DE102005000639A1 - Druckmodulierte Common-Rail-Einspritzvorrichtung und Einspritzsystem - Google Patents

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Richard R. Ohs
Scott F. Morton Shafer
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Abstract

Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtungen haben typischerweise Schwierigkeiten bei der Veränderung einer Einspritzrate während eines Einspritzereignisses. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen für dieses Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystem weisen ein Einlassventil mit mehreren Positionen auf. Das Einlassventil kann an einer mittleren Position anhalten, um Brennstoff mit einer niedrigen Rate einzuspritzen. Die niedrigere Rate wird erreicht, indem ein Teil des Brennstoffes herausleckt, um abzulaufen, um den Einspritzdruck zu reduzieren. Das Einlassventil kann auch an einer vollständig offenen Position angehalten werden, um Brennstoff mit einer hohen Rate einzuspritzen. Die Brennstoffeinspritzereignisse werden beendet, und die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30, 130 werden zwischen den Einspritzereignissen gehalten, wobei das Einlassventilglied in Kontakt mit einem Versorgungssitz ist, um den Hochdruck-Versorgungsdurchlass zu schließen. Diese Strategie kann in Verbindung mit einem federvorgespannten Nadelventilglied verwendet werden, um die Fähigkeiten der Brennstoffeinspritzvorrichtung zu erweitern.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Common-Rail-Brennstoffeinspritzsysteme und insbesondere auf ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die mit einem Einlassventil mit mehreren Positionen ausgerüstet ist.
  • Hintergrund
  • Bei einer Klasse von Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystemen ist eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen strömungsmittelmäßig über getrennte Verzweigungsdurchlässe mit einer Common-Rail bzw. gemeinsamen Druckleitung verbunden, die Brennstoff enthält, wenn der auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt ist. Eine elektrische Betätigungsvorrichtung, die an jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen angebracht ist, steuert den Zeitpunkt und die Dauer von jedem Einspritzereignis. Bei einer Alternative sind diese elektrischen Betätigungsvorrichtungen betriebsmäßig mit einem Nadelsteuerventil gekoppelt, welches dahingehend wirkt, dass es den Brennstoffdruck auf eine hydraulische Verschlussfläche eines Nadelventilgliedes aufbringt oder diesen wegnimmt. Das Nadelventilglied bewegt sich, um die Düsenauslässe zu öffnen und zu schließen, um jeweils ein Brennstoffeinspritzungsereignis und ein Einspritzungsendereignis zu gestatten. Bei dieser Art von System ist Brennstoff auf Einspritzdruckniveaus immer innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtungen und um ihre jeweiligen Nadelventilglieder herum vorhanden. Jedoch findet die Einspritzung nicht statt, bis der Druck auf der hydraulischen Verschlussfläche der Nadel weggenommen wird. Abhängig von der speziellen Brennstoffeinspritzvorrichtung kann das Nadelsteuerventil auf der Hochdruck-Seite stromaufwärts von der Nadelsteuerkammer oder auf der Niederdruck-Ablaufseite positioniert sein, die weg von der Nadelsteuerkammer führt. Die hydraulische Verschlussfläche des Nadelventilgliedes ist dem Strömungsmitteldruck in einer Nadelsteuer kammer ausgesetzt. Während viele dieser Arten von Brennstoffeinspritzvorrichtungen gut gearbeitet haben und eine zusätzliche Steuerung bezüglich dem Einspritzungszeitpunkt und der Einspritzungsmenge vorgesehen haben, tendieren sie manchmal tatsächlich dazu, die Einspritzungsereignisse zu schnell zu beenden, was eine Steigerung von nicht wünschenswerten Emissionen verursacht, insbesondere Rauchemissionen. Anders gesagt, haben Ingenieure beobachtet, dass diese als komplizierter angesehenen Brennstoffeinspritzvorrichtungen manchmal und unter manchen Bedingungen mehr Rauchemissionen erzeugen als ihre einfacheren Gegenstücke, die auf einem Brennstoffdruckabfall und der Wirkung einer Vorspannfeder beruhen, um die Düsenauslässe zu schließen, um ein Einspritzungsereignis zu beenden. Zusätzlich können diese Brennstoffeinspritzvorrichtungen abhängig von der Lage des Nadelsteuerventils manchmal unter chronischen Leckageproblemen leiden, und zwar mindestens teilweise auf Grund der Tatsache, dass sie immer unter Druck gesetzt sind, auch zwischen den Einspritzereignissen.
  • Bei einer anderen Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtungsstrategie öffnet ein Einlassventil entweder einen Düsendurchlass zu einem Hochdruck-Versorgungsdurchlass, der mit der Brennstoff-Common-Rail bzw. gemeinsamen Brennstoffdruckleitung während eines Einspritzereignisses verbunden ist, oder verbindet den Düsendurchlass mit einem Niederdruck-Ablaufdurchlass zwischen den Einspritzungsereignissen. Beispielsweise zeigt eine holländischen Veröffentlichung mit dem Titel Common Rail Fuel Injection Systems For High Speed Large Diesel Engines von der Robert Bosch AG, © CIMAC Congress Copenhagen, eine solche Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtung. Sie hat ein vorsteuerbetätigtes Drei-Wege-Einlassventil, welches strömungsmittelmäßig den Düsendurchlass entweder mit dem Hochdruck-Versorgungsdurchlass oder mit einem Niederdruck-Ablaufdurchlass verbindet. Der Düsendurchlass ist strömungsmittelmäßig mit den Düsenauslässen verbunden, wenn das Nadelventilglied in seine offene Position angehoben ist. Das Nadelventilglied in dieser Einspritzvorrichtung scheint ein einfaches Rückschlagventil zu sein, und zwar dahingehend, dass das Nadelventilglied zu einer geschlossenen Position vorgespannt ist, und zwar mit einer Vorspannung auf einer Vorspannfeder, die in einer entlüfteten Kammer positioniert ist. Somit wird das Öffnen und Schließen der Düsenauslässe durch den Brennstoffdruck in den Düsendurchlass gesteuert, der gegen eine einfache Vorspannfeder wirkt. Obwohl die von dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung dargestellte Strategie vielversprechend erschienen sein mag, erscheint sie unter verschiedenen Nachteilen zu leiden, wobei der Wichtigste davon ist, dass sie auf einem vorsteuerbetriebenen Einlassventil beruht. Anders gesagt ist eine elektrische Betätigungsvorrichtung betriebsmäßig angeschlossen, um sich mit einem Vorsteuerventilglied zu bewegen. Abhängig von der Position des Vorsteuerventilgliedes ist eine Steuerfläche auf einem Hilfsventilglied entweder einem niedrigen Druck oder einem hohen Druck ausgesetzt, um dieses in eine erwünschte Position zu bewegen. Wegen den zusätzlichen beweglichen Teilen und der engen dynamischen Koppelung zwischen dem Vorsteuerventil und dem Hilfsventil scheint es eine wesentliche Wahrscheinlichkeit für Schwierigkeiten bei der Massenherstellung von Brennstoffeinspritzvorrichtungen dieser Bauart zu geben, so dass diese sich mit Bezug zueinander ähnlich verhalten würden, wie es nötig wäre, um die vollen möglichen Vorteile aus einer Brennstoffeinspritzvorrichtungskonstruktion zu gewinnen.
  • Zusätzlich wird der Fachmann erkennen, dass eine Ratenformung bei Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystemen problematisch ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme gerichtet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung einen Einspritzvorrichtungskörper auf, der einen Versorgungsdurchlass aufweist, weiter einen Ablaufdurchlass und einen Düsendurchlass, der darin angeordnet ist. Ein Einlassventil weist ein Ventilglied auf, welches eingeschlossen ist, um sich zwischen einem Ablaufventilsitz und einem Versorgungsventilsitz zu bewegen. Das Ventilglied kann an einer mittleren Position außerhalb eines Kontakts mit sowohl dem Ablaufventilsitz als auch dem Versorgungsventilsitz anhalten. Der Versorgungsdurchlass ist strömungsmittelmäßig sowohl mit den Düsendurchlass als auch mit dem Ablaufdurchlass verbunden, wenn das Ventilglied in seiner mittleren Position ist. Wenn dem Düsendurchlass ist zum Ablaufdurchlass hin offen, ist jedoch zum Versorgungsdurchlass geschlossen, wenn das Ventilglied in einer geschlossenen Position in Kontakt mit dem Versorgungsventilsitz ist. Der Düsendurchlass ist zum Versorgungsdurchlass hin offen, ist jedoch zum Ablaufdurchlass hin geschlossen, das Ventilglied in einer vollständig offenen Position in Kontakt mit dem Ablaufventilsitz ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff einen Schritt der Einspritzung von Brennstoff mit einer niedrigen Rate auf, und zwar zumindest teilweise durch Stoppen eines Einlassventilgliedes an einer mittleren Position außer Kontakt sowohl mit dem Ablaufventilsitz als auch mit einem Versorgungsventilsitz. Brennstoff wird mit einer hohen Rate zumindest teilweise dadurch eingespritzt, dass das Einlassventilglied in einer vollständig offenen Position in Kontakt mit dem Ablaufventilsitz stoppt. Die Brennstoffeinspritzung wird zumindest teilweise beendet, in dem das Einlassventilglied in einer geschlossenen Position in Kontakt mit dem Versorgungsventilsitz stoppt.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt weist ein Brennstoffeinspritzsystemen Mittel zum Stoppen eines Einlassventilgliedes in einem Einspritzvorrichtungskörper an einer mittleren Position außer Kontakt mit einem Ablaufsitz und einem Versorgungssitz auf, um Brennstoff mit einer niedrigen Rate einzuspritzen. Das System weist auch Mittel auf, um das Einlassventilglied an einer vollständig offenen Position in Kontakt mit einem Ablaufsitz zu stoppen, um Brennstoff mit einer hohen Rate einzuspritzen. Schließlich weist das Systemmittel auf, um das Einlassventilglied in einer geschlossenen Position in Kontakt mit dem Versorgungssitz zu stoppen, um die Brennstoffeinspritzung zu beenden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine geschnittene diagrammartige Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung für das System der 1;
  • 3 ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines Steuerteils der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 2;
  • 4 ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht des Steuerteils einer Brennstoffeinsnritzvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
  • 5a–5c sind Kurvendarstellungen eines Steuersignals, der Ventilposition und der Einspritzungsrate jeweils gegenüber der Zeit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
  • 6a–b sind Kurvendarstellungen der Ventilposition und der Einspritzungsrate gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 weist ein Brennstoffeinspritzsystemen 10 eine Brennstoff-Common-Rail bzw. gemeinsam Brennstoffdruckleitungen 18 auf, die über getrennte Verzweigungsdurchlässe 20 mit einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30 verbunden ist, von denen nur eine gezeigt ist. Wie viele Common-Rail-Systeme weist das System 10 eine Hochdruck-Pumpe 14 auf, die Niederdruck-Brennstoff von einem Brennstofftank 12 zieht und diesen zu der Hochdruck-Common-Rail 18 über eine Versorgungsleitung 16 liefert. Jeder der Verzweigungsdurchlässe 20 von der Common-Rail 18 ist strömungsmittelmäßig mit einem Brennstoffeinlass 22 einer einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 verbunden. Ein Brennstoffablaufauslass 24 von jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30 ist strömungsmittelmäßig mit dem Tank 12 über einen Ablaufdurchlass 26 verbun den. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Brennstoffeinspritzsystem 10 in Verbindung mit einem (nicht gezeigten) kompressionsgezündeten Motor verwendet, so dass die Düsenauslässe der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 30 so positioniert sind, dass sie Brennstoff direkt in die Zylinder des Motors einspritzen.
  • Nun zusätzlich mit Bezug auf die 2 und 3 weist jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 einen Einspritzvorrichtungskörper 31 auf, der eine Vielzahl von Düsenauslässen 32 definiert. Ein herkömmliches Nadelventilglied 44, das geschlossenen durch eine Vorspannfeder 46 vorgespannt ist, steuert das Öffnen und das Schließen der Düsenauslässe 32. Anders gesagt, wenn der Brennstoffdruck in einem Düsendurchlass 38, der auf eine hydraulische Öffnungsfläche des Nadelventilgliedes 44 wirkt, die Vorspannkraft der Feder 46 überwindet, hebt das Nadelventilglied 44 sich in eine offene Position an, um strömungsmittelmäßig den Düsendurchlass 38 mit den Düsenauslässen 32 zu verbinden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorspannfeder 46 in einem entlüfteten Hohlraum positioniert, der zum Niederdruck-Ablaufdurchlass 26 über einen Entlüftungsdurchlass 48 entlüftet ist.
  • Ein Einlassventil 34 mit mehreren Positionen ist an jedem Einspritzvorrichtungskörper 31 angebracht und wirkt als die Mittel, durch welche der Düsendurchlass 38 strömungsmittelmäßig mit dem Versorgungsdurchlass 36 und/oder dem Ablaufdurchlass 40 verbunden ist, der mit dem Ablaufdurchlass 26 strömungsmittelmäßig über eine Flussbegrenzungszumessöffnung 42 verbunden ist. Die Flussbegrenzungszumessöffnung 42 ist vorzugsweise für einen Strömungsmittelfluss im Vergleich zum Durchfluss durch das Einlassventil 34 einschränkend. 1 zeigt das Einlassventilglied 50 in einer mittleren Position, in der der Versorgungsdurchlass 36 gleichzeitig strömungsmittelmäßig mit dem Düsendurchlass 38 und dem Ablaufdurchlass 40 verbunden ist. Die Position des Einlassventilgliedes 50 wird durch eine elektrische Betätigungsvorrichtung 51 gesteuert, die von einem elektronischen Steuermodul 11 in herkömmlicher Weise über eine Kommunikationsleitung 13 mit Leistung versorgt werden kann. Das elektronische Steuermodul 11 kann auch den Brennstoffdruck in der Rail 18 steuern, wie beispielsweise über die Ausgabe einer Steuerpumpe 14 über eine Verbindungsleitung 15.
  • Insbesondere mit Bezug auf 3 weist das Einlassventil 34 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Einlassventilglied 50 auf, welches eingeschlossen ist, so dass es sich zwischen einem Versorgungssitz 41 und einem Ablaufsitz 45 bewegt. Der Düsendurchlass 38 öffnet sich in den Bereich benachbart zum Ventilglied 50, der zwischen den Sitzen 41 und 45 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Betätigungsvorrichtung 51 einen Elektromagneten mit einem Anker 52 auf, der angebracht ist, um sich mit dem Einlassventilglied 50 zu bewegen. In einer beispielhaften Befestigungsstruktur wird eine Scheibe 54 an einer Kante am Einlassventilglied 50 getragen und wirkt als eine Plattform, auf der der Anker 52 ruhen kann. Über dem Anker 52 ist ein Vorspannungsabstandshalter 55 vorgesehen und kann ein Passteil von variierender Dicke bilden, um die Vorspannung der ersten Vorspannfeder 56 einzustellen. Das andere Ende der Vorspannfeder 56 liegt an einem Anschlagsabstandshalter 58 an. Er wird über eine Kontaktfläche 62 an einer Mutter 64 am Platz gehalten, die an einem Ende des Einlassventilgliedes 50 angebracht ist, und zwar in Kontakt mit einer Oberseite des Vorspannungsabstandshalters 55. Eine zweite Vorspannfeder 61 wird zwischen dem Einspritzvorrichtungskörper und der Oberseite der Mutter 64 zusammen gedrückt. Wenn der Elektromagnet entregt bzw. ausgeschaltet ist, spannen die Federn 56 und 61 den Anker 52 und das Ventilglied 50 nach unten in Kontakt mit dem Versorgungssitz 41 vor. Wenn der Anker 52 und das Ventilglied 50 in dieser Position sind, ist der Anschlagsabstandshalter 58 außer Kontakt mit der mittleren Anschlagfläche 60 des Einspritzvorrichtungskörpers 31.
  • Wenn ein Elektromagnet erregt wird, und sowohl der Anker 52 als auch das Ventilglied 50 beginnen, sich nach oben zu bewegen, wird der Anschlagsabstandshalter 58 in Kontakt mit der mittleren Anschlagfläche 60 kommen, bevor das Ventilglied 50 in Kontakt mit dem Ablaufsitz 45 kommt. Somit wirkt während des ersten Teils der Bewegung des Ventilgliedes zwischen dem Versorgungssitz 41 und der Anschlagfläche 60 nur die Vorspannfeder 61 gegen die Elektromagnetkraft. Dies wird auch erreicht, indem die Vorspannung auf der Vorspannfeder 56 wesentlich höher eingestellt wird, als jene der Feder 61. Wenn somit der Elektromagnet in geeigneter Weise erregt wird, wird eine Gleichgewichtsposition existieren, wo der Anschlagsabstandshalter 58 in Kontakt mit der Anschlagfläche 60 ist, und wobei das Ventilglied 50 außer Kontakt mit sowohl dem Versorgungssitz 41 als auch dem Ablaufsitz 45 ist. An dieser mittleren Position ist der Versorgungsdurchlass 36 strömungsmittelmäßig sowohl mit dem Düsendurchlass 38 als auch mit dem Ablaufdurchlass 40 verbunden. Wenn der Elektromagnet weiter erregt wird, zieht die höhere Anzugskraft den Anker 52 und das Ventilglied 50 weiter nach oben, was die Vorspannfedern 56 und 61 zusammendrückt, bis das Ventilglied 50 in Kontakt mit dem Ablaufsitz 45 an seiner vollständig offenen Position kommt. Somit bilden bei diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel die verschiedenen beschriebenen Strukturen Mittel 73, um das Ventilglied an einer geschlossenen Position in Kontakt mit dem Versorgungssitz 41 zu stoppen. Zusätzlich bilden die verschiedenen Komponenten, insbesondere die Konstruktion mit zwei Federn, Teile von Mitteln 70, um das Ventilglied 50 an einer mittleren Position zu stoppen. Schließlich bilden die verschiedenen beschriebenen Komponenten einschließlich der elektrischen Betätigungsvorrichtung 51 Mittel zum Stoppen des Ventilgliedes 50 an einer vollständig offenen Position in Kontakt mit dem Ablaufsitz 45.
  • Die Zumessöffnung 42, die eine Flussbegrenzung in dem Ablaufdurchlass 40 darstellt, ist aus einer Anzahl von Gründen vorhanden. Unter diesen Gründen ist, dass man vorzugsweise eine Flussbegrenzung mit Bezug zu einem Strömungsquerschnitt über den Ablaufsitz 45 erzeugt, wenn das Ventilglied 50 in seiner mittleren Position ist. Dieser Aspekt der Erfindung hilft dabei, die Leistung der Einspritzvorrichtung bezüglich unvermeidlicher Variationen der Strömungsquerschnitte über den Ablaufsitz 45 unter einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen weniger empfindlich zu machen. Trotzdem könnte die vorliegende Erfindung in einer derartigen Weise aufgebaut sein, dass der Strömungsquerschnitt über den Ablaufsitz 45 eng durch be kannte Techniken für geometrische Toleranz gesteuert werden könnte und gestatten könnte, dass die Zumessöffnung 42 weggelassen wird. Indem man jedoch die Zumessöffnung 42 vorsieht, kann man den Strömungsquerschnitt steuern, der direkt den Hochdruck-Versorgungsdurchlass 36 mit dem Ablaufdurchlass 40 verbindet, so dass der Druck in dem Düsendurchlass 38 indirekt als eine Funktion des Rail-Druckes und des Durchmessers der Zumessöffnung ausgewählt werden kann, wenn das Ventilglied 50 in seiner mittleren Position ist, um Brennstoff mit niedrigem Druck einzuspritzen. Wenn das Ventilglied 50 in seiner vollständig offenen Position in Kontakt mit dem Ablaufsitz 45 ist, ist die Zumessöffnung 42 im Wesentlichen aus dem Spiel, und der Hochdruck-Versorgungsdurchlass 36 ist strömungsmittelmäßig nur mit dem Düsendurchlass 38 verbunden, um Brennstoff mit hohem Druck einzuspritzen.
  • Mit Bezug auf 4 weist ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 130 mit einem Einspritzvorrichtungskörper 131 und einem Einlassventil 134 auf, welches ähnlich dem Einlassventil 34 ist, welches früher besprochen wurde, außer dass die Lage des Hochdruck-Versorgungsdurchlasses 136 und des Niederdruck-Ablaufdurchlasses 140 umgekehrt worden ist. Wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel öffnet der Düsendurchlass 138 sich strömungsmittelmäßig benachbart zum Ventilglied zwischen dem Ablaufsitz und dem Versorgungssitz. Ebenfalls wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel ist eine Flussbegrenzungszumessöffnung 142 vorzugsweise passend in dem Ablaufdurchlass 140 positioniert. Dieses Ausführungsbeispiel weicht von dem früheren Ausführungsbeispiel dahingehend ab, dass die elektrische Betätigungsvorrichtung 151 als eine Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung veranschaulicht ist, deren Positionen gesteuert werden kann, um zu gestatten, dass das Ventilglied an einer Vielzahl von mittleren Positionen außer Kontakt mit sowohl dem Ablaufsitz als auch dem Versorgungssitz anhält. Der Fachmann wird erkennen, dass abhängig von der an der Piezo-Vorrichtung angelegten Spannung, diese sich proportional zu dieser Spannung verbiegen bzw. auslenken wird. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel mit einer Piezo- Biegebetätigungsvorrichtung veranschaulicht worden ist, könnten andere Piezo-Betätigungsvorrichtungen eingesetzt werden, wie beispielsweise ein Stapel. Somit könnte mit Rückkoppelungsmitteln, wie beispielsweise durch das vorsehen eines Positionssensors oder durch Detektion von Veränderungen der Motorumdrehungen pro Minute die Betätigung der Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung 151 eingestellt werden, so dass eng die Positionierung des Ventilgliedes zwischen dem Ablaufsitz und dem Versorgungssitz steuert. Die Version der vorliegenden Erfindung mit Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung kann einen besseren Kandidaten zur Eliminierung der Einschränkungszumessöffnung 142 vorsehen und möglicherweise die Möglichkeit vorsehen, die Einspritzvorrichtung einzustellen, um Brennstoff mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Drücken im mittleren Bereich einzuspritzen, und zwar durch entsprechende Positionierung des Ventilgliedes, um den Fluss zum Ablaufdurchlass 40 einzuschränken, wenn das Ventilglied in einer seiner mittleren Positionen ist. Die Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung 151 des Ausführungsbeispiels der 4 bewegt das Ventilglied über ein bewegbares Glied 152. In der veranschaulichten Struktur wäre das Ventilglied in Kontakt mit dem bewegbaren Glied 152 mit einer geeigneten Vorspannungseinrichtung vorgespannt, wie beispielsweise mit einer (nicht gezeigten) Feder. Bei einer Alternative könnte das Ventilglied an dem bewegbaren Glied 152 angebracht werden, und das Ventil könnte nach oben vorgespannt sein, um den Hochdruck-Versorgungsdurchlass 136 über die Vorspannung in der Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung zu schließen. Somit könnten bei der Alternative der 4 die Vorspannfedern des Ausführungsbeispiels der 3 möglicherweise weggelassen werden, wobei man sich auf eine ausgewählte Vorspannung der Betätigungsvorrichtung und der Anbringung an dem Ventilglied verlässt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Mit Bezug auf die 5a–c ist ein beispielhaftes Einspritzereignis gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Zwischen den Einspritzereignis sen ist die elektrische Betätigungsvorrichtung vorzugsweise entregt bzw. ausgeschaltet, und der Hochdruck-Versorgungsdurchlass 36, 136 ist geschlossen, so dass der Brennstoffdruck im Düsendurchlass 38 niedrig bleibt. 5a zeigt zu einem Zeitpunkt Null die Einleitung eines Einspritzereignisses in dem man zunächst einen Einzugsstrom 80 an die elektrische Betätigungsvorrichtung 51 anlegt. Bevor die Kraft von dem Elektromagneten verwirklicht bzw. aufgebracht wird ist das Einlassventilglied 50 in seiner geschlossenen Position 90, die den Hochdruck-Versorgungsdurchlass 36 schließt, siehe 5b. Nach einer kurzen Verzögerung beginnt das Einlassventilglied 50, sich zu bewegen, und ungefähr zu diesem Zeitpunkt fällt der Strompegel für den Elektromagneten auf einen Haltestrompegel 81 ab. Dies hat zur Folge, dass das Ventilglied in einer mittleren Position 91 anhält, wobei der Anschlagsabstandshalter 58 in Kontakt mit der Anschlagfläche 60 ist, so dass das Ventilglied 50 in der mittleren Position 91 außer Kontakt mit sowohl dem Ablaufsitz 45 als auch dem Versorgungssitz 41 stoppt. Durch entsprechende Bemessung der Zumessöffnung 42 existiert ausreichender Druck in dem Düsendurchlass 38, um die Vorspannfeder 46 zu überwinden, so dass das Nadelventilglied 44 sich in eine offene Position anhebt, um die Einspritzung von Brennstoff mit einer niedrigen Einspritzungsrate 97 zu beginnen, wie in 5c gezeigt. Nach einer weiteren Verzögerung wird der Strompegel zur Betätigungsvorrichtung wiederum auf einen Einzugsstrompegel 82 angehoben, was bewirkt, dass das Ventilglied 50 sich weiter nach oben zu seiner vollständig offenen Position 92 in Kontakt mit dem Ablaufsitz 45 anhebt. Nach einer gewissen kurzen Verzögerung wird der Strom auf einen Haltepegel 83 abgesenkt. Wenn dies auftritt, beginnt der Brennstoff die Einspritzung mit einer hohen Einspritzungsrate 98. Nach einer gewissen Dauer, wenn es Zeit ist, das Einspritzungsereignis zu beenden, wird der Strom zur elektrischen Betätigungsvorrichtung beendet 84. Wenn dies auftritt, bewegt sich das Ventilglied 50 nach einer kurzen Verzögerung von seiner vollständig offenen Position zurück zu seiner geschlossenen Position 93, um das Einspritzungsereignis zu beenden. Wenn das Ventilglied 50 sich bewegt, um den Versorgungsdurchlass 36 zu schließen, beginnt der Brennstoffdruck in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, abzufallen, bis der Ventil verschlussdruck erreicht ist und das Nadelventilglied 44 sich nach unten bewegt, um die Düsenauslässe 32 unter der Wirkung der Vorspannfeder 46 zu schließen.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet die Einspritzung von Brennstoff mit einer relativ niedrigen Rate durch Anhalten des Ventilgliedes an einer mittleren Position und gestattet die Einspritzung von Brennstoff mit einer hohen Rate durch Anhalten des Ventilgliedes an einer vollständig offenen Position. Der Fachmann wird erkennen, dass die zwei Einspritzraten in einem einzigen Einspritzereignis oder in getrennten Einspritzereignissen erreicht werden können. Beispielsweise könnte die Brennstoffeinspritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine kleine Vorsteuereinspritzung mit einer niedrigen Einspritzrate einspritzen und diesem eine Haupteinspritzung mit einer hohen Rate folgen lassen und dann dem Haupteinspritzereignis ein Nacheinspritzereignis mit einer niedrigen oder hohen Rate folgen lassen. Der Fachmann wird erkennen, dass das Ausführungsbeispiel der 4, welches eine Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung aufweist, möglicherweise wesentlich mehr Fähigkeiten haben könnte, als die Version der vorliegenden Erfindung mit Elektromagneten. Insbesondere könnte die Version der Erfindung mit Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung offensichtlich gestatten, dass eine Einspritzrate direkt proportional zur Spannung ist, die an die Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung angelegt wird. Anders gesagt, durch Variieren der Spannung für die Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung könnte der Strömungsquerschnitt zum Ablauf variiert werden, um wiederum den Druck in dem Düsendurchlass zu variieren, um Brennstoff über eine kontinuierliche Ausdehnung von unterschiedlichen Drücken einzuspritzen, die zwischen dem Ventilöffnungsdruck des Nadelventilgliedes und dem Rail-Druck liegen würden, wenn das Ventilglied in seiner vollständig offenen Position ist.
  • Mit Bezug auf die 6a und 6b werden verschiedene beispielhafte Ablaufzumessöffnungsgrößen verglichen, um den Effekt der Ablaufzumessöffnungsgröße auf die Fähigkeit und den Druck zu zeigen, mit dem ein Einspritzereignis mit niedrigerem Druck stattfindet. 6a zeigt, dass der An fangsteil des Ventilgliedes an seiner mittleren Position 91 angehalten wird, und später in seine vollständig offene Position 92 für den Rest des Einspritzereignisses bewegt wird. Die Kurve 85 zeigt das Ergebnis, wenn die Einspritzvorrichtung überhaupt keinen Ablauf hat. In diesem Beispiel ist die anfängliche Einspritzrate wenn das Ventilglied in seiner mittleren Position ist, ungefähr die Gleiche wie die Einspritzrate, wenn das Ventil in seiner vollständig offenen Position ist, weil es keinen Druckverlust zum Ablauf gibt. Dieses Fehlen eines Ablaufes zeigt sich auch am Ende der Einspritzung durch ein relativ langsames Ende des Einspritzereignisses, bewirkt durch die relativ langsamere Abnahme des Brennstoffdruckes, der nur durch die Düsenauslässe abnehmen kann. Die Kurve 86 zeigt ein Beispiel, wenn die Ablaufzumessöffnung einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm hat, so dass die niedrige Einspritzrate etwas größer ist als die Hälfte der maximalen Einspritzrate. Die Zumessöffnung mit dem relativ kleinen Durchmesser von 0,5 mm zeigt sich auch am Ende der Einspritzung dadurch, dass sie ein weniger abruptes Ende für die Einspritzung zur Folge hat, und zwar aufgrund der zusätzlichen Zeit, die nötig ist, damit der Druck sowohl durch die Zumessöffnung als auch nach außen aus den Einspritzvorrichtungsauslässen zum Ende des Einspritzereignisses abnimmt. Bei noch einem weiteren Beispiel zeigt die Kurve 87 die gleiche Einspritzratenspur bzw. Einspritzratenform, wenn die Ablaufzumessöffnung auf 1,0 mm eingestellt ist, so dass die Einspritzung bei einer niedrigen Rate ungefähr 10 bis 20 Prozent von der Einspritzrate ist, wenn das Ventilglied in seiner vollständig offenen Position ist. Dieser Alternative hat ein relativ abruptes Ende für die Einspritzung zur Folge. Die Kurve 88 zeigt, wenn die Ablaufzumessöffnung relativ groß ist, oder in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ungefähr 1,5 mm. Dies zeigt implizit, dass bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine Ablaufzumessöffnung mit einem Durchmesser von 1,5 mm ausreichend groß ist, so dass der Druck in dem Düsendurchlass 38 nicht den Ventilöffnungsdruck erreicht, wenn das Ventilglied in seiner mittleren Position ist, so dass keine Einspritzung an der mittleren Position stattfindet und die Einspritzvorrichtung nur Brennstoff zum Tank über den Ablaufdurchlass zurück lecken lässt, bis das Ventilglied in seiner vollständig offenen Position angehoben ist, wo das Einspritzereignis ziemlich genauso aussieht wie jenes von den anderen Beispielen.
  • Abhängig von der ausgewählten Alternative kann die vorliegende Erfindung wesentliche Vorteile gegenüber den Brennstoffeinspritzsystemen des Standes der Technik bieten. Erstens, weil die Steuerung durch ein Einlassventil gewonnen wird, können chronische Leckageprobleme, die mit Brennstoffeinspritzvorrichtungen des Standes der Technik assoziiert sind, reduziert werden und möglicherweise eliminiert werden. Zusätzlich können dadurch, dass man das Einlassventilglied direkt durch eine elektrischen Betätigungsvorrichtungen bewegt, die Komplikationen und Ungewissheiten vermieden werden, die mit einem Pilot- bzw. Vorsteuerbetrieb assoziiert sind. Schließlich kann durch Verwendung einer Ablauf Zumessöffnung mit einer Flussbegrenzung relativ zur Strömung durch das Ventil die Leistung der Brennstoffeinspritzvorrichtung unempfindlich für unvermeidliche kleine Variationen der Strömungsquerschnitte durch das Ventil gemacht werden, und zwar aufgrund von solchen Dingen, wie gewöhnliche geometrische Toleranzen, die bei der Herstellung des Ventils auftreten bzw. eingesetzt werden. Der Fachmann wird erkennen, dass durch sorgfältige Steuerung des Signals zu der elektrischen Betätigungsvorrichtung die Brennstoffeinspritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit zeigen kann, Frontendratenformen zu erzeugen, die ein quadratisches bzw. rechteckiges Frontende, ein rampenförmiges Frontende, ein stiefelförmiges bzw. schuhförmiges Frontende und Andere aufweisen kann. Weil die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine herkömmliche federvorgespannte Nadel einsetzt und auf Druckabfall beruht, um die Düsenauslässe am Ende eines Einspritzereignisses zu schließen, können Russemissionsniveaus in vorhersagbarer Weise reduziert werden, und zwar gegenüber entsprechenden Common-Rail-Einspritzvorrichtungen, die auf direkt gesteuerten Nadeln beruhen, um Einspritzereignisse in diskussionswürdiger Weise zu schnell zu beenden, wenn der Druck immer noch hoch ist. Diese Brennstoffeinspritzvorrichtung hat auch einen Vorteil gegenüber am Ablauf montierten direkt gesteuerten Common-Rail-Einspritzvorrichtungen dahingehend, dass eine Leckage zum Tank in beabsichtigter Weise nur auftritt, wenn man mit niedriger Rate einspritzt, was wahrscheinlich nur für sehr kurze Zeitdauern im gesamt Schema der Dinge auftritt. Die Version der vorliegenden Erfindung mit Piezo-Biegebetätigungsvorrichtung kann möglicherweise noch mehr Leistungsvorteile dahingehend bieten, dass mit einer geeigneten Rückkoppelungsstrategie einer in der Technik bekannten Art die Einspritzvorrichtung eingestellt werden könnte, um Brennstoff mit einer Vielzahl und möglicherweise mit kontinuierlichen unterschiedlichen Raten einzuspritzen, und zwar abhängig von der Größe der elektrischen Energie, die an die Betätigungsvorrichtung zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt geliefert wird.
  • Es sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden können.

Claims (10)

  1. Brennstoffeinspritzvorrichtung (30, 130), die Folgendes aufweist: einen Einspritzvorrichtungskörper (31, 131), der einen Versorgungsdurchlass (36, 136 ), einen Ablaufdurchlass (40, 140) und einen Düsendurchlass (38, 138) definiert; ein Einlassventil (34, 134), welches ein Ventilglied (50) aufweist, welches eingeschlossen ist, um sich zwischen einem Ablaufventilsitz (45) und einen Versorgungsventilsitz (41) zu bewegen; wobei das Ventilglied (50) an einer mittleren Position (91) außer Kontakt mit den Ablauf- und Versorgungsventilsitzen (45, 41) anzuhalten ist; wobei der Versorgungsdurchlass (36, 136) strömungsmittelmäßig sowohl mit dem Düsendurchlass (38, 138) als auch mit dem Ablaufdurchlass (40, 140) verbunden ist, wenn das Ventilglied in der mittleren Position (91) ist; wobei der Düsendurchlass (38, 138) zum Ablaufdurchlass (40, 140) offen ist, jedoch zum Versorgungsdurchlass (36, 136) geschlossen ist, wenn das Ventilglied (50) in einer geschlossenen Position (90, 93) in Kontakt mit dem Versorgungsventilsitz (41) ist; und wobei der Düsendurchlass (38, 138) zum Versorgungsdurchlass (36, 136) offen ist, jedoch zum Ablaufdurchlass (40, 140) geschlossen ist, wenn das Ventilglied (50) in einer vollständig offenen Position (92) in Kontakt mit dem Ablauf Ventilsitz (45) ist.
  2. Brennstoffeinspritzvorrichtung (30, 130) nach Anspruch 1, wobei der Ablaufdurchlass (38, 138) eine Zumessöffnung (42, 142) mit einem Strömungsquerschnitt aufweist, der relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den Ablaufventilsitz (45) einschränkend ist, wenn das Ventilglied (44) in der mittleren Position (91) ist.
  3. Brennstoffeinspritzvorrichtung (30, 130) nach Anspruch 1, wobei der Einspritzvorrichtungskörper (31, 131) eine Vielzahl von Düsenauslässen (32) mit einem kombinierten Strömungsquerschnitt aufweist, der relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den Ablaufventilsitze (45) einschränkend ist, wenn das Ventilglied (44) in der mittleren Position (91) ist.
  4. Brennstoffeinspritzvorrichtung (30, 130) nach Anspruch 1, die eine erste Feder (56) aufweist, die betriebsmäßig angekoppelt ist, um das Ventilglied (50) zu der geschlossenen Position (90, 93) hin vorzuspannen; eine zweite Feder (61), die betriebsmäßig angekoppelt ist, um das Ventilglied (50) zu der geschlossenen Position (90, 93) hin vorzuspannen, und zwar nur wenn das Ventilglied (50) zwischen der mittleren Position (91) und der vollständig offenen Position (92) ist, und welche nicht im Betrieb zur Vorspannung des Ventilgliedes (50) ist, wenn das Ventilglied (50) zwischen der geschlossenen Position (90, 93) und der mittleren Position (91) ist.
  5. Brennstoffeinspritzvorrichtung (30, 130) nach Anspruch 4, wobei der Ablaufdurchlass (40, 140) eine Zumessöffnung (42, 142) aufweist, und zwar mit einem Strömungsquerschnitt, der relativ zu einem Strömungsquerschnitt über den Ablaufventilsitz (45) einschränkend ist, wenn das Ventilglied (50) in der mittleren Position (91) ist; eine elektrische Betätigungsvorrichtung (51, 151), die eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtungen oder eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung (151) aufweist, die an dem Einspritzvorrichtungskörper (31, 131) angebracht ist und einen bewegbaren Teil (52, 152) aufweist; und wobei das Ventilglied (50) betriebsmäßig angekoppelt ist, um sich mit dem bewegbaren Teil (52, 152) zu bewegen.
  6. Brennstoffeinspritzsystem (10), welches Folgendes aufweist: eine Brennstoff-Common-Rail (gemeinsame Druckleitung) (18); und eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen (30, 130) nach Anspruch 1, die strömungsmittelmäßig mit der Brennstoff-Common-Rail (18) verbunden sind.
  7. Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff, welches folgende Schritte aufweist: Einspritzung von Brennstoff mit einer niedrigen Rate zumindest teilweise durch Anhalten eines Einlassventilgliedes (50) an einer mittleren Position (91) außer Kontakt mit einem Ablaufventilsitz (45) und einem Versorgungsventilsitz (41); Einspritzung von Brennstoff mit einer hohen Rate zumindest teilweise durch Anhalten des Einlassventilgliedes (50) an einer vollständig offenen Position (92) in Kontakt mit dem Ablaufventilsitz (45); und Beenden der Brennstoffeinspritzung zumindest teilweise durch Anhalten des Einlassventilgliedes (50) an einer geschlossenen Position (90, 93) in Kontakt mit dem Versorgungventilsitz (41).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Einspritzung von Brennstoff mit einer niedrigen Rate (97) einen Schritt aufweist, strömungsmittelmäßig einen Versorgungsdurchlass (36, 136) sowohl mit einem Ablauf (40, 140) als auch mit einem Düsendurchlass (38, 138) zu verbinden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Einspritzung von Brennstoff mit einer niedrigen Rate (97) die Einschränkung des Brennstoffflusses in einem Ablaufdurchlass (40, 140) stromabwärts von einem Ablaufsitz (45) aufweist.
  10. Brennstoffeinspritzsystem (10), welches Folgendes aufweist: Mittel zum Anhalten eines Einlassventilgliedes (50) in einem Einspritzvorrichtungskörper (31, 131) an einer mittleren Position (91) außer Kontakt mit einem Ablaufsitz (45) und einem Versorgungssitz (41), um Brennstoff mit einer niedrigen Rate (97) einzuspritzen; Mittel zum Anhalten des Einlassventilgliedes (50) an einer vollständig offenen Position (92) in Kontakt mit dem Ablaufsitz (45), um Brennstoff mit einer hohen Rate (98) einzuspritzen; Mittel zum Anhalten des Einlassventilgliedes (50) an einer geschlossenen Position (90, 93) in Kontakt mit einem Versorgungssitz (41), um die Brennstoffeinspritzung zu beenden (89).
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