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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochgeschwindigkeits-Ventile für Flüssigkeiten
mit kleinem Flussvolumen und insbesondere auf ein Drei-Wege-Steuerventil
zur Anwendung in einer elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung, wie beispielsweise
in einem Teil einer Brennstoffeinspritzvorrichtung.
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Hintergrund
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Elektrohydraulische
Betätigungsvorrichtungen,
wie beispielsweise jene, die in Verbindung mit Brennstoffeinspritzvorrichtungen
verwendet werden, die ein direkt gesteuertes Nadelventil haben,
beruhen auf relativ kleinen und schnellen Ventilen, um die Brennstoffeinspritzcharakteristiken
zu steuern. Bei einer Klasse von Brennstoffeinspritzsystemen öffnet und
schließt
ein direkt gesteuertes Nadelventil den Düsenauslass der Brennstoffeinspritzvorrichtung. Das
direkt gesteuertes Nadelventil wird hydraulisch über ein Nadelsteuerventil mit
relativ hoher Geschwindigkeit gesteuert, welches die Fähigkeit
hat, entweder niedrigeren Druck oder hohen Druck auf eine hydraulische
Verschlussfläche
aufzubringen, die mit dem direkt gesteuerten Nadelventil assoziiert
ist. Ein solches direkt gesteuertes Nadelventil und ein dieses begleitendes
Nadelsteuerventil wird in dem ebenfalls zu eigenen US-Patent 5 669
355 von Gibson und anderen offenbart. Diese Bezugsschrift lehrt eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung, die ein Nadelsteuerventil aufweist,
und zwar mit der Fähigkeit, Hochdruck-Öl oder Niederdruck-Öl auf eine
hydraulische Verschlussfläche
eines direkt gesteuerten Nadelventils aufzubringen. Wenn hoher Druck
auf die hydraulische Verschlussfläche aufgebracht wird, bleibt
das Nadelventil in seiner geschlossenen Position oder bewegt sich
zu dieser hin, um die Einspritzung von Brennstoff zu beenden. Wenn
niedriger Druck auf die hydraulische Verschlussfläche aufgebracht
wird, und der Brennstoff auf Einspritzdruckniveaus gelegen ist,
wird das Nadelventil in seiner offenen Position bleiben oder sich
zu dieser hin bewegen, um zu gestatten, dass Brennstoff aus den
Düsenauslässen der
Brennstoffeinspritzvorrichtung heraus sprüht. Um verschiedene Ziele zu
erreichen, wie beispielsweise die Entfernung von unerwünschten Emissionen
aus einem Motor, suchen Ingenieure konstant nach Wegen zur Verbesserung
der Leistung von direkt gesteuerten Nadelventilen, insbesondere in
dem sie Probleme ansprechen, die mit Nadelsteuerventilen assoziiert
sind.
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Eines
der Probleme, die durch Verbesserung eines Nadelsteuerventils angesprochen
werden könnten,
ist, die Ansprechzeit zu reduzieren. Dieses Problem kann aufgeteilt
werden in die Suche nach Wegen zur Verringerung der Laufdistanz
des Ventilgliedes, zur Steigerung der Laufgeschwindigkeit und/oder
der Beschleunigung des Ventilgliedes, zur Verringerung des Einflusses
der Strömungsmittelflusskräfte auf
die Bewegung des Ventilgliedes und mittels anderer Dinge, die in
der Technik bekannt sind. Zusätzlich
ist es wünschenswert,
Strategien einzusetzen, die die Rate beschleunigen, mit der Druckveränderungen
innerhalb der Nadelsteuerkammer auftreten können, die die hydraulische
Kraft auf die hydraulische Verschlussfläche des Nadelventilgliedes
aufbringt. Diese Probleme stehen weiter in Zusammenhang mit denen,
die sich auf eine verfügbare
Raumumhüllung
beziehen, und vielleicht viel wichtiger auf die Fähigkeit,
alle diese Probleme mit einer Struktur anzusprechen, die gestattet,
dass das Ventil in Massen hergestellt wird, und zwar mit durchgängigem Verhalten
von einem Ventil zum Nächsten. Noch
ein weiteres Problem, welches angesprochen werden könnte, bezieht
sich auf den Wirkungsgrad. Beispielsweise kann die Verringerung
einer Leckage durch das Ventil einen Unterschied bezüglich der
gesamten Durchgängigkeit
eines gegebenen Ventils ausmachen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten
Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt weist ein Drei-Wege-Steuerventil einen Ventilkörper mit
einem ersten Durchlass, mit einem zweiten Durchlass, mit einem dritten
Durchlass, mit einem ersten Sitz und mit einem zweiten Sitz auf.
Ein Ventilglied ist zumindest teilweise in dem Ventilkörper positioniert
und ist bewegbar zwischen dem ersten Sitz und dem zweiten Sitz.
Der erste Durchlass ist zum dritten Durchlass über den ersten Sitz offen,
wenn das Ventilglied in Kontakt mit dem zweiten Sitz ist. Der erste
Durchlass oder der dritte Durchlass haben eine Flussbegrenzung bezüglich des
Strömungsquerschnittes über den
ersten Sitz. Der zweite Durchlass ist zum dritten Durchlass über den
zweiten Sitz offen, wenn das Ventilglied in Kontakt mit dem ersten
Sitz ist. Der zweite Durchlass oder der dritte Durchlass haben eine
zweite Flussbegrenzung relativ zu einem Strömungsquerschnitt über dem
zweiten Sitz.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt weist eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung
ein Drei-Wege-Steuerventil mit einem geschlossenen Steuerdruckvolumen
auf, weiter mit einem Steuerdurchlass, mit einem Hochdruck-Durchlass, der strömungsmittelmäßig mit
einer Quelle für
Hochdruck-Flüssigkeit
verbunden ist, und mit einem Niederdruck-Durchlass, der strömungsmittelmäßig mit einem
Reservoir für
Niederdruck-Flüssigkeit
verbunden ist. Das Drei-Wege-Steuerventil weist ein Ventilglied
auf, welches eingeschlossen ist, um sich zwischen einem Hochdruck-Sitz
und einem Niederdruck-Sitz zu bewegen. Ein bewegbarer Kolben mit einer
hydraulischen Steuerfläche
ist dem Strömungsmitteldruck
in dem Steuerdruckvolumen ausgesetzt. Eine elektrische Betätigungsvorrichtung
ist betriebsmäßig mit
dem Ventilglied gekoppelt. Der Niederdruck-Durchlass ist zum Steuerdurchlass über den Niederdruck-Sitz
offen, wenn das Ventilglied in Kontakt mit dem Hochdruck-Sitz ist.
Der Niederdruck-Durchlass oder der Steuerdurchlass haben eine erste
Flussbegrenzung relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den
Niederdruck-Sitz. Der Hochdruck-Durchlass ist zu dem Steuerdurchlass über den
Hochdruck-Sitz offen, wenn das Ventilglied in Kontakt mit dem Niederdruck-Sitz
ist. Der Hochdruck-Durchlass oder der Steuerdurchlass haben eine
zweite Flussbegrenzung relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den
Hochdruck-Sitz.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Betrieb eines Drei-Wege-Steuerventils
einen Schritt auf, strömungsmittelmäßig einen ersten
Durchlass mit einem dritten Durchlass über einen ersten Ventilsitz
zumindest teilweise durch Positionierung eines Ventilgliedes in
Kontakt mit einem zweiten Sitz zu verbinden. Ein Flüssigkeitsfluss
von dem dritten Durchlass zum ersten Durchlass wird zumindest teilweise
eingeschränkt
durch Anordnung einer ersten Flussbegrenzung in dem ersten Durchlass oder
dem Steuerdurchlass, wobei die erste Flussbegrenzung relativ zu
einem Strömungsquerschnitt über dem
ersten Sitz einschränkend
ist. Der zweite Durchlass ist strömungsmittelmäßig mit
dem dritten Durchlass über
einen zweiten Sitz zumindest teilweise verbunden, und zwar durch
Bewegung des Ventilgliedes in Kontakt mit dem ersten Sitz. Ein Flüssigkeitsfluss
von dem zweiten Durchlass zum dritten Durchlass wird zumindest teilweise
durch Anordnung einer zweiten Flussbegrenzung in dem zweiten Durchlass
oder dem Steuerdurchlass eingeschränkt, wobei die zweite Flussbegrenzung
relativ zur einem Strömungsquerschnitt über den
zweiten Sitz einschränkend
ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine geschnittene diagrammartige Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines elektrohydraulischen
Betätigungsvorrichtungsteils
der in 1 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
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3 ist
eine isometrische Ansicht einer Elektromagnetstatoranordnung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine diagrammartige Draufsicht eines Drei-Wege-Ventilteils der in 2 gezeigten elektrohydraulischen
Betätigungsvorrichtung;
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5 ist
eine geschnittene diagrammartige Seitenansicht des in 4 gezeigten
Drei-Wege-Ventils, wie es entlang der Schnittlinien A-A zu sehen
ist;
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6 ist
eine diagrammartige Seitenansicht des Ventilgliedes für das Drei-Wege-Ventil
der 4 und 5;
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7 ist
eine diagrammartige geschnittene Seitenansicht des Drei-Wege-Ventils gemäß einem weiteren
Aspekt der Erfindung; und
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8 ist
eine diagrammartige geschnittene Seitenansicht eines Drei-Wege-Ventils gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 ein
direkt gesteuertes Nadelventil 11 auf, welches betriebsmäßig mit
einer elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 12 gekoppelt
ist. Die elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung 12 weist
ein Drei-Wege-Ventil 14 auf, welches betriebsmäßig mit
einer elektrischen Betätigungsvorrichtung 16 gekoppelt
ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 ist mit einer
Quelle 18 für
Hochdruck-Brennstoff über eine
Brennstoffversorgungsleitung 19 verbunden und ist mit einem
Niederdruck-Brennstoffreservoir 20 über einen Brennstofftransferdurchlass 21 verbunden.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Quelle 18 für Hochdruck-Brennstoff
von einer Common-Rail bzw. gemeinsamen Druckleitung kommen kann,
von einer Brennstoffdruckkammer innerhalb einer Einspritzeinheit
oder von irgendwelchen anderen Mitteln, die in der Technik bekannt
sind, um Brennstoff auf Einspritzniveau unter Druck zu setzen. Zusätzlich weist
der Einspritzvorrichtungskörper 22 mindestens
einen Düsenauslass 23 auf.
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Innerhalb
der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 läuft Brennstoff, der von der
Hochdruck-Brennstoffquelle 18 kommt, durch einen nicht
eingeschränkten
Düsenversorgungsdurchlass 24,
um in einer Düsenkammer 25 anzukom men,
die so gezeigt ist, dass sie von einer Strömungsmittelverbindung mit dem
Düsenauslass 23 durch
einen Nadelteil 30 des direkt gesteuerten Nadelventils 11 abgeblockt
ist. Der Nadelteil 30 weist eine hydraulische Öffnungsfläche 34 auf,
die dem Strömungsmitteldruck
in der Düsenkammer 25 ausgesetzt
ist. Das direkt gesteuerte Nadelventil 11 ist normalerweise
nach unten in seine geschlossene Position vorgespannt, wie gezeigt,
und zwar durch die Wirkung einer Vorspannfeder 35, die auf
einen Hubabstandshalter 31 wirkt, der in Kontakt mit einer
Oberseite des Nadelteils 30 ist. Das direkt gesteuerte
Nadelventilglied 11 weist auch einen Kolbenteil 32 mit
einer hydraulischen Verschlussfläche 33 auf,
die dem Strömungsmitteldruck
in einer Nadelsteuerkammer 37 ausgesetzt ist. Die hydraulische Öffnungsfläche 34 ist
in Gegenwirkung zur hydraulischen Verschlussfläche 33. Wenn das Drei-Wege-Ventil 14 in
einer ersten Position ist, ist die Nadelsteuerkammer 37 strömungsmittelmäßig mit
der Quelle 18 für
Hochdruck-Brennstoff über
einen Hochdruck-Durchlass 40 verbunden, der an einem Ende mit
dem Düsenversorgungsdurchlass 24 verbunden ist.
Wenn das Ventil 14 in seiner zweiten Position ist, ist
die Nadelsteuerkammer 37 strömungsmittelmäßig mit
dem Niederdruck-Reservoir 20 über einen Niederdruck-Durchlass 41 verbunden.
Das Drei-Wege-Ventil 14 wird zwischen seiner ersten Position
und seiner zweiten Position durch Einschalten und Ausschalten der
elektrischen Betätigungsvorrichtungen 16 bewegt.
Wenn hoher Druck in der Nadelsteuerkammer 37 vorhanden
ist, wird das direkt gesteuerte Nadelventil 11 in seiner
unteren geschlossenen Position bleiben, wie gezeigt, oder sich zu
dieser hin bewegen. Wenn die Nadelsteuerkammer 37 mit niedrigem
Druck verbunden ist, wird das direkt gesteuerte Nadelventil 11 sich
nach oben zu seiner offenen Position anheben, wenn der Brennstoffdruck,
der auf die hydraulische Öffnungsfläche 34 wirkt, über einem Ventilöffnungsdruck
ist, der vorzugsweise von einer Vorspannvorrichtung bestimmt wird,
wie beispielsweise die Vorspannung einer Vorspannfeder 35.
In der Praxis wird der Ventilöffnungsdruck
des direkt gesteuerten Nadelventils 11 eingestellt durch
Auswahl eines VOP-Abstandshalters 36 von geeigneter Dicke.
Zusätzlich
wird die Hubdistanz des direkt gesteuerten Nadelventils 11 gesteuert
durch Auswahl einer geeigneten Dicke für den Hubabstandshalter 31.
Der Fachmann wird erken nen, dass in dem offenbarten Ausführungsbeispiel
die Nadelsteuerkammer ein geschlossenes Volumen ist.
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Mit
Bezug auf 2 ist die elektrohydraulische
Betätigungsvorrichtung 12 entfernt
von der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 1 gezeigt.
Zusätzlich
zeigen die 3–6 die Statoranordnung bzw.
die Drei-Wege-Ventilanordnung
bzw. das Ventilglied, die Teile der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 12 bilden.
Das Drei-Wege-Steuerventil 14 ist vorzugsweise in enger
Nähe zum
Kolbenteil 32 positioniert, so dass das Volumen der Nadelsteuerkammer 37 relativ
klein gemacht ist. Der Fachmann wird erkennen, dass Druckveränderungen
in der Nadelsteuerkammer 37 durch Verringerung ihres Volumens
beschleunigt werden können.
Dieser Punkt wird von der Betätigungsvorrichtung 12 auf
mindestens zwei Arten angesprochen. Zuerst ist das Drei-Wege-Ventil 14 in
enger Nähe
zur hydraulischen Verschlussfläche 33 des
Kolbenteils 32 positioniert. Zusätzlich ist die Nadelsteuerkammer 37 vorzugsweise
so ausgelegt, dass sie zumindest teilweise durch Oberflächenmerkmale
zur Verringerung des Volumens definiert wird. Der Fachmann wird
erkennen, dass ein gewisses messbares Maß von verbesserter Leistung
erreicht werden kann, wenn man darauf achtet, welche Oberflächenmerkmale,
die die Nadelsteuerkammer definieren, verändert werden können, um
das Volumen der Nadelsteuerkammer 37 zu reduzieren, ohne
in anderer Weise die Leistung zu unterminieren. In einem Fall wird
es wünschenswert sein,
irgendwelche Strömungsquerschnitte
vorzusehen, die mit der Nadelsteuerkammer 37 assoziiert sind,
die weniger einschränkend
sind als die Strömungsquerschnitte,
die mit dem Hochdruck-Durchlass 40, dem Niederdruck-Durchlass 41 oder
den Strömungsquerschnitten über den
Sitzen 50 und 51 assoziiert sind. Wenn das Ventilglied 42 in
Kontakt mit dem unteren Sitz 51 ist, wie gezeigt, ist die
Nadelsteuerkammer 37 strömungsmittelmäßig über den Hochdruck-Sitzen 50 mit
dem Düsenversorgungsdurchlass 24 über den
Hochdruck-Durchlass 40 verbunden. Wenn das Ventilglied 42 nach
oben in Kontakt mit dem Hochdruck-Sitz 50 angehoben ist,
ist die Nadelsteuerkammer 37 strömungsmittelmäßig mit
einem Niederdruck-Bereich
verbunden, der die Betätigungsvorrichtungen 12 umgibt,
und zwar über
dem Niederdruck-Sitz 51 über den Niederdruck-Durchlass 41.
Somit kann man das Ventilglied 42 als eingeschlossen zwischen
dem oberen Sitz 50 und dem unteren Sitz 51 ansehen.
Die Sitze 50 und 51 können auch als erste und zweite
Sitze oder umgekehrt bezeichnet werden. Um den Einfluss der hydraulischen Kräfte auf
gegenüberliegenden
Seiten des Ventilgliedes 42 zu reduzieren, entlüftet ein
Entlüftungsdurchlass 83 den
Anker-Hohlraum 82 zum niedrigem Druck hin, und ein Entlüftungsdurchlass 81 verbindet die
entlüftete
Kammer 80 zum niedrigen Druck.
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Das
Ventilglied 42 wird vorzugsweise gekoppelt in bekannter
Weise mit dem bewegbaren Teil einer elektrischen Betätigungsvorrichtung
betrieben. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Ventilglied 42 an
einem Anker 62 über
eine Mutter 63 angebracht, die an einem Ende des Ventilgliedes 42 angeschraubt
ist. Insbesondere ruht eine Ankerscheibe 63 auf einer ringförmigen Schulter 58 (6),
auf der der Anker 62 getragen wird. Als Nächstes wird
eine Mutterscheibe bzw. Beilagscheibe 64 in Kontakt mit
der anderen Seite des Ankers 62 gebracht, und zwar gefolgt
von einem Abstandshalter 65, an dem die Mutter 66 anliegt.
Der Anker 62, und daher das Ventilglied 42, sind
nach unten vorgespannt, um den Niederdruck-Sitz 51 durch
geeignete Vorspannmittel zu schließen, wie beispielsweise durch
eine Vorspannfeder 67. Der Fachmann wird erkennen, dass
ein hydraulisches Vorspannmittel eine Alternative zu der gezeigten
mechanischen Vorspannung sein könnte.
Während
die elektrische Betätigungsvorrichtung 16 als
ein Elektromagnet gezeigt worden ist, wird zusätzlich der Fachmann erkennen, dass
irgend eine andere geeignete elektrische Betätigungsvorrichtung, wie beispielsweise
eine Piezo-Vorrichtung (Scheiben und/oder eine Biegevorrichtung)
oder eine Schwingungsspule bzw. Lautsprecherspule anstelle davon
eingesetzt werden könnten.
Eine Statoranordnung 17 weist einen Stator 61 auf,
weiter eine Spule 60, und sie weist vorzugsweise eine elektrische
Stecker/Buchsen-Sockelverbindungsvorrichtung 69 auf. Die
Statoranordnung 17 ist vorzugsweise innerhalb einer Trägeranordnung 70 positioniert,
so dass ihre jeweiligen Unterseiten in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Wenn man dies so macht, kann ein Elektromagnetabstandshalter 71 mit einer
geeigne ten Dicke ausgewählt
werden, um einen erwünschten
Luftspalt zwischen dem Anker 62 und dem Stator 61 vorzusehen.
Somit ist der Elektromagnetabstandshalter 71 vorzugsweise
ein Passteils, welches in einer Vielzahl von geringfügig unterschiedlichen
Dicken lieferbar ist, die gestatten, dass unterschiedliche Ventile
in ähnlicher
Weise arbeiten, indem man eine geeigneten Dicke ausgewählt, um eine
Gleichförmigkeit
bei dem Anker-Luftspalt von einer Betätigungsvorrichtung zur nächsten auszuwählen.
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Um
dabei zu helfen, den oberen Sitz 50 mit dem unteren Sitz 51 entlang
einer gemeinsamen Mittellinie 38 auszurichten, weist das
Ventilglied 42 einen oberen Führungsteil 54 mit
einem engen Durchmesserspiel (d. h. Einführungsspiel) zu einer oberen Führungsbohrung 55 auf,
die in der oberen Sitzkomponente 53 gelegen ist. Zusätzlich weist
das Ventilglied 42 ebenfalls vorzugsweise einen unteren
Führungsteil 56 mit
einem relativ engen Durchmesserspiel zu einer unteren Führungsbohrung 57 auf,
die in der unteren Sitzkomponente 45 gelegen ist. Somit tendieren
diese Führungsregionen
dazu, dabei zu helfen, die oberen und unteren Sitze 50 und 51 während der
Montage des Drei-Wege-Ventils 15 konzentrisch auszurichten
(5) genauso wie dazu, im Wesentlichen strömungsmittelmäßig die
Nadelsteuerkammer 37 von der entlüfteten Kammer 80 und/oder
dem Kammerhohlraum 82 zu isolieren, und zwar ungeachtet
der Position des Ventilgliedes 42. Weil es vor der Montage
schwierig ist, sicher bezüglich
der Tiefe in den Sitzen 50 und 51 zu sein, bis
zu der das Ventilglied 42 eindringen wird, bevor es in Kontakt
beim Verschluss des speziellen Sitzes kommt, setzt das Drei-Wege-Ventil 15 vorzugsweise einen
Ventilhubabstandshalter 44 ein, der auch ein Passteil ist
und vorzugsweise in einer Vielzahl von unterschiedlichen Dickengruppierungen
eingeteilt bzw. erhältlich
ist. Somit ist die Distanz, über
die das Ventilglied 42 zwischen den oberen und unteren
Sitzen 50 und 51 läuft, einstellbar durch Auswahl
einer geeigneten Dicke für
den Ventilhubabstandshalter 44.
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Um
den Einfluss der Strömungsmittelflusskräfte auf
die Bewegung des Ventilgliedes 42 zu verringern, weisen
der Hochdruck-Durchlass 40 und der Nie derdruck-Durchlass 41 vorzugsweise
Flussbegrenzungen auf, die relativ zu einem Strömungsquerschnitt über die
jeweiligen Sitze 50 und 51 einschränkend sind.
Während
diese Flussbegrenzungen in der oberen Sitzkomponente 43 und/oder
der unteren Sitzkomponente 45 gelegen sein könnten, sind
sie vorzugsweise in dem Ventilhubabstandshalter 44 gelegen,
wie in 2 gezeigt. Insbesondere können die Flusscharakteristiken
durch den Hochdruck-Durchlass 40 relativ eng gesteuert
werden, in dem man ein zylindrisches Segment 47 mit einer
vorbestimmten Länge
und einem vorbestimmten Strömungsquerschnitt
vorsieht. Weiterhin ist das zylindrische Segment 47 relativ
einschränkend
für den
Fluss im Vergleich zu dem über
den oberen Sitz 50. Der Fachmann wird erkennen, dass es
einfacher ist, eine Flusscharakteristik über ein zylindrisches Segment
zu steuern und Durchgänge
maschinell zu bearbeiten im Vergleich dazu, zu versuchen, durchgängig einen Strömungsquerschnitt
zwischen einer stationären Sitzkomponente
und dem bewegbaren Ventilglied 42 zu steuern. Genauso weist
der Niederdruck-Durchlass 41 vorzugsweise
ein zylindrisches Segment 48 auf, welches in dem Ventilhubabstandshalter 44 gelegen
ist. Um die Rate zu unterscheiden, mit der Druckveränderungen
in der Nadelsteuerkammer 37 auftreten können, hat das zylindrische
Segment 48 vorzugsweise einen anderen Strömungsquerschnitt relativ
zu dem zylindrischen Segment 47. Dieses Merkmal ist in
dem veranschaulichten Beispiel als eine Strategie vorhanden, durch
welche die Öffnungsrate
des direkt gesteuerten Nadelventils relativ zu dessen Verschlussrate
verlangsamt ist. Anders gesagt, wenn das direkt gesteuerte Nadelventil 11 sich
zu seiner offenen Position anhebt, wird Strömungsmittel von der Nadelsteuerkammer 37 durch die
Flussbegrenzung verdrängt
bzw. verschoben, die von dem zylindrischen Segment 48 definiert
wird.
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Wenn
das direkt gesteuerte Nadelventil 11 geschlossen ist, fließt Hochdruck-Strömungsmittel
in die Nadelsteuerkammer 37 von dem Hochdruck-Durchlass 40 durch
die Flussbegrenzung, die von dem zylindrischen Segment 47 definiert
wird. Da das zylindrische Segment 48 einen kleineren Strömungsquerschnitt
hat als das zylindrische Segment 47 kann in dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
die Öffnungsrate
des direkt gesteuerten Nadelventils 11 langsamer als seine
Verschlussrate gemacht werden, was oft erwünscht ist.
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Um
die Möglichkeit
einer geringfügigen
Winkelfehlausrichtung zwischen der Mittellinie des Ventilgliedes 42 und
den jeweiligen Mittellinien der oberen und unteren Sitze 50 und 51 aufzunehmen,
weist das Ventilglied 42 vorzugsweise kugelförmige Ventilflächen 52 und 53 auf,
die eine gemeinsame Mitte haben, wie in 6 gezeigt.
Der Fachmann wird erkennen, dass die kugelförmigen Ventilsitze 52 und 53 die Ventilsitze 50 und 51 berühren und
schließen
können,
und zwar auch im Falle einer gewissen kleineren Winkelfehlausrichtung
zwischen dem Ventilglied 42 und seinen jeweiligen Sitzen.
Um sicherzustellen, dass die jeweiligen Durchlasswege, wie beispielsweise
der Düsenversorgungsdurchlass 24,
die ordnungsgemäße Strömungsmittelverbindung
vorsehen, wie in 2 gezeigt, weisen die stationären Komponenten
des Drei-Wege-Ventils 15 vorzugsweise Dübelbohrungen bzw. Passstiftbohrungen 86 und 87 auf
(4), die vorhanden sind, um zu verhindern, dass
das Ventil falsch ausgerichtet wird. Um das Drei-Wege-Ventil 15 zusammen
zu halten, weist es vorzugsweise eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 46 auf,
die verschraubbar in Befestigungsmittelbohrungen 49 aufgenommen
sind, die in der oberen Sitzkomponente 43 gelegen sind.
Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass zahlreiche andere Strategien
eingesetzt werden könnten,
um das Drei-Wege-Ventil zusammen zu klemmen.
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Obwohl
der Kolben 32 in einem gemeinsamen Körper als untere Sitzkomponente 45 gelegen sein
könnte,
ist er vorzugsweise davon durch einen relativ dünnen Abstandshalter 75 getrennt
und in seinem eigenen Kolbenführungskörper 76 aufgenommen,
wie in den 1 und 2 gezeigt.
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Mit
Bezug auf 7 ist ein Drei-Wege-Ventil 114 gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ähnlich dem zuvor beschriebenen Drei-Wege-Ventil außer, dass
zylindrische Durchlasssegmente 147 und 148 anders
angeordnet worden sind. Insbesondere weist das Drei-Wege-Ventil 114 genauso
wie das frühere
Ausführungsbeispiel eine
obere Sitzkomponente 143 auf, die von der unteren Sitzkomponente 145 durch
einen Ventilhubabstandshalter getrennt ist, der die Laufdistanz
des Ventilgliedes 42 zwischen dem Hochdruck-Sitz 150 und
dem Niederdruck-Sitz 151 bestimmt. Wenn das Ventilglied 42 in
Kontakt mit dem Niederdruck-Sitz 151 ist, ist der Steuerdurchlass 39 strömungsmittelmäßig mit
dem Hochdruck-Durchlass 140 über den Hochdruck-Sitz 150 verbunden.
Wenn das Ventilglied 42 in seiner oberen Position ist,
die den Hochdruck-Sitz 150 verschließt, ist der Nadelsteuerdurchlass 139 strömungsmittelmäßig mit
dem Niederdruck-Durchlass 141 über den Niederdruck-Sitz 151 verbunden.
Wenn das Strömungsmittel
von dem Hochdruck-Durchlass 140 in den Steuerdruckdurchlass 139 fließt, begrenzt
das zylindrische Durchlasssegment 147 den Strömungsmittelfluss
zu der Nadelsteuerkammer 37 (1). Wie
bei dem vorherigen Aspekt ist das zylindrische Durchlasssegment 147 im Vergleich
zu dem Fluss über
den Hochdruck-Sitz 150 einschränkend.
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Wenn
das Nadelventilglied 42 in seiner oberen Position ist,
was den Hochdruck-Sitz 150 verschließt, kann Strömungsmittel
von der Nadelsteuerkammer 37 (1) in den
Niederdruck-Durchlass 141 über den Niederdruck-Sitz 151 fließen. In
diesem Fall weist der Niederdruck-Durchlass 141 ein zylindrisches
Durchlasssegment 148 auf, welches in ziemlich ähnlicher
Weise arbeitet, wie das zylindrische Segment 48, dass bei
dem vorherigen Drei-Wege-Ventil 14 beschrieben
wurde. Anders gesagt ist das zylindrische Durchlasssegment 148 für einen Fluss
im Vergleich zu einem Strömungsquerschnitt über den
Niederdruck-Sitz 151 einschränkend. Es sei bemerkt, dass
sowohl das zylindrische Durchlasssegment 147 als auch das
zylindrische Durchlasssegment 148 gegenüber dem Ventilhubabstandshalter des
Drei-Wege-Ventils 14 anders angeordnet worden sind, der
früher
bei der Nadelanschlagplatte 175 beschrieben wurde, wobei
dies kein Standardteil bzw. Passteil sein muss. Somit können die
Punkte, die vorsehen, dass der Ventilhubabstandshalter 144 ein Passteil
bzw. Standardteil ist, von der Notwendigkeit getrennt werden, genau
die Strömungsquerschnitte durch
die zylindrischen Durchlasssegmente 147 und 148 zu
steuern. Das Drei-Wege-Ventil 114 könnte anstelle
des in dem früheren
Figuren gezeigten Ventils 14 eingesetzt werden. Das Drei-Wege-Ventil 114 kann
auch einen Vorteil gegenüber
dem früheren
beschriebenen Drei-Wege-Ventil 14 zeigen. Insbesondere
kann es geringere Mengen an Leckage aufweisen. Insbesondere wird
vermutet, dass eine Leckage von Hochdruck-Brennstoff in den Niederdruck-Durchlass 141 entlang
der oberen und unteren Oberflächen
des Ventilhubabstandshalters 144 reduziert wird, indem
man den Niederdruck-Durchlass 141 in
der unteren Sitzkomponente 145 und der Plattenanschlagskomponente 175 anordnet.
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Mit
Bezug auf 8 ist ein Drei-Wege-Ventil 214 gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ähnlich wie die zuvor beschriebenen,
außer
dass der Fluss zu einer Nadelsteuerkammer 237 und von dieser
weg relativ zu den Strömungsquerschnitten über einen
Hochdruck-Sitz 250 und einen Niederdruck-Sitz 251 über eine
Zumessöffnungsplatte 260 eingeschränkt wird,
die in dem Nadelsteuerdurchlass 239 gelegen ist. Wie bei
früheren
Versionen ist das Ventilglied 42 eingeschlossen, um sich
zwischen einem Hochdruck-Sitz 250, der in einer oberen
Sitzkomponente 243 gelegen ist, und einer unteren Sitzkomponente 251 zu
bewegen, die in der unteren Sitzkomponente 245 gelegen
ist. Wenn das Ventilglied 42 in Kontakt ist, wobei der
Niederdruck-Sitz 251 geschlossen wird, ist der Hochdruck-Durchlass 240 strömungsmittelmäßig mit
der Nadelsteuerkammer 237 über den Hochdruck-Sitz 250 und
durch die zylindrischen Durchlasssegmente 247 und 248 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der gesamte Strömungsquerschnitt
durch die zylindrischen Segmente 247 und 248 einschränkend im
Vergleich zu dem Strömungsquerschnitt über den Hochdruck-Sitz 250,
so dass diese Version des Drei-Wege-Ventils sich in genau der gleichen
Weise verhält,
wie die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Wenn das Ventilglied 42 in seiner oberen Position ist,
wobei der Hochdruck-Sitz 250 verschlossen wird, kann Strömungsmittel
von der Nadelsteuerkammer 237 in den Niederdruck-Durchlass 241 über den
Niederdruck-Sitz 251 fließen. Jedoch hebt dieser Strömungsmittelfluss
die Zumessöffnungsplatte 260 nach
oben in Kontakt mit dem flachen Sitz 261, um das zylindrische
Durchlasssegment 247 zu schließen. Nachdem die Zumessöffnungsplatte 260 sich nach
oben in Kontakt mit dem flachen Sitz 261 hebt, wird somit
der Fluss des Strömungsmittels
von der Nadelsteuerkammer 237 nur zu dem zylindrischen Durchlasssegment 248 eingeschränkt, welches
relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den
Niederdruck-Sitz 251 einschränkend ist. Wenn sie in der
unteren Position ist, beruht die Zumessöffnungsplatte 260 oben
auf dem Nadelanschlag 275. Dieses Ausführungsbeispiel weicht von dem
früheren
Ausführungsbeispiel
dahingehend ab, dass es keinen Ventilhubabstandshalter aufweist.
Stattdessen sind die Oberflächen,
die den Hochdruck-Sitz 250 und
den Niederdruck-Sitz 251 aufweisen, vorzugsweise in einer
Weise konturiert, dass die Ventillaufdistanz bis zu einer akzeptablen
Toleranz gesteuert werden kann. Alternativ könnte die obere Sitzkomponente 243 oder die
untere Sitzkomponente 245 ein Passteil bzw. Standardteil
sein. Bei noch einer weiteren Alternative könnte die obere Sitzkomponente 243 mit
einer getrennten unteren Sitzkomponente 245 zusammengepasst
werden, die eine akzeptable Ventillaufdistanz vorsieht. Alle drei
Ventile gemäß der vorliegenden
Erfindung könnten
in ziemlich ähnlicher
Weise arbeiten.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung findet mögliche Anwendung
bei irgend einem Ventil, dessen Leistungscharakteristiken relativ
genau gesteuert werden müssen,
während
gleichzeitig eine Struktur vorgesehen werden muss, die eine Massenproduktion
und eine durchgängige
Leistung von einem Ventil zum Nächsten
gestattet. Zusätzlich
findet die vorliegende Erfindung insbesondere Anwendung auf dem
Gebiet von Hochgeschwindigkeitsventilen, die relativ niedrige Flussvolumen
aufnehmen bzw. durchlassen müssen,
wie beispielsweise Drucksteuerventile, die in Brennstoffeinspritzsystemen
eingesetzt werden.
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Wenn
die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 im Betrieb ist, arbeitet
die elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung 12 in
Verbindung mit dem direkt gesteuerten Nadelventil 11, um
sowohl die Zeitsteuerung als auch die Menge von jedem Einspritzereignis zu
steuern. Jedes Einspritzereignis wird initialisiert durch Anheben
des Brennstoffdruckes in der Hochdruck-Quelle 18 auf Einspritzniveaus.
In manchen Systemen wird dies erreicht, in dem man eine gemeinsame
Druckleitung bzw. Common-Rail auf einem gewissen erwünschten
Druck hält.
Alternativ kann die Quelle 18 eine Brennstoffdruckkammer
innerhalb einer Einspritzeinheit sein, die unter Druck gesetzt wird,
wenn ein Stößel nach
unten getrieben wird, was normalerweise mit einer Nocke oder einer hydraulischen
Kraft erreicht wird. Weil das Ventilglied 42 nach unten
vorgespannt ist, um den Niederdruck-Sitz 51 zu schließen, wird
das direkt gesteuerte Nadelventil 11 in seiner unteren
geschlossenen Position bleiben, und zwar aufgrund der hohen Druckkraft,
die auf die hydraulische Verschlussfläche 33 des Kolbenteils 32 wirkt.
Kurz vor dem Zeitpunkt, zu dem das Einspritzereignis starten soll,
wird die elektrische Betätigungsvorrichtung 16 vorzugsweise
erregt, in dem man einen übermäßig großen Strom
zur Spule 60 liefert. Weil die Geschwindigkeit, mit der
die elektrische Betätigungsvorrichtung 16 arbeitet,
in Beziehung zum Strompegel steht, der zur Spule 60 geliefert
wird, liefert man vorzugsweise den maximal verfügbaren Strom, der wesentlich
höher sein
kann als die Menge an Strom, die nötig ist, um zu bewirken, dass
der Anker sich gegen die Wirkung der Vorspannfeder bewegt. Wenn
sich ausreichend magnetischer Fluss aufbaut, werden der Anker 62 und
das Ventilglied 42 nach oben gezogen, bis die kugelförmige Ventilfläche 52 den
oberen Sitz oder Hochdruck-Sitz 50, 150, 250 berührt. Wenn
dies auftritt, ist die Nadelsteuerkammer 37 strömungsmittelmäßig mit
dem Niederdruck-Brennstoffreservoir 20 über den Niederdruck-Durchlass 41, 141, 241 verbunden.
Damit das direkt gesteuerte Nadelventil 11 sich nach oben
in seine offene Position bewegt, muss Strömungsmittel von der Nadelsteuerkammer 37 durch das
Niederdruck-Reservoir 20 verschoben werden. Die Rate, mit
der das direkt gesteuerte Nadelventil 11 sich öffnet, wird
verlangsamt durch Einschränkung des
Flusses durch das zylindrische Segment 48, 148, 248.
Dies hilft dabei zu gestatten, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 eine
gewisse Ratenformung erzeugt. Kurz vor dem erwünschten Ende eines Einspritzereignisses
wird der Strom zu der elektrischen Betätigungsvorrichtung verringert
oder auf einem Niveau beendet, welches gestattet, dass die Feder 67 den
Anker 62 und das Ventilglied 42 nach unten drückt, bis
der kugelförmige
Sitz 53 in Kontakt mit dem Nie derdruck-Sitz 51, 151, 251 kommt.
Wenn dies auftritt, fließt
Hochdruck-Strömungsmittel,
welches von dem Düsenversorgungsdurchlass 24 herkommt,
durch den Hochdruck-Durchlass 40, 140, 240 über den
Hochdruck-Sitz 50, 150, 250 und
in die Nadelsteuerkammer 37. Die Rate, mit der Druck sich in
der Nadelsteuerkammer 37 aufbaut, und daher die Ansprechzeit,
von dem Zeitpunkt, wenn der Strom beendet wird, bis zu dem Zeitpunkt,
wo sich das direkt gesteuerte Nadelventil 11 zu seiner
geschlossenen Position hin bewegt, kann beeinflusst werden durch
entsprechende Bemessung des zylindrischen Segmentes 47, 147 oder
des kombinierten Strömungsquerschnittes
der zylindrischen Segmente 247 und 248.
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Um
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 10 zu erzeugen, die sich
durchgängig
verhalten, weist die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Struktur
für das
Drei-Wege-Ventil 15 auf, welche einige der Probleme erleichtert,
unter denen frühere
Ventile gelitten haben. Durch Vorsehen von Flussbegrenzungen (den
zylindrischen Segmenten 47, 147, 247 und 48, 148, 248)
entfernt von den Ventilsitzen 50, 150, 250 bzw. 51, 151, 251,
werden Flusskräfte
reduziert, die mit der Bewegung des Ventilgliedes 42 in
Gegenwirkung treten können,
da die Druckdifferenzen, die oft mit den Ventilen assoziiert sind,
weg von den Ventilsitzen bewegt werden. Weiterhin können durch
Anordnung dieser Flussbegrenzungen in dem Ventilhubabstandshalter 54 (1–5),
in der Anschlagplatte 175 (7) oder
in der Zumessöffnungsplatte 260 (8)
die Flussbegrenzungen leichter hergestellt werden, und dies gestattet,
dass eine Drucksteuerung der Ventilöffnung und des Ventilverschlusses
in gewisser Weise unabhängig
eingestellt werden kann. Diese gleiche Strategie gestattet mehr Durchgängigkeit
in der Leistung bei diesen Ventilen, da ihre Leistung unempfindlich
für die
Strömungsquerschnitte über die
jeweiligen Sitze der Ventile gemacht wird, die wahrscheinlich von
einem Ventil zum Nächsten
unterschiedlich sein werden, und zwar zumindest teilweise auf Grund
der Tatsache, dass jede Komponente geometrische Toleranzen hat,
die sie realistisch herstellbar machen. Weil die zylindrischen Segmente,
die in den Ventilhubabstandshaltern ausgeformt sind, mit guter Wiederholbarkeit
gemacht werden können,
kann das Verhalten der jeweili gen Ventile durchgängiger bzw. besser wiederholbar
gemacht werden.
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Ein
weiteres Merkmal des Drei-Wege-Ventils 15 der vorliegenden
Erfindung, welches eine besser wiederholbare Leistung vorsehen kann,
weist die Anwendung eines Ventilhubabstandshalters als ein Passteil
bzw. Standardteil auf. Anders gesagt, damit die Wiederholbarkeit
beibehalten werden kann, sollte die Ventillaufdistanz von einem
Ventil zum Nächsten so
durchgängig
wie möglich
gemacht werden. Im Fall des vorliegenden Ventils wird dies erreicht
durch Auswahl eines Ventilhubabstandshalters für jedes einzelne Ventil mit
einer Dicke, die eine relativ gleichförmige Laufdistanz von einem
Ventil zum Nächsten zur
Folge hat. Anders gesagt, sollte jedes Ventil relativ gleichförmige Laufdistanzen
haben, jedoch wird dies erreicht durch Einsatz von Ventilhubabstandshaltern
von einer Vielzahl von Dicken in jedem der unterschiedlichen Ventile.
Im Fall der vorliegenden Erfindung ist die Ventillaufdistanz vorzugsweise
in der Größenordnung
von ungefähr
30 μm oder
zwischen 25 und 35 μm.
Auf jeden Fall kann die Strategie der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, um zuverlässig
Ventile mit durchgängigen
bzw. wiederholbaren Hüben
von weniger als ungefähr
50 μm zu
erzeugen. Dies wird erreicht durch Gruppierung von Ventilhubabstandshaltern
in einer Vielzahl von unterschiedlichen Dickengruppen. Vorzugsweise enthält jede
dieser Gruppen Ventilhubabstandshalter von einer speziellen vorbestimmten
Dicke plus oder minus ungefähr
3 μm.
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Eine
weitere Strategie, die von der vorliegenden Erfindung eingesetzt
wird, um die Ansprechzeit zu verbessern, weist die Definition der
Nadelsteuerkammer auf, die in den Ansprüchen als der "dritte Durchlass" bezeichnet wird,
und zwar zumindest teilweise mit das Volumen reduzierenden Merkmalen. Gewöhnlicherweise
wird dies erreicht, in dem man auf die Bearbeitung von den verschiedenen
Komponenten Acht gibt, die die Nadelsteuerkammer 37 bilden,
um ihr Volumen zu reduzieren. Durch Verringerung ihres Volumens
kann sie schneller auf Druckveränderungen
ansprechen. Bei der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise diese
Strategie eingesetzt, um beispielsweise den vertikalen Teil der
Nadelsteuerkammer 37 sich nur über ei nen Teil des Weges in dem
Ventilhubabstandshalter 44 erstrecken zu lassen. Somit
könnte
die Oberseite dieses Segmentes als ein das Volumen reduzierendes
Oberflächenmerkmal
angesehen werden.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass eine Leckage durch das Ventil im Allgemeinen
nicht wünschenswert
ist, insbesondere während
Brennstoffeinspritzereignissen. Eine Strömungsmittelleckage wird im
Allgemeinen verringert, wenn man ein Drei-Wege-Ventil verwendet,
wie in der vorliegenden Erfindung, und zwar anstelle eines Zwei-Wege-Ventils, welches
auf einer Leckage beruht, um seine Druckveränderungen zu erzeugen, wie
in einigen anderen bekannten Nadelsteuerstrategien. Zusätzlich versuchen
die Ausführungsbeispiele
der 7 und 8 weiter eine mögliche Leckage
durch das Drei-Wege-Ventil zu verringern, in dem sie den Niederdruck-Durchlass
weg vom Ventil bewegen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Druckdifferenzen
in dem Drei-Wege-Ventil während
eines Brennstoffeinspritzereignisses extrem hoch sein können. Dieser Druck
wirkt dahingehend, dass er die obere Sitzkomponente weg von der
unteren Sitzkomponente bewegt, und Strömungsmittel wird dazu tendieren,
in dem Bereich insbesondere auf den oberen und unteren Oberflächen des
Ventilhubabstandshalters zu wandern. Durch Anordnung des Niederdruck-Durchlasses
entfernt von diesem Bereich können
diese Ausführungsbeispiele
eine bessere Leistung mit Bezug zur Verringerung der Leckage zeigen.
Die Verringerung einer Leckage kann im Allgemeinen die Zuverlässigkeit
und Vorhersagbarkeit der Brennstoffeinspritzmenge verbessern. Da
eine Brennstoffeinspritzmenge oft durch das Steuerventil bezüglich einer
Zeitdauer definiert wird, kann irgendwelcher Brennstoff, der an
dem Ventil vorbei leckt, notwendigerweise die eingespritzte Brennstoffmenge
unter eine vorhergesagte Menge reduzieren.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen an dem
veranschaulichten Ausführungsbeispiel
vorgenommen werden könnten, ohne
vom beabsichtigten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise muss der dritte Durchlass (Nadelsteuerkammer 37)
bei einer anderen Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise
ein geschlossenes Volumen sein. Der Fachmann wird erkennen, dass
andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung aus einem Studium
der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erlangt werden können.