DE102007002402B4

DE102007002402B4 - Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007002402B4
Application number: DE102007002402.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Gerit Ebelsberger; Dr. Gerlich Matthias; Michael Höge; Dr. Magori Erhard; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: DE102007002402A1

Abstract

Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Einblasöffnung, einer Nadel (17) und einem Aktor (4), um die Nadel (17) zwischen einer Schließstellung, in der die Einblasöffnung durch die Nadel (17) verschlossen ist, und einer Einblasstellung, in der die Einblasöffnung geöffnet ist, hin- und herzubewegen, sowie ein hydraulischer Hubtransformator, um eine Bewegung des Aktors (4) mit einem relativ kleinen Hub in eine Bewegung der Nadel (17) mit einem relativ großen Hub zu transformieren, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Hubtransformator eine Dämpfungseinrichtung (16) umfasst, um Vibrationen der Nadel (17) zu dämpfen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 697 02 893 ist eine solche Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, die eine Einblasöffnung, eine Nadel und einen Aktor umfaßt, um die Nadel zwischen einer Schließstellung, in der die Einblasöffnung durch die Nadel verschlossen ist, und einer Einblasstellung, in der die Einblasöffnung geöffnet ist, hin- und herzubewegen. Gas wird dabei durch die Einblasvorrichtung direkt in einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingeblasen. Durch das direkte Einblasen wird eine sehr gute, umweltfreundliche Verbrennung ermöglicht.
Aus der DE 103 43 086 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor ausgestattet ist. Mittels eines beweglichen Ventilschließkörpers wird ein Hydraulikmedium, welches vom Brennstoff mit Druck beaufschlagt ist, abgegeben.
Aus der DE 102 17 594 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zur Direktinjektion in einen Brennraum bekannt, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor, einem Aktorkolben und einem mit dem Aktorkolben über ein Druckmedium in Wirkverbindung stehenden Hubkolben. Eine Ausgleichseinrichtung gleicht thermische Längenänderungen des Aktors aus.
Die DE 101 59 749 A1 offenbart ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor und einem hydraulischen Koppler mit Geberkolben und Nehmerkolben und mit einem Druckraum, der mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist. Der Druckraum ist über Dichtungen gegenüber Aktorraum und Ventilinnenraum abgedichtet.
Die DE 199 40 054 A1 betrifft ein Dosierventil mit einem Gehäuse, einer Ventilnadel, einem Piezoaktor in einem Aktorraum sowie eine Hydraulikkammer und einem Ausgleichsraum, jeweils gefüllt mit einem Hydraulikfluid. Weiterhin ist ein Längenausgleichselement vorhanden und das Hydraulikfluid steht unter einem Vordruck.
Die zitierten Druckschriften offenbaren keine Anpassungen zum Einblasen von sehr großen Gasvolumina.
Um ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der Gas verwendet, zu betreiben, müssen relativ große Gasvolumen in sehr kurzen Zeiteinheiten mit Hilfe der Gaseinblasvorrichtung eingeblasen werden. Dazu muß eine Querschnittsfläche geöffnet werden, die mindestens eine Größenordnung (Faktor 10) über der Querschnittsfläche eines typischen Benzininjektors liegt.
Nachteilig ist, daß die Gaseinblasvorrichtung groß ausgelegt werden muß, um das Einblasen von sehr großen Gasvolumen in sehr kurzen Zeiteinheiten zu ermöglichen, wodurch unerwünscht viel Raum bei dem Zylinder belegt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die wenig Raum belegt und gleichzeitig das Einblasen von ausreichenden Gasmengen in sehr kurzen Zeiteinheiten ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein hydraulischer Hubtransformator vorgesehen, um eine Bewegung des Aktors mit einem relativ kleinen Hub in eine Bewegung der Nadel mit einem relativ großen Hub zu transformieren.
Vorteilhafterweise kann ein Aktor verwendet werden, der selbst nicht für einen ausreichenden Hub sorgen kann, um eine ausreichende Gaszufuhr zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der hydraulische Hubtransformator ein mit einem Fluid gefülltes abgeschlossenes Volumen, welches eine hintere Öffnung aufweist, in welche ein Hubkolben eingeführt ist, und eine vordere Öffnung aufweist, in welche ein Nadelbetätigungskolben eingeführt ist.
Vorteilhafterweise ist ein derartiger hydraulischer Hubtransformator langlebig und stabil.
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist eine hintere Dichtung zwischen dem Hubkolben und dem Gehäuse hinter der hinteren Öffnung vorgesehen, so daß eine hintere Dichtungskammer ausgebildet ist, und ist eine vordere Dichtung zwischen dem Nadelbetätigungskolben und dem Gehäuse vor der vorderen Öffnung vorgesehen, so daß eine vordere Dichtungskammer ausgebildet ist, und verbindet eine Leitung die vordere Kammer mit der hinteren Kammer.
Vorteilhafterweise kann der Hubtransformator vollkommen abgedichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der hydraulische Hubtransformator eine Dämpfungseinrichtung, um Vibrationen der Nadel zu dämpfen.
Vorteilhafterweise läßt sich die Menge des eingespritzten Gases dadurch besser dosieren und erhöhen.
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist das abgeschlossene Volumen durch die Dämpfungseinrichtung in mindestens zwei Teilvolumina unterteilt, ist die Dämpfungseinrichtung als Drossel ausgebildet, die eine Fluidverbindung zwischen den mindestens zwei Teilvolumina bildet, und ist die Dämpfungseinrichtung so angeordnet, daß das Fluid durch die Drossel während der Bewegung des Aktors hindurchströmt.
Vorteilhafterweise läßt sich eine derartige Dämpfungsvorrichtung für einen hydraulischen Hubtransformator einfach durch ein Loch oder mehrere Löcher umsetzen.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist eines der mindestens zwei Teilvolumina als eine hintere Transformatorkammer mit relativ großem Querschnitt ausgebildet, in welcher die hintere Öffnung vorgesehen ist, und ist eines der mindestens zwei Teilvolumina als eine vordere Transformatorkammer mit relativ kleinem Querschnitt ausgebildet, in welcher die vordere Öffnung vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise sind zylindrische Kammern für hydraulische Hubtransformatoren besonders geeignet.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform basiert das Fluid auf Silikonöl, Glyzerin, Mineralöl oder synthetischem Öl.
Vorteilhafterweise sind Silikonöl oder Glyzerin, Mineralöl oder synthetisches Öl aufgrund ihrer hohen Viskosität besonders geeignet, um für eine Schwingungsdämpfung zu sorgen.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist die Drossel als ein Loch ausgebildet.
Vorteilhafterweise können durch ein Loch mit geeigneten Maßen Vibrationen besonders gut unterdrückt werden, ohne den Fluidstrom zu sehr zu behindern.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Hubsensor vorgesehen, um einen Hub der Nadel zu erfassen.
Vorteilhafterweise kann der Hubsensor entweder direkt den Hub der Nadel oder indirekt durch die Verschiebung des Gleitelements messen.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das abgeschlossene Volumen mit einer der beiden Dichtungskammern über ein Rückschlagventil verbunden.
Vorteilhafterweise kann durch das Rückschlagventil eine Abnahme der Fluidmenge in den Transformatorkammern verhindert werden.
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform weist das Rückschlagventil einen Ventilkanal auf.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilkanal in dem Gehäuse ausgebildet.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilkanal in dem Nadelbetätigungskolben ausgebildet.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Rückschlagventil eine Schließkugel und eine Feder.
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist das Rückschlagventil als Membranventil ausgebildet.
In nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nadel durch eine aktive Steuerung zur Schwingungsdämpfung ansteuerbar.
Vorteilhafterweise kann eine ideale schwingungsfreie Betätigung des Ventils bei gleichzeitig optimaler Dynamik erreicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer Gaseinblasvorrichtung in der Schließstellung;
2 einen Querschnitt der Gaseinblasvorrichtung aus 1 in der Einblasstellung; und
3 einen Querschnitt einer weiteren Gaseinblasvorrichtung.
1 zeigt einen Querschnitt einer Gaseinblasvorrichtung in der Schließstellung. Gas wird durch eine Zuleitung 1 am hinteren Ende des zylindrischen Gehäuses 2 zu einem Aktorraum 2, in dem ein Aktor 4, vorzugsweise ein Piezoaktor, untergebracht ist, zugeführt und strömt dann durch einen Kanal 5 weiter in einen Einblasraum 6 an dem vorderen Ende der Gaseinblasvorrichtung.
Zwischen dem Aktorraum 3 und dem Einblasraum 6 ist ein Hubtransformator vorgesehen. Der Hubtransformator umfaßt eine hintere zylindrische Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt und eine vordere zylindrische Transformatorkammer 8 mit kleinem Querschnitt, die in dem Gehäuse 2 ausgebildet sind. In einer hinteren Öffnung der Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt ist ein zylindrischer Hubkolben 9 eingeführt, so daß diese Öffnung verschlossen ist. In einer vorderen Öffnung der Transformatorkammer 8 mit kleinem Querschnitt ist ein Nadelbetätigungskolben 10 eingeführt, so daß auch diese Öffnung verschlossen ist. Die Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt und die Transformatorkammer 8 mit kleinem Querschnitt sind durch eine Drossel 16 voneinander getrennt, die aus einer zylindrischen Platte besteht, in der ein kleines Loch ausgebildet ist und die an der vorderen Innenwand der Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt durch Schrauben befestigt ist. Statt eines Lochs können auch mehrere Löcher, eine Gitterstruktur oder poröses Material vorgesehen sein. Die Transformatorkammern 7 und 8 sind mit einem Fluid wie zum Beispiel Glyzerin oder Silikonöl ausgefüllt. Der Hubkolben 9 und der Nadelbetätigungskolben 10 verschließen die entsprechenden Öffnungen, in welche sie eingeführt sind, jedoch nicht vollkommen dicht. Daher kann das Fluid zwischen dem Gehäuse 2 und dem Hubkolben 9 bzw. dem Nadelbetätigungskolben 10 austreten. Um den weiteren Austritt des Fluids in den Aktorraum 2 und Einblasraum 6 zu verhindern, ist zwischen einem hinteren verjüngten Ende des Hubkolbens 9 und dem Gehäuse 2 eine ringförmige gewellte Dichtung 11 aus einem elastischen Material vorgesehen, so daß eine hintere Dichtungskammer 12 ausgebildet ist, und ist zwischen dem Nadelbetätigungskolben 10 und dem Gehäuse 2 eine ringförmige gewellte Dichtung 13 aus einem elastischem Material vorgesehen, so daß eine vordere Dichtungskammer 14 ausgebildet ist. Die Dichtungskammern 12 und 14 sind ebenfalls mit dem Fluid gefüllt, denn das Fluid kann nicht nur aus der Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt und der Transformatorkammer 8 mit kleinem Querschnitt austreten, sondern auch auf dem gleichen Weg eintreten, und insbesondere das Eintreten von Luft muß verhindert werden. Die hintere Dichtungskammer 12 und die vordere Dichtungskammer 14 sind durch eine Leitung 15 miteinander verbunden. Dadurch findet ein Druckausgleich zwischen den Dichtungskammern 12 und 14 statt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Dichtungskammern prall gefüllt sind, um eine Beschädigung der Dichtungen 11 und 13 während der Bewegung des Hubkolbens 9 und des Nadelbetätigungskolbens 10 zu verhindern.
Der Hubkolben 9 stößt mit seinem hinteren Ende gegen die Aktor 4, so daß eine Bewegung des Aktors 4 aufgrund dessen Ausdehnung entlang der Gaseinblasvorrichtung an den Hubkolben 9 übertragen wird. Der Nadelbetätigungskolben 10 ist einstückig mit der Nadel 17 ausgebildet, die eine Einblasöffnung verschließt, die in dem Gehäuse 2 ausgebildet ist und in dem Einblasraum 6. Der Nadelbetätigungskolben und die Nadel können aber auch von einander getrennt sein. In dem Einblasraum 6 ist eine Feder 18 aufgenommen. Diese Feder 18 drückt gegen einen Vorsprung 19, der ringförmig um die Nadel 17 bzw. den Nadelbetätigungskolben 10 verläuft und bringt die nach außen öffnende Nadel 17 dadurch in ihre Schließstellung, in welcher eine Anschlagkante am vorderen Ende der Nadel 17 gegen einen Nadelsitz drückt, der in der Einblasöffnung ausgebildet ist, so daß die Einblasöffnung verschlossen ist.
2 zeigt die Gaseinblasvorrichtung aus 1 in der Einblasstellung. Beim Übergang von der Schließstellung zur Einblasstellung dehnt sich der Aktor 4 in Längsrichtung aus, so daß der Hubkolben 9 nach vorne geschoben wird, wodurch das Fluid in der Transformatorkammer 7 mit einem großem Querschnitt durch das Loch der Drossel 16 in die Transformatorkammer 8 mit einem kleinen Querschnitt gedrückt. Dadurch werden der Nadelbetätigungskolben 10 und die Nadel 17 nach vorne geschoben, und wird die Feder 18 zusammengedrückt. Aufgrund der unterschiedlichen Querschnitte der Transformatorkammer 7 mit dem großen Querschnitt und der Transformatorkammer 8 mit dem kleinen Querschnitt wird dabei der Nadelbetätigungskolben 10 wesentlich weiter verschoben, als sich der Aktor 4 ausdehnt. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei an die gewünschte Gasmenge angepaßt und kann beispielsweise 5 betragen. Zwischen der Anschlagkante am vorderen Ende der Nadel 17 und dem Nadelsitz 29 entsteht ein Spalt, durch den das Gas hindurchströmen kann.
Wenn sich der Aktor 4 wieder zusammenzieht, strömt das Fluid aus der Transformatorkammer 8 mit kleinem Querschnitt durch das Loch in der Drossel 16 in die Transformatorkammer 7 mit großem Querschnitt, wodurch die Nadel 17 durch die Feder 18 in die Schließstellung zurückbewegt wird, und die Einblasöffnung verschlossen wird.
Aufgrund der hohen Umdrehungszahl des Motors findet der Vorgang des Öffnens und Schließens der Einblasöffnung wiederholt in schnellen Wechseln statt. Dadurch werden die Nadel 17 und die gesamte Einblasvorrichtung zu Vibrationen angeregt. Die Vibrationen werden jedoch durch die Reibung, die auftritt, wenn das Fluid durch die Drossel 16 strömt, derart gedämpft, daß die Nadelbewegungsfunktion annährend als aperiodischer Grenzfall beschrieben werden kann.
3 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Gaseinblasvorrichtung. Für identische Elemente werden dabei die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die weitere Gaseinblasvorrichtung umfaßt zusätzlich ein Rückschlagventil, welches im Hubkolben 9 ausgebildet ist und eine Schließkugel 20 aufweist, die durch eine Feder 21 vorgespannt ist. Wenn der Druck in der hinteren Dichtungskammer 12 größer als in der Transformatorkammer 7 ist, wird die Schließkugel 20 von ihrem Sitz abgehoben, und das Fluid kann von der hinteren Dichtungskammer durch einen Ventilkanal 22 in die Transformatorkammer 7 strömen. Ein ähnliches Rückschlagventil kann auch im Nadelbetätigungskolben 10 ausgebildet sein. Das Rückschlagventil kann auch in dem Gehäuse ausgebildet sein und an dem Hubkolben 9 bzw. Nadelbetätigungskolben 10 vorbeigeführt sein. Durch ein solches Rückschlagventil kann eine Abnahme der Fluidmenge in den Transformatorkammern 7,8 verhindert werden, und es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Fluidmengen in den Dichtungskammern 12, 14 und den Transformatorkammern 7, 8 ein. Die weitere Gaseinblasvorrichtung weist außerdem einen optischen Hubsensor 23 auf, der die Verschiebung einer Einbuchtung 24 erfaßt, die ringförmig außen um den Nadelbetätigungskolben 10 verläuft. Eine Drossel 25 ist an der Innenwand der Kammer 8 mit kleinem Querschnitt befestigt.
Bezugszeichenliste

1: Zuleitung
2: Gehäuse
3: Aktorraum
4: Aktor
5: Kanal
6: Einblasraum
7: Transformatorkammer mit großem Querschnitt
8: Transformatorkammer mit kleinem Querschnitt
9: Hubkolben
10: Nadelbetätigungskolben
11: Dichtung
12: Dichtungskammer
13: Dichtung
14: Dichtungskammer
15: Leitung
16: Drossel
17: Nadel
18: Feder
19: Vorsprung
20: Schließkugel
21: Feder
22: Kanal
23: Hubsensor
24: Einbuchtung
25: Drossel

Claims

Gaseinblasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Einblasöffnung, einer Nadel (17) und einem Aktor (4), um die Nadel (17) zwischen einer Schließstellung, in der die Einblasöffnung durch die Nadel (17) verschlossen ist, und einer Einblasstellung, in der die Einblasöffnung geöffnet ist, hin- und herzubewegen, sowie ein hydraulischer Hubtransformator, um eine Bewegung des Aktors (4) mit einem relativ kleinen Hub in eine Bewegung der Nadel (17) mit einem relativ großen Hub zu transformieren, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Hubtransformator eine Dämpfungseinrichtung (16) umfasst, um Vibrationen der Nadel (17) zu dämpfen.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Hubtransformator ein mit einem Fluid gefülltes abgeschlossenes Volumen umfasst, welches eine hintere Öffnung aufweist, in welche ein Hubkolben (9) eingeführt ist, und eine vordere Öffnung aufweist, in welche ein Nadelbetätigungskolben (10) eingeführt ist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine hintere Dichtung (11) zwischen dem Hubkolben (9) und dem Gehäuse (2) hinter der hinteren Öffnung vorgesehen ist, so dass eine hintere Dichtungskammer (12) ausgebildet ist, und dass eine vordere Dichtung (13) zwischen dem Nadelbetätigungskolben (10) und dem Gehäuse (2) vor der vorderen Öffnung vorgesehen ist, so dass eine vordere Dichtungskammer (14) ausgebildet ist, und dass eine Leitung (15) die vordere Kammer (14) mit der hinteren Kammer (12) verbindet.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschlossene Volumen durch die Dämpfungseinrichtung (16) in mindestens zwei Teilvolumina unterteilt ist, dass die Dämpfungseinrichtung (16) als Drossel ausgebildet ist, die eine Fluidverbindung zwischen den mindestens zwei Teilvolumina bildet, und dass die Dämpfungseinrichtung (16) so angeordnet ist, dass das Fluid durch die Drossel während der Bewegung des Aktors (4) hindurchströmt.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der mindestens zwei Teilvolumina als eine hintere Transformatorkammer (7) mit relativ großem Querschnitt ausgebildet ist, in welcher die hintere Öffnung vorgesehen ist, und dass eines der mindestens zwei Teilvolumina als eine vordere Transformatorkammer (8) mit relativ kleinem Querschnitt ausgebildet ist, in welcher die vordere Öffnung vorgesehen ist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid auf Silikonöl, Glyzerin, Mineralöl oder synthetischem Öl basiert.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel als ein Loch ausgebildet ist.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubsensor (23) vorgesehen ist, um einen Hub der Nadel (17) zu erfassen.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschlossene Volumen mit einer der beiden Dichtungskammern (12, 14) über ein Rückschlagventil verbunden ist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil einen Ventilkanal (22) aufweist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (22) in dem Gehäuse (2) ausgebildet ist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (22) in dem Nadelbetätigungskolben (9) ausgebildet ist.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil eine Schließkugel (20) und eine Feder (21) umfasst.
Gaseinblasvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil als Membranventil ausgebildet ist.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel (17) durch eine geeignete aktive Steuerung zur Schwingungsdämpfung ansteuerbar ist.
Gaseinblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluide dosierbar sind.