DE69200841T2

DE69200841T2 - Treibstoffeinspritzventil fuer verbrennungsmotoren.

Info

Publication number: DE69200841T2
Application number: DE69200841T
Authority: DE
Inventors: Daniel Sofer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-05
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2012-01-30
Also published as: EP0572428B1; ATE115241T1; EP0572428A1; WO1992014049A1; BR7100246U; US5370320A; DE69200841D1; ES2065168T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Kraftstoff-Einspritzer verwendbar in Otto-Verbrennungsmotoren in Verbindung mit einem elektronischen Kraftstoff-Einspritz-System (electronic fuel injection System EFI). EFI-Systeme steuern das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motors und erlauben daher den Betrieb dieses Motors mit geringen Emissionen. Um jedoch eine präzise Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zu erreichen, muß das gesamte System innerhalb genauer Toleranzen arbeiten, und dieser Präzisionsbetrieb muß über den längstmöglichen Zeitraum aufrechterhalten bleiben, um eine gute Langzeit-Stabilität zu garantieren.
Das Kraftstoff-Einspritzer ist jener Bestandteil eines Kraftstoff- Einspritz-Systems, der für die eigentliche Zufuhr des Kraftstoffes zu jedem Zylinder verantwortlich ist. Er ist ein elektromagnetisch betriebenes Ventil, welches makroskopisch ausgedrückt zwei Zustände aufweist: geöffnet oder geschlossen. Wenn der Einspritzer geschlossen ist, kann durch ihn kein Kraftstoff fließen. Wenn die elektronische Steuereinheit einen Einspritzimpuls zum Kraftstoff- Einspritzer sendet, öffnet sich dieser, wodurch ermöglicht wird, daß der Kraftstoff durch das Ventil des Einspritzers fließt, durch die Spritzöffnung aus dem Einspritzer herausfließt und schließlich zum Ansaugluftstrom des Motors fließt.
Wie diese kurze Beschreibung zeigt, erreicht man die Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses durch Modulation der Einspritzimpulsbreite. Allgemein ausgedrückt ist die Einspritzimpulsfrequenz proportional zur Drehzahl des Motors, während sein Arbeitszyklus proportional zur Motorlast ist.
Jeder reale Kraftstoff-Einspritzer kann selbstverständlich nicht augenblicklich vom geschlossenen in den offenen Zustand wechseln. Es wird immer eine bestimmte Übergangszeit geben. Diese Übergangszeit entsteht durch die gesamte Trägheit des Einspritzers (elektrische, magnetische und mechanische Trägheit). Je kürzer die Übergangszeit eines Kraftstoff-Einspritzers, umso näher kommt er dem idealen Kraftstoff-Einspritzer und umso genauer kann die Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses sein.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftstoff-Einspritzer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kraftstoff-Einspritzer dieser Art wird in EP-A-0 063 952 beschrieben.
Ein Kraftstoff-Einspritzer gemäß EP-A-0 063 952 sieht das Schließen des Ventilelements mit Hilfe von hydrodynamischen Kräften vor, die durch den Druckunterschied zwischen der oberen und unteren Fläche dieses Ventilelements entstehen, welches innerhalb eines zylindrischen Raumes angeordnet ist, um diesen Druckunterschied zu erhöhen. Die Wände dieses Raumes dienen auch als Teil des magnetischen Kreises, wobei diese den Weg bilden, auf dem der magnetische Fluß zum Grundkörper zurückkehrt.
In dem in EP-A-0 063 952 beschriebenen Einspritzer erstreckt sich der magnetische Kern jedoch über die axiale Länge des Solenoids hinaus, und deshalb ist die Verteilung des magnetischen Flusses nicht unwesentlich, insbesondere im Falle von niedrigen Solenoidströmen. Um diesen Nachteil zu beseitigen, sieht die vorliegende Erfindung einen Kraftstoff-Einspritzer gemäß dem charakterisierenden Teil des Anspruchs 1 vor.
Im erfindungsgemäßen Einspritzer ist der Ventilsitz der einzige Teil des Kraftstoff-Einspritzers, durch den der magnetische Fluß zum Grundkörper zurückkehrt, wobei die Verwendung eines seitlichen magnetischen Pols oder einer Führung irgendeiner Art nicht notwendig ist, um die gewünschte Leistung des magnetischen Kreises zu erzielen. Das Ventilelement bewegt sich ohne jede Führung, und somit wird während der Bewegungen keine Reibung erzeugt.
Die Verwendung eines magnetischen Ventilsitzes ermöglicht eine Vereinfachung der Ventileinrichtung unter Beibehaltung eines ausgezeichneten Betriebes, auch im Falle von außerordentlich niederen Strömen.
Dies wird dadurch möglich, daß jede Bewegung des Ventilelementes zum Kern hin eine Abnahme des magnetischen Widerstandes bewirkt, und da der Ventilsitz aus magnetischem Material besteht, ist der magnetische Fluß mehr als ausreichend zur Erzeugung von hohen Kräften, auch im Falle von niederen Strömen.
Im erfindungsgemäßen Einspritzer weist der Ventilsitz vorzugsweise eine konische Form auf, und das Ventilelement ist kugelförmig. Weiters hat das Ventilelement selbst eine außerordentlich geringe Masse, wodurch ein außerordentlich schneller Betrieb möglich ist.
Außerdem weist der Kraftstoff-Einspritzer eine gute Langzeit-Stabilität und Kraftstoffdichtigkeit auf. Sollte die Kraftstoffdichtigkeit jedoch ein Problem sein, kann entweder eine Feder oder ein elastisches Element, welches magnetische Teilchen enthält, in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden, um eine zusätzliche Kraft auf das Ventilelement zu erzeugen, um Kraftstoffundichtigkeit zu verhindern. Als weitere Alternative besteht die Möglichkeit bei der Verwendung eines unidirektionalen Ventils am Eingang des Kraftstoff-Einspritzers, dem Einspritzventil gegenüberliegend. Ein solches unidirektionales Ventil kann einfach aus einer Kugel und einer Feder bestehen, was eine extrem einfache Einrichtung bei Aufrechterhaltung sehr guter Leistung bedeutet. In jenen Fällen, wo an das Projekt besondere Erfordernisse gestellt werden, können kompliziertere Einrichtungen in gleich zufriedenstellender Weise mit dem vorliegenden Kraftstoff-Einspritzer verwendet werden. Ungeachtet der detaillierten Arbeitsweise des unidirektionalen Ventils besteht seine Aufgabe darin, den hohen Druck im Einspritzer beizubehalten, auch wenn die Kraftstoffpumpe nicht in Betrieb ist. Ein solch hoher Druck allein reicht aus, um eine statische Vorspannkraft zu erzeugen, die fähig ist, jede Kraftstoffundichtigkeit zu vermeiden, welche durch die allmähliche Abnahme des Druckes in der Kraftstoffleitung entstehen könnte, wenn die Kraftstoffpumpe nicht arbeitet.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzer so beschaffen sein, daß er alle Erfordernisse in bezug auf das Kraftstoff-Spritzmuster erfüllt, da das Einspritzen des Kraftstoffes über eine oder mehrere Öffnungen erfolgen kann, wobei jede eine andere Form, Dimension und Ausrichtung aufweisen kann. Es ist daher möglich, das Spritzmuster des erfindungsgemäßen Kraftstoff- Einspritzers der jeweiligen spezifischen Verwendung anzupassen, wobei eine erhöhte Gesamtleistung des Kraftstoff-Einspritz-Systems und des Motors selbst möglich wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Zweitakt- oder Viertakt-Verbrennungsmotor, der mit einem Kraftstoff-Einspritz-System versehen ist, welches einen oder mehrere Kraftstoff-Einspritzer wie oben beschrieben verwendet.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser ersichtlich, wobei diese nur nicht einschränkende Beispiele darstellen, in denen
- die Fig. 1 ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoff- Einspritzers ist,
- die Fig. 2 - 5 schematische Diagramme sind, die den Wert einiger Parameter der Einspritzung im Verhältnis zur Zeit darstellen,
- die Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Details des erfindungsgemäßen Einspritzers ist,
- die Fig. 7 - 8 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einspritzers zeigen,
- die Fig. 9 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des Einspritzers der vorhergehenden Figuren ist,
- die Fig. 10 weitere mögliche Ausführungsbeispiele des Ventilelements und des Ventilelementsitzes des erfindungsgemäßen Einspritzers darstellt, und
- die Fig. 11 - 12 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Einspritzers mit zusätzlichen Merkmalen darstellen.
Ein Kraftstoff-Einspritzer (Fig. 1) umfaßt einen Grundkörper 2 mit einer Kraftstoff-Einlaßleitung 1, in der ein Kraftstoff-Filter 8 angeordnet ist. Ein magnetisches kugelförmiges Ventilelement 7 ist in einem Ventilelementsitz 6 angeordnet, der die Form einer konischen Leitung aufweist, die in einer Einspritzöffnung 9 mit zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser endet. Ein magnetischer Kern 3 erregbar durch eine Solenoidspule 4 liegt gegenüber dem Sitz 6 oberhalb des Ventilelements 7 und hat ein flaches Ende 5, welches als Anschlag für das Ventilelement 7 wirkt.
Um den Mechanismus zu verstehen, der innerhalb des Kraftstoff-Einspritzers während seines Betriebes wirkt, zeigen die Fig. 2 - 5 jeweils schematische Diagramme der Wellenformen des Einspritzimpulses (Fig. 2), des Stromimpulses durch die Solenoidspule 4 (Fig. 3), der Verschiebung des Ventilelements 7 (Fig. 4) und der eingespritzen Kraftstoffmenge (Fig. 5). Der Einspritzimpuls ist ein Binärsignal (z.B. entweder "1" oder "0"), welches vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 dauert. Ohne bemerkenswerte Verzögerung bewirkt der Stromversorgungskreis das Fließen eines elektrischen Stromes durch die Solenoidspule 4. Der Stromanstieg ist jedoch nicht instantan und hat eine endliche Geschwindigkeit, welche u.a. von der Induktivität des Einspritzers abhängt. Das Vorhandensein des elektrischen Stromes erzeugt einen magnetischen Fluß in und um die Solenoidspule 4. Im Bestreben, die Menge an im magnetischen Kreis gespeicherter Potentialenergie zu reduzieren, was eine natürliche Tendenz aller physikalischer Systeme ist, neigt der magnetische Kreis (z.B. die Wege, auf denen das magnetische Feld fließt) dazu, seinen magnetischen Widerstand zu reduzieren.
Um den gesamten magnetischen Widerstand des Einspritzers zu reduzieren, beginnt eine Kraft auf das Ventilelement 7 zu wirken, um den gesamten Luftspalt im magnetischen Kreis zu reduzieren. Diese Kraft hängt vom instantanen Wert des elektrischen Stromes ab (oder genauer gesagt vom Wert des Flusses des magnetischen Feldes), und wird somit größer, wenn der elektrische Strom zu seinem Maximalwert ansteigt. Wenn der elektrische Strom den Wert I1 erreicht, ist die auf das Ventilelement 7 wirkende magnetische Kraft gleich der vorhandenen Vorspannkraft auf das genannte Ventilelement 7. Somit löst jedes weitere Ansteigen des elektrischen Stromes durch die Solenoidspule 4 die Bewegung des Ventils zum Kern 3 hin aus.
Wenn das Ventilelement 7 seinen Sitz 6 verläßt, beginnt der Kraftstoff durch den Kraftstoff-Einspritzer zu fließen. Da das Ventilelement 7 sich noch nicht in seiner vollständig offenen Stellung befindet, entsteht eine Fließrate des Kraftstoffes, die sich von der statischen Fließrate unterscheidet. Dies bewirkt eine eingespritzte Treibstoffmasse, die keine lineare Funktion der abgelaufenen Zeit ist, wie aus der Fig. 5 ersichtlich.
Die Kraftstoff-Fließrate nimmt weiter zu, bis das Ventilelement 7 am Anschlag 5 zum Zeitpunkt t3 zu liegen kommt. Die Prellwirkungen sind in der Fig. 4 stark übertrieben und in der vorliegenden Erfindung in den meisten Fällen überhaupt nicht vorhanden. Befindet sich das Ventilelement in seiner vollständig offenen Stellung, ist die Kraftstoff-Fließrate genau die statische Fließrate, und deshalb ist die eingespritzte Masse eine lineare Funktion der abgelaufenen Zeit. Das Ventilelement 7 bleibt in dieser Stellung, um die Einspritzung der erforderlichen Kraftstoffmenge zu ermöglichen.
Befindet sich das Ventilelement 7 in dieser vollständig offenen Stellung, ist der Widerstand des magnetischen Kreises viel geringer als er bei einem Ventilelement 7 in vollständig geschlossener oder teilweise offener Stellung war. Um einen gegebenen Fluß des magnetischen Feldes im genannten magnetischen Kreis aufrechtzuerhalten, ist auch der elektrische Strom kleiner, der durch die Solenoidspule 4 erforderlich ist, und kann somit reduziert werden. In Anbetracht der Tatsache, daß die Kraft, die einfach zum Offenhalten des Einspritzers nötig ist, viel kleiner ist als jene, die zum Auslösen seiner Öffnungsbewegung erforderlich ist, versteht man, daß ein beträchtlicher Abfall des Solenoidstromes akzeptiert werden kann. Außerdem ist die Tatsache der Reduktion der Energiedissipation (welche nur ungewünschte Wärme erzeugen würde) im Stromversorgungskreis und in der Spule 4 selbst ein guter Grund, den elektrischen Strom durch die Solenoidspule 4 tatsächlich zu reduzieren.
Der Hauptgrund für diese Reduktion des Stroms liegt darin, daß durch Reduzieren des Stroms durch die Spule 4 auch der magnetische Fluß im magnetischen Kreis und somit die auf das Ventilelement 7 wirkende magnetische Kraft reduziert wird. Am Ende des logischen Injektionsimpulses stoppt der Stromversorgungskreis die Energieversorgung für die Solenoidspule 4, und der elektrische Strom beginnt seine Größe zu reduzieren, mit einer Geschwindigkeit, die u.a. von der Induktivität des Einspritzers abhängt. Als Folge des vorhergehenden Abfalls des Spulenstroms kann diese Abschalt-Reduzierung rascher erfolgen, und wenn der Strom den Wert I2 erreicht, ist die magnetische Kraft nicht mehr größer als die Vorspannkraft. Dieser Unterschied zwischen der Stützkraft und der hydrodynamischen Vorspannkraft wirkt beschleunigend auf das Ventilelement 7, welches somit seine Schließbewegung zum Ventilsitz 6 hin beginnt. Während dieser Bewegung ist die eingespritzte Brennstoffmasse wieder keine lineare Funktion der abgelaufenen Zeit, da die Kraftstoff-Fließrate nicht mehr die statische Fließrate ist. Die Kraftstoff-Fließrate nimmt kontinuierlich ab, bis das Ventilelement 7 den Sitz 6 erreicht, und es kann kein Kraftstoff mehr durch das Ventilelement 7 fließen.
Es ist ersichtlich, daß die gesamte Kraftstoffmenge, die in jedem vom Kraftstoff-Einspritzer durchgeführten Zyklus eingespritzt wird, in drei verschiedene Teile unterteilt werden kann. Der erste, m1, ist die Kraftstoffmasse, die während des Öffnungsüberganges eingespritzt wird. Der zweite, m2, ist die Kraftstoffmasse, die während des Zeitraumes eingespritzt wird, in dem sich das Ventilelement in seiner vollständig offenen Stellung befindet. Der dritte Teil des eingespritzten Kraftstoffes, m3, ist jener, der während des Schließüberganges des Kraftstoff-Einspritzers eingespritzt wird. Es ist zu beachten, daß der erste und der dritte Teil der eingespritzen Kraftstoffmasse, m1 bzw. m3, stark von verschiedenen Konstruktions-, Projekt- und Arbeitsvariablen abhängen, sie sind jedoch (wobei eine Einspritz-Impulsbreite möglich ist, die lang genug ist, um zu garantieren, daß das Ventilelement seine vollständig offene Stellung erreicht) nicht von der Einspritz-Impulsbreite betroffen.
Dies sind in anderen Worten inhärente Merkmale des Kraftstoff-Einspritzers, seines Versorgungskreises und einiger Arbeitsbedingungen (wie z.B. Batteriespannung, Flüssigkeitsviskosität etc.). Es ist zu bemerken, daß die Beschränkungen irgendeiner Leistung des Einspritzers bei extrem kurzen und langen Einspritz-Impulsbreiten sich aus diesen nichtlinearen Übergangsverhalten ergeben.
Das bedeutet, daß ein Kraftstoff-Einspritzer so beschaffen sein muß, daß er bei extrem hohen Frequenzen, 1000 Hz und mehr, arbeitet sowie einen vollständig linearen Betrieb von extrem niederen (5 %) bis zu extrem hohen (97 %) Arbeitszyklen beibehält (was zu einem extrem weiten dynamischen Steuerbereich führt); es ist absolut nötig, sowohl die Öffnungs- als auch die Schließübergangszeiten des Einspritzers drastisch zu reduzieren. So hohe Betriebsfrequenzen können insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsmotoren, wie z.B. Zweitaktmotoren, von Nutzen sein.
Diese Reduktion wurde in der vorliegenden Erfindung erreicht, gleichzeitig wurde jedoch kein wesentlicher Aspekt des Betriebes eines Kraftstoff-Einspritzers außer acht gelassen (wie z.B. Gesamteinfachheit, Kraftstoffdichtigkeit, Langzeitstabilität, Dauerhaftigkeit, Beständigkeit gegen die Bildung von Ablagerungen, Betrieb mit geringem Strom usw.).
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, wurde die Konstruktion des Kraftstoff-Einspritzers außerordentlich vereinfacht, das kugelförmige, ungeführte Ventilelement 7 ist der einzige bewegliche Teil des Einspritzers. Der konische Ventilsitz 6 kann entweder maschinell hergestellt, oder einfach gestanzt oder auch gesintert sein, da die Kugel-/Kegeldichtung bekannt ist für ihren selbstzentrierenden Mechanismus und ihre gute Beständigkeit gegen Undichtigkeit.
Es ist weiters zu bemerken, daß in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel keine Vorspannfeder vorhanden ist. Dadurch wird der Kraftstoff-Einspritzer weiter vereinfacht, wobei die Schließkraft durch genau vorberechnete hydrodynamische Kräfte geliefert wird, deren Entstehung ausführlich in der weiteren Beschreibung erläutert wird.
Es ist jedoch auch zu bemerken, daß kein seitlicher magnetischer Pol, keine Führung irgendeiner Art und kein eigener Teil des magnetischen Kreises verwendet wird, um den magnetischen Kreis um das kugelförmige Ventilelement 7 herum zu schließen. Dies ist eine weitere Vereinfachung des vorliegenden Kraftstoff-Einspritzers, welcher als attraktivstes Merkmal hochwertige Leistung bei viel geringeren Produktionskosten aufweist.
Wenn ein elektrischer Strom durch die Solenoidspule 4 fließt, wie oben erläutert, versucht der magnetische Kreis seinen gesamten Widerstand zu minimieren. Um somit eine Öffnungskraft auf das kugelförmige Ventilelement 7 zu erzeugen, muß sichergestellt werden, daß jede Verschiebung des Ventilelements 7 zum Kern 3 hin von einer Reduktion des gesamten magnetischen Widerstandes begleitet wird.
Gleichzeitig muß der gesamte Luftspalt auf ein Minimum reduziert werden, um einen starken magnetischen Fluß und somit hohe wirksame Kräfte zu erreichen. In anderen bekannten Einspritzern wurden diese Aufgaben durch einen seitlichen magnetischen Pol oder durch die Verwendung einer Führung aus magnetischem Material für das Ventilelement erfüllt. Solche seitlichen Teile oder Führungen wurden im vorliegenden Kraftstoff-Einspritzer nicht verwendet und sind bestimmt nicht nötig, da ein einfacherer, billigerer und tatsächlich gleich wirksamer Weg gefunden wurde, um einen adäquaten magnetischen Kreis zu gewährleisten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Ventilelementsitz 6 aus magnetischem Material hergestellt sein, insbesondere wenn ein Niederstrombetrieb des Kraftstoff-Einspritzers erwünscht ist, wie dies am häufigsten der Fall ist.
In diesem Fall fließt der Magnetfeldfluß durch den Kern, findet den ersten Luftspalt g1 (Fig. 6), fließt dann durch das kugelförmige Ventilelement 7, durch den magnetischen Ventilsitz 6 und den magnetischen Grundkörper des Kraftstoff-Einspritzers. Die natürliche Tendenz, den magnetischen Widerstand zu reduzieren, erzeugt eine magnetische Kraft auf das Ventilelement 7, um den arbeitenden Luftspalt zu reduzieren. Wenn dieses den Ventilsitz 6 verläßt, nimmt der Luftspalt zwischen dem Kern 3 und dem Ventilelement 7 ab, während ein neuer Spalt zwischen dem Ventilelement 7 und dem Ventilsitz 6 gebildet wird.
Im Falle eines konischen Ventilsitzes 6 zeigt sich deutlich, daß jede Verschiebung des Ventilelementes 7 einen neuen Spalt g2 erzeugt, der kleiner ist als die Reduktion des bestehenden Spaltes g1. Es ist daher verständlich, daß die Verwendung eines magnetischen Ventilsitzes 6 ein wirksamer Weg zur Herstellung der benötigten magnetischen Kraft ist, ohne daß die Verwendung eines weiteren magnetischen Elementes oder einer Führung nötig ist.
In bestimmten Fällen, in denen die Strombeschränkung außerordentlich stark ist, kann die Modifizierung der Geometrie des Ventilsitzes 6 vorteilhaft sein, um noch kleinere endgültige Spalte zu erzielen und größere Kräfte aus dem gleichen elektrischen Strom zu erhalten.
Die Einspritzung erfolgt durch eine oder mehrere Öffnungen 9, die das Spritzmuster des Kraftstoff-Einspritzers vollständig bestimmen. Diese Öffnungen können zylindrisch oder nichtzylindrisch sein, abhängig von den spezifischen Bedürfnissen des jeweiligen Projektes, sie können parallel zueinander und/oder zur Achse des Einspritzers sein oder nicht. Es ist verständlich, daß in einigen Fällen mehr als eine Einspritzöffnung 9 verwendet wird, z.B. in Mehrventilmotoren, wo beträchtliche Verbesserungen zu erzielen sind, indem der Strahl des eingespritzten Kraftstoffes direkt auf die Einlaßventile gezielt werden. Ein Beispiel für die Verwendung von mehr als einer Öffnung wird im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 gezeigt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 hat der Kern 3 ein kegelstumpfförmiges Ende 5, mit einem flachen Abschluß, an dem das kugelförmige Ventilelement 7 anliegt, wenn es sich in der vollständig offenen Stellung befindet. Die kegelstumpfförmige Form des Endes 5 des Kerns 3 bewirkt eine Konzentration des Magnetfeldflusses zum kugelförmigen Ventilelement 7 hin, wodurch die entstehende magnetische Kraft auf das Ventilelement 7 durch die tatsächliche Reduktion der Flußundichtigkeit erhöht wird (z.B. durch Reduktion der Menge des mangetischen Flusses, die nicht durch das Ventilelement 7 fließt und daher keine darauf einwirkenden Kräfte erzeugt). Diese Führung des Flusses kann auch durch ein zylindrisches Ende 5 erfolgen, wenn auch weniger erfolgreich, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 gezeigt ist, die einen weiteren möglichen Kern 3 für den vorliegenden Kraftstoff-Einspritzer zeigt.
Das flache Ende für den magnetischen Kern 3 ist offensichtlich die einfachste denkbare Lösung und deshalb auch die billigste. Was jedoch hohe Leistung betrifft, erhält man Verbesserungen durch die Verwendung eines Kerns 3, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 gezeigt. Dieser Kern 3 hat einen kegelstumpfförmigen Raum 10, der im wesentlichen zwei verschiedene Funktionen hat. Die erste besteht darin, daß ein Raum das kugelförmige Ventilelement 7 genau in Position bringen kann, wenn es sich in seiner offenen Stellung befindet, wodurch jede mögliche seitliche oszillierende Bewegung dieses Ventilelements 7 ausgeschlossen wird.
Die zweite Funktion des Raums 10 besteht darin, daß der Bereich, durch den der magnetische Fluß vom Kern 3 zum Ventilelement 7 fließt, vergrößert wird. Diese Vergrößerung bewirkt eine größere Kraft, die auf das kugelförmige Ventilelement 7 wirkt, und somit ein schnelleres Arbeiten des Einspritzers.
Wie oben erwähnt, ist die hauptsächliche Besonderheit des vorliegenden Kraftstoff-Einspritzers sein Schließmechanismus. Er ist verantwortlich für die Fähigkeit dieses Kraftstoff-Einspritzer, bei Geschwindigkeiten und Frequenzen zu arbeiten, die kein anderer bekannter Kraftstoff-Einspritzer tolerieren kann, was daher im Detail erläutert werden muß.
Zuerst ist zu bedenken, daß, wenn kurze Übergänge erwünscht sind, hohe Beschleunigungen auf das Ventilelement 7 erforderlich sind. Zwei Dinge sind zur Herstellung von hohen Beschleunigungen erforderlich: eine starke Kraft, die auf das Ventilelement 7 wirkt, und eine kleine Masse des Ventilelements 7.
Im vorliegenden Kraftstoff-Einspritzer wurde das Ventilelement 7 daher mit der kleinstmöglichen Masse entworfen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 7 und 8 ist das Ventilelement 7 z.B. eine Kugel, deren Durchmesser im Bereich zwischen 0,3 mm und 2 mm liegen können (bei hohen Frequenzen; größere Durchmesser können in anderen Fällen verwendet werden). Diesen Durchmesserwerten entsprechen ungefähr Ventilelementmassen im Bereich von 0,1 mg bis 30 mg.
Es ist ersichtlich, daß die sich bewegende Masse außerordentlich klein ist und daher die mechanischen Trägheiten drastisch reduziert sind.
Wenn jedoch schnelles Arbeiten erforderlich ist, ist auch eine starke Vorspannkraft nötig. Um jedoch die größtmögliche Vereinfachung von Design und Bau des Kraftstoff-Einspritzers zu erreichen, kann diese Kraft nicht von einer Feder geliefert werden (zumindest in den meisten Fällen, wo die kleinen Dimensionen des Ventilelements die Verwendung einer Feder außerordentlich schwierig gestalten würden). Daher wurden die hydrodynamischen Kräfte durch geeignete Konstruktion und Berechnung der Ventileinrichtung verstärkt, um das Schließen des Kraftstoff-Einspritzers zu gewährleisten.
Zuerst wird das Ventilelement 7 vollständig (unter Bezugnahme auf die Fig. 9, die schematisch die allgemeine Struktur des Einspritzers der Fig. 1, 7 und 8 darstellt) in einer konischen Durchführung angeordnet, die auch als Ventilsitz 6 dient. Es sollte jedoch auch beachtet werden, daß, wenn es nicht darum ginge, das Ventilelement 7 innerhalb dieser Durchführung 6 anzuordnen, der Ventilsitz 6 beträchtlich kürzer wäre. Daher ist die Form der Durchführung/des Sitzes 6 durch seine Aufgabe als geformte Durchführung vorgeschrieben. Die Übereinstimmung der Formen der Durchführung 6 und des Ventilelementes 7 ist so, daß eine extreme Beschleunigung im Flüssigkeitsfluß erzeugt wird, der am engsten Punkt 11 des Freiraumes zwischen dem Ventilelement 7 und dem Sitz 6 seine maximale Geschwindigkeit hat.
Diese Beschleunigung entsteht durch eine Reduktion der freien Fläche, durch die der Kraftstoff fließen kann.
Gleich nach diesem einschränkenden Abschnitt des Freiraumes, der eine intensive Beschleunigung des Kraftstoffes bewirkt, befindet sich ein Abschnitt des Freiraumes mit zunehmender freier Fließfläche für den Kraftstoff, sodaß der Fluß zur Verlangsamung neigt. Durch seine hohe Geschwindigkeit ist der Fluß jedoch nicht in der Lage, langsamer zu werden und folgt somit nicht mehr den Umrissen des Ventilelements 7. Diese Lösung des Flüssigkeitsflusses vom Ventilelement 7 erzeugt auf der darunterliegenden Fläche eine Fläche 12 mit extrem niederem Druck. Da die entsprechende Fläche im oberen Teil des Ventilelements 7 unter hohem Druck steht, wird eine Kraft auf das Ventilelement 7 erzeugt.
Die Größe dieser Kraft wird bestimmt durch den anfänglichen Kraftstoffdruck und durch die Fläche, auf die der Druckunterschied wirkt. Bei dem in den erwähnten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen verwendeten Ventil 7 kann die Fläche, auf die der Druckunterschied wirkt, bis zu 90 % der Gesamtfläche betragen. Höhere Werte kann man mit besonderen Konstruktionen der Durchführung für bestimmte Fälle erhalten. Es zeigt sich, daß ein extrem wirksamer Weg zur Steuerung und Anpassung der hydrodynamischen Kraft gefunden wurde, und daß dieser Weg auch extrem starke Kräfte erlaubt (im Vergleich zu anderen hydrodynamischen Verschlußventileinrichtungen), die auf das Ventilelement 7 wirken.
Es ist beachtenswert, daß andere Formen als Kugelform und Kegelform erfolgreich bei diesem Ventilelement und dem Ventilelementsitz Verwendung finden können, wobei jedes Paar besondere Vorteile bringt.
Die Fig. 10 zeigt einige Profile von Ventilelementen mit halbkugelförmiger 7a, 7b, kegelstumpfförmiger 7c, 7d und konischer 7e, 7f Form, die mit Ventilelementsitzen mit gerader/gekrümmter Form, konvex 6a bzw. konkav 6b, verwendet werden können.
Es ist auch zu erwähnen, daß der durch die erfindungsgemäßen Einspritzer erreichte Hochgeschwindigkeitsbetrieb ihre Leistung in bezug auf andere Erfordernisse, die an die Kraftstoff-Einspritzer gestellt werden, wie z.B. Kraftstoffdichtigkeit und Langzeit-Dauerhaftigkeit, nicht verschlechtert.
Durch die extrem geringe Masse des Ventilelements 7 sind alle Stöße von geringer Energie, und daher sind Abnützung und geometrische Verformung, die für die Verschlechterung von Langzeit-Dauerhaftigkeit verantwortlich sind, im Vergleich zu bestehenden Einspritzern extrem reduziert.
Was die Kraftstoff-Dichtigkeit betrifft, ist das einfache Anliegen des Ventilelements am Ventilsitz in den meisten Fällen mehr als ausreichend, um perfekte Dichtigkeit bei geringem Kraftstoffdruck (im allgemeinen bei abgeschalteter Pumpe während des Parkens des Fahrzeuges vorhanden) zu gewährleisten. Sollte es jedoch nötig sein, besondere Dichtigkeit zu garantieren, so können mehrere verschiedene Einrichtungen im erfindungsgemäßen Einspritzer verwendet werden.
Die erste Einrichtung ist ein unidirektionales Ventil 15 (Fig. 11), welches im Kraftstoff-Einlaß 1 des Kraftstoff-Einspritzers selbst, gegenüber der Kraftstoff-Ventileinrichtung, zusammen mit dem Kraftstoff-Filter, angeordnet ist. Dieses Ventil 15 wird durch den Kraftstoff-Fluß geöffnet, und stört somit nicht das normale Arbeiten des Kraftstoff-Einspritzers. Wennimmer die Pumpe abgeschalten wird, schaltet dieses Ventil in die geschlossene Stellung, wodurch ein hoher Kraftstoffdruck im Kraftstoff-Einspritzer selbst aufrechterhalten bleibt. Dieser hohe Druck reicht somit aus, um Kraftstoff-Dichtigkeit ohne weiteres Element zu garantieren. Das unidirektionale Ventil 15 wird einfach von einer Kugel 16 und einer Feder 17 gebildet, wie in Fig. 11 gezeigt. Dieses unidirektionale Ventil 15 ist zu hohen Leistungen fähig, wobei gleichzeitig eine extreme allgemeine Einfachheit der gesamten Einspritzeinrichtung erhalten bleibt. Die Kugel 16 kann aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, z.B. Gummi, verschiedenen Arten von Kunststoff und einer außerordentlich großen Anzahl von Metallen, von Aluminium bis Stahl.
In einigen Fällen können extreme Erfordernisse des jeweiligen Falles jedoch die Verwendung von komplizierteren undirektionalen Ventileinrichtungen erfordern, wodurch trotz verschiedener Arbeitsprinzipien sich das obenerwähnte Konzept der Aufrechterhaltung eines hohen Druckes innerhalb des Kraftstoff-Einspritzers selbst nicht ändert.
Die zweite Einrichtung (Fig. 12) ist ein elastisches Element 20, welches zwischen dem Ende 5 des magnetischen Kernes 3 und dem Ventilelement 7 angeordnet ist. Das elastische Element kann eine übliche Feder oder ein elastisches Element aus einem bestimmten Harz sein, in welchem Teilchen aus Eisen oder anderen magnetischen Materialien verteilt sind. Dieses elastische Element wirkt als eine Art Feder, obwohl es keine ist. Es erzeugt eine Kraft auf das Ventilelement 7, welche Kraftstoff-Dichtigkeit gewährleistet. Die Tatsache, daß es teilweise aus magnetischem Material besteht, verursacht eine Zunahme des magnetischen Flusses und somit der gesamten magnetischen Kraft, die auf das Ventilelement wirkt. Daher wird in dem letztgenannten Fall nicht nur Kraftstoff-Dichtigkeit sondern auch schnelleres Arbeiten des Einspritzers erzielt.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzer mit einem führungslosen magnetischen Ventilelement (7), dessen drei Dimensionen von derselben Größenordnung sind, einem Ventilelement-Sitz (6), in dem das Ventilelement (7) aufsitzen kann, einem magnetischen Kern (3), der gegenüber dem Ventilelement-Sitz (6) angeordnet ist, einem Solenoid (4), das ringförmig ausgebildet ist und einen Raum definiert, in dem der Kern (3) angeordnet ist, wobei der Kern (3) durch das Solenoid erregbar ist, um das Ventilelement (7) anzuziehen und einen Freiraum zwischen dem Sitz (6) und dem Ventilelement (7) hervorzurufen, was den Fluß von Brennstoff erlaubt, und mit einem Kraftstoff-Einspritz-Abschnitt (9), durch den der Kraftstoff, der den genannten Freiraum passiert hat, aus dem Einspritzer eingespritzt wird, wobei der genannte Ventilsitz (6) sich in der Richtung des Kerns (3) erstreckt, um eine Durchführung zu bilden und wobei der Freiraum zwischen dem Ventilelement (7) und dem Sitz (6) einen ersten Abschnitt mit abnehmendem Querschnitt und einen zweiten Teil mit zunehmendem Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilelement-Sitz (6) aus magnetischem Material ist und zumindest teilweise innerhalb des durch das Solenoid definierten Raumes angeordnet ist, wobei das Ventilelement (7) immer zumindest teilweise innerhalb des genannten Raumes ist, sowohl wenn es durch den Kern (3) angezogen ist, als auch wenn es nicht angezogen ist.

2. Kraftstoff-Einspritzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ventilelement- Sitz (6) gebildete Durchführung vollständig innerhalb des durch das Solenoid (4) gebildeten Raumes angeordnet ist.

3. Kraftstoff-Einspritzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ventilelementsitz (6) gebildete Durchführung das Ventilelement (7) umgibt.

4. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ventilelement-Sitz (6) gebildete Durchführung konisch geformt ist und das Ventilelement (7) kugelförmig ist.

5. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Kerns (3) einen kegelstumpfförmigen Raum (10) aufweist, indem das Ventilelement (7) genau positioniert werden kann, während es in der geöffneten Position ist und der die auf das Ventilelement (7) ausgeübte effektive magnetische Kraft erhöht, indem die Fläche durch die der magnetische Fluß vom Kern (3) zum Ventilelement (7) passieren kann, erhöht wird.

6. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldfluß durch den Ventilelement-Sitz (6) zum Körper (2) des genannten Einspritzers zurück verläuft.

7. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff-Einspritz-Abschnitt zumindest eine zylindrische Öffnung (9) umfaßt, die zur Einspritzerachse parallel oder dazu geneigt ist.

8. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff- Einspritz-Abschnitt zumindest eine Öffnung (9) mit einer nicht-zylindrischen Form aufweist.

9. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein unidirektionales Ventil (15) umfaßt, das auf der Seite angeordnet ist, die jener Seite gegenüberliegt, welche den Ventilsitz (6) und das Ventilelement (7) enthält, wobei das genannte unidirektionale Ventil (15) durch den Kraftstoff-Fluß während des normalen Betriebs des Kraftstoff-Einspritzers offen gehalten wird und wobei es schließt, wenn der genannte Fluß nachläßt, wobei eine Kraftstoffundichtigkeit vermieden wird.

10. Kraftstoff-Einspritzer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Element (20), das gegebenenfalls magnetische Partikel in einem verteilt, enthält, zwischen dem magnetischen Kern (3) und dem Ventilelement (7) angeordnet ist.

11. Zweitakt- oder Viertakt-Verbrennungskraftmotor, der mit einem Kraftstoff-Einspritz-System ausgestattet ist, das einen oder mehrere Kraftstoff- Einspritzer nach einem der obigen Ansprüche verwendet.