DE19835494C2

DE19835494C2 - Pumpe-Düse-Einheit

Info

Publication number: DE19835494C2
Application number: DE19835494A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: GB2340192A; JP2000097127A; GB2340192B; US6240905B1; FR2782125A1; GB9917588D0; DE19835494A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe-Düse-Einheit (PDE) zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum von direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Die PDE weist einen Pumpenkolben auf, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzent und zum Aufbau eines Einspritzdrucks in dem Pumpenarbeitsraum dient. Der Pumpenarbeitsraum ist zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum mit einer Einspritzdüse verbunden. Die PDE weist des weiteren eine Steuereinheit mit einem in einer Entlastungsleitung des Pumpenarbeitsraumes angeordneten Steuerventil auf. Das Steuerventil hat ein nach außen öffnendes A-Ventilglied, das von einem piezoelektrischen Aktor betätigt wird. Zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Steuerventil ist eine hydraulische Übersetzungsanordnung angeordnet.

Stand der Technik

Bei einem derartigen Einspritzsystem bilden die Pumpeneinheit und die Einspritzdüse eine Einheit. Pro Motorzylinder wird eine Pumpe-Düse-Einheit in den Zylinderkopf eingebaut und entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel von einer Motor- Nockenwelle angetrieben.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Pumpe-Düse- Einheiten sind die Steuereinheiten in der Regel als Magnetventile ausgebildet. Dabei ist die Ventilbetätigungseinheit als ein Elektromagnet ausgebildet, der das Steuerventil betätigt. Das Magnetventil ist im nicht erregten Zustand geöffnet. Dadurch ist über eine Entlastungsleitung ein freier Durchfluß von der Pumpeneinheit zu dem Niederdruckbereich des Systems gegeben und somit ein Befüllen des Pumpenarbeitsraumes während des Saughubes des Pumpenkolbens und ein Rückströmen des Kraftstoffes während des Förderhubes möglich. Ein Ansteuern des Magnetventils während des Förderhubes des Pumpenkolbens schließt diese Entlastungsleitung. Dies führt zu einem Druckaufbau in dem Hochdruckbereich und nach Überschreiten des Öffnungsdrucks der Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Schließzeitpunkt des Magnetventils bestimmt somit den Einspritzbeginn und die Schließdauer des Magnetventils die Einspritzmenge.

Die PDE ist ein zeitgesteuertes Einspritzsystem, d. h. es fehlt eine mechanische Verbindung zwischen Einspritzbeginn und Kurbelwellenlage. Deshalb muß der Einspritzbeginn möglichst genau einer bestimmten Motorkolbenstellung bzw. Kurbelwellenposition zugeordnet werden. Dazu wird ein Steuergerät mit Informationen über die Motorkolbenstellung bzw. die Kurbelwellenposition versorgt. Der Elektromagnet des Magnetventils wird zur Steuerung der Einspritzvorgänge gemäß der in dem Steuergerät abgelegten zeitlichen Reihenfolge und gemäß der erhaltenen Informationen angesteuert.

Die bekannten PDEs mit als Magnetventile ausgebildeten Steuereinheiten haben jedoch den Nachteil, daß Magnetventile üblicherweise eine recht lange Ansprechzeit haben. Das kommt daher, daß der Magnetanker eines Magnetventils aufgrund seiner Masse nicht beliebig schnell beschleunigt werden kann, da Massenträgheitskräfte auf ihn wirken. Zusätzlich muß erst das Magnetfeld zur Erzeugung der Anzugskraft aufgebaut werden. Außerdem sind Magnetventile recht großbauend und weisen relativ viele Einzelteile auf, aus denen sie bei der Herstellung zusammengesetzt werden müssen. Das ist zeitaufwendig und arbeitsintensiv und macht die Magnetventile recht teuer.

Aus der DE 37 28 817 C2 und der DE 37 42 241 C2 ist jeweils eine Pumpe-Düse-Einheit der eingangs genannten Art mit einer Pumpeneinheit und einer Steuereinheit bekannt. Die Pumpeneinheit hat einen Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt, zum Aufbau eines Einspritzdrucks. Die Steuereinheit hat ein Steuerventil, das von einem piezoelektrischen Aktor betätigt wird, zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit. Zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Steuerventil ist eine hydraulische Übersetzungsanordnung angeordnet. Durch die Übersetzungsanordnung wird eine Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors in eine größere Betätigungsbewegung des Steuerventils verstärkt.

Die Steuereinheiten der aus dem Stand der Technik bekannten Pumpe-Düse-Einheiten sind relativ langbauend, da der piezoelektrische Aktor und das Steuerventil hintereinander angeordnet sind, wobei ihre jeweiligen Längsachsen deckungsgleich verlaufen.

Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe-Düse-Einheit der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie einen einfachen Aufbau und kurze Ansprechzeiten hat und insbesondere kleinbauend ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Pumpe-Düse-Einheit der eingangs genannten Art vor, dass der piezoelektrische Aktor und das Steuerventil mit parallel und in einem Abstand zueinander verlaufenden Längsachsen relativ zueinander angeordnet sind.

Sog. A-Ventile schließen entgegen der Strömungsrichtung nach außen. Im Gegensatz dazu schließen sog. I-Ventile in Strömungsrichtung nach innen.

Der piezoelektrische Aktor besteht aus einem Kristall, der sich durch Druck- oder Zugspannung polarisieren läßt, bspw. aus Bariumtitanat (BaTiO₃) oder Bleititanat (PbTiO₃). Durch die Polarisation entstehen auf entgegengesetzten Oberflächen Flächenladungen unterschiedlichen Vorzeichens (sog. piezoelektrischer Effekt).

Bei dem piezoelektrischen Aktor wird der sog. reziproke piezoelektrische Effekt ausgenutzt. Dabei kann man bei Kristallen der o. g. Art durch Anlegen eines elektrischen Felds abhängig von dessen Polarität und Richtung eine Längenänderung herbeiführen. Diese Längenänderung wird zur Betätigung des Steuerventils verwendet.

Da ein piezoelektrischer Aktor keine beweglichen Bauteile aufweist, sondern die Längenänderung allein auf einem Verschieben der Kristallgitterstruktur beruht, weist er besonders kurze Ansprechzeiten auf. Außerdem unterliegen piezoelektrische Aktoren keinem Verschleiß und sind preiswert in der Anschaffung. Piezoelektrische Aktoren sind somit besonders gut geeignet, das Steuerventil einer Pumpe- Düse-Einheit zu betätigen.

Dank der hydraulischen Übersetzungsanordnung kann der piezoelektrische Aktor in Bezug auf das von ihm angesteuerte Steuerventil nahezu beliebig positioniert werden. Die Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors kann in eine gleich oder entgegengesetzt gerichtete Ventilbetätigungsbewegung umgelenkt werden. Vorzugsweise ist die Richtung der Ventilbetätigungsbewegung entgegen der Richtung der Ausdehungsbewegung des piezoelektrischen Aktors gerichtet. Der Abstand zwischen den Längsachsen des Aktors und des Steuerventils kann nahezu beliebig groß gewählt werden. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise größere Freiheiten bei dem Entwurf der Steuereinheiten.

Durch die Übersetzungsanordnung kann außerdem die Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors in eine größere Ventilbetätigungsbewegung übersetzt werden. Das hat den Vorteil, daß bei der erfindungsgemäßen PDE besonders kleinbauende piezoelektrische Aktoren eingesetzt werden können. Die maximale Längenänderung eines piezoelektrischen Aktors ist abhängig von dessen äußeren Abmessungen. Kleinbauende piezoelektrische Aktoren weisen demnach eine kleinere Längenänderung auf als größere Aktoren. Um trotz der geringeren Ausdehnungsbewegung eines kleinbauenden piezoelektrischen Aktors eine sichere und zuverlässige Betätigung des Steuerventils zu ermöglichen, werden die Mittel zur Übersetzung der Ausdehnungsbewegung in eine größere Ventilbetätigungsbewegung eingesetzt. Die Übersetzung der Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors führt zwangsläufig zu einer Verminderung der Kraft der übersetzten Ventilbetätigungsbewegung. Die äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Aktors und das Übersetzungsverhältnis muß deshalb so gewählt werden, daß einerseits die Länge und andererseits die Kraft der Ventilbetätigungsbewegung ausreicht, das Steuerventil sicher und zuverlässig zu betätigen.

Schließlich wirkt die Übersetzungsanordnung als thermisches Ausgleichselement zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Steuerventil. Der Ausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Aktors, der üblicherweise aus einem Kristall besteht, unterscheidet sich von dem des Steuerventils, das üblicherweise aus Metall besteht.

Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten kann es bei einer Steuereinheit mit einem starr mit dem Steuerventil verbundenen piezoelektrischen Aktor durch Temperaturschwankungen zu einer unbeabsichtigten Betätigung des Steuerventils kommen. Um die Auswirkungen der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten auszugleichen und eine unbeabsichtigte Betätigung des Steuerventils zu verhindern, ist zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Steuerventil ein Ausgleichselement vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die hydraulische Übersetzungsanordnung einen mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten hydraulischen geschlossenen Druckraum auf, mit dem der piezoelektrische Aktor und das A-Ventilglied des Steuerventils hydraulisch abgedichtet in Verbindung stehen, wobei die Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors den Druck in dem hydraulischen Druckraum erhöht und die Druckänderung in dem hydraulischen Druckraum das A- Ventilglied axial verschiebt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drückt ein Federelement einen außen um das A- Ventilglied verlaufenden Ventilteller in einer Durchlaßstellung von einem Ventilsitz des Steuerventils weg, und ein Druckanstieg in dem hydraulischen geschlossenen Druckraum drückt den Ventilteller entgegen der Kraft des Federelements in einer Verschlußstellung auf den Ventilsitz.

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit; und

Fig. 2 eine Steuereinheit der Pumpe-Düse-Einheit gemäß Fig. 1 in einer bevorzugten Ausführungsform im Ausschnitt.

In Fig. 1 ist die Pumpe-Düse-Einheit in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Die Pumpe-Düse- Einheit 1 dient zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum von direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Die Pumpe-Düse- Einheit 1 weist eine Pumpeneinheit 2 zum Aufbau eines Einspritzdrucks und zum Einspritzen des Kraftstoffs über eine Einspritzdüse 3 in den Brennraum auf. Des weiteren weist die Pumpe-Düse-Einheit 1 eine Steuereinheit 4 auf, mit einem Steuerventil 5 und einer schematisch dargestellten Ventilbetätigungseinheit 6 zur Steuerung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit 2. Bei der Pumpe-Düse- Einheit (PDE) 1 bilden die Pumpeneinheit 2 und die Einspritzdüse 3 eine Einheit. Pro Motorzylinder wird eine PDE 1 in den Zylinderkopf 7 einer Brennkraftmaschine eingebaut und entweder direkt über einen Stössel oder indirekt über Kipphebel von einer Motor-Nockenwelle (nicht dargestellt) über eine Betätigung 8 angetrieben.

Ein Pumpenarbeitsraum 9 der Pumpeneinheit 2 ist über eine Entlastungsleitung 26 mit dem Steuerventil 5 der Steuereinheit 4 verbunden. Das Steuerventil 5 ist im nicht erregten Zustand der elektrischen Steuereinheit 4 geöffnet. Dadurch ist ein freier Durchfluss von der Pumpeneinheit 2 zu dem Niederdruckbereich des Systems gegeben und somit ein Befüllen des Pumpenarbeitsraumes 9 während des Saughubes eines in dem Pumpenarbeitsraum 9 axial bewegbaren Pumpenkolbens 10 und ein Rückströmen des Kraftstoffes während des Förderhubes möglich (vgl. Pfeile in der Entlastungsleitung 26).

Ein Ansteuern der Steuereinheit 4 während des Förderhubes des Pumpenkolbens 10 schließt die Entlastungsleitung 26.

Dies führt zu einem Druckaufbau in dem Hochdruckbereich und nach Überschreiten des Öffnungsdrucks der Einspritzdüse 3 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Schließzeitpunkt der Steuereinheit 4 bestimmt somit den Einspritzbeginn und die Schließdauer der Steuereinheit 4 die Einspritzmenge.

Bei der dargestellten PDE 1 ist das Steuerventil 5 der Steuereinheit 4 als ein nach außen öffnendes A-Ventil ausgebildet, das ein nach außen öffnendes A-Ventilglied 11 aufweist. Das A-Ventilglied 11 wirkt entgegen der Strömungsrichtung auf einen Ventilsitz 13 und schließt das Steuerventil 5. Die Ventilbetätigungseinheit 6 ist als ein piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Die Ventilbetätigungseinheit 6 und das Steuerventil 5 sind über eine hydraulische Übersetzungsanordnung 14 miteinander verbunden. In Fig. 1 ist die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 lediglich schematisch dargestellt. Sie wird in den Fig. 2 und 3 anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 hat eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben. Zunächst stellt sie eine steife Verbindung zwischen der Ventilbetätigungseinheit 6 und dem Steuerventil 5 dar und gewährleistet so eine sichere und zuverlässige Übertragung der Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors auf das A-Ventil. Darüber hinaus wird die Ausdehnungsbewegung der Ventilbetätigungseinheit 6 durch die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 in eine anders gerichtete Ventilbetätigungsbewegung umgelenkt. Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 wird die nach unten gerichtete Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors in eine nach oben, also in die entgegengesetzte Richtung, gerichtete Ventilbetätigungsbewegung umgelenkt. Außerdem kann durch eine geeignete Wahl der mit der hydraulischen Übersetzungsanordnung 14 zusammenwirkenden Flächen der Ventilbetätigungseinheit 6 einerseits und des Steuerventils 5 andererseits ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis zwischen der Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors und der Ventilbetätigungsbewegung erzielt werden. Relativ kleine Ausdehnungsbewegungen des piezoelektrischen Aktors können so in relativ große Ventilbetätigungsbewegungen übersetzt werden. Schließlich dient die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 auch als thermisches Ausgleichselement zwischen der Ventilbetätigungseinheit 6 und dem Steuerventil 5. In dieser Funktion kompensiert die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 die Auswirkungen der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Aktors einerseits, der üblicherweise aus einem keramischen Kristall besteht, und des A-Ventils andererseits, das üblicherweise aus Metall besteht.

Um einen oberhalb des Ventilgliedes 11 angeordneten Ventilschaft 24 ist ein Führungsring 17 angeordnet, der dort mittels einer U-Scheibe 18 und einer Tellerfeder 19 gegen das Ventilglied 11 verspannt ist. Der Führungsring 17 liegt mittels eines Flachsitzes 25 auf dem Ventilglied 11 auf. Der Flachsitz 25 kann auch durch andere Sitzformen ausgeführt werden. Der Führungsring 17 ist axial verschiebbar in einer Bohrung 20 gelagert.

Die mit der hydraulischen Übersetzungsanordnung 14 zusammenwirkende Fläche der Ventilbetätigungseinheit 6 ist π/4 . d₃ ². Die wirksame Fläche des Steuerventils 5 ist π/4 . (d₂ ² - d₁ ²). Für das Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzungsanordnung 14 ergibt sich somit (d₂ ² - d₁ ²)/d₃ ².

Bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 sind die Ventilbetätigungseinheit 6 und das Steuerventil 5 derart angeordnet, daß ihre jeweiligen Längsachsen in einem Abstand und parallel zueinander verlaufen.

Die hydraulische Übersetzungsanordnung 14 weist einen mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten geschlossenen Druckraum 15 auf. Die Ventilbetätigungseinheit 6 und das Ventilglied 11 des Steuerventils 5 ragen hydraulisch abgedichtet in den geschlossenen Druckraum 15. Die Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors erfolgt in den geschlossenen Druckraum 15 hinein und führt zu einem Druckanstieg in dem Druckraum 15. Das Ventilglied 11 ragt derart in den geschlossenen Druckraum 15, dass die Druckänderung in dem Druckraum 15 zu einem Verschieben des Ventilglieds 11 in axialer Richtung führt.

Ein Federelement 16 drückt einen außen um das Ventilglied 11 verlaufenden Ventilteller 12 in einem nicht erregten Zustand der Steuereinheit 4 in einer Durchlasstellung von dem Ventilsitz 13 des Steuerventils 5 weg und gegen einen Anschlag 21. Durch einen Druckanstieg in dem geschlossenen Druckraum 15 wird der Ventilschaft 11 um den Hub h₁ verschoben und der Ventilteller 12 entgegen der Kraft des Federelements 16 in einer Verschlussstellung auf den Ventilsitz 13 gedrückt.

Claims

1. Pumpe-Düse-Einheit (1) zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum von direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit einem einen Pumpenarbeitsraum (9) begrenzenden Pumpenkolben (10) zum Aufbau eines Einspritzdrucks in dem Pumpenarbeitsraum (9), der zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum mit einer Einspritzdüse (3) verbunden ist und mit einer Steuereinheit (4) mit einem in einer Entlastungsleitung (26) des Pumpenarbeitsraumes (9) angeordneten Steuerventil (5), das ein nach außen öffnendes A-Ventilglied aufweist, das von einem piezoelektrischen Aktor betätigt wird, wobei zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Steuerventil (5) eine hydraulische Übersetzungsanordnung (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor und das Steuerventil (5) mit parallel und in einem Abstand zueinander verlaufenden Längsachsen relativ zueinander angeordnet sind.

2. Pumpe-Düse-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Übersetzungsanordnung (14) einen mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten hydraulischen geschlossenen Druckraum (15) aufweist, mit dem der piezoelektrische Aktor und das Ventilglied (11) des Steuerventils (5) hydraulisch abgedichtet in Verbindung stehen, wobei die Ausdehnungsbewegung des piezoelektrischen Aktors den Druck in dem hydraulischen Druckraum (15) erhöht und die Druckänderung in dem hydraulischen Druckraum (15) das Ventilglied (11) axial verschiebt.

3. Pumpe-Düse-Einheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement (16) einen außen um das Ventilglied (11) verlaufenden Ventilteller (12) in einer Durchlaßstellung von einem Ventilsitz (13) des Steuerventils (5) wegdrückt und daß ein Druckanstieg in dem hydraulischen geschlossenen Druckraum (15) den Ventilteller (12) entgegen der Kraft des Federelements (16) in einer Verschlußstellung auf den Ventilsitz (13) drückt.