DE69633418T2

DE69633418T2 - Elektromagnetventil und Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69633418T2
Application number: DE69633418T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kariya-city Aichi-pref. Iwanaga
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: US5839661A; JP3446432B2; EP1253314A2; EP1253314B1; DE69628805T2; EP1253314A3; JPH09158812A; EP0778411A2; DE69628805D1; EP0778411B1; EP0778411A3; DE69633418D1; DE29624380U1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen ein Magnetventil und eine Kraftstoffeinspritzdüse bzw. eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Verbrennungsmotoren, die ein derartiges Ventil benutzen, und spezieller eine Kraftstoffeinspritzdüse, die ein Magnetventil benutzt, das ein schnelles Ansprechen selbst bei Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen zeigt.
2. Hintergrund des Standes der Technik
1 zeigt ein gewöhnliches Akkumulatorkraftstoffeinspritzsystem, das entwickelt wurde, um den Druck in einer Druckregelkammer durch ein Magnetventil zu ändern, um eine Bewegung eines Nadelventils der Kraftstoffeinspritzdüse zum Steuern des Kraftstoffeinspritzzeitverhaltens einzustellen.
Die gezeigte Kraftstoffeinspritzdüse 100 weist den Körper 101, in dem das Nadelventil 110 angeordnet ist, den Druckstiftkörper 111 und den Steuerkolben 112 auf. Die Feder 113 drängt das Nadelventil 110, das Düsenloch 101a zu schließen. Der von der Kraftstoffpumpe 140 gelieferte druckbeaufschlagte Kraftstoff wird in einer Akkumulatorkammer im Common-Rail-System 141 gesammelt und dann in das Kraftstoffsammelbecken 114 durch den Kraftstoffversorgungskanal 142 geliefert. Die Druckregelkammer 120, der ein Ende des Steuerkolbens 112 ausgesetzt ist, ist in dem Körper 101 definiert. Der druckbeaufschlagte Kraftstoff wird auch zur Druckregelkammer 120 von dem Kraftstoffversorgungskanal 142 durch die Blende 143 geliefert. Wenn das Magnetventil 130 geöffnet ist, fließt der Kraftstoff in der Druckregelkammer 120 zum Kraftstoffrücklaufkanal 145 durch den Durchflußbegrenzungskanal 144.
Das Magnetventil 130, das wahlweise die Fluidverbindung zwischen der Druckregelkammer 120 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 145 freigibt oder blockiert, ist an einem oberen Ende des Körpers 110 angeordnet. Das Magnetventil 130 weist den Ventilkörper 132, das Ventil 131, die Feder 133 und den Magneten 134 auf. Das Ventil 131 ist verschiebbar in dem Ventilkörper 132 angeordnet und wird durch die Feder 133 in ständige Wirkverbindung mit dem Ventilsitz 132a nach unten gedrückt.
Wenn der Magnet 134 ausgeschaltet ist, wird das Ventil 131 durch die Feder 133 in Wirkverbindung mit dem Ventilsitz 132a gebracht, um die Fluidverbindung zwischen der Druckregelkammer 120 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 145 zu blockieren. Dies hält den Kraftstoff in der Druckregelkammer 120 auf einem hohen Niveau, wodurch sowohl die durch den Kraftstoffdruck in der Druckregelkammer 120 erzeugte Kraft, die den Steuerkolben 112 nach unten drückt, als auch die Federkraft der Feder 113 verursacht werden, um auf das Nadelventil 110 zu wirken, damit das Düsenloch 101a geschlossen wird.
Wenn der Magnet 134 eingeschaltet ist, erzeugt er eine magnetische Kraft, die das Ventil 133 aus der Wirkverbindung mit dem Ventilsitz 132a bringt. Wenn es den Stopper 135 erreicht, wird das Ventil 133 gestoppt, und der Kraftstoff in der Druckregelkammer 120 fließt zum Kraftstoffrücklaufkanal 145, so daß der Kraftstoffdruck in der Druckregelkammer 120 abfällt. Dies veranlaßt die Kraft, die durch den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffsammelbecken 114 erzeugt wird, auf das Nadelventil 110 nach oben zu wirken, um größer zu werden, als die Kraft, die auf das Nadelventil nach unten wirkt, so daß das Nadelventil 110 abgehoben wird, um das Düsenloch 101A zu öffnen.
Jedoch hat das obengenannte, herkömmliche Kraftstoffeinspritzsystem folgende Mängel. Wenn das Ventil 131 des Magnetventils 130 auf dem Ventilsitz 132a sitzt, wirkt die Kraft, die ein Produkt einer Fläche eines Bereiches des Ventils 133, das auf dem Ventilsitz 132a sitzt, und dem Kraftstoffdruck ist, auf das Ventil 133 in einer abhebenden Richtung, d. h., eine ventilöffnende Richtung. Somit ist es notwendig, um das Ventil 131 in Wirkverbindung mit dem Ventilsitz 132a gegen diese Kraft zu bringen, die Federkraft der Feder 133 zu steigern, was in ein Steigen der Größe der Feder 133 resultiert. Das Steigern der Größe der Feder 133 macht desweiteren ein Steigern der Größe des Magneten 134 notwendig, um das Ventil 131 gegen die gesteigerte Federkraft der Feder 133 zu ziehen.
Wenn der Magnet 134 abgeschaltet ist, wird die Kraft, die das Ventil 131 in die Abwärtsrichtung drängt, d. h., eine ventilschließende Richtung, praktisch nur durch die Feder 134 erzeugt. Somit wirkt ein restlicher magnetischer Fluß, der, nachdem der Magnet 134 abgeschaltet ist, in dem Magnetventil 130 verbleibt, auf das Ventil 131, um es aufwärts zu heben, was in einer Herabsetzung beim Ansprechen des Magnetventils 130 resultiert, wenn es geschlossen wird. Im speziellen muß, wenn ein schnelles Ansprechen des Nadelventils 110 oder des Ventils 131 des Magneten 130, im besonderen ein schneller Betrieb des Magneten 130, um das Ventil 131 in die ventilschließende Richtung zu bewegen, notwendig ist, z. B., zur Steuerung eines kleinen Betrages des Kraftstoffsprays, die Federkraft der Feder 133 steigen, die das Ventil 131 gegen den restlichen magnetischen Fluß zieht. Dies erfordert ein Steigen der anziehenden Kraft des Magneten 134, die das Ventil 131 gegen die wachsende Federkraft der Feder 133 zieht, was in einem weiteren Anstieg der Größe des Magnetventils 130 resultiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Magnetventil zu schaffen, das ein schnelles Ansprechen auf zyklische Ein- und Ausschaltvorgänge eines Magneten in kurzen Zeitintervallen zeigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, das ein schnelles Ansprechen auf Anforderungen zum Starten und Beenden von Kraftstoffeinspritzung zeigt, um eine kleine Menge von Kraftstoffsprühung zu regeln.
Diese Aufgaben werden durch einen Satz von Kraftstoffeinspritzdüsen nach dem Anspruch 1 gelöst.
Entsprechend einem Hintergrundaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein magnetbetriebener Ventilapparat geschaffen, mit: (a) einem Ventilkörper; (b) einem Ventilsitz, der in dem Ventilkörper ausgebildet ist, und durch den sich ein Fluidkanal erstreckt, der zwischen einem Hochdruckfluideinlaß und einem Niederdruckfluidauslaß eine Verbindung herstellt; (c) einem Ventilelement, das in dem Ventilkörper beweglich in eine gegebene Richtung angeordnet ist, wobei das Ventilelement einen Ventilkopf hat, der wahlweise, entsprechend einer Bewegung des Ventilelements in die gegebene Richtung mit dem Ventilsitz in Eingriff ist oder nicht, um eine Kraftstoffverbindung zwischen dem Hochdruckfluideinlaß und dem Niederdruckfluidauslaß herzustellen oder zu blockieren, wobei im Ventilelement eine Kammer ausgebildet ist; (d) einem Verschiebeelement, das verschiebbar in die gegebene Richtung in der Kammer des Ventilelements angeordnet ist, um eine Druckausgleichkammer zu schaffen; (e) einer Spanneinrichtung, um den Ventilkopf des Ventilelements in gleichmäßigem Eingriff mit dem Ventilsitz zu spannen; (f) einem magnetbetriebenen Mechanismus, der gegen eine Spannkraft, die durch die Spanneinrichtung geschaffen wird, das Ventilelement aus dem Wirkeingriff des Ventilkopfes mit dem Ventilsitz bringt, um eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckfluideinlaß und dem Niederdruckfluidauslaß zu schaffen; (g) einem Durchflußbegrenzungskanal, der in dem Ventilkopf gebildet ist, wobei der Durchflußbegrenzungskanal eine gleichmäßige Verbindung zwischen der Druckausgleichkammer und dem Hochdruckfluideinlaß herstellt, und desweiteren eine Verbindung zwischen der Druckausgleichkammer und dem Niederdruckfluidauslaß herstellt, wenn der Ventilkopf des Ventilelements nicht in Wirkeingriff mit dem Ventilsitz gebracht ist; (h) eine erste druckbeaufschlagte Fläche, die auf den Ventilkopf des Ventilelements gebildet ist, und auf die ein Fluiddruck wirkt, der durch das Fluid produziert wird, das von dem Hochdruckfluideinlaß her fließt, um eine erste Kraft zu schaffen, die den Ventilkopf des Ventilelements aus dem Wirkeingriff mit dem Ventilsitz bringt; und (i) mit einer zweiten druckbeaufschlagten Fläche, die in dem Ventilelement gebildet ist, und auf die ein Fluiddruck in der Druckausgleichkammer wirkt, um eine zweite Kraft zu schaffen, die den Ventilkopf des Ventilelements in Wirkeingriff mit dem Ventilsitz drückt, wobei die zweite Kraft im wesentlichen gleich der ersten Kraft ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin ein Fluidsprühkörper vorgesehen, der eine Sprühdüse hat, der mit dem Hochdruckfluideinlaß in Verbindung steht. Im Fluidsprühkörper ist ein zurückgesetzter Bereich ausgebildet. Der Ventilkörper steht in Eingriff mit dem zurückgesetzten Bereich des Fluidsprühkörpers.
Im Ventilkörper kann alternativ ein zurückgesetzter Bereich ausgebildet sein, in dem ein Bereich des Fluidsprühkörpers in Eingriff mit ihm eingeführt ist.
Entsprechend eines anderen Hintergrundaspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzdüse geschaffen, mit: (1) einem magnetbetriebenen Ventil mit (a) einem Ventilkörper, (b) einem Ventilsitz, der in dem Ventilkörper geformt ist, und durch den sich ein Fluidkanal erstreckt, der eine Verbindung zwischen einem Hochdruckkraftstoffeinlaß und einem Niederdruckkraftstoffauslaß herstellt, (c) einem Ventilelement, das beweglich in eine gegebene Richtung in dem Ventilkörper angeordnet ist, wobei das Ventilelement einen Ventilkopf hat, der wahlweise, entsprechend einer Bewegung des Ventilelements in die gegebene Richtung, mit dem Ventilsitz in Eingriff ist oder nicht, um eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffeinlaß und dem Niederdruckkraftstoffauslaß herzustellen oder zu blockieren, wobei im Ventilelement eine Kammer ausgebildet ist, (d) einem Verschiebeelement, das in der Kammer des Ventilelements verschiebbar in die gegebene Richtung angeordnet ist, um eine Druckausgleichkammer zu definieren, (e) einer Spanneinrichtung, um den Ventilkopf des Ventilelements in gleichmäßigen Eingriff mit dem Ventilsitz zu bringen, (f) einem magnetbetriebenen Mechanismus, der den Ventilkopf des Ventilelements gegen eine Spannkraft, die durch die Spanneinrichtung geschaffen ist, aus dem Eingriff mit dem Ventilsitz bringt, um die Fluidverbindung zwischen dem Hochdruck kraftstoffeinlaß und dem Niederdruckkraftstoffauslaß herzustellen, (g) einem Durchflussbegrenzungskanal, der in dem Ventilkopf ausgebildet ist, wobei der Durchflussbegrenzungskanal gleichmäßig eine Verbindung zwischen der Druckausgleichkammer und dem Hochdruckfluideinlaß herstellt, und desweiteren eine Verbindung zwischen der Druckausgleichskammer und dem Niederdruckfluidauslaß herstellt, wenn der Ventilkopf des Ventilelements aus dem Eingriff mit dem Ventilsitz gebracht ist, (h) einer ersten druckbeaufschlagten Fläche, die auf dem Ventilkopf des Ventilelements gebildet ist, und auf die ein Fluiddruck wirkt, der durch das Fluid produziert wird, das von dem Hochdruckkraftstoffeinlaß her fließt, um eine erste Kraft zu schaffen, die den Ventilkopf des Ventilelements aus dem Eingriff mit dem Ventilsitz bringt, und (i) mit einer zweiten druckbeaufschlagten Fläche, die in dem Ventilelement geformt ist, und auf die ein Kraftstoffdruck innerhalb der Druckausgleichkammer wirkt, um eine zweite Kraft zu schaffen, die den Ventilkopf des Ventilelements in Eingriff mit dem Ventilsitz bringt, wobei die zweite Kraft im wesentlichen gleich der ersten Kraft ist; (2) einem Einspritzdüsenkörper, der eine Sprühdüse hat, um den von dem Hochdruckkraftstoffeinlaß gelieferten Kraftstoff zu versprühen; (3) einem Kraftstoffversorgungskanal, der in dem Einspritzdüsenkörper gebildet ist, und der zwischen dem Hochdruckkraftstoffeinlaß und der Sprühdüse eine Verbindung herstellt; (4) einem Einspritzventilelement, der verschiebbar in dem Einspritzdüsenkörper angeordnet ist; (5) einer Einspritzventilspanneinrichtung, um das Einspritzventilelement zu drängen, eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffversorgungskanal und der Sprühdüse dauernd zu blockieren; (6) einer Druckregelkammer, die in dem Einspritzdüsenkörper definiert ist, der ein Bereich des Einspritzventilelements ausgesetzt ist, wobei die Druckregelkammer mit dem Hochdruckkraftstoffeinlaß in Verbindung steht, und desweiteren durch den Ventilsitz des magnetbetriebenen Ventils mit dem Niederdruckkraftstoffauslaß in Verbindung steht, wenn der Ventilkopf des Ventilelements aus dem Eingriff mit dem Ventilsitz des magnetbetriebenen Ventils gebracht ist, um einen Wechsel im Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer zu schaffen, der auf den Bereich des Einspritzventilelements wirkt, um eine Verbindung zwischen dem Kraftstoffversorgungskanal und dem Sprühkopf herzustellen; (7) einem ersten Durchflussbegrenzungskanal, der zwischen dem Kraftstoffversorgungskanal und der Druckregelkammer gebildet ist; und (8) mit einem zweiten Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanal, der zwischen der Druckregelkammer und dem Ventilsitz des magnetbetriebenen Ventils gebildet ist, wobei eine Durchflussfläche des zweiten Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanals größer ist als die des ersten Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanals.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Durchmesser des ersten Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanals als d₁ definiert ist, der Durchmesser des zweiten Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanals als d₂ definiert ist, eine erste druckbeaufschlagte Fläche des Einspritzventilelements, auf die der Kraftstoff innerhalb der Druckregelkammer in eine erste Richtung wirkt, als A_Q definiert ist, eine zweite druckbeaufschlagte Fläche des Einspritzventilelements, auf die der von dem Kraftstoffversorgungskanal gelieferte Kraftstoff in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung wirkt, als A_N definiert ist, ein minimal benötigter Einspritzdruck des Kraftstoffs, der von der Sprühdüse versprüht wird, als P_IL definiert ist, und ein Druck, der notwendig ist, um das Einspritzventilelement so zu bewegen, daß er die Verbindung zwischen Kraftstoffversorgungskanal und der Sprühdüse herstellt, als P₀ definiert ist, die folgende Beziehung erfüllt ist: d2/d1 > [AQ × PIL/{AN × (PIL – P0)} – 1]1/4
Desweiteren ist ein Kolbenelement vorgesehen, das so verschiebbar in der Druckregelkammer angeordnet ist, daß es die Druckregelkammer in eine erste und eine zweite Druckkammer unterteilt. Der erste Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanal ist zwischen dem Kraftstoffversorgungskanal und der zweiten Druckkammer ausgebildet, und der zweite Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanal ist zwischen der ersten und zweiten Druckkammer ausgebildet.
Der zweite Kraftstoffdurchflußbegrenzungskanal ist in dem Kolbenelement ausgebildet.
Desweiteren ist eine Kolbenspanneinrichtung vorgesehen, um das Kolbenelement von der ersten Druckkammer zur zweiten Druckkammer zu drängen. Wenn der Druck in der zweiten Druckkammer den Druck in der ersten Druckkammer übersteigt, wird das Kolbenelement so bewegt, daß das Volumen der zweiten Druckkammer steigt, während das Volumen der ersten Druckkammer abnimmt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorliegende Erfindung wird vollständig anhand der hier gegebenen untenstehenden Beschreibung und anhand der begleitenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verstanden, die jedoch nicht zur Begrenzung der Erfindung auf die spezielle Ausführungsform, sondern nur zur Erklärung und zum Verständnis genommen werden soll.
In den Figuren ist/sind:
1 eine Querschnittansicht, die ein gewöhnliches magnetbetriebenes Kraftstoffeinspritzsystem zeigt;
2 eine teilweise Querschnittsflächenansicht, die eine Kraftstoffeinspritzdüse der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3(a) bis 3(d) teilweise Querschnittflächenansichten, die sequentielle Operationen eines Magnetventils zeigen, das in der Kraftstoffeinspritzdüse aus 2 angeordnet ist;
4 eine Querschnittflächenansicht, die eine Kraftstoffeinspritzdüse der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4(a) eine teilweise vergrößerte Sicht, die ein Nadelventil und ein Sprühloch aus 4 zeigt;
5 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht der 4;
6 eine Darstellung, die einen Wechsel im Druck des Kraftstoffes zeigt, der durch eine Eingangsblende und eine Ausgangsblende läuft;
7 ein Graph, der eine Veränderung eines Druckes P_CC innerhalb der Druckregelkammer zeigt;
8 ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem gelieferten Kraftstoffdruck P_C und einem Druck P_CC1 und einem minimalen Druck P_CC2 innerhalb einer Druckregelkammer zeigt;
9 eine Querschnittflächenansicht, die eine Kraftstoffeinspritzdüse der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht der 9;
11(a)–11(d) teilweise Querschnittflächenansichten, die sequentielle Operationen eines Magnetventils zeigen, das in der Kraftstoffeinspritzdüse der 9 angeordnet ist;
12 ein Zeitdiagramm, das Arbeitszustände des Ventils 201, des Durchflußbegrenzungskolbens 340, des Nadelventils 220, Druckwechsel der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b und eine Kraftstoffeinspritzrate zeigt; und
13 ein Graph, der die Beziehung zwischen dem gelieferten Kraftstoffdruck P_C, dem Druck P_CC1 und einem minimalen Druck P_CC2 innerhalb einer ersten Druckregelkammer und dem Kraftstoffdruck P_CC3 innerhalb der ersten Druckregelkammer, der zum Schließen der Sprühdüse notwendig ist, zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug zu den Zeichnungen, speziell zur 2, so ist dort eine Kraftstoffeinspritzdüse für Dieselmotoren gezeigt, bei der ein Magnetventil der Erfindung verwendet wird. Es gilt zu beachten, daß ein Bereich der Struktur der gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse 1, der in 2 weggelassen ist, der gleiche wie der in 1 gezeigte ist.
Der Steuerkolben 12, der mit dem Nadelventil, wie das in 1 gezeigte, verbunden ist, ist verschiebbar in dem Einspritzdüsenkörper 11 angeordnet. Die Druckregelkammer 30, zu der ein oberes Ende des Steuerkolbens 12 ausgesetzt ist, ist innerhalb des Einspritzdüsenkörpers 11 definiert. Der in einer Akkumulatorkammer des Common-Rail-Systems 141 druckbeaufschlagte Kraftstoff wird durch den Kraftstoffversorgungskanal 31 und die Blende 32 in die Druckregelkammer 30 geliefert. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer 30 wirkt auf den Steuerkolben 12 in eine Schließrichtung des Sprühloches der Kraftstoffeinspritzdüse 1. Der zum Kraftstoffversorgungskanal 31 druckbeaufschlagte Kraftstoff fließt ebenfalls in ein Kraftstoffsammelbecken um das Nadelventil. Die Aufwärtsbewegung des Nadelventils veranlaßt den Kraftstoff in dem Kraftstoffsammelbecken, aus dem Sprühloch gesprüht zu werden.
Das Magnetventil 20 ist auf dem Einspritzdüsenkörper 11 angeordnet und hat das Ventil 21, das aus einem hohlzylindrischen Körper gemacht ist. Das Ventil 21 ist verschiebbar in dem Ventilkörper 23 angeordnet und durch die Feder 27 in ständigem Eingriff mit dem Ventilsitz 23a gebracht. Die Druckausgleichkammer 40 ist durch den Ausgleichskolben 21 innerhalb des Ventils 21 definiert und steht mit der Druckregelkammer 30 durch den Durchflußbegrenzungskanal 41, der in einem Ende des Ventils 21 gebildet ist, und den Durchflußbegrenzungskanal 33, der in dem Ventilkörper 23 gebildet ist, in Verbindung. Wenn das Ventil 21 von dem Ventilsitz 23a abhebt, veranlaßt dies den druckbeaufschlagten Kraftstoff innerhalb der Druckregelkammer 30 zum Kraftstoffrücklaufkanal 34 durch den Durchflußbegrenzungskanal 33 zu fließen und dann z. B. durch einen Kraftstoffauslaß (nicht dargestellt), der in dem Ventilkörper 23 gebildet ist, zu einem Kraftstofftank.
Eine wie in 3(a) gezeigte Querschnittfläche ⌀d_p des Ausgleichskolbens 22 und eine Sitzfläche ⌀d_s eines Kopfes des Ventils 21 sind im wesentlichen gleich zueinander. In anderen Worten, die Kraft, die durch den Kraftstoffdruck von der Druckregelkammer 30 geschaffen ist, die, wie in 2 gezeigt, auf eine druckbeaufschlagte Fläche 510 des Ventils 21 in eine ventilabhebende Richtung wirkt, wenn das Ventil 21 auf dem Ventilsitz 23a sitzt, ist beinahe im Gleichgewicht mit der Kraft, die durch den Kraftstoffdruck in der Druckausgleichkammer 40 geschaffen ist, um das Ventil 21 in Eingriff mit dem Ventilsitz 23a zu bringen. Da der Kraftstoffdruck, der auf die druckbeaufschlagten Flächen des Ventils 21 wirkt, die sich von der druckbeaufschlagten Fläche 510 unterscheiden, wesentlich kleiner als die Kraftstoffdrücke in der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichkammer 40 ist, können die Kräfte, die auf das Ventil 21 in ventilöffnende und -schließende Richtungen wirken, als zueinander gleich angesehen werden. Daher ist es im Vergleich zu einem herkömmlichen Typ möglich, die Federkraft der Feder 27 zu senken, die notwendig ist, um das Ventil 21 auf den Ventilsitz 23a zu positionieren. Es ist auch möglich, die anziehende Kraft zu senken, die durch die Magnetspule 24 des Magnetventils 20 erzeugt wird, um das Ventil 21 aufwärts gegen die Federkraft der Feder 27 zu heben. Dies erlaubt es, die Größe der gesamten Struktur des Magnetventils 20 zu reduzieren.
Der Ausgleichskolben 22 ist verschiebbar innerhalb des Ventils 21 angeordnet, wobei er im fluidabdichtenden Eingriff mit einer inneren Wand des Ventils 21 ist. Auf der inneren Wand des Ventils 21 ist, wie in den 2 und 3(a) gezeigt, der Schulterbereich 21a ausgebildet. Wenn das Ventil 21 nach oben gehoben wird, ist der Ausgleichskolben 22 mit dem Schulterbereich 21a in Eingriff, wodurch eine weitere Aufwärtsbewegung des Ventils 21 begrenzt ist. Beim Start des Motors wird der druckbeaufschlagte Kraftstoff von dem Common-Rail-System 141 zur Kraftstoffeinspritzdüse 1 durch den Kraftstoffversorgungskanal 31 geliefert, um den Ausgleichskolben 22 um eine Distanz L, wie in 3(a) gezeigt, bis zum Eingriff mit dem Stopper 28 nach oben zu bewegen.
Das Magnetventil 20 weist die Magnetspule 24 auf, die aus Draht gemacht ist, der innerhalb einer Ringnut gewickelt ist, die in dem Kern 25 ausgebildet ist. Durch den Stift 29a des Anschlusses 29 werden Impulse von einem Steuergerät (nicht dargestellt) auf die Magnetspule 24 gegeben. Wenn die Magnetspule 25 unter Spannung steht, erzeugt sie eine magnetische Anziehung, um das Ventil 21 entlang des Läufers 26 gegen die Federkraft der Feder 27 zu ziehen, wobei das Ventil 21 veranlaßt wird, den Ventilsitz 23a zu verlassen.
Der Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse 1 wird unten unter Bezugnahme zu den 2 und 3(a) bis 3(d) diskutiert. In den 3(a) bis 3(d) gibt die Dichte der Punkte das Niveau des Kraftstoffdruckes an, wobei eine höhere Dichte von Punkten ein höheres Niveau des Kraftstoffdruckes angibt.
Wenn die Magnetspule 24, wie in 3(a) gezeigt, ausgeschaltet ist, sitzt das Ventil 21 auf dem Ventilsitz 23a, wobei die Fluidverbindung zwischen der Druckregelkammer 30 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 34 blockiert ist, so daß die Kraftstoffdrücke in der Druckregelkammer 30 und in der Druckausgleichskammer 40 auf hohen Niveaus gehalten werden. Die Kräfte, die durch die Kraftstoffdrücke erzeugt werden, die auf das Ventil 21 in die ventilschließende Richtung und die ventilöffnende Richtung wirken, sind, wie oben beschrieben, im wesentlichen gleich zueinander.
Wenn die Magnetspule 24 unter Spannung steht, hebt das Ventil 21, wie in 3(b) gezeigt, von dem Ventilsitz 23a ab, um die Fluidverbindung zwischen der Druckregelkammer 30 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 34 herzustellen. Da eine Durchflußfläche des Durchflußbegrenzungskanals 33 größer als die der Blende 32 ist, sinkt der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer 30 ab. Dieser Abfall des Kraftstoffdruckes veranlaßt das Nadelventil, zusammen mit dem Steuerkolben 12 abzuheben, so daß der Kraftstoff durch das Sprühloch gesprüht wird.
Die Durchflußrate des Kraftstoffs innerhalb der Druckausgleichskammer 40, der zur Niederdruckseite, d. h., zum Kraftstoffrücklaufkanal 34, strömt, ist durch den Drosselkanal 41 begrenzt, so daß der Kraftstoffdruck in der Druckausgleichskammer 40 langsamer abfällt als der Druck in der Druckregelkammer 30. Somit wird, sofort nachdem die Magnetspule 24 mit Spannung versehen ist, wie in 3(b) gezeigt, der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckausgleichskammer 40 auf einem höheren Niveau gehalten, als der auf die Niederdruckseite.
Die während einer normalen Kraftstoffeinspritzsteuerung zur Magnetspule 24 gelieferte Impulsbreite ist größer als die während einer Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen. Somit strömt während der Spannungsbeaufschlagung der Magnetspule 24, wie in der 3(c) gezeigt, der Kraftstoff innerhalb der Druckausgleichkammer 40 zum Kraftstoffrücklaufkanal 34 gegen den Durchflußwiderstand des Durchflußbegrenzungskanals 41, so daß der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckausgleichskammer 40 gleich dem auf der Niederdruckseite werden wird.
Danach, wenn die Magnetspule 24, wie in 3(d) gezeigt, abgeschaltet ist, veranlaßt das nur die Federkraft der Feder 31, das Ventil 21 langsam in Eingriff mit dem Ventilsitz 23a zu bringen, um die Fluidverbindung zwischen der Druckausgleichskammer 40 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 34 zu blockieren. Dies erhöht den Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer 30, um den Steuerkolben 12 nach unten zu bewegen, wobei das Nadelventil in die ventilschließende Richtung bewegt wird, um die Kraftstoffeinspritzung zu stoppen.
Da die Zeitintervalle, in denen das Magnetventil 20 während einer normalen Kraftstoffeinspritzsteuerung an- und ausgeschaltet wird, wie oben beschrieben, länger als die während der Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen sind, greift der Niedergeschwindigkeitseingriff des Ventils 21 mit dem Ventil 23a nicht auf die Kraftstoffeinspritzmenge und die Einspritzzeitregelung über.
Umgekehrt, da die Breite des zur Magnetspule 24 während der Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen gelieferten Impuls kleiner ist als die während der in 3(c) gezeigten normalen Kraftstoffeinspritzsteuerung, bleibt der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckausgleichskammer 40 höher als der auf der Niederdruckseite, ähnlich zu dem in der 3(b) gezeigten, selbst unmittelbar bevor die Magnetspule 24 aufgrund des Durchflußwiderstandes des Durchflußbegrenzungskanals 41 ausgeschaltet ist. Deshalb, wenn die Magnetspule 24 in einem sehr kurzen Zeitintervall von der eingeschalteten Position zur ausgeschalteten Position wechselt, verursacht dies den Druckunterschied zwischen der Druckausgleichskammer 40 und der Niederdruckseite, um das Ventil 21 zum Ventilsitz 23a zu drücken. Dieser Druck bringt zusammen mit der Federkraft der Feder 27 das Ventil 21 schnell in Eingriff mit dem Ventilsitz 23a, wenn die Magnetspule 24 ausgeschaltet ist, selbst, wenn der restliche magnetische Fluß in der Magnetspule 24 bleibt, was in einem schnellen Anstieg des Kraftstoffdruckes in der Druckregelkammer 30 resultiert.
Unmittelbar, bevor die Magnetspule 27 in einem sehr kurzen Zeitintervall bei der Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen von der ausgeschalteten Position zur eingeschalteten Position wechselt, ist die Durchflußrate des Kraftstoffes, der von der Druckregelkammer 30 zur Druckausgleichskammer 40 strömt, durch den Durchflußwiderstand des Durchflußbegrenzungskanals 41 begrenzt, so daß der Kraftstoffdruck in der Druckregelkammer 30, wie in 3(d) gezeigt, höher als der in Druckausgleichskammer 40 ist. Speziell, die Druckdifferenz zwischen der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichskammer 40 drückt das Ventil 21 nach oben. Wenn die Magnetspule 24 aus dieser Position eingeschaltet wird, veranlaßt dies die Druckdifferenz zwischen der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichkammer 40 genauso wie die anziehende Kraft der Magnetspule 24 das Ventil 21 nach oben zu drängen, so daß es schnell den Ventilsitz 23a verläßt, was in einem schnellen Abfall des Kraftstoffdruckes in der Druckregelkammer 30 resultiert, wodurch das Nadelventil zusammen mit dem Steuerkolben 12 abgehoben wird. Dies erreicht eine Hochgeschwindigkeitskraftstoffsprühoperation als Antwort auf ein Einschalten der Magnetspule 24.
Daher, selbst wenn die Magnetspule 24 in kurzen Zeitintervallen zyklisch bei Steuerung kleiner Kraftstoffeinspritzmengen ein- und ausgeschaltet wird, wirkt der Kraftstoffdruck in der Druckausgleichskammer 40 in geeigneter Weise sowohl auf das Ventil 21 in die ventilöffnende Richtung als auch in die ventilschließende Richtung, wodurch hochgeschwindigkeitsventilöffnende und -schließende Operationen erreicht sind.
Die 4 und 5 zeigen die zweite Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzdüse der Erfindung. Die gleichen, wie in der oberen ersten Ausführungsform verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die gleichen Teile, und eine diesbezügliche detaillierte Erklärung wird hier weggelassen.
Die Krafteinspritzdüse 90 hat, wie klar in der 4 gezeigt, das Magnetventil 20 mit zwei Anschlüssen. Das Magnetventil 20 weist das Ventil 21 und den Ausgleichskolben 22 auf. Das Ventil 21 ist verschiebbar innerhalb des Ventilkörpers 203 angeordnet; in diesem ist die Druckausgleichskammer 40 ausgebildet. Der Ausgleichskolben 22 ist verschiebbar in der Druckausgleichskammer 40 angeordnet, wobei er mit einer inneren Wand der Druckausgleichskammer 40 in einem fluidabdichtenden Eingriff ist. Die Druckausgleichskammer 40 steht mit der Druckregelkammer 30 in Verbindung. Wenn ein Kopf des Ventils 21 auf dem Ventilsitz 203a sitzt, ist die Fluidverbindung der Druckausgleichskammer 40 und der Druckregelkammer 30 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 blockiert, der mit dem Kraftstoffauslaß 66 durch den Kraftstoffrücklaufkanal 65 verbunden ist. Der Kraftstoffauslaß 66 ist z. B. mit einem Kraftstofftank verbunden.
Das Nadelventil 220 ist verschiebbar in dem Düsenkörper 213 der Sprühdüse 2 zum Öffnen und Schließen des Sprühloches 101a angeordnet. Der Düsenkörper 213 und der Einspritzdüsenkörper 91 werden durch die Haltemutter 214 über das Distanzstück 212 verbunden. Der Druckstift 221 ist zwischen dem Drucksteuerkolben 12 und dem Nadelventil 220 angeordnet und in die Feder 223 eingefügt. Der Druckstift 221 kann an den Drucksteuerkolben 12 durch Verwendung eines Stiftes oder eines Preßsitzes oder auf geschweißte Art und Weise gesichert sein. Die Feder 223 drückt, wie in der Fig. gezeigt, den Druckstift 221 nach unten. Der druckbeaufschlagte Kraftstoff wird vom Common-Rail-System 141 geliefert, die mit der Kraftstoffpumpe 140 und dem Kraftstoffversorgungskanal 61 durch den Kraftstoffeinlaß 70 verbunden ist. Wenn das Nadelventil 220 abgehoben ist, wird der druckbeaufschlagte Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffversorgungskanal 61 durch das Sprühloch 101a des Sprühkopfes 2 gesprüht.
Ein kreisförmig zurückgesetzter Bereich 91a ist in einem oberen Ende des Einspritzdüsenkörpers 91 gebildet, an dessen innerer Wand ein Innengewinde ausgebildet ist, das mit einem Außengewinde an einer Außenwand des Ventilkörpers 203 kämmt. Dies ermöglicht im Vergleich zu einem gewöhnlichen Typ die Länge der Kraftstoffeinspritzdüse zu verringern. Die Kraftstoffeinspritzdüse 90 kann somit bei einem Motor verwendet werden, bei dem ein Einspritzdüsenbauraum klein ist. Der kreisförmige, zurückgesetzte Bereich 91a kann alternativ in den Ventilkörper 203 zum festen Eingriff mit dem Einspritzdüsenkörper 91 gebildet sein. Bei der Verwendung eines Magnetventils mit drei Anschlüssen können ebenfalls ähnliche Anordnungen verwendet werden.
Wie in 5 gezeigt, sind zwischen dem Einspritzdüsenkörper 91 und dem Ventilkörper 203 die erste Durchflußbegrenzungsplatte 210 und die zweite Durchflußbegrenzungsplatte 211 angeordnet. In der ersten Durchflußbegrenzungsplatte 210 ist die Eingangsblende 210a ausgebildet, die den Kraftstoffdurchfluß von dem Kraftstoffversorgungskanal 61 zur Druckregelkammer 30 begrenzt. In der zweiten Durchflußbegrenzungsplatte 211 ist die Ausgangsblende 211a angeordnet, die den Kraftstoffdurchfluß von der Druckregelkammer 30 zum Druckrücklaufkanal 104 begrenzt und die eine Durchflußfläche hat, d. h., eine Querschnittfläche, die größer als die der Eingangsblende 210a ist. Der Einspritzdüsenkörper 91, die erste Durchflußbegrenzungsplatte 210, die zweite Durchflußbegrenzungsplatte 211 und der Ventilkörper 203 sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, gestaltet, um in flacher Ebene miteinander verbunden zu werden. Somit ist es einfach jedes Bauelement herzustellen.
Im Betrieb, wenn die Magnetspule 24 des Magnetventils 20 in einer Ausschaltposition ist, sitzt das Ventil 21 auf dem Ventilsitz 203a, wie in der 5 gezeigt, und blockiert die Fluidverbindung von der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichskammer 40 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 104, so daß die Kraftstoffdrücke innerhalb der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichskammer 40 auf hohen Niveaus gehalten werden. Die Drücke oder Kräfte, die das Ventil 21 in ventilöffnende und -schließende Richtungen beaufschlagen, sind, wie oben beschrieben, im wesentlichen gleich zueinander.
Wenn die Magnetspule 24 eingeschaltet ist, veranlaßt dies das Ventil 21, den Ventilsitz 203a zu verlassen, um die Fluidverbindung der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichkammer 40 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 herzustellen. Da die Durchflußfläche der Ausgangsblende 211a, wie oben beschrieben, größer als die der Eingangsblende 210a ist, sinkt der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer 30 ab, wobei das Nadelventil 220 veranlaßt wird, zusammen mit dem Steuerkolben 12 abzuheben, um den Kraftstoff aus der Sprühdüse 2 zu sprühen.
Wenn der Durchmesser des Steuerkolbens 12, wie klar in 4 gezeigt, als d_p definiert ist, der Durchmesser eines Führungsloches, das in dem Düsenkörper 213 ausgebildet ist, in dem das Nadelventil 220 in fluidabdichtender Art und Weise nach oben und unten bewegt wird, d. h., der Durchmesser eines Bereiches mit großem Durchmesser des Nadelventils 220, wie in 4(a) gezeigt, als d_NG definiert ist, der Durchmesser einer Sitzfläche eines Kopfes des Nadelventils 220, die dem Sprühloch 101a ausgesetzt ist (identisch mit dem Durchmesser des Sprühloches 101a in dieser Ausführungsform), als d_NS definiert ist, der Kraftstoffdruck, der vom Common-Rail-System 141 zur Kraftstoffeinspritzdüse 90 geliefert wird, als P_C definiert ist, und der ventilöffnende Druck, der notwendig ist, um die Nadel 220 zu heben, um das Sprühloch 101a des Sprühkopfes 2 zu öffnen, als P₀ definiert ist, dann ist der Druck P_CC1 innerhalb der Druckregelkammer 30 beim Abheben des Nadelventils 220 zusammen mit dem Steuerkolben 12 zur Einleitung einer Kraftstoffeinspritzung PCC1 = (dNG 2 – dNS 2) × (PC – P0)/dp 2 (1),wobei der ventilöffnende Druck P₀ den Kraftstoffdruck repräsentiert, der notwendig ist, um das Nadelventil 220 anzuheben, wenn der Druck innerhalb der Druckregelkammer 30 ignoriert wird. In der Gleichung (1) entspricht (d_NG ² – d_NS ²)/d_p ² dem Ausdruck (eine druckbeaufschlagte Fläche des Nadelventils 220, auf die der vom Kraftstoffversorgungskanal 61 gelieferte Kraftstoffdruck in Längsrichtung der Kraftstoffeinspritzdüse 90 wirkt)/(eine druckbeaufschlagte Fläche des Steuerkolbens 12, auf den der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer 30 in Längsrichtung der Kraftstoffeinspritzdüse 90 wirkt). Somit kann, wenn die druckbeaufschlagte Fläche des Nadelventils 220 als A_N definiert ist und die druckbeaufschlagte Fläche des Steuerkolbens 12 als A_Q definiert ist, die Gleichung (1) wie folgt umgeschrieben werden: PCC1 = AN × (PC – P0)/AQ (1.1).
Die Federkraft F_S der Feder 223 ist durch die Verwendung des ventilöffnenden Druckes P₀, des Durchmessers d_NG des Nadelventil 220 und des Sitzdurchmessers d_NS des Nadelventils 220 wie folgt ausgedrückt: FS = (π/4) × (dNG 2 – dNS 2) × P0 (2).
Aus der obigen Gleichung (2) kann der ventilöffnende Druck P₀ bestimmt werden. In dieser Ausführungsform gilt d_NG = 4 mm, d_NS = 2,25 mm, d_P = 5 mm, F_S = 10,3 kg und P₀ = 120 kgf/cm².
Wenn das Ventil 21 den Ventilsitz 203a verlässt, wird die Durchflussrate des Kraftstoffes, der in die Druckregelkammer 30 eintritt, mit dem aus der Druckregelkammer 30 fliessenden ausgeglichen. Wenn, wie in 6 gezeigt, die Durchflussrate des Kraftstoffes der durch die Eingangsblende 210a strömt, als Q₁ definiert ist, der Durchflusskoeffizient der Eingangsblende 210a als C₁ definiert ist, die Durchflussrate des Kraftstoffes, der durch die Ausgangsblende 211a strömt, als Q₂ definiert ist, und der Durchflusskoeffizient der Ausgangsblende 211a als C₂ definiert ist, dann wird in einem, wie in 7 gezeigten stabilen Zustand, in dem der Druck P_CC innerhalb der Druckregelkammer 30 den gleichmässigen minimalen Druck P_CC2 erreicht, der durch die untenstehende Gleichung (3) repräsentiert ist, Q₁ = Q₂. C1 × d1 2 × (PC – PCC2)1/2 = C2 × d2 2 × PCC2 1/2 (3),in der d₁ der Durchmesser der Eingangsblende 210a ist, und d₂ ist der Durchmesser der Ausgangsblende 211a. Wenn C₁ = C₂, dann wird P_CC2 durch die untenstehende Gleichung (4) gegeben und wechselt in Abhängigkeit eines Wertes von d₂/d₁, sowie eines Wertes des gelieferten Kraftstoffdruckes P_C. PCC2 = PC/{1 + (d2/d1)4} (4).
8 zeigt die Beziehung zwischen dem gelieferten Kraftstoffdruck P_C, dem Druck P_CC1 innerhalb der Druckregelkammer 30 und dem minimalen Druck P_CC2. Eine gestrichelte Linie zeigt die obenstehende Gleichung (1) an, und Volllinien zeigen die Gleichung (4) an, wenn d₂/d₁ wechselt.
Innerhalb eines Bereiches P_CC1 > P_CC2 ist es der Kraftstoffeinspritzdüse 90 ermöglicht, den Kraftstoff zu sprühen. Speziell wenn der gelieferte Kraftstoffdruck P_C, wie in 8 gezeigt, Schnittpunkte der gestrichelten Linie und der Volllinien übersteigt, ist es möglich, den Kraftstoff zu sprühen. Wie aus der Zeichnung ersehen werden kann, wird, sobald d₂/d₁ steigt, ein minimaler Wert des gelieferten Kraftstoffdruckes P_C, der zum Sprühen des Kraftstoffes notwendig ist, fallen.
Ersetzt man die Gleichungen (1) und (4) für die Beziehung P_CC1 > P_CC2 wird die untenstehende Gleichung (5) erreicht. (dNG 2 – dNS 2) × (PC – P0)/dP 2 > PC/{(1 + (d2/d1)4} (5).
Wird die obenstehende Gleichung (5) umgestellt, und wird ein minimaler Einspritzdruck P_IL ersetzt, der notwendig ist, um eine gegebene Motorleistung zum Liefern des Kraftstoffdruckes P_C zu garantieren, wird die folgende Gleichung (6) erreicht. d2/d1 > [dP 2 × PIL/{(dNG 2 – dNS 2) × (PIL – P0)} – 1]1/4 (6).
Wird die Gleichung (6) unter Verwendung von A_N und A_Q, wie in der Gleichung (1.1) verwendet, umgeschrieben, erhalten wir d2/d1 > [AQ × PIL/{AN × (PIL – P0)} – 1]1/4 (6.1).
Somit wird gewürdigt, dass, selbst wenn der Durchmesser d_P des Steuerkolbens 12, der Führungsdurchmesser d_NG des Nadelventils 220, der Sitzdurchmesser d_NS des Nadelventils 220 und der ventilöffnende Druck P₀, und der minimale Einspritzdruck P_IL gewechselt werden, die Kraftstoffeinspritzung von der Kraftstoffeinspritzdüse 90 durch die Wahl eines Wertes von d₂/d₁ erreicht wird, so dass die Gleichung (6) erfüllt ist.
Wenn die Magnetspule 24 ausgeschaltet ist, sitzt das Ventil 21 durch die Federkraft der Feder 27 auf dem Ventilsitz 203a, wodurch es die Fluidverbindung zwischen der Druckausgleichkammer 40 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 blockiert. Dies veranlasst den Druck P_CC innerhalb der Druckregelkammer 30 zu steigen, um das Nadelventil 220 in Eingriff mit dem Sprühloch 101a der Sprühdüse 2 zu bewegen, so dass die Kraftstoffeinspritzung gestoppt ist.
Die 9 und 10 zeigen die dritte Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzdüse gemäss der Erfindung, die sich von der in den 4 und 5 gezeigten zweiten Ausführungsform nur in der in 10 gezeigten Struktur unterscheidet. Andere Anordnungen sind identisch, und diesbezügliche detaillierte Erklärungen werden hier weggelassen.
Der Durchflussbegrenzungskolben 340 ist, wie in 10 gezeigt, innerhalb der Druckregelkammer 30 angeordnet und durch die Feder 343 in ständigen Eingriff mit dem Schulterbereich 313a, d. h. einem Sitz, der in einer inneren Wand des Einspritzdüsenkörpers ausgebildet ist, gebracht. Der Durchflussbegrenzungskolben 340 weist den Hohlzylinder 341 und den Boden 342, der einstückig mit dem Zylinder 341 ausgebildet ist, auf. Der Zylinder 341 wird, wie in der Figur gezeigt, beim Ein- und Ausschalten des Magnetventils 20 vertikal bewegt, wobei eine äussere Wand von diesem mit einer inneren Wand des Einspritzdüsenkörpers 91 in fluidabdichtendem Eingriff steht. Der Durchflussbegrenzungskolben 340 unterteilt am Boden 342 die Druckregelkammer 30 in die erste Druckregelkammer 30a und die zweite Druckregelkammer 30b, die miteinander durch den Durchflussbegrenzungskanal oder die Blende 342a, die in dem Boden 342 ausgebildet sind, in Verbindung stehen. Die Blende 342a begrenzt die Durchflussrate des Kraftstoffs, der in die zweite Druckregelkammer 30b von der ersten Druckregelkammer 30a eintritt. Die erste Druckregelkammer 30a steht mit dem Kraftstoffversorgungskanal 61 durch die Eingangsblende 344 in Verbindung. Die zweite Druckregelkammer 30b steht mit der Druckausgleichskammer 40 in Verbindung, die in dem äusseren Ventil 201 gebildet ist. Eine Durchflussrate der Blende 342a ist grösser als die der Eingangsblende 344.
Der Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse 90 wird, wenn der gelieferte Kraftstoffdruck P_C auf einem niedrigen Niveau ist, d. h., P_CC1 > P_CC2, wie später diskutiert, unten mit Bezug zu den 11(a) bis 11(d) und 12 diskutiert.
Wenn die Magnetspule 24 des Magnetventils 20 ausgeschaltet ist, sitzt das Ventil 21, wie in 11(a) gezeigt, auf dem Ventilsitz 203a, wobei es die Fluidverbindung der Druckregelkammer 30 und der Druckausgleichkammer 40 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 blockiert, so dass die Kraftstoffdrücke innerhalb der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b und der Druckausgleichkammer 40 auf hohen Niveaus gehalten werden. Die Drücke oder Kräfte, die das Ventil 21 in die ventilöffnenden und ventilschliessender Richtung drängen, sind, wie oben beschrieben, im wesentlichen gleich zueinander.
Wenn die Magnetspule 24 eingeschaltet ist, veranlasst dies das Ventil 21, den Ventilsitz 203a zu verlassen, um die Fluidverbindung zwischen der zweiten Druckregelkammer 30b und dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 und zwischen der ersten Druckregelkammer 30a und dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 durch die Blende 342a und die zweite Druckregelkammer 30b herzustellen. Da die Durchflussrate des Kraftstoffs, der in die zweite Druckregelkammer 30b aus der ersten Druckregelkammer 30a einströmt, durch die Blende 342a begrenzt ist, und die Durchflussfläche der Blende 342a, wie oben beschrieben, grösser als die der Eingangsblende 344 ist, sinken die Kraftstoffdrücke in der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb des zweiten Druckregelkammer 30b kleiner ist, als der in der ersten Druckregelkammer 30a. Dies verursacht eine Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b, die grösser als die Federkraft der Feder 343 ist, wodurch der Durchflussbegrenzungskolben 340 veranlasst wird, den Schulterbereich 313a zu verlassen, so dass ein oberes Ende des Zylinders 343 in Eingriff mit dem Boden des Ventilkörpers 203 gebracht wird, so dass das Volumen der ersten Druckregelkammer 30a steigt.
Der Druck P_CC1 innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a kann, wie oben beschrieben, aus der Gleichung (1) abgeleitet werden.
Wenn das Ventil 21 von dem Ventilsitz 203a abhebt und der Zylinder 341 in Eingriff mit dem Ventilkörper 203 steht, ist die Durchflussrate des Kraftstoffes, der in die erste Druckregelkammer 30a eintritt, mit der des Kraftstoffes, der aus der zweiten Druckregelkammer 30b strömt, ausgeglichen. Wenn der Durchmesser der Eingangsblende 344 als d₁ definiert ist, die Durchflussrate des Kraftstoffes, der durch die Eingangsblende 344 strömt, als Q₁ definiert ist, der Durchflusskoeffizient der Eingangsblende 344 als C₁ definiert ist, der Durchmesser der Ausgangsblende 342a als d₂ definiert ist, die Durchflussrate des Kraftstoffes, der durch die Ausgangsblende 342a strömt, als Q₂ definiert ist, und der Durchflusskoeffizient der Ausgangsblende 342 als C₂ definiert ist, wird in einem stabilen Zustand, in dem der Druck P_CC innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a den konstanten minimalen Druck P_CC2 erreicht, wie durch die Gleichung (3) repräsentiert, Q₁ = Q₂.
Wenn der gelieferte Kraftstoffdruck P_C während der Auflage des Durchflußbegrenzungskolbens 340 fällt, um in einen Bereich P_CC1 < P_CC2 zu fallen, wie in 13 gezeigt, veranlasst dies die Kraftstoffeinspritzdüse 90, deaktiviert zu werden, so dass der Kraftstoff nicht gesprüht wird. Jedoch, wenn das Magnetventil 20 eingeschaltet wird, um den Durchflussbegrenzungskolben 340 anzuheben, so dass das Volumen der ersten Druckregelkammer 30a steigt, fällt der Druck P_CC innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a, wie in 12 gezeigt, unter den Druck P_CC1, der kleiner ist, als der minimale Druck P_CC2. Dieser Druckabfall veranlasst das Nadelventil 220 zusammen mit dem Steuerkolben 12 abzuheben, so dass der Kraftstoff aus der Sprühdüse 2 gesprüht wird.
Wenn das Nadelventil 220 abhebt, steigt eine druckbeaufschlagte Fläche des Nadelventils 220, auf die der von dem Kraftstoffversorgungskanal 61 gelieferte Kraftstoffdruck in die ventilöffnende Richtung wirkt, so dass der Kraftstoffdruck P_CC3 innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a, der notwendig ist, um das Nadelventil 220 nach unten zu bewegen, um die Sprühdüse 2 zu schließen, höher sein wird als der minimale Druck P_CC2 und der Druck P_CC1. Der Kraftstoffdruck P_CC3 kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden. PCC3 = {dNG 2 × PC – (dNG 2 – dNS 2) × P0}/dP 2 (7)
Daher ist es der Kraftstoffeinspritzdüse 90 ermöglicht, selbst, nachdem das Steigen des Volumens der ersten Druckregelkammer 30a gestoppt ist und dann der Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a angehoben ist, um den minimalen Druck P_CC2 zu erreichen, den Kraftstoff zu sprühen.
Wenn die Magnetspule 24 ausgeschaltet ist, sitzt das Ventil 21 durch die Federkraft der Feder 27, wie in 11(C) gezeigt, auf dem Ventilsitz 203a, um die Fluidverbindung der zweiten Druckregelkammer 30b und der Druckausgleichkammer 40 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 104 zu blockieren. Der Kraftstoff, der durch die Eingangs- und Ausgangsblende 344 und 342a strömt, erhöht, wie in 12 gesehen werden kann, die Kraftstoffdrücke innerhalb der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b. Jedoch, sofort, nachdem die Magnetspule 24 ausgeschaltet ist, verhindert die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b, dass der Durchflussbegrenzungskolben 340 fällt, so dass der Durchflussbegrenzungskolben 340 im Eingriff mit dem Boden des Ventilkörpers 203 ist. Das Nadelventil 220 wird nicht nach unten bewegt, bis der Kraftstoffdruck P_CC innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a den Kraftstoffdruck P_CC3 übersteigt.
Wenn die Magnetspule 24 weiterhin ausgeschaltet ist, wird die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b fallen, so dass der Durchflussbegrenzungskolben 340 beginnt, sich durch die Federkraft der Feder 343 nach unten zu bewegen. Wenn der Kraftstoffdruck P_CC innerhalb der ersten Druckregelkammer 30a weiterhin steigt und den Kraftstoffdruck P_CC3 übersteigt, veranlasst dies das Nadelventil 220, sich mit dem Steuerkolben 12 nach unten in die ventilschliessende Richtung zu bewegen. Dies vergrößert das Volumen der ersten Druckregelkammer 30a, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb dieser abfällt, was den Durchflussbegrenzungskolben 340 veranlasst, sich schnell nach unten zu bewegen, um das Volumen der zweiten Druckregelkammer 30b zu steigern. Speziell die Erhebungsraten des Druckes innerhalb der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b fallen, wie in 12 gezeigt, für eine kurze Zeit, jedoch, beim Eingriff des Bodens 342 des Durchflussbegrenzungskolbens 340 mit dem Schulterbereich 313a, wie in 11(d) gezeigt, steigen die Erhebungsraten des Druckes innerhalb der ersten und zweiten Druckregelkammer 30a und 30b wieder an. Dann schließt das Nadelventil 220 die Sprühdüse 2, um die Kraftstoffeinspritzung zu stoppen.
Wie aus der oberen Diskussion ersichtlich, ist die Kraftstoffeinspritzdüse 90 der dritten Ausführungsform betriebsbereit solange der Kraftstoff zu sprühen, wie der gelieferte Kraftstoffdruck P_C sinkt, um in den Bereich P_CC1 < P_CC2 zu fallen, wobei jedoch die Bedingung P_CC3 > P_CC2 erfüllt ist.
Während die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen offenbart ist, um ein besseres Verständnis dieser zu ermöglichen, sollte gewürdigt werden, dass die Erfindung auf verschiedene Art und Weisen, ohne sich von dem Wesentlichen der Erfindung zu entfernen, ausgeführt sein kann. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass alle möglichen Ausführungsformen und Abänderungen zu den gezeigten Ausführungsformen, die ohne ein sich entfernen vom Wesentlichen der Erfindung, wie es in den folgenden angehängten Ansprüchen ausgeführt, eingeschlossen sind.

Claims

Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz mit (1) einem Einspritzdüsenkörper (11, 91), mit einer Sprühdüse (2) zum Sprühen von Kraftstoff, der von einem Hochdruckkraftstoffeinlaß geliefert wird; (2) einem Kraftstoffversorgungskanal, der in dem Einspritzdüsenkörper (11, 91) ausgebildet ist, der eine Verbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffeinlaß und dem Sprühkopf (2) herstellt; (3) einem Einspritzventilelement (12), das verschiebbar in dem Einspritzdüsenkörper (11, 91) angeordnet ist; (4) einer Druckregelkammer (30), die in dem Einspritzdüsenkörper (11, 91) definiert ist, der ein Bereich des Einspritzventilelements (12) ausgesetzt ist, wobei diese Druckregelkammer (30) mit dem Hochdruckkraftstoffeinlaß in Verbindung steht und desweiteren mit einem Niederdruckkraftstoffauslaß (66) in Verbindung steht, um einen Wechsel im Kraftstoffdruck innerhalb dieser Druckregelkammer (30) zu erzeugen, der auf den Bereich des Einspritzventilelements (12) wirkt, um eine Verbindung zwischen diesem Kraftstoffversorgungskanal (31, 61) und der Sprühdüse (2) herzustellen; (5) einem magnetbetriebenen Ventil (20), um durch diese Druckregelkammer (30) wahlweise eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffeinlaß und dem Niederdruckkraftstoffauslaß (66) herzustellen oder zu blockieren; (6) einem ersten Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanal (32, 210a, 344), der zwischen diesem Kraftstoffversorgungskanal (31, 61), und dieser Druckregelkammer (30) ausgebildet ist; und (7) einem zweiten Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanal (33, 211a, 342a), der zwischen dieser Druckregelkammer (30) und dem Niederdruckkraftstoffauslaß (66) ausgebildet ist, wobei, wenn der Durchmesser des ersten Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanals (32, 210a, 344) als d₁ definiert ist, der Durchmesser dieses zweiten Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanals (33, 211a, 342a) als d₂ definiert ist, eine erste druckbeaufschlagte Fläche dieses Einspritzventilelements (12), auf die der Kraftstoff innerhalb der Druckregelkammer (30) in eine erste Richtung wirkt, als A_Q definiert ist, eine zweite druckbeaufschlagte Fläche des Einspritzventilelements (12), auf die der von dem Kraftstoffversorgungskanal (31, 61) gelieferte Kraftstoff in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung wirkt, als A_N definiert ist, ein minimaler notwendiger Einspritzdruck des Kraftstoffes, der aus der Sprühdüse (2) gesprüht wird, als P_IL definiert ist, und ein Druck, der notwendig ist, um dieses Einspritzventilelement (12) zu beaufschlagen, um eine Verbindung zwischen diesem Versorgungskanal (31, 61) und der Sprühdüse (2) herzustellen, als P₀ definiert ist, die folgende Beziehung erfüllt ist: d2/d1 > [AQ × PIL/{AN × (PIL – P0)} – 1]1/4,wenn wenigstens eine der Größen erste druckbeaufschlagte Fläche A_Q dieses Einspritzventilelements (12), zweite druckbeaufschlagte Fläche A_N dieses Einspritzventilelements, minimaler notwendiger Einspritzdruck P_IL des Kraftstoffes, der aus der Sprühdüse (2) gesprüht wird, und der Druck P₀, der notwendig ist, um dieses Einspritzventilelement zu beaufschlagen, um die Verbindung zwischen diesem Versorgungskanal und der Sprühdüse herzustellen, sich ändert, d₂/d₁ diese Beziehung erfüllt.
Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz nach Anspruch 1, worin ein Wert von d₂/d₁ als eine Funktion eines Druckes des Kraftstoffs, der an dem Hochdruckkraftstoffeinlaß geliefert wird, bestimmt ist.
Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz nach Anspruch 1, worin dieser zweite Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanal (33, 211a, 342a) eine größere Durchflussfläche hat, durch die der Kraftstoff strömt, als dieser erste Kraftstoffdurchflussbegrenzungskanal (32, 210a, 344).
Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz nach Anspruch 1, worin ein Wert von d₂/d₁ als eine Funktion eines minimalen Einspritzdruckes definiert ist, der notwendig ist, um die gewünschte Kraftstoffeinspritzung zu erreichen.
Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz nach Anspruch 4, worin der Wert von d₂/d₁ so bestimmt ist, daß dieser bei einem Fallen des minimalen Einspritzdruckes, der ein Druck des Kraftstoffes ist, der zum Hochdruckkraftstoffeinlaß geliefert wird, steigt.
Ein Kraftstoffeinspritzdüsensatz nach Anspruch 1, worin der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer (30), der notwendig ist, um das Einspritzventilelement (12) zu bewegen, um eine Kraftstoffeinspritzung einzuleiten, als P_CC1 definiert ist, und der Kraftstoffdruck innerhalb der Druckregelkammer (30), wenn die Durchflußrate des Kraftstoffs, der in dieser Druckregelkammer (30) von dem Hochdruckkraftstoffeinlaß eintritt, mit der des Kraftstoffes ausgeglichen ist, der aus die ser Druckregelkammer (30) ausströmt, wenn dieses magnetbetriebene Ventil (20) die Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffeinlaß und dem Niederdruckkraftstoffauslaß (66) herstellt, als P_CC2 definiert ist, ein Wert von d₂/d₁ so bestimmt ist, dass die Kraftstoffeinspritzung innerhalb eines Bereiches P_CC1 > P_CC2 ermöglicht ist, wenn ein gelieferter Kraftstoffdruck P_C einen minimalen notwendigen Einspritzdruck P_IL erreicht.