DE69307233T2 - Hochdruck-kraftstoffpumpendüseneinheit mit variablem effektivem überlaufquerschnitt - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinheit mit einer Düse und einem sich hin- und herbewegenden Einspritzplungerkolben, der mechanisch durch eine Motornockenwelle betätigt wird. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine hydraulisch zeitlich veränderliche Injektoreinheit mit Mitteln zur Veränderung der effektiven Durchflußfunktion des Auslaufdurchlasses an einem sich an die Kraftstoffeinspritzung anschließenden Punkt im Zyklus, um einen großen abwärts gerichteten Druck auf den unteren Plungerkolben beizubehalten, um den unteren Plungerkolben niederzuhalten und dadurch einen zusätzlichen, nicht gewünschten Kraftstofffluß in den Brennraum zu verhindern. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf einen zyklisch arbeitenden Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gerichtet.
• Ein solcher Injektor ist aus der US - A - 4 986 472 bekannt.
• Das Bedürfnis nach erhöhter Kraftstoffausnutzung und verbesserter Steuerung der Verschmutzung hat Konstrukteure von Innenverbrennungsmotoren bewogen, nach wesentlich verbesserten Kraftstoffzuführsystemen zu suchen. Als Reaktion sind Injektoreinheiten entwickelt worden, die eine genaue, zuverlässige und unabhängige Steuerung der Injektorzeitpunkteinstellung und der Injektordosierung ermöglichen und allgemein verwendet werden.
• Kraftstoffinjektoren des "Einheits"-Typs, wie im US-Patent Nr.4,471,909 von Perr gezeigt, weisen eine Düse und einen sich hin- und herbewegenden Einspritzplungerkolben auf, der mechanisch von einer Motornockenwelle betätigt wird, um Kraftstoff aus der Düse auszustoßen. Die Nockenwelle erzeugt eine vorschiebende oder abwärts gerichtete Kraft am Injektorplungerkolben (die Richtung zum Brennraum wird nachfolgend als vorgeschoben oder abwärts bezeichnet, obwohl die Injektoren in jeder physikalischen Ausrichtung montiert werden können).
• Solche Injektoreinheiten waren, wobei sie effektiv für die gedachten Zwecke sind, nur konstruiert, um Einspritzdrücke im Bereich von 103,4 bis 137,9 MPa (15.000 bis 20.000 psi) zu erreichen. Dieser Bereich ist nicht notwendigerweise ausreichend, um die hohe Leistungsfähigkeit, den niedrigen Kraftstoffverbrauch und die minimale Verunreinigung zu erreichen, die bei modernen Dieselmotoren gefordert werden.
• Als Reaktion auf dieses Erfordernis erhöhter Leistungsfähigkeit sind Injektoreinheiten für sehr hohe Drücke konstruiert worden. Ein solcher Typ einer Injektoreinheit ist in den gemeinsam übertragenen US-Patenten 4,986,472 von Warlick et al. und 4,721,247 von Perr gezeigt. Diese Injektoren weisen ein Injektorgehäuse mit einem in einer zentralen axialen Bohrung angeordneten Plungerkolbenaufbau auf. Der Plungerkolbenaufbau umfaßt einen unteren Plungerkolben, einen Zwischenplungerkolben und einen oberen Plungerkolben. Der untere Plungerkolben bewegt sich innerhalb der zentralen Bohrung hin und her, um zu bewirken, daß eine variable Menge an Kraftstoff zuerst gemessen und dann nachfolgend in den Motor während abwärts gerichteten Abschnitten der hin- und hergehenden Bewegung des Plungerkolbenaufbaus eingespritzt wird. Eine Zeitsteuerkammer, die zwischen dem oberen Plungerkolben und dem Zwischenplungerkolben gebildet ist, erhält ein Zeitsteuerfluid während der Meßphase des Einspritzzyklus, um eine in ihrer Länge variable hydraulische Verbindung zwischen dem oberen Plungerkolben und dem Zwischenplungerkolben zu erzeugen. Die Menge an Zeitsteuerfluid kann eingestellt werden, um die Zeitpunkteinstellung der Kraftstoffeinspritzung für einen verbesserten Motorbetrieb zu variieren. Die Injektoren dieses allgemeinen Typs können entweder als "offene Düse"-Kraftstoffinjektoreinheiten oder als "geschlossene Düse"-Typen mit einem druckbetätigten Ventilmechanismus zum Öffnen und Schließen der Injektoreinspritzlöcher hergestellt werden.
• Bei Hochdruckinjektoreinheiten sind SAC-Drücke (der Druck des Kraftstoffs in der Einspritzkammer gerade oberhalb der Injektoreinspritzlöcher) in der Höhe von 206,8 MPa (30.000 psi) oder mehr erwünscht, um eine vollständige Kraftstoffzerstäubung sicherzustellen. Wenn ein Injektor ausgelegt ist, um sehr hohe SAC-Drücke bei niederen Motorgeschwindigkeiten zu erreichen, tritt die Gefahr auf, daß sich Überbelastungen im Injektorantriebszug entwickeln. Um die obere Grenze des Einspritzdrucks zu steuern, kann ein druckabhängiges Ventil, wie in den '247- oder '472-Patenten offenbart, vorgesehen sein, um Zeitsteuerfluid während der Abwärtsbewegung des oberen Plungerkolbens abfließen zu lassen. Das Vorsehen eins Druckbegrenzungsventils gestattet der Injektoreinheit und dem zugeordneten, Nocken betätigten Antriebszug eine Auslegung, um extrem hohe Einspritzdrücke, von beispielsweise bis zu 206,8 MPa (30.000 psi), sogar bei niederer Motorgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, ohne daß Überbelastungen bei höheren Motorgeschwindigkeiten riskiert werden. Das Zeitsteuerfluid, das in der Zeitsteuerkammer verbleibt, wenn der untere Plungerkolben seine unterste Position erreicht, muß selbstverständlich ausgeströmt werden. Es ist jedoch wünschenswert, dieses Ausströmen zu "drosseln", um eine hohe "Niederhaltekraft" oder einen hohen Druck auf den unteren Plungerkolben zu erzeugen, um zu verhindern, daß der untere Plungerkolben am Ende seines Weges zurückprallt. Ein solches unerwünschtes Zurückprallen des unteren Plungerkolbens kann ein zweites "Tröpfeln von Kraftstoff" am Ende der Einspritzung verursachen, was eine ungenügende Kraftstoffverbrennung, Verunreinigung und schlechte Kraftstoffausnutzung verursachen kann.
• Um ein gewünschtes Maß der Niederhaltekraft zu erreichen, ist ein Druckentlastungsventil, wie im US-Patent Nr.4,249,499 offenbart, vorgesehen worden, das angepaßt ist, um bei der Beendigung der Einspritzung zu arbeiten. Ein solches Ventil müßte jedoch eine Betriebseigenschaft haben, die von derjenigen des Druckentlastungsventils nach den '247- und '472-Patenten abweicht, die Ventile konstruiert haben, welche während des Einspritzvorgangs ansprechen, d. h. während der untere Plungerkolben seine unterste Position noch zu erreichen hat. Zwei derartige Druckentlastungsventile mit verschiedenen Betriebseigenschaften würden sich notwendigerweise stören.
• Dieses Dilemma ist bei dem '472-Patent teilweise gelöst worden, indem ein im Injektorkörper axial angeordneter Überströmkanal vorgesehen ist, um mit der Zeitpunkteinstellkammer nur dann zu kommunizieren, wenn der untere Plungerkolben nahezu seine unterste Position erreicht hat. Eine sorgfältige Steuerung der Lage und der Größe des Überströmkanals plus eine Steuerung der Form des Plungerkolbenprofils, was den Strom durch den Überströmkanal steuert (siehe Fig. 14 (a) - 14 (c) und Spalten 14-16 des '472-Patents), können zu sehr wünschenswerten Niederhaltekräften am Ende der Einspritzung führen. Wie in den Zeichnungen dieses Patents gezeigt, wäre der Druck innerhalb der Zeitsteuerkammer bei dieser Art von Injektor bezüglich der zentralen Achse des Injektors während dem Niederhalten von Natur aus asymmetrisch. Diese fehlende Symmetrie kann zu einer ungleichmäßigen Abnutzung führen.
• Von Natur aus ist der bei den früheren Injektorkonstruktionen erzeugte Druck während des Niederhaltens jedoch eine Funktion der Motorgeschwindigkeit. Insbesondere bei niederen Motorgeschwindigkeiten kann diese Verringerung des Niederhalte- Drucks immer noch eine unerwünschte Aufwärtsbewegung des unteren Plungerkolbens erlauben, nachdem die Einspritzung des abgemessenen Kraftstoffs vollendet worden ist. Diese Aufwärtsbewegung resultiert in einer zweiten Einspritzung, die eine Leckage von zusätzlichem, unerwünschten Kraftstoff in den Brennraum nach Vollendung des Haupteinspritzvorgangs darstellt. Aufgrund dieser zweiten Einspritzung wird Kraftstoff zu spät in den Verbrennungszyklus eingeleitet, um effektiv verbrannt zu werden, er tritt in den Motorabgasstrom als eine unvollständig verbrannte Wasserkohlenstoffkomponente ein. Dies führt zu Fahrzeugemissionseigenschaften, die unter Umweltgesichtspunkten unerwünscht sind. Dieser zweite eingespritzte Kraftstoffleistet auch keine nützliche Arbeit; daher führt das Zweiteinspritzungsphänomen zu einer schlechteren Kraftstoffausnutzung gegenüber derjenigen, die bei einem sauberen Abschneiden der Einspritzung erreicht werden könnte.
• Dem Problem der Zweiteinspritzung ist manchmal begegnet worden, indem der obere Injektorplungerkolben weiterhin abwärts bewegt wird, nachdem der obere Plungerkolben den unteren Plungerkolben physikalisch berührt und der untere Plungerkolben seine nominelle Endlage erreicht. Bei solchen Injektorsystemen wird der untere Teil des Plungerkolbens tatsächlich "übermäßig vorgetrieben", um den Injektorantriebszug elastisch zusammenzudrücken und das Injektorgehäuse temporär zu deformieren. Die Verwendung von solchen großen Kräften zu großer Steuerwege führt zu einer erhöhten Abnutzung und Ermüdungseffekten bei den Systemkomponenten. Als Folge müssen die Injektorkomponenten stabiler und mit geringeren Herstellungstoleranzen ausgebildet werden, als dies andernfalls notwendig wäre, und die Herstellungs- und Reparaturkosten des Einspritzsystems werden erhöht.
• Trotz beachtenswerter, zuvor erreichter Fortschritte, ist es nicht möglich gewesen, eine kostengünstige, hochgradig zuverlässige, hydraulisch variabel zeitlich einstellbare Injektoreinheit herzustellen, die über einen weiten Bereich von Motorgeschwindigkeiten einen ausreichenden Niederhaltedruck bildet, um eine zweite Einspritzung zu verhindern. Daher besteht ein Bedarf für eine neue und verbesserte Injektoreinheitskonstruktion, die diese Kriterien erfüllt.
• Deshalb ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kraftstoffinjektoreinheit zu schaffen, die die Beibehaltung eines ausreichenden Niederhaltedrucks ermöglicht, um eine zweite Einspritzung über einen weiten Bereich von Motorgeschwindigkeiten zu verhindern.
• Eine weitere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kraftstoffinjektoreinheit mit erhöhter Zuverlässigkeit zu schaffen.
• Eine andere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kraftstoffinjektoreinheit zu schaffen, die den Kraftstoffverbrauch und unerwünschte Emissionen bei einem Innenverbrennungsmotor vermindert.
• Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckinjektoreinheit zu schaffen, die eine zusammendrückbare Zeitsteuerkammer umfaßt, die unterhalb des oberen Kolben und oberhalb des unteren Kolbens gebildet ist, und wobei die Injektoreinheit weiter ein mehrstufiges, die Auslaufkraft variierendes Mittel umfaßt zur Varuerung des Fluidrückdrucks der Zeitsteuerkammer gemäß einer ersten Funktion während eines ersten Teils des Einspritzabschnitts des Einspritzzyklus und gemäß einer zweiten, anderen Funktion während eines zweiten Teils des Einspritzabschnitts.
• Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckinjektoreinheit zu schaffen, die einen in einer zusammendrückbaren Zeitsteuerkammer gebildeten Hohlraum und einen vom Boden des oberen Plungerkolbens abrangenden Vorsprung aufweist, der mit dem Hohlraum zusammenwirkt, um den Überströmfluß an Zeitsteuerfluid zu regulieren.
• Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit einer vorspringenden, an einem oberen Plungerkolben angeordneten Oberfläche und einem an dem unteren Plungerkolben angeordneten Auslaufdurchlaß zu schaffen, wobei die vorspringende Oberfläche und der Auslaufdurchlaß zusammenwirken, um den Überströmfluß des Zeitsteuerfluids während eines späteren Teils des Einspritzzyklus zu regulieren.
• Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zwischenplungerkolben zwischen einem oberen Plungerkolben und einem unteren Plungerkolben umfaßt und mit einem im Zwischenplungerkolben angeordneten Auslaufdurchlaß und einer vorspringenden Oberfläche versehen ist, die von einer unteren Oberfläche des oberen Plungerkolbens abragt, so daß die vorspringende Oberfläche mit dem Auslaufdurchlaß zusammenwirkt, um den Überströmfluß an Zeitsteuerfluid zu regulieren.
• Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, bei dem ein Zeitsteuerfluidauslaufdurchlaß mittig axial in einem Plungerkolben angeordnet ist und ein Vorsprung von einem anderen Injektorbauteil mit dem Steuerfluidauslaufdurchlaß zusammenwirkt, um den Überströmfluß an Zeitsteuerfluid zu regulieren.
• Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederhaltedrucksteuermechanismus zu schaffen, der eine symmetrische Niederhaltekraft relativ zu der zentralen Achse des Injektors zur Verfügung stellt.
• Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zeitsteuerfluid-Steuervorsprung mit einer im wesentlichen zylindrischen Form aufweist.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zeitsteuerfluid-Steuervorsprung mit einer abgeschrägten untersten Kante aufweist.
• Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zeitsteuerfluid-Steuervorsprung mit einer abgerundeten untersten Kante aufweist.
• Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zeitsteuerfluid-Steuervorsprung mit einer im wesentlichen konischen Form aufweist, die entweder einen Abschnitt eines abgestumpften Kegels umfaßt oder die Spitze des Kegels umfaßt.
• Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der einen Zeitsteuerfluid-Steuervorsprung mit einer im wesentlichen halbkugeligen Form aufweist.
• Eine andere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der eine Zeitsteuerkammer mit einem Fluidausgang, der eine effektive Fläche aufweist, um ein Entweichen von Fluid aus der Zeitpunkteinstellkammer zu gestatten, und Wechselwirkungsmittel umfaßt, die die effektive Fläche der Fluidausgangsmittel zu einer bestimmten Zeit während des Zusammendrückens der Zeitsteuerkammer reduzieren.
• Ein Injektor gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Diese Ziele und andere, die für Fachleute bei Betrachtung der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen offensichtlich werden, werden bei der vorliegenden Erfindung durch Vorsehen eines Kraftstoffinjektors erreicht, der ein Injektorgehäuse mit einem in einer zentralen axialen Bohrung angeordneten Plungerkolbenaufbau umfaßt, wobei der Plungerkolbenaufbau einen unteren Plungerkolben, einen Zwischenplungerkolben und einen oberen Plungerkolben umfaßt. Der untere Plungerkolben bewegt sich innerhalb der zentralen Bohrung hin und her, um eine variable Menge an Kraftstoff abzumessen und diesen Kraftstoff während Abwärtsabschnitten der hin- und hergehenden Bewegung des Plungerkolbenaufbaus einzuspritzen. Eine zwischen dem oberen Plungerkolben und dem Zwischenplungerkolben gebildete Zeitsteuerkammer wird mit einer zugemessenen Fluidmenge gefüllt, um eine hydraulische Verbindung variabler Länge zwischen dem oberen Plungerkolben und dem Zwischenplungerkolben zu schaffen, und das Zeitsteuerfluid wird aus der Kammer durch einen Auslaufdurchlaß während des Einspritzzyklus ausströmen gelassen.
• Die Zeitsteuerkammer weist ihr zugeordnete Mittel zur Änderung der Funktion des effektiven Flusses des Auslaufdurchlasses an einem der Kraftstoffeinspritzung folgenden Punkt im Zyklus auf, um einen großen abwärts gerichteten Druck auf dem unteren Plungerkolben beizubehalten, um den unteren Plungerkolben niederzuhalten und dadurch einen zusätzlichen, unerwünschten Kraftstofffluß in den Verbrennungsraum zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auslaufdurchlaß axial in der Mitte des Zwischenplungerkolbens angeordnet, und der obere Plungerkolben ist mit einem vorspringenden Abschnitt versehen, der sich in eine Lage bewegt, wenn die Zeitsteuerkammer am Ende des Einspritzzyklus kollabiert, um den Auslaufdurchlaß effektiv abzuschnüren, wodurch die Zeitsteuerfluidflußfunktion zu einer Funktion geändert wird, die zu einem größeren Fluiddruck in der Zeitpunkteinstellkammer und daher zu einem größeren, abwarts genchteten Druck auf den unteren Plungerkolben führt.
• Verschiedene zusätzliche Vorteile und neue Eigenschaften, die die Erfindung auszeichnen, werden in den sich anschließenden Ansprüchen weiter hervorgehoben. Jedoch sollte zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile auf die beiliegenden Zeichnungen und die Beschreibung Bezug genommen werden, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung illustrieren und beschreiben.
• Fig. list eine Schnittansicht einer Hochdruck-Kraftstoff-Injektoreinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Plungerkolbenaufbaus des Injektors nach Fig. 1;
• Fig. 3a bis 3d zeigen bevorzugte Konfigurationen des Vorsprungs am oberen Plungerkolben gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4a bis 4f sind Schnittansichten des zentralen Abschnitts des Injektors nach Fig. 1 in den verschiedenen Phasen seines Betriebs;
• Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Durchflußquerschnitte innerhalb des Injektors der vorliegenden Erfindung in den in den Fig. 4a bis 4f illustrierten Abschnitten des Einspritzzyklus zeigt; und
• Fig. 6 ist ein Schaubild der Niederhaltekraft auf den unteren Plungerkolben des Injektors, das eine diskontinuierliche Neudefinition der aus der Konstruktion des vorliegenden Injektors resultierenden Kraftfunktion zeigt.
• Eine Hochdruck-Kraftstoff-Injektoreinheit mit einer variablen effektiven Überströmquerschnittsfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist generell mit 10 in den Fig. 1, 2 und 4a bis 4f gezeigt. Die Kraftstoffinjektoreinheit 10 kann vorzugsweise von der offenen Düsenart sein, wie in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr.4,721,247 von Perr gezeigt, das hierin als Referenz eingeführt wird, und ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems, wobei jeder Injektor von einer rotierenden Nockenwelle über einen gewöhnlichen (nicht dargestellten) Antriebszugaufbau angetrieben ist, bei dem eine Nocke an einer rotierbaren Nockenwelle angeordnet ist und ein Nockenstößel auf der Nocke entlang gleitet, um zu bewirken, daß sich der Injektorplungerkolben in Synchronisation mit der Nockenwellenrotation hin- und herbewegt.
• Der Kraftstoffinjektor 10 von Fig. 1 ist angepaßt, um in einem Einspritzsystem verwendet zu werden, das eine Nocken angetriebene Injektoreinheit pro Zylinder und eine Kraftstoffpumpe umfaßt, die alle Injektoren über eine gemeinsame Leitung oder Versorgungsleitung versorgt. Das Kraftstoffeinspritzsystem erfordert drei gemeinsame (nicht dargestellte) Fluidleitungen innerhalb des Zylinderkopfes, um mit jedem Kraftstoffinjektor zu kommunizieren. Eine erste Sammelleitung führt jedem Injektor Kraftstoff zur Zumessung in die Einspritzkammer zu, eine zweite Sammelleitung führt nicht eingespritzten Kraftstoff und ausgetriebenes Zeitsteuerfluid ab, und eine dritte Leitung führt Zeitsteuerfluid (das auch Kraftstoff sein kann) zu, um die zeitliche Einstellung der Einspritzverläufe zu variieren. Diese Funktionen sind genauer in dem US-Patent Nr.4,721,247 beschrieben.
• Die Kraftstoffpumpe und die Motordrossel arbeiten, um Kraftstoff bei einem variablen Leitungsdruck in der ersten Sammelleitung zuzuführen, was die Menge an eingespritztem Kraftstoff steuert. Der Druck der ersten Sammelleitung kann gemäß den Druck/Zeit-(PT)-Dosierprinzipien, wie weiter in dem oben genannten '247-Patent beschrieben, variiert werden. Die Menge an in die Einspritzkammer dosiertem Einspritzkraftstoff hängt sowohl von der Zeit, in der die Dosieröffnung geöffnet ist, als auch vom Druck des Kraftstoffs in der ersten Sammelleitung ab.
• Durch Variierung des Zeitsteuerfluiddrucks in der dritten Sammelleitung wird die effektive Länge des Plungerkolbens veranlaßt, sich zu vergrößern und den Beginn der Einspritzung vorzuverlegen oder sich zu verringern und den Beginn der Einspritzung zu verzögern. Die Menge an in die Zeitsteuerkammer eingeführtem Zeitsteuerfluid hängt nur von dem Druck in der dritten Sammelleitung ab. Dies wird erreicht, indem der Strömungsdurchlaß für das Zeitsteuerfluid groß genug gemacht wird, daß die Durchflußleistung von Zeitsteuerfluid immateriell ist; d. h., die Menge an eingeführtem Zeitsteuerfluid unabhängig von der Zeit ist, während der die Dosieröffnung geöffnet ist. Dieses Verfahren der Zeitpunkteinstellungsdrucksteuerung wird als Druck- (P)-Steuerung bezeichnet, und der verwendete Druck kann gemäß den weiter in dem '247-Patent beschriebenen Prinzipien variiert werden, um eine variable effektive Länge des Plungerkolbens zu erhalten.
• Im einzelnen zeigt die Fig. 1 einen Kraftstoffinjektor 10, der dafür vorgesehen ist, innerhalb einer in dem Kopf eines (nicht dargestellten) Innenverbrennungsmotors enthaltenen Ausnehmung aufgenommen zu werden. Eine variable Menge an Kraftstoff wird in die (kollabiert gezeigte) Einspritzkammer 11 dosiert, und der Injektor 10 spritzt diesen Kraftstoff in den Brennraum des Motors ein. Der Körper oder das Gehäuse des Injektors weist eine Injektorlaufbüchse 12 auf. Durch den Kraftstoffinjektor 10 erstreckt sich axial eine Bohrung 18, in der ein sich hin- und herbewegender Plungerkolbenaufbau 20 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Innenverbrennungsmotors angeordnet ist.
• Der sich hin- und herbewegende Plungerkolbenaufbau 20 umfaßt drei Plungerkolben. Ein Einspritz- oder unterer Plungerkolben 22 ist der unterste Plungerkolben und spritzt Kraftstoff in den Brennraum eines Motors ein, wie unten angesprochen. Ein Zwischenplungerkolben 24 und ein oberer Plungerkolben 26 sind hintereinander oberhalb des unteren Plungerkolbens 22 angeordnet. Eine Rückholfeder 27 steht an einem Ende in Eingriff mit dem oberen Ende des oberen Plungerkolbens 26 und ist am oberen Ende der Injektorlaufbüchse 12 widergelagert, so daß der obere Plungerkolben 26 vorgespannt wird, um ihn in eine oberste Lage innerhalb der Bohrung 18 zurückzubewegen, wenn der obere Plungerkolben 26 nicht durch den Einspritznokken, der darauf über den Antriebszugaufbau wirkt, abwärts getrieben wird. Eine Vorspannfeder 25 spannt den Zwischenplungerkolben 24 aufwärts vor, um eine Aufwärtsvorspannung zu schaffen, gegen die das Zeitsteuerfluid arbeiten muß, um die gewünschte zeitliche Voreilung festzulegen, wie weiter unten im Detail beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist der Zwischenplungerkolben 24 einstückig mit dem unteren Plungerkolben 22 ausgebildet, wodurch die Vorspannfeder 25 wirksam ist, um den unteren Plungerkolben 22 aufwärts zu bewegen, wenn dies durch die Aufwärtsbewegung des oberen Plungerkolbens 26 gestattet wird. Der obere Plungerkolben 26 weist einen axialen Vorsprung 29 auf seiner unteren Oberfläche auf, der, wenn die Plungerkolben zusammenfallen, wie in Fig. 1 gezeigt, in einen im Zwischenplungerkolben 24 mittig und axial angeordneten Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 eindringt. Die vertikale Abmessung des Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlasses 38 ist größer als die Länge des axialen Vorsprungs 29, so daß der axiale Vorsprung 29 den Zwischenplungerkolben 24 nicht berührt.
• Wie oben angemerkt, sind der Zwischenplungerkolben 24 und der untere Plungerkolben 22 einteilig verbunden, um sich zusammen in der Bohrung 18 zu bewegen. Falls jedoch gewünscht, könnten der Zwischenplungerkolben 24 und der untere Plungerkolben 22 als relativ zueinander bewegbare Teile gestaltet sein, und eine Vorspannfeder und ein Ventil könnten vorgesehen sein, um die Kolben aufwärts, wie in dem hiermit als Referenz eingeführten, gemeinsam übertragenen US-Patent 4,986,472 offenbart, vorzuspannen.
• Wie oben angemerkt, wird die Menge an für die Einspritzung in die Einspritzkammer 11 dosiertem Kraftstoff gemäß den Drucklzeitprinzipien (PT Metering) reguliert. Ein Kraftstoffversorgungsdurchlaß 56 ist zur Verbindung mit der vorgenannten ersten Sammelleitung vorgesehen. Der Kraftstoffversorgungsdurchlaß 56 hat bekannte hydraulische Eigenschaften, um die gewünschte Druck/Zeit-Dosierfähigkeit zu erzeugen.
• Wenn die Einspritzung beendet worden ist, indem der untere Plungerkolben 22 in der Düsenspitze aufsitzt, wird ein Kraftstoffdurchlaß vom Kraftstoffversorgungsdurchlaß 56 zu einem axial ausgesparten Abschnitt 60 des unteren Plungerkolbens 22 gebildet, und Kraftstoff fließt aufwärts in bekannter Weise durch einen Spülstromauslaufdurchlaß 58 in eine (nicht im Detail dargestellte) Kompensationskammer und dann aus dem Injektorgehäuse 16 und in die zweite vorgenannte Sammelleitung. Nun wird auf Fig. 2 Bezug genommen, der zentrale Abschnitt des Injektors 10 von Fig. 1 ist in einem vergrößerten Schnitt dargestellt. Zwischen dem oberen Plungerkolben 26 und dem Zwischenplungerkolben 24 ist eine zusammendrückbare Zeitpunkteinstellkammer 34 gebildet. Die Zeitsteuerkammer 34 erhält hydraulisches Zeitsteuerfluid, wie Kraftstoff, von einem Zeitsteuerfluiddurchlaß 36, der durch die Laufbüchse 12 des Injektorgehäuses hindurch gebildet ist. Der Zeitsteuerfluiddurchlaß 36 ist angeordnet, um durch den oberen Plungerkolben 26 nur dann geöffnet zu werden, wenn der obere Plungerkolben 26 ausreichend aufwärts durch die Rückholfeder 27 und den korrespondierenden (nicht gezeigten) Nocken bewegt wird. Das Zeitsteuerfluid, das in die Zeitsteuerkammer 34 eintritt und dann darin während des Abwärtshubs des oberen Plungerkolbens 26 eingeschlossen wird, bildet eine hydraulische Verbindung variabler Länge zwischen den Zwischenplun-gerkolben 24 und dem oberen Plungerkolben 26, somit wird eine variable Steuerung der Zeitpunkteinstellung der Kraftstoffeinspritzung bewirkt, und das Zeitsteuerfluid wird unter bestimmten Bedingungen am Ende des Einspritzzyklus, die später im Detail erklärt werden, aus der Zeitsteuerkammer 34 ausströmen gelassen.
• Wenn es passend ist, wird das Zeitsteuerfluid in der Zeitsteuerkammer 34 durch einen Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 ausströmen gelassen, der vorzugsweise mittig und axial durch den Zwischenplungerkolben 24 hindurch gebildet ist. Im Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 ist ein den Durchfluß begrenzender Einsatz 40 in der Form einer Scheibe mit einem zentralen Loch, einer zentralen Steueröffnung 42, angeordnet. Die zentrale Steueröffnung 42 hat einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlasses 38, und dieser Durchmesser ist gewählt, um eine bestimmte reduzierte Durchflußrate bereitzustellen, so daß ein Fluidrückdruck in der Zeitsteuerkammer 34 erzeugt wird, um dem Zusammendrücken der Zeitsteuerkammer 34 während dem Ausströmen von Zeitsteuerfluid entgegenzuwirken. Unter der zentralen Steueröffnung 42 befindet sich ein axialer Durchlaß 44, der den Durchlaß der zentralen Steueröffnung 42 mit einem diametralen Auslaufdurchlaß 46 verbindet, der eine zentrale Längsachse entlang eines Durchmessers des Zwischenplungerkolbens 24 aufweist und sich mit einem rechten Winkel vom axialen Durchlaß 44 gabelt. Der diametrale Auslaufdurchlaß 46 kommuniziert mit einer in der äußere Oberfläche des Zwischenplungerkolbens 24 gebildeten Ringnut 48, um den Zeitsteuerfluidfluß zu erleichtern.
• Die Injektorlaufbüchse 12 ist mit einer inneren Umfangsnut 50 versehen, die mit einem oder mehreren Überströmkanälen 52 verbunden ist. Die Nut so ist positioniert, um mit der Ringnut 48 in einem Umfangsüberdeckungsraum 54 während der Abwärtsbewegung des Zwischenplungerkolbens 24 zusammenzutreffen. Da der Zwischenplungerkolben 24 sich während des Einspritzzyklus abwärts bewegt, bewegt sich die Ringnut 48 somit in die Nähe der Nut 50, wobei ein Fluiddurchlaß 53 von der Zeitsteuerkammer 34 durch die zentrale Steueröffnung 42, den axialen Durchlaß 44, den diametralen Auslaufdurchlaß 46, die Ringnut 48, den Überdekkungsraum 54, die Nut 50 und den Überströmkanal 52 bereitgestellt wird. Die mit dem diametralen Auslaufdurchlaß 46 zusammentreffende Ringnut 48 ist vorzugsweise größer geschnitten als der diametrale Auslaufdurchlaß 46, um den Fluidrückdruck im Bereich des Überdeckungsraums 54 zu verringern. Ähnlich weist die Nut 50 vorzugsweise einen größeren Durchmesser als der Überströmkanal 52 auf.
• Die Fläche des Überdeckungsraums 54 ist mit A1 bezeichnet. Die die Zeitpunkteinstellkammer 34 mit dem Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 verbindende Querschnittsfläche ist mit A2 bezeichnet, und A3 bezeichnet die Oberfläche eines Zylinders mit dem Durchmesser des Durchlasses 38 und einer Erstreckung zwischen der oberen Oberfläche des Zwischenplungerkolbens 24 und der unteren Oberfläche des oberen Plungerkolbens 26.
• Der Fluiddurchlaß 53 erleichtert das Ausströmen von Zeitsteuerfluid und somit das Zusammendrücken der Zeitsteuerkammer 34. Die richtige Zeitpunkteinstellung dieses Ausströmvorgangs während des Einspritzzyklus ist zum Teil durch die Positionierung der Nut 50 und des diametralen Auslaufdurchlasses 46 (einschließlich der Ringnut 48) bestimmt, da das Zusammenfallen ihrer Lagen den Überdeckungsraum 54 bildet, um den Fluiddurchlaß zu vervollständigen.
• Vorzugsweise werden die Nut 50 und der diametrale Auslaufdurchlaß 46 so positioniert, daß der Fluiddurchlaß 53 gebildet wird, wenn der untere Plungerkolben 22 seine unterste Position erreicht hat, d.h., wenn der Kraftstoff aus der Einspritzkammer 11 in den Motorverbrennungsraum eingespritzt worden ist. Die endgültige Größe des Überdeckungsraums 54 ist durch die Positionierung des Überströmkanals 54 relativ zu der von dem diametralen Auslaufdurchlaß 46 eingenommenen Lage, wenn der untere Plungerkolben 22 vollständig aufgesetzt ist und der zugemessene Kraftstoff vollständig in den Brennraum eingespritzt worden ist, bestimmt. Vorzugsweise beträgt die maximale vertikale Höhe des Überdeckungsraums 54, wenn der untere Plungerkolben 22 vollständig aufsitzt, zwischen 0,05 und 0,08 mm.
• Nach Vollendung der Kraftstoffeinspritzung und Herstellung des Fluiddurchlasses 53 wird das Fluid anfangen, aus der Zeitsteuerkammer 34 auszuströmen, wodurch ein Zusammendrücken der Zeitsteuerkammer 34 gestattet wird, so daß die hydraulische Verbindung zwischen dem oberen Plungerkolben 26 und dem unteren Plungerkolben 22 entkoppelt wird und der obere Plungerkolben 26 seinen Abwärtshub ohne weitere Abwärtsbewegung des unteren Plungerkolbens 22 fortsetzen kann. Während des Ausströmens des Zeitsteuerfluids aus der Zeitsteuerkammer 34 wird die fortdauernde abwärts gerichtete Kraft am oberen Plungerkolben 26 durch das Zeitsteuerfluid übertragen, um eine abwärts gerichtete Kraft am Zwischenplungerkolben 24 zu erzeugen. Die durch das Zeitsteuerfluid übertragene Kraft ist gerichtet, den Zwischenplungerkolben 24 (und somit den unteren Plungerkolben 22) in ihren untersten Positionen zu halten, wodurch eine unerwünschte zweite Einspritzung von Kraftstoff aus der Einspritzkammer 11 in den Brennraum verhindert wird. Signifikanterweise wird diese Fluiddruckkraft auf den unteren Plungerkolben 22 während der späteren Phasen des Zusammendrückens der Zeitpunkteinstellkammer 34 durch das Vorsehen des axialen Vorsprungs 29 am oberen Plungerkolben 26 stark erhöht.
• Der axiale Vorsprung 29 ist effektiv ein Mehrstufenauslaufkraftvariierungsmittel, das eine Änderung der mathematischen Funktion bewirkt, die die Geschwindigkeit des Fluidflusses durch den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 an einem der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum folgenden Punkt im Zyklus beschreibt, um einen großen abwärts gerichteten Druck auf den unteren Plungerkolben 22 beizubehalten, der den unteren Plungerkolben 22 niederhält und somit einen zusätzlichen, unerwünschten Kraftstofffluß in den Brennraum verhindert. Genauer gesagt bewegt sich der axiale Vorsprung 29 in Position, wenn die Zeitpunkteinstellkammer 34 zusammenfällt, um wirksam den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 des Fluiddurchlasses 53 abzuschnüren, wodurch die Zeitsteuerfluidflußfunktion durch den Fluiddurchlaß 53 diskontinuierlich in eine Funktion geändert wird, die zu einem größeren Fluiddruck in der Zeitsteuerkammer 34 und daher zu einem größeren abwärts gerichteten Druck auf den unteren Plungerkolben 22 während dieses Abschnitts des Einspritzzyklus führt. Die durch die Bewegung des axialen Vorsprungs 29 erzeugte Änderung in der Zeitsteuerfluidflußfunktion kann auch als eine Änderung in der Fluiddruckfunktion der Zeitsteuerkammer 34 beschrieben werden und führt zu einer korrespondierenden, diskontinuierlichen Neudefinition der die Niederhaltekraft auf den unteren Plungerkolben 22 beschreibenden Kraftfunktion. Die Gestaltung des axialen Vorsprungs 29 macht es für das Zeitsteuerfluid schwieriger, durch den Fluiddurchlaß 53 zu entweichen. Der resultierende, erhöhte Fluiddruck ist darauf gerichtet, die abwärts gerichtete Nockenkraft am oberen Plungerkolben 26 zu übertragen, um den unteren Plungerkolben 22 fester aufzusetzen, wobei eine zweite Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum verhindert wird.
• Selbstverständlich kann die Kraftfunktion auch in Abhängigkeit von der Form des axialen Vorsprungs 29 in einer im wesentlichen kontinuierlichen Art neu definiert werden. Zum Beispiel führt ein in der Form einer Spitze eines Kegel geformter axialer Vorsprung 29 zu einer nahezu kontinuierlichen Änderung in der Fluidflußfunktion, wenn er beginnt, mit dem Fluiddurchlaß 53 zusammenzuwirken.
• Somit führt die Zusammenwirkung des axialen Vorsprungs 29 mit dem Auslaufdurchlaß 38 zu einem Zeitsteuerfluid-Überströmdurchlaß variablen Querschnitts mit einem großen Überströmquerschnitt zu Beginn des Überströmens, wenn sich die Betätigungsnocke mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Wenn später der axiale Vorsprung 29 mit den Wänden des Auslaufdurchlasses 38 zusammenwirkt, um die Ausströmfunktion zu ändern und somit den effektiven Querschnitt des Auslaufdurchlasses 38 zu reduzieren, führt der resultierende, erhöhte Rückdruck auf das Zeitsteuerfluid zu einer erhöhten Kraftübertragung auf den unteren Plungerkolben 22 und somit zu einer Beibehaltung einer konstanten Niederhaltelast. Die bei dem Injektor 10 bereitgestellte relative Erhöhung der abwärts gerichteten Kraft auf den unteren Plungerkolben 22 verhindert eine Aufwärtsbewegung des unteren Plungerkolbens 22, die zu einer zweiten Einspritzung führen würde.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der axiale Vorsprung 29 vorzugsweise als ein Vollzylinder geformt, wobei das unterste Ende entlang seines Umfangs abgeschrägt ist, um eine Oberfläche zu bilden, die zu einem Abschnitt eines Kegelstumpfes mit seiner Spitze an einem Punkt unterhalb des axialen Vorsprungs 29 korrespondiert. Der zylindrische Abschnitt des axialen Vorsprungs 29 hat vorzugsweise einen etwas kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlasses 38, so daß Fluid von der Zeitsteuerkammer 34 durch den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 fließen kann, wenn der axiale Vorsprung 29 in den Zeitpunkteinstellkammer-Auslaufdurchlaß 38 eingedrungen ist.
• Wie gemäß Fig. 3a bis 3d illustriert, können selbstverständlich auch andere angepaßte Formen als axialer Vorsprung 29 in Abhängigkeit von der gewünschten Zeitsteuerfluidflußfunktion verwendet werden. Zum Beispiel könnte der axiale Vorsprung 29 als ein Zylinder ohne Umformung des untersten Endes ausgebildet sein, wie in Fig. 3a gezeigt. Dieser Aufbau würde einen steileren Anstieg im Fluidrückdruck nach Eingriff in den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 erzeugen. Der axiale Vorsprung 29 könnte auch mit einem abgerundeten, zum Beispiel halbkugelförmigen unteren Ende, wie in Fig. 3b gezeigt, ausgebildet sein; als ein Abschnitt eines Kegelstumpfes, wie in Fig. 3c gezeigt; als ein konischer Abschnitt einschließlich der Spitze eines Kegels, wie in Fig. 3d illustriert, oder in einer anderen gewünschten Form, um eine gewünschte Zeitsteuerfluidflußfunktion zu erzeugen.
• Die Fig. 4a bis 4f zeigen diesen Betriebsablauf des Injektors der Fig. 1 und 2 in jeder Phase während eines typischen Einspritzzyklus. Die Phase 1, die Einspritzung, ist in Fig. 4a gezeigt. Während dieser Phase ist Zeitsteuerfluid in die Zeitsteuerkammer 34 durch den Zeitsteuerfluiddurchlaß 36 während eines Aufwärtshubes des Injektors eingebracht worden. Wenn der Boden des oberen Plungerkolbens 26 sich unter den Zeitsteuerfluiddurchlaß 36 bewegt, wird der Zeitsteuerfluiddurchlaß 36 dicht abgeschlossen und die mit der Zeitsteuerfluid gefüllte Zeitsteuerkammer 34 wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem oberen Plungerkolben 26 und dem Zwischenplungerkolben 24. Somit bewegen sich der Zwischenplungerkolben 24 und der untere Plungerkolben 22 in Abstimmung mit sowohl dem Nocken getriebenen oberen Plungerkolben 26 als auch der Zeitsteuerkammer 34 abwärts. Die richtige zeitliche Abstimmung der Zeitsteuerkammerfüllung und die Herstellung der hydraulischen Verbindung und somit die richtige zeitliche Einstellung der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum werden gemäß bekannter Prinzipien der Kraftstoffinjektor-Zeitpunkteinstellvorgänge, wie in dem vorher genannten Patent von Perr und auch in dem gesamt übertragenen US-Patent 4,986,472 von Warlick et. al. offenbart, die hierin als Referenz eingeführt werden, gesteuert. Somit wird der Plungerkolbenaufbau 20 während dieser ersten Einspritzphase als eine Einheit abwärts getrieben, um eine zuvor zugemessene Menge an Kraftstoff in den Motorverbrennungsraum einzuspritzen, und eine zugemessene Menge an Zeitsteuerfluid bleibt in der Zeitsteuerkammer 34 eingeschlossen. Der axiale Vorsprung 29 beeinflußt nicht den Abwärtsdruck auf den unteren Plungerkolben 22 während dieser Phase des Einspritzzyklus.
• Der Plungerkolbenaufbau 20 fährt fort, sich abwärts zu bewegen, um die in Fig. 4b gezeigte Lage zu erreichen, die die Phase 2 des Einspritzzyklus darstellt, die dem Öffnen des Überströmkanals entspricht. Die Ringnut 48 des diametralen Auslaufdurchlasses 46 trifft die Nut 50 im Überdeckungsraum 54, wodurch der Fluiddurchlaß 53 geschlossen wird, der das Ausströmen von Zeitsteuerfluid aus der Zeitpunkteinstelkammer 34 durch den Überströmkanal 52 erlaubt. Während der Phase 2 nimmt die Größe des Überdeckungsraumes 54 zu, wenn sich der untere Plungerkolben 22 zu seiner untersten, vollständig aufgesetzten Lage bewegt. Wenn der Überdeckungsraum 54 seine maximale Größe erreicht hat, beginnt die Phase 3, wie in Fig. 4c dargestellt.
• Während der Phase 3 beginnt die Zeitsteuerkammer 34 zusammenzufallen, da das Zeitsteuerfluid durch den Fluiddurchlaß 53 ausströmt, und der obere, den axialen Vorsprung 29 lagernde Plungerkolben 26 bewegt sich näher an den Zwischenplungerkolben 24, der in einer festen Lage durch den durch das Zeitsteuerfluid in der Fluidkammer 34 übertragenen Druck gegen den unteren Plungerkolben 22 niedergehalten bleibt.
• Die Phase 4 tritt auf, wenn der axiale Vorsprung 29 sich abwärts bewegt, um sich dem Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 anzunähern, wie in Fig. 4d gezeigt. Wenn sich der axiale Vorsprung 29 näher an den oberen Abschnitt des Zeitpunkteinstellkammer-Auslaufdurchlasses 38 bewegt, wird eine Drosseiwirkung auftreten, da der Fluiddurchflußquerschnitt von der Zeitsteuerkammer 34 zu dem Zeitpunkteinstellkammer- Auslaufdurchlaß 38 durch die Anwesenheit des axialen Vorsprungs 29 verengt wird. Die zeitliche Einstellung des Beginns der Phase 4 kann durch Variieren der Länge des axialen Vorsprungs 29 gesteuert werden. Die (in Fig. 4e gezeigte) Phase 5 beginnt, wenn der zylindrische Abschnitt des axialen Vorsprungs 29 tatsächlich in den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 eindringt. Der Eintritt des axialen Vorsprungs 29 in den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 verengt den Durchflußquerschnitt A2 weiter, wobei der Fluiddruck in der Zeitsteuerkammer 34 erhöht wird.
• Während der Phase 5 fährt der obere Plungerkolben 26 fort, sich abwärts zum Zwischenplungerkolben 24 zu bewegen, wobei die Zeitsteuerkammer 34 zusammengedrückt wird. Der Prozeß ist in Phase 6, dem letzten Drosseln, beendet, wie in Fig. 4f gezeigt. In der Phase 6 kommt der obere Plungerkolben 26 dem Zwischenplungerkolben 24 so nahe, daß der Querschnitt A3 (definiert als die zylindrische Oberfläche mit dem Durchmesser des Durchlasses 38 zwischen dem oberen Plungerkolben 26 und dem Zwischenplungerkolben 24) kleiner als A2 wird und somit den letztendlichen Steuerquerschnitt darstellt, der das Ausstoßen von Kraftstoff aus der Zeitpunkteinstellkammer drosselt.
• Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 4a bis 4f zu erkennen ist, bestimmt der Durchmesser der zentralen Steueröffnung 42 des den Durchfluß einengenden Einsatzes 40 das Volumen des Auslaufstromes während des ersten Abschnitts hoher Nockengeschwindigkeit des Einspritzzyklus. Eine relativ große zentrale Steueröffnung 42 kann verwendet werden, um die Überströmlast zu reduzieren.
• Die Fig. 5 stellt ein Zeitdiagramm dar, das die Querschnitte A1, A2 und A3 in jeder Phase des Einspritzzyklus (illustriert in den Fig. 4a bis 4f) zeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist der Querschnitt A1 des Überdeckungsraums 54 während der Phase 1 null, da der Überströmkanal 52 geschlossen ist. Während der Phase 2 steigt A1 stetig an, um einen maximalen, konstanten Wert zu Beginn von Phase 3 zu erreichen. Dieser Wert von A1 setzt sich bis zum Ende des Zyklus fort. A2, der effektive Durchflußquerschnitt von der Zeitsteuerkammer 34 zu dem Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38, beginnt den Zyklus mit einem konstanten Wert entsprechend dem Durchmesser des Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlasses 38. In der Phase 4 wird der Querschnitt A2 verringert, da der axiale Vorsprung 29 beginnt, in den Zeitpunkteinstellkammer-Auslaufdurchlaß 38 einzugreifen. In der Phase 5 geht der Querschnitt A2 über in einen verringerten, konstanten Wert, da der axiale Vorsprung 29 voll in den Zeitsteuerkammer-Auslaufdurchlaß 38 eingreift. A2 behält diesen neuen konstanten Wert bis zum Ende des Einspritzzyklus bei. Der Querschnitt A3, die oben definierte zylindrische Oberfläche, nimmt mit einer konstanten Rate bei Abnahme der Entfernung, die den oberen Plungerkolben und den Zwischenplungerkolben trennt, ab, bis A3 null erreicht.
• Somit ist während des ersten Abschnitts hoher Nockengeschwindigkeit der Injektorentleerung (Phasen 1 bis 3) A2 groß, wobei eine geringe der Nockenkraft entgegengesetzte Ausströmlast gebildet wird. Dieser Aufbau reduziert somit die vom Einspritzsystem verwendete Leistung, die dem Motor entzogen wird (bezeichnet als parasitäre Last). Die vorliegende Erfindung sieht auch eine verringerte Wucht und verringerte Ausströmlasten, insbesondere bei hohen Motorgeschwindigkeiten, vor.
• Ein anderer signifikanter Vorteil dieser Konstruktion ist der, daß die Last und der Auslaßstrom während des Zyklus durch den Querschnitt A2 und den Durchmesser der zentralen Steueröffnung 42 gesteuert werden. Diese sind keine Kontaktbereiche zwischen sich relativ bewegenden Teilen des Injektors 10, wie der Überdeckungsraum 54, so daß sie keiner Abnutzung unterliegen. Weil diese Bereiche keiner Kontaktabnutzung ausgesetzt sind, sind die Last und der Auslaßstrom des Injektors 10 nicht abnutzungsempfindlich, und die Leistungsfähigkeit wird relativ konstant bleiben, sogar nach einer ausgedehnten Benutzung.
• Die Fig. 6 ist ein Schaubild, das die Niederhaltekraft R am unteren Plungerkolben 22 im Injektor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie zu erkennen ist, übersteigt die Niederhaltekraft H in jeder der Phasen 1 bis 6 des Einspritzzyklus eine aufwärts gerichtete Kraft U, die dem Aufsitzen des unteren Plungerkolbens 22 entgegengerichtet ist. In den Phasen 5 und 6 modifiziert die hier zuvor beschriebene Wirkung des axialen Vorsprungs 29 die Fluidflußfunktion in der Zeitsteuerkammer 34, um die erhöhte Kraft und die Diskontinuität, wie in Fig. 6 gezeigt, zu erzeugen. Die erhöhte, mittels des erhöhten Fluidrückdrucks in der Zeitsteuerkammer 34 übertragene Niederhaltekraft H stellt sicher, daß die Kraft R über den relevanten Abschnitt des Einspritzzyklus hinweg oberhalb der entgegengesetzten Kraft U bleibt, wodurch ein Abheben des unteren Plungerkolbens 22 verhindert wird, das zu einer unerwünschten, zweiten Einspritzung führen würde.
• Als Gegenteil ist die Niederhaltekraftfunktion eines ähnlichen Injektors ohne eines Mittels zur Änderung der mathematischen Kraftfunktion während des Einspritzzyklus bei C gezeigt. Wenn die Zeitsteuerkammer 34 eines solchen Injektors zusammengedrückt wird, nimmt die Niederhaltekraft gemäß einer kontinuierlichen Funktion, wie gezeigt, ab. An einem Punkt, insbesondere in der Phase 5 oder 6, wie gezeigt, kann die Niederhaltekraft unzureichend sein, um einer aufwärts gerichteten Kraft U entgegenzuwirken, so daß der untere Plungerkolben 22 abgehoben werden wird. Die einzige Lösung dieses Problems (in Abwesenheit des Mittels zur Variierung der Fluidflußfunktion während des Einspritzzyklus gemäß der vorliegenden Erfindung) ist, die abwärts gerichtete Kraft durch Erhöhung eines Betriebsparameters, wie der Nockenkraft, generell zu erhöhen, um eine nach oben verschobene, erhöhte Kraftkurve 1 zu erzeugen, die die Kraft oberhalb der Kraft U hält. Die Kurve I stellt eine erhöhte Ausströmlast, erhöhte Stoßbelastung und erhöhte parasitäre Betriebsverluste für den Motor dar. Somit werden die Fachleute ohne weiteres erkennen, daß der Injektor 10 mit einer Fluidflußfunktion, die während des Einspritzzyklus, wie hierin offenbart, variiert werden kann, einen signifikanten Vorteil in der Eliminierung einer zweiten Einspritzung darstellt, während gleichzeitig geringe parasitäre Leistungsverluste und reduzierte Stoß- und Ausströmbelastungen ermöglicht werden.
• Viele Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung sind im einzelnen in der vorangehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden. Jedoch ist die Offenbarung nur illustrativ, und die Erfindung ist nicht auf die genauen, illustrierten Ausführungsformen beschränkt.
• Die Hochdruck-Kraftstoff-Injektoreinheit der vorliegenden Erfindung findet ihre Anwendung in einer großen Vielfalt von Innenverbrennungsmotoren. Eine besonders wichtige Anwendung liegt bei kleinen kompressionsgezündeten Motoren, die für kraftfahrtechnische Verwendungen, wie den Antrieb von Automobilen, geeignet sind. Leichtere Lastkraftwagenmotoren und Motoren des mittleren Leistungsbereichs können auch von der Verwendung der Kraftstoffinjektoren gemäß der vorliegenden Erfindung profitieren.

Claims (12)

1. Zyklisch arbeitender Kraftstoffinjektor (10) zum periodischen Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines Innenverbrennungsmotors während aufeinanderfolgender Einspritzzyklen, mit

a) einem Injektorkörper mit einer zentralen Bohrung (18) und einer Einspritzöffnung, die eine Verbindung zwischen der zentralen Bohrung (18) und dem Brennraum herstellt,

b) oberen und unteren Plungerkolben (26, 22), die für eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb der zentralen Bohrung (18) zwischen zurückgezogenen und vorgeschobenen Lagen während jedes Einspritzzyklus angeordnet sind,

c) einem hydraulischen Zeitsteuermittel zur Varuerung der Zeitpunkteinstellung der Kraftstoffeinspritzung während aufeinanderfolgender Einspritzzyklen, wobei das hydraulische Zeitsteuermittel umfaßt

i) eine Zeitsteuerkammer (34) variablen Volumens, die zwischen dem oberen Plungerkolben (26) und dem unteren Plungerkolben (22) gebildet ist,

ii) ein Zeitsteuerfluidzuführmittel zur Zuführung von Zeitsteuerfluid zu der Zeitsteuerkammer (34), um das Volumen der Zeitsteuerkammer (34) während aufeinanderfolgender Einspritzzyklen zu steuern,

d) einem Niederhaltekrafterzeugungsmittel zur Erzeugung einer Niederhaltekraft (H) am unteren Plungerkolben (22), die darauf gerichtet ist, den unteren Plungerkolben (22) in seiner vorgeschobenen Lage nach der Beendigung der Kraftstoffeinspritzung während jedes Einspritzzyklus zu halten, wobei das Niederhaltekrafterzeugungsmittel einen Auslaufdurchlaß (38) umfaßt, durch den Zeitsteuerfluid aus der Zeitsteuerkammer (34) nach Beendigung der Kraftstoffeinspritzung während jedes Einspritzzyklus ausgestoßen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Niederhaltekrafterzeugungsmittel ein Mehrstufenausströmkraftvariationsmittel umfaßt, das eine vorspringende Oberfläche oder einen Vorsprung (29) umfaßt, die oder der sich zumindest mit einem der Plungerkolben (26; 22) bewegt und mit dem Auslaufdurchlaß (38) zur Varuerung eines Rückdrucks des Zeitsteuerfluids gemäß einer ersten Funktion während einer ersten Periode nach dem Einspritzabschnitt des Einspritzzyklus und gemäß einer zweiten, anderen Funktion während einer nachfolgenden Periode nach dem Einspritzabschnitt des Einspritzzyklus zusammenwirkt.

2. Injektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (29) mit dem Auslaufdurchlaß (38) durch Reduzierung eines effektiven Querschnitts zur Drosselung der Ausströmung von Zeitsteuerfluid aus der Zeitsteuerkammer (34) zusammenwirkt.

3. Injektor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus- laufdurchlaß (38) mittig axial in einer Plungerkolbenoberfläche am Boden der zusammendrückbaren Zeitsteuerkammer (34) zur Aufnahme des Zeitsteuerfluids während des Zusammendrückens der Zeitsteuerkammer (34) gebildet ist und der Vorsprung (29) von dem Boden des oberen Plungerkolbens (26) abragt, der mit dem Auslaufdurchlaß (38) zusammenwirkt, um den Zeitsteuerfluidauslaufstrom durch den Auslaufdurchlaß (38) zu regulieren.

4. Injektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringende Oberfläche oder der Vorsprung (29) am oberen Plungerkolben (26) angeordnet ist und der Auslaufdurchlaß (38) am unteren Plungerkolben (22) angeordnet ist.

5. Injektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektor (10) weiter einen Zwischenplungerkolben (24) zwischen dem oberen Plungerkolben (26) und dem unteren Plungerkolben (22) umfaßt, wobei der Auslaufdurchlaß (38) in dem Zwischenplungerkolben (24) angeordnet ist und die vorspringende Oberfläche oder der Vorsprung (29) von einer unteren Oberfläche des oberen Plungerkolben (26) abragt.

6. Injektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringende Oberfläche oder der Vorsprung (29) eine im wesentlichen zylindrische Form, vorzugsweise mit einer abgeschrägten untersten Kante oder einer abgerundeten untersten Kante, aufweist.

7. Injektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringende Oberfläche oder der Vorsprung (29) eine im wesentlichen konische Form aufweist, die vorzugsweise ein Abschnitt eines Kegelstumpfs oder ein Abschnitt eines Kegels einschließlich der Spitze des Kegels ist.

8. Injektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringende Oberfläche oder der Vorsprung (29) eine im wesentlichen halbkugelige Form aufweist.

9. Injektor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Plungerkolben (22) durch eine Feder (25), die eine Vorspannkraft erzeugt, aufwärts vorgespannt ist.

10. Injektor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitsteuerfluid in die Zeitsteuerkammer (34) dosiert wird, wenn der obere Plungerkolben (26) in der Nähe seiner zurückgezogenen Lage ist, und, vorzugsweise, daß die Menge an in die Zeitsteuerkammer (34) dosiertem Zeitsteuerfluid durch den Druck des zugeführten Zeitsteuerfluids bestimmt wird.

11. Injektor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eintrag von Zeitsteuerfluid in die Zeitsteuerkammer (34) unter dem Druck des Zeitsteuerfluids durch die Vorspannkraft der Feder (25) entgegengewirkt wird und/ oder ein das Zeitsteuerfluid zu der Zeitsteuerkammer (34) führender Durchlaßkanal groß genug gemacht ist, so daß die Länge einer zwischen dem oberen und unteren Plungerkolben (26; 22) durch das Zeitsteuerfluid gebildete hydraulischen Verbindung unabhängig von der Zeit ist, während der das Zeitsteuerfluid in die Zeitsteuerkammer (34) eingeführt wird.

12. Injektor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einspritzzyklen in den Brennraum eingespritzter Einspritzkraftstoff in eine Einspritzkammer (11) dosiert wird, die in der zentralen Bohrung (18) gebildet ist und durch eine Öffnung mit einer Kraftstoffquelle in Verbindung steht, wenn der untere Plungerkolben (22) in der Nähe seiner zurückgezogenen Lage ist, und, vorzugsweise, daß die Menge des so dosierten Einspritzkraftstoffs sowohl von der Zeit, in der die Öffnung geöffnet ist, als auch vom Druck der Kraftstoffquelle abhängt.