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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Fluideinspritzdüsen
zum Zuführen
von Hochdruckfluid in gesteuerter weise. Genauer ausgedrückt, betrifft die
Erfindung eine verbesserte Brennstoffeinspritzdüse zum Zuführen von Brennstoff zu einem
Verbrennungsmotor. Dementsprechend bestehen die allgemeine Aufgaben
der vorliegenden Erfindung darin, neue und verbesserte Verfahren
und Geräte
einer solchen Art zu schaffen.
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2. Beschreibung des verwandten
technischen Gebiets
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Brennstoffeinspritzdüsen zum
Zuführen
von Brennstoff zu Verbrennungsmotoren sind im technischen Gebiet
gut bekannt. Solche Einspritzdüsen verwenden
typischerweise einen Einspritzdüsenhauptteil,
der so an einem Verbrennungsmotor befestigt ist, dass ein Ende desselben
sich in einen Motorzylinder erstreckt. Der Einspritzdüsenhauptteil
begrenzt einen Innenhohlraum, der mit einer Brennstoffzufuhr verbunden
ist und schließt
ein Nadelventil ein, das mit dem Einspritzdüsenhauptteil zusammenwirkt,
um selektiv von der Brennstoffzufuhr erhaltenes Fluid durch den
inneren Hohlraum des Einspritzdü erhaltenes
Fluid durch den inneren Hohlraum des Einspritzdüsenhauptteils und in den Motorzylinder fließen zu lassen.
Da die meisten Verbrennungsmotoren eine Mehrzahl von Zylindern verwenden,
ist es üblich,
eine oder mehrere solcher Einspritzdüsen mit jedem Motorzylinder
zu verwenden. Jüngere
Entwicklungen konzentrierten sich auf die Zufuhr von Brennstoff
zu diesen mehreren Einspritzdüsen
aus einer gemeinsamen Brennstoffzufuhrschiene.
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Ein Typ der oben beschriebenen Einspritzdüse ist in 1 gezeigt, wobei die Einspritzdüse in der Nichteinspritzphase
in dem Einspritzzyklus gezeigt ist. Die gemeinsame Schieneneinspritzdüse 10 von 1 verwendet ein Hydraulikkraft-Ungleichgewichtsschema,
bei dem ein an einem Ende eines Nadelventils 14 angeordneter
Kraftkolben 12 mit anderen Komponenten zum Steuern der
auf das Nadelventil 14 einwirkenden Gesamtsystemkräfte zusammenwirkt.
In der gezeigten Ausführung
enthält
eine Steuerkammer 16, die angrenzend an ein Ende des Kraftkolbens 12 liegt,
ein Volumen von Hochdruckbrennstoff während der Nichteinspritzphase
des Einspritzzyklus. Die Kraft dieses Hochdruckbrennstoffes wirkt
abwärts
auf den Kraftkolben 12, um der aufwärts wirkenden Kraft des auf
eine Ringdichtung 17 einwirkenden Hochdruckbrennstoffes
entgegenzuwirken und dadurch ein entgegengesetztes Ende des Nadelventils 14 zu
drücken,
um dichtend an einer Lochdüse 22 eines
Einspritzdüsenhauptteils 24 anzugreifen.
In diesem Zustand darf der der Einspritzdüse 10 zugeführte Brennstoff
nicht in den Motorzylinder hindurchfließen. Der Druck innerhalb der
Steuerkammer 16 kann jedoch durch Erregen eines Solenoidbetätigungselements 30 aufgehoben
werden, um ein Ventil 26 zu bewegen und einen Überströmweg 28 von
der Steuerkammer 16 zu einer Niedrigdruckrückführung 27 zu öffnen, um
dadurch den Druck in der Steuerkammer 16 zu senken. wenn
der Druck innerhalb der Steuerkammer 16 auf eine vorbestimmte
Höhe abfällt, basierend
auf der Geometrie verschiedener Einspritzdüsenkomponenten, bewegt sich
das Nadelventil 14 aufwärts,
um Brennstoff durch den Einspritzdüsenhauptteil 24 und
in den Motorzylinder fließen
zu lassen. Aberregen des Solenoidbetätigungselements 30 verschließt den Brennstoffüberströmweg 28.
Der Druck innerhalb der Steuerkammer 16 steigt dann an,
bis er die aufwärts
auf die Dichtung 17 einwirkende Kraft überwindet und das Nadelventil 14 erneut
in seine anfängliche
Stellung gedrückt
wird. Wenn der Brennstoffeinspritzzyklus auf diese weise abgeschlossen
wird, kann er wie gewünscht
wiederholt werden.
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Brennstoffeinspritzdüsen des
oben erörterten
Typs leiden unter einer Reihe von Mängeln, die die Tendenz haben,
die Gesamtleistung zu begrenzen. Erstens leiden solche Einspritzdüsen unter
der Begrenzung, dass sie nur Öffnung
und Schließung der
Einspritzdüse
wie ein Schalter steuern können. Außer Übergangsnadelbewegung
erlauben solche Einspritzdüsen
vom "Schalttyp" dem Nadelventil nur, vollständig geöffnete oder vollständig geschlossene Stellungen
beizubehalten. Daher können
sie nicht die Nadelventilstellung zwischen diesen beiden Extremen
modulieren.
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Ein zusätzlicher Mangel, der mit solchen
Einspritzdüsen
verknüpft
ist, besteht darin, dass die Nadelventile derselben beträchtliche
nichtideale Übergangsbewegungscharakteristiken
aufweisen, die von ihrer Verwendung von Überströmventilen herrühren, welche
großen
Kräften
ihrer Hydraulikkraft-Ungleichgewichtssysteme
ausgesetzt sind. Insbesondere verwenden diese Ausführungen
typischerweise eine "Niederhalte-" Fe der, wie z. B. Feder 21 von 1, die ungefähr 30–40 Pfund
Kraft liefert, um das Überströmventil 26 in
dichtenden Eingriff mit dem Überströmweg 28 während der
Nichteinspritzphase des Einspritzzyklus zu drücken. Diese relativ große Kraft muss
durch das Solenoidbetätigungselement 30 überwunden
werden, bevor Bewegung des Nadelventils 14 erfolgen kann.
Dies führt
zu einer Reihe von Nachteilen. Erstens ist eine minimale Schwellenzeit
erforderlich, um eine ausreichende Magnetkraft in dem Solenoid zum
Initiieren von Bewegung des Überströmventils 26 und
folglich der Einspritzphase des Einspritzzyklus zu erzeugen. In ähnlicher
Weise erfordert Aberregung des Solenoids am Ende der Einspritzphase
eine zusätzliche
Zeitspanne. Dies stellt eine Begrenzung der Geschwindigkeit dar,
in der Einspritzungen während
jedes Einspritzzyklus erfolgen können.
Zweitens ist die Geschwindigkeit, in der die Nadel von einer Stellung
zu einer anderen bewegt werden kann, notwendigerweise durch die
hohe Federkraft begrenzt, die zum Verursachen von Nadelbewegung überwunden
werden muss. Drittens, wenn das Überströmventil
eine seiner beiden Extremstellungen erreicht, führt das Problem der Zerstreuung
der darin enthaltenen beträchtlichen
kinetischen Energie unvermeidbar zu einem oder mehreren von zu weiter
Bewegung, zu kurzer Bewegung, Tanzeffekt (abwechselnde zu weite
und zu kurze Bewegung) oder ballistische Bahn des Überströmventils.
Da die Überströmventilbewegung
schließlich
die Nadelventilbewegung steuert, führten alle der obigen Fehler
zu entsprechenden Fehlern in der Nadelventilbewegung. Zusammengefasst
sind die oben beschriebenen Brennstoffeinspritzdüsen mangelhaft darin, dass
Unvollkommenheiten der Bewegung des Betätigungselements und des Nadelventils
weniger als ideale Steuerung von Ventilverhalten erbringen.
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Diese Probleme werden weiter in Ausführungen
von Brennstoffeinspritzdüsen
verschlimmert, die ein Sicherheitstrennmerkmal aufweisen. Allgemein versuchen
solche Sicherheitsmerkmale die verschiedenen Einspritzereignisse
eines Einspritzzyklus durch Trennen der Hochdruckbrennstoffzufuhr
von der Verbrennungskammer im Fall von Einspritzdüsenversagen
zu steuern. Da die Brennstoffzufuhr von dem Motorzylinder getrennt
wird, können
gefährliche Bedingungen
so wie zu starke Brennstoffzufuhr in dem Fall von Düsenriss
und/oder anderes Versagen vermieden werden. Solche Ausführungen
verschlimmern die oben genannten Mängel, da selektives Trennen
der Einspritzdüse
von der Zuführungsschiene
zusätzliche
Anforderungen von hoher Strömungsfähigkeit
und hoher Reaktionsgeschwindigkeiten an die von solchen Einspritzdüsen geforderten,
bereits strengen Leistungscharakteristiken stellt.
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Deshalb bleibt ein Bedarf im technischen
Gebiet für
eine verbesserte Brennstoffeinspritzdüse vorhanden, die die vorgenannten
Mängel
des Standes der Technik durch Verwendung eines kleinen Hydraulikkraft-Ungleichgewichtsschemas überwindet, das
auf das Betätigungselement
einwirkt, um eine gewünschte
variable Stellung des Nadelventils anstelle der typischen Zweistellungssteuerung
zu erreichen.
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Ferner bleibt ein Bedarf im technischen
Gebiet an einer verbesserten Sicherheitsbrennstoffeinspritzdüse bestehen,
die die vorgenannten Mängel des
Standes der Technik durch Schaffen eines Trennmerkmals "außerhalb
des Zyklus" überwindet, das
die Einspritzdüse
automatisch von der Zuführungsschiene
während
der Nichteinspritzphase jedes Einspritzzyklus trennt.
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Außerdem bleibt ein Bedarf im
technischen Gebiet für
eine Brennstoffeinspritzdüse
bestehen, die die Nadelventilstellung modulieren kann, um dadurch den
Brennstoff zu drosseln, der aus der Brennstoffzuführung in
den Motorzylinder fließt.
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Das US-Patent Nr. 5,397,055 offenbart
eine Hochdruckbrennstoffeinspritzdüse mit einem Einspritzdüsenhauptkörper, der
einen inneren Hohlraum begrenzt, welcher einen Steuerbereich, einen
Hochdruckbrennstoffbereich in Fluidverbindung mit der Hochdruckbrennstoffzufuhr,
einen Düsenbereich
in Fluidverbindung mit der Hochdruckbrennstoffzufuhr, der sich in
den Motorzylinder erstreckt, und einen Niedrigdruckbrennstoffbereich
in Fluidverbindung mit einer Niedrigdruckbrennstoffrückführung einschließt. Eine
innerhalb des inneren Hohlraum des Einspritzdüsenhauptteils angeordnete Nadelventilanordnung bewegt
sich zwischen einer ersten und zweiten Stellung, so dass eine Oberfläche der
Nadel Brennstoffströmung
durch den Düsenbereich
blockiert, wenn die Nadel sich in der ersten Stellung befindet,
und Brennstoffströmung
durch den Düsenbereich
erlaubt, wenn sich die Nadel in der zweiten Stellung befindet. Ein
Verteilerventil erlaubt selektiv Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckbrennstoffbereich
und dem Steuerbereich und zwischen dem Niedrigdruckbrennstoffbereich
und dem Steuerbereich.
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Eine solche Hochdruckbrennstoffeinspritzdüse unterliegt
den gleichen Mängeln
wie die Brennstoffeinspritzdüse
des Standes der Technik von 1.
Zum Beispiel wird die Öffnung
und Schließung der
Einspritzdüse
wie ein Schalter gesteuert, wobei das Nadelventil sich entweder
in einer vollständig
offenen oder vollständig
geschlossenen Stellung befindet, wobei die einzige Variation zwischen
den offenbarten Ausführungsformen
die Frequenz der Bewegung des Nadelventils darstellt. Außerdem arbeiten das
Verteilerventil, Solenoid- und Nadelventil ausreichend wie diejenigen
der Brennstoffeinspritzdüse von 1, um den anderen Mängeln zu
unterliegen, denen die Brennstoffeinspritzdüse von 1 unterliegt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Brennstoffeinspritzdüse zu schaffen, die selektiv
Einspritzen von Brennstoff aus einer Brennstoffzufuhr in einen Motorzylinder
erlaubt, um dadurch eine optimale Kombination von (1) Einfachheit; (2)
Zuverlässigkeit;
(3) Wirksamkeit; und (4) Vielseitigkeit zu schaffen.
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Diese und andere Aufgabe und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden in einer Ausführungsform geschaffen, indem
eine Brennstoffeinspritzdüse
des Typs geschaffen wird, der dazu verwendet wird, Brennstoff in
einen Zylinder eines Verbrennungsmotors einzuspritzen, wenn er darin
installiert ist, wobei der Motor eine damit verknüpfte Hochdruckbrennstoffzufuhr,
die Brennstoff zu der Einspritzdüse
liefert, und eine Niedrigdruckbrennstoffrückführung hat, durch die Brennstoff
von der Einspritzdüse
entfernt wird, welche Einspritzdüse
aufweist:
einen Einspritzdüsenhauptteil,
der einen inneren Hohlraum begrenzt, welcher innere Hohlraum einen Steuerbereich
einschließt,
einen
Steuerbereich,
einen Hochdruckbrennstoffbereich, der fluidmäßig mit
der Hochdruckbrennstoffzufuhr verbunden ist,
einen Düsenbereich,
der fluidmäßig mit
der Hochdruckbrennstoffzufuhr verbunden ist, und
wenigstens
teilweise im Motorzylinder angeordnet ist, um Brennstoff in den
Zylinder einzuspritzen, und
einen Niedrigdruckbrennstoffbereich,
der fluidmäßig mit
der Niedrigdruckbrennstoffrückführung verbunden
ist;
eine Nadelventilanordnung, die wenigstens teilweise innerhalb
des inneren Hohlraums für
Bewegung zwischen ersten und zweiten Stellungen angeordnet ist, welche
Nadelventilanordnung eine Steueroberfläche in dem Steuerbereich aufweist
und einen Einspritzbereich hat, der Brennstoffströmung durch
den Düsenbereich
sperrt, wenn die Nadel sich in der ersten Stellung befindet, und
Brennstoffströmung
durch den Düsenbereich
in den Zylinder erlaubt, wenn die Nadel sich in der zweiten Stellung
befindet; und
Steuerventilmittel zum selektiven Erlauben von
Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckbrennstoffbereich und dem
Steuerbereich und zwischen dem Niedrigdruckbrennstoffbereich und
dem Steuerbereich, um dadurch selektiv das Volumen des Steuerbereichs
zu ändern,
das auf die Steueroberfläche wirkt,
um die Nadelanordnung zwischen den ersten und zweiten Stellungen
zu verschieben,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilmittel aufweisen:
einen
Kolben, der dichtend am Einspritzdüsenhauptteil angreift, um den
Steuerbereich zu begrenzen, welcher Kolben an der Nadelventilanordnung
befestigt ist und erste, zweite und dritte Brennstoffwege und eine
Stiftaufnahmeöffnung
einschließt,
welche ersten, zweiten und dritten Brennstoffwege fluidmäßig mit
der Stiftaufnahmeöffnung
verbunden sind, wobei der erste Weg fluidmäßig mit dem Hochdruckbrennstoffbereich
verbunden werden kann; der zweite weg fluidmäßig mit dem Niedrigdruckbrennstoffbereich
verbunden werden kann, und der dritte Weg fluidmäßig mit dem Steuerbereich verbunden
ist;
einen Stift, der wenigstens teilweise dichtend innerhalb
der Stiftaufnahmeöffnung
für Bewegung
zwischen einer anfänglichen
und einer Einspritzstellung angeordnet ist, welcher Stift eine Ausnehmung
aufweist, die fluidmäßig die
ersten und dritten Wege des Kolbenteils verbindet, wenn der Stift
sich in seiner anfänglichen
Stellung befindet, um dadurch die Nadel in die erste Stellungen
zu drücken,
wobei die Stiftausnehmung fluidmäßig die
zweiten und dritten Wege des Kolbenteils verbindet, wenn sich der
Stift in der Einspritzstellung befindet, um dadurch die Nadel in die
zweite Stellung zu drücken;
und
ein Betätigungselement,
das mit dem Stift verbunden ist, um selektiv den Stift zwischen
der anfänglichen und
der Einspritzstellung anzutreiben.
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Ein deutlicher Vorteil der vorliegenden
Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik besteht darin, dass die Bewegung der Nadel
kontinuierlich während
des Brennstoffeinspritzzyklus variiert werden kann. Daher kann die
Nadelstellung zum Drosseln der Brennstoffeinspritzgeschwindigkeit über Strömungsbegrenzung
von Nadel zu Sitz, ein Drosselschema, wie z. B. in US. Re 34,999
"Hole Type Fuel Injector and Injection Method" [Brennstoffeinspritzdüse vom Lochtyp
und Einspritzverfahren] oder eine funktional ähnliche Anordnung verwendet
werden. Dies bietet eine bedeutende Erhöhung von Steuerung und Vielseitigkeit
gegenüber
Einspritzdüsenbetätigung vom
"Schaltertyp" des verwandten technischen Gebiets.
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Ein anderer bedeutender Vorteil der
vorliegenden Erfindung in bezug zum verwandten technischen Gebiet
besteht darin, dass die Einspritzdüse der vorliegenden Erfindung
sich näher
idealen Einspritzcharakteristiken annähern kann. Dies ist ein direktes
Ergebnis der erfindungsgemäßen Verwendung
eines Steuerventilmittels, das von den Hydraulikkräften entkoppelt
ist, die auf die Nadelventilstellung einwirken. Da die auf das Ventilmittel
einwirkenden Steuerkräfte
keine Funktion von Düsen/Einspritzvorgängen sind,
sind die Einspritzdüsen
der vorliegenden Erfindung bei weitem genauer als diejenigen des
Standes der Technik. Diese Genauigkeit wird weiter aufgrund dessen
verbessert, dass die Brennstoffströmung innerhalb der Einspritzdüse direkt
in bezug zu einer steuerbaren Nadelventilstellung steht. Diese Vorteile
führen
zu einer Einspritzdüse,
die mehrere konsistente und gesteuerte Einspritzung pro Einspritzzyklus
erzeugen kann, was zum Beispiel zum Minimieren von Verbrennungslärm und NOX-Emissionen
[schädliche
Emissionen] verwendet werden kann.
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Zahlreiche andere Vorteile und Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden Personen mit gewöhnlichen Kenntnissen in die sem
technischen Gebiet von der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung,
von den Patentansprüchen
und von den beigefügten
Zeichnungen deutlich werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen gleiche Ziffern gleiche
Strukturen darstellen und in denen:
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1 eine
Querschnittansicht einer gemeinsamen Schieneneinspritzdüse des Standes
der Technik ist;
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2 eine
Querschnittansicht eines Teils einer Ausführungsform der gemeinsamen
Schieneneinspritzdüse
der vorliegenden Erfindung ist;
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3A-3D den
Betrieb der in 2 gezeigten
gemeinsamen Schieneneinspritzdüse
im Verlauf eines Einspritzzyklus darstellen;
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4 eine
Ansicht einer Einspritzdüse ähnlich der
von 2 ist, die ein Sicherheitstrennmerkmal
aufweist, wobei diese Einspritzdüsen
keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet; und
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5A-5E den
Betrieb der gemeinsamen Schieneneinspritzdüse von 4 im Verlauf eines Einspritzzyklus darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die bevorzugte Ausführungsform
der Einspritzdüse
gemäß der Erfindung
soll unter gemeinsamer Bezugnahme auf die 2 und 3A bis 3D beschrieben werden. Diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen
in diesem Gebiet werden einfach erkennen, dass die Einspritzdüse 40 von 2 die vorliegende Erfindung
in eine indirekte servogesteuerte Brennstoffeinspritzdüse vom gemeinsamen Schienentyp
zum Gebrauch mit einem Dieselmotor einbaut. Es wird jedoch auch
erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung in eine Vielzahl
anderer Arten bekannter Brennstoffeinspritzdüsen wie z. B. diejenigen für Schichtladungsmotoren
mit Benzindirekteinspritzung eingebaut werden kann.
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Die servogesteuerte gemeinsame Schieneneinspritzdüse 40 von 2 schließt einen Einspritzdüsenhauptteil 42 ein,
der aus einer Mehrzahl zusammengebauter Komponenten 41, 43, 45 und 47 besteht.
Dieser Einspritzdüsenhauptteil 42 kann
in einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) mit einer Locheinspritzdüse (nicht
gezeigt) installiert werden, die innerhalb des Motorzylinders angeordnet
ist. Die Verbrennungsmotorabteilung, in der die vorliegende Erfindung
verwendet wird, umfasst vorzugsweise eine Hochdruckbrennstoffzufuhr
(nicht gezeigt), die Brennstoff bei ungefähr 20.000 psi oder 1000 Bar
der Einspritzdüse 40 liefert,
und eine Niedrigdruckbrennstoffrückführung (nicht
gezeigt), die Niedrigdruckbrennstoff aus der Einspritzdüse 40 entfernt.
Die Hochdruckbrennstoffzufuhr ist vorzugsweise mit einem Hochdruckbrennstoffleitungsbereich 48 eines inneren
Hohlraums 46 verbunden, der innerhalb des Einspritzdüsenhauptteils 42 begrenzt
ist. Der innere Hohlraum 46 umfasst ferner einen Steuerkammerbereich 50 und
einen Niedrigdruckbrennstoffrückführbereich 52,
der sich von diesem erstreckt. Wenigstens eine Düsenöffnung (nicht gezeigt) erstreckt
sich durch den Einspritzdüsenhauptteil 42 in
einem Düsenbereich
desselben und in den inneren Hohlraum 46, um Fluidverbindung
zwischen denselben zu erlauben.
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Die Einspritzdüse umfasst weiter eine bewegbare
Nadelventilanordnung 54, die innerhalb des inneren Hohlraums 46 für Bewegung
zwischen einer Brennstoffsperr- und Brennstoffeinspritzstellung
angeordnet ist. Die Nadelanordnung 54 umfasst vorzugsweise
ein erstes Ende (nicht gezeigt), das dichtend an dem Einspritzhauptteil 42 angreifen
kann, um Brennstoffdurchgang durch die Düsenöffnung zu sperren, wenn sich
das Nadelventil 54 in der Brennstoffsperrstellung befindet.
Es wird einfach erkannt werden, dass das Nadelventil 54 in
einer breiten Vielzahl von Arten geformt sein kann, um den Einspritzdüsenhauptteil 42 dichtend
zu ergreifen, um die Strömung
von Brennstoff durch den inneren Hohlraum 46 bei Bedarf
zu begrenzen. Ein zweites Ende des Nadelventils 54 weist
vorzugsweise einen Kraftkolben 56 auf, der dichtend an
dem Einspritzdüsenhauptteil 42 angreift,
um eine Steuerkammer 50 mit variablem Volumen dazwischen
zu begrenzen. Der Kraftkolben 56 umfasst vorzugsweise eine
Bohrung 60, die sich axial durch die Mitte des Kraftkolbens 56 erstreckt, und
eine Mehrzahl von Fluidwegen 62, die in Fluidverbindung
mit der Bohrung 60 stehen. Wie 2 zu entnehmen sein wird, ist ein Steuerfluidweg 61 immer in
Fluidverbindung mit der Steuerkammer 50 und die restlichen
Fluidwege sind selektiv in Fluidverbindung mit der Hochdruckbrennstoffleitung 48 und
der Niedrigdruckbrennstoffrückführleitung 52.
Schließlich schließt die Nadelanordnung 54 auch
eine Ringdichtung 55 ein, um den Eintritt von Hochdruckbrennstoff in
einen Niedrigdruckfederbereich 57 zu verhindern. Es erkannt
werden, dass diese Anordnung wirksamen Kraftausgleich für die Nadel 54 zwischen
der Dichtung 55 und dem Kolben 56 aufgrund der
Kraft des auf diese Komponenten einwirkenden Brennstoffdrucks schafft.
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2 zeigt
ferner die Einspritzdüse
der vorliegenden Erfindung, die ein Betätigungselement 64 und
einen Servo- oder Betätigungsstift 66 einschließt, der
sich von diesem und in die Bohrung 60 des Kraftkolbens 56 erstreckt.
In dieser Figur ist das Nadelventil 54 in der Brennstoffeinspritzstellung
gezeigt, und daher ist eine Vorspannungsfeder 68, die zum
Abdichten der Einspritzdüse
dient, wenn der Motor abgeschaltet ist, in einem zeitweilig inaktiven
Zustand gezeigt. Außerdem
ist der Servostift 66 frei innerhalb der Bohrung 60 bewegbar
und befindet sich zwischen dem auf das Ende des Servostifts 66 einwirkenden
Niedrigdruckbrennstoff und einer entgegenwirkenden Feder 73 niedriger
Kraft im Kraftausgleich; es wird erkannt werden, dass das Betätigungselement 64 von
den großen
und aktiven Übergangsdrucken
entkoppelt ist, die normalerweise mit gemeinsamen Schieneneinspritzdüsen verknüpft sind.
Der Durchmesser des Stifts 66 und der diesen aufnehmenden
Bohrung 60 des Kolbens 56 sind vorzugsweise minimiert,
um die innerhalb des Kraftkolbens 56 erzeugten mechanischen
Belastungen zu reduzieren.
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Eine Vielzahl von Betätigungselementen,
die im technischen Gebiet gut bekannt sind, können zum Gebrauch mit der vorlie genden
Erfindung angepasst werden. Ein Betätigungselement 64 vom
Schwingspulentyp mit einer beweglichen Spule 70 und einem Dauermagneten 72 ist
jedoch besonders gut für
die vorliegende Erfindung geeignet, da, wenn Strom an die Spule
angelegt wird, eine Reaktionskraft erzeugt wird, die proportional
zu der Flussdichte und dem derselben gelieferten Strom ist. Daher
können
in beiden entgegengesetzten Richtungen erzeugte Reaktionskräfte (und
von einer jeglichen gewünschten
Größe) erzeugt
werden, indem Spannungen von geeigneter Polarität und Größe den elektrischen Leitungen 74 der
Spule 70 geliefert wird. Es wird einfach erkannt werden,
dass, da das Servobetätigungselement 64 von
dem Hydraulikkraft-Ungleichgewichtsschema
entkoppelt ist, das auf das Nadelventil einwirkt, keine hohen Kraftausgaben
durch das Betätigungselement 64 erzeugt
werden müssen,
um die vorliegende Erfindung zu betätigen. Daher ist die Antriebskraft
des Servo- oder
Betätigungsstifts 66 relativ
niedrig und die Reaktion des Schwingspulenbetätigungselements 64 ist
besonders gut. Schließlich,
da das Betätigungselement 64 einen
Stoß von
wenigstens der gleichen Größe wie die
Einrichtung aufweisen sollte, die es steuert, liefert das bevorzugte
Betätigungselement 64 einen
Stoß im
Bereich von etwa 0,010" bis etwa 0,017", um Düsennadelventilbewegung anzupassen,
die gewöhnlich
in Dieselmotoren verwendet wird.
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Die Verwendung eines Schwingspulenbetätigungselements
schafft den zusätzlichen
Vorteil, dass die Nadelventilstellung einfach überwacht werden kann. Dies
wird zum Beispiel durch Einbau eines Spulenstellungssensors in die
Betätigungselementanordnung
erreicht. Da die Nadelventilstellung in direktem Bezug zu der Betätigungselementspulenposition
steht, erhält
der Stellungssensor einfach Stellungsinformationen für das Nadelventil.
Als eine Alternative zur Verwendung eines Spulenstellungssensors
kann die Nadelventilstellung durch Erfassen der an die Schwingspule 70 angelegten
elektromotorischen Gegenspannung kontrolliert werden. Zum Beispiel
können Änderungen
in der elektromotorischen Kraft plötzliche Verlangsamung der Spule
anzeigen, wenn sie einen Bewegungshalt erreicht. Daher kann die
elektromotorische Kraft durch das Treiberschaltsystem erfasst, zum
Anzeigen der Stellung des Nadelventils 54 interpretiert
und zum Verbessern der Leistungscharakteristiken der Einspritzdüse 40 verwendet
werden.
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Der Servostift 66, der sich
von dem Betätigungselement 64 erstreckt,
wird vorzugsweise dichtend innerhalb der Bohrung 60 des
Kraftkolbens 56 für
Bewegung darin aufgenommen und enthält vorzugsweise eine Ringausnehmung 76 in
dem Bereich, der innerhalb der Bohrung 60 aufgenommen wird. Zusammenwirkung
zwischen dem Servostift 66 und dem Kraftkolben 56 erlaubt
oder sperrt selektiv Fluidverbindung zwischen den verschiedenen
Fluidwegen 62 des Kraftkolbens aufgrund der Relativbewegung zwischen
dem Servostift 66 und dem Kraftkolben 56. Der
Kolben 56 schließt
eine Öffnung 51 ein,
die die Bohrung 60 in Fluidverbindung mit einem Niedrigdruckbrennstoffbereich 52 bringt.
Es erfolgt daher Kraftausgleich des Servostifts 66 zwischen
der Feder 73 niedriger Kraft und dem Niedrigdruckbrennstoff von
dem Bereich 52, der auf ein Ende des Servostifts 66 einwirkt.
Natürlich
wird die bestimmte Stellung des Servostifts 66 durch die
Stellung des Betätigungselements 64 bestimmt
werden. Die bestimmte Stellung des Kraftkolbens 56 wird
durch das Volumen von Brennstoff in der Steuerkammer 50 sowie
die entgegenwirkende Kraft vorgeschrieben, die auf der andere Seite
des Niedrigdruckbrennstoffbereichs 52 durch den auf die
Dichtung 55 einwirkenden Hochdruckbrennstoff dargestellt
wird.
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Ein Beispiel des Betriebs der gemeinsamen Schieneneinspritzdüse 40 von 2 soll nun unter gemeinsamer
Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben werden. In der folgenden
Erörterung
soll der anfängliche
Zustand der verschiedenen Komponenten als der Zustand jeder Komponente
genommen werden, wenn die Einspritzdüse 40 sich in der Nichteinspritzphase
des Einspritzzyklus befindet. Die Positionierung von Einspritzdüsenkomponenten während der
Einspritzphase des Einspritzzyklus ist in Figur 2 gezeigt. 3A-3D stellen den Betrieb der Einspritzdüse 40 im
Verlauf eines Einspritzzyklus und zwei Umdrehungen eines zugehörigen Motors
dar.
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Während
der Nichteinspritzphase befindet sich der Servostift 66 in
seiner anfänglichen
Stellung entsprechend einem aberregten Schwingspulenbetätigungselement 64.
Die Kraft des Hochdruckbrennstoffs innerhalb der Steuerkammer 50 treibt
das Nadelventil 54 in die Brennstoffsperrstellung. Daher
befindet sich das Nadelventil 54 in dichtendem Eingriff mit
dem Einspritzdüsenhauptteil 42 und
Brennstoff kann nicht durch die Lochdüse der Einspritzdüse fließen. Da
die Hochdruckbrennstoffleitung 48 in Fluidverbindung mit
der Steuerkammer 50 während
der Nichteinspritzphase des Einspritzzyklus steht, zeigt 3B, dass der Druck der Steuerkammer 50 ungefähr 1000
Bar beträgt.
Dies entspricht dem Hochdruck des Brennstoffs aus der Brennstoffzufuhr.
Da der Düsenbereich
des inneren Hohlraums 46 in Fluidverbindung mit der Hochdruckbrennstoffzufuhr steht,
befindet er sich auch auf dem Hochdruckpegel von 1000 Bar (siehe 3C). Während
irgendein Auslaufen von Hochdruckbrennstoff theoretisch während der
Nichteinspritzphase auftreten kann, wird diese Möglichkeit aufgrund kleiner
linearer Dichtungslängen
der verschiedenen Komponenten der Einspritzdüse minimiert.
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Die Einspritzphase des Einspritzzyklus
beginnt mit Bewegung des Servostifts 66 aus seiner anfänglichen
Stellung zu einer Einspritzstellung (Siehe 3A).
Wenn die Ausnehmung 76 des Servostifts 66 positioniert
ist, um Fluidverbindung zwischen der Niedrigdruckfluidrückführleitung 52 und
der Steuerkammer 50 zu erlauben, fällt der Steuerkammerdruck (siehe 3B). Außerdem wird die Hochdruckbrennstoffleitung 48 von
der der Steuerkammer getrennt. Die auf die Dichtung 55 einwirkende
Kraft drückt
die Nadelanordnung 54 nach oben und das Volumen der Steuerkammer 50 nimmt
ab. Schließlich
wird das Nadelventil 54 so weit angehoben werden, um die
Verbindung mit der Niedrigdruckrückführleitung 52 zu trennen
und kann sogar leicht eine zu weite Bewegung ausführen, um
die Fluidverbindung zwischen der Steuerkammer 50 und der
Hochdruckbrennstoffleitung 48 wieder herzustellen. Diese
Bewegung des Nadelventils 54 erlaubt Brennstoff, aus der
Brennstoffzufuhr durch die Düsenöffnung (nicht
gezeigt) und in den Motorzylinder (nicht gezeigt) zu fließen. Wie
den 3A-3D zu entnehmen ist, stellt
das Schema sicher, dass die Stellung des Nadelventils 54 proportional
zu der des Servostifts 66 sein wird.
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Am Ende der Einspritzphase des Einspritzzyklus
wird das Betätigungselement 64 aberregt
und der Servostift 66 nimmt erneut seine anfängliche Stellung
ein. Bewegung des Servostifts 66 erlaubt Fluidverbindung
zwischen der Hochdruckbrennstofflei tung 48 und der Steuerkammer 50.
Dies wiederum erhöht
den Druck und das Volumen in der Steuerkammer 50, bis der
Kraftkolben 56 das Nadelventil 54 zurück zu seinem
Ausgangszustand gegen die auf die Dichtung 55 einwirkende
Kraft treibt. Ein einfacher Einspritzzyklus wird auf diese Weise
abgeschlossen. Natürlich
kann dieser Prozess wie gewünscht
wiederholt werden.
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während
das Beispiel oben zeigt, dass die Einspritzdüse 40 der vorliegenden
Erfindung als ein Schalter wirken kann, wird auch einfach erkannt
werden, dass durch Anlegen geeigneter Spannungen an das Betätigungselement 64 die
Stellung des Nadelventils 54 moduliert werden kann, um
dadurch die Menge von Fluid zu drosseln, die durch die Düsenöffnung zugeführt wird.
Auf diese weise kann eine breite Vielfalt von Einspritzzyklusprofilen
erreicht werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die ein Sicherheitstrennmerkmal verwendet, ist in 4 dargestellt. Diese Ausführungsform
ist nur zur Information eingeschlossen und bildet keinen Teil der
beanspruchten Erfindung. Die Struktur und der Betrieb dieser Ausführungsform
ist im wesentlichen ähnlich
denjenigen, die oben in Bezug zu den 2 und 3 beschrieben sind, mit den folgenden primären Ausnahmen.
Erstens ist die Hochdruckbrennstoffzufuhr nicht direkt mit der Lochdüse (nicht
gezeigt) verbunden. Stattdessen kann Brennstoff nur durch die Düsenöffnung eingespritzt
werden, nachdem er durch die Hochdruckbrennstoffleitung 48' und eine
zusätzliche
Hochdruckbrennstoffleitung 49' geflossen ist. Daher sperrt
und erlaubt das Nadelventil 54' selektiv Fluidverbindung
zwischen der zusätzlichen
Hochdruckbrennstoffleitung 49' und der Lochdüse. Zweitens
verwendet der Servostift 66' eine erste und zweite ringförmige Ausnehmung 76' und 77' entlang
der Länge
derselben, um selektiv Fluidverbindung zwischen den verschiedenen
Fluidwegen 62' des Kraftkolbens 56' zu erlauben.
Schließlich
ist ein zusätzlicher
Fluidweg 63' in dem Kraftkolben 56' vorgesehen.
Dieser Fluidweg 63' wirkt mit einem entsprechenden Fluidweg
auf der entgegengesetzten Seite der Kolbenbohrung 60' zusammen,
um Fluidverbindung zwischen der Hochdruckbrennstoffleitung 48' und
der zusätzlichen
Hochdruckbrennstoffleitung 49' zu erlauben, wenn eine der
Servostiftausnehmungen 76' und 77' mit dieser
ausgerichtet ist.
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Ein Beispiel des Betriebs der Einspritzdüse 40' von 4 soll allgemein im folgenden
unter gemeinsamer Bezugnahme auf 4 und
die 5A-5E beschrieben werden, wobei
mit der Nichteinspritzphase des Einspritzzyklus begonnen werden soll.
Während
die 5A, 5B und 5D allgemein analog zu den 3A, 3B und 3D der
vorhergehend beschriebenen Ausführungsform
sind, stellt 5C den Druck innerhalb
des Hochdruckfluidleitungsbereichs 49' der Ausführungsform
von 4 dar. Zusätzlich zeigt 5E Fluidverbindung innerhalb der verschiedenen
Bereiche des inneren Hohlraums 46'. In 5E stellt
eine gestrichelte Linie A1 Fluidverbindung
zwischen der Hochdruckbrennstoffzufuhr und der Steuerkammer 50' dar.
Die durchgezogene Linie A2 stellt Fluidverbindung
zwischen der Hochdruckbrennstoffzufuhr und der zusätzlichen
Hochdruckfluidleitung 49' dar. Und die gestrichelte Linie
A3 stellt Fluidverbindung zwischen der Steuerkammer 50' und
der Niedrigdruckrückführleitung 52' dar.
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In dieser Ausführungsform der servogesteuerten
gemeinsamen Schieneneinspitzdüse 40' führt der
aberregte Zustand des Schwingspulenbetätigungselements 64' dazu,
dass der Servostift 66' eine anfängliche Stellung annimmt, die
derjenigen der oben erörterten
Ausführungsform
entspricht. In ähnlicher
Weise wird das Steuerkammervolumen maximiert und das Nadelventil 54' greift
dichtend an dem Einspritzdüsenhauptteil 42' an,
um Strömung
von Fluid durch die Düsenöffnung(en)
zu verhindern. Da die zusätzliche
Hochdruckbrennstoffleitung 49' jedoch von der Hochdruckbrennstoffleitung 48' während der
meisten Zeit der Nichteinspritzphase getrennt ist, ist der darin
vorliegende Brennstoffdruck bedeutend niedriger als der der Hochdruckbrennstoffleitung 48'.
Daher steht die Steuerkammer 50' während der Nichteinspritzphase
in Fluidverbindung mit der Hochdruckbrennstoffleitung 48',
die Hochdruckbrennstoffleitung 48' steht nicht in Fluidverbindung
mit der zusätzlichen
Hochdruckbrennstoffleitung 49', und die Steuerkammer 50' steht
nicht in Fluidverbindung mit der Niedrigdruckrückführleitung 52'.
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Vor der Initiierung der Einspritzphase
wird die Schwingspule 64' teilweise erregt, um den Servostift 66' zu
veranlassen, eine "Null" oder bereite Stellung anzunehmen. Diese
Bewegung des Servostifts 66' ist ausreichend, um Fluidverbindung
zwischen der Hochdruckbrennstoffleitung 48' und der zusätzlichen
Hochdruckbrennstoffleitung 49' zu erlauben. Diese Bewegung
unterbricht nicht die Fluidverbindung zwischen der Hochdruckbrennstoffleitung 48' und
der Steuerkammer 50'. Sie unterbricht auch nicht die Fluidverbindung
zwischen der Steuerkammer 50' und der Niedrigdruckrückführleitung 52'.
Daher bewegt sich das Nadelventil 54' nicht.
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Während
der Einspritzphase wird das Betätigungselement 64' jedoch
weiter erregt und der Servostift 66' bewegt sich zu einer
zweiten oder Einspritzstellung. Während einer solchen Bewegung wird
die Fluidverbindung zwischen der Steuerkammer 50' und der
Hochdruckbrennstoffleitung 48' unterbrochen, und die Fluidverbindung
zwischen der Niedrigdruckrückführleitung 52' und
der Steuerkammer 50' wird begonnen. Dementsprechend wird
der Druck in der Steuerkammer aufgehoben und das Volumen der Steuerkammer
nimmt auf einen minimalen Wert ab. Wenn der Servostift 66' seine
Einspritzstellung erreicht hat, wird Fluidverbindung zwischen der Hochdruckbrennstoffleitung 48' und
der zusätzlichen Hochdruckbrennstoffleitung 49' hergestellt
und das Nadelventil 54' greift nicht mehr dichtend an dem
Einspritzdüsenhauptteil 42' an.
Dementsprechend darf Brennstoff aus der Hochdruckleitung 48' durch
die Lochdüse
und in den Motorzylinder (nicht gezeigt) fließen.
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Am Ende der Einspritzphase des Einspritzzyklus
nimmt der Servostift 66' erneut seine anfängliche
Stellung ein, was eine Vergrößerung des
Volumens der Steuerkammer 50' verursacht, und das Nadelventil 54' wird
zu einer fliudsperrenden Stellung zurückgedrückt. Ferner wird die zusätzliche
Hochdruckbrennstoffleitung 49' von der Hochdruckbrennstoffleitung 48' getrennt.
Dies verursacht, dass der darin vorhandene Druck nach und nach aufgrund
von Auslaufen abfällt.
Wenn dieser Einspritzzyklus abgeschlossen worden ist, kann er, natürlich, wie
gewünscht
wiederholt werden.
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Da das Sicherheitstrenn-/Freigabemerkmal der
vorliegenden Erfindung automatisch während jedes Einspritzzyklus
aktiv ist, ist es zuverlässiger
und wirksamer als frühere
Sicherheitstrennschemata. Diese früheren Sicherheitsschemata erfordern,
dass Fehlererkennung erfolgt, bevor irgendeine korrigierende Sicherheitsaktion
initiiert wird. Diese Schemata ar beiten daher oft zu langsam, um
Motorschaden zu verhindern. Im Gegensatz hierzu, liefert automatischer
Betrieb der Trennmerkmale der vorliegenden Erfindung eine ungefähre Freigabe
des beabsichtigten Einspritzvorgangs sogar in dem Fall einer versagenden
Düsenspitze.
Zum Beispiel wird dieses Trenn/Freigabemerkmal ermöglichen,
dass Brennstoffeinspritzung innerhalb der freigegebenen Phase erfolgt,
welche, während
sie nicht die genaue beabsichtigte Kalibrierung erreicht, Antriebskraft
liefern wird und nicht zu Motorschaden führen wird.
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Viele Variationen der vorliegenden
Erfindung sind möglich.
Zum Beispiel können
die relativen Stellungen der Hochdruckbrennstoffleitung und der
Niedrigdruckrückführleitung
so geändert
werden, dass die Bewegung des Nadelventils umgekehrt in Bezug zu der
Bewegung des Servostifts ist. Außerdem kann die Anzahl, Stellung,
Form und Größe der Ausnehmungen
des Servostifts wie gewünscht
modifiziert werden. In ähnlicher
Weise können
die Anzahl, Größe, Form
und Stellung der sich durch den Kraftkolben erstreckenden Fluidwege
wie gewünscht
geändert werden. Änderung
des Servostifts und Kraftkolbens auf diese Weise liefert die Fähigkeit
einer breiten Vielfalt von Einspritzzyklen. Die schafft die Fähigkeit, mehrere
Einspritzvorgänge
mit einer einzigen Bewegung des Servostifts zu liefern. Natürlich, und
wie oben festgestellt, sind die hier erörterten Prinzipien der vorliegenden
Erfindung einfach an eine breite Vielfalt gut bekannter und gewöhnlich verwendeter Typen
von Brennstoffeinspritzdüsen
anpassbar.
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Während
die vorliegende Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde,
was momentan als die praktischsten und am stärksten bevorzugten Ausführungsformen
angesehen wird, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht
auf die offenbarte Ausführungsform
begrenzt ist, sondern verschiedene Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen einschließen
soll, die in dem Umfang der anliegenden Patentansprüche enthalten
sind.
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Übersetzung
der Figuren
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1
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PRIOR ART STAND DER TECHNIK
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3a, 3b, 3c, 3d:
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SERVO PIN POSITION (LIFT) SERVOSTIFTSTELLUNG
(HUB)
NON-INJECTION PHASE NICHTEINSPRITZPHASE
INJECTION
PHASE EINSPRITZPHASE
CONTROL CHAMBER PRESSURE STEUERKAMMERDRUCK
INJECTOR/NOZZLE
PRESSURE EINSPRITZDÜSENDRUCK
INTERIOR
CAVITY PRESSURE INNERER KAMMERDRUCK
NOZZLE VALVE LIFT DÜSENVENTILHUB
ENGINE
ANGULAR ROTATION MOTORWINKELDREHUNG
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5a
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"ZERO" OR READY POSITION "NULL" ODER
BEREITE STELLUNG
DISCONNECT POSITION TRENNSTELLUNG
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5b
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CONTROL CHAMBER PRESSURE STEUERKAMMERDRUCK
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5c
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AUXILIARY HIGH-PRESSURE FLUID DRUCK
VON ZUSÄTZLICHER
CONDUIT
PRESSURE HOCHDRUCKFLUIDLEITUNG
ENGINE ANGULAR ROTATION MOTORWINKELDREHUNG
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5d
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NOZZLE VALVE LIFT DÜSENVENTILHUB
FLOW
AREAS STRÖMUNGSBEREICHE
ENGINE
ANGULAR ROTATION MOTORWINKELDREHUNG