DE10260825A1

DE10260825A1 - Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10260825A1
Application number: DE10260825A
Authority: DE
Inventors: Masao Nakayama; Tomoji Ishikawa; Natsuki Sugiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: US6910644B2; FR2834008A1; DE10260825B4; US20030116657A1

Abstract

Bei dem vorliegenden magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil wird der Öffnungsquerschnitt eines Kraftstoffstromkanals (PS), der als Raum zwischen einer Innenfläche eines Behälters (H), in den Kraftstoff eingeführt wird, und einer Außenfläche eines in dem Behälter (H) angeordneten Nadelelementes (N) begrenzt ist, durch Verschieben des Nadelelementes (N) in einer Richtung +Z mit Hilfe von durch eine elektromagnetische Einrichtung erzeugten Magnetkräften (F¶L¶, F¶S¶) geändert. Die elektromagnetische Einrichtung ist mit einem ersten und einem zweiten Magnetkreis (M1, M2) versehen, durch welche die Magnetkräfte (F¶L¶, F¶S¶) unabhängig voneinander steuerbar sind. Das auf diese Weise aufgebaute magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil gewährleistet einen zuverlässigen Öffnungs-/Schließbetrieb.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil.

2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Die JP-Offenlegungsschrift Nr. 8-210217 beschreibt ein magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem einschlägigen Stand der Technik. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil wird ein Nadelelement, das in einem Behälter angeordnet ist, in den Kraftstoff eingeführt wird, durch von einer elektromagnetischen Einrichtung erzeugte Anzugs- bzw. Magnetkräfte in seiner Längsrichtung verschoben, wodurch sich der Öffnungsquerschnitt eines als Raum zwischen einer Innenfläche des Behälters und einer Außenfläche des Nadelelementes begrenzten Krafstoffstromkanals ändert. Nach dem Durchströmen des Kraftstoffstromkanals wird der Kraftstoff aus einer Düsenöffnung eingespritzt.

Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem einschlägigen Stand der Technik weist jedoch insofern Probleme auf, als die Magnetkräfte unzulänglich sind, und die Betätigung zum Öffnen und Schließen des Ventils nicht zuverlässig durchgeführt werden kann.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die oben genannten Probleme. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil zur Verfügung zu stellen, das zuverlässig geöffnet und geschlossen werden kann.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, stellt die Erfindung ein magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil zur Verfügung, bei dem ein Öffnungsquerschnitt eines Kraftstoffstromkanals, der als Raum zwischen einer Innenfläche eines Behälters, in den Kraftstoff eingeführt wird, und einer Außenfläche eines in dem Behälter angeordneten Nadelelements begrenzt ist, geändert wird, indem dfas Nadelelement durch von einer elektromagnetischen Einrichtung erzeugte Anzugs- bzw. Magnetkräfte in Längsrichtung verschoben wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektromagnetische Einrichtung mit einem ersten und einem zweiten Magnetkreis versehen ist, durch welche die Anzugs- bzw. Magnetkräfte unabhängig voneinander steuerbar sind.

Aufgrund der Tatsache, daß das vorliegende magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil den ersten und den zweiten Magnetkreis verwendet, durch welche die Magnetkräfte unabhängig voneinander gesteuert werden können, können die Magnetkräfte auf geeignete Weise eingestellt werden, und der Betrieb zum Öffnen und Schließen des Ventils kann zuverlässig durchgeführt werden. Insbesondere wenn der erste und der zweite Magnetkreis so konzipiert sind, daß sie während eines vorgegebenen Zeitraums gleichzeitig Magnetkräfte erzeugen, können die Magnetkräfte verstärkt werden, und der Betrieb zum Öffnen und Schließen des Ventils kann zuverlässiger durchgeführt werden.

Wenn der erste und der zweite Magnetkreis in einer Längsrichtung des Nadelelementes angeordnet sind, können die Magnetkräfte verstärkt werden, ohne die Baugröße in der zur Längsrichtung senkrechten Richtung (d. h. die Abmessung in der Radialrichtung) zu vergrößern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, wenn der erste Magnetkreis ein Paar Magnetkörper aufweist, die über einen ersten Zwischenraum hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden; der zweite Magnetkreis ein Paar Magnetkörper aufweist, die über einen zweiten Zwischenraum hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden; ein Elektromagnet aus mindestens einem der Magnetkörperpaare besteht; und die Magnetkörper jeweils zwischen dem Behälter und dem Nadelelement so angeordnet sind, daß sie das Nadelelement durch Magnetkräfte der Magnetkörper in Längsrichtung verschieben.

Bei einem solchen Aufbau des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils können die Magnetkörper kompakt angeordnet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es auch bevorzugt, wenn ein erster Maximalhub des Nadelelementes bei Verschiebung durch den ersten Magnetkreis kürzer als ein zweiter Maximalhub des Nadelelementes bei Verschiebung durch den zweiten Magnetkreis ist.

Da das auf diese Weise aufgebaute magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil voneinander verschiedene Hubhöhen aufweist, kann der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals gemäß den Hubhöhen geändert werden, und es ist möglich, eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung präzise durchzuführen.

In einem solchen Fall ist es bevorzugt, wenn der erste Zwischenraum des ersten Magnetkreises kleiner als der zweite Zwischenraum des zweiten Magnetkreises bemessen ist, wenn keine Magnetkräfte erzeugt wurden. Die Magnetkräfte werden proportional zu einer Verringerung der Zwischenräume verstärkt. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals von Null vergrößert wird, sind Magnetkräfte erforderlich, die größer als die nach diesem Zeitpunkt aufzubringenden sind. Es ist bevorzugt, wenn zu dem Zeitpunkt, an dem der Öffnungsquerschnittt des Kraftstoffstromkanals von Null vergrößert wird, zumindest in dem ersten Magnetkreis eine Magnetkraft mit dem kürzeren Hub des Nadelelementes erzeugt wird.

Wenn daher die Magnetkraft auf der Seite des ersten Magnetkreises durch eine Verringerung der Abmessung des ersten Zwischenraums verstärkt wird, ist es möglich, den Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals problemlos zu vergrößern. Sobald der Kraftstoffstromkanal einmal ausgebildet ist, kann das Nadelelement durch eine verhältnismäßig geringe Kraft bewegt werden. Somit kann der zweite Maximalhub länger als der erste Maximalhub eingestellt werden, und die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann mit hoher Präzision durchgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil des weiteren ein erstes und ein zweites elastisches Mittel aufweist, welche entgegen einer Angriffsrichtung der Magnetkräfte auf das Nadelelement einwirken, wenn sich das Nadelelement in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte um den ersten Maximalhub verschoben hat, und wenn das erste elastische Mittel so angeordnet ist, daß es eine Kraft in der gleichen Richtung wie die Magnetkräfte auf das Nadelelement aufbringt, falls sich das Nadelelement nicht um den ersten Maximalhub in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte bewegt hat.

Gemäß dem auf diese Weise aufgebauten magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil kann das Nadelelement durch die resultierenden Kräfte des ersten und des zweiten elastischen Mittels bewegt werden, wenn sich das Nadelelement zurückbewegt (wenn das Nadelelement durch die Druckkräfte der elastischen Mittel in bezug auf die Magnetkräfte in umgekehrter Richtung verschoben wird), und das erste elastische Mittel den Magnetkräften während der Aufbringung der Magnetkräfte nicht entgegenwirkt. Somit kann das Nadelelement mit einer hohen Geschwindigkeit verschoben werden.

Bei einer zu schnellen Rückkehrbewegung prallt das Nadelelement beim Anschlagen an der Innenfläche des Behälters zurück, infolgedessen sich eine sogenannte Sekundäreinspritzung ereignet. Diese Sekundäreinspritzung ist unter dem Gesichtspunkt der Steuerbarkeit des Öffnens und Schließens und des Kraftstoffverbrauchs unerwünscht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es auch vorteilhaft, wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil des weiteren ein elastisches Mittel aufweist, welches auf das Nadelelement entgegen einer Angriffsrichtung der Magnetkräfte einwirkt, wenn sich das Nadelelement in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte verschoben hat, sowie ein Anschlagelement, das so am Nadelelement angebracht ist, daß es in einer vorgegebenen Position zwischen einer Position, die einem Verschluß durch das Nadelelement entspricht, und einer Position, die dem ersten Hub entspricht, auf ein bestimmtes Element trifft, wenn das Nadelelement durch eine Druckkraft des elastischen Mittels umgekehrt zur Richtung der Magnetkräfte verschoben wird.

Gemäß dem auf diese Weise aufgebauten magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil trifft das Anschlagelement während einer Rückkehrbewegung des Nadelelementes auf ein bestimmtes Element. Somit wird die Geschwindigkeit des Anschlagelementes verringert, bevor es an der Innenfläche des Behälters anschlägt, infolgedessen eine Sekundäreinspritzung unterdrückt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, wenn einer der Magnetkörper des ersten Magnetkreises am Behälter befestigt ist, und der weitere der Magnetkörper des ersten Magnetkreises relativ zum Nadelelement beweglich ist und eine indirekte Übertragung der Magnetkräfte auf das Nadelelement gestattet. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn ein elastisches Mittel zwischen dem weiteren der Magnetkörper des ersten Magnetkreises und dem Nadelelement angeordnet ist, um die Magnetkräfte indirekt auf das Nadelelement zu übertragen.

Gemäß dem auf diese Weise aufgebauten magnetbetätigten Kraftstoffeinspritz- Ventil überträgt der weitere der Magnetkörper indirekt eine Magnetkraft, obgleich sich das Nadelelement in bezug auf den Behälter bewegt. Hierdurch kann das Auftreten einer unerwünschten Resonanz während einer Rückkehrbewegung des Nadelelementes verhindert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die oben genannten und noch weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile, sowie die technische und gewerbliche Bedeutung der vorliegenden Erfindung erschließen sich noch besser durch die Lektüre der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Längsschnittansicht des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform;
Fig. 6a eine Längsschnittansicht des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform im geschlossenen Zustand;
Fig. 6b eine Längsschnittansicht des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform im offenen Zustand mit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge;
Fig. 6c eine Längsschnittansicht des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform im offenen Zustand mit einer großen Kraftstoffeinspritzmenge;
Fig. 7 eine Ansicht zur Erläuterung einer Funktion zum Unterdrücken einer Sekundärkraftstoffeinspritzung in dem magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vierten Ausführungsform; und
Fig. 8 Ablaufdiagramme von Strömen (Ansteuerimpulsen) I1, I2, die der ersten bzw. zweiten Spule M1c, M2c zugeführt werden, Magnetkräften F_L, F_S, Federkräften F1, F2, einer aus einem Differenzdruck resultierenden Ventilschließkraft F_D, und einer Nadelventilposition.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
Magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventile gemäß den Ausführungsformen werden im nachstehenden beschrieben. Vorliegend wird angemerkt, daß gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und daß eine Wiederholung der Beschreibung von gleichen Sachverhalten vermieden wird.
Zuanfangs wird eine Beschreibung der ersten Ausführungsform der Erfindung gegeben. Fig. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der ersten Ausführungsform. Bei diesem magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil wird ein Nadelelement N, das in einem Behälter H angeordnet ist, in den Kraftstoff eingeführt wird, in der Längsrichtung (Richtung +Z) des Nadelelementes N durch von einer elektromagnetischen Einrichtung erzeugte Magnetkräfte F_L, F_S verschoben, wodurch sich der Öffnungsquerschnitt eines als Raum zwischen einer Innenfläche IS des Behälters und einer Außenfläche des Nadelelementes N begrenzten Kraftstoffstromkanals PS ändert. Die elektromagnetische Einrichtung ist mit einem ersten und einem zweiten Magnetkreis M1, M2 versehen, durch welche die Magnetkräfte F_L, F_S unabhängig voneinander steuerbar sind.
Dieses magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil nimmt einen "Geschlossen"- Zustand ein, wenn der Kraftstoffstromkanal durch das Nadelelement N verschlossen ist, und nimmt einen "Offen"-Zustand ein, wenn der Kraftstoffstromkanal PS ausgebildet ist. In den Behälter H eingeführter Kraftstoff wird in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt eines Kraftstoffstromkanals PS durch eine Kraftstoffeinspritzdüsenöffnung eingespritzt. Obgleich diese Düse durch den Kraftstoffstromkanal PS selbst gebildet sein kann, ist es auch geeignet, wenn die Düsenöffnung auf der Seite des hinteren Abschnitts des Kraftstoffstromkanals PS ausgebildet ist.
Dieses magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil verwendet den ersten und den zweiten Magnetkreis M1, M2, durch welche die Magnetkräfte F_L, F_S unabhängig voneinander steuerbar sind. Infolgedessen können die Magnetkräfte (Funktionen von F_L, F_S) auf geeignete Weise eingestellt werden, und das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil kann zuverlässig geöffnet und geschlossen werden. Insbesondere wenn der erste und der zweite Magnetkreis M1, M2 so konzipiert sind, daß sie über einen vorgegebenen Zeitraum (T1, T2: s. Fig. 8) gleichzeitig Magnetkräfte erzeugen, können die Magnetkräfte erhöht werden. Infolgedessen kann das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil zuverlässiger geöffnet und geschlossen werden.
Der erste Magnetkreis M1 weist ein Paar von Magnetkörpern (M1a, M1b) auf, die über einen Zwischenraum A1 hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden. Der zweite Magnetkreis M2 weist ein Paar von Magnetkörpern (M2a, M2b) auf, die über einen Zwischenraum A2 hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden. Einer der Magnetkörper M1a, M1b (der hier als M1a gewählt ist) ist als Elektromagnet ausgeführt. Einer der Magnetkörper M2a, M2b (der hier als M2a gewählt ist) ist ebenfalls als Elektromagnet ausgeführt. Ein beliebiger der Magnetkörper, welche die jeweiligen Paare von Magnetkörpern M1a, M1b bzw. M2a, M2b darstellen, kann als Elektromagnet ausgeführt sein.
Hier ist anzumerken, daß ein Elektromagnet ausgebildet wird, indem einem Magnetkörper eine Spule hinzugefügt wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind jedoch jeder der Elektromagneten und ein entsprechender der Magnetkörper M1a, M2a durch das gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Ein Magnetkörper ist ein Metall wie Eisen, Kobalt, Nickel oder dergleichen, d. h. ein Stoff, der durch einen Magnetpol in einem Magnetfeld gebildet wurde. Ein Elektromagnet kann durch Umwickeln eines solchen Stoffes mit einer Spule ausgebildet werden. Wenn an die Spule ein Strom angelegt wird, fließen durch die Zwischenräume A1, A2 ein Magnetfluß, der von dem durch die Spule fließenden Strom erzeugt wird, sowie ein Magnetfluß, der von dem Magnetpol des Magnetkörpers erzeugt wird, um den die Spule gewickelt ist, wodurch in den Zwischenräumen A1, A2 starke Magnetfelder gebildet werden. Infolgedessen werden die Magnetkräfte F_L, F_S in den Magnetkreisen M1, M2 erzeugt, welche die Zwischenräume A1 bzw. A2 beinhalten.
Bei der ersten Ausführungsform wird angenommen, daß die Magnetkraft F_L des ersten Magnetkreises M1 größer als die Magnetkraft F_S des zweiten Magnetkreises M2 ist (F_L > F_S), wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist. Die Magnetkraft F_L des ersten Magnetkreises M1 ist umgekehrt proportional zu einer Abmessung (Luftspalt) G1 des Zwischenraums A1, und die Magnetkraft F_S des zweiten Magnetkreises M2 ist umgekehrt proportional zu einer Abmessung (Luftspalt) G2 des Zwischenraums A2. D. h., wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist, ist die Abmessung G1 des Zwischenraums A1 kleiner als die Abmessung G2 des Zwischenraums A2 (G1 < G2), weshalb die Magnetkraft F_L größer als die Magnetkraft F_S ist.
Die Magnetkörper M1a, M1b (M2a, M2b) sind zwischen dem Behälter H und dem Nadelelement N so angeordnet, daß das Nadelelement N durch die Magnetkräfte F_L, F_S der Magnetkörper M1a, M1b (M2a, M2b) in seiner Längsrichtung (Richtung +Z) verschoben wird. Der erste und der zweite Magnetkreis M1, M2 sind kompakt angeordnet.
Die Elektromagneten M1a, M2a sind am Behälter H befestigt. Der Magnetkörper M1b ist über ein erstes elastisches Mittel (Feder) S1 mit einem Antriebskraft- Übertragungselement FX verbunden. Der Magnetkörper M2b ist am Nadelelement N befestigt.
Wenn die aus dem ersten Magnetkreis M1 resultierende Magnetanziehung wirkt, während sich das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil im geschlossenen Zustand befindet, bewegt sich der Magnetkörper M1b in der Richtung +Z. Daraufhin bewegt sich das mit dem Magnetkörper M1b verbundene Antriebskraft-Übertragungselement aufgrund einer Federkraft des ersten elastischen Mittels S1 in der Richtung +Z. Infolge der Befestigung des Antriebskraft-Übertragungselements FX am Nadelelement N verschiebt sich das Nadelelement N in der Richtung +Z. Hierdurch wird der Kraftstoffstromkanal PS ausgebildet, und das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil wird geöffnet. Der Behälter H und das Nadelelement N sind durch ein zweites elastisches Mittel (Feder) S2 verbunden, und die durch den ersten Magnetkreis M1 erzeugte Magnetkraft F_L wirkt einer Federkraft des zweiten elastischen Mittels S2 entgegen. Das zweite elastische Mittel S2 ist bei Bedarf vorgesehen.
Der Magnetkörper M1b wird durch die Magnetkraft F_L auf den am Behälter H befestigten Elektromagneten M1a hin bewegt. Sobald der Magnetkörper M1b am Elektromagneten M1a anschlägt, hindert der erste Magnetkreis M1 das Nadelelement N im wesentlichen an einer Bewegung. Angenommen, das Nadelelement N befindet sich an einer Bezugsposition in der Z-Richtung, während das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist, so beträgt der Abstand zwischen der Bezugsposition und der Anschlagposition eine Hubhöhe (erster Hub) des Nadelelementes N, die durch den ersten Magnetkreis M1 bestimmt wird. Bei der ersten Ausführungsform entspricht der erste Hub der Abmessung G1 des Zwischenraums.
Wenn die aus dem zweiten Magnetkreis M2 resultierende Magnetanziehung wirkt, während sich das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil in einem geschlossenen Zustand befindet, bewegt sich der Magnetkörper M2b in die Richtung +Z. Hierbei bewegt sich der Magnetkörper M2b in die Richtung +Z gegen eine durch das zweite elastische Mittel S2 erzeugte Federkraft. Da der Magnetkörper M2b am Nadelelement N befestigt ist, bewegt sich das Nadelelement N in die Richtung +Z. Wenn diese Magnetkraft wirkt, während das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist, wird der Kraftstoffstromkanal PS ausgebildet. Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil ist dann geöffnet.
Falls das Nadelelement N durch den zweiten Magnetkreis M2 weiter in die Richtung +Z angezogen wird, bewegt sich der Magnetkörper M2b selbst dann, nachdem sich das Nadelelement N um den ersten Hub in die Richtung +Z bewegt hat, weiter in der Richtung +Z. Hierbei bewegt sich der Magnetkörper M2b entgegen einer Federkraft sowohl des ersten elastischen Mittels S1 als auch einer Federkraft des zweiten elastischen Mittels S2 in die Richtung +Z. Daher verschiebt sich das am Magnetkörper M2b befestigte Nadelelement N in die Richtung +Z. Wenn der Magnetkörper M2 am Elektromagneten M2a anschlägt, hindert der zweite Magnetkreis M2 das Nadelelement N an einer Bewegung. Nimmt man an, daß sich das Nadelelement N in einer Bezugsposition in der Z-Richtung befindet, während das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist, so beträgt der Abstand zwischen der Bezugsposition und einer Anschlagposition eine Hubhöhe (zweiter Hub) des Nadelelementes N, die durch den zweiten Magnetkreis M2 bestimmt wird. Bei der ersten Ausführungsform entspricht der zweite Hub der Abmessung G2 des Zwischenraums. Hier ist anzumerken, daß es Fälle gibt, in denen der Hub nicht gleich der Abmessung des Zwischenraums ist.
Der erste Hub (= G1) des Nadelelementes N, der durch den ersten Magnetkreis M1 bestimmt wird, ist kürzer als der zweite Hub (= G2) des Nadelelementes N, der durch den zweiten Magnetkreis M2 bestimmt wird. Da die Hubhöhen somit voneinander verschieden sind, ermöglicht es das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der ersten Ausführungsform, den Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS gemäß den Hubhöhen zu ändern und eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung mit großer Präzision durchzuführen.
Die Abmessung G1 des Zwischenraums A1 des ersten Magnetkreises M1 zu einem Zeitpunkt, an dem keine Magnetkraft erzeugt wird (d. h. wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist), ist kleiner als die Abmessung G2 des zweiten Magnetkreises M2 zu einem Zeitpunkt, an dem keine Magnetkraft erzeugt wird (d. h. wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist). Wie oben beschrieben ist, erhöht sich die Magnetkraft proportional zu einer Verringerung der Zwischenräume. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS von Null vergrößert wird, verstärkt der Druckunterschied innerhalb und außerhalb der Kraftstoffeinspritzventilöffnung eine Ventilschließkraft. Somit benötigt das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil zu diesem Zeitpunkt eine Magnetkraft, die größer als die nach dem Beginn des Betriebs zum Öffnen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils aufzubringende Magnetkraft ist.
Somit wird zu dem Zeitpunkt, an dem der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS von Null vergrößert wird, eine Magnetkraft zumindest in dem ersten Magnetkreis M1 erzeugt, in dem das Nadelelement den kürzeren Hub besitzt. Wenn die Magnetkraft F_L auf der Seite des ersten Magnetkreises M1 im geschlossenen Zustand des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils durch Verringern der Abmessung G1 des Zwischenraums A1 erhöht wird, kann der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS problemlos vergrößert werden. Sobald der Kraftstoffstromkanal PS gebildet ist, kann das Nadelelement N durch eine vergleichsweise kleine Kraft verschoben werden. Somit kann der zweite Hub als ein längerer Hub als der erste Hub eingestellt werden, und eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann mit höherer Präzision durchgeführt werden.
Des weiteren ist das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil mit dem ersten und dem zweiten elastischen Mittel S1, S2 versehen, welche auf das Nadelelement N entgegen einer Magnetkraft einwirken, wenn sich das Nadelelement N um den ersten Hub oder mehr in eine Angriffsrichtung der Magnetkraft verschoben hat. Das erste elastische Mittel S1 ist so angeordnet, daß es eine Kraft auf das Nadelelement N in der gleichen Richtung wie eine Magnetkraft aufbringt, wenn sich das Nadelelement N in einer Angriffsrichtung der Magnetkraft um eine Hubhöhe verschiebt, die kürzer als der erste Hub ist. Wenn das Nadelelement N einen Rückkehrhub zwischen dem ersten und dem zweiten Hub durchführt (d. h. wenn das Nadelelement N durch Druckkräfte der elastischen Mittel S1, S2 entgegen der Angriffsichtung der Magnetkraft verschoben wird), kann das Nadelelement N durch eine resultierende Kraft des ersten und des zweiten elastischen Mittels S1, S2 verschoben werden. Des weiteren wirkt das erste elastische Mittel S1 nicht gegen die Magnetkraft, wenn während der Durchführung eines Hubs, der kürzer als der erste Hub ist, eine Magnetkraft auf das Nadelelement N aufgebracht wird. Das Nadelelement N kann daher mit hoher Geschwindigkeit verschoben werden.
Einer der Magnetkörper (M1a) des ersten Magnetkreises M1 ist am Behälter H befestigt, während der weitere (M1b) bezüglich des Nadelelementes N verschiebbar ist und dazu konzipiert ist, die indirekte Übertragung einer Magnetkraft auf das Nadelelement N zu ermöglichen. Da der weitere Magnetkörper (M1b) die Magnetkraft F_L indirekt überträgt, kann eine unerwünschte Resonanz des Nadelelementes während eines Rückkehrhubes unterdrückt werden.
Das oben erwähnte magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil ist verschiedenen Modifikationen zugänglich.
Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie auch im Fall des oben erwähnten magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils wird das Nadelelement N, das im Behälter H angeordnet ist, in den Kraftstoff eingeführt wird, in der Längsrichtung (Richtung +Z) des Nadelelementes N durch die von der elektromagnetischen Einrichtung erzeugten Magnetkräfte F_L, F_S verschoben, wodurch sich der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS, der als Raum zwischen der Innenfläche IS des Behälters H und der Außenfläche des Nadelelementes N begrenzt ist, ändert. Diese elektromagnetische Einrichtung ist mit dem ersten und dem zweiten Magnetkreis M1, M2 versehen, durch welche die Magnetkräfte F_L, F_S unabhängig voneinander steuerbar sind. Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß das erste elastische Mittel S1 nicht vorgesehen ist, daß der Magnetkörper M1b an einem am Nadelelement N befestigten Anschlagelement NS anschlagen kann, wenn eine Magnetanziehung vorliegt, und daß der Magnetkörper M1b mit dem Behälter H über ein drittes elastisches Mittel (Feder) S3 verbunden ist. Die magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventile der ersten und zweiten Ausführungsform sind in weiteren baulichen Einzelheiten identisch.
Wenn eine Magnetkraft des ersten Magnetkreises M1 auf den Magnetkörper M1b einwirkt, bewegt sich das Anschlagelement NS, das am Magnetkörper M1b anliegt, in die Richtung +Z, und das Nadelelement bewegt sich in die Richtung +Z. Falls ein zusätzlicher Hub erforderlich ist, wenn eine durch den zweiten Magnetkreis M2 erzeugte Magnetkraft aufgebracht wird, verschiebt sich das Nadelelement N um mehr als den ersten Hub, wodurch der Magnetkörper M1b und das Anschlagelement NS voneinander getrennt werden. Die magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventile der ersten und der zweiten Ausführungsform sind in weiteren betrieblichen Einzelheiten identisch.
Fig. 3 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der dritten Ausführungsform. Wie im Fall der vorstehend erwähnten Kraftstoffeinspritzventile wird auch bei diesem magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil das Nadelelement N, das in dem Behälter H angeordnet ist, in den Kraftstoff eingeführt wird, durch die von der elektromagnetischen Einrichtung erzeugten Magnetkräfte F_L, F_S in der Längsrichtung (Richtung +Z) des Nadelelementes N verschoben, wodurch sich der Öffnungsquerschnitt des Kraftstoffstromkanals PS, der als Raum zwischen der Innenfläche IS des Behälters H und der Außenfläche des Nadelelementes N begrenzt ist, ändert. Diese elektromagnetische Einrichtung ist mit dem ersten und dem zweiten Magnetkreis M1, M2 versehen, durch welche die Magnetkräfte F_L, F_S unabhängig voneinander steuerbar sind.
Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß das erste elastische Mittel S1 nicht vorgesehen ist, daß der Magnetkörper M1b an dem am Nadelelement N befestigten Anschlagelement NS anschlagen kann, wenn eine Magnetanziehung vorliegt, und daß der Magnetkörper M1b gegen das zweite elastische Mittel S2 angezogen wird. Der Magnetkörper M1b ist in bezug auf ein geeignetes Element gleitend verschiebbar ausgeführt. Die magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventile der ersten und dritten Ausführungsform sind in weiteren baulichen Einzelheiten identisch. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, gibt es eine Fülle von Variationen bei der Konstruktion der elastischen Mittel und der Art der mechanischen Verbindung.
Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen mechanisch untereinander verbundenen Innenteilen eines magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform. Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der vierten Ausführungsform ist grundlegend auf die gleiche Weise wie das in Fig. 1 gezeigte magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der ersten Ausführungsform aufgebaut, jedoch darüber hinaus derart ausgeführt, daß der Magnetkörper M1b an dem am Nadelelement N befestigten Anschlagelement NS anschlagen kann, wenn eine Magnetanziehung vorliegt. Wenn sich der Magnetkörper M1b nicht um den ersten Hub verschoben hat, wird er gegen das zweite elastische Mittel S2 angezogen. Wenn sich der Magnetkörper M1b um den ersten Hub oder mehr verschoben hat, wird er gegen das erste und das zweite elastische Mittel S1, S2 angezogen.
Wenn sich das Nadelelement N beim Durchführen eines Rückkehrhubes zu schnell bewegt, prallt es beim Anschlagen an der Innenfläche IS des Behälters H zurück, wodurch sich eine sogenannte Sekundäreinspritzung ereignet. Eine Sekundäreinspritzung ist unter dem Gesichtspunkt der Steuerbarkeit des Öffnens und Schließens und des Kraftstoffverbrauchs unerwünscht.
Das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil der vierten Ausführungsform ist mit dem elastischen Mittel S2 (S1) und dem Anschlagelement NS versehen. Wenn sich das Nadelelement N in der Angriffsrichtung einer Magnetkraft (d. h. in der Richtung +Z) verschoben hat, wirkt das elastische Mittel S2 (S1) entgegen der Magnetkraft auf das Nadelelement N ein. Das Nadelelement N ist mit dem Anschlagelement NS versehen, so daß das Nadelelement N in einer vorgegebenen Position zwischen der Bezugsposition des Nadelelementes N bei geschlossenem magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil und einer Position, die dem ersten Hub entspricht, auf ein bestimmtes Element (in der vorliegenden Ausführungsform den Magnetkörper M1b) trifft, wenn das Nadelelement N durch eine Druckkraft des elastischen Mittels S2 (S1) umgekehrt zur Angriffsrichtung der Magnetkraft (d. h. in der Richtung -Z) verschoben wird.
Wenn das Nadelelement bei dieser Konstruktion einen Rückkehrhub ausführt, schlägt das Anschlagelement NS gegen den Magnetkörper M1b, der an dem elastischen Mittel S1 befestigt ist, das eine Funktion zum Aufnehmen des Aufpralls erfüllt. Wenn das Nadelelement N während eines Rückkehrhubs gegen den Magnetkörper M1b schlägt, verringert sich somit die Geschwindigkeit des Nadelelementes N, bevor das Nadelelement N an der Innenfläche IS des Behälters anschlägt. Infolgedessen ist der Betrag der Sekundäreinspritzung verringert. Es ist des weiteren vorteilhaft, wenn das Anschlagelement NS elastisch gelagert ist.
Im nachfolgenden werden konkrete Konstruktionsbeispiele für die oben erwähnten magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventile beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf konkrete Beispiele für das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil gemäß der in Fig. 4 gezeigten vierten Ausführungsform.
Fig. 5 ist eine detaillierte Längsschnittansicht des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vierten Ausführungsform.
Bei diesem magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil wird dem Behälter H Kraftstoff aus einem an einem Ende einer Kraftstoffzufuhrleitung 1 befindlichen Kraftstoffzufuhranschluß 1a zuführt. Der Behälter H besteht aus einem Behälterkörper 100 und einer Düse 17, die an einem in Längsrichtung vorderen Ende des Behälterkörpers 100 angebracht ist. Das Nadelelement (Nadelventil) N ist im Behälterkörper 100 angeordnet und erstreckt sich ins Innere der Düse 17. Der erste und der zweite Magnetkreis M1, M2 sind zwischen dem Behälterkörper 100 und dem Nadelventil N angeordnet.
Der erste Magnetkreis M1 weist einen ersten Elektromagneten (M1a, M1c) auf, der aus dem zylindrischen Magnetkörper (erster Kern) M1a und einer im ersten Kern M1a eingebetteten Spule M1c besteht. Der erste Magnetkörper M1 ist des weiteren mit dem Ringmagnetkörper (erster Anker) M1b versehen. Das in bezug auf den ersten Anker M1b gleitend verschiebbare Nadelventil N ist in einer Öffnung des ersten Ankers M1b angeordnet. Der erste Anker M1b ist mit dem Antriebskraft-Übertragungselement FX über das erste elastische Mittel (erste Feder) S1 verbunden und mit dem Nadelventil N elastisch gekoppelt.
Der zweite Magnetkreis M2 weist einen zweiten Elektromagneten (M2a, M2c) auf, der aus dem zylindrischen Magnetkörper (zweiter Kern) M2a und einem im Magnetkörper M2a eingebetteten zweiten Kem M2c besteht. Der zweite Magnetkörper M2 ist des weiteren mit dem Ringmagnetkörper (zweiter Anker) M2b versehen. Das Nadelventil N ist fest in einer Öffnung des zweiten Ankers M2b angebracht. Der zweite Anker M2b ist mit dem Behälter H über das zweite elastische Mittel (zweite Feder) S2 verbunden und mit dem Behälter H elastisch gekoppelt. Bei diesem Konstruktionsbeispiel fungiert eine Hülse 1b in der am Behälter H befestigten Kraftstoffzufuhrleitung 1 als Anschlag, und die zweite Feder S2 ist zwischen der Hülse 1b und einem Basisendabschnitt des Nadelventils N angeordnet.
Eine Verbindung 2 zum Anlegen von Strömen an die Spulen M1c, M2c ist am Behälter H angebracht. Durch das Anlegen von Strömen an die Spulen M1c bzw. M2c werden die Magnetkräfte F_L, F_S unabhängig voneinander erzeugt.
Aus dem Kraftstoffzufuhranschluß 1a eingeführter Kraftstoff strömt durch einen Innenbereich des zweiten Kerns M2a, einen im Anker M2b oder dergleichen ausgebildeten Kraftstoffkanal, einen Innenbereich des ersten Kerns M1a, und einen im ersten Magnetkörper M1b oder dergleichen ausgebildeten Kraftstoffkanal, gelangt ins Innere der Düse 17 und bewegt sich um soviel weiter, daß er fast den Kraftstoffstromkanal (Kraftstoffdichtungsabschnitt (PS) erreicht. Eine Düsenöffnung 19 ist am vorderen Ende der Düse 17 ausgebildet. Wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geöffnet ist, wird Kraftstoff durch die Düsenöffnung 19 eingespritzt. Obgleich der Betrieb des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils oben beschrieben ist, wird er im nachfolgenden ausführlicher beschrieben.
Fig. 6 zeigt Längsschnittansichten des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils in jeweiligen Zuständen.
Wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil gemäß der Darstellung in Fig. 6a geschlossen ist, wird von der Verbindung 2 kein Strom geliefert. In diesem Zustand wird das Nadelventil N von einer durch die zweite Feder erzeugten zweiten Federkraft (Druckkraft) F2 auf den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS hin gedrückt, und die Außenfläche des Nadelventils N verschließt den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS.
Um das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil in den in Fig. 6b gezeigten offenen Zustand mit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge zu verschieben, werden von der Verbindung 2 Ströme an die erste und die zweite Spule M1c, M2c geliefert, welche den ersten bzw. den zweiten Magnetkreis M1, M2 bilden. Somit wird über die erste Feder S1 und das Anschlagelement FX eine Kraft in der Richtung +Z auf das Nadelventil N aufgebracht, wodurch sich das Nadelventil N entgegen einer zweiten Federkraft F2 und einer aus einem Differenzdruck resultierenden Ventilschließkraft F_D vom Kraftstoffdichtungsabschnitt PS wegbewegt. Somit wird das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geöffnet und die Kraftstoffeinspritzung begonnen.
Wenn sich das Nadelventil N in einer vorgegebenen Position vor dem Erreichen einer Position befindet, die dem ersten Hub nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung entspricht, wird die Zuführung von Strom an die zweite Spule M2c beendet. Daraufhin schlägt der erste Anker M1b am ersten Kern M1a an, und das Nadelventil N beendet im wesentlichen seine Bewegung. Wenn daraufhin die Zuführung von Strom an die erste Spule M1c beendet wird, wird das Nadelventil N durch die Federkräfte F1, F2 der ersten und der zweiten Feder in die Richtung -Z verschoben. Daraufhin schlägt das Nadelventil N an der den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS bildenden Innenfläche des Behälters an, und das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil ist geschlossen.
Da bei dieser Kraftstoffeinspritzung die jeweilige Kraftstoffeinspritzmenge gering ist, ist der Grad der Kraftstoffverteilung hoch. Somit wird Kraftstoff in einem weit verbreiteten und zerstäubten Zustand eingespritzt.
Beim Betrieb zum Schließen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils schlägt in diesem Fall das am Nadelventil N angebrachte Anschlagelement NS an der den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS bildenden Innenfläche des Behälters an, nachdem es durch vorübergehendes Anschlagen am ersten Anker M1b verlangsamt wurde, bevor es die Position erreicht, die dem ersten Hub entspricht. Somit wird eine Sekundäreinspritzung unterdrückt.
Um das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil in einen offenen Zustand mit einer großen Kraftstoffeinspritzmenge zu verschieben, werden zuerst zu Beginn des Betriebs zum Öffnen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils Ströme von der Verbindung 2 an die erste und die zweite Spule M1c, M2c gelegt, die den ersten und den zweiten Magnetkreis M1, M2 bilden. Hierdurch wird eine Kraft in der Richtung +Z über die erste Feder S1 und das Anschlagelement FX auf das Nadelventil N aufgebracht, wodurch sich das Nadelventil N entgegen der zweiten Federkraft F2 und einer aus einem Differenzdruck resultierenden Ventilöffnungskraft F_D vom Kraftstoffdichtungsabschnitt PS wegbewegt. Infolgedessen wird das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geöffnet, und die Kraftstoffeinspritzung wird begonnen.
Auch wenn das Nadelventil N nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung die Position erreicht hat, die dem ersten Hub entspricht, wird die Versorgung der zweiten Spule M2c mit Strom fortgesetzt. Während der erste Anker M1b am ersten Kern M1a anschlägt, wird der zweite Anker M2b entgegen der Federkraft F1 der ersten Feder S1 und der Federkraft F2 der zweiten Feder S2 angezogen, und das Nadelventil N bewegt sich weiter nach oben.
Zu diesem Zeitpunkt kann die Stromversorgung der ersten Spule M1c beendet werden. Wenn der zweite Anker M2b an der zweiten Spule M2c anschlägt, beendet das Nadelventil N seine Bewegung an einer Position, die dem zweiten Hub entspricht. Wird die Stromversorgung der zweiten Spule M2c (falls nötig, der ersten Spule M1c) daraufhin beendet, wird das Nadelventil N durch die Federkräfte F1, F2 der ersten und der zweiten Feder in der Richtung -Z verschoben. Infolgedessen schlägt das Nadelventil N an der den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS bildenden Innenfläche des Behälters an, und das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil wird geschlossen.
Da bei dieser Kraftstoffeinspritzung die jeweilige Kraftstoffeinspritzmenge groß ist, ist der Grad der Verteilung des Kraftstoffs niedrig, so daß Kraftstoff auf stark gerichtete Weise eingespritzt wird.
Auch in diesem Fall schlägt beim Betrieb zum Schließen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils das am Nadelventil N angebrachte Anschlagelement NS am Kraftstoffdichtungsabschnitt PS an, nachdem es verlangsamt wurde, indem es vorübergehend am ersten Anker M1b anschlug, bevor es die dem ersten Hub entsprechende Position erreichte. Hierdurch wird eine Sekundäreinspritzung unterdrückt.
Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Funktion zum Unterdrücken einer Sekundäreinspritzung. Falls sich das Nadelventil N aus einer geschlossenen Position (Bezugsposition) um den zweiten Betrag verschoben hat (Zustand C), entspricht der zweite Hub der Abmessung G2 des Zwischenraums A2. Falls sich das Nadelventil N beim Schließen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils nach dem Verstreichen einer bestimmten Zeit über die dem ersten Hub (der Abmessung G1) entsprechende Position hinaus an die geschlossene Position angenähert hat, schlägt das Anschlagelement NS am ersten Anker M1b an. Ein Aufprall am Anschlagelement NS wird durch die Feder S1 des ersten Ankers M1b aufgenommen, und das Anschlagelement NS bewegt sich in eine Position, die dem geschlossenen magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil entspricht, während es zusammen mit dem ersten Anker M1b verlangsamt wird.
Mit anderen Worten, der Betrag der Positionsveränderung (Geschwindigkeit) des Nadelventils N pro Zeiteinheit verlangsamt sich, unmittelbar bevor das Nadelventil N die geschlossene Position erreicht. Das Nadelventil N schlägt an der den Kraftstoffdichtungsabschnitt PS bildenden Innenfläche des Behälters mit einer niedrigen Geschwindigkeit an. Demzufolge wird der Rückprall des Nadelventils N unterdrückt, und eine Sekundäreinspritzung wird unterdrückt.
Fig. 8 zeigt Ablaufdiagramme von Strömen I1, I2 (Solenoid-Ansteuerimpulsen), die den Spulen M1c, M2c zugeführt werden, den Magnetkräften F_L, F_S, den Federkräften F1, F2, der aus einem Differenzdruck resultierenden Ventilöffnungskraft F_D, und der Position des Nadelventils, (1) wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist, (2) wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil mit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge geöffnet ist, und (3) wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil mit einer großen Kraftstoffeinspritzmenge geöffnet ist.

1. Wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil mit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge geöffnet ist, werden die Solenoid-Ansteuerimpulse I1, I2 anfänglich gleichzeitig zugeführt. Nach dem Ablauf der Zeitdauer T1 wird der Ansteuerimpuls I2 beendet (ausgeschaltet). Nach der Kraftstoffeinspritzung wird der Ansteuerimpuls I1 ebenfalls beendet (ausgeschaltet). Auf diese Weise wird das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen.
2. Wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil mit einer großen Kraftstoffeinspritzmenge geöffnet ist, werden die Solenoid-Ansteuerimpulse I1, I2 anfänglich gleichzeitig zugeführt. Nach dem Ablauf einer Zeitdauer T2 wird der Ansteuerimpuls I1 beendet (ausgeschaltet), während der Ansteuerimpuls I2 weiter zugeführt wird. Nach der Kraftstoffeinspritzung wird der Ansteuerimpuls I2 ebenfalls beendet (ausgeschaltet). Auf diese Weise wird das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen.

Wie oben beschrieben ist, kann die Zerstäubung des Kraftstoffs nach Bedarf in Abhängigkeit von der Kraftmaschinenlast variabel durchgeführt werden, da der Hub des Nadelventils N variabel ist, und der Kraftstoffverbrauch kann verbessert werden. Wenn eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wird der zerstäubte Kraftstoff breit verteilt, was für eine Verbrennung im Niedriglastbereich geeignet ist. Wenn eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wird der Kraftstoff in hohem Maße geradlinig eingespritzt, was für eine Verbrennung im Hochlastbereich geeignet ist.
Es ist vorliegend anzumerken, daß die Kraftstoffeinspritzmenge pro Zeiteinheit proportional zu einem Tastverhältnis der obenstehend erwähnten Ansteuerimpulse I1 oder I2 ist. Falls eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt wird, kann die Kraftstoffeinspritzrate selbst dann verhältnismäßig niedrig eingestellt werden, wenn das Tastverhältnis nicht variabel ist. Falls auch das Tastverhältnis verringert wird, kann eine bemerkenswert kleine Kraftstoffmenge eingespritzt werden.
Falls eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, kann die Kraftstoffeinspritzrate selbst dann im Verhältnis geändert werden, wenn das Tastverhältnis nicht erhöht wird. Falls auch das Tastverhältnis erhöht wird, kann eine bemerkenswert große Kraftstoffmenge eingespritzt werden. Somit macht es die Anwendung des beschriebenen Aufbaus möglich, einen dynamischen Bereich der Kraftstoffeinspritzrate zu erweitern.
Um das Ventil zu öffnen, wenn ein hoher Kraftstoffdruck an diesem anliegt, ist eine hohe Magnetkraft erforderlich. Bei dem oben erwähnten Aufbau kann die Magnetkraft durch die Verwendung einer resultierenden Kraft der Magnetkräfte F_L, F_S weiter erhöht werden, während die Magnetkraft F_L erhöht werden kann, indem die Abmessung G1 des Zwischenraums A1 vergleichsweise schmal gemacht wird. Somit ist es möglich, eine Verstärkung des Kraftstoffdrucks zu erzielen.
Aufgrund der Verwendung der beiden Federn S1, S2 wirkt die Resultierende aus dlen Federkräften F1, F2 auf das Nadelventil N, wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist. Somit wird das Ansprechverhalten während des Betriebs zum Schließen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils verbessert. Wenn das magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil geöffnet ist, wirkt nur eine der Federkräfte, nämlich die Federkraft F2. Der Grad des Beitrags der Magnetkräfte zum Betrieb zum Öffnen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils wird verbessert. Infolgedessen ist das Ansprechverhalten während des Betriebs zum Öffnen des magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventils verbessert.
Bei dem oben erwähnten Aufbau sind der erste und der zweite Magnetkreis M1, M2 entlang der Längsrichtung des Nadelventils N angeordnet. Somit können die Magnetkräfte erhöht werden, ohne die Baugröße in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung (d. h. die Abmessung in der Radialrichtung) zu verbreitern.
Beim Zuführen von Kraftstoff zu einer Kraftmaschine wurde gefordert, die Menge von Gas zu verringern, das austreten kann. Als ein Kraftstoffzuführungssystem, das eine solche Forderung erfüllt, ist ein rückführungsfreies System erdacht worden. Bei dem oben erwähnten magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil kann dank der direkten Betätigung des Nadelventils N mit Hilfe einer Magnetspule auch ein rückführungsfreier Aufbau oder ein integrierter Aufbau mit Verteiler- bzw. Rail-Druck angewendet werden.
Das erfindungsgemäße magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil kann zuverlässig geöffnet und geschlossen werden.
Bei dem vorliegenden magnetbetätigten Kraftstoffeinspritzventil wird der Öffnungsquerschnitt eines Kraftstoffstromkanals (PS), der als Raum zwischen einer Innenfläche eines Behälters (H), in den Kraftstoff eingeführt wird, und einer Außenfläche eines in dem Behälter (H) angeordneten Nadelelementes (N) begrenzt ist, durch Verschieben des Nadelelementes (N) in einer Richtung +Z mit Hilfe von durch eine elektromagnetische Einrichtung erzeugten Magnetkräften (F_L, F_S) geändert. Die elektromagnetische Einrichtung ist mit einem ersten und einem zweiten Magnetkreis (M1, M2) versehen, durch den die Magnetkräfte (F_L, F_S) unabhängig voneinander steuerbar sind. Das auf diese Weise aufgebaute magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzventil gewährleistet einen zuverlässigen Öffnungs-/Schließbetrieb.

Claims

1. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil, bei dem ein Öffnungsquerschnitt eines Kraftstoffstromkanals (PS), der als Raum zwischen einer Innenfläche eines Behälters (H), in den Kraftstoff eingeführt wird, und einer Außenfläche eines in dem Behälter (H) angeordneten Nadelelementes (N) begrenzt ist, geändert wird, indem das Nadelelement (N) durch von einer elektromagnetischen Einrichtung erzeugte Magnetkräfte in Längsrichtung verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Einrichtung mit einem ersten und einem zweiten Magnetkreis (M1, M2) versehen ist, durch welche die Magnetkräfte unabhängig voneinander steuerbar sind.

2. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Magnetkreis (M1) ein Paar Magnetkörper (M1a, M1b, M1c) aufweist,
die über einen ersten Zwischenraum (A1) hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden,
der zweite Magnetkreis (M2) ein Paar Magnetkörper (M2a, M2b, M2c) aufweist, die über einen zweiten Zwischenraum (A2) hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden,
ein Elektromagnet (M1a, M1c; M2a, M2c) aus mindestens einem der Paare von Magnetkörpern (M1a, M1b, M1c; M2a, M2b, M2c) besteht, und
die Magnetkörper (M1a, M1b, M1c; M2a, M2b, M2c) jeweils zwischen dem Behälter (H) und dem Nadelelement (N) so angeordnet sind, daß sie das Nadelelement (N) mittels Magnetanziehung der Magnetkörper (M1a, M1b, M1c; M2a, M2b, M2c) in Längsrichtung verschieben.

3. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Maximalhub (G1) als Maximalhub des Nadelelementes (N) bei Verschiebung durch den ersten Magnetkreis (M1) kürzer als ein zweiter Maximalhub (G2) des Nadelelementes (N) bei Verschiebung durch den zweiten Magnetkreis (M2) ist.

4. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zwischenraum (A1) kleiner als der zweite Zwischenraum (A2) bemessen ist, wenn keine Magnetkräfte erzeugt wurden.

5. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es des weiteren aufweist:
ein erstes und ein zweites elastisches Mittel (S1, S2), welche das Nadelelement (N) entgegen einer Angriffsrichtung der Magnetkräfte schieben, wenn sich das Nadelelement (N) in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte um mindestens den ersten Maximalhub (G1) verschoben hat,
sowie dadurch gekennzeichnet ist, daß
das erste elastische Mittel (S1) so angeordnet ist, daß es eine Kraft in der gleichen Richtung wie die Magnetkräfte auf das Nadelelement (N) aufbringt, falls sich das Nadelelement (N) nicht um mindestens den ersten Maximalhub (G1) in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte verschoben hat.

6. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren aufweist:
ein elastisches Mittel (S2), welches auf das Nadelelement (N) entgegen einer Angriffsrichtung der Magnetkräfte einwirkt, wenn sich das Nadelelement (N) in der Angriffsrichtung der Magnetkräfte verschoben hat; und
ein Anschlagelement (NS), das so am Nadelelement (N) angebracht ist, daß es in einer vorgegebenen Position zwischen einer Position, die einem Verschluß durch das Nadelelement (N) entspricht, und einer Position, die dem ersten Maximalhub (G1) entspricht, auf ein bestimmtes Element (M1b) trifft, wenn das Nadelelement (N) durch eine Druckkraft des elastischen Mittels (S2) in umgekehrter Richtung in bezug auf die Magnetkräfte verschoben wird.

7. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlagelement (NS) die Geschwindigkeit des Nadelelementes (N) zwischen der ersten Maximalposition und der Schließposition so verringert, daß eine Sekundäreinspritzung verhindert wird.

8. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
einer (M1a, M1c) der Magnetkörper (M1a, M1b, M1c) des ersten Magnetkreises (M1) am Behälter (H) befestigt ist, und
der weitere (M1b) der Magnetkörper (M1a, M1b, M1c) des ersten Magnetkreises (M1) relativ zum Nadelelement (N) beweglich ist und eine indirekte Übertragung der Magnetkräfte auf das Nadelelement (N) gestattet.

9. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Mittel (S1, S3) zwischen dem weiteren (M1b) der Magnetkörper (M1a, M1b, M1c) des ersten Magnetkreises (M1) und dem Nadelelement (N) angeordnet sind.

10. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetkreis (M1, M2) während eines vorgegebenen Zeitraums gleichzeitig Magnetkräfte erzeugen.

11. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetkreis (M1, M2) in Längsrichtung am Nadelelement (N) angeordnet sind.

12. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreis (M1, M2) durch ein Paar Magnetkörper (M1a, M1b, M1c; M2a, M2b, M2c) definiert ist, die über einen ersten bzw. einen zweiten Zwischenraum (A1, A2) mit jeweils verschiedenen Abständen hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind und aufeinander hin angezogen werden, so daß sie bei Betätigung das Nadelelement (N) durch Magnetkräfte der Magnetkörper (M1a, M1b, M1c; M2a, M2b, M2c) in Längsrichtung zu zwei verschiedenen Maximalhubpositionen verschieben, so daß sie zwei unterschiedliche Kraftstoffraten in den Behälter (H) zur Verfügung stellen.

13. Magnetbetätigtes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren aufweist: elastische Mittel (S1, S2), welche auf das Nadelelement (N) entgegen einer Angriffsrichtung der Magnetkräfte auf eine geschlossene Position hin einwirken.