DE19939443A1 - Vorrichtung zur Steuerung des Druckverlaufs einer Pumpeneinheit - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (16) zur Steuerung des Druckverlaufs einer Pumpeneinheit (12) vorgeschlagen. Diese Vorrichtung (16) weist ein Steuerventil (18) auf, dessen Ventilglied (32) mit einem Ventilsitz (34) zusammenwirkt. Dieses Ventilglied (32) ist entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung (44) von einer extern ansteuerbaren Betätigungseinrichtung (20) beaufschlagbar. DOLLAR A Über den Hub des Ventilglieds (32) läßt sich der Maximaldruck der Pumpeneinheit (12) auf ein konstantes Niveau regeln. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Vorrichtung (16) mit einer dem Ventilsitz (34) hydraulisch nachgeschalteten Drossel (48) auszustatten.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung des Druckverlaufs in einer Pumpeneinheit entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen lassen sich für Vielfältige Anwendungen einsetzen - exemplarisch sei diesbezüglich auf sogenannte Pumpe-Düse-Einspritzanlagen zur Erzeugung, Förderung und Aufbereitung eines Kraftstoff- /Luft-Gemischs für Verbrennungsmotoren verwiesen. Aus der DE 41 27 003 A1 ist eine mit einer solchen Pumpe-Düse- Einspritzanlage gekoppelte Vorrichtung bereits bekannt. Dabei steuert die Vorrichtung den Einspritzbeginn und die Einspritzdauer in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, um eine möglichst geringe Schadstoffemission zu gewährleisten.

Der Maximaldruck der Pumpeneinheit ist bei solchen Anlagen derart ausgelegt, daß dem Verbrennungsmotor auch unter Extrembedingungen ausreichend Kraftstoff zur Verfügung steht. Unter Normalbedingungen kann dadurch selbst bei Vollast, der Pumpendruck auf ein konstantes Niveau abgesenkt werden, ohne die Kraftstoffversorgung zu gefährden. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen dem Einspritzdruck und der Einspritzmenge kann damit das Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors verbessert werden.

Eine Druckbegrenzung kann beispielsweise durch das Öffnen des Ventilglieds der Vorrichtung erfolgen. Dazu reichen kleinste Hübe von wenigen 1/100stel mm aus. Nachteiliger Weise wirken sich dabei jedoch geringste Schwankungen oder Schwingungen in der Hubbewegung bereits negativ auf den Einspritzdruck und damit auf das Emissionsverhalten des Verbrennungsmotors aus.

Vorteile der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß Schwankungen in der Hubbewegung ohne wesentlichen Einfluß auf das Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors bleiben. Dies wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer Drossel erreicht. Mit dieser Drossel wird die Durchflußcharakteristik der Vorrichtung derart beeinflußt, daß bei kleinen Hüben die Drosselwirkung nicht im Bereich des Ventilsitzes, sondern in der Drossel erfolgt. Die Druckbegrenzung läßt sich dadurch mit größeren und technisch leichter beherrschbaren Hüben der Betätigungseinrichtung zuverlässig gewährleisten. Schwankungen, Schwingungs-, Temperatur- oder Strömungseinflüsse auf die Hubbewegung bleiben somit ohne Wirkung.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Vorteilhafterweise ist die Drossel als Ringdrossel zwischen dem Ventilglied und der das Ventilglied führenden Bohrung ausgebildet. Ringdrosseln lassen sich durch Bunde an einem der beiden Bauteile fertigungstechnisch einfach und kostengünstig realisieren. Einteilig ausgebildete und damit keine zusätzlichen Montageschritte erfordernde Bunde sind besonders vorteilhaft. Über die axiale Ausdehnung der Drossel kann der Hubbereich konstruktiv festgelegt werden, in dem diese Drossel hydraulisch wirksam ist. Außerhalb dieses Hubbereichs bildet der Ventilsitz der Vorrichtung nach wie vor die hydraulisch wirksame Drosselstelle. Die erfindungsgemäße Drossel hat keinen Einfluß auf die Ausbildung der Betätigungseinrichtung. Diese kann beispielsweise als Magnetkreis oder als Piezo-Aktor ausgeführt sein. Ebenso kann das mit der Drossel versehene Steuerventil als in bzw. entgegen der Durchströmungsrichtung öffnendes, sogenanntes A- oder I-Ventil ausgeführt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Pumpe-Düse-Einspritzanlage im Längsschnitt. In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vergrößert dargestellt, wobei Fig. 2 ein in Strömungsrichtung öffnendes, sogenanntes A- Ventil und Fig. 3 ein entgegen der Strömungsrichtung öffnendes I-Ventil, jeweils im Längsschnitt zeigt. Die Fig. 4 zeigt in Diagrammen den Druck- und den Hubverlauf im Steuerventil, jeweils synchron zueinander über die Zeit aufgetragen.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Pumpe-Düse-Einspritzanlage (PDE) in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Diese Einspritzanlage 10 dient zur Kraftstoffversorgung eines Zylinders eines nicht gezeichneten Verbrennungsmotors. Jedem Zylinder ist jeweils eine PDE zugeordnet.

Die dargestellte PDE 10 verfügt über eine Pumpeneinheit 12 zum Aufbau eines Einspritzdrucks und über eine Einspritzdüse 14 zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder. Des weiteren weist die Einspritzanlage 10 eine Steuereinheit 16, mit einem nur schematisch dargestellten Steuerventil 18 und mit einer auf dieses Steuerventil 18 zum Zweck einer Regelung des Druckaufbaus in der Pumpeneinheit 12 einwirkenden, extern ansteuerbaren Betätigungseinheit 20 auf. Bei einer PDE bildet die Pumpeneinheit 12, die Einspritzdüse 14 und die Steuereinheit 16 eine gemeinsame Baueinheit.

Die PDE 10 ist in den Zylinderkopf 22 eines Verbrennungsmotors eingebaut und ist entweder direkt oder indirekt über eine Betätigung 24 beaufschlagt. Ein im Inneren der PDE 10 ausgebildeter Pumpenraum 26 ist über Bypaßbohrungen 28a und 28b mit dem Steuerventil 18 der Steuereinheit 16 hydraulisch verbunden, wobei die Bypaßbohrung 28a als Zulauf und die Bypaßbohrung 28b als Ablauf wirken. Im nicht angesteuerten Zustand der Betätigungseinrichtung 20 ist das Steuerventil 18 geöffnet. Dadurch besteht eine Druckmittelverbindung zwischen der Pumpeneinheit 12 und einem Rücklauf 29 des Kraftstoffsystems, die einen Druckaufbau verhindert. Die Befüllung des Pumpenraums 26 während des Saughubs eines darin geführten Pumpenkolbens 30 erfolgt über einen Versorgungskanal 31.

Eine Ansteuerung der Steuereinheit 16 schließt die oben genannte Druckmittelverbindung, wodurch in Folge einer Hubbewegung des Pumpenkolbens 30 ein Druckaufbau im Pumpenraum 26 und in der damit hydraulisch gekoppelten Einspritzdüse 14 erfolgt. Nach dem Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdrucks gibt die Einspritzdüse 14 Düsenöffnungen in den Verbrennungsraum frei, durch die der Kraftstoff in den Zylinder des Verbrennungsmotors gelangt. Über den Zeitpunkt der Ansteuerung der Steuereinheit 16 ist somit der Einspritzbeginn und über die Dauer der Ansteuerung die Einspritzmenge bestimmbar.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einspritzanlage 10 bildet exemplarisch ein Magnetkreis die Betätigungseinrichtung 20 der Steuereinheit 16. Genauso wäre jedoch auch ein Piezo- Aktor vorstellbar. Das Steuerventil 18 ist exemplarisch als ein in Durchströmungsrichtung öffnendes, sogenanntes A- Ventil ausgebildet, dessen Ventilglied 32 mit einem Ventilsitz 34 zusammenwirkt.

Ein derartiges Steuerventil 18 ist in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in Fig. 2 anhand einer Detailansicht vergrößert dargestellt. Es umfaßt ein Ventilglied 32, das einen zylindrischen Schaft 36, einen sich daran anschließenden Schließkörper 38 und einen Zentrierabschnitt 40 aufweist. Der Schließkörper 38 ist in seinem Außendurchmesser gegenüber dem Schaft 36 und dem Zentrierabschnitt 40 vergrößert, wobei der erste Übergang vom Schließkörper 38 zum Schaft 36 als Phase 42 ausgebildet ist. Diese Phase 42 wirkt mit einer Gegenphase in einer Ventilbohrung 33 zusammen, die den Ventilsitz 34 des Steuerventils 18 bildet. Zur Ausbildung des Ventilsitzes 34 ist die Ventilbohrung 33 in ihrem Innendurchmesser einmal abgestuft. Der Schließkörper 38 befindet sich im Bohrungsabschnitt mit dem größeren Durchmesser, während der Schaft 36 im Bohrungsabschnitt mit dem kleineren Innendurchmesser liegt.

Der zweite Übergang des Ventilglieds 32 vom Schließkörper 38 zum Zentrierabschnitt 40 ist rechtwinklig ausgeführt. Am Steuerkörper 38 ergibt sich dadurch eine erste Abstützfläche für eine nur schematisch angedeutete Feder 44. Deren zweite Abstüzung erfolgt in dem die Ventilbohrung 33 aufnehmenden Bauteil, so daß das Ventilglied 32 von der Feder 44 gegen den Ventilsitz 34 des Steuerventils 18 gepreßt wird, um diesen zu verschließen.

Der Schaft 36 ist mit der Betätigungseinrichtung 20 der in Fig. 2 nicht eingezeichneten Steuereinheit 16 gekoppelt. Diese erzeugt im angesteuerten, bestromten Zustand eine der Feder 44 entgegenwirkende Öffnungskraft. Zwischen einem in die Ventilbohrung 33 im Bereich ihres kleineren Durchmessers einmündenden Zulaufs 28a und einem im Bereich ihres größeren Durchmessers einmündenden Ablauf 28b wird dadurch eine Druckmittelvetbindung geschaffen, die einen Druckaufbau in dem mit dem Zulauf 28a verbundenen Pumpenraum 26 der Pumpeneinheit 12 (Fig. 1) verhindert oder zumindest drosselt.

Erfindungsgemäß ist an dem, dem Zentrierabschnitt 40 zugewandten Ende des Ventilsitzes 34 ein Bund 46 einteilig an der Ventilbohrung 33 angeformt. Dieser Bund 46 bildet mit dem zylindrisch ausgebildeten Schließkörper 38 des Ventilglieds 32 eine umlaufende Ringdrossel 48, deren axiale Ausdehnung dem Anwendungsfall entsprechend frei wählbar ist. Durch die Wahl der axialen Ausdehnung der Ringdrossel 48 ist der Hub des Ventilglieds 32, in dem diese Ringdrossel 48 hydraulisch wirksam ist, variierbar. Bei kleinen Hüben des Ventilglieds 32 erfolgt die Drosselung der Druckmittelströmung an der Ringdrossel 48, während bei größeren Hüben der Ventilsitz 34 die Drosselstelle bildet. Mit einer derartigen Ringdrossel 48 wird erreicht, daß geringste Schwingungen oder Schwankungen der Hubbewegung des Schließglieds 32 ohne unmittelbare Auswirkung auf das im Zulauf 28a und damit in der Pumpenkammer 26 (Fig. 1) geregelte Druckniveau bleiben. Die Empfindlichkeit der Druckregelung wird somit durch die Ringdrossel 48 reduziert. Da die Druckregelung aufgrund des proportionalen Verhaltens des Drucks zur Menge des eingespritzten Kraftstoffs unmittelbar auf das Emissionsverhaltens eines Verbrennungsmotors einwirkt, kann anhand dieser Maßnahme dieses Emissionsverhalten positiv beeinflußt werden.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerventils 18 gezeigt, wobei dieses im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel nun als entgegen der Strömungsrichtung öffnendes, sogenanntes I-Ventil ausgeführt ist. Bauteile mit einander entsprechender technischer Funktion sind in der nachfolgenden Erläuterung mit den selben Positionsnummern versehen.

Auch dieses Steuerventil 18 umfaßt ein beweglich in einer Ventilbohrung 33 angeordnetes Ventilglied 32, das in diesem Fall jedoch von einer Feder 44 in unbestromtem Zustand der nicht dargestellten Betätigungseinrichtung in seine Offenstellung verbracht ist. Die Ventilbohrung 33 ist ebenfalls als Stufenbohrung ausgeführt, allerdings in umgekehrtem Richtungssinn als im ersten Ausführungsbeispiel. Dies bedeutet, daß sich der Querschnitt der stufenförmigen. Ventilbohrung 33 in Durchströmungsrichtung verkleinert, während er sich im ersten Ausführungsbeispiel vergrößert hat. Der Übergang zwischen den Bohrungsabschnitten bildet auch hier den als Phase ausgeführten Ventilsitz 34 des Steuerventils 18. Das Ventilglied 32 ist aus drei Abschnitten unterschiedlich großer Außendurchmesser aufgebaut, wobei das Mittelstück 38 den kleinsten Außendurchmesser hat. Der in Strömungsrichtung erste Durchmesserübergang vom Schaft 46 zum Mittelstück 38 ist als Phase 42 ausgeführt, die mit dem Ventilsitz 34 in Wechselwirkung tritt. Dem Mittelstück 38 schließt sich in Strömungsrichtung ein Zentrierabschnitt 40 an, dessen Stirnfläche der Feder 44 als erste Abstützung dient. Die zweite, nicht erkennbare Abstützung der Feder 44 erfolgt bauteilseitig im Endbereich der Ventilbohrung 33. Der Zulauf 28a mündet im Bohrungsabschnitt mit dem größeren und der Ablauf 28b im Bohrungsabschnitt mit dem kleineren Innendurchmesser in die Ventilbohrung 33 ein. An dem, dem Schaft 36 zugewandten Ende des Mittelstücks 38 ist ein Bund 46 am Ventilglied 32 vorgesehen. Dessen Außenumfang bildet mit der Innenwandung der Ventilbohrung 33 eine Ringdrossel 48, die im geöffneten Zustand des Steuerventils 18 das Druckniveau im Zulauf 28a bestimmt. Auch diese Ringdrossel 48 kann in ihrer axialen Ausdehnung variiert werden, um den Hubbereich des Ventilglieds 32 festzulegen, in dem die Drosselung des Druckmittelstroms in der Ringdrossel 48 und nicht am Ventilsitz 34 erfolgt. Bezüglich der übrigen Eigenschaften dieser Ringdrossel 48 wird auf die Ausführungen des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.

Fig. 4 zeigt zwei Diagramme 50 und 52, in denen zum einen der Druckverlauf im Zulauf 28a und zum anderen der Hub des Ventilglieds 32 zeitsynchron zueinander dargestellt sind. Zu erkennen ist, daß sobald der Hub des Ventilglieds 32 sein Maximum 54 erreicht hat, d. h. der Schließkörper 38 maximal vom Ventilsitz 34 entfernt ist, der Druck im Zulauf 28a und damit der der verbundenen Pumpenkammer 26 auf Minimalniveau 56 zurückgeht. Gleichermaßen steigt dieser Druck bis zu seinem Maximum 58 an, sobald der Hub zurückgenommen, d. h. das Steuerventil 18 geschlossen wird.

Das Maximum 58 des Drucks wird nur unter extremen Bedingungen eines Verbrennungsmotors benötigt und kann daher in den meisten Betriebspunkten durch Öffnen des Steuerventils 18 auf einen konstanten Wert 60 zurückgenommen werden. Damit läßt sich eine Emissionsverbesserung des Verbrennungsmotors erreichen, weil sich die eingespritzte Kraftstoffmenge proportional zum Druck im Zulauf 28a verhält. Zur Öffnung des Steuerventils 18 reichen dabei geringste Hübe 62 des Steuerglieds 32 aus, die allerdings technisch nur schwer beherrschbar sind. Zudem können temperatur- und strömungsbedingte Schwingungen am Ventilglied 32 auftreten, die sich im Druckverlauf und damit in der eingespritzten Kraftstoffmenge auswirken. Um diese Auswirkungen abzumildern bzw. auszuschließen wird daher der Einsatz einer Ringdrossel 48 im Steuerventil 18 vorgeschlagen. Durch diese Ringdrossel 48 wird die Empfindlichkeit des Druckregelkreises reduziert.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (9)

1. Vorrichtung (16) zur Steuerung des Druckverlaufs einer Pumpeneinheit (12), mit einem Steuerventil (18), das ein mit einem Ventilsitz (34) zusammenwirkendes und in einer Ventilbohrung (33) beweglich geführtes Ventilglied (32) aufweist und mit einer extern ansteuerbaren und das Ventilglied (32) entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung (44) beaufschlagenden Betätigungseinrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (16) eine dem Ventilsitz (34) hydraulisch nachgeschaltete Drossel (48) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (48) eine zwischen dem Ventilglied (32) und der Ventilbohrung (33) ausgebildete Ringdrossel ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (48) einen Bund (46) aufweist, der am Ventilglied (32) und/oder der Ventilbohrung (33) festgelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (46) einteilig am Ventilglied (32) und/oder an der Ventilbohrung (33) angeformt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung der Drossel (48) kleiner als der Maximalhub des Ventilglieds (32) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungseinrichtung (20) für die Vorrichtung (16) ein Magnetkreis oder ein Piezo-Aktor vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (32) des Steuerventils (18) entgegen der Durchströmungsrichtung öffnet.

8. Einspritzanlage (10) für einen Verbrennungsmotor mit einer Pumpeneinheit (12) zur Erzeugung eines Einspritzdrucks und mit einer Düse (14) zur Kraftstoffaufbereitung während eines Einspritzvorgangs, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzanlage (10) zur Steuerung des Einspritzdrucks eine Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.

9. Einspritzanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Pumpeneinheit (12) und die Vorrichtung (16) eine gemeinsame Baueinheit bilden.