DE19726125C2 - Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff - Google Patents
Verfahren zur Einspritzung von KraftstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungs
raum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren, wobei ein Kraft
stoffinjektor ein Injektorgehäuse, eine Düsennadel und einen über ein Steuergerät steuer
baren Piezoaktor aufweist, wobei der Piezoaktor direkt auf die Düsennadel wirkt, und wo
bei der Hub des Piezoaktors durch eine zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel
angeordnete hydraulische Übersetzung vergrößert wird. Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist
in der Druckschrift DE 195 19 191 C2 beschrieben.
Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren, ist die Laufru
he von dem exakten Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffes und von der exakten Do
sierung der eingespritzten Kraftstoffmenge abhängig. Bei der Konstruktion von Kraftstof
finjektoren ist die Verwendung von Piezoaktoren bereits bekannt. Piezoaktoren ermögli
chen einen sehr kompakten Aufbau eines Kraftstoffinjektors, da Piezoaktoren keine weite
ren mechanischen Komponenten erfordern. Zudem sind Piezoaktoren elektrisch einfach
anzusteuern, ermöglichen hohe Stellfrequenzen und können hohe Stellkräfte bereitstellen.
In der gattungsbildenden DE 195 19 191 C2 ist die Verwendung von Piezoaktoren zur
Steuerung der Düsennadel von Kraftstoffinjektoren beschrieben. Der zur Einspritzung
notwendige Einspritzdruck des Kraftstoffes wird von einer separaten Kraftstoffpumpe be
reitgestellt. Von der Kraftstoffpumpe wird der Kraftstoff über einen Hochdruckanschluß
dem Injektorgehäuse zugeführt und gelangt über Kraftstoffkanäle an die Einspritzdüse des
Kraftstoffinjektors. Die Kraftstoffkanäle werden zur Steuerung der eingespritzten Kraft
stoffmenge von der Düsennadel gesperrt. Der zur Betätigung der Düsennadel notwendige
Hub der Piezoaktoren wird durch eine hydraulische Übersetzung vergrößert, wobei die
hydraulische Übersetzung mit Kraftstoff als hydraulische Flüssigkeit gefüllt ist.
Das Problem bei der Verwendung von Kraftstoff als hydraulische Flüssigkeit besteht in
unvermeidlichen Gasblasen, die im Kraftstoff enthalten sind, sowie in der Kompressibilität
des Kraftstoffes, die bei den hohen Einspritzdrücken moderner Einspritzanlagen von bis zu
2000 bar nicht vernachlässigt werden kann, wodurch ein Teil des geringen Hubes des
Piezoaktors und der hydraulischen Übersetzung unwirksam wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Einspritzung von
Kraftstoff mittels Kraftstoffinjektoren anzugeben, bei dem der durch die hydraulische
Übersetzung vergrößerte Hub des Piezoaktors verlustfreier auf die Düsennadel übertragen
wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als hydraulische Flüssigkeit der
hydraulischen Übersetzung ein inkompressibles Medium verwendet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die inkompressi
ble Flüssigkeit flüssiges Metall genutzt wird, das beim Starten der Brennkraftmaschine
durch Vorheizen mit einem Heizelement geschmolzen wird.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, als flüssiges Metall das bei
einer Temperatur von 98°C schmelzende Natrium zu verwenden.
In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, als flüssiges Metall eine
Legierung des bei einer Temperatur von 70°C schmelzenden Wood'schen Metalls zu ver
wenden.
Dabei ist vorgesehen, daß das die hydraulischen Übersetzung einfassende Gehäuse aus
einem nicht leitfähigen Material gefertigt wird, wodurch bei einer Verwendung von flüssi
gem Metall als inkompressible Flüssigkeit das Metall durch direkten Stromdurchgang ge
schmolzen wird, so daß auf einen Heizkörper zum Schmelzen des Metalls im Injektorge
häuse beim Starten der Brennkraftmaschine verzichtet werden kann.
In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die hydraulischen Über
setzung zur Reduzierung des Querschnittes Laval-Düsen förmig ausgebildet wird, wo
durch der Strömungswiderstand für die hydraulische Flüssigkeit reduziert wird.
Der durch eine hydraulische Übersetzung vergrößerte Hub eines Piezoaktors bewirkt eine
geringere Gesamtlänge des Kraftstoffinjektors. Die Möglichkeit zur Verwendung eines
Kraftstoffinjektors mit einem Piezoaktuator im Motorenbau wird durch den geringeren
Platzbedarf beträchtlich gesteigert.
Im folgenden ist das Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum
der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels eines Kraftstoffinjektors, der einen Piezoak
tor mit einer hydraulischen Übersetzung aufweist, im Zusammenhang mit einer Zeichnung
beschrieben. Als inkompressible Flüssigkeit für die hydraulische Übersetzung wird eine
Legierung des Wood'schen Metalls verwendet.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kraftstoffinjektors mit dem Piezoaktor
und der hydraulischen Übersetzung.
In der Figur ist ein Kraftstoffinjektor zur Dieseleinspritzung für einen Zylinder eines Die
selmotors dargestellt. Das Injektorgehäuse weist einen Kraftstoffanschluß KA für eine
Kraftstoffpumpe, einen Heizungsanschluß HA zur Stromversorgung der Heizung H, einen
Anschluß für einen Kraftstoffrücklauf KR sowie einen Steueranschluß SA zur Spannungs
versorgung eines Piezoaktors PA durch ein Steuergerät auf.
Piezoaktoren dehnen sich proportional zu der an sie angelegten Spannung aus. Über das
Steuergerät werden die Piezoaktoren mit Spannungen von bis zu 1000 Volt angesteuert.
Dabei dehnt sich der Piezoaktor PA um etwa 50 µm aus. Der zur Kraftstoffeinspritzung
notwendige Hub der Düsennadel DN beträgt 200 µm. Zur Verlängerung des Hubes des
Piezoaktors PA ist oberhalb des Piezoaktors PA eine hydraulische Übersetzung angeord
net. Die hydraulische Übersetzung wird auf der dem Piezoaktor PA zugewandten Seite von
einem Unteren Stempel US abgedichtet. Auf der entgegengesetzten Seite wird die hy
draulische Übersetzung von einem Oberen Stempel OS abgedichtet. An dem Oberen
Stempel OS ist zudem die Zugstange ZS angebracht. Die hydraulische Übersetzung ver
engt sich zwischen dem Oberen Stempel OS und dem Unteren Stempel US Laval-Düsen
förmig, wobei das Verhältnis zwischen dem Hub des Oberen Stempels OS und dem Hub
des Unteren Stempels US 4 zu 1 beträgt, wodurch sich der Hub des Piezoaktors von 50
µm auf die benötigten 200 µm vergrößert.
Als inkompressible Flüssigkeit zwischen den beiden Stempeln OS, US der hydraulischen
Übersetzung wird das Wood'sche Metall WM verwendet. Das Wood'sche Metall WM wird
beim Starten des kalten Dieselmotors durch eine die hydraulische Übersetzung umgeben
de Heizung H geschmolzen. Der Vorgang des Schmelzens des Wood'schen Metalls WM
entspricht dem Vorglühen der Glühkerzen des Dieselmotors und kann mit diesem gekop
pelt werden. Während des Fahrzeugbetriebes genügt die vom Dieselmotor dissipierte
Wärme, um das bei einer Temperatur von ca. 70°C schmelzende Wood'sche Metall WM
im flüssigen Zustand zu halten. Die Heizung H wird über einen Temperatursensor geregelt,
der im Heizungsanschluß HA zur Stromversorgung der Heizung H angeordnet werden kann
und der beispielsweise als Bimetall-Schalter ausgeführt ist.
Die am Oberen Stempel OS befestigt Zugstange ZS wird durch die inkompressible Flüssig
keit, durch den Unteren Stempel US und durch den hohl gebohrten Piezoaktor PA bis an
die Düsennadel DN geführt und ist mit der Düsennadel DN verbunden. Die Zugstange ZS
ist aus einem Faserwerkstoff gefertigt, der den Hub des Oberen Stempels OS verlustfrei
auf die Düsennadel DN überträgt.
Die Rückstellkraft der Düsennadel DN erfolgt mittels einer Schließfeder SF, die sich auf
der einen Seite gegen das Injektorgehäuse abstützt und auf der anderen Seite auf die Dü
sennadel DN wirkt. Durch die Schließfeder SF wird das Verschließen der Düsenöffnungen
DÖ mit der Düsennadel DN im spannungslosen Zustand des Piezoaktors PA bewirkt.
Der für den Betrieb des Dieselmotors benötigte Einspritzdruck des Kraftstoffes von bis zu
1500 bar wird von einer dem Kraftstoffinjektor vorgeschalteten Kraftstoffpumpe bereitge
stellt. Der Kraftstoff wird von der Kraftstoffpumpe über den Kraftstoffanschluß KA und
über Kraftstoffkanäle im Inneren des Kraftstoffinjektors bis an die Düsennadel DN geführt.
Während eines Einspritzvorgangs wird der Piezoaktor PA von dem Steuergerät mit einer
sich zeitlich ändernden Spannung angesteuert. Der sich proportional zur anliegenden
Spannung ausdehnende Piezoaktor PA bewegt über die hydraulische Übersetzung und die
Zugstange ST die Düsennadel DN, wodurch der Kraftstoff proportional zur von dem Steu
ergerät vorgegebenen Spannung durch die Düsenöffnungen DÖ des Kraftstoffinjektors in
den entsprechenden Verbrennungsraum des Dieselmotors eingespritzt wird.
Die optimalen zeitlichen Spannungsverläufe für einen Zündvorgang sind im Steuergerät in
einem Kennfeld beispielsweise drehzahl-, last- und/oder temperaturabhängig gespeichert.
Von dem Steuergerät können dabei zeitliche Spannungsverläufe vorgegeben werden, bei
denen der Kraftstoff während eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsvorgang pul
sierend, in vielen kurzen Schüben unterschiedlicher Frequenz in den Verbrennungsraum
eingespritzt wird. Dabei wird die Düsenöffnung DÖ vom dem Piezoaktor PA durch die Dü
sennadel DN vielfach geöffnet und geschlossen, wodurch sich ein zeitlich nicht stetiger
Verlauf der eingespritzten Kraftstoffmenge ergibt.
Vor allem können aber auch Spannungsverläufe von dem Steuergerät vorgegeben werden,
bei denen der Kraftstoff während eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsvorgang
mit einem zeitlich stetigen Verlauf der Kraftstoffmenge in den Verbrennungsraum einge
spritzt wird. Dabei wird die Düsenöffnung DÖ vom dem Piezoaktor PA durch die Düsenna
del DN genau ein mal geöffnet und geschlossen, und die eingespritzte Kraftstoffmenge
wird dadurch verändert, wie weit die Düsennadel DN jeweils vom Piezoaktor PA zurückge
zogen wird.
Da die Bohrung für die Zugstange ZS im lnjektorgehäuse nicht auf Dauer für den unter
sehr hohem Druck stehendem Kraftstoff abzudichten ist, wird der sich im Injektorgehäuse
sammelnde Kraftstoff über einen Kraftstoffrücklauf KR in den Kraftstofftank zurückgeführt.
Bei der Verwendung eines Injektorgehäuses aus einem nicht leitfähigen Material kann das
Wood'sche Metall WM durch direkten Stromdurchgang geschmolzen werden, wodurch auf
eine Heizung H im Injektorgehäuse verzichtet werden kann.
Die Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine können gegebenenfalls mit einer Tem
peraturregelung ausgestattet werden, mit der die Temperatur des Wood'schen Metalls in
den hydraulischen Übersetzungen überwacht wird. Beim Unterschreiten der Schmelztem
peratur wird von der Temperaturregelung die Heizung H zugeschaltet. Beim Überschreiten
einer Grenztemperatur werden von der Temperaturregelung zur Vermeidung von Störun
gen durch die thermische Ausdehnung des Wood'schen Metalls bzw. des Kraftstoffinjek
tors passive Mittel (Gebläse) und/oder aktive Mittel (Peltierelement) zur Kühlung der
Kraftstoffinjektoren zugeschaltet.
Bei der Verwendung von Einspritzdüsen, bei denen sich die Düsenöffnungen DÖ dadurch
öffnen, daß die Düsennadeln DN in Richtung der Verbrennungsräume verschoben werden,
vereinfacht sich der Aufbau der Kraftstoffinjektoren. Dabei werden der Piezoaktor PA, die
hydraulische Übersetzung und die Düsennadel DN im Kraftstoffinjektor in einer Reihe an
geordnet, wobei auf das Hohlbohren des Piezoaktors PA verzichtet werden kann und sich
die Länge der Zugstange ZS auf ein Minimum reduziert.
Durch die hydraulische Übersetzung wird der geringe Hub des Piezoaktors PA deutlich
vergrößert, wodurch die Gesamtlänge des Kraftstoffinjektors beträchtlich reduziert werden
kann.
Claims (6)
1. Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer
Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren, wobei ein Kraftstoffinjektor ein Injek
torgehäuse, eine Düsennadel (DN) und einen über ein Steuergerät steuerbaren Piezo
aktor (PA) aufweist, wobei der Piezoaktor (PA) direkt auf die Düsennadel (DN) wirkt,
und wobei der Hub des Piezoaktors (PA) durch eine zwischen dem Piezoaktor (PA) und
der Düsennadel (DN) angeordnete hydraulische Übersetzung vergrößert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß als hydraulische Flüssigkeit der hydraulischen Übersetzung ein in
kompressibles Medium verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inkompressibles Medium
flüssiges Metall verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall Natrium
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall eine Le
gierung des Wood'schen Metalls (WM) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das die hydraulische Übersetzung umgebende Gehäuse aus einem nicht leitfähigen Ma
terial gefertigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die hydraulischen Übersetzung zur Reduzierung des Querschnittes Laval-Düsen för
mig ausgebildet wird.
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