DE4204435A1 - Einspritzpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gebräuchliche Einspritzpumpen, vor allem in Dieselmotoren erfordern aufgrund der kleinen Fördermenge pro Hub und des notwendigen hohen Druckes eine aufwendige und teure Präzi­ sionsfertigung. Die Abhängigkeit eines optimalen Ein­ spritzvorganges von mehreren Betriebsparametern des Motors führt zu einem mechanisch komplexen Aufbau einer für alle Zylinder gemeinsamen Einspritzpumpe, die über Leitungen mit den einzelnen Einspritzdüsen verbunden ist. Diese Leitungen sowie das allgemeine Funktionsprinzip begrenzen die Möglichkeiten, einen idealen Ablauf des Einspritzvor­ ganges anzunähern, in erheblichem Maße.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ein­ spritzpumpe mit verbesserten Gestaltungsmöglichkeiten für den Einspritzvorgang anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Steuerung des Einspritzverlaufs durch einen elektrischen Strom durch die Magnetspule über einen praktisch verzöge­ rungsfrei vermittelnden magnetostriktiven Körper erfolgt. Die Erzeugung eines für einen bestimmten Verlauf eines Einspritzvorgangs erforderlichen Stromverlaufs ist mit den bekannten Mitteln der Elektrotechnik und Elektronik nahezu ohne Einschränkung möglich. Durch die Festlegung eines Zeitverlaufs für den Spulenstrom im elektrischen Teil des Einspritzsystems können auf relativ einfache Weise alle relevanten Betriebsparameter des Motors mit berücksichtigt und so ein optimaler Einspritzvorgang erzielt werden. Hierdurch kann der Verbrennungsablauf in der Brennkammer verbessert, der Wirkungsgrad gesteigert und die Schadstof­ femission reduziert werden. Der eigentliche Pumpenteil ist mechanisch einfach und kompakt und kann damit unmittelbar bei jeder Einspritzdüse angeordnet werden. Hierdurch ver­ kürzt sich die zwischen Pumpe und Einspritzdüse verlau­ fende Kraftstoffleitung erheblich. Vorzugsweise sind Ein­ spritzpumpe und Einspritzdüse samt dazwischenliegender Leitung als bauliche Einheit ausgeführt, so daß ein einfa­ cher Austausch einer Einspritzeinheit mit voreingestellten definierten Eigenschaften möglich ist. Der Wegfall der bei herkömmlichen Einspritzsystemen den Motorraum durchziehen­ den starren Einspritzleitungen vereinfacht insgesamt Mon­ tage und Wartungsarbeiten am Motor.

Eine Hochdruckpumpe nach dem Prinzip der Magnetostriktion ist an sich bekannt aus IEEE AES Systems Magazine, Nov. 91, S. 21-25, als Aktuator in einem hydraulischen System.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Einspritzpumpe nach dem magnetostriktiven Prinzip,

Fig. 2 eine alternative Ausführung mit verschiebbarer Kammerwandung,

Fig. 3 einen möglichen Aufbau einer Einspritzeinheit mit Pumpe und Düse.

Die in Fig. 1 skizzierte Pumpe weist eine Arbeitskammer A auf, die mit flüssigem Kraftstoff gefüllt ist und über eine durch ein nicht eingezeichnetes Einlaßventil absperr­ bare Eingangsleitung L1 mit einer Kraftstoffzuführung, z. B. über eine Kraftstoffpumpe, verbunden ist. Die Aus­ gangsleitung L2 führt zu einer Einspritzdüse, die, z. B. durch eine federbelastete Düsennadel als Auslaßventil ab­ gesperrt, zu einer Brennkammer führt. Ein Teil der Wandung der Arbeitskammer A ist durch eine verformbare Membran M gebildet. Ein Körper K aus magnetostriktivem Material stützt sich zum einen gegen die Membran M, zum anderen ge­ gen das Pumpengehäuse G ab. Der Körper K ist umgeben von einer Magnetspule Sp. Ein Strom durch die Magnetspule er­ zeugt ein Magnetfeld H, welches den Körper K durchsetzt und eine Ausdehnung in Feldrichtung bewirkt. Das Gehäuse G sei als hinreichend steif angenommen, so daß die Längenän­ derung des Körpers K zu einer Verformung der Membran M und damit zu einer Verringerung des Kammervolumens der Ar­ beitskammer A führt. Unter Vernachlässigung der Kompressi­ bilität des Kraftstoffs wird über die Verbindung der Lei­ tung L2 zur Einspritzdüse eine der Verringerung des Kam­ mervolumens entsprechende Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt. Die Einbeziehung der Dehnung des Gehäuses G und der Kompression des Kraftstoffs bei Drücken von eini­ gen 10 MPa führt dazu, daß die Längenänderung des Körpers K nicht vollständig in eine entsprechende Menge einge­ spritzten Kraftstoffs umgesetzt wird. Im Gegensatz zu her­ kömmlichen Systemen mit langen Einspritzleitungen ist eine elastische Verformung der Leitung L2 im vorliegenden Fall ohne nennenswerte Bedeutung.

Das Gehäuse ist vorzugsweise aus magnetisierbarem Mate­ rial, z. B. Stahl, und schließt den magnetischen Kreis für das äußere Spulenfeld. Zur Vermeidung von Wirbelströmen im Gehäuse können an sich bekannte Maßnahmen zum Einsatz kom­ men wie z. B. Unterbrechungen durch Längsschlitze, Lamel­ lenaufbau des Gehäuses aus Trafoblechen etc. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Gehäusewandung annähernd gleich groß der Querschnittsfläche des Körpers K.

Ein Kennlinienfeld magnetostriktiven Materials zeigt eine deutliche Abhängigkeit von in Magnetfeldrichtung an­ liegender Druckspannung, wobei die Magnetostriktionskurve gewöhnlich bei höheren Drücken steiler verläuft und höhere Sättigungswerte erreicht. Vorteilhafterweise wird der Kör­ per K daher bereits bei stromloser Magnetspule einer Druck-Vorspannung ausgesetzt. Hierzu kann beispielsweise die Membran M als Tellerfeder ausgeführt sein, die beim Einbau des Körpers K vorgespannt wird. Andere Möglichkei­ ten zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung sind be­ kannt und können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Durch die mechanische Vorspannung ist eine klem­ mende Befestigung des Körpers zwischen Gehäuse und Membran ausreichend und eine Klebe- oder ähnliche Verbindung nicht erforderlich. Sicherung gegen seitliches Verrücken ist vorteilhaft.

Als magnetostriktives Material wird vorzugsweise Tb_.3 Dy_.7 Fe_1.95 eingesetzt, das auch unter dem Handelsnamen Terfe­ nol-D bekannt ist und sich durch besonders gute mechani­ sche Eigenschaften und hohe Magnetostriktionswerte ausz­ eichnet.

Da die Kennlinie der magnetostriktiven Materialien i.a. erst nach einem langsam ansteigenden Anfangsbereich in den zur Anwendung besonders interessanten steilen Kennli­ nienbereich übergeht, ist das Anlegen eines Bias-Magnet­ feldes zur Vormagnetisierung vorteilhaft. Diesem wird dann zur Einspritzung ein den gewünschten Zeitverlauf bewirken­ des Hub-Magnetfeld pulsartig überlagert. Das Bias-Magnet­ feld kann sowohl mittels eines Permanentmagneten oder ei­ ner Spule oder durch eine Kombination von beiden erzeugt werden. Der Einsatz eines Bias-Stroms bietet die vorteil­ hafte Möglichkeit, den Einspritzvorgang durch Vorwahl des Arbeitspunkts auf der Magnetstriktionskennlinie zu beein­ flussen und z. B. die Amplitude des Hub-Magnetfeldes unab­ hängig von der Fördermenge konstant zu wählen. Für den Be­ trieb mit einem Bias-Strom kann es von Vorteil sein, die Magnetspule in Teilspulen zur Erzeugung eines Bias-Magnet­ feldes einerseits und eines Hub-Magnetfeldes andererseits aufzuteilen. Die Teilspule für das Hub-Magnetfeld kann u. U. weiter aufgeteilt werden, um einen Strompuls mit kom­ plexerem Zeitverlauf durch Überlagerung von einfachen Ein­ zelpulsen zu erzeugen. Die einzelnen Spulen sind vorzugs­ weise übereinander gewickelt.

Bei der in Fig. 2 skizzierten Anordnung ist anstelle der Membran ein Kolben B vorgesehen, der in Pfeilrichtung durch Magnetostriktion des mit ihm verbundenen Körpers K verschiebbar ist. Die Arbeitskammer A ist in der Führung des Kolbens B durch eine Elastomer-Dichtung, die sowohl mit dem Kolben als auch mit der Wand fest verbunden ist, vorzugsweise mit einer Metallgewebe-Einlage abgedichtet. Die Kolbenstirnfläche bildet einen verschiebbaren Teil der Wandung der Arbeitskammer. Die Verschiebung des Kolbens in Pfeilrichtung liegt typischerweise unter 0.1 mm und wird auch im Langzeitbetrieb von der Elastomer-Dichtung tole­ riert. Die mechanische Vorspannung ist in der Skizze nach Fig. 2 durch Druckfedern F angedeutet. Der gegenüber dem Kolbenquerschnitt erweiterte Querschnitt des Körpers K be­ wirkt eine Druckübersetzung.

In Fig. 3 ist eine Einspritzeinheit aus einer magneto­ striktiven Einspritzpumpe (wie vorstehend beschrieben) und einer Einspritzdüse skizziert, die durch eine Kraftstoff führende Leitung L2 verbunden sind, wobei für den Zusam­ menbau der Einheit erforderliche Trennstellen außer Be­ tracht gelassen sind und die Pumpe nur angedeutet einge­ tragen ist. Von Bedeutung ist, daß die bauliche Einheit nur wenig Raum beansprucht und mechanisch unempfindlich ist. Diese Eigenschaften erlauben es, jeweils mindestens eine gesamte Einspritzeinheit unmittelbar bei jedem Zylin­ der eines Motors anzuordnen und z. B. wie konventionelle Einspritzdüsen mittels einer Gewindeverbindung zu befesti­ gen.

Im Ruhezustand ist die Einspritzdüse durch eine Düsennadel N, die durch eine Feder T gegen die Auslaßöffnung gedrückt ist verschlossen. Bei ansteigendem Kraftstoffdruck wird die Düsennadel durch den Kraftstoff nach oben gedrückt und gibt die Auslaßöffnung frei, so daß der Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt wird. Die Einspritzdüse mit Dü­ sennadel N und Feder T sowie die kraftstofführende Lei­ tung L2 sind vorteilhafterweise wie skizziert koaxial ange­ ordnet, woraus sich eine besonders kompakte Anordnung mit minimaler Leitungslänge für L2 ergibt. Die elektrische An­ steuerung der einzelnen Einspritzpumpen eines Motors er­ folgt vorzugsweise durch eine gemeinsame elektri­ sche/elektronische Steuereinheit, welcher die aktuellen Meßwerte relevanter Betriebsparameter wie z. B. Drehzahl, Last, Temperatur usw. zugeführt sind und die anhand einer analog oder digital festgelegten Zuordnungsvorschrift Zeitpunkte und Verlauf der den einzelnen Magnetspulen zu­ zuführenden Ströme festlegt und deren Durchführung steuert und überwacht.

Claims (15)

1. Einspritzpumpe für Verbrennungsmotoren, mit einer kraftstoffgefüllten Arbeitskammer (A), deren Kammervolumen steuerbar veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Kammervolumens durch ein magnetostrik­ tives Element mit einer Magnetspule (Sp) und einem von dieser umgebenen Körper (K) aus magnetostriktivem Material veränderbar ist.

2. Einspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil der Kammerwandung durch eine verformbare Membran (M) gebildet und mit dem magnetostriktiven Element verbunden ist (Fig. 1).

3. Einspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil der Kammerwandung verschiebbar ausge­ führt und mit dem magnetostriktiven Element verbunden ist (Fig. 2).

4. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper (K) in stromlosen Zustand der Magnetspule (Sp) unter mechani­ scher Druck-Vorspannung steht.

5. Einspritzpumpe nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (M) als Tellerfeder ausgeführt ist und die mechanische Vorspannung aufbringt.

6. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper vor dem Einspritzvorgang einem Bias-Magnetfeld ausgesetzt ist, dem für den Einspritzvorgang ein Hub-Magnetfeld überlagert ist.

7. Einspritzpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bias-Magnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt ist.

8. Einspritzpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bias-Magnetfeld durch einen Vormagnetisierungs­ strom durch die Magnetspule erzeugt ist.

9. Einspritzpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetspule (Sp) separate Teilspulen zur Er­ zeugung von Bias-Magnetfeld und Hub-Magnetfeld aufweist.

10. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ge­ kennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit, wel­ che nach Maßgabe von einem oder mehreren aktuellen Be­ triebsparametern des Verbrennungsmotors zeitabhängig den Verlauf des Stroms durch die Magnetspule bzw. die Verläufe der Ströme durch die separaten Teilspulen variabel steu­ ert.

11. Einspritzpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinheit den Vormagnetisierungsstrom und/oder den Strom zur Erzeugung des Hub-Magnetfelds va­ riabel steuert.

12. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper (K) mechanisch fixiert ist in einem Pumpengehäuse (G), das wirbelstromunterdrückend ausgeführt ist.

13. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer über eine Lei­ tung mit einer, ein Austrittsventil in eine Brennkammer bildenden Einspritzdüse mit einer federbelasteten Düsenna­ del verbunden ist und daß die Leitung, die Düsennadel und die Federn koaxial angeordnet sind.

14. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß sie mit der Einspritzdüse eine bauliche Einheit bildet.

15. Motor mit je mindestens einer Einspritzpumpe bei je­ dem Zylinder und mit einer für alle Einspritzpumpen ge­ meinsamen elektrischen Steuereinheit.