DE60034722T2

DE60034722T2 - Kraftstoffeinspritzanordnung

Info

Publication number: DE60034722T2
Application number: DE60034722T
Authority: DE
Inventors: James Martin Anderton Stroud Askew
Original assignee: Woodward Governor Co
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: EP1036931A3; US6877483B2; EP1036931A2; DE60034722D1; US20020148905A1; EP1036931B1; GB9905896D0; ATE362047T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanordnung zur Verwendung in der Förderung von Kraftstoff unter Druck zu einem Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft speziell eine Kraftstoffeinspritzanordnung, die zur Verwendung in Kraftstoffsystemen vom Speichereinspritzungstyp (Common-Rail-Typ) geeignet ist.
In einem bekannten Common-Rail-Einspritzventil kann eine Ventilnadel zum Regeln der Kraftstoffförderung zu einem Brennraum mit einem Sitz in Eingriff gebracht werden. Die Position der Nadel wird durch Regeln des Kraftstoffdrucks in einer Steuerkammer gesteuert. In einer derartigen Anordnung wird in dem Fall, dass die Ventilnadel in einer angehobenen Position steckenbleibt, vom Einspritzventil kontinuierlich Kraftstoff gefördert. Eine derartige kontinuierliche Ausgabe von Kraftstoff unter Druck könnte einen katastrophalen Ausfall des Motors und/oder der Kraftstoffanlage verursachen.
Eine alternative Anordnung umfasst eine Ventilnadelfeder, die in Richtung auf einen Sitz vorgespannt ist, und ein Steuerventil, das die Kraftstoffzuführ zu einer Druckkammer des Einspritzventils regelt. In einer derartigen Anordnung wird, wenn das Steuerventil in einer offenen Position steckenbleibt, die Kraftstoffförderung kontinuierlich erfolgen und kann zu einem Ausfall führen, wie im Vorangehenden beschrieben.
DE 27 59 255 beschreibt eine Anordnung, bei der ein 3/2-Wegeventil die Kraftstoffzuführung in einer zur Druckkammer eines Einspritzventils führenden Leitung regelt. In einem Zustand verbindet das Ventil eine Hochdruckkraftstoffquelle mit der Druckkammer und in dem anderen Zustand verbindet das Ventil die Druckkammer mit einem Krafstoffrücklauf oder Kraftstoffablass. DE 197 15 234 und EP 1079096 beschreiben Kraftstoffeinspritzanordnungen mit gefederten Düsennadeln, in denen ein durch Kraftstoffdruck betätigtes Ventil die Druckkraftstoffzuführung zur Einspritzventildüse regelt. In allen diesen Anordnungen wird das Beenden der Einspritzung von einer Verringerung des Kraftstoffdrucks an der Düse bewirkt oder begleitet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Einspritzventil bereitzustellen, bei dem die im Vorangehenden beschriebenen Nachteile vermieden oder gemildert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Eine derartige Anordnung ist insofern vorteilhaft, als die kontinuierliche Kraftstoffförderung erfordert, dass sowohl die Nadel in einer angehobenen Position steckenbleibt als auch das Steuerventil in einer offenen Position steckenbleibt. Das Risiko einer kontinuierlichen Kraftstoffförderung und das damit verbundene Risiko von Schäden an Motor und Kraftstoffanlage werden hierdurch reduziert.
Ein solenoidbetätigbares Ventil ist günstig bereitgestellt, um den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer zu regeln, wodurch die Zeitsteuerung der Bewegung der Ventilnadel gesteuert wird. Das solenoidbetätigbare Ventil kann auch den Kraftstoffdruck regeln, der an das durch Kraftstoffdruck betätigbare Steuerventil angelegt wird.
Das durch Kraftstoffdruck betätigbare Steuerventil und das solenoidbetätigbare Ventil sind praktisch an einem Einspritzventil, ein Teil dessen von der Düse gebildet wird, montiert oder bilden Teil davon.
Die Erfindung wird des Weiteren beispielhaft unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben, dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2 bis 4 1 ähnliche Darstellungen, die weitere Ausgestaltungen illustrieren;
5 und 6 schematische Schnitte von Kraftstoffeinspritzventilen, die auf die gleiche Weise wie die Anordnung von 4 funktionieren;
7 eine 1 ähnliche Darstellung, die eine weitere Ausgestaltung illustriert;
8, 9 und 10 schematische Ansichten der Anordnung von 1, 3 bzw. 4 und
11 und 12 den 9 und 10 ähnliche Darstellungen von Modifikationen davon.
Die in 1 etwas schematisch dargestellte Kraftstoffeinspritzanordnung umfasst einen Düsenkörper 10, in dem eine Blindbohrung 11 ausgebildet ist. Eine Ventilnadel 12 ist in der Bohrung verschiebbar, wobei die Nadel 12 eine Region mit vergrößertem Durchmesser hat, deren Dimensionen in Bezug auf die der Bohrung so sind, dass die Bohrung 11 die Nadel 12 zur Gleitbewegung in ihr führt. Die Bohrung 11 definiert neben ihrem blinden Ende einen Sitz, mit dem eine Spitzenregion der Nadel 12 in Eingriff gebracht werden kann zum Regeln der Kraftstoffförderung aus einer in Durchflussrichtung stromaufwärts von dem Sitz definierten Druckkammer 13 zu einer Mehrzahl von Auslassöffnungen 14, die stromabwärts von dem Sitz mit der Bohrung 11 kommunizieren.
Die Nadel 12 wird von einer Feder 15, die sich in einer Federkammer 16 befindet, die durch einen Durchgang 17 zu einem zutreffenden Niederdruckkraftstoffbehälter 18 entlüftet wird, in Eingriff mit dem Sitz 15 vorgespannt. Die Feder 15 ist an einem Federwiderlagerelement 19 in Anlage, das mit der oberen Oberfläche der Nadel 12 in Eingriff steht, um die von der Feder 15 ausgeübte Kraft auf die Nadel 12 zu übertragen. Das Federwiderlagerelement 19 weist ein Lastübertragungselement 20 auf, das sich in eine Kammer 21 erstreckt, in der ein Kolbenelement 22 verschiebbar ist. Die obere Oberfläche des Kolbenelements 22 ist dem Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer 23 ausgesetzt, wobei das Kolbenelement 22 so ausgerichtet ist, dass das Anlegen von Kraftstoff unter hohem Druck an die Steuerkammer 23 eine Kraft auf die Nadel 12 ausübt, die die Nadel 12 in Richtung auf ihren Sitz drängt.
Die Druckkammer 13 kommuniziert durch einen Durchgang 24 mit einer Bohrung 25, in der ein Steuerventilelement 26 verschiebbar ist. Das Steuerventilelement 26 kann mit einem von der Bohrung 25 definierten Sitz in Eingriff gebracht werden, um die Kommunikation zwischen einem Durchgang 27, der in eine Kammer 28 unmittelbar stromaufwärts von dem Sitz mündet, und dem Durchgang 24 zu regeln. Der Durchgang 27 kommuniziert im Gebrauch mit einer Quelle 29 von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff, z.B. der gemeinsamen Verteilerleiste eines Speichereinspritzsystems, das von einer geeigneten Hochdruckkraftstoffpumpe auf einen entsprechend hohen Druck gebracht wird.
Der Durchgang 27 kommuniziert durch einen Durchgang 30, der mit einer Durchflussdrossel 31 versehen ist, mit einem Durchgang 32, der in die Steuerkammer 23 und auch in eine Kammer 33 mündet, die teilweise von der oberen Endfläche des Steuerventilelements 26 definiert wird. Das Steuerventilelement 26 ist so angeordnet, dass das Anlegen von unter Druck stehendem Kraftstoff an die Kammer 33 eine Kraft auf das Steuerventilelement 26 ausübt, die das Steuerventilelement 26 in Eingriff mit seinem Sitz drängt, um die Kommunikation zwischen der Quelle 29 und der Druckkammer 13 zu verhindern.
Ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 34 ist zum Steuern der Kommunikation zwischen der Steuerkammer 23 und somit der Kammer 33 und einem geeigneten Niederdruckablassbehälter 35 bereitgestellt.
In der in 1 illustrierten Position ist das Steuerventil 34 auf eine Position federvorgespannt, in der die Steuerkammer 23 nicht mit dem Niederdruckablassbehälter 35 kommuniziert. Infolge der Kommunikation zwischen der Quelle 29 und sowohl der Steuerkammer 23 als auch der Kammer 33 werden die Kammer 33 und die Steuerkammer 23 auf einen hohen Pegel druckbeaufschlagt. Infolgedessen wird das Steuerventil 26 mit seinem Sitz in Eingriff gedrängt und daher kein Kraftstoff zur Druckkammer 13 zugeführt. Ferner gewährleistet der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 zusammen mit der Wirkung der Feder 15, dass die Ventilnadel 12 in ihrem Sitz in Eingriff kommt, und daher findet keine Kraftstoffförderung durch das Einspritzventil statt.
Wenn Kraftstoffeinspritzung stattfinden soll, wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil 34 bestromt, um das Ventilelement davon auf eine Position zu bewegen, in der die Kommunikation zwischen der Steuerkammer 23 und dem Niederdruckablassbehälter 35 erlaubt ist. Infolgedessen kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 23 entweichen und, da der mögliche Kraftstoffdurchsatz zur Steuerkammer 23 von der Verengung 31 gedrosselt wird, geht der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 zurück. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 33 geht auch infolge der Kommunikation zwischen der Kammer 33 und der Steuerkammer 23 und infolge des Vorhandenseins der Verengung 31 zurück.
Der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 33 fällt auf einen Pegel ab, der ausreicht, um das Ventilelement 26 durch die Wirkung des Kraftstoffdrucks in der Kammer 28 auf die freiliegenden Winkelflächen des Steuerventilelements 26 aus seinem Sitz heben zu lassen. Die Bewegung des Ventilelements 26 lässt Kraftstoff aus der Quelle 29 durch den Durchgang 24 zur Druckkammer 13 fließen, wodurch in der Druckkammer 13 ein Innendruck aufgebaut wird.
Der Anstieg des Kraftstoffdrucks innerhalb der Druckkammer 13 übt eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Nadel 12 aus, die auf einen Pegel steigt, der ausreicht, um die Wirkung des Kraftstoffrestdrucks in der Steuerkammer 23 und die Wirkung der Feder 15 zu überwinden, wobei die Ventilnadel 12 von ihrem Sitz abgehoben wird und so Kraftstoff durch die Auslassöffnungen 14 zu einem Brennraum eines assoziierten Motors fließen kann.
Zum Beenden der Einspritzung wird das elektromagnetisch betätigbare Steuerventil 34 auf die illustrierte Position zurückgeführt. Infolgedessen ist kein Kraftstoff zum Fließen aus der Steuerkammer 23 zum Niederdruckkraftstoffbehälter 35 mehr erhältlich und da Kraftstoff durch die Verengung 31 fließen kann, wenn auch mit einem gedrosselten Durchsatz, steigt der Kraftstoffdruck in der Kammer 33 und der Steuerkammer 23 an. Es wird ein Punkt erreicht, jenseits von dem die Wirkung des Kraftstoffs unter Druck in der Steuerkammer 23 in Kombination mit der Wirkung der Feder 15 ausreicht, um die Ventilnadel 12 wieder mit ihrem Sitz in Eingriff zu bringen, so dass die Kraftstoffförderung aus der Druckkammer 13 durch die Auslassöffnungen 14 beendet wird. Der Kraftstoffdruckanstieg in der Kammer 33 dient zum Ausüben einer größeren Kraft auf das Steuerventilelement 26, wobei das Steuerventilelement 26 in Richtung auf seinen Sitz gedrängt wird, und es wird ein Punkt erreicht, jenseits von dem das Steuerventilelement 26 mit seinem Sitz in Eingriff kommt, so dass die Kraftstoffzufuhr aus der Quelle 29 zur Druckkammer 13 beendet wird. Wie in 1 illustriert, ist Teil des unteren Endes des Steuerventilelements 26 jederzeit gegen unter Druck stehenden Kraftstoff abgeschirmt, so dass, wenn Kraftstoff unter Druck an die Kammer 33 angelegt wird, das Ventilelement 26 in Richtung auf seinen Sitz gedrängt wird.
Wenn die Anordnung in einer Anlage verwendet werden soll, in der während jedem Einspritzzyklus vor der Haupteinspritzung eine Voreinspritzung ausgegeben werden soll, dann wird der Einspritzvorgang wiederholt, um die Abgabe der Haupteinspritzung zuzulassen.
Man wird erkennen, dass die im Vorangehenden beschriebene Anordnung insofern vorteilhaft ist, als im Fall, dass die Nadel 12 in einer angehobenen Position klemmt oder steckenbleibt, dann, wenn das Beenden der Einspritzung stattfinden soll, das Schalten des elektromagnetisch betätigten Ventils 34 das Ansteigen des Kraftstoffdrucks in der Kammer 33 verursachen wird, was verursacht, dass sich das Ventilelement 26 in Eingriff mit seinem Sitz bewegt, wodurch die Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 beendet wird. Infolgedessen wird, obwohl die Nadel 12 in einer angehobenen Positionen steckengeblieben ist, keine kontinuierliche Einspritzung stattfinden, da die Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 beendet wurde. Desgleichen, wenn das Ventilelement 26 in einer angehobenen Position klemmt, verursacht die Betätigung des elektromagnetisch betätigten Ventils 34 zum Beenden der Einspritzung, dass der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 ansteigt, wodurch sichergestellt wird, dass die Ventilnadel, sofern die Ventilnadel 12 nicht in einer angehobenen Position steckengeblieben ist, sich mit ihrem Sitz in Eingriff bewegen wird, was die Einspritzung beendet. Man wird erkennen, dass die kontinuierliche Kraftstoffeinspritzung aus der Quelle 29 nur in dem Fall stattfindet, wenn sowohl die Ventilnadel 12 als auch das Steuerventilelement 26 in ihrer angehobenen Position steckenbleiben.
In 1 liegen das Ventilelement (26) und das Kolbenelement (22) nebeneinander, während es in der Praxis eventuell bevorzugt wird, das Ventilelement (26) so auf das Kolbenelement (22) auszurichten, dass das eine hinter dem anderen liegt.
2 illustriert eine Anordnung, die der von 1 ähnlich ist, unterscheidet sich aber davon dadurch, dass, anstatt ein separates Kolbenelement 22 bereitzustellen, das dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 ausgesetzt ist, die obere Endfläche der Nadel 12 dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 ausgesetzt ist, wobei sich die Feder 15 in der Steuerkammer 23 befindet. Die Funktionsweise dieser Ausgestaltung ist wie im Vorangehenden beschrieben und wird daher nicht ausführlicher beschrieben. In der Anordnung von 2 ist die mit der Nadel 12 assoziierte Wirkfläche, die dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 ausgesetzt ist, im Vergleich mit der von 1 verringert. Infolgedessen ist die vom Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 auf die Nadel 12 ausgeübte Kraft geringer und daher kann, um schnelles Schließen des Einspritzventils am Einspritzungsende zu gewährleisten, eine Durchflussdrossel im Durchgang 24 bereitgestellt werden, um den möglichen Durchsatz von Kraftstoff zur Druckkammer 13 zu drosseln, so dass während der Einspritzung der Kraftstoffdruck in der Druckkammer 13 zurückgeht, wodurch die auf die Nadel 12 ausgeübte Nettoaufwärtskraft verringert wird. Falls erwünscht, kann sich die Verengung unmittelbar stromaufwärts von dem Steuerventil befinden oder vom Steuerventil gebildet werden.
3 illustriert eine Anordnung, die in vieler Hinsicht der von 1 ähnlich ist, und es werden nur die Unterschiede zwischen der Anordnung von 1 und der von 3 im Detail beschrieben werden. In der Anordnung von 3 kommuniziert der Durchgang 30 direkt mit der Kammer 33 anstatt mit dem zwischen der Kammer 33 und der Steuerkammer 23 liegenden Durchgang 32 und der Durchgang 32 ist mit einer Verengung 32a versehen, die den möglichen Durchsatz von Kraftstoff aus der Kammer 33 zur Steuerkammer 23 drosselt.
Im Gebrauch steht vor Einspritzungsbeginn sowohl die Kammer 33 als auch die Steuerkammer 23 unter hohem Druck und daher werden große Kräfte auf das Steuerventilelement 26 und die Ventilnadel 12 ausgeübt, die gewährleisten, dass sie in ihrem jeweiligen Sitz in Eingriff sind, um sicherzustellen, dass kein Kraftstoff zur Druckkammer 13 fließen darf, und um sicherzustellen, dass keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet. Um die Einspritzung zu beginnen, wird das elektromagnetisch betätigte Ventil 34 bestromt, um sein Ventilelement auf eine Position zu bewegen, in der die Kommunikation zwischen der Steuerkammer 23 und dem Niederdruckkraftstoffbehälter 35 erlaubt ist. Der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 geht daher zurück, wobei der mögliche Durchsatz von Kraftstoff in Richtung auf die Steuerkammer 23 von der Verengung 31 und der Verengung 32a gedrosselt wird. Der Kraftstoffdruck in der Kammer 33 geht ebenfalls zurück, wobei Kraftstoff bei einem gedrosselten Durchsatz durch die Verengung 32a aus der Kammer 33 fließen kann, wobei der Kraftstoffdurchfluss zur Kammer 33 von der Verengung 31 gedrosselt wird. Infolge des Druckabfalls in der Kammer 33 und der Steuerkammer 23 können sich das Ventilelement 26 und die Ventilnadel 12 von ihrem Sitz abheben, wodurch sie die Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 und durch die Auslassöffnungen 14 erlauben.
Zum Beenden der Einspritzung wird das elektromagnetisch betätigte Ventil 34 auf die illustrierte Position zurückgebracht. Infolgedessen steigt der Kraftstoffdruck in der Kammer 33 und der Steuerkammer 23 an. Die Bereitstellung der Verengung 32a und der direkten Kommunikation des Durchgangs 30 mit der Kammer 33 gewährleistet, dass der Kraftstoffdruck in der Kammer 33 schneller ansteigt als der in der Steuerkammer 23. Infolgedessen bewegt sich das Ventilelement 26 mit seinem Sitz in Eingriff, wodurch die Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 beendet wird, bevor sich die Ventilnadel 12 in Eingriff mit dem Sitz bewegt, um die Einspritzungsabgabe durch die Auslassöffnungen 14 zu beenden. Es versteht sich, dass die Geschwindigkeiten, mit denen sich die jeweiligen Ventilelemente bewegen, nicht nur von dem in der jeweiligen Steuerkammer vorhandenen Druck abhängen, sondern auch von der Wirkfläche des Ventilelements, die dem Druck in ihrer Steuerkammer ausgesetzt ist.
4 illustriert eine Anordnung, die der von 3 ähnlich ist, in der aber der Durchgang 30 direkt mit der Steuerkammer 23 kommuniziert. Infolgedessen steigt beim Entstromen des elektromagnetisch betätigten Ventils 34 zum Beenden der Einspritzung der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 schneller an als der in der Kammer 33, die Nadel 12 kehrt also in Eingriff mit ihrem Sitz zurück, bevor die Bewegung des Ventilelements 26 zum Beenden der Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 stattfindet. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn kurze Einspritzereignisse erwünscht sind, z.B. wenn jeder Einspritzzyklus eine anfängliche Voreinspritzung beinhalten soll, in der eine kleine Kraftstoffmenge gefordert wird, wobei der Voreinspritzung eine Haupteinspritzung folgt. In einem solchen Fall kann das Steuerventilelement, je nach den Betriebsbedingungen, so angeordnet sein, dass es zwischen der Vor- und der Haupteinspritzung von seinem Sitz beabstandet bleibt, wobei der Druck in der Kammer 33 nicht lange genug einen ausreichend hohen Pegel erreicht, um zwischen der Vor- und der Haupteinspritzung die Bewegung des Ventilelements 26 in Eingriff mit seinem Sitz zu verursachen.
8, 9 und 10 sind schematische Darstellungen der in den 1, 3 bzw. 4 jeweils illustrierten Anordnungen. Die 8, 9 und 10 sind in erster Linie zum Vergleich mit 11 und 12 vorgesehen, die zwei zusätzliche Ausgestaltungen zeigen. Die in 11 gezeigte Anordnung ist effektiv eine Modifikation der in 9 (und 3) gezeigten Anordnung, während 12 effektiv eine Modifikation der in 10 (und 4) gezeigten Anordnung ist.
Beim Vergleich von 11 mit 9 ist zu sehen, dass die Positionen der Kammern 23 und 33 in ihrer Beziehung zur Quelle 29 und zum Magnetventil 34 umgekehrt wurden. In 11 wird die Kammer 23 daher über die Drossel 31 mit Kraftstoff aus der Quelle 29 gespeist und Kraftstoff gelangt über die Drossel 32a und die Kammer 33 zum Magnetventil 34.
Desgleichen sind in 12 die Positionen der Kammern 23 und 33 ebenfalls im Vergleich mit den in 10 gezeigten umgekehrt. In 12 wird die Kammer 33 durch die Drossel 31 mit Kraftstoff aus der Quelle 29 gespeist und Kammer 33 speist die Kammer 23 durch die Drossel 32 mit Kraftstoff. Kraftstoff ergießt sich durch das Magnetventil 34 aus der Kammer 33.
Das Bereitstellen der in den 11 und 12 gezeigten Anordnung erlaubt im Vergleich mit der in den 8, 9 und 10 die Auswahl verschiedener Betriebscharakteristiken für die Kraftstoffeinspritzanordnung. Die Systemanordnung kann effektiv zum Bereitstellen einer gewünschten „Form" von Einspritzcharakteristik gewählt werden.
5 und 6 illustrieren zwei Ausführungen der Kraftstoffeinspritzanordnung von 4. In den 5 und 6 werden gleiche Bezugsnummern zum Bezeichnen von Teilen verwendet, die auf ähnliche Weise wie die von 4 funktionieren. Wie in 5 illustriert wird, kann eine Ventilnadel 12 mit einem Sitz in Eingriff gebracht werden, um das Fördern von Kraftstoff durch eine oder mehrere stromabwärts von dem Sitz befindliche Auslassöffnungen 14 zu regeln. Die Ventilnadel 12 wird von einer Feder 15 in Eingriff mit dem Sitz vorgespannt, wobei die Wirkung der Feder 15 von der Wirkung von Kraftstoff unter Druck in einer Steuerkammer 23 unterstützt wird, die teilweise von einer oberen Oberfläche eines Kolbenelements 22 definiert wird. Ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 34, das eine elektronisch gesteuerte Solenoidansteuereinheit 34c aufweist, steuert die Kommunikation zwischen der Steuerkammer 23 und einem Niederdruckkraftstoffbehälter 35.
In der in 5 illustrierten Ausgestaltung ist das Kolbenelement 22 in einer teilweise von dem Ventilelement 26, dem Durchgang 30 und den im Kolbenelement 22 ausgebildeten Verengungen 31, 32a gebildeten Bohrung verschiebbar. Wie in den 5 und 6 gezeigt, ist das Kolbenelement 22 vorzugsweise so angeordnet, dass es mit dem Steuerventilelement 26 im Wesentlichen konzentrisch ist.
Wie bei der in 4 illustrierten Ausgestaltung in der illustrierten Position nimmt das elektromagnetisch betätigte Ventil 34 eine geschlossene Position ein, so dass die Steuerkammer 23 und die Kammer 33 mit einem hohen Druck beaufschlagt werden, wodurch sichergestellt wird, dass das Steuerventilelement 26 mit seinem Sitz in Eingriff kommt und die Nadel 12 mit ihrem Sitz in Eingriff kommt. Infolgedessen wird die Druckkammer nicht mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff gespeist und es findet keine Kraftstoffeinspritzung statt.
Um die Einspritzung zu beginnen, wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil bestromt, um die Bewegung des Ventilelements davon von seinem Sitz weg zuzulassen und so Kraftstoff aus der Steuerkammer 23 und aus der Kammer 33 durch die Verengung 32a zum Niederdruckkraftstoffbehälter entweichen zu lassen. Infolge des Bereitstellens der Verengung 31, reicht der mögliche Kraftstoffdurchsatz zur Kammer 33 und zur Steuerkammer 23 nicht aus, um den Druck darin aufrecht zu erhalten, und infolgedessen ist die Größe der auf das Kolbenelement 22 und das Steuerventilelement 26 ausgeübten Abwärtskräfte reduziert. Es wird ein Punkt erreicht, jenseits von dem das Steuerventilelement 26 sich aus seinem Sitz heben kann, wodurch Kraftstoff von der Quelle 29 zur Druckkammer 13 strömen kann, und jenseits von dem die Ventilnadel 12 sich gegen die Wirkung der Feder 15 und den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 aus ihrem Sitz heben kann. Infolgedessen findet Kraftstoffeinspritzung statt.
Zum Beenden der Einspritzung wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil in die gezeigte Position zurückgeführt. Die fortgesetzte Kraftstoffzufuhr durch die Verengung 31 führt zum raschen Ansteigen des Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer 23, wodurch die Größe der auf die Nadel 12 ausgeübten Abwärtskraft rasch vergrößert wird und veranlasst wird, dass die Nadel 12 in den Eingriff mit ihrem Sitz zurückkehrt, wodurch die Förderung von Kraftstoff durch das Einspritzventil beendet wird. Der Kraftstoffdruck in der Kammer 33 steigt mit einer verringerten Geschwindigkeit aufgrund der Anwesenheit der Verengungen 32, aber kurz danach bewegt sich die Ventilnadel 12 in Eingriff mit ihrem Sitz, so dass Kraftstoffdruck in der Kammer 33 einen Punkt erreicht, jenseits von dem das Steuerventilelement 26 sich in Eingriff mit seinem Sitz bewegen kann, wodurch die Kraftstoffzufuhr zur Druckkammer 13 beendet wird.
Die in 6 illustrierte Anordnung ist der von 5 ähnlich, in ihr ist die Verengung 31 aber in einem Teil des Steuerventilelements 26 bereitgestellt, anstatt der Bereitstellung von Verengungen 31, 32a im Kolbenelement 22, und die Verengung 32a ist in einem Teil des Einspritzventilkörpers bereitgestellt, der sich im Gebrauch nicht relativ zur Düse 10 bewegt. Die Funktionsweise dieser Ausgestaltung ist im Wesentlichen wie im Vorangehenden mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.
7 illustriert eine Ausgestaltung, die den obigen ähnlich ist, in der aber separate elektromagnetisch betätigbare Ventile 34, 34b zum Regeln der Kraftstoffdrücke in der Kammer 33 bzw. der Steuerkammer 23 angeordnet sind. Ventile 34a, 34b können so angeordnet werden, dass sie dieselben Betriebssignale erhalten (z.B. indem sie elektrisch in Reihe geschaltet werden), oder sie können so angeordnet werden, dass sie unabhängig voneinander betätigt werden. Infolgedessen kann die relative zeitliche Steuerung der Bewegung des Steuerventilelements 26 und der Ventilnadel 12 gesteuert werden.
In jeder der im Vorangehenden beschriebenen Ausgestaltungen darf der Kraftstoffdruck im Durchgang 24 und in der Druckkammer 13 eventuell zwischen Einspritzungen zurückgehen. Dies kann erreicht werden, indem das Steuerventilelement 26 durch ein Ventilelement ersetzt wird, das Teil eines Dreiwegeventils bildet, das so angeordnet ist, dass, wenn zwischen der Quelle 29 und dem Durchgang 24 keine Kommunikation erlaubt ist, der Durchgang 24 mit einem Niederdruckkraftstoffbehälter kommuniziert. Alternativ kann Leckage zwischen der Ventilnadel 12 und der Wand der Bohrung 11 ausreichend sein, um Kraftstoff aus der Druckkammer 13 in einen Niederdruckkraftstoffbehälter entweichen zu lassen. Als weitere Alternative kann ein eine Durchflussdrossel enthaltender Durchgang zwischen der Druckkammer und dem Niederdruckkraftstoffbehälter bereitgestellt sein, um Kraftstoff mit einer gedrosselten Geschwindigkeit aus der Druckkammer 13 entweichen zu lassen.
Wie in den 5 und 6 illustriert, können in jeder der im Vorangehenden beschriebenen Ausgestaltungen das Steuerventilelement 26 und die Ventilnadel 12 in einem gemeinsamen Einspritzventilkörper verschiebbar sein. Alternativ kann das Steuerventilelement 26 Teil eines Ventils bilden, das sich in einer Position befindet, die vom Rest des Einspritzventilkörpers beabstandet ist. Wenn das Steuerventilelement 26 im gleichen Körper wie die Ventilnadel 12 verschiebbar sein soll, dann sind das Steuerventilelement 26 und die Ventilnadel 12 wie in 5 und 6 illustriert praktischerweise konzentrisch angeordnet. Man wird aber erkennen, dass auch andere relative Positionen möglich sind.
Wie im Vorangehenden beschrieben, ist die Kraftstoffeinspritzanordnung der Erfindung insofern vorteilhaft, als kontinuierliche Kraftstoffeinspritzung vermieden werden kann, wenn das Steuerventilelement 26 oder die Ventilnadel 12 in einer angehobenen Position steckenbleibt. Man wird erkennen, dass, wenn das Steuerventilelement 26 oder die Ventilnadel in einer teilweise angehobenen Position steckenbleibt, dann die Kraftstoffeinspritzung mit einem reduzierten Durchfluss möglich sein wird. Kontinuierliche Einspritzung von Kraftstoff ist in dem Fall möglich, wenn das elektromagnetisch betätigbare Ventil 34 in einer offenen Position ausfällt. Ein derartiger Ausfall kann aber relativ leicht erkannt werden und entsprechende Maßnahmen zum Ausschalten der Kraftstoffanlage können getroffen werden.
In den hierin mit Bezug auf die 3 bis 12 beschriebenen Anordnungen kann die Einspritzcharakteristik der Anordnung durch Auswahl der Größe der Drossel 32a „geformt" werden. Die Dimensionierung der Drossel 32a bestimmt den Überströmdurchsatz von Kraftstoff im Gebrauch durch das Steuerventil 26 zum Behälter 35 (über Ventil 34) und steuert somit die Anstiegs- und Abfallrate des Kraftstoffdrucks an der Düse 10–14.
Die Erfindung ist besonders auf Kraftstoffanlagen anwendbar, die zur Verwendung in der Kraftstoffzufuhr zu großen Motoranlagen vorgesehen sind, wie sie in Schiffsanwendungen oder in industriellen Kraftwerken verwendet werden. Man wird aber erkennen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung der Kraftstoffeinspritzanordnung in derartigen Anwendungen begrenzt ist.
Ferner wird man erkennen, dass die Kraftstoffeinspritzanordnung in den Begleitfiguren zwar mit einem solenoidbetätigbaren Ventil 34 gezeigt wird, die Stellvorrichtung aber auch von einem alternativen Typ sein kann, z.B. eine piezoelektrische Stellvorrichtung.

Claims

Kraftstoffeinspritzanordnung, die Folgendes in Kombination umfasst: eine Düse (10), die mit einer ersten Bohrung (11) versehen ist, in der eine Ventilnadel (12) verschiebbar ist, wobei die Nadel (12) zum Regeln des Kraftstoffflusses aus einer Druckkammer (13) zu einer Auslassöffnung (14) mit einem Sitz in Eingriff gebracht werden kann; eine Steuerkammer (23), die aus einer Hochdruckkraftstoffquelle (29) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff gespeist wird, wobei eine mit der Nadel (12) assoziierte Oberfläche dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer (23) ausgesetzt ist; ein durch Kraftstoffdruck betätigbares Steuerventil (26), das einen mit der Hochdruckkraftstoffquelle (29) verbundenen ersten Kanal und einen mit der Druckkammer (13) verbundenen zweiten Kanal hat, wobei das Steuerventil (26) ein Steuerventilelement umfasst, das bewegt werden kann, so dass es mit einem weiteren Sitz in Eingriff kommt, um Kraftstofffluss zur Druckkammer (13) zu verhindern, und so dass es von dem weiteren Sitz abgehoben wird, um der Druckkammer (13) Hochdruckkraftstoff zuzuführen, und dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochdruckkraftstoffquelle (29) und der Steuerkammer (23) eine Verengung (31; 32a) zum Drosseln des Kraftstoffflusses zur Steuerkammer (23) bereitgestellt ist.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, die ferner ein solenoidbetätigbares Ventil (34) zum Regeln des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer (23) umfasst, wodurch die zeitliche Bewegungssteuerung der Ventilnadel (12) gesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 2, bei der das solenoidbetätigbare Ventil (34) auch zum Regeln des Kraftstoffdrucks angeordnet ist, der an das durch Kraftstoffdruck betätigbare Steuerventil (26) angelegt wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 2, die ein erstes und ein zweites separates solenoidbetätigbares Ventil (34a, 34b) zum Regeln des Kraftstoffdrucks, der an das durch Kraftstoffdruck betätigbare Ventil (26) angelegt wird, bzw. des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer (23) umfasst.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine weitere Kammer (33) umfasst, die teilweise von einer Oberfläche eines Steuerventilelements (26) definiert wird, die Teil des durch Kraftstoffdruck betätigbaren Ventils bildet.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 5, bei der die Druckkammer (13) mit einer weiteren Bohrung (25) kommuniziert, in der das Steuerventilelement (26) verschiebbar ist, wobei die weitere Bohrung (25) den genannten weiteren Sitz definiert, mit dem das Steuerventilelement (26) in Eingriff gebracht werden kann, um die Kommunikation zwischen der Druckkammer (13) und der Quelle von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff (29) zu steuern.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 6, bei der die weitere Bohrung (25) eine zweite Kammer (28) in Kommunikation mit der Quelle von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff (29) definiert, wobei Kommunikation zwischen der zweiten Kammer (29) und der Druckkammer (13) zugelassen wird, wenn das Steuerventilelement (26) von dem weiteren Sitz wegbewegt wird.
Einspritzventil nach Anspruch 7, bei dem das Steuerventilelement (26) so angeordnet ist, dass das Anlegen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an die weitere Kammer (33) eine Kraft auf ein Steuerventilelement (26) ausübt, was dazu dient, das Steuerventilelement (26) mit dem weiteren Sitz in Eingriff zu drängen, um Kommunikation zwischen der Quelle (29) und der Druckkammer (33) zu verhindern.
Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Kolbenelement (22) umfasst, das mit der Ventilnadel (12) bewegbar ist, wobei eine Oberfläche des Kolbenelements (22) Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer (23) ausgesetzt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 9, bei dem das Kolbenelement (22) so angeordnet ist, dass es mit dem Steuerventilelement (26) im Wesentlichen konzentrisch ist.
Einspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Kolbenelement (22) und das Steuerventilelement (26) so angeordnet sind, dass das eine im anderen verschiebbar ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner eine Durchflussdrossel umfasst, die zum Drosseln des Kraftstoffflusses zur Druckkammer (13) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine weitere Verengung (32a) zum Drosseln des Kraftstoffflusses aus einer weiteren Kammer (33) zur Steuerkammer (23) umfasst, wobei die weitere Kammer (33) teilweise von einer Oberfläche eines Steuerventilelements (26) definiert wird, das Teil des durch Kraftstoffdruck betätigbaren Steuerventils bildet.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 13, bei dem die Verengung (31) und die weitere Verengung (32a) innerhalb eines Kolbenelements (22) ausgebildet sind, das mit der Ventilnadel (12) bewegbar ist, wobei eine Oberfläche des Kolbenelements (22) Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer (23) ausgesetzt ist.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verengung (31) innerhalb eines Teils eines Steuerventilelements (26) ausgebildet ist, das Teil des durch Kraftstoffdruck betätigbaren Steuerventils bildet.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Durchgang (27, 30) in Kommunikation mit einer Quelle von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umfasst, wobei der Durchgang direkt mit der Steuerkammer (23) kommuniziert.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Durchgang (27, 30) in Kommunikation mit einer Quelle von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umfasst, wobei der Durchgang direkt mit einer weiteren Kammer (33) kommuniziert, die teilweise von einer Oberfläche eines Steuerventilelements (26) definiert wird, die Teil des durch Kraftstoffdruck betätigbaren Steuerventils bildet.
Kraftstoffeinspritzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das durch Kraftstoffdruck betätigbare Steuerventil (26) und das solenoidbetätigbare Ventil (34) auf einem Einspritzventil, wobei die Düse (10) einen Teil davon bildet, montiert sind oder Teil davon bilden.