DE19939459A1

DE19939459A1 - Hydraulischer Druckerzeuger

Info

Publication number: DE19939459A1
Application number: DE1999139459
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2000-11-23

Abstract

Es wird ein hydraulischer Druckerzeuger (10), insbesondere zum Aufbau des Einspritzdrucks in einer Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der zur Steuerung des Einspritzbeginns und der Einspritzmenge mit einer Steuereinrichtung (14) ausgestattet ist. Ein Ventilkörper (16) dieser Steuereinrichtung (14) ist von einem Betätigungsglied (42) entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung (54) beaufschlagt. Erfindungsgemäß ist das Betätigungsglied (42) ein Piezo-Aktor. Piezo-Aktoren bauen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Magnetkreisen kompakter, erlauben trotz einer geringeren Leistungsaufnahme höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Schaltwege. Mit Piezo-Aktoren lassen sich u. a. eine Kraftstoffvoreinspritzung oder eine Druckverlaufssteuerung realisieren.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Druckerzeuger entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Ein derartiger Druckerzeuger ist beispielsweise aus der WO 97/0131 bereits bekannt.

Dieser bekannte Druckerzeuger wird beispielsweise in sogenannten Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen verwendet. Jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ist dabei ein einzelner Druckerzeuger zugeordnet, der, betätigt von einer Nockenwelle, zu einem gegebenen Zeitpunkt eine vorgegebene Menge an Kraftstoff unter Druck bereitstellt. Der Druckerzeuger ist mittels einer Hochdruck führenden Kraftstoffleitung mit einem Injektor verbunden, der in einen Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt, um während eines Einspritzvorgangs die Kraftstoffmenge aufzubereiten. Diese Aufbereitung dient einer anwendungsspezifischen Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und ermöglicht dadurch eine optimale Entzündung und eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Damit läßt sich ein besonders kraftstoff- und schadstoffarmer Betrieb der Brennkraftmaschine realisieren.

Wesentliche Steuergrößen dabei sind u. a. der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer. Beide Größen lassen sich mit Hilfe einer Steuereinrichtung regeln, die mit dem Druckerzeuger in Wirkverbindung steht. Als Steuereinheiten sind aus dem Stand der Technik Ventile bekannt, deren Ventilkörper entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung von einem elektrisch ansteuerbaren Magnetkreis beaufschlagt sind. Magnetkreise bauen allerdings relativ aufwendig und voluminös und weisen eine geringe Schaltgeschwindigkeit und eine toleranzbehaftete Schaltbewegung auf. Des weiteren sind ohne technischen Zusatzaufwand nur verhältnismäßig grob gerastete Schaltschritte darstellbar.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist ein Druckerzeuger mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß das Ventilglied präzise, schnell und in kleinen Stufen betätigbar ist. Dadurch lassen sich u. a. Druckverlaufssteuerungen realisieren und Voreinspritzmengen regeln. Zudem bauen Piezo-Aktoren kompakt und nehmen nur eine geringe elektrische Leistung auf. Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Druckerzeuger mit integrierter Steuereinrichtung im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist ein Druckerzeuger für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit der Positionsnummer 10 bezeichnet. Dieser Druckerzeuger 10 besteht aus einem Pumpenkörper 12 mit einer integrierten Steuereinrichtung 14. Letztere weist u. a. einen Ventilkörper 16 auf, der in einer Ventilbohrung 18 des Pumpenkörpers 12 längsverschiebbar geführt ist. Der Ventilkörper 16 ist in mehrere Kolbenabschnitte 20 und in dazwischen liegende Verbindungsabschnitte 22 gegliedert, die abhängig von der Stellung des Ventilschiebers 16 Druckmittelverbindungen zwischen einem Hochdruck führenden Kanal 24, einem Einspritzkanal 26 und einem Rücklaufkanal 28 steuern.

Der Hochdruck führende Kanal 24 liegt dem Einspritzkanal 26 fluchtend gegenüber; beide Kanäle 24 und 26 münden rechtwinklig in die Ventilbohrung 18 ein.

An dem von dieser Mündungsstelle abgewandten Ende des Hochdruck führenden Kanals 24 ist ein Zylinder 30 mit eingesetztem Kolben 32 ausschnittsweise gezeigt. Es ist davon auszugehen, daß der Kolben 32 periodisch von einer nicht erkennbaren Nockenwelle der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist, um den Einspritzdruck zu erzeugen. Das Ende des Einspritzkanals 26 ist als Stutzen 34 mit Außengewinde ausgeführt, an dem eine nicht gezeichnete Kraftstoffleitung anschließbar ist. Diese Kraftstoffleitung koppelt den Druckerzeuger 10 hydraulisch mit einem nicht gezeigten Injektor. Ein Injektor ragt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hinein und bereitet die geförderte Kraftstoffmenge während des Einspritzvorgangs derart auf, daß die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und dessen vollständige Verbrennung gleichermaßen gewährleistet ist.

Der durch gestrichelte Linien angedeutete Rücklaufkanal 28 ist in einer Ebene angeordnet, die zu der des Hochdruck führenden Kanals 24 und des Einspritzkanals 26 versetzt bzw. geneigt ist und verbindet eine erste Arbeitskammer 36 der Steuereinrichtung 14 mit einer außerhalb des Pumpenkörpers 12 liegenden und zu einem Kraftstoffvorratsbehälter führenden Leitung oder Kanal (nicht gezeichnet). Zur Ausbildung einer zur ersten Arbeitskammer 36 benachbarten zweiten Arbeitskammer 38 ist die Ventilbohrung 18 im Mündungsbereich des Hochdruck führenden Kanals 24 bzw. des Einspritzkanals 26 in ihrem Innendurchmesser erweitert. Der Übergang von der ersten zur zweiten Arbeitskammer 36, 38 ist als Ventilsitz 40 ausgebildet. Dieser Ventilsitz 40 ist in der dargestellten Schaltstellung von einem der Kolbenabschnitte 20 des Ventilkörpers 16 druckdicht verschlossen. Dadurch herrscht der vom Kolben 32 im Zylinder 30 erzeugte Druck auch im Einspritzkanal 26. Im nicht betätigten Zustand, d. h. bei geöffnetem Ventilsitz 40, besteht im Unterschied dazu eine Druckmittelverbindung zwischen dem Einspritzkanal 26 und dem Rücklaufkanal 28, die einen entsprechenden Druckaufbau im Einspritzkanal 26 verhindert. Durch eine Verstellung des Ventilkörpers 16 läßt sich demnach der Druck im Einspritzkanal 26, die Einspritzdauer und somit die Menge des eingespritzten Kraftstoffs an die momentanen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anpassen.

Zur Verstellung des Ventilkörpers 16 ist ein Betätigungsglied 42 vorgesehen. Beim Betätigungsglied 42 handelt es sich erfindungsgemäß um einen Piezo-Aktor. Dieser ist mit seinem Gehäuse 44 in einer dafür vorgesehenen, seitlichen Ausnehmung 46 des Pumpenkörpers 18 befestigt.

Piezo-Aktoren zeichnen sich im Vergleich zu Magnetkreisen durch ihre kompakte und kostengünstige Bauweise, ihre geringe Leistungsaufnahme, ihre exakten und fein dosierbaren Schaltbewegungen und ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten aus. Diese Schaltbewegungen der Piezo-Aktoren werden durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Druckraum 48 mit unterschiedlich großen Druckflächen 50, 52 zwischen das Betätigungsglied 42 und den Ventilkörper 16 geschaltet, der die Schaltbewegung des Piezo-Aktors hydraulisch übersetzt. Der Stellkraft des Betätigungsglieds 42 wirkt die Kraft einer Rückstellfeder 54 entgegen. Letztere ist zwischen die dem Betätigungsglied 42 gegenüberliegende Stirnseite des Ventilkörpers 16 und einen die Ventilbohrung 18 nach außen verschließenden Deckel 56 eingespannt. Die Rückstellfeder 54 verbringt den Ventilkörper 16 im nicht bestromten Zustand des Piezo-Aktors in seine Grundstellung, die durch einen geöffneten Ventilsitz 40 gekennzeichnet ist. Die Steuereinrichtung 14 bildet demnach ein sogenanntes I-Ventil. I-Ventile sind Ventile, die in Wirkungsrichtung des Betätigungsglieds 42 schließen.

Das Betätigungsglied 42 des Ausführungsbeispiels umfaßt ein Piezoelement 58, das unter Vorspannung in das Gehäuse 44 eingebaut ist. Die Vorspannung erzeugt ein topf- oder bügelförmiges Vorspannelement 60, das im Gehäuse 44 verankert ist, über seine elastisch ausgeführt e Außenwandung. Diese ist dazu gewellt, d. h. mit mehreren umlaufenden Wulsten versehen. Das Piezoelement 58 ist mit einem Stößel 62 ausgestattet, an dessen einem Ende eine Stößelplatte 64, im Ausführungsbeispiel in Form einer Sechskantmutter, verankert ist. Die Stößelplatte 64 liegt an einer Membran 66 an, die die erste Druckfläche 50 des Druckraums 48 bildet und die gleichzeitig für deren Abdichtung sorgt. Die zweite Druckfläche 52 bildet die in ihrem Durchmesser gegenüber der Stößelplatte 64 deutlich kleinere Stirnfläche des Ventilkörpers 16. Zwischen den beiden Druckflächen 50, 52 befindet sich ein Distanzring 68, dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem der Ventilbohrung 18 entspricht. Eine von außen nach innen konisch abfallende Außenseite auf der, der Membran 66 zugewandten Seite des Distanzrings 68 ermöglicht die vom Betätigungsglied 42 erzeugte Auslenkbewegung der Membran 66. Das Gehäuse 44 weist an seiner vom Pumpenkörper 12 abgewandten Seite einen Verschluß 70 auf. Dieser ist mit Kontakten 72 zur elektrischen Ansteuerung des Piezoelements 58 versehen.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Diesbezüglich ist anzumerken, daß die beschriebene Ausbildung des Betätigungsglieds 42 rein exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen ist. Eine hydraulische Übersetzung der Stellbewegung kann anstatt einer Kombination aus einer Membran 66 mit einem Kolben auch durch zwei Kolben unterschiedlich großer Kolbenflächen ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann auf eine hydraulische Übersetzung auch ganz verzichtet werden. Die koaxial zum Ventilkörper 16 gewählte Anordnung des Betätigungsglieds 42 im Ausführungsbeispiel läßt sich mit Hilfe des zwischengeschalteten Druckraums 48 auch in eine rechtwinklige Anordnung beider Bauelemente zueinander umwandeln, ohne die erfindungsgemäßen Vorteile der Erfindung zu beeinträchtigen.

Claims

1. Hydraulischer Druckerzeuger (10), insbesondere zum Aufbau des Einspritzdrucks in einer Pumpe-Leitung-Düse- Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuereinrichtung (14), die zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen einem Hochdruck führenden Druckmittelkanal (24), einem Einspritzkanal (26) und einem Rücklaufkanal (28) einen Ventilkörper (16) aufweist, der von einem extern ansteuerbaren Betätigungsglied (42) entgegen der Kraft einer Rückstelleinrichtung (54) beaufschlagbar ist und mit einem Stutzen 34 am Ende des Einspritzkanals 26 zur hydraulischen Kontaktierung des Druckerzeugers mit einem Injektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (42) ein Piezo-Aktor ist.

2. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ventilkörper (16) und dem Betätigungsglied (42) ein Druckraum (48) ausgebildet ist, dessen vom Ventilkörper (16) und dem Betätigungsglied (42) begrenzte Druckflächen (50, 52) unterschiedlich groß sind.

3. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Betätigungsglied (42) zugewandte Druckfläche (52) des Druckraums (48) von einer Membran (66) begrenzt ist.

4. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (42) einen Stößel (62) mit einer daran verankerten Stößelplatte (64) aufweist.

5. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen des Betätigungsglieds (42) und des Ventilkörpers (16) miteinander fluchten.

6. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen des Betätigungsglieds (42) und des Ventilkörpers (16) rechtwinklig zueinander verlaufen.

7. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung (54) eine Druckfeder ist.

6. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelverbindung zwischen dem Hochdruck führenden Druckmittelkanal (24) und dem Rücklaufkanal (28) als Ventilsitz (40) ausgebildet ist, der vom Ventilkörper (16) gesteuert ist.

9. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewegung des Ventilkörpers (16) entgegen der Fließrichtung des vom Hochdruck führenden Druckmittelkanal (24) zum Rücklaufkanal (28) strömenden Druckmittels erfolgt.

10. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger (10) und die Steuereinrichtung (14) als gemeinsame Baueinheit ausgebildet sind, die mittels einer Kraftstoffleitung mit einem Injektor der Brennkraftmaschine verbunden ist.