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Hintergrund
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Das
Direkteinspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs
in die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ist aus verschiedenen
Gründen wünschenswert.
Beispielsweise gestattet das Direkteinspritzen eine Ladungsschichtung,
wobei Drosselverluste beseitigt werden, die mit Homogengemischmotoren
im Zusammenhang stehen. Das Direkteinspritzen zu einem späten Zeitpunkt
im Kompressionstakt gestattet, dass ein hohes Kompressionsverhältnis aufrechterhalten
wird, wodurch der Wirkungsgrad aufrechterhalten wird. Ferner sind,
wenn der direkt eingespritzte Kraftstoff Erdgas, Propan oder Wasserstoff
aufweist, die Emissionen von NOx und Teilchenmaterial (PM) deutlich
verringert. Der direkt eingespritzte gasförmige Kraftstoff kann mit einer Glühkerze,
einer Zündkerze
oder mit einem Dieselzündkraftstoff
entzündet
werden.
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Das
Direkteinspritzen mit hohen Drücken bringt
zahlreiche Herausforderungen mit sich. Die Verwendung von Hochdruckkraftstoffen
für die
Direkteinspritzung ergibt, dass hohe Kraftstoffdrücke in dem
Einspritzventil oder der Einspritzeinrichtung vorliegen. Im Ergebnis
muss das Einspritzventil typischerweise stark aufsitzen, um eine
Leckage von Kraftstoff in die Verbrennungskammer zwischen den Einspritzereignissen
zu verhindern. Das Ventil „sitzt auf", wenn das Ventil
geschlossen ist, beispielsweise in einem Nadelventil, wenn die Dichtflächen der
Ventilnadel und das Ventilsitzes in fluiddichtem Kontakt miteinander
sind. Darüber
hinaus sind im Vergleich zu Niederdrucksystemen höhere Kräfte zum Öffnen des
Einspritzventils nötig.
Beispielsweise kann bei einem Nadelventil, bei dem eine nach innen öffnende Ventilnadel
verwendet wird, dieses, wenn die Nadel in der offenen Position ist,
hohen Kräften
von dem unter Druck gesetztem Kraftstoff ausgesetzt sein. Außerdem gibt
es nur ein kleines Zeitfenster, während dem der Kraftstoff eingespritzt
werden kann. Beispielsweise wird bei 4500 Umdrehung je Minute (U/min)
bei Volllast der gesamte Kraftstoff vorzugsweise in weniger als
2-3 Millisekunden eingespritzt.
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Nahezu
alle Kraftstoffdirekteinspritzsystem bei Verbrennungsmotoren nach
dem Stand der Technik waren hydraulisch betätigt. Diese Systeme beruhen
darauf, dass ein Hydraulikfluid die zum Öffnen eines Einspritzventils
(oder von Einspritzventilen, wenn der Motor eine Vielzahl von Verbrennungskammer aufweist)
nötige
Kraft liefert. Daher beruhen bei typischen Motorbetriebsdrehzahlen
hydraulisch betätigte Einspritzeinrichtungen
auf schnellen Änderungen beim
Hydraulikfluiddruck zum Öffnen
und Schließen des
Einspritzventils (der Einspritzventile). Ein Einspritzventil wird
typischerweise geöffnet,
indem der Hydraulikfluiddruck erhöht wird, und geschlossen, indem
der Hydraulikfluiddruck verringert wird, so dass die auf das Einspritzventil
aufgebrachte öffnungskraft verringert
ist, wodurch ein Schließen
des Ventils bewirkt wird. Jedoch hat im Zusammenhang mit herkömmlichen
Gas-Einspritzeinrichtungen der hydraulische Betrieb zahlreiche Nachteile,
zu denen gehören:
- – die
Notwendigkeit von zusätzlicher
Hydraulik-Hardware, wie z.B. Hydraulikpumpen, Ventilen und eines
Speichers für
das Hydraulikfluid,
- – die
Notwendigkeit, dass eine Dichtung zwischen dem Hydraulikfluid mit
variablem Druck und dem gasförmigen
Kraftstoff mit Hochdruck hergestellt werden soll,
- – die
erhöhte
Raumbeanspruchung der Einspritzventilbaugruppe aufgrund der zusätzlichen
Hardwareanforderungen und
- – das
verzögerte
Ansprechen des System aufgrund der Zeitverzögerung des Hydraulikfluids zwischen
der elektrischen Ventilhardware und der Nadel, die die Gasströmung von
der Einspritzeinrichtung steuert.
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Darüber hinaus
ist der Grad der Steuerbarkeit der Bewegung des Einspritzventils
gering, wenn die treibende Kraft durch ein unter Druck gesetztes Fluid
statt durch eine direkt steuerbare Quelle vorgesehen wird. In dieser
Hinsicht ist es schwierig, mit gewissen begrenzten Fähigkeiten
bei der Verwendung einer Doppelfederkonfiguration eine Hubkontrolle vorzunehmen.
Daher ist es wünschenswert,
die Verwendung der Hydraulik zum Betätigen der Gaseinspritzeinrichtungen
zu verhindern, insbesondere für Motoren
mit hoher Drehzahl. „Hub" im Zusammenhang
mit Ventilnadeln ist hier als die Verschiebung der Ventilnadel weg
von ihrer geschlossenen Position/Sitzposition in ihre offene Position
definiert.
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Es
ist ebenfalls bekannt, eine piezoelektrische oder magnetostriktive
Betätigung
(Vorrichtungen, die ihre Abmessungen unter der Wirkung eines elektrischen
oder magnetischen Feldes ändern
können)
zum direkten Betätigen
von Einspritzventilen zu verwenden. Beispielsweise beschreibt das
US-Patent Nr. 5.031.841 (das '841-Patent) eine
Dosiereinrichtung, die ein Betätigungselement
verwendet, das entsprechend dem Patent ein piezoelektrischer Stapel
oder eine magnetostriktive Betätigungseinrichtung
sein kann. Ein im '841-Patent
offenbartes Merkmal ist das Hinzufügen einer Membran mit dem doppelten
Zweck des Wirkens als eine Feder, die das Ventil in seine geschlossene
Position vorspannt, und des Vorsehen einer Dichtung zwischen dem
dosierten Fluid und der Betätigungseinrichtung.
Das '841. Patent
offenbart eine Einstellschraube zum mechanischen Einstellen der
Position der Betätigungseinrichtung
im Gehäuse.
Entsprechend dem '841-Patent
ist die Ventilnadel durch einen Druckstift mit der Betätigungseinrichtung
starr verbunden.
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Piezoelektrische
oder magnetostriktive Betätigungseinrichtungen
wurden ebenfalls in Einspritzventilen verwendet, um ein internes
Hydrauliksteuerventil zu betätigen.
Beispielsweise beschreibt das
US-Patent
Nr. 5.819.710 (das '710-Patent)
ein Einspritzventil, in dem ein Servoventil verwendet wird. Das
Servoventil wird durch eine Betätigungselement betätigt, das
ein piezoelektrischer Stapel oder ein magnetostriktives Material
sein kann. Das Betätigungselement
kann gesteuert werden, um das Servoventil behutsam zu schließen, damit
der Verschleiß verringert
wird und die Lebensdauer verbessert wird. Entsprechend dem '710-Patent kann das
Servoventil-Betätigungselement
mit einem Einführbolzen
oder Gewindebolzen gepaart verwendet werden, um Unterschiede bei
der thermische Ausdehnung zwischen der Betätigungseinrichtung und dem
Einspritzeinrichtungsgehäuse
auszugleichen (siehe Spalte 4, Zeilen 25-48).
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Das
US-Patent Nr. 8.845.852 (das '852-patent) beschreibt
eine weitere Einspritzeinrichtung, bei der eine Piezoelektrische
Betätigungseinrichtung verwendet
wird, um ein internes Dreiwege-Hydrauliksteuerventil zu betätigen, damit
das Haupteinspritz-Rückschlagventil
geöffnet
und geschlossen wird. Das '852-Patent
beschreibt eine Piezoelektrische Betätigungseinrichtung, die mittels
einer selbstblockierende Vorlast-Baugruppe
wirkt. Diese selbstblockierende Vorlastbaugruppe hat drei Funktionen: (i)
des Ausgleichens der Abmessungsänderungen und/oder
Fehlerhaftigkeit bei den Abmessungen, (ii) des Kompensierens der
nach oben gerichteten Kraft aufgrund des Kraftstoffdrucks, und (iii)
des Vorbelastens des piezoelektrischen Stapels für eine bessere Leistung.
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In ähnlicher
Weise beschreibt das
US-Patent Nr.
5.779.149 eine Einspritzeinrichtung, bei der eine Piezoelektrische
Betätigungseinrichtung
verwendet wird, die auf ein Hydraulik-Steuerventil mittels eines Hydraulikverstärkers wirkt,
der zum Verstärken
der Bewegung der Betätigungseinrichtung
dient. Das Hydrauliksteuerventil gestattet, dass sich das Haupteinspritzventil öffnet und
schließt,
um die Menge an eingespritztem Kraftstoff zu dosieren.
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Ein
Problem bei der Verwendung einer Piezoelektrische oder magnetostriktiven
Betätigungseinrichtung
zum Betreiben eines Steuerventils, das wiederum die Strömung von
Hydraulikfluid zum Betätigen
eines Einspritzventils steuert, besteht darin, dass diese Anordnung
die Zwischenwirkung eines Hydraulikfluids erfordert. Jegliche Verzöge rungen,
die durch die Verschiebung des Hydraulikfluids verursacht werden,
bewirken Verzögerungen
bei der Betätigung
der Einspritzeinrichtung. Dementsprechend besteht die Notwendigkeit,
dass eine Einspritzeinrichtung durch eine Betätigungseinrichtung ohne eine
zwischenwirkende, aktive hydraulische Betätigungseinrichtung, die Betätigungskräfte erzeugt,
direkt betätigt
wird. Ein weitere Nachteil der aktiven, hydraulisch betätigten Systeme
besteht darin, dass ein Hydraulikfluid einem Hydraulikzylinder zugeführt werden
muss und von diesem abgeführt
werden muss. Wenn Dieselkraftstoff der durch den Motor verwendete
Hauptkraftstoff ist, kann der Dieselkraftstoff als das Hydraulikfluid
verwendet werden. Wenn jedoch ein gasförmiger Kraftstoff der Hauptkraftstoff des
Motors ist, wäre
ein getrenntes Hydraulikfluidsystem notwendig, um die Einspritzeinrichtungen
zu betreiben, die auf der hydraulischen Betätigung beruhen.
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Die
US-Patente Nr. 5.697.554 und
4.813.601 beschreiben beide
Ventile, bei denen eine andere Form von „aktivem" hydraulischen Systemverwendet wird,
das auf der dynamischen Verschiebung und Strömung eines Hydraulikfluids
beruht. Diese Patente offenbaren beide Ventile, die einen hydraulischen Verstärker für die Verschiebung
verwenden, der die Bewegung der Betätigungseinrichtung verstärkt. Allgemein
gesagt wird bei diesen Systemen eine Hydraulikverstärkerkammer
verwendet, die mit einem im Wesentlichen inkompressiblen Hydraulikfluid
gefüllt
ist. Dieser Verstärkerkammer
zugeordnet ist ein erstes bewegliches Element, das einer piezoelektrischen
Betätigungseinrichtung
zugeordnet ist, und ein zweites bewegliches Element, das der Ventilnadel zugeordnet
ist. Die Aktivierung der Betätigungseinrichtung
bewirkt eine entsprechende Bewegung des ersten Elements, das Hydraulikfluid
in der Verstärkerkammer
verschiebt. Das erste Element ist in der Größe so gestaltet, dass dieses
mehr Flüssigkeit
je zurückgelegter
Einheit als das zweite Element verschiebt, so dass die Bewegungen
des ersten Elements verstärkte
Bewegungen des zweiten Elementes ergeben, die durch die Verschiebung
und die Strömung
von Hydraulikfluid in der Verstärkerkammer
verursacht sind. Das zweite Element ist typischerweise mit einer
Ventilnadel verbunden.
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Das
US-Patent Nr. 4.726.389 (das '389-Patent) beschreibt
ein Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils, bei dem eine piezoelektrische
Betätigungseinrichtung,
die durch ein Impulssignal aktiviert wird, verwendet wird. Das offenbarte
Verfahren weist die Schritte des zeitweiligen Abschneidens der Zuführung des
Impulssignals zur Betätigungseinrichtung
zum Unterdrücken
der Trägheit
des Einspritzventils und zum dadurch erfolgenden Stabilisieren der Öffnungskennlinie
des Ventils unmittelbar vor dem vollständigen Öffnen auf. Beim Schließen des Ventils
weist das Verfahren ferner das zeitweilige Zuführen des Impulssignals nach
dem Abschneideschritt des Impuls signals zum Unterdrücken der Trägheit des
Einspritzventils und zum Stabilisieren der Schließkennlinie
des Ventils unmittelbar vor dem vollständigen Schließen auf.
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Die
DE 29 31 847 A offenbar
ein Kraftstoffeinspritzventil für
einen flüssigen
Kraftstoff, bei dem der flüssige
Kraftstoff als ein Dämpfungsfluid
zusammen mit der Masse eines Kolbens, der mit der Ventilnadel verbunden
ist, verwendet wird. Eine Dämpfungskammer
ist mit dem Kraftstoffzuflusskanal verbunden und flüssiger Kraftstoff
kann die Dämpfungskammer
füllen,
so dass der flüssige
Kraftstoff und die Masse des Kolbens zusammenwirken können, um einen
Endabschnitt der Ventilnadel zu verankern. Das heißt, dass
während
der kurzen Zeitdauer, in der das Ventil offen ist, der Kolben stationär ist. Die Dämpfungskammer
ist nicht abgedichtet und der flüssige
Kraftstoff kann frei in die Dämpfungskammer und
aus dieser heraus strömen.
Eine Feder spannt den Kolben in Berührung mit der Ventilnadelbaugruppe
vor und der Kolben ist beweglich, um den Einfluss der Schwankungen
bei der Temperatur, beim Abrieb und den Herstellungstoleranzen auf
den Ventilhub in elektromechanischen Ventilen zu verringern. Die
DE 29 31 847 A offenbart
kein Übertragungselement, das
sich zwischen einer Betätigungseinrichtung
und einer Ventilnadel befindet, über
das Öffnungs- und Schließkräfte von
der Betätigungseinrichtung
auf die Ventilnadel übertragen
werden können.
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Zusammenfassung
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Ein
Einspritzventil nach Anspruch 1 spritzt Kraftstoff in eine Verbrennungskammer
eines Verbrennungsmotors ein.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Dickflüssigkeit
der Hydraulikverbindung im Ansprechen auf Änderungen bei der Dimensionsbeziehung,
die durch differentielle thermische Ausdehnung und/oder Abrieb der
Komponenten des Einspritzventils verursacht werden, automatisch
einstellbar. Die Hydraulikverbindungsbaugruppe weist vorzugsweise
einen abgedichteten Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem
im Hydraulikzylinder angeordneten Hydraulikfluid auf. Der Kolben
kann ein integraler Bestandteil der Ventilnadel sein.
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Die
Betätigungsanordnung
weist vorzugsweise ein magnetostriktives Element oder einen piezoelektrischen
Stapel auf. Wenn die Betätigungsanordnung
ein magnetostriktives Element aufweist, befindet sich eine elektrische
Spule um das magnetostriktive Element und ein Flussrohr befindet
sich um die elektrische Spule herum. In einer bevorzugten Anordnung
kann sich die Betätigungsanordnung
in der Innenkam mer des Einspritzventils befinden. In einem besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Betätigungsanordnung
rohrförmig
und befindet sich diese in einem Ringraum um einen Zylinderabschnitt
der Ventilnadel. Ein Endabschnitt der rohrförmigen Betätigungsanordnung kann in einer
festgelegten Position in Bezug auf das Ventilgehäuse durch einen Pol gehalten
werden, der das magnetostriktive Element stützt. Der Pol ist am Ventilgehäuse befestigt,
um eine Bewegung des abgestützten
Endes des magnetostriktiven Elements zu verhindern, wenn die Betätigungsanordnung
aktiviert ist.
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Wenn
die Einspritzventil-Betätigungsanordnung
ein magnetostriktives Element oder einen piezoelektrischen Stapel
verwendet, ist die Betätigungsbaugruppe
steuerbar, um den gewünschten
Hub zwischen 10 und 100% des maximalen Hubs zu steuern. Das heißt, dass
der Steuerimpulse, der zur Betätigungsbaugruppe
gerichtet ist, moduliert werden kann, um einen vollständigen oder
teilweisen Hub wie gewünscht
vorzusehen. Wenn die Betätigungsbaugruppe
ein magnetostriktives Element aufweist, ist der Steuerimpuls ein
modulierter elektrischer Strom, der zu einer elektrischen Spule
gerichtet ist, die ein Magnetfeld erzeugt. Wenn die Betätigungsbaugruppe
einen piezoelektrischen Stapel aufweist, ist der Steuerimpuls eine
modulierte Spannung, die an den piezoelektrischen Stapel angelegt
wird.
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Das
vorliegende Einspritzventil ist insbesondere für das Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs
geeignet, da die Fähigkeit
zum Modulieren der Bewegung der Ventilnadel vorteilhaft verwendet
werden kann, um die Schließwirkung
der Ventilnadel zu verlangsamen, damit der Aufprall beim Schließen verringert
wird. Wenn ein flüssiger
Kraftstoff eingespritzt wird, wird der Schließaufprall durch die Verschiebung
der dünnen
Schicht des flüssigen
Kraftstoffs gedämpft,
die deutlich dichter als gasförmige Kraftstoffe
ist. Wenn der Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist, kann
dieser in die Verbrennungskammer mit einer Druck eingespritzt werden,
der größer als
ungefähr
2000 psi (13,8 MPA) ist.
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Ein
magnetostriktives Materials, das für die Verwendung beim vorliegenden
Einspritzventilventil geeignet ist, weist ein Material auf, das
als magnetostriktive ETREMA-Terfenol-D®-Legierung
bekannt ist, die von Etrema Products Inc. erhältlich ist. Die magnetostriktive
ETREMA-Terfenol-D®-Legierung ist eine Metalllegierung,
die sich aus den Elementen Terbium, Dysprosium und Eisen zusammensetzt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Ventilnadel, die durch eine magnetostriktive oder piezoelektrische
Betätigungsanordnung
betätigt wird,
steuerbar, um sich zwischen der geschlossenen und offenen Position
in weniger als ungefähr
250 Mikrosekunden zu bewegen.
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Zum
Verbessern des Bereiches des Ventilhubs für eine gegebene Länge der
magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungsanordnung kann eine
Kompressionskraft auf das magnetostriktive Element oder den piezoelektrischen
Stapel aufgebracht werden. Durch das Vorbelasten der magnetostriktiven
Elemente und der piezoelektrischen Stapel kann die effektive Verschiebung
pro jeweiliger Einheit an angelegtem Magnetfeld oder aufgebrachter
Spannung erhöht
werden. Dementsprechend kann ein Kompressionsfederelement zum Aufbringen
einer Kompressionskraft zum Vorbelasten des magnetostriktiven Elements
oder des piezoelektrischen Stapels verwendet werden. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
weist das Kompressionsfederelement zumindest eine Federscheibe (auch
als Belleville-Feder oder Belleville-Ringscheibe bekannt) auf.
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Das
Einspritzventilgehäuse
kann eine Vielzahl an Teilen aufweisen, die miteinander verbunden sind,
um einen fluiddichten Körper
vorzusehen. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse ein hohles Hauptgehäuse mit
einer entfernbaren Ventilabdeckung aufweisen, die den Zugriff auf
Ventilkomponenten gestattet, die sich im Hauptgehäuse befinden. Das
Ventilgehäuse
kann ferner eine getrennte Ventilspitze aufweisen, so dass diese
bei Verschleiß ersetzbar
ist. Außerdem
kann die Ventilspitze so gestaltet sein, dass diese der einzige
Abschnitt des Ventilgehäuses
ist, der dem Inneren der Verbrennungskammer direkt ausgesetzt ist.
In dem Fall kann die Ventilspitze aus einem Material hergestellt
sein, das eine größere Haltbarkeit
vorsieht, wenn dieses direkt den Bedingungen ausgesetzt ist, die
in einer Verbrennungskammer erwartet werden können.
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Während die
Hydraulikverbindung so gestaltet ist, dass diese Änderungen
bei den Abmessungsbeziehungen zwischen den Ventilkomponenten ausgleicht,
einschließlich Änderungen,
die durch differentielle thermische Ausdehnung verursacht sind, können die
Anforderungen, die an die Hydraulikverbindung gestellt werden, durch
die Auswahl von Materialien für
die Ventilkomponenten, die ähnliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, verringert werden.
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Ein
bevorzugtes Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungsmotor weist
auf:
- (a) ein Ventilgehäuse mit
einem Kraftstoffeinlassanschluss,
einer
Innenkammer, die mit dem Kraftstoffeinlassanschluss in Fluidverbindung
steht,
einer Düse
mit einem Ventilsitz und einer Düsenöffnung,
die einen Fluidkanal von der Innenkammer zur Verbrennungskammer
vorsieht,
- (b) eine Ventilnadel mit einem Zylinderabschnitt, der ein Abdichtende
und einen Kolbenabschnitt mit einem Vorbelastungsendabschnitt hat,
wobei sich die Ventilnadel im Ventilgehäuse befindet, wobei die Ventilnadel
zwischen einer geschlossen Position, in der das Abdichtende den
Ventilsitz berührt,
um eine Fluidabdichtung der Innenkammer von der Düsenöffnung vorzunehmen,
und einer geöffneten
Position, in der das Abdichtende von dem Ventilsitz beabstandet
ist, wodurch die Innenkammer mit der Düsenöffnung in Fluidverbindung steht,
bewegbar ist, wobei der Ventilnadelhub gleich dem Abstand ist, der
durch das Abdichtende vom Ventilsitz weg zurückgelegt wird,
- (c) eine Nadelfeder, die dem Vorbelastungsende der Ventilnadel
zugeordnet ist, wobei die Nadelfeder komprimiert ist, um eine Schließkraft auf
die Ventilnadel aufzubringen, damit die Ventilnadel in die geschlossene
Position vorgespannt wird,
- (d) eine Betätigungsanordnung,
die aktiviert werden kann, um eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel
aufzubringen, die stärker
als die Schließkraft ist,
um die Ventilnadel in die geöffnete
Position zu bewegen, wobei die Betätigungsanordnung aufweist:
ein
rohrförmige
magnetostriktives Element, das sich um den Zylinderabschnitt der
Ventilnadel herum befindet,
eine elektrische Spule, die sich
um das magnetostriktive Element herum befindet,
ein Flussrohr,
das sich um die elektrische Spule herum befindet, und
eine
Stütze
für die
Betätigungsanordnung;
die als ein Pol wirkt und eine festgelegte Position für einen
Endabschnitt des magnetostriktiven Element in Bezug auf das Ventilgehäuse vorsieht,
und
- (e) eine Hydraulikverbindungsbaugruppe, die aufweist einen abgedichteten
Hydraulikzylinder, der sich um den Kolbenabschnitt der Ventilnadel
befindet, ein Hydraulikfluid, das sich im Hydraulikzylinder befindet,
wobei die Öffnungs-
und Schließkräfte, die
auf die Ventilnadel aufgebracht werden, über die Dickflüssigkeit
des Hydraulikfluids übertragen
werden, wodurch das Hydraulikfluid als eine Hydraulikverbindung
wirkt und die Dickflüssigkeit
im Ansprechen auf Änderungen
bei der Abmessungsbeziehung zwischen den Komponenten des Einspritzventils
automatisch einstellbar ist, um einen gewünschten Ventilnadelhub aufrechtzuerhalten,
wenn die Betätigungsanordnung
aktiviert ist.
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Es
wird ebenfalls ein Verfahren zum Verwenden einer geformten Wellenform
zum Steuern eines Einspritzventils vorgesehen, das eine magnetostriktive
oder piezoelektrische Betätigungsanordnung
verwendet. Das Verfahren weist in der Folge auf:
- (a)
Einleiten eines Einspritzereignisses durch das Anlegen eines Steuerimpulses
und Beschleunigen des Ventilöffnens
durch das Erhöhen
des Wertes des Steuerimpulses auf einen Spitzenwert, der größer als
der für
den gewünschten
Hub erforderliche Wert ist (der Spitzenwert kann bis zu ungefähr einer
Größenordnung
höher als
der Wert, der für
den gewünschten
Hub erforderlich ist, sein),
- (b) Verringern des Steuerimpulses vom Spitzenwert auf einen
Wert, der zum Vorsehen des gewünschten
Hubes erforderlich ist,
- (c) Verringern des Steuerimpulses auf einen negativen Wert zum
Beschleunigen des Schließens vom
Ventil,
- (d) Erhöhen
des Steuerimpulses auf einen positiven Wert zum Verlangsamen des
Ventilschließens,
um die Auftreffkraft der Ventilnadel auf den Ventilsitz zu verringern,
und
- (c) Verringern des Steuerimpulses auf Null zum Schließen des
Ventils.
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Das
Verfahren kann ferner aufweisen das Formen der Wellenform zum Modulieren
der Bewegung der Ventilnadel, beispielsweise, um nur einen Teilhub
vorzusehen, wenn eine verringerte Kraftstoffströmung gewünscht ist. Dieses Ergebnis
könnte
erzielt werden, beispielsweise durch das momentane Verringern des
Steuerimpulses auf einen Wert, der niedriger als der Wert ist, der
für den
gewünschten Hub
notwendig ist, um die Mittelwert des Steuerimpulses während des
Einspritzereignisses zu verringern. Die Verringerung beim Steuerimpulswert
ist vorzugsweise zeitlich so gestaltet, dass diese unmittelbar nach
dem Erhöhen
des Steuerimpulses auf den Spitzenwert auftritt, so dass der reduzierte
Steuerimpuls hilft, den Öffnungsvorgang
der Ventilnadel zu stoppen.
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Wenn
die Betätigungsanordnung
ein magnetostriktives Element verwendet, ist der Steuerimpuls ein
modulierter elektrischer Strom, der zu einer elektrischen Spule
gerichtet ist, die ein Magnetfeld erzeugt, das in die Richtung der
Betätigung
orientiert ist. Wenn die Betätigungsanordnung
einen piezoelektrischen Stapel verwendet, ist der Steuerimpuls eine
modulierte Spannung, die auf den piezoelektrischen Stapel aufgebracht
wird.
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In
dem bevorzugten Verfahren kann die Zeit, die benötigt wird, um die Ventilnadel
zwischen der gewünschten
Position und der gewünschten
offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 175 Mikrosekunden sein.
Es ist jedoch typischer, dass die Zeit, die zum Bewegen der Ventilnadel
zwischen der geschlossenen Position und der gewünschten offenen Position notwendig
ist, so kurz wie ungefähr
250 Mikrosekunden ist.
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Ein
Vorteil des vorliegenden Einspritzventils ist, dass dieses für Hochdruck-Direkteinspritzung
von Kraftstoffen in Verbrennungsmotore spät im Zyklus verwendet werden
kann. Beispielsweise kann das vorliegende Einspritzventil verwendet
werden, um gasförmigen
Kraftstoff in die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors mit
Drücken
zwischen ungefähr
2000 und 5000 psi (ungefähr
13,8 und 34,5 MPA) einzuspritzen. Das vorliegende Einspritzventil kann
verwendet werden, um flüssige
Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren mit sogar höheren Drücken einzuführen.
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Ein
noch weitere Vorteil des vorliegenden Einspritzventils besteht darin,
dass dieses ein Einspritzventil vorsieht, das die Notwendigkeit
einer aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtung
und des zugeordneten Hochdruck-Hydrauliksystems zum Erzeugen der
Betätigungskraft
zum Betätigen
des Einspritzventils beseitigt. Herkömmliche aktive hydraulische
Betätigungseinrichtungen
unterscheiden sich von der Hydraulikverbindung der vorliegenden
Erfindung, die als eine passive Hydraulikverbindung beschrieben
werden kann, da das Hydraulikfluid, das in der Hydraulikverbindungsanordnung
abgedichtet ist, lediglich Betätigungskräfte überträgt, jedoch
nicht verwendet wird, um eine Betätigungskraft zum Betätigten des
Ventils zu erzeugen. Stattdessen besteht der Zweck der Hydraulikverbindung
im Vorsehen eines Lastpfades für
die entgegengesetzten Betätigungskräfte, die
von zumindest einem Federelement und der Betatigungsanordnung herrühren. Ein
Vorteil des Beseitigen der Notwendigkeit einer herkömmlichen
aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtung besteht
im Beseitigen der zugeordneten aktiven hydraulischen Systeme. Herkömmliche
aktive hydraulische Betätigungseinrichtungen,
wie die, bei denen ein schnelles Erhöhen und Verringern des Hydraulikfluiddrucks
verwendet wird, um ein Einspritzventil zu betätigen, müssen mit einer Quelle von Hochdruckhydraulikfluid
verbunden sein und benötigen
Ventile zum Steuern der Strömung
von Hydraulikfluid in die aktive hydraulische Betätigungseinrichtung
und aus dieser heraus. Aktive hydraulische Betätigungseinrichtungen verwenden
Hydraulikfluid, das in einen Hydraulikzylinder und aus diesem heraus
bewegt wird, und wenn der Hydraulikzylinder mit einer Quelle an
Hochdruckhydraulikfluid in Fluidverbindung steht, erzeugt das Hochdruckhydraulikfluid,
dass in den Hydraulikzylinder strömt, die Betätigungskraft, die zum Bewegen
der Ventilnadel verwendet wird. Die Betätigungskraft wird entfernt,
wenn der Hydraulikzylinder von der Quelle des Hochdruckhydraulikfluids
getrennt wird und das Hydraulikfluid vom Hydraulikzylinder abgelassen
wird. Ein Nachteil der aktiven hydraulischen Betätigungseinrichtungen von diesem Typ
besteht darin, dass ein Zeitversatz besteht, der mit dem Bewegen
des Hydraulikfluids in den Hydraulikzylinder und aus diesem heraus
im Zusammenhang steht.
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Ein
weiterer Vorteil der passiven Hydraulikverbindung besteht darin,
dass diese zum Korrigieren der differentiellen thermischen Ausdehnung,
des Abriebs und der Dimensionsvariabilität in den gestatten Herstellungs-
und Zusammenbautoleranzen verwendet werden kann. Die offenbarte,
passive Hydraulikverbindung nimmt dieses durch das eigene automatische
Einstellen im Ansprechen auf diese Effekte vor, indem eine Bewegung
des Hydraulikfluids zwischen entgegengesetzten Seite des Hydraulikkolbens
gestattet wird. Die Betätigungsbaugruppe
setzt sich somit selbst auf Null zurück, um abzusichern, dass der
gewünschte
Ventilhub aufrechterhalten wird.
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Ein
Vorteil bei der Verwendung eines direkt betätigten Einspritzventils besteht
darin, dass ein geformter Steuerimpuls verwendet werden kann, um die
Beschleunigung und Verlangsamung der Ventilnadel zu steuern, wenn
sich diese zwischen der offenen und geschlossenen Position bewegt.
Beispielsweise kann, wenn eine magnetostriktive Betätigungseinrichtung
verwendet wird, der Strom, der an die elektromagnetische Spule angelegt
wird, gesteuert werden, um beispielweise den Strom in einer Weise zu
verringern, so dass das Ventil behutsam geschlossen wird. In ähnlicher
Weise kann, wenn eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung verwendet
wird, die an den piezoelektrischen Stapel angelegte Spannung gesteuert
werden, um beispielweise das Öffnen des
Ventil durch das Vorsehen einer Überspannung zum
Anfang zu beschleunigen (d.h. eine Spannung, die höher als
die Spannung ist, die zum Vorsehen der notwendigen Verschiebung
benötigt
wird). Somit können
Steuerimpulse verwendet werden, um das Ausdehnen und das Zusammenziehen
der magnetostriktiven oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zu steuern,
damit die Bewegung der Ventilnadel gesteuert wird. Ein Vorteil des
Steuerns des Verlangsamens der Ventilnadel ist, dass das Auftreffen
der Ventilnadel auf den Ventilsitz beim Schließen verringert werden kann,
um den Abrieb der Ventilkomponenten zu verringern, wodurch die Haltbarkeit
verbessert wird.
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Ein
noch weiterer Vorteil des vorliegenden Einspritzventils ist, dass
der Steuerimpuls geformt werden kann, um einen Teilhub der Ventilnadel
in einer wiederholbaren Weise vorzusehen. Der Hubbetrag kann gesteuert
werden, indem der Steuerimpuls geformt wird, so dass der Betrag
des elektrischen Stroms oder der Spannung, die zur jeweiligen magnetostriktiven
oder piezoelektrischen Betätigungsanordnung
gerichtet ist, gesteuert wird.
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Ein
noch weiterer Vorteil des offenbarten Einspritzventils ist, dass
der tatsächliche
Ventilnadelhub sehr klein ist (typischerweise weniger als 0,1 Millimeter),
so dass im Vergleich zu Ventilen, die für einen größeren Ventilnadelhub gestattet
sind, die Ventil nadelgeschwindigkeit, die zu Öffnen des vorliegenden Einspritzventils
erforderlich ist, viel kleiner ist.
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Diese
und andere Vorteile werden durch eine direkt gesteuerte Einspritzeinrichtung
wie nachstehend beschrieben vorgesehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines direkt
betätigten
Kraftstoffeinspritzventils,
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines oberen Abschnitts des Kraftstoffeinspritzventils von 1,
-
3 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines unteren Abschnitts des Kraftstoffeinspritzventils von 1,
-
4 ist
eine Zeitdarstellung für
ein bevorzugtes Verfahren zum Steuern des elektrischen Stromes,
der an die Betätigungsanordnung
des Kraftstoffeinspritzventils von 1 angelegt
wird, und
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5 ist
eine Zeitdarstellung für
ein bevorzugtes Verfahren zum Steuern der Spannung, die an eine
piezoelektrischen Betätigungsanordnung
für ein Kraftstoffeinspritzventil
angelegt wird.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels/der
bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die 1 bis 3 zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines direkt betätigten
Kraftstoffeinspritzventils 100 für einen Verbrennungsmotor. Das
Einspritzventil 100 weist ein längliches Ventilgehäuse 102 auf,
das mit einer Ventilabdeckung 104 und einer Ventilspitze 106 zusammenwirkt,
um ein fluiddichtes Ventilgehäuse
vorzusehen. Die Dichtungen können
verwendet werden, um abzusichern, dass das zusammengebaute Ventilgehäuse fluiddicht
ist. Die Ventilabdeckung 104 weist einen Einlassanschluss 108 auf,
durch den Kraftstoff in das Ventilgehäuse eintritt, und eine Ventilspitze 106 weist
zumindest eine Düsenöffnung 110 auf,
durch die Kraftstoff das Ventilgehäuse verlässt. Die Ventilspitze 106 weist
ferner einen Ventilsitz 112 auf.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das
deutlicher in der vergrößerten Ansicht
von 3 gezeigt ist, ist der Ventilsitz 112 abgewinkelt,
um die Fluidströmung,
die dem Dichtungsbereich folgt, zu maximieren (wobei die Ventilnadel 114 den
Ventilsitz 112 berührt).
Der differentielle Winkel zwischen der Stirnfläche der Ventilnadel 14 und
dem Ventilsitz 112 ist so ausgewählt, dass sich der Strömungsbereich nicht
verringert, wenn sich Gas nach innen zur zentralen Verengung der
Ventilspitze 106 bewegt, die eine Düsenöffnung/Düsenöffnungen 100 speist.
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Ventilnadel
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Die
Ventilnadel 114 befindet sich im Inneren des Ventilgehäuses und
berührt
den Ventilsitz 112, um das Einspritzventil 100 zu
schließen,
indem verhindert wird, dass. Kraftstoff über den Ventilsitz 112 hinaus
zur Düsenöffnung 110 gelangt.
Im Ausführungsbeispiel
von 1 weist die Ventilnadel 114 einen Ventilschaft 114a auf,
der sich in die geöffnete Position
bewegt, indem eine Bewegung im Ventilgehäuse nach innen erfolgt, um
ein Abheben vom Ventilsitz 112 weg vorzunehmen. Der Ventilschaft 114a ist
ein Zylinderelement und, da der Ventilhub im Allgemeinen gering
ist (beispielsweise ungefähr
65 Mikrometer), wird der Durchmesser des Ventilschaftes 114a ausgewählt, um
eine ausreichende Strömungskapazität durch
das Ventilöffnen
vorzusehen, da der Strömungsbereich
(A) zum Ventilschaftdurchmesser proportional ist (d.h. A = πx Durchmesser
x Hub). Somit kann ein geringer Hub durch einen größeren Durchmesser
ausgeglichen werden. In dem durch 1 dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Ventilnadel 114 ferner ein getrenntes Kolbenelement
auf, das mit der Ventilnadel 114 zusammenwirkten kann,
um die gleiche Wirkung vorzusehen. In einer alternativen Anordnung
(nicht gezeigt) kann eine Ventilspitze vom Kegeltyp verwendet werden,
so dass die Abwärtsbewegung
der Ventilnadel ein Öffnen
von diesem bewirkt. In dieser alternativen Anordnung ist die Betätigungsanordnung
vorzugsweise oberhalb der Ventilnadel 114 positioniert, so
dass, wenn die Betätigungseinrichtung
erregt wird, um das Einspritzventil zu öffnen, eine abwärtsgerichtete
Kraft auf die Ventilnadel 114 aufgebracht wird.
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Federanordnung
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Eine
Federanordnung spannt eine Ventilnadel 114 in die geschlossene
Position. In einer bevorzugten Anordnung weist die Federanordnung
zumindest eine Nadelfeder 116 zum Vorsehen einer Schließkraft an
einer Ventilnadel 114 auf. Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
aus 1 weist die Federanordnung ferner eine Nadelfederführung 118 zum Übertragen
der Schließkraft
von der Nadelfeder 116 zur Ventilna del 114 auf.
Die Nadelfeder 116 wird durch eine Nadelfedereinstelleinrichtung 120 in
Kompression gehalten, die mit einem Nadelfedergehäuse 122 zusammenwirkt,
um einen Lastpfad zum Ventilgehäuse 102 vorzusehen.
In einer bevorzugten Anordnung vereinigen jeweilige mit Gewinde versehen
Flächen
die Nadelfedereinstelleinrichtung 120 mit dem Nadelfedergehäuse 122 und
das Nadelfedergehäuse 122 mit
dem Ventilgehäuse 102.
Nachdem die Nadelfedereinstelleinrichtung 120 gedreht wurde,
um die Nadelfeder 116 zu komprimieren, damit die gewünschte Vorlastkraft
an der Nadelfeder 116 vorgesehen wird, kann die Sicherungsmutter 124 festgezogen
werden, um ein Lockern der Nadelfedereinstelleinrichtung 120 zu
verhindern. Die Federenergie, die durch das Komprimieren oder Vorbelasten der
Nadelfeder 116 eingestellt wurde, sieht die Schließkraft vor,
um die Ventilnadel 114 in der geschlossenen Position zu
halten.
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Betätigungsanordnung
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Eine
Betätigungsanordnung
kann aktiviert werden, um eine Öffnungskraft
vorzusehen, die entgegensetzt zur durch die Federanordnung vorgesehenen
Schließkraft
und größer als
diese ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Betätigungsanordnung
ein Element auf, das sich in Richtung der Öffnungskraft ausdehnt oder
zusammenzieht, wenn das Element einem Magnetfeld oder einer elektrischen
Spannung ausgesetzt ist, wie z.B. ein magnetostriktives Material
oder ein piezoelektrischer Stapel.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungsanordnung
eine magnetostriktive Betätigungsanordnung,
die ein magnetostriktives Element 130, eine elektrische
Spule 132, die um den Außendurchmesser des magnetostriktiven
Elements 130 herum angeordnet ist, ein Flussrohr 134,
das um die elektrische Spule 132 angeordnet ist, aufweist.
Das Flussrohr 134 kann aus herkömmlichem Kohlenstoffstahl mit
einem Schlitz in Längsrichtung
zum Brechen von Wirbelstrom hergestellt sein. Ein elektrischer Strom
wird einem elektrischen Anschlussstück 136 zugeführt. Elektrische Leitungen
(nicht gezeigt) leiten den elektrischen Strom vom elektrischen Anschlussstück 136 zur elektrischen
Spule 132. Wenn ein elektrischer Strom an die elektrische
Spule 132 angelegt wird, entwickelt sich ein magnetischer
Fluss, der durch das magnetostriktive Element 130, den
Pol 138, 140 und 142 und das Flussrohr 134 fließt. Pole 138, 140 und 142 sind aus
einem geeigneten Material, wie z.B. Kohlenstoffstahl (z.B. CS1018)
oder Stahl mit einer niedrigeren magnetischen Hysterese gefertigt.
Der Pole 138 ist ein „fester" Pol, der eine strukturelle
Stütze
für ein erstes
Ende des magnetostriktiven Elements 130, die elektrische
Spule 132 und das Flussrohr 134 vorsieht. Dem
Pol 140 ist ein zweites Ende des magnetostriktiven Elements 130 zuge ordnet
und dem Pol 142 ist ein zweites Ende der elektrischen Spule 132 und
des Flussrohres 134 zugeordnet. Der Pol 140 ist ein „innerer" Pol und der Pol 142 ist
ein „äußerer" Pol, der sich um
den inneren Pol 140 konzentrisch befindet. Der Pol 142,
die elektrische Spule 132 und das Flussrohr 134 werden
durch eine Sicherungsmutter 144 am Platz gehalten, die
vorzugsweise in die Innenwand des Ventilgehäuses 102 geschraubt
ist. Die Pole 140 und 142 wirken miteinander zusammen,
um einen Strömungspfad
an dem zweiten Ende der Betätigungsanordnung
vorzusehen, jedoch kann sich der Pol 140 bezüglich dem
Pol 142 bewegen, so dass sich das magnetostriktive Element 130 in
die Richtung des magnetischen Feldes ausdehnen kann, das so ausgerichtet
ist, dass die Betätigungsanordnung eine Öffnungskraft
entgegen der Schließkraft
der Federanordnung vorsieht.
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Eine
Vorkompressionskraft wird vorzugsweise auf das magnetostriktive
Element 130 aufgebracht, um die Größe der Ausdehnung zu verstärken, wenn
ein magnetisches Feld aufgebracht wird. Eine Vorkompression des
magnetostriktiven Elements 130 erhöht die Nutzverschiebung je
Einheit an aufgebrachtem Magnetfeld. In ähnlicher Weise erhöht, wenn
ein piezoelektrisches Element statt dem magnetostriktiven Element 130 verwendet
wird, eine Vorkompression die Nutzverschiebung des piezoelektrischen
Elements je Einheit von aufgebrachter elektrischer Spannung. Eine
Feder, wie z.B. eine Scheibenfeder 150 kann eingesetzt
werden, um eine Vorkompressionskraft vorzusehen. Alternative Kompressionselemente
können
statt der Scheibenfeder 150 eingesetzt werden, um die Vorkompressionskraft
vorzusehen, wie z.B. eine Federscheibe oder ein anderer Typ von
Feder mit der gleichen Federkraft, ein hydraulischer Kolben, oder
eine Kombination der Kompressionselemente. Wenn eine Vorkompressionskraft
verwendet wird, kann sich die Verschiebung der Betätigungseinrichtung
um ungefähr
0,13% der gesamten Länge
des magnetostriktiven Elements 130 erhöhen. Der Betrag der Verschiebung
kann jedoch als eine Funktion der sich erhöhenden Temperatur abnehmen.
Beispielsweise kann bei typischen Kopftemperaturen des hin- und hergehenden
Motorzylinders die tatsächliche
Verschiebung ungefähr
0,065% der Länge
des vorkomprimierten magnetostriktiven Elements 130 betragen.
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Die
Abmessungen des magnetostriktiven Elements werden durch die Anforderungen
des Einspritzventils 100 diktiert. Beispielsweise ist,
wenn das Einspritzventil 100 gestaltet ist, um einen Hub
von zumindest ungefähr
65 μm vorzusehen,
das magnetostriktive Element 130 so dimensioniert, dass
es eine Länge
von zumindest ungefähr
100 mm hat. Zusätzlich
wird die Wanddicke des ringförmigen
magnetostriktiven Elements 130 ausgewählt, um eine ausreichende Kraft
vorzusehen, damit alle entgegengesetzten Kräfte, die das Einspritzventil 100 in
der geschlossenen Position halten, überwunden werden. Wenn der
Querschnittsbereich des ringförmigen
magnetostriktiven Elements 130 nicht ausreichend ist, können die
entgegengesetzten Kräfte
eine Längsverschiebung
des magnetostriktiven Elements 130 verringern oder verhindert,
selbst wenn die elektrischen Spule 132 vollständig erregt
wird. Dieser Modus ist als Modus der „blockierten Kraft" bekannt. Dementsprechend
diktiert die Größe der Schließkräfte, die auf
die Ventilnadel 114 wirken, den Querschnittsbereich des
magnetostriktiven Elements 130.
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Während 1 ein
magnetostriktives Element 130 zeigt, können die elektrische Spule 132 und das
Flussrohr 134 durch einen piezoelektrischen Stapel (nicht
gezeigt) ersetzt werden. Das elektrische Anschlussstück 136 kann
verwendet werden, um einen elektrische Spannung zu dem piezoelektrischen Stapel
zu leiten. Wenn eine elektrische Spannung an einen piezoelektrischen
Stapel angelegt wird, expandiert der Stapel und entwickelt sich
eine Bewegungskraft zum Öffnen
des Einspritzventils 100.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, kann die Betätigungsanordnung in einem Ventilgehäuse 102 angeordnet
sein und sich konzentrisch um einen Ventilschaft 114a befinden,
wo diese einen Teil des ringförmigen
Raumes zwischen dem Ventilschaft 114a und dem Ventilgehäuse 102 einnimmt.
Dementsprechend kann die Betätigungsanordnung
Kraftstoff ausgesetzt sein, der durch das hohle Ventilgehäuse auf
seinem Weg vom Einlassanschluss 108 zur Düsenöffnung 110 gerichtet
ist.
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Hydraulische Verbindungsanordnung
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Die Öffnungskraft,
die durch die Betätigungsanordnung
erzeugt wird, wird zur Ventilnadel über eine hydraulische Verbindungsanordnung übertragen.
Die hydraulische Verbindungsanordnung weist einen hydraulischen
Zylinder 160 auf, der sich in einer eng eingepassten Beziehung
um den hydraulischen Kolben 114b befindet, der in der Bewegung
in Längsrichtung
im Zylinder 160 frei ist. Gemäß Vorbeschreibung ist im Ausführungsbeispiel
von 1 ein Hydraulikkolben 114b ein integraler
Teil der Ventilnadel 114 und unterstützt die Seitenwand des Zylinders 160 die
Führung
der Bewegung der Ventilnadel 114 in Betätigungsrichtung. Ein viskoses
Hydraulikfluid ist im Hydraulikzylinder 160 durch eine
Zylinderabdeckung 162 und Dichtungen 166, 168 und 169 (siehe 2)
abgedichtet. Die Dichtungen 166 und 168 gestatten,
dass sich die Ventilnadel 114 in Bezug auf die Zylinderabdeckung 162 bzw.
den Zylinder 160 bewegt. Bekannte Dichtungen können verwendet
werden, beispielsweise elastomere O-Ringdichtungen, eine Packung, Metalldichtungen
oder Membrane/Balg-Dichtungen.
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Der
Durchmesserzwischenraum-Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Hydraulikkolbens 114b und
dem Innendurchmesser des Hydraulikzylinders 160 ist äußerst gering
(in der Größenordnung
von 50 bis 150 Mikrometer). Die gewünschte Größe des Zwischenraum-Spalts
hängt von
der Viskosität
des ausgewählten
Hydraulikfluids ab. Die hydraulische Strömung im Zwischenraum-Spalt
wird durch die Hagen-Poiseuillesche
Strömung
beherrscht und das Hydraulikfluid und der Zwischenraum-Spalt sind vorzugsweise
ausgewählt,
so das die Strömung
des Hydraulikfluids durch den Spalt in der Zeitspanne der Kraftstoffeinspritzereignisse
unbedeutend ist, wenn eine Öffnungskraft über das
Hydraulikfluid übertragen
wird. Ferner hat das Hydraulikfluid vorzugsweise eine ausreichend
hohe Viskosität
und ein ausreichend hohes Kompressionsmodul, so dass dieses als
inkompressibler Feststoff wirkt, wenn eine Aktivierung der Betätigungsanordnung
bewirkt, dass eine Ventilöffnungskraft über das
Hydraulikfluid zwischen dem Boden des Zylinders 160 und dem
Hydraulikkolben 114b schnell übertragen wird. Für eine Beständigkeit
des Betriebs ist das Hydraulikfluid vorzugsweise ein extrem stabiles
Fluid, das seine gewünschten
Eigenschaften über
einen breiten Temperaturbereich aufrechterhält (d.h. innerhalb der erwarteten
Betriebstemperaturen im Zylinder 160). Geeignete Hydraulikfluide
sind beispielsweise herkömmliches
Motorenöl,
wie z.B. Güteklasse
15W40, oder synthetische Schmiermittel, wie DuPont® „Krytox®"-Fett, das in einem
Bereich an Viskositäten
verfügbar
ist. Krytox® ist
ein synthetisches PerFluoroPolyEther(PFPE)-Schmiermittel, das mit
einem Verdickungsmittel zum Bilden von Fett gemischt wird. Diese
Typen von Hydraulikfluid helfen auch beim Schmieren der Dichtungen 166 und 168.
Unterschiedliche Einspritzventile können Kolben mit unterschiedlicher
Größe und Zwischenraum-Spalt
mit unterschiedlicher Größe haben,
so dass das Hydraulikfluid unter Berücksichtigung der Eigenschaften
der individuellen Einspritzventilgestaltung ausgewählt werden
kann.
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Wenn
das Einspritzventil 100 geschlossen und im Ruhezustand
ist, wird die Schließkraft über das
Hydraulikfluid, das zwischen der Zylinderabdeckung 162 und
dem Hydraulikkolben 114b gehalten wird, übertragen.
Typischerweise ist während
des Motorbetriebes das Einspritzventil 100 die meiste Zeit
geschlossen (normalerweise über
90% der Zeit). Dementsprechend gibt es nicht ausreichend Zeit zwischen
den Einspritzereignissen für
das Hydraulikfluid, um sich selbst zu verteilen, indem dieses durch den
Zwischenraumspalt strömt,
so dass sich der Hydraulikzylinder 160 in Bezug auf den
Kolben 114b bewegt, um sich automatisch wieder auf Null
einzustellen. Die anfängliche
Nullposition ist die Position des Hydraulikkolbens 114b im
Hydraulikzylinder 160 nach dem Zusammenbau des Einspritzventils 100. Die
anfängliche
Nullposition kann aufgrund der Änderung
bei der Länge
der Komponenten innerhalb der Herstellungstoleranzen nicht für alle Einspritzeinrichtungen
die gleiche sein. Auch stellt sich während des Betriebes die Nullposition
selbst ein, um sich in Abhängigkeit
beispielsweise vom Komponentenabrieb oder von den Wirkungen der
thermischen Ausdehnung auf die Dimensionsbeziehung zwischen den
Komponenten zu ändern.
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Die
differentielle thermische Ausdehnung oder Kontraktion kann durch
Unterschiede bei den thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder eine ungleichmäßige Wärmeverteilung
zwischen den Komponenten verursacht werden. Auch wenn die Komponente
des Einspritzventils 100, wie z.B. das magnetostriktive
Element 130, die Ventilnadel 114 und das Ventilgehäuse 102,
so gestaltet sind, dass diese an die thermischen Ausdehnungsraten
der anderen Komponenten vernünftig
angepasst sind, müssen,
da der Ventilnadelhub und die Verschiebung der Komponenten, die
den Hub bewirkt, so klein sind, die Wirkungen der thermischen Ausdehnung
oder Kontraktion nicht berücksichtigt
werden, um sicherzustellen, dass der gewünschte Ventilnadelhub erreicht wird.
Die Wirkungen der thermischen Ausdehnung und Kontraktion können verstärkt werden,
wenn das Einspritzventil einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt
ist. Für
in Fahrzeugen eingesetzte Einspritzventilen würde es nicht ungewöhnlich sein,
einen Temperaturbereich zwischen –40°C (bei kaltem Klima) und +125°C (bei laufendem
Motor) zu erwarten. Eine ungleiche Temperaturverteilung kann aus
zahlreichen Faktoren resultieren wie z.B. dem Einfluss von (1) Wärme, die
an den Spulen erzeugt wird, (2) der magnetischen Hysterese in der
Betätigungsanordnung
und (3) dem Wärmeübergang
vom Zylinderkopf oder dem Verbrennungsraum über die Ventilspitze 106.
Wenn dieses nicht berücksichtigt
wird, kann die gesamte Wirkung der differentiellen thermischen Ausdehnung
oder Kontraktion auf die Verschiebung der Ventilnadel 114 größer als
der angestrebte Hub sein.
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Zusammenfassend
kann ausgesagt werden, dass die Hydraulikverbindungsanordnung Änderungen
bei den Abmessungen der Komponenten, die aus den gestatteten Toleranzen
bei den Herstellungsprozessen und den Einspritzventilzusammenbauverfahren
erwachsen, berücksichtigt.
Daher verringert die Hydraulikverbindungsanordnung die Herstellungskosten,
um zu gestatten, dass die Einspritzventilkomponenten auf weniger
genaue Toleranzen gefertigt werden. Außerdem stellt sich die Hydraulikverbindungsanordnung
während
des Betriebs selbst zwischen den Einspritzereignissen ein, um Änderungen
bei der Abmessungsbeziehung zwischen Einspritzventilkomponenten
zu berücksichtigen,
die beispielweise durch Komponentenabrieb oder eine differentielle
thermische Ausdehnung oder Kontraktion verursacht werden können.
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Zusammenfassung des Betriebes
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Wenn
sich das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position
befindet, stammt die Schließkraft,
die die Ventilnadel 114 gegen den Ventilsitz 112 drückt, von
der Nadelfeder 116. Von der Nadelfeder 116 wird
die Schließkraft über die
Nadelfederführung 116 zur
Ventilnadel 114 übertragen.
Es ist für
die Schließkraft
zu bevorzugen, dass diese durch ein mechanisches Federelement, wie
die dargestellte Schraubenfeder, vorgesehen wird, so dass der Ausfallmodus
für das
Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position ist.
Das heißt,
dass, wenn die Betätigungsanordnung
nicht erregt ist oder ausfällt,
das Einspritzventil 100 in der geschlossenen Position verbleibt.
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Zum
Initiieren eines Einspritzereignisses wird die Betätigungsanordnung
erregt, indem ein elektrischer Strom zur elektrischen Spule 132 gerichtet
wird. Ein magnetischer Fluss entwickelt sich, der durch das magnetostriktive
Element 130, die Pole 138, 140 und 142 sowie
das Flussrohr 134 strömt. Unter
der Einfluss des Magnetfeldes dehnt sich das magnetostriktive Element 130 in
der Länge
(in Richtung des Magnetfeldes) aus. Da sich der Pol 138 in der
befestigten Position befindet, dehnt sich das magnetostriktive Element 130 in
der Richtung der des Hydraulikzylinders 160 aus. Eine Öffnungskraft,
die vom sich ausdehnenden, magnetostriktiven Element 130 her
stammt, wird über
den inneren Pol 140, die Basis des Zylinders 160,
das Hydraulikfluid 164b (siehe 2), das
zwischen der Basis des Zylinders 160 und einer planaren
Fläche
des Hydraulikkolbens 114b gehalten wird, und schließlich über den
Kolben 114b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ventilnadel 114 einstückig ist, übertragen.
Die Öffnungskraft
ist größer als
die Schließkraft,
woraus sich eine Kompression der Nadelfeder 116 ergibt.
Die Verschiebung des Hydraulikzylinders 160 bewirkt ebenfalls
eine weitere Kompression der Scheibenfeder 150.
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Wie
zuvor diskutiert hat, da die Ventilbetätigung plötzlich auftritt (in der Größenordnung
von 200 μs),
das Hydraulikfluid 164b nicht ausreichend Zeit, durch den
schmalen Zwischenraumspalt zwischen den Kolben 114b und
dem Hydraulikzylinder 160 zu strömen. Statt dessen wirkt das
Hydraulikfluid 164b als ein Festkörper und überträgt dieses die Bewegung des
magnetostriktiven Elements 130 zur Ventilnadel 114 über den
Kolben 114b, wodurch bewirkt wird, dass die Ventilnadel 114 vom
Ventilsitz 112 abhebt. Da das Einspritzventil 100 für einen
solchen kurzen Zeitraum offen bleibt (typischerweise weniger als
3 Millisekunden), ist, solange wie die Viskosität des Hydraulikfluids 164 in
geeigneter Weise ausgewählt
und der Zwischenraumspalt in geeigneter Weise in der Größe gestaltet
ist, die Strömung
von Hydraulikfluid 164 durch den Zwischenraumspalt bei geöffnetem
Einspritzventil 100 unbedeutend, so dass eine jegliche
Verschiebung, die durch einen solche Strömung verursacht ist, wesentlich
kleiner als die gesamte Verschiebung der Ventilnadel 114 ist.
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Die
Bewegung der Ventilnadel 114 ist nahe der Ventilspitze 106 durch
eine Führung 180 geführt (siehe 3). 3 zeigt
einen ringförmigen
Raum 182, der um den Ventilschaft 114a angeordnet
ist. Zwischen den Einspritzereignissen verbleibt Kraftstoff im ringförmigen Raum 182.
Wenn das Einspritzventil 100 geöffnet ist, strömt Kraftstoff
durch den ringförmigen
Raum 182, andere Spalte zwischen den Ventilkomponenten
und Öffnungen,
die in bestimmten Ventilkomponenten vorgesehen sind, die alle zusammenwirken,
um die frei Strömung
von Kraftstoff vom Einlassanschluss 108 zur Düsenöffnung 110 zu gestatten
(die eine einer Vielzahl von Düsenöffnungen
sein kann, die radial von der Düsenverengung ausgerichtet
sind). Beispielsweise zeigen die 1 bis 3 Öffnungen,
die Fluiddurchlässe
durch die Komponenten vorsehen, wie z.B. das Nadelfedergehäuse 122,
die Sicherungsmutter 144 und den Pol 138. 3 zeigt
ebenfalls eine Dichtung 184 zwischen dem Ventilgehäuse 102 und
der Ventilspitze 106 und der Zylinderkopfflächendichtung 186,
die zwischen dem Einspritzventil 100 und dem Motorzylinderkopf
(nicht gezeigt) abdichtet.
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Wenn
Kraftstoff durch das Ventilgehäuse 102 strömt, kühlt der
Kraftstoff die Betätigungsanordnung.
Der Kraftstoffströmungspfade
ist vorzugsweise angeordnet, um die beste Kühlung für die Innendurchmesserfläche der
elektrischen Spule 132 und die Außendurchmesserfläche des
magnetostriktiven Elements 130 vorzusehen. Außerdem kann
ein kleiner Prozentsatz an Kraftstoffströmung, vielleicht bis zu ungefähr 20%,
gerichtet werden, um zwischen dem Innendurchmesser des magnetostriktiven
Elements 130 und der Fläche
des Zylinderventilschafts 114a zu strömen. Wenn der Kraftstoff zum
Kühlen
der Betätigungsanordnung
auf diese Weise verwendet wird, sagt die thermische Modellierung
eine Temperaturerhöhung
von weniger als 10°C
voraus.
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Zum
Schließen
des Einspritzventils 100 zum Ende des Einspritzereignisses
wird eine elektrische Spule 132 entregt, wodurch ein Kontrahieren
das magnetostriktiven Elements 130 bewirkt wird. Wenn sich die
Ventilnadel 114 von der offenen Position zur geschlossenen
Position bewegt, stammt die Schließkraft von der Nadelfeder 166 und
der Scheibenfeder 150. Die Schließkraft von der Nadelfeder 116 wird
erneut zur Ventilnadel 114 über die Nadelfederführung 118 übertragen.
In der offenen Position hat das ausgedehnte magnetostriktive Element 130 die
Scheibenfeder 150 komprimiert, so dass sich beim Schließen die
Scheibenfeder 150 entspannt, um den Zylinder 160 herunterzudrücken und
das magnetostriktive Element 130 zu komprimieren. Die Scheibenfeder 150 kann
ebenfalls eine zusätzliche
Schließkraft
an der Ventilnadel 114 vorsehen, indem eine Schließkraft erzeugt
wird, die von der Scheibenfeder 150 über die Zylinderabdeckung 162,
das Hydraulikfluid 164a und den Hydraulikkolben 114b übertragen
wird.
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Wenn
sich die Ventilnadel 114 von der offenen Position zur geschlossenen
Position bewegt, ist die Zeit, die verstreicht, erneut typischerweise
weniger als 250 Mikrosekunden und vorzugsweise weniger als ungefähr 200 Mikrosekunden,
so dass das Hydraulikfluid 164 erneut keine Zeit hat, um
zwischen dem Zwischenraumspalt zwischen dem Kolben 114b und
dem Zylinder 160 zu strömen.
Folglich baut sich der Druck im Hydraulikfluid 164a an
der oberen planaren Fläche
des Kolbens 114b auf.
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Sobald
die Ventilnadel 114 den Ventilsitz 112 berührt, wird
das Einspritzventil 100 geschlossen. Wenn das Einspritzventil 100 geschlossen
ist, nimmt die Hydraulikverbindungsanordnung eine automatische Selbsteinstellung
vor, so dass die Position des Hydraulikzylinders 160 bezüglich des
Hydraulikkolbens 114b korrigiert wird, um die Wirkungen
der Temperatur, des Abriebs und jeder kleinen Bewegung der Ventilnadel 114 bezüglich des
Hydraulikkolbens 160 zu berücksichtigen, die aufgetreten
sein kann, während
sich die Ventilnadel 114 in der offenen Position befunden
hat. Die automatischen Einstellungen werden durch die Wanderung
des Hydraulikfluids 164 von einer Seite des Hydraulikkolbens 114b zur
anderen vorgenommen, während
die Scheibenfeder 150 sicherstellt, dass der Hydraulikzylinder 160 und
die Nadel 114 zu allen Zeitpunkten in direktem Kontakt stehen.
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Steuerstrategie
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Die
Wellenformen zum Steuern eines direkt betätigten Einspritzventils und
entsprechende Betätigungseinrichtung-Verschiebungen
sind in den in den 4 und 5 gezeigten
graphischen Darstellungen aufgezeichnet. Die dargestellten Wellenformen zeigen,
dass der Steuerimpuls zahlreiche Merkmale verwenden kann, um die
Bewegung eines magnetostriktiven bzw. piezoelektrischen Elements
zu steuern.
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In 4 stellt
Wellenform A den elektrischen Strom dar, der zu einer elektrischen
Spule gerichtet ist, die verwendet wird, um eine ein magnetostriktives Element
aufweisende Betätigungseinrichtung
zu aktivieren. Die Stärke
des Magnetfeldes ist direkt proportional zum Betrag des elektrischen
Stromes, der zur elektrischen Spule gerichtet ist. Um ein schnelles Öffnen zu
unterstützen,
ist der Strom vorzugsweise als erstes mit einer Spitze auf den Strom
I1 versehen, da höhere Ströme zu stärkeren Magnetfeldern führen würden, die
zum Beschleunigen der Ausdehnung des magnetostriktiven Elements
verwendet werden können.
Der elektrische Strom wird während
des Hauptein spritzereignisses auf den Strom I2 verringert.
Der anfängliche
elektrische Strom I1 entspricht einem Strom,
der soviel wie eine Größenordnung
höher als
der elektrische Strom I2 ist, der der zur
Zeit erforderliche Strom ist, um das Einspritzventils vollständig zu öffnen. Es
ist auch möglich,
das Einspritzventil teilweise zu öffnen, beispielsweise durch
das Verringern des Stroms nach dem anfänglichen Stromspitzenwert auf
einen Wert von weniger als der Strom I2. Wie
es durch die gestrichelte Wellenform B gezeigt ist, die zeitweise
den Strom auf den negativen Strom I3 umkehrt,
kann der Steuerimpuls optional eine solche Form habe, um den mittleren
Strom auf einen Wert abzusenken, der das schnelle Erreichen eines Teilhubs
für eine
bessere Strömungssteuerung
als die, die nur durch Pulsbreitenmodulation erhalten werden kann,
gestattet. Das heißt,
dass eine bessere Strömungssteuerung
erhalten werden kann, indem sowohl die Verschiebung der Ventilnadel
(Hub) als auch die Dauer des Einspritzereignisses gesteuert werden.
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Das
Ventilschließen
kann optional beschleunigt werden, indem der Strom zu dem negativen Strom
I4 umgekehrt wird. Um das Auftreffen und
den anschließenden
Abrieb der Ventilnadel, wenn diesen den Ventilsitz berührt, wie
es durch Wellenform A gezeigt ist, zu verringern, kann der Strom
momentan auf den positiven Wert I5 erhöht werden,
um den Ventilschließvorgang
zu verlangsamen. Bei einem alternativen Verfahren zum Steuern des
Auftreffens der Ventilnadel auf den Ventilsitz kann der Strom stärker graduell
verringert werden, ohne die Richtung des Stroms umzukehren, wie
es durch die gestrichelte Linie C gezeigt ist. Schließlich wird
das Einspritzereignis abgeschlossen, wenn das Einspritzventil geschlossen
ist und der Strom auf Null zurückgesetzt ist.
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Die
Linienschaubilder D und E zeigen die Verschiebung der Ventilnadel
durch jeweilige vollständig
geöffnete
und teilweise geöffnete
Einspritzereignisse. Das Schaubild D entspricht dem Einspritzereignis,
das durch die Wellenform A gesteuert wird. Das Schaubild D zeigt
die Ventilnadel, die sich schnell in die vollständig geöffnete Position zu Beginn des
Einspritzereignisses bewegt. In dem dargestellten Beispiel verbleibt
das Einspritzventil in der vollständig geöffneten Position für die Mehrzahl
der Einspritzereignisse, wie es durch den im Wesentlichen flachen
Abschnitt des Schaubildes D dargestellt ist. Jedoch kann in Abhängigkeit
von der Viskosität des
Hydraulikfluids und der Größe der Zwischenraumlücke zwischen
dem Hydraulikkolben und dem Hydraulikzylinder der flache Abschnitt
des Schaubildes D eine geringe Neigung haben, die durch die Strömung von
Hydraulikfluid durch den Zwischenraumspalt während des Einspritzereignisses
verursacht wird.
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Wenn
das Einspritzventil geschlossen wird, tritt die Schließwirkung
sehr schnell auf, wie es durch die steil abwärts verlaufende Neigung der
Linie D nahe dem Ende des Einspritzereignisses dargestellt ist.
Jedoch verflacht im Ansprechen auf die momentan positiven Strom
nahe dem Ende der Wellenform A die Neigung des Graphen D unmittelbar,
wenn das Ventil in die vollständig
geschlossen Position zurückkehrt,
wodurch demonstriert wird, wie die Form der Wellenform A verwendet
werden kann, um den Abrieb zu verringern, der durch das Auftreffen
der Ventilnadel auf den Ventilsitz verursacht wird. Das Schaubild
E entspricht einer Wellenform (nicht gezeigt), die nach dem anfänglichen
Stromspitzenwert den Strom auf einen Wert verringert, der weniger
als der Strom I2 beträgt, so dass das Einspritzventil
nur teilweise geöffnet
wird. Das Schaubild E zeigt auch, dass die Dauer des Einspritzereignisses
durch Änderung
der Länge
oder der Dauer der Wellenform geändert
werden kann. Im Vergleich zum Einspritzereignis, das durch das Schaubild
D dargestellt wird, ist der Ventilhub geringer für das Einspritzereignis, das durch
das Schaubild E dargestellt wird, so dass der anfängliche
Stromspitzenwert geringer als der anfängliche Stromspitzenwert der
Wellenform A sein kann. Die Schließwirkung, die durch die stärker graduelle
Neigung des Schaubildes E dargestellt ist (im Vergleich zur steileren
Neigung des Schaubildes D), entspricht einer Wellenform, die eine
Form hat, die ähnlich
der alternativen Wellenform C ist.
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Der
Fachmann erkennt, dass die Zeit, die erforderlich ist, um das Einspritzventil
zu öffnen
oder zu schließen,
verringert werden kann, indem die Neigung der Steuerwellenform vergrößert wird,
oder vergrößert werden
kann, indem die Neigung der Wellenform verkleinert wird. Somit kann
die Form der Steuerwellenform manipuliert werden, um die gewünschten
Effekte auf die Geschwindigkeit der Ventilnadelbewegung und ihre
Verschiebung bezüglich
des Ventilsitzes zu erzeugen (um den Hub zu steuern).
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In 5 stellt
die Wellenform G einen Spannungssteuerimpuls dar, der verwendet
werden kann, um eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung zu aktivieren.
Wie deutlich werden wird, verwendet die bevorzugte Steuerstrategie
für piezoelektrische
Betätigungseinrichtungen
die gleichen Prinzipien wie die bevorzugte Steuerstrategie, die
vorstehend für magnetostriktive
Betätigungseinrichtungen
beschrieben wurde. Um ein schnelles Öffnen zu unterstützen, wird
die Spannung vorzugsweise als erstes auf die Spannung V1 auf
einen Spitzenwert gebracht, da höhere
Spannungen verwendet werden könne,
um das Ausdehnen der piezoelektrischen Materialien zu beschleunigen.
Die Spannung wird auf die Spannung V2 während des
Haupteinspritzereignisses abgesenkt. Die Spannung V1 entspricht
einer Spannung, die so viel wie eine Größen ordnung größer als
die Spannung V2 sein kann, welches die Spannung
ist, die zur Zeit erforderlich ist, um das Einspritzventil vollständig zu öffnen. Es
ist auch möglich,
das Einspritzventil teilweise zu öffnen, beispielweise durch
das Verringern der Spannung nach dem anfänglichen Spitzenwert auf einen
Wert von weniger als die Spannung V2. Wie es
durch die gestrichelte Wellenform H gezeigt ist, die die Spannung
zeitweise auf die negative Spannung V3 verringert,
kann der Steuerimpuls optional geformt werden, um die mittlere Spannung
auf einen Wert zu verringern, der ein schnelles Erhalten eines teilweisen
Hubes für
eine bessere Strömungssteuerung
gestattet, als die, die allein durch Impulsbreitenmodulation erhalten
werden kann. Das heißt,
dass eine bessere Strömungssteuerung
erhalten werden kann, indem sowohl die Verschiebung der Ventilnadel
(Hub) als auch die Dauer des Einspritzereignisses gesteuert wird.
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Das
Ventilschließen
kann optional beschleunigt werden, indem die Spannung auf die negative Spannung
V4 zum Anfang verringert wird. Zum Verringern
des Stoßes
und des anschließenden
Abriebs der Ventilnadel, wenn diese den Ventilsitz berührt, wie
es durch die Wellenform G gezeigt ist, kann die Spannung momentan
auf die positive Spannung V5 erhöht werden,
um die Ventilschließwirkung
zu verlangsamen. Ähnlich
zur Form der momentanen Wellenform C stellt die Form der Spannungswellenform
I ein alternatives Verfahren zum Verringern des Stoßes der
Ventilnadel auf den Ventilsitz beim Schließen dar. Schließlich ist
das Einspritzereignis abgeschlossen, wenn das Einspritzventil geschlossen
ist und die Spannung auf Null zurückgeführt ist.
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Die
Linienschaubilder J und K zeigen die Verschiebung der Ventilnadel über die
jeweiligen Einspritzereignisse. Das Schaubild J entspricht dem Einspritzereignis,
das durch die Wellenform G gesteuert wird. Das Schaubild J zeigt
die Ventilnadel, die sich schnell in die vollständig geöffnete Position zu Beginn des
Einspritzereignisses bewegt. In dem dargestellten Beispiel verbleibt
das Einspritzventil in der vollständig geöffneten Position für die Mehrzahl
der Einspritzereignisse, wie es durch den im Wesentlichen flachen
Abschnitt des Schaubilds J dargestellt ist. Jedoch kann in Abhängigkeit
von der Viskosität des
Hydraulikfluids und der Größe des Zwischenraumspalts
zwischen dem Hydraulikkolben und dem Hydraulikzylinder der flache
Abschnitt des Schaubildes J eine geringfügige Neigung haben, die durch
die Strömung
von Hydraulikfluid über
die Zwischenraumlücke
während
des Einspritzereignisses verursacht wird.
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Wenn
das Einspritzventil geschlossen ist, geht der Schließvorgang
sehr schnell, wie es durch die steil abwärts gerichtete Neigung des
Schaubildes J nahe dem Ende des Einspritzereignisses gezeigt ist.
Jedoch verflacht sich im Ansprechen auf die momentan positive Spannung
nahe dem Ende der Wellenform G die Neigung der Linie J, wenn das
Ventil in die vollständig
geschlossene Position zurückkehrt, wodurch
demonstriert wird, wie die Form der Wellenform G verwendet werden
kann, um den Abrieb zu verringern, der durch das Auftreffen der
Ventilnadel auf den Ventilsitz verursacht wird. Das Schaubild K ist ähnlich dem
Schaubild J mit der Ausnahme, dass dieses einer Wellenform entspricht
(nicht gezeigt), die nach dem anfänglichen Spannungsspitzenwert die
Spannung auf einen Wert verringern, der weniger als die Spannung
V2 beträgt,
so dass das Einspritzventil nur teilweise geöffnet ist.
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Die
Zeitspanne für
die Wellenformen der 4 und 5 kann in
dem Bereich von 100 bis 5000 Mikrosekunden liegen und typischerweise
zwischen 250 und 2000 Mikrosekunden für die Mehrzahl der Einspritzereignisse.
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Die
Kombination des vorstehend beschriebenen, direkt betätigten Einspritzventils
und der Steuerstrategie sieht zahlreiche Vorteile vor, einschließlich:
- – des
Eliminierens des Hydraulikfluid-Zuführsystems, das durch herkömmliche
hydraulisch betätigte
Einspritzventile notwendig ist. Dieses vereinfacht die Einspritzventilkonstruktion,
beispielweise durch das Beseitigen der Notwendigkeit von Hydraulikfluidzuführ- und
Rückführkanälen und Dreiwegeventilen,
die in herkömmlichen
hydraulisch betätigten
Einspritzventilen verwendet werden.
- – des
automatischen Ausgleichs von unterschiedlicher thermische Ausdehnung
im Einspritzventil, von Abrieb aufgrund eines verlängerten
Betriebes und von geringfügigen
Unterschieden, die durch Begrenzungen bei den Herstellungstoleranzen verursacht
werden.
- – einer
kompakten konzentrischen Ventilnadel/Betätigungsbaugruppe-Anordnung
zum Unterbringen eines länglichen
magnetostriktiven oder piezoelektrischen Elements.
- – einer
Vorrichtung, die die Verwendung einer Steuerstrategie gestattet,
die die Kraftstoffströmung
drosseln und den Ventilsitzabrieb verringern kann. Die Fähigkeit
zum Steuern der Hubverschiebung gestattet ein verringertes Einspritzen
mit geringeren Lasten und verringertem Verbrennen vor dem Mischen.
Beispielsweise kann bei Verwendung einer magnetostriktiven oder
piezoelektrischen Betätigungseinrichtung
die Ventilnadelbewegung zwischen ungefähr 10% und 100% gesteuert werden.
Für Bedingungen
mit niedriger Last ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Strömung von
Kraftstoff in die Verbrennungskammer zu verringern, da überschüssiger Kraftstoff
nicht verbrannt werden kann, wodurch sich eine geringere Effizienz
in Betrieb und höhere Emissionen
ergeben.
- – verbesserter
Herstellbarkeit, die durch die Verwendung von axisymmetrischen Zylinderteilen und
wenigen engen Toleranzen zwischen den Einspritzventilkomponen ten
möglich
ist.
- – eines
Ventilbetriebes, der verbessert ist, da die Betätigungsbaugruppe eine bessere
bzw. größere Steuerung
der Ventilnadel gestattet. Beispielsweise kann das Einspritzventilverwendet
werden, um einen gasförmigen
oder flüssigen
Kraftstoff einzuspritzen. Wenn der Kraftstoff gasförmig ist, besteht
eine größere Notwendigkeit
zum Verlangsamen der Ventilnadel beim Schließen, da kein flüssiger Kraftstoff
vorliegt, um das Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz zu
dämpfen.
Durch das Formen der Steuerimpulswellenform, die auf die Betätigungseinrichtung
aufgebracht wird, ist es möglich,
das Schließen
des Einspritzventils zu verlangsamen, um den Stoß auf die Ventilnadel und den
Ventilsitz zu verringern.
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Während spezielle
Elemente, Ausführungsbeispiele
und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben
wurde, ist es verständlich,
dass natürlich
die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern dass Modifikationen
durch den Fachmann vorgenommen werden können, ohne dass vom Bereich
der vorliegenden Ansprüche
abgewichen wird.
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Entsprechend
dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Verfahren
zum Verwendung einer geformten Wellenform zum Steuern eines Einspritzventils,
das eine magnetostriktive oder piezoelektrische Betätigungseinrichtung
verwendet, vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist in der Reihenfolge
- (a) Initiieren eines Einspritzereignisses durch
das Aufbringen eines Steuerimpulses und das beschleunige Ventilöffnen durch
das Anheben des Wertes des Steuerimpulses auf einen Spitzenwert,
der größer als
der Wert ist, der für
den gewünschten
Hub erforderlich ist,
- (b) Verringern des Steuerimpulses von dem Spitzenwert zu einem
Wert, der benötigt
wird, um den gewünschten
Hub vorzusehen,
- (c) Verringern des Steuerimpulses auf einen negativen Wert,
um das Ventilschließen
zu beschleunigen,
- (d) Erhöhen
des Steuerimpulses auf einen positiven Wert, um das Ventilschließen zu verlangsamen,
damit die Auftreffkraft einer Ventilnadel auf einen Ventilsitz verringert
wird, und
- (e) Verringern des Steuerimpulses auf Null, um das Ventil zu
schließen.
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Das
erste Verfahren weist ferner nach dem Erhöhen des Steuerimpulses auf
einen Spitzenwert das momentane Verringern des Steuerimpulses auf einen
Wert auf, der niedriger als der Wert ist, der für den gewünschten Hub nötig ist.
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Bei
dem ersten Verfahren ist der Spitzerwert bis zu ungefähr einer
Größenordnung
höher als
der Wert, der für
den gewünschten
Hub benötigt
wird.
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Bei
dem ersten Verfahren ist der Steuerimpuls ein modulierter Strom,
der zu einer elektrischen Spule einer Betätigungsbaugruppe, die ein magnetostriktives
Element aufweist, gerichtet ist.
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In
dem ersten Verfahren ist der Steuerimpuls eine modulierte Spannung,
die auf einen piezoelektrischen Stapel einer Betätigungsbaugruppe aufgebracht
wird.
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Bei
dem ersten Verfahren kann die Zeit, die benötigt wird, um die Ventilnadel
zwischen einer geschlossenen Position und einer gewünschten
offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 172 Mikrosekunden sein.
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In
dem ersten Verfahren kann die Zeit, die notwendig ist, um die Ventilnadel
zwischen einer geschlossenen Position und einer gewünschten
offenen Position zu bewegen, so kurz wie ungefähr 250 Mikrosekunden sein.