DE10310585A1

DE10310585A1 - Pumpe-Düse-Einheit

Info

Publication number: DE10310585A1
Application number: DE10310585A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Kronberger; Leonhard Trapp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Mechatronic Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-07-15
Also published as: DE50311952D1; JP2006509959A; EP1573197A1; US20060000924A1; EP1573197B1; WO2004057181A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) zum Zuführen von Kraftstoff (12) in einen Verbrennungsraum (14) einer Brennkraftmaschine, wobei die Pumpe-Düse-Einheit (10) dazu ausgelegt ist, zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vor einer Haupteinspritzung eine Voreinspritzung durchzuführen, mit einer Kraftstoffeinspritzdüse (16), die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin- und herbewegliche Düsennadel (18) aufweist, und mit einem ersten Druckraum (22), der mit einem ersten Druck (p¶22¶) beaufschlagt werden kann, wobei durch den ersten Druck (p¶22¶) eine Öffnungskraft auf die Düsennadel (18) ausgeübt wird und sich die Düsennadel (18) in ihre Öffnungsstellung bewegt, wenn der ersten Druck (p¶22¶) einen Düsenöffnungsdruck (p¶220¶) erreicht, wobei der Düsenöffnungsdruck (p¶220¶) für eine Voreinspritzung zumindest ungefähr so hoch wie für eine Haupteinspritzung ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Düsenöffnungsdruck (p¶220¶) ungefähr 500 bar oder mehr und vorzugsweise ungefähr 700 bar oder mehr beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit zum Zuführen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, wobei die Pumpe-Düse-Einheit dazu ausgelegt ist, zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vor einer Haupteinspritzung eine Voreinspritzung durchzuführen, mit einer Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel aufweist, und mit einem ersten Druckraum der mit einem ersten Druck beauf- schlagt werden kann, wobei durch den ersten Druck eine Öffnungskraft auf die Düsennadel ausgeübt wird und sich die Düsennadel in ihre Öffnungsstellung bewegt, wenn der erste Druck einen Düsenöffnungsdruck erreicht, wobei der Düsenöffnungsdruck für eine Voreinspritzung zumindest ungefähr so hoch wie für eine Haupteinspritzung ist.

Derartige Pumpe-Düse-Einheiten werden insbesondere im Zusammenhang mit druckgesteuerten Einspritzsystemen verwendet. Ein wesentliches Merkmal eines druckgesteuerten Einspritzsystems besteht darin, dass die Kraftstoffeinspritzdüse öffnet, sobald eine zumindest von aktuell herrschenden Drücken beeinflusste Öffnungskraft auf die Düsennadel ausgeübt wird. Derartige druckgesteuerte Einspritzsysteme dienen der Kraftstoffdosierung, der Kraftstoffaufbereitung, der Formung des Einspritzverlaufs und einer Abdichtung der Kraftstoffzuführung gegen den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine. Mit druckgesteuerten Einspritzsystemen lässt sich der zeitliche Verlauf des Mengenstroms während der Einspritzung in vorteilhafter Weise steuern. Damit kann ein positiver Einfluss auf die Leistung, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission des Motors genommen werden.

Bei den gattungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheiten ist die Kraftstoffpumpe und die Kraftstoffeinspritzdüse als integriertes Bauteil ausgebildet. Für jeden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine wird zumindest eine Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen, die in der Regel in den Zylinderkopf eingebaut wird. Die Kraftstoffpumpe umfasst dabei typischerweise einen in einem Kraftstoffpumpenzylinder hin und her beweglichen Kraftstoffpumpenkolben, der entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der üblicherweise einen zweiten Druckraum bildende Abschnitt des Kraftstoffpumpenzylinders ist über ein Steuerventil mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich verbindbar, wobei bei geöffnetem Steuerventil während des Saughubes des Kraftstoffpumpenkolbens Kraftstoff von dem Kraftstoff-Niederdruckbereich in den zweiten Druckraum angesaugt und während des Druckhubes des Kraftstoffpumpenkolbens bei weiterhin geöffnetem Steuerventil von dem zweiten Druckraum in den Kraftstoff-Niederdruckbereich zurückgedrückt wird. Sobald das Steuerventil geschlossen wird, erfolgt durch den Kraftstoffpumpenkolben eine Komprimierung des in dem zweiten Druckraum befindlichen Kraftstoffs und somit ein Druckaufbau. Der zweite Druckraum steht mit einem ersten Druckraum in Verbindung, wobei ein in dem ersten Druckraum herrschender erster Druck eine Öffnungskraft auf die Düsennadel ausübt, beispielsweise auf einen eine Schulter aufweisenden Abschnitt der Düsennadel. Der in dem ersten Druckraum herrschende erste Druck, bei dem die Düsennadel öffnet und eine Einspritzung stattfindet, wird als Düsenöffnungsdruck bezeichnet.

Beispielsweise die Erfüllung der EURO-IV-Abgasnorm, insbesondere bei höheren Gewichtsklasse von Diesel-Personenkraftwagen, erfordert ein hohes Einspritzdruckniveau im Teillastbereich bei niedrigen und mittleren Drehzahlen. Aufgrund des Antriebs über die Nockenwelle ist das Druckniveau bei den gattungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheiten in diesem Drehzahlbereich prinzipbedingt vergleichsweise niedrig, was insbesonde re durch die drehzahlabhängige Förderrate der Pumpe und den vorgegebenen konstanten Düsenquerschnitt bedingt ist. Der Düsenquerschnitt wird von der geforderten maximalen Einspritzmenge, vom zulässigen Maximaldruck und der maximal zulässigen Einspritzdauer bei Nenndrehzahl bestimmt. Das Einspritzdruckniveau hängt dabei wesentlich vom Düsenöffnungsdruck ab. Verhältnismäßig niedrige Düsenöffnungsdrücke sind insbesondere bei magnetventilgesteuerten Einspritzsystemen wegen der verhältnismäßig langen Schaltzeiten notwendig, um die für den Fahrkomfort notwendige feinstufige Dosierung der Einspritzmenge bei niedrigen Lasten, insbesondere eine präzise Voreinspritzung zu ermöglichen. Der typische Düsenöffnungsdruck für eine gute Dosierbarkeit der Voreinspritzmengen beträgt beim Stand der Technik zirka 200 bar.

Um die erforderlichen Voreinspritz-, Haupteinspritz- und gegebenenfalls Nacheinspritzmengen bereitstellen zu können, sind die gattungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheiten so ausgelegt, dass sich ein gegenüber der Voreinspritzung erhöhter Düsenöffnungsdruck für die Haupteinspritzung ergibt. Die Anpassung des Düsenöffnungsdrucks kann beispielsweise mittels Ausweichkolben oder druckgesteuerten Ventilen erfolgen, die die Schließkraft an der Düsennadel durch Erhöhung des Drucks im Düsenfederraum anheben.

Ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, bei dem der Düsenöffnungsdruck für eine Haupteinspritzung durch eine Erhöhung der Vorspannkraft einer Ventilfeder erhöht wird, ist beispielsweise aus der DE 198 44 891 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheiten derart weiterzubilden, dass ein einfacherer Aufbau ermöglicht wird, um so die Herstellungskosten zu senken.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Pumpe-Düse-Einheit baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Düsenöffnungsdruck ungefähr 500 bar oder mehr beträgt. Diese Lösung ermöglicht neben einer guten Einspritzmengendosierung einen einfacheren und robusteren Aufbau sowie niedrigere Herstellungskosten, weil hochpräzise Teile wie Ausweichelemente und/oder Druckventile entfallen können. Darüber hinaus wird ein im Vergleich zum Stand der Technik kleineres Bauvolumen erzielt. Ein weiterer Vorteil besteht in der freien Wahl des abgasoptimalen Druckniveaus, insbesondere im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich, ohne dass auf die Nebenwirkungen, die durch bekannte Lösungen mit hydraulisch unterstützten Schließkräften auftreten, Rücksicht genommen werden muss.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit ist vorgesehen, dass der Düsenöffnungsdruck ungefähr 700 bar oder mehr beträgt.

weiterhin wird bevorzugt, dass die Höhe des Düsenöffnungsdrucks durch die Vorspannung einer Feder eingestellt ist, die auf die Düsennadel eine Schließkraft ausübt. Die Einstellung der Vorspannkraft erfolgt vorzugsweise während des Montageprozesses. Beispielsweise kann der erste Druckraum mit einem ersten Druck beaufschlagt und gleichzeitig die auf die Feder ausgeübte Vorspannkraft variiert werden, bis eine ausgewählte Vorspannkraft erreicht ist, bei der sich die Düsennadel bei dem gewünschten Düsenöffnungsdruck in die Öffnungsstellung bewegt. Ein Endabschnitt der Feder kann anschließend in einer ausgewählten Stellung arretiert werden, die der Endabschnitt der Feder einnimmt, wenn die ausgewählte Vorspannkraft auf die Feder ausgeübt wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit ist weiterhin vorgesehen, dass ein Steuerven til vorgesehen ist, das einen Piezoaktor aufweist, der zumindest zur Auslösung von Vor- und Haupteinspritzungen elektrisch angesteuert wird. Durch den Einsatz eines Piezoaktors werden im Vergleich zu Lösungen mit einem Magnetventil sehr kurze Schaltzeiten ermöglicht, die die gewünschte Dosierfähigkeit kleiner Einspritzmengen auch bei Düsenöffnungsdrücken von beispielsweise mehr als 700 bar erreichen.

Bei der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit kann weiterhin vorgesehen sein, dass sie dazu ausgelegt ist, zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine nach einer Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung durchzuführen, und dass der Düsenöffnungsdruck für eine Nacheinspritzung zumindest ungefähr so hoch wie für eine Haupteinspritzung ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit.
Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit 10 zum Zuführen von Kraftstoff 12 in einen Verbrennungsraum 14 einer Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffpumpe 32–40 auf. Dabei ist ein Kraftstoffpumpenkolben 36 in einem Kraftstoffpumpenzylinder 34 hin und her bewegbar. Der Kraftstoffpumpenkolben 36 wird direkt oder indirekt über eine nicht dargestellte Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Der Kompressionsraum des Kraftstoffpumpenzylinders 34 bildet einen zweiten Druckraum 32. Der zweite Druckraum 32 ist über eine Kraftstoffleitung 38 mit einem Steuerventil 40 verbunden, das durch einen Piezoaktor 50 betätigt wird. Das Steuerventil 40 dient dazu, die Kraftstoffleitung 38 entweder zu verschließen oder mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich 42 zu verbinden, aus dem Kraft stoff 12 angesaugt werden kann. In seiner geöffneten Ruhestellung wird bei einer bezogen auf 1 nach oben gerichteten Bewegung (Saughub) des Kraftstoffpumpenkolbens 36 Kraftstoff 12 aus dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 42 in den zweiten Druckraum 32 angesaugt. Sofern das Steuerventil 40 sich bei einer bezogen auf 1 nach unten gerichteten Bewegung (Druckhub) des Kraftstoffpumpenkolbens 36 noch in seiner geöffneten Ruhestellung befindet, wird der vorher in den zweiten Druckraum 32 angesaugte Kraftstoff 12 wieder zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich 42 gedrückt. Bei einer Ansteuerung des Steuerventils 40 verschließt dieses die Kraftstoffleitung 38. Dadurch wird der in den zweiten Druckraum 32 angesaugte Kraftstoff 12 bei einer nach unten gerichteten Bewegung (Druckhub) des Kraftstoffpumpenkolbens 36 komprimiert, wodurch der zweite Druck p₃₂ in dem zweiten Druckraum 32 erzeugt wird. Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit 10 umfasst weiterhin eine insgesamt mit 16 bezeichnete Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel 18 aufweist. Der bezogen auf 1 obere Endabschnitt der Düsennadel 18 weist eine Scheibe 48 und einen Druckbolzen 56 auf, der bei der in 1 dargestellten Ausführungsform in einer Federkammer 30 geführt ist. Eine Feder 20 ist in der Federkammer 30 angeordnet und übt eine nach unten gerichtete Schließkraft auf die Scheibe 48 und den Druckbolzen 56 und somit auf die Düsennadel 18 aus. Der obere Endabschnitt 24 der Feder 20 stützt sich an einem napfförmigen Vorspannelement 26 ab, das in einer ausgewählten Stellung Y_S in der Federkammer 30 arretiert ist. Die in 1 auf den oberen Rand des Verschlusselementes 26 bezogene ausgewählte Stellung Y_S des Verschlusselements 26 erzwingt eine ausgewählte Stellung X_S des Endabschnitts 24 der Feder 20. Über die ausgewählte Stellung Y_S des Verschlusselements 26 beziehungsweise die ausgewählte Stellung X_S des Endabschnitts 24 der Feder 20 ist eine ausgewählte Vorspannkraft F_S eingestellt, die auf die Feder 20 ausgeübt wird.
Die Höhe dieser ausgewählten Vorspannkraft F_S beeinflusst den Düsenöffnungsdruck, der für Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen in etwa gleich hoch ist.
Ein erster Druckraum 22 kommuniziert über eine Verbindungsleitung 44 mit dem zweiten Druckraum 32. Somit übt in dem ersten Druckraum 22 unter einem ersten Druck p₂₂ stehender Kraftstoff eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 18 aus. Diese Öffnungskraft wirkt der von der Feder 20 auf die Scheibe 48 und den Druckbolzen 56 ausgeübten Schließkraft entgegen. Es ist zu erkennen, dass die ausgewählte Stellung Y_S des Vorspannelements 26 beziehungsweise die ausgewählte Stellung X_S des Endabschnitts 24 der Feder 20 die Höhe des in dem ersten Druckraum 22 erforderlichen Düsenöffnungsdrucks p₂₂₀ definiert, der zum Öffnen der Düsennadel 18 und damit zu einem Einspritzvorgang führt.
Das Verschlusselement 26 ist in der Federkammer 30 durch Reibschluss arretiert, wobei beispielsweise ein Reibungsbeiwert von 0,1 ÷ 0,2 vorgesehen sein kann. Obwohl dies in 1 nicht dargestellt ist, kann das Verschlusselement 26 und/oder die Federkammer 30 zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet sein, um die Arretierung des Verschlusselementes 26 in der Federkammer 30 zu erleichtern.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass es bei Pumpe-Düse-Systemen mit einem Piezo-Steuerventil aufgrund der kurzen Schaltzeiten möglich ist, die gewünschte Dosierfähigkeit kleiner Einspritzmengen auch bei Düsenöffnungsdrücken von mehr als 700 bar zu erreichen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) zum Zuführen von Kraftstoff (12) in einen Verbrennungsraum (14) einer Brennkraftmaschine, wobei die Pumpe-Düse-Einheit (10) dazu ausgelegt ist, zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vor einer Haupteinspritzung eine Voreinspritzung durchzuführen, mit: – einer Kraftstoffeinspritzdüse (16), die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel (18) aufweist, und – einem ersten Druckraum (22) der mit einem ersten Druck (p₂₂) beaufschlagt werden kann, wobei durch den ersten Druck (p₂₂) eine Öffnungskraft auf die Düsennadel (18) ausgeübt wird und sich die Düsennadel (18) in ihre Öffnungsstellung bewegt, wenn der erste Druck (p₂₂) einen Düsenöffnungsdruck (p₂₂₀) erreicht, wobei der Düsenöffnungsdruck (p₂₂₀) für eine Voreinspritzung zumindest ungefähr so hoch wie für eine Haupteinspritzung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenöffnungsdruck (p₂₂₀) ungefähr 500 bar oder mehr beträgt.
Piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenöffnungsdruck (p₂₂₀) ungefähr 700 bar oder mehr beträgt.
Piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Düsenöffnungsdrucks (p₂₂₀) durch die Vorspannung einer Feder (20) eingestellt ist, die auf die Düsennadel (18) eine Schließkraft ausübt.
Piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (40) vorgesehen ist, das einen Piezoaktor (50) aufweist, der zumindest zur Auslösung von Vor- und Haupteinspritzungen elektrisch angesteuert wird.
Piezogesteuerte Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgelegt ist, zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine nach einer Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung durchzuführen, und dass der Düsenöffnungsdruck (p₂₂₀) für eine Nacheinspritzung zumindest ungefähr so hoch wie für eine Haupteinspritzung ist.