit dem Ventilkörper verbunden ist, dass eine Ultraschallwelle geeigneter Amplitude und Frequenz eingekoppelt wird.

Zeichnung

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt Figur 1 und

- A -

Figur 2 im Längsschnitt zwei Ausführungsbeispiele von Kraftstoffeinspritzventilen, wie sie mit erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden können, und

Figur 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vor- zugsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet wird. Ein solches

Kraftstoffeinspritzventil ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass seine Funktion hier nur kurz umrissen wird. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 3 auf, in dem eine Bohrung 7 ausgebildet ist, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Körpersitz 12 begrenzt wird. Vom Körpersitz 12 gehen mehrere Einspritzöffnungen 15 ab, die in Einbaulage des

Kraftstoffeinspritzventils 1 in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 7 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die eine Längsachse 8 aufweist und die an ihrem ventilsitzzugewandten Ende in einen Nadelsitz 17 übergeht, mit dem die Ventilnadel 7 mit dem Körpersitz 12 zusammenwirkt und dadurch einen Ventilsitz bildet. Am Übergang zum Nadelsitz 17 ist an der Ventilnadel 5 eine äußere Dichtkante 20 ausgebildet, mit der die Ventilnadel 5 auf dem Körpersitz 12 in ihrer Schließstellung aufliegt. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Bohrung 7 ist ein Druckraum 10 ausgebildet, in den Kraftstoff unter hohem Druck eingeleitet werden kann. Je nach Längsposition der Ventilnadel 5 werden die Ein- spritzöffnungen 15 entweder freigegeben oder durch Anlage der Ventilnadel 5 auf dem Körpersitz 12 gegenüber dem Druckraum 10 verschlossen.

Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung geschieht beispielsweise dadurch, dass bei einer konstanten Schließkraft auf die Ventilnadel 5, die in Richtung des Kör- persitzes 12 wirkt, ein wechselnder Kraftstoffdruck im Druckraum 10 angelegt wird. Dieser bewirkt durch Beaufschlagung einer an der Ventilnadel 5 ausgebildeten und in der Zeichnung nicht dargestellten Druckfläche eine der Schließkraft entgegengerichtete Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5. Ist diese Öffnungskraft größer als die Schließkraft, so bewegt sich die Ventilnadel 5 vom Körpersitz 12 weg und gibt die Einspritzöffnungen 15 frei, sodass jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum

10 zwischen dem Nadelsitz 17 und dem Körpersitz 12 hindurch zu den Einspritz- öffiiungen 15 strömen kann, durch die der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass bei einem konstanten Druck im Druckraum 10 die Schließkraft auf die Ventilnadel 7 veränderbar ist, wodurch ebenfalls eine Längsbewegung der Ventilnadel 5 erreicht werden kann.

Figur 2 zeigt ein weiteres Kraftstoffeinspritzventil 1, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionalität wie das in Figur 1 gezeigte auf, jedoch sind hier am Nadelsitz 17 mehrere Kegelflächen so ausgebildet, dass eine äußere Dichtkante 20 und eine innere Dichtkante 22 gebildet werden, die beide in Schließstellung der Ventilnadel 7 am Körpersitz 12 aufliegen. Dadurch sind die Einspritzöffnungen 15 sowohl gegen den Druckraum 10 als auch gegen das Volumen abgedichtet, das zwischen dem Nadelsitz 17 und dem Körpersitz 12 jenseits der inneren Dichtkante

22 verbleibt.

Bei der Fertigung ist es besonders schwierig, einen Nadelsitz 17 zu fertigen, der zusammen mit dem Körpersitz 12 stets zuverlässig den Druckraum gegen die Ein- Spritzöffnungen 15 abdichtet. Insbesondere ist es sehr aufwendig, den Nadelsitz 17 nach Figur 2 zu fertigen, bei der sowohl die innere Dichtkante 22 als auch die äußere Dichtkante 20 in Schließstellung des Kraftstoffeinspritzventils dichtend auf dem Körpersitz 12 aufliegen müssen. Insbesondere dann, wenn durch Verschleiß im Laufe des Betriebs nur eine der Dichtkanten 20, 22 die Schließkraft trägt, kann es zu Undichtigkeiten zwischen der jeweils anderen Dichtkante und dem Körpersitz 12 kommen, wodurch Kraftstoff unkontrolliert zu den Einspritzöffnungen und damit in den Brennraum gelangen kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch überwunden, dass beim Kraftstoff- einspritzventil in Neuzustand ein Angleichverfahren zwischen dem Nadelsitz 17 einerseits und dem Körpersitz 12 andererseits durchgeführt wird, wobei dieser Pro- zess einen Teil des Verschleißes bereits vorwegnimmt. Damit findet im weiteren Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils keine weitere Veränderung im Bereich des Ventilsitzes statt, die die Funktionalität beeinträchtigen kann. Um dies zu erreichen geht man folgendermaßen vor: Das Kraftstoffeinspritzventil wird in Neuzustand

und ohne dass es mit Kraftstoff oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist, in eine Körperaufhahme 34 eingespannt, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Die Körperaufnahme 34 klemmt den Ventilkörper 3 und verbindet ihn so mit einem Ultraschallgeber 36, der Ultraschall geeigneter Frequenz und Amplitude erzeugt. Über die Körperaufhahme 34, die eine mechanische Verbindung zwischen dem Ultraschallgeber 36 und dem Ventilkörper 3 herstellt, wird der Ultraschall in den Ventilkörper 3 eingekoppelt. Die Ventilnadel 5 wird gleichzeitig in eine Nadelaufhahme 32 eingespannt, die mit einem Antrieb 30 verbunden ist. Der Antrieb 30 ist so ausgestaltet, dass auf die Ventilnadel 5 eine Axialkraft F ausgeübt werden kann und gleich- zeitig ein Drehmoment R, das die Ventilnadel 5 um ihre Längsachse 8 rotieren lässt.

Zur Durchführung des Angleichverfahrens wird die Ventilnadel 5 mit einer Axialkraft F beaufschlagt, die vorzugsweise im Bereich von 30 bis 100 N liegt. An- schließend wird über den Ultraschallgeber 36 eine Ultraschall welle erzeugt, die ü- ber die Körperaufnahme 34 in den Ventilkörper 3 eingekoppelt wird. Dadurch kommt es zu einer leichten, zyklischen Bewegung zwischen dem Körpersitz 12 einerseits und der Dichtkante 20 bzw. den Dichtkanten 20 und 22 andererseits. Dies bewirkt einen Verschleiß in diesem Bereich, wie er auch bei längerem Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils auftritt. Gleichzeitig wird sowohl die äußere Dichtkante

20 als auch, falls vorhanden, die innere Dichtkante 22 so an den Körpersitz 12 angeglichen, dass eine Abdichtung an der Dichtkante 20 bzw. an beiden Dichtkanten 20, 22 erfolgt. Da bereits ein Teil des Verschleißes vorweggenommen worden ist, wie er im späteren Betrieb aufgetreten wäre, ändert sich an der zuverlässigen Ab- dichtung sowohl an der äußeren Dichtkante 20 als auch an der inneren Dichtkante

22 im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils nichts mehr.

Durch die zusätzliche Rotation der Ventilnadel 5 durch den Antrieb 30 wird eine gute Abdichtung über den gesamten Umfang der äußeren Dichtkante 20 bzw. der inneren Dichtkante 22 erreicht, unabhängig davon, in welcher Winkelposition die

Ventilnadel 5 letztendlich im Injektor betrieben wird.

Bei der Einkopplung des Ultraschalls durch den Ultraschallgeber 36 und die Körperaufnahme 34 ist es wichtig, dass die Frequenz, die Amplitude und auch die Art und Weise, wie die Ultraschallwelle eingekoppelt wird, auf den gewünschten Ver-

schleiß im Bereich des Körpersitzes 12 abgestimmt ist. So sollte es beispielsweise vermieden werden, dass der Ventilkörper 3 in einer seiner Eigenfrequenzen angeregt wird, da hierdurch zu große Kräfte auf den Ventilkörper 3 in Bereich der Körpereinspannung ausgeübt werden.

Damit es zu keinem axialen Versatz zwischen der Körperaufhahme 34 und der Na- delaufhahme 32 andererseits kommt, ist der Antrieb 30 beweglich bzw. schwimmend gelagert. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ventilnadel 7 stets exakt bezüglich des Körpersitzes 12 ausgerichtet ist, so wie auch beim späteren Betrieb.

Es kann auch vorgesehen sein, das Angleichverfahren nicht im trockenen Zustand, also bei ungefülltem Kraftstoffeinspritzventil zu betreiben. Dazu wird das Kraftstoffeinspritzventil beispielsweise mit Prüföl oder mit einem mit abrasiven Partikeln versetzten Flüssigkeit gefüllt. Prüföl ist hierbei ein spezielles Mineralöl, das für die Prüfung der Funktion günstige Eigenschaften besitzt. Dies kann die Bedingungen zwischen den beiden zusammenwirkenden Flächen, also zwischen dem Körpersitz 12 und dem Nadelsitz 17, günstig beeinflussen und den Prozess beschleunigen.

Weiter kann es vorgesehen sein, den Ventilkörper 3 fest in einer Einspannung zu fixieren und den Ultraschallgeber 36 in den Antrieb 30 zu integrieren. Dadurch wird die Ultraschallwelle direkt in die Ventilnadel 5 eingekoppelt, so dass der An- gleichprozess wie auch beim Einleiten der Ultraschallwelle in den Ventilkörper 3 stattfindet.