DE202005021916U1

DE202005021916U1 - Kraftstoffeinspritz-System für einen Verbrennungsmotor

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Publication number: DE202005021916U1
Application number: DE202005021916U
Authority: DE
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: KR20090089281A; CN1982685B; US20070131789A1; JP2007162674A; JP4444234B2; CN1982685A; US7240859B2; EP1795738A1; KR20070062417A

Abstract

Ein druckbeaufschlagtes Kraftstoffeinspritz-System für einen Verbrennungsmotor, aufweisend mindestens eine Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) und ein elektrisch betätigbares Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16), wobei die Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) aufweist:
– eine Einspritzdüse (5) in Kommunikation mit einer Einspritzkammer (6), und
– eine Nadel (7), die entlang einem Öffnungshub und einem Schließhub unter der Wirkung des Kraftstoffdrucks in der Einspritzkammer (6) bewegbar ist, wobei die Nadel (7) normalerweise in einer Schließposition zum Schließen der Düse (5) gehalten wird und in der Schließposition eine aktive Fläche aufweist, die dem Druck des Kraftstoffes in der Einspritzkammer (6) unterworfen ist, wobei die aktive Fläche durch einen Außendurchmesser (D₁) der Nadel (7) und durch einen Innendurchmesser (D₂) der Dichtung zwischen der Nadel (7) und der Düse (5) definiert ist,
– wobei das Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16) eine Stange (14) aufweist, die mit der Nadel (7) in Eingriff ist und einen Abschnitt (14a) aufweist, der einen Durchmesser (D₃) hat, und normalerweise durch...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritz-System für einen Verbrennungsmotor.
Im Motorenbereich besteht der Bedarf, Kraftstoffeinspritzungen durchzuführen, bei denen die momentane Durchflussrate des eingespritzten Kraftstoffes in Abhängigkeit von der Zeit eine Entwicklung aufweist, die mindestens zwei Abschnitte mit Pegeln aufweist, die im Wesentlichen konstant sind und sich voneinander unterscheiden, wobei dies bedeutet, dass sie mittels einer Kurve des abgestuften Typs schematisch dargestellt werden kann. Insbesondere besteht der Bedarf daran, einen momentanen Kraftstoff-Fluss F einzuspritzen, der eine Entwicklung über die Zeit T ähnlich derjenigen aufweist, die mittels der Kurve aus 9 dargestellt ist, in der ein erster Durchflussratenpegel L₁ und ein darauffolgender zweiter Pegel L₂, der im Allgemeinen höher als der erste Pegel ist, vorhanden sind.
In dem Bestreben, eine derartige Durchflussratenkurve zu erhalten, ist es bekannt, Einspritzvorrichtungen eines bestimmten Typs bereitzustellen, bei dem das öffnen der Einspritzdüse durch das Anheben von zwei bewegbaren Öffnungs-/Schließ-Stiften oder -Nadeln, die mit jeweiligen Federn zusammenwirken, oder aber durch das Anheben einer einzigen Öffnungs-/Schließnadel bewirkt wird, die mit zwei koaxialen Federn zusammenwirkt. Die beiden Federn sind bezüglich einander unterschiedlich vorgespannt, und/oder weisen Kraft-/Verlagerungs-Eigenschaften auf, die sich voneinander unterscheiden, um die Düse mit Anhebungen zu öffnen, um sich der gewünschten Durchflussratenkurve zu nähern.
Die soeben beschriebenen bekannten Lösungen sind insgesamt weit davon entfernt, zufriedenstellend zu sein, insofern als es etwas kompliziert ist, die Federn auf optimale Weise zu kalibrieren, um einen ersten Durchflussratenpegel oder eine Stufe L₁ zu erhalten, der/die kleiner als der Pegel L₂ der maximalen Durchflussrate aus der Düse ist, und sich somit einer Durchflussratenkurve wie derjenigen aus 9 zu nähern. Angesichts des gleichen Kraftstoff-Zuführdrucks kann man darüber hinaus, sobald das Gesetz für das Anheben der Nadeln und somit das Gesetz für das Öffnen der Düse, d. h. die Kurve der Durchflussrate des eingespritzten Kraftstoffs einmal festgelegt ist, dieses Gesetz nicht gemäß Variationen der Betriebsbedingungen des Motors verändern. Schließlich ist es etwas schwierig, Einspritzvorrichtungen mit einem für die gesamte Produktion konstanten Profil der Durchflussrate des eingespritzten Kraftstoffs zu erhalten.
Aus FR 2 761 113 ist ein Einspritzsystem bekannt, das eine Steuerungseinheit aufweist, die eingerichtet ist, um die Einspritzvorrichtung auf derartige Weise zu steuern, dass für jeden Zyklus zuerst eine Voreinspritzung durchgeführt wird, die von einer Haupteinspritzung gefolgt wird, die beginnt, bevor die Voreinspritzung zu Ende ist. Dieses System weist den Nachteil auf, dass es Situationen zulässt, in denen es nicht möglich ist, eine Voreinspritzung zu erhalten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Kraftstoffeinspritz-Systems für einen Verbrennungsmotor, das geeignet ist, die oben dargestellten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise zu beseitigen.
Das obige Ziel wird durch ein wie in den angehängten Ansprüchen definiertes Kraftstoffeinspritz-System für einen Verbrennungsmotor erreicht.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform ausschließlich als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer Elektro-Einspritzvorrichtung für das Einspritzsystem gemäß der Erfindung, wobei aus Gründen der Klarheit Teile weggelassen wurden,
2 eine Einzelheit aus 1 in einem vergrößerten Maßstab,
3 eine weitere Einzelheit aus 1 in einem anderen vergrößerten Maßstab,
4 bis 6 Graphen bezüglich der Funktion einer Elektro-Einspritzvorrichtung gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
7 und 8 zwei Graphen, die die Veränderung der Durchflussrate der Einspritzvorrichtung anzeigen, wenn zwei Parameter der Elektro-Einspritzvorrichtung variieren, und
9 eine gewünschte Kurve einer momentanen Kraftstoffdurchflussrate während einer Einspritzung.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 insgesamt eine (teilweise dargestellte) Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors. Die Elektro-Einspritzvorrichtung 1 weist einen Mantel 2 auf, der sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt, und weist einen Seiteneinlass 4 auf, der zum Anschließen an ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritz-System vorgesehen ist. Das System wird gemäß den üblichen Betriebsbedingungen des Motors von einer elektrischen Steuerungseinheit gesteuert.
Die Elektro-Einspritzvorrichtung 1 endet mit einem Zerstäuber, der eine Düse 5 aufweist, die durch eine Einspritzkammer 6 mit dem Einlass 4 kommuniziert. Die Düse 5 hat eine konische Spitze 5b, die mit Löchern 5a zum Einspritzen des Kraftstoffes in eine Verbrennungskammer des Motors versehen ist. Die Düse 5 wird normalerweise durch eine Öffnungs-/Schließnadel 7, die eine für einen Eingriff mit der konischen Spitze 5b eingerichtete konische Spitze 7a aufweist, geschlossen gehalten. Die Nadel 7 ist in einem axialen Sitz 9 zum Öffnen/Schließen der Düse 5 unter der Steuerung einer Elektroantriebsvorrichtung 8, die nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, bewegbar. Insbesondere schließt die konische Spitze 7b der Nadel 7 die Löcher 5a durch einen Eingriff mit der konischen Spitze 5b der Düse 5.
Die Nadel 7 hat eine aktive Fläche, die dem Druck des Kraftstoffes in der Kammer 6 unterworfen ist, wobei die aktive Fläche durch eine Schulter oder ringförmige Fläche 7a (2) und möglicherweise durch einen Flächenabschnitt der konischen Spitze 7b ausgebildet ist, die durch einen Dichtungskreis gegen die konische Spitze 5b der Düse 5 abgegrenzt ist. Die aktive Fläche hat einen Außendurchmesser D₁ und einen Innendurchmesser D₂. Im Fall der 2 deckt sich der Durchmesser D₂ mit dem Innendurchmesser der Schulter 7a.
Die Elektro-Einspritzvorrichtung 1 führt das Dosieren des Kraftstoffes durch zeitliches Modulieren des Öffnens der Nadel 7 des Zerstäubers in Abhängigkeit von dem Zuführdruck der Elektro-Einspritzvorrichtung 1 selbst, das heißt dem Druck des Kraftstoffes am Einlass 4 (1) durch, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Die Vorrichtung 8 ist vorzugsweise von dem Typ, der aufweist: einen Elektromagneten 10, einen Anker 11, der unter der Wirkung des Elektromagneten 10 in dem Mantel 2 axial verschiebbar ist, und eine vorgespannte Feder 12, die in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der durch den Elektromagneten 10 ausgeführten Anziehungskraft auf den Anker 11 einwirkt.
Der Mantel 2 hat einen axialen Sitz 13, der als eine Verlängerung des Sitzes 9 ausgebildet ist, in dem eine Stange 14 aufgenommen ist, die mit der Nadel 7 in Eingriff ist, um auf letztere unter der Wirkung des Drucks des Kraftstoffes einen axialen Schub zu übertragen. Zwischen der Nadel 7 und einer Schulter des Sitzes 13 ist eine weitere Feder 21 eingesetzt, die dazu beiträgt, die Nadel 7 in der Position zum Schließen der Düse 5 zu halten. Insbesondere ist ein Dosier-Solenoidventil 16 in einem Zwischenabschnitt des Sitzes 13 befestigt, das einen Ventilkörper 13a aufweist, der in einer festen und fluiddichten Position mit dem Mantel 2 verbunden ist. Der Ventilkörper 13a hat einen axialen Sitz 13b, in dem ein oberer Abschnitt 14a der Stange 14, der einen Durchmesser D₃ aufweist, auf fluiddichte Weise gleitet. Der Durchmesser D₃ des oberen zylinderförmigen Abschnitts 14a ist größer als der Außendurchmesser D₁ der aktiven Fläche 7a der Nadel 7. Darüber hinaus definiert das Ende des Abschnitts 14a der Stange 14 mit dem Endabschnitt des Sitzes 13b eine Steuerkammer 15 der Stange 14, die dem Dosier-Solenoidventil 16 zugeordnet ist.
Die Steuerkammer 15 kommuniziert dauerhaft mit dem Einlass 4, durch einen einen Durchmesser D₄ aufweisenden kalibrierten Einlasskanal 18 (3), der in dem Körper 13a ausgebildet ist und zum Aufnehmen des Kraftstoffes unter Druck eingerichtet ist. An dem Körper 13a ist unter der Einwirkung einer Ringmutter 19 ein Verteilungskörper 17 befestigt, der einen Flansch 20 aufweist, der aus einem einzigen Stück mit einer Stange oder einem Stift 29 hergestellt ist. Dieser ist durch eine zylinderförmige Seitenfläche 30 begrenzt, an der eine ringförmige Kammer 34 eingelassen ist. Der Stift 29 hat einen axialen Kanal 23, der mit der Steuerkammer 15 und mit einem kalibrierten radialen Durchgang 24 kommuniziert, der in die Kammer 34 mündet. Alternativ kann der axiale Kanal 23 mit mindestens zwei radialen Durchgängen kommunizieren, die bezüglich der Achse 3 symmetrisch vorgesehen sind.
Der kalibrierte radiale Durchgang 24 hat einen Durchmesser D₅ und ist eingerichtet, um von einem Öffnungs-/Schließelement geöffnet/geschlossen zu werden, das durch eine Hülse 35 definiert ist, die an dem Anker 11 des Elektromagneten 10 befestigt ist. Die Hülse 35 ist auf den Stift 29 aufgesetzt und unter der Wirkung des Elektromagneten 10 axial verschiebbar, um den in der Kammer 15 befindlichen Druck zu variieren und somit die Düse 5 zu öffnen/zu schließen.
Normalerweise ist der Elektromagnet 10 abgeschaltet und die Feder 12 hält die Hülse 35 des Ankers 11 mit dem Flansch 20 des Verteilerkörpers 17 in Kontakt, um die ringförmige Kammer 34 zu schließen. In der Steuerkammer 15 ist Kraftstoff unter Druck, wie in der Einspritzkammer 6 und in der ringförmigen Kammer 34 selbst. Die Wirkung des Drucks in der Steuerkammer 15, der auf die Stange 14 wirkt, unterstützt von der Wirkung der Feder 21, überwiegt gegenüber der Wirkung des Drucks auf die ringförmige Fläche 7a, so dass die Nadel 7 die Düse 5 geschlossen hält.
Wenn Spannung an den Elektromagneten 10 angelegt wird, zieht dieser den Anker 11 an, so dass die Hülse 35 die Kammer 34 öffnet. Der Kraftstoff der Steuerkammer 15 wird durch den radialen Durchgang 24 abgeleitet und der Druck des Kraftstoffes in der Einspritzkammer 6 drückt die Nadel 7 entlang dem Öffnungshub nach oben, wodurch die Düse 5 geöffnet wird und somit die Einspritzung des Kraftstoffs bestimmt wird. Wenn der Elektromagnet 10 abgeschaltet wird, bringt die Feder 12 den Anker 11 zurück nach unten, so dass die Hülse 35 die ringförmige Kammer 34 wieder schließt und der aus dem Einlasskanal 18 eindringende Kraftstoff den Druck der Steuerkammer 15 wiederherstellt. Die Wirkung des Drucks auf die Fläche des Abschnitts 14a der Stange 14, unterstützt von der Wirkung der Feder 21, überwiegt erneut gegenüber dem Druck des Kraftstoffs auf die ringförmige Fläche 7a, so dass die Nadel 7 ihren Hub zum Schließen der Düse 5 durchführt.
Es ist offensichtlich, dass, wenn die Hülse 35 die Kammer 34 schließt, sie entlang der Achse 3 einer Null-Druckresultante des Kraftstoffes unterworfen ist, wobei sich daraus Vorteile in Bezug auf die Stabilität des dynamischen Verhaltens der bewegbaren Teile der Elektro-Einspritzvorrichtung 1 ergeben. Insbesondere ist das Verlagern der Nadel 7 entlang dem Öffnungshub und entlang dem Schließhub zwischen einer und der nächsten Einspritzung in Antwort auf einen an die Vorrichtung 8 gesendeten bestimmten elektrischen Befehl praktisch konstant.
Mit anderen Worten ist es möglich, die Position der Nadel 7 mit den an die Vorrichtung 8 gesendeten elektrischen Befehlen auf eine eineindeutige und wiederholbare Weise zu korrelieren. Die Position der Nadel 7 entlang dem Öffnungs- und dem Schließhub in Antwort auf einen elektrischen Befehl kann über eine theoretische Berechnung in Abhängigkeit von baulichen Parametern der Elektro-Einspritzvorrichtung 1 (zum Beispiel den Durchmessern D₁ und D₂ der Nadel 7, D₃ der Stange 14, D₄ des Einlasskanals 18 und D₅ des Auslassdurchgangs 24 der Steuerkammer 15) und in Abhängigkeit von bekannten Betriebsparametren (zum Beispiel dem Zuführdruck des Kraftstoffes in den Einlass 4) erhalten werden. Gleichzeitig können der Öffnungsquerschnitt der Düse 5 und somit die Entwicklung der momentanen Durchflussrate des Kraftstoffes auf einzigartige Weise in Abhängigkeit von der Axialverschiebung der Nadel 7, insbesondere auf der Grundlage der Abmessungen der Durchgänge der Düse 5 selbst und auf der Grundlage des Kraftstoff-Zuführdrucks ermittelt werden.
Insbesondere hängt das Gesetz der axialen Verlagerung der Nadel 7 nicht nur von der Feder 21 sondern auch von dem Verhältnis D₃/D₁ zwischen dem Durchmesser D₃ des Abschnitts 14a und dem Außendurchmesser D₁ der aktiven Fläche, das heißt der Schulter 7a, und von dem Verhältnis D₁/D₂ zwischen dem Außendurchmesser D₁ und dem Innendurchmesser D₂ der aktiven Fläche ab, der sich im vorliegenden Fall mit demjenigen der Schulter 7a deckt. Der Wert der Verhältnisse macht die Einspritzvorrichtung gegenüber der Entwicklung des Drucks in der Steuerkammer 15 mehr oder weniger empfindlich. Wenn das Verhältnis D₃/D₁ zur Einheitlichkeit neigt und/oder wenn das Verhältnis D₁/D₂ sich vergrößert, wird die Verlagerung der Nadel 7 gegenüber dem Druck sehr empfindlich, so dass ein geringer Druckabfall in der Steuerkammer 15 zum öffnen der Düse 5 führt. Vorzugsweise kann das Verhältnis D₃/D₁ zwischen 1,05 und 1,2 liegen, und das Verhältnis D₁/D₂ liegt zwischen 1,85 und 2,35, während der Durchmesser D₁ der Nadel 7 zwischen 3,2 und 4,8 mm liegen kann.
Das Wertepaar der Durchmesser D₄, D₅ des Einlasskanals 18 und des radialen Auslassdurchgangs 24 wiederum beeinflusst die Kurve des Drucks des Kraftstoffs in der Steuerkammer 15 sowohl während des Öffnens des Solenoidventils 16 als auch während des darauffolgenden Schließens. Wenn sich das Verhältnis D₅/D₄ während des Öffnungshubes der Hülse 35 vergrößert, fällt der Druck in der Steuerkammer 15 schneller ab, wodurch der Öffnungsübergang der Nadel 7 verringert wird. Darüber hinaus steigt der Druck in der Steuerkammer 15 während des Schließhubs der Hülse 35 langsamer an, wenn sich das Verhältnis D₅/D₄ vergrößert, wodurch die Verzögerung beim Schließen der Nadel 7 bewirkt wird. Vorzugsweise ist das Verhältnis D₅/D₄ zwischen den Werten 0,7 und 1,4 ausgewählt, während der Durchmesser D₅ des radialen Durchgangs 24 zwischen 0,22 und 0,35 mm ausgewählt sein kann.
Die 4 bis 6 zeigen jeweils einen oberen Graphen mit einer gestrichelten Kurve, die in Abhängigkeit von der Zeit T die Muster C der an die Vorrichtung 8 gesendeten elektrischen Befehle repräsentiert, und mit einer durchgehenden Kurve, die das Profil oder die Entwicklung P der Bewegung, das heißt der durch die Nadel 7 angenommenen Position in Antwort auf die Befehle repräsentiert, wobei die „Null”-Ordinate den Punkt repräsentiert, an dem die Düse 5 geschlossen ist. Die 4 bis 6 zeigen ferner jeweils einen unteren Graphen, der in Abhängigkeit von der Zeit T die Entwicklung F der momentanen Kraftstoffdurchflussrate repräsentiert, die durch die Düse 5 eingespritzt wird und durch die Verlagerung der Nadel 7 bewirkt wird, die in dem korrespondierenden oberen Graphen gezeigt ist.
In den 4 bis 6 sind den Abschnitten der elektrischen Befehle C und der Verlagerungen A und B der Nadel 7 jeweilige Zahlenindizes zugeordnet. Aus Gründen der Klarheit bezieht sich der Begriff „Befehl” in der vorliegenden Beschreibung und in den angehängten Ansprüchen auf ein elektrisches Signal mit einer Entwicklung C, die anfangs eine ansteigende Flanke oder Steigung R mit einem relativ schnellen anfänglichen Anstieg aufweist. In den dargestellten Beispielen empfängt die Vorrichtung 8 elektrischer-Strom-Signale, deren Entwicklung C nach der ansteigenden Flanke R einen Abschnitt M des Haltens etwa eines Maximalwerts, einen Abschnitt D des Abfallens auf einen Zwischenwert, einen Abschnitt N des Haltens etwa des Zwischenwertes und einen Abschnitt E des endgültigen Abfallens aufweist.
Um eine Kraftstoffeinspritzung zu erhalten, werden der Vorrichtung 8 mindestens ein erster und ein zweiter elektrischer Befehl zugeführt (4 bis 6), die ausreichend nahe beieinander liegen, um die Nadel 7 mit einem Bewegungsprofil P ohne jegliche zeitliche Unterbrechungen zu verlagern. Die elektrischen Befehle bewirken, dass die Nadel 7 eine erste Öffnungsverlagerung und eine zweite Öffnungsverlagerung oder Anhebung durchführt, die in dem Profil P durch jeweilige Abschnitte A definiert sind, auf relative Maximalwerte H ansteigen und von jeweiligen Schließverlagerungen gefolgt werden, die durch die abfallenden Abschnitte B des Profils P definiert sind.
Unter Bezugnahme auf die 4 kann die Steuerungseinheit bestimmt sein, um den Elektromagneten 10 mit mindestens einem ersten elektrischen Befehl C₁ und einem zweiten elektrischen Befehl C₂ anzusteuern, um zu bewirken, dass die Nadel 7 eine erste Öffnungsverlagerung A₁ und eine zweite Öffnungsverlagerung A₂ durchführt, zum Beispiel, um jeweils eine Voreinspritzung von Kraftstoff und eine Haupteinspritzung zu steuern, wobei letztere von den Betriebsbedingungen des Motors abhängt.
Insbesondere wird in dem Moment T₁ der erste Befehl C₁ ausgegeben, dessen Entwicklung mit der Steigung R₁ ansteigt, dann für einen kurzen Abschnitt M₁ im Wesentlichen konstant bleibt, dann entlang dem Abschnitt D₁ abfällt, einen Abschnitt N₁ aufweist, der im Wesentlichen konstant ist, und schließlich mit einem Abschnitt E₁ abfällt. Die Entwicklung des Befehls C₁ bewirkt eine Verlagerung der Nadel 7 beginnend in einem Moment TQ₀, wobei wegen der Verzögerung bei der Antwort der Vorrichtung 8 TQ₀ > T₁, mit einem Profil P, das einen Abschnitt A₁, der bis zu einem Wert H₁ ansteigt, und einen abfallenden Abschnitt B₁ aufweist. Wegen der kurzen Dauer des Abschnitts N₁ des Befehls C₁ ist das Anheben H₁ der Nadel 7 beschränkt und hat den Zweck des Steuerns einer Voreinspritzung einer festen Menge von Kraftstoff.
Der zweite Befehl C₂ wird in einem Moment T₂ ausgegeben, um das zweite Anheben, das heißt den Abschnitt A₂ an einem Punkt Q₁ des Abschnitts B₁ zu beginnen, bevor die Nadel 7 die Ende-des-Schließhubes-Position der Düse 5 erreicht hat. Insbesondere ist der Moment T₂ kleiner als der theoretische Moment, in dem der durch die Kurve C₁ repräsentierte erste Befehl, der den Abschnitt E₁ verlängert, einen Nullwert erreichen würde. Die Kurve C₂ hat einen Abschnitt N₂ mit einer Dauer, die länger als der Abschnitt N₁ ist, was in bekannter Weise von den Betriebsbedingungen des Motors abhängt, so dass das Anheben der Nadel 7 einen Wert H₂ erreicht, der größer als H₁ ist, wodurch ein Öffnungsgrad oder -querschnitt der Düse 5 und/oder eine Dauer des Öffnens bewirkt wird, der/die größer als derjenige/diejenige ist, der/die an dem Ende des Abschnitts A₁ erreicht wurde. Dann folgt eine Schließverlagerung, die durch den Abschnitt B₂ definiert ist, bis zum vollständigen Schließen der Düse 5, wonach die Nadel 7 bis zu der nächsten Einspritzung ortsfest bleibt.
Das Zeitintervall T₁–TQ₀ ist die Verzögerung, mit der die Nadel 7 beginnt, sich nach oben zu bewegen, und hängt in erster Linie von dem Verhältnis D₅/D₄ zwischen dem Durchmesser D₅ des Auslassdurchgangs 24 der Steuerkammer 15 und dem Durchmesser D₄ des Einlasskanals 18 ab, das die Verringerungsrate des Drucks in der Steuerkammer 15 bestimmt. Die Verzögerung hängt nicht nur von der Vorspannung der Feder 21 ab (siehe auch 1 bis 3), sondern auch von dem Verhältnis der Flächennormalen zu der Achse 3 des Endes des Abschnitts 14a der Stange 14, definiert durch den Durchmesser D₃, und der aktiven Fläche der Nadel 7, definiert durch den Durchmesser D₁ und den Durchmesser D2, das die Resultante der Drücke auf die Nadel 7 bestimmt. Insbesondere ist das Verhältnis der Flächen, auf die der Druck des Kraftstoffes wirkt, durch die Kombination des Verhältnisses D₃/D₁ zwischen dem Durchmesser D₃ des Abschnitts 14a der Stange 14 und dem Außendurchmesser D₁ der Schulter 7a und des Verhältnisses D₁/D₂ zwischen dem Außendurchmesser D₁ und dem Innendurchmesser D₂ der aktiven Fläche der Nadel 7 definiert. Die beiden Verhältnisse der Durchmesser sind ausgewählt, um zu dem Bestimmen der Verlagerungsrate der Nadel 7 beizutragen.
Die Kurve F der erhaltenen momentanen Durchflussrate nähert sich auf zufriedenstellende Weise der gewünschten Kurve der momentanen Durchflussrate, die aus 9 ersichtlich ist, insofern als sie zwei aufeinanderfolgende Abschnitte S und U (dargestellt durch eine durgehende Linie in 4) ohne jegliche zeitliche Unterbrechungen, d. h. ohne Pausen oder Verzugszeiten zwischen dem Abschnitt B₁ und dem Abschnitt A₂ aufweist. Die beiden Abschnitte S und U weisen auf: jeweilige Maximalpegel H₁ und H₂, die sich voneinander unterscheiden, und somit auch jeweilige Mittelpegel, die sich voneinander unterscheiden, die sich den Pegeln L₁ bzw. L₂ aus 9 annähern. Der Moment, in dem der Abschnitt S endet und der Abschnitt U beginnt, entspricht der Zeit-Abszisse TQ₁ des Punktes Q₁.
Das Zeitintervall TQ₀–TQ₁ hängt auch von dem Verhältnis D₃/D₁ zwischen den Durchmessern der vorher erwähnten Flächen der Stange 14 und der Nadel 7 sowie von dem Verhältnis D₁/D₂ zwischen dem Außendurchmesser D₁ und dem Innendurchmesser D₂ der aktiven Fläche der Nadel 7 und von dem Verhältnis der Durchmesser D₅/D₄ ab. Wenn sich das Verhältnis D₃/D₁ verkleinert und/oder sich das Verhältnis D₁/D₂ vergrößert, werden sowohl das Zeitintervall TQ₀–TQ₁ als auch die Verlagerungen H₁ und H₂ größer, da die Nadel 7 aufgrund der darauf einwirkenden Druckresultante eher zum Öffnen der Düse 5 bereit ist und beim Schließen derselben langsamer ist. Wenn sich wiederum das Verhältnis der Durchmesser D₅/D₄ vergrößert, werden sowohl das Zeitintervall TQ₀–TQ₁ als auch die Verlagerungen H₁ und H₂ größer, da die Verringerung des Drucks in der Steuerkammer 15 schneller ist, so dass die Nadel 7 aufgrund der darauf einwirkenden Druckresultante eher zum Öffnen der Düse 5 bereit ist und beim Schließen derselben langsamer ist.
7 zeigt mit gestrichelten Linien die Kurven der beiden Befehle C₁ und C₂, und mit anderen Linien eine Reihe von Kurven der testweise detektierten momentanen Durchflussrate der Elektro-Einspritzvorrichtung 1, mit dem gleichen Zeitintervall zwischen dem Ausgeben der beiden Befehle C₁ und C₂, während der Durchmesser D₅ von 0,22 mm für die Kurve P₁ bis 0,35 mm für die Kurve P₄ variiert. Dabei ist erkennbar, wie sich das Zeitintervall TQ₀–TQ₁ verringert und die Verlagerungen H₁ und H₂ größer werden, wenn der Durchmesser D₅ größer wird.
8 zeigt ebenfalls mit gestrichelten Linien die Kurven der beiden Befehle C₁ und C₂, und mit anderen Linien zwei Kurven der testweise detektierten momentanen Durchflussrate der Elektro-Einspritzvorrichtung 1, wobei das Verhältnis D₃/D₁ zwischen dem Durchmesser des Abschnitts 14a der Stange 14 und dem Durchmesser der Nadel 7 von 1,05 für die Kurve Pa₁ bis zu 1,2 für die Kurve Pa₂ variiert. Auch in diesem Fall ist erkennbar, dass sich das Zeitintervall TQ₀–TQ₁ verringert.
Aus 7 und 8 wird darüber hinaus deutlich, dass, wenn sowohl der Durchmesser D₅ (7) sich vergrößert als auch das Verhältnis D₃/D₁ (8) sich vergrößert, sich auch die Verzögerung beim Schließen des Abschnitts B₂ der Kurven P vergrößert. Schließlich wird angemerkt, dass der Pegel Leder momentanen Durchflussrate F im Allgemeinen ein Maximum erreicht, das von dem Durchmesser D₅ (7) und dem Verhältnis D₃/D₁ (8) unabhängig ist.
Gemäß der in 5 gezeigten vorliegenden Erfindung empfängt die Vorrichtung 8 in Folge zwei elektrische Befehle, die durch die Indizierungen oder Bezugsziffern 3 bzw. 4 bezeichnet sind und bewirken, dass die Nadel 7 mit einem durch eine durchgezogenen Linie angezeigten Bewegungsprofil P' verlagert wird, das eine Verlagerung A₃ zum Bestimmen der Voreinspritzung und eine Verlagerung A₄ zum Bestimmen der Haupteinspritzung aufweist. Das Profil P' ist wieder ohne jegliche zeitliche Unterbrechungen zwischen dem Abschnitt B₃ und dem Abschnitt A₄, liegt jedoch unter einer Grenzbedingung vor; das heißt, dass der zweite elektrische Befehl in einem Moment T₄ zugeführt wird, um das zweite Anheben A₄ an einem Endpunkt Q₃ des Abschnitts B₃ zu starten, das heißt, wenn die Nadel 7 gerade die des Ende-des-Schließhubes-Position erreicht hat.
Insbesondere ist der Moment T₄ größer als der Moment, in dem der Abschnitt E₃ der Kurve C₃ gegen Null geht. Trotz der Grenzbedingung weist die Kurve F' der erhaltenen momentanen Durchflussrate zwei aufeinanderfolgende Abschnitte S' und U' auf, die aufweisen: jeweilige Maximalpegel, die sich voneinander unterscheiden, und somit jeweilige Mittelpegel, die sich voneinander unterscheiden, und die sich wieder auf eine zufriedenstellende Weise den Pegeln L₁ bzw. L₂ der gewünschten Kurve der momentanen Durchflussrate aus der 9 annähern. Es ist offensichtlich, dass der Moment, in dem der Abschnitt S' endet und der Abschnitt U' beginnt, der Zeit-Abszisse QT₃ des Punktes Q₃ entspricht.
Gemäß dem Beispiel aus 6 empfängt die Vorrichtung 8 vier elektrische Befehle in Folge, die jeweils durch die Bezugszeichen oder Indizierungen 5 bis 8 bezeichnet sind und in jeweiligen Momenten T₅ bis T₈ zugeführt werden, die ausreichend nahe beieinander liegen, um die Nadel 7 mit einem Bewegungsprofil P'' zu verlagern, das wieder ohne jegliche zeitliche Unterbrechungen ist. Die Momente T₆ bis T₈ sind nun größer als die Momente, in denen die Abschnitte E₅ bis E₇ jeweils gegen Null gehen. Auf eine dem Beispiel der 4 ähnliche Weise beginnen die Abschnitte A₆ bis A₈ an jeweiligen Punkten Q₅ bis Q₇ der Abschnitte B₅ bis B₇, wo die Nadel 7 die Ende-des-Schließhubes-Position der Düse 5 noch nicht erreicht hat.
Die von der Nadel 7 am Ende der ersten drei Anhebungen erreichten Werte H₅ bis H₇ (relative Maximalwerte) sind im Wesentlichen gleich, so dass die relativen Maximalöffnungsquerschnitte der Düse 5 im Wesentlichen gleich sind. In diesem Fall wird die Voreinspritzung von den drei elektrischen Befehlen C₅–C₇ gesteuert. Der am Ende des vierten und letzten Anhebens (Abschnitt A₈) erreichte Wert H₈ ist größer und bewirkt einen größeren Öffnungsgrad oder -querschnitt zum Bestimmen der Haupteinspritzung, insofern als der Abschnitt N₈ eine Dauer aufweist, die länger als die Abschnitte N₅ bis N₇ ist.
Folglich wird eine Kurve F'' der Durchflussrate erhalten, die sich der gewünschten Durchflussratenkurve der 9 auf bessere Weise annähert, insofern als sie sich einer abgestuften Kurve weiter annähert. Insbesondere weist die Kurve F'' bis zu einem Moment TQ₇, der mit der Zeitabszisse des Punktes Q₇ zusammentrifft, einen drei „Höhepunkte” aufweisenden und sich dem Pegel L₁ der Kurve aus 9 nähernden Abschnitt S'', und nach dem Moment TQ₇ einen Abschnitt U'' auf, der einen Mittel- und einen Maximalpegel aufweist, die größer als diejenigen des Abschnitts S'' sind, und der sich dem Pegel L₂ der Kurve aus 9 nähert.
Gemäß (nicht dargestellten) Varianten ist es möglich, sich Kurven der momentanen Durchflussrate des abgestuften Typs zu nähern, in denen mehr als zwei Pegel vorhanden sind, indem bewirkt wird, dass die Nadel 7 mit mehr als zwei aufeinanderfolgenden Anhebungen auf sich voneinander unterscheidende Werte H verlagert wird, und/oder sich durch Ausgeben elektrischer Befehle mit entsprechenden Dauern und Amplituden Kurven einer momentanen Durchflussrate zu nähern, bei denen im Gegensatz zu den in 9 dargestellten Pegeln L₁ und L₂ auf einen Pegel L₁ ein niedriger Pegel L₂ folgt.
Aus der vorangehenden Beschreibung geht die vorliegende Erfindung deutlich hervor, gemäß der eine Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 aufweist:

• eine Elektroantriebsvorrichtung 8, und
• einen Zerstäuber, der eine Einspritzdüse 5 und eine Nadel 7 aufweist, die entlang einem Öffnungshub und einem Schließhub zum Öffnen/Schließen der Düse 5 unter der Steuerung der Vorrichtung 8 bewegbar ist,
• wobei die Elektro-Einspritzvorrichtung 1 das Dosieren des Kraftstoffs durch zeitliches Modulieren des Öffnens der Nadel 7 durchführt, die von einer Stange 14 gesteuert wird, die durch den Druck des Kraftstoffs in einer Steuerkammer 15 angeschoben wird, um die Nadel 7 in der Schließposition für die Düse 5 zu halten, und
• die Steuerkammer 15 mit einem einen vorbestimmten Durchmesser D₄ aufweisenden kalibrierten Einlasskanal 18 und mit einem einen Durchmesser D₅ aufweisenden Auslassdurchgang 24 versehen ist, der von einem Dosierventil 16 gesteuert wird, wobei
• das Verhältnis D₅/D₄ zwischen dem Durchmesser des Auslassdurchgangs 24 und dem Durchmesser des Einlasskanals 18 ausgewählt wird, um eine bestimmte Verlagerungsrate der Nadel 7 zu bestimmen,
• mindestens ein erster elektrischer Befehl C₁, C₃, C₅–C₇ und ein zweiter elektrischer Befehl C₂, C₄, C₈ an die Vorrichtung 8 ausgegeben werden, um jeweilige Öffnungsverlagerungen der Nadel 7 zu steuern, und
• der erste elektrische Befehl C₁, C₃, C₅–C₇ und der zweite elektrische Befehl C₂, C₄, C₈ in einer ausreichend nahe beieinanderliegenden Weise zeitlich abgestimmt werden, um eine Verlagerung der Nadel 7 mit einem Bewegungsprofil P ohne jegliche zeitliche Unterbrechungen zu bewirken.

Darüber hinaus wird für mindestens eine Einspritzung mindestens eine der folgenden Größen in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors bestimmt:

• Dauer von mindestens einem zwischen dem ersten elektrischen Befehl C₁, C₃, C₅–C₇ und dem zweiten elektrischen Befehl C₂, C₄, C₈,
• Anzahl der elektrischen Befehle C₁–C₈, und
• zeitlicher Abstand zwischen den elektrischen Befehlen C₁–C₈.

Auf diese Weise ist es möglich, die Entwicklung der momentanen Durchflussrate zwischen den verschiedenen Einspritzungen durch Variieren der Amplitude und/oder der Dauer und/oder der Anzahl der im Wesentlichen konstanten Pegel der Durchflussrate, die angenähert werden soll, zu modulieren.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung das Einspritzen einer momentanen Durchflussrate ermöglicht, die sich auf optimale Weise der Durchflussratenkurve eines abgestuften Typs nähert, und die auf eine relativ einfache Art und Weise erhalten wird. Tatsächlich erfordert das Steuern der Einspritzung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren keine Kalibrierung mechanischer Komponenten und/oder auf eine bestimmte Weise ausgebildete Einspritzvorrichtungen. Darüber ist es möglich, die Entwicklung der eingespritzten Durchflussrate zwischen einer und der darauffolgenden Einspritzung auf einfache Weise zu variieren, um sich der gewünschten Durchflussratenkurve so nah wie möglich anzunähern und die Effizienz des Motors gemäß dem bestimmten Betätigungspunkt des Motors selbst zu optimieren.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, dass Modifizierungen und Änderungen an dem beschriebenen Kraftstoffeinspritz-System durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere könnte die Kraftstoffeinspritzung mit Einspritzvorrichtungen durchgeführt werden, die sich von der beispielhaft dargestellten Elektro-Einspritzvorrichtung 1 unterscheiden, in denen jedoch das Verlagern des Öffnungs-/Schließnadelelements der Düse immer in Abhängigkeit von dem Kraftstoffzuführdruck erhalten wird und in Antwort auf bestimmte elektrische Befehle wiederholbar ist. Die Vorrichtung 8 wiederum kann statt durch einen Elektromagneten durch einen piezoelektrischen Antrieb ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann es, wie bereits erwähnt, sein, dass sich der Durchmesser der Dichtung D₂ zwischen der konischen Spitze 7b der Nadel 7 und der konischen Spitze 5b der Düse 5 nicht mit dem Innendurchmesser der ringförmigen Schulter 7a deckt, zum Beispiel wegen einer unterschiedlichen Geometrie des unteren Abschnitts der Nadel 7. Schließlich kann es sein, dass die Nadel 7 während ein und derselben Einspritzung eine Anzahl von Malen und/oder um Beträge verlagert wird, die sich von den beispielhaft genannten unterscheiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2761113 [0005]

Claims

Ein druckbeaufschlagtes Kraftstoffeinspritz-System für einen Verbrennungsmotor, aufweisend mindestens eine Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) und ein elektrisch betätigbares Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16), wobei die Elektro-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) aufweist: – eine Einspritzdüse (5) in Kommunikation mit einer Einspritzkammer (6), und – eine Nadel (7), die entlang einem Öffnungshub und einem Schließhub unter der Wirkung des Kraftstoffdrucks in der Einspritzkammer (6) bewegbar ist, wobei die Nadel (7) normalerweise in einer Schließposition zum Schließen der Düse (5) gehalten wird und in der Schließposition eine aktive Fläche aufweist, die dem Druck des Kraftstoffes in der Einspritzkammer (6) unterworfen ist, wobei die aktive Fläche durch einen Außendurchmesser (D₁) der Nadel (7) und durch einen Innendurchmesser (D₂) der Dichtung zwischen der Nadel (7) und der Düse (5) definiert ist, – wobei das Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16) eine Stange (14) aufweist, die mit der Nadel (7) in Eingriff ist und einen Abschnitt (14a) aufweist, der einen Durchmesser (D₃) hat, und normalerweise durch den Druck des Kraftstoffs in einer Steuerkammer (15) des Dosier-Servoventils (16) angeschoben wird, wobei die Steuerkammer (15) einen Einlasskanal (18) mit einem voreingestellten Durchmesser (D₄) und einen Auslassdurchgang (24) mit einem Durchmesser (D₅) aufweist, wobei der Auslassdurchgang (24) von dem Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16) gesteuert wird, wobei das Verhältnis (D₅/D₄) zwischen dem Durchmesser (D₅) des Auslassdurchgangs (24) und dem Durchmesser (D₄) des Einlasskanals (18), das Verhältnis (D₃/D₁) zwischen dem Durchmesser (D₃) des Abschnitts (14a) der Stange (14) und dem Außendurchmesser (D₁) der aktiven Fläche und das Verhältnis (D₁/D₂) zwischen dem Außendurchmesser (D₁) und dem Innendurchmesser (D₂) der aktiven Fläche ausgewählt werden, um zu einer bestimmten Verlagerungsrate der Nadel (7) zu führen, und wobei das Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16) durch eine elektrische Steuerungseinheit betätigbar ist: – mit einem ersten elektrischen Befehl (C₃), um zu bewirken, dass die Nadel (7) eine erste Öffnungsverlagerung (A₃) gefolgt von einer ersten Schließverlagerung (B₃) durchführt, die endet, wenn die Nadel (7) die Schließposition erreicht und die Düse (5) schließt, um eine Kraftstoff-Voreinspritzung durchzuführen, und mit mindestens einem zweiten elektrischen Befehl (C₄), der nahe bei dem ersten elektrischen Befehl (C₃) liegt, um zu bewirken, dass die Nadel (7) eine zweite Öffnungsverlagerung (A₄) gefolgt von einer zweiten Schließverlagerung (B₄) durchführt, um eine Haupt-Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, und um die zweite Öffnungsverlagerung (A₄) am Ende der Schließverlagerung (B₃) durchzuführen, um so zu einem Bewegungsprofil (P') ohne Verzugszeit zwischen der zweiten Öffnungsverlagerung (A₄) und der Schließverlagerung (B₃) zu führen.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß Anspruch 1, wobei: – das Verhältnis (D₅/D₄) zwischen dem Durchmesser (D₅) des Auslassdurchgangs (24) und dem Durchmesser (D₄) des Einlasskanals (18) zwischen 0,7 und 1,4 liegt, um eine bestimmte Verlagerungsrate der Nadel (7) zu bestimmen, – das Verhältnis (D₃/D₁) zwischen dem Durchmesser (D₃) des Abschnitts (14a) der Stange (14) und dem Außendurchmesser (D₁) der aktiven Fläche zwischen 1,05 und 1,2 liegt, um dazu beizutragen, die bestimmte Verlagerungsrate zu bestimmen, und das Verhältnis (D₁/D₂) zwischen dem Außendurchmesser (D₁) und dem Innendurchmesser (D₂) der aktiven Fläche zwischen 1,85 und 2,35 liegt, um dazu beizutragen, die bestimmte Verlagerungsrate zu bestimmen.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: – der Kraftstoffdruck in den Kammern (6, 15) zwischen 1200 Bar und 1800 Bar liegt, – der Durchmesser (D₅) des Auslassdurchgangs (24) zwischen 0,22 und 0,35 mm liegt, und – der Außendurchmesser (D₁) der aktiven Fläche der Nadel (7) zwischen 3,2 und 4,8 mm liegt.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerkammer (15) durch einen einen Flansch (20) und einen Schaft (19) aufweisenden Verteilungskörper (17) definiert ist, der aus einem Stück mit dem Flansch (20) gebildet ist und mit einer verschiebbaren Hülse (35) in Eingriff ist, wobei der Auslassdurchgang (24) radial an dem Schaft (19) positioniert ist und durch einen axialen Kanal (23) mit der Steuerkammer (15) kommuniziert, wobei die Vorrichtung (8) die Hülse (35) steuert, um den Auslassdurchgang (24) zu öffnen/zu schließen, wobei die Hülse (35) im Wesentlichen einem Null-Axialdruck unterworfen ist, wenn der Auslassdurchgang (24) geschlossen ist.
Kraftstoffeinspritz-System (1) gemäß Anspruch 3, wobei der erste und der zweite elektrische Befehl (C₃, C₄) so zugeführt werden, dass die Kraftstoffeinspritzdüse (5) am Ende der ersten und der zweiten Öffnungsverlagerung (A₃, A₄) unterschiedliche Öffnungsgrade (H₃, H₄) erreicht.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Öffnungsgrad (H₄) der Kraftstoffeinspritzdüse (5) am Ende der zweiten Öffnungsverlagerung (A₄) höher als der Öffnungsgrad (H₃) der Kraftstoffeinspritzdüse (5) am Ende der ersten Öffnungsverlagerung (A₃) ist.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch betätigbare Kraftstoff-Dosier-Servoventil (16) einen elektromagnetischen Antrieb (8) aufweist.
Kraftstoffeinspritz-System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder elektrische Befehl (C₃, C₄) ein elektrischer Strom ist, der sich bezüglich der Zeit ändert, um eine Kurve (C) zu definieren, die aufweist: eine Rückflanke, die von einem Minimalwert auf eine Maximalwert steigt, einen erste Halteabschnitt (M) zum Halten auf dem Maximalwert, eine erste Vorlaufflanke (D), die von dem Maximalwert auf einen Zwischenwert fällt, einen zweiten Halteabschnitt (N) zum Halten auf dem Zwischenwert, und eine zweite Vorlaufflanke (E), die von dem Zwischenwert auf den Minimalwert fällt.