EP1502024A1 - Kraftstoffeinspritzventil mit mechanischer zwangssteuerung - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil mit mechanischer zwangssteuerung

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EP1502024A1
EP1502024A1 EP03735271A EP03735271A EP1502024A1 EP 1502024 A1 EP1502024 A1 EP 1502024A1 EP 03735271 A EP03735271 A EP 03735271A EP 03735271 A EP03735271 A EP 03735271A EP 1502024 A1 EP1502024 A1 EP 1502024A1
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EP
European Patent Office
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fuel injection
injection valve
nozzle needle
fuel
positive control
Prior art date
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EP03735271A
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EP1502024B1 (de
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Günter LEWENTZ
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1502024B1 publication Critical patent/EP1502024B1/de
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/14—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/001—Fuel-injection apparatus having injection valves held closed mechanically, e.g. by springs, and opened by a cyclically-operated mechanism for a time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2700/00—Supplying, feeding or preparing air, fuel, fuel air mixtures or auxiliary fluids for a combustion engine; Use of exhaust gas; Compressors for piston engines
    • F02M2700/07—Nozzles and injectors with controllable fuel supply
    • F02M2700/072—Injection valve actuated by engine for supply of pressurised fuel; Electrically or electromagnetically actuated injectors

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection valve for injecting fuel into a combustion chamber of an engine and a method for controlling the fuel injection.
  • Fuel injection valves are known from the prior art in different configurations. Modern fuel injection valves are often used in conjunction with accumulator injection systems which have a pressure accumulator for storing the fuel under high pressure. The injectors assigned to the individual combustion chambers of the internal combustion engine are supplied with fuel from this pressure accumulator. The fuel supply to the pressure accumulator takes place via a high pressure pump. Today's internal combustion engines need a precisely defined course of the injection quantity over the injection time in order to meet all requirements with regard to their exhaust gas limit values, their consumption, their noise, etc.
  • the volume flow through the nozzle spray nozzles is determined by the cross section that the nozzle needle releases as a function of its respective needle stroke at a specific pressure. At a given pressure, there is therefore a corresponding, precisely defined nozzle needle stroke for each required flow.
  • the nozzle needle In order to set a certain volume flow, the nozzle needle would have to be set to a certain stroke value. In order to carry out a specific, shaped injection course, the nozzle needle would have to be raised to several exactly defined positions and possibly even lowered again within one injection cycle.
  • there are only two precisely defined needle positions namely zero (Valve closed) and full stroke (valve fully open). Therefore, only two precisely defined flows, namely no flow and the maximum flow, are possible.
  • the fuel injection valve according to the invention for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine is constructed in such a way that a nozzle needle of the fuel injection valve is mechanically positively controlled.
  • This mechanical positive control of the nozzle needle enables a defined approach to any position between the two extreme positions of the nozzle needle, namely completely open and completely closed.
  • the mechanical positive control thus provides a stop for the nozzle needle, so that a defined amount of fuel can always be injected into the combustion chamber.
  • the mechanical forced control means that fuel injection can also be reproduced in a simple manner. The course of a fuel injection can thus be shaped by appropriately designing the mechanical positive control, ie the geometry of the mechanical positive control.
  • the combination according to the invention of a mechanical positive control with a fuel injection valve thus results in a direct coupling of a mechanical control element to the nozzle needle. Because of this forced coupling, there is no longer any degree of freedom for the nozzle needle, since it has to follow the mechanical control element.
  • This can also be used for to the person skilled in the art, a precise and reproducible positive control of the nozzle needle can be realized in a surprisingly simple manner, which is in particular independent of the pressure of the injected fuel.
  • the mechanical positive control is simple and can be provided relatively inexpensively. Furthermore, only a small installation space is required for the mechanical positive control.
  • the combination according to the invention also simplifies the structure of the fuel injection valve, since only a mechanical connection between the mechanical control element and the nozzle needle is necessary.
  • the present invention thus enables the fuel injection to be shaped in a surprisingly simple manner, and thus positive effects with regard to the exhaust gas limit values, the consumption and the noise of the internal combustion engine can be made possible.
  • the mechanical positive control is preferably provided for opening the nozzle needle and / or for closing the nozzle needle. If the mechanical positive control is to be used both for opening and for closing the nozzle needle, this can preferably be carried out by means of a desmodromic nozzle needle control in which, for example, a first rocker arm is provided for opening and a second rocker arm for closing. Thanks to the desmodromic valve control, the nozzle needle can be opened quickly, even at high speeds, and can remain open as long as desired before it closes again quickly and gently because it is precise.
  • the nozzle needle immediately reacts to the specifications of the mechanical control element and is not speed-dependent due to the dynamic spring / mass processes in the medium Springs lagged open or closed valves more or less. If the mechanical positive control is only to be used to open or only to close the nozzle needle, the respective movement preferably takes place counter to one Spring force of a spring and the opposite movement, ie the closing or opening, is carried out by the spring.
  • the mechanical positive control takes place directly or indirectly (via mechanical connecting elements) by means of a camshaft or a cam disc or a curve ruler.
  • mechanical connecting elements such as Rocker arms, rocker arms, rocker arms or bucket tappets are used to force and / or translate the stroke.
  • valve lash compensation elements e.g. with a hydraulic valve lash adjuster.
  • the mechanical positive control is three-dimensional.
  • the mechanical control elements camshaft, control disc or curve ruler
  • the third dimension of the mechanical control curve makes it possible, depending on the load and speed of the internal combustion engine, to also define the optimal needle stroke profiles.
  • the fuel injection nozzles are driven via a separate camshaft, which is driven, for example, by an electric motor.
  • a separate camshaft which is driven, for example, by an electric motor.
  • appropriate sensors and actuators would have to be provided to achieve synchronization with the engine speed.
  • a separate mechanical positive control with an integrated individual drive is provided for each fuel injection valve. This enables individual adaptations of the individual fuel injection valves, but this also means a corresponding additional effort, since a mechanical control curve with a corresponding drive must be integrated for each fuel injection valve.
  • electric motors, electromagnets, piezo actuators, hydraulic drives and / or spring mechanisms are suitable as drives for the mechanical positive control.
  • rotary mechanical control curves camshaft, control disk
  • the control curve can be rotated by rotating the rotary control element can be easily adjusted.
  • translational control elements linear control cam
  • lifting magnets, piezo actuators, hydraulic pistons and / or pneumatic pistons can be used as drives, for example.
  • fuel injection can thus be adjusted by adjusting the respective mechanical control elements. The adjustment can be carried out by rotating the control element and / or an axial displacement (in the case of three-dimensional control elements).
  • the fuel injection valve according to the invention is particularly preferred in combination with a storage injection system, such as e.g. a common rail system, because here the pressure generation and the pressure storage are taken over by other components.
  • the control of the nozzle needle has the sole and sole task of defining the amount of fuel injected as a function of time, depending on the pressure in the pressure accumulator of the accumulator injection system.
  • the pressure accumulator makes it possible to maintain a constant pressure, so that the fuel injection can be carried out with the greatest accuracy by the positive control of the valves according to the invention.
  • nozzle needle control which is advantageous in many respects is realized in fuel direct injection valves for the person skilled in the art in a surprisingly simple manner.
  • Figure 1 is a side view of a fuel injection valve according to a first embodiment of the present invention in the assembled state
  • Figure 2 is a sectional view of that shown in Figure 1
  • Figure 3a is a sectional view of a camshaft illustrating the basic control principle
  • FIG. 4a is a graphic representation of a needle stroke over time in principle when the camshaft shown in FIG. 3a rotates;
  • FIG. 3b shows a sectional view of a camshaft which is inversely formed compared to FIG. 3a according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4b shows a graphic representation of the needle stroke over time when the camshaft shown in FIG. 3b rotates
  • Figure 5 is a sectional view of a mechanical control element according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graphical representation of the amount of fuel injected as a function of the needle stroke in the control device shown in Figure 5.
  • a fuel injection valve according to a first exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the fuel injection valve 1 is arranged in a known manner in an engine housing 4 such that it can inject fuel directly into a combustion chamber 5 of the internal combustion engine.
  • the fuel-air mixture in the combustion chamber is ignited by means of a spark plug 6.
  • a camshaft 2 is provided as a mechanical positive control, which is connected directly to a nozzle needle 7 of the fuel injection valve via a rocker arm 3.
  • the fuel injection valve 1 comprises the nozzle needle 7, which releases or closes a sealing seat 8 in order to inject fuel into the combustion chamber 5 or to end an injection.
  • the fuel injection valve 1 is formed from a nozzle body 9 and an injector body 15, in which a high-pressure bore 11 is arranged.
  • the nozzle needle 7 is arranged in the nozzle body 9 and guided therein.
  • the end of the nozzle needle 7 opposite the sealing seat 8 is connected to a pressure pin 12, which serves to fix a pull rod 16.
  • a compression spring 13 and a spring adjustment strut 14 are also arranged in the injector body 15.
  • the pressure pin 12 also serves as a spring seat for the pressure spring 13 (see FIG. 2).
  • the compression spring 13 serves to return the nozzle needle 7 to its closed position on the sealing seat 8.
  • the components 9, ⁇ 5 are clamped against one another in a known manner by means of a nozzle clamping nut 10.
  • the pull rod 16 is connected to one end of the rocker arm 3, the other end of the rocker arm 3 being connected to the camshaft 2 (see FIG. 2).
  • the rocker arm can rotate about an M axis.
  • the outer contour of the camshaft 2 specifies the course of the injection of fuel into the combustion chamber.
  • the camshaft 2 and the rocker arm 3 are arranged in such a way that the rocker arm 3 remains in constant contact with the camshaft 2 and thus travels the contour of the camshaft about its axis of rotation N. Since the rocker arm 3 rotates about its axis of rotation M and is fixed on the pull rod 16 by means of a nut, for example, the nozzle needle 7 is lifted from its sealing seat via the pull rod 16 and moves upward, so that fuel is injected can.
  • the mechanical positive control for the nozzle needle of the fuel injection valve is thus achieved by the connection between the pull rod 16 and the rocker arm 3 with the camshaft 2.
  • the rocker arm 3 scans the outer circumference of the camshaft 2 and rotates accordingly about its axis of rotation M, as a result of which the nozzle needle 7 is moved.
  • a provision of the Nozzle needle 7 takes place by means of the spring force of the compression spring 13.
  • the prestressing force of the compression spring 13 must be greater than the force which results from the pressure in the high-pressure bore 11 and the area pressurized when the nozzle needle 7 is fully open.
  • the nozzle needle 7 becomes controlled by a mechanical override. How quickly the nozzle needle 7 moves out of its seat, or how large the needle stroke is at a specific point in time of the injection, or whether the nozzle needle 7 is pressed onto its sealing seat 8 again after a first pre-injection, depends solely on the Geometry of the outer circumference of the camshaft.
  • the contact point between the nozzle needle 7 and the control curve must be designed to be correspondingly wear-free.
  • the minimum possible surface pressures (Hertzian pressure) should be sought through the largest possible contact radii, the best possible surface qualities, wear-reduced coatings and / or the best possible lubrication conditions.
  • the friction can also be influenced by appropriate selection of the materials of the friction partners in contact with one another.
  • it must be ensured that the nozzle needle 7 can be freely lowered into its sealing seat 8 in order to close the nozzle. For this purpose, the smallest possible play between the control cam and the nozzle needle is necessary when the nozzle is closed.
  • a simple mechanical forced control can thus be provided in order to ensure a high accuracy of the injection and to ensure a very good reproducibility of the individual injection cycles.
  • FIGS. 3 and 4 exemplary designs of a rotary mechanical control element such as a camshaft or a control disk are shown first in principle and subsequently according to a second exemplary embodiment.
  • the rotary control cam 2 is rotated in the direction of the arrow R and has two cutouts 21 and 22 on its circumference in order to define an injection of fuel.
  • a first recess 21 with a depth hi is provided for a pre-injection and the second recess 22 extends over more than half of the circumference and is provided for the main injection.
  • a small amount of fuel is first injected until the main injection then changes to the height h ma ⁇ at which the nozzle needle is fully open.
  • FIG. 4a shows a graphic representation of a needle stroke in principle over time when the camshaft shown in FIG. 3a rotates.
  • FIG. 3b shows the special sectional view of a camshaft which is inversely formed in relation to FIG. 3a according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4b shows the needle stroke when the camshaft shown in FIG. 3b rotates over a complete revolution of the rotary control curve 2 over time, the larger the needle stroke, the greater the flow rate.
  • FIGS. 5 and 6 A mechanical positive control according to a third exemplary embodiment is shown in FIGS. 5 and 6.
  • a curve ruler 18 is provided in the mechanical positive control of the third exemplary embodiment in order to carry out a translational mechanical positive control.
  • the curve ruler 18 carries out a translatory movement in the direction of the arrow L until it strikes a stop 19.
  • the curve ruler 18 is biased by a spring 20, which provides a spring force F.
  • the end of the nozzle needle 7 which is constantly in contact with the curve ruler travels the geometry of the curve ruler 18, so that the fuel injection valve is opened and closed in a manner corresponding to the geometry.
  • FIG. 6 shows the flow rate Q hyd over the lifting height h N of the nozzle needle 7. An adaptation to different speeds takes place by changing the speed of movement v of the curve ruler 18. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the previously described exemplary embodiments, so that a further description is not necessary.
  • the present invention thus relates to a fuel injection valve and a method for injecting fuel into a combustion chamber 5 of a combustion Engine, wherein a mechanical positive control 2, 3 is provided for a nozzle needle 7 of the fuel injection valve to carry out an injection of fuel.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil (1) sowie ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (5) einer Brennkraftmaschine, wobei eine mechanische Zwangssteuerung (2, 3; 18) für eine Düsennadel (7) des Kraftstoffeinspritzventils (1) vorgesehen ist, um eine Einspritzung von Kraftstoff auszuführen.

Description

Beschreibung
Kraftstoffeinspritzventil mit mechanischer Zwangssteuerung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritz- ventil zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eines Motors sowie ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung.
Kraftstoffeinspritzventile sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Moderne Kraftstoffeinspritzventile werden häufig in Verbindung mit Speichereinspritzanlagen verwendet, welche zur Speicherung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes einen Druckspeicher aufweisen. Aus diesem Druckspeicher werden die den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren mit Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffzufuhr zu dem Druckspeicher erfolgt dabei über eine Hochdruckpumpe. Heutige Brennkraftmaschinen benötigen zur Erfüllung aller Anforderun- gen hinsichtlich ihrer Abgasgrenzwerte, ihres Verbrauchs, ihrer Geräusche, usw. in jedem Kennfeldpunkt einen exakt definierten Verlauf der Einspritzmenge über die Einspritzzeit. Bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen wird bei einem bestimmten Druck der Volumenstrom durch die Düsenspritzlö- eher, und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit, durch den Querschnitt bestimmt, den die Düsennadel in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Nadelhub freigibt. Bei einem vorgegebenen Druck gibt es demnach für jeden geforderten Durchfluss einen entsprechend zugehörigen, exakt defi- nierten Düsennadelhub. Um somit einen bestimmten Volumenstrom einzustellen, üsste die Düsennadel auf einen bestimmten Hubwert eingestellt werden. Um einen bestimmten, geformten Einspritzverlauf auszuführen, müsste die Düsennadel innerhalb eines Einspritzzyklus auf mehrere exakt definierte Positionen angehoben und eventuell sogar wieder abgesenkt werden. Bei den heute bekannten Kraftstoffeinspritzventilen gibt es jedoch nur zwei exakt definierte Nadelpositionen, nämlich Null (Ventil geschlossen) und den Vollhub (Ventil vollständig geöffnet) . Daher sind auch nur zwei exakt definierte Durchflüsse, nämlich kein Durchfluss und der maximale Durchfluss, möglich.
Jeder Durchflusswert, der zwischen diesen beiden Extrema liegt, kann immer nur ungefähr erreicht werden, da bei den bekannten Einspritzventilen der entsprechende Nadelhub nur sehr ungenau durch Druckmodulation eingestellt werden kann. Hierbei "reitet" die Düsennadel auf einem hydraulischen Polster und unterliegt damit auch den in der Düse vorhandenen Druckwellen und -Schwankungen. Dadurch ergibt sich aber an Stelle eines notwendigen, exakt definierten Nadelhubanschlags zur genauen Steuerung der Einspritzmenge nur ein ungefährer ballistischer Aufenthaltsort der Düsennadel. Hieraus resultieren ungefähre, stark streuende und sehr schlecht reproduzierbare Einspritzmengen, was zu einem nicht optimalen Verbrennungsablauf mit den damit verbundenen schlechten Emis- sions-, Geräusch- und Verbrauchsergebnissen führt.
Bei den heutzutage bekannten Verfahren zur Steuerung des Kraftstoffflusses in den Brennraum wird dieser immer nur indirekt gesteuert, d.h. die Steuerung der Düsennadel erfolgt nur indirekt über einen hydraulischen Servokreislauf. Hierbei hängt jedoch die zeitliche und mengenmäßig Zumessung des Kraftstoffes in den Brennraum von sehr vielen Einflussfaktoren dieser Servohydraulik ab und streut entsprechend stark, was sich wiederum negativ auf die Qualität der Verbrennung im Motor auswirkt. Insbesondere kann durch eine digitale Schaltung des Servoventils (auf/zu) keine exakte Formung des Einspritzverlaufes ausgeführt werden. Insbesondere im unteren Teillastbereich, in dem sich die Düsennadel während der Einspritzung zwischen ihren beiden Extrempositionen befindet, führt die Undefinierte Stellung der Düsen- nadel zu stark streuenden und nicht reproduzierbaren Ein- spritzmengen. Das gleiche Problem weisen die heute auch bekannten Pumpe-Düse-Systeme auf, da diese ebenfalls nur indi- rekt über Druckmodulation am Absteuerventil die Düsennadel öffnen bzw. schließen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung bereitzustellen, welche ein exakt definierbares Anfahren von Düsennadelöffnungspositionen ermöglichen und leicht reproduzierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist derart aufgebaut, dass eine Düsennadel des Kraftstoffeinspritzventils mechanisch zwangsgesteuert ist. Diese mechanische Zwangssteuerung der Düsennadel ermöglicht ein definiertes Anfahren von beliebigen Positionen zwischen den beiden Extremstellungen der Düsennadel, nämlich vollständig geöffnet und vollständig geschlossen. Die mechanische Zwangssteuerung stellt somit jeweils einen Anschlag für die Düsennadel bereit, so dass immer eine definierte Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt werden kann. Durch die mechanische Zwangssteuerung ist die Einspritzung von Kraftstoff auch auf einfache Weise reproduzierbar. Somit kann durch entsprechende Ausbildung der mechanischen Zwangs- Steuerung, d.h. der Geometrie der mechanischen Zwangssteuerung, der Verlauf einer Kraftstoffeinspritzung geformt werden. Durch die erfindungsgemäße Kombination einer mechanischen Zwangssteuerung mit einem Kraftstoffeinspritzventil erfolgt somit eine direkte Kopplung eines mechanischen Steuer- gliedes mit der Düsennadel. Aufgrund dieser Zwangskopplung bleibt für die Düsennadel kein Freiheitsgrad mehr, da sie dem mechanischen Steuerglied folgen muss. Hierdurch kann auch für den Fachmann in überraschend einfacher Weise eine genaue und reproduzierbare Zwangssteuerung der Düsennadel verwirklicht werden, welche insbesondere unabhängig vom Druck des eingespritzten Kraftstoffs ist. Die mechanische Zwangssteuerung ist dabei einfach aufgebaut und kann relativ kostengünstig bereitgestellt werden. Weiterhin ist nur ein geringer Einbauraum für die mechanische Zwangssteuerung notwendig. Darüber hinaus vereinfacht die erfindungsgemäße Kombination auch den Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils, da nur eine mechani- sehe Verbindung zwischen dem mechanischen Steuerungsglied und der Düsennadel notwendig ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit auf überraschend einfache Weise eine exakte Formung der Kraftstoffeinspritzung und somit können positive Wirkungen in Bezug auf die Abgasgrenzwerte, den Verbrauch so- wie die Geräusche der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.
Vorzugsweise ist die mechanische Zwangssteuerung zum Öffnen der Düsennadel und/oder zum Schließen der Düsennadel vorgesehen. Wenn die mechanische Zwangssteuerung sowohl zum Öffnen als auch zum Schließen der Düsennadel eingesetzt werden soll, kann dies vorzugsweise mittels einer desmodromischen Düsennadelsteuerung ausgeführt werden, bei der z.B. ein erster Kipphebel zum Öffnen und ein zweiter Kipphebel zum Schließen vorgesehen ist. Durch die desmodromische Ventilsteuerung kann die Düsennadel auch bei hohen Drehzahlen rasch weit geöffnet werden und so lange wie gewünscht offen bleiben, bevor sie schnell und doch sanft, weil präzise, wieder geschlossen wird. D.h. auch bei einem großen Hub sind keine langen Steuerzeiten notwendig, wodurch sich positive Auswirkungen auf die Motorcharakteristik bei niederen bis mittleren Drehzahlen ergeben, da die Düsennadel sofort auf die Vorgaben des mechanischen Steuergliedes reagiert und nicht drehzahlabhängig wegen der dynamischen Feder/Masse-Vorgänge bei mittels Federn geöffneten bzw. geschlossenen Ventilen mehr oder weniger nacheilt. Wenn die mechanische Zwangssteuerung nur zum Öffnen bzw. nur zum Schließen der Düsennadel verwendet werden soll, erfolgt die jeweilige Bewegung vorzugsweise entgegen einer Federkraft einer Feder und die entgegengesetzte Bewegung, d.h. das Schließen bzw. Öffnen, erfolgt dabei durch die Feder.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die mechanische Zwangssteuerung direkt oder indirekt (über mechanische Verbindungselemente) mittels einer Nockenwelle oder einer Kurvenscheibe oder einem Kurvenlineal. Bei diesen mechanischen Möglichkeiten zur Zwangssteuerung kann selbstverständlich auch durch Zwischenschalten mechanischer Glieder wie z.B. Kipphebeln, Schwinghebeln, Schlepphebeln oder Tassenstößeln eine Kraft- und/oder Wegübersetzung des Hubes erfolgen.
Um einen Ausgleich eines Ventilspiels zu ermöglichen, sind vorzugsweise weiter Ventilspielausgleichselemente, z.B. mit einem hydraulischen Ventilspielausgleich, vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vor- liegenden Erfindung ist die mechanische Zwangssteuerung dreidimensional ausgebildet. Dadurch kann auf einfache Weise auch eine Anpassung an verschiedene Hubbewegungen realisiert werden. Bei der dreidimensional ausgebildeten mechanischen Zwangssteuerung sind die mechanischen Steuerelemente (Nocken- welle, Steuerscheibe oder Kurvenlineal) noch in der dritten Dimension ausgebildet, so dass durch ein axiales Verschieben verschiedene, dem jeweiligen Motorzustand angepasste Düsenna- delöffnungsverläufe ausgeführt werden können. Beispielsweise kann für höhere Drehzahlen eine nicht mehr benötigte Vorein- spritzung dadurch zugunsten einer zusätzlichen Haupt- und/oder Nacheinspritzung abgebildet werden. Durch die dritte Dimension der mechanischen Steuerkurve ist es somit möglich, je nach Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine auch die entsprechend optimalen Nadelhubverläufe zu definieren.
Vorzugsweise wird bei einem als Nockenwelle ausgebildeten mechanischen Steuerelement der Antrieb für alle Kraftstoff- einspritzventile der Brennkraftmaschine direkt über eine einzige Nockenwelle vorgesehen. Diese Nockenwelle wird vorzugsweise wiederum direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben. Ein derartiger Aufbau hätte den entscheidenden Vorteil, dass die Motorkonstruktion deutlich leichter und einfacher ausgeführt werden kann. Hierbei sind für die mechanische Zwangssteuerung der Düsennadel auch nur kleine Kräfte erforderlich. Weiterhin ist der Antrieb der Düsennadel jedes Einspritzventils durch die direkte Kopplung mit der Motordrehzahl best- möglich synchronisiert.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt der Antrieb der Kraftstoffeinspritzdüsen über eine separate Nockenwelle, welche bei- spielsweise von einem Elektromotor angetrieben wird. Hierbei müssten jedoch entsprechende Sensoren und Stellglieder vorgesehen werden, um eine Synchronisation mit der Motordrehzahl zu erreichen. Bei dieser Variante ist jedoch vorteilhaft, dass insbesondere eine axiale Verschiebung der Nockenwelle zur Anpassung der Steuerkurve (dreidimensional) an den Motorzustand einfach umsetzbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist für jedes Kraftstoffeinspritzventil eine separate mechanische Zwangssteuerung mit integriertem Einzelantrieb vorgesehen. Hierdurch sind individuelle Anpassungen der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile möglich, allerdings bedeutet dies auch einen entsprechenden Mehraufwand, da für jedes Kraftstoffeinspritzventil eine mechanische Steuerkurve mit entsprechendem Antrieb integriert werden muss.
Allgemein sei angemerkt, dass sich als Antriebe für die mechanische Zwangssteuerung beispielsweise Elektromotoren, E- lektromagnete, Piezoaktuatoren, Hydraulikantriebe und/oder Federwerke eignen. Weiterhin kann bei rotatorischen mechanischen Steuerkurven (Nockenwelle, Steuerscheibe) durch ein Verdrehen des rotatorischen Steuerelements die Steuerkurve einfach verstellt werden. Bei translatorischen Steuerelementen (lineare Steuerkurve) können als Antriebe beispielsweise Hubmagnete, Piezoaktoren, Hydraulikkolben und/oder Pneumatikkolben verwendet werden. Allgemein gesagt kann somit die Kraftstoffeinspritzung durch Verstellung der jeweiligen mechanischen Steuerelemente eingestellt werden. Die Verstellung kann dabei durch eine Verdrehung des Steuerelements und/oder eine Axialverschiebung (bei dreidimensionalen Steuerelementen) erfolgen.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil in Kombination mit einem Speichereinspritzsystem, wie z.B. einem Common-Rail-System, verwendet, da hier die Druckerzeugung und die Druckspeicherung von anderen Kom- ponenten übernommen wird. Die Steuerung der Düsennadel hat dabei die einzige und alleinige Aufgabe, in Abhängigkeit von dem im Druckspeicher des Speichereinspritzsystems anliegenden Druck die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Zeit zu definieren. Weiterhin ermöglicht der Druck- Speicher das Aufrechterhalten eines konstanten Drucks, so dass die Kraftstoffeinspritzung durch die erfindungsgemäße Zwangssteuerung der Ventile mit höchster Genauigkeit erfolgen kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches eine mechanische Zwangssteuerung zur Steuerung der Düsennadel eines Kraftstoffeinspritzventils bei einem Direkteinspritzsystem verwendet, können ebenfalls die oben erläuterten Vorteile erreicht werden.
Durch die erfindungsgemäßen Zwangskopplung der Düsennadel ergibt sich für die Düsennadel kein Freiheitsgrad mehr. Sie uss der vorgegebenen mechanischen Steuerkurve folgen, wodurch die hohe Reproduzierbarkeit des Düsennadelhubes gewähr- leistet werden kann. Die mechanische Steuerkurve stellt somit einen für einen bestimmten Zeitpunkt der Einspritzung festen, aber innerhalb des gesamten Einspritzzyklus doch variablen Hubanschlag dar. Diese ermöglicht eine minimal mögliche shot- to-shot-Steuerung. Erfindungsgemäß kann eine Anpassung an unterschiedliche Drehzahlen dadurch erreicht werden, dass die mechanische Steuerkurve unterschiedliche schnell abgefahren wird. Dies ist insbesondere bei einer direkten Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und der Düsennadel, z.B. über eine Nockenwelle, möglich. Somit wird erfindungsgemäß auch für den Fachmann in überraschend einfacher Weise eine in vieler Hinsicht vorteilhafte Düsennadelsteuerung bei Kraftstoff- direkteinspritzventilen verwirklicht.
Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung' mit der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen schematisch:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Kraftstoffeinspritz- ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im montierten Zustand;
Figur 2 eine Schnittansicht des in Figur 1 gezeigten
Kraftstoffeinspritzventils;
Figur 3a eine Schnittansicht einer das grundlegende Steuerprinzip verdeutlichenden Nockenwelle;
Figur 4a eine graphische Darstellung eines Nadelhubs über die Zeit im Prinzip bei Drehung der in Figur 3a gezeigten Nockenwelle;
Figur 3b eine Schnittansicht einer gegenüber Fig. 3a invers ausgebildeten Nockenwelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 4b eine graphische Darstellung des Nadelhubs über die Zeit bei Drehung der in Figur 3b gezeigten Nockenwelle; Figur 5 eine Schnittansicht eines mechanischen Steuerelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Figur 6 eine graphische Darstellung der eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Nadelhub bei der in Figur 5 gezeigten Steuereinrichtung .
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einen ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in der Ubersichtsdarstellung von Figur 1 gezeigt, ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 in bekannter Weise in einem Motorgehäuse 4 derart angeordnet, dass es Kraftstoff direkt in einen Brennraum 5 der Brennkraftmaschine einspritzen kann. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum wird dabei mittels einer Zündkerze 6 entzündet. Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist als mechanische Zwangssteuerung eine Nockenwelle 2 vorgesehen, welche über einen Kipphebel 3 direkt mit einer Düsennadel 7 des Kraftstoffeinspritzventils verbunden ist.
In Figur 2 ist nochmals genauer der Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt. Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 1 die Düsennadel 7, welche einen Dichtsitz 8 freigibt bzw. verschließt, um Kraftstoff in den Brennraum 5 einzuspritzen bzw. eine Einspritzung zu beenden. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist aus einem Düsenkörper 9 und einem Injektorkörper 15 gebildet, in welchen eine Hochdruckbohrung 11 angeordnet ist. Dabei ist die Düsennadel 7 im Düsenkörper 9 angeordnet und in diesem geführt. Das dem Dichtsitz 8 entgegengesetzte Ende der Düsennadel 7 steht mit einem Druckbolzen 12 in Verbindung, welcher zur Fixierung einer Zugstange 16 dient. Dadurch ist die Zugstange 16 fest mit der Düsennadel 7 verbunden. Im Injektorkörper 15 sind weiter eine Druckfeder 13 sowie eine Federeinstellstrebe 14 angeordnet. Der Druckbolzen 12 dient gleichzeitig auch als Federsitz für die Druckfeder 13 (vgl. Figur 2) . In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Druckfeder 13 zur Rückstellung der Düsennadel 7 in ihre geschlossene Position auf dem Dichtsitz 8. Die Bauteile 9, Ϊ5 werden mittels einer Düsenspannmutter 10 in bekannter Weise gegeneinander verspannt.
Weiterhin ist die Zugstange 16 mit einem Ende des Kipphebels 3 verbunden, wobei das andere Ende des Kipphebels 3 mit der Nockenwelle 2 in Verbindung steht (vgl. Figur 2). Der Kipp- hebel kann sich um eine Achse M drehen.
Nachfolgend wird die Funktion des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils beschrieben. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, gibt die äußere Kontur der Nockenwelle 2 den Ablauf der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum vor. Dabei sind die Nockenwelle 2 und der Kipphebel 3 derart angeordnet, dass der Kipphebel 3 in ständigem Kontakt mit der Nockenwelle 2 verbleibt und somit bei Drehung der Nockenwelle um ihre Drehachse N deren Kontur abfährt. Da sich der Kipphebel 3 da- bei um seine Drehachse M dreht und beispielsweise mittels einer Mutter auf der Zugstange 16 fixiert ist, wird die Düsennadel 7 über die Zugstange 16 von ihrem Dichtsitz abgehoben und bewegt sich nach oben, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen kann.
Die mechanische Zwangssteuerung für die Düsennadel des Kraftstoffeinspritzventils wird somit durch die Verbindung zwischen der Zugstange 16 und dem Kipphebel 3 mit der Nockenwelle 2 erreicht. Bei Drehung der Nockenwelle 2 um ihre Achse N tastet der Kipphebel 3 den äußeren Umfang der Nockenwelle 2 ab und dreht sich dabei dementsprechend um seine Drehachse M, wodurch die Düsennadel 7 bewegt wird. Eine Rückstellung der Düsennadel 7 erfolgt dabei mittels der Federkraft der Druckfeder 13. Dabei muss die Vorspannkraft der Druckfeder 13 größer sein als die Kraft, die sich aus dem in der Hochdruckbohrung 11 anstehenden Druck und der bei voll geöffneter Dü- sennadel 7 druckbeaufschlagten Fläche ergibt. Wenn beispielsweise der Druck in der Hochdruckbohrung 1600 bar beträgt und ein Nadelführungsdurchmesser 4 mm beträgt, so ergibt sich die benötigte Federkraft F der Druckfeder 13 durch : F = 1600 bar • π/4 • 42 = 2010 N. Somit wird die Düsennadel 7 mittels ei- ner mechanischen Zwangssteuerung gesteuert. Wie schnell sich die Düsennadel 7 aus ihrem Sitz bewegt, bzw. wie groß der Nadelhub zu einem bestimmten Zeitpunkt der Einspritzung ist, o- der ob die Düsennadel 7 nach einer ersten Voreinspritzung nochmals auf ihre Dichtsitz 8 gedrückt wird, hängt einzig und allein von der Geometriegebung des Außenumfangs der Nockenwelle ab.
Um eine hohe Reproduzierbarkeit der Steuerung über die Laufzeit zu gewährleisten, ist die Kontaktstelle zwischen der Dü- sennadel 7 und der Steuerkurve entsprechend verschleißfrei auszulegen. Hierzu sind minimal mögliche Flächenpressungen (Hertzsche Pressung) durch möglichst große Kontaktradien, bestmögliche Oberflächenqualitäten, verschleißreduzierte Beschichtungen und/oder bestmögliche Schmierverhältnisse anzu- streben. Weiterhin kann die Reibung auch durch entsprechende Wahl der Werkstoffe der miteinander in Kontakt stehenden Reibpartner beeinflusst werden. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass die Düsennadel 7 zum Schließen der Düse ungehindert und frei in ihren Dichtsitz 8 absenkbar ist. Hierzu ist bei geschlossener Düse ein möglichst kleines Spiel zwischen der Steuerkurve und der Düsennadel notwendig.
Weiterhin sei angemerkt, dass, um ein definiertes Nachfolgen der Nadelbewegung zu jedem Zeitpunkt der Einspritzung sicher- zustellen, zwischen der Steuerkurve und der Düsennadel möglichst immer Formschluss herrschen muss. Ein Abheben der Steuerrolle von der Steuerkurve ist also zu vermeiden. Des- halb ist es wichtig, die Auslegung und die Abstimmung der Federkraft besonders genau auszuführen.
Erfindungsgemäß kann somit eine einfach aufgebaute mechani- sehe Zwangssteuerung bereitgestellt werden, um eine hohe Genauigkeit der Einspritzung zu gewährleisten sowie eine sehr gute Reproduzierbarkeit der einzelnen Einspritzzyklen zu gewährleisten. Durch ein Verdrehen der Nockenwelle, bzw. bei einer dreidimensionalen Steuerkurve auf der Nockenwelle durch ein axiales Verschieben der Nockenwelle, kann die mechanische Steuerkurve auf einfache Weise verstellt werden und somit die Kraftstoffeinspritzung an unterschiedliche Zustände der Brennkraftmaschine angepasst werden.
In den Figuren 3 und 4 sind beispielhaft Ausbildungen eines rotatorischen mechanischen Steuerelements wie z.B. einer Nockenwelle oder einer Steuerscheibe zunächst im Prinzip sowie anschließend gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Wie in Figur 3a, welche das Steuerprinzip mittels ei- ner Nockenwelle grundlegend verdeutlichen soll, gezeigt, wird die rotatorische Steuerkurve 2 in Richtung des Pfeils R gedreht und weist zwei Aussparungen 21 und 22 an ihrem Umfang auf, um eine Einspritzung von Kraftstoff zu definieren. Hierbei ist eine erste Aussparung 21 mit einer Tiefe hi für eine Voreinspritzung vorgesehen und die zweite Aussparung 22 verläuft über mehr als die Hälfte des Umfangs und ist für die Haupteinspritzung vorgesehen. Hierbei wird, bedingt durch die Höhe h2 in der Haupteinspritzung, zuerst eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt, bis die Haupteinspritzung dann zur Höhe hmaχ übergeht, in welcher die Düsennadel vollständig geöffnet ist.
Figur 4a zeigt eine graphische Darstellung eines Nadelhubs im Prinzip über die Zeit bei Drehung der in Figur 3a gezeigten Nockenwelle. Figur 3b zeigt die spezielle Schnittansicht einer gegenüber Figur 3a invers ausgebildeten Nockenwelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Figur 4b ist der Nadelhub bei Drehung der in Figur 3b gezeigten Nockenwelle während einer vollständigen Umdrehung der rotatorischen Steuerkurve 2 über die Zeit dargestellt, wobei die Durchflussmenge um so größer ist, je größer der Nadelhub ist.
In den Figuren 5 und 6 ist eine mechanische Zwangssteuerung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt.
Im Unterschied zu den vorhergehenden mechanischen Zwangs- Steuerungen ist bei der mechanischen Zwangssteuerung des dritten Ausführungsbeispiels ein Kurvenlineal 18 vorgesehen, um eine translatorische mechanische Zwangssteuerung auszuführen. Das Kurvenlineal 18 führt eine translatorische Bewegung in Richtung des Pfeils L aus, bis es an einen Anschlag 19 anschlägt. Dabei ist das Kurvenlineal 18 mittels einer Feder 20, die eine Federkraft F bereitstellt, vorgespannt. Wenn das Kurvenlineal 18 in Richtung des Pfeils L bewegt wird, fährt das mit dem Kurvenlineal ständig in Kontakt befindliche Ende der Düsennadel 7 die Geometrie des Kurvenlineals 18 ab, so dass in entsprechender Weise zur Geometrie ein Öffnen bzw. Schließen des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt. In Figur 6 ist die Durchflussmenge Qhyd über die Hubhöhe hN der Düsennadel 7 dargestellt. Eine Anpassung an unterschiedliche Drehzahlen erfolgt dabei durch Veränderung der Bewegungsgeschwin- digkeit v des Kurvenlineals 18. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen, so dass auf eine weitergehende Beschreibung verzichtet werden kann.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung somit ein Kraftstoffeinspritzventil sowie ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum 5 einer Brenn- kraftmaschine, wobei eine mechanische Zwangssteuerung 2, 3 für eine Düsennadel 7 des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen ist, um eine Einspritzung von Kraftstoff auszuführen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können verschiedene Abweichungen und Änderungen ausgeführt werden, ohne den Erfin- dungsumfang zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil (1) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (5) einer Brennkraft aisscchhi:ne, gekennzeichnet durch eine mechanische Zwangssteuerung (2, 3; 18) für eine Düsennadel (7) des Kraftstoffeinspritzventils (1), um die Einspritzung von Kraftstoff auszuführen .
2. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zwangssteuerung (2, 3; 18) zum Öffnen der Düsennadel (7) oder zum Schließen der Düsennadel (7) oder zum Öffnen und Schließen der Düsennadel (7) vorgesehen ist.
3. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zwangssteuerung direkt mittels einer Nockenwelle (2) oder einer Kurvenscheibe oder einem Kurvenlineal (18) ausgeführt ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zwangssteuerung mittelbar über Kipphebel (3) oder Schwinghebel oder Schlepphebel oder Tastenstößel erfolgt.
5. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zwangssteuerung eine Wegübersetzung und/oder eine Kraftübersetzung aufweist.
6. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ventilspiel- ausgleichselemente zum Ausgleich eines Ventilspiels.
7. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zwangssteuerung, insbesondere die Nockenwelle
(2) , zur Anpassung der Steuerkurve an den Motorzustand axial verschiebbar ausgebildet ist.
8. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle
(2) direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben ist.
9. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Nockenwelle mit separatem Antrieb, welche mit der Motordrehzahl synchronisiert ist, um alle Kraftstoffeinspritzventile (1) zu betreiben.
10. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Kraftstoffeinspritzventil (1) eine separate mechanische Zwangssteuerung vorgesehen ist.
11. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung durch Verstellung der Nockenwelle (2) bzw. der Kurvenscheibe bzw. des Kurvenlineals (18) verstell- bar ist.
12. Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufgeschwindigkeit der mechanischen Zwangssteuerung änder- bar ist.
13. Speichereinspritzsystem mit einem Kraftstoffeinspritzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Verfahren zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (5) einer Brennkraftmaschine, bei dem die Kraftstoffeinspritzung mechanisch zwangsgesteuert wird.
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