DE60008158T2

DE60008158T2 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60008158T2
Application number: DE60008158T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tsuchiura-shi Tsuchiya; Tousuke Inashiki-gun Hirata; Yoshio Higashiibaraki-gun Okamoto; Tohru Kitaibaraki-shi Ishikawa; Noriyuki Niihari-gun Maekawa; Yoshiyuki Hitachinaka-shi TANABE; Atsushi Hitachinaka-shi Sekine; Yuzo Ishioka-shi Kadomukai; Makoto Tsuchiura-shi Yamakado; Motoyuki Niihari-gun Abe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: EP1045135A2; JP2000297720A; US6474572B1; DE60008158D1; US20030111563A1; EP1045135A3; US20070075166A1; EP1045135B1; US7163162B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff, der in einer Brennkraftmaschine verbrannt wird, und insbesondere auf eine Technik, die die sekundäre Kraftstoffeinspritzung verhindern kann.
Die japanische Offenlegungsschrift Hei 1-1594060 offenbart ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil zum Öffnen/Schließen eines Ventilsitzteils auf der Grundlage eines EIN/AUS-Signals für den Betrieb, das von einer Steuereinheit erhalten wird. Bei diesem elektromagnetischen Ventil ist ein Magnetkreis aus einem Joch mit einem Bodenteil, einem Kern mit einem Steckteil, um die Öffnung des Jochs auszufüllen, und mit einem Zylinder, der durch die Kernmittellinie verläuft, sowie einem Plunger, der dem Kern gegenüberliegt und durch einen Spalt getrennt ist, aufgebaut. In den Zylinder des Kerns ist eine Feder eingesetzt, die Druck auf ein bewegliches Element des Ventils, das aus dem Plunger, einer Stange und einem Kugelelement aufgebaut ist, in Richtung der Stirnseite des Ventilsitzes ausübt. Der obere Teil der Feder auf der dem Plunger gegenüberliegenden Seite berührt den Bodenteil einer Federeinstellvorrichtung, die in den Zylinder des Kerns eingesetzt ist, und legt die Lasteinstellung für die Feder fest. Um den Kern und innerhalb des Jochs ist eine Spule zur Erregung des Magnetkreises gewickelt. In dem Bodenteil des Jochs befindet sich ein Plungerloch für den Einlass des Plungers sowie ein Ventilführungsloch für den Einlass eines Anschlags und einer Ventilführung, die in den Bodenteil des Jochs eindringt, wobei der Durchmesser des Ventilführungslochs größer als jener des Plungerlochs ist. Der Anschlag ist vorgesehen, um den Wert der Hebung (Hub) des Kugelventils festzulegen, wobei die Dicke des Anschlags so festgelegt ist, dass die Oberseite des Plungers mit dem Boden des Kerns nicht unmittelbar in Berührung kommt, wenn das bewegliche Element des Ventils nach oben gezogen wird. An der Stange befindet sich eine Anschlagfläche, die gegen den Anschlag stößt. Die Ventilführung ist ein Gehäuse, das das Kugelventil, ein eine Kraftstoffverwirbelungsströmung erzeugendes Element, das eine Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff ausübt, und an der Stange, die Anschlagfläche der Stange enthält; wobei sich am Boden der Ventilführung außerdem eine Ventilsitzfläche und ein Kraftstoffeinspritzloch befinden.
Bei der obigen, herkömmlichen Technik ist zwischen dem Boden der Federeinstellvorrichtung und dem Plunger nur die Feder eingesetzt.
Bei einem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil (das im Folgenden einfach als Einspritzventil bezeichnet wird) einschließlich der Einspritzventile gemäß der obigen, herkömmlichen Technik kann ein Aufprallen erfolgen, wenn die Anschlagfläche der Stange während des Ventilöffnungsvorgangs gegen den Anschlag stößt oder wenn das Ventilelement während des Ventilschließungsvorgangs auf die Ventilsitzfläche aufgesetzt wird. Wenn beim Aufsetzen des Ventilelements auf der Ventilsitzfläche ein Aufprallen erfolgt, tritt nach der beabsichtigten Einspritzung eine sekundäre Kraftstoffeinspritzung ein, die wiederum ein genaues Steuern der Kraftstoffeinspritzung erschwert. Auch dann, wenn das Aufprallen beim Anstoßen der Anschlagfläche der Stange gegen den Anschlag erfolgt, erschwert dies ein genaues Steuern der Kraftstoffeinspritzung. Eine zur Vermeidung des Aufprallens ersonnene Struktur wurde bisher noch nicht in Angriff genommen.
Das Dokument US 4.749.892 zeigt eine Federanordnung eines Kraftstoffeinspritzventils mit einer zusätzlichen Masse zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von elektromagnetischen Systemen, um den Einziehprozess eines Ankers zu beschleunigen und den Aufprall bei diesem Einziehprozess zu beseitigen. Die Ventilnadel ist nicht fest mit dem Anker 4 verbunden, so dass ein Zweimassensystem gebildet ist. Ferner bleibt eine Hilfsmasse an einem Ventilkörper, so dass bei geschlossenem Ventil ein gewisses Spiel zwischen einer Aufprallplatte und dem Nadelventil und der Hilfsmasse bestehen bleibt. Die Hilfsmasse stößt bei einer Aufwärtsbewegung des Nadelventils an eine Tellerfeder, die der Federkraft der Schraubenfeder eine weitere Federkraft hinzufügt. Wenn der Anker gegen einen Magnetpol schlägt, prallt er zurück. Die Hilfsmasse kann jedoch über die Tellerfeder ihre Bewegung, die der Schlagbegrenzung entgegenwirkt, fortsetzen. Während der Stoßwirkung des Magnetpols durch den Anker verliert die bewegliche Masse den Kontakt mit dem sich bewegenden System und teilweise mit der Aufprallplatte des Nadelventils. Demgemäß zeigt dieses Dokument nur beim Öffnen des Ventils eine Aufprallreduzierung und, durch das Zweimassensystem bedingt, nur eine Aufprallreduzierung, die nicht weich ist, auf.
Das Dokument US 4.766.405 zeigt einen Dämpfungsmechanismus, der einen Ring mit kreisförmigem Querschnitt und zwei Federn umfasst. Der Dämpfer ist an einem beweglichen Anker angebracht, so dass seine Dämpfungseigenschaften bei sich schnell bewegenden Ventile unzureichend sind.
Die Dokumente US 5.328.100 und US 5.207.389 beziehen sich auf Schnellschließtechniken, bei denen die Bewegung eines Ankers in Richtung eines Rohrs durch ein gegenseitiges End-zu-End-Widerlager abgestoppt wird. Dieses Widerlager erzeugt Stoßkräfte, die ein von der Kraftstoffdüse abgegebenes hörbares Geräusch entstehen lassen. Ein solches Geräusch lässt sich durch den Einschluss einer tiefen, schmalen Rille, die vollständig um den äußeren Durchmesser des Ankers verläuft und an dem Ende einen radialen Flansch hinterlässt, dämpfen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kraftstoffeinspritzventil zu schaffen, das eine sekundäre Kraftstoffeinspritzung verhindern kann und ein genaues Steuern der Einspritzung von Kraftstoff ermöglicht.
Die Aufgabe wird den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche entsprechend erfüllt. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung stellt ein primäres und ein sekundäres Oszillationssystem bereit. Das primäre Oszillationssystem umfasst wenigstens ein ersten elastischen Abschnitt und einen ersten Massenabschnitt, während das zweite Oszillationssystem einen zweiten elastischen Abschnitt und einen zweiten Massenabschnitt umfasst. Ferner ist das zweite Oszillationssystem so aufgebaut, dass der Phasenwinkel der durch das zweite Oszillationssystem erzeugten Oszillation von jenem im primären Oszillationssystem verschieden ist, um auf diese Weise das Aufprallen des ersten Massenabschnitts zu unterdrücken.
Um das Aufprallen zu unterdrücken, ist als zweiter Massenabschnitt ein angekoppeltes bewegliches Element vorgesehen, dass sich nahezu gleichzeitig in derselben Richtung wie ein Ventilelement als erstem Massenabschnitt bewegen kann.
Hierbei bedeutet "angekoppeltes bewegliches Element", dass sich das bewegliche Element zusammen mit dem Öffnungs-/Schließungsvorgang des Ventilelements bewegt, jedoch die Bewegung des beweglichen Elements nicht vollkommen mit jener des Ventilelements übereinstimmen muss.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein vertikaler Querschnitt eines elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das ein dynamisches Modell eines Systems mit zwei Freiheitsgraden zeigt.
3 ist ein Diagramm, das den Graphen (a), der die Bewegungsbahn des angekoppelten beweglichen Elements zeigt, und den Graphen (b), der die Bewegungsbahn des Ventilelements zeigt, schildert, die mit dem in 2 gezeigten dynamischen Modell simuliert worden sind.
4 ist ein dreidimensionaler Graph, der die Änderungen des Betrags xT der sekundären Kraftstoffeinspritzung zeigt, die durch Simulationen erhalten worden sind, in denen die Massengröße m2 der Masse 32 und die Federkonstante k1 der Feder 31 gegeben und fest waren, während die Massengröße m1 der Masse 30 und die Federkonstante k2 der Feder 33 parametrisch verändert wurden.
5A ist ein vertikaler Querschnitt eines elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Feder 17' aus einer Blattfeder gebildet ist.
5B ist ein horizontaler Querschnitt der von der Linie A–A' aus betrachteten Blattfeder 17'.
6 ist eine Abbildung, die den von dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil vollbrachten Prozess der Unterdrückung des Aufprallens in dem Zustandsübergang darstellt, der vom Diagramm (a), das den Zustand bei geöffnetem Ventil zeigt, bis zum Diagramm (e), das den Zustand bei geschlossenem Ventil zeigt, gezeigt ist.
7A ist ein Graph, der Änderungen der Verlagerung des Ventilelements ohne die Blattfeder 17 in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigt.
7B ist ein Graph, der Änderungen der Verlagerung des Ventilelements mit der Blattfeder 17 in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigt.
8 ist eine Abbildung, die den von dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil vollbrachten Prozess der Unterdrückung des Aufprallens in dem Zustandsübergang darstellt, der vom Diagramm (a), das den Zustand bei geschlossenem Ventil zeigt, bis zum Diagramm (e), das den Zustand bei geöffnetem Ventil zeigt, gezeigt ist.
9A ist ein Graph, der Änderungen der Verlagerung des Ventilelements ohne die Blattfeder 17 in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigt.
9B ist ein Graph, der Änderungen der Verlagerung des Ventilelements mit der Blattfeder 17 in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Gestaltung der Feder 17 zeigt.
11 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Gestaltung der Feder 17 zeigt.
12 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Gestaltung der Feder 17 zeigt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Aufbaus eines Mechanismus zur Verhinderung des Auftretens eines Zentrierfehlers zwischen der Federeinstellvorrichtung und der Feder zeigt.
14 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel des Aufbaus eines Mechanismus zur Verhinderung des Auftretens eines Zentrierfehlers zwischen der Federeinstellvorrichtung und der Feder zeigt.
15 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer Brennkraftmaschine zeigt, die das elektromagnetische Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden mit Bezug auf die Zeichnung Einzelheiten der Ausführungsformen erläutert.
1 zeigt ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Darin sind die Seite, an der sich ein Kraftstoffeinspritzloch 2 befindet, und die Seite, an der das Ventilelement 4 und der Kraftstoffzufuhreinlass 16 gegenüber dem Kraftstoffeinspritzloch 2 angeordnet sind, als untere Seite bzw. als obere Seite des elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils definiert. Ferner bedeutet die Ventilachsenrichtung oder die Richtung längs der Ventilachse diejenige Richtung, in der das Ventilelement angetrieben wird (die Aufwärts-/Abwärtsrichtung).
In dem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil 100 (das im Folgenden einfach als Kraftstoffeinspritzventil bezeichnet wird) befindet sich ein äußerer zylindrischer Eisenkern 14 mit einem Bodenteil, der auch als Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils 100 dient; ein innerer zylindrischer Eisenkern 10, der in dem äußeren Eisenkern 14 (der als Joch 14 bezeichnet wird) vorgesehen ist und in dem sich eine Bohrung befindet, die durch die Mitte des inneren Eisenkerns 10 (der zur Vereinfachung als Kern 10 bezeichnet wird) verläuft; und eine Spule 15 innerhalb des äußeren Eisenkerns 14 und außerhalb des inneren Eisenkerns 10. An dem Bodenteil des äußeren Eisenkerns 14 befindet sich ein Loch 28 mit kleinem Durchmesser sowie ein Loch 29 mit großem Durchmesser unter dem Loch 28. Ferner ist das aus einem beweglichen Eisenkern 5, einer Stange 6 und einer Kugel 7 aufgebaute Ventilelement in die Löcher 28 und 29 eingesetzt und geht durch diese hindurch. Außerdem ist von der Bodenseite des äußeren Eisenkerns 14 ein Düsenkörper 1 in das Loch 29 mit großem Durchmesser eingesetzt und befestigt, wobei dieser einen Anschlag 9 umgibt, der den Hub des Ventilelements 4 vorschreibt.
Der Düsenkörper 1 ist ein Gehäuse, das die Kugel 7, eine eine Kraftstoffverwirbelungsströmung erzeugende Vorrichtung 25, in der ein Kraftstoffdurchlass zur Ausübung einer Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff ausgebildet ist, und die Stange 6 enthält. Außerdem befinden sich in dem Boden des Düsenkörpers 1 eine Kraftstoffeinspritzbohrung 2 sowie ein Ventilsitz 3 (eine Sitzfläche) auf der Einlassseite der Kraftstoffeinspritzbohrung 2. Die Kugel 7, die die Kraftstoffeinspritzbohrung verschließt, ist mit dem Boden der Stange 6 verbunden, wobei das obere Ende der Stange 6 mit dem beweglichen Eisenkern (Plunger) 5 verbunden ist. Die Kugel 7 wird durch die innere Oberfläche, deren Durchmesser etwas größer als jener der Kugel ist und die innerhalb der eine Kraftstoffverwirbelungsströmung erzeugenden Vorrichtung 25 ausgebildet ist, in derselben Richtung wie die Ventilachse geführt. Außerdem befindet sich an der Stange 6 eine genau bearbeitete Gleitfläche 24, wobei die Gleitfläche 26 der Stange 6 durch die innere Oberfläche des Düsenkörpers 1 in Richtung der Ventilachse geführt wird.
An der Stange 6 befindet sich ein Schulterteil 8, der dem Anschlag 9 über der Gleitfläche 26 zugewandt ist. Das Ventilelement 4 kann von der Bodenposition, in der die Kugel 7 den Ventilsitz 3 berührt, in die obere Position, in der der Schulterteil 8 den Anschlag 9 berührt, verschoben werden. Die Dicke des Anschlags 9 ist so eingestellt, dass zwischen dem beweglichen Eisenkern 5 und dem inneren Eisenkern 10 ein Spalt gebildet ist, wenn sich das Ventilelement 4 in der oberen Position befindet. Von dem Kraftstoffzufuhreinlass 16 wird Kraftstoff zugeführt und durch die Kraftstoffdurchlässe 51–59 in das Kraftstoffeinspritzloch 2 eingeführt.
Ferner ist ein an dem inneren Eisenkern 10 und dem äußeren Eisenkern 14 mechanisch befestigter Dichtungsring 27 an den äußeren Oberflächen des Bodenteils des inneren Eisenkerns 10 und dem oberen Teil des beweglichen Eisenkerns 5 angebracht. Dieser Dichtungsring 27 verhindert, dass Kraftstoff von der Kontaktfläche zwischen dem inneren Eisenkern 10 und dem beweglichen Eisenkern 5 in den Raum, der die Spule 15 enthält, austritt.
In der durch den Mittelteil des inneren Eisenkerns 10 längs der Achse verlaufenden Bohrung sind eine Federeinstellvorrichtung 11, die erste Feder 12, ein angekoppeltes bewegliches Element 13 und die zweite Feder 17 angeordnet. Die Federeinstellvorrichtung 11 ist an der innen liegenden Oberfläche des inneren Eisenkerns 10 befestigt. Das obere Ende und das untere Ende der Feder 12 berühren den Boden der Federeinstellvorrichtung 11 bzw. das obere Ende des angekoppelten Elements 13, wobei die Feder 12 in einen zusammengedrückten Zustand gebracht ist. Außerdem berühren das obere und das untere Ende der zweiten Feder 17 das untere Ende des angekoppelten beweglichen Elements 13 bzw. die Oberseite des Ventilelements 4, wobei die Feder 17 in einen zusammengedrückten Zustand gebracht ist. Das angekoppelte bewegliche Element 13 kann in der Bohrung, die durch den Mittelteil des inneren Eisenkerns 10 verläuft, längs der Achse gleiten.
Die durch die Feder 12 hervorgerufene Federkraft wird über das angekoppelte bewegliche Element 13 auf das Ventilelement 4 übertragen, wobei die Kugel 7 des Ventilelements 4 gegen den Ventilsitz 3 gedrückt wird. In diesem Zustand des Ventilelements 4 wird von dem Kraftstoffeinspritzloch 2 kein Kraftstoff eingespritzt, da der Kraftstoffdurchlass verschlossen ist.
Wenn in der Spule 15 Strom fließt, wird durch den inneren Eisenkern 10, den beweglichen Eisenkern 5 und den äußeren Eisenkern 14 ein Magnetkreis gebildet. Deshalb wird der bewegliche Eisenkern 5 durch elektromagnetische Kraft in Richtung des inneren Eisenkerns 10 gezogen, wobei sich das Ventilelement 4 in die obere Position bewegt. Da in diesem Zustand des Ventilelements 4 ein Spalt zwischen dem Ventilelement 4 und dem Ventilsitz gebildet ist, ist der Kraftstoffdurchlass geöffnet und wird von dem Kraftstoffeinspritzloch 2 Kraftstoff eingespritzt. Hier sind der innere Eisenkern 10, der bewegliche Eisenkern 5 und der äußere Eisenkern 14 aus magnetischem Material hergestellt.
Das Kraftstoffeinspritzventil dient zur Steuerung der Größe der Kraftstoffzufuhr durch Ändern der Position des Ventilelements 4.
Wenn die Position des Ventilelements 4 verändert wird, tritt ein Zusammenstoß zwischen dem Ventilelement 4 und dem Ventilsitz 3 oder zwischen dem Ventilelement 4 und dem Anschlag 9 ein. Durch das Aufprallen des Ventilelements 4 bei dem Zusammenstoß bedingt kann eine leichte Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge eintreten. Deshalb sollte jenes Aufprallens unterbunden werden.
Die Dynamik des in 1 gezeigten Plungersystems kann simuliert werden, indem das Plungersystem durch das dynamische Modell eines Systems mit den in 2 gezeigten zwei Freiheitsgraden ersetzt wird. In diesem Modell sind die Federeinstellvorrichtung 11, die erste Feder 12, das angekoppelte bewegliche Federeinstellvorrichtung 13, die zweite Feder 17, das Ventilelement 4 und der Ventilsitz 3 durch die Decke 34, die Feder 33, die Masse 32, die Feder 31, die Masse 30 bzw. den Boden 35 dargestellt. Die Dynamik des Öffnungsvorgangs des Ventilelements 4 wurde unter Verwendung dieses Modells simuliert.
Wenn die Massengröße der Masse 32, die Verschiebung der Masse 32, die Massengröße der Masse 30 und die Verschiebung der Masse 30, die Federkonstante der Feder 33 und die Federkonstante der Feder 31 durch m₂, x₂, m₁, x₁, k₂ bzw. k₁ ausgedrückt werden, sind die Bewegungsgleichungen durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) beschrieben.
Die Anfangsbedingung ist so gegeben, dass eine Aufwärtskraft auf die Masse 30 ausgeübt wird und die Federn 31 und 33 in einem zusammengedrückten Zustand belassen sind. Ferner wird angenommen, dass die Masse 30 um eine durch h ausgedrückte Höhe vom Boden 35 aus angehoben ist. Das heißt, dass der veränderliche Hub des Ventilelements 4 gleich h ist.
Ferner wird angenommen, dass der Rückprallkoeffizient zwischen der Masse 30 und dem Boden 35 gleich 0,5 ist. Unter den obigen Bedingungen werden die Bewegungsgleichungen (1) und (2) gelöst und dadurch die Bewegungsbahn 36 der Masse 30 erhalten. Die Höhe des ersten Rückpralls und die Zeit während des Rückpralls werden durch x bzw. T ausgedrückt. Da die eingespritzte Kraftstoffmenge zum integrierten Wert der Bewegungsbahn 36 bezüglich der Zeit proportional ist, kann die durch den Rückprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge durch das Produkt aus x und T approximiert werden. Durch Angabe der Werte für die Federkonstanten k₁ und k₂ und die Massengrößen m₁ und m₂ der Massen 30 und 32 können die Bewegungsbahnen der Massen 30 und 32 berechnet werden, wobei ein Beispiel der Ergebnisse in 3 gezeigt ist. Der Graph (1) zeigt die Bewegungsbahn 40 der Masse 32, während der Graph (b) die Bewegungsbahn 41 der Masse 30 zeigt.
In 3 gibt T das Zeitintervall während des Rückpralls an. Somit springt die Masse 30 in dem Zeitintervall T vom Boden 35 – d. h. dem Ventilsitz 3 – nach oben. Während des Rückpralls wirkt die obere Masse 32 auf die untere Masse 30 in der Weise ein, dass sie die Masse 30 nach unten drückt. Diese Einwirkung der Masse 32 unterdrückt den Rückprall der Masse 30, was wiederum die durch den Rückprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge senkt.
Im Folgenden werden die Schritte 91–96, die sowohl diejenigen Werte der Federkonstanten k₁ und k₂ als auch diejenigen Werte der Massengrößen m₁ und m₂ der Masse 30 und der Masse 32, die die durch den Rückprall sekundär eingespritzten Kraftstoffmenge minimieren, erlangen, erläutert.
Schritt 91:
Die durch den Rückprall sekundär eingespritzten Kraftstoffmenge wird durch das Produkt aus x und T, das in 2 gezeigt ist, approximiert, wobei der Wert von xT als Zielfunktion verwendet wird.
Ferner werden die Entwurfsvariablen für die Federkonstanten und die Massengrößen in den Bewegungsgleichungen für die beweglichen Elemente parametrisch verändert.
Schritt 92:
Es werden ein Berechnungsbereich (untere Grenze ≤ Entwurf ≤ obere Grenze) für jede Entwurfsvariable, ein Rechenschritt und Pegel bestimmt und in die Tabelle 1 eingetragen. In der Tabelle 1 werden die Massengrößen m₁ und m₂ und die Federkonstante k₁ als Entwurfsvariablen bezeichnet. Wenn unter den Entwurfsvariablen Wechselwirkungen vorkommen (die Entwurfsvariablen können nicht als mathematisch unabhängig betrachtet werden), werden in der Tabelle 1 in einer entsprechenden Spalte zur Bezeichnung von Wechselwirkungen Verweiszahlen eingetragen.
Tabelle 1
Als Nächstes werden die Bewegungsgleichungen (1) und (2) unter parametrischem Verändern jeder Entwurfsvariablen innerhalb ihres Berechnungsbereichs gelöst, wobei die Zielfunktion für jede Kombination von Werten der Entwurfsvariablen berechnet werden. Die sich ergebende Vergleichsliste zwischen Werten der Zielfunktion und den Kombinationen von Werten für die Entwurfsvariablen wird in die Ta belle 2 eingetragen. Die Tabelle 2 kann auch gemäß einer orthogonalen Tabelle, die beim Entwurf eines Versuchs verwendet wird, erstellt werden.
Tabelle 2
Eine Gleichung, die eine gekrümmte Fläche zum Schätzen der durch den Rückprall sekundär eingespritzten Kraftstoffmenge ausdrückt, wird durch Verwendung von Chebyshewschen orthogonalen Polynomen auf der Grundlage der Daten in der Tabelle 2 erhalten.
Schritt 94:
Die Tabelle 3 für die Varianzanalyse wird auf der Grundlage der Vergleichsliste zwischen Werten der Zielfunktion und Kombinationen von Werten für die Entwurfsvariablen in der Tabelle 2 erzeugt. Ferner werden die Zuverlässigkeit und die Vertrauensgrenze der erhaltenen Gleichung, die eine gekrümmte Fläche zum Schätzen der durch den Rückprall sekundär eingespritzten Kraftstoffmenge ausdrückt, auf der Grundlage der Tabelle 3 berechnet. Die Werte für die Zuverlässigkeit und die Vertrauensgrenze entsprechen jeweils denjenigen Werten der Massengrößen m₁ und m₂ und der Federkonstanten k₁ und k₂, die die sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge minimieren und durch den Prozess mit den Schritten 91–96 erhalten werden.
Schritt 95:
Die erhaltene Gleichung, die eine gekrümmte Fläche zum Schätzen der durch den Rückprall sekundär eingespritzten Kraftstoffmenge ausdrückt, wird zusammen mit demjenigen Bereich der Entwurfsvariablen, der die durch den Rückprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge minimiert, graphisch dargestellt: d. h., dass diejenigen Bedingungen für die Massengrößen m₁ und m₂ und die Federkonstanten k₁ und k₂, die die durch den Rückprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge minimieren, erhalten werden. Ein Beispiel des graphischen Ausdrucks ist in 4 gezeigt. Dieser Graph zeigt einen dreidimensionalen Graphen, der die durch den Aufprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge in Bezug auf die Massengröße m₁ der Masse 30 und die Federkonstante k₁ der Feder 33, wenn die Massengröße m₂ der Masse 32 und die Federkonstante k₁ der Feder 31 gegeben sind, ausdrückt. In dem in 4 gezeigten dreidimensionalen Graphen wird derjenige Bereich 50 der Entwurfsvariablen, der die durch den Rückprall sekundär eingespritzte Kraftstoffmenge minimiert, abgelesen. Wenn der Bereich 50 die Entwurfsbedingungen nicht erfüllt, wird nach einem anderen Optimalbereichskandidaten gesucht.
Tabelle 3
Schritt 96:
Die Zielfunktion wird mit einer feineren Berechnungsmasche, als sie in den obigen Schritten für den im Schritt 95 erhaltenen Bereich der Entwurfsvariablen verwendet worden ist, berechnet.
Wie oben erwähnt worden ist, ist es durch Verwendung des Plungeraufbaus mit den zwei Freiheitsgraden möglich, die durch den Rückprall bedingte sekundäre Kraftstoffeinspritzung zu unterdrücken, was wiederum eine stabile Magerverbrennung erzielt.
Anstelle der Feder 17 kann die Blattfeder 17' verwendet werden, wie in 5A gezeigt ist, wobei dies ein kürzeres Kraftstoffeinspritzventil 100' ermöglicht. Die Blattfeder 17' enthält eine Anschlagfläche, gegen die der Boden des angekoppelten beweglichen Elements 13' anstößt, und ist mit nach oben orientierter Anschlagfläche in die Bohrung, die an der Oberseite des beweglichen Eisenkerns 5 eine Öffnung besitzt, eingesetzt. In dieser Ausführungsform ist die Blattfeder 17' als Ring-Plattenelement ausgeführt, das, wie in 5B gezeigt ist, die den Querschnitt A-A' der Blattfeder 17' darstellt, Kerben 170 an seinem inneren Umfang besitzt. Die äußere seitliche Umfangsfläche der Blattfeder 17' ist an der inneren Oberfläche der Bohrung in dem oberen Teil des beweglichen Eisenkerns 5 befestigt. Es sind Vorsprungsteile vorhanden, die von dem inneren Umfang der Blattfeder vorstehen, wobei sie die Anschlagfläche, gegen die der Boden des angekoppelten beweglichen Elements 13' stößt, bilden.
Im Folgenden werden mit Bezug auf 6 und 7 Beispiele des Prozesses, in dem das Aufprallen des Ventilelements 4 durch das angekoppelte bewegliche Element 13' und die Feder 17' während des Ventilöffnungs-/Ventilschließungsvorgangs unterdrückt wird, erklärt.
6 zeigt den Prozess des Unterdrückens des Aufprallens, indem sie die Bewegungen des Ventilsitzes 3, des Ventilelements 4, der Feder 12 und des angekoppelten beweglichen Elements 13' in dem Zustandsübergang darstellt, der vom Diagramm (a), das den Zustand bei geöffnetem Ventil zeigt, bis zum Diagramm (e), das den Zustand bei geschlossenem Ventil zeigt, gezeigt ist.

(a) Wenn das Ventil offen gehalten ist, wird das Ventilelement 4 durch elektromagnetische Kraft in der oberen Position gehalten.
(b) In dem Ventilbewegungszustand ist die elektromagnetische Kraft unterbrochen und werden das Ventilelement 4 und das angekoppelte bewegliche Element 13' durch die Federkraft in Richtung des Ventilsitzes 3 bewegt.
(c) Das Ventilelement 4 stößt gegen den Ventilsitz 3.
(d) Unmittelbar nach dem Zusammenstoß prallt das angekoppelte bewegliche Element 13' durch den Stoß des Zusammenpralls bedingt nach oben. Die 7A und 7B zeigen zwei verschiedene Fälle von Verschiebungsänderungen des Ventilelements 4 bzw. des angekoppelten beweglichen Elements. Die 7A und 7B sind Graphen, die die Änderungen der Verschiebung des Ventilelements mit bzw. ohne die Blattfeder 17' in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigen. Das sekundäre Oszillationssystem, das aus dem angekoppelten beweglichen Element 13' und der Feder 17' gebildet ist, ist so eingestellt, dass die Eigenfrequenz dieses sekundären Oszillationssystems gleich oder nahezu gleich der Frequenz der durch den Zusammenstoß bedingten Stoßkraft ist. Beispielsweise ist es zweckmäßig, die Massengröße des angekoppelten beweglichen Elements 13' und die Federkonstante der Blattfeder 17' auf 0,3–0,5 g bzw. 100–1000 kgf/mm einzustellen. Durch diese Einstellungen wirkt das sekundäre Oszillationssystem als Stoßdämpfer. Das heißt, dass nur das angekoppelte bewegliche Element 13' durch die Stoßkraft des Zusammenstoßes bedingt stark nach oben prallt, was wiederum das Aufprallen des Ventilelements 4 unterdrückt.
(e) Wenn das Ventil geschlossen gehalten ist, wird das angekoppelte bewegliche Element 13' wieder in Kontakt mit dem Ventilelement 4 gehalten.

Das Kraftstoffeinspritzloch 2 wird durch das Aufprallen geöffnet, was wiederum die sekundären und tertiären Kraftstoffeinspritzungen bewirkt. Jene zwei ungewollten Kraftstoffeinspritzungen bewirken außerdem eine leichte Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Deshalb wird durch Unterdrücken des Aufprallens eine genaue Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge möglich.
Die Feder 17' wirkt als Blattfeder, deren innerer Umfangsteil in der Ventilachsenrichtung verschoben, d. h., gebogen wird. Eine Last von etwa 2–10 kgf infolge der durch die Feder 12 hervorgerufenen Kraft, der Trägheitskraft des angekoppelten beweglichen Elements 13' und so weiter wird auf die innere Umfangsfläche der Feder 17' ausgeübt. Wenn keine Kerben 170 an dem inneren Umfangsteil vorhanden sind, wird die Spannung in dem inneren Umfangsbereich infolge der oben genannten Last sehr groß, wodurch es schwierig wird, die Haltbarkeit der Feder 17' zu bewahren. Wenn andererseits die Dicke der Feder 17' erhöht wird, um die Spannung zu verringern, wird die Federkonstante der Feder 17' zu groß und geht die Aufprallunterdrückungswirkung verloren. Durch Vorsehen der Kerben 170 wird die in dem inneren Umfangsbereich der Feder 17' erzeugte Spannung verringert. Somit ist es möglich geworden, eine Feder mit einer ge eigneten Federkonstante und einer hohen Haltbarkeit zu schaffen, in der kein hohes Maß an Spannung entsteht.
Es gibt drei Kerben in der Blattfeder 17'. Indem ein Kontakt des angekoppelten beweglichen Elements 13' mit drei Teilen der Feder 17' hergestellt wird, kann selbst dann, wenn die Feder nicht vollkommen flach ist, stets ein stabiler Kontakt zwischen dem angekoppelten beweglichen Element 13' und der Feder 17' erreicht werden und somit die als Entwurfswert entworfene Federkonstante genau erreicht werden. Deshalb ist es nicht erforderlich, bei der Herstellung der Feder 17' die Flachheit genau zu steuern, was deren Herstellungskosten senkt. Somit kann eine stabile Aufprallunterdrückungswirkung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß dieser Ausführungsform erzielt werden. Da die Unterstützung des angekoppelten beweglichen Elements 13' stabil ist, neigt sich ferner das Element kaum, was wiederum den Abrieb des Gleitabschnitts in der inneren Oberfläche des inneren Eisenkerns 10 verhindert.
Pressarbeit ist zur Herstellung der Feder 17' bei niedrigen Kosten geeignet. Obwohl es schwierig ist, die Flachheit der Feder 17' bei der Pressarbeit genau zu steuern, kann diese zur Herstellung der Feder 17' angewandt werden, weil eine genaue Steuerung der Flachheit für das Herstellen eines Kontakts des angekoppelten beweglichen Elements 13' mit den drei Positionen der Feder 17' nicht erforderlich ist.
In dieser Ausführungsform ist eine Führungsfläche für das angekoppelte bewegliche Element 13' an dem Bodenabschnitt innerhalb der Feder 17' vorhanden. Ferner gibt es einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser am Boden des angekoppelten beweglichen Elements 13', der in das innen liegende Loch der Feder 17' eingesetzt ist.
Demgemäß tritt ein Zentrierfehler zwischen der Feder 17' und dem angekoppelten beweglichen Element 13' nur schwerlich auf, weshalb sich eine stabile Federkonstante der Feder 17' ergibt.
Darüber hinaus ist es möglich, die äußere Oberfläche des angekoppelten Elements 13' entlang der an der inneren Oberfläche des beweglichen Eisenkerns 5 gebildeten Führungsflächen zu führen. Bei diesem Aufbau sollte ein geeignetes Material für den beweglichen Eisenkern 5 gewählt sein oder die innere Oberfläche des beweglichen Eisenkerns 5 vergütet sein, um dessen Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Ferner ist es möglich, das angekoppelte bewegliche Element 13' und den beweglichen Eisenkern 5 in einer Verbundstruktur herzustellen, falls dies vom Gesichtspunkt der Stoßfestigkeit zwischen dem angekoppelten beweglichen Element 13' und der Feder 17' oder beim Bestimmen der Federkonstante während des Entwurfs der Feder 17' zu keinem Problem führt. Dieser Aufbau senkt die Anzahl der bei der Herstellung des Kraftstoffeinspritzventils verwendeten Teile.
Obwohl das Aufprallen unterdrückt werden kann, indem von der Viskositätswiderstandskraft des Kraftstoffs Verwendung gemacht wird, ist eine genaue Maßsteuerung der Teile oder Abschnitte, die den schmalen Nebendurchgang bilden, erforderlich. Da die Änderung der Kraftstoffviskosität infolge einer Zunahme der Kraftstofftemperatur usw. die Aufprallunterdrückungswirkung unzuverlässig macht, ist ferner eine Maßnahme gegen dieses Problem erforderlich.
Ferner sollte der Boden des beweglichen Elements 13', wie in 5 gezeigt ist, abgeschrägt sein, um so die Kontaktfläche zwischen dem angekoppelten beweglichen Element 13' und der Feder 17' zu verringern. Da dies die Kontaktfläche, die die Last von den oberen Teilen aufnimmt, konstant hält, kann eine stabile Federkraft erzielt werden.
Ferner sollte die Gleitreibung verringert werden, indem eine Oberflächenbearbeitung wie etwa Abschreckhärtung, Nitrierhärtung, Metallisierung und so weiter wenigstens an entweder der äußeren Oberfläche des angekoppelten beweglichen Elements 13', der inneren Oberfläche des inneren Eisenkerns 10 oder der inneren Oberfläche des beweglichen Eisenkerns 5 angewandt wird.
Außerdem sollte die Gleitreibung verringert werden, indem eine Oberflächenbearbeitung wie etwa Abschreckhärtung, Nitrierhärtung, Metallisierung und so weiter an den Stoßflächen des angekoppelten beweglichen Elements 13' und/oder den Stoßflächen der Feder 17' angewandt wird.
Ein Beispiel des Aufprallunterdrückungsprozesses ist in 6 und 7 gezeigt, wobei in Abhängigkeit von der Federlast und den Formen des Kraftstoffdurchlasses, dem Magnetkreis, dem Anschlag usw. andere Prozesse möglich sind. Beispielsweise lässt es sich einrichten, dass sich das Ventilelement 4 dann, wenn die elektromagnetische Kraft während des Zustands bei geöffnetem Ventil unterbrochen ist, von dem angekoppelten beweglichen Element 13' trennt und mit dem Ventilsitz 3 zusammenstößt, wobei zwischen dem Ventilelement 4 und dem angekoppelten beweglichen Element 13' ein sehr kleiner Spalt bestehen bleibt. Wenn das Ventilelement 4 in dieser Situation von dem Ventilsitz 4 zurückprallt, wird das Aufprallen unterdrückt, weil das angekoppelte bewegliche Element 13' nach einer kurzen Zeitverzögerung mit dem Ventilelement 4 zusammen stößt.
Obwohl die Eigenfrequenz des aus dem angekoppelten beweglichen Element 13' und der Feder 17' gebildeten sekundären Oszillationssystems auf eine Frequenz in der Nähe der Frequenz der Stoßkraft eingestellt werden sollte, kann die Eigenfrequenz des Oszillationssystems selbst dann, wenn sie keine Frequenz in der Nähe der Frequenz der Stoßkraft ist, auf eine solche Frequenz eingestellt werden, dass das Aufprallen des Ventilelements 4 unterdrückt wird.
Ferner kann die Reibungskraft zwischen dem angekoppelten beweglichen Element 13' und dem inneren Eisenkern 10 als Dämpfungskraft zur Aufprallunterdrückung genutzt werden. Bei diesem Aufbau ist die Feder 17' nicht unbedingt erforderlich.
Wenn die Abnahme der Viskosität des Kraftstoffs kein ernstes Problem darstellt, kann die Viskositätswiderstandskraft des Kraftstoffs zwischen der äußeren Oberfläche des angekoppelten beweglichen Elements 13' und der Innenwandfläche des inneren Eisenkerns 10 für die Aufprallunterdrückung genutzt werden. Da es möglich ist, das angekoppelte bewegliche Element 13' durch Ausnutzung des Kraftstoffdurchlassraums innerhalb des inneren Eisenkerns 10 größer zu machen, kann eine größere und stabile auf dem Kraftstoff basierende Viskositätswiderstandskraft erzielt werden. Bei diesem Aufbau ist die Feder 17' nicht unbedingt erforderlich.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 8 und 9 ein weiteres Beispiel des Aufprallunterdrückungsprozesses erläutert.
8 zeigt den Aufprallunterdrückungsprozess durch Darstellung der Bewegungen des Ventilsitzes 3, des Ventilelements 4, der Feder 12 und des angekoppelten beweglichen Elements 13' im Übergangszustand, der vom Diagramm (a), das den Zustand bei geschlossenem Ventil zeigt, bis zum Diagramm (e), das den Zustand bei geöffnetem Ventil zeigt, gezeigt ist.

(a) Wenn das Ventil geschlossen gehalten ist, wird das Ventilelement 4 durch die Federkraft gegen den Ventilsitz 3 gedrückt.
(b) In dem Ventilbewegungszustand werden das Ventilelement 4 und das angekoppelte bewegliche Element 13' durch die die elektromagnetische Kraft nach oben bewegt.
(c) Das Ventilelement 4 stößt gegen den Anschlag 9.
(d) Unmittelbar nach dem Zusammenstoß springt das angekoppelte bewegliche Element 13' infolge der Trägheitskraft nach oben. Da das Ventilelement 4 vorübergehend von dem angekoppelten beweglichen Element 13' getrennt ist und die das Ventilelement 4 zurückwerfende Federkraft verschwindet, wird das Aufprallen unterdrückt.
(e) Wenn das Ventil offen gehalten ist, ist das angekoppelte bewegliche Element 13' wieder in Kontakt mit dem Ventilelement 4.

Die 7A und 7B zeigen zwei verschiedene Fälle von Verschiebungsänderungen des Ventilelements 4 bzw. des angekoppelten beweglichen Elements 13'. Die 9A und 9B sind Graphen, die die Änderungen der Verschiebung des Ventilelements mit bzw. ohne die Blattfeder 17' in dem in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil zeigen. In 9A ist zu sehen, dass am Ende des Hubs ein starker Aufprall durch das Ventilelement 4 erfolgt. Anderseits wird in dem Kraftstoffeinspritzventil 100' mit dem angekoppelten beweglichen Element 13' das Aufprallen des Ventilelements 4 gedämpft oder vollständig verhindert, wie in 9B gezeigt ist.
Tp in den 9A und 9B gibt das Zeitintervall der Unterbrechung der elektromagnetischen Kraft zum Auslösen der Bewegung des Ventilelements von der geschlossenen Position in die geöffnete Position an. Wenn es erforderlich ist, mit einer einzigen Einspritzung eine kleine Kraftstoffmenge einzuspritzen, wird Tp verkürzt. Bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil bewegt sich das Ventilelement 4, wenn Tp wesentlich verkürzt wird, während des Aufprallens in Richtung des Ventilsitzes 3.
In 9A, wenn die elektromagnetische Kraft zum Zeitpunkt t1 für Tp, zu dem das Ventilelement 4 eine negative Geschwindigkeit besitzt, unterbrochen wird, ändert sich die Verschiebung des Ventilelements 4, wie durch die gestrichelte Linie A gezeigt ist, wobei die Zeit, bis das Ventilelement 4 die geschlossene Position erreicht, verkürzt wird. Wenn umgekehrt die elektromagnetische Kraft zum Zeitpunkt t2 für Tp, zu dem das Ventilelement 4 eine positive Geschwindigkeit besitzt, unterbrochen wird, ändert sich die Verschiebung des Ventilelements 4, wie durch die gestrichelte Linie B gezeigt ist, und, da eine Zeit für das Ändern der Geschwindigkeit des Ventilelements 4 von positiv zu negativ erforderlich ist, vergeht eine längere Zeit, bis das Ventilelement 4 die geschlossene Position erreicht.
Das Aufprallen erfolgt nicht immer in der gleichen Weise, sondern die Periode oder die Amplitude des Aufpralls ändern sich stets. Demgemäß ist selbst dann, wenn die elektromagnetische Kraft mit dem gleichen Tp unterbrochen wird, die Geschwindigkeit des Ventilelements 4 stets verschieden. Deshalb kann die Zeit, bis das Ventil geschlossen ist, variieren, was wiederum eine leichte Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge bewirken kann.
Andererseits kann gemäß dieser Ausführungsform das Ventilelement 4 auf Grund dessen, dass der Aufprall minimal ist oder vollständig verhindert wird, wie in 9B gezeigt ist, stets aus dem Nullgeschwindigkeitszustand heraus in Richtung der geschlossenen Position starten, wobei die Zeit, bis das Ventil geschlossen ist, konstant ist. Da die bei gleichem Tp eingespritzte Kraftstoffmenge konstant ist, wird es möglich, die eingespritzte Kraftstoffmenge genau zu steuern.
Obwohl die Feder 17' aus einem metallischen Material gefertigt sein sollte, kann für die Feder 17' ein Harz verwendet werden, falls die Haltbarkeit garantiert ist. Harz ist vorteilhaft, wenn die Federkonstante auf einen vergleichsweise kleinen Wert eingestellt wird.
Die durch das in 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 100 erzielten Wirkungen sind dieselben, die durch das in 5 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 100' erzielt werden.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 10 eine weitere Ausführungsform der Feder 17 erläutert. Indem ein Abschnitt mit kleinerem Außendurchmesser (ein verengter Abschnitt) 17'' an dem Bodenteil des angekoppelten beweglichen Elements 13'' vorgesehen ist, wird die Steifigkeit des Bodenteils verringert, wodurch ihm eine federähnliche Eigenschaft verliehen wird. Beim Versuch, die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaft des beweglichen Eisenkerns 5 infolge der verbleibenden Bearbeitungsspannung, die durch die Bearbeitung des Kerns 5, um einen Federabschnitt in dem Kern 5 zu schaffen oder ein Federelement an dem Kern 5 anzubringen, hervorgerufen wird, zu vermeiden, sollte der in dem Bodenteil des angekoppelten beweglichen Element 13'' verengte Abschnitt 17'' als Feder verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist außerdem ein Abschnitt 61 mit großem Durchmesser unter dem verengten Abschnitt 17'' gebildet, um so die Stoßfläche zwischen dem angekoppelten beweglichen Element 13'' und dem Ventilelement 4 zu vergrößern (die Oberseite der Stange 6). In dieser Weise kann der auf die Bodenfläche des angekoppelten beweglichen Elements 13'' und die Oberseite der Stange 6 ausgeübte Stoßdruck verringert werden, was wiederum einen Stoßabrieb verhindert. Wenn der Stoßabrieb durch andere Maßnahmen verhindert werden kann, ist der Abschnitt mit großem Durchmesser des angekoppelten beweglichen Elements 13'' nicht erforderlich.
Im Weiteren wird mit Bezug auf 11 eine weitere Ausführungsform der Feder 17 erläutert. In dieser Ausführungsform ist der Federabschnitt 17''' auf einem Unterstützungsteil 63 und einem verformten Teil 62 gebildet. Der verformte Teil 62 wird in Bezug auf den Unterstützungsteil 63, der als Drehpunkt dient, gebogen. Somit arbeitet der verformte Teil 62 als Feder. Wenn der Aufbau aus einer Feder mit einer kleinen Federkonstante durch Annahme der in 10 gezeigten Struktur der Feder 17'' unter Anwendung der Druckverformung versucht wird, ist es in manchen Fällen unvermeidlich, dass der Abschnitt mit kleinem Durchmesser zu dünn wird und die erforderliche Festigkeit nicht gewährleistet werden kann. Andererseits ist es in dieser Ausführungsform auf Grund dessen, dass die Feder 17''' eine durch Biegeverformung bedingte Kraft verwendet, möglich, eine vergleichsweise kleine Federkonstante zu schaffen und dennoch die erforderliche Dicke zu gewährleisten.
Außerdem ist durch Vorsehen eines konvexen Abschnitts 20 und eines konkaven Abschnitts in dem oberen Teil des Ventilelements 4 (dem oberen Teil der Stange 6) und dem unteren Teil des angekoppelten beweglichen Elements 13''' ein Kraftstoffdämpferbereich 22 zwischen den konvexen und den konkaven Abschnitten 20 und 21 gebildet. Während des Betriebs des Ventils kann das angekoppelte bewegliche Element 13''', vom Ventilelement 4 getrennt, nach oben springen und dann gegen das Ventilelement 4 stoßen und dadurch das Aufprallen hervorrufen. Da in dieser Ausführungsform der Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffdämpferbereichs 22 durch den schmalen Durchgang 23 geht, wirkt die Viskositätswiderstandskraft des Kraftstoffs, wenn das angekoppelte bewegliche Element 13''' gegen das Ventilelement 4 stößt, als Dämpfungskraft. Demgemäß kann das durch das erneute Zusammenstoßen des angekoppelten beweglichen Elements 13''' und des Ventilelements 4 bedingte Aufprallen gedämpft werden. Jedoch ist dieser Kraftstoffdämpferbereich 22 nicht unbedingt erforderlich und nur auf besonderen Bedarf hin vorgesehen.
Im Weiteren wird mit Bezug auf 12 eine weitere Ausführungsform der Feder 17 erläutert. In dieser Ausführungsform weist die kreisförmige Bodenfläche des angekoppelten beweglichen Elements 13'''' eine konvexe Oberfläche auf, während die Oberseite der Stange 6 des Ventilelements 4 eine flache Oberfläche aufweist. Bei den oben genannten Formen kann auf Grund des hertzschen Kontakts eine Federfunktion erhalten werden. Gemäß dieser Ausführungsform sind auf Grund dessen, dass das angekoppelte bewegliche Element 13'''' das Ventilelement 4 in Linienkontaktweise kontaktiert, sowohl das Element 13'''' als auch das Ventilelement 4 am Umfang gleichmäßiger miteinander in Kontakt, als wenn sich das Element 13'''' und das Ventilelement 4 in einer Flächenkontaktweise kontaktieren würden. Somit ist die Änderung der Federkraft gering und kann eine stabile Aufprallunterdrückungswirkung erzielt werden.
Bei der in 13 gezeigten Struktur wird der Zentrierfehler der Federeinstellvorrichtung 11 durch die Drehung einer Kugel 64 aufgefangen, so dass die Feder 12 und die Komponenten unterhalb der Feder 12 nicht beeinflusst werden. Außerdem sind nun ein Kraftstoffauslass 65 und ein Kraftstoffnebendurchlass 66 enthalten, so dass die Kugel 64 den Kraftstoffdurchgang nicht verschließt.
In der in 14 gezeigten Ausführungsform ist am Boden der Federeinstellvorrichtung 11 zur Verhinderung des Zentrierfehlers zwischen der Federeinstellvorrichtung 11 und der Feder 12 anstelle der in 13 gezeigten Kugel 64 ein Zentrierfehler verhindernder Teil 67, der einen in die Feder 12 über dem angekoppelten beweglichen Element 13 eingesetzten Vorsprungsteil besitzt, angebracht. Der Zentrierfehler verhindernde Teil 67 und die Federeinstellvorrichtung 11 sind in einer Verbundstruktur hergestellt oder der Zentrierfehler verhindernde Teil 67 ist an der Federeinstellvorrichtung 11 angeschweißt. In dieser Ausführungsform kann ein Kraftstoffdurchlass, der entlang der Achse in den Zentrierfehler verhindernden Teil 67 führt, enthalten sein.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 15 eine Brennkraftmaschine einer Ausführungsform, die die Kraftstoffeinspritzventile gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, erläutert.
Die Brennkraftmaschine 1000 enthält mehrere Zylinder 1002, wobei jeder Zylinder 1002 auch einen Kolben 1001, ein Luftansaugventil 1003, eine Zündkerze 1005 und ein Kraftstoffeinspritzventil 100 enthält. Das Luftansaugventil wird synchron mit der Hin- und Herbewegung des Kolbens 1001 geöffnet und geschlossen, wobei Ansaugluft in jeden Zylinder 1002 eingeführt wird. Von einem aus einem Kraftstoffbehälter, Pumpen und so weiter gebildeten Kraftstoffzufuhrsystem, das in dieser Figur nicht gezeigt ist, wird dem Kraftstoffeinspritzventil 100 Kraftstoff zugeführt. Von einer Motorsteuereinheit 1007 und einer Kraftstoffeinspritzventil-Antriebsschaltung 1008 wird dem Kraftstoffeinspritzventil 100 Strom zugeführt, wobei die Kraftstoffeinspritzung im Weiteren dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1000 entsprechend ausgeführt wird. Eine Mischung aus Ansaugluft und Kraftstoff wird durch die Zündkerze 1005 gezündet und verbrannt. Durch Öffnen eines Abgasventils 1004 wird Gas, das durch diesen Prozess erzeugt wird, ausgestoßen, Durch Herstellen einer Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf Grund dessen, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge genau gesteuert werden kann, eine Brennkraftmaschine ausgeführt werden, deren Kraftstoffverbrauch, Motorleistung und Abgaseigenschaften ausgezeichnet sind.
Zusätzlich können, obwohl eine elektromagnetische Kraft als Mittel, die das Ventilelement 4 längs der Achse antreibt, verwendet wird, andere Antriebsmittel die gleichen Wirkungen wie jene, die mittels elektromagnetischer Kraft erzielt werden, erreicht werden. Beispielsweise kann ein Antriebsmittel zum Antreiben des Ventilelements 4 längs der Achse durch Verwendung des Kraftstoffdrucks zur Schaffung einer Druckdifferenz zwischen der oberen und der unteren Seite des Ventilelements 4 für das Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Obwohl der Bewegungsbereich längs der Achse des Ventilelements 4 durch den Anschlag 9 festgelegt ist, werden dann, wenn der Bewegungsbereich des Ventilelements 4 durch die Bodenfläche des inneren Eisenkerns 10 eingeschränkt ist, natürlich die gleichen Wirkungen wie in den obigen Ausführungsformen erzielt.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil, mit einem beweglichen Ventilelement (4) zum Öffnen und Schließen eines Kraftstoffeinspritzlochs (2) durch eine axiale Bewegung in Richtung zu und von einem Ventilsitz (3), wobei das Kraftstoffeinspritzventil in einer Richtung zu dem Ventilsitz (3) – einen ersten elastischen Abschnitt (12), – einen zweiten Massenabschnitt (13, 13', 13'', 13''', 13''''), – einen zweiten elastischen Abschnitt (17, 17', 17'', 17''', 17'''') und – einen ersten Massenabschnitt (5, 6, 7), der durch das bewegliche Ventilelement (4) gebildet ist, umfasst, und einer Antriebseinheit (5, 10, 14, 15), die auf das Ventilelement (4) eine Kraft ausübt, die zu jener entgegengesetzt ist, die durch den ersten elastischen Abschnitt (12) ausgeübt wird, wobei der erste elastische Abschnitt (12) und der erste Massenabschnitt (5, 6, 7) ein primäres Oszillationssystem bilden und der zweite Massenabschnitt (13, 13', 13'', 13''', 13'''') und der zweite elastische Abschnitt (17, 17', 17'', 17''', 17'''') ein sekundäres Oszillationssystem bilden, wobei der erste elastische Abschnitt (12) auf den zweiten Massenabschnitt (13, 13', 13'', 13''', 13'''') eine Kraft in einer Richtung zu dem Ventilsitz (3) ausübt und der erste Massenabschnitt (5, 6, 7) mit dem Ventilsitz (3) in Kontakt gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Oszillationssystem so aufgebaut ist, dass der Phasenwinkel der durch das sekundäre Oszillationssystem erzeugten Oszillation von jener im primären Oszillationssystem verschieden ist, um auf diese Weise das Aufprallen des ersten Massenabschnitts (5, 6, 7) zu unterdrücken.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, bei dem der zweite Massenabschnitt (13, 13', 13'', 13''', 13'''') und der zweite elastische Abschnitt (17, 17', 17'', 17''', 17'''') so eingestellt sind, dass ihre Eigenfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer durch den Zusammenstoß des ersten Massenabschnitts (5, 6, 7) mit dem Ventilsitz (3) bedingten Stoßkraft ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste elastische Abschnitt eine Feder (12) ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite elastische Abschnitt eine Schraubenfeder (17) oder eine Blattfeder (17') ist, die sich in Richtung der Bewegung des Ventilelements (4) verformen kann.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite elastische Abschnitt (17'') ein Abschnitt (17'') mit kleinerem Außendurchmesser am Bodenteil des zweiten Massenabschnitts (13'') ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite elastische Abschnitt (17''') aus einem Unterstützungsteil (63) und einem verformten Teil (62) des zweiten Massenabschnitts (13''') aufgebaut ist, wobei der verformte Teil (62) in Bezug auf den Unterstützungsteil (63), der als ein Drehpunkt dient, gebogen ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite elastische Abschnitt (17'''') eine kreisförmige Bodenfläche mit konvexer Oberfläche des zweiten Massenabschnitts (13'''') ist, wobei eine Oberseite einer Stange (6) des Ventilelements (4) eine ebene Oberfläche besitzt, um auf Grund des hertzschen Kontakts eine Federfunktion zu erhalten, oder der zweite elastische Abschnitt (17'''') in einem gegenüber dem zweiten Massenabschnitt (13'''') befindlichen Endabschnitt des Ventilelements (4) gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Antriebseinheit (5, 10, 14, 15) vorgesehen ist, die auf das Ventilelement (4) eine Kraft in einer Richtung ausübt, die zu jener entgegengesetzt ist, die durch den ersten elastischen Abschnitt (12) ausgeübt wird, und die Antriebseinheit eine Spule (15) sowie einen Elektromagneten mit einem Magnetkreis (5, 10, 14) umfasst.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Ventilelement (4) einen beweglichen Eisenkern (5) umfasst, der einer der Teile ist, die den Magnetkreis (5, 10, 14) bilden, und an der Stange (6) befestigt ist, ein konkaver Abschnitt in dem Mittelbereich des oberen Teils des beweglichen Eisenkerns (5) vorgesehen ist, der zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) senkrecht ist, und der zweite elastische Abschnitt (17'), der in den konkaven Abschnitt eingesetzt ist, Vorsprungsteile besitzt, die von dem inneren Umfangsabschnitt des zweiten elastischen Abschnitt (17') in der Richtung, die zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) senkrecht ist, vorstehen, wobei ein Teilbereich jedes der Vorsprungsteile jeweils eine Kontaktfläche bildet, die mit dem Bo denteil des zweiten Massenabschnitts (13') in Kontakt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, bei dem ein Dickenwert der Vorsprungsteile in dem zweiten elastischen Abschnitt (17') kleiner als ein Längenwert der Vorsprungsteile ist und der Bodenabschnitt des zweiten Massenabschnitts (13') angefast ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der in dem sekundären Oszillationssystem vorgesehene zweite elastische Abschnitt (17, 17', 17'', 17''', 17'''') und der bewegliche Eisenkern (5) so hergestellt sind, dass sie eine einheitliche Struktur besitzen.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Massengröße des zweiten Massenabschnitts (13, 13', 13'', 13''', 13'''') in einem Bereich von 0,3–1,5 g liegt und eine Federkonstante des zweiten elastischen Abschnitts (17, 17', 17'', 17''', 17'''') in dem sekundären Oszillationssystem in einem Bereich von 100–1000 kgf/mm liegt.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Oberflächenbearbeitung auf die Oberfläche eines Teils des zweiten elastischen Abschnitts (17; 17') angewendet wird, an der der zweite Massenabschnitt (13; 13') anliegt, um so die Steifigkeit der Oberfläche dieses Teils zu verbessern.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Magnetkreis (5, 10, 14) einen inneren Eisenkern (10), der in der Spule (15) vorgesehen ist, eine durch den inneren Eisenkern (10) längs der Mittelachse des Eisenkerns (10) in Bewe gungsrichtung des Ventilelements (4) verlaufende Bohrung sowie einen äußeren Eisenkern (14), der außerhalb der Spule (15) vorgesehen ist, umfasst; und der erste elastische Abschnitt (12), der einer der Teile ist, die das primäre Oszillationssystem aufbauen, sowie der zweite Massenabschnitt in das Loch eingefügt sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem eine Führungsfläche zum Führen der Bewegung des zweiten Massenabschnitts durch Herstellen eines Kontakts mit und durch Unterstützen einer äußeren Umfangsfläche des zweiten Massenabschnitts in der inneren Oberfläche des inneren Eisenkerns (10), die die Bohrung bildet, geformt ist; und die Oberflächenbearbeitung auf die Führungsfläche und/oder die innere Oberfläche des inneren Eisenkerns (10) angewendet wird, um den Abriebwiderstand der Führungsfläche und/oder der inneren Oberfläche des inneren Eisenkerns (10) zu verbessern.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem ein Dämpfungsmechanismus (20, 21, 22) zum Dämpfen der Oszillation des zweiten Massenabschnitts (17, 17', 17'', 17''', 17'''') vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 16, bei dem der Dämpfungsmechanismus ein Dämpferbereich (22) ist, der aus einem in einem Teil geformten konvexen Abschnitt (20) und aus einem in einem weiteren Teil geformten konkaven Abschnitt (21) des Bodenteils des zweiten Massenabschnitts (13''') bzw. des oberen Teils des Ventilelements (4), die einander zugewandt sind, gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der zweite elastische Abschnitt (17') ringförmig ist und in dem inneren Umfangsabschnitt (170) Kerben ausgebildet sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der zweite elastische Abschnitt (17') drei Kerben (170) besitzt.
Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem der zweite elastische Abschnitt durch eine Reibungskraft zwischen dem zweiten Massenabschnitt und dem inneren Eisenkern (10) verwirklicht ist, um eine entsprechende Dämpfungskraft zu schaffen.
Brennkraftmaschine, die ein Kraftstoffeinspritzventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20 enthält.