DE60036421T2

DE60036421T2 - Direkt betätigtes Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60036421T2
Application number: DE60036421T
Authority: DE
Inventors: Alan B. Vancouver Welch; Irawan Vancouver RAHARDJA; Michael Vancouver HEBBES
Original assignee: Westport Power Inc
Current assignee: Westport Power Inc
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2020-10-03
Also published as: WO2001029400A2; BR0014745A; JP2003512555A; JP4700246B2; DE60036421D1; CN100432419C; CN1379846A; CA2386970A1; US6298829B1; AU7636500A; BR0014745B1; WO2001029400A3; EP1220985A2; CN1570371A; CA2386970C; ATE373171T1

Description

Hintergrund
Das Direkteinspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs in die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert. Beispielsweise gestattet das Direkteinspritzen eine Ladungsschichtung, wobei Drosselverluste beseitigt werden, die mit Homogengemischmotoren im Zusammenhang stehen. Das Direkteinspritzen zu einem späten Zeitpunkt im Kompressionstakt gestattet, dass ein hohes Kompressionsverhältnis aufrechterhalten wird, wodurch der Wirkungsgrad aufrechterhalten wird. Ferner sind, wenn der direkt eingespritzte Kraftstoff Erdgas, Propan oder Wasserstoff aufweist, die Emissionen von NOx und Teilchenmaterial (PM) deutlich verringert. Der direkt eingespritzte gasförmige Kraftstoff kann mit einer Glühkerze, einer Zündkerze oder mit einem Dieselzündkraftstoff entzündet werden.
Das Direkteinspritzen mit hohen Drücken bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich. Die Verwendung von Hochdruckkraftstoffen für die Direkteinspritzung ergibt, dass hohe Kraftstoffdrücke in dem Einspritzventil oder der Einspritzeinrichtung vorliegen. Im Ergebnis muss das Einspritzventil typischerweise stark aufsitzen, um eine Leckage von Kraftstoff in die Verbrennungskammer zwischen den Einspritzereignissen zu verhindern. Das Ventil „sitzt auf", wenn das Ventil geschlossen ist, beispielsweise in einem Nadelventil, wenn die Dichtflächen der Ventilnadel und das Ventilsitzes in fluiddichtem Kontakt miteinander sind. Darüber hinaus sind im Vergleich zu Niederdrucksystemen höhere Kräfte zum Öffnen des Einspritzventils nötig. Beispielsweise kann bei einem Nadelventil, bei dem eine nach innen öffnende Ventilnadel verwendet wird, dieses, wenn die Nadel in der offenen Position ist, hohen Kräften von dem unter Druck gesetztem Kraftstoff ausgesetzt sein. Außerdem gibt es nur ein kleines Zeitfenster, während dem der Kraftstoff eingespritzt werden kann. Beispielsweise wird bei 4500 Umdrehung je Minute (U/min) bei Volllast der gesamte Kraftstoff vorzugsweise in weniger als 2-3 Millisekunden eingespritzt.
Nahezu alle Kraftstoffdirekteinspritzsystem bei Verbrennungsmotoren nach dem Stand der Technik waren hydraulisch betätigt. Diese Systeme beruhen darauf, dass ein Hydraulikfluid die zum Öffnen eines Einspritzventils (oder von Einspritzventilen, wenn der Motor eine Vielzahl von Verbrennungskammer aufweist) nötige Kraft liefert. Daher beruhen bei typischen Motorbetriebsdrehzahlen hydraulisch betätigte Einspritzeinrichtungen auf schnellen Änderungen beim Hydraulikfluiddruck zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils (der Einspritzventile). Ein Einspritzventil wird typischerweise geöffnet, indem der Hydraulikfluiddruck erhöht wird, und geschlossen, indem der Hydraulikfluiddruck verringert wird, so dass die auf das Einspritzventil aufgebrachte öffnungskraft verringert ist, wodurch ein Schließen des Ventils bewirkt wird. Jedoch hat im Zusammenhang mit herkömmlichen Gas-Einspritzeinrichtungen der hydraulische Betrieb zahlreiche Nachteile, zu denen gehören:

– die Notwendigkeit von zusätzlicher Hydraulik-Hardware, wie z.B. Hydraulikpumpen, Ventilen und eines Speichers für das Hydraulikfluid,
– die Notwendigkeit, dass eine Dichtung zwischen dem Hydraulikfluid mit variablem Druck und dem gasförmigen Kraftstoff mit Hochdruck hergestellt werden soll,
– die erhöhte Raumbeanspruchung der Einspritzventilbaugruppe aufgrund der zusätzlichen Hardwareanforderungen und
– das verzögerte Ansprechen des System aufgrund der Zeitverzögerung des Hydraulikfluids zwischen der elektrischen Ventilhardware und der Nadel, die die Gasströmung von der Einspritzeinrichtung steuert.

Darüber hinaus ist der Grad der Steuerbarkeit der Bewegung des Einspritzventils gering, wenn die treibende Kraft durch ein unter Druck gesetztes Fluid statt durch eine direkt steuerbare Quelle vorgesehen wird. In dieser Hinsicht ist es schwierig, mit gewissen begrenzten Fähigkeiten bei der Verwendung einer Doppelfederkonfiguration eine Hubkontrolle vorzunehmen. Daher ist es wünschenswert, die Verwendung der Hydraulik zum Betätigen der Gaseinspritzeinrichtungen zu verhindern, insbesondere für Motoren mit hoher Drehzahl. „Hub" im Zusammenhang mit Ventilnadeln ist hier als die Verschiebung der Ventilnadel weg von ihrer geschlossenen Position/Sitzposition in ihre offene Position definiert.
Es ist ebenfalls bekannt, eine piezoelektrische oder magnetostriktive Betätigung (Vorrichtungen, die ihre Abmessungen unter der Wirkung eines elektrischen oder magnetischen Feldes ändern können) zum direkten Betätigen von Einspritzventilen zu verwenden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5.031.841 (das '841-Patent) eine Dosiereinrichtung, die ein Betätigungselement verwendet, das entsprechend dem Patent ein piezoelektrischer Stapel oder eine magnetostriktive Betätigungseinrichtung sein kann. Ein im '841-Patent offenbartes Merkmal ist das Hinzufügen einer Membran mit dem doppelten Zweck des Wirkens als eine Feder, die das Ventil in seine geschlossene Position vorspannt, und des Vorsehen einer Dichtung zwischen dem dosierten Fluid und der Betätigungseinrichtung. Das '841. Patent offenbart eine Einstellschraube zum mechanischen Einstellen der Position der Betätigungseinrichtung im Gehäuse. Entsprechend dem '841-Patent ist die Ventilnadel durch einen Druckstift mit der Betätigungseinrichtung starr verbunden.
Piezoelektrische oder magnetostriktive Betätigungseinrichtungen wurden ebenfalls in Einspritzventilen verwendet, um ein internes Hydrauliksteuerventil zu betätigen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5.819.710 (das '710-Patent) ein Einspritzventil, in dem ein Servoventil verwendet wird. Das Servoventil wird durch eine Betätigungselement betätigt, das ein piezoelektrischer Stapel oder ein magnetostriktives Material sein kann. Das Betätigungselement kann gesteuert werden, um das Servoventil behutsam zu schließen, damit der Verschleiß verringert wird und die Lebensdauer verbessert wird. Entsprechend dem '710-Patent kann das Servoventil-Betätigungselement mit einem Einführbolzen oder Gewindebolzen gepaart verwendet werden, um Unterschiede bei der thermische Ausdehnung zwischen der Betätigungseinrichtung und dem Einspritzeinrichtungsgehäuse auszugleichen (siehe Spalte 4, Zeilen 25-48).
Das US-Patent Nr. 8.845.852 (das '852-patent) beschreibt eine weitere Einspritzeinrichtung, bei der eine Piezoelektrische Betätigungseinrichtung verwendet wird, um ein internes Dreiwege-Hydrauliksteuerventil zu betätigen, damit das Haupteinspritz-Rückschlagventil geöffnet und geschlossen wird. Das '852-Patent beschreibt eine Piezoelektrische Betätigungseinrichtung, die mittels einer selbstblockierende Vorlast-Baugruppe wirkt. Diese selbstblockierende Vorlastbaugruppe hat drei Funktionen: (i) des Ausgleichens der Abmessungsänderungen und/oder Fehlerhaftigkeit bei den Abmessungen, (ii) des Kompensierens der nach oben gerichteten Kraft aufgrund des Kraftstoffdrucks, und (iii) des Vorbelastens des piezoelektrischen Stapels für eine bessere Leistung.
In ähnlicher Weise beschreibt das US-Patent Nr. 5.779.149 eine Einspritzeinrichtung, bei der eine Piezoelektrische Betätigungseinrichtung verwendet wird, die auf ein Hydraulik-Steuerventil mittels eines Hydraulikverstärkers wirkt, der zum Verstärken der Bewegung der Betätigungseinrichtung dient. Das Hydrauliksteuerventil gestattet, dass sich das Haupteinspritzventil öffnet und schließt, um die Menge an eingespritztem Kraftstoff zu dosieren.
Ein Problem bei der Verwendung einer Piezoelektrische oder magnetostriktiven Betätigungseinrichtung zum Betreiben eines Steuerventils, das wiederum die Strömung von Hydraulikfluid zum Betätigen eines Einspritzventils steuert, besteht darin, dass diese Anordnung die Zwischenwirkung eines Hydraulikfluids erfordert. Jegliche Verzöge rungen, die durch die Verschiebung des Hydraulikfluids verursacht werden, bewirken Verzögerungen bei der Betätigung der Einspritzeinrichtung. Dementsprechend besteht die Notwendigkeit, dass eine Einspritzeinrichtung durch eine Betätigungseinrichtung ohne eine zwischenwirkende, aktive hydraulische Betätigungseinrichtung, die Betätigungskräfte erzeugt, direkt betätigt wird. Ein weitere Nachteil der aktiven, hydraulisch betätigten Systeme besteht darin, dass ein Hydraulikfluid einem Hydraulikzylinder zugeführt werden muss und von diesem abgeführt werden muss. Wenn Dieselkraftstoff der durch den Motor verwendete Hauptkraftstoff ist, kann der Dieselkraftstoff als das Hydraulikfluid verwendet werden. Wenn jedoch ein gasförmiger Kraftstoff der Hauptkraftstoff des Motors ist, wäre ein getrenntes Hydraulikfluidsystem notwendig, um die Einspritzeinrichtungen zu betreiben, die auf der hydraulischen Betätigung beruhen.
Die US-Patente Nr. 5.697.554 und 4.813.601 beschreiben beide Ventile, bei denen eine andere Form von „aktivem" hydraulischen Systemverwendet wird, das auf der dynamischen Verschiebung und Strömung eines Hydraulikfluids beruht. Diese Patente offenbaren beide Ventile, die einen hydraulischen Verstärker für die Verschiebung verwenden, der die Bewegung der Betätigungseinrichtung verstärkt. Allgemein gesagt wird bei diesen Systemen eine Hydraulikverstärkerkammer verwendet, die mit einem im Wesentlichen inkompressiblen Hydraulikfluid gefüllt ist. Dieser Verstärkerkammer zugeordnet ist ein erstes bewegliches Element, das einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zugeordnet ist, und ein zweites bewegliches Element, das der Ventilnadel zugeordnet ist. Die Aktivierung der Betätigungseinrichtung bewirkt eine entsprechende Bewegung des ersten Elements, das Hydraulikfluid in der Verstärkerkammer verschiebt. Das erste Element ist in der Größe so gestaltet, dass dieses mehr Flüssigkeit je zurückgelegter Einheit als das zweite Element verschiebt, so dass die Bewegungen des ersten Elements verstärkte Bewegungen des zweiten Elementes ergeben, die durch die Verschiebung und die Strömung von Hydraulikfluid in der Verstärkerkammer verursacht sind. Das zweite Element ist typischerweise mit einer Ventilnadel verbunden.
Das US-Patent Nr. 4.726.389 (das '389-Patent) beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils, bei dem eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung, die durch ein Impulssignal aktiviert wird, verwendet wird. Das offenbarte Verfahren weist die Schritte des zeitweiligen Abschneidens der Zuführung des Impulssignals zur Betätigungseinrichtung zum Unterdrücken der Trägheit des Einspritzventils und zum dadurch erfolgenden Stabilisieren der Öffnungskennlinie des Ventils unmittelbar vor dem vollständigen Öffnen auf. Beim Schließen des Ventils weist das Verfahren ferner das zeitweilige Zuführen des Impulssignals nach dem Abschneideschritt des Impuls signals zum Unterdrücken der Trägheit des Einspritzventils und zum Stabilisieren der Schließkennlinie des Ventils unmittelbar vor dem vollständigen Schließen auf.
Die DE 29 31 847 A offenbar ein Kraftstoffeinspritzventil für einen flüssigen Kraftstoff, bei dem der flüssige Kraftstoff als ein Dämpfungsfluid zusammen mit der Masse eines Kolbens, der mit der Ventilnadel verbunden ist, verwendet wird. Eine Dämpfungskammer ist mit dem Kraftstoffzuflusskanal verbunden und flüssiger Kraftstoff kann die Dämpfungskammer füllen, so dass der flüssige Kraftstoff und die Masse des Kolbens zusammenwirken können, um einen Endabschnitt der Ventilnadel zu verankern. Das heißt, dass während der kurzen Zeitdauer, in der das Ventil offen ist, der Kolben stationär ist. Die Dämpfungskammer ist nicht abgedichtet und der flüssige Kraftstoff kann frei in die Dämpfungskammer und aus dieser heraus strömen. Eine Feder spannt den Kolben in Berührung mit der Ventilnadelbaugruppe vor und der Kolben ist beweglich, um den Einfluss der Schwankungen bei der Temperatur, beim Abrieb und den Herstellungstoleranzen auf den Ventilhub in elektromechanischen Ventilen zu verringern. Die DE 29 31 847 A offenbart kein Übertragungselement, das sich zwischen einer Betätigungseinrichtung und einer Ventilnadel befindet, über das Öffnungs- und Schließkräfte von der Betätigungseinrichtung auf die Ventilnadel übertragen werden können.
Zusammenfassung
Ein Einspritzventil nach Anspruch 1 spritzt Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dickflüssigkeit der Hydraulikverbindung im Ansprechen auf Änderungen bei der Dimensionsbeziehung, die durch differentielle thermische Ausdehnung und/oder Abrieb der Komponenten des Einspritzventils verursacht werden, automatisch einstellbar. Die Hydraulikverbindungsbaugruppe weist vorzugsweise einen abgedichteten Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem im Hydraulikzylinder angeordneten Hydraulikfluid auf. Der Kolben kann ein integraler Bestandteil der Ventilnadel sein.
Die Betätigungsanordnung weist vorzugsweise ein magnetostriktives Element oder einen piezoelektrischen Stapel auf. Wenn die Betätigungsanordnung ein magnetostriktives Element aufweist, befindet sich eine elektrische Spule um das magnetostriktive Element und ein Flussrohr befindet sich um die elektrische Spule herum. In einer bevorzugten Anordnung kann sich die Betätigungsanordnung in der Innenkam mer des Einspritzventils befinden. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungsanordnung rohrförmig und befindet sich diese in einem Ringraum um einen Zylinderabschnitt der Ventilnadel. Ein Endabschnitt der rohrförmigen Betätigungsanordnung kann in einer festgelegten Position in Bezug auf das Ventilgehäuse durch einen Pol gehalten werden, der das magnetostriktive Element stützt. Der Pol ist am Ventilgehäuse befestigt, um eine Bewegung des abgestützten Endes des magnetostriktiven Elements zu verhindern, wenn die Betätigungsanordnung aktiviert ist.
Wenn die Einspritzventil-Betätigungsanordnung ein magnetostriktives Element oder einen piezoelektrischen Stapel verwendet, ist die Betätigungsbaugruppe steuerbar, um den gewünschten Hub zwischen 10 und 100% des maximalen Hubs zu steuern. Das heißt, dass der Steuerimpulse, der zur Betätigungsbaugruppe gerichtet ist, moduliert werden kann, um einen vollständigen oder teilweisen Hub wie gewünscht vorzusehen. Wenn die Betätigungsbaugruppe ein magnetostriktives Element aufweist, ist der Steuerimpuls ein modulierter elektrischer Strom, der zu einer elektrischen Spule gerichtet ist, die ein Magnetfeld erzeugt. Wenn die Betätigungsbaugruppe einen piezoelektrischen Stapel aufweist, ist der Steuerimpuls eine modulierte Spannung, die an den piezoelektrischen Stapel angelegt wird.
Das vorliegende Einspritzventil ist insbesondere für das Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs geeignet, da die Fähigkeit zum Modulieren der Bewegung der Ventilnadel vorteilhaft verwendet werden kann, um die Schließwirkung der Ventilnadel zu verlangsamen, damit der Aufprall beim Schließen verringert wird. Wenn ein flüssiger Kraftstoff eingespritzt wird, wird der Schließaufprall durch die Verschiebung der dünnen Schicht des flüssigen Kraftstoffs gedämpft, die deutlich dichter als gasförmige Kraftstoffe ist. Wenn der Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist, kann dieser in die Verbrennungskammer mit einer Druck eingespritzt werden, der größer als ungefähr 2000 psi (13,8 MPA) ist.
Ein magnetostriktives Materials, das für die Verwendung beim vorliegenden Einspritzventilventil geeignet ist, weist ein Material auf, das als magnetostriktive ETREMA-Terfenol-D^®-Legierung bekannt ist, die von Etrema Products Inc. erhältlich ist. Die magnetostriktive ETREMA-Terfenol-D^®-Legierung ist eine Metalllegierung, die sich aus den Elementen Terbium, Dysprosium und Eisen zusammensetzt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ventilnadel, die durch eine magnetostriktive oder piezoelektrische Betätigungsanordnung betätigt wird, steuerbar, um sich zwischen der geschlossenen und offenen Position in weniger als ungefähr 250 Mikrosekunden zu bewegen.
Zum Verbessern des Bereiches des Ventilhubs für eine gegebene Länge der magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungsanordnung kann eine Kompressionskraft auf das magnetostriktive Element oder den piezoelektrischen Stapel aufgebracht werden. Durch das Vorbelasten der magnetostriktiven Elemente und der piezoelektrischen Stapel kann die effektive Verschiebung pro jeweiliger Einheit an angelegtem Magnetfeld oder aufgebrachter Spannung erhöht werden. Dementsprechend kann ein Kompressionsfederelement zum Aufbringen einer Kompressionskraft zum Vorbelasten des magnetostriktiven Elements oder des piezoelektrischen Stapels verwendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Kompressionsfederelement zumindest eine Federscheibe (auch als Belleville-Feder oder Belleville-Ringscheibe bekannt) auf.
Das Einspritzventilgehäuse kann eine Vielzahl an Teilen aufweisen, die miteinander verbunden sind, um einen fluiddichten Körper vorzusehen. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse ein hohles Hauptgehäuse mit einer entfernbaren Ventilabdeckung aufweisen, die den Zugriff auf Ventilkomponenten gestattet, die sich im Hauptgehäuse befinden. Das Ventilgehäuse kann ferner eine getrennte Ventilspitze aufweisen, so dass diese bei Verschleiß ersetzbar ist. Außerdem kann die Ventilspitze so gestaltet sein, dass diese der einzige Abschnitt des Ventilgehäuses ist, der dem Inneren der Verbrennungskammer direkt ausgesetzt ist. In dem Fall kann die Ventilspitze aus einem Material hergestellt sein, das eine größere Haltbarkeit vorsieht, wenn dieses direkt den Bedingungen ausgesetzt ist, die in einer Verbrennungskammer erwartet werden können.
Während die Hydraulikverbindung so gestaltet ist, dass diese Änderungen bei den Abmessungsbeziehungen zwischen den Ventilkomponenten ausgleicht, einschließlich Änderungen, die durch differentielle thermische Ausdehnung verursacht sind, können die Anforderungen, die an die Hydraulikverbindung gestellt werden, durch die Auswahl von Materialien für die Ventilkomponenten, die ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, verringert werden.
Ein bevorzugtes Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungsmotor weist auf:

(a) ein Ventilgehäuse mit einem Kraftstoffeinlassanschluss, einer Innenkammer, die mit dem Kraftstoffeinlassanschluss in Fluidverbindung steht, einer Düse mit einem Ventilsitz und einer Düsenöffnung, die einen Fluidkanal von der Innenkammer zur Verbrennungskammer vorsieht,
(b) eine Ventilnadel mit einem Zylinderabschnitt, der ein Abdichtende und einen Kolbenabschnitt mit einem Vorbelastungsendabschnitt hat, wobei sich die Ventilnadel im Ventilgehäuse befindet, wobei die Ventilnadel zwischen einer geschlossen Position, in der das Abdichtende den Ventilsitz berührt, um eine Fluidabdichtung der Innenkammer von der Düsenöffnung vorzunehmen, und einer geöffneten Position, in der das Abdichtende von dem Ventilsitz beabstandet ist, wodurch die Innenkammer mit der Düsenöffnung in Fluidverbindung steht, bewegbar ist, wobei der Ventilnadelhub gleich dem Abstand ist, der durch das Abdichtende vom Ventilsitz weg zurückgelegt wird,
(c) eine Nadelfeder, die dem Vorbelastungsende der Ventilnadel zugeordnet ist, wobei die Nadelfeder komprimiert ist, um eine Schließkraft auf die Ventilnadel aufzubringen, damit die Ventilnadel in die geschlossene Position vorgespannt wird,
(d) eine Betätigungsanordnung, die aktiviert werden kann, um eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel aufzubringen, die stärker als die Schließkraft ist, um die Ventilnadel in die geöffnete Position zu bewegen, wobei die Betätigungsanordnung aufweist: ein rohrförmige magnetostriktives Element, das sich um den Zylinderabschnitt der Ventilnadel herum befindet, eine elektrische Spule, die sich um das magnetostriktive Element herum befindet, ein Flussrohr, das sich um die elektrische Spule herum befindet, und eine Stütze für die Betätigungsanordnung; die als ein Pol wirkt und eine festgelegte Position für einen Endabschnitt des magnetostriktiven Element in Bezug auf das Ventilgehäuse vorsieht, und
(e) eine Hydraulikverbindungsbaugruppe, die aufweist einen abgedichteten Hydraulikzylinder, der sich um den Kolbenabschnitt der Ventilnadel befindet, ein Hydraulikfluid, das sich im Hydraulikzylinder befindet, wobei die Öffnungs- und Schließkräfte, die auf die Ventilnadel aufgebracht werden, über die Dickflüssigkeit des Hydraulikfluids übertragen werden, wodurch das Hydraulikfluid als eine Hydraulikverbindung wirkt und die Dickflüssigkeit im Ansprechen auf Änderungen bei der Abmessungsbeziehung zwischen den Komponenten des Einspritzventils automatisch einstellbar ist, um einen gewünschten Ventilnadelhub aufrechtzuerhalten, wenn die Betätigungsanordnung aktiviert ist.

Es wird ebenfalls ein Verfahren zum Verwenden einer geformten Wellenform zum Steuern eines Einspritzventils vorgesehen, das eine magnetostriktive oder piezoelektrische Betätigungsanordnung verwendet. Das Verfahren weist in der Folge auf:

(a) Einleiten eines Einspritzereignisses durch das Anlegen eines Steuerimpulses und Beschleunigen des Ventilöffnens durch das Erhöhen des Wertes des Steuerimpulses auf einen Spitzenwert, der größer als der für den gewünschten Hub erforderliche Wert ist (der Spitzenwert kann bis zu ungefähr einer Größenordnung höher als der Wert, der für den gewünschten Hub erforderlich ist, sein),
(b) Verringern des Steuerimpulses vom Spitzenwert auf einen Wert, der zum Vorsehen des gewünschten Hubes erforderlich ist,
(c) Verringern des Steuerimpulses auf einen negativen Wert zum Beschleunigen des Schließens vom Ventil,
(d) Erhöhen des Steuerimpulses auf einen positiven Wert zum Verlangsamen des Ventilschließens, um die Auftreffkraft der Ventilnadel auf den Ventilsitz zu verringern, und
(c) Verringern des Steuerimpulses auf Null zum Schließen des Ventils.

Das Verfahren kann ferner aufweisen das Formen der Wellenform zum Modulieren der Bewegung der Ventilnadel, beispielsweise, um nur einen Teilhub vorzusehen, wenn eine verringerte Kraftstoffströmung gewünscht ist. Dieses Ergebnis könnte erzielt werden, beispielsweise durch das momentane Verringern des Steuerimpulses auf einen Wert, der niedriger als der Wert ist, der für den gewünschten Hub notwendig ist, um die Mittelwert des Steuerimpulses während des Einspritzereignisses zu verringern. Die Verringerung beim Steuerimpulswert ist vorzugsweise zeitlich so gestaltet, dass diese unmittelbar nach dem Erhöhen des Steuerimpulses auf den Spitzenwert auftritt, so dass der reduzierte Steuerimpuls hilft, den Öffnungsvorgang der Ventilnadel zu stoppen.
Wenn die Betätigungsanordnung ein magnetostriktives Element verwendet, ist der Steuerimpuls ein modulierter elektrischer Strom, der zu einer elektrischen Spule gerichtet ist, die ein Magnetfeld erzeugt, das in die Richtung der Betätigung orientiert ist. Wenn die Betätigungsanordnung einen piezoelektrischen Stapel verwendet, ist der Steuerimpuls eine modulierte Spannung, die auf den piezoelektrischen Stapel aufgebracht wird.
In dem bevorzugten Verfahren kann die Zeit, die benötigt wird, um die Ventilnadel zwischen der gewünschten Position und der gewünschten offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 175 Mikrosekunden sein. Es ist jedoch typischer, dass die Zeit, die zum Bewegen der Ventilnadel zwischen der geschlossenen Position und der gewünschten offenen Position notwendig ist, so kurz wie ungefähr 250 Mikrosekunden ist.
Ein Vorteil des vorliegenden Einspritzventils ist, dass dieses für Hochdruck-Direkteinspritzung von Kraftstoffen in Verbrennungsmotore spät im Zyklus verwendet werden kann. Beispielsweise kann das vorliegende Einspritzventil verwendet werden, um gasförmigen Kraftstoff in die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors mit Drücken zwischen ungefähr 2000 und 5000 psi (ungefähr 13,8 und 34,5 MPA) einzuspritzen. Das vorliegende Einspritzventil kann verwendet werden, um flüssige Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren mit sogar höheren Drücken einzuführen.
Ein noch weitere Vorteil des vorliegenden Einspritzventils besteht darin, dass dieses ein Einspritzventil vorsieht, das die Notwendigkeit einer aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtung und des zugeordneten Hochdruck-Hydrauliksystems zum Erzeugen der Betätigungskraft zum Betätigen des Einspritzventils beseitigt. Herkömmliche aktive hydraulische Betätigungseinrichtungen unterscheiden sich von der Hydraulikverbindung der vorliegenden Erfindung, die als eine passive Hydraulikverbindung beschrieben werden kann, da das Hydraulikfluid, das in der Hydraulikverbindungsanordnung abgedichtet ist, lediglich Betätigungskräfte überträgt, jedoch nicht verwendet wird, um eine Betätigungskraft zum Betätigten des Ventils zu erzeugen. Stattdessen besteht der Zweck der Hydraulikverbindung im Vorsehen eines Lastpfades für die entgegengesetzten Betätigungskräfte, die von zumindest einem Federelement und der Betatigungsanordnung herrühren. Ein Vorteil des Beseitigen der Notwendigkeit einer herkömmlichen aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtung besteht im Beseitigen der zugeordneten aktiven hydraulischen Systeme. Herkömmliche aktive hydraulische Betätigungseinrichtungen, wie die, bei denen ein schnelles Erhöhen und Verringern des Hydraulikfluiddrucks verwendet wird, um ein Einspritzventil zu betätigen, müssen mit einer Quelle von Hochdruckhydraulikfluid verbunden sein und benötigen Ventile zum Steuern der Strömung von Hydraulikfluid in die aktive hydraulische Betätigungseinrichtung und aus dieser heraus. Aktive hydraulische Betätigungseinrichtungen verwenden Hydraulikfluid, das in einen Hydraulikzylinder und aus diesem heraus bewegt wird, und wenn der Hydraulikzylinder mit einer Quelle an Hochdruckhydraulikfluid in Fluidverbindung steht, erzeugt das Hochdruckhydraulikfluid, dass in den Hydraulikzylinder strömt, die Betätigungskraft, die zum Bewegen der Ventilnadel verwendet wird. Die Betätigungskraft wird entfernt, wenn der Hydraulikzylinder von der Quelle des Hochdruckhydraulikfluids getrennt wird und das Hydraulikfluid vom Hydraulikzylinder abgelassen wird. Ein Nachteil der aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtungen von diesem Typ besteht darin, dass ein Zeitversatz besteht, der mit dem Bewegen des Hydraulikfluids in den Hydraulikzylinder und aus diesem heraus im Zusammenhang steht.
Ein weiterer Vorteil der passiven Hydraulikverbindung besteht darin, dass diese zum Korrigieren der differentiellen thermischen Ausdehnung, des Abriebs und der Dimensionsvariabilität in den gestatten Herstellungs- und Zusammenbautoleranzen verwendet werden kann. Die offenbarte, passive Hydraulikverbindung nimmt dieses durch das eigene automatische Einstellen im Ansprechen auf diese Effekte vor, indem eine Bewegung des Hydraulikfluids zwischen entgegengesetzten Seite des Hydraulikkolbens gestattet wird. Die Betätigungsbaugruppe setzt sich somit selbst auf Null zurück, um abzusichern, dass der gewünschte Ventilhub aufrechterhalten wird.
Ein Vorteil bei der Verwendung eines direkt betätigten Einspritzventils besteht darin, dass ein geformter Steuerimpuls verwendet werden kann, um die Beschleunigung und Verlangsamung der Ventilnadel zu steuern, wenn sich diese zwischen der offenen und geschlossenen Position bewegt. Beispielsweise kann, wenn eine magnetostriktive Betätigungseinrichtung verwendet wird, der Strom, der an die elektromagnetische Spule angelegt wird, gesteuert werden, um beispielweise den Strom in einer Weise zu verringern, so dass das Ventil behutsam geschlossen wird. In ähnlicher Weise kann, wenn eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung verwendet wird, die an den piezoelektrischen Stapel angelegte Spannung gesteuert werden, um beispielweise das Öffnen des Ventil durch das Vorsehen einer Überspannung zum Anfang zu beschleunigen (d.h. eine Spannung, die höher als die Spannung ist, die zum Vorsehen der notwendigen Verschiebung benötigt wird). Somit können Steuerimpulse verwendet werden, um das Ausdehnen und das Zusammenziehen der magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zu steuern, damit die Bewegung der Ventilnadel gesteuert wird. Ein Vorteil des Steuerns des Verlangsamens der Ventilnadel ist, dass das Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz beim Schließen verringert werden kann, um den Abrieb der Ventilkomponenten zu verringern, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
Ein noch weiterer Vorteil des vorliegenden Einspritzventils ist, dass der Steuerimpuls geformt werden kann, um einen Teilhub der Ventilnadel in einer wiederholbaren Weise vorzusehen. Der Hubbetrag kann gesteuert werden, indem der Steuerimpuls geformt wird, so dass der Betrag des elektrischen Stroms oder der Spannung, die zur jeweiligen magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungsanordnung gerichtet ist, gesteuert wird.
Ein noch weiterer Vorteil des offenbarten Einspritzventils ist, dass der tatsächliche Ventilnadelhub sehr klein ist (typischerweise weniger als 0,1 Millimeter), so dass im Vergleich zu Ventilen, die für einen größeren Ventilnadelhub gestattet sind, die Ventil nadelgeschwindigkeit, die zu Öffnen des vorliegenden Einspritzventils erforderlich ist, viel kleiner ist.
Diese und andere Vorteile werden durch eine direkt gesteuerte Einspritzeinrichtung wie nachstehend beschrieben vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines direkt betätigten Kraftstoffeinspritzventils,
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines oberen Abschnitts des Kraftstoffeinspritzventils von 1,
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines unteren Abschnitts des Kraftstoffeinspritzventils von 1,
4 ist eine Zeitdarstellung für ein bevorzugtes Verfahren zum Steuern des elektrischen Stromes, der an die Betätigungsanordnung des Kraftstoffeinspritzventils von 1 angelegt wird, und
5 ist eine Zeitdarstellung für ein bevorzugtes Verfahren zum Steuern der Spannung, die an eine piezoelektrischen Betätigungsanordnung für ein Kraftstoffeinspritzventil angelegt wird.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels/der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die 1 bis 3 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines direkt betätigten Kraftstoffeinspritzventils 100 für einen Verbrennungsmotor. Das Einspritzventil 100 weist ein längliches Ventilgehäuse 102 auf, das mit einer Ventilabdeckung 104 und einer Ventilspitze 106 zusammenwirkt, um ein fluiddichtes Ventilgehäuse vorzusehen. Die Dichtungen können verwendet werden, um abzusichern, dass das zusammengebaute Ventilgehäuse fluiddicht ist. Die Ventilabdeckung 104 weist einen Einlassanschluss 108 auf, durch den Kraftstoff in das Ventilgehäuse eintritt, und eine Ventilspitze 106 weist zumindest eine Düsenöffnung 110 auf, durch die Kraftstoff das Ventilgehäuse verlässt. Die Ventilspitze 106 weist ferner einen Ventilsitz 112 auf.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das deutlicher in der vergrößerten Ansicht von 3 gezeigt ist, ist der Ventilsitz 112 abgewinkelt, um die Fluidströmung, die dem Dichtungsbereich folgt, zu maximieren (wobei die Ventilnadel 114 den Ventilsitz 112 berührt). Der differentielle Winkel zwischen der Stirnfläche der Ventilnadel 14 und dem Ventilsitz 112 ist so ausgewählt, dass sich der Strömungsbereich nicht verringert, wenn sich Gas nach innen zur zentralen Verengung der Ventilspitze 106 bewegt, die eine Düsenöffnung/Düsenöffnungen 100 speist.
Ventilnadel
Die Ventilnadel 114 befindet sich im Inneren des Ventilgehäuses und berührt den Ventilsitz 112, um das Einspritzventil 100 zu schließen, indem verhindert wird, dass. Kraftstoff über den Ventilsitz 112 hinaus zur Düsenöffnung 110 gelangt. Im Ausführungsbeispiel von 1 weist die Ventilnadel 114 einen Ventilschaft 114a auf, der sich in die geöffnete Position bewegt, indem eine Bewegung im Ventilgehäuse nach innen erfolgt, um ein Abheben vom Ventilsitz 112 weg vorzunehmen. Der Ventilschaft 114a ist ein Zylinderelement und, da der Ventilhub im Allgemeinen gering ist (beispielsweise ungefähr 65 Mikrometer), wird der Durchmesser des Ventilschaftes 114a ausgewählt, um eine ausreichende Strömungskapazität durch das Ventilöffnen vorzusehen, da der Strömungsbereich (A) zum Ventilschaftdurchmesser proportional ist (d.h. A = πx Durchmesser x Hub). Somit kann ein geringer Hub durch einen größeren Durchmesser ausgeglichen werden. In dem durch 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ventilnadel 114 ferner ein getrenntes Kolbenelement auf, das mit der Ventilnadel 114 zusammenwirkten kann, um die gleiche Wirkung vorzusehen. In einer alternativen Anordnung (nicht gezeigt) kann eine Ventilspitze vom Kegeltyp verwendet werden, so dass die Abwärtsbewegung der Ventilnadel ein Öffnen von diesem bewirkt. In dieser alternativen Anordnung ist die Betätigungsanordnung vorzugsweise oberhalb der Ventilnadel 114 positioniert, so dass, wenn die Betätigungseinrichtung erregt wird, um das Einspritzventil zu öffnen, eine abwärtsgerichtete Kraft auf die Ventilnadel 114 aufgebracht wird.
Federanordnung
Eine Federanordnung spannt eine Ventilnadel 114 in die geschlossene Position. In einer bevorzugten Anordnung weist die Federanordnung zumindest eine Nadelfeder 116 zum Vorsehen einer Schließkraft an einer Ventilnadel 114 auf. Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel aus 1 weist die Federanordnung ferner eine Nadelfederführung 118 zum Übertragen der Schließkraft von der Nadelfeder 116 zur Ventilna del 114 auf. Die Nadelfeder 116 wird durch eine Nadelfedereinstelleinrichtung 120 in Kompression gehalten, die mit einem Nadelfedergehäuse 122 zusammenwirkt, um einen Lastpfad zum Ventilgehäuse 102 vorzusehen. In einer bevorzugten Anordnung vereinigen jeweilige mit Gewinde versehen Flächen die Nadelfedereinstelleinrichtung 120 mit dem Nadelfedergehäuse 122 und das Nadelfedergehäuse 122 mit dem Ventilgehäuse 102. Nachdem die Nadelfedereinstelleinrichtung 120 gedreht wurde, um die Nadelfeder 116 zu komprimieren, damit die gewünschte Vorlastkraft an der Nadelfeder 116 vorgesehen wird, kann die Sicherungsmutter 124 festgezogen werden, um ein Lockern der Nadelfedereinstelleinrichtung 120 zu verhindern. Die Federenergie, die durch das Komprimieren oder Vorbelasten der Nadelfeder 116 eingestellt wurde, sieht die Schließkraft vor, um die Ventilnadel 114 in der geschlossenen Position zu halten.
Betätigungsanordnung
Eine Betätigungsanordnung kann aktiviert werden, um eine Öffnungskraft vorzusehen, die entgegensetzt zur durch die Federanordnung vorgesehenen Schließkraft und größer als diese ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Betätigungsanordnung ein Element auf, das sich in Richtung der Öffnungskraft ausdehnt oder zusammenzieht, wenn das Element einem Magnetfeld oder einer elektrischen Spannung ausgesetzt ist, wie z.B. ein magnetostriktives Material oder ein piezoelektrischer Stapel.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungsanordnung eine magnetostriktive Betätigungsanordnung, die ein magnetostriktives Element 130, eine elektrische Spule 132, die um den Außendurchmesser des magnetostriktiven Elements 130 herum angeordnet ist, ein Flussrohr 134, das um die elektrische Spule 132 angeordnet ist, aufweist. Das Flussrohr 134 kann aus herkömmlichem Kohlenstoffstahl mit einem Schlitz in Längsrichtung zum Brechen von Wirbelstrom hergestellt sein. Ein elektrischer Strom wird einem elektrischen Anschlussstück 136 zugeführt. Elektrische Leitungen (nicht gezeigt) leiten den elektrischen Strom vom elektrischen Anschlussstück 136 zur elektrischen Spule 132. Wenn ein elektrischer Strom an die elektrische Spule 132 angelegt wird, entwickelt sich ein magnetischer Fluss, der durch das magnetostriktive Element 130, den Pol 138, 140 und 142 und das Flussrohr 134 fließt. Pole 138, 140 und 142 sind aus einem geeigneten Material, wie z.B. Kohlenstoffstahl (z.B. CS1018) oder Stahl mit einer niedrigeren magnetischen Hysterese gefertigt. Der Pole 138 ist ein „fester" Pol, der eine strukturelle Stütze für ein erstes Ende des magnetostriktiven Elements 130, die elektrische Spule 132 und das Flussrohr 134 vorsieht. Dem Pol 140 ist ein zweites Ende des magnetostriktiven Elements 130 zuge ordnet und dem Pol 142 ist ein zweites Ende der elektrischen Spule 132 und des Flussrohres 134 zugeordnet. Der Pol 140 ist ein „innerer" Pol und der Pol 142 ist ein „äußerer" Pol, der sich um den inneren Pol 140 konzentrisch befindet. Der Pol 142, die elektrische Spule 132 und das Flussrohr 134 werden durch eine Sicherungsmutter 144 am Platz gehalten, die vorzugsweise in die Innenwand des Ventilgehäuses 102 geschraubt ist. Die Pole 140 und 142 wirken miteinander zusammen, um einen Strömungspfad an dem zweiten Ende der Betätigungsanordnung vorzusehen, jedoch kann sich der Pol 140 bezüglich dem Pol 142 bewegen, so dass sich das magnetostriktive Element 130 in die Richtung des magnetischen Feldes ausdehnen kann, das so ausgerichtet ist, dass die Betätigungsanordnung eine Öffnungskraft entgegen der Schließkraft der Federanordnung vorsieht.
Eine Vorkompressionskraft wird vorzugsweise auf das magnetostriktive Element 130 aufgebracht, um die Größe der Ausdehnung zu verstärken, wenn ein magnetisches Feld aufgebracht wird. Eine Vorkompression des magnetostriktiven Elements 130 erhöht die Nutzverschiebung je Einheit an aufgebrachtem Magnetfeld. In ähnlicher Weise erhöht, wenn ein piezoelektrisches Element statt dem magnetostriktiven Element 130 verwendet wird, eine Vorkompression die Nutzverschiebung des piezoelektrischen Elements je Einheit von aufgebrachter elektrischer Spannung. Eine Feder, wie z.B. eine Scheibenfeder 150 kann eingesetzt werden, um eine Vorkompressionskraft vorzusehen. Alternative Kompressionselemente können statt der Scheibenfeder 150 eingesetzt werden, um die Vorkompressionskraft vorzusehen, wie z.B. eine Federscheibe oder ein anderer Typ von Feder mit der gleichen Federkraft, ein hydraulischer Kolben, oder eine Kombination der Kompressionselemente. Wenn eine Vorkompressionskraft verwendet wird, kann sich die Verschiebung der Betätigungseinrichtung um ungefähr 0,13% der gesamten Länge des magnetostriktiven Elements 130 erhöhen. Der Betrag der Verschiebung kann jedoch als eine Funktion der sich erhöhenden Temperatur abnehmen. Beispielsweise kann bei typischen Kopftemperaturen des hin- und hergehenden Motorzylinders die tatsächliche Verschiebung ungefähr 0,065% der Länge des vorkomprimierten magnetostriktiven Elements 130 betragen.
Die Abmessungen des magnetostriktiven Elements werden durch die Anforderungen des Einspritzventils 100 diktiert. Beispielsweise ist, wenn das Einspritzventil 100 gestaltet ist, um einen Hub von zumindest ungefähr 65 μm vorzusehen, das magnetostriktive Element 130 so dimensioniert, dass es eine Länge von zumindest ungefähr 100 mm hat. Zusätzlich wird die Wanddicke des ringförmigen magnetostriktiven Elements 130 ausgewählt, um eine ausreichende Kraft vorzusehen, damit alle entgegengesetzten Kräfte, die das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position halten, überwunden werden. Wenn der Querschnittsbereich des ringförmigen magnetostriktiven Elements 130 nicht ausreichend ist, können die entgegengesetzten Kräfte eine Längsverschiebung des magnetostriktiven Elements 130 verringern oder verhindert, selbst wenn die elektrischen Spule 132 vollständig erregt wird. Dieser Modus ist als Modus der „blockierten Kraft" bekannt. Dementsprechend diktiert die Größe der Schließkräfte, die auf die Ventilnadel 114 wirken, den Querschnittsbereich des magnetostriktiven Elements 130.
Während 1 ein magnetostriktives Element 130 zeigt, können die elektrische Spule 132 und das Flussrohr 134 durch einen piezoelektrischen Stapel (nicht gezeigt) ersetzt werden. Das elektrische Anschlussstück 136 kann verwendet werden, um einen elektrische Spannung zu dem piezoelektrischen Stapel zu leiten. Wenn eine elektrische Spannung an einen piezoelektrischen Stapel angelegt wird, expandiert der Stapel und entwickelt sich eine Bewegungskraft zum Öffnen des Einspritzventils 100.
Wie es in 1 gezeigt ist, kann die Betätigungsanordnung in einem Ventilgehäuse 102 angeordnet sein und sich konzentrisch um einen Ventilschaft 114a befinden, wo diese einen Teil des ringförmigen Raumes zwischen dem Ventilschaft 114a und dem Ventilgehäuse 102 einnimmt. Dementsprechend kann die Betätigungsanordnung Kraftstoff ausgesetzt sein, der durch das hohle Ventilgehäuse auf seinem Weg vom Einlassanschluss 108 zur Düsenöffnung 110 gerichtet ist.
Hydraulische Verbindungsanordnung
Die Öffnungskraft, die durch die Betätigungsanordnung erzeugt wird, wird zur Ventilnadel über eine hydraulische Verbindungsanordnung übertragen. Die hydraulische Verbindungsanordnung weist einen hydraulischen Zylinder 160 auf, der sich in einer eng eingepassten Beziehung um den hydraulischen Kolben 114b befindet, der in der Bewegung in Längsrichtung im Zylinder 160 frei ist. Gemäß Vorbeschreibung ist im Ausführungsbeispiel von 1 ein Hydraulikkolben 114b ein integraler Teil der Ventilnadel 114 und unterstützt die Seitenwand des Zylinders 160 die Führung der Bewegung der Ventilnadel 114 in Betätigungsrichtung. Ein viskoses Hydraulikfluid ist im Hydraulikzylinder 160 durch eine Zylinderabdeckung 162 und Dichtungen 166, 168 und 169 (siehe 2) abgedichtet. Die Dichtungen 166 und 168 gestatten, dass sich die Ventilnadel 114 in Bezug auf die Zylinderabdeckung 162 bzw. den Zylinder 160 bewegt. Bekannte Dichtungen können verwendet werden, beispielsweise elastomere O-Ringdichtungen, eine Packung, Metalldichtungen oder Membrane/Balg-Dichtungen.
Der Durchmesserzwischenraum-Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Hydraulikkolbens 114b und dem Innendurchmesser des Hydraulikzylinders 160 ist äußerst gering (in der Größenordnung von 50 bis 150 Mikrometer). Die gewünschte Größe des Zwischenraum-Spalts hängt von der Viskosität des ausgewählten Hydraulikfluids ab. Die hydraulische Strömung im Zwischenraum-Spalt wird durch die Hagen-Poiseuillesche Strömung beherrscht und das Hydraulikfluid und der Zwischenraum-Spalt sind vorzugsweise ausgewählt, so das die Strömung des Hydraulikfluids durch den Spalt in der Zeitspanne der Kraftstoffeinspritzereignisse unbedeutend ist, wenn eine Öffnungskraft über das Hydraulikfluid übertragen wird. Ferner hat das Hydraulikfluid vorzugsweise eine ausreichend hohe Viskosität und ein ausreichend hohes Kompressionsmodul, so dass dieses als inkompressibler Feststoff wirkt, wenn eine Aktivierung der Betätigungsanordnung bewirkt, dass eine Ventilöffnungskraft über das Hydraulikfluid zwischen dem Boden des Zylinders 160 und dem Hydraulikkolben 114b schnell übertragen wird. Für eine Beständigkeit des Betriebs ist das Hydraulikfluid vorzugsweise ein extrem stabiles Fluid, das seine gewünschten Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich aufrechterhält (d.h. innerhalb der erwarteten Betriebstemperaturen im Zylinder 160). Geeignete Hydraulikfluide sind beispielsweise herkömmliches Motorenöl, wie z.B. Güteklasse 15W40, oder synthetische Schmiermittel, wie DuPont^® „Krytox^®"-Fett, das in einem Bereich an Viskositäten verfügbar ist. Krytox^® ist ein synthetisches PerFluoroPolyEther(PFPE)-Schmiermittel, das mit einem Verdickungsmittel zum Bilden von Fett gemischt wird. Diese Typen von Hydraulikfluid helfen auch beim Schmieren der Dichtungen 166 und 168. Unterschiedliche Einspritzventile können Kolben mit unterschiedlicher Größe und Zwischenraum-Spalt mit unterschiedlicher Größe haben, so dass das Hydraulikfluid unter Berücksichtigung der Eigenschaften der individuellen Einspritzventilgestaltung ausgewählt werden kann.
Wenn das Einspritzventil 100 geschlossen und im Ruhezustand ist, wird die Schließkraft über das Hydraulikfluid, das zwischen der Zylinderabdeckung 162 und dem Hydraulikkolben 114b gehalten wird, übertragen. Typischerweise ist während des Motorbetriebes das Einspritzventil 100 die meiste Zeit geschlossen (normalerweise über 90% der Zeit). Dementsprechend gibt es nicht ausreichend Zeit zwischen den Einspritzereignissen für das Hydraulikfluid, um sich selbst zu verteilen, indem dieses durch den Zwischenraumspalt strömt, so dass sich der Hydraulikzylinder 160 in Bezug auf den Kolben 114b bewegt, um sich automatisch wieder auf Null einzustellen. Die anfängliche Nullposition ist die Position des Hydraulikkolbens 114b im Hydraulikzylinder 160 nach dem Zusammenbau des Einspritzventils 100. Die anfängliche Nullposition kann aufgrund der Änderung bei der Länge der Komponenten innerhalb der Herstellungstoleranzen nicht für alle Einspritzeinrichtungen die gleiche sein. Auch stellt sich während des Betriebes die Nullposition selbst ein, um sich in Abhängigkeit beispielsweise vom Komponentenabrieb oder von den Wirkungen der thermischen Ausdehnung auf die Dimensionsbeziehung zwischen den Komponenten zu ändern.
Die differentielle thermische Ausdehnung oder Kontraktion kann durch Unterschiede bei den thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder eine ungleichmäßige Wärmeverteilung zwischen den Komponenten verursacht werden. Auch wenn die Komponente des Einspritzventils 100, wie z.B. das magnetostriktive Element 130, die Ventilnadel 114 und das Ventilgehäuse 102, so gestaltet sind, dass diese an die thermischen Ausdehnungsraten der anderen Komponenten vernünftig angepasst sind, müssen, da der Ventilnadelhub und die Verschiebung der Komponenten, die den Hub bewirkt, so klein sind, die Wirkungen der thermischen Ausdehnung oder Kontraktion nicht berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass der gewünschte Ventilnadelhub erreicht wird. Die Wirkungen der thermischen Ausdehnung und Kontraktion können verstärkt werden, wenn das Einspritzventil einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt ist. Für in Fahrzeugen eingesetzte Einspritzventilen würde es nicht ungewöhnlich sein, einen Temperaturbereich zwischen –40°C (bei kaltem Klima) und +125°C (bei laufendem Motor) zu erwarten. Eine ungleiche Temperaturverteilung kann aus zahlreichen Faktoren resultieren wie z.B. dem Einfluss von (1) Wärme, die an den Spulen erzeugt wird, (2) der magnetischen Hysterese in der Betätigungsanordnung und (3) dem Wärmeübergang vom Zylinderkopf oder dem Verbrennungsraum über die Ventilspitze 106. Wenn dieses nicht berücksichtigt wird, kann die gesamte Wirkung der differentiellen thermischen Ausdehnung oder Kontraktion auf die Verschiebung der Ventilnadel 114 größer als der angestrebte Hub sein.
Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass die Hydraulikverbindungsanordnung Änderungen bei den Abmessungen der Komponenten, die aus den gestatteten Toleranzen bei den Herstellungsprozessen und den Einspritzventilzusammenbauverfahren erwachsen, berücksichtigt. Daher verringert die Hydraulikverbindungsanordnung die Herstellungskosten, um zu gestatten, dass die Einspritzventilkomponenten auf weniger genaue Toleranzen gefertigt werden. Außerdem stellt sich die Hydraulikverbindungsanordnung während des Betriebs selbst zwischen den Einspritzereignissen ein, um Änderungen bei der Abmessungsbeziehung zwischen Einspritzventilkomponenten zu berücksichtigen, die beispielweise durch Komponentenabrieb oder eine differentielle thermische Ausdehnung oder Kontraktion verursacht werden können.
Zusammenfassung des Betriebes
Wenn sich das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position befindet, stammt die Schließkraft, die die Ventilnadel 114 gegen den Ventilsitz 112 drückt, von der Nadelfeder 116. Von der Nadelfeder 116 wird die Schließkraft über die Nadelfederführung 116 zur Ventilnadel 114 übertragen. Es ist für die Schließkraft zu bevorzugen, dass diese durch ein mechanisches Federelement, wie die dargestellte Schraubenfeder, vorgesehen wird, so dass der Ausfallmodus für das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position ist. Das heißt, dass, wenn die Betätigungsanordnung nicht erregt ist oder ausfällt, das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position verbleibt.
Zum Initiieren eines Einspritzereignisses wird die Betätigungsanordnung erregt, indem ein elektrischer Strom zur elektrischen Spule 132 gerichtet wird. Ein magnetischer Fluss entwickelt sich, der durch das magnetostriktive Element 130, die Pole 138, 140 und 142 sowie das Flussrohr 134 strömt. Unter der Einfluss des Magnetfeldes dehnt sich das magnetostriktive Element 130 in der Länge (in Richtung des Magnetfeldes) aus. Da sich der Pol 138 in der befestigten Position befindet, dehnt sich das magnetostriktive Element 130 in der Richtung der des Hydraulikzylinders 160 aus. Eine Öffnungskraft, die vom sich ausdehnenden, magnetostriktiven Element 130 her stammt, wird über den inneren Pol 140, die Basis des Zylinders 160, das Hydraulikfluid 164b (siehe 2), das zwischen der Basis des Zylinders 160 und einer planaren Fläche des Hydraulikkolbens 114b gehalten wird, und schließlich über den Kolben 114b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ventilnadel 114 einstückig ist, übertragen. Die Öffnungskraft ist größer als die Schließkraft, woraus sich eine Kompression der Nadelfeder 116 ergibt. Die Verschiebung des Hydraulikzylinders 160 bewirkt ebenfalls eine weitere Kompression der Scheibenfeder 150.
Wie zuvor diskutiert hat, da die Ventilbetätigung plötzlich auftritt (in der Größenordnung von 200 μs), das Hydraulikfluid 164b nicht ausreichend Zeit, durch den schmalen Zwischenraumspalt zwischen den Kolben 114b und dem Hydraulikzylinder 160 zu strömen. Statt dessen wirkt das Hydraulikfluid 164b als ein Festkörper und überträgt dieses die Bewegung des magnetostriktiven Elements 130 zur Ventilnadel 114 über den Kolben 114b, wodurch bewirkt wird, dass die Ventilnadel 114 vom Ventilsitz 112 abhebt. Da das Einspritzventil 100 für einen solchen kurzen Zeitraum offen bleibt (typischerweise weniger als 3 Millisekunden), ist, solange wie die Viskosität des Hydraulikfluids 164 in geeigneter Weise ausgewählt und der Zwischenraumspalt in geeigneter Weise in der Größe gestaltet ist, die Strömung von Hydraulikfluid 164 durch den Zwischenraumspalt bei geöffnetem Einspritzventil 100 unbedeutend, so dass eine jegliche Verschiebung, die durch einen solche Strömung verursacht ist, wesentlich kleiner als die gesamte Verschiebung der Ventilnadel 114 ist.
Die Bewegung der Ventilnadel 114 ist nahe der Ventilspitze 106 durch eine Führung 180 geführt (siehe 3). 3 zeigt einen ringförmigen Raum 182, der um den Ventilschaft 114a angeordnet ist. Zwischen den Einspritzereignissen verbleibt Kraftstoff im ringförmigen Raum 182. Wenn das Einspritzventil 100 geöffnet ist, strömt Kraftstoff durch den ringförmigen Raum 182, andere Spalte zwischen den Ventilkomponenten und Öffnungen, die in bestimmten Ventilkomponenten vorgesehen sind, die alle zusammenwirken, um die frei Strömung von Kraftstoff vom Einlassanschluss 108 zur Düsenöffnung 110 zu gestatten (die eine einer Vielzahl von Düsenöffnungen sein kann, die radial von der Düsenverengung ausgerichtet sind). Beispielsweise zeigen die 1 bis 3 Öffnungen, die Fluiddurchlässe durch die Komponenten vorsehen, wie z.B. das Nadelfedergehäuse 122, die Sicherungsmutter 144 und den Pol 138. 3 zeigt ebenfalls eine Dichtung 184 zwischen dem Ventilgehäuse 102 und der Ventilspitze 106 und der Zylinderkopfflächendichtung 186, die zwischen dem Einspritzventil 100 und dem Motorzylinderkopf (nicht gezeigt) abdichtet.
Wenn Kraftstoff durch das Ventilgehäuse 102 strömt, kühlt der Kraftstoff die Betätigungsanordnung. Der Kraftstoffströmungspfade ist vorzugsweise angeordnet, um die beste Kühlung für die Innendurchmesserfläche der elektrischen Spule 132 und die Außendurchmesserfläche des magnetostriktiven Elements 130 vorzusehen. Außerdem kann ein kleiner Prozentsatz an Kraftstoffströmung, vielleicht bis zu ungefähr 20%, gerichtet werden, um zwischen dem Innendurchmesser des magnetostriktiven Elements 130 und der Fläche des Zylinderventilschafts 114a zu strömen. Wenn der Kraftstoff zum Kühlen der Betätigungsanordnung auf diese Weise verwendet wird, sagt die thermische Modellierung eine Temperaturerhöhung von weniger als 10°C voraus.
Zum Schließen des Einspritzventils 100 zum Ende des Einspritzereignisses wird eine elektrische Spule 132 entregt, wodurch ein Kontrahieren das magnetostriktiven Elements 130 bewirkt wird. Wenn sich die Ventilnadel 114 von der offenen Position zur geschlossenen Position bewegt, stammt die Schließkraft von der Nadelfeder 166 und der Scheibenfeder 150. Die Schließkraft von der Nadelfeder 116 wird erneut zur Ventilnadel 114 über die Nadelfederführung 118 übertragen. In der offenen Position hat das ausgedehnte magnetostriktive Element 130 die Scheibenfeder 150 komprimiert, so dass sich beim Schließen die Scheibenfeder 150 entspannt, um den Zylinder 160 herunterzudrücken und das magnetostriktive Element 130 zu komprimieren. Die Scheibenfeder 150 kann ebenfalls eine zusätzliche Schließkraft an der Ventilnadel 114 vorsehen, indem eine Schließkraft erzeugt wird, die von der Scheibenfeder 150 über die Zylinderabdeckung 162, das Hydraulikfluid 164a und den Hydraulikkolben 114b übertragen wird.
Wenn sich die Ventilnadel 114 von der offenen Position zur geschlossenen Position bewegt, ist die Zeit, die verstreicht, erneut typischerweise weniger als 250 Mikrosekunden und vorzugsweise weniger als ungefähr 200 Mikrosekunden, so dass das Hydraulikfluid 164 erneut keine Zeit hat, um zwischen dem Zwischenraumspalt zwischen dem Kolben 114b und dem Zylinder 160 zu strömen. Folglich baut sich der Druck im Hydraulikfluid 164a an der oberen planaren Fläche des Kolbens 114b auf.
Sobald die Ventilnadel 114 den Ventilsitz 112 berührt, wird das Einspritzventil 100 geschlossen. Wenn das Einspritzventil 100 geschlossen ist, nimmt die Hydraulikverbindungsanordnung eine automatische Selbsteinstellung vor, so dass die Position des Hydraulikzylinders 160 bezüglich des Hydraulikkolbens 114b korrigiert wird, um die Wirkungen der Temperatur, des Abriebs und jeder kleinen Bewegung der Ventilnadel 114 bezüglich des Hydraulikkolbens 160 zu berücksichtigen, die aufgetreten sein kann, während sich die Ventilnadel 114 in der offenen Position befunden hat. Die automatischen Einstellungen werden durch die Wanderung des Hydraulikfluids 164 von einer Seite des Hydraulikkolbens 114b zur anderen vorgenommen, während die Scheibenfeder 150 sicherstellt, dass der Hydraulikzylinder 160 und die Nadel 114 zu allen Zeitpunkten in direktem Kontakt stehen.
Steuerstrategie
Die Wellenformen zum Steuern eines direkt betätigten Einspritzventils und entsprechende Betätigungseinrichtung-Verschiebungen sind in den in den 4 und 5 gezeigten graphischen Darstellungen aufgezeichnet. Die dargestellten Wellenformen zeigen, dass der Steuerimpuls zahlreiche Merkmale verwenden kann, um die Bewegung eines magnetostriktiven bzw. piezoelektrischen Elements zu steuern.
In 4 stellt Wellenform A den elektrischen Strom dar, der zu einer elektrischen Spule gerichtet ist, die verwendet wird, um eine ein magnetostriktives Element aufweisende Betätigungseinrichtung zu aktivieren. Die Stärke des Magnetfeldes ist direkt proportional zum Betrag des elektrischen Stromes, der zur elektrischen Spule gerichtet ist. Um ein schnelles Öffnen zu unterstützen, ist der Strom vorzugsweise als erstes mit einer Spitze auf den Strom I₁ versehen, da höhere Ströme zu stärkeren Magnetfeldern führen würden, die zum Beschleunigen der Ausdehnung des magnetostriktiven Elements verwendet werden können. Der elektrische Strom wird während des Hauptein spritzereignisses auf den Strom I₂ verringert. Der anfängliche elektrische Strom I₁ entspricht einem Strom, der soviel wie eine Größenordnung höher als der elektrische Strom I₂ ist, der der zur Zeit erforderliche Strom ist, um das Einspritzventils vollständig zu öffnen. Es ist auch möglich, das Einspritzventil teilweise zu öffnen, beispielsweise durch das Verringern des Stroms nach dem anfänglichen Stromspitzenwert auf einen Wert von weniger als der Strom I₂. Wie es durch die gestrichelte Wellenform B gezeigt ist, die zeitweise den Strom auf den negativen Strom I₃ umkehrt, kann der Steuerimpuls optional eine solche Form habe, um den mittleren Strom auf einen Wert abzusenken, der das schnelle Erreichen eines Teilhubs für eine bessere Strömungssteuerung als die, die nur durch Pulsbreitenmodulation erhalten werden kann, gestattet. Das heißt, dass eine bessere Strömungssteuerung erhalten werden kann, indem sowohl die Verschiebung der Ventilnadel (Hub) als auch die Dauer des Einspritzereignisses gesteuert werden.
Das Ventilschließen kann optional beschleunigt werden, indem der Strom zu dem negativen Strom I₄ umgekehrt wird. Um das Auftreffen und den anschließenden Abrieb der Ventilnadel, wenn diesen den Ventilsitz berührt, wie es durch Wellenform A gezeigt ist, zu verringern, kann der Strom momentan auf den positiven Wert I₅ erhöht werden, um den Ventilschließvorgang zu verlangsamen. Bei einem alternativen Verfahren zum Steuern des Auftreffens der Ventilnadel auf den Ventilsitz kann der Strom stärker graduell verringert werden, ohne die Richtung des Stroms umzukehren, wie es durch die gestrichelte Linie C gezeigt ist. Schließlich wird das Einspritzereignis abgeschlossen, wenn das Einspritzventil geschlossen ist und der Strom auf Null zurückgesetzt ist.
Die Linienschaubilder D und E zeigen die Verschiebung der Ventilnadel durch jeweilige vollständig geöffnete und teilweise geöffnete Einspritzereignisse. Das Schaubild D entspricht dem Einspritzereignis, das durch die Wellenform A gesteuert wird. Das Schaubild D zeigt die Ventilnadel, die sich schnell in die vollständig geöffnete Position zu Beginn des Einspritzereignisses bewegt. In dem dargestellten Beispiel verbleibt das Einspritzventil in der vollständig geöffneten Position für die Mehrzahl der Einspritzereignisse, wie es durch den im Wesentlichen flachen Abschnitt des Schaubildes D dargestellt ist. Jedoch kann in Abhängigkeit von der Viskosität des Hydraulikfluids und der Größe der Zwischenraumlücke zwischen dem Hydraulikkolben und dem Hydraulikzylinder der flache Abschnitt des Schaubildes D eine geringe Neigung haben, die durch die Strömung von Hydraulikfluid durch den Zwischenraumspalt während des Einspritzereignisses verursacht wird.
Wenn das Einspritzventil geschlossen wird, tritt die Schließwirkung sehr schnell auf, wie es durch die steil abwärts verlaufende Neigung der Linie D nahe dem Ende des Einspritzereignisses dargestellt ist. Jedoch verflacht im Ansprechen auf die momentan positiven Strom nahe dem Ende der Wellenform A die Neigung des Graphen D unmittelbar, wenn das Ventil in die vollständig geschlossen Position zurückkehrt, wodurch demonstriert wird, wie die Form der Wellenform A verwendet werden kann, um den Abrieb zu verringern, der durch das Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz verursacht wird. Das Schaubild E entspricht einer Wellenform (nicht gezeigt), die nach dem anfänglichen Stromspitzenwert den Strom auf einen Wert verringert, der weniger als der Strom I₂ beträgt, so dass das Einspritzventil nur teilweise geöffnet wird. Das Schaubild E zeigt auch, dass die Dauer des Einspritzereignisses durch Änderung der Länge oder der Dauer der Wellenform geändert werden kann. Im Vergleich zum Einspritzereignis, das durch das Schaubild D dargestellt wird, ist der Ventilhub geringer für das Einspritzereignis, das durch das Schaubild E dargestellt wird, so dass der anfängliche Stromspitzenwert geringer als der anfängliche Stromspitzenwert der Wellenform A sein kann. Die Schließwirkung, die durch die stärker graduelle Neigung des Schaubildes E dargestellt ist (im Vergleich zur steileren Neigung des Schaubildes D), entspricht einer Wellenform, die eine Form hat, die ähnlich der alternativen Wellenform C ist.
Der Fachmann erkennt, dass die Zeit, die erforderlich ist, um das Einspritzventil zu öffnen oder zu schließen, verringert werden kann, indem die Neigung der Steuerwellenform vergrößert wird, oder vergrößert werden kann, indem die Neigung der Wellenform verkleinert wird. Somit kann die Form der Steuerwellenform manipuliert werden, um die gewünschten Effekte auf die Geschwindigkeit der Ventilnadelbewegung und ihre Verschiebung bezüglich des Ventilsitzes zu erzeugen (um den Hub zu steuern).
In 5 stellt die Wellenform G einen Spannungssteuerimpuls dar, der verwendet werden kann, um eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung zu aktivieren. Wie deutlich werden wird, verwendet die bevorzugte Steuerstrategie für piezoelektrische Betätigungseinrichtungen die gleichen Prinzipien wie die bevorzugte Steuerstrategie, die vorstehend für magnetostriktive Betätigungseinrichtungen beschrieben wurde. Um ein schnelles Öffnen zu unterstützen, wird die Spannung vorzugsweise als erstes auf die Spannung V₁ auf einen Spitzenwert gebracht, da höhere Spannungen verwendet werden könne, um das Ausdehnen der piezoelektrischen Materialien zu beschleunigen. Die Spannung wird auf die Spannung V₂ während des Haupteinspritzereignisses abgesenkt. Die Spannung V₁ entspricht einer Spannung, die so viel wie eine Größen ordnung größer als die Spannung V₂ sein kann, welches die Spannung ist, die zur Zeit erforderlich ist, um das Einspritzventil vollständig zu öffnen. Es ist auch möglich, das Einspritzventil teilweise zu öffnen, beispielweise durch das Verringern der Spannung nach dem anfänglichen Spitzenwert auf einen Wert von weniger als die Spannung V₂. Wie es durch die gestrichelte Wellenform H gezeigt ist, die die Spannung zeitweise auf die negative Spannung V₃ verringert, kann der Steuerimpuls optional geformt werden, um die mittlere Spannung auf einen Wert zu verringern, der ein schnelles Erhalten eines teilweisen Hubes für eine bessere Strömungssteuerung gestattet, als die, die allein durch Impulsbreitenmodulation erhalten werden kann. Das heißt, dass eine bessere Strömungssteuerung erhalten werden kann, indem sowohl die Verschiebung der Ventilnadel (Hub) als auch die Dauer des Einspritzereignisses gesteuert wird.
Das Ventilschließen kann optional beschleunigt werden, indem die Spannung auf die negative Spannung V₄ zum Anfang verringert wird. Zum Verringern des Stoßes und des anschließenden Abriebs der Ventilnadel, wenn diese den Ventilsitz berührt, wie es durch die Wellenform G gezeigt ist, kann die Spannung momentan auf die positive Spannung V₅ erhöht werden, um die Ventilschließwirkung zu verlangsamen. Ähnlich zur Form der momentanen Wellenform C stellt die Form der Spannungswellenform I ein alternatives Verfahren zum Verringern des Stoßes der Ventilnadel auf den Ventilsitz beim Schließen dar. Schließlich ist das Einspritzereignis abgeschlossen, wenn das Einspritzventil geschlossen ist und die Spannung auf Null zurückgeführt ist.
Die Linienschaubilder J und K zeigen die Verschiebung der Ventilnadel über die jeweiligen Einspritzereignisse. Das Schaubild J entspricht dem Einspritzereignis, das durch die Wellenform G gesteuert wird. Das Schaubild J zeigt die Ventilnadel, die sich schnell in die vollständig geöffnete Position zu Beginn des Einspritzereignisses bewegt. In dem dargestellten Beispiel verbleibt das Einspritzventil in der vollständig geöffneten Position für die Mehrzahl der Einspritzereignisse, wie es durch den im Wesentlichen flachen Abschnitt des Schaubilds J dargestellt ist. Jedoch kann in Abhängigkeit von der Viskosität des Hydraulikfluids und der Größe des Zwischenraumspalts zwischen dem Hydraulikkolben und dem Hydraulikzylinder der flache Abschnitt des Schaubildes J eine geringfügige Neigung haben, die durch die Strömung von Hydraulikfluid über die Zwischenraumlücke während des Einspritzereignisses verursacht wird.
Wenn das Einspritzventil geschlossen ist, geht der Schließvorgang sehr schnell, wie es durch die steil abwärts gerichtete Neigung des Schaubildes J nahe dem Ende des Einspritzereignisses gezeigt ist. Jedoch verflacht sich im Ansprechen auf die momentan positive Spannung nahe dem Ende der Wellenform G die Neigung der Linie J, wenn das Ventil in die vollständig geschlossene Position zurückkehrt, wodurch demonstriert wird, wie die Form der Wellenform G verwendet werden kann, um den Abrieb zu verringern, der durch das Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz verursacht wird. Das Schaubild K ist ähnlich dem Schaubild J mit der Ausnahme, dass dieses einer Wellenform entspricht (nicht gezeigt), die nach dem anfänglichen Spannungsspitzenwert die Spannung auf einen Wert verringern, der weniger als die Spannung V₂ beträgt, so dass das Einspritzventil nur teilweise geöffnet ist.
Die Zeitspanne für die Wellenformen der 4 und 5 kann in dem Bereich von 100 bis 5000 Mikrosekunden liegen und typischerweise zwischen 250 und 2000 Mikrosekunden für die Mehrzahl der Einspritzereignisse.
Die Kombination des vorstehend beschriebenen, direkt betätigten Einspritzventils und der Steuerstrategie sieht zahlreiche Vorteile vor, einschließlich:

– des Eliminierens des Hydraulikfluid-Zuführsystems, das durch herkömmliche hydraulisch betätigte Einspritzventile notwendig ist. Dieses vereinfacht die Einspritzventilkonstruktion, beispielweise durch das Beseitigen der Notwendigkeit von Hydraulikfluidzuführ- und Rückführkanälen und Dreiwegeventilen, die in herkömmlichen hydraulisch betätigten Einspritzventilen verwendet werden.
– des automatischen Ausgleichs von unterschiedlicher thermische Ausdehnung im Einspritzventil, von Abrieb aufgrund eines verlängerten Betriebes und von geringfügigen Unterschieden, die durch Begrenzungen bei den Herstellungstoleranzen verursacht werden.
– einer kompakten konzentrischen Ventilnadel/Betätigungsbaugruppe-Anordnung zum Unterbringen eines länglichen magnetostriktiven oder piezoelektrischen Elements.
– einer Vorrichtung, die die Verwendung einer Steuerstrategie gestattet, die die Kraftstoffströmung drosseln und den Ventilsitzabrieb verringern kann. Die Fähigkeit zum Steuern der Hubverschiebung gestattet ein verringertes Einspritzen mit geringeren Lasten und verringertem Verbrennen vor dem Mischen. Beispielsweise kann bei Verwendung einer magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung die Ventilnadelbewegung zwischen ungefähr 10% und 100% gesteuert werden. Für Bedingungen mit niedriger Last ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Strömung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer zu verringern, da überschüssiger Kraftstoff nicht verbrannt werden kann, wodurch sich eine geringere Effizienz in Betrieb und höhere Emissionen ergeben.
– verbesserter Herstellbarkeit, die durch die Verwendung von axisymmetrischen Zylinderteilen und wenigen engen Toleranzen zwischen den Einspritzventilkomponen ten möglich ist.
– eines Ventilbetriebes, der verbessert ist, da die Betätigungsbaugruppe eine bessere bzw. größere Steuerung der Ventilnadel gestattet. Beispielsweise kann das Einspritzventilverwendet werden, um einen gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff einzuspritzen. Wenn der Kraftstoff gasförmig ist, besteht eine größere Notwendigkeit zum Verlangsamen der Ventilnadel beim Schließen, da kein flüssiger Kraftstoff vorliegt, um das Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz zu dämpfen. Durch das Formen der Steuerimpulswellenform, die auf die Betätigungseinrichtung aufgebracht wird, ist es möglich, das Schließen des Einspritzventils zu verlangsamen, um den Stoß auf die Ventilnadel und den Ventilsitz zu verringern.

Während spezielle Elemente, Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, ist es verständlich, dass natürlich die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern dass Modifikationen durch den Fachmann vorgenommen werden können, ohne dass vom Bereich der vorliegenden Ansprüche abgewichen wird.
Entsprechend dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Verfahren zum Verwendung einer geformten Wellenform zum Steuern eines Einspritzventils, das eine magnetostriktive oder piezoelektrische Betätigungseinrichtung verwendet, vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist in der Reihenfolge

(a) Initiieren eines Einspritzereignisses durch das Aufbringen eines Steuerimpulses und das beschleunige Ventilöffnen durch das Anheben des Wertes des Steuerimpulses auf einen Spitzenwert, der größer als der Wert ist, der für den gewünschten Hub erforderlich ist,
(b) Verringern des Steuerimpulses von dem Spitzenwert zu einem Wert, der benötigt wird, um den gewünschten Hub vorzusehen,
(c) Verringern des Steuerimpulses auf einen negativen Wert, um das Ventilschließen zu beschleunigen,
(d) Erhöhen des Steuerimpulses auf einen positiven Wert, um das Ventilschließen zu verlangsamen, damit die Auftreffkraft einer Ventilnadel auf einen Ventilsitz verringert wird, und
(e) Verringern des Steuerimpulses auf Null, um das Ventil zu schließen.

Das erste Verfahren weist ferner nach dem Erhöhen des Steuerimpulses auf einen Spitzenwert das momentane Verringern des Steuerimpulses auf einen Wert auf, der niedriger als der Wert ist, der für den gewünschten Hub nötig ist.
Bei dem ersten Verfahren ist der Spitzerwert bis zu ungefähr einer Größenordnung höher als der Wert, der für den gewünschten Hub benötigt wird.
Bei dem ersten Verfahren ist der Steuerimpuls ein modulierter Strom, der zu einer elektrischen Spule einer Betätigungsbaugruppe, die ein magnetostriktives Element aufweist, gerichtet ist.
In dem ersten Verfahren ist der Steuerimpuls eine modulierte Spannung, die auf einen piezoelektrischen Stapel einer Betätigungsbaugruppe aufgebracht wird.
Bei dem ersten Verfahren kann die Zeit, die benötigt wird, um die Ventilnadel zwischen einer geschlossenen Position und einer gewünschten offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 172 Mikrosekunden sein.
In dem ersten Verfahren kann die Zeit, die notwendig ist, um die Ventilnadel zwischen einer geschlossenen Position und einer gewünschten offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 250 Mikrosekunden sein.

Claims

Ein Einspritzventil (100) zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors, wobei das Einspritzventil (100) hat: ein Ventilgehäuse (120) mit: einem Kraftstoffeinlassanschluss (108); einer Innenkammer, die mit dem Kraftstoffeinlassanschluss (108) in Fluidverbindung steht, einer Düse (106) mit einer Düsenöffnung (110), die einen Fluiddurchgang von der Innenkammer zur Verbrennungskammer vorsieht, eine Ventilnadel (114), die sich in dem Ventilgehäuse (102) befindet, wobei die Ventilnadel (114) zwischen einer geschlossenen Position, in der ein Abdichtende der Ventilnadel (114) mit einem Ventilsitz (112) in Berührung steht, um eine Fluidabdichtung der Innenkammer von der Düsenöffnung (110) vorzunehmen, und einer offenen Position bewegbar ist, in der das Abdichtende der Ventilnadel (114) von dem Ventilsitz (112) beabstandet ist, wodurch die Innenkammer mit der Düsenöffnung (110) in Fluidverbindung steht, wobei der Ventilnadelhub gleich dem Abstand ist, der durch das Abdichtende von dem Ventilsitz (112) weg zurückgelegt wird; eine Nadelfeder (116), die mit der Ventilnadel (114) in Wirkverbindung steht, wobei die Nadelfeder (116) auf die Ventilnadel (114) eine Schließkraft aufbringt, um die Ventilnadel (114) in die geschlossene Position vorzuspannen, und eine Betätigungsanordnung, die mit der Ventilnadel (114) in Wirkverbindung steht und deren eines Ende in einer festen Position in Bezug auf das Ventilgehäuse gehalten wird, wobei die Betätigungsanordnung aktiviert werden kann, um eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel (114) aufzubringen, die stärker als die Schließkraft ist, um die Ventilnadel (114) in die offene Position zu bewegen, und gekennzeichnet durch eine Hydraulikverbindungsanordnung, die eine passive Hydraulikverbindung aufweist, die einen Hydraulikzylinder (160) aufweist, bei dem eine Fluidabdichtung zur Innenkammer besteht, und die eine Hydraulikfluiddickflüssigkeit (164b) hat, über die die Öffnungskraft, die auf die Ventilnadel (114) von der Betätigungsanordnung aufgebracht wird, übertragen wird und die eine zusätzliche Schließkraft überträgt, die auf die Ventilnadel (114) aufgebracht wird, wodurch das Hydraulikfluid (164) im Wesentlichen als ein Festkörper wirkt, wobei die Dickflüssigkeit im Wesentlichen konstant ist, während die Betätigungsanordnung aktiviert ist, und wobei die Dickflüssigkeit der Hydraulikverbindung, während die Betätigungseinrichtung nicht aktiviert wird, im Ansprechen auf Änderungen in der Dimensionsbeziehung zwischen den Komponenten des Einspritzventils (100) ein stellbar ist, um eine gewünschten Ventilnadelhub bei der Aktivierung der Betätigungsanordnung aufrechtzuerhalten.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei die Dickflüssigkeit der Hydraulikverbindung, während die Betätigungsanordnung nicht aktiviert ist, im Ansprechen auf Änderungen der Dimensionsbeziehung, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verursacht werden, automatisch einstellbar ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 2, wobei die Dickflüssigkeit der Hydraulikverbindung, während die Betätigungsanordnung nicht aktiviert ist, im Ansprechen auf Änderungen der Dimensionsbeziehung, die durch Abrieb bei der Komponenten des Einspritzventils (100) verursacht werden, automatisch einstellbar ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei die Hydraulikverbindungsanordnung einen Kolben (114b) aufweist und sich das Hydraulikfluid (164) im Zylinder (160) befindet.
Das Einspritzventil nach Anspruch 4, wobei der Koben (114b) ein integraler Teil der Ventilnadel (114) ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei die Betätigungsanordnung ein magnetostriktives Element (130) oder einen piezoelektrischen Stapel aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei die Betätigungsanordnung ein magnetostriktives Element (130), eine elektrische Spule (132), die sich um das magnetostriktive Element (130) herum befindet, und ein Flussrohr (134), das sich um die elektrische Spule (132) herum befindet, aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 7, wobei sich die Betätigungsanordnung in der Innenkammer befindet.
Das Einspritzventil nach Anspruch 8, wobei die Betätigungsanordnung rohrförmig ist und sich in einem Ringraum um einen Zylinderabschnitt der Ventilnadel (114) herum befindet.
Das Einspritzventil nach Anspruch 9, wobei ein Endabschnitt der rohrförmigen Betätigungsanordnung durch einen am Ventilgehäuse (102) befestigten Pol (138) gestützt ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 6, wobei die Betätigungsanordnung, steuerbar ist, um den gewünschten Hub auf zwischen 10 und 100% des Maximalhubs zu steuern.
Das Einspritzventil nach Anspruch 11, wobei der Hub steuerbar ist, in dem der elektrische Strom, der zur jeweiligen magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungsanordnung gerichtet ist, oder die an diese angelegte Spannung gesteuert wird.
Das Einspritzventil nach Anspruch 7, wobei das magnetostriktive Element (130) eine Metalllegierung aufweist, die die Elemente Terbium, Dysprosium und Eisen aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 6, wobei die Ventilnadel (114) steuerbar ist, um sich in weniger als 200 Mikrosekunden zwischen der offenen und geschlossenen Position zu bewegen.
Das Einspritzventil nach Anspruch 6, das ferner eine Kompressionsfeder zum Aufbringen einer Kompressionskraft auf das magnetostriktive (130) oder piezoelektrische Element aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 15, wobei die Kompressionsfeder zumindest eine Scheibenfeder (150) aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff in die Verbrennungskammer mit einem Druck von größer als 2000 psi (ungefähr 13,8 MPa) eingespritzt wird.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei das Ventilgehäuse (102) eine Vielzahl von Teilen aufweist, die miteinander verbunden sind, um ein fluiddichtes Gehäuse vorzusehen.
Das Einspritzventil nach Anspruch 1, wobei das Ventilgehäuse (102), die Ventilnadel (114) und die Betätigungsanordnung aus Materialien mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt wurden, um die durch Temperaturänderungen verursachten Änderungen der Abmessungsbeziehung zwischen den Komponenten zu verringern.
Das Einspritzventil (100) nach Anspruch 1, wobei die Düse (106) einen Ventilsitz (122) hat, wobei die Ventilnadel (114) einen Zylinderabschnitt (114a) mit einem Dichtendabschnitt und einen Kolbenabschnitt (114b) mit einem Vorbelastungsendabschnitt hat, wobei die Nadelfeder (116) mit dem Vorbelastungsendabschnitt der Ventilnadel (114) in Wirkverbindung steht, wobei die Nadelfeder (116) komprimiert wird, um die Schließkraft auf die Ventilnadel (114) auszuüben, wobei die Betätigungsanordnung aufweist: ein rohrförmiges magnetostriktives Element (130), das sich um den Zylinderabschnitt (114a) der Ventilnadel (114) herum befindet, eine elektrische Spule (132), die sich um das magnetostriktive Element (130) herum befindet, ein Flussrohr (134), das sich um die elektrische Spule (132) herum befindet, und eine Stütze für die Betätigungsanordnung, die als ein Pol (138) wirkt und die eine feste Position für einen Endabschnitt des magnetostriktiven Elements (130) bezüglich des Ventilgehäuses (102) vorsieht, und wobei sich der Hydraulikzylinder (160) um den Kolbenabschnitt (114b) der Ventilnadel (114) herum befindet, und sich ein Hydraulikfluid (164) in dem abgedichteten Hydraulikzylinder (160) befindet, wodurch, während sich das Ventil in einer offenen Position befindet, das Hydraulikfluid (164) im Wesentlichen als Festkörper wirkt, um als eine passive hydraulische Verbindung zu wirken, und, während das Ventil in einer geschlossenen Position ist, die Dickflüssigkeit im Ansprechen auf Änderung der Abmessungsbeziehung zwischen den Komponenten des Einspritzventils (100) automatisch einstellbar ist, um einen gewünschten Ventilnadelhub aufrechtzuerhalten, wenn die Betätigungsanordnung aktiviert ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 21, das ferner ein Kompressionsfederelement (150) aufweist, um eine Kompressionskraft auf das magnetostriktive Element (130) aufzubringen.
Das Einspritzventil nach Anspruch 21, wobei das magnetostriktive Element (130) eine Metalllegierung aufweist, die die Elemente Terbium, Dysprosium und Eisen aufweist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 17, wobei das Hydraulikfluid (164) eine Flüssigkeit ist.
Das Einspritzventil nach Anspruch 17, wobei das Hydraulikfluid (164) eine Flüssigkeit ist, die aus der Gruppe aus Motoröl und Fett ausgewählt wurde.