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Title:
HYDRAULIC CONTROL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/014730
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a hydraulic control device (14), especially a hydraulic control device for an aggregate for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. The inventive control device (14) has an externally controlled actuator (24) and a valve member (22) interacting therewith. Said valve member controls the pressure medium connections between at least one channel (18) that carries a high-pressure medium and one channel (20) that carries a low-pressure medium and determines the injection parameters. The aim of the invention is to provide a hydraulic control device that allows injection of the fuel in several stages. To this end, the valve member (22) has at least two valve seats (36.1 and 36.2) which are controlled by separate closing members (26.1 and 26.2). Said closing members are mounted to be displaced relative to each other and to be actuated in the same direction. The invention facilitates a multi-stage injection with a single control of the actuator (24) and thereby reduces the control frequency and heat build-up of the actuator (24).

Inventors:
BOECKING FRIEDRICH (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/002677
Publication Date:
March 01, 2001
Filing Date:
August 10, 2000
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
BOECKING FRIEDRICH (DE)
International Classes:
F02M45/04; F02M45/06; F02M51/00; F02M57/02; F02M59/36; F02M59/46; F16K1/44; H01L41/09; (IPC1-7): F02M59/36; F02M59/46; F02M45/06; F02M57/02; F16K1/44
Domestic Patent References:
WO1999009318A11999-02-25
Foreign References:
EP0622573A11994-11-02
EP0367114A21990-05-09
DE3844133A11989-07-13
DE3844133A11989-07-13
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Claims:
Ansprüche
1. Hydraulische Steuervorrichtung (14), insbesondere für ein Aggregat zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einer extern ansteuerbaren Betätigungseinrichtung (24) und einem mit dieser Betätigungseinrichtung (24) zusammenwirkenden Ventilteil (22), das zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen wenigstens einem Hochdruck führenden Kanal (18) und einem Niederdruck führenden Kanal (20) einen beweglich geführten Ventilkörper (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilteil (22) wenigstens zwei Ventilsitze (36.1 und 36.2) aufweist und daß der Ventilkörper (26) zur Steuerung dieser Ventilsitze (36.1 und 36.2) wenigstens zwei relativ zueinander beweglich geführte Schließglieder (26.1 und 26.2) umfaßt.
2. Hydraulische Steuervorrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließglieder (26.1,26.2) in einem gemeinsamen Richtungssinn betätigbar sind.
3. Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließglieder (26.1 und 26.2) koaxial zueinander angeordnet sind und zur gegenseitigen Zentrierung wenigstens abschnittsweise ineinander ragen. 4. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schließglied (26.1 und 26.
4. 2) wenigstens eine Rückstelleinrichtung (42,44) zugeordnet ist.
5. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens einer der Ventilsitze (36.1 und 36.2) am Ventilteil (22) und an einem der Schließglieder (26.1 und 26.2) ausgebildet ist.
6. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitze (36.1 und 36.2) radial zueinander beabstandet und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
7. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Stellbewegung von der Betätigungseinrichtung (24) auf den Ventilkörper (26) unter Zwischenschaltung eines Druckraums (30) mit unterschiedlich große Druckflächen erfolgt.
8. Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (24) elektrisch ansteuerbar ist und einen piezoelektrischen Aktor (28) zur Umwandlung des Steuersignals in eine Stellbewegung aufweist.
Description:
Hydraulische Steuervorrichtung Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Steuervorrichtung entsprechend der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der DE 38 44 133 Al ist ein Dosiereinspritzventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, das mit einer derartigen hydraulischen Steuervorrichtung ausgestattet ist. Diese weist eine Betätigungseinrichtung auf, die auf den Ventilkörper eines Ventilteils einwirkt, um die Parameter des Einspritzvorgangs, wie beispielsweise den Einspritzbeginn oder die Einspritzdauer zu steuern.

Um einen schadstoffarmen und kraftstoffsparenden Betrieb eines Verbrennungsmotors zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, den Einspritzvorgang in mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Einspritzabschnitte zu teilen. Die dazu notwendigen schnellen Schaltvorgänge lassen sich insbesondere mit Piezoaktoren als Betätigungseinrichtungen erreichen. Nachteilig ist allerdings, daß diese Piezo- Aktoren eine relativ hohe Verlustwärme erzeugen, die mit zunehmender Frequenz der Ansteuerimpulse ansteigt. Unter extremen Betriebsbedingungen kann es dadurch zu thermisch bedingten Ausfällen der Betätigungseinrichtungen kommen.

Vorteile der Erfindung Demgegenüber weist die der Erfindung zugrundeliegende hydraulische Steuervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß mit einer einzigen Ansteuerung der Betätigungseinrichtung ein in mehrere Einspritzabschnitte geteilter Einspritzvorgang realisierbar ist. Die Frequenz der Ansteuerung der Betätigungseinrichtung und damit die erzeugte Abwärme des Aktors wird dadurch reduziert und damit die Betriebssicherheit erhöht.

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.

In der Figur 1 ist die Steuervorrichtung im angebauten Zustand an den Druckerzeuger im Querschnitt dargestellt.

Das Detail X nach Figur 1 zeigt Figur 2 in einer vergrößerten Darstellung, ebenfalls im Querschnitt.

Die Figur 3 zeigt zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Erfindung drei Diagramme, in denen die Stellbewegung der Betätigungseinrichtung, die Öffnungsbewegung eines Schließglieds des Injektors und der Druck im Injektor zeitsynchron zueinander aufgetragen sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist mit der Positionsnummer 10 eine Pumpe-Düse- Einspritzanlage zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bezeichnet.

Diese Einspritzanlage 10 weist zur Erzeugung des Einspritzdrucks eine Pumpe auf, von der in Figur 1 lediglich der Pumpenkörper 12 erkennbar ist. Die Pumpe ist über eine vom Verbrennungsmotor angetriebene und in Figur 1 nicht gezeichnete Nockenwelle betätigt. Mit der Pumpe ist ein ebenfalls nicht erkennbarer Injektor verbunden. Dieser spritzt Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors ein, sobald im Kraftstoff ein vorgegebener Öffnungsdruck überschritten ist. Gleichzeitig mit dem Einspritzvorgang bereitet der Injektor das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hinblick auf dessen gute Entzündung und optimale Verbrennung auf. Die Parameter des Einspritzvorgangs, d. h. im wesentlichen der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer, werden von einer hydraulischen Steuervorrichtung 14 an die momentanen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepaßt, indem diese Steuervorrichtung 14 das Druckniveau im Kraftstoff regelt.

Die Steuervorrichtung 14 ist in einem seitlich an den Pumpenkörper 12 angeformten Stutzen 16 eingebaut, in dem Kraftstoff führende Kanäle 18,20 ausgebildet sind. Um am Injektor einen Einspritzdruck zu erzeugen unterbricht die Steuervorrichtung 14 eine Druckmittelverbindung zwischen dem als Zulauf der Steuervorrichtung 14 wirkenden und Kraftstoff unter Hochdruck führenden Kanal 18 und dem den Rücklauf der Steuervorrichtung 14 bildenden druckentlasteten Kanal 20.

Gleichermaßen wird diese Druckmittelverbindung geöffnet, sobald ein gewünschter Einspritzdruck erreicht ist oder der Einspritzvorgang beendet werden soll.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe ist die Steuervorrichtung 14 in ein Ventilteil 22 und eine damit zusammenwirkende Betätigungseinrichtung 24 gegliedert. Letztere kann beispielsweise einen piezoelektrischen Aktor 28 aufweisen.

Piezo-Aktoren zeichnen sich insbesondere durch ihre geringen Abmessungen und ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten aus, entwickeln jedoch abhängig von der Ansteuerfrequenz eine relativ hohe Verlustwärme. Die Erfindung beruht auf einer besonderen Ausbildung des Ventilteils 22, die dieser Wärmeentwicklung entgegenwirkt. Das erfindungsgemäße Ventilteil 22 ist in Figur 2 als Ausschnitt vergrößert dargestellt und nachfolgend erläutert.

Das Ventilteil 22 weist eine Ventilbohrung 32 auf, die in Bohrungsabschnitte 32a, b, c, d und e unterschiedlich großer Innendurchmesser gegliedert ist. Der der Betätigungseinrichtung 24 zugewandte erste Bohrungsabschnitt 32a weist den kleinsten Innendurchmesser auf, seine Wandung dient einem ersten Ventilglied 26.1 des Ventilkörpers 26 als Führung. Dieser Bohrungsabschnitt 32a geht in einen Bohrungsabschnitt 32b größeren Innendurchmessers über.

Zwischen dem ersten Ventilglied 26.1 und dem Bohrungsabschnitt 32b ergibt sich dadurch ein erster Ringkanal 34, in den der von der Pumpe kommende und Kraftstoff unter Hochdruck führende Kanal 18 einmündet. Ein im Innendurchmesser nochmals vergrößerter dritter Bohrungsabschnitt 32c schließt sich dem Bohrungsabschnitt 32b an. Der Übergang vom Bohrungsabschnitt 32b zu 32c ist als Fase ausgeführt, die einen ersten Ventilsitz 36.1 bildet. Dieser erste Ventilsitz 36.1 ist von einem hülsenförmigen zweiten Ventilglied 26.2. gesteuert, das umfangseitig im vierten Bohrungsabschnitt 32d geführt ist.

Dessen Innendurchmesser liegt maßlich zwischen denen der Bohrungsabschnitte 32b und 32c, so daß zwischen dem zweiten

Ventilglied 26. 2 und der Wandung des Bohrungsabschnitts 32c ein zweiter Ringkanal 38 entsteht. In diesem zweiten Ringkanal 38 mündet der Kanal 20 ein. Ein fünfter Bohrungsabschnitt 32e hat aus fertigungstechnischen Gründen den selben Innendurchmesser wie der Bohrungsabschnitt 32c.

Wie bereits angedeutet, weist das Ventilteil 22 zwei relativ zueinander bewegliche und im gleichen Richtungssinn betätigbare Ventilglieder 26.1 und 26.2 auf, die gemeinsam den Ventilkörper 26 bilden. Das erste Ventilglied 26.1 weist einen zylindrischen Schaft 26a auf, der über eine Einschnürung 26b mit einem im Außendurchmesser gegenüber diesem Schaft 26a zurückgenommenen Kopf 26c verbunden ist.

Die Einschnürung 26b und der Kopf 26c ragen in das Innere des hülsenförmigen zweiten Ventilglieds 26.2 hinein, wobei der Kopf 26c zur Führung und zur Zentrierung des ersten Ventilglieds 26.1 im zweiten Ventilglied 26.2 dient. Am Kopf 26c sind Abflachungen vorhanden, die das Innere des zweiten Ventilglieds 26.2 mit dem Bohrungsabschnitt 32e verbinden.

Der Übergang vom Schaft 26a zur Einschnürung 26b ist als Fase ausgeführt. Diese Fase wirkt mit einer an der Innenseite des zweiten Ventilglieds 26.2 ausgebildeten Gegenfase, die einen zweiten Ventilsitz 36.2 bildet, zusammen.

Am Umfang des zweiten Ventilglieds 26.2 ist eine zweite Fase vorgesehen, die entgegengesetzt zur ersten Fase gerichtet ist. Diese zweite Fase steuert den ersten Ventilsitz 36.1.

Die abgewandt von den beiden Ventilsitzen 36.1 und 36.2 liegenden Stirnflächen der beiden Ventilglieder 26.1 und 26.2 dienen zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rückstellfedern 42 und 44 als erste Abstützung. Eine zweite Abstützung bildet eine Verschlußplatte 46 der Ventilbohrung 32. In dieser Verschlußplatte 46 ist ein Niederdruck führender Kanal 20 ausgebildet, der den Bohrungsabschnitt

32e und den Hohlraum zwischen der Einschnürung 26b und der Innenwandung des zweiten Ventilglieds 26.2 druckentlastet.

Zur Übertragung und zur gleichzeitigen hydraulischen Übersetzung einer Schaltbewegung der Betätigungseinrichtung 24 auf den Ventilkörper 26 ist zwischen diesen beiden Bauteilen eine Druckkammer 30 mit unterschiedlich großen Druckflächen angeordnet. Die kleinere Druckfläche ist von der Stirnfläche des Schafts 26a des Ventilkörpers 26 gebildet.

Entgegen der Darstellung in Figur 1 befindet sich im nicht betätigten Zustand der Betätigungseinrichtung 24 das erste Ventilglied 26.1 in einer Stellung, in der der zweite Ventilsitz 36.2 geöffnet und der erste Ventilsitz 36.1, wie gezeichnet, verschlossen ist. Diese Grundstellung ist durch die Rückstellfedern 42 und 44 vorgegeben. Zwischen dem Hochdruck führenden Kanal 18 und dem Niederdruck führenden Kanal 20 in der Verschlußplatte 46 besteht dabei eine hydraulische Verbindung über die am Kopf 26c des ersten Ventilglieds 26.1 ausgebildeten Abflachungen. Diese Druckmittelverbindung verhindert einen Druckaufbau im Injektor und damit einen Einspritzvorgang.

In einer ersten Stufe der Betätigung wird die Betätigungseinrichtung 24 (Figur 1) derart bestromt, daß das Ventilglied 26.1 den zweiten Ventilsitz 36.2 verschließt, ohne dabei jedoch den ersten Ventilsitz 36.1 zu öffnen. Die Druckmittelverbindung zwischen den Kanälen 18 und 20 ist dadurch unterbrochen, so daß ein von der Pumpe bewirkter Druckaufbau im Injektor stattfinden kann. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Öffnungsdrucks spritzt der Injektor Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors ein.

Zur Beendigung dieses ersten Einspritzvorgangs wird die Betätigungseinrichtung 24 in einer zweiten Schaltstufe höher bestromt. Die dementsprechend größere Stellbewegung der Betätigungseinrichtung 24 bewirkt ein Abheben des zweiten Ventilglieds 26.2 vom ersten Ventilsitz 36.1 während der zweite Ventilsitz 36.2 nach wie vor vom ersten Ventilglied 36.1 geschlossen bleibt. Die dadurch erzeugte hydraulische Kopplung der Ringkanäle 34 und 38 bzw. der Kanäle 18 und 20 bedingt eine Druckentlastung des Injektors. Der erste Einspritzvorgang ist somit abgeschlossen.

Für einen zweiten Einspritzvorgang wird die zweite Stufe der Bestromung der Betätigungsrichtung 24 zurückgenommen, wodurch die Druckmittelverbindung zwischen den Kanälen 18 und 20 erneut unterbrochen wird. Dadurch kann ein Druckaufbau im Injektor stattfinden. Durch weitere Zurücknahme der Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 auf Null wird die Druckmittelverbindung wieder hergestellt und damit auch der zweite Einspritzvorgang beendet.

Mit einer einzigen, in Stufen ablaufenden Hubbewegung der Betätigungseinrichtung 24 lassen sich somit zwei zeitlich aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge getrennt voneinander steuern. Gegenüber dem angegebenen Stand der Technik halbiert sich dadurch die Ansteuerfrequenz der Betätigungseinrichtung 24 und damit deren in Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz erzeugte Verlustwärme.

In Figur 3 ist die beschriebene Funktionsweise des erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilteils 22 anhand von drei Diagrammen 50,52,54 veranschaulicht. Das Diagramm 50 zeigt den Hub der Betätigungseinrichtung 24, das Diagramm 52 die Öffnungsbewegung eines im Injektor eingebauten Schließglieds und das Diagramm 56 den Druck des Druckmittels im Injektor, jeweils zeitsynchron zueinander aufgetragen.

Die dargestellten Kennlinien beginnen zu einem Zeitpunkt T1, in dem der erste Ventilsitz 36.1 geöffnet und der zweite Ventilsitz 36.2 vom ersten Ventilglied 26.1 geschlossen ist, d. h. zum Zeitpunkt des Maximalhubs 56 der Betätigungseinrichtung 24. Mit der Rücknahme der Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 wird der zunächst offene erste Ventilsitz 36.1 vom zweiten Ventilglied 26.2 sukzessive geschlossen und damit die bestehende Druckmittelverbindung zwischen den Kanälen 18 und 20 unterbrochen. Dadurch steigt der Druck im Injektor allmählich an (Diagramm 54). Nach Überschreitung des vorgegebenen Öffnungsdrucks 58 zum Zeitpunkt T2 führt das Schließglied im Injektor eine im Diagramm 52 ersichtliche Öffnungsbewegung aus, so daß Kraftstoff in den Brennraum des zugeordneten Zylinders gelangen kann.

Bei fortgesetzter Zurücknahme der Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 geht deren Hub zum Zeitpunkt T3 auf den Minimalwert 60 zurück, wodurch das erste Ventilglied 26.1 nun den zweiten Ventilsitz 36.2 freigibt. Damit entsteht erneut eine Druckmittelverbindung zwischen den Kanälen 18 und 20, so daß der Druck im Injektor (Diagramm 54) auf den Minimaldruck 62 abfällt.

Erst eine erneute Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 führt wieder zu einer Unterbrechung der Druckmittelverbindung zwischen den Kanälen 18 und 20 und damit zu einem Druckanstieg im Injektor (Zeitpunkt T4).

Dieser führt zeitverzögert zum Zeitpunkt T5 eine Öffnungsbewegung aus, sobald der voreingestellte Öffnungsdruck 58 überschritten ist. Die Öffnungsbewegung nimmt ihren Maximalwert 64 an, sobald der Öffnungsdruck überschritten ist und zeitlich so lange anliegt, bis die Trägheit des Schließelements des Injektors überwunden ist.

Der Druckverlauf oberhalb des Öffnungsdrucks ist in diesem Fall für die Öffnungsbewegung des Schließglieds unbedeutend.

Gemäß Diagramm 52 wird die Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 erst mit zeitlicher Verzögerung erhöht (Zeitpunkt T6). Während dieser Verzögerung ist der Injektor maximal geöffnet und spritzt permanent Kraftstoff in den Brennraum des zugeordneten Zylinders ein. Mit der Erhöhung der Bestromung der Betätigungseinrichtung 24 erhöht sich deren Hub wieder auf den Maximalwert 56. Dabei öffnet das zweite Ventilglied 26.2 den ersten Ventilsitz 36.1 und stellt eine Verbindung zwischen den Kanälen 18 und 20 her, so daß der Druck am Injektor auf den Minimalwert 62 abfällt.

Während eines Betätigungszyklus, d. h. während einer Ansteuerung der Betätigungseinrichtung 24, finden somit zwei zeitlich voneinander getrennte Einspritzvorgänge statt.

Selbstverständlich sind Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.