EP0886064A1 - Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff - Google Patents

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EP0886064A1
EP0886064A1 EP98110221A EP98110221A EP0886064A1 EP 0886064 A1 EP0886064 A1 EP 0886064A1 EP 98110221 A EP98110221 A EP 98110221A EP 98110221 A EP98110221 A EP 98110221A EP 0886064 A1 EP0886064 A1 EP 0886064A1
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EP
European Patent Office
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fuel
piezo actuator
nozzle needle
hydraulic
injector
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Application number
EP98110221A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Dr. Hettich
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Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Temic Telefunken Microelectronic GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F02M51/0607—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means the actuator being hollow, e.g. with needle passing through the hollow space
    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the invention relates to a method for injecting fuel into the combustion chamber the cylinder of an internal combustion engine using fuel injectors, wherein a fuel injector an injector housing, a nozzle needle and one Piezo actuator controllable via a control unit, the piezo actuator directly acts on the nozzle needle.
  • a fuel injector is in the document DE 195 19 192 C1 described.
  • piezo actuators enable a very compact structure Fuel injector, since piezo actuators have no other mechanical components require. In addition, piezo actuators are easy to control electrically high positioning frequencies and can provide high positioning forces.
  • Piezo actuators for controlling the nozzle needle of fuel injectors are described.
  • the fuel injection pressure required for the injection is determined by a separate fuel pump provided. From the fuel pump the fuel is fed to the injector housing via a high-pressure connection and reaches the injector of the fuel injector via fuel channels.
  • the Fuel channels are used to control the amount of fuel injected by the nozzle needle blocked.
  • the problem with the use of piezo actuators is the very small stroke of the Piezo actuator, which is approximately 0.1% of the length of the piezo actuator.
  • One for injection The typical stroke of the fuel of the nozzle needle of 200 ⁇ m is therefore one Piezo actuator of approx. 20 cm in length is necessary.
  • Such a fuel injector can due to its dimensions with difficulty on an internal combustion engine or be arranged in the engine compartment of a motor vehicle.
  • the invention has for its object an improved method for injection of fuel in the combustion chamber of the cylinders of an internal combustion engine using piezo actuators, where the length of the piezo actuator can be reduced.
  • the hydraulic Translation enclosing housing made of a non-conductive material is, which when using liquid metal as incompressible Liquid the metal is melted by direct current passage, so that on a radiator for melting the metal in the injector housing when Starting the internal combustion engine can be dispensed with.
  • the stroke of a piezo actuator which is increased by a hydraulic transmission, causes a shorter overall length of the fuel injector.
  • the opportunity to Use of a fuel injector with a piezo actuator in engine construction is considerably increased due to the smaller space requirement.
  • the figure shows a fuel injector for diesel injection for a cylinder of a diesel engine.
  • the injector housing has a fuel connection KA for a fuel pump, a heating connection HA for supplying power to the heater H, a connection for a fuel return KR and a control connection SA for supplying power to a piezo actuator PA by a control unit.
  • Piezo actuators expand in proportion to the voltage applied to them.
  • the piezo actuators are controlled with voltages of up to 1000 volts via the control unit.
  • the piezo actuator PA expands by about 50 ⁇ m.
  • the stroke of the nozzle needle DN required for fuel injection is 200 ⁇ m.
  • a hydraulic transmission is arranged above the piezo actuator PA.
  • the hydraulic transmission is sealed on the side facing the piezo actuator PA by a lower punch US. On the opposite side, the hydraulic transmission is sealed by an upper stamp OS.
  • the pull rod ZS is also attached to the upper punch OS.
  • the hydraulic ratio is narrowed between the upper punch OS and the lower punch US Laval nozzles, the ratio between the stroke of the upper punch OS and the stroke of the lower punch US being 4 to 1, which means that the stroke of the piezo actuator is 50 ⁇ m enlarged to the required 200 ⁇ m.
  • Wood's metal WM is used as the incompressible liquid between the two stamps OS, US of the hydraulic transmission. Wood's metal WM is melted by a heater H surrounding the hydraulic transmission when the cold Delsel engine is started. The process of melting Wood's WM metal corresponds to the preheating of the glow plugs of the diesel engine and can be coupled to it. During vehicle operation, the heat dissipated by the diesel engine is sufficient to keep Wood's WM, which melts at a temperature of approx. 70 ° C, in a liquid state.
  • the heater H is regulated by a temperature sensor which can be arranged in the heater connection HA to supply the heater H with power and which is designed, for example, as a bimetal switch.
  • the pull rod ZS attached to the upper punch OS is guided through the incompressible liquid, through the lower punch US and through the hollow-drilled piezo actuator PA to the nozzle needle DN and is connected to the nozzle needle DN.
  • the pull rod ZS is made of a fiber material that transfers the stroke of the upper punch OS to the nozzle needle DN without loss.
  • the restoring force of the nozzle needle DN takes place by means of a closing spring SF, which is supported on one side against the injector housing and on the other side acts on the nozzle needle DN.
  • the closing spring SF closes the nozzle openings D ⁇ with the nozzle needle DN in the de-energized state of the piezo actuator PA.
  • the fuel injection pressure required to operate the diesel engine of up to 1500 bar is provided by a fuel pump upstream of the fuel injector provided.
  • the fuel is supplied by the fuel pump Fuel connection KA and via fuel channels inside the fuel injector up to the nozzle needle DN.
  • the plezo actuator PA is activated by the control unit controlled with a voltage that changes over time. Which is proportional to the applied voltage expanding piezo actuator PA moves over the hydraulic Ratio and the pull rod ST the nozzle needle DN, causing the fuel proportional to the voltage specified by the control unit Nozzle openings D ⁇ of the fuel injector in the corresponding combustion chamber of the diesel engine is injected.
  • the optimal voltage curves for an ignition process are in the control unit in a map, for example, depending on speed, load and / or temperature saved.
  • the control device can specify voltage curves over time, during which the fuel is injected into the combustion chamber in a pulsating manner in many short bursts of different frequencies during an injection process.
  • the nozzle opening D ⁇ is opened and closed many times by the piezo actuator PA through the nozzle needle DN, as a result of which the amount of fuel injected is not continuous over time.
  • voltage curves can also be specified by the control unit, in which the fuel is injected into the combustion chamber during an injection process for a combustion process with a continuous course of the fuel quantity over time.
  • the nozzle opening D ⁇ is opened and closed exactly once by the piezo actuator PA through the nozzle needle DN, and the amount of fuel injected is changed by how far the nozzle needle DN is pulled back by the piezo actuator PA.
  • Wood's metal WM can be melted by direct current passage be, whereby a heater H in the injector housing can be dispensed with.
  • the fuel injectors of an internal combustion engine can optionally be used with a temperature control, with which the temperature of the Wood's metal is monitored in the hydraulic translations. At the If the melting temperature is undershot, the temperature control H heating switched on. If a limit temperature is exceeded, temperature control to avoid malfunctions caused by thermal Expansion of Wood's metal or fuel injector passive means (Blower) and / or active means (Peltier element) for cooling the fuel injectors switched on.
  • a temperature control with which the temperature of the Wood's metal is monitored in the hydraulic translations. At the If the melting temperature is undershot, the temperature control H heating switched on. If a limit temperature is exceeded, temperature control to avoid malfunctions caused by thermal Expansion of Wood's metal or fuel injector passive means (Blower) and / or active means (Peltier element) for cooling the fuel injectors switched on.
  • the structure of the fuel injectors is simplified.
  • the piezo actuator PA, the hydraulic transmission and the nozzle needle DN arranged in a row in the fuel injector, with the hollow drilling of the Piezo actuator PA can be dispensed with and the tightness of the pull rod ZS reduced to a minimum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren unter Verwendung von Piezoaktoren, deren geringer Hub durch eine hydraulische Übersetzung vergrößert wird. Die hydraulische Übersetzung weist als hydraulische Flüssigkeit ein inkompressibles Medium, beispielsweise das Wood'sche Metall auf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren, wobei ein Kraftstoffinjektor ein Injektorgehäuse, eine Düsennadel und einen über ein Steuergerät steuerbaren Piezoaktor aufweist, wobei der Piezoaktor direkt auf die Düsennadel wirkt. Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist in der Druckschrift DE 195 19 192 C1 beschrieben.
Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren, ist die Laufruhe von dem exakten Zeitpunkt der Einspritzung des Kraftstoffes und von der exakten Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge abhängig. Bei der Konstruktion von Kraftstoffinjektoren ist die Verwendung von Piezoaktoren bereits bekannt. Piezoaktoren ermöglichen einen sehr kompakten Aufbau eines Kraftstoffinjektors, da Piezoaktoren keine weiteren mechanischen Komponenten erfordern. Zudem sind Piezoaktoren elektrisch einfach anzusteuern, ermöglichen hohe Stellfrequenzen und können hohe Stellkräfte bereitstellen.
In der gattungsbildenden Druckschrift DE 195 19 192 C1 ist die Verwendung von Piezoaktoren zur Steuerung der Düsennadel von Kraftstoffinjektoren beschrieben. Der zur Einspritzung notwendige Einspritzdruck des Kraftstoffes wird von einer separaten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Von der Kraftstoffpumpe wird der Kraftstoff über einen Hochdruckanschluß dem Injektorgehäuse zugeführt und gelangt über Kraftstoffkanäle an die Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors. Die Kraftstoffkanäle werden zur Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge von der Düsennadel gesperrt.
Das Problem bei der Verwendung von Piezoaktoren ist der sehr geringe Hub des Piezoaktors, der etwa 0,1 % der Länge des Piezoaktors beträgt. Bei einem zur Einspritzung des Kraftstoffes typischen Hub der Düsennadel von 200 µm ist somit ein Piezoaktor von ca. 20 cm Länge notwendig. Ein derartiger Kraftstoffinjektor kann aufgrund seiner Abmessungen nur mit Schwierigkeiten an einer Brennkraftmaschine bzw. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine unter Verwendung von Piezoaktoren anzugeben, bei dem die Länge des Piezoaktors reduziert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren wird zwischen dem piezoaktor und der Düsennadel eine hydraulische Übersetzung angeordnet, wodurch der Hub der Piezokeramik entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzung vergrößert wird und als hydraulische Flüssigkeit der hydraulischen Übersetzung ein inkompressibles Medium verwendet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die inkompressible Flüssigkeit flüssiges Metall genutzt wird, das beim Starten der Brennkraftmaschine durch vorheizen mit einem Heizelement geschmolzen wird.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, als flüssiges Metall das bei einer Temperatur von 98°C schmelzende Natrium zu verwenden.
In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, als flüssiges Metall eine Legierung des bei einer Temperatur von 70°C schmelzenden Wood'schen Metalls zu verwenden.
In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das die hydraulischen Übersetzung einfassende Gehäuse aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt wird, wodurch bei einer Verwendung von flüssigem Metall als inkompressible Flüssigkeit das Metall durch direkten Stromdurchgang geschmolzen wird, so daß auf einen Heizkörper zum Schmelzen des Metalls im Injektorgehäuse beim Starten der Brennkraftmaschine verzichtet werden kann.
Der durch eine hydraulische Übersetzung vergrößerte Hub eines Piezoaktors bewirkt eine geringere Gesamtlänge des Kraftstoffinjektors. Die Möglichkeit zur Verwendung eines Kraftstoffinjektors mit einem Piezoaktuator im Motorenbau wird durch den geringeren Platzbedarf beträchtlich gesteigert.
Im folgenden ist das Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels eines Kraftstoffinjektors, der einen Piezoaktor mit einer hydraulischen Übersetzung aufweist, im Zusammenhang mit einer Zeichnung beschrieben. Als inkompressible Flüssigkeit für die hydraulische Übersetzung wird eine Legierung des Wood'schen Metalls verwendet.
Es zeigt:
Figur 1
eine schematische Darstellung des Kraftstoffinjektors mit dem Piezoaktor und der hydraulischen Übersetzung.
In der Figur ist ein Kraftstoffinjektor zur Dieseleinspritzung für einen Zylinder eines Dieselmotors dargestellt. Das Injektorgehäuse weist einen Kraftstoffanschluß KA für eine Kraftstoffpumpe, einen Heizungsanschluß HA zur Stromversorgung der Heizung H, einen Anschluß für einen Kraftstoffrücklauf KR sowie einen Steueranschluß SA zur Spannungsversorgung eines Piezoaktors PA durch ein Steuergerät auf.
Piezoaktoren dehnen sich proportional zu der an sie angelegten Spannung aus. Über das Steuergerät werden die Piezoaktoren mit Spannungen von bis zu 1000 Volt angesteuert. Dabei dehnt sich der Piezoaktor PA um etwa 50 µm aus. Der zur Kraftstoffeinspritzung notwendige Hub der Düsennadel DN beträgt 200 µm. Zur Verlängerung des Hubes des Piezoaktors PA ist oberhalb des Piezoaktors PA eine hydraulische Übersetzung angeordnet. Die hydraulische Übersetzung wird auf der dem Piezoaktor PA zugewandten Seite von einem Unteren Stempel US abgedichtet. Auf der entgegengesetzten Seite Wird die hydraulische Übersetzung von einem oberen Stempel OS abgedichtet. An dem oberen Stempel OS ist zudem die Zugstange ZS angebracht. Die hydraulische Übersetzung verengt sich zwischen dem oberen Stempel OS und dem Unteren Stempel US Laval - Düsen förmig, wobei das Verhältnis zwischen dem Hub des Oberen Stempels OS und dem Hub des Unteren Stempels US 4 zu 1 beträgt, wodurch sich der Hub des Piezoaktors von 50 µm auf die benötigten 200 µm vergrößert.
Als inkompressible Flüssigkeit zwischen den beiden Stempeln OS, US der hydraulischen Übersetzung wird das Wood'sche Metall WM verwendet. Das Wood'sche Metall WM wird beim Starten des kalten Dleselmotors durch eine die hydraulische Übersetzung umgebende Heizung H geschmolzen. Der Vorgang des Schmelzens des Wood'schen Metalls WM entspricht dem Vorglühen der Glühkerzen des Dieselmotors und kann mit diesem gekoppelt werden. Während des Fahrzeugbetriebes genügt die vom Dieselmotor dlssipierte Wärme, um das bei einer Temperatur von ca. 70°C schmelzende Wood'sche Metall WM im flüssigen Zustand zu halten. Die Heizung H wird über einen Temperatursensor geregelt, der im Heizungsanschluß HA zur Stromversorgung der Heizung H angeordnet werden kann und der beispielsweise als Bimetall - Schalter ausgeführt ist.
Die am oberen Stempel OS befestigt Zugstange ZS wird durch die inkompressible Flüssigkeit, durch den Unteren Stempel US und durch den hohl gebohrten Piezoaktor PA bis an die Düsennadel DN geführt und ist mit der Düsennadel DN verbunden. Die Zugstange ZS ist aus einem Faserwerkstoff gefertigt, der den Hub des Oberen Stempels OS verlustfrei auf die Düsennadel DN überträgt.
Die Rückstellkraft der Düsennadel DN erfolgt mittels einer Schließfeder SF, die sich auf der einen Seite gegen das Injektorgehäuse abstützt und auf der anderen Seite auf die Düsennadel DN wirkt. Durch die Schließfeder SF wird das verschließen der Düsenöffnungen DÖ mit der Düsennadel DN im spannungslosen Zustand des Piezoaktors PA bewirkt.
Der für den Betrieb des Dieselmotors benötigte Einspritzdruck des Kraftstoffes von bis zu 1500 bar wird von einer dem Kraftstoffinjektor vorgeschalteten Kraftstoffpumpe bereitgestellt. Der Kraftstoff wird von der Kraftstoffpumpe über den Kraftstoffanschluß KA und über Kraftstoffkanäle im Inneren des Kraftstoffinjektors bis an die Düsennadel DN geführt.
Während eines Einspritzvorgangs wird der Plezoaktor PA von dem Steuergerät mit einer sich zeitlich ändernden Spannung angesteuert. Der sich proportional zur anliegenden Spannung ausdehnende Piezoaktor PA bewegt über die hydraulische Übersetzung und die Zugstange ST die Düsennadel DN, wodurch der Kraftstoff proportional zur von dem Steuergerät vorgegebenen Spannung durch die Düsenöffnungen DÖ des Kraftstoffinjektors in den entsprechenden Verbrennungsraum des Dieselmotors eingespritzt wird.
Die optimalen zeitlichen Spannungsverläufe für einen Zündvorgang sind im Steuergerät in einem Kennfeld beispielsweise drehzahl -, last - und/oder temperaturabhängig gespeichert.
Von dem Steuergerät können dabei zeitliche Spannungsverläufe vorgegeben werden, bei denen der Kraftstoff während eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsvorgang pulsierend, in vielen kurzen Schüben unterschiedlicher Frequenz in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dabei wird die Düsenöffnung DÖ vom dem Piezoaktor PA durch die Düsennadel DN vielfach geöffnet und geschlossen, wodurch sich ein zeitlich nicht stetiger Verlauf der eingespritzten Kraftstoffmenge ergibt.
Vor allem können aber auch Spannungsverläufe von dem Steuergerät vorgegeben werden, bei denen der Kraftstoff während eines Einspritzvorgangs für einen Verbrennungsvorgang mit einem zeitlich stetigen Verlauf der Kraftstoffmenge in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dabei wird die Düsenöffnung DÖ vom dem Piezoaktor PA durch die Düsennadel DN genau ein mal geöffnet und geschlossen, und die eingespritzte Kraftstoffmenge wird dadurch verändert, wie weit die Düsennadel DN jeweils vom Piezoaktor PA zurückgezogen wird.
Da die Bohrung für die Zugstange ZS im Injektorgehäuse nicht auf Dauer für den unter sehr hohem Druck stehendem Kraftstoff abzudichten ist, wird der sich im Injektorgehäuse sammelnde Kraftstoff über einen Kraftstoffrücklauf KR in den Kraftstofftank zurückgeführt.
Bei der Verwendung eines Injektorgehäuses aus einem nicht leitfähigen Material kann das Wood'sche Metall WM durch direkten Stromdurchgang geschmolzen werden, wodurch auf eine Heizung H im Injektorgehäuse verzichtet werden kann.
Die Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine können gegebenenfalls mit einer Temperaturregelung ausgestattet werden, mit der die Temperatur des Wood'schen Metalls in den hydraulischen Übersetzungen überwacht wird. Beim Unterschreiten der Schmelztemperatur wird von der Temperaturregelung die Heizung H zugeschaltet. Beim Überschreiten einer Grenztemperatur werden von der Temperaturregelung zur Vermeidung von Störungen durch die thermische Ausdehnung des Wood'schen Metalls bzw. des Kraftstoffinjektors passive Mittel (Gebläse) und/oder aktive Mittel (Peltierelement) zur Kühlung der Kraftstoffinjektoren zugeschaltet.
Bei der Verwendung von Einspritzdüsen, bei denen sich die Düsenöffnungen DÖ dadurch öffnen, daß die Düsennadeln DN in Richtung der Verbrennungsräume verschoben werden, vereinfacht sich der Aufbau der Kraftstoffinjektoren. Dabei werden der Piezoaktor PA, die hydraulische Übersetzung und die Düsennadel DN im Kraftstoffinjektor in einer Reihe angeordnet, wobei auf das Hohlbohren des Piezoaktors PA verzichtet werden kann und sich die enge der Zugstange ZS auf ein Minimum reduziert.
Durch die hydraulische Übersetzung wird der geringe Hub des Piezoaktors PA deutlich vergrößert, wodurch die Gesamtlänge des Kraftstoffinjektors beträchtlich reduziert werden kann.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels Kraftstoffinjektoren, wobei ein Kraftstoffinjektor ein Injektorgehäuse, eine Düsennadel (DN) und einen über ein Steuergerät steuerbaren Piezoaktor (PA) aufweist, und wobei der Piezoaktor (PA) direkt auf die Düsennadel (DN) wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Piezoaktors (PA) durch eine hydraulische Übersetzung zwischen dem Piezoaktor (PA) und der Düsennadel (DN) vergrößert wird, und daß bei der hydraulischen Übersetzung ein inkompressibles Medium als hydraulische Flüssigkeit verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inkompressibles Medium flüssiges Metall verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall Natrium verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall eine Legierung des Wood'schen Metalls (WM) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die hydraulische Übersetzung umgebende Gehäuse aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt wird.
EP98110221A 1997-06-20 1998-06-04 Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff Withdrawn EP0886064A1 (de)

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DE1997126125 DE19726125C2 (de) 1997-06-20 1997-06-20 Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff
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