-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen
von Hochdruckkraftstoff.
-
Die
gegenwärtigen
strickten Regulierungen für
niedrige Emissionen von Fahrzeugen in jeweiligen Ländern fordern
bei jeder Kraftstoffeinspritzung eine ziemlich hohe Einspritzgenauigkeit.
Insbesondere wird von modernen Dieselkraftmaschinen gefordert, in Übereinstimmung
mit den strickten Regulierungen für niedrige Emissionen von Fahrzeugen
Voreinspritzungen oder Mehrfacheinspritzungen durchzuführen, so
dass es erforderlich ist, eine Einspritzgenauigkeit bei jeder Kraftstoffeinspritzung
zu steigern. Jedoch können
sich in dem Injektor auftretende Herstellungstoleranzen und/oder
langfristige Änderungen
die Einspritzmenge und/oder die Einspritzzeitgebung ändern. Somit
ist es erforderlich, einen Injektor zu entwickeln, der über eine
lange Verwendungszeitspanne eine hohe Einspritzgenauigkeit beibehält.
-
Nachstehend
ist ein Beispiel beschrieben, bei dem die Herstellungstoleranzen
und/oder langfristige Änderungen
eine Kraftstoffeinspritzgenauigkeit des Injektors verschlechtern.
-
5 zeigt schematisch einen
Aufbau eines herkömmlichen
Injektors 3 (siehe beispielsweise US 6,698,666-B und dessen Äquivalent JP2003-97378-A).
Der Injektor hat einen Kraftstoffeinströmdurchlass 31, einen
Kraftstoffauslassdurchlass 32, eine Steuerkammer 33,
ein Steuerventil 34, einen Steuerkolben 35, eine
Nadel 36, ein Gehäuse 38 und
eine Düsenkammer 44.
Das Gehäuse 38 stützt den
Steuerkolben 35 und die Nadel 36, wobei es in
sich eine Hin- und Herbewegung erlaubt. Das Gehäuse 38 und der Steuerkolben 35 umschließen die
Steuerkammer 35 zwischen sich, so dass sie deren Außenkontur
definieren. Durch den Kraftstoffeinströmdurchlass 31 wird
ein Hochdruckkraftstoff in die Steuerkammer 33 eingebracht.
Der in der Steuerkammer 33 angesammelte Hochdruckkraftstoff
wird durch den Kraftstoffauslassdurchlass 32 ausgelassen.
Der Kraftstoffauslassdurchlass 32 wird durch das Steuerventil 34,
das durch ein elektrisches Ventil, etwa ein elektromagnetisches
Ventil, betätigt
wird, versperrt und geöffnet.
Die Düsenkammer 44 ist
um die Nadel 36 herum angeordnet und ein Hochdruckkraftstoff
wird in sie zugeführt,
um die Nadel 36 in einer Ventilöffnungsrichtung zu drücken.
-
Wie
in 2A gezeigt ist, wird,
wenn sich der Injektor 3 öffnet, das elektromagnetische
Ventil eingeschaltet, so dass das Steuerventil 34 hochgezogen
wird, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu öffnen. Dann
nimmt ein Kolbensteuerdruck Pcc, der ein durch den in der Steuerkammer 33 auf
den Steuerkolben 35 in einer Axialrichtung des Injektors 3 ausgeübter Druck
ist, von einem Commonraildruck Pc zu einem Ventilöffnungsdruck
Popn ab, wodurch sich ein konischer Nadelkopf 36a von
dem in dem Gehäuse ausgebildeten
Nadelsitz 45 abhebt, um das Einspritzen des Hochdruckkraftstoffs
durch die Einspritzlöcher 46 zu
beginnen. Es braucht eine Zeit (im Weiteren als eine Einspritzstartverzögerung bezeichnet) Tds
vom Einschalten des elektromagnetischen Ventils bis zum Kraftstoffeinspritzbeginn
infolge einer Abnahme des Kolbensteuerdrucks Pcc auf unterhalb des
Ventilöffnungsdrucks
Popn.
-
Das
heißt,
der Steuerkolben 35 empfängt den Kolbensteuerdruck Pcc
in einer Ventilschließrichtung
(in 1 abwärts). Die
Nadel 36 empfängt einen
Gegendruck Pc in einer Ventilöffnungsrichtung (in 1 aufwärts). Der Gegendruck Pc ist
in etwa gleich dem Commonraildruck Pc. Somit muss zum Starten der
Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 3 eine Druckdifferenz
(Pc – Pcc) über einer
Ventilöffnungsdruckdifferenz
dP0 liegen. Somit ist es zum Starten der
Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 3 notwendig,
den Kolbensteuerdruck Pcc auf unterhalb des Ventilöffnungsdrucks
Popn zu verringern, so dass die Druckdifferenz
dP0 (Pc – Pcc) größer als die Ventilöffnungsdruckdifferenz
dP0 wird.
-
Unter – zur Vereinfachung
der Erklärung – Missachtung
einer durch eine Ventilrückstellfeder
auf den Steuerkolben 35 in der Ventilschließrichtung ausgeübten Ventilrückstellkraft übt der Kolbensteuerdruck
Pcc eine Ventilschließkraft
auf den Steuerkolben 35 aus, die einem Produkt (Pcc × Scc) des
Kolbensteuerdrucks Pcc und einer Druckaufnahmefläche Scc an einer stromaufwärtigen Endfläche des Steuerkolbens 35 entspricht.
Der Gegendruck Pcc übt
auf den Steuerkolben 35 eine Ventilöffnungskraft aus, die einem
Produkt (Pc × Snc)
des Gegendrucks Pc und der Druckaufnahmefläche Snc an einer stromabwärtigen Endfläche des
Steuerkolbens 35 entspricht. Somit ändert sich die Druckaufnahmefläche Scc
falls Herstellungstoleranzen und/oder langzeitige Änderungen
in einem Durchmesser Dns eines Nadelsitzabschnitts 47 auftreten,
wodurch sich auch die vorstehend beschriebene Ventilöffnungskraft ändert. Insbesondere.
sinkt der Ventilöffnungsdruck Popn auf Popn' ab, wie dies in 2A gezeigt ist. Dementsprechend
ist es zum Starten der Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 3 notwendig,
den Kolbensteuerdruck Pcc einzustellen.
-
Eine Änderung
des Ventilöffnungsdrucks
von Popn auf Popn', ändert ferner
die Einspritzstartverzögerung
von Tds auf Tds'.
Das heißt,
falls der Durchmesser Dns des Nadelsitzabschnitts 47 eine
relativ große Toleranz
oder Fehler aufweist, ändert
sich die Einspritzstartverzögerung
von Tds auf Tds',
so dass eine Solleinspritzmenge Q0 und eine Solleinspritzzeitgebung
T0, die in Übereinstimmung
mit einem gegenwärtigen
Fahrzustand berechnet werden, Fehler beinhalten, so dass eine hohe
Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzung verschlechtert wird, so dass
sie von ihren Idealwerten abweicht.
-
Wenn
der Injektor 3 geschlossen wird, um eine Kraftstoffeinspritzung
zu stoppen, wie dies in 6A und 6B gezeigt ist, ist der Nadelkopf 36a von dem
Nadelsitz 45 entfernt, so dass die Ventilschließzeitgebung
nicht durch eine Änderung
des Durchmessers Dns des Nadelsitzabschnitts 47 abweicht. Dass
heißt,
die Ventilschließzeitgebung
ist nicht durch die auftretenden Herstellungstoleranzen und/oder
langzeitigen Änderungen
beeinträchtigt,
die in dem Durchmesser Dns eines Nadelsitzabschnitts 47 auftreten
können.
-
In
Hinsicht auf die vorstehend beschriebenen Punkte ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Injektor bereitzustellen, der
ungeachtet von Herstellungstoleranzen und langzeitigen Änderungen
ein relativ schnelles Einspritzansprechverhalten und eine hohe Einspritzgenauigkeit
aufweist.
-
Der
Injektor hat ein Gehäuse,
einen Steuerkolben, eine Steuerkammer, eine Nadel, eine Nadelkammer,
einen Kraftstoffeinströmdurchlass,
einen Kraftstoffauslassdurchlass und ein elektrisches Ventil. Das
Gehäuse
stützt
den Steuerkolben verschieblich. Das Gehäuse und die eine Endfläche des
Steuerkolbens umschließen
die Steuerkammer. Die Nadel ist an der anderen Endflächenseite
des Steuerkolbens angeordnet, und ist durch das Gehäuse verschieblich
gestützt.
Das Gehäuse
und ein führender Endabschnitt
der Nadel umschließen
die Düsenkammer,
um den Hochdruckkraftstoff darin anzusammeln. Das Gehäuse ist
mit einem Einspritzloch versehen, das durch die Nadel geöffnet und
verschlossen wird. Der Kraftstoffauslassdurchlass öffnet sich
an einer Kraftstoffauslassöffnung
zu der Steuerkammer, um den Hochdruckkraftstoff aus der Steuerkammer auszulassen.
Die Kraftstoffauslassöffnung
befindet sich nahe an einer obersten Stelle bzw. Stellung des Steuerkolbens.
Das elektrische Ventil ist zum Öffnen und
Versperren des Kraftstoffauslassdurchlasses vorgesehen.
-
Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
ebenso wie Betriebsverfahren und Funktionen der zugehörigen Teile
aus einem Studium der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, den
beiliegenden Ansprüchen und
den Zeichnungen ersichtlich, die alle einen Teil dieser Anmeldung
bilden. In den Zeichnungen ist:
-
1 eine
schematische Schnittansicht des Injektors gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
2A ein
Graph, der eine Kolbensteuerdruckcharakteristik nach dem Öffnen eines
Steuerventils gemäß eines
herkömmlichen
Injektors zeigt;
-
2B ein
Graph, der eine Kolbensteuerdruckcharakteristik des Injektors gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach dem Öffnen
eines Steuerventils zeigt;
-
3A ist
ein Graph, der einen Einspritzratenübergang eines herkömmlichen
Injektors zeigt;
-
3B ist
ein Graph, der einen Einspritzratenübergang des Injektors gemäß dem Ausführungsbeispiel
zeigt;
-
4 ist
ein schematisches Diagramm, das ein Commonrailkraftstoffeinspritzsystem
mit dem Injektor gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel zeigt;
-
5 ist
eine schematische Schnittansicht des herkömmlichen Injektors;
-
6A ist
eine Darstellung eines Betriebs des herkömmlichen Injektors; und
-
6B ist
eine Darstellung eines Betriebs des herkömmlichen Injektors.
-
Ein
Injektor 3 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1, 2A, 2B, 3A, 3B und 4 beschrieben. Der
Injektor 3 bildet zusammen mit einer Commonrail 2 und
einer Kraftstoffpumpe 4, einer Kraftmaschinensteuereinheit
(ECU) 5 usw. ein Commonrailkraftstoffeinspritzsystem für eine Dieselkraftmaschine 1.
Die ECU 5 ist zum Steuern von Betrieben des Injektors 3 und
weiteren Komponenten des Commonrailkraftstoffeinspritzsytems. Die
Dieselkraftmaschine 1 hat eine Vielzahl von Zylindern zum
Durchführen
eines Einlasstakts, eines Verdichtungstakts, eines Krafttakts und
eines Auslasstakts. 4 zeigt das Commonrailkraftstoffeinspritzsystem
mit vier Zylindern lediglich als Beispiel und die Zylinderanzahl kann
entsprechend geändert
werden.
-
Die
Commonrail 2 ist eine Sammelkammer zum Sammeln von zu den
Injektoren 3 zuzuführendem
Hochdruckkraftstoff. Eine Kraftstoffleitung (Hochdruckkraftstoffdurchlass) 6 verbindet
eine Auslassöffnung
der Kraftstoffpumpe 4 mit der Commonrail 2, um
einen vorbestimmten Commonraildruck Pc beizubehalten, der ein Druck
des in der Commonrail 2 angesammelten Hochdruckkraftstoffs
ist und der einem Kraftstoffzuführdruck
zu den Injektoren 3 entspricht. Eine Leckagekraftstoffleitung
(Kraftstoffrückführdurchlass) 7 schickt
Leckagekraftstoff der Injektoren 3 zu einem Kraftstofftank 8 zurück. Eine
Entlastungsleitung, die die Commonrail 2 mit dem Kraftstofftank 8 verbindet,
ist mit einem Druckbegrenzer 11 versehen. Insbesondere
ist der Druckbegrenzer 11 ein Drucksicherheitsventil, das
sich öffnet,
wenn der Kraftstoffdruck in der Commonrail 2 einen spezifischen
Druck erreicht, um den Kraftstoffdruck innerhalb des vorbestimmten
kritischen Drucks zu beschränken.
-
Der
Injektor 3 ist in einem Kraftmaschinenkopf eines jeden
Zylinders der Dieselkraftmaschine 1 eingesetzt und daran
montiert. Die Injektoren 3 sind an stromabwärtige Enden
der Hochdruckkraftstoffleitungen 10 angeschlossen, die
von der Commonrail 2 abzweigen, und spritzen von einer
Commonrail 2 zugeführten
Hochdruckkraftstoff in die Zylinder der Dieselkraftmaschine 1 ein.
Ein ausführlicher
Aufbau des Injektors 3 wird später beschrieben.
-
Die
Kraftstoffpumpe 4 führt
Kraftstoff bei einem hohen Druck zu der Commonrail 2 zu.
Insbesondere weist die Kraftstoffpumpe 4 eine Förderpumpe und
eine Hochdruckpumpe auf. Die Förderpumpe saugt
Kraftstoff von dem Kraftstofftank 8 an und die Hochdruckpumpe
druckbeaufschlagt den durch die Förderpumpe angesogenen Kraftstoff
und führt
den Kraftstoff dann zu der Commonrail 2 zu. Eine Einzelnockenwelle 12 treibt
die Förderpumpe
und die Hochdruckpumpe an. Die Nockenwelle 12 wird durch eine Kurbelwelle 13 der
Dieselkraftmaschine 1 und dergleichen gedreht. Die Kraftstoffpumpe 4 ist
mit einem Ansaugsteuerventil (SUV) 14 versehen und die ECU 5 steuert
das Ansaugsteuerventil 14, um den Commonraildruck Pc einzustellen.
-
Die
ECU 5 weist einen Mikrocomputer mit einer herkömmlichen
Struktur auf, der mit einer CPU, einer Speichervorrichtung, einer
Eingabeschaltung, einer Ausgabeschaltung, einer Kraftquellenschaltung,
einer Einspritztreiberschaltung und einer Pumpentreiberschaltung
versehen ist. Die Speichervorrichtung ist durch einen ROM, einen
Lese-Schreibspeicher
(EEPROM, etc.), einen RAM und dergleichen ausgebildet und speichert
in sich Programme und Daten. Die CPU empfängt elektrische Signale, die
in Übereinstimmung
mit Betriebszuständen
der Dieselkraftmaschine 1 und/oder durch einen Fahrer von
Sensoren geschickten Betriebszuständen von Sensoren ausgeschickt
werden, und sie führt
Steuerprozesse und numerische Berechnungen auf Grundlage dieser
elektrischen Signale durch. Die Sensoren weisen beispielsweise einen
Drosselsensor 21 zum Erfassen eines Öffnungsgrads einer Drossel,
einen Drehfrequenzsensor 22 zum Erfassen einer Drehfrequenz
der Dieselkraftmaschine 1, einen Kühlmitteltemperatursensor 23 zum
Erfassen einer Kühlmitteltemperatur
der Dieselkraftmaschine 1, einen Commonraildrucksensor 24 zum
Erfassen des Commonraildrucks Pc und weitere Sensoren 25 auf.
-
Die
ECU 5 weist einen Solleinspritzmengenberechner 5a und
einen Solleinspritzzeitgebungsberechner 5b als Programm
für eine
Antriebssteuerung des Injektors 3 auf. Die ECU 5 weist
ferner einen Solldruckberechner 5c als ein Programm zur
Antriebssteuerung des Ansaugsteuerventil 14 auf, d. h.
als ein Programm für
eine Auslassdrucksteuerung der Kraftstoffpumpe 4.
-
Der
Solleinspritzmengenberechner 5a ist ein Steuerprogramm,
das eine Solleinspritzmenge Q0 in Übereinstimmung mit einem gegenwärtigen Fahrzustand
bestimmt, dann eine Injektorantriebszeit zum Einspritzen von Kraftstoff
in der Höhe
der Solleinspritzmenge Q0 bestimmt und ein Einspritzdauersignal,
genauer gesagt eine Zeitdauer eines Ein-Signals eines Einspritzsignals
oder eine Antriebszeit des Injektors 3 generiert, um die
Kraftstoffeinspritzung für die
Einspritzantriebszeit durchzuführen.
-
Der
Solleinspritzzeitgebungsberechner 5b ist ein Steuerprogramm,
das eine Solleinspritzzeitgebung T0 bestimmt, um eine Zündung zu
einer idealen Zündzeitgebung
in Übereinstimmung
mit dem gegenwärtigen
Fahrzustand zu starten, das dann eine Einspritzsteuerzeitgebung
bestimmt, um die Kraftstoffeinspritzung bei der Solleinspritzzeitgebung
T0 zu starten, und das dann ein Einspritzstartsignal erzeugt, genauer
gesagt, das das Einspritzsignal in der Injektortreiberschaltung
bei der Einspritzsteuerzeitgebung einschaltet.
-
Der
Solldruckberechner 5c ist ein Steuerprogramm, das einen
Sollcommonraildruck Pc0 (den Kraftstoffzuführdruck) bestimmt, das dann
einen Öffnungsgrad
des Ansaugsteuerventils 14 bestimmt, um den durch ein Commonraildrucksensor 24 erfassten Commonraildruck
Pci auf den Sollcommonraildruck Pc0 einzustellen, und das ein Ventilöffnungssignal, etwa
ein PWM-Signal in einer Ansaugsteuerventiltreiberschaltung zu generieren,
um das Ansaugsteuerventil 14 auf den Ansaugsteuerventilöffnungsgrad zu
stellen.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 wird der Aufbau des Injektors 3 ausführlich beschrieben.
Der Injektor 3 dient zum Einspritzen von von der Commonrail 2 zugeführtem Hochdruckkraftstoff
in die Zylinder der Dieselkraftmaschine 1. Genauer gesagt
hat der Injektor 1 einen Kraftstoffeinströmdurchlass 31,
einen Kraftstoffauslassdurchlass 32, eine Steuerkammer 33,
ein Steuerventil 34, einen Steuerkolben 35, eine Nadel 36 und
eine Düse 37.
Ein Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 33 dient als ein
Kolbensteuerdruck Pcc zum Ausüben
einer Ventilschließkraft
auf einer stromaufwärtigen
Endfläche
des Steuerkolbens 35. Der Kraftstoffeinströmdurchlass 31 bringt
den Hochdruckkraftstoff in die Steuerkammer 33 ein, um
den Kolbensteuerdruck Pcc auf den Commonraildruck Pcc zu erhöhen. Ein
als das Steuerventil 34 dienendes elektromagnetisches Ventil öffnet und
versperrt den Kraftstoffauslassdurchlass 32, um den Kolbensteuerdruck
Pc durch Kraftstoffleckage aus der Steuerkammer 33 einzustellen.
Wenn der Kolbensteuerdruck Pcc auf unterhalb eines Ventilöffnungsdrucks Popn sinkt, hebt sich die Nadel 36 an,
um Kraftstoff durch die Düse 37 einzuspritzen.
-
Ein
Gehäuse 38,
etwa ein Düsenhalter,
des Injektors 3 ist mit einem Zylinder 41, einem
Hochdruckkraftstoffdurchlass 42, einem Niedrigdruckkraftstoffdurchlass
(nicht gezeigt) usw. versehen. Der Zylinder 41 ist in dem
Gehäuse 38 ausgebildet
und der Steuerkolben 35 ist darin hin- und herbewegbar
installiert. Der Hochdruckkraftstoffdurchlass 42 bringt über die
Hochdruckkraftstoffleitung 10 von der Commonrail 2 zugeführten Hochdruckkraftstoff
zu der Düse 37 und
dem Kraftstoffeinströmdurchlass 31 ein. Der
Niederdruckkraftstoffdurchlass 43 bringt Leckagekraftstoff
des Injektors 3 zu einer Leckagekraftstoffleitung 7 ein,
die sich an einer Niederdruckseite befindet. Ein Druckstift (nicht
gezeigt) ist zwischen dem Steuerkolben 35 und einer Nadel 36 zwischengeordnet,
um diese miteinander zu verbinden. Eine (nicht gezeigte) Feder ist
um den Druckstift herum angeordnet, um eine rückgebende Kraft auszuüben, um
die Nadel 36 auf einen Ventilsitz 45 aufzusetzen. Das
Gehäuse
und der Steuerkolben 35 umschließen die Steuerkammer 33 zwischen
sich an einem stromabwärtigen
Raum in dem Zylinder 41, so dass sie deren Außenkontur
definieren. Die Steuerkammer 33 ändert ihr Volumen in Übereinstimmung
mit einer Hin- und Herbewegung des Steuerkolbens 35. Eine stromaufwärtige Endfläche des
Steuerkolbens 35, die eine Druckaufnahmefläche Scc
entspricht, nimmt den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer auf, um
sich selbst auf den Ventilsitz 45 aufzusetzen. Genauer
gesagt ist eine stromabwärtige
Seitenfläche
an einer Platte 40, die sich an der stromabwärtigen Seite
des Gehäuses 38 befindet,
mit einer Vertiefung 40a versehen, die mit dem Zylinder 41 in
Verbindung zu bringen ist und ein Inneres der Vertiefung 40a dient
als die Steuerkammer 33. Der Kraftstoffeinströmdurchlass 31 bringt
von dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 42 zugeführten Kraftstoff
in die Steuerkammer 33 ein. In dem Kraftstoffeinströmdurchlass 31 ist
eine Einströmdrossel
installiert, um eine Strömungsrate
von dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 42 in die Steuerkammer 33 strömenden Hochdruckkraftstoff
zu beschränken.
Eine Auslassdrossel ist in dem Kraftstoffauslassdurchlass 32 installiert,
um eine Strömungsrate
des von der Steuerkammer 33 zu der Leckagekraftstoffleitung 7 strömenden Kraftstoffs
zu beschränken.
-
Das
elektromagnetische Ventil ist mit einem (nicht gezeigten) Solenoid,
dem Ventil 34 und einer (nicht gezeigten) Ventilrückstellfeder
versehen. Die Ventilrückstellfeder
drückt
das Ventil 34, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu
versperren. Das Solenoid erzeugt eine elektromagnetische Kraft indem es
aktiviert wird, um das Ventil 34 zum Öffnen des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 gegen
eine Rückstellkraft
der Ventilrückstellfeder
zu bewegen. Eine Führungsendfläche des
Ventils 34 ist mit einem Kugelventil (nicht gezeigt) versehen,
um eine stromabwärtige
Endöffnung
des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 zu öffnen und zu schließen. Wenn
das Solenoid nicht erregt ist, drückt die Rückstellkraft der Ventilrückstellfeder
das Kugelventil, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu
versperren. Wenn das Solenoid erregt ist, bewegt sich das Ventil 34 gegen
die Rückstellkraft
der Ventilrückstellfeder 34,
um das Kugelventil von einem Ventilsitz abzuheben, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu öffnen.
-
Das
Gehäuse 38 ist
ferner mit einem zylindrischen Loch 43, einer Düsenkammer 44,
einem Nadelsitz 45 und einer Vielzahl von Einspritzlöchern 46 versehen.
Das zylindrische Loch 43 stützt die Nadel 36,
so dass sie sich darin zum Öffnen
und Schließen der
Düse 37 hin-
und herbewegt. Die Düsenkammer 34 ist
ein ringförmiger
Raum, der das zylindrische Loch 43 umgibt. Die Düsenkammer 44 ist
mit dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 42 in Verbindung.
Der Nadelsitz 45 hat eine konische Gestalt, so dass der konische
Nadelkopf 36a der Nadel 36 darauf aufsitzt. Die
Einspritzlöcher 46 sind
zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff dort hindurch innerhalb
eines Durchmessers Dns eines Düsensitzabschnitts 47 angeordnet,
in dem die Nadel 36 auf dem Nadelsitz 45 aufsitzt.
-
Eine
stromabwärtige
Fläche
bzw. Vorderseite der Nadel 36, die in der Düsenkammer 44 exponiert
ist, nimmt den Commonraildruck Pc von dem darin enthaltenen Hochdruckkraftstoff
in einer Axialrichtung des Injektors 3 auf. Eine vorstehende
Fläche der
stromabwärtigen
Vorderseite in der Axialrichtung entspricht einer Druckaufnahmefläche Pn,
an der die Nadel 36 den Commonraildruck Pc aufnimmt. Die Nadel 36 hat
den Nadelkopf 36a an der stromabwärtigen Vorderseite, die zum Öffnen und
Schließen
der Einspritzlöcher 46 auf
den Nadelsitz 45 aufgesetzt und davon abgehoben wird. Der
Düsenkopf 36a hat einen
konischen Basisabschnitt an dessen stromaufwärtiger Seite und hat einen
konischen Spitzenabschnitt an dessen stromabwärtigen Seite. Eine Grenze zwischen
dem konischen Basisabschnitt und dem konischen Spitzenabschnitt
sitzt auf dem Düsenabschnitt 47 auf.
Der konische Spitzenabschnitt ist mit Bezug auf den konischen Basisabschnitt
stumpfwinklig gestaltet, so dass die Grenze zwischen dem konischen
Basisabschnitt und dem konischen Spitzenabschnitt mit dem Düsenabschnitt 47 in
Kontakt kommt, um eine Verbindung zwischen der Düsenkammer 44 und den
Einspritzlöchern 46 zu
unterbrechen.
-
Als
nächstes
wird ein Kraftstoffeinspritzbetrieb des Injektors 1 beschrieben.
Wenn die ECU 5 mit dem Generieren eines elektrischen Impuls
als das Kraftstoffdauersignal zum Aktivieren (Eingehalten) des elektromagnetischen
Ventils beginnt, zieht das Solenoid das Steuerventil 34 nach
oben, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu öffnen, dann
beginnt der Kolbensteuerdruck Pcc in der Steuerkammer 33 durch
die Kraftstoffsabgabe durch den Kraftstoffauslassdurchlass 32 und
durch die Kraftstoffeinströmbeschränkung durch
das in dem Kraftstoffeinströmdurchlass 31 installierte
Einströmdrossel
damit abzufallen. Wenn der Kolbensteuerdruck Pcc auf unterhalb des
Ventilöffnungsdrucks
Popn abfällt,
dann startet die Nadel 36 damit sich von dem Nadelsitz 45 abzuheben,
um die Düsenkammer 44 mit
den Einspritzlöchern
46 zum Einspritzen von in die Düsenkammer 44 zugeführten Hochdruckkraftstoffs
durch die Einspritzlöcher 46 in
Verbindung zu bringen. Die Zeit vom Einschalten des elektromagnetischen
Ventils bis zum Kraftstoffeinspritzstart wird als Einspritzstartverzögerung Tds bezeichnet. Wie in 3B gezeigt
ist nimmt eine Starteinspritzrate Qup, die
eine Kraftstoffeinspritzrate beim Starten der Kraftstoffeinspritzung
ist, in Übereinstimmung
mit dem Anheben der Nadel 36 allmählich zu. Die Starteinspritzrate
Qup nimmt auf eine maximale Einspritzrate
Qmax zu, und dann wird die maximale Einspritzrate
Qmax beibehalten, während der Kraftstoffauslassdurchlass 32 offen ist.
-
Wenn
die ECU 5 das Generieren des elektrischen Impulses stoppt,
um das elektromagnetische Ventil zu deaktivieren (auszuschalten),
hört das
Solenoid wieder damit auf, das Steuerventil 34 zum Versperren
des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 anzuziehen, dann fängt der
Kolbensteuerdruck Pcc in der Steuerkammer 33 durch den
Kraftstoffeinstrom durch den Kraftstromeinströmdurchlass 31 an zu
steigen. Wenn der Kolbensteuerdruck Pcc über einen Ventilschließdruck angestiegen
ist, fängt
die Nadel 36 damit an, sich auf den Nadelsitz 45 herunter
zu bewegen, um die Verbindung zwischen der Düsenkammer 44 und den
Einspritzlöchern 46 zum
Stoppen der Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzlöcher 46 zu unterbrechen.
-
Wenn
das elektromagnetische Ventil ausgeschaltet ist bevor die Starteinspritzrate
Qup die maximale Einspritzrate Qmax bei einer kleinen Einspritzung, etwa
bei einer Voreinspritzung in einer Mehrfacheinspritzung, erreicht,
zeigt die Einspritzrate eine nahezu dreieckige Änderung auf. Wenn das Einspritzventil
abgeschalten wird, nachdem die Starteinspritzrate Qup die
maximale Einspritzrate Qmax in einer großen Einspritzung,
etwa einer normalen Einspritzung oder einer Haupteinspritzung in
einer Mehrfacheinspritzung erreicht, dann zeigt die Einspritzrate eine
nahezu trapezförmige Änderung
auf, wie dies in 3B gezeigt ist.
-
(Erstes Unterscheidungsmerkmal)
-
Ein
erstes Unterscheidungsmerkmal des Injektors 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
-
Eine
Kraftstoffauslassöffnung 51,
die eine Öffnung
des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 in der Steuerkammer 33 ist,
ist so nahe wie möglich
an dem Steuerkolben 35 angeordnet, so dass sie nicht durch den
Steuerkolben 35 versperrt wird. D.h., die Kraftstoffauslassöffnung 51 ist
näher an
dem Steuerkolben 35 als es die Kraftstoffauslassöffnung 51 ist.
Genauer gesagt ist die Kraftstoffauslassöffnung 51 an einer
Umfangsfläche
der in der Platte 40 ausgebildeten Vertiefung 40a angeordnet.
Die Kraftstoffauslassöffnung 51 ist
in der Axialrichtung des Injektors 3 (in einer Hin- und
Herbewegungsrichtung des Steuerkolbens 35) näher an einem
stromabwärtigen
(Steuerkolben 35-seitigen Ende) der Vertiefung 40a vorgesehen
als an einem boden der Vertiefung 40a. Es ist wünschenswert,
dass die Kraftstoffauslassöffnung 51 so
nahe wie möglich
an der stromaufwärtigen
Endfläche
(Druckaufnahmefläche)
des Steuerkolbens 35 angeordnet ist.
-
Ferner
ist in der Nähe
der Kraftstoffauslassöffnung 51 eine
radiale Mittelachse des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 senkrecht
zu einem Abschnitt 33a der Umfangsfläche der Vertiefung 40a angeordnet,
an der die Kraftstoffauslassöffnung 51 angeordnet
ist. Wahlweise kann der Kraftstoffauslassdurchlass 32 so
angeordnet sein, dass er zu dem Abschnitt 30a der Umfangsfläche der
Vertiefung 40a nicht senkrecht ist.
-
Die
in der Nähe
des Steuerkolbens 35 angeordnete Kraftstoffauslassöffnung 51 erzeugt
einen Vorteil folgendermaßen.
Wenn das elektromagnetische Ventil eingeschaltet ist, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu öffnen, beginnt
der Kraftstoffdruck in einer Nähe
des Steuerkolbens 35 in der Steuerkammer 33 schneller
als der Kraftstoffdruck in der Nähe
des Bodens der Vertiefung 40a damit abzufallen; dadurch
fällt der
Kraftstoffdruck, der auf die stromaufwärtige Endfläche des Steuerkolbens 35 eine
Ventilschließkraft
aufbringt, nämlich
der Kolbensteuerdruck Pcc schnell ab. Somit fällt, wie in 2B gezeigt
ist, der Kolbensteuerdruck Pcc auf unterhalb des Ventilöffnungsdrucks
Popn in einer relativ kurzen Zeit ab, so
dass die Kraftstoffeinspritzverzögerung Tds mit Bezug auf den Stand der Technik verringert wird,
wodurch der Injektor 3 mit einem guten Ansprechverhalten
beim Starten der Kraftstoffeinspritzung versehen ist. Ein schnelles
Abfallen des Kolbensteuerdrucks Pcc hebt die Nadel schneller an,
als dies im Stand der Technik der Fall ist. Somit steigt die Starteinspritzrate
Qup mit Bezug auf den Stand der Technik
schneller, wie dies in 3B gezeigt ist, wodurch der
Injektor 3 mit einem besseren Ansprechverhalten beim Starten
der Kraftstoffeinspritzung versehen ist.
-
Ferner
sinkt der Kolbensteuerdruck Pcc schnell, wenn das elektromagnetische
Ventil zu Öffnen
des Kraftstoffauslassdurchlasses 32 eingeschaltet wird.
Somit ist selbst dann, wenn Herstellungstoleranzen und/oder langzeitige Änderungen
in dem Durchmesser Dns des Nadelsitzabschnitts 47 auftreten
können,
die in dem Ventilöffnungsdruck
(Popn – Popn')
eine großen Änderung
mit sich bringen, die Abweichung der Einspritzstartverzögerung (Tds' – Tds) auf innerhalb einer kurzen Zeitspanne beschränkt. D.h.,
selbst wenn in dem Durchmesser Dns des Nadelsitzabschnitts 47 Herstellungstoleranzen
und/oder langzeitige Änderungen
auftreten, ist die Abweichung der Einspritzstartverzögerung (Tds' – Tds) auf innerhalb einer kurzen Zeit beschränkt. Folglich
ist es möglich,
Einspritzzeitgebungsfehler, d.h., eine Differenz zwischen der Solleinspritzzeitgebung
T0 und der tatsächlichen
Einspritzzeitgebung Ti zu beschränken,
um eine relativ hohe Einspritzgenauigkeit herzustellen.
-
(Zweites Unterscheidungsmerkmal)
-
Nachstehend
wird ein zweites Unterscheidungsmerkmal des Injektors 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel
beschrieben.
-
Eine
Kraftstoffeinströmöffnung 52,
die eine Öffnung
des Kraftstoffeinströmdurchlasses 31 in
die Steuerkammer 33 ist, ist so nah wie möglich an
dem Steuerkolben 35 angeordnet, so dass sie nicht durch den
Steuerkolben 35 verschlossen wird. Die Kraftstoffeinströmöffnung 52 ist
weiter von dem Steuerkolben 35 entfernt als es die Kraftstoffauslassöffnung 51 ist.
Insbesondere ist die Kraftstoffeinströmöffnung 52 zusammen
mit der Kraftstoffauslassöffnung 52 an
einer Umgangsfläche
der Vertiefung 40a angeordnet. Die Kraftstoffeinströmöffnung 52 befindet
sich – in der
Axialrichtung des Injektors 3 – weiter weg von dem stromabwärtigen Ende
der Vertiefung 40a als von einem Boden der Vertiefung 40a.
Es ist wünschenswert,
dass die Kraftstoffeinströmöffnung 52 so weit
weg wie möglich
von der stromabwärtigen
Endfläche
(Druckaufnahmefläche)
des Steuerkolbens 35 angeordnet ist.
-
Ferner
ist in einer Nähe
der Kraftstoffeinströmöffnung 52 eine
radial mittige Achse des Kraftstoffeinströmdurchlasses 31 senkrecht
zu einem Abschnitt 33b der Umfangsfläche der Vertiefung 40a angeordnet,
an der die Kraftstoffeinströmöffnung 52 angeordnet
ist. Alternativ kann der Kraftstoffeinströmdurchlass 31 so angeordnet
sein, dass er zu dem Abschnitt 30a an der Umfangsfläche der
Vertiefung 40a nicht senkrecht ist.
-
Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Kraftstoffauslassöffnung 51 nahe
zu dem Steuerkolben 35 angeordnet. Zusätzlich zu diesem Aufbau ist
die Kraftstoffeinströmöffnung 52 weiter
als die Kraftstoffauslassöffnung 51 von
dem Steuerkolben 35 entfernt angeordnet. Die wie vorstehend
beschrieben angeordneten Kraftstoffeinströmöffnung 52 und Kraftstoffauslassöffnung 51 generieren
einen nachstehenden Vorteil. Wenn das elektromagnetische Ventil
ausgeschaltet ist, um den Kraftstoffauslassdurchlass 32 zu versperren,
hört ein
Kraftstoffstrom in einer Nähe
des Steuerventils 34 des elektromagnetischen Ventils auf.
Infolge der viskoselastischen Eigenschaft des Kraftstoffs benötigt es
einige Zeit, bis der Kraftstoffstrom an einer stromaufwärtigen Seite
in der Steuerkammer 33 aufhört. Somit stoppt der Kraftstoffstrom
an der Kraftstoffauslassöffnung 51,
die sich nahe zu dem Steuerventil 34 des elektromagnetischen
Ventils befindet, früher
als der Kraftstoffstrom an der Kraftstoffeinströmöffnung 51 infolge
der viskoelastischen Eigenschaft des Kraftstoffpunkts.
-
Ein
schneller Stop des Kraftstoffstroms ist äquivalent zu einer schnellen
Erhöhung
des Kraftstoffdrucks und ein langsamer Stop des Kraftstoffstroms
ist äquivalent
zu einer langsamen Erhöhung
des Kraftstoffdrucks. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Kraftstoffauslassöffnung 51 nahe
dem Steuerkolben 35-seitigen Ende der Vertiefung 40a angeordnet
und die Kraftstoffeinströmöffnung 52 ist nahe dem
Boden der Vertiefung 40a angeordnet, die dem Steuerkolben
35-seitigen Ende gegenüberliegt; dadurch
nimmt der Kraftstoffdruck in einer Nähe des Steuerkolbens 35 früher zu als
der Kraftstoffdruck an anderen Stellen in der Steuerkammer 33.
Somit steigt der Kolbensteuerdruck Pcc beim Stoppen der Kraftstoffeinspritzung
von dem Injektor schnell an. Folglich sitzt die Nadel 36 schnell
auf dem Nadelsitz 45 auf, wie dies durch eine steile Neigung
einer Stopeinspritzrate Qdn in 3B gezeigt
ist. Das heißt, der
Injektor 3 stoppt durch schnelles Stoppen der Kraftstoffeinspritzung
die Kraftstoffeinspritzung scharf. Durch scharfes Stoppen der Kraftstoffeinspritzung
dient der Injektor 3 zum Verringern einer Erzeugung schädlicher
Substanzen, etwa Kohlenwasserstoffen (HC) und Schwebstoffen (PM),
die durch verteilten Kraftstoff an einer finalen Stufe in jeder
Kraftstoffeinspritzung erzeugt werden.
-
(Modifiziertes Ausführungsbeispiel)
-
Der
Injektor 3 gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist mit dem elektromagnetischen Ventil versehen, das das Ventil 34 durch
eine Anziehungskraft des Solenoids betätigt. Alternativ kann die vorliegende
Erfindung natürlich auf
einen Injektor angewendet werden, der mit anderen Bauarten solcher
elektrischen Stellglieder, etwa einem piezoelektrischen Stellglied
zum Betätigen des
Ventils 34 versehen ist. Der Injektor 3 gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel ist
in ein Commonrailkraftstoffeinspritzsystem für die Dieselkraftstoffmaschine 1 eingegliedert.
Alternativ wird die vorliegende Erfindung in anderen Bauarten von
Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet, etwa in einem Ottomotor,
der keine Commonrail hat.
-
Diese
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und
folglich ist es beabsichtigt, dass Variationen, die vom Kern der
Erfindung nicht abweichen, in dem Bereich der Erfindung enthalten
sind. Solche Variationen werden nicht als Abweichung vom Bereich
der Erfindung betrachtet.
-
Ein
Injektor (3) hat ein Gehäuse (38, 40),
einen Steuerkolben (35), eine Steuerkammer (33), eine
Nadel (36), eine Düsenkammer
(44), einen Kraftstoffeinströmdurchlass (31), einen
Kraftstoffauslassdurchlass (32) und ein elektrisches Ventil
(34). Das Gehäuse
(38, 40) stützt
den Steuerkolben (35) und die Nadel (36) verschieblich.
Das Gehäuse
(38) und eine Endfläche
des Steuerkolbens (35) umschließen die Steuerkammer (33).
Die Nadel (36) ist an der anderen Endflächenseite des Steuerkolbens (35)
angeordnet. Das Gehäuse
(38, 40) und ein Führungsendabschnitt der Nadel
(36) umschließen
die Düsenkammer
(44), um den Hochdruckkraftstoff anzusammeln. Der Kraftstoffauslassdurchlass
(32) öffnet
sich an einer Kraftstoffauslassöffnung
(51) zu der Steuerkammer (33), um den Hochdruckkraftstoff
aus der Steuerkammer (33) auszulassen. Die Kraftstoffauslassöffnung (51)
befindet sich nahe zu einer obersten Stellung des Steuerkolbens
(35).