WO2005061884A1 - Pumpe-düse-vorrichtung - Google Patents

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WO2005061884A1
WO2005061884A1 PCT/EP2004/012633 EP2004012633W WO2005061884A1 WO 2005061884 A1 WO2005061884 A1 WO 2005061884A1 EP 2004012633 W EP2004012633 W EP 2004012633W WO 2005061884 A1 WO2005061884 A1 WO 2005061884A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pump
valve
nozzle
hydraulic
throttle
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/012633
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dejan Jovovic
Maximilian Kronberger
Ralf Marohn
Peter Voigt
Original Assignee
Vw Mechatronic Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vw Mechatronic Gmbh & Co. Kg filed Critical Vw Mechatronic Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2005061884A1 publication Critical patent/WO2005061884A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0003—Fuel-injection apparatus having a cyclically-operated valve for connecting a pressure source, e.g. constant pressure pump or accumulator, to an injection valve held closed mechanically, e.g. by springs, and automatically opened by fuel pressure
    • F02M63/0007—Fuel-injection apparatus having a cyclically-operated valve for connecting a pressure source, e.g. constant pressure pump or accumulator, to an injection valve held closed mechanically, e.g. by springs, and automatically opened by fuel pressure using electrically actuated valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps

Definitions

  • the invention relates to a pump-nozzle device with a pump, a valve and a nozzle unit.
  • a pump-nozzle device is used, in particular, for supplying fuel to a combustion chamber of a direct-injection internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine.
  • the pump, a control unit, which in addition to the valve also comprises an actuator, which is preferably formed from a piezo stack, and the nozzle unit form a structural unit.
  • a piston of the pump is preferably driven via a camshaft of an internal combustion engine by means of a rocker arm.
  • the pump can be hydraulically coupled to a low-pressure fuel supply device via the valve. On the output side, it is hydraulically coupled to the nozzle unit. Start of injection and injection quantity are determined by the valve and its actuator.
  • the compact design of the pump-nozzle device results in a very low high-pressure volume and great hydraulic rigidity. This enables very high injection pressures of approx. 2000 bar. This high injection pressure in conjunction with the good controllability of the start of injection and the injection quantity enable a significant reduction in emissions with low fuel consumption when used in internal combustion engines.
  • a pump system with a high pressure limitation which has a control valve and a valve / blocking arrangement.
  • the pump chamber is connected via the valve / blocking arrangement to an inlet channel which leads to the pressure chamber of the nozzle needle.
  • the control valve which is connected to a fuel reservoir, is connected to the inlet channel.
  • the pressure of the fuel that is pumped from the pump to the pressure chamber is limited to a maximum pressure.
  • the control valve is used to control the injection phases.
  • Reduced rate pre-injection and rate design including boat injection, square injection and post-injection can be achieved in addition to reducing piston noise after injection.
  • a pump-nozzle device is known with a pump and a valve with a valve member, which controls the hydraulic coupling of a control chamber with an outlet analog.
  • the drain channel is hydraulically coupled to the pump and a nozzle unit.
  • An inlet channel is provided, which is hydraulically coupled to the control chamber.
  • a piezoelectric actuator is assigned to the valve member, via which the valve member can be adjusted between two end positions. In a first end position of the valve member, the drain channel is hydraulically coupled to a control chamber and this, in turn, to the feed channel. In a second end position of the valve member, the drain channel is hydraulically decoupled from the control chamber.
  • valve member In the first end position of the valve member, fluid is sucked in by the pump from the inlet channel via the control chamber and the outlet channel during a delivery stroke of the pump.
  • a working stroke of a pump piston of the pump in the first end position of the valve member, fluid from the pump is pressed back into the outlet via the inlet channel and the control chamber.
  • no fluid can be pushed back during the delivery stroke of the pump piston due to the lack of hydraulic coupling of the drain channel to the control chamber and the drain channel, and the pump piston generates high pressure. If a specified pressure threshold is exceeded, one opens Nozzle needle of the nozzle unit is a nozzle of the nozzle unit and the fluid is injected.
  • the end of injection is determined by the fact that the valve member is controlled into its first end position by means of the actuator and thus fluid can flow back via the outlet channel into the control chamber and the inlet channel, with the result that the pressure in the pump and thus also in the nozzle unit decreases, which in turn leads to the nozzle unit being closed. High noise emissions are generated during the operation of such a pump-nozzle device.
  • Noise emissions are perceived as unpleasant by the driver of a motor vehicle, in which the pump-nozzle device can be installed, and must be largely avoided on the one hand with regard to the greatest possible driving comfort and on the other hand due to increasingly strict legal regulations regarding noise emissions from vehicles.
  • the object of the invention is to provide a pump-nozzle device which ensures low noise emissions during operation.
  • the invention is characterized by a pump-nozzle device with a pump that has a piston and a working space, and with only one valve with a valve member, which is the hydraulic coupling of a
  • Control room controls with a drain channel
  • the drain channel is only connected to the working chamber of the pump via a throttle.
  • the drain channel is also hydraulically connected to a nozzle unit.
  • the hydraulic coupling of the work space to the drain channel has a throttle, the hydraulic throttle cross-section of which is preferably a maximum of 25 percent larger than the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open.
  • the hydraulic throttle cross-section and the hydraulic cross-sectional area denote the product of the throttle coefficient or the flow coefficient with the geometric throttle cross-section or the geometric cross-sectional area.
  • the invention is based on the knowledge that a considerable proportion of the noise emissions are caused by vibration excitation of the drive train during a control process in the pump-nozzle device.
  • An abrupt drop in pressure in the working space of the pump after opening the valve leads to a sudden relief of the drive train of an internal combustion engine in which the pump-nozzle device can be arranged.
  • the piston of the pump is directly or indirectly coupled to a camshaft. Its stroke course depends on the formation of a cam on the camshaft, which acts on the piston. Due to the sudden relief of the camshaft, it is then excited to vibrate, which is emitted acoustically outwards from the internal combustion engine. Likewise, after a closing operation of the valve, the drive train of the internal combustion engine is suddenly loaded by the sudden increase in pressure in the work space and is also excited to vibrate.
  • the throttle which is arranged in the hydraulic coupling of the work space with the drainage channel, dampens the sudden relief and load on the drive train, thus resulting in lower noise emissions.
  • the throttle in the hydraulic coupling of the work space to the drain channel dampens the pressure drop or pressure rise in the work space after opening and closing the valve. As a result, the sudden relief of the drive train or the sudden load on the drive train is less. This then leads to a significantly lower vibration excitation of the drive train with the consequence of lower noise emissions.
  • the throttle also has the effect that during a shutdown process, i.e. after the valve has been opened, the Pressure in the discharge channel first drops significantly faster than without a throttle, which then leads to a shorter cavitation time in the control chamber and thus also to a reduction in noise emissions. Furthermore, because the pressure in the discharge channel drops rapidly at first, the nozzle needle, which is arranged in the nozzle unit and is hydraulically coupled to the discharge channel, closes more quickly than without a throttle. The valve can thus be closed more quickly for a subsequent partial injection, and at the same time it takes place
  • the hydraulic throttle cross-section is at least 75% of the hydraulic cross-sectional area released by the two open valves. This has the advantage that the working space of the pump can then be filled sufficiently.
  • the hydraulic throttle cross section is approximately the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open. It has surprisingly been found that at this value lies the optimum in terms of the desired reduction in sound emissions and, at the same time, an inevitable pressure loss through the throttle, which leads to a reduced efficiency of the pump-nozzle device.
  • the throttle is formed by a Y-bore between the drain channel and the working space. This has the advantage that the throttle can be produced simply and very precisely as a stepped bore. Exemplary embodiments of the invention are explained below using the schematic drawings. The only figure shows a pump-nozzle device.
  • the pump-nozzle device comprises a pump unit, a control unit and a nozzle unit.
  • the pump-nozzle device is preferably used to supply fuel into the combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has an intake tract for the intake of air, which can be coupled to cylinders by means of gas inlet valves.
  • the internal combustion engine also has an exhaust tract which is controlled via the exhaust valve
  • the cylinders are each assigned pistons, each of which is coupled to a crankshaft via a connecting rod.
  • the crankshaft is coupled to a camshaft.
  • the pump unit comprises a piston 11, a pump body 12, a working space 13 and a pump return means 14, which is preferably designed as a spring.
  • the piston 11 When installed in an internal combustion engine, the piston 11 is coupled to a camshaft 16, preferably by means of a rocker arm, and is driven by the latter.
  • the piston 11 is guided in a recess of the pump body 12 and, depending on its position, determines the volume of the working space 13.
  • the pump return means 14 is designed and arranged such that the volume of the working space 13 delimited by the piston 11 has a maximum value if no external forces act on the piston 11, d. H. Forces that are transmitted via the coupling to the camshaft 16.
  • the nozzle unit comprises a nozzle body 51, in which a nozzle return means 52 acts as a spring and, if necessary, additionally is designed as a damping unit, and a nozzle needle 53 are arranged.
  • the nozzle needle 53 is arranged in a recess in the nozzle body 51 and is guided in the region of a needle guide 55.
  • the nozzle needle 53 bears against a needle seat 54 and thus closes a nozzle 56 which is provided for supplying the fuel into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine.
  • the nozzle unit is preferably designed as an inwardly opening nozzle unit.
  • the nozzle needle 53 is arranged at a slight distance from the needle seat 54, specifically in the direction of the nozzle return means 52, and thus releases the nozzle 56.
  • fuel is metered into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine.
  • the first or second state is assumed as a function of a balance of forces from the force which acts on the nozzle needle 53 through the nozzle restoring means 52 and from the force counteracting this, which is caused by the hydraulic pressure in the region of the needle shoulder 57.
  • the control unit comprises an inlet 21 and an outlet channel 22.
  • the inlet channel 21 and the outlet channel 22 can be hydraulically coupled by means of a valve.
  • the inlet channel 21 is led from a low-pressure connection of the pump-nozzle device to the valve.
  • the drain channel 22 is hydraulically coupled to the working space 13 and is guided towards the needle shoulder 57 and can be hydraulically coupled to the nozzle 56 depending on the state which is assumed by the nozzle needle 53.
  • the valve comprises a valve member 231, which is preferably designed as a so-called A valve, ie it opens outward against the direction of flow of the fluid.
  • the valve includes Furthermore, a control chamber 232, which is hydraulically coupled to the inlet channel 21 and can be hydraulically coupled to a high-pressure chamber by means of the valve member 231.
  • the high-pressure chamber is hydraulically coupled to the drain channel 22.
  • valve return means is provided, which is arranged and designed so that it
  • Valve member 231 in an open position, i. H. spaced apart from the valve seat 234 when the forces acting on the valve member by an actuator 24 are less than the forces acting on the valve member 231 by the valve return means.
  • the actuator 24 is preferably designed as a piezo stack. However, it can also be another actuator known to the person skilled in the art and suitable for such an application, such as an electromagnetic actuator.
  • the actuator 24 is preferably coupled to the valve member 231 by means of a transformer, which preferably increases the stroke of the actuator 24.
  • a connector for receiving electrical contacts for actuating the actuator 24 is preferably also provided on the actuator 24.
  • valve member 231 In the open position of the valve member 231, when the piston 11 moves upward, ie in the direction away from the nozzle 56, fuel is drawn in via the inlet channel 21 to the working space 13. As long as the valve member 231 is still in its open position during a subsequent downward movement of the piston 11, ie during a movement directed towards the nozzle 56, the fuel located in the working space 13 and the outlet channel 22 is returned to via the valve the control chamber 232 and possibly pushed back into the inlet channel 21.
  • valve member 231 when the valve member 231 is controlled into its closed position during the downward movement of the piston 11, the fuel in the working chamber 13 and thus also in the outlet channel 22 and in the high-pressure chamber 233 is compressed, as a result of which the pressure increases with the downward movement of the piston 11 in Working space 13, in the high pressure space 233 and in the drain channel 22 increases.
  • the force caused by the hydraulic pressure also increases, which acts on the needle shoulder 57 in the direction of an opening movement of the nozzle needle 53 to release the nozzle 56.
  • the nozzle needle 53 moves away from the needle seat 54 and thus releases the nozzle 56 the fuel supply to the cylinder of the internal combustion engine is free.
  • the nozzle needle 53 then moves back into the needle seat 54 and thus closes the nozzle 56 when the hydraulic pressure in the outlet channel 22 falls below the value at which the force caused by the hydraulic pressure on the needle shoulder 57 is smaller than the force caused by the nozzle return means 52 Force.
  • the point in time at which this value falls below and at which the fuel metering is ended can be influenced by controlling the valve member 231 from its closed position to an open position.
  • the hydraulic coupling between the high pressure chamber and the control chamber 232 and the inlet channel 21 is established. Due to the high pressure difference between the fluid in the high-pressure chamber and the outlet channel 22 and the fluid in the control chamber 232 and the inlet channel 21, the pressure then flows Fuel from the high-pressure chamber at a very high speed, usually at the speed of sound, into the control chamber 232 and further into the inlet channel 21. The pressure in the high-pressure chamber and the outlet channel 22 is then rapidly reduced to such an extent that the pressure from the nozzle return means 52 increases forces acting on the nozzle needle 53 cause the nozzle needle 53 to move into the needle seat 54 and thus then close the nozzle 56.
  • a throttle 18 is arranged.
  • the throttle 18 is designed such that its hydraulic throttle cross section is at most 25 percent larger than the cross-sectional area released when the valve is open.
  • the geometric cross-sectional area released when the valve is open is the annular area between the valve seat 234 and the valve member 231.
  • the hydraulic throttle cross section is preferably at most 20 percent larger than the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open.
  • the hydraulic throttle cross section is preferably at least 75% or at least 80% of the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open.
  • the hydraulic throttle cross section corresponds approximately to the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open.
  • the throttle 18 is preferably formed by a Y-bore between the drain channel and the working space.
  • the Y bore preferably includes a stepped bore through which the throttle 18 is formed.
  • the throttle 18 is preferably formed by a pilot hole, which is then hydroerosively rounded. In hydroerosive rounding, particles in a fluid round off the specified areas.
  • the throttle 18 can also be designed as an insert.
  • the throttle 18 can also have any other shape familiar to the person skilled in the art Have throttles. If the valve member 231 is controlled from its closed position into its open position, the fluid located in the discharge channel 22 flows very quickly into the control chamber 232 and possibly into the inlet 21. However, the throttle 18 restricts the outflow of fluid from the working chamber 13 of the pump.
  • the volume of the working space 13 is the largest volume of the pump-nozzle device that can be filled with fluid.
  • the volume of the drain channel 22, on the other hand, is significantly smaller than the volume of the work space 13.
  • the still very high pressure fluid in the working space 13 then flows through the throttle 18 and so, in cooperation with a further build-up of pressure in the working space 13 by a downward movement of the piston 11, the pressure required to open the nozzle needle can be restored very quickly 53 are applied.
  • This therefore has the advantage that consecutive partial injections are possible for a very short time within one working cycle of the cylinder.
  • the throttle 18 has the effect that the pressure drop in the working space 13 is significantly damped between two successive partial injections and, on the other hand, the pressure build-up can take place more continuously. This means that the camshaft 16 is loaded more evenly and is therefore less excited to vibrate, which over the The drive train of the internal combustion engine can be transmitted acoustically to the outside and lead to unpleasant audible noise emissions.
  • the noise emissions are reduced by the fact that the pressure in the outlet channel 22 drops significantly faster during a shutdown process than when no throttle 18 is provided.
  • the cavitation time is greatly reduced, that is, the time during which the fuel flows from the drain channel 2 to the control chamber 232
  • the throttle 18 also has the advantage that a pressure wave which runs back and forth between the valve member 231 and the nozzle needle 53 or the working space 13 and the nozzle needle 53 after the valve member 231 is closed is significantly damped, since the pressure build-up in the Working space 13 between two successive partial injections is significantly more continuous and then the amplitude of the shaft is also significantly lower due to the lower vibration excitation of the piston 11. This leads to a significantly better controllability of the point in time at which the nozzle 56 is opened.
  • the hydraulic throttle cross-section of the throttle 18 is at least 75% or 80% of the hydraulic cross-sectional area released when the valve is open, it is ensured that the pressure loss in the outlet channel 22 which is unavoidable by the throttle 18 does not lead to a substantial deterioration in the efficiency of the pump nozzle. Device leads.

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Abstract

Eine Pumpe-Düse-Vorrichtung hat eine Pumpe, die einen Kolben und einen Arbeitsraum hat, und ein Ventil mit einem Ventilglied, das die hydraulische Kopplung eines Absteuerraums mit einem Ablaufkanal steuert, der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Arbeitsraum der Pumpe und einer Düseneinheit. Die hydraulische Kopplung des Arbeitsraums mit dem Ablaufkanal weist eine Drossel auf, deren hydraulischer Drosselquerschnitt maximal 25 Prozent größer ist als die bei geöffnetem Ventil freigegebene hydraulische Querschnittsfläche. Durch das Vorsehen der Drossel können die akustisch wirksamen Schallemissionen der Pumpe-Düse-Vorrichtung wirksamen und einfach verringert werden.

Description

Pumpe-Düse-Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Pumpe-Düse-Vorrichtung mit einer Pumpe, einem Ventil und einer Düseneinheit. Eine derartige Pumpe-Düse-Vorrichtung wird insbesondere zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel- Brennkraftmaschine eingesetzt. Die Pumpe, eine Steuereinheit, die neben dem Ventil auch einen Stellantrieb umfasst, welche vorzugsweise aus einem Piezostapel gebildet ist, und die Düseneinheit bilden eine Baueinheit. Der Antrieb eines Kolbens der Pumpe erfolgt vorzugsweise über eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mittels eines Kipphebels.
Die Pumpe ist über das Ventil an eine Niederdruck-Kraftstoffzuführeinrichtung hydraulisch koppelbar. Sie ist ausgangsseitig mit der Düseneinheit hydraulisch gekoppelt. Einspritzbeginn und Einspritzmenge werden durch das Ventil und dessen Stellantrieb bestimmt. Durch die kompakte Bauweise der Pumpe-Düse-Vorrichtung ergibt sich ein sehr geringes Hochdruckvolumen und eine große hydraulische Steifigkeit. Es werden so sehr hohe Einspritzdrücke von ca. 2000 bar ermöglicht. Dieser hohe Einspritzdruck in Verbindung mit der guten Steuerbarkeit des Einspritzbeginns und der Einspritzmenge ermöglichen eine deutliche Reduktion der Emissionen bei gleichzeitig niedrigen Kraftstoffverbrauch beim Einsatz in Brennkraftmaschinen.
Aus DE 101 97 010 Tl ist ein Pumpsystem mit einer Hochdruckbeschränkung bekannt, das ein Steuerventil und eine Ventil-/Sperranordnung aufweist. Der Pumpraum ist über die Ventil-/Sperranordnung mit einem Zulaufkanal verbunden, der zum Druckraum der Düsennadel geführt ist. Zudem ist an den Zulaufkanal das Steuerventil angeschlossen, das mit einem Kraftstoffreservoir verbunden ist. In Abhängigkeit von der Schaltposition der Ventil-/Sperranordnung wird der Druck des Kraftstoffs, der von der Pumpe zum Druckraum befördert wird, auf einen Höchstdruck begrenzt. Das Steuerventil dient zur Steuerung der Einspritzphasen. Durch das Steuerventil und die Ventil-/Sperranordnung und eine Hochdrucksperre kann eine
Voreinspritzung mit reduzierter Rate und eine Ratengestaltung einschließlich einer Boot-Einspritzung, einer Square- Einspritzung und einer Nacheinspritzung, und zwar zusätzlich zur Verringerung des Kolbenlärms nach der Einspritzung erreicht werden.
Aus der DE 198 35 494 C2 ist eine Pumpe-Düse-Vorrichtung bekannt mit einer Pumpe und einem Ventil mit einem Ventilglied, das die hydraulische Kopplung eines Absteuerraums mit einem Ablauf anal steuert. Der Ablaufkanal ist hydraulisch gekoppelt mit der Pumpe und einer Düseneinheit. Ein Zulaufkanal ist vorgesehen, der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Absteuerraum. Dem Ventilglied ist ein piezoelektrischer Stellantrieb zugeordnet, über den das Ventilglied zwischen zwei Endstellungen verstellt werden kann. In einer ersten Endstellung des Ventilglieds ist der Ablaufkanal hydraulisch gekoppelt mit einem Absteuerraum und dieser wiederum mit dem Zulaufkanal. In einer zweiten Endstellung des Ventilglieds ist der Ablaufkanal hydraulisch entkoppelt von dem Absteuerraum. In der ersten Endstellung des Ventilglieds wird während eines Förderhubs der Pumpe Fluid von dem Zulaufkanal über den Absteuerraum und den Ablaufkanal von der Pumpe angesaugt. Während eines Arbeitshubs eines Pumpenkolbens der Pumpe wird in der ersten Endposition des Ventilglieds Fluid von der Pumpe über den Zulaufkanal, den Absteuerraum in den Ablauf anal zurückgedrückt. In der zweiten Endstellung des Ventilglieds kann während des Förderhubs des Pumpenkolbens wegen der fehlenden hydraulischen Kopplung des Ablaufkanals mit dem Absteuerraum und dem Ablaufkanal kein Fluid zurückgedrückt werden und der Pumpenkolben erzeugt Hochdruck. Mit Überschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle öffnet eine Düsennadel der Düseneinheit eine Düse der Düseneinheit und es erfolgt eine Einspritzung des Fluids. Das Einspritzende wird dadurch bestimmt, dass das Ventilglied mittels des Stellantriebs in seine erste Endposition gesteuert wird und so Fluid über den Ablaufkanal in den Absteuerraum und den Zulaufkanal zurückströmen kann, was zur Folge hat, dass der Druck in der Pumpe und somit auch in der Düseneinheit abnimmt, was wiederum zu einem Schließen der Düseneinheit führt. Während des Betriebs derartiger Pumpe-Düse-Vorrichtung werden hohe Geräuschemissionen erzeugt. Derartige
Geräuschemissionen werden vom Fahrer eines Kraftfahrzeugs, in dem die Pumpe-Düse-Vorrichtung eingebaut sein kann, als unangenehm wahrgenommen und müssen zum einen im Hinblick auf einen möglichst hohen Fahrkomfort und zum anderen auch aufgrund immer strengerer gesetzlicher Bestimmungen bezüglich Geräuschemissionen von Fahrzeugen weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe-Düse-Vorrichtung zu schaffen, welche beim Betrieb geringe Geräuschemissionen gewährleistet .
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Pumpe-Düse- Vorrichtung mit einer Pumpe, die einen Kolben und einen Arbeitsraum hat, und mit nur einem Ventil mit einem Ventilglied, das die hydraulische Kopplung eines
Absteuerraums mit einem Ablaufkanal steuert, wobei der Ablaufkanal nur über eine Drossel mit dem Arbeitsraum der Pumpe verbunden ist. Der Ablaufkanal ist zudem hydraulisch mit einer Düseneinheit verbunden. Die hydraulische Kopplung des Arbeitsraums mit dem Ablaufkanal weist eine Drossel auf, deren hydraulischer Drosselquerschnitt vorzugsweise maximal 25 Prozent größer ist als die bei geöffnetem Ventil freigegebenen hydraulische Querschnittsfläche. Der hydraulische Drosselquerschnitt und die hydraulische Querschnittsfläche bezeichnen das Produkt des Drosselbeiwerts bzw. des Durchflussbeiwerts mit dem geometrischen Drosselquerschnitt bzw. der geometrischen Querschnittsfläche.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein erheblicher Anteil der Schallemissionen durch eine Schwingungsanregung des Antriebsstrangs bei einem Absteuervorgang in der Pumpe- Düse-Vorrichtung entsteht. Ein schlagartiger Druckabfall in dem Arbeitsraum der Pumpe nach dem Öffnen des Ventils führt zu einer plötzlichen Entlastung des Antriebsstrangs einer Brennkraftmaschine, in der die Pumpe-Düse-Vorrichtung anordenbar ist. Der Kolben der Pumpe ist direkt oder mittelbar mit einer Nockenwelle gekoppelt. Sein Hubverlauf hängt ab von der Ausbildung einer Nocke auf der Nockenwelle, die auf den Kolben einwirkt. Durch das plötzliche Entlasten der Nockenwelle wird diese dann zu Schwingungen angeregt, welche akustisch nach außen vom der Brennkraftmaschine abgestrahlt werden. Ebenso wird nach einem Schließvorgang des Ventils der Antriebsstrang der Brennkraftmaschine durch den plötzlichen Druckanstieg in dem Arbeitsraum schlagartig belastet und so ebenfalls zu Schwingungen angeregt.
Durch die Drossel, die in der hydraulischen Kopplung des Arbeitsraums mit dem Ablaufkanal angeordnet ist, wird die schlagartige Entlastung und Belastung des Antriebsstrangs gedämpft und es entstehen somit geringere Schallemissionen. Durch die Drossel in der hydraulischen Kopplung des Arbeitsraums mit dem Ablaufkanal wird nach dem Öffnen und nach dem Schließen des Ventils der Druckabfall beziehungsweise der Druckanstieg im Arbeitsraum gedämpft. Dadurch ist dann auch die plötzliche Entlastung des Antriebsstrangs beziehungsweise die plötzliche Belastung des Antriebsstrangs geringer. Dies führt dann zu einer deutlich geringeren Schwingungsanregung des Antriebsstrangs mit der Folge geringerer Schallemissionen.
Gleichzeitig hat die Drossel auch die Wirkung, dass bei einem Absteuervorgang, das heißt nach einem Öffnen des Ventils, der Druck in dem Ablaufkanal zuerst deutlich schneller abfällt als ohne Drossel, was dann zu einer geringeren Kavitationszeit in dem Absteuerraum führt und mithin auch zu einer Verringerung der Schallemissionen führt. Ferner wird durch das zuerst schnelle Abfallen des Drucks in dem Ablaufkanal erreicht, dass die Düsennadel, die in der Düseneinheit angeordnet ist und hydraulisch gekoppelt ist mit dem Ablaufkanal, schneller schließt als ohne Drossel. Das Ventil kann so für eine folgende Teileinspritzung schneller geschlossen werden und gleichzeitig erfolgt dann der
Druckaufbau in dem Ablaufkanal wesentlich schneller aufgrund des noch vorhandenen Hochdrucks in dem Arbeitsraum der Pumpe. Dies hat somit zur Folge, dass die Zeitdauer zwischen zwei Teileinspritzungen verringert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der hydraulische Drosselquerschnitt mindestens 75% der beiden geöffneten Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche. Dies hat den Vorteil, dass der Ärbeitsraum der Pumpe dann noch ausreichend befüllt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der hydraulische Drosselquerschnitt in etwa der bei geöffneten Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei diesem Wert das Optimum bezüglich der gewünschten Verringerung der Schallemissionen und gleichzeitig eines unvermeidlichen Druckverlusts durch die Drossel liegt, der zu einem verringerten Wirkungsgrad der Pumpe-Düse-Vorrichtung führt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel durch eine Y-Bohrung zwischen dem Ablaufkanal und dem Arbeitsraum gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Drossel einfach und sehr präzise als Stufenbohrung herstellbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Pumpe-Düse-Vorrichtung.
Die Pumpe-Düse-Vorrichtung umfasst eine Pumpeneinheit, eine Steuereinheit und eine Düseneinheit. Die Pumpe-Düse- Vorrichtung wird bevorzugt eingesetzt zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Diesel-Brennkraftmaschine ausgebildet. Die Brennkraftmaschine hat einen Ansaugtrakt zum Ansaugen von Luft, der mittels Gaseinlassventilen mit Zylindern koppelbar ist. Die Brennkraftmaschine weist ferner einen Abgastrakt auf, der über das Auslassventil gesteuert die aus den
Zylindern auszustoßenden Gase abführt. Den Zylindern sind jeweils Kolben zugeordnet, die jeweils über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle gekoppelt sind. Die Kurbelwelle ist mit einer Nockenwelle gekoppelt.
Die Pumpeneinheit umfasst einen Kolben 11, einen Pumpenkörper 12, einen Arbeitsraum 13 und ein Pumpen-Rückstellmittel 14, das vorzugsweise als Feder ausgebildet ist. Der Kolben 11 ist im eingebauten Zustand in einer Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle 16 gekoppelt, vorzugsweise mittels eines Kipphebels, und wird von dieser angetrieben. Der Kolben 11 ist in einer Ausnehmung des Pumpenkörpers 12 geführt und bestimmt abhängig von seiner Position das Volumen des Arbeitsraums 13. Das Pumpen-Rückstellmittel 14 ist so ausgebildet und angeordnet, dass das durch den Kolben 11 begrenzte Volumen des Arbeitsraums 13 einen Maximalwert aufweist, wenn auf den Kolben 11 keine äußeren Kräfte einwirken, d. h. Kräfte, die über die Kopplung mit der Nockenwelle 16 übertragen werden.
Die Düseneinheit umfasst einen Düsenkörper 51, in dem ein Düsenrückstellmittel 52, das als Feder und ggf. zusätzlich als Dämpfungseinheit ausgebildet ist, und eine Düsennadel 53 angeordnet sind. Die Düsennadel 53 ist in einer Ausnehmung des Düsenkörpers 51 angeordnet und wird im Bereich einer Nadelführung 55 geführt.
In einem ersten Zustand liegt die Düsennadel 53 an einem Nadelsitz 54 an und verschließt so eine Düse 56, die zum Zuführen des Kraftstoffs in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Düseneinheit ist vorzugsweise, wie dargestellt, als nach innen öffnende Düseneinheit ausgebildet.
In einem zweiten Zustand ist die Düsennadel 53 leicht beabstandet zu dem Nadelsitz 54 und zwar hin in Richtung zu dem Düsenrückstellmittel 52 angeordnet und gibt so die Düse 56 frei. In diesem zweiten Zustand wird Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zugemessen. Der erste oder zweite Zustand wird eingenommen abhängig von einer Kräftebilanz aus der Kraft, die durch das Düsenrückstellmittel 52 auf die Düsennadel 53 wirkt und aus der dieser entgegenwirkenden Kraft, die durch den hydraulischen Druck im Bereich des Nadelabsatzes 57 hervorgerufen wird. Die Steuereinheit umfasst einen Zulauf anal 21 und einen Ablaufkanal 22. Der Zulaufkanal 21 und der Ablaufkanal 22 sind mittels eines Ventils hydraulisch koppelbar. Der Zulaufkanal 21 ist von einem niederdruckseitigen Anschluss der Pumpe-Düse-Vorrichtung hin zu dem Ventil geführt. Der Ablaufkanal 22 ist hydraulisch mit dem Arbeitsraum 13 gekoppelt und ist hin zu dem Nadelabsatz 57 geführt und ist hydraulisch mit der Düse 56 koppelbar abhängig von dem Zustand, der von der Düsennadel 53 eingenommen wird. Das Ventil umfasst ein Ventilglied 231, das vorzugsweise als sog. A-Ventil ausgebildet ist, d. h. es öffnet nach außen entgegen der Strömungsrichtung des Fluids. Das Ventil umfasst ferner einen Absteuerraum 232, der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Zulaufkanal 21 und mittels des Ventilglieds 231 mit einem Hochdruckraum hydraulisch koppelbar ist. Der Hochdruckraum ist hydraulisch gekoppelt mit dem Ablaufkanal 22.
In der geschlossenen Stellung des Ventilglieds 231 liegt das Ventilglied 231 an einem Ventilsitz 234 eines Ventilkörpers 237 an. Ferner ist ein Ventilrückstellmittel vorgesehen, welches so angeordnet und ausgebildet ist, dass es das
Ventilglied 231 in eine Offenstellung, d. h. beabstandet zu dem Ventilsitz 234 drückt, wenn die durch einen Stellantrieb 24 auf das Ventilglied wirkenden Kräfte geringer sind als die Kräfte, die durch das Ventilrückstellmittel auf das Ventilglied 231 wirken. Der Stellantrieb 24 ist vorzugsweise als Piezostapel ausgebildet. Er kann jedoch auch ein anderer dem Fachmann bekannter und für eine derartige Anwendung geeigneter Stellantrieb, wie ein elektromagnetischer Stellantrieb sein.
Der Stellantrieb 24 ist vorzugsweise mittels eines Übertragers, der vorzugsweise den Hub des Stellantriebs 24 verstärkt, mit dem Ventilglied 231 gekoppelt. An dem Stellantrieb 24 ist vorzugsweise auch ein Stecker zur Aufnahme von elektrischen Kontakten zur Ansteuerung des Stellantriebs 24 vorgesehen.
In der Offenstellung des Ventilglieds 231 wird bei einer Bewegung des Kolbens 11, die nach oben d. h. in Richtung weg von der Düse 56 gerichtet ist, Kraftstoff über den Zulaufkanal 21 hin zum Arbeitsraum 13 angesaugt. Solange das Ventilglied 231 während einer anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens 11, d. h. bei einer hin zu der Düse 56 gerichteten Bewegung, weiterhin in seiner Offenstellung befindet, wird der in dem Arbeitsraum 13 und dem Ablaufkanal 22 befindliche Kraftstoff über das Ventil wieder zurück in den Absteuerraum 232 und ggf. in den Zulaufkanal 21 zurückgedrückt .
Wenn jedoch bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 11 das Ventilglied 231 in seine geschlossene Stellung gesteuert ist, wird der im Arbeitsraum 13 und somit auch der im Ablaufkanal 22 und der in dem Hochdruckraum 233 befindliche Kraftstoff verdichtet, wodurch der Druck mit zunehmender Abwärtsbewegung des Kolbens 11 im Arbeitsraum 13, im Hochdruckraum 233 und im Ablaufkanal 22 zunimmt. Entsprechend dem steigenden Druck im Ablaufkanal 22 erhöht sich auch die durch den Hydraulikdruck hervorgerufene Kraft, die auf den Nadelabsatz 57 in Richtung einer Öffnungsbewegung der Düsennadel 53 zum Freigeben der Düse 56 wirkt. Wenn der Druck in dem Ablaufkanal 22 einen Wert überschreitet, bei dem die durch den Hydraulikdruck hervorgerufene Kraft auf den Nadelabsatz 57 größer ist als die dieser entgegenwirkende Kraft des Düsenrückstellmittels 52, bewegt sich die Düsennadel 53 weg vom Nadelsitz 54 und gibt so die Düse 56 für die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder der Brennkraftmaschine frei. Die Düsennadel 53 bewegt sich dann wieder hinein in den Nadelsitz 54 und verschließt somit die Düse 56, wenn der Hydraulikdruck in dem Ablaufkanal 22 den Wert unterschreitet, bei dem die durch den Hydraulikdruck am Nadelabsatz 57 hervorgerufene Kraft kleiner ist als die durch das Düsenrückstellmittel 52 hervorgerufene Kraft. Der Zeitpunkt, an dem dieser Wert unterschritten wird und an dem somit die Kraftstoffzumessung beendet wird, kann durch das Steuern des Ventilglieds 231 von seiner geschlossenen Stellung in eine Offenstellung beeinflusst werden.
Durch das Steuern des Ventilglieds von seiner Schließstellung in seine Offenstellung wird die hydraulische Kopplung zwischen dem Hochdruckraum und dem Absteuerraum 232 und dem Zulaufkanal 21 hergestellt. Aufgrund des beim Öffnen herrschenden hohen Druckunterschiedes zwischen dem Fluid in dem Hochdruckraum und dem Ablaufkanal 22 und dem Fluid in dem Absteuerraum 232 und dem Zulaufkanal 21 strömt dann der Kraftstoff von dem Hochdruckraum mit sehr hoher Geschwindigkeit, in der Regel mit Schallgeschwindigkeit, in den Absteuerraum 232 und weiter in den Zulaufkanal 21. Dadurch wird dann der Druck in dem Hochdruckraum und dem Ablaufkanal 22 schnell so stark verringert, dass die von dem Düsenrückstellmittel 52 auf die Düsennadel 53 wirkenden Kräfte dazu führen, dass sich die Düsennadel 53 in den Nadelsitz 54 bewegt und somit dann die Düse 56 verschließt.
In der hydraulischen Kopplung des Arbeitraums 13 mit dem
Ablaufkanal 22 ist eine Drossel 18 angeordnet. Die Drossel 18 ist so ausgebildet, dass ihr hydraulischer Drosselquerschnitt maximal 25 Prozent größer ist als die bei geöffneten Ventil freigegebene Querschnittsfläche. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die bei geöffneten Ventil freigegebene geometrische Querschnittsfläche die ringförmige Fläche zwischen dem Ventilsitz 234 und dem Ventilglied 231. Bevorzugt ist der hydraulische Drosselquerschnit maximal 20 Prozent größer als die bei geöffnetem Ventil freigegebene hydraulische Querschnittsfläche. Ferner beträgt bevorzugt der hydraulische Drosselquerschnitt mindestens 75 % oder mindestens 80 % der bei geöffnetem Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur entspricht der hydraulische Drosselquerschnitt in etwa der bei geöffnetem Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche.
Die Drossel 18 ist bevorzugt durch eine Y-Bohrung zwischen dem Ablaufkanal und dem Arbeitsraum gebildet. Die Y-Bohrung umfasst bevorzugt eine Stufenbohrung, durch die die Drossel 18 gebildet wird . Die Drossel 18 wird dabei vorzugsweise durch eine Pilotbohrung ausgebildet, die dann hydroerosiv verrundet wird. Beim hydroerosiven Verrunden bewirken in einem Fluid befindliche Partikel das Verrunden der vorgegebenen Bereiche. Alternativ kann die Drossel 18 auch als Einsetzteil ausgebildet sein. Ferner kann die Drossel 18 auch eine beliebige andere dem Fachmann geläufige Form für Drosseln haben. Wird das Ventilglied 231 von seiner Schließstellung in seine Offenstellung gesteuert, so strömt das in dem Ablaufkanal 22 befindliche Fluid sehr schnell in den Absteuerraum 232 und gegebenenfalls in den Zulauf 21. Die Drossel 18 drosselt jedoch das Abströmen von Fluid aus dem Arbeitsraum 13 der Pumpe. Das Volumen des Arbeitsraums 13 ist das größte mit Fluid befüllbare Volumen der Pumpe-Düse- Vorrichtung. Das Volumen des Ablaufkanals 22 ist hingegen wesentlich kleiner als das Volumen des Arbeitsraums 13. Nach dem Steuern des Ventilglieds 231 in seine Offenstellung strömt somit das in dem Ablaufkanal 22 befindliche Fluid sehr schnell in den Absteuerraum 232 während das in dem Arbeitsraum 13 befindliche Fluid nur entsprechend der Ausbildung der Drossel 18 gedrosselt in den Ablaufkanal 22 strömt. Dies führt dazu, dass der Druck in dem Ablaufkanal 22 sehr schnell abfällt und somit die Düsennadel 53 wieder den Nadelsitz 54 kontaktiert und somit die Düse 56 verschließt, wenn der Druck in dem Arbeitsraum 13 noch sehr hoch ist und gegebenenfalls ausreichen würde um die Düsennadel 53 noch in ihrer Offenstellung zu halten. Das Ventilglied 231 kann somit sehr schnell erneut in seine Schließstellung gesteuert werden. Das noch unter sehr hohem Druck stehende Fluid in dem Arbeitsraum 13 strömt dann durch die Drossel 18 und so kann im Zusammenwirken mit einem weiteren Druckaufbau in dem Arbeitsraum 13 durch eine nach unten gerichtete Bewegung des Kolbens 11 sehr schnell wieder der erforderliche Druck zum Öffnen der Düsennadel 53 aufgebracht werden. Dies hat somit den Vorteil, dass innerhalb eines Arbeitsspiels des Zylinders sehr kurzzeitig aufeinanderfolgende Teileinspritzungen möglich sind.
Die Drossel 18 bewirkt, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teileinspritzungen der Druckabfall in dem Arbeitsraum 13 deutlich gedämpft wird und andererseits der Druckaufbau kontinuierlicher erfolgen kann. Dies führt dazu, dass die Nockenwelle 16 gleichmäßiger belastet ist und somit weniger zu Schwingungen angeregt wird, die über den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine nach außen akustisch wirksam übertragen werden und zu unangenehmen hörbaren Schallemissionen führen.
Zusätzlich werden die Schallemissionen dadurch reduziert, dass bei einem Absteuervorgang der Druck in dem Ablaufkanal 22 deutlich schneller abfällt, als wenn keine Drossel 18 vorgesehen ist. Dadurch wird die Kavitationszeit stark verringert, das heißt die Zeit während der Kraftstoff von dem Ablaufkanal 2 hin zu dem Absteuerraum 232 mit
Schallgeschwindigkeit strömt und bei der sich Dampfblasen bilden, die dann in einem Bereich geringerer
Strömungsgeschwindigkeit wieder implodieren und dabei Schall erzeugen und zusätzlich auch Schädigungen an dem Ventilkörper hervorrufen.
Ferner hat die Drossel 18 auch den Vorteil, dass eine Druckwelle, die nach dem Schließen des Ventilglieds 231 zwischen dem Ventilglied 231 und der Düsennadel 53 beziehungsweise dem Arbeitsraum 13 und der Düsennadel 53 hin und her läuft, deutlich gedämpft ist, da der Druckaufbau in dem Arbeitsraum 13 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teileinspritzungen deutlich kontinuierlicher ist und durch die geringere Schwingungsanregung des Kolbens 11 dann auch die Amplitude der Welle deutlich geringer ist. Dies führt zu einer deutlich besseren Steuerbarkeit des Zeitpunktes des Öffnens der Düse 56.
Wenn der hydraulische Drosselquerschnitt der Drossel 18 mindestens 75% oder 80 % der bei geöffneten Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche beträgt, ist sicher gestellt, dass der durch die Drossel 18 unvermeidbare Druckverlust in dem Ablaufkanal 22 nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung des Wirkungsgrades der Pumpe- Düse-Vorrichtung führt.

Claims

Patentansprüche
1. Pumpe-Düse-Vorrichtung mit einer Pumpe, die einen Kolben (11) und einen Arbeitsraum (13) hat, und mit nur einem Ventil mit einem Ventilglied (231) , das die hydraulische Kopplung eines Absteuerraums (232) mit einem Ablaufkanal (22) steuert, wobei der Absteuerraum (232) mit einem Zulaufkanal (21) verbunden ist, wobei der Ablaufkanal (22) mit dem Arbeitsraum (13) der Pumpe und einer Düseneinheit hydraulisch gekoppelt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Arbeitsraum (13) mit dem Ablaufkanal (22) nur über eine Drossel (18) verbunden ist.
2. Pumpe-Düse-Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der hydraulische Drosselquerschnitt der Drossel (18) maximal 25 Prozent größer ist als die bei geöffnetem Ventil freigegebene hydraulische Querschnittsfläche.
3. Pumpe-Düse-Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der hydraulische Drosselquerschnitt mindestens 75% der bei geöffnetem Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche beträgt.
4. Pumpe-Düse-Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der hydraulische Drosselquerschnitt in etwa der bei geöffnetem Ventil freigegebenen hydraulischen Querschnittsfläche entspricht.
5. Pumpe-Düse-Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drossel (18) durch eine Y-Bohrung zwischen dem Ablaufkanal (22) und dem Arbeitsraum (13) gebildet ist.
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