DE112004000917T5

DE112004000917T5 - Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen durch Strahlungsbildungssteuerung mittels Regelung des Kraftstoffdrucks in Kraftstoffeinspritzsystemen

Info

Publication number: DE112004000917T5
Application number: DE112004000917T
Authority: DE
Inventors: Mehmet Zeki Alyanak
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2007-10-11
Also published as: US20040256500A1; US7303144B2; WO2004109096A1; JP2006526738A

Abstract

Kraftstoffversorgungsvorrichtung, die eine Mehrzahl von Kraftstoffstrahlwinkeln in Richtung einer Brennkammer eines Motors bereitstellt, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
– einen Kraftstofffluss mit einer Mehrzahl von Drücken; und
– ein Kraftstoffeinspritzventil, das Folgendes umfasst:
– einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang einer Längsachse von dem Eintrittsbereich zum Austrittsbereich erstreckt, wobei der Eintrittsbereich den Kraftstofffluss aufnimmt;
– eine Sitzbaugruppe, die in dem Durchflusskanal angeordnet ist, wobei die Sitzbaugruppe einen Sitz, eine Sitzfläche, eine Öffnung, eine erste Fließfläche, eine Dichtfläche und eine Dosierscheibe umfasst, wobei die Dosierscheibe eine zweite Fließfläche umfasst, die mit der ersten Fließfläche in Kontakt steht und eine Mehrzahl von Dosieröffnungen aufweist, welche sich allgemein parallel zur Längsachse erstrecken, wobei die Dosieröffnungen in einem ersten Kreis rund um die Längsachse herum angeordnet sind, der größer ist als ein zweiter Kreis, der definiert ist durch die Projektion der Dichtfläche auf die Dosierscheibe;...

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht ausdrücklich den Vorteil der US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung unter der laufenden Nummer 60/475 398, eingereicht am 3. Juni 2003, mit dem Titel „Reduction in Hydrocarbon Emission During Cold-Start by Means of Varying Injector Spray Targeting by Means of Varying Fuel Pressure" (Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen beim Kaltstart mithilfe der Änderung der Einspritzstrahlrichtung mittels Änderung des Kraftstoffdrucks), die durch diesen Verweis als insgesamt in dieses Patent aufgenommen gilt.
Hintergrund der Erfindung
In den meisten modernen Kraftstoffsystemen für Kraftfahrzeuge kommen Kraftstoffeinspritzventile zum Einsatz, um eine genaue Dosierung des Kraftstoffs bei der Einleitung in jede Brennkammer zu erzielen. Zusätzlich vernebelt das Kraftstoffeinspritzventil den Kraftstoff während der Einspritzung, wodurch der Kraftstoff in eine große Anzahl sehr kleiner Partikel aufgespalten wird, was die Oberfläche des eingespritzten Kraftstoffs vergrößert und dem Oxidationsmittel, in der Regel Umgebungsluft, erlaubt, sich vor der Verbrennung besser mit dem Kraftstoff zu mischen.
Durch die Dosierung und Vernebelung des Kraftstoffs werden die Emissionen aus der Verbrennung gesenkt und wird der Kraftstoff-Wirkungsgrad des Motors erhöht. Somit gilt in aller Regel, dass, je größer die Genauigkeit der Dosierung und der Strahlrichtung des Kraftstoffs ist und je stärker die Vernebelung des Kraftstoffs ist, die Emissionen desto geringer werden, bei gleichzeitig größerem Kraftstoff-Wirkungsgrad.
Ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil verwendet üblicherweise eine Magnetspulen-Baugruppe, um eine Betätigungskraft auf eine Kraftstoffdosierungs-Baugruppe auszuüben. In der Regel handelt es sich bei der Kraftstoffdosierungs-Baugruppe um ein kolbenförmiges Nadelventil, welches sich zwischen einer geschlossenen Position, in der die Nadel in einem Sitz aufliegt, um ein Austreten von Kraftstoff durch eine Dosieröffnung in die Brennkammer zu verhindern, und einer geöffneten Position, in der die Nadel von dem Sitz abgehoben ist, sodass Kraftstoff durch die Dosieröffnung zwecks Einleitung in die Brennkammer freigegeben werden kann, hin- und herbewegt.
Das Kraftstoffeinspritzventil ist in der Regel dem Einlassventil im Einlasskrümmer in Strömungsrichtung vorgelagert oder neben einem Zylinderkopf angeordnet. Ein Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils kann mit einer Kraftstoffversorgung gekoppelt sein, während ein Austrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils mit einem Einlasskrümmer in einer Anwendung ohne Direkteinspritzung (beispielsweise Niederdruck-Indirekteinspritzung) oder mit einem Zylinderkopf bei Anwendung mit Direkteinspritzung (beispielsweise Hochdruck-Direkteinspritzung) verbunden sein kann. Kraftstoff wird unter Druck in den Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils transportiert. Sobald sich an einer Einlassöffnung des Zylinders ein Einlassventil öffnet, wird ein Ventil, das im Innern des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist, betätigt, sodass Kraftstoff aus dem Austrittsbereich austreten und in Richtung der Einlassöffnung gesprüht werden kann. In einer Situation kann es wünschenswert sein, den Kraftstoffstrahl auf den Einlassventilteller oder den Einlassventilschaft zu richten, während es in einer anderen Situation wünschenswert sein kann, den Kraftstoffstrahl auf die Einlassöffnung zu richten statt auf das Einlassventil. In beiden Situationen kann die Richtung des Kraftstoffstrahls durch das Strahlbild oder die Kegelstrahlform beeinflusst werden. Wenn der Kegelstahl die Form eines Kegels mit weitem Öffnungswinkel hat, trifft der versprühte Kraftstoff unter Umständen auf eine Oberfläche der Einlassöffnung statt auf das beabsichtigte Ziel. Andersherum wird, wenn der Kegelstrahl nur einen kleinen Öffnungswinkel aufweist, der Kraftstoff gegebenenfalls nicht vernebelt und kann er sich womöglich sogar wieder verflüssigen. In jedem dieser Fälle kann es zu einer unvollständigen Verbrennung kommen, welche zu einer unerwünschten Erhöhung der Abgas-Emissionen führt.
Kompliziert werden die Anforderungen an Strahlrichtung und Strahlbild noch durch die für die Konstruktion jedes Motors spezifische Gestaltung des Zylinderkopfes, Geometrie des Einlasses und Einlassöffnung. Demzufolge kann ein Kraftstoffeinspritzventil, das für eine bestimmte Kegelstrahlform und Strahlrichtung des Kraftstoffstrahls ausgelegt ist, in dem einen Typ von Motorkonfiguration hervorragend arbeiten, bei Einbau in einen anderen Typ von Motorkonfiguration dagegen Probleme mit Emissionen und Fahrverhalten hervorrufen. Ferner sind, während immer mehr Fahrzeuge mit den unterschiedlichsten Motorkonfigurationen produziert werden (beispielsweise Reihen-4-Zylinder-, Reihen-6-Zylinder-, V-6-, V-8-, V-12-, W-8-Motoren), die Emissionsgrenzwerte strenger geworden, was zu strikteren Anforderungen an die Dosierung, die Strahlrichtung und das Strahlbild oder die Kegelstrahlform des Kraftstoffeinspritzventils für jede Motorkonfiguration geführt hat.
Es wäre vorteilhaft, ein Kraftstoffeinspritzventil zu entwickeln, bei dem das Strahlbild und die exakte Strahlrichtung geändert werden können, um so einem bestimmten Kraftstoffstrahlbild und einer Kegelstrahlform von einer Motorkonfiguration zur anderen zu entsprechen.
Zusammenfassung der Erfindung
Kurz ausgedrückt stellt die vorliegende Erfindung Kraftstoffstrahlrichtung und Kraftstoffstrahlverteilung von Kraftstoffeinspritzventilen zur Regelung der Kohlenwasserstoff-Emissionen bereit.
Gemäß einem Aspekt wird eine Kraftstoffversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Mehrzahl von Winkeln für die Richtung des Kraftstoffstrahls in Richtung einer Brennkammer eines Motors vorsieht. Die Vorrichtung umfasst einen Kraftstofffluss mit einer Mehrzahl von Drücken und ein Kraftstoffeinspritzventil. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang der Längsachse von dem Eintrittsbereich zum Austrittsbereich erstreckt, eine Sitzbaugruppe und einen Durchflusskanal. Der Eintrittsbereich nimmt den Kraftstofffluss auf. Die Sitzbaugruppe ist im Durchflusskanal angeordnet und beinhaltet einen Sitz, eine Sitzfläche, eine Öffnung, eine erste Fließfläche, eine Dichtfläche und eine Dosierscheibe. Die Dosierscheibe umfasst eine zweite Fließfläche, die mit der ersten Fließfläche in Kontakt steht und eine Mehrzahl von Dosieröffnungen aufweist, welche sich allgemein parallel zur Längsachse erstrecken. Die Dosieröffnungen sind in einem ersten Kreis rund um die Längsachse herum angeordnet, der größer ist als ein zweiter Kreis, der definiert ist durch die Projektion der Dichtfläche auf die Dosierscheibe. Der Kanal ist zwischen der ersten und der zweiten Fließfläche ausgebildet und weist einen ersten Bereich auf, dessen Querschnitt sich verändert, je weiter sich der Kanal aus der Öffnung des Sitzes hin zu einer Position erstreckt, die die Mehrzahl von Dosieröffnungen umgibt, sodass der Kraftstofffluss durch den Kanal mit einem ersten Kraftstoffdruck einen ersten Strahlwinkel bildet, der zur Längsachse geneigt ist, und der Kraftstofffluss mit einem zweiten Kraftstoffdruck einen zweiten Strahlwinkel bildet, der zur Längsachse geneigt ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Kraftstoffsystem bereitgestellt, um einen Verbrennungsmotor mit Kraftstoff zu versorgen. Das Kraftstoffsystem umfasst eine Kraftstoffversorgung, mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil und eine Steuereinheit. Die Kraftstoffversorgung stellt unter Druck stehenden Kraftstoff bereit. Das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil steht in Fluidverbindung mit der Kraftstoffversorgung und weist einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich auf sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang einer Längsachse durch diese erstreckt. Der Austrittsbereich weist eine Sitzbaugruppe auf, welche einen Kanal umfasst, der zwischen einander gegenüber liegenden Flächen eines Sitzes und einer Dosierscheibe ausgebildet ist. Der Kanal weist einen ersten Bereich auf, dessen Querschnitt sich verändert, je weiter sich der Kanal aus der Öffnung des Sitzes hin zu einer Position erstreckt, die eine Mehrzahl von Dosieröffnungen umgibt. Die Steuereinheit variiert den Druck, mit dem Kraftstoff an den Eintrittsbereich des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils bereitgestellt wird, sodass Kraftstoff, der durch den Austrittsbereich über den Sitzkanal und die Mehrzahl von Dosieröffnungen fließt, einen Strahlwinkel bildet, der als Funktion aus dem Kraftstoffdruck variiert.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung der Strahlrichtung des Kraftstoffs durch mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt. Das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil weist einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich auf sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang einer Längsachse durch diese erstreckt. Der Austrittsbereich umfasst eine Sitzbaugruppe, die derart in dem Durchflusskanal angeordnet ist, dass sie einem Kraftstofffluss durch die Sitzbaugruppe eine Radialgeschwindigkeitskomponente erteilt. Das Verfahren kann realisiert werden, indem Kraftstoff durch den Durchflusskanal des Kraftstoffeinlassventils fließt; sowie durch Variieren des Kraftstoffdrucks nahe dem Eintrittsbereich, sodass ein Durchflussweg des Kraftstoffs von dem Austrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils verschiedene Strahlwinkel bildet, die zur Längsachse geneigt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Patentschrift einbezogen sind und einen Bestandteil derselben darstellen, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen Beschreibung sowie der ausführlichen Beschreibung weiter unten dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
1 stellte eine bevorzugte Ausführungsform des Kraftstoffsystems dar.
2A zeigt eines der Kraftstoffeinspritzventile des Kraftstoffsystems aus 1.
2B zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch einen Austrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils aus 2A.
2C stellt eine weitere vergrößerte Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Sitzbaugruppe dar, die insbesondere die verschiedenen Beziehungen zwischen den verschiedenen Komponenten in der Unterbaugruppe zeigt.
3 enthält eine Draufsicht einer Dosierscheibe des Kraftstoffeinspritzventils aus 2A.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die 1, 2A-2C und 3 veranschaulichen die bevorzugten Ausführungsformen. Es wird jetzt Bezug genommen auf 1, ein Kraftstoffsystem 10, das eingesetzt werden kann, um Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor 12 bereitzustellen, um die Kohlenwasserstoff-Emissionen je nach den Betriebscharakteristika des Motors 12 zu reduzieren, und welches beispielsweise Folgendes umfasst: einen Einlass 14, der mit einem Einlasskrümmer 16 verbunden ist, einen Abgaskrümmer 18, einen Abgaskatalysator 18a und ein Kühlsystem 19 für einen Kühler. Das Kraftstoffsystem 10 umfasst eine Kraftstoffversorgung 20, welche aus einer in den Tank integrierten Kraftstoffpumpe P und einer Kraftstoffleitung 22, die in Fluidverbindung mit einem Kraftstoffverteiler 24 steht, besteht. Der Kraftstoffverteiler 24 kann mit Kraftstoffverteilerstutzen 25 für die jeweiligen Kraftstoffeinspritzventile 100 ausgestattet sein. Die Kraftstoffeinspritzventile 100 sind mit den jeweiligen Taschen für ein Einspritzventil 26 wie beispielsweise einem Einlasskrümmer 16 verbunden, der mit dem Motor 12 in Verbindung steht. Luft, die über den Einlass 14 und den Einlasskrümmer 16 bereitgestellt wird, wird mit dem über die Kraftstoffeinspritzventile 100 bereitgestellten Kraftstoff vermischt. Luft und Kraftstoff, die im Motor 12 verbrannt wurden, werden durch den Abgaskrümmer 18 in den Abgaskatalysator 18a geleitet und danach in die Umgebung abgegeben. Das Kraftstoffsystem 10 kann durch ein elektronisches Steuermodul (ECM, Electronic Control Module), das mit einer Motorsteuerungs- oder Emissionsbegrenzungseinheit integriert oder von diesen elektronischen Motormanagement-Einheiten getrennt sein kann, so geregelt werden, dass es variierende Durchflussmengen und Drücke bereitstellt. Als Beispiel für eine separate Steuereinheit, die mit dem Motormanagement-System integriert werden kann, kann die Kraftstoffpumpe P durch eine im Handel erhältliche Steuereinheit wie etwa den Aeromotive^® Billet Fuel Pump Controller gesteuert werden, um die Kraftstoffpumpenspannung als Funktion aus einem oder mehreren erfassten Parameter(n) (beispielsweise der Motordrehzahl) zu regulieren. Wo das Kraftstoffsystem 10 als rücklaufloses Kraftstoffsystem konfiguriert ist, kann als elektronisches Steuermodul ECM eine konventionelle Kraftstoffmanagement-Einheit wie etwa die Aeromotive^® Billet Digital FMU (Fuel Management Unit, Kraftstoffmanagement-Einheit) eingesetzt werden, um den Kraftstoffdruck als Funktion aus einem oder mehreren erfassten Parameter(n) (beispielsweise einer Größe des erfassten Drucks im Einlasskrümmer) zu regulieren. Das elektronische Steuermodul ECM kann so konfiguriert werden, dass es eine Mehrzahl verschiedener Signale als Bestandteil seiner Steuerungsstrategie empfängt bzw. sendet. So kann das elektronische Steuermodul ECM beispielsweise über einen Abgastemperatur-Sensor 1 oder ein Pyrometer die Abgastemperatur; über einen Kühlmittel-Sensor 2 die Kühlmitteltemperatur; den Kraftstoffdruck oder die Durchflussmenge 3; über den Sensor 4 den Pumpenausstoß und über den Katalysatortemperatur-Sensor 5 die Temperatur des Abgaskatalysators 18a erfassen. Außerdem kann das elektronische Steuermodul ECM auch den Druck oder die Durchflussmenge der Kraftstoffpumpe P regeln, indem mittels eines Ausgangssignals 7 ein Kraftstoffdruckregler 28; mittels eines Ausgangssignals 6 eine Drucksteuereinheit; oder mittels eines Ausgangssignals 8 die Kraftstoffpumpe P gesteuert wird.
von besonderer Bedeutung sind die Einzelheiten des Kraftstoffeinspritzventils 100, das zusammen mit dem elektronischen Steuermodul ECM eingesetzt werden kann, um diverse Strahlrichtungs-Konfigurationen für den Motor 12 in Abhängigkeit von den Betriebscharakteristika des Motors 12 bereitzustellen. Zur Erläuterung, wie verschiedene Strahlrichtungs-Konfigurationen zu erzielen sind, wird eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des Kraftstoffeinspritzventils 100 bereitgestellt.
Bezug nehmend auf 2A umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 100: einen Eintrittsbereich 104, einen Austrittsbereich 106, einen Kraftstoffeinlasstubus 110, einen Justiertubus 112, eine Filterbaugruppe 114, eine Magnetspulen-Baugruppe 120, eine Vorspannfeder 116, einen Anker 124, ein Schließelement 126, eine nicht-magnetische Hülse 110a, eine erste Hülse 118, einen Ventilkörper 132, eine Ventilkörperhülle 132B, eine zweite Hülse 119, ein Magnetspulen-Baugruppengehäuse 121, ein Führungselement 127 für das Schließelement 126, einen Sitz 134 und eine Dosierscheibe 102.
Das Führungselement 127, der Sitz 134 und die Dosierscheibe 102 bilden einen Stapel, der am Austrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils 100 mit einem geeigneten Befestigungsverfahren angebracht ist, beispielsweise etwa durch Crimpen, Schweißen, Kleben oder Nieten. Der Anker 124 und das Schließelement 126 sind miteinander verbunden und bilden so eine Anker-/Nadel-Ventil-Baugruppe. Es versteht sich von selbst, dass ein Fachmann auf diesem Gebiet der Technik die Baugruppe ebenso gut auch als eine einzige Komponente realisieren könnte. Die Magnetspulen-Baugruppe 120 enthält einen Spulenkörper aus Kunststoff, auf den eine elektromagnetische Spule 122 gewickelt ist.
Die jeweiligen Enden der Spule 122 sind verbunden mit jeweiligen elektrischen Anschlüssen 122B, 122C, welche, zusammen mit einer Ummantelung 118a, als integraler Bestandteil der Hülse 118 geformt und ausgeführt sind, um einen elektrischen Anschluss zu bilden für den Anschluss des Kraftstoffeinspritzventils an einen elektronischen Regelschaltkreis (nicht dargestellt), der das Kraftstoffeinspritzventil antreibt.
Der Kraftstoffeinlasstubus 110 kann ferromagnetisch sein und beinhaltet eine Kraftstoffeinlassöffnung am freiliegenden oberen Ende. Die Filterbaugruppe 114 kann in der Nähe des offenen oberen Endes des Justiertubus 112 angeordnet werden, um eventuelle Feststoffteilchen, die eine bestimmte Größe übersteigen, aus dem Kraftstoff herauszufiltern, der durch die Einlassöffnung hereinströmt, bevor der Kraftstoff in den Justiertubus 112 eintritt.
In dem justierten Kraftstoffeinlassventil ist der Justiertubus 112 axial zu einer Achsposition innerhalb des Kraftstoffeinlasstubus 110 angeordnet, sodass die Vorspannfeder 116 auf eine gewünschte Vorspannkraft komprimiert wird, welche das Anker-/Nadel-Ventil derart unter Druck setzt, dass die abgerundete Spitze des Schließelements 126 auf den Sitz 134 zu sitzen kommt, um die mittig im Sitz befindliche Öffnung zu verschließen. Vorzugsweise sind die Tuben 110 und 112 zusammengecrimpt, um ihre relative axiale Position beizubehalten, nachdem die Justage durchgeführt wurde.
Nachdem der Kraftstoff den Justiertubus 112 passiert hat, gelangt er in einen Raum, welcher durch das Zusammenwirken der gegenüber liegenden Enden des Einlasstubus 110 und des Ankers 124 definiert ist und der die Vorspannfeder 116 enthält. Der Anker 124 enthält einen Durchflusskanal 128, der den Raum 125 mit einem Durchflusskanal 113 im Ventilkörper 130 verbindet, und ein Führungselement 127 enthält Kraftstoffdurchflussöffnungen 127a, 127b. Hierdurch kann Kraftstoff aus dem Raum 125 durch die Durchflusskanäle 113, 128 zum Sitz 134 fließen.
Die nicht-ferromagnetische Hülse 110a kann teleskopartig an dem unteren Ende des Kraftstoffeinlasstubus 110 angebracht und mit diesem verbunden sein, etwa durch eine hermetisch dichte Laser-Schweißnaht. Die Hülse 110a weist eine tubusförmige Verjüngung auf, die teleskopartig über eine tubusförmige Verjüngung am unteren Ende des Kraftstoffeinlasstubus 110 gestülpt ist. Die Hülse 110a weist außerdem einen Absatz auf, der sich von der Verjüngung radial nach außen erstreckt. Die Ventilkörperhülle 132B kann ferromagnetisch sein und in flüssigkeitsdichter Weise mit der nicht-ferromagnetischen Hülse 110a verbunden sein, vorzugsweise ebenfalls durch eine hermetisch dichte Laser-Schweißnaht.
Das obere Ende des Ventilkörpers 130 fügt sich eng in das untere Ende der Ventilkörperhülle 132B ein, und diese beiden Teile sind in flüssigkeitsdichter Weise verbunden, vorzugsweise durch Laser-Schweißen. Der Anker 124 kann durch die Innenwand des Ventilkörpers 130 geführt werden für eine axiale Hin- und Herbewegung. Eine weitere axiale Führung der Anker-/Nadel-Ventil-Baugruppe kann durch eine mittige Führungsöffnung im Führungselement 127 bereitgestellt werden, durch welche das Schließelement 126 verläuft.
Bevor nun die Beschreibung der Komponenten einer Sitzbaugruppe am Austrittsbereich 106 des Kraftstoffeinspritzventils 100 erörtert wird, sollte beachtet werden, dass die bevorzugten Ausführungsformen eines Sitzes und einer Dosierscheibe des Kraftstoffeinspritzventils 100 die Möglichkeit einer Richtung des Kraftstoffstrahlbildes 101 (d. h. eine Kraftstoffstrahltrennung) bieten, ohne auf angewinkelte Öffnungen (Öffnungen, deren Wand geneigt zur Längsachse A-A angeordnet ist) angewiesen zu sein. Ferner erlauben die bevorzugten Ausführungsformen, die Kegelstrahlform (d. h. ein Strahlbild mit schmaler oder weiter Kegelform) auf der Grundlage der bevorzugten räumlichen Orientierung der gerade (d. h. parallel zur Längsachse) verlaufenden Öffnungen zu wählen.
Es wird nun Bezug genommen auf eine vergrößerte Darstellung der Sitzbaugruppe des Kraftstoffeinspritzventils in 2B, welche ein Schließelement 126, einen Sitz 134 und eine Dosierscheibe 102 umfasst. Das Schließelement 126 enthält ein kugelförmiges Element 126a, das an einem Ende fern von dem Anker angebracht ist. Das kugelförmige Element 126a greift in den Sitz 134 auf der Sitzfläche 134a, um so eine allgemein lineare Berührungsdichtung zwischen den beiden Elementen zu bilden. Die Sitzfläche 134a verjüngt sich radial nach unten und innen in Richtung auf eine Sitzöffnung 135 und zwar derart, dass die Sitzfläche 134a zur Längsachse A-A geneigt ist. Dabei stehen die Begriffe „nach innen/einwärts" und „nach außen/auswärts" für die Richtungen zur Längsachse A-A hin bzw. von ihr weg. Die Dichtung kann als Dichtungsring 140 definiert werden, der durch das lückenlose Eingreifen des kugelförmigen Elements 126a in die Sitzfläche 134a gebildet wird wie hier in 2B dargestellt. Der Sitz 134 enthält eine Sitzöffnung 135, die sich allgemein entlang der Längsachse A-A des Gehäuses 20 erstreckt und durch eine allgemein zylinderförmige Wand 134b gebildet wird. Vorzugsweise liegt der Mittelpunkt 135a der Sitzöffnung 135 allgemein auf der Längsachse A-A.
In Strömungsrichtung der zylinderförmigen Wand 134b nachgelagert verjüngt sich der Sitz 134 entlang einem Abschnitt 134c in Richtung der Dosierscheibenfläche 134e. Diese Verjüngung des Abschnitts 134c kann vorzugsweise bezogen auf die Längsachse A-A linear oder nichtlinear sein, beispielsweise etwa eine nichtlineare Verjüngung, die eine interne Kuppel bildet (2C). In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Verjüngung des Abschnitts 134c linear kegelförmig (2B) nach unten und nach außen in einem Kegelwinkel β weg von der Sitzöffnung 135 zu einem radial hinter den Dosieröffnungen 142 gelegenen Punkt. An diesem Punkt erstreckt sich der Sitz 134 entlang und ist vorzugsweise parallel zu der Längsachse, sodass vorzugsweise die zylinderförmige Wandfläche 134d gebildet wird. Die zylinderförmige Wandfläche 134d erstreckt sich nach unten und erstreckt sich in der Folge in einer allgemein radialen Richtung, um eine Dosierscheibenfläche 134e zu bilden, welche vorzugsweise senkrecht zur Längsachse A-A angeordnet ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann sich der Abschnitt 134c bis zu der Dosierscheibenfläche 134e des Sitzes 134 erstrecken. Vorzugsweise beträgt der Kegelwinkel β etwa 10 Grad bezogen auf eine quer zur Längsachse A-A verlaufende Ebene.
Die Innenfläche 144 der Dosierscheibe 102 am äußeren Umfang der Dosierscheibe 102 steht entlang eines allgemein ringförmigen Kontaktbereichs in Kontakt mit der Dosierscheibenfläche 134e. Die Sitzöffnung 135 ist vorzugsweise vollständig innerhalb des Umfangs angeordnet, d. h. in einem „Schraubenlochkreis" 150, der durch eine gedachte Linie gebildet wird, welche durch den Mittelpunkt jeder Dosieröffnung 142 verläuft. Das bedeutet, dass eine fiktive Verlängerung der Fläche des Sitzes 135 einen fiktiven Kreis von Öffnungen 151 bildet, der vorzugsweise innerhalb des Schraubenlochkreises 150 angeordnet ist.
Im Querschnitt laufen die fiktiven Verlängerungen des Kegels der Sitzfläche 134a auf der Dosierscheibe zusammen, um dort einen fiktiven Kreis 152 zu bilden (2C). Ferner laufen diese fiktiven Verlängerungen zu einer Kegelspitze zusammen, die innerhalb des Querschnitts der Dosierscheibe 102 liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der fiktive Kreis 152 der Sitzfläche 134a innerhalb des Schraubenlochkreises 150 aus den Dosieröffnungen. Anders ausgedrückt ist der Schraubenlochkreis 150 vorzugsweise vollständig außerhalb des fiktiven Kreises 152 angeordnet. Obwohl die Dosieröffnungen 142 mit dem fiktiven Kreis 152 zusammenfallen können, ist es vorzuziehen, dass alle Dosieröffnungen 142 ebenfalls außerhalb des fiktiven Kreises 152 liegen.
Ein allgemein ringförmiger Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146 ist zwischen der Sitzöffnung 135 des Sitzes 134 und einer Innenfläche 144 der Dosierscheibe 102 ausgebildet, hier in 2B dargestellt. Speziell wird der Kanal 146 zunächst zwischen dem Schnittpunkt der vorzugsweise zylinderförmigen Fläche 134b mit der sich vorzugsweise linear verjüngenden Fläche 134c ausgebildet, wobei der Kanal an dem Schnittpunkt der vorzugsweise zylinderförmigen Wandfläche 134d mit der Dosierscheibenfläche 134e endet. Mit anderen Worten, der Kanal ändert seinen Querschnitt, je weiter sich der Kanal auswärts von der Öffnung des Sitzes in Richtung der Mehrzahl von Dosieröffnungen erstreckt, derart, dass dem Kraftstofffluss F zwischen der Öffnung und der Mehrzahl von Dosieröffnungen eine Radialgeschwindigkeit erteilt wird. Es wurde eine physikalische Darstellung einer bestimmten Beziehung entdeckt, durch die der Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146 für Flüssigkeit, die durch den Kanal 146 fließt, eine konstante Geschwindigkeit bereitstellen kann. In dieser Beziehung verjüngt sich der Kanal 146 nach außen von einer größeren Höhe h₁ an der Sitzöffnung 135 mit einer entsprechenden radialen Distanz D₁ zu einer kleineren Höhe h₂ mit einer entsprechenden radialen Distanz D₂ in Richtung der Dosieröffnungen 142.
Vorzugsweise ist ein Produkt aus der Höhe h₁, der Distanz D₁ und π in etwa gleich dem Produkt aus der Höhe h₂, der Distanz D₂ und π (d. h. D₁·h₁·π = D₂·h₂·π oder D₁·h₁ = D₂·h₂), die durch eine Verjüngung gebildet werden, die linear oder nichtlinear sein kann. Die Distanz D₂ steht demnach dergestalt zu dem Kegel in Beziehung, dass, je größer die Höhe h₂ ist, ein desto größerer Kegelwinkel β erforderlich ist, und dass, je kleiner die Höhe h₂ ist, ein desto kleinerer Kegelwinkel β erforderlich ist. Ein ringförmiger Raum 148, vorzugsweise zylindrisch in der Form mit einer Länge D₂, ist zwischen der vorzugsweise linearen Wandfläche 134d und einer Innenfläche der Dosierscheibe 102 ausgebildet. Das bedeutet, dass wie in 2B dargestellt, durch den Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146 ein Kegelstumpf in Strömungsrichtung nach der Sitzöffnung 135 ausgebildet wird, wobei der Kegelstumpf sich mit vorzugsweise einem rechtwinkligen Zylinder deckt, der durch den ringförmigen Raum 148 gebildet wird.
Indem eine konstante Geschwindigkeit des Kraftstoffflusses F bereitgestellt wird, der durch den Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146 fließt, wird angenommen, dass eine Empfindlichkeit der Position der Dosieröffnungen 142 in Bezug auf die Sitzöffnung 135 bei der Kraftstoffstrahlrichtung und Kraftstoffstrahlverteilung auf ein Minimum reduziert wird. Das bedeutet, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen ein akzeptabler Grad an Konzentrizität der Anordnung von Dosieröffnungen 142 in Relation zu der Sitzöffnung 135 unter Umständen nur schwer zu erreichen ist. Es wird daher davon ausgegangen, dass die Merkmale der bevorzugten Ausführungsform eine Dosierscheibe für ein Kraftstoffeinspritzventil bereitstellt, von der angenommen wird, dass sie weniger empfindlich gegen Schwankungen der Konzentrizität zwischen der Anordnung von Dosieröffnungen 142 auf dem Schraubenlochkreis 150 und der Sitzöffnung 135 ist. Es versteht sich außerdem für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, dass aufgrund der speziellen Beziehung die Geschwindigkeit an jedem beliebigen Punkt über die Länge des Kanals 146 hinweg abnehmen, zunehmen oder sowohl zunehmen als auch abnehmen kann, je nach der Konfiguration des Kanals, einschließlich variierender Werte für D₁, h₁, D₂ oder h₂ des Kanals mit geregelter Geschwindigkeit 146, sodass das Produkt aus D₁ und h₁ kleiner oder größer sein kann als das Produkt aus D₂ und h₂.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Zylinder des ringförmigen Raums 148 nicht verwendet und stattdessen nur ein Kegelstumpf, der Bestandteil des Kanals mit geregelter Geschwindigkeit 146 ist, ausgebildet. Das heißt, die Kanalfläche 134c erstreckt sich über die gesamte Länge zur Dosierscheibenfläche 134e, die an der Dosierscheibe 102 anliegt, in 2B und 2C als gestrichelte Linien dargestellt. In dieser Ausführungsform kann die Höhe h₂ bezogen werden, indem die Distanz D₂ von der Längsachse A-A bis zu einem gewünschten Punkt quer zu diesem verlängert wird und die Höhe h₂ zwischen der Dosierscheibe 102 und dem gewünschten Punkt der Distanz D₂ gemessen wird.
Indem dem Kraftstofffluss F, der durch die Sitzöffnung 135 fließt, eine andere Radialgeschwindigkeit erteilt wurde, wurde entdeckt, dass der Strahltrennwinkel des Kraftstoffstrahls, der durch die Dosieröffnungen 142 austritt, als eine allgemein lineare Funktion der Radialgeschwindigkeit geändert werden kann. Beispielsweise wird in einer bevorzugten Ausführungsform, hier in 2C dargestellt, durch Ändern einer Radialgeschwindigkeit des Kraftstoffflusses (zwischen der Sitzöffnung 135 und den Dosieröffnungen 142 durch den Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146) von etwa 8 Meter pro Sekunde auf etwa 13 Meter pro Sekunde der Strahltrennwinkel entsprechend von etwa 13 Grad auf etwa 26 Grad geändert. Die Radialgeschwindigkeit kann vorzugsweise dadurch geändert werden, dass die Konfiguration der Sitzbaugruppe 123 (einschließlich D₁, h₁, D₂ oder h₂ des Kanals mit geregelter Geschwindigkeit 146), die Durchflussmenge des Kraftstoffeinspritzventils oder eine Kombination aus beidem verändert wird.
Ferner wurde entdeckt, dass die Strahltrennrichtung ebenfalls eingestellt werden kann, indem ein Verhältnis der Durchgangslänge (oder Öffnungslänge) „t" jeder Dosieröffnung zum Durchmesser „D" jeder Dosieröffnung verändert wird. Speziell steht der Strahltrennwinkel in einem linear umgekehrten Verhältnis zu dem Verhältnis t/D. Ändert sich dieses Verhältnis von etwa 0,3 auf etwa 0,7, ändert sich der Strahltrennwinkel θ allgemein linear umgekehrt von etwa 22 Grad auf etwa 8 Grad. Wenn also eine geringe Kegelgröße gewünscht ist, jedoch mit einem großen Strahltrennwinkel, wird davon ausgegangen, dass die Strahltrennung erzielt werden kann, indem der Kanal mit geregelter Geschwindigkeit 146 und der Raum 148 konfiguriert werden, während eine Kegelgröße zu erzielen ist, indem das Verhältnis t/D der Dosierscheibe 102 verändert wird. Dabei ist zu beachten, dass sich das Verhältnis t/D nicht nur auf den Strahltrennwinkel auswirkt, sondern dass es auch eine Größe eines Strahlkegels, der aus der Dosieröffnung austritt, in linear umgekehrter Weise beeinflusst. Wenn sich das Verhältnis von etwa 0,3 auf etwa 0,7 ändert, ändert sich die Größe des Kegels, gemessen als ein Öffnungswinkel, allgemein linear umgekehrt zum Verhältnis t/D. Obwohl die Durchgangslänge „t" (also die Länge der Dosieröffnung entlang der Längsachse A-A) in 2C als im Wesentlichen gleich der Stärke der Dosierscheibe 102 dargestellt wird, ist darauf hinzuweisen, dass die Stärke der Dosierscheibe eine andere sein kann als die Durchgangslänge der Dosieröffnungen 142.
Die Dosierscheibe 102 weist eine Mehrzahl von Dosieröffnungen 142 auf, wobei jede dieser Dosieröffnungen 142 einen Mittelpunkt besitzt, der sich auf einem gedachten „Schraubenlochkreis" 150 befindet, wie er hier in den 2C und 3 dargestellt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist jede Dosieröffnung gekennzeichnet mit 142B, 142C, 142c, 142d... und so fort. Obwohl es sich bei den Dosieröffnungen 142 vorzugsweise um kreisförmige Öffnungen handelt, können auch andere Formen der Öffnungen gewählt werden, beispielsweise etwa quadratisch, rechteckig, bogenförmig oder schlitzförmig. Die Dosieröffnungen 142 sind in einer vorzugsweise kreisförmigen Konfiguration angeordnet, wobei diese Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform allgemein konzentrisch mit dem fiktiven Kreis 152 sein kann. Ein fiktiver Kreis 151 der Sitzöffnung wird durch die fiktive Projektion der Sitzöffnung 135 auf die Dosierscheibe erzielt, derart, dass der fiktive Kreis 151 der Sitzöffnung außerhalb des fiktiven Kreises 152 und vorzugsweise allgemein konzentrisch sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten fiktiven Kreis 150 angeordnet ist. Ausgehend von der Längsachse A-A erstrecken sich zwei zueinander rechtwinklige Linien 160a und 160b, die zusammen mit dem Schraubenlochkreis 150 diesen Schraubenlochkreis in vier gleiche Quadranten A, B, C und D teilen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dosieröffnungen in jedem Quadranten in Bezug auf die entsprechenden Dosieröffnungen eines entfernten Quadranten diametrisch angeordnet. Die bevorzugte Konfiguration der Dosieröffnungen 142 und des Kanals erlaubt einen Flussweg „F" des Kraftstoffs, der sich radial von der Sitzöffnung 135 in einer beliebigen radialen Richtung weg von der Längsachse in Richtung der Dosierscheibe erstreckt und durch eine der Dosieröffnungen verläuft.
Zusätzlich zur Strahlrichtung mit Einstellung der Radialgeschwindigkeit und Bestimmung der Kegelgröße mithilfe des Kanals mit geregelter Geschwindigkeit bzw. des Verhältnisses t/D kann auch eine räumliche Ausrichtung der nicht angewinkelten Dosieröffnungen 142 verwendet werden, um das Strahlbild des Kraftstoffstrahls zu beeinflussen, indem die Bogendistanz „L" zwischen den Dosieröffnungen 142 entlang einem Schraubenlochkreis 150 verändert wird. Einzelheiten dieses bevorzugten Verfahrens werden in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/162 759 unter dem Titel „SPRAY PATTERN CONTROL WITH NON-ANGLED ORIFICES IN FUEL INJECTION METERING DISC" (Strahlbildsteuerung mit nicht angewinkelten Öffnungen in der Kraftstoffeinspritz-Dosierscheibe), eingereicht am 6. Juni 2002 (veröffentlicht unter der Publikationsnummer 2003/0015595 am 23. Januar 2003), beschrieben, die durch diesen Verweis als insgesamt in diese Patentanmeldung aufgenommen gilt.
Die Einstellung der Bogendistanzen kann auch in Verbindung mit dem an früherer Stelle beschriebenen Verfahren genutzt werden, um die Strahlgeometrie (schmaleres Strahlbild mit größerem Strahlwinkel zu einem breiteren Strahlbild, dafür aber kleinerem Strahlwinkel) eines Kraftstoffeinspritzventils einem spezifischen Motorkonzept anzupassen, wenn nicht angewinkelte Dosieröffnungen verwendet werden (d. h. eine Dosieröffnung, deren Wand entlang einer Achse ausgerichtet ist, die allgemein parallel zur Längsachse A-A verläuft). Weitere Einzelheiten zu den bevorzugten Ausführungsformen und Verfahren sind in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/162 759 beschrieben, die derzeit anhängig ist und durch diesen Verweis als insgesamt in diese Patentanmeldung aufgenommen gilt.
Im Betrieb befindet sich das Kraftstoffeinspritzventil 100 zunächst in der nicht einspritzenden Position wie in 2A dargestellt. In dieser Position besteht ein Arbeitsspalt zwischen der ringförmigen Endfläche 110b des Kraftstoffeinlasstubus 110 und der gegenüber liegenden ringförmigen Endfläche 124a des Ankers 124. Das Magnetspulen-Gehäuse 121 und der Tubus 12 sind bei 74 in Kontakt und bilden eine Ständerkonstruktion, die mit der Magnetspulen-Baugruppe 18 verbunden ist. Die nicht-ferromagnetische Hülse 110a stellt sicher, dass, wenn die elektromagnetische Spule 122 erregt ist, der Magnetfluss einem Weg folgt, der den Anker 124 beinhaltet. Ausgehend von dem unteren axialen Ende des Gehäuses 34, wo dieses durch eine hermetisch dichte Laserschweißnaht mit der Ventilkörperhülle 132B verbunden ist, verläuft der Magnetkreis durch die Ventilkörperhülle 132B, den Ventilkörper 130 und die Öse zum Anker 124 und vom Anker 124 über den Arbeitsspalt 72 zum Kraftstoffeinlasstubus 110 und zurück zum Magnetspulen-Gehäuse 121.
Wenn die elektromagnetische Spule 122 erregt ist, kann die Federkraft am Anker 124 überwunden werden und wird der Anker zum Kraftstoffeinlasstubus 110 hin angezogen, wodurch sich der Arbeitsspalt 72 verkleinert. Hierdurch wird das Schließelement 126 vom Sitz 134 abgehoben, um das Kraftstoffeinspritzventil zu öffnen, sodass der im Ventilkörper 132 unter Druck stehende Kraftstoff durch die Sitzöffnung und durch die in der Dosierscheibe 102 ausgebildeten Öffnungen fließt. Es ist zu beachten, dass das Betätigungselement unter Umständen derart montiert werden kann, dass ein Teil des Betätigungselements in dem Kraftstoffeinspritzventil angeordnet sein kann und ein Teil außerhalb des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sein kann. Ist die Spule nicht mehr erregt, drückt die Vorspannfeder 116 die Anker-/Nadel-Ventil-Baugruppe in die geschlossene Position auf den Sitz 134.
Bezug nehmend auf 1 kann das Kraftstoffeinspritzventil 100 eingesetzt werden, um die Kohlenwasserstoff-Emissionen zu reduzieren, indem die Strahlrichtung des Kraftstoffs in Abhängigkeit von den Betriebscharakteristika des Motors geändert wird. Die Reduzierung der Kohlenwasserstoffe lässt sich, neben anderen Merkmalen, dadurch erzielen, dass ein Kraftstoffdruck an die Kraftstoffeinspritzventile 100 bereitgestellt wird, um hierdurch die Radialgeschwindigkeit des Kraftstoffs, der durch die Sitzbaugruppe 123 des Kraftstoffeinspritzventils fließt, zu variieren. In dem Maße, wie der Kraftstoffdruck, der am Eintrittsbereich 104 des Kraftstoffeinspritzventils 100 bereitgestellt wird, ansteigt, nimmt die Radialgeschwindigkeit zu und vergrößert sich dementsprechend der Strahltrennwinkel θ. Somit können verschiedene Kraftstoffdruck-Einstellungen verschiedene Strahlwinkel mit einer Neigung zur Längsachse A-A für eine Kraftstoffversorgungsvorrichtung 30 ergeben, welche mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil 100 und einen Kraftstofffluss umfasst, der von mindestens der Kraftstoffleitung 22 bereitgestellt wird. Wenn der Druck, mit dem der Kraftstoff zum Kraftstoffeinspritzventil 100 fließt, steigt, vergrößert sich der Strahlwinkel θ aufgrund der höheren Umwandlung von Fließenergie (allgemein proportional zu dem Druck des Kraftstoffs) durch die Geometrie der Sitzbaugruppe 123, um dem Kraftstofffluss F eine Radialgeschwindigkeit zu erteilen, sodass der Kraftstofffluss, der aus den Dosieröffnungen austritt, eine Tendenz aufweist, sich von der Längsachse A-A zu entfernen.
Während des Motorstarts und bei normalen Betriebsbedingungen können Temperaturparameter erfasst werden, um einen entsprechenden Kraftstoffdruck am Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils herzustellen. Beim Kaltstart liegt die Temperatur des Motors üblicherweise unterhalb seines normalen Betriebstemperatur-Bereichs. Normale Betriebsbedingungen herrschen in der Regel, nachdem ein Motor 12 eine Zeitlang gelaufen und sein Betriebstemperatur-Bereich erreicht ist, also beispielsweise eine normale Kühlmitteltemperatur von ca. 90 Grad Celsius am Austrittsbereich einer Wasserpumpe zum Eintrittsbereich des Kühlers 19. Temperaturparameter zur Ermittlung der Betriebscharakteristika des Motors 12 können an einer Mehrzahl von Punkten in einem Motor, in seinem Abgassystem oder in seinem Kühlsystem gemessen werden. Beispielsweise kann die Temperatur an einem Zylinderkopf, Auspuff, Katalysator oder Kühler eine geeignete Temperaturmessung für das elektronische Steuermodul ECM ergeben.
Unter Motor-Kaltstartbedingungen, wenn die Temperatur des Motors 12 unterhalb seines normalen Betriebsbereiches liegt, sind sowohl die Einlassventile 12a als auch der Einlasskrümmer 16 relativ kalt und baut sich das Vakuum im Einlasskrümmer 16 aufgrund der Zwischenräume, die zwischen den Komponenten des kalt gestarteten Motors bestehen, gegebenenfalls nicht auf einen geeigneten Wert auf. Wenn das Vakuum im Einlasskrümmer niedrig ist, kann die Vernebelung des Kraftstoffgemischs unzureichend sein und können sich größere Tropfen ansammeln, die dann in die Brennkammer fallen, wodurch es zu einer schlechten Verbrennung und einem erhöhten Ausstoß an Kohlenwasserstoff kommt. Um diesen Zustand zu beheben wird daher davon ausgegangen, dass der Kraftstoffstrahl an der Innenseite des Einlasskrümmers 16 so geregelt werden kann, dass ein Strahlbild breiter als das gewöhnliche Strahlbild unter normalen Betriebsbedingungen (beispielsweise Motorbetriebsbedingungen bei einer vorab festgelegten Kühlmitteltemperatur über einen bestimmten Zeitraum hinweg) erzeugt wird. Die größeren vernebelten Tropfen des breiten Strahlbildes bleiben demnach an der Oberfläche des Einlasskrümmers 16 haften und werden nicht in die kalte Brennkammer eingesogen; nur die kleineren vernebelten Tropfen werden in die Brennkammer eingesogen. Die größeren vernebelten Tropfen bleiben so lange an der Oberfläche des Einlasskrümmers 16 haften, bis sich im Krümmer ein ausreichendes Vakuum und/oder eine ausreichende Hitze aufgebaut hat, um diese Tropfen einzusaugen bzw. zu verdampfen. Hierdurch wird die möglicherweise nur teilweise Verbrennung der größeren Kraftstofftropfen reduziert. Somit wird davon ausgegangen, dass das hier beschriebene bevorzugte Verfahren zu einer Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen führt.
Anders herum wird davon ausgegangen, dass unter normalen Betriebsbedingungen oder bei einem Warmstart die Einlassventile 12a des Motors 12 schneller erwärmt werden als der Einlasskrümmer 16, da sie allgemein in direkten Kontakt mit Verbrennungsgasen kommen. Es wird davon ausgegangen, dass ein besseres Luft-/Kraftstoffgemisch erzielt werden kann, wenn ein schmaleres Kraftstoffstrahlbild 101 im hinteren Teil jedes der Einlassventile 12a bereitgestellt wird, sodass der darauf gerichtete Kraftstoff verdampft wird, bevor das Luft/Kraftstoffgemisch in die Brennkammer gelangt. Folglich wird angenommen, dass ein kleinerer Strahlwinkel bezogen auf die Längsachse in einer verbesserten Verbrennung und einem geringeren Kohlenwasserstoff-Ausstoß resultiert.
Das breitere Strahlbild, das für die Motorstartbedingung benötigt wird, kann dadurch erzeugt werden, dass der Strahlwinkel über den Kraftstoffdruck, der am Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils 100 bereitgestellt wird, geregelt wird. Wie vorstehend bereits erwähnt kann ein größerer Strahlwinkel θ hergestellt werden, indem der Kraftstoffdruck im Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils erhöht wird (beispielsweise auf einen Kraftstoffdruck von 80 psig oder höher im Kraftstoffverteiler). Damit kann ein breites Strahlbild mit einem zur Längsachse geneigten Strahlwinkel für Startbedingungen erzeugt werden. Wenn dagegen der Kraftstoffdruck am Kraftstoffeinspritzventil verringert wird, (also beispielsweise auf einen normalen Kraftstoffdruck wie etwa 38 psig abgesenkt wird), verkleinert sich der zur Längsachse geneigte Strahlwinkel und wird das Strahlbild schmaler. Daher kann, abhängig von einer geeigneten erfassten Temperatur, der Kraftstoffdruck stufenlos über einen Bereich von Kraftstoffdruckwerten oder in Einzelschritten über den Bereich von Kraftstoffdruckwerten geregelt werden.
Insbesondere kann ein Verfahren zum Ändern des Kraftstoffdrucks zum Teil dadurch realisiert werden, dass der am Eintrittsbereich 104 des Kraftstoffeinspritzventils 100 bereitgestellte Kraftstoffdruck geregelt wird. Der Kraftstoffdruck kann mithilfe eines geeigneten Verfahrens geregelt werden, beispielsweise etwa durch die Regelung eines Kraftstoffdruckreglers 28 (mit oder ohne elektronisches Steuermodul ECM) in einem Kraftstoffverteiler 24 entweder in Strömungsrichtung vorgelagert oder in Strömungsrichtung nachgelagert zum Kraftstoffverteiler 24, wobei der Ausstoß der Kraftstoffpumpe geregelt wird, oder indem die Menge an Kraftstoff kontrolliert wird, die von dem Kraftstoffverteiler 24 in den Kraftstofftank zurückgeleitet wird.
Das elektronische Steuermodul ECM oder der Kraftstoffdruckregler oder die Steuereinheit 28 bzw. 28' kann den am Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils bereitgestellten Kraftstoffdruck variieren, vorzugsweise abhängig von einem erfassten Temperaturparameter oder sonstigen erfassten Bedingungen wie beispielsweise der Motordrehzahl, Betrieb im Kaltstart, dem umgebenden atmosphärischen Druck oder der Temperatur. Das elektronische Steuermodul ECM bzw. die Drucksteuereinheit kann mindestens einen vorab definierten Eingangswert erfassen und ändert den am Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellten Kraftstoffdruck entsprechend den Betriebscharakteristika des Motors 12 wie beispielsweise Kaltstart oder Warmstart. Der/die erfasste(n) Parameter können direkt erfasst oder einer Parameter-Vergleichstabelle im elektronischen Steuermodul ECM entnommen werden.
Wie bereits beschrieben sind die bevorzugten Ausführungsformen einschließlich die Verfahren zur Regelung der Strahlwinkelrichtung, der Verteilung oder der Kraftstoffdruckregelung zwecks Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen nicht auf das hier beschriebene bevorzugte Kraftstoffeinspritzventil beschränkt, sondern können auch in anderen Kraftstoffeinspritzventilen wie beispielsweise dem modularen Kraftstoffeinspritzventil eingesetzt werden, welches in dem US-Patent mit der Nummer 6.676.044 an Dallmeyer et al. vom 13. Januar 2004, das durch diesen Verweis als insgesamt in diese Patentanmeldung aufgenommen gilt, beschrieben wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Varianten oder Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne die Aufgabenstellung und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen zu verlassen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie sich auf den uneingeschränkten Schutzbereich erstreckt, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche oder gleichwertiger Ansprüche definiert ist.
Neben anderen gezeigten und beschriebenen Aspekten der Erfindung wird eine Kraftstoffversorgungseinrichtung (10) offenbart, die eine Mehrzahl von Kraftstoffstrahlwinkeln in Richtung einer Brennkammer eines Motors (12) bereitstellt, um die Kohlenwasserstoff-Emissionen während eines Kaltstarts oder eines Warmstarts zu verringern. Weiter sind ein diesbezügliches Verfahren und ein Kraftstoffsystem gezeigt und beschrieben.

Claims

Kraftstoffversorgungsvorrichtung, die eine Mehrzahl von Kraftstoffstrahlwinkeln in Richtung einer Brennkammer eines Motors bereitstellt, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: – einen Kraftstofffluss mit einer Mehrzahl von Drücken; und – ein Kraftstoffeinspritzventil, das Folgendes umfasst: – einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang einer Längsachse von dem Eintrittsbereich zum Austrittsbereich erstreckt, wobei der Eintrittsbereich den Kraftstofffluss aufnimmt; – eine Sitzbaugruppe, die in dem Durchflusskanal angeordnet ist, wobei die Sitzbaugruppe einen Sitz, eine Sitzfläche, eine Öffnung, eine erste Fließfläche, eine Dichtfläche und eine Dosierscheibe umfasst, wobei die Dosierscheibe eine zweite Fließfläche umfasst, die mit der ersten Fließfläche in Kontakt steht und eine Mehrzahl von Dosieröffnungen aufweist, welche sich allgemein parallel zur Längsachse erstrecken, wobei die Dosieröffnungen in einem ersten Kreis rund um die Längsachse herum angeordnet sind, der größer ist als ein zweiter Kreis, der definiert ist durch die Projektion der Dichtfläche auf die Dosierscheibe; und – einen Kanal, der zwischen der ersten und der zweiten Fließfläche ausgebildet ist, wobei der Kanal einen ersten Bereich aufweist, dessen Querschnitt sich verändert, je weiter sich der Kanal aus der Öffnung des Sitzes nach außen hin zu einer Position erstreckt, die die Mehrzahl von Dosieröffnungen umgibt, sodass der Kraftstofffluss durch den Kanal mit einem ersten Kraftstoffdruck einen ersten Strahlwinkel bildet, der zur Längsachse geneigt ist, und der Kraftstofffluss mit einem zweiten Kraftstoffdruck einen zweiten Strahlwinkel bildet, der zur Längsachse geneigt ist.
Kraftstoffversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Strahlwinkel kleiner ist als der zweite Strahlwinkel.
Kraftstoffversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Kraftstoffdruck einen Kraftstoffdruck umfasst, der niedriger ist als der zweite Kraftstoffdruck.
Kraftstoffversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei sich der Kraftstoffdruck linear zu einem erfassten Parameter verhält.
Kraftstoffversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei sich der Kraftstoffdruck nicht linear zu einem erfassten Parameter verhält.
Kraftstoffversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Kraftstoffdruck entsprechend einem erfassten Parameter in Einzelschritten geändert werden kann.
Kraftstoffsystem zur Bereitstellung von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor, wobei das Kraftstoffsystem Folgendes umfasst – eine Kraftstoffversorgung, die Kraftstoff unter Druck stehend bereitstellt; – mindestens ein Kraftstoffeinspitzventil, das in Fluidverbindung mit der Kraftstoffversorgung steht, wobei das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich sowie einen Durchflusskanal aufweist, der sich entlang einer Längsachse durch diese erstreckt, wobei der Austrittsbereich eine Sitzbaugruppe aufweist und die Sitzbaugruppe einen Kanal umfasst, der zwischen einander gegenüber liegenden Flächen eines Sitzes und einer Dosierscheibe ausgebildet ist, wobei der Kanal einen ersten Bereich aufweist, dessen Querschnitt sich verändert, je weiter sich der Kanal von einer Öffnung des Sitzes nach außen hin zu einer Position erstreckt, die eine Mehrzahl von Dosieröffnungen umgibt; und – eine Steuereinheit, die den Druck variiert, mit dem Kraftstoff an dem Eintrittsbereich des mindestens einen Kraftstoffeinspritzventils bereitgestellt wird, sodass Kraftstoff, der durch den Austrittsbereich über den Sitzkanal und die Mehrzahl von Dosieröffnungen fließt, bezogen auf die Längsachse einen Strahlwinkel bildet, der als Funktion aus dem Kraftstoffdruck variiert.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 7, das ferner einen Verbrennungsmotor umfasst, welcher das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil aufnimmt.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit eine Temperaturerfassungsvorrichtung umfasst, die in Verbindung steht mit einer Motorsteuereinheit, wobei die Temperaturerfassungsvorrichtung dafür konfiguriert ist, mindestens eine Temperatur aus einer Gruppe von Temperaturen zu erfassen, welche eine Betriebstemperatur des Motors, Lufttemperatur, Kühlwassertemperatur, Abgastemperatur und Betriebstemperatur eines Abgaskatalysators umfasst.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 9, wobei die Temperaturerfassungsvorrichtung einen Temperatursensor umfasst.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 9, wobei die Steuereinheit eine Temperatur des Abgaskatalysators erfasst und den Kraftstoffdruck, der an dem mindestens einen Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt wird, entsprechend anpasst.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 11, wobei die Drucksteuereinheit ein Kraftstoffdruck-Regelventil umfasst, das sich in Reaktion auf ein Steuersignal öffnet bzw. schließt, sodass der Kraftstoffdruck zum Eintrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils in Abhängigkeit von Kaltstart- oder Warmstartbedingungen des Motors variiert wird.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 11, wobei das Steuersignal ein Vakuum umfasst, das durch einen Einlasskrümmer eines Motors aufgebaut wird.
Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 13, wobei das Druckregelventil eine elektronische Steuereinheit umfasst und das Steuersignal ein elektrisches Signal von der Steuereinheit umfasst.
Verfahren zur Steuerung der Strahlrichtung für den Kraftstoff durch mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil, wobei das mindestens eine Kraftstoffeinspritzventil einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist sowie einen Durchflusskanal, der sich entlang einer Längsachse durch diese erstreckt, wobei der Austrittsbereich eine Sitzbaugruppe umfasst, die derart in dem Durchflusskanal angeordnet ist, dass sie einem Kraftstofffluss durch die Sitzbaugruppe eine Radialgeschwindigkeitskomponente erteilt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Kraftstoff, der durch den Durchflusskanal des Kraftstoffeinlassventils in Richtung des Austrittsbereichs fließt; und – Variieren eines Kraftstoffdrucks nahe dem Eintrittsbereich, sodass ein Durchflussweg des Kraftstoffs von dem Austrittsbereich des Kraftstoffeinspritzventils verschiedene Strahlwinkel bildet, die zur Längsachse geneigt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Variieren das Erfassen eines Parameters umfasst, der entweder einen Kaltstart oder einen Warmstart anzeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Erfassen die Erfassung einer Temperatur beinhaltet, die aus einer Gruppe von Temperaturen ausgewählt wird, welche eine Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors, eine Abgastemperatur des Verbrennungsmotors und eine Betriebstemperatur des Katalysators umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Variieren Folgendes umfasst: die Vergrößerung des Strahlwinkels durch Erhöhen des Kraftstoffdrucks, um unter einer Kaltstartbedingung den Kohlenwasserstoff-Ausstoß zu reduzieren, bzw. die Verkleinerung des Strahlwinkels durch Verringern des Kraftstoffdrucks, um unter einer Warmstartbedingung den Kohlenwasserstoff-Ausstoß zu reduzieren.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Variieren die Regelung des Kraftstoffdrucks am Kraftstoffeinspritzventil mittels eines Kraftstoffdruckreglers umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Variieren die Regelung eines Druckausgangs einer Kraftstoffpumpe umfasst, die in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Kraftstoffeinspritzventil steht.