WO2001063120A1

WO2001063120A1 - Vorrichtung mit einem hydraulischen system und verfahren zur kraftübertragung mit einem hydraulischen koppler

Info

Publication number: WO2001063120A1
Application number: PCT/DE2001/000454
Authority: WO
Inventors: Florian Seiler
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2001-08-30
Also published as: DE10008546A1; HUP0300644A2; EP1259730A1; PL356420A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem hydraulischen System, welches einen hydraulischen Koppler aufweist, wobei der Koppler mindestens zwei miteinander verbundene Kopplerräume (100, 102) aufweist und wobei das hydraulische System elastische Mittel (112, 116) aufweist, welche die Ausbildung von Druckspitzen verhindern; insbesondere sind die elastischen Mittel als Ausweichkolben (112) realisiert, welche von einer Feder (116) mit Kraft beaufschlagt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kraftübertragung mit einem hydraulischen Koppler, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt.

Description

Vorrichtung mit einem hydraulischen System und Verfahren zur Kraftübertragung mit einem hydraulischen Koppler

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine mechanisch hydraulische Vorrichtung in einem System, welches einen hydraulischen Koppler beinhaltet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kraftübertragung mit einem hydraulischen Koppler.

Eine gattungsgemaße Vorrichtung ist bekannt. Sie kommt bei Einzelpumpen-Einspritzsystemen zum Einsatz, welche insbesondere bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung verwendet werden. Eine gattungsgemaße Vorrichtung kann Teil einer "Pumpe- Duse-Einheit (PDE) " sein. Als Stellelement kommt bei der elektronisch geregelten Pumpe-Duse-Einheit beispielsweise ein integriertes Magnetventil zum Einsatz. Das Magnetventil und die Düse bilden eine Einheit, die direkt in den Zylinderkopf des Dieselmotors eingebaut wird. Jeder Motorzylinder wird von einem eigenen Einspritzmodul versorgt. Angetrieben wird die Pumpe-Duse-Einheit über einen Stößel und einen Kipphebel von einem Einspritznocken auf der Motornockenwelle. Eine Pumpe-Duse-Einheit mit einem Magnetventil arbeitet so, daß das Magnetventil im nicht erregten Zustand geöffnet ist. Dadurch ist ein freier Durchlaß vom Pumpensystem zum Niederdruckbereich des Systems gegeben, wodurch ein Befullen des Pumpenraums wahrend des Saughubes des Pumpenkolbens und ein Ruckstromen des Kraftstoffes wahrend des Forderhubes möglich ist. Ein Ansteuern des Magnetventils wahrend des Forderhubes des Pumpenzylinders schließt diesen "Bypass". Dies fuhrt zu einem Druckaufbau im Hochdruckbereich und nach Überschreiten des Dusenoffnungsdruckes zum Abspritzen von Kraftstoff an der Einspritzdüse.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, als Stellelement einen Piezoaktor zu verwenden. Piezoaktoren, welche ein Steuerven- til betätigen, haben gegenüber Magnetventilen einige Vorteile. Beispielsweise bietet ein Piezoaktor eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Ferner ist ein Piezoaktor durch die geeignete Wahl der Ansteuerparameter stufenlos einstellbar. Es lassen sich somit kleine Einspritzmengen verwirklichen, was beson- ders für eine elektronisch geregelte Voreinspritzung nutzlich ist. Da jedoch der Hub eines Piezoaktors für die Verwendung in einer Pumpe-Duse-Einheit ohne weitere Maßnahmen zu klein ist, ist es erforderlich, diesen durch einen hydraulischen Koppler zu vergrößern. Hierdurch wird aber der Raumbedarf für das gesamte Ansteuersystem vergrößert

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung baut auf der gattungsgemaßen Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch auf, daß der Koppler mindestens zwei miteinander verbundene Kopplerraume aufweist und daß das hydraulische System elastische Mittel aufweist, welche die Ausbildung von Druckspitzen verhindern. Aufgrund begrenzter Raumverhaltnisse, etwa in einer Pumpe-Duse-Einheit, hat es sich als nutzlich erwiesen, den Kopplerraum in zwei getrennte Kopplerraume aufzuteilen, welche über eine hydraulische Leitung, etwa eine Bohrung miteinander verbunden sind. Auf diese Weise läßt sich das Steuerventil im Schaft der Pumpe- Duse-Einheit positionieren, wahrend das Stellelement separat angeordnet werden kann. Damit ergibt sich der weitere Vorteil, daß eine Hochdruckbohrung von einem extern angeordneten Steuerventil in den Schaft der Pumpe-Duse-Einheit entfallen kann. Folglich wird das Schadvolumen des Hochdruckbe- reiches verringert. Diese Anordnung hat jedoch ein neues

Problem zur Folge. Der zweivolumige Koppler bildet nämlich zusammen mit der gefederten Ventilnadel ein schwingtahiges System mit Eigenfrequenzen die vom jeweiligen Zustand des Systems abhangen, unter anderem also davon, ob die Ventilna- del offen oder geschlossen ist. Beim Schließen der Ventilnadel, das heißt in dem Moment, zu dem die Ventilnadel ihren Sitz erreicht, kommt es zu einem sprunghaften Druckanstieg im Koppler, welcher hauptsachlich aus dem Nachfordern von Hydraulikmedium durch das Stellelement resultiert. Der Druckanstieg fuhrt zu Druckschwingungen zwischen den beiden Volumina, wobei die auftretenden Amplituden deutlich großer sind als der gewünschte Mitteldruck. Insbesondere kommt es dabei zu Kavitation. Bei sehr kurzen Ansteuerzeiten, welche zum Beispiel bei der Darstellung kleiner Einspritzmengen, etwa bei einer Voreinspritzung, zum Einsatz kommen, haben die Druckschwingungen einen negativen Einfluß auf das Bewegungsverhalten der Ventilnadel. Dies fuhrt mitunter zu Totzeiten, so daß sich die Ventilnadel verspätet aus dem Ventilsitz lost. Eine Darstellung kleiner Einspritzmengen kann somit schwierig oder unmöglich sein. Dieser Problematik begegnet die Erfindung in vorteilhafter Weise durch die Bereitstellung der elastischen Mittel. Durch die elastischen Mittel können die beim Nadelschließen auftretenden Druckschwingungen durch ein gezieltes Nachgeben der elastischen Mittel gedampft werden. Durch den Ausweichvorgang der elastischen Mittel wird die Eigenfrequenz des Systems verändert, das heißt das System wird "weicher", wodurch ein besseres Dampfungsverhalten vorliegt. Die Verringerung der Druckamplitude hat einen direkten Einfluß auf das Bewegungsverhalten der Nadel, was die Ausbildung von Totzeiten vermeidet. Ferner wird ein quasi sofortiges Wiederoffnen der Nadel ermöglicht, was die Darstellung kleiner Einspritzmengen erleichtert. Das System eignet sich somit in vorteilhaf- ter Weise für die Verwirklichung einer Voreinspritzung.

Bevorzugt sind die elastischen Mittel als Feder ausgebildet, die einen Kolben gegen den Druck in dem hydraulischen Koppler mit Kraft beaufschlagt. Auf diese Weise laßt sich zuver- lassig ein Druckausgleich und somit eine Vermeidung von

Druckspitzen erreichen. Die Kolbeneinrichtung ist praktisch wartungsfrei und im Betrieb unproblematisch.

Vorzugsweise ragt in den ersten Kopplerraum ein erster Kol- ben, welcher von einem Stellelement betatigbar ist, und in den zweiten Kopplerraum ragt ein zweiter Kolben, welcher über die hydraulische Kopplung betatigbar ist, wobei die elastischen Mittel naher zum zweiten Kopplerraum als zum ersten Kopplerraum angeordnet sind. Die unvorteilhaften Druck- spitzen werden somit dort aufgenommen, wo sie problematisch sind, namlich im zweiten Kopplerraum, welcher beispielsweise im Bereich der Ventilnadel angeordnet ist.

Vorzugsweise liegt der Kolben im Ruhezustand an einem An- schlag an. Der Kolben bewegt sich demnach nur beim Auftreten überhöhter Drucke gegen die Federkraft. Dies wird erreicht, indem die Vorspannung der Feder im Hinblick auf das Schwingungsverhalten und den erwünschten Mitteldruck optimiert wird. Ferner ist vorteilhaft, wenn der Federraum auf der Ruckseite des Kolbens mit demselben hydraulischen Medium gefüllt ist wie das restliche hydraulische System. Hierdurch laßt sich ein geschlossenes hydraulisches System verwirklichen, bei dem die Vorderseite und die Ruckseite des Kolbens miteinander kommunizieren. Vorteilhafterweise wird die Kolbenanordnung in dem System so gewählt, daß eine Drosselung des stromenden Fluids vermieden wird.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das hydraulische System Teil einer Einspritzeinrichtung ist, wobei die Einspritzeinrichtung einen Druckerzeuger, einen mit dem Druckerzeuger gekoppelten Injektor, ein Steuerventil und ein Stellelement zum Betatigen des Steuerventils aufweist, wobei über den

Koppler die Wirkung des Stellelementes auf das Steuerventil übertragbar ist. Durch die Trennung des hydraulischen Kopplers in zwei Teilsysteme ist eine freie raumliche Anordnung der beiden Teilsystem möglich, was insbesondere bei einer Pumpe-Duse-Einheit nutzlich ist. Damit können die Komponenten an Stellen angeordnet werden, an denen aufgrund anderer baulicher Randbedingungen ohnehin Raum verfugbar ist, wodurch insgesamt eine flexible und im Ergebnis platzsparende Anordnung gewählt werden kann.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Stellelement um einen Piezoaktor. Wie bereits beschrieben wurde, ist besonders bei der Verwendung eines Piezoaktors aufgrund seines geringen Hubes ein hydraulischer Koppler nutzlich. Da ein Piezoaktor eine im Vergleich zu anderen Stellelementen kleine Bauform aufweist, kommt die Erfindung somit bei der Verwendung eines Piezoaktors besonders vorteilhaft zum Tragen. Es ist bevorzugt, daß der erste Kopplerraum in der Nahe des Stellelementes angeordnet ist, daß der zweite Kopplerraum in der Nahe des Steuerventils angeordnet ist und daß das Steuerventil in der Nahe des Injektors angeordnet ist. Man kann das Steuerventil somit beispielsweise in den Schaft der Pumpe-Duse-Einheit einbauen und den dort vorhandenen Raum nutzen. Außerhalb des Schaftes ist daher nur noch das ohnehin klein bauende Stellelement und der erste Kopplerraum unterzubringen. Das Baumaß der gesamten Pumpe-Duse-Einheit wird folglich verringert. Ein weiterer Vorteil in der genannten Anordnung besteht darin, daß keine Hochdruckbohrung von dem Pumpenraum zu einem außerhalb des Schaftes angeordneten Steuerventil vorgesehen werden muß. Die Verbindung zwischen dem Schaft und den außerhalb des Schaftes angeordneten Kom- ponenten kann ausschließlich mit Niederdruckkomponenten erfolgen. Auf diese Weise wird das hydraulische Schadvolumen verringert, und es können kostengünstigere Komponenten verwendet werden. Die Verkleinerung des hydraulischen Schadvolumens kann zur Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgra- des genutzt werden.

Vorzugsweise ist das Stellelement stufenlos einstellbar. Auf diese Weise laßt sich beispielsweise ein Sitzventil in beliebige Zwischenstellungen bringen, in denen zwei Ventilsit- ze gleichzeitig geöffnet sein können. In diesen Fallen wirken die beiden Ventilsitze als hydraulische Drosseln, über die das Druckniveau am Injektor eingestellt werden kann. Die Hohe eines Ansteuersignais in Verbindung mit der Ansteuerfrequenz des Stellelementes erlaubt demnach eine an die je- weiligen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors individuell anpaßbare Druckverlaufssteuerung. Die beiden Ventilsitze erlauben dabei in Wechselwirkung mit dem Schließkorper des Steuerventils eine besonders feinfühlige und stabile Regelcharakteristik. Das erfindungsgemaße Verfahren baut auf dem Stand der Technik gemäß Anspruch 10 dadurch auf, daß die Kraft von einem ersten Kopplerraum in einen zweiten Kopplerraum übertragen wird und daß durch elastische Mittel die Ausbildung von

Druckspitzen verhindert wird. Durch dieses Verfahren werden die Vorteile der erfindungsgemaßen Vorrichtung umgesetzt.

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch weitergebildet, daß ein Stellelement aktiviert wird, daß das Stellelement einen ersten Kolben in einem ersten Kopplerraum betätigt, das über ein hydraulisches Medium Kraft in einen zweiten Kopplerraum mit einem zweiten Kolben übertragen wird und daß ein Kolben das effektive hydraulische Volumen vergrößert, indem er dem Druck in dem hydraulischen System ausweicht. Der Begriff

"effektives hydraulisches Volumen" ist hier so zu verstehen, daß der Kolben aufgrund einer Druckanderung ausweicht und somit den Druck auf einem niedrigeren Niveau halt. Da gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform auf der Vorderseite und auf der Ruckseite des Kolbens dasselbe hydraulische Medium vorhanden ist, wird durch eine Bewegung des Kolbens das tatsachliche hydraulische Volumen nicht verändert. Daher wird von dem "effektiven" hydraulischen Volumen gesprochen.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch elastische Mittel ein hydraulisches System in vorteilhafter Weise gedampft werden kann, wobei die Eigenfrequenz in Abhängigkeit des auftretenden Druckes verändert wird. Beim Einsatz des Systems in einer Einspritzeinrichtung hat diese Verringerung der Druckamplitude einen direkten

Einfluß auf das Bewegungsverhalten der Ventilnadel, wodurch ein sofortiges Wiederoffnen der Nadel ohne Totzeit am Sitz ermöglicht wird. Hierdurch ist die Darstellung kleiner Ein- spritzmengen erleichtert, was insbesondere im Zusammenhang mit einer Voreinspritzung nutzlich ist.

Zeichnung

Die Erfindung wird mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beispielhaft erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch einen Überblick über ein System mit einer Pumpe-Duse-Einheit;

Figur 2 zeigt eine Pumpe-Duse-Einheit mit einem Piezoaktor und einem hydraulischen Koppler;

Figur 3 zeigt schematisch eine Anordnung mit zwei getrennten Kopplerraumern ohne Druckausgleichsmittel;

Figur 4 zeigt eine Einspritzeinrichtung mit zwei getrennten Kopplerraumen ohne Druckausgleichsmittel;

Figur 5 zeigt das Prinzip eines hydraulischen Kopplers;

Figur 6 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Pumpe-Duse-Einheit mit zwei getrennten Kopplerraumen ohne Druckausgleichsmittel;

Figur 7 zeigt ein Prinzipschaltbild eines hydraulischen Systems mit zwei getrennten Kopplerraumen mit Druckausgleichs- mittein;

Figur 8 zeigt mehrere Diagramme zur Erläuterung der Vorgange in einem hydraulischen System ohne Druckausgleichsmittel; Figur 9 zeigt mehrere Diagramme zur Erläuterung eines hydraulischen Systems mit Druckausgleichsmitteln.

Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele

In Figur 1 ist schematisch ein Aufbau dargestellt, bei dem eine erfindungsgemaße Pumpe-Duse-Einheit 10 zum Einsatz kommt. Die Pumpe-Duse-Einheit umfaßt einen hydraulischen Druckerzeuger 12, einen in einen nicht dargestellten Brennraum einmundenden Injektor 14 und eine Steuereinheit 16 zur Bestimmung des am Injektor 14 anliegenden Drucks. Die Pumpe- Duse-Einheit 10 wird aus einem Tank 72 durch eine Vorforder- pumpe 74 über ein Filter 76 mit Kraftstoff versorgt. Ferner ist ein Kraftstoffrucklauf 78 zwischen der Pumpe-Duse- Einheit 10 und dem Tank 72 vorgesehen. Die Steuereinheit 16 wird von einem elektronischen Steuergerat 80 angesteuert. Der Druckerzeuger 12 weist einen Kolben 18 auf, der beweglich gefuhrt ist. Mit dem Kolben 18 ist eine Stutzhulse 23 verbunden, welche einen umlaufenden Bund 24 umfaßt. An diesem Bund 24 liegt eine Druckfeder 26 an, die zwischen der Stutzhulse 23 und dem Gehäuse der Pumpe-Duse-Einheit 10 eingespannt ist. Auf das Ende des Kolbens 18, an dem die Stutzhulse 23 angeordnet ist, wirkt ein Stößel 28, der von der Nockenwelle 82 eines Verbrennungsmotors betatigbar ist. Diese Einrichtung zwingt dem Kolben 18 entgegen der Ruckstellkraft der Druckfeder 26 eine Hubbewegung auf.

In Figur 2 ist eine Pumpe-Duse-Einheit 10 so dargestellt, daß sich die prinzipiellen Vorgange beim Einspritzvorgang beschreiben lassen. Es ist allerdings zu bemerken, daß es sich bei der Darstellung gemäß Figur 2 um eine Pumpe-Duse- Einheit 10 mit einem einzigen Kopplungsraum 44 handelt, im Gegensatz zu der erfindungsgemaßen Losung, bei welcher zwei Kopplerraume vorgesehen sind. Zur Erläuterung des grundsatzlichen Aufbaus und der grundsatzlichen Vorgange, welche auch für die Erfindung relevant sind, ist die Darstellung gemäß Figur 2 jedoch gleichermaßen geeignet. Insbesondere können die Merkmale der Pumpe-Duse-Einheit 10 nach Figur 2 in Kombination mit sonstigen Merkmalen der Erfindung wesentlich für die Erfindung sein.

In Figur 2 sind wiederum der Druckerzeuger 12 mit seinem Kolben 18, der in einem Zylinder 20 eines Gehäuses 22 beweglich gefuhrt ist, dargestellt. Der Kolben 18 ragt mit einem seiner Enden aus dem Zylinder 20 heraus. Dort verfugt er über eine festgelegte Stutzhulse 23 mit einem horizontal umlaufenden Bund 24. An diesem Bund 24 liegt eine Druckfeder 26 an, die zwischen der Stutzhulse 23 und dem Gehäuse 22 eingespannt ist. Auf dieses Ende des Kolbens 18 wirkt ein Stößel 28 ein. Diese Einrichtung zwingt dem Kolben 18 entgegen der Ruckstellkraft der Druckfeder 26 eine Hubbewegung auf. Der Zylinder 20 ist mit Kraftstoff gefüllt, der in Fol- ge der Hubbewegung des Kolbens 18 unter Hochdruck gelangt, vorausgesetzt, die Steuereinheit 16 befindet sich in ihrer dargestellten, nicht betätigten Ruhestellung. In dieser Ruhestellung ist eine Druckmittelverbindung zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck fuhrenden Teil der Pumpe-Duse- Einheit 10 gesperrt.

Die Steuereinheit 16 ist ebenfalls im Gehäuse 22 angeordnet und umfaßt ein verschiebbar in einer Steuerbohrung 32 gelagertes Ventilglied 34, einen extern ansteuerbaren piezoelek- frischen Aktor 36 und einen hydraulischen Übersetzer 38 zur Übertragung der Hubbewegung des Aktors 36 auf das Ventilglied 34. In der Darstellung nach Figur 2 ist die Langsachse der Steuerbohrung 32 parallel zur Langsachse des Druckerzeugers 12 angeordnet. Gleichermaßen ist eine senkrechte Anord- nung oder eine Anordnung mit einem sonstigen beliebigen Winkel denkbar.

Der Übersetzer 38 weist zwei Kolben 40 und 42 mit unter- schiedlich großen Druckflachen auf, die in eine als Kopplungsraum ausgebildete mit Druckmittel gefüllte Druckkammer 44 hineinragen. Der dem Aktor 36 zugewandte Kolben 40 weist die größere Druckflache der beiden Kolben 40, 42 auf, um die relativ kleine Hubbewegung des Aktors 36 in eine größere Auslenkbewegung des Ventilglieds 34 zu übersetzen. Die Kolben 40 und 42 können jeweils einteilig mit den ihnen zugeordneten Bauelementen ausgebildet sein.

Ein als Zulauf 46 wirkender erster Kanal verbindet den Zy- linder 20 mit der Steuerbohrung 32 der Steuereinheit 16; ein als Ablauf 48 wirkender zweiter Kanal fuhrt von der Steuerbohrung 32 zum Injektor 14. Die Steuereinheit 16 ist somit hydraulisch in Reihe mit dem Druckerzeuger 12 und dem Injektor 14 geschaltet. Zwischen dem Zulauf 46 und dem Ablauf 48 ist die Steuerbohrung 42 in ihrem Innendurchmesser erweitert, wobei der Durchmesserubergang als Fase ausgebildet ist. Diese Fase bildet den ersten Ventilsitz 50, der entsprechend den Darstellungen vom Ventilglied 34 verschlossen ist. Letzteres wird von einer Ventilfeder 54, die sich am verschlossenen Ende der Steuerbohrung 32 und an der Stirnseite des Ventilglieds 34 abstutzt, gegen den Ventilsitz 50 gedruckt. Das Ventilglied 34 bildet demnach ein I-Ventil, weil dessen Offnungsbewegung in Richtung der Druckmittel- stromung am Ventilsitz 50 erfolgt. Ein Versorgungskanal 55, welcher Kraftstoff unter Niederdruck fuhrt, mundet im Bereich des Einbauraums der Ventilfeder 54 in die Steuerbohrung 32. In diesem Bereich ist die Erweiterung der Steuerbohrung 32 zurückgenommen, wobei die entsprechende Durchmes- seranderung ebenfalls als Fase ausgeführt ist. Diese Fase bildet einen zweiten, zwischen dem Ablauf 48 und dem Versorgungskanal 55 liegenden Ventilsitz 56. Beide Ventilsitze 50 und 56 liegen sich fluchtend gegenüber und werden von einem gemeinsamen Schließkorper 60 des Ventilglieds 34 gesteuert.

In der dargestellten, nicht betätigten Stellung des Ventilgliedes 34 ist der zweite Ventilsitz 56 geöffnet, so daß zwischen dem Versorgungskanal 55 und dem Ablauf 48 eine Druckmittelverbindung besteht. Diese dient zum Beispiel der Erstbefullung der Einrichtung 10 mit Kraftstoff oder zum Ausgleich leckagebedingter Verluste, beispielsweise nach längerem Nichtbetrieb der Einrichtung 10.

Der Versorgungskanal 55 verbindet mittels eines Abzweigs 58 die beiden Endbereiche der Steuerbohrung 32 miteinander. Im

Falle der Bewegung des Ventilgliedes 34 können sich dadurch keine diese Bewegung hemmenden Druckunterschiede ausbilden.

Das Ventilglied 34 besteht aus dem im Außendurchmesser ver- dickten Schließkorper 60, dessen Enden entgegengesetzt zueinander geneigte Abschragungen zur Steuerung der beiden Ventilsitze 50 und 56 bilden. Ferner hat das Ventilglied 34 einen dem Schließkorper 60 gegenüberliegenden und im Außendurchmesser kleineren Fuhrungskolben 62, der eine verkan- tungsfreie Bewegung des Ventilglieds 34 in der Steuerbohrung 32 ermöglicht. Der Durchmesser des Fuhrungskolbens 62 ist auf den Durchmesser der Steuerbohrung 32 abgestimmt. Zwischen dem Fuhrungskolben 62 und dem Schließglied 60 weist das Ventilglied 34 eine im Außendurchmesser nochmals zuruck- genommene Taille 64 auf. Diese bildet mit der Wandung der

Steuerbohrung 32 einen vom Fuhrungskolben 62 und vom Steuerglied 60 begrenzten Ringraum 66. In den Ringraum 66 mundet der Zulauf 46. Der Durchmesser des Fuhrungskolbens 62 entspricht dem des ersten Ventilsitzes 50, so daß die vom Druck im Ringraum 66 belasteten Flachen des Ventilglieds 34 gleich groß sind. Das Ventilglied 34 ist demnach druckausgeglichen in der Steuerbohrung 32 gefuhrt. Der Aktor 36 muß demzufolge lediglich die Gegenkraft der Ventilfeder 54 überwinden, um das Ventilglied 34 zu betätigen. Da die Ventilfeder 54 dafür eine relativ geringe Federsteifigkeit aufweisen kann, ist ein Aktor 36 mit kleinen Betriebskraften verwendbar. Derartige Aktoren 36 zeichnen sich insbesondere durch ihre kompakten und bauraumsparenden Abmessungen aus.

Ein Druckaufbau im Injektor 14 erfolgt durch elektrische An- steuerung des Aktors 36. Dieser erzeugt aufgrund der elektrischen Ansteuerung eine Hubbewegung, die er auf den Kolben 40 übertragt. Die vom Kolben 40 in der Druckkammer 44 ver- drängte Flüssigkeit zwingt dem Kolben 42 ebenfalls eine Hubbewegung auf, wobei das Verhältnis beider Hubbewegungen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Druckflachen beider Kolben 40, 42 ist. Im maximal ausgelenkten Zustand liegt das Ventilglied 34 mit seinem Schließglied 60 am zweiten Ventil- sitz 56 an und dichtet diesen ab. Durch diese Maßnahme ist die Druckmittelverbindung zwischen dem Versorgungskanal 55 und dem Ablauf 48 unterbrochen, wahrend der Zulauf 46 nunmehr mit dem Ablauf 48 Verbindung hat. Das Ventilglied 34 wirkt demnach als 3/2-Wegeventil .

Der im Zylinder 20 herrschende Druck liegt auch am Injektor 14 an. Sobald das Druckniveau einen von der Vorspannung einer Schließfeder 68 des Injektors 14 bestimmten Wert überschreitet, öffnet eine von dieser Schließfeder 68 beauf- schlagte Nadel 70. Diese gibt in der Darstellung nicht erkennbare Einspritzoffnungen des Injektors 14 frei, so daß der Einspritzvorgang in den Brennraum eines Verbrennungsmotors erfolgt. Eine Beendigung des Einspritzvorgangs wird durch einen Druckabbau im Injektor 14 erreicht. Dazu wird die Ansteue- rung des Aktors 36 zurückgenommen, wodurch sich das Ventilglied 34 zurück in die dargestellte Ruhestellung bewegt. Da- bei öffnet der zweite Ventilsitz 56, so daß über die Druckmittelverbindung zwischen dem Ablauf 48 und dem Versorgungskanal 55 eine Druckentlastung des Injektors 14 stattfindet.

Die Hubbewegung des Aktors 36 ist durch die Hohe des Ansteu- ersignals stufenlos zwischen Null und einem maximalen Wert regulierbar. Das Ventilglied 34 bildet demnach in Verbindung mit dem stufenlos schaltenden Aktor 36 ein sogenanntes Proportionalventil. Dieses kann in beliebige Zwischenstellungen gebracht werden, in denen beide Ventilsitze 50 und 56 gleichzeitig geöffnet sind. In diesen Fallen wirken die beiden Ventilsitze 50 und 56 als hydraulische Drosseln, die das Druckniveau im Injektor 14 bestimmen. Die Hohe des Ansteuersignais in Verbindung mit der Ansteuerfrequenz des Aktors 36 erlaubt demnach eine an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors individuell anpaßbare Druckverlaufssteuerung. Die beiden Ventilsitze 50 und 56 erlauben dabei in Wechselwirkung mit dem Schließkorper 60 des Ventilglieds 34 die Verwirklichung einer besonders feinfühligen und stabilen Regelcharakteristik.

Auf der Grundlage der voranstehenden Beschreibung einer Pumpe-Duse-Einheit mit einem hydraulischen Koppler, welcher nur einen Kopplerraum aufweist, kann nun die charakteristische Besonderheit der Erfindung beschrieben werden.

Hierzu ist zunächst in Figur 3 schematisch die prinzipielle Anordnung zur hydraulischen Kopplung ohne Druckausgleichsmittel dargestellt. Der hydraulische Koppler ist durch die Ausbildung eines ersten Kopplerraums 100 und eines zweiten Kopplerraums 102 verwirklicht. Die beiden Kopplerraume 100, 102 sind durch eine Leitung 108 bzw. eine Bohrung miteinander verbunden. In dem ersten Kopplerraum 100 ist ein erster Kolben 40 vorgesehen, welcher von dem Piezoaktor 36 betätigt wird. Der Piezoaktor 36 wird von einem Steuergerat 80 angesteuert. Der erste Kolben 40 in dem ersten Kopplerraum 100 wird von einer Feder 104 gegen den Piezoaktor 36 gedruckt. Im zweiten Kopplerraum 102 ist ein zweiter Kolben 42 vorgesehen, welcher durch die hydraulisch vermittelte Bewegung ein Ventil 106 betätigt. Die Gegenkraft gegen den hydraulischen Hub des zweiten Kolbens 42 wird durch ein nicht dargestelltes elastisches Element des Steuerventils 106 aufgebracht .

In Figur 4 ist eine Pumpe-Duse-Einheit 10 ohne Druckausgleichsmittel dargestellt. Ein Steuergerat 80 steuert einen Piezoaktor 36 an. Dieser wirkt mechanisch auf einen ersten Kolben 40, welcher in einen ersten Kopplerraum 100 eines hydraulischen Kopplers hineinragt. Dem Hub des Kolbens 40 wirkt die Kraft einer Feder 104 entgegen. Der Kopplerraum 100 ist über eine Leitung 108, welche beispielsweise als Bohrung ausgebildet ist, mit einem zweiten Kopplerraum 102 verbunden. In diesen ragt ein zweiter Kolben 42 hinein, welcher ein Ventil 106 betätigt. Das Ventil 106 ist vorliegend schalttechnisch dargestellt. Es kann beispielsweise in der

Art oder ahnlich aufgebaut sein wie das Ventil nach Figur 2. Eine Feder 110, welche an dem Ventil 106 angeordnet ist, erzeugt die Gegenkraft für den zweiten Kolben 42.

Der Druckerzeuger 12 weist einen Kolben 20 auf, welcher in dem Gehäuse der Pumpe-Duse-Einheit beweglich gefuhrt ist.

Der Kolben 18 ragt mit einem seiner Enden aus dem Gehäuse der Pumpe-Duse-Einheit 10 heraus und wird dort, vorzugsweise wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben, von einer Druckfeder 36 mit einer Kraft beaufschlagt. Diese Kraft ist die Gegenkraft für eine Kraft, welche beispielsweise von einem Stößel aufgebracht wird. Dieser Stößel wird vorzugsweise von der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors betätigt. Aufgrund der Bewegung des Kolbens 18 wird der

Hochdruck für die Einspritzung zur Verfugung gestellt, aufgrund dessen sich letztlich im Injektor 14 eine Nadel 70 gegen die Kraft einer Schließfeder 68 hebt.

An der Darstellung der Figur 4 ist zu erkennen, daß sich die verschiedenen Komponenten der Pumpe-Duse-Einheit 10 in vorteilhafter Weise anordnen lassen. So ist der erste Kopplerraum 100 in der Nahe des Piezoaktors 36 angeordnet, wahrend der zweite Kopplerraum 102 beim Steuerventil 106 angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine flexible Anordnung der beiden Komponenten des hydraulischen Kopplers möglich. Dies fuhrt letztlich zu einer kompakten Bauform der gesamten Pumpe- Duse-Einheit. Weiter ist zu betonen, daß sich das Steuerventil 106 in der Nahe des Injektors 14 befindet. Das Hoch- drucksystem der Pumpe-Duse-Einheit ist also im Vergleich zu der Anordnung gemäß Figur 2 klein, was zu einem geringen hydraulischen Schadvolumen fuhrt. Letztlich laßt sich somit also der Wirkungsgrad der Pumpe-Duse-Einheit 10 verbessern.

Bei diesem System bleibt außerdem eine vorteilhafte Fähigkeit eines hydraulischen Kopplers erhalten: dieser ist geeignet Temperaturdehnungen innerhalb des Systems zu kompensieren .

In Figur 5 ist nochmals die Funktionsweise eines hydraulischen Kopplers in schematischer Weise dargestellt. Ein Pie- zoelement 36 verschiebt einen ersten Kolben 40 um einen ersten Hub h_^. Dieser Hub erzeugt einen Druck in einer mit einem hydraulischen Medium gefüllten Druckkammer 44. Dieser Druck wirkt auf einen zweiten Kolben 42, welcher eine geringere wirksame Flache hat als der erste Kolben 40. Folglich fuhrt dieser zweite Kolben 42 einen größeren Hub h₂ aus, wobei das Verhältnis der Hube von dem Verhältnis der wirksamen Flachen der Kolben 40, 42 bestimmt wird. Der zweite Kolben 42 betätigt ein Steuerventil 106.

In Figur 6 ist eine Pumpe-Duse-Einheit 10 dargestellt, bei welcher ein hydraulischer Koppler mit zwei getrennten Kopp- lerraumen 100, 102 zum Einsatz kommt. Diese Darstellung zeigt in stark schematisierter Weise die prinzipiellen Funktionen, welche schon im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert wurden, wobei gleiche Bezugszeichen die entsprechenden Bauteile bezeichnen. Zu erwähnen bleibt, daß der Piezoaktor 36 bei dieser Ausfuhrungsform senkrecht zur Bewegungsrichtung des Druckkolbens 18 des Druckerzeugers 12 angeordnet ist.

Figur 7 zeigt ein hydraulisches System mit zwei Kopplerraumen 100, 102, welches demjenigen aus Figur 6 entspricht, bis darauf, daß an der Verbindungsleitung 108 zwischen den Kopplerraumen 100, 102 ein Ausweichkolben 112 über ein kurzes Rohr 114 angeschlossen ist. Der Ausweichkolben 112 wird von einer Feder 116 gegen einen Anschlag 118 gedruckt. Diese Stellung des Ausweichkolbens 112 entspricht seiner Ruhestel- lung. Auf der Ruckseite des Ausweichkolbens 112 befindet sich ein Fluidzulauf 120, so daß der Ausweichkolben 112 allseitig von dem Hydraulikmedium umgeben ist. Die Vorspannung der Feder 116 ist im Hinblick auf das Schwingungsverhalten und den erwünschten Mitteldruck zu optimieren. Wird nun ein Druck von dem ersten Kopplerraum 100 in den zweiten Kopplerraum 102 übertragen, so können Druckspitzen dadurch vermieden werden, daß der Ausweichkolben 112 gegen die Kraft der Feder 116 zurückweicht. Durch den Ausweichvorgang wird die Eigenfrequenz des Systems verändert, das heißt das System wird "weicher" und hat ein besseres Dampfungsverhalten. Die Verringerung der Druckamplitude hat einen direkten Einfluß auf das Bewegungsverhalten der Nadel in dem Ventil 106, wodurch insbesondere ein direktes Wiederoffnen der Nadel ohne Totzeit ermöglicht wird. Dies ist für die Darstellung kleiner Einspritzmengen nutzlich.

Anhand der Diagramme, welche in Figur 8 und in Figur 9 dargestellt sind, lassen sich die erfindungsgemaßen Vorteile verdeutlichen. Figur 8 bezieht sich auf ein System ohne

Druckausgleichsmittel; Figur 9 bezieht sich auf ein System mit Druckausgleichsmitteln. Das jeweils obere Diagramm zeigt die Ansteuerspannung des Piezoelementes . In dem jeweils zweiten Diagramm ist als unterbrochene Linie der Piezohub dargestellt, wahrend als durchgezogene Linie der Nadelhub gezeigt ist. Figur 8 zeigt die Verhaltnisse in einem hydraulischen System ohne Druckausgleichsmittel, so daß eine Totzeit Δt im Nadelhubverhalten zu erkennen ist. Im Gegensatz hierzu liegt eine solche Totzeit bei dem System gemäß Figur 9 mit Druckausgleichsmitteln nicht vor; vielmehr ist ein direktes Offnen des Ventils ohne Totzeit zum Zeitpunkt t_λ möglich. Im zweiten Diagramm der Figur 9 ist zusatzlich als Strich-Punkt-Linie der Hub des Ausweichkolbens dargestellt.

Zur weiteren Veranschaulichung ist im dritten Diagramm der piezoseitige Druckverlauf gezeigt. In Figur 8 erkennt man ein Schwingungsverhalten mit großen Schwingungsamplituden. Hierzu im Gegensatz erkennt man in Figur 9 die erfindungsge- maß vorteilhafte Dampfung der Druckschwingungen. In Figur 9 ist zusätzlich der Druckverlauf am Ausweichkolben durch eine Strich-Punkt-Linie gezeigt. Schließlich ist im unteren Diagramm der Figur 8 und der Figur 9 der nadelseitige Druck dargestellt. Wiederum erkennt man bei dem System gemäß Figur 8 ohne Druckausgleichsmittel das Schwingungsverhalten mit großen Schwingungsamplituden, im Gegensatz zu dem System gemäß Figur 9 mit Druckausgleichsmitteln, wo eine deutliche Dampfung zu sehen ist. Ferner ist in Figur 8 eine Druckspitze von etwa 135 bar zu erkennen, welche aus dem Nachfordern des Piezoaktors resultiert. Diese Druckspitze ist in dem System nach Figur 9 auf etwa 55 bar vermindert. Dies hat den erfindungsgemaß vorteilhaften Einfluß auf das zeitliche Verhalten des Nadelhubs, insbesondere die Vermeidung einer Totzeit.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele ge- maß 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. Vorrichtung mit einem hydraulischen System, welches einen hydraulischen Koppler (100, 102, 40, 42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (100, 102, 40, 42) minde- stens zwei miteinander verbundene Kopplerraume (100, 102) aufweist und daß das hydraulische System elastische Mittel (112, 116) aufweist, welche die Ausbildung von Druckspitzen verhindern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel als Feder (116) ausgebildet sind, die einen Kolben (112) gegen den Druck in dem hydraulischen Koppler (100, 102, 40, 42) mit Kraft beaufschlagt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Kopplerraum (100) ein erster Kolben (40) ragt, welcher von einem Stellelement (36) betatigbar ist, das in den zweiten Kopplerraum (102) ein zweiter Kolben (42) ragt, welcher über die hydraulische Kopplung betatigbar ist und daß die elastischen Mittel (112, 116) naher zum zweiten Kopplerraum (102) als zum ersten Kopplerraum (100) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (112) im Ruhezustand an einem Anschlag (118) anliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Federraum auf der Ruckseite des Kolbens (112) mit demselben hydraulischen Medium gefüllt ist wie das restliche hydraulische System.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische System Teil einer Einspritzeinrichtung ist, wobei die Einspritzeinrichtung einen Druckerzeuger (12), einen mit dem Druckerzeuger (12) gekoppelten Injektor (14), ein Steuerventil (106) und ein Stellelement (36) zum Betatigen des Steuerventils (106) aufweist, wobei über den Koppler (100, 102, 40, 42) die Wirkung des Stellelementes (36) auf das Steuerventil (106) übertragbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (36) ein Piezoaktor ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kopplerraum (100) in der Nahe des Stelle- lementes (36) angeordnet ist, daß der zweite Kopplerraum

(102) in der Nahe des Steuerventils (106) angeordnet ist und daß das Steuerventil (106) in der Nahe des Injektors (14) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (36) stufenlos einstellbar ist.

10. Verfahren zur Kraftübertragung mit einem hydraulischen Koppler (100, 102, 40, 42), dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft von einem ersten Kopplerraum (100) in einen zweiten Kopplerraum (102) übertragen wird und daß durch elastische Mittel (112, 116) die Ausbildung von Druckspitzen verhindert wird .

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellelement (36) aktiviert wird, daß das Stellelement (36) einen ersten Kolben (40) in einem ersten Kopplerraum (100) betätigt, das über ein hydraulisches Medium Kraft in einen zweiten Kopplerraum (102) mit einem zweiten Kolben (42) übertragen wird und daß ein Kolben (112) das effektive hydraulische Volumen vergrößert, indem er dem Druck in dem hydraulischen System ausweicht.