EP1329629A2 - Doppeltschaltendes Ventil für Kraftstoffeinspritzanlagen - Google Patents

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EP1329629A2
EP1329629A2 EP02027747A EP02027747A EP1329629A2 EP 1329629 A2 EP1329629 A2 EP 1329629A2 EP 02027747 A EP02027747 A EP 02027747A EP 02027747 A EP02027747 A EP 02027747A EP 1329629 A2 EP1329629 A2 EP 1329629A2
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EP
European Patent Office
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pump
nozzle
needle
valve needle
chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02027747A
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English (en)
French (fr)
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EP1329629A3 (de
Inventor
Stefan Schempp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1329629A2 publication Critical patent/EP1329629A2/de
Publication of EP1329629A3 publication Critical patent/EP1329629A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/365—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages valves being actuated by the fluid pressure produced in an auxiliary pump, e.g. pumps with differential pistons; Regulated pressure of supply pump actuating a metering valve, e.g. a sleeve surrounding the pump piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • 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 pressure is built up by a piston. The pressure opens the injection valve when a certain value is reached.
  • Pump-nozzle systems (UI-Unit Injector systems) are now on auto-igniting Internal combustion engines generate mechanically-hydraulically controlled injection phases, which on the one hand contribute to noise reduction and on the other hand to minimize pollutants.
  • a pump piston is moved upwards via a return spring.
  • the one under constant overpressure standing fuel flows from the low pressure part of the fuel supply via the Engine block-integrated inlet bores and the inlet channel in a valve chamber Solenoid valve.
  • the solenoid valve is open. The passes through a connecting hole Fuel into the high pressure room.
  • a third phase of the injection process when using an electromagnetic valve the coil of the electromagnet by the control unit at a certain time energized so that the solenoid valve needle is pulled into a seat and the connection is closed between the high pressure chamber and the low pressure part. That time will also called “electrical start of spraying".
  • the fuel pressure in the high pressure room increases continuously due to the movement of the pump piston, which also increases pressure increases at the injector.
  • a nozzle opening pressure is reached The nozzle needle is raised by approximately 300 bar, which brings fuel into the combustion chamber is injected. This time is also called the "actual start of spraying" or also referred to as the start of funding. Due to the high delivery rate of the pump piston the pressure continues to rise during the entire injection process.
  • the coil of the electromagnet is switched off again, after which the solenoid valve opens after a short delay and the connection between high pressure chamber and low pressure part is released again.
  • the peak pressure is reached, which, depending on the pump type, between a maximum 1800 and 2050 bar varies. Then the pressure breaks down very quickly. When falling short of the nozzle closing pressure closes the injection nozzle and ends the injection process. The rest from the pump element to the apex of the drive cam Pumped fuel is fed into the low pressure part of the fuel system via the return channel pressed.
  • Such pump nozzle systems used, for example, in truck injection systems usually include two actuators designed as electromagnets. With two digits the unit injector system (UIS) requires more installation space than in such applications Injection systems for commercial vehicles are available.
  • the trained as solenoid valves Actuators can therefore be easily accommodated on truck diesel engines.
  • at Passenger cars is in the engine compartment, especially in the upper area of the Cylinder block, limited space available, what the external dimensions of a pump-nozzle system.
  • a piezo actuator If a piezo actuator is used, its stroke can be changed by changing the voltage vary as desired on the piezo actuator.
  • the actuator of the pump-nozzle unit designed as a piezo actuator (PDE) can be used to implement the required travel distances within the A hydraulic pressure intensifier can be connected downstream of the housing of the pump-nozzle unit.
  • An actuator designed as a piezo actuator can be energized in accordance with transfer different switching positions. In a de-energized, de-energized state of the piezo actuator, the nozzle needle assumes an open position, i.e. Fuel comes with low pressure by the fuel feed pump by the unit injector (PDE) pumped. In this position of the nozzle needle are the inlet and the low pressure side Inlet to a high-pressure pump chamber connected in a short circuit, because the openings corresponding to these within the housing of the unit injector are released by the nozzle needle.
  • PDE unit injector
  • the nozzle needle When the piezo actuator is energized to the maximum, the nozzle needle is moved downwards, i.e. the low-pressure inlet and high-pressure inlet to the pump room are both locked. In this phase, the pressure builds up without the needle passing through the steadily increasing pressure would be opened. However, is the desired injection pressure built in the pump-nozzle unit (PDE), the current supply to the piezo actuator is withdrawn, whereby the nozzle needle opens with pressure support.
  • PDE pump-nozzle unit
  • FIG. 1 shows a pump-nozzle unit (PDE), which is designed as a piezo actuator Actuator is actuated.
  • PDE pump-nozzle unit
  • the illustration according to FIG. 1 shows that the pump-nozzle unit shown there 1 comprises a pump part 2 and a nozzle part 3.
  • the nozzle part 3 of the pump-nozzle unit 1 (PDE) is in the cylinder head 4 of a self-igniting, not shown here Internal combustion engine inserted.
  • the nozzle part 3 of the pump-nozzle unit 1 is screwed into a cylinder head bore 22 and by means of a spacer 32 and with the help of O-rings 33 in the cylinder head bore 22 sealed.
  • an actuator 5 is received, which as Is formed piezo actuator and comprises a piezo crystal arrangement in stack form.
  • the electrical control of the piezocrystal stack 7 takes place via a switch 5 on the side Recorded plug connection 6.
  • the actuator 5 is on the side of the pump housing 8 of the Pump part 2 of the pump-nozzle unit 1 is added and acts on a hydraulic Coupler 38, the one in a nozzle body 23 of the via a coupler line 39 Nozzle part 3 displaceably arranged valve needle 24 acted on the end face.
  • a pump piston 9 is embedded, which is operated via a rocker arm 17 controlled by camshafts.
  • the face 11 of the pump piston 9 delimits a pressure chamber 10 which is in the pump housing 8 of the pump part 2 of the pump-nozzle unit 1 is added.
  • the pump piston 9 is moved in the pump housing 8 in the axial direction and is through a spring element 12 configured here as a spiral spring is biased. That as a spiral spring 12 trained spring element is supported on the one hand on a collar 13 of the pump housing 8 and on the other hand on a spring plate 14, which is penetrated by a pressure pin 15.
  • the pressure pin 15 in turn is supported on a ball socket element 16 and acts on the end face of the pump piston 9 facing away from the pump chamber 11.
  • the pressure pin 15, which is received with its lower end in a pin socket 16 is at its end opposite the pin socket 16 by a rocker arm 17 enclosed, which is rotatable about a rocker arm axis 18.
  • a rocker arm roller 19 is rotatably supported, which runs with its outer peripheral surface on an eccentric cam 21, which is on a camshaft 20 is formed. Due to the outer peripheral contour of the eccentric cam 21 the axial movement of the pump piston 9 transmitted via the rocker arm 17 within of the pump housing 8 of the pump part 2 of the pump-nozzle unit 1 generated.
  • the nozzle body 23 of the nozzle part 3 which is let into the cylinder head bore 22 comprises a valve needle 24 which is moved in the axial direction within the nozzle body 23.
  • the upper end face 40 of the valve needle 24 is connected to the hydraulic via the coupler line 39 Coupler 38 in connection, which in turn by the piezocrystal stack arrangement 7 of the actuator 5 is applied.
  • the valve needle 24 of the 2/2-way valve in the nozzle body 23 is acted upon by a return spring.
  • the Return spring assigned to the end face of the valve needle 24 facing away from the end face 40 is, in turn, supported on a disc-shaped element, which by a Nozzle needle spring 35 is acted upon.
  • a Fuel return identified by reference numeral 36 the one above that by reference numeral 37 designated fuel inlet to the nozzle body 23 is arranged.
  • the nozzle body 23 is with the combustion chamber of the self-igniting internal combustion engine part assigned via a nozzle clamping nut 34. This seals the two Parts of the nozzle body 23 against each other and creates a fuel-tight connection between the pump chamber 11 of the pump part 2 and the high pressure inlets 26, 27 to the control room 25 or to the nozzle room 28.
  • Figure 2.1 shows a piezo actuator with a hydraulic coupling space, which is in a first switch position is set.
  • Figure 2.3 shows the piezo actuator with a downstream hydraulic coupler in one further, the third position 43.
  • valve needle 24 becomes the energization of the piezo crystal stack arrangement 7 of the actuator 5 withdrawn to a second voltage level 56 (cf. illustration according to FIG. 3).
  • the voltage drops in accordance with a first falling voltage edge 55 first voltage level 54, which during the second position 42 of the valve needle 24 is held back to a second, lower voltage level 56 (see illustration according to Figure 3).
  • the pressure in the hydraulic coupler 38 and the coupler line 39 increases so that the valve needle 24, the end face 40 of which is acted upon by the high pressure, by a second stroke 46 in the vertical direction with respect to the nozzle body 23 opens up.
  • the return 36 is open, while the inlet 37 continues through the valve needle 24, analogous to the illustration in FIG Figure 2.2, remains closed.
  • the nozzle needle 29 (cf. illustration according to FIG. 1) is thereby opened with pressure support.
  • FIG. 3 shows the voltage profile with which the 2/2-way valve, which is designed as a piezo actuator double switching piezo actuator is controlled.
  • the voltage corresponds to the level which in Figure 3 is present before the rising edge 50 of the voltage.
  • the pressure build-up phase 52 will generated by the rising edge 50 of the voltage down to a first voltage level 54.
  • the start of funding is shown with reference number 51.
  • the pressure build-up phase 52 can are kept variable and is controlled by the actuation of the nozzle needle 29 the valve needle 24 independently, i.e. Cut.
  • the Piezo actuator 5 energized at the first voltage level 54. The pressure builds up without that the nozzle needle 29 by the pressure building up in the pump chamber 11 of the pump part 2 of the unit injector is opened.
  • the first Voltage level 54 lowered to a second voltage level 56.
  • the valve needle 24 of the 2/2-way valve the unit injector 1 in the second position, as shown in the illustration Figure 2.2 is identified by reference numeral 42, i.e. the inlet 37 and the return 36 to the pump room 11 are closed. If the first voltage level 54 is along the first falling voltage edge 55 lowered to the second voltage level 56 takes place a relief of the hydraulic coupler 38, since the piezocrystal arrangement 7 at Apply a low voltage level corresponding to the second voltage level 56 contracted.
  • valve needle 24 moves by the second stroke 46 in accordance with the representation in Figure 2.3 in its third position.
  • inlet 37 still closed, while the return 36 to the pump chamber 11 remains open.
  • the second voltage level 56 is applied up to the delivery end 57 of the fuel pump drops to the 0 level in accordance with a further, second falling voltage edge 58 from.
  • the valve needle 24 again takes the one shown in FIG. 2.1 first position 41, in which the nozzle needle a first stroke 45 within the Nozzle body 23 covers and in which the inlet 37 and the return 36 together are short-circuited.
  • the pump chamber 11 the pump part 2 to build up pressure and the opening of the nozzle needle 29 separately controlled.
  • the injection pressure can be reduced control freely, whereby the pressure build-up phase is unaffected.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe-Düse-Einheit (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine. Die Pumpe-Düse-Einheit (1) (PDE) umfasst ein Pumpenteil (2) und einen Düsenteil (3) sowie einen Steller (5), dem ein hydraulischer Koppler (38, 39) nachgeschaltet ist. Über diesen ist eine Ventilnadel (24) innerhalb eines Düsenkörpers (23) betätigbar. Der Steller (5) umfaßt eine auf den hydraulischen Koppler (38, 39) einwirkende Piezokristall-Anordnung (7). Der hydraulische Koppler (38, 39) beaufschlagt die Stirnseite (40) der Ventilnadel (24)derart, daß diese in eine einen Druckaufbau (52) ermöglichende erste Position (41) stellbar ist, wobei eine das Öffnen der Düsennadel (29) ermöglichende weitere Position (43) der Ventilnadel (24) getrennt einstellbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Bei Einspritzsystemen nach dem UIS-System (Unit Injector System) wird durch einen Steller über einen hydraulischen Koppler der Hochdruckraum einer Kraftstoffeinspritzpumpe verschlossen. Bei den UI-Systemen wird der Druck durch einen Kolben aufgebaut. Der Druck öffnet bei Erreichen eines bestimmten Wertes das Einspritzventil.
Stand der Technik
Mit Pumpe-Düse-Systemen (UI-Unit Injector-Systemen) werden heute an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen mechanisch-hydraulisch gesteuerte Einspritzphasen erzeugt, die einerseits zur Geräuschreduzierung und andererseits zur Schadstoffminimierung beitragen. Bei Pumpe-Düse-Systemen lassen sich vier Betriebszustände unterscheiden. Ein Pumpenkolben wird über eine Rückstellfeder nach oben bewegt. Der unter ständigem Überdruck stehende Kraftstoff fließt aus dem Niederdruckteil der Kraftstoffversorgung über die Motorblock-integrierten Zulaufbohrungen und dem Zulaufkanal in einen Ventilraum eines Magnetventils. Das Magnetventil ist geöffnet. Über eine Verbindungsbohrung gelangt der Kraftstoff in den Hochdruckraum.
Bei einer Drehung des Antriebsnockens bewegt sich der Pumpenkolben nach unten. Das Magnetventil verbleibt in seiner geöffneten Stellung und der Kraftstoff wird durch den Pumpenkolben über den Rücklaufkanal in den Niederdruckteil der Kraftstoffversorgung gedrückt.
In einer dritten Phase des Einspritzvorganges wird bei Verwendung eines Elektromagnetventils die Spule des Elektromagneten durch das Steuergerät zu einem bestimmten Zeitpunkt bestromt, so dass die Magnetventilnadel in einen Sitz gezogen und die Verbindung zwischen Hochdruckraum und Niederdruckteil verschlossen wird. Dieser Zeitpunkt wird auch als "elektrischer Spritzbeginn" bezeichnet. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum steigt durch die Bewegung des Pumpenkolbens kontinuierlich an, wodurch sich auch ein steigender Druck an der Einspritzdüse einstellt. Bei Erreichen eines Düsenöffnungsdruckes von etwa 300 bar erfolgt eine Anhebung der Düsennadel, wodurch Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dieser Zeitpunkt wird auch als "tatsächlicher Spritzbeginn" oder auch als Förderbeginn bezeichnet. Durch die hohe Förderrate des Pumpenkolbens steigt der Druck während des gesamten Einspritzvorgangs weiter an. In einem abschließenden Betriebszustand wird die Spule des Elektromagneten wieder abgeschaltet, wonach das Magnetventil nach einer geringen Verzögerungszeit öffnet und die Verbindung zwischen Hochdruckraum und Niederdruckteil wieder freigegeben wird. In dieser Übergangsphase wird der Spitzendruck erreicht, der je nach Pumpentyp zwischen maximal 1800 und 2050 bar variiert. Danach bricht der Druck sehr rasch zusammen. Bei Unterschreiten des Düsenschließdruckes schließt die Einspritzdüse und beendet den Einspritzvorgang. Der restliche vom Pumpenelement bis zum Scheitelpunkt des Antriebsnockens geförderte Kraftstoff wird über den Rücklaufkanal in den Niederdruckteil des Kraftstoffsystems gedrückt.
Solche, beispielsweise bei LKW-Einspritzsystemen eingesetzten Pumpe-Düsen-Systeme umfassen in der Regel zwei als Elektromagneten ausgebildete Steller. Bei zwei Stellern benötigt das Pumpe-Düse-System (UIS) mehr Bauraum, der bei Anwendungen solcher Einspritzsysteme bei Nutzfahrzeugen zur Verfügung steht. Die als Magnetventile ausgebildeten Steller können daher an LKW-Dieselmotoren problemlos untergebracht werden. Bei Personenkraftwagen steht hingegen im Motorraum, insbesondere im oberen Bereich des Zylinderblockes, nur begrenzt Bauraum zur Verfügung, was die äußeren Abmessungen eines Pumpe-Düse-Systems mitbestimmt. Wird anstelle von zwei als Elektromagnetventile beschaffenen Stellern lediglich ein Elektromagnetvenil eingesetzt, geht dies mit dem Nachteil einher, dass dieses nur sehr ungenau und mit hohem Regelaufwand in einer Zwischenposition gehalten werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind vor allem darin zu erblikken, dass das Verschließen des Hochdruckraumes des Pumpe-Düse-Systems zum Druckaufbau und das Öffnen der Düsennadel getrennt gesteuert werden können. Damit ist der Einspritzdruck, d.h. der Druck, bei dem die Düsennadel öffnet, frei varrierbar.
Wird ein Piezoaktor eingesetzt, lässt sich dessen Hubweg durch Veränderung der Spannung am Piezoaktor beliebig variieren. Dem als Piezoaktor ausgebildeten Steller der Pumpe-Düse-Einheit (PDE) kann zur Realisierung der erforderlichen Hubwege innerhalb des Gehäuses der Pumpe-Düse-Einheit ein hydraulischer Druckübersetzer nachgeschaltet werden. Ein als Piezoaktor ausgebildeter Steller lässt sich durch entsprechende Bestromung in unterschiedliche Schaltstellungen überführen. Im spannungsfreien, unbestromten Zustand des Piezoaktors nimmt die Düsennadel eine geöffnete Stellung ein, d.h. Kraftstoff wird mit niedrigem Druck durch die Kraftstoffförderpumpe durch die Pumpe-Düse-Einheit (PDE) gepumpt. In dieser Position der Düsennadel sind der niederdruckseitige Zulauf und der Zulauf zu einem hochdruckseitigen Pumpenraum im Kurzschluss miteinander verbunden, da die diesen entsprechenden Öffnungen innerhalb des Gehäuses der Pumpe-Düse-Einheit durch die Düsennadel freigegeben sind.
Bei maximaler Bestromung des Piezostellers wird die Düsennadel abwärts bewegt, d.h. der niederdruckseitige Zulauf und der hochdruckseitige Zulauf zum Pumpenraum sind beide verschlossen. In dieser Phase beginnt der Druckaufbau, ohne dass die Düsennadel durch den stetig ansteigenden Druck geöffnet würde. Ist hingegen der gewünschte Einspritzdruck in der Pumpe-Düse-Einheit (PDE) aufgebaut, wird die Bestromung des Piezostellers zurückgenommen, wodurch die Düsennadel druckunterstützt öffnet.
Das Ende der Einspritzung wird durch Öffnen des Rücklaufes herbeigeführt, was das Schließen der Düsennadel zur Folge hat. Mit dieser Lösung kann mit einem als Piezoaktor ausgebildeten Steller an einer Pumpe-Düse-Einheit (PDE) der Druckaufbau und das Öffnen der Düsennadel getrennt voneinander gesteuert werden, was die Wahlfreiheit hinsichtlich des aufgebauten Einspritzdruckes erlaubt.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1
eine Pumpe-Düse-Einheit (PDE), welche mittels eines Magnetventils betätigbar ist,
Figur 2.1
einen Piezoaktor mit hydraulischem Kopplungsraum in einer ersten Schaltstellung,
Figur 2.2
den Piezosteller mit nachgeschaltetem hydraulischen Kopplungsraum mit vollständig geschlossener Düsennadel,
Figur 2.3
den Piezosteller mit nachgeschaltetem hydraulischen Kopplungsraum in einer druckunterstützt angesteuerten Zwischenposition und
Figur 3
das Spannungsprofil, mit dem der Piezoaktor ansteuerbar ist.
Ausführungsvarianten
Figur 1 zeigt eine Pumpe-Düse-Einheit (PDE), welche mit einem als Piezoaktor ausgebildeten Steller betätigbar ist.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist entnehmbar, dass die dort dargstellte Pumpe-Düse-Einheit 1 einen Pumpenteil 2 sowie einen Düsenteil 3 umfasst. Der Düsenteil 3 der Pumpe-Düse-Einheit 1 (PDE) ist in den Zylinderkopf 4 einer hier nicht näher dargestellten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingelassen. Der Düsenteil 3 der Pumpe-Düse-Einheit 1 ist in eine Zylinderkopfbohrung 22 eingeschraubt und mittels einer Distanzscheibe 32 sowie mit Hilfe von O-Ringen 33 in der Zylinderkopfbohrung 22 dichtend aufgenommen.
Seitlich am Pumpenteil 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 ist ein Steller 5 aufgenommen, der als Piezosteller ausgebildet ist und eine Piezokristall-Anordnung in Stapelform umfasst. Die elektrische Ansteuerung des Piezokristall-Stapels 7 erfolgt über einen seitlich am Steller 5 aufgenommenen Steckeranschluss 6. Der Steller 5 ist seitlich am Pumpengehäuse 8 des Pumpenteils 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 aufgenommen und beaufschlagt einen hydraulischen Koppler 38, der über eine Koppler-Leitung 39 eine in einem Düsenkörper 23 des Düsenteils 3 verschiebbar angeordnete Ventilnadel 24 stirnseitig beaufschlagt. Im Pumpengehäuse 8 des Pumpenteils 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 ist ein Pumpenkolben 9 eingelassen, der über einen Kipphebel 17 nockenwellengesteuert betätigt wird. Die Stirnseite 11 des Pumpenkolbens 9 begrenzt einen Druckraum 10, der im Pumpengehäuse 8 des Pumpenteils 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 aufgenommen ist.
Der Pumpenkolben 9 wird im Pumpengehäuse 8 in axiale Richtung bewegt und ist durch ein hier als Spiralfeder ausgestaltetes Federelement 12 vorgespannt. Das als Spiralfeder 12 ausgebildete Federelement stützt sich einerseits an einem Bund 13 des Pumpengehäuses 8 und andererseits an einem Federteller 14 ab, der von einem Druckbolzen 15 durchsetzt ist. Der Druckbolzen 15 stützt sich seinerseits auf einem kugelpfannenförmigen Element 16 ab und beaufschlagt die dem Pumpenraum 11 abgewandte Stirnseite des Pumpenkolbens 9. Der Druckbolzen 15, der mit seinem unteren Ende in einer Bolzenpfanne 16 aufgenommen ist, wird an seinem der Bolzenpfanne 16 gegenüberliegenden Ende von einem Kipphebel 17 umschlossen, der um eine Kipphebelachse 18 verdrehbar ist. An dem Druckbolzen 15 gegenüberliegenden Ende des Kipphebels 17 ist eine Kipphebelrolle 19 drehbar gelagert, die mit ihrer Außenumfangsfläche auf einem Exzenternocken 21 abläuft, der an einer Nokkenwelle 20 ausgebildet ist. Durch die Außenumfangskontur der Exzenternocke 21 wird die über den Kipphebel 17 übertragene Axialbewegung des Pumpenkolbens 9 innerhalb des Pumpengehäuses 8 des Pumpenteiles 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 erzeugt.
Der in die Zylinderkopfbohrung 22 eingelassene Düsenkörper 23 des Düsenteils 3 umfasst eine Ventilnadel 24, die innerhalb des Düsenkörpers 23 in axialer Richtung bewegt wird. Die obere Stirnseite 40 der Ventilnadel 24 steht über die Koppler-Leitung 39 mit dem hydraulischen Koppler 38 in Verbindung, der seinerseits durch die Piezokristall-Stapelanordnung 7 des Stellers 5 beaufschlagt wird. Darüber hinaus ist die Ventilnadel 24 des 2/2-Wege-Ventils im Düsenkörper 23 durch eine Rückstellfeder beaufschlagt. Die Rückstellfeder, die der der Stirnseite 40 abgewandten Stirnseite der Ventilnadel 24 zugeordnet ist, stützt sich ihrerseits an einem scheibenförmigen Element ab, welches durch eine Düsennadelfeder 35 beaufschlagt ist. Vom Pumpenraum 11 im Pumpengehäuse 8 des Pumpenteils 2 zweigt eine Hochdruckleitung ab, die über den Steuerraumzulauf 26 den Steuerraum 25 der Ventilnadel 24 beaufschlagt und gleichzeitig über den Düsenraumzulauf 27 den Düsenraum 28 im Düsenkörper 23 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt, der die im Düsenkörper 23 verschiebbar aufgenommene Düsennadel 29 aufnimmt. Vom Düsenraum 28 strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über einen Ringspalt 30 in Richtung auf die Düsenspitze, an der mindestens eine Einspritzöffnung 31 ausgebildet ist, die in einen in Figur 1 nicht dargestellten Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine hineinragt. Die Düsennadel 29 ist im brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 23 geführt unddurch die Düsennadelfeder 35 vorgespannt. Die Axialposition des Düsenkörpers 23 im Zylinderkopf 4 wird durch die Dicke einer Distanzscheibe 32 bestimmt. Die Dichtfunktion zwischen Brennraum und Zylinderkopf 4 wird durch die Distanzscheibe 32 und eine Anzahl von O-Ringen 33 übernommen.
Seitlich dem Düsenkörper 23 innerhalb des Zylinderkopfes 4 zugeordnet befindet sich ein mit Bezugszeichen 36 gekennzeichneter Kraftstoffrücklauf, der oberhalb eines mit Bezugszeichen 37 bezeichneten Kraftstoffzulaufs zum Düsenkörper 23 angeordnet ist. Der Düsenkörper 23 ist mit dem dem Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zuweisenden Teil über eine Düsenspannmutter 34 verbunden. Diese dichtet die beiden Teile des Düsenkörpers 23 gegeneinander ab und schafft eine kraftstoffdichte Verbindung zwischen dem Pumpenraum 11 des Pumpenteils 2 sowie den Hochdruckzuläufen 26, 27 zum Steuerraum 25 bzw. zum Düsenraum 28.
Figur 2.1 ist ein Piezosteller mit hydraulischem Kopplungsraum zu entnehmen, der in eine erste Schaltstellung gestellt ist.
In der in Figur 2.1 dargestellten ersten Position 41 der Ventilnadel 24 im Düsenkörper 23 ist die Piezokristall-Stapelanordnung 7 des Stellers 5 unbestromt. Demzufolge ist der hydraulische Koppler 38 nicht beaufschlagt. Die Ventilnadel 24 im Düsenteil 3 der Pumpe-Düse-Einheit 1 befindet sich um einen ersten Hubweg 45, bezogen auf ihren düsenkörperseitigen Sitz, aufgefahren. In dieser Schaltstellung sind der Zulauf 37, der oberhalb des Rücklaufes 36 im Düsenkörper 23 angeordnet ist und der Rücklauf 36 beide geöffnet. Im in Figur 2.1 dargestellten spannungsfreien Zustand des Stellers 5 ist die Ventilnadel 25 geöffnet, der Kraftstoff wird durch die Kraftstoffförderpumpe mit niedrigem Druck durch den Düsenteil 2 der Pumpe-Düse-Einheit 1 gefördert. In dieser ersten Position 41 der Ventilnadel 25 ist der Steller 5, d.h. dessen Piezokristall-Stapelanordnung 7 nicht bestromt, was dem Spannungsniveau gemäß Figur 3 vor der Anstiegsflanke 50 der Spannung entspricht.
In Figur 2.2 ist der Piezosteller mit nachgeschaltetem hydraulischem Koppler 38 mit Maximalspannung entsprechend dem in Figur 3 dargestellten ersten Spannungsniveau 54 bestromt. Dadurch fährt die Piezokristall-Stapelanordnung 7 des Stellers 5 derart in den hydraulischen Koppler 38 ein, daß über die in Figur 1 dargestellte Koppler-Leitung 39 die Stirnseite 40 der Ventilnadel 24 mit hohem Druck beaufschlagt ist. Dadurch fährt die Düsennadel 24 des 2/2-Wege-Ventils vollständig innerhalb der Nadelführung 44 nach unten und verschließt den Zulauf 37 und gleichzeitig den Rücklauf 36. In der zweiten, in Figur 2.2 dargestellten Position 42 der Düsennadel 24 erfolgt der Druckaufbau im Hochdruckraum, d.h. im Pumpenraum 11 des Pumpenteils 2. Die zweite Position 42 der Ventilnadel 24 wird während der Druckaufbauphase 52 gehalten. Während der Druckaufbauphase 52 (vgl. Spannungsprofildarstellung gemäß Figur 3) erfolgt der Druckaufbau im Hochdruckraum, d.h. im Pumpenraum 11 innerhalb des Pumpengehäuses 8, bis ein gewünschtes Druckniveau erreicht ist.
Figur 2.3 zeigt den Piezosteller mit nachgeschaltetem hydraulischem Koppler in einer weiteren, der dritten Position 43.
Zum Erreichen eines der dritten Position der Ventilnadel 24 entsprechenden Schaltzustandes der Ventilnadel 24 wird die Bestromung der Piezokristall-Stapelanordnung 7 des Stellers 5 auf ein zweites Spannungsniveau 56 (vgl. Darstellung gemäß Figur 3) zurückgenommen. Die Spannung fällt entsprechend einer ersten fallenden Spannungsflanke 55 vom ersten Spannungsniveau 54, welches während der zweiten Position 42 der Ventilnadel 24 gehalten wird, auf ein zweites, niedrigeres Spannungsniveau 56 zurück (vgl. Darstellung gemäß Figur 3).
Dadurch bedingt nimmt der Druck im hydraulischen Koppler 38 und der Kopplerleitung 39 ab, so daß die Ventilnadel 24, deren Stirnseite 40 durch den Hochdruck beaufschlagt ist, um einen zweiten Hubweg 46 in vertikale Richtung in Bezug auf den Düsenkörper 23 nach oben auffährt. In der dritten Position 43 der Ventilnadel 24 ist der Rücklauf 36 geöffnet, während der Zulauf 37 durch die Ventilnadel 24 weiterhin, analog zur Darstellung gemäß Figur 2.2, verschlossen bleibt. Die Düsennadel 29 (vgl. Darstellung gemäß Figur 1) wird dadurch druckunterstützt geöffnet. Die Einspritzung endet durch Öffnen des Rücklaufs 36, da das Öffnen des Rücklaufes 36 einen sofortigen Druckabbau und das Schließen der Düsennadel 29 zur Folge hat.
Figur 3 zeigt das Spannungsprofil, mit dem der als Piezoaktor beschaffene, das 2/2-Wege-Ventil doppelt schaltende Piezosteller angesteuert wird.
Im unbestromten Zustand des Piezostellers 5 entspricht die Spannung dem Niveau, welches in Figur 3 vor der Anstiegsflanke 50 der Spannung anliegt. Die Druckaufbauphase 52 wird durch die Anstiegsflanke 50 der Spannung bis auf ein erstes Spannungsniveau 54 erzeugt. Der Förderbeginn ist mit Bezugszeichen 51 dargestellt. Die Druckaufbauphase 52 kann variabel gehalten werden und ist von der Ansteuerung der Düsennadel 29 durch Betätigung der Ventilnadel 24 unabhängig, d.h. getrennt. Während der Druckaufbauphase wird der Piezosteller 5 auf dem ersten Spannungsniveau 54 bestromt. Der Druckaufbau erfolgt, ohne daß die Düsennadel 29 durch den sich aufbauenden Druck im Pumpenraum 11 des Pumpenteils 2 der Pumpe-Düse-Einheit geöffnet wird. Sobald das gewünschte Spritzdruckniveau sowie der gewünschte Zeitpunkt für den Einspritzbeginn 53 erreicht ist, wird das erste Spannungsniveau 54 auf ein zweites Spannungsniveau 56 abgesenkt. Während des Anliegens des ersten Spannungsniveaus 54 befindet sich die Ventilnadel 24 des 2/2-Wege-Ventils der Pumpe-Düse-Einheit 1 in der zweiten Position, die in der Darstellung gemäß Figur 2.2 mit Bezugszeichen 42 gekennzeichnet ist, d.h. der Zulauf 37 sowie der Rücklauf 36 zum Pumpenraum 11 sind geschlossen. Wird das erste Spannungsniveau 54 entlang der ersten fallenden Spannungsflanke 55 auf das zweite Spannungsniveau 56 abgesenkt, erfolgt eine Entlastung des hydraulischen Kopplers 38, da sich die Piezokristall-Anordnung 7 bei Anliegen eines niedrigen Spannungsniveaus entsprechend des zweiten Spannungsniveaus 56 kontrahiert. Demzufolge fährt die Ventilnadel 24 um den zweiten Hubweg 46 gemäß der Darstellung in Figur 2.3 in ihre dritte Position. In der dritten Position ist der Zulauf 37 nach wie vor verschlossen, während der Rücklauf 36 zum Pumpenraum 11 geöffnet bleibt. Das zweite Spannungsniveau 56 liegt bis zum Förderende 57 der Kraftstoffpumpe an und fällt entsprechend einer weiteren, zweiten fallenden Spannungsflanke 58 auf das 0-Niveau ab. Im 0-Niveau der Spannung U nimmt die Ventilnadel 24 wieder die in Figur 2.1 dargestellte erste Position 41 ein, bei der die Düsennadel einen ersten Hubweg 45 innerhalb des Düsenkörpers 23 zurücklegt und in der der Zulauf 37 und der Rücklauf 36 miteinander kurzgeschlossen sind. Durch die Ventilnadel 24 des 2/2-Wege-Ventils innerhalb des Düsenkörpers 23 wird das Verschließen des Hochdruckraumes, d.h. des Pumpenraumes 11 des Pumpenteiles 2 zum Druckaufbau und das Öffnen der Düsennadel 29 voneinander getrennt gesteuert. Entsprechend des Ansteuerzeitpunktes des Stellers 5, zu dem das erste Spannungsniveau 54 auf das zweite Spannungsniveau 56 abgesenkt wird, läßt sich der Einspritzdruck frei steuern, wobei die Druckaufbauphase davon unbeeinflußt ist.

Claims (10)

  1. Pumpe-Düse-Einheit (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit einem Pumpenteil (2) und einem Düsenteil (3) und einem Steller (5), dem ein hydraulischer Koppler (38, 39) nachgeschaltet ist, über den eine Ventilnadel (24) eines 2/2-Wege-Ventils innerhalb eines Düsenkörpers (23) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller (5) eine auf den hydraulischen Koppler (38, 39) einwirkende Piezokristall-Anordnung (7) umfaßt und eine Stirnseite (40) der Ventilnadel (24) beaufschlagt, die in eine einen Druckaufbau ermöglichende erste Position (41) stellbar ist, wobei eine das Öffnen einer Düsennadel (29) ermöglichende weitere Position (43) der Ventilnadel (24) unabhängig einstellbar ist.
  2. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (38, 39) im Düsenkörper (23) in eine die Ventilnadel (24) führende Nadelführung (44) übergeht.
  3. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Pumpenraum (10) des Pumpenteils (2) ein Steuerraumzulauf (26) und ein Düsenraumzulauf (27) abzweigen, die einen Steuerraum (25) der Ventilnadel (24) und einen die Düsennadel (29) umgebenden Düsenraum (28) gleichzeitig beaufschlagen.
  4. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung der Düsennadel (29) gesehen im Düsenkörper (23) der Zulauf (37) oberhalb des Rücklaufes (36) angeordnet ist.
  5. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position (41) der Ventilnadel (24) bei unbestromtem Steller (5) ein Zulauf (37) und der Rücklauf (36) im Düsenkörper (23) kurzgeschlossen sind.
  6. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bestromung des Stellers (5) auf ein erstes Spannungsniveau (54) der Zulauf (37) und der Rücklauf (36) durch die Ventilnadel (24) verschlossen sind und ein Druckaufbau (52) im Pumpenraum (10) des Pumpenteils (2) erfolgt.
  7. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer Druckaufbauphase (52) im Pumpenraum (10) des Pumpenteils (2) bei Einspritzbeginn (53) der Steller (5) mit einem zweiten Spannungsniveau (54) beaufschlagt ist und die Düsennadel (29) druckunterstützt öffnet.
  8. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzbeginn (53) und die Druckaufbauphase (52) durch Verschließen des Pumpenraumes (10) getrennt voneinander steuerbar sind.
  9. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der ersten Position (41) der Ventilnadel (24) ein erster Hubweg (55) der Ventilnadel (24) einstellt, bei dem der Zulauf (37) und der Rücklauf (36) offenstehen.
  10. Pumpe-Düse-Einheit gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einer dritten Position (43) der Ventilnadel (24) ein zweiter Hubweg (46) der Ventilnadel (24) einstellt, bei dem Rücklauf (36) zum Pumpenraum (10) geöffnet ist.
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