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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Brennstoffeinspritzung
und insbesondere auf hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtungen
mit direkt gesteuerten Rückschlagventilgliedern
und auf Brennstoffeinspritzsysteme und Brennstoffeinspritzverfahren,
die diese verwenden.
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Hintergrund
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Bekannte
hydraulisch betätigte
Brennstoffeinspritzsysteme und/oder Brennstoffeinspritzkomponenten
sind beispielsweise in US-A-5 121 730; in US-A-5 271 371 und in
US-A-5 297 523 gezeigt. Bei diesen hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtungen öffnet sich
ein federvorgespanntes Rückschlagventilglied,
um die Brennstoffeinspritzung zu beginnen, wenn der Druck durch
eine Verstärker-Kolben/Stössel-Anordnung
auf einen Ventilöffnungsdruck
angehoben wird. Auf den Verstärkerkolben wirkt
ein Betätigungsströmungsmittel
mit relativ hohem Druck ein, wie beispielsweise Motorschmieröl, wenn
ein elektromagnetgetriebenes Betätigungsströmungsmittelsteuerventil
den Hochdruck-Einlass der Einspritzvorrichtung öffnet. Die Einspritzung wird
beendet durch die Aktivierung des Elektromagneten, um den Druck über den
Verstärkerkolben
freizugeben. Dies wiederum bewirkt einen Abfall des Brennstoffdruckes,
was bewirkt, dass das Rückschlagventilglied
sich unter der Wirkung seiner Rückstellfeder schließt und die
Einspritzung beendet.
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Eine
hydraulisch betätigte
Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem direkt gesteuerten Rückschlagventil
wird in US-A-5 738 075 gelehrt. Bei einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
mit einem direkt gesteuerten Rückschlagventil
wird Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
auch zu einer Rückschlagelementsteuerkammer
geleitet, wo es Druck auf eine hydraulische Verschlussfläche des
Rückschlagventil-elementes
ausübt.
Da das direkt gesteuerte Rückschlagventil
im allgemeinen eine viel schnellere Ansprechzeit hat als das Betätigungsströmungsmittelsteuerventil
kann das direkt gesteuerte Rückschlagventil
verwendet werden, um schneller das Rückschlagventilglied zu schließen, oder
abwechselnd und sehr schnell zu öffnen
und zu schließen
bevor der Abfall des Brennstoffdruckes auftritt.
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Der
Betrieb dieser Art von hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung
ist in den 2–4 veranschaulicht,
in denen eine einzige Zwei-Wege-Betätigungsvorrichtung
sowohl die Betätigungsströmungsmittelsteuerung
als auch die direkte Rückschlagelementsteuerung
steuert, in dem ein Hysterese-Effekt (verzögert) in einem Betätigungsströmungsmittelsteuerventil
gegenüber
dem Schnellen ansprechen des Rückschlagventilgliedes
in einem Rückschlagsteuerventil
angewandt wird. Diese Brennstoffeinspritzvorrichtung 101 verwendet
einen Einzigen Zwei-Wege-Elektromagneten 130, um abwechselnd
einen Verstärkersteuerdurchlass 109 zu einem
Betätigungsströmungsmitteleinlass 106 oder einem
Niederdruck-Betätigungsströmungsmittelablauf 104 zu öffnen, und
verwendet den gleichen Elektromagneten 130, um zu steuern,
ob eine Rückschlagelementsteuerkammer 118 dem
Betätigungsströmungsmitteleinlass 106 oder
dem Betätigungsströmungsmittelablauf 104 ausgesetzt
wird.
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Die
Einspritzvorrichtung 101 weist einen Einspritzvorrichtungskörper 105 mit
dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 106 auf,
der mit einem Rail-Verzweigungsdurchlass 40 verbunden
ist, weiter einen Betätigungsströmungsmittelablauf 104,
der mit der Betätigungsströmungsmittelrückzirkulationsleitung
verbunden ist, und einen Brennstoffeinlass 120, der mit
einem Brennstoffversorgungsdurchlass verbunden ist. Die Einspritzvorrichtung 101 weist
hydraulische Mittel auf, um Brennstoff innerhalb der Einspritzvorrichtung
während
jedes Einspritzereignisses unter Druck zu setzen, und ein Rückschlagsteuerventil 160,
welches das Öffnen
und Schließen eines
Düsenauslass
es 117 steuert.
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Die
hydraulischen Mittel um Brennstoff unter Druck zu setzen weisen
ein Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 203 auf,
welches den Zwei-Wege-Elektromagneten 130 aufweist,
der an einem Stift 135 angebracht ist. Ein Verstärkerkolbenventilglied 140 spricht
auf die Bewegung des Stiftes 135 und eines Kugelventilgliedes 136 an,
um abwechselnd den Verstärkersteuerdurchlass 109 zum
Betätigungsströmungsmitteleinlass 106 oder
dem Niederdruck-Ablauf 104 zu öffnen. Der Verstärkersteuerdurchlass 109 öffnet sich
zu einer abgestuften Kolbenbohrung 110, 115 innerhalb
der ein Verstärkerkolben 150 sich zwischen
einer zurückgestellten
Position (wie in den 2 und 3 veranschaulicht)
und einer (nicht gezeigten) vorderen Position hin und her bewegt.
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Der
Einspritzvorrichtungskörper 105 weist auch
eine Stösselbohrung 111 auf,
in der ein Stössel 135 sich
zwischen einer zurückgezogenen
Position (wie in den 2 und 4 veranschaulicht),
und einer (nicht gezeigten) vorgeschobenen Position hin und her
bewegt. Teile der Stösselbohrung 111 und des
Stössels 135 definieren
eine Brennstoffdruckkammer 112, in der Brennstoff während jedes
Einspritzereignisses unter Druck gesetzt wird. Der Stössel 153 und
der Verstärkerkolben 150 werden
zu ihren zurückgezogenen
Positionen zwischen den Einspritzereignissen unter der Wirkung einer
Druckfeder 154 zurückgebracht.
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Somit
weisen die hydraulischen Mittel um Brennstoff unter Druck zu setzen
die Brennstoffdruckkammer 112, den Stössel 153, den Verstärkerkolben 150,
dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 106,
den Verstärkersteuerdurchlass 109 und
die verschiedenen Komponenten des Betätigungsströmungsmittelsteuerventils auf,
welches den Elektromagneten 130, das Kugelventilglied 136,
den Stift 135 und das Verstärkerkolbenventilglied 140 usw. aufweist.
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Brennstoff
tritt in die Einspritzvorrichtung 101 beim Brennstoffeinlass 120 ein
und läuft über ein
Kugelrückschlagelement 121 entlang
eines versteckten Brennstoffversorgungsdurchlasses 124 und
in die Brennstoffdruckkammer 112, wenn sich der Stössel 153 zurückzieht.
Das Kugelrückschlagelement 121 verhindert
einen Rückfluss
des Brennstoffes aus der Brennstoffdruckkammer 112 in den
Brennstoffversorgungsdurchlass 124 während des Ab wärts- hubes des
Stössels.
Unter Druck gesetzter Brennstoff läuft von der Brennstoffdruckkammer 112 über einen
Verbindungsdurchlass 113 zu einer Düsenkammer 114. Ein
Rückschlagventilglied 160 bewegt
sich innerhalb der Düsenkammer 114 zwischen
einer offenen Position, in der der Düsenauslass 117 offen
ist, und einer geschlossenen Position, in der der Düsenauslass 117 geschlossen
ist.
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Das
Rückschlagventilglied 160 weist
einen unteren Rückschlagelementteil 161 und
einen Verstärkerteil 162 auf,
die durch Abstandshalter 164 und 166 getrennt
werden und ist mechanisch zu seiner geschlossenen Position durch
eine Druckfeder 165 vorgespannt, die zwischen dem Abstandshalter 164 und
dem Verstärkerteil 162 zusammengedrückt ist. Wenn
somit das Rückschlagventilglied 160 geschlossen
ist und die Rückschlagsteuerkammer 118 zum niedrigen
Druck offen ist, wird der Verstärkerteil 162 zu
seinem oberen Anschlag gedrückt.
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Das
Rückschlagventilglied 160 weist
hydraulische Öffnungsflächen 163 auf,
die den Strömungsmitteldruck
innerhalb der Düsenkammer 114 ausgesetzt
sind, und eine hydraulische Verschlussfläche 167, die dem Strömungsmitteldruck
innerhalb der Rückschlagelementsteuerkammer 118 ausgesetzt ist.
Die hydraulische Verschlussfläche 167 und
die hydraulischen Öffnungsflächen 163 sind
so bemessen und angeordnet, dass das Rückschlagventilglied 160 hydraulisch
zu seiner geschlossenen Position hin vorgespannt ist, wenn die Rückschlagelementsteuerkammer 118 zu
einer Quelle für
Hochdruck-Strömungsmittel
offen ist. Somit sollte ein adäquater
Druck auf der hydraulischen Verschlussfläche 167 vorhanden
sein, um den Düsenauslass 117 trotz der
Anwesenheit von Hochdruck-Brennstoff in der Düsenkammer 114 geschlossen
zu halten, die anderenfalls über
einen Ventilöffnungsdruck
sein kann. Die hydraulischen Öffnungsflächen 163 und
die hydraulische Verschlussfläche 167 sind
ebenfalls vorzugsweise so bemessen und angeordnet, dass das Rückschlagventilglied 160 hydraulisch
zu seiner offenen Position hin vorgespannt ist, wenn die Rückschlagelementsteuerkammer 118 mit
einem Niederdruck-Durchlass verbunden ist, und der Brennstoffdruck
inner halb der Düsenkammer 114 größer als
der Ventilöffnungsdruck
ist.
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In
dem Bereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung 101 des
Betätigungsströmungsmittelsteuerventils
ist der Zwei-Wege-Elektromagnet 130 an einem Stift 135 angebracht.
Wenn der zurückstoßende Elektromagnet 130 entregt
ist, wird der Stift 135 zu einer zurückgezogenen Position gedrückt, wenn
die hydraulische Kraft des Hochdruck-Hydraulikströmungsmittels
dass Kugelventilglied 136 gegen einen oberen Sitz 172 drückt. In
dieser Position kann das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel über einen unteren
Sitz 173 und in Kontakt mit einer hydraulischen Endfläche 141 des
Verstärkerkolbenventilgliedes 140 fließen. Die
Kraft des hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittels
gegen die hydraulische Endfläche 141 gleicht
die Kraft des hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittels gegen ein unteres
Ende des Kolbenventilgliedes 140 aus, so dass eine Druckfeder 145 das
Kolbenventilglied 140 zu seiner unteren Position drücken kann.
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Wenn
das Kolbenventilglied 140 an seiner unteren Position ist,
ist der Verstärkersteuerdurchlass 109 dagegen
abgeblockt, dass er hydraulisches Hochdruck-Strömungsmittel von einem Kolbenventilgliedinnenraum 147 über einen
Hochdruck-Zulaufsitz 171 aufnimmt sondern ist stattdessen
offen zum Betätigungsströmungsmittelablauf 104 über einen
Ablaufzulaufsitz 170.
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Wenn
der Elektromagnet 130 erregt ist, bewegt sich der Stift 135 nach
unten, was bewirkt, dass das Kugelventilglied 136 den oberen
Sitz 172 öffnet und
den unteren Sitz 173 schließt. Dies bewirkt, dass die
hydraulische Endfläche 141 dem
niedrigen Druck im Ablaufdurchlass 129 ausgesetzt ist,
der mit einem zweiten Ablauf 108 verbunden ist. Dies erzeugt
eine hydraulische Unausgeglichenheit in dem Verstärkerkolbenventilglied 140,
was bewirkt, dass dieses sich nach oben gegen die Wirkung der Druckfeder 145 bewegt,
um den Ablaufzulaufsitz 170 zu schließen und dem Hochdruck-Zulaufsitz 171 zu öffnen.
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Dies
gestattet, dass Betätigungsströmungsmittel
vom Einlass 106 in das hohle Innere 147 des Verstärkerkolbenventilgliedes 140 fließt, und
zwar durch die radialen Öffnungen 146, über dem
Hochdruck-Zulaufsitz 171 und in den Verstärkersteuerdurchlass 109,
um auf den abgestuften oberen Teil 155, 156 des
Verstärkerkolbens 150 zu
wirken.
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Wenn
somit der Elektromagnet 130 erregt ist, ist die hydraulische
Verschlussfläche 167 des Rückschlagventilgliedes 160 nun
einem Niederdruck-Durchlass
ausgesetzt, und das Rückschlagventilglied
beginnt, sich wie ein einfaches Rückschlagventil zu verhalten,
und zwar dahingehend, dass es sich nun öffnen wird, wenn der Brennstoffdruck
innerhalb der Düsenkammer 114 größer als
ein Ventilöffnungsdruck
ist, der ausreicht, um die Rückstellfeder 165 zu überwinden.
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Hydraulisch
betätigte
Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit einem direkt gesteuerten Rückschlagventil,
wie beispielsweise die erste Generation der HEUI-BTM-Einspritzeinheiten,
die von Caterpillar Inc. hergestellt werden, wovon ein Beispiel
oben mit Bezugnahme auf die 2–4 beschrieben
wurde, arbeiten sehr gut. Jedoch ist eine Verbesserung an dem Betätigungsströmungsmittelsteuerventil
erwünscht,
eine kritische Komponente, die das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel in die Einspritzvorrichtung
einlässt.
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Dies
kommt daher, dass elektromagnetgetriebene Betätigungsströmungsmittelsteuerventile, die
eine Anordnung aus Kugel und Stift verwenden, wie oben beschrieben,
unter dem Problem einer zu geringen Druckbelastbarkeit leiden können, wenn man
Betätigungsströmungsmittel
unter sehr hohem Druck verwendet. In manchen Fällen kann die Elektromagnetkraft
nicht ausreichen, um sehr hohe Betätigungsströmungsmitteldrücke zu überwinden.
In anderen Fällen
kann die Elektromagnetkraft stark genug gemacht werden, jedoch ist
die elektrische Energie sehr hoch, die nötig ist, um den Elektromagneten zu
betreiben.
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Bei
der Konstruktion mit Kugel und Stift muss die Elektromagnetkraft
die Druckkraft in der Rail (Verteilerleiste bzw. Druckleitung) überwinden,
die auf die Unterseite der Kugel drückt, wenn der an dem Anker angebrachte
Stift sich nach unten bewegt, um die Kugel auf den unteren Sitz
zu drücken,
wenn der Elektromagnet eingeschaltet wird. Während der Einspritzung muss
die Elektromagnetkraft die Kugel gegen den Rail-Druck halten.
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Nachdem
der Elektromagnet ausgeschaltet wurde, drückt der Rail-Druck die Kugel
auf den oberen Sitz und hält
sie dort. Da die Bewegung der Kugel nicht nur von der Elektromagnetkraft
abhängt
sondern auch von dem Rail-Druck,
der sich gemäß der Betriebsbedingungen
verändert
und der auch von Einspritzung zu Einspritzung variiert, ist die
Bewegung der Kugel von Einspritzung zu Einspritzung nicht stabil,
und die benötigte
Zeit, um sich zwischen dem oberen Sitz und dem unteren Sitz zu bewegen variiert
mit dem Rail-Druck. Eine Abhängigkeit
von dem Rail-Druck ist ein direkter Grund für schlechte Stabilität, schlechte
Druckbelastungsfähigkeit
und hohen elektrischen Strom vom Elektromagneten.
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Weiterhin
könnte
irgendeine Fehlausrichtung bei der Konstruktion mit Kugel und Stift
zu einem strukturellen Versagen führen, was eine beträchtliche Veränderung
des Hubes und des Luftspaltes zur Folge hat, was wiederum zu einer
beträchtlichen
Veränderung
der Einspritzvorrichtungsleistung führen kann. Zusätzlich kann
es ein Stabilitätsproblem
geben, welches durch fluktuierenden Betätigungsströmungsmitteldruck verursacht
wird, was zu einer nicht wünschenswerten
Veränderung
der Brennstofflieferung und des Brennstofflieferzeitpunktes von
Einspritzung zu Einspritzung führt.
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Verbesserungen
bei diesen und anderen Bereichen einschließlich der Ansprechgeschwindigkeit der
Rückschlagventilsteuerung,
der Ansprechzeitsteuerung der Rückschlagventilsteuerung,
eine Verringerung des Geräusches
und eine Stabilität
bei Leerlaufbedingungen wären
auch vorteilhaft.
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EP-A-0
686 764 offenbart ein Motorbrennstoffsystem, welches eine Akkumulatorkammer
aufweist, in der Brennstoff bei hohem Druck gespeichert ist, und
ein Drei-Wege-Ventil mit zwei Einstellungen wobei in der ersten
davon, wenn eine Ventilbetätigungsvorrichtung
erregt ist, Brennstoff von der Akkumulatorkammer zu einer Brennstoffeinspritzdüse fließt, und
wobei in der zweiten davon, wenn die Betätigungsvorrichtung entregt
ist, Brennstoff aus der Versorgungsleitung der Düse zu einem Ablauf fließt. Das
Ventil weist ein Ventilglied auf, welches direkt mit der Betätigungsvorrichtung
gekoppelt ist und den Fluss des Brennstoffes von der Akkumulatorkammer zur
Düse steuert,
und ein Ventilelement, welches elastisch mit dem Ventilglied gekoppelt
ist und den Fluss des Brennstoffes von der Leitung zum Ablauf steuert.
Das Ventilglied und das Ventilelement arbeiten mit jeweiligen Sitzen
zusammen, und wenn die Betätigungsvorrichtung
entregt ist, kann sich das Ventilelement weg von seinem Sitz gegen
die Wirkung der elastischen Kupplung bewegen, um eine schnelle Verringerung
des Brennstoffdruckes in der Leitung zu gestatten.
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Darüber hinaus
bezieht sich US-A-5 738 057 auf eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung,
die einen Einspritzvorrichtungskörper
mit einem Betätigungsströmungsmitteleinlass
und einer Nadelsteuerkammer aufweist. Hydraulische Mittel innerhalb
der Einspritzvorrichtung setzen Brennstoff in dem Einspritzvorrichtungskörper unter
Druck. Die Hydraulikmittel weisen ein Betätigungsströmungsmittelsteuerventil mit
einem Elektromagneten auf und sind bewegbar, um den Betätigungsströmungsmitteleinlass
zu öffnen
und zu schließen.
Ein Nadelventilglied weist eine hydraulische Verschlussfläche auf, die
dem Druck in der Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist. Ein Nadelsteuerventil,
welches den gleichen Elektromagneten verwendet, ist an dem Einspritzvorrichtungskörper montiert
und ist bewegbar, um die Nadelsteuerkammer zu einer Quelle für Hochdruck-Strömungsmittel
zu öffnen
und dagegen zu schließen.
Die langsamere Ansprechzeit des Betätigungsströmungsmittelsteuerventils gestattet eine
direkte Steuerung des schnell ansprechenden Nadelventils durch einen
einzelnen schnell wirkenden Elektromagneten. Diese Schrift wurde
als Grundlage für
den Oberbegriff des Anspruches 1 verwendet.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Betätigungsströmungsmittelsteuerventil für eine hydraulisch
betätigte
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung können
aus den abhängigen
Ansprüchen
gewonnen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung sei Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungsfiguren, die
nicht notwendigerweise im Maßstab
sind, in denen manche Abmessungen und Komponenten zu Veranschaulichungszwecken übertrieben
sein können,
und in denen die Figuren folgendes darstellen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Brennstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
geschnittene Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
mit einem direkt gesteuerten Rückschlagventil;
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3 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines oberen Teils der in 2 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
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4 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines unteren Teils der in 2 gezeigten
Einspritzvorrichtung;
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5 eine
geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
gemäß der Erfindung;
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6 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines Betätigungsvorrichtungsteils der
in 5 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
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7 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kolbenventileteils
der in 5 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
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8A, 8B, 8C und 8D veranschaulichen
unterschiedliche mögliche
Konfigurationen aus Sitz und Stift; und
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9 veranschaulicht
Sitzkonfigurationen und Stiftkonfigurationen in einem anderen Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Ausführungsbeispiel
eines hydraulisch betätigten
elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzsystems 10 in
einer beispielhaften Konfiguration gezeigt, wie sie für einen
direkt einspritzenden Diesel-Verbrennungsmotor 12 geeignet
ist. Das Brennstoffsystem 10 weist eine oder mehrere hydraulisch
betätigte
elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 auf,
die geeignet sind, um in einer jeweiligen Zylinderkopfbohrung des
Motors 12 positioniert zu werden. Das Brennstoffsystem 10 weist
eine Vorrichtung oder Mittel 16 auf, um Betätigungsströmungsmittel
zu jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 zu liefern,
weiter eine Vorrichtung oder Mittel 18 um Brennstoff zu
jeder Einspritzvorrichtung zu liefern, einen Computer 20,
der ein elektronisches Steuermodul 21 aufweist, um elektronisch
das Brennstoffeinspritzsystem zu steuern, und eine Vorrichtung oder
Mittel 22, um Betätigungsströmungsmittel
zurückzuzirkulieren
oder um hydraulische Energie aus dem Betätigungsströmungsmittel wiederzugewinnen,
welches jede der Einspritzvorrichtungen verlässt.
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Die
Betätigungsströmungsmittelversorgungsmittel 16 weisen
vorzugsweise die Betätigungsströmungsmittelrückzirkulationsmittel 22 auf, weiter
einen Betätigungsströmungsmittelsumpf 24, eine
Betätigungsströmungsmitteltransferpumpe 26 mit
relativ niedrigem Druck, eine Rückzirkulationsleitung 27,
die die Betätigungsströmungsmittelabläufe der
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 mit den Rückzirkulationsmitteln 22 verbindet,
einen Betätigungsströmungsmittelkühler 28,
einen oder mehrere Betätigungsströmungsmittelfilter 30,
eine Hochdruck-Pumpe 32 zur Erzeugung eines relativ hohen Druckes
in dem Betätigungsströmungsmittel,
eine Rückzirkulationsleitung 33,
die die Rückzirkulationsmittel 22 mit
den Betätigungsströmungsmittelversorgungsmitteln 16 verbindet,
und mindestens eine Betätigungsströmungsmittelsammelleitung 36 mit
relativ hohem Druck. Ein Common-Rail-Durchlass 38 (Common-Rail
= Verteilerleiste bzw. gemeinsame Druckleitung) ist in Strö mungsmittelverbindung
mit dem Auslass aus der Betätigungsströmungsmittelpumpe 32 mit
relativ hohem Druck angeordnet. Ein Rail-Verzweigungsdurchlass 40 verbindet
den Betätigungsströmungsmitteleinlass
von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 mit dem Hochdruck-Common-Rail-Durchlass 38.
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Die
Brennstoffversorgungsmittel 18 weisen vorzugsweise einen
Brennstofftank 42 auf, weiter einen Brennstoffversorgungsdurchlass 44,
der in Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Brennstofftank 42 und dem Brennstoffeinlass 60 (2)
von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 angeordnet
ist, weiter eine Brennstofftransferpumpe 46 mit relativ niedrigem
Druck, einen oder mehrere Brennstofffilter 48, ein Brennstoffversorgungsregulierungsventil 49 und
einen Brennstoffzirkulations- und -rückleitungsdurchlass 47,
der in Strömungsmittelverbindung
zwischen den Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 und dem
Brennstofftank 42 angeordnet ist.
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Die 5–7 veranschaulichen
ein Ausführungsbeispiel
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 mit einem Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 203 gemäß der Erfindung.
Dieses spezielle Ausführungsbeispiel
ist für
einen direkt einspritzenden Diesel-Verbrennungsmotors geeignet,
jedoch kann die Erfindung in Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 bei anderen
Bauarten von Motoren ebenfalls verwendet werden. Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15,
die das Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 203 gemäß der Erfindung
haben, können
in Brennstoffeinspritzsystemen 10 verwendet werden, wie
beispielsweise jenem, welches in 1 veranschaulicht
ist und oben beschrieben wird. Die Komponenten und Teile der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 von
diesem Ausführungsbeispiel
werden unten mit Bezug auf 5–7 beschrieben.
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 von diesem Ausführungsbeispiel
verwendet eine einzelne anziehende Zwei-Wege-Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 205,
obwohl andere Ausführungsbeispiele,
die die Erfindung verwenden, Anwendung von einem Piezo-Stapel oder
von anderen Arten von Betätigungsvorrichtungen 205 machen
können.
Die Betätigungsvorrichtung 205 weist
einen Anker 207 auf, der an einem Betätigungsventilglied 209 angebracht
ist, welches verschiebbar in einer Betätigungsvorrichtungsbohrung 211 mit
einer Betätigungsvorrichtungsbohrungswand 213 angeordnet ist.
Das Betätigungsventilglied 209 ist
zwischen zwei Positionen verschiebbar. In einer ersten Position passt
das Betätigungsventilglied 209 mit
einem Ablaufsitz 215 zusammen, und in der zweiten Position passt
das Betätigungsventilglied 209 mit
einem Einlasssitz 217 zusammen. Eine Betätigungsvorrichtungsfeder 218 spannt
den Anker 207 und somit das daran angebrachte Betätigungsventilglied 209 zu
der ersten Position vor.
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Das
Betätigungsventilglied 209 hat
eine im wesentlichen meniskus-förmige
Einlassstiftfläche 219,
die teilweise eine Strömungsmitteleinlasskammer 221 innerhalb
der Betätigungsvorrichtungsbohrung 211 definiert.
Die Strömungsmitteleinlasskammer 221 ist
strömungsmittelmässig mit
einer Quelle für
Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
verbunden, welches in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 durch
einen Betätigungsströmungsmitteleinlass 223 eintritt.
Das Betätigungsventilglied 209 hat
auch eine zapfenförmige
Ablaufstiftfläche 225,
die einem Niederdruck-Betätigungsströmungsmittelablauf 227 ausgesetzt
ist.
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Das
Betätigungsventilglied 209 hat
auch eine zentrale Stiftfläche 229,
die einem Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 ausgesetzt
ist, der strömungsmittelmässig mit
einer Rückschlagelementsteuerkammer 233 verbunden
ist, die teilweise von einer hydraulischen Verschlussfläche 235 eines Rückschlagventilgliedes 237 definiert
wird. Der Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 ist
auch strömungsmittelmässig mit
einer unteren hydraulischen Endfläche 239 eines Kolbenventilgliedes 241 verbunden,
welches verschiebbar in einer Kolbenventilbohrung 243 angeordnet
ist. Das Kolbenventilglied 241 ist in einer Aufwärtsrichtung
(mit Bezug auf die 5-7) durch
eine Kolbenventilfeder 245 vorgespannt und hat eine obere
hydraulische Endfläche 247 an
einem Ende des Kolbenventilgliedes 241 entfernt von der
unteren hydraulischen Endfläche 239.
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Das
Kolbenventilglied 241 definiert teilweise einen Verstärkersteuerdurchlass 249,
der strömungsmittelmässig mit
einem gestuften Oberteil 251 eines Verstärkerkolbens 253 verbunden
ist, der verschiebbar in einer gestuften Kolbenbohrung 255 angeordnet
ist. Der Verstärkerkolben 253 ist
nach oben durch eine Stösselfeder 257 vorgespannt,
die einen Stössel 259 umgibt.
Der Stössel 259 ist
verschiebbar in einer Stösselbohrung 261 angeordnet.
Ein Teil des Stössels 259 erstreckt
sich nach oben in die gestufte Kolbenbohrung 255.
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Unter
dem Stössel 259 in
der Stösselbohrung 261 ist
eine Brennstoffdruckkammer 263, die durch eine Brennstoffversorgung
gespeist wird, die in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 durch
einen Brennstoffeinlass 265 eintritt. Die Brennstoffdruckkammer 263 ist
strömungsmittelmässig über einen Verbindungsdurchlass 267 mit
einer Düsenkammer 269 verbunden,
die einen unteren Rückschlagelementteil 271 des
Rückschlagventilgliedes 237 umgibt.
Die Düsenkammer 269 weist
einen oder mehrere Düsenauslässe 273 auf,
um zu gestatten, dass unter Druck gesetzter Brennstoff die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 verlässt.
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Das
Rückschlagventilglied 237 kann
in diesem speziellen Ausführungsbeispiel
derart angesehen werden, dass es im allgemeinen dem unteren Rückschlagelementteil 271 und
einen oberen Rückschlagelementteil 275 aufweist.
Der untere Rückschlagelementteil 271 ist
verschiebbar in einer Düsenhülsenbohrung 279 einer
Düsenhülse 277 angeordnet
und erstreckt sich in die Düsenkammer 269,
in der ein unterer Rückschlagelementführungsteil 281 des
unteren Rückschlagelementteils 271 verschiebbar
innerhalb einer Düsenbohrung 283 angeordnet ist.
Andere Ausführungsbeispiele
der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15, die die Erfindung
verwenden, können
eventuell keinen unteren Rückschlagelementführungsteil
aufweisen.
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Der
obere Rückschlagelementteil 275 des Rückschlagventilgliedes 237 weist
die hydraulische Verschlussfläche 235 auf
und ist verschiebbar innerhalb der Rückschlagelementsteuerkammer 233 angeordnet.
Das Rückschlagventilglied 237 ist
nach unten durch eine Rückschlagelementfeder 285 vorgespannt,
die in diesem Ausführungsbeispiel
innerhalb der Rückschlagelementsteuerkammer 233 ist.
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8A und 8B veranschaulichen
zwei unterschiedliche Arten von Sitzkonfigurationen. In 8A sitzt
ein Betätigungsventilglied 309 auf
einem Ablaufsitz 315 in einer Sitzkonfiguration am Aussendurchmesser
(AD), bei der die Kontaktepunkte mit einem Aussendurchmesser des
Betätigungsventilgliedes 309 zusammenfallen.
In 8B sitzt das Betätigungsventilglied 309 auf
einem Ablaufsitz 316 in einer Sitzkonfiguration am Innendurchmesser
(ID), bei der die Kontaktpunkte mit einem Innendurchmesser des Betätigungsventilgliedes 309 zusammenfallen.
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8C veranschaulicht
den Fluss von hydraulischem Strömungsmittel über ein
Betätigungsventilglied 309,
welches eine zapfenförmige
Ablaufstiftfläche 325 besitzt.
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8D veranschaulicht
einen Fluss von hydraulischem Strömungsmittel über ein
Betätigungsventilglied 310,
welches eine kegelstumpfförmige
Ablaufstiftfläche 326 besitzt.
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9 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Betätigungsventilgliedes 210 gemäß der Erfindung,
wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wie sie in 6 verwendet werden,
um entsprechende ähnliche
Elemente zu bezeichnen. Im Gegensatz zu der zapfenförmigen Ablaufstiftfläche 225,
die in 6 gezeigt ist, hat das Betätigungsventilglied 210 von
diesem Ausführungsbeispiel
eine abgeflachte oder kegelstumpfförmige Ablaufstiftfläche 226.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
Betätigungsvorrichtungsventil
mit aufgesetztem Stift gemäß der Erfin dung
führt die
gleiche Funktion aus wie das Betätigungsvorrichtungsventil mit
Kugel und Stift, es gibt jedoch verschiedene wichtige Unterschiede.
Einerseits ist das Betätigungsvorrichtungsventil
mit aufgesetztem Stift druckausgeglichen und daher unabhängig vom
Rail-Druck. Aus diesem Grund hängt
die Bewegung des Ankers und des Betätigungsventilgliedes (Stift)
von der Magnetkraft und der Federkraft alleine ab. Die Wiederholbarkeit
der Anker-Bewegung ist unempfindlich für Variationen des Rail-Druckes
von Einspritzung zu Einspritzung, was wichtig für die Verbesserung der Stabilität der Einspritzvorrichtung
ist, insbesondere im Leerlaufzustand.
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Der
aufgesetzte Stift hat einen kleineren Stifthub im Vergleich zu der
Konstruktion mit Kugel und Stift. Effektive Strömungsquerschnitte in dem geöffneten
und geschlossenen Positionen werden mit einer messbaren Verringerung
des Stifthubes erreicht. Da die Konstruktion mitaufgesetztem Stift
den Vorlauf der Kugel eliminiert (die Distanz, über die der Anker sich bewegen
muss, bevor er die Kugel trifft, um den Rail-Druck gegen die Kugel
zu überwinden) wird
der anfängliche
Luftspalt zwischen den Elektromagneten und dem Anker beträchtlich
verringert.
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Der
kleinere Stifthub verringert die Laufzeit des Stiftes zwischen den
oberen und unteren Sitzen und verringert die minimale Berührungszeit
für die geteilte
Einspritzung im Leerlauf. Der kleinere anfängliche Luftspalt verbessert
die Elektromagnetkraft beträchtlich,
und der Einzugsstrom und die Dauer werden beträchtlich verringert.
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Mit
Bezug auf das hydraulisch betätigte
elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzsystem 10, welches
in 1 gezeigt ist, nehmen die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
von den Betätigungsströmungsmittelversorgungsmitteln 16 über die
Pumpe 32 und die Common-Rail 36 auf. Betätigungsströmungsmittel, welches
den Betätigungsströmungsmittelablauf
von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 verlässt, tritt in
die Rückzirkulationsleitung 27 ein,
die dieses zu den Mitteln 22 zur Rückzirkulation oder Wiedergewinnung
von hydraulischer Energie leiten. Ein Teil des rückzirkulierten Betätigungsströmungsmittels wird
zu der Hochdruck-Betätigungsströmungsmittelpumpe 32 geleitet,
und ein anderer Teil wird zu dem Betätigungsströmungsmittelsumpf 24 der Betätigungsströmungsmittelversorgungsmitteln 16 über die
Rückzirkulationsleitung 33 geleitet.
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 15 nehmen Brennstoff von
den Brennstoffversorgungsmitteln 18 über den Brennstoffversorgungsdurchlass 44 auf,
nachdem der Brennstoff durch die Brennstofftransferpumpe 46 und
die Brennstofffilter 48 gelaufen ist.
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Irgendein
verfügbares
Motorströmungsmittel wird
vorzugsweise als das Betätigungsströmungsmittel
in der vorliegenden Erfindung verwendet. Jedoch ist in dem bevorzugten
Ausführungsbeispielen
das Betätigungsströmungsmittel
Motorschmieröl,
und der Betätigungsströmungsmittelsumpf 24 ist
der Motorschmierölsumpf.
Dies gestattet, dass das Brennstoffeinspritzsystem 10 als
ein parasitäres
Untersystem mit dem Schmierölzirkulationssystem
des Motors verbunden ist. Alternativ könnte das Betätigungsströmungsmittel
Brennstoff sein, der von dem Brennstofftank 42 oder von
einer anderen Quelle geliefert wird, wie beispielsweise Kühlströmungsmittel
usw.
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Der
Computer 20 weist vorzugsweise ein elektronisches Steuermodul 11 auf,
welches die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung steuert; weiter die gesamte
Brennstoffeinspritzmenge während
eines Einspritzzyklus; den Brennstoffeinspritzdrurk; die Anzahl
der getrennten Einspritzungen oder Einspritzsegmente während jedes
Einspritzungszykluys; die Zeitintervalle zwischen den Einspritzsegmenten;
die Brennstoffmenge von jedem Einspritzsegment während eines Einspritzungsuyklus;
den Betätigungsströmungsmitteldruck;
irgendeine Kombination der obigen Parameter. Der Computer 20 nimmt
eine Vielzahl von Sensoreingangssignalen S1-S8auf, die bekannten Sensoreingangsgrössen entsprechen,
wie beispielsweise der Motorbetriebszustand, die Motorbelastung
usw., die verwendet werden, um die präzise Kombination von Ein spritztparametern
für den darauf
folgenden Einspritzungszyklus zu bestimmen. In diesem Ausführungsbeispiel
gibt der Computer 20 das Steuersignal S9 aus,
um den Betätigungsströmungsmitteldruck
zu steuern, und das Steuersignal S10, um
das (die) Betätigungsströmungsmittelsteuerventil(e) 203 innerhalb
jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 zu steuern. Jeder
der Einspritzparameter ist variabel unabhängig von der Motordrehzahl
und Motorbelastung steuerbar. Im Fall der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 ist
das Steuersignal S10 ein Strom für die Betätigungsvorrichtungen 205,
der vom Computer angewiesen wurde.
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Der
Betrieb von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 wird
nun mit Bezugnahme auf die 5–7 beschrieben.
Wenn das Betätigungsventilglied 209 in
der ersten Position ist, ist der Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 in
Strömungsmittelverbindung
mit dem hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittel
von dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 223,
so dass das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
gegen die untere hydraulische Endfläche 239 des Kolbenventilgliedes 241 drückt, um
die Kraft des hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittels auszugleichen,
welches nach unten auf die obere hydraulische Endfläche 247 des
Kolbenventilgliedes 241 drückt. Als eine Folge hält die Vorspannung,
die von der Kolbenventilfeder 245 vorgesehen wird, das
Kolbenventilglied 241 so positioniert, dass der Verstärkersteuerdurchlass 249 zu
einem Betätigungsvorrichtungströmungsmittelablauf 227 offen
ist.
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Da
es nur einen niedrigen Druck gibt, der auf den Kolben herunter drückt, hält die Vorspannung, die
von der Stösselfeder 257 geliefert
wird, den Verstärkerkolben 253 davon
ab, den Brennstoff in der Brennstoffdruckkammer 263 unter
Druck zu setzen. Entsprechend gibt es nur Niederdruck-Brennstoff
in der Düsenkammer 269.
Auch ohne die Kraft des hydraulischen Strömungsmittels, die nach unten
auf die hydraulische Verschlussfläche 235 des Rückschlagventilgliedes 237 drückt, reicht
die Vorspannung, die von der Rückschlagelementfeder 285 geliefert
wird aus, um das Rückschlagventil glied 237 nach
unten gedrückt
zu halten, so dass es Brennstoff dagegen abblockt, die Düsenauslässe 273 zu
erreichen.
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Um
die Brennstoffeinspritzung zu beginnen wird die Betätigungsvorrichtung 205 erregt,
an dem Anker 207 zu ziehen und was auch das Betätigungsventilglied 209 in
die zweite Position zieht. Ein wünschenswertes
Merkmal dieser Konstruktion ist, dass die meniskus-förmige Einlassstiftflläche 219 des
Betätigungsventilgliedes 209 im
großen
und ganzen horizontale Oberflächen
des Betätigungsventilgliedes 209 an
Betätigungsströmungsmitteleinlass 223 eliminiert.
Das Fehlen von scharfen Ecken in der Strömungsmitteleinlasskammer 221 ist
förderlich
für einen
sanfteren Fluss des hydraulischen Strömungsmittels.
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Zusätzlich sind
bei dieser Konstruktion die Netto-Kräfte auf dem Betätigungsventilglied 209 entlang
seiner Achse, die durch den Druck des Hochdruck-Betätigungsströmungsmittels
verursacht werden, vernachlässigbar.
Die Gründe
dafür sind
zweifach. Erstens ist die gesamte nach oben gerichtete horizontale
Oberflächenbereichkomponente
der Einlassstiftfläche 215 gleich
der gesamten nach unten gerichteten horizontalen Oberflächenbereichskomponente
der Einlassstiftoberfläche 215,
da das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
in die Strömungsmitteleinlasskammer 221 von
der Seite eintritt. Entsprechend übt das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
keine Netto-Kraft weder nach oben noch nach unten auf das Betätigungsventilglied 209 aus, wenn
das Betätigungsventilglied 209 in
der zweiten Position ist und wenn kein Strömungsmittel durch die Strömungsmitteleinlasskammer 221 fließt, so dass
irgendein hydraulisches Strömungsmittel
in der Strömungsmitteleinlasskammer 221 im
wesentlichen statisch ist.
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Darüber hinaus
erzeugt das Minimieren der horizontalen Komponenten der Einlassstiftoberfläche 215 und
die Verjüngung
der Einlassstiftfläche
zur Einstellung der breite und/oder der Tiefe der Strömungsmitteleinlasskammer 221 in
vertikaler symmetrischer Weise, wie beispielsweise in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel,
wo die Strömungsmitteleinlasskammer 221 eine
sehr kleine Tiefe sowohl an ihrer Oberseite als auch an ihrer Unterseite
hat, eine vertikale Symmetrie der Geschwindigkeit des hydraulischen
Hochdruck-Strömungsmittels,
welches durch die Strömungsmitteleinlasskammer 221 fließt, wenn das
Betätigungsventilglied 209 in
der ersten Position ist und Strömungsmittel
durch die Strömungsmitteleinlasskammer 221 über den
Einlasssitz 217 fließt. Wie
es in der Lehren der Strömungsmechanik
verständlich
gemacht wurde, kann eine vertikale Symmetrie der Strömungsmittelgeschwindigkeit
verhindern, dass eine zusätzliche
vertikale Netto-Kraft eingeleitet wird, und zwar aufgrund von Variationen
des Hydraulikströmungsmitteldruckes,
die durch die Geschwindigkeit des hydraulischen Strömungsmittels verursacht
werden.
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Diese
druckausgeglichene Konstruktion hat eine starke verringerte Variation
der Brennstofflieferung und der Zeitsteuerung von Einspritzung zu
Einspritzung gegenüber
früheren
Konstruktionen zur Folge, weil die Bewegungskräfte des Betätigungsventilgliedes 209 im
wesentlichen unabhängig
von Variationen des Betätigungsströmungsmitteldruckes sind.
Zusätzlich
ist viel weniger elektrische Energie für die Betätigungsvorrichtung 205 im
Vergleich zu Konstruktionen erforderlich, wie jenen, die in den 2–4 gezeigt
sind, wo die Betätigungsvorrichtung 205 gegen
die Kraft des Hochdruck-Betätigungsströmungsmittels
drücken
muss. Es gibt auch ein schnelleres Ansprechen der Rückschlagventilsteuerung
und eine Verringerung des Geräusches gegenüber früheren Konstruktionen,
zumindest teilweise aufgrund der relativ kleinen Masse des Betätigungsventilgliedes 209 mit
aufgesetztem Stift.
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Wenn
das Betätigungsventilglied 209 in
der zweiten Position ist, wird das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel von dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 223 dagegen
abgeblockt, dem Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 und
die untere hydraulische Endfläche 239 des
Kolbenventilgliedes 241 zu erreichen. Gleichzeitig öffnet die
zweite Position des Betätigungsventilgliedes 209 dem Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 zum
Niederdruck-Betätigungsvorrichtungsströmungsmittelablauf 227.
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Jedoch
drückt
das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
immer noch auf die obere hydraulische Endfläche 247 des Kolbenventilgliedes 241.
Da nun nur ein niedriger Druck gegen die untere hydraulische Endfläche 239 des
Kolbenventilgliedes 241 drückt, reicht die Kraft des hydraulischen
Strömungsmittels
auf die obere hydraulische Endfläche 247,
um die Vorspannung zu überwinden,
die von der Kolbenventilfeder 245 vorgesehen wird. Als
eine Folge bewegt sich das Kolbenventilglied 241 nach unten,
um den Verstärkersteuerdurchlass 249 von
dem Betätigungsvorrichtungsströmungsmittelablauf 227 abzuschließen, während der
Verstärkersteuerdurchlass 249 zum
Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
hin vom Betätigungsströmungsmitteleinlass 223 geöffnet wird,
was den Verstärkerkolben 253 mit
einer ausreichend großen
Kraft nach unten drückt,
um die Vorspannung zu überwinden,
die von der Stösselfeder 257 vorgesehen
wird.
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Von
der Kraft des Hochdruck-Betätigungsströmungsmittels
nach unten gedrückt
drückt
der Verstärkerkolben 253 den
Stössel 259 nach
unten, was Brennstoff in der Brennstoffdruckkammer 263 unter
Druck setzt. Der unter Druck gesetzte Brennstoff fließt durch
den Verbindungsdurchlass 267 zur Düsenkammer 269. Da
es nur einen geringen Druck gegen die hydraulische Verschlussfläche 235 des Rückschlagventilgliedes 237 gibt,
ist die von dem unter Druck gesetzten Brennstoff in der Düsenkammer 269 gelieferte
Kraft ausreichend, um die Vorspannung zu überwinden, die von der Rückschlagelementfeder 285 vorgesehen
wird. Als eine Folge bewegt sich das Rückschlagventilglied 237 nach
oben, was gestattet, dass stark unter Druck gesetzter Brennstoff
aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 austritt, beispielsweise
in die Motorbrennkammer.
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Um
die Brennstoffeinspritzung zu beenden wird die Betätigungsvorrichtung 205 entregt,
was gestattet, dass die Betätigungsvorrichtungsfeder 216 das
Befätigungsventilglied 209 zurück in die
erste Position bewegt. In dieser Position ist der Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 von
dem Betätigungsströmungsmittelablauf 227 abgeschlossen
und ist strömungsmittelmä ssig mit
dem Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
von dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 223 verbunden.
Dies bewirkt, das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
auf die untere hydraulische Endfläche 239 des Kolbenventilgliedes 241 aufgebracht
wird, was wiederum die Kraft des Hochdruck-Betätigungsströmungsmittels gegen die obere
hydraulische Endfläche 247 des
Kolbenventilgliedes 241 ausgleicht.
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Die
Vorspannung, die von der Kolbenventilfeder 245 vorgesehen
wird, kann nun das Kolbenventilglied 241 nach oben bewegen,
um die Versorgung von Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel von dem Verstärkersteuerdurchlass 249 abzuschneiden,
und den Druck in dem Verstärkersteuerdurchlass 249 abzulassen,
in dem dieser zum Betätigungsströmungsmittelablauf 227 freigelegt
wird. Die Vorspannung, die von der Stösselfeder 257 vorgesehen
wird, kann nun den Verstärkerkolben 253 nach
oben drücken. Dies
reduziert den Druck des Brennstoffes in der Brennstoffdruckkammer 263,
und daher in der Düsenkammer 269,
was gestattet, dass die von der Rückschlagelementfeder 285 vorgesehene
Vorspannung das Rückschlagventilglied 237 zu
seiner geschlossenen Position hin drückt.
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Jedoch
dauerte es eine gewisse Zeit, dass das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
das Kolbenventilglied 241 bewegt und dann den Verstärkerkolben 253 nach
unten drückt.
Das Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
in dem Rückschlagelementsteuerhohlraum 231 erreicht
die Rückschlagelementsteuerkammer 233 und
wirkt auf das Rückschlagventilglied 237 mit
niedriger Masse viel schneller. Auch wenn die Düsenkammer 269 immer
noch stark unter Druck gesetzten Brennstoff enthält, überwindet die Kombination des
angestiegenen Druckes in der Rückschlagelementsteuerkammer 233 und
der Vorspannung, die von der Rückschlagelementfeder 285 vorgesehen
wird, den Druck des Brennstoffes in der Düsenkammer 269. Dies
bewirkt, dass das Rückschlagventilglied 237 sofort
abschließt,
was ein viel abrupteres Ende für
den Einspritzzyklus vorsieht als anderenfalls erreicht werden kann.
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Wegen
dem Hysterese-Effekt der relativen Verzögerung des Kolbenventilgliedes 241,
auch bevor das Kolbenventilglied 241 sich weit genug nach oben
bewegen kann, um die Versorgung mit Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel
vom Verstärkersteuerdurchlass 249 abzuschalten
kann zusätzlich die
Betätigungsvorrichtung 205 schnell
ein- und ausgeschaltet werden, um direkt das Rückschlagventilglied 237 zu
steuern, in dem es auf seine hydraulische Verschlussfläche 235 wirkt.
Wenn man dies tut, kann dies das Rückschlagventilglied 237 so
oft wie möglich
zu jedem Zeitpunkt während
des Einspritzungszyklus öffnen
und schließen
lassen. Beispielsweise kann dieses Merkmal verwendet werden, um eine
kurze Verzögerung
nach einer "Vorbrennstoffeinspritzung" bzw. "Pilot-Brennstoffeinspritzung" zum Beginn eines
Einspritzungszyklus zu bewirken, um die Motoremissionen zu reduzieren,
oder auch aus anderen Gründen.
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Die
Auswahl einer Sitzkonfiguration ist sehr wichtig für die Leistung
der Einspritzvorrichtung 10 zur Steuerung der Brennstofflieferung
bzw. der Zunahme des Brennstoffes über die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzvorrichtung.
Für jedes
Sitzventil gibt es zwei Arten von Sitzkonfigurationen, wie oben erklärt: AD (8A)
und ID (8B). Die Auswahl der Sitzkonfiguration
beeinflusst die Zunahmerichtung der Abdichtungslänge (Breite des Ringes des tatsächlichen
Kontaktes zwischen dem Stift und einem Sitz) wenn eine Abnutzung
an den Kontaktbereichen auftritt. Für das am Außendurchmesser aufgesetzte
Ventil nimmt die Dichtungslänge
zur Mitte des Ventils hin zu. Für
das am Innendurchmesser aufgesetzte Ventil wächst die Dichtungslänge weg
von der Mitte an.
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Die
Auswahl der Sitzkonfiguration in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen
basiert auf der Betrachtung der tatsächlichen Betriebszustände des
Ventils und der Steuerung der Zunahme der Dichtungslänge mit
der Zeit. Es wird verständlich sein,
dass der Druck gegen die Ventilkomponenten und die Sitze (wenn diese
geschlossen sind) mit dem Sitzdurchmesser variieren wird, der von
dem stromaufwärts
liegenden Kontaktpunkt zwischen dem Stift und einem jeweiligen Sitz
definiert wird, wenn der Sitz geschlossen ist. Für die veranschaulichten Ausführungsbeispiele
ist der Einlasssitz 217, 218 am Innendurchmesser
aufgesetzt, und der Ablaufsitz 215, 216 ist am
Außendurchmesser
aufgesetzt, wie es am besten in 9 veranschaulicht
ist.
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Der
Einlasssitz 217, 218 ist am Innendurchmesser aus
zwei Gründen
aufgesetzt; der Einlasssitz 217, 218 muss druckausgeglichen
sein, wenn der Stift in der zweiten Position ist, und die Zunahme
des Dichtungsdurchmessers darf nicht beträchtlich die Bewegung des Stiftes
beeinflussen. Der Sitzdurchmesser des Einlasssitzes 217, 218 ist
der Gleiche wie der Durchmesser der Betätigungsvorrichtungesbohrung 211.
Wenn der Einlasssitz 217, 218 am Außendurchmesser
aufgesetzt wäre,
dann wäre
der Dichtungsdurchmesser größer als
der Durchmesser der Betätigungsvorrichtungsbohrung 211,
und der Sitzdurchmesser würde
sich mit der Abnutzung des Sitzes verändern.
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Ein
Unterschied zwischen dem Sitzdurchmesser und dem Betätigungsvorrichtungsbohrungsdurchmesser
würde bewirken,
dass die Strömungsmitteleinlasskammer 221 mit
Bezug auf den Rail-Druck nicht ausgeglichen ist. Die daraus resultierende
Kraft dieser Unausgeglichenheit wäre abwärts gerichtet. Daher müsste bei
einem hohen Rail-Druck der Elektromagnethaltestrom höher gemacht
werden, um genügend
magnetische Kraft zu erzeugen, um die nicht ausgeglichene Kraft
und die Federbelastung des Ankers zu überwinden. Zusätzlich würde dies
die Zeitsteuerung und so weiter beeinflussen, und zwar aufgrund
von Variationen des Rail-Druckes, wie oben erklärt.
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Der
Ablaufsitz 215, 216 ist am Außendurchmesser aufgesetzt,
so dass die Dichtungslänge
zur Mitte des Ventils hin anwächst,
was den Sitzdurchmesser am Ablaufsitz 215, 216 nicht
verändern
wird. Der Sitzdurchmesser des Einlasssitzes 217, 218 und der
Sitzdurchmesser des Ablaufsitzes 215, 216 sollten
so ausgewählt
worden sein, dass das Ventil bezüglich
des Druckes ausgeglichen ist. Wenn der untere Sitz am Innendurchmesser
aufgesetzt wäre, würde die
Dichtungslänge
von der Mitte weg anwachsen, und der Dichtungsdurchmesser würde mit
der Zeit stark anwachsen, was die Aus geglichenheit zwischen dem
Sitzdurchmessern vom oberen Sitz und vom unteren Sitz unterbricht
und einen höheren
Einzugsstrom des Elektromagneten erfordert.
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Die
zapfenförmige
Ablaufstiftfläche 225 des Betätigungsventilgliedes 209 hat
einen glatten Fluss von hydraulischem Strömungsmittel zur Folge. Dies ist
in 8C für
ein repräsentatives
Betätigungsventilglied 309 veranschaulicht,
welches eine zapfenförmige
Ablaufstiftfläche 325 besitzt.
Der Fluss ist glatt und es gibt keine Abtrennung eines Flussstroms.
Das Druckprofil an der Ablaufstiftfläche 225, 325 nimmt
linear ab, und die resultierende Kraft auf dem Betätigungsventilglied 209, 309 ist
ein wichtiger Teil der Flusskraft.
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Auch
wenn der Ablaufquerschnitt groß ist,
reduziert sich die Flusskraft nicht, weil der Fluss eine Haltezone
bildet, die von dem gestrichelten Oval dargestellt wird. Der Druck
in dieser Zone ist immer höher
als der atmosphärische
Druck, was eine beträchtliche
Flusskraft verursacht, die auf die Ablaufstiftfläche 225, 325 wirkt.
Obwohl sie klein ist, ist es wichtig, falls möglich, diese Kraft zu eliminieren,
um die Vorspannung zu reduzieren, die von der Betätigungsvorrichtungsfeder 220 angefordert
wird, weil je größer die
Vorspannung der Betätigungsvorrichtungsfeder 220 ist,
desto größer die
Einzugskraft ist, die von der Betätigungsvorrichtung verlangt
wird.
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Das
Eliminieren dieser nicht ausgeglichenen Flusskraft kann durch Verwendung
einer kegelstumpfförmigen
Ablaufstiftfläche 226 erreicht
werden, die die Flusscharakteristiken für das Betätigungsventilglied 210 verändert. Dies
ist in 8D für ein repräsentatives Betätigungsventilglied 310 mit
einer kegelstumpfförmigen
Ablaufstiftfläche 326 veranschaulicht.
Bei dieser Konfiguration trennt sich der Fluss ab, nachdem er an
dem Sitz vorbei gelaufen ist, und bildet eine Niederdruck-Trennungsflusszone. Der
Druck in dieser Zone ist nahe an dem atmosphärischen Druck und erzeugt keine
signifikante Flusskraft, die auf die kegelstumpfförmige Ablaufstiftfläche 226, 326 wirkt.
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Die
hier beschriebene Betätigungsvorrichtung
mit aufgesetztem Stift, die in der HEUI-BTM-Brennstoffeinspritzvorrichtung
von Caterpillar eingesetzt wird, hat eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung
zur Folge, die eine bessere Stabilität hat, eine Fähigkeit
zur vollständigen
Formung der Einspritzungsrate einen niedrigeren Verbrauch von elektrischer
Energie und die für höheren Druck
ausgelegt ist.
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Es
sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur vorgesehen ist, um
die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen und
nicht in irgendeiner Weise den möglichen
Umfang der vorliegenden Erfindung einschränken sollte. Beispielsweise
ist das Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 203 der
Erfindung in einer HEUI-BTM-Brennstoffeinspritzvorrichtung
gezeigt, die von Caterpillar Inc. hergestellt wird und kann in anderen
HEUI-Modellen ebenfalls
eingesetzt werden. Jedoch kann das Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 203 der
Erfindung zur Anwendung bei irgend einer hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung
oder in irgendwelchen anderen hydraulisch betätigten Vorrichtungen angepasst
werden, wie beispielsweise Betätigungsvorrichtungen
für hydraulische
Motorbremsen, und auch in anderen hydraulischen Steuervorrichtungen
von bewegbaren Teilen.
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Während zusätzlich die
vorliegende Erfindung derart gezeigt ist, dass sie ein Hydrauliksystem aufweist,
welches an dem Motor angebracht ist, welches Schmieröl als Betätigungsströmungsmittel
verwendet, könnte
dies modifiziert werden. Beispielsweise könnte das Hydrauliksystem vom
Motor isoliert sein und ein getrenntes Strömungsmittel als Betätigungsströmungsmittel
verwenden, oder das Hydrauliksystem könnte vom Motor isoliert sein,
während
es immer noch das Schmieröl
als Betätigungsströmungsmittel
verwendet. Somit könnten
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen, wie er von den Ansprüchen unten definiert wird.