DE19809926C2 - Verfahren zur Überprüfung und Messung der Undichtigkeit von Ventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung und Messung der Undichtigkeit von Ventilen, insbesondere von Brennstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Überprüfung und Messung der Undichtigkeit von Brennstoffeinspritzventilen wird das geschlossene Ventil mit Prüfmedium und Prüfdruck beaufschlagt und ermittelt, ob und wieviel Prüfmedium den Ventildichtsitz überwindet.

Ursachen für Undichtigkeiten sind u. a. Fehler bei der Montage oder bei der Herstellung des Dichtsitzes. Bei Brennstoff­ einspritzventilen ist keine oder nur sehr geringe Undichtigkeit zulässig z. B. weniger als 1 µl/s. Neben der Undichtigkeit im Bereich des zulässigen Grenzwerts kommen bei der Herstellung von Brennstoffeinspritzventilen sehr große Undichtigkeiten vor, die um ein Vielfaches größer als der zulässige Grenzwert sind z. B. in der Größenordnung von 1 ml/min. Das Verhältnis von kleinster zu größter möglicher Undichtigkeit ist somit z. B. 1 : 1000. Es ist kein Verfahren bekannt, daß diesen großen Bereich in einer Vorrichtung überprüfen und messen kann.

Bekannte Prüfverfahren unterscheiden sich nach Art des Prüfmediums, dem Wert des Prüfdrucks, der Art des Anschlusses vom Ventil an den Prüfkreislauf, der verwendeten Meßmethoden und dem Meßort im Prüfkreislauf. Bei einer Anschlußart an den Prüfkreislauf wird das Ventil am Ventileinlaß mit Prüfmedium und Prüfdruck beaufschlagt, so daß die Undichtigkeit am Ventilauslaß austritt. Bei einer anderen Anschlußart wird das Ventil am Auslaß mit Prüfmedium und Prüfdruck beaufschlagt, so daß die Undichtigkeit am Ventileinlaß austritt. Der Druck der austretenden Undichtigkeit ist dabei geringer als der Prüfdruck. Der Bereich im Prüfkreislauf, indem der Prüfdruck herrscht, wird als Hochdruckbereich bezeichnet Der Bereich im Prüfkreislauf, indem die Undichtigkeit austritt, wird als Niederdruckbereich bezeichnet. Der Meßort für die austretende Undichtigkeit liegt bei bekannten Verfahren im Hochdruckbereich oder Niederdruckbereich.

In der Normschrift SAE 1832 werden Gründe für die Prüfung sowie ein Verfahren zur Prüfung beschrieben. Dabei wird ein gasförmiges Prüfmedium z. B. Stickstoff verwendet. Das zu prüfende Ventil wird dabei zunächst getrocknet und anschließend auf Undichtigkeit geprüft. Die Prüfung mit gasförmigen Prüfmedium entspricht nicht dem späteren Betrieb mit flüssigem Brennstoff und die Übertragbarkeit der Ergebnisse mit gasförmigen Prüfmedium auf die Undichtigkeit mit flüssigem Brennstoff muß zusätzlich ermittelt und sichergestellt werden. Weiterhin ist die Trocknung der Ventile vor der Prüfung sehr aufwendig.

Bei anderen bekannten Verfahren wie z. B. nach DE OS 42 05 453 wird die Undichtigkeit im Hochdruckbereich gemessen und eine Hydraulikflüssigkeit als Prüfmedium verwendet. Im Vergleich zum Niederdruckbereich ist im Hochdruckbereich ein sehr viel größeres Volumen an Prüfmedium und höherer Mediendruck vorhanden. Infolge des höheren Drucks und des größeren Volumens steigt die Reibung im Prüfkreislauf. Diese Reibung wird in Wärmeenergie umgesetzt und führt zu Temperaturschwankungen des Prüfmediums. Die daraus resultierende Wärmeausdehnung des Prüfmediums bewirkt Volumenänderungen, die in der Größenordnung der notwendigen Meßauflösung liegen. Es entstehen somit erhebliche Meßfehler in der Größenordnung des zulässigen Grenzwerts der Undichtigkeit. Bei der Messung im Hochdruckbereich ist weiterhin die Abdichtung aufwendiger als im Niederdruckbereich.

Es sind weitere Verfahren und Vorrichtungen nach der Gattung des Patentanspruchs bekannt. Dabei werden Undichtigkeiten im Bereich des zulässigen Grenzwerts gemessen. Der vorkommende große Bereich von Undichtigkeiten übersteigt den Meßbereich einzelner verwendeter Meßmethoden und führt zu Meßfehlern sowie zu Betriebsstörungen in automatisierten Fertigungseinrichtungen.

In der DE PS 40 26 228 wird eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung der hydraulischen Leckrate beschrieben. Die Undichtigkeit wird im Niederdruckbereich gemessen. Bei der Prüfeinrichtung führen sehr große Undichtigkeiten zu Betriebsstörungen, da das offene System die großen Mengen nicht aufnehmen kann und die Einrichtung überläuft. Weiterhin ist die Einrichtung nicht thermisch stabilisiert und Temperaturunterschiede zwischen dem Prüfmedium und der Meßvorrichtung führen zu Prüffehlern. Diese Temperaturunterschiede treten auf, wenn die Temperatur in der Umgebung schwankt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gesamten Bereich der vorkommenden Undichtigkeiten bei Brennstoffeinspritzventilen mit einer Meßvorrichtung zu überprüfen und zu messen. Dabei soll flüssiges Prüfmedium verwendet werden und mögliche Meßfehler aufgrund von hohem Druck des Prüfmediums sowie Temperaturschwankungen von Prüfmedium und Meßvorrichtung ausgeschlossen bzw. eingeschränkt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Überprüfung mit einer Meßvorrichtung in mehreren aufeinanderfolgenden Meßabschnitten durchgeführt. Jeder einzelne Abschnitt weist einen bestimmten Meßbereich für Undichtigkeiten auf und die Summe der einzelnen Meßbereiche ergibt den gesamten zu überprüfenden Meßbereich für die Undichtigkeit von Brennstoffeinspritzventilen. Die Meßvorrichtung ist dabei so gestaltet, daß sie die verschiedenen Meßmethoden der einzelnen Abschnitte durchführen kann. Dadurch ist es nicht notwendig, das Ventil in mehreren Vorrichtungen zu prüfen. Die jeweilige Messung wird im Niederdruckbereich des Prüfkreislaufs durchgeführt, wobei Volumen und Druckwert sehr gering ausgeführt sind, um Meßfehler möglichst gering zu halten. Die Temperatur des Prüfmediums wird außerhalb der Meßvorrichtung eingestellt und ein Teil des Prüfmediums durchströmt das Gehäuse der Meßvorrichtung getrennt von Hoch- und Niederdruckbereich des Prüfkreislaufs. Dadurch nimmt die Meßvorrichtung die gleiche Temperatur wie das Prüfmedium an und Fehler aufgrund von Temperaturschwankungen werden ausgeschlossen.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist dargestellt, wie der gesamte Meßbereich der Undichtigkeit in mehrere Meßbereichsabschnitte aufgeteilt wird. Dabei ist auf der X-Achse die Zeit und auf der Y-Achse die Menge der Undichtigkeit angetragen. Die beiden Diagramme zeigen in den gleichlangen zeitlichen Abschnitten unterschiedliche Undichtigkeiten, die jeweils in der Meßvorrichtung ermittelt werden.

In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau des Verfahrens mit der Meßvorrichtung (1) dargestellt. Die Meßvorrichtung (1) ist an den Prüfkreislauf (26) angeschlossen und das flüssige Prüfmedium wird von der Pumpe (5) aus einem Auffangbehälter entnommen und gefördert. Der Prüfkreislauf (26) gliedert sich in den Hochdruckbereich (24) und den Niederdruckbereich (25). Der obere Kontaktierkopf (3) ist an den Hochdruckbereich (24) des Prüfkreislaufs (26) und der untere Kontaktierkopf (4) ist an den Niederdruckbereich (25) des Prüfkreislaufs (26) angeschlossen. Das Verfahren zur Überprüfung des gesamten zu überprüfenden Meßbereichs wird bei diesem Aufbau in zwei Meßabschnitte aufgeteilt. In der dargestellten Ausgangsstellung wird der erste Meßabschnitt durchgeführt, das Ventil (9) ist geschlossen und die Ventile (10, 11, 28) sind geöffnet. Die Druckregelventile (12, 13) stellen den jeweiligen Prüfdruck im Hoch- und Niederdruckbereich des Prüfkreislaufs (26) ein. Das zu prüfende Ventil (2) wird am Ventileinlaß (16) vom oberen Kontaktierkopf (3) und am Ventilauslaß (17) vom unteren Kontaktierkopf (4) angeschlossen und zur Umgebung hin abgedichtet. Prüfmedium wird von der Pumpe (5) über die Zuleitungen (19, 20) zum Ventil (2) gefördert. Das zu prüfende Ventil (2) bleibt während der Prüfung geschlossen.

Nach dem Kontaktieren beginnt der erste Meßabschnitt zum Ermitteln von großen Undichtigkeiten, die z. B. aufgrund von Montagefehlern auftreten können. Das Druckregelventil (13) stellt den Druck des Prüfmediums im Niederdruckbereich (25) für diesen Abschnitt auf z. B. 0,2 bar ein und das Ventil wird am Auslaß über den Meßzylinder (15) mit Prüfmedium beaufschlagt. Anschließend wird das Ventil (11) geschlossen, die Ventile (10, 28) bleiben geöffnet und der Prüfdruck wird von dem Drucksensor (14) im Meßzylinder (15) gemessen. Zwischen Ventil (11) und Ventilauslaß (17) ist dadurch für die Überprüfung der Undichtigkeit ein sehr geringes Volumen an Prüfmedium mit niedrigem Druck abgesperrt. Je nach der Undichtigkeit des zu prüfenden Ventils (2) verringert sich dieser voreingestellte Druck über das Ventil (2) und den oberen Kontaktierkopf (3). Liegt bei dem zu prüfenden Ventil (2) eine große Undichtigkeit vor, so fällt der Druck während der Meßzeit unter einen zulässigen Grenzwert ab und das zu prüfende Ventil wird als fehlerhaft erkannt. Ist das Ventil nicht fehlerhaft, so beginnt der zweite Meßabschnitt.

Im zweiten Meßabschnitt wird bei geöffnetem Ventil (11) und geschlossenem Ventil (28) der Auslaß des zu prüfenden Ventils (2) über den unteren Kontaktierkopf (4) mit einem Soll-Druck von z. B. 0,2 bar beaufschlagt. Anschließend öffnet das Ventil (9) und das zu prüfende Ventil (2) wird über den oberen Kontaktierkopf (3) mit Prüfmedium beaufschlagt. Das Druckregelventil (12) stellt den Druck im Hochdruckbereich des Prüfkreislaufs z. B. auf 5 bar ein, so daß der Prüfdruck am Ventileinlaß wesentlich höher ist als am Ventilauslaß. Je nach Undichtigkeit des zu prüfenden Ventils (2) tritt Prüfmedium am Ventilauslaß (17) aus und verändert den voreingestellten Soll-Druck im Meßzylinder (15) bzw Niederdruckbereich (25). Der Drucksensor (14) übermittelt den Meßwert an den Rechner (27) und der Rechner steuert den Schrittmotor (6). Der Schrittmotor (6) verändert die Position des Kolbens (8) im Meßzylinder (15) solange, bis der Ist-Druck dem Soll-Druck entspricht. Die Volumenveränderung im Meßzylinder durch die Verschiebung des Kolbens während der Meßzeit entspricht der Undichtigkeit des zu prüfenden Ventils und ist proportional der Schrittanzahl des Schrittmotors während der Meßzeit.

Wenn bei zu prüfenden Ventilen mit großer Undichtigkeit auf den ersten Meßabschnitt verzichtet wird, so tritt am Ventilauslaß (17) des Ventils (2) eine große Menge Prüfmedium aus, die den Einstellbereich der Druckregelung im Niederdruckbereich durch den Schrittmotor übersteigt. Im Meßzylinder (15) steigt dadurch der Druck schlagartig stark an, so daß der Meßbereich des Drucksensors (14) überschritten wird und der Drucksensor zerstört wird. Damit wird die Notwendigkeit für mehrere Meßabschnitte gezeigt.

Die Temperatur des flüssigen Prüfmediums wird in der Temperiereinrichtung eingestellt. Der untere Kontaktierkopf (4) mit der Meßtechnik weist eine Hohlkammer (18) auf. Die Pumpe (5) fördert über die Zuleitung (21) Prüfmedium durch die Hohlkammer (18), so daß der untere Kontaktierkopf und das Prüfmedium gleiche Temperatur annehmen und Meßfehler aufgrund von Temperaturschwankungen vermieden werden.

Die Meßsignale der Sensoren im Prüfkreislauf werden an den Rechner (27) übermittelt. Der Rechner (27) steuert die Aktoren z. B. die Ventile (9, 10, 11, 28) und den Schrittmotor (6) in der Meßvorrichtung.

Als flüssiges Prüfmedium wird Benzin, Diesel oder ein anderes Fluid verwendet, daß ähnliche Eigenschaften wie der später verwendete Brennstoff aufweist.

Entgegen den beschriebenen Meßmethoden in den einzelnen Meßabschnitten kann auch mit anderen Meßmethoden gearbeitet werden, z. B. kann die Masse der Undichtigkeit während der Meßzeit ermittelt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überprüfung und Messung der Undichtigkeit von Ventilen, insbesondere Brennstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren, mit einem zu überprüfenden Meßbereich der Undichtigkeit, wobei das geschlossene zu prüfende Ventil (2) in einer Meßvorrichtung (1) angeordnet ist und mit seinem Ventileinlass an den Hochdruckbereich (24) und mit seinem Ventilauslass an den Niederdruckbereich (25) des Prüfkreislaufs (26) der Messvorrichtung (1) angeschlossen wird,

• - wobei in einem ersten Prüfabschnitt zum Ermitteln von großen Undichtigkeiten der Niederdruckbereich (25) des Prüfkreislaufs (26) mit voreingestelltem, niedrigem Druck beaufschlagt und danach mittels eines ersten Ventils (11) ein geringes Volumen des Niederdruckbereichs (25) im Bereich des Ventilauslasses abgesperrt und eine Verringerung des voreingestellten Druckes in diesem Volumen aufgrund der Undichtigkeit des zu prüfenden Ventils gemessen wird
• - und wobei in einem zweiten Prüfabschnitt der mit dem Ventileinlass verbundene Hochdruckbereich (24) des Prüfkreislaufs (26) über ein zweites Ventil (9) mit hohem Druck, der Niederdruckbereich (25) bei geöffnetem ersten Ventil (11) mit voreingestelltem, niedrigem Druck beaufschlagt wird und während der Messzeit mittels einer Stelleinrichtung (6) entsprechend dem im Niederdruckbereich des Prüfkreislaufs (26) ermittelten Druck das Volumen des Niederdruckbereichs (26) solange verstellt wird, bis der voreingestellte, niedrige Druck wieder erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsignal des ermittelnden Druckwertes im Niederdruckbereich des Prüfkreislaufs (26) als Steuersignal für die Stelleinrichtung (6) dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stelleinrichtung (6) ein Schrittmotor verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (6) einen Kolben (8) in einem Meßzylinder (15) verschiebt und die Volumenänderung durch die Kolbenverschiebung im Meßzylinder der Undichtigkeit des zu prüfenden Ventils (2) während einer Meßzeit des zweiten Prüfabschnitts entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Benzin oder ein anderer Brennstoff als Prüfmedium verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Prüfmediums im Prüfkreislauf eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des Prüfmediums, der nicht zur Messung verwendet wird, eine Hohlkammer der Meßvorrichtung (1) durchströmt, so daß Prüfmedium und Meßvorrichtung gleiche Temperatur annehmen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Meßmethode die Masse der Undichtigkeit ermittelt wird.