WO2001014734A1 - Einspritzsystem und verfahren zum betreiben eines einspritzsystems - Google Patents

Einspritzsystem und verfahren zum betreiben eines einspritzsystems Download PDF

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WO2001014734A1
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stroke
hydraulic
piezo actuator
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Patrick Mattes
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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, the stroke of the piezo actuator being transferable to the control valve via a hydraulic medium in the hydraulic translator during continuous operation of the injection system.
  • 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 type specified above is used in particular with diesel accumulator injection systems.
  • pressure generation and injection are decoupled.
  • the injection pressure of approx. 120 to 1600 bar is generated independently of the engine speed and the injection quantity and is available for injection in the "Rail” - the fuel accumulator.
  • Injection timing and injection quantity are calculated in the electronic control unit and implemented by the injector on each engine cylinder.
  • the injector has the task of setting the start of injection and the injection quantity.
  • the control of the injector via a solenoid valve is known.
  • solenoid valves can generate a sufficiently large valve lift for using the solenoid valve as a control valve
  • additional measures must be taken when controlling an injector with a piezo element. The reason for this is that only a very small stroke can be generated with a piezo element, which stroke is in the per mill range with respect to the length of the piezo element. This small stroke must be transformed for the actuation of the control valve during the continuous operation of the injector.
  • a hydraulic translator is used for this purpose.
  • FIG. 3 shows a control valve of the prior art for a piezo actuator.
  • the stroke of a piezo element, not shown, is transmitted to a control valve 110 via a hydraulic translator. This way, a
  • Valve stroke 112 is provided, which is sufficient to move the control valve 110 between a first valve seat 114 and a second valve seat 116 back and forth.
  • the valve control chamber 118 is arranged below the control valve 110.
  • a fuel inlet 122 connects to this valve control chamber 118 via an inlet throttle 120.
  • the control chamber 118 is connected to the control valve 110 via an outlet throttle 124.
  • a push rod 126 extends into the control chamber 118, via which the force is transmitted to the injector, not shown.
  • the inlet throttle 120 and the outlet throttle 124 serve on the one hand to determine the opening behavior of the nozzle needle via their relative flow rates.
  • the flow restrictor 124 also serves to return a leakage quantity of fuel from the valve control 118 into the cavity above it and via the fuel return 128 to a fuel tank.
  • the inlet throttle 120 prevents the pressure in the control chamber 118 from immediately completely equalizing and adapting to the high pressure in the common rail, because only a decrease in pressure enables the nozzle needle to be opened by pulling back the push rod 126.
  • valve control can also be implemented with just one valve seat.
  • the piezo element must then be excited, for example, by double-frequency voltage pulses.
  • the injection system according to the invention builds on the prior art 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 being a system pressure from the outset. As soon as the control valve opens due to the direct action of the piezo actuator, the pressure in the common rail fills the system area
  • Fuel, and the piezo injector is ready for continuous operation.
  • the system can therefore ensure a system pressure supply at any time regardless of environmental influences, such as excessive heat or long periods of inactivity of the engine. It is surprising that direct, that is to say non-hydraulic, power transmission from the piezo element to the control valve is possible at different temperatures, since the piezo element changes its length depending on the temperature. In the systems of the prior art, this was not a fundamental problem, since the power was transmitted only by hydraulic means anyway. But now that the relative position between the piezo element and the control valve is important, the temperature dependence of the piezo length seems to pose a fundamental problem.
  • the change in length of the piezo element can be at least almost compensated for precisely by changing the lifting capacity.
  • the length of the piezo element has a negative temperature coefficient. In other words: the piezo element is shorter at high temperatures than at low temperatures.
  • the lifting capacity of the piezo element increases at high temperatures, which, with a suitable choice of any other marginal parameters, can compensate for the shortening of the length.
  • At low temperatures almost the entire stroke of the piezo element could be converted into a stroke of the control valve if the large length of the piezo element leads to a direct or almost direct contact of the elements within the hydraulic Translator is available.
  • the hydraulic translator preferably has a first translator piston which can be acted upon by a stop of the piezo actuator. In this way, a direct power transmission from the piezo actuator to the hydraulic translator takes place, which can then, depending on the operating state, be transferred hydraulically or directly to the control valve.
  • the hydraulic booster has a second booster piston, which can be acted upon by the first booster piston.
  • the invention consequently has a hydraulic translator with at least two translator pistons, which can interact both via a hydraulic medium and directly. The basic idea of the invention is thus implemented in an elegant manner.
  • Hydraulic medium is preferably present between the first and the second booster piston at least during the continuous operation. In this way it is ensured that the stroke of the piezo actuator by switching the hydraulic translator into a sufficient stroke of the
  • Control valve is translated. This stroke must be so large that a sufficient pressure drop is generated in the control room and the injector can open.
  • the direct transmission of the stroke of the piezo actuator to the control valve there is preferably direct contact between the first and the second booster piston.
  • a direct contact between the booster pistons of the hydraulic booster is used in the direct power transmission. This direct contact can be implemented over a wide temperature range, since the special temperature behavior of the piezo element has direct effects on the relative positions of the booster pistons.
  • the direct transmission of the stroke of the piezo actuator to the control valve opens it to a lesser extent than in the hydraulic transmission during continuous operation.
  • a slight opening of the control valve due to the direct power transmission is sufficient to ensure that the system area is filled with fuel. Consequently, after this filling, the prerequisite for hydraulic operation of the control valve is met.
  • the direct transmission of the stroke of the piezo actuator to the control valve opens a gap in the range of approximately 3-5 ⁇ m. Such a gap is sufficient to ensure that the coupler space of the translator is filled. On the other hand, sufficient throttling is provided to prevent inadvertent injection when the engine is started.
  • a pressure maintaining valve is preferably provided for setting a desired system pressure. This is able, after filling the system area with fuel, which can be done in a few milliseconds to set the desired system pressure.
  • the invention advantageously provides a method for operating a piezo injector with a piezo actuator, a hydraulic translator and a control valve, in which the piezo actuator is electrically excited and caused to move, the stroke is transmitted directly to a control valve in a first phase , the stroke is transferred hydraulically to a control valve in a second phase and the control valve is opened by the stroke.
  • the method thus uses two fundamentally different principles for opening the control valve in a useful manner. Even when the coupler space is empty, that is to say in a coupler space in which there is no hydraulic medium, the control valve of the piezo injector can be opened by direct mechanical contact by exciting the piezo actuator.
  • Such direct mechanical contact can be achieved over a wide temperature range due to the special temperature behavior of the piezo element with regard to the temperature coefficient and the temperature dependence of the stroke.
  • the system area can be filled with hydraulic medium, so that subsequently, in a second phase, hydraulic power transmission can take place.
  • the hydraulic power transmission results in a displacement, so that the stroke of the piezo actuator is converted into a stroke which is sufficient to open the injection nozzle.
  • the stroke opens the control valve less in the first phase than in the second phase.
  • direct power transmission and hydraulic Power transmission can additionally ensure the slight opening of the control valve in the first phase, that a corresponding throttling on the control valve prevents fuel being injected when the engine is started.
  • control valve opens in the first phase in the range of about 3-5 ⁇ m. This opening is sufficient to quickly fill the system area with fuel; At the same time, a useful throttling is made available. Overall, the leakage rate of the system is reduced compared to the use of a constant throttle, which leads to an advantageously lower power requirement of the high-pressure pump.
  • the method according to the invention is particularly advantageous when the first phase is the start phase and the second phase is the phase of continuous operation. If the engine is hot and the outside temperature is high, the hydraulic medium can evaporate from the hydraulic booster. If the vehicle is now to be started again, it is necessary in conventional systems to provide hydraulic medium by increasing the output of the high-pressure pump. If, however, it is possible to transfer the stroke of the piezo actuator directly to the control valve in the start-up phase, an integrated system pressure supply is implemented and the system is prepared for continuous hydraulic operation.
  • a system pressure is preferably set by a pressure maintaining valve after the start phase.
  • the invention is based on the surprising finding that an integrated system supply can be implemented by utilizing the temperature behavior of a piezo element.
  • the system pressure range is filled each time the system is started, so that effects of environmental influences, such as temperature, on the starting behavior are avoided.
  • the amount of leakage is significantly reduced compared to a control valve with a constant throttle, which means that the high-pressure pump of the common rail system has a lower power requirement. Due to the possibility of the leakage quantity in the injector being discharged without pressure, the use of conventional leakage hoses is possible.
  • FIG. 1 is a highly schematic sectional illustration of a device according to the invention, FIG. 1 a showing a first operating state and FIG. 1 b showing a second operating state.
  • FIG. 2 shows a diagram for explaining the properties of a piezo element.
  • Figure 3 shows a device of the prior art. Description of the exemplary embodiment
  • Figure la shows a section of a piezo injector with a piezo actuator 10, a hydraulic translator 12 and a control valve 14.
  • a stop 16 is provided on the piezo actuator 10, which acts on a first booster piston 18 when the piezo actuator 10 is activated.
  • the first booster piston 18 interacts with a second booster piston 20, so that the control valve 14 can thereby be opened.
  • the first booster piston 18 is in direct mechanical contact with the second booster piston 20.
  • the stroke of the piezo actuator 10 is thus transmitted directly to the control valve 14, that is to say without any hydraulic path translation.
  • the figure indicates that the control valve 14 is open by an amount ⁇ h.
  • FIG. 1b shows another state of the device according to the invention, the same elements being identified with identical reference numerals.
  • the control valve 14 is shown in the same state as in FIG.
  • This length difference ⁇ l is based on the fact that a condition at a higher temperature, for example at 120 ° C., is shown in FIG. 1b than in FIG.
  • the negative mentioned The temperature coefficient of the piezo element consequently leads to the retraction of the first booster piston 18.
  • the lifting capacity of the piezo actuator 10 is greater at the high temperature than at the low temperature. If there is no hydraulic medium in the space between the first
  • the interplay between the length change and the lifting capacity of the piezo actuator can be better illustrated on the basis of FIG.
  • the stroke of the piezo actuator is shown without hydraulic translation on the left vertical axis.
  • the length change ⁇ l or the temperature expansion of the piezo actuator is plotted on the right vertical axis.
  • Both the stroke h and the length change ⁇ l are shown as a function of the temperature, which is plotted on the horizontal axis.
  • the curve that connects the open rectangles belongs to the stroke of the piezo actuator 10.
  • the curve that connects the points belongs to the length change ⁇ l.
  • the piezo actuator has expanded by an amount which is, for example, slightly smaller than 25 ⁇ m.
  • the lifting capacity of the piezo actuator is approximately 25 ⁇ m compared to approximately 50 ⁇ m at 120 ° C. Due to the said change in length ⁇ l at the low temperature of -40 ° C., the reduced lifting capacity is still sufficient to lift the control valve 14 out of the valve seat by a sufficient amount ⁇ h.
  • the increased lifting capacity of approximately 50 ⁇ m ensures that the control valve 14 opens sufficiently.
  • the diagram according to FIG. 2 shows the interplay between stroke h and temperature expansion ⁇ l only schematically.
  • the actual length changes ⁇ l and the stroke h sometimes have to be finely coordinated.
  • the opening ⁇ h of the control valve 14 is always large enough for direct power transmission in order to allow the system to be filled quickly with fuel.
  • the opening ⁇ h must not be too large, so that the control valve 14 advantageously has a throttling effect. This throttling effect may have to be matched to the throttling effect of an inlet throttle (see FIG. 3 for the state of the art).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem Piezosteller (10), einem hydraulischen Übersetzer (12) und einem Steuerventil (14). Im kontinuierlichen Betrieb des Einspritzsystems ist der Hub des Piezostellers (10) über ein Hydraulikmedium in dem hydraulischen Übersetzer (12) auf das Steuerventil (14) übertragbar. Zusätzlich sind der Piezosteller (10) und die Komponenten des hydraulischen Übersetzers (12) bezüglich des Steuerventils (14) so angeordnet, dass wenigstens ein Teil des Hubs des Piezostellers (10) direkt auf das Steuerventil (14) übertragbar ist. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Betreiben eines Piezoinjektors wird der Piezosteller (10) elektrisch angeregt und zu einem Hub veranlasst, der Hub in einer ersten Phase direkt auf ein Steuerventil (14) übertragen, der Hub in einer zweiten Phase hydraulisch auf ein Steuerventil (14) übertragen und das Steuerventil (14) durch den Hub geöffnet.

Description

Einspritzsystem und Verfahren zum Betreiben eines Einspritzsystems
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 uber- tragbar 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 insbe- sondere 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 Steuergerat 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 .
Wahrend mit Magnetventilen ausreichend große Ventilhube zur Verwendung des Magnetventils als Steuerventil erzeugt werden können, sind bei einer Steuerung eines Injektors mit einem Piezoelement zusatzliche Maßnahmen zu treffen. Dies hat den Grund, daß mit einem Piezoelement nur ein sehr geringer Hub erzeugbar ist, welcher bezuglich der Lange des Piezoelemen- tes 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 Verfugung 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 darge- stellten 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 Verfugung gestellte Hochdruck ausbilden. Folglich wird die Druckstange 126 wieder aus dem Steuerraum 118 herausgetrieben, und die Einspritzdüse schließt. Bei der durch eine ent- sprechende 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 Off- nungsverhalten der Dusennadel zu bestimmen. Die Ablaufdrossel 124 dient ferner der Rückführung einer Leckmenge von Kraftstoff aus der Ventilsteuerung 118 in den daruberliegen- den Hohlraum und über den Kraftstoffrucklauf 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 Offnen der Dusen- nadel durch Zurückziehen der Druckstange 126.
Im vorliegenden speziellen Fall des Standes der Technik ge- maß 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 abhangig, da ein zum Beispiel bei hohen Temperaturen abgestellter Motor den Kraftstoff aus dem Kopplerraum des Steuerventils verdampft; dies stellt zusatzliche Anforderungen an die Druckversorgung bei einem Neustart des Systems .
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemaße Einspritzsystem baut auf dem Stand der Technik in vorteilhafter Weise dadurch auf, daß der Piezosteller und die Komponenten des hydraulischen Übersetzers bezuglich 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 offnen, 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 Lange in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Bei den Systemen des Standes der Technik stellte dies kein grundsatzliches 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 Temperaturabhangigkeit der Piezolange ein grundsatzliches Problem nach sich zu zie- hen. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, daß die Langenanderung des Piezoelementes gerade durch die Änderung des Hubvermogens zumindest nahezu ausgeglichen werden kann. Dies beruht auf den folgenden Tatsachen. Das Piezoelement hat bezuglich der Langenausdehnung einen negativen Tempera- turkoeffizienten. Mit anderen Worten: bei hohen Temperaturen ist das Piezoelement kurzer als bei niedrigen Temperaturen. Allerdings steigt bei hohen Temperaturen das Hubvermogen des Piezoelementes an, was bei geeigneter Wahl eventueller sonstiger Randparameter zu einer Kompensation der Langenverkur- zung fuhren kann. Bei niedrigen Temperaturen konnte also nahezu der gesamte Hub des Piezoelementes in einen Hub des Steuerventils umgesetzt werden, wenn die große Lange des Piezoelementes dazu fuhrt, daß ein direkter oder nahezu direkter Kontakt der Elemente innerhalb des hydraulischen Übersetzers vorliegt. Bei höherer Temperatur, wenn das Piezoelement eine geringere Lange hat, wird im allgemeinen ein Abstand zwischen Elementen der Wegubersetzung vorliegen. Da in diesem Fall aber das Hubvermogen großer ist, wird der Hub des Piezoelementes zunächst leer laufen und ab einem gewissen Zeitpunkt das Steuerventil wiederum direkt mit Kraft beaufschlagen und folglich offnen.
Bevorzugt weist der hydraulische Übersetzer einen ersten Ubersetzerkolben 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 Ubersetzerkolben aufweist, welcher von dem ersten Ubersetzerkolben mit Kraft beaufschlagbar ist. In dieser vorteilhaften Ausfuhrungsform weist die Erfindung folglich einen hydraulischen Übersetzer mit mindestens zwei Ubersetzerkolben 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 wahrend des kontinuierlichen Betriebs Hydraulikmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Ubersetzerkolben 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 offnen kann. Bevorzugt liegt bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers auf das Steuerventil direkter Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Ubersetzerkolben 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 Ubersetzerkolben des hydraulischen Übersetzers genutzt. Dieser direkte Kontakt ist über einen großen Temperaturbereich realisierbar, da das besondere Tem- peraturverhalten des Piezoelementes unmittelbare Auswirkungen auf die Relativpositionen der Ubersetzerkolben hat.
Vorzugsweise öffnet bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers auf das Steuerventil dieses in einem ge- ringeren Maß als bei der hydraulischen Übertragung wahrend des kontinuierlichen Betriebs. Ein geringfügiges Offnen des Steuerventils aufgrund der direkten Kraftübertragung ist ausreichend, um eine Befullung des Systembereiches mit Kraftstoff sicherzustellen. Folglich liegt nach dieser Be- fullung 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 Befullung des Kopplerraums des Übersetzers sicherzustellen. Andererseits wird eine genugende Drosselung zur Verfugung 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 Befullung 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 Verfugung, 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 ei- ner zweiten Phase hydraulisch auf ein Steuerventil übertragen wird und das Steuerventil durch den Hub geöffnet wird. Das Verfahren bedient sich somit in nutzlicher Art zwei grundsatzlich verschiedenen Prinzipien für das Offnen 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 beson- deren Temperaturverhaltens des Piezoelementes im Hinblick auf den Temperaturkoeffizienten und die Temperaturabhangigkeit des Hubs verwirklicht werden. Durch die Öffnung des Steuerventils, welche durch direkten mechanischen Kontakt erzeugt wurde, kann der Systembereich mit Hydraulikmedium befullt 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 Offnen 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 grundsatzlichen Unterschieden zwischen der direkten Kraftübertragung und der hydraulischen Kraftübertragung kann die geringfügige Öffnung des Steuerventils in der ersten Phase zusatzlich sicherstellen, daß durch eine entsprechende Drosselung an dem Steuerventil ein Einspritzen von Kraftstoff beim Anlassen des Motors verhin- dert 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 Befullung des Systembereiches mit Kraftstoff aus; gleichzeitig wird eine nutzliche Drosselung zur Verfugung gestellt. Insgesamt wird die Leckmenge des Systems gegenüber der Verwendung einer Konstantdrossel verringert, was zu einem vorteilhaft niedrigeren Leistungsbedarf der Hochdruckpumpe fuhrt.
Das erfindungsgemaße 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 be- fullt, so daß Auswirkungen von Umwelteinflüssen, etwa der Temperatur, auf das Startverhalten vermieden werden. Gleich- zeitig 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 Abfuhrung der Leckmenge in dem Injektor ist die Verwendung von konventionellen Leckschlauchen möglich.
Zeichnung
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeich- nung anhand bevorzugter Ausfuhrungsformen beispielhaft erläutert .
Figur 1 ist eine stark schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemaßen Vorrichtung, wobei Figur la einen er- sten Betriebszustand und Figur lb 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 Ausfuhrungsbeispiels
Figur la 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 Ubersetzerkolben 18 bei einer Aktivierung des Piezostellers 10 mit Kraft beaufschlagt. Der erste Ubersetzerkolben 18 wechselwirkt mit einem zweiten Ubersetzerkolben 20, so daß hierdurch das Steuerventil 14 geöffnet werden kann.
In Figur la ist ein Zustand bei niedriger Temperatur, beispielsweise -40 °C, dargestellt. Folglich weist der Piezosteller 10 eine vergleichsweise große Lange auf, da das Piezoelement einen negativen Temperaturkoeffizienten hat.
Aufgrund dieser großen Lange des Piezostellers 10 steht der erste Ubersetzerkolben 18 in direktem mechanischem Kontakt mit dem zweiten Ubersetzerkolben 20. Der Hub des Piezostellers 10 wird somit direkt, das heißt ohne hydraulische Weg- Übersetzung, auf das Steuerventil 14 übertragen. In der Figur ist angedeutet, daß das Steuerventil 14 um einen Betrag Δh geöffnet ist.
Figur lb zeigt einen anderen Zustand der erfindungsgemaßen Vorrichtung, wobei dieselben Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Zur besseren Veranschaulichung ist das Steuerventil 14 im selben Zustand dargestellt wie in Figur la. Zwischen dem ersten Ubersetzerkolben 18 und dem zweiten Ubersetzerkolben 20 des hydraulischen Uberset- zers 12 liegt ein Freiraum vor, was aus der Langendifferenz Δl des Piezostellers 10 aus Figur lb im Vergleich zu Figur la resultiert. Diese Langendifferenz Δl beruht darauf, daß in Figur lb ein Zustand bei höherer Temperatur, etwa bei 120 °C, dargestellt ist als in Figur la. Der erwähnte negative Temperaturkoeffizient des Piezoelementes fuhrt folglich zum Zurückziehen des ersten Ubersetzerkolbens 18. Allerdings ist das Hubvermogen des Piezostellers 10 bei der hohen Temperatur großer als bei der niedrigen Temperatur. Falls demnach kein Hydraulikmedium im Zwischenraum zwischen dem ersten
Ubersetzerkolben 18 und dem zweiten Ubersetzerkolben 20 vorliegt, gelingt es durch Aktivierung des Piezostellers 10 zunächst den Zwischenraum zwischen den Ubersetzerkolben 18, 20 zu überwinden und nachfolgend das Steuerventil 14 um den Be- trag Δh aus dem Ventilsitz herauszubewegen. Wie bereits erwähnt, ist die Figur lb stark schematisiert, damit der Vergleich mit Figur la erleichtert wird. Tatsachlich wurde das Steuerventil 14 vor einem Systemstart in seinem Ventilsitz sitzen und erst nach Aktivierung des Piezostellers 10 off- nen. Des weiteren waren 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 laßt sich das Wechselspiel zwischen der Langenanderung und dem Hubvermogen 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 Langenanderung Δl bzw. die Temperaturdehnung des Piezostellers aufgetragen. Sowohl der Hub h als auch die Langenanderung 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 Langenanderung Δl gehört die Kurve, welche die Punkte verbindet. Die Langenanderung 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 betragt das Hubvermogen des Piezostellers etwa 25 μm im Vergleich zu etwa 50 μm bei 120 °C. Aufgrund der besagten Langenanderung Δl bei der niedrigen Temperatur von -40 °C ist das verminderte Hubvermogen aber immer noch ausreichend, um das Steuerventil 14 um einen genugenden Betrag Δh aus dem Ventilsitz herauszuheben. Bei hoher Temperatur, wenn Δl = 0, sorgt das vergrößerte Hubvermogen 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 tatsachlichen Langenanderungen 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 Befullung 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 Zulaufdrossel (siehe Figur 3 zum Stand der Tech- nik) abzustimmen.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschrankung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
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 (10) und die Komponenten des hydraulischen Übersetzers (12) bezuglich des Steuerventils (14) so angeordnet sind, daß we- nigstens ein Teil des Hubs des Piezostellers (10) direkt auf das Steuerventil übertragbar ist.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Übersetzer (12) einen ersten Uberset- zerkolben (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 Uberset- zerkolben (20) aufweist, welcher von dem ersten Ubersetzerkolben (18) mit Kraft beaufschlagbar ist.
4. Einspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest wahrend des kontinuierlichen Betriebs Hydrau- likmedium zwischen dem ersten Ubersetzerkolben (18) und dem zweiten Ubersetzerkolben (20) vorhanden ist.
5. Einspritzsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß bei der direkten Übertragung des Hubs des Piezostellers (10) auf das Steuerventil (14) direkter Kontakt zwischen dem ersten Ubersetzerkolben (18) und dem zweiten Ubersetzerkolben (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 wahrend 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 in einer ersten Phase direkt auf ein Steuerventil (14) ubertra- gen wird, der Hub in einer zweiten Phase hydraulisch auf ein Steuerventil (14) übertragen wird und das Steuerventil (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 ge- kennzeichnet, 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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