EP1210516B1 - Einspritzsystem und verfahren zum betreiben eines einspritzsystems - Google Patents

Einspritzsystem und verfahren zum betreiben eines einspritzsystems Download PDF

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EP1210516B1
EP1210516B1 EP00956132A EP00956132A EP1210516B1 EP 1210516 B1 EP1210516 B1 EP 1210516B1 EP 00956132 A EP00956132 A EP 00956132A EP 00956132 A EP00956132 A EP 00956132A EP 1210516 B1 EP1210516 B1 EP 1210516B1
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EP
European Patent Office
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control valve
hydraulic
injection system
transformer
piezoactuator
Prior art date
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EP00956132A
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EP1210516A1 (de
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Patrick Mattes
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M59/46—Valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to an injection system with a piezo actuator, a hydraulic translator and a control valve, being in the continuous operation of the injection system the stroke of the piezo actuator via a hydraulic medium transferable to the control valve in the hydraulic translator is.
  • the invention further relates to a method for Operating an injection system.
  • An injection system also referred to below as a piezo injector, according to the genus specified above, in particular application in diesel accumulator injection systems.
  • at memory injection or "common rail injection” pressure generation and injection are decoupled.
  • the injection pressure from approx. 120 to 1600 bar becomes independent of the Engine speed and the injection quantity generated and is in the "Rail” - the fuel storage - ready for injection.
  • Injection timing and injection quantity are in the electronic Control unit calculated and by the injector on each Engine cylinder implemented.
  • the injector has the job Start spraying and injection quantity.
  • FIG 3 is a control valve of the prior art for shown a piezo actuator.
  • the stroke of one not shown Piezo element is opened via a hydraulic translator a control valve 110 transmitted.
  • a Valve stroke 112 is provided, which is sufficient to the control valve 110 between a first valve seat 114 and a second valve seat 116 to reciprocate.
  • Below of the control valve 110 is the valve control space 118 arranged.
  • At this valve control chamber 118 closes via a Inlet throttle 120 on a fuel inlet 122.
  • the control room 118 via an outlet throttle-124 the control valve 110 connected. Reaches into the control room 118 a push rod 126 through which the force to not injector shown is transmitted.
  • the inlet throttle 120 and the outlet throttle 124 serve on the one hand the opening behavior via their relative flow rates to determine the nozzle needle.
  • the flow restrictor 124 also serves to return a leakage amount of Fuel from valve timing 118 in the overlying ones Cavity and over the fuel return 128 to one Fuel tank.
  • the inlet throttle 120 prevents the pressure in the control room 118 immediately completely compensates and adapts to the high pressure in the common rail, because only a decrease in pressure enables the opening of the nozzle needle by pulling back the push rod 126.
  • valve 110 In the present special case according to the state of the art Figure 3 is a control valve 110 with two valve seats 114, 116.
  • the general principles of valve control can also be used with just one valve seat realize.
  • the piezo element then, for example, double with voltage pulses Frequency can be excited.
  • the prior art systems one of which is shown in FIG 3 is shown, is common that both during the starting process as well as during operation a system pressure in the injector must be present. This places demands on the performance of the High-pressure pump of the common rail system, since the leakage quantity is Ensuring the system pressure supply from the high pressure pump must be provided. There are further disadvantages itself in connection with the occurring leakage quantities, because these have to be removed from the system under high pressure. Furthermore, the prior art systems are environmental depending, for example, at high temperatures engine turned off the fuel from the coupler compartment the control valve evaporates; this represents additional Pressure supply requirements when restarting the System.
  • the injection system according to the invention is based on the prior art Technology in an advantageous manner in that the piezo actuator and the components of the hydraulic translator are arranged with respect to the control valve so that at least part of the stroke of the piezo actuator directly on the Control valve is transferable.
  • the control valve can thus open due to the stroke of the piezo element without there was a system pressure in the first place.
  • the system can therefore be independent of Environmental influences, such as excessive heat or long periods of inactivity of the engine, ensure a system pressure supply at all times. It is surprising that a direct, i.e.
  • the lifting capacity of the Piezo element on what with a suitable choice-any other Boundary parameters to compensate for the length reduction can lead. So at low temperatures could be almost the entire stroke of the piezo element in one stroke of Control valve are implemented when the great length of the Piezo element causes a direct or almost direct Contact of the elements within the hydraulic Translator is available. At higher temperature when the piezo element a shorter length is generally a There is a distance between elements of the path translation. There in this case, however, the lifting capacity is greater, the stroke of the piezo element initially run empty and from a certain point Actuate the control valve with power directly at the time and therefore open.
  • the hydraulic translator preferably has a first one Translator piston on which stops from a piezo actuator can be acted upon with force. In this way finds a direct power transmission from the piezo actuator in the hydraulic translator, which then, depending on the operating state, hydraulically or directly on the control valve is transferable.
  • the hydraulic. Translator one has second booster piston, which is of the first Translator piston can be acted upon by force.
  • the invention a hydraulic translator with at least two translation pistons on both via a hydraulic medium as well as interact directly.
  • the basic idea of the invention is realized in an elegant way.
  • Hydraulic medium between the first and the second Booster piston available. This ensures that the stroke of the piezo actuator by mediating the hydraulic translator in a sufficient stroke of the Control valve is translated. This stroke has to be so big that a sufficient pressure drop is generated in the control room and can open the injector.
  • at which transmit the actuating force via a hydraulic medium becomes direct in the direct transmission of power Contact between the hydraulic booster pistons Translator used.
  • This direct contact is through one wide temperature range feasible because of the special temperature behavior immediate effects of the piezo element to the relative positions of the booster pistons.
  • a slight opening of the Control valve is due to the direct power transmission sufficient to fill the system area with Ensure fuel. Consequently lies after this filling the prerequisite for hydraulic operation of the control valve.
  • the stroke of the piezo actuator on the control valve this releases a gap in the range of about 3 - 5 ⁇ m.
  • a Gap is sufficient to fill the coupler space of the translator.
  • a pressure control valve is preferably used to set a desired system pressure provided. This is able after filling the system area with fuel, which can be done in a few milliseconds System pressure.
  • the invention advantageously provides a method to operate a piezo injector with a piezo actuator, a hydraulic translator and a control valve for Available in which the piezo actuator is electrically excited and is caused to a stroke, the stroke in a first phase is transferred directly to a control valve, the stroke in one second phase hydraulically transferred to a control valve and the control valve is opened by the stroke.
  • the method thus uses two in a useful manner fundamentally different principles for opening the Control valve. Even when the coupler space is empty, i.e. with a coupler room in which there is no hydraulic medium, can the control valve by the excitation of the piezo actuator of the piezo injector opened by direct mechanical contact become.
  • Such direct mechanical contact can over a wide temperature range due to the special Temperature behavior of the piezo element in view on the temperature coefficient and the temperature dependence of the hub can be realized.
  • By opening the Control valve which by direct mechanical contact system area with hydraulic medium be filled so that subsequently, in a second phase, hydraulic power transmission can take place.
  • By the hydraulic power transmission takes place, so that the stroke of the piezo actuator is converted into a stroke which is sufficient to open the injector.
  • control valve in the first phase in the range of about 3 - 5 ⁇ m opens. This opening is enough to quickly fill the system area with Fuel out; at the same time becomes a useful throttling made available. Overall, the leakage rate of the system compared to the use of a constant choke, resulting in an advantageously lower power requirement the high pressure pump leads.
  • the method according to the invention is then particularly advantageous if the first phase is the start phase and the second Phase is the phase of continuous operation.
  • the first phase is the start phase and the second Phase is the phase of continuous operation.
  • a system pressure is preferably provided after the start phase set by a pressure maintaining valve. In this way can take advantage of the common rail system, at which the pressure generation and the injection are decoupled from one another are used in connection with the invention.
  • the invention is based on the surprising finding that by taking advantage of the temperature behavior of a piezo element an integrated system supply can be implemented is.
  • the system pressure range is filled each time the system is started, so that effects of environmental influences, such as the Temperature at which starting behavior can be avoided. simultaneously is the amount of leakage compared to a control valve with a constant choke significantly reduced, whereby the high-pressure pump of the common rail system has a lower one Has power requirements. Because of the possibility of a unpressurized discharge of the leakage amount in the injector is the Use of conventional leak hoses possible.
  • Figure 1a shows a section of a piezo injector with a piezo actuator 10, a hydraulic translator 12 and a control valve 14.
  • a stop on the piezo actuator 10 16 provided which has a first booster piston 18 acted upon when the piezo actuator 10 is activated.
  • the first booster piston 18 interacts a second booster piston 20, so that this Control valve 14 can be opened.
  • FIG 1b shows another state of the invention Device, the same elements with identical reference numerals Marked are.
  • the control valve 14 is shown in the same state as in Figure 1a.
  • the first booster piston 18 and the second booster piston 20 of the hydraulic booster 12 there is a free space, resulting from the difference in length ⁇ l of the piezo actuator 10 from FIG. 1b in comparison to FIG 1a results.
  • This length difference ⁇ l is based on the fact that 1b shows a state at a higher temperature, for example at 120 ° C, is shown as in Figure 1a.
  • the negative mentioned Temperature coefficient of the piezo element consequently leads to Retraction of the first booster piston 18.
  • the lifting capacity of the piezo actuator 10 at the high temperature larger than at the low temperature.
  • the piezo actuator is one Has expanded amount, which for example slightly is smaller than 25 ⁇ m.
  • the lifting capacity of the piezo actuator is about 25 ⁇ m in comparison about 50 ⁇ m at 120 ° C.
  • the reduced lifting capacity is still sufficient to the control valve 14 by a sufficient amount ⁇ h from the Lift out the valve seat.
  • ⁇ l 0, ensures the increased lifting capacity of about 50 microns sufficient opening of the control valve 14.
  • the diagram according to FIG. 2 shows the interplay between Stroke h and temperature expansion ⁇ l only schematically.
  • the actual changes in length ⁇ l and the stroke h can sometimes be finely coordinated.
  • the opening ⁇ h of the control valve 14 is always large enough to be quick Allow the system to be filled with fuel.
  • the opening ⁇ h must not be too large either the control valve 14 advantageously a throttling effect Has. This throttling effect may be due to the throttling effect an inlet throttle (see FIG. 3 for the prior art) vote.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem Piezosteller, einem hydraulischen Übersetzer und einem Steuerventil, wobei im kontinuierlichen Betrieb des Einspritzsystems der Hub des Piezostellers über ein Hydraulikmedium in dem hydraulischen Übersetzer auf das Steuerventil übertragbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems.
Ein Einspritzsystem, im folgenden auch als Piezoinjektor bezeichnet, gemäß der oben angegebenen Gattung findet insbesondere bei Diesel-Speichereinspritzsystemen Anwendung. Bei der Speichereinspritzung oder "Common-Rail-Einspritzung" sind Druckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Der Einspritzdruck von ca. 120 bis 1600 bar wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht im "Rail" - dem Kraftstoffspeicher - für die Einspritzung bereit. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden im elektronischen Steuergerät berechnet und von dem Injektor an jedem Motorzylinder umgesetzt. Der Injektor hat die Aufgabe Spritzbeginn und Einspritzmenge einzustellen.
Neben der Ansteuerung des Injektors über ein Piezoelement ist die Ansteuerung des Injektors über ein Magnetventil bekannt.
Während mit Magnetventilen ausreichend große Ventilhübe zur Verwendung des Magnetventils als Steuerventil erzeugt werden können, sind bei einer Steuerung eines Injektors mit einem Piezoelement zusätzliche Maßnahmen zu treffen. Dies hat den Grund, daß mit einem Piezoelement nur ein sehr geringer Hub erzeugbar ist, welcher bezüglich der Länge des Piezoelementes im Promillbereich liegt. Dieser geringe Hub muß für die Betätigung des Stellventils beim kontinuierlichen Betrieb des Injektors transformiert werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein hydraulischer Übersetzer verwendet.
In Figur 3 ist ein Steuerventil des Standes der Technik für einen Piezosteller gezeigt. Der Hub eines nicht gezeigten Piezoelementes wird über einen hydraulischen Übersetzer auf ein Steuerventil 110 übertragen. Auf diese Weise wird ein Ventilhub 112 zur Verfügung gestellt, welcher ausreicht, um das Steuerventil 110 zwischen einem ersten Ventilsitz 114 und einem zweiten Ventilsitz 116 hin und her zu bewegen. Unterhalb des Steuerventils 110 ist der Ventilsteuerraum 118 angeordnet. An diesem Ventilsteuerraum 118 schließt über eine Zulaufdrossel 120 ein Kraftstoffzulauf 122 an. Andererseits ist der Steuerraum 118 über eine Ablaufdrossel-124 mit dem Steuerventil 110 verbunden. In den Steuerraum 118 reicht eine Druckstange 126 hinein, über welche die Kraft zur nicht dargestellten Einspritzdüse übertragen wird.
Im Folgenden wird das Arbeitsprinzip des speziellen, mit zwei Ventilsitzen 114, 116 ausgestatteten Piezoinjektors des Standes der Technik anhand von Figur 3 erläutert. Im dargestellten Zustand sitzt das Steuerventil 110 im ersten Ventilsitz 114. Zu diesem Zeitpunkt kann sich über den Kraftstoffzulauf 122, welcher mit dem Common-Rail verbunden ist, und die Zulaufdrossel 120 ein Druck in dem Steuerraum 118 ausbilden. Wird nun dem nicht dargestellten Piezoelement eine Spannung zugeführt, so erzeugt dies einen Ventilhub, so daß das Steuerventil 110 eine Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz 114 und dem Ventilsitz 116 einnimmt. Der Druck im Steuerraum 118 wird somit kurzzeitig verringert, so daß die Druckstange, welche von einer nicht dargestellten Feder in Richtung des Steuerraums getrieben wird, weiter in den Steuerraum eintreten kann. Folglich wird eine nicht dargestellte Einspritzdüse kurzzeitig, im vorliegenden Fall zur Voreinspritzung, geöffnet. Sobald das Steuerventil 110 den zweiten Ventilsitz 116 erreicht, kann sich wiederum im Steuerraum 118 der von dem Common-Rail über die Zulaufdrossel 120 zur Verfügung gestellte Hochdruck ausbilden. Folglich wird die Druckstange 126 wieder aus dem Steuerraum 118 herausgetrieben, und die Einspritzdüse schließt. Bei der durch eine entsprechende Ansteuerung des Piezoelementes nachfolgenden umgekehrten Bewegung des Steuerventils vom zweiten Ventilsitz 116 zum ersten Ventilsitz 114 wird wiederum eine Mittelstellung eingenommen, welche nun aber zur Haupteinspritzung genutzt wird.
Die Zulaufdrossel 120 und die Ablaufdrossel 124 dienen einerseits dazu, über ihre relativen Durchflußmengen das Öffnungsverhalten der Düsennadel zu bestimmen. Die Ablaufdrossel 124 dient ferner der Rückführung einer Leckmenge von Kraftstoff aus der Ventilsteuerung 118 in den darüberliegenden Hohlraum und über den Kraftstoffrücklauf 128 zu einem Kraftstoffbehälter. Die Zulaufdrossel 120 verhindert, daß sich der Druck in dem Steuerraum 118 sogleich vollständig ausgleicht und sich dem Hochdruck im Common-Rail anpaßt, denn nur eine Druckabnahme ermöglicht das Öffnen der Düsennadel durch Zurückziehen der Druckstange 126.
Im vorliegenden speziellen Fall des Standes der Technik gemäß Figur 3 ist ein Steuerventil 110 mit zwei Ventilsitzen 114, 116 dargestellt. Die allgemeinen Prinzipien der Ventilsteuerung lassen sich aber auch mit nur einem Ventilsitz verwirklichen. Für dieselbe Einspritzfrequenz muß das Piezoelement dann beispielsweise mit Spannungsimpulsen doppelter Frequenz angeregt werden.
Den Systemen des Standes der Technik, von denen eines in Figur 3 dargestellt ist, ist gemeinsam, daß sowohl beim Startvorgang als auch beim Betrieb ein Systemdruck im Injektor vorliegen muß. Dies stellt Anforderungen an die Leistung der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Systems, da die Leckmenge zur Sicherstellung der Systemdruckversorgung von der Hochdruckpumpe bereitgestellt werden muß. Weitere Nachteile ergeben sich im Zusammenhang mit den auftretenden Leckmengen, da diese unter hohem Druck aus dem System abgeführt werden müssen. Ferner sind die Systeme des Standes der Technik von Umwelteinflüssen abhängig, da ein zum Beispiel bei hohen Temperaturen abgestellter Motor den Kraftstoff aus dem Kopplerraum des Steuerventils verdampft; dies stellt zusätzliche Anforderungen an die Druckversorgung bei einem Neustart des Systems.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einspritzsystem baut auf dem Stand der Technik in vorteilhafter Weise dadurch auf, daß der Piezosteller und die Komponenten des hydraulischen Übersetzers bezüglich des Steuerventils so angeordnet sind, daß wenigstens ein Teil des Hubs des Piezostellers direkt auf das Steuerventil übertragbar ist. Das Steuerventil kann somit aufgrund des Hubs des Piezoelementes öffnen, ohne daß von vornherein ein Systemdruck vorläge. Sobald das Steuerventil durch die direkte Wirkung des Piezostellers öffnet, füllt der im Common-Rail vorhandene Druck den Systembereich mit Kraftstoff, und der Piezoinjektor ist für den kontinuierlichen Betrieb bereit. Das System kann somit unabhängig von Umwelteinflüssen, etwa großer Hitze oder längerer Stillegung des Motors, jederzeit eine Systemdruckversorgung sicherstellen. Es überrascht, daß eine direkte, das heißt nicht hydraulische, Kraftübertragung von dem Piezoelement auf das Steuerventil bei unterschiedlichen Temperaturen möglich ist, da das Piezoelement seine Länge in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Bei den Systemen des Standes der Technik stellte dies kein grundsätzliches-Problem dar, da eine Kraftübertragung ohnehin nur auf hydraulischem Wege erfolgte. Nun aber, da es auf die Relativposition zwischen dem Piezoelement und dem Steuerventil ankommt, scheint die Temperaturabhängigkeit der Piezolänge ein grundsätzliches Problem nach sich zu ziehen. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, daß die Längenanderung des Piezoelementes gerade durch die Änderung des Hubvermögens zumindest nahezu ausgeglichen.werden kann. Dies beruht auf den folgenden Tatsachen. Das Piezoelement hat bezüglich der Längenausdehnung einen negativen Temperaturkoeffizienten. Mit anderen Worten: bei hohen Temperaturen ist das Piezoelement kürzer als bei niedrigen Temperaturen. Allerdings steigt bei hohen Temperaturen das Hubvermögen des Piezoelementes an, was bei geeigneter Wahl-eventueller sonstiger Randparameter zu einer Kompensation der Längenverkürzung führen kann. Bei niedrigen Temperaturen könnte also nahezu der gesamte Hub des Piezoelementes in einen Hub des Steuerventils umgesetzt werden, wenn die große Länge des Piezoelementes dazu führt, daß ein direkter oder nahezu direkter Kontakt der Elemente innerhalb des hydraulischen Übersetzers vorliegt. Bei höherer Temperatur, wenn das Piezoelement eine geringere Länge hat, wird im allgemeinen ein Abstand zwischen Elementen der Wegübersetzung vorliegen. Da in diesem Fall aber das Hubvermögen größer ist, wird der Hub des Piezoelementes zunächst leer laufen und ab einem gewissen Zeitpunkt das Steuerventil wiederum direkt mit Kraft beaufschlagen und folglich öffnen.
Bevorzugt weist der hydraulische Übersetzer einen ersten Übersetzerkolben auf, welcher von einem Anschlag des Piezostellers mit Kraft beaufschlagbar ist. Auf diese Weise findet eine direkte Kraftübertragung von dem Piezosteller in den hydraulischen Übersetzer statt, welche dann, je nach Betriebszustand, hydraulisch oder direkt auf das Steuerventil übertragbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der hydraulische. Übersetzer einen zweiten übersetzerkolben aufweist, welcher von dem ersten Übersetzerkolben mit Kraft beaufschlagbar ist. In dieser vorteilhaften Ausführungsform weist die Erfindung folglich einen hydraulischen Übersetzer mit mindestens zwei Übersetzerkolben auf, welche sowohl über ein hydraulisches Medium als auch direkt wechselwirken können. Die Grundidee der Erfindung wird so auf elegante Weise realisiert.
Vorzugsweise ist zumindest während des kontinuierlichen Betriebs Hydraulikmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Übersetzerkolben vorhanden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Hub des Piezostellers durch Vermittlung des hydraulischen Übersetzers in einen ausreichenden Hub des Steuerventils übersetzt wird. Dieser Hub muß so groß sein, daß im Steuerraum ein ausreichender Druckabfall erzeugt wird und die Einspritzdüse öffnen kann.
Bevorzugt liegt bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers auf das Steuerventil direkter Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Übersetzerkolben vor. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Betrieb des Steuerventils, bei welchem die Stellkraft über ein Hydraulikmedium übertragen wird, wird bei der direkten Kraftübertragung ein direkter Kontakt zwischen den Übersetzerkolben des hydraulischen Übersetzers genutzt. Dieser direkte Kontakt ist über einen großen Temperaturbereich realisierbar, da das besondere Temperaturverhalten des Piezoelementes unmittelbare Auswirkungen auf die Relativpositionen der Übersetzerkolben hat.
Vorzugsweise öffnet bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers auf das Steuerventil dieses in einem geringeren Maß als bei der hydraulischen Übertragung während des kontinuierlichen Betriebs. Ein geringfügiges Öffnen des Steuerventils aufgrund der direkten Kraftübertragung ist ausreichend, um eine Befüllung des Systembereiches mit Kraftstoff sicherzustellen. Folglich liegt nach dieser Befüllung die Voraussetzung für einen hydraulischen Betrieb des Steuerventils vor.
Dabei ist besonders bevorzugt, daß bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers auf das Steuerventil dieses einen Spalt im Bereich von etwa 3 - 5 µm freigibt. Ein solcher Spalt ist ausreichend, um eine Befüllung des Kopplerraums des Übersetzers sicherzustellen. Andererseits wird'eine genügende Drosselung zur Verfügung gestellt, um ein ungewolltes Einspritzen beim Anlassen des Motors zu verhindern.
Vorzugsweise ist ein Druckhalteventil zur Einstellung eines erwünschten Systemdruckes vorgesehen. Dieses ist in der Lage, nach der Befüllung des Systembereiches mit Kraftstoff, welche in wenigen Millisekunden erfolgen kann, den gewünschten Systemdruck einzustellen.
Die Erfindung stellt in vorteilhafter Weise ein Verfahren zum Betreiben eines Piezoinjektors mit einem Piezosteller, einem hydraulischen Übersetzer und einem Steuerventil zur Verfügung, bei dem der Piezosteller elektrisch angeregt und zu einem Hub veranlaßt wird, der Hub in einer ersten Phase direkt auf ein Steuerventil übertragen wird, der Hub in einer zweiten Phase hydraulisch auf ein Steuerventil übertragen wird und das Steuerventil durch den Hub geöffnet wird. Das Verfahren bedient sich somit in nützlicher Art zwei grundsätzlich verschiedenen Prinzipien für das Öffnen des Steuerventils. Auch bei leerem Kopplerraum, das heißt bei einem Kopplerraum, in welchem kein Hydraulikmedium vorliegt, kann durch die Anregung des Piezostellers das Steuerventil des Piezoinjektors durch direkten mechanischen Kontakt geöffnet werden. Ein solcher direkter mechanischer Kontakt kann über einen großen Temperaturbereich aufgrund des besonderen Temperaturverhaltens des Piezoelementes im Hinblick auf den Temperaturkoeffizienten und die Temperaturabhängigkeit des Hubs verwirklicht werden. Durch die Öffnung des Steuerventils, welche durch direkten mechanischen Kontakt erzeugt wurde, kann der Systembereich mit Hydraulikmedium befüllt werden, so daß nachfolgend, in einer zweiten Phase, eine hydraulische Kraftübertragung stattfinden kann. Durch die hydraulische Kraftübertragung erfolgt eine Wegumsetzung, so daß der Hub des Piezostellers in einen Hub umgesetzt wird, welcher zum Öffnen der Einspritzdüse ausreicht.
Es ist vorteilhaft, wenn der Hub in der ersten Phase das Steuerventil weniger öffnet als in der zweiten Phase. Neben den bereits besprochenen grundsätzlichen Unterschieden zwischen der direkten Kraftübertragung und der hydraulischen Kraftübertragung kann die geringfügige Öffnung des Steuerventils in der ersten Phase zusätzlich sicherstellen, daß durch eine entsprechende Drosselung an dem Steuerventil ein Einspritzen von Kraftstoff beim Anlassen des Motors verhindert wird.
Dabei ist besonders bevorzugt, daß das Steuerventil in der ersten Phase im Bereich von etwa 3 - 5 µm öffnet. Diese Öffnung reicht zur raschen Befüllung des Systembereiches mit Kraftstoff aus; gleichzeitig wird eine nützliche Drosselung zur Verfügung gestellt. Insgesamt wird die Leckmenge des Systems gegenüber der Verwendung einer Konstantdrossel verringert, was zu einem vorteilhaft niedrigeren Leistungsbedarf der Hochdruckpumpe führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann besonders vorteilhaft, wenn die erste Phase die Startphase und die zweite Phase die Phase des kontinuierlichen Betriebs ist. Bei heißem Motor und einer hohen Außentemperatur kann es zu einer Verdampfung des Hydraulikmediums aus dem hydraulischen Übersetzer kommen. Soll nun das Fahrzeug erneut gestartet werden, so ist bei herkömmlichen Systemen eine Bereitstellung von Hydraulikmedium durch eine erhöhte Leistung der Hochdruckpumpe erforderlich. Wenn es in der Startphase jedoch möglich ist, den Hub des Piezostellers direkt auf das Steuerventil zu übertragen, so ist hierdurch eine integrierte Systemdruckversorgung verwirklicht, und das System ist für den hydraulischen Dauerbetrieb vorbereitet.
Vorzugsweise wird im Anschluß an die Startphase ein Systemdruck von einem Druckhalteventil eingestellt. Auf diese Weise können die Vorteile des Common-Rail-Systems, bei welchem die Druckerzeugung und die Einspritzung voneinander entkoppelt sind, im Zusammenhang mit der Erfindung genutzt werden.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch Ausnutzung des Temperaturverhaltens eines Piezoelementes eine integrierte Systemversorgung realisierbar ist. Bei jedem Systemstart wird der Systemdruckbereich befüllt, so daß Auswirkungen von Umwelteinflüssen, etwa der Temperatur, auf das Startverhalten vermieden werden. Gleichzeitig wird die anfallende Leckmenge gegenüber einem Steuerventil mit einer Konstantdrossel deutlich verringert, wodurch die Hochdruckpumpe des Common-Rail-Systems einen niedrigeren Leistungsbedarf hat. Aufgrund der Möglichkeit einer drucklosen Abführung der Leckmenge in dem Injektor ist die Verwendung von konventionellen Leckschläuchen möglich.
Zeichnung
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Figur 1 ist eine stark schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Figur 1a einen ersten Betriebszustand und Figur 1b einen zweiten Betriebszustand zeigt.
  • Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften eines Piezoelementes.
  • Figur 3 zeigt eine Vorrichtung des Standes der Technik.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
    Figur 1a zeigt einen Ausschnitt aus einem Piezoinjektor mit einem Piezosteller 10, einem hydraulischen Übersetzer 12 und einem Steuerventil 14. An dem Piezosteller 10 ist ein Anschlag 16 vorgesehen, welcher einen ersten Übersetzerkolben 18 bei einer Aktivierung des Piezostellers 10 mit Kraft beaufschlagt. Der erste Übersetzerkolben 18 wechselwirkt mit einem zweiten Übersetzerkolben 20, so daß hierdurch das Steuerventil 14 geöffnet werden kann.
    In Figur 1a ist ein Zustand bei niedriger Temperatur, beispielsweise -40 °C, dargestellt. Folglich weist der Piezosteller 10 eine vergleichsweise große Länge auf, da das Piezoelement einen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Aufgrund dieser großen Länge des Piezostellers 10 steht der erste Übersetzerkolben 18 in direktem mechanischem Kontakt mit dem zweiten Übersetzerkolben 20. Der Hub des Piezostellers 10 wird somit direkt, das heißt ohne hydraulische Wegübersetzung, auf das Steuerventil 14 übertragen. In der Figur ist angedeutet, daß das Steuerventil 14 um einen Betrag Δh geöffnet ist.
    Figur 1b zeigt einen anderen Zustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dieselben Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Zur besseren Veranschaulichung ist das Steuerventil 14 im selben Zustand dargestellt wie in Figur 1a. Zwischen dem ersten Übersetzerkolben 18 und dem zweiten Übersetzerkolben 20 des hydraulischen Übersetzers 12 liegt ein Freiraum vor, was aus der Längendifferenz Δl des Piezostellers 10 aus Figur 1b im Vergleich zu Figur 1a resultiert. Diese Längendifferenz Δl beruht darauf, daß in Figur 1b ein Zustand bei höherer Temperatur, etwa bei 120 °C, dargestellt ist als in Figur 1a. Der erwähnte negative Temperaturkoeffizient des Piezoelementes führt folglich zum Zurückziehen des ersten Übersetzerkolbens 18. Allerdings ist das Hubvermögen des Piezostellers 10 bei der hohen Temperatur größer als bei der niedrigen Temperatur. Falls demnach kein Hydraulikmedium im Zwischenraum zwischen dem ersten Übersetzerkolben 18 und dem zweiten Übersetzerkolben 20 vorliegt, gelingt es durch Aktivierung des Piezostellers 10 zunächst den Zwischenraum zwischen den Übersetzerkolben 18, 20 zu überwinden und nachfolgend das Steuerventil 14 um den Betrag Δh aus dem Ventilsitz herauszubewegen. Wie bereits erwähnt, ist die Figur 1b stark schematisiert, damit der Vergleich mit Figur 1a erleichtert wird. Tatsächlich würde das Steuerventil 14 vor einem Systemstart in seinem Ventilsitz sitzen und erst nach Aktivierung des Piezostellers 10 öffnen. Des weiteren wären die beiden Kolben 18, 20 in Kontakt, jedoch die Kolben 16, 18 um den Hub h getrennt. Andererseits ist es auch denkbar, den Kolben 18 durch eine Feder gegen den Kolben 16 vorzuspannen.
    Anhand von Figur 2 läßt sich das Wechselspiel zwischen der Längenänderung und dem Hubvermögen des Piezostellers besser verdeutlichen. In dem Diagramm nach Figur 2 ist auf der linken vertikalen Achse der Hub des Piezostellers ohne hydraulische Übersetzung dargestellt. Auf der rechten vertikalen Achse ist die Längenänderung Δl bzw. die Temperaturdehnung des Piezostellers aufgetragen. Sowohl der Hub h als auch die Längenänderung Δl sind in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt, welche auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Zum Hub des Piezostellers 10 gehört die Kurve, welche die offenen Rechtecke verbindet. Zur Längenänderung Δl gehört die Kurve, welche die Punkte verbindet. Die Längenänderung Δl hat ihren Bezugspunkt bei der hohen Temperatur von 120 °C, so daß sie an dieser Stelle als Δl = 0 definiert ist. Betrachtet man nun das Diagramm bei der Temperatur-von -40 °C, so ergibt sich, daß sich der Piezosteller um einen Betrag ausgedehnt hat, welcher beispielsweise geringfügig kleiner als 25 µm ist. Bei diesem Temperaturwert von -40 °C beträgt das Hubvermögen des Piezostellers etwa 25 µm im Vergleich zu etwa 50 µm bei 120 °C. Aufgrund der besagten Längenänderung Δl bei der niedrigen Temperatur von -40 °C ist das verminderte Hubvermögen aber immer noch ausreichend, um das Steuerventil 14 um einen genügenden Betrag Δh aus dem Ventilsitz herauszuheben. Bei hoher Temperatur, wenn Δl = 0, sorgt das vergrößerte Hubvermögen von etwa 50 µm für eine ausreichende Öffnung des Steuerventils 14.
    Das Diagramm gemäß Figur 2 zeigt das Wechselspiel zwischen Hub h und Temperaturdehnung Δl nur schematisch. In der Praxis müssen die tatsächlichen Längenänderungen Δl und der Hub h mitunter fein aufeinander abgestimmt werden. Dabei ist sicherzustellen, daß bei direkter Kraftübertragung die Öffnung Δh des Steuerventils 14 stets groß genug ist, um eine rasche Befüllung des Systems mit Kraftstoff zu ermöglichen. Andererseits darf die Öffnung Δh auch nicht zu groß sein, damit das Steuerventil 14 vorteilhafterweise eine Drosselwirkung hat. Diese Drosselwirkung ist eventuell auf die Drosselwirkung einer Zülaufdrossel (siehe Figur 3 zum Stand der Technik) abzustimmen.
    Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung wie in den folgenden Ansprüchen definiert zu verlassen.

    Claims (13)

    1. Einspritzsystem mit einem Piezosteller (10), einem hydraulischen Übersetzer (12) und einem Steuerventil (14), wobei im kontinuierlichen Betrieb des Einspritzsystems der Hub des Piezostellers (10) über ein Hydraulikmedium in dem hydraulischen übersetzer (12) auf das Steuerventil (14) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezosteller und die Komponenten des hydraulischen Übersetzers bezüglich des Steuerventils so angeordnet sind, daß durch die Komponenten des hydraulishen Übersetzers bis zum Aufbau eines Systemdrucks im hydraulischen Übersetzer (12) wenigstens ein Teil des Hubs des Piezostellers (10) direkt mechanisch auf das Steuerventil (14) übertragbar ist.
    2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Übersetzer (12) einen ersten Übersetzerkolben (18) aufweist, welcher von einem Anschlag (16) des Piezostellers (10) mit Kraft beaufschlagbar ist.
    3. Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Übersetzer (12) einen zweiten Übersetzerkolben (20) aufweist, welcher von dem ersten Übersetzerkolben (18) mit Kraft beaufschlagbar ist.
    4. Einspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während des kontinuierlichen Betriebs Hydraulikmedium zwischen dem ersten Übersetzerkolben (18) und dem zweiten Übersetzerkolben (20) vorhanden ist.
    5. Einspritzsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers (10) auf das Steuerventil (14) direkter Kontakt zwischen dem ersten Übersetzerkolben (18) und dem zweiten Übersetzerkolben (20) vorliegt.
    6. Einspritzsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers (10) auf das Steuerventil (14) dieses in einem geringeren Maß öffnet als bei der hydraulischen Übertragung während des kontinuierlichen Betriebs.
    7. Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers (10) auf das Steuerventil (14) dieses einen Spalt im Bereich von etwa 3 - 5 µm freigibt.
    8. Einspritzsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckhalteventil zur Einstellung eines erwünschten Systemdruckes vorgesehen ist.
    9. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems mit einem Piezosteller (10), einem hydraulischen Übersetzer (12) und einem Steuerventil (14), bei dem der Piezosteller (10) elektrisch angeregt und zu einem Hub veranlaßt wird, der Hub bis zum Aufbau eines Systemdrucks im hydraulischen Übersetzer (12) von dessen Komponenten wenigstens zu einem Teil direkt mechanisch auf das Steuerventil (14) übertragen wird und das Steuer ventil (14) durch den Hub geöffnet wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub in der ersten Phase das Steuerventil (14) weniger öffnet als in der zweiten Phase.
    11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub in der ersten Phase das Steuerventil im Bereich von etwa 3 - 5 µm öffnet.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase eine Startphase und die zweite Phase eine Phase des kontinuierlichen Betriebs ist.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Startphase ein Systemdruck von einem Druckhalteventil eingestellt wird.
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