DE69917298T2

DE69917298T2 - Brennstoffinjektor

Info

Publication number: DE69917298T2
Application number: DE69917298T
Authority: DE
Inventors: Ning Lei; Yang Xilin; C. Steven ARNOLD
Original assignee: International Engine Intellectual Property Co LLC
Current assignee: International Engine Intellectual Property Co LLC
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: US6604507B1; KR20010052790A; JP2002525477A; EP1112445B1; WO2000015959A9; ATE266808T1; EP1112445A4; DE69917298D1; WO2000015959A1; BR9911127A; AU6245999A; EP1112445A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoff-Einspritz-Vorgangs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus der US 5.423.484 A1 ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung bekannt, mit: einem Gehäuse, einem Zylinder, einem Kolben, einer Kolbenstange, einer Düse, einer Nadelsteuerung bzw. einem Nadelstellhebel, einer Nadelsteuerungs- bzw. einer Nadelstellhebel-Feder, einem Raten-Proportionierungs-Ventil und einer Raten-Proportionierungs-Ventilfeder. Der Zylinder ist im Gehäuse angeordnet und definiert eine Brennstoff-Kolbenkammer sowie eine Raten-Proportionierungs-Bohrung zwischen der Brennstoff-Kolbenkammer und einer Umgebung des Zylinders mit einem Raten-Proportionierungs-Ventilsitz darin. Der Kolben ist teilweise in der Brennstoffkolben-Bohrung des Zylinders angeordnet. Die Düse ist im Gehäuse angeordnet und definiert eine Spitze der Brennstoffeinspritzvorrichtung und definiert auch einen Brennstoff-Durchlaß von der Brennstoff-Kolbenkammer bis zu einer Einspritz-Öffnung an einem Ende der Spitze. Der Nadelstellhebel ist in der Düse angeordnet und blockiert betriebslich die Öffnung in einer ersten Stellung. Eine Nadelstellhebel-Feder ist in der Düse zwischen dem Nadelstellhebel und einem Reaktionstellglied angeordnet, wobei sie den Stellhebel in die erste Stellung vorspannt. Das Raten-Proportionierungs-Ventil ist in der Raten-Proportionierungs-Bohrung des Zylinders angeordnet. Die Raten-Proportionierungs-Ventil-Feder ist zwischen dem Gehäuse und dem Raten-Proportionierungs-Ventil angeordnet.
Gemäß dieser bekannten Brennstoffeinspritzvorrichtung öffnet sich ein Absteuer-Ventil nach Beginn der Einspritzung.
Aus der US 5,492,098 ist eine Vorrichtung zur variablen Steuerung der Brennstoff-Strömungs-Eigenschaften einer hydraulisch angetriebenen Einspritz-Vorrichtung während eines Einspritz-Zyklus bekannt. Die Vorrichtung enthält eine variable Steuerung des Betätigungs-Fluid-Drucks und eine Absteuer-Steuerungs-Vorrichtung, die mit der Kolbenstange und dem Zylinder-Bauteil der Einspritz-Vorrichtung verbunden ist. Die Vorrichtung kann die Anfangs-Geschwindigkeit der Brennstoff-Einspritzung steuern und auch kontinuierliche oder Teil-Einspritzung über den Last- und Geschwindigkeits-Bereich eines Motors liefern. Die Leistung wird von der Geometrie der Absteuer-Steuerungs-Vorrichtung einhergehend mit dem variabel gesteuerten Druck des Betätigungs-Fluids gesteuert, das der Einspritz-Vorrichtung zugeführt wird. Diese bekannte Vorrichtung hilft, Motorgeräusch und Emissionen zu verringern und stellt die Konstruktion gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 dar.
Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, insbesondere eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Verwendung in einem Dieselmotor, muß eine Menge an Brennstoff in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors über einen weiten Bereich von Motor-Betriebsbedingungen sehr genau abgeben. Die Abgabe des Brennstoffs erfolgt typischerweise während eines bestimmten Kurbel-Winkels, wie beispielsweise 30 Grad, unabhängig von der Motordrehzahl.
Bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung können für eine Zahl von unterschiedlichen Typen von Brennstoffeinspritzvorrichtungen verwendet werden, inklusive (HEUI) und mechanisch betätigte, elektronisch gesteuerte Einheits-Einspritzvorrichtungen (MEUI), sowie Einspritz-Vorrichtungen der Typen, die in dem Artikel „Cat Gears up Next Generation Fuel Systems", Diesel Power, August 1998, offengelegt worden sind. Aspekte der Erfindung sind insbesondere geeignet für die Verwendung mit einer hydraulisch-betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung, die ein Kolbenartiges Steuerventil von der Bauart aufweist, die in U.S.-Patent Nr. 5,460,329 („das 329er Patent") und der Schrift Nr. 1999-01-0196 mit dem Titel „Application of Digital Valve Technology to Diesel Fuel Injection" der Gesellschaft der Automobil-Ingenieure offengelegt ist.
8 zeigt eine Beispiel-Einspritz-Vorrichtung 160 gemäß dem Stand der Technik, die von einem Drei-Wege-Kolben-Steuerventil 162 gesteuert wird. In dieser Ausführungsform ist ein Betätigungs-Fluid-Zufuhr-Durchlaß 108 im Einspritz-Vorrichtungs-Gehäuse 90 mit einer Zufuhr-Rille 163 im Steuerventil-Gehäuse 165 verbunden, und ein Betriebs-Durchlaß 106 verbindet eine Druckverstärker-Kammer 102 mit einer Betriebs-Rille 167 im Steuerventil-Gehäuse 165. Das Steuerventil-Gehäuse weist ferner eine Abführ-Rille bzw. Drainage-Rille 169 auf, um das Betätigungs-Fluid von der Einspritz-Vorrichtung abzuführen. Eine Bewegung eines Kolbens 168 sorgt für Strömungs-Verbindung zwischen dem Betriebs-Durchlaß 106 und entweder dem Zufuhr-Durchlaß 108 oder der Abführung 169.
Wenn der Kolben 168 den Betriebs-Durchlaß 106 mit dem Zufuhr-Durchlaß 108 verbindet, treibt der Druck innerhalb der Druckverstärker-Kammer 102 den Druckverstärker-Kolben 84 derart an, daß Brennstoff in der Druck-Kammer 86 verdichtet wird. Der verdichtete Brennstoff strömt durch Durchlaß 74 zum Nadelventil 72 und hebt das Nadelventil 78 derart an, daß der Brennstoff von der Einspritz-Vorrichtung 160 ausgeworfen wird. Wenn der Kolben 168 den Betriebs-Durchlaß 106 mit der Abführung 169 verbindet, bewegt die Kraft der Feder 166 den Druckverstärker-Kolben 84 zurück in die Ausgangsstellung, während das Fluid innerhalb der Druckverstärker-Kammer 102 durch die Abführung 169 strömt.
Der Zweck des Steuerventils 162 in einer hydraulisch druckverstärkten Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, die Zeitabfolge und den Fluß des hydraulischen Arbeits-Fluids zur Druckverstärker-Kammer 102 zu steuern. Das Steuerventil 162 weist nur drei unterschiedliche Bestandteile auf: den Kolben 168, das Gehäuse 165 und zwei identische elektromagnetische Spulen 138 und 180. In der geschlossenen Stellung beginnend, bewirkt, wenn die offene Spule 138 durch eine Spannung geladen wird, die entstandene magnetische Kraft eine linksgerichtete Bewegung in Richtung der offenen Spule 138, um den Zufuhr-Durchlaß 108 mit dem Betriebs-Durchlaß 106 zu verbinden. Sobald der Kolben 168 an der Begrenzung stoppt, die Teil des Spulen-Bauteils 138 ist, wird die Spannung unterbrochen. Jedoch setzt sich der Strom des Betätigungs-Fluids aufgrund der Kolben-Stellung fort.
Um den Fluid-Strom zu beenden, wird die Schließ-Spule 180 durch eine Spannung geladen. Die magnetische Kraft, die von der Schließ-Spule 180 erzeugt wird, bewirkt eine rechtsgerichtete Bewegung des Kolbens 168 in Richtung der Schließ-Spule 180, die den Betriebs-Durchlaß 106 mit der Abführung 169 verbindet.
Ein Verschieben des Kolbens 168 des Steuerventils 162 von der geschlossenen zur offenen Stellung und ein Zurückschieben in die geschlossene Stellung stellt einen Umlauf des Kolbens 168 dar. Die minimale Umlaufzeit ist die minimale Zeit, die für einen vollständigen Umlauf gebraucht wird. Ein unvollständiger Umlauf setzt das Steuerventil 162 in einen Bereich unstabilen Betriebs, wie weiter unten beschrieben wird.
Es mag während eines einzelnen Einspritz-Zyklus gewünscht sein, einen relativ kleinen Vor-Einspritz-Brennstoff-Strom vor dem Haupt-Einspritz-Vorgang vorzusehen. Das resultierende Einspritz-Strom-Profil wird Raten-Proportionierung oder Teil-Vor-Einspritzung genannt, was davon abhängt, ob eine Einspritzung (Raten-Proportionierung) oder zwei Einspritzungen (Vor-Einspritzung) während des Einspritz-Vorgangs auftreten. Wenn jedoch das Steuerventil keinen kompletten Umlauf zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung und zurück zur geschlossenen Stellung während des Einspritz-Vorgangs fährt, beispielsweise, wenn das Steuerventil auf die geschlossene Stellung zurückgezogen wird, bevor es die offene Stellung erreicht, ist die Brennstoff-Versorgung, die von einer solchen teilweisen Bewegung des Kolbens des Steuerventils veranlaßt wird, instabil und unerwünscht.
Demgemäß besteht in der Industrie ein Bedarf, die Instabilitäten, die von einer teilweisen Bewegung des Kolbens des Steuerventils von der geschlossenen zur offenen Stellung vor der Rückkehr zur geschlossenen Stellung resultieren, zu beseitigen.
Ferner besteht in der Industrie ein Bedarf, die präzise Steuerung der Vor-Einspritzung und der Raten-Proportionierung kontinuierlich zu verbessern, um die Leistung- und Emissions-Charakteristiken der Motoren, die Brennstoffeinspritzvorrichtungen verwenden, zu verbessern.
Eine wichtige Betrachtung einer Diesel-Brennstoffeinspritzvorrichtung ist ihre Fähigkeit, eine kleine Vor-Einspritzung von Brennstoff (so klein wie 1 mm³) vor dem Haupt-Einspritz-Vorgang zu liefern und ihre Fähigkeit, die Gestalt der Brennstoff-Versorgungs-Kurve zu steuern. Beides erwies sich aus folgenden Gründen als sehr schwer zu erreichen:
Zur Motoremissions-Optimierung ist ein sehr hoher Einspritz-Druck erwünscht; daher ist das Nadelventil einem sehr hohen Brennstoffdruck ausgesetzt, und es ist einfach, die vollständig angehobene (vollständig geöffnete) Stellung des Nadelventils zu erreichen, wenn der Brennstoff unter dem Druckverstärker-Kolben 14 unter Druck gesetzt wird. Jedoch ist für eine kleine Menge an Brennstoff-Versorgung die vollständig angehobene Stellung unerwünscht, da bei dieser Stellung das Ventil vollständig geöffnet wird und die Steuerbarkeit der kleinen Brennstoff-Menge demgemäß sehr schlecht ist.
Die Stellung des Nadelventils steuert die Öffnungs-Fläche der Einspritzungs-Düsen-Öffnung. Für eine Abgabe einer kleinen Brennstoff-Menge bei hohem Arbeitsdruck ist eine sehr kleine Anhebung des Nadelventils erwünscht, welche die Düsen-Öffnung nur sehr wenig öffnet. Diese kleine Anhebung wird nur während des Pilot- oder Raten-Proportionierungs-Vorgangszeitraum benötigt, wenn sehr kleine Einspritz-Mengen erwünscht sind. Für den Haupt-Einspritz-Vorgang sollte das Nadelventil seine vollständig angehobene Stellung ohne jegliche negative Auswirkung erreichen können. Deswegen ist die Steuerbarkeit der Nadelventil-Stellung während des Pilot- oder Raten-Proportionierungs-Vorgangs sehr wichtig und auch sehr schwer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoff-Einspritz-Vorgangs in der Brennkammer eines Verbrennungs-Motors bereitzustellen, die geeignet ist, die oben genannten Bedürfnisse der Industrie erfüllen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Verbesserte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung resultieren von den Unteransprüchen 2 bis 23.
Eine Ausführungsform der Erfindung dient einer Abgabe von unter Druck stehendem Brennstoff an das Nadelventil oder der Absperrung nur dann, wenn ausreichend Zeit vergangen ist, daß das Kolbenventil einen Umlauf von der geschlossenen zur offenen Stellung und zurück zur geschlossenen Stellung durchläuft. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung einer solchen Ausführungsform enthält einen Druckverstärker, wobei der Druckverstärker einen Kolben aufweist, der sich in einem Zylinder zwischen einer zurückgezogenen und vollständig ausgefahrenen Stellung bewegen kann, wobei der Zylinder von einer Zylinderwand definiert wird, wobei die Zylinderwand eine Brennstoff-Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen teilweise definiert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung enthält ferner eine Absteuer-Öffnung, die die Zylinderwand teilt, wobei die Absteuer-Öffnung zu Beginn des Einspritz-Vorgangs geöffnet ist und vom Druckverstärker-Kolben während der Translations-Bewegung des Druckverstärker-Kolbens zum Absteuern von Brennstoff aus der Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen wie gewünscht geschlossen wird. Die vorliegende Ausführungsform enthält ferner ein Verfahren zur Verzögerung des Beginns eines Einspritz-Vorgangs.
Die vorliegende Erfindung stellt zudem eine Brennstoffeinspritzvorrichtung dar, die einen Druckverstärker-Kolben aufweist, wobei sich der Druckverstärker-Kolben in einem Zylinder zwischen einer zurückgezogenen und einer vollständig ausgefahrenen Stellung bewegen kann, wobei der Zylinder von einer Zylinderwand definiert wird, wobei die Zylinderwand eine Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen teilweise definiert, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung ein Kolbenventil enthält, das zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung verschiebbar ist, wobei die Kolbenventil-Bewegung wenigstens ein Umlauf zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung und eine Rück-Bewegung in die geschlossene Stellung während einer Einspritzung durchläuft. Eine Absteuer-Öffnung teilt die Zylinderwand, wobei die Absteuer-Öffnung zu Beginn des Einspritz-Zyklus geöffnet ist und durch den Druckverstärker-Kolben während der Translations-Bewegung des Druckverstärker-Kolbens zum Absteuern von Brennstoff aus der Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen wie gewünscht geschlossen wird.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung dient dem Absteuern des Brennstoffs aus der Brennstoff-Druckverstärker-Kammer, um das Nadelventil zu Beginn der Einspritzung in einer geschlossenen Stellung zu halten und die anfängliche Anhebung der Nadel während der Einspritzung zu verlangsamen bzw. drosseln, um eine Verzögerung des Beginns des Einspritz-Vorgangs und um eine Raten-Propotionierung oder Teil-Einspritzung bereitzustellen, sobald der Einspritz-Vorgang begonnen hat.
Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der zweiten Ausführungsform enthält einen Druckverstärker, wobei der Druckverstärker einen Kolben aufweist, der in einem Zylinder zwischen einer zurückgezogenen und einer vollständig ausgefahrenen Stellung beweglich ist, wobei der Zylinder von einer Zylinderwand definiert wird, wobei die Zylinderwand eine Brennstoff-Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen teilweise definiert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung enthält ferner eine Absteuer-Öffnung, die die Zylinderwand teilt, wobei die Absteuer-Öffnung zu Beginn des Einspritz-Vorgangs geöffnet ist und vom Druckverstärker-Kolben während der Translations-Bewegung des Druckverstärker-Kolbens geschlossen wird, zum Absteuern von Brennstoff aus der Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen zu einer hinteren Nadel-Kammer in einer Weise, bei der das Nadelventil in eine geschlossene Stellung vorgespannt wird, wobei die hintere Nadel-Kammer einen Drucksteuer-Durchlaß enthält, um den Druck in der hinteren Nadel-Kammer ablassen zu können, worauf die Absteuer-Öffnung geschlossen wird. Die vorliegende Ausführungsform enthält ferner ein Verfahren zur Verzögerung des Beginns eines Einspritz-Vorgangs und zur Berücksichtigung einer Raten-Proportionierungs- und Teil-Einspritzung.
Eine dritte Ausführungsform berücksichtigt eine Raten-Proportionierungs- und Teil-Einspritzung. um das Nadelventil während eines Einspritz-Vorgangs durch Bereitstellung einer passiven Steuerung der Nadel zu schließen oder teilweise zu schließen.
Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der dritten Ausführungsform enthält einen Druckverstärker, wobei der Druckverstärker einen Kolben aufweist, der in einem Zylinder zwischen einer zurückgezogenen und einer vollständig ausgefahrenen Stellung beweglich ist, wobei der Zylinder von einer Zylinderwand definiert wird, wobei die Zylinderwand eine Brennstoff-Druckverstärker-Kammer von variablem Volumen teilweise definiert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung enthält ferner eine Steuer-Öffnung im Zylinder, die anfänglich bei Beginn der Bewegung durch den Druckverstärker-Kolben geschlossen wird und durch die Bewegung des Kolbens geöffnet wird, um die Brennstoff-Druckverstärker-Kammer mit einer hinteren Nadel-Kammer in der Weise zu verbinden, daß das Nadelventil gedrängt wird, sich in Richtung Schließung zu bewegen. Die hintere Nadel-Kammer wird durch weitere Bewegung des Kolbens von der Brennstoff-Druckverstärker-Kammer isoliert, um die Steuer-Öffnung zu schließen, während die hintere Nadel-Kammer einen Drucksteuer-Durchlaß enthält, um den Druck in der hinteren Nadel-Kammer ablassen zu können, worauf die Steuer-Öffnung geschlossen wird. Eine solche Ausführungsform enthält ferner ein Verfahren zur Berücksichtigung einer Raten-Proportionierung- und Teil-Einspritzung.
Die Erfindung enthält ferner eine vierte Ausführungsform, die diese Verzögerungs- und Raten-Proportionierungs-Funktionen durch Berücksichtigung einer Absteuer-Öffnung und einer Steuer-Öffnung kombiniert, wobei die Absteuer-Öffnung und die Steuer-Öffnung mit der hinteren Nadel-Kammer verbunden sind.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden unten diskutiert oder werden nach Durchsicht der detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen und nach Durchsicht der Zeichnung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Schaubild der Brennstoff-Abgabe vom Brennstoffeinspritzvorrichtungs-Düsenventil in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung;
2 ist ein Schaubild der Kolben-Bewegung in Abhängigkeit von der Zeit, wobei sich die verschiedenen Kurven auf die numerierten Punkte des Schaubildes in 1 beziehen;
3 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die den Brennstoff-Druckverstärkungs-Abschnitt einer Brennstoffeinspritzvorrichtung darstellt, der einen direkten Absteuer-Durchlaß und ein Brennstoffeinspritzvorrichtungs-Nadelventil aufweist;
4 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die den Brennstoff-Druckverstärkungs-Abschnitt einer Brennstoffeinspritzvorrichtung darstellt, der einen Absteuer-Durchlaß und ein Brennstoffeinspritzvorrichtungs-Nadelventil aufweist, wobei der Absteuer-Durchlaß strömungstechnisch mit dem Nadelventil verbunden ist;
5 ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die den Brennstoff-Druckverstärkungs-Abschnitt einer Brennstoffeinspritzvorrichtung darstellt, der einen passiven Nadelsteuer-Durchlaß und ein Brennstoffeinspritzvorrichtungs-Nadelventil aufweist, das eine Nadelsteuer-Kammer enthält;
6 ist ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform der Erfindung, die den Brennstoff-Druckverstärkungs-Abschnitt einer Brennstoffeinspritzvorrichtung darstellt, der einen Absteuer-Durchlaß und einen passiven Nadelsteuer-Durchlaß und ein Brennstoffeinspritzvorrichtungs-Nadelventil aufweist, das eine Nadelsteuer-Kammer enthält;
7 ist eine Querschnittansicht einer Beispiel-Brennstoffeinspritzvorrichtung, die eine Absteuer-Öffnung der ersten Ausführungsform der Erfindung enthält;
8 ist eine Querschnittansicht einer herkömmlichen-Brennstoffeinspritzvorrichtung; und
9 ist ein Schaubild, das die idealen und tatsächlichen Brennstoff-Einspritz-Kurven für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der Leistungsspezifikation für jede Einspritz-Vorrichtung gibt es eine minimale Brennstoff-Abgabemenge, welche die minimale Brennstoff-Abgabe-Fähigkeit genannt wird. Diese minimale Menge wird verwendet, um die Steuer-Präzision, die Laufruhe und Leistungs-Variabilität usw. einer Brennstoffeinspritzvorrichtung anzugeben. Besonders für eine Einspritz-Vorrichtung mit Pilot-Betriebs-Fähigkeit stellt diese minimale Menge ein Schlüsselmerkmal der Einspritz-Vorrichtungs-Technologie für die Motoremission und Steuerung des Lärmpegels dar. Um eine steuerbare minimale Brennstoff-Abgabe-Fähigkeit zu erreichen, wird eine relativ schmale Signalbreite an das Steuerventil gegeben, um das Steuerventil bis zu seiner vollständig geöffneten Hubstellung zu drängen und dann sofort zu seiner geschlossenen Stellung zurückzukehren. Dies wird das minimale Spiel des Steuerventils genannt. Das Steuerventil muß vollen Hub von Halt zu Halt aufweisen, um seine Bewegungs-Wiederholbarkeit und -Steuerbarkeit sicherzustellen. Dies gilt für praktisch alle Steuer-Ventile. Ohne einen Begrenzungshalt (z. B. gegen eine Wand) bewirkt jegliche Teil-Bewegung (weniger als ein vollständiges Spiel) eine signifikante Einspritz-Vorrichtung- zu Einspritz-Vorrichtung- und Vorgang- zu Vorgang-Variabilität in der Brennstoff-Abgabe. Daher handelt es sich um einen nicht-wiederholbaren und nicht-steuerbaren Bereich des Steuerventil-Betriebs. Es ist eine allgemeine Aufgabe der Einspritz-Vorrichtungs-Hersteller und der Endanwender, daß alle Brennstoff-Abgaben, die bei einer Teil-Bewegung des Steuerventils auftreten, eliminiert werden sollten, um Variabilität bzw. Schwankungen zu verhindern. Mit der Eliminierung der Teil-Bewegung nimmt dann die minimale Brennstoff-Abgabemenge zu einem höheren Niveau zu, wie von der Knickstelle (Punkt 3 in 1) und von Kurve 3 in 2 dargestellt ist. Diese Zahl ist signifikant höher als 1 mm³/Hub, wobei 1 mm³ die normalerweise angestrebte Spezifikation darstellt.
Die minimale Brennstoff-Abgabemenge wird dadurch gesteuert, wie schnell das Steuerventil eine vollständige Spielbewegung (von Halt zu Halt zu Halt) bei einem gegebenen Ölanpressdruck beenden kann (schnellstes Spiel oder minimales Spiel). Das Steuerventil ist möglicherweise nicht schnell genug, um ein minimales Spiel zu vervollständigen, ohne den Brennstoff-Druck in der Druck-Kammer ausreichend zu erhöhen, um eine Einspritzung auszulösen. Eine signifikante Brennstoff-Menge könnte dem Verbrennungs-Zylinder unter minimaler Spielbewegung eines Steuerventils zugeführt werden, insbesondere bei hohem Ölanpressdruck. Für die meisten Einspritz-Systeme (Druckverstärker-Systeme und direkte Nadel-Steuer-Systeme) gilt, daß die Einspritzung schon während der Teil-Bewegung des Steuerventils beginnt, was eine unerwünschte Bedingung darstellt.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bestimmte Instabilitäten zu korrigieren, die während der Brennstoff-Abgabe als ein Ergebnis der Teil-Bewegung des Kolbentyp-Steuerventils der Einspritz-Vorrichtung, die in 8 gezeigt ist, auftreten können. Die Teil-Bewegung des Kolben-Ventils ist definiert als die Kolben-Ventil-Translation von der geschlossenen Stellung weg zur offenen Stellung hin und zurück zur geschlossenen Stellung vor dem Abschluß eines Spiels, wie es oben diskutiert worden ist. Bezugnehmend auf 2 stellt der erste Linienzug 1 diese Teil-Bewegung dar. In Linienzug 1 verläßt das Kolben-Ventil die geschlossene Stellung und bewegt sich auf die offene Stellung zu, erreicht ungefähr die Hälfte des Abstandes zur offenen Stellung und wird dann zurückgefahren in die geschlossene Stellung. Bezugnehmend auf Linienzug 12 in 1 korrespondiert die Brennstoff-Abgabe am Punkt 1 mit der oben genannten Teil-Bewegung. Ein Problem mit einer solchen Teil-Bewegung besteht darin, daß die Brennstoff-Abgabe instabil ist und sich überall innerhalb eines relativ weiten Bereichs der Brennstoff-Abgabe befinden kann, wie durch die oberen und unteren Bereichskurven dargestellt ist. Um eine gewünschte Pilot- oder Vor-Einspritzung zu erreichen, wie sie in 9 gezeigt ist, ist eine sehr präzise gesteuerte Brennstoff-Menge erforderlich. Die Instabilität der Brennstoff-Abgabe, die an Punkt 1 des Linienzugs 12 ersichtlich ist, ist nicht mit der Berücksichtigung der gewünschten Vor-Einspritzung vereinbar.
Linienzug 2 von 2 stellt die größte Teil-Bewegung dar, die auftritt. In Linienzug 2 wird die Kolbenventil-Bewegungs-Richtung unmittelbar vor Erreichen der Anordnung in der offenen Stellung umgekehrt. Die Instabilitäten in der Brennstoff-Abgabe sind aus Punkt 2 in 1 ersichtlich.
Linienzug 3 in 2 stellt die minimale Spielbewegung des Kolbenventils dar. In Linienzug 3 in 2 bewegt sich das Kolbenventil von der geschlossenen zur offenen Stellung und wird unmittelbar zur geschlossenen Stellung zurückgefahren. Wie in 1 angezeigt ist, entspricht das minimale Spiel des Linienzugs 3 der ersten Stellung von Linienzug 12, wo es eine stabile und vorhersagbare Brennstoff-Abgabe als Ergebnis einer vollständigen Kolben-Bewegung gibt.
Linienzug 4 in 2 steigt zusammenfallend mit dem führenden Abschnitt des Linienzugs 3 an, setzt sich aber dann durch eine Prell-Bewegung bei der Rückkehr des Kolbenventils von der offenen in die geschlossene Stellung fort. Diese Prell-Bewegung erzeugt einige Nicht-Linearitäten in der Brennstoff-Abgabe, wie am Punkt 4 in Linienzug 12 in 1 angezeigt ist.
Linienzug 5 in 2 stellt eine stabile vollständige Bewegung des Kolbens dar. Linienzug 5 steigt zusammenfallend mit dem ersten Abschnitt des minimalen Spiels 3 zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung an. Der Kolben verbleibt in der offenen Stellung für eine bestimmte Zeitdauer, wie durch den im allgemeinen horizontalen Abschnitt des Linienzugs 5 angezeigt ist, und kehrt dann in einer im allgemeinen linearen Translation von der offenen in eine geschlossene Stellung zurück.
7 stellt eine beispielhafte Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 dar, die eine erste Ausführungsform der Erfindung illustriert. 3 stellt zwei Haupt-Komponenten der Beispiel-Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 dar, den Druckverstärker-Kolben 14 und das Nadelventil 16. Der Druckverstärker-Kolben 14 weist einen oberen Kolben-Kopf 18 (7) und einen unteren Kolben-Kopf 20 auf. Der Druckverstärker-Kolben 14 ist innerhalb eines Zylinders 22 beweglich angeordnet, der im Brermstoffeinspritzvorrichtungs-Gehäuse definiert ist. Der Abschnitt des Zylinders 22 unterhalb des unteren Kolben-Kopfes 20 definiert eine Druck-Kammer 23, welche eine variable Verdrängung bzw. ein variables Versatzmaß wegen des variablen Bewegungs-Bereichs des Kolbens 14 aufweist. Eine Abwärts-Translation des Kolbens 14 führt zu einem starken Druckanstieg des Brennstoffs in der Druck-Kammer 23 zur Einspritzung in eine Verbrennungskammer.
Der Zylinder 22 weist einen Brennstoff-Einlaß 24 auf, der von einer Ring-Kammer 25 gespeist wird. Der Brennstoff strömt von einem Vorratstank 28 und einer Pumpe 29 zur Ring-Kammer 25 durch den Brennstoff-Einlaß 24 und ein Sperrventil 26 in die Zylinder-Druck-Kammer 23. Der Brennstoff-Einlaß-Druck ist typischerweise 50 bis 60 psi. Der Brennstoff-Einlaß 24 in den 4 bis 6 ist auf ähnliche Weise mit einem Vorratstank 28 verbunden. Die Druck-Kammer 23 ist mit dem Nadelventil 16 durch einen Brennstoff-Durchlaß 30 strömungstechnisch verbunden.
Der Brennstoff-Durchlaß 30 in 3 ist mit einem Ring-Strömungs-Durchlaß 32, der um das Nadelventil 16 definiert ist, strömungstechnisch verbunden. Der Strömungs-Durchlaß 32 erstreckt sich zu den Öffnungen 33, die vom Nadelventil 16 verschlossen sind, falls sich das Nadelventil 16 in der geschlossenen Stellung befindet (wie es in 7 dargestellt ist), und offen für die Brennstoff-Einspritzung, falls sich das Nadelventil 16 in einer offenen Stellung befindet.
Nadelventil 16 ist innerhalb eines zylindrischen Düsen-Gehäuses 34 beweglich angeordnet. Das Nadelventil 16 weist eine vergrößerte Durchmesser-Fläche 36 auf, die dem Ring-Strömungs-Durchlaß 32 gegenüberliegt. Eine Ventil-Feder 38 spannt das Nadelventil 16 in einer Abwärtsrichtung in die geschlossene Stellung vor, wie es in den 3 und 7 dargestellt ist.
Während des Betriebs beginnt ein Kobensteuerventil 39 seine Bewegung von einer geschlossenen zu einer offenen Stellung. Eine solche Bewegung läßt ein Hochdruck-Betätigungs-Fluid durch die Durchlässe 37 in eine Hochdruck-Betätigungs-Fluid-Kammer 19 eintreten, um auf dem oberen Kolbenkopf 18 des Druckverstärker-Kolbens 14 aufzuliegen. Die Kraft, die vom Betätigungs-Fluid auf den oberen Kolbenkopf 18 wirkt, bewirkt, daß sich der Druckverstärker-Kolben 14 abwärts bewegt. Der untere Kolbenkopf 20 des Druckverstärker-Kolbens 14 wirkt auf den Brennstoff, der in der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 derart eingeschlossen ist, daß der Druck des Brennstoffs stark erhöht wird. Der erhöhte Brennstoff-Druck liegt aufwärts auf der Kolben-Fläche 36 des Nadelventils 16 auf. Sobald eine ausreichende Aufwärtskraft auf der Kolben-Fläche 36 erzeugt ist, um die Vorspannung der Ventil-Feder 38 zu überwinden, bewegt sich das Nadelventil 16 mit dem Zylinder 34 aufwärts, wobei die Öffnungen 33 geöffnet werden und eine Menge von unter Druck stehendem Brennstoff durch die Öffnungen an die Verbrennungs-Kammer abgegeben wird.
Die vorliegende Ausführungsform enthält einen Absteuer-Durchlaß 40, der über die Absteuer-Öffnung 43 mit dem Zylinder 22 strömungstechnisch verbunden ist. Die Absteuer-Öffnung 43 ist mit dem Vorratstank 28 (schematisch in 7 dargestellt) strömungstechnisch verbunden. Das Einstellen bzw. die Positionierung des Kreuzungspunktes vom Absteuer-Durchlaß 40 und vom Zylinder 22 an der Absteuer-Öffnung 43 unter Berücksichtigung des unteren Kolbenkopfes 20 des Druckverstärker-Kolbens 14 ist wichtig. Die Absteuer-Öffnung 43 ist in einer gewünschten Größe gestaltet, ungefähr 0,6 mm Durchmesser, um ein gewünschtes Strömungs-Volumen unter bekannten Bedingungen bereitzustellen, und ist benachbart unter dem unteren Kolbenkopf 20 angeordnet, wenn der Druckverstärker-Kolben 14 in seiner zurückgezogenen Stellung angeordnet ist, wie es in den 3 und 7 dargestellt ist, so daß die untere Seite der Absteuer-Öffnung 43 ungefähr 0,6 mm unter dem Druckverstärker-Kolben in seiner zurückgezogenen Stellung angeordnet ist. Obwohl die Öffnung 43 in geringerem Abstand angeordnet sein könnte, könnte eine solche Abstands-Anordnung die maximale Brennstoff-Abgabe-Kapazität der Einspritz-Vorrichtung begrenzen.
Während eines Einzelschuß-Einspritz-Vorgangs wird die Anfangsbewegung des Abwärtshubs des Druckverstärker-Kolbens 14 von der Anfangsbewegung des Kolbenventils 39 von einer geschlossenen zu einer offenen Stellung gesteuert. Die anfängliche Abwärtsbewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 tritt auf, wenn das Kolbenventil 39 in einer Zwischenstellung seines gesamten Bewegungsbereichs angeordnet ist. Bis der Druckverstärker-Kolben 14 die Absteuer-Öffnung 43 abdichtet, tritt ein Abfließen von der Druck-Kammer 23 zum Vorratstank 28 auf. Während des Abfließens liegt ein unzureichender Brennstoff-Druck auf der Nadel-Fläche 36 auf, um die Vorspannung der Feder 38 zu überwinden, und das Nadelventil 16 bleibt geschlossen.
Zu dem Zeitpunkt, an dem der Druckverstärker-Kolben 14 weit genug zurückgefahren ist, so daß der untere Kolbenkopf 20 (dargestellt als gestrichelte Linien in 3) unter der untersten Überkreuzung von der Absteuer-Öffnung 43 des Absteuer-Durchlasses 40 mit dem Zylinder 22 angeordnet ist, arbeitet das Kolbenventil 39 im Bereich zur Rechten der Stellung 3 auf Linienzug 12 von 1 in dem gewünschten stabilen Arbeitsbereich. An diesem Punkt wird die Absteuer-Öffnung 43 durch den Druckverstärker-Kolben 14 effektiv abgedichtet und das Abfließen von Druck-Kammer 23 zum Vorratstank 28 endet. Diesbezüglich wird eine scharfe Kante bzw. Ecke zwischen dem Kolbenkopf 20 und der umlaufenden Fläche des unteren Kolbens als wichtig erachtet.
Bis der untere Druckverstärker-Kopf 20 die Absteuer-Öffnung 43 des Absteuer-Durchlasses 40 schließt, erhöht der Druckverstärker-Kolben 14 den Druck des Brennstoffs, der in der Druck-Kammer 23 eingeschlossen ist, nicht stark, da der Brennstoff aus der Druck-Kammer 23 durch den Absteuer-Durchlaß 40 in die Ring-Kammer 25 zur weiteren Verwendung entweicht bzw. abfließt. Sobald der Absteuer-Durchlaß 40 vom Druckverstärker-Kolben 14 substantiell abgedichtet ist, endet das Brennstoff-Abfließen, und der Druckverstärker-Kolben 14 beginnt, den Brennstoffdruck in der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 aufzubauen. Durch Abfließen des Brennstoffs aus der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 durch den Absteuer-Durchlaß 40 während der Anfangsphase des Hubs des Druckverstärker-Kolbens 14 wird die Periode der Instabilität, die von einer teilweisen Spielbewegung des Kolbenventils herrührt, effektiv umgangen, wodurch sichergestellt wird, daß die Einspritz-Vorrichtung im Bereich einer stabilen, vorhersagbaren Brennstoff-Abgabe arbeitet.
Wie oben diskutiert worden ist, besteht der prinzipielle Zweck der Absteuer-Öffnung 43 der Einspritz-Vorrichtung, die in den 3 und 7 gezeigt ist, darin, den Beginn der Einspritzung relativ zum Beginn der Hubbewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 zu verzögern, bis genug Zeit für das Kolbenventil 39 vergangen ist, um ein Spiel von der geschlossenen zur offenen Stellung und zurück zur geschlossenen Stellung zu durchlaufen. Obwohl die Beispiel-Einspritz-Vorrichtung, die in den 3 und 7 beschrieben ist, dieses Konzept enthält, kann dieses Konzept auch in jeder Kolben-getriebenen Einspritz-Vorrichtung verwendet werden, wie die HEUI- und MEUI-Einspritz-Vorrichtungen, die oben beschrieben worden sind.
Während der Teil-Einspritzung (Vor-Einspritzung) mit der Ausführungsform der 3 und 7 muß das Steuerventil 39 ein kurzes Minimum-Spiel für Vor-Einspritzung durchlaufen und zur Haupt-Einspritzung für eine längere Dauer wieder öffnen. In einer Weise, die der oben beschriebenen Einzelschuß-Einspritzung ähnlich ist, beginnt die Vor-Einspritzung, nachdem die Absteuer-Öffnung 43 vom Druckverstärker-Kolben 14 bedeckt ist, und endet, wenn der Druckverstärker-Kolben 14 beginnt, zur zurückgezogenen Stellung zurückzukehren. Die Absteuer-Öffnung 43 ist in der Weise gestaltet, daß Brennstoff abfließt und daher keine Einspritzung während der Zeit der teilweisen Bewegung des Steuerventils beginnt. Aufgrund der Einspritz-Verzögerung, die durch das Brennstoff-Abfließen verursacht wird, ist für die gleiche Dauer der Steuerventil-Öffnung (Pulsbreite) die Brennstoff-Abgabe viel niedriger mit dem Absteuer-Konzept der vorliegenden Erfindung als die einer Grundlinien-Einspritz-Vorrichtung nach 8. Daher ist die minimale steuerbare Vor-Abgabe signifikant kleiner.
Bei niedrigem Ölanpressdruck könnte ein Minimum-Spiel-Signal am Steuerventil 39 eine Null-Brennstoff-Abgabe erzeugen. Dies zeigt, daß eine relativ längere Zeit benötigt wird, in der das Steuerventil 39 geöffnet ist, um einen bestimmten Brennstoff-Strom unter bestimmten Ölanpressdrücken zu erzeugen. Unter normalen Motor-Betriebsbedingungen tritt ein niedriger Ölanpressdruck (niedriger Einspritz-Druck) bei einer niedrigen Motordrehzahl unter leichten Motorlast-Bedingungen auf. Unter diesen Motor-Bedingungen steht immer ausreichend Zeit für einen längeren Einspritz-System-Vorgang zur Verfügung. Die Einspritz-Vorrichtungs-Leistung nach der Ausführungsform der 3 und 7 ist viel stabiler und verläßlicher als die Stand-der-Technik-Ausführungsform nach 8, da das Steuerventil in einem stabilen linearen Bereich arbeitet.
Am Ende der Vor-Einspritzung kehrt der Druckverstärker-Kolben 14 seine Bewegung um, um die Vor-Einspritzung zu beenden (Haltezeit-Periode) während das Steuerventil 39 zu seiner geschlossenen Stellung zurückkehrt. Der Druckverstärker-Kolben 14 könnte die Absteuer-Öffnung 43 während seiner Rück-Bewegung wieder öffnen oder nicht, abhängig von der Vor-Einspritz-Menge und der Dauer der Haltezeit. Die Vor-Einspritz-Menge ist proportional zur Hub-Anordnung des Druckverstärker-Kolbens 14 während der Vor-Einspritz-Phase. Der Druckverstärker-Kolben 14 kehrt seine Bewegung während der Haltezeit um. Wenn dieser Umkehr-Abstand relativ lang ist, öffnet der Druckverstärker-Kolben 14 wieder die Absteuer-Öffnung 43. Dies ist in 3 dargestellt. Die Absteuer-Öffnung 43 kann nicht öffnen, wenn die Vor-Einspritzung relativ größer und die Haltezeit kurz ist. Die Absteuer-Öffnung 43 kann auch wieder öffnen, wenn die Vor-Einspritzung klein und die Haltezeit relativ lang ist. In diesem Fall soll ein Befehl für eine kürzere Haltezeit an das Steuerventil 39 gegeben werden, um diese zusätzliche Haltezeit, die durch das Abfließen verursacht wird, verglichen mit dem Fall einer Grundlinien-Einspritz-Vorrichtung reduzierend anzupassen.
Die Einspritz-Vorrichtung 10 nach der Ausführungsform in den 3 und 7 liefert die folgenden Vorteile:
Keine Haupt-Einspritzung beginnt, bevor der Brennstoff-Abfluß abgeschlossen ist. Mit dem Absteuer-Konzept wird der Druckaufbau-Vorgang der Brennstoff-Einspritzung während des Abfließens entweder verzögert oder verlangsamt. Daher wird eine meßbare hydraulische Verzögerung erzeugt, und der Beginn der Brennstoff-Einspritzung wird verzögert.
Eine vorbestimmte hydraulische Verzögerung kann im Einspritz-System aufgebaut werden, um den Beginn der Einspritzung zu verzögern. Diese vorbestimmte Dauer der Verzögerung wird durch die Durchfluß-Fläche der Absteuer-Öffnung 43 und die Länge des Hubs des Druckverstärker-Kolbens 14 gesteuert, der benötigt wird, um die Absteuer-Öffnung 43 zu schließen.
Durch die korrekte Auslegung der Durchfluß-Fläche der Absteuer-Öffnung 43 werden alle Brennstoff-Abgaben nur dann auftreten, nachdem das Steuerventil 39 seinen linearen und stabilen Bewegungs-Betriebsmodus erreicht hat. Alle Brennstoff-Abgaben unter Teilbewegungs-Bedingung des Steuerventils werden eliminiert.
Die Umgehung aller Teilbewegungen des Steuerventils stellt die Stabilität und Steuerbarkeit der Abgabe einer kleinen Brennstoff-Menge sicher, die mit der vorliegenden Erfindung möglich ist. Ohne Umgehung tritt eine Abgabe einer kleinen Brennstoff-Menge immer während eines Teilspiels des Steuerventils auf.
Die Absteuer-Öffnung 43 erniedrigt ferner die minimale Brennstoff-Abgabemenge auf eine vorgewählte Menge von ungefähr 1 mm³/Hub. Mit der vorliegenden Ausführungsform wird die kleinste Vor-Einspritz-Größe nicht von der Steuerventil-Leistungsfähigkeit vorgegeben, sondern sie wird nun von einem vorgegebenen Absteuer-Bereich gesteuert. Die minimale Vor-Einspritz-Menge ist steuerbar und könnte sogar Null sein, falls gewünscht.
Der Knick in der Brennstoff-Abgabe-Kurve (siehe 1) wird vollständig eliminiert. Der Motor arbeitet nur im linearen Abschnitt von 1 im Gegensatz zu einem Zwei-Zonen-Betrieb (starker Zunahme und nicht linearer Bereich für kleine Mengen und lineare schwächere Zunahme für größere Mengen). Dies zeigt die Verbesserung des Motor-Betriebs in bezug auf Laufruhe, Einfachheit, Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit.
Da die Anfangsportion von Brennstoff an die Umgebung abfließt, ohne den Einspritz-Druck in der Hochdruck-Brennstoff-Kammer aufzubauen, wird der Kraftbetrag, der der Bewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 während dessen entgegenwirkt, erniedrigt. Daher erfolgt während des Abfließens der Abwärtshub des Druckverstärker-Kolbens 14 schneller. Diese schnellere Anfangsbewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 führt direkt zu einem höheren Einspritz-Druck (Einspritz-Druckspitze) zu Beginn der Einspritzung.
Bei Betrachtung von 4 ist die darin dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich der oben beschriebenen Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist. In der Ausführungsform nach 4 ist der Absteuer-Durchlaß 40 auf eine hintere Nadel-Kammer 44 ausgerichtet, die im Düsen-Gehäuse 34 definiert ist. Brennstoff, der von der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 während der anfänglichen Abwärtsbewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 abfließt, wird durch die Absteuer- Öffnung 43 und den Absteuer-Durchlaß 40 gedrängt, um in die Kammer 44 von variablem Volumen zu fließen. Ein Auslaß- oder hinterer Nadel-Entlastungs-Durchlaß ist mit der Kammer 44 durch eine Ablauf-Öffnung 48 strömungstechnisch verbunden.
Die Ablauf-Öffnung 48 weist zwei Funktionen auf: erstens begrenzt sie den Strom von der hinteren Nadel-Kammer 44 zum Vorratstank 28. Durch Vorhandensein dieser Begrenzung kann eine signifikante Menge an Brennstoff-Druck in der hinteren Nadel-Kammer 44 eingeschlossen werden, die ein Anheben der Nadel während des Absteuer-Abschnitts des Druckverstärker-Kolben 14-Hubs verhindert. Zweitens läßt sie den Brennstoff in der hinteren Nadel-Kammer 44 durch Durchlaß 46 zum Brennstofftank 28 abfließen.
Aufgrund der Begrenzung, die von der Absteuer-Öffnung 43 verursacht wird, ist der Brennstoff-Druck in der Druck-Kammer 23 während des Absteuer-Abschnitts des Hubs annähernd auf gleichem Niveau, als er wäre, wenn die Absteuer-Öffnung 43 nicht vorhanden wäre. Die Bewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 ist daher langsamer als im Fall der Ausführungsform nach 3 aufgrund des höheren Widerstand-Drucks, und das Abfließen des Brennstoffs zur hinteren Nadel-Kammer 44 wird relativ schwer und langsam. Aufgrund des dauernden Auslaufs an der Ablauf-Öffnung 48 wird sich jedoch der Druckverstärker-Kolben immer abwärts bewegen und letztendlich die Absteuer-Öffnung 43 schließen. Verglichen mit der Ausführungsform nach 3, erfordert die langsamere Absteuer-Rate dieser Ausführungsform eine kleinere Absteuer-Öffnung, um die gleiche Umgehungs-Zeitdauer zu erreichen, da die Zeit zur Umgehung aller Teilbewegungen des Kolbenventils gleich ist. Dies liefert den Vorteil eines kleineren Absteuer-Volumens von unter Druck stehendem Brennstoff zurück zum Brennstoff-Vorratstank und eines geringeren Energieverbrauchs des hydraulischen Betätigungs-Fluids.
Die Größe (Durchfluß-Querschnittsfläche) der Ablauf-Öffnung 48 hat einen großen Einfluß auf den hinteren Nadel-Druck während des gesamten Einspritz-Vorgangs und muß sorgfältig ausgewählt werden. Die Durchfluß-Fläche des Ablauf-Öffnung 48 muß gleich oder kleiner als die der Absteuer-Öffnung 43 sein, um die einwandfreie Funktion sicherzustellen. Das Durchfluß-Flächen-Verhältnis der Ablauf- Öffnung 48 zur Absteuer-Öffnung 43 sollte gleich oder weniger als 1,0 sein. Mit diesem Flächen-Verhältnis weist die hintere Nadel-Kammer 44 einen relativ hohen Druck während des Absteuer-Abschnitts des Kolben-Hubs auf, und dieser fällt auf Brennstoff-Vorratstank-Druck ab, wenn der Absteuer-Strom beendet ist.
Während des Absteuer-Abschnitts des Kolben-Hubs liefert die Ablauf-Öffnung 48 eine fortlaufende Ausströmung zwischen der hinteren Nadel-Kammer 44 und dem Brennstoff-Entlastungs-Durchlaß 46 und dem Vorratstank 28. Wenn jedoch diese fortlaufende Ausström-Rate höher als die Absteuer-Rate der Absteuer-Öffnung 43 ist (wenn das Flächenverhältnis größer als 1,0 ist), würde ein sehr kleiner Druck die hintere Nadel-Kammer 44 beaufschlagen. Wegen der fortlaufenden Ausströmung von der Ablauf-Öffnung zum Entlastungs-Durchlaß fällt der Druck in der hinteren Nadel-Kammer auf das Druckniveau des Brennstoff-Vorratstanks schnell ab, sobald die Absteuer-Strömung unterbunden wird. Dies wird der Entlastungs-Prozeß genannt. Falls die Ablauf-Öffnungen 48 zu klein wären, wäre die Zeit zur Entlastung nach Schließen der Absteuer-Öffnung übermäßig lange, und der Anhebvorgang des Nadelventils 16 wäre relativ lange. Die Ablauf-Öffnung 48 stellt auch eine fortgesetzte Entlastungs-Funktion nach Schließen der Absteuer-Öffnung 43 bereit. Die einwandfreie Kombination der Funktion von Absteuer-Öffnung 43 und Ablauf-Öffnung 48 stellt die Grundlage für alle drei Ausführungsformen, die in den 4 bis 6 dargestellt sind, dar.
Das Nadelventil 16 ist im Düsengehäuse 34 und in einem Abschnitt der Kammer 44 verschiebbar angeordnet. Eine obere Nadelventil-Begrenzung 50 definiert teilweise die hintere Nadel-Kammer 44. Obwohl hierin schematisch dargestellt, wie sie am Ende des Nadelventils 16 angeordnet ist, wird es geschätzt, daß, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, die hintere Nadel-Kammer 44 über einem Zwischenabschnitt des Nadelventils angeordnet sein könnte, das eine hintere Nadel-Fläche in Gestalt eines aufwärts gewandten Nadelventil-Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser aufweist, der der hinteren Nadel-Kammer 44 so lange ausgesetzt ist, wie der Brennstoff-Druck in der hinteren Nadel-Kammer 44 das Nadelventil 16 in eine geschlossene Stellung drängt.
In Betrieb bewerkstelligt das Absteuern des Brennstoffs in der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22, das während der Anfangs-Abwärtsbewegung des Druckverstärker- Kolbens 14 der Ausführungsform nach 4 auftritt, den gleichen Effekt wie die Ausführungsform nach 3, da der Bereich einer teilweisen Kolben-Bewegung umgangen wird, wie es vorher beschrieben worden ist. Zusätzlich zu dieser Umgehungs-Funktion liefert die Ausführungsform nach 4 eine indirekte Steuerung des Anhebens des Nadelventils 16. Dies wird von zwei Tatsachen bewerkstelligt. Erstens verhindert das Absteuern des Brennstoffs zur hinteren Nadel-Seite ein Anheben des Nadelventils 16, und der Beginn der Einspritzung wird verzögert. Zweitens fällt der hintere Nadel-Seiten-Druck auf Vorratstank-Niveau ab, nachdem der Druckverstärker-Kolben 14 die Überkreuzung des Ansteuer-Durchlasses 40 abgedichtet hat, und das Nadelventil 16 hebt an, um die Einspritzung zu beginnen. Abhängig von der Auswahl der Größe der Ablauf-Öffnung 48, können die Entlastung des Absteuer-Brennstoff-Drucks zum Vorratstank und die Nadel-Anheb-Geschwindigkeit auf den gewünschten Bereich gesteuert werden. Der Vorteil einer solchen Steuerung ist, daß es eine langsame Anfangs-Anhebung des Nadelventils 16 erzeugt, die eine Raten-Proportionierung durch Drosseln der Anfangs-Geschwindigkeit der Brennstoff-Einspritzung bewirkt, wie im Bereich A von 4a dargestellt ist. Eine solche Raten-Proportionierung ist wünschenswert, um die Motoremissionen zu optimieren und Lärm zu vermindern.
Die Einspritz-Vorrichtung 10 der Ausführungsform nach 4 liefert folgende Vorteile:
Es wird erwartet, daß keine Haupt-Einspritz-Vorgänge beginnen, bevor das Absteuern beendet ist. Mit dem Absteuer-Konzept ist der Vorgang des Brennstoff-Einspritz-Druckausbaus entweder verzögert oder verlangsamt sich während des Absteuerns. Daher wird eine meßbare hydraulische Verzögerung erzeugt, und der Einspritz-Vorgang kann verzögert werden.
Eine vorbestimmte hydraulische Verzögerung kann in das Einspritz-System eingerichtet werden, um den Beginn der Einspritzung zu verzögern. Diese vorbestimmte Verzögerung wird von der Größe oder dem Hub der Absteuer-Öffnung relativ zur Kolben-Bewegung gesteuert.
Durch eine korrekte Bemessung der Absteuer-Öffnung treten alle Brennstoff-Abgaben nur auf, nachdem das Steuerventil einen linearen und stabilen Betrieb der Bewegung erreicht hat. Alle Brennstoff-Abgaben unter der Bedingung der teilweisen Steuerventil-Bewegung werden umgangen.
Die Verwendung einer Absteuer-Öffnung verringert die minimale Brennstoff-Abgabemenge bzw. -Abgabegröße auf eine vorgewählte Menge, vorzugsweise 1 mm³. Die kleinste Vor-Einspritz-Menge wird nicht mehr von der Steuerventil-Leistungsfähigkeit bestimmt, sie wird von der vorgewählten Absteuer-Fläche bestimmt.
Der Knick in der Brennstoff-Abgabe-Kurve wird vollständig eliminiert. Der Motor arbeitet ausschließlich im linearen Abschnitt im Gegensatz zu einem Zwei-Zonen-Betrieb (starke Zunahme bzw. hohe Leistung und nicht linearer Bereich für eine kleine Menge und lineare schwächere Zunahme für eine größere Menge). Dies zeigt die Verbesserungen des Motor-Betriebs in bezug auf Laufruhe, Einfachheit und Steuerbarkeit.
Da der Brennstoff zur hinteren Nadel-Seite statt an die Umgebung abfließt, wird eine beträchtliche Menge des Absteuer-Volumens verringert.
Das Öffnen des Nadelventils 16 wird nicht nur durch den Kolben-Boden-Druck, sondern auch durch den hinteren Nadel-Druck gesteuert, was ein Ergebnis des Absteuerns ist. Diese Vorgehensweise liefert eine effizientere Weise, um die Bewegung des Nadelventils zu steuern.
In einer Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist (die nicht in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt), ist ein Steuer-Durchlaß 52 von vorbestimmter Größe zwischen der Druck-Kammer 23, die im Zylinder 22 definiert ist, und der hinteren Nadel-Kammer 44 des Düsen-Gehäuses 34 strömungstechnisch verbunden. Die hinteren Nadel-Kammer 44 und die Ablauf-Öffnung 48 sind dabei die gleichen, wie sie in der Ausführungsform nach 4 beschrieben sind. Die Anordnung der Absteuer-Öffnung 53 am Punkt der Überkreuzung des Steuer-Durchlasses 52 mit dem Zylinder 22 ist derart, daß in der zurückgezogenen Stellung nach 5 und vor dem Abwärtshub des Druckverstärker-Kolbens 14 die Steuer-Öffnung 53 des Steuer-Durchlasses 52 vom Druckverstärker-Kolben 14 abgedichtet wird. Demgemäß wird während des Anfangs-Abwärtshubs des Druckverstärker-Kolbens 14 der Brennstoff-Druck in der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 durch die kompressiven Effekte des Abwärtshubs des Druckverstärker-Kolbens 14 verstärkt, da kein Abfließen auftritt.
Wenn der Druckverstärker-Kolben 14 eine Distanz, die durch die Distanz B angezeigt wird, zu einer Stellung, die angedeutet in 5 dargestellt ist, heruntergefahren ist, koppelt ein Strömungs-Durchlaß 56, der innerhalb des Druckverstärker-Kolbens 14 definiert ist, den Brennstoff in der Druck-Kammer des Zylinders 22 mit dem Absteuer-Durchlaß 52 vorübergehend strömungstechnisch. Der Strömungs-Durchlaß 56 weist einen vorbestimmten Durchmesser auf, vorzugsweise von gleicher Größe wie der Durchlaß 52. Verbringen des Brennstoffs von der Druck-Kammer 23 zur hinteren Nadel-Kammer 44 und Entlasten von der hinteren Nadel-Kammer 44 durch die Ablauf-Öffnung 48 treten zu diesem Zeitpunkt auf. Die Ausführungsform nach 5 ist nützlich, um eine Teil-Einspritzung zu erreichen, wie sie in 9 dargestellt ist. Wie es dargestellt ist, findet eine Vor-Einspritzung statt, gefolgt von einer Zeitdauer, während derer keine Einspritzung erfolgt (wenn der Strömungs-Durchlaß 56 zur Absteuer-Öffnung 43 hin geöffnet ist), gefolgt vom Haupt-Einspritz-Vorgang. Um eine solche Teil-Einspritzung mit der Stand-der-Technik-Einspritz-Vorrichtung nach 8 zu erreichen, muß der Kolben zwei Umläufe durchlaufen, wobei der erste Umlauf die Vor-Einspritzung und der zweite Umlauf den Haupteinspritzvorgang definiert.
Mit der Ausführungsform nach 5 wird die Teil-Einspritzung passiv ausgelöst. Es wird kein doppelter Umlauf des Kolbens benötigt. Der Kolben fährt effektiv von der geschlossenen zur offenen Stellung und wird dort gehalten. Eine solche Bewegung löst den Abwärtshub des Druckverstärker-Kolbens 14 aus. Der Brennstoff-Druck in der Druck-Kammer 23 des Zylinders 22 beginnt, sich aufzubauen. Sobald der Brennstoff-Druck ausreichend Kraft auf die Kolben-Fläche 36 ausübt, um die Vorspannung der Ventil-Feder 38 zu überwinden, öffnet sich das Nadelventil 16 für den Vor-Einspritz-Vorgang. Wenn der Druckverstärker-Kolben 14 seinen Abwärtshub fortsetzt, öffnet der Strömungs-Durchlaß 56 zur Steuer-Öffnung 53. An diesem Punkt bzw. Zu diesem Zeitpunkt strömt Brennstoff vom Zylinder 22 durch den Strömungs-Durchlaß 56 zum Steuer-Durchlaß 52 in die Kammer 44. Die Abnahme des Drucks im Zylinder 22 und die Zunahme des Drucks in der Kammer 44 bewirken ein Schließen des Nadelventils 16, so daß die Vor-Einspritzung beendet wird.
Das Nadelventil 16 bleibt für eine kurze Zeitdauer geschlossen, während der Strömungs-Durchlaß 56 und die Steuer-Öffnung 53 strömungstechnisch gekoppelt sind. Dies definiert die Haltezeit zwischen dem Vor-Einspritz-Vorgang und dem Haupt-Einspritz-Vorgang. Wenn der Strömungs-Durchlaß 56 unter die Steuer-Öffnung 53 absinkt, verschließt der Druckverstärker-Kolben 14 wieder den Steuer-Durchlaß 52. Fortgesetzte Abwärtsbewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 bewirkt, daß der Brennstoff in der Druck-Kammer 23 erneut zu einem hohen Niveau verdichtet wird. Sobald der Brennstoff-Druck ausreichend Kraft auf die Nadelventil-Öffnungs-Fläche 36 ausübt, um die Vorspannung der Ventil-Feder 38 zu überwinden, beginnt das Nadelventil 16 eine Aufwärtsbewegung, die von der Geschwindigkeit gesteuert ist, bei der das Nadelventil 16 in der Lage ist, Brennstoff aus der Kammer 44 durch die Ablauf-Öffnung 48 zur Entlastungs-Öffnung 46 auszustoßen. Der Druck des Betätigungs-Fluids auf die Druckverstärker-Kammer 19 oder Durchlaß-Größen 52, 46 kann derart angepaßt werden, daß anstatt eine Teil-Einspritzung zu liefern, wie sie in 9 dargestellt ist, der Einspritz-Vorgang Geschwindigkeits-gesteuert wird, wie es in 4a dargestellt ist, wobei das Absteuern für eine solch kurze Zeitdauer auftritt, daß nur eine Abnahme bzw. Delle in der Geschwindigkeit der Brennstoff-Einspritzung entsteht, wie sie von Ende der Brennstoff-Einspritzung ausgeprägt wird bzw. verschieden ist, welche in einer Teil-Einspritzung auftritt.
Die Ausführungsform nach 5 liefert die folgenden Vorteile:
Die Nadelventil-Bewegung wird während der Einspritzung durch Drosseln der Anfangsgeschwindigkeit der Brennstoff-Einspritzung durch ein passives mechanisches Niedrig-Preis-Bauteil passiv gesteuert, was die Notwendigkeit für zusätzliche Befehle an das Steuerventil vermeidet. Keine separate Betätigungs-Steuerung ist erforderlich, um diese Steuerung zu bewirken.
Die Vor-Einspritz-Menge wird auf ein angestrebtes Volumen von 1–2 mm³/Hub vermindert.
Es ist kein doppelter Kolben-Umlauf erforderlich. Nur ein einfaches Spiel ist erforderlich, um einen Einspritz-Vorgang zu liefern, der wie gewünscht entweder eine Teil-Einspritzung oder eine Raten-Proportionierung enthält. Dieses Merkmal weist einen besonderen Vorteil für Anwendungen großer Einspritz-Vorrichtungen auf, bei denen ein großes Steuerventil verwendet wird. Aufgrund der Erfordernis einer großen Brennstoff-Abgabemenge würde die minimale Vor-Einspritz-Größe aufgrund einer längeren Steuerventil-Bewegungszeit, einer größeren Öl-Strömungs-Geschwindigkeit und einer größeren Einspritz-Düsen-Öffnungs-Größe zunehmen. Wenn zwei Steuerventil-Spiele für eine Teil-Vor-Einspritzung verwendet würden, wäre die Vor-Einspritz-Größe unannehmbar bzw. inakzeptabel. Durch Anwendung der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung und Verwendung einer geeigneten Steuer-Öffnung, können kleine Vor-Einspritz-Mengen erreicht werden.
Durch Variation der Steuer-Öffnungs-Gestaltung können unterschiedliche Vorhalte-Gestaltungs- bzw. Raten-Proportionierungs-Effekte erreicht und durch Ausführung von Motorleistungs- und Emissionstests optimiert werden. Für eine Teil-Einspritzung kann die Vor-Einspritz-Größe und Haltezeit ebenfalls gesteuert werden.
Schließlich wird der Spitzen-Haupt-Einspritz-Druck aufgrund des erhöhten Moments des Druckverstärker-Kolbens 14 als Ergebnis der Beschleunigung während des Absteuerns erhöht.
In der Ausführungsform nach 5 wird eine passive Steuerung des Nadelventils oder der Sperre durch das Abfließen einer Portion des Einspritz-Vorrichtungs-Drucks auf eine gesteuerte Weise auf die hintere Nadel-Seite gesteuert, um auf der Nadelventil-Begrenzung 50 aufzuliegen.
Obwohl die Erfindung nach dieser Ausführungsform mit der Beispiel-Einspritz-Vorrichtung, die in 7 beschrieben ist, verwendet werden könnte, ergibt sich, daß die Erfindung auf jeden Kolben-getriebenen Einspritz-Vorrichtungs-Typ, wie HEUI- und MEUI-Einspritz-Vorrichtungen, gleichwertig anwendbar ist.
Die Ausführungsform nach 6 kombiniert die Merkmale der Ausführungsformen nach den 4 und 5. Die Handhabung bzw. Betrieb der Merkmale entspricht im Wesentlichen der bzw. dem oben beschriebenen mit Bezug auf die 4 und 5. Die Ausführungsform nach 6 liefert die folgenden Vorteile: der Bereich des Kolben-Teilumlaufs wird umgangen; kein Kolben-Doppelumlauf ist erforderlich, um Vor-Einspritz- und Haupt-Einspritz-Vorgänge zu liefern, wobei die Öffnungs- und Schließbewegungen des Nadelventils 16 passiv mittels des Fluids in Kammer 44, gegen das das Nadelventil 16 arbeiten bzw. wirken muß, gesteuert werden; und Teil-Einspritzung oder Raten-Proportionierung des Einspritz-Vorgangs werden wie gewünscht durch passive Einrichtungen geliefert, ohne zusätzliche Steuer-Eingaben an die Brennstoffeinspritzvorrichtung.
In der Ausführungsform nach 6 ist der Beginn der Brennstoff-Einspritzung relativ zum Beginn der Druckverstärker-Kolben-Bewegung 14 verzögert, bis für das Kolbenventil 39 ausreichend Zeit vergangen ist, um ein Spiel von der geschlossenen zur offenen Stellung und zurück zur geschlossenen Stellung zu durchlaufen. Zusätzlich wird eine passive Steuerung des Nadelventils 16 durch Abfließen einer Portion des Einspritz-Drucks in einer gesteuerten Weise zur hinteren Nadel-Kammer 44 des Nadelventils 16 bereitgestellt bzw. geliefert.
Wie in 6 dargestellt, ist ein Absteuer-Durchlaß 40 durch eine Absteuer-Öffnung 43 mit dem Zylinder 22 strömungstechnisch gekoppelt. Der Absteuer-Durchlaß 40 ist durch den Steuer-Durchlaß 52 mit der hinteren Nadel-Kammer 44 des Nadelventils 16 strömungstechnisch verbunden. Die Absteuer-Öffnung 43 ist unter dem unteren Zylinderkopf 20 angrenzend angeordnet, um offen zu sein, wenn der Druckverstärker-Kolben 14 in seiner zurückgezogenen Stellung angeordnet ist.
Ferner ist eine Steuer-Öffnung 53 gestaltet, um die Hochdruck-Brennstoff-Kammer 23 zu teilen bzw. zu überkreuzen. Die Steuer-Öffnung 53 wird vom Druckverstärker-Kolben 14 abgedichtet, wenn der Druckverstärker-Kolben 14 in der zurückgezogenen Stellung angeordnet ist. Die Steuer-Öffnung 53 ist durch einen Steuer-Durchlaß 52 mit der hinteren Nadel-Kammer 44 an der Rückseite des Nadelventils 16 verbunden. Eine Auslaß-Öffnung 48 verbindet den Entlastungs-Durchlaß 46 mit dem Vorratstank 28, wie oben diskutiert worden ist.
Im Druckverstärker-Kolben 14 ist ein Durchlaß 56 durch seine Unterseiten-Fläche 20 durch seine Seitenwand 57 geschnitten, der dem Brennstoff erlaubt, zur hinteren Nadel-Kammer 44 auszufließen, wenn die Steuer-Öffnung 53 und der Durchlaß 56 in eine Linie gebracht werden bzw. abgefluchtet sind. Wenn sich der Druckverstärker-Kolben 14 aufwärts zurückzieht und abwärts fährt, wird der Durchlaß 56 alternativ blockiert, vollständig mit der Steuer-Öffnung 53 verbunden oder teilweise mit der Steuer-Öffnung 53 verbunden. Wenn die Steuer-Öffnung 53 offen ist (Öffnungsvorgabe), ist der Prozentsatz der Druckverstärker-Kolben-Bewegung eine Funktion der Stellung des Druckverstärker-Kolbens 14 und der Steuer-Öffnungs-Gestaltung. Durch Variation der Gestaltung von Steuer-Öffnung 53 und Absteuer-Öffnung 43 können unterschiedliche Öffnungsvorgabe erzielt werden, die in unterschiedlichen Einspritz-Vorrichtungs-Leistungs-Charakteristika resultieren.
Die üblichen Charakteristika in verschiedenen Absteuer-Öffnungsvorgabe-Gestaltungen für dieses Konzept werden wie folgt erklärt. Die Absteuer-Öffnung 43 ist offen, wenn der Druckverstärker-Kolben 14 beginnt, sich abwärts zu bewegen, wie es in 6 dargestellt ist. Wegen des Abfließens nach Kammer 44 ist der Druck an der Druck-Kammer 23 niedrig, und keine Einspritzung wird stattfinden. Dies ist die Bypass-Phase bzw. Umgehungs-Phase des Abfließens. Wenn sich der Druckverstärker-Kolben 14 abwärts bewegt, beginnt sich die Absteuer-Öffnung 43 zu schließen.
Während des Schließens der Absteuer-Öffnung 43 oder nachdem die Absteuer-Öffnung 43 vollständig geschlossen ist, was von unterschiedlichen Gestaltungen der Absteuer-Öffnung 43 abhängt, wird die Einspritzung aufgrund des hohen Drucks in der Druck-Kammer 23 beginnen, der ein Öffnen des Nadelventils 16 bewirkt. In diesem Moment wurde der Bereich der teilweisen Kolben-Bewegung des Steuerventils bereits umgangen. Sobald die Abgabe des Brennstoffs beginnt (nur eine sehr kleine Menge Brennstoff wird zu diesem Zeitpunkt eingespritzt), öffnet sich die Steuer-Öffnung 53, um Brennstoff zur hinteren Nadel-Kammer 44 abfließen zu lassen. Ein solcher Hochdruck-Brennstoff bewirkt, daß das Nadelventil 16 abwärts hin zu einer geschlossenen Stellung gedrängt wird. Dieses Schließen des Nadelventils 16 resultiert entweder in einem Teil-Einspritz-Vorgang oder einem Raten-Proportionierung-Vorgang, was von der genauen Gestaltung der Absteuer-Öffnung 43 abhängig ist. Wenn sich der Druckverstärker-Kolben 14 weiter abwärts bewegt, beginnt sich die Steuer-Öffnung 53 zu schließen, und der Druck in der hinteren Nadel-Kammer 44 beginnt abzufallen. Dies erlaubt dem Nadelventil 16, sich wieder zu öffnen und seine vollangehobene Stellung einzunehmen. Der Haupt-Einspritz-Vorgang beginnt.
Wenn ein elektronisches Befehls-Signal an das Steuer-(Kolben-)Ventil gegeben wird, öffnet das Steuerventil, und das Betätigungs-Fluid (Öl) fließt in die Druckverstärker-Betätigungs-Kammer, um auf den Druckverstärker-Kolben 14 zu wirken. Der Druckverstärker-Kolben 14 beginnt, sich abwärts zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Absteuer-Öffnung 43 offen. Aufgrund des Abfließens ist der Druck in der Druck-Kammer 23 niedrig, der Druck über der hinteren Nadel-Seite 50 ist hoch, das Nadelventil kann daher nicht anheben, und keine Einspritzung findet statt. Wenn der Druckverstärker-Kolben 14 sich weiter abwärts bewegt, beginnt die Absteuer-Öffnung 43, sich zu schließen, der Druck unter dem Druckverstärker-Kolben in der Druck-Kammer 23 beginnt, sich aufzubauen, der Druck der hinteren Nadel-Seite 50 beginnt zu fallen. Wenn der Druck der Düsen-Kammer 32, der aufwärts auf das Nadelventil 16 wirkt, hoch genug ist, um die Kraft der Nadelventil-Feder 38 und die Druckkraft auf der hinteren Nadel-Seite 50 zu überwinden, hebt das Nadelventil 16 an, und die Einspritzung beginnt.
Zu diesem Zeitpunkt ist der Bereich der teilweisen Steuerventil-Kolben-Bewegung umgangen worden. Nach einer kleinen Brennstoff-Mengen-Abgabe beginnt sich die Steuer-Öffnung 53 zu öffnen, wenn sich der Druckverstärker-Kolben 14 weiter abwärts bewegt. Eine Menge an Brennstoff in der Hochdruck-Kammer 23 fließt durch die Steuer-Öffnung 53 zur hinteren Nadel-Kammer 44. Zu diesem Zeitpunkt fällt der Düsen-Kammer-Druck aufgrund des Brennstoff-Abfließens, und gleichzeitig steigt der Druck an der hinteren Nadel-Seite 50. Dies verhindert ein weiteres Anheben des Nadelventils 16 oder bewirkt sogar ein Schließen des Nadelventils 16, was abhängig von verschiedenen Gestaltungen der Steuer-Öffnung 53 und Motor-Betriebszuständen bzw. Motor-Betriebsbedingungen ist. Während der Periode des Abfließens über die Steuer-Öffnung 53 kann eine Raten-Proportionierung oder Teil-Einspritzung erreicht werden. Wenn der Druckverstärker-Kolben 14 sich weiter abwärts bewegt, schließt sich die Absteuer-Öffnung 43 fortschreitend. Der Düsen-Kammer-Druck baut sich wieder auf, der Druck an der hinteren Nadel-Seite 50 fällt ab, wenn sich der Brennstoff durch die Ablauf-Öffnung 48 entlastet, und der Haupt-Einspritz-Vorgang beginnt. Es sollte angemerkt werden, daß wegen des Abfließens durch Steuer-Öffnung 53 der Druck an der Druck-Kammer 23 erniedrigt ist. Dies resultiert in einer Abwärts-Bewegung des Druckverstärker-Kolbens 14 mit einer schnelleren Geschwindigkeit. Dieser erhöhte Impuls des Druckverstärker-Kolbens resultiert in höherem Spitzen-Brennstoff-Einspritz-Druck.
Am Ende des Einspritz-Vorgangs wird ein elektronisches Signal zum Steuer-Kolbenventil gesendet, und das Steuerventil schließt. Als eine Folge fällt der Druck an der Druckverstärker-Kammer 23 und der Druckverstärker-Kolben 14 beginnt, sich aufwärts zu seiner Ausgangsstellung zurückzuziehen, wie es in 6 dargestellt ist. Der Düsen-Kammer-Druck fällt ebenfalls, und das Nadelventil 16 wird von der Kraft der Nadelfeder 38 geschlossen. Brennstoff füllt die Druck-Kammer 23 durch ein Absperr-Ventil 26 (siehe 3) und die hintere Nadel-Kammer 44 durch die Ablauf-Öffnung 48. Wenn ein anderes Signal zum Steuer-Kolbenventil gesendet wird, wird ein neuer Einspritz-Vorgang starten.
Wie oben beschrieben worden ist, stellt die Brennstoffeinspritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Zahl von Vorteilen bereit, von denen einige oben beschrieben worden sind und andere, die der Erfindung zu eigen sind. Es wird von Fachleuten in Anbetracht der Beschreibung der Erfindung erkannt, daß viele Alternativen, Modifikationen und Variationen innerhalb der Erfindung gemacht werden können, ohne von den darin enthaltenen Lehren abzuweichen. Demgemäß sollte die Erfindung nicht begrenzt sein, außer in Übereinstimmung mit dem Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche.

Claims

Brennstoffeinspitzvorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoffeinspritzungsvorgangs in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors, welche eine Steuereinrichtung (39) aufweist, die von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung und zurück in die erste Stellung verstellbar ist, wobei eine solche Verstellung ein Durchlassen einer Betätigungsflüssigkeit bewirkt, um einen Druckverstärkerkolben (14) anzuheben, um Brennstoff in einer Druckverstärkerkammer (23) von einem nicht-einspritzbaren zu einem einspritzbaren Druckniveau zu verdichten, mit einem ventillosen Absteuer-Durchlaß (40), der betrieblich in Strömungsverbindung mit der Druckverstärkerkammer (23) angeordnet ist, wobei der Absteuerdurchlaß (40) Brennstoff aus der Druckkammer (23) für eine gewählte Zeitdauer nach Beginn der Verdichtungs-Hub-Bewegung des Druckverstärkerkolbens (14) abfließen läßt, wobei der Absteuer-Durchlaß (40) eine Absteueröffnung (43) aufweist, welche sich in die Druckverstärkerkammer (23) öffnet, wobei ein Kolbenkopf (20) versetzt zur Absteueröffnung (43) angeordnet ist, wobei die Absteueröffnung (43) hierbei geöffnet wird, wenn der Druckverstärkerkolben (14) in einer ersten zurückgezogenen Stellung vor Beginn der Einspritzung angeordnet ist, wobei eine Translation des Druckverstärker-Kolbenkopfes (20) in einem vorgewählten Abstand von der ersten zurückgezogenen Stellung eine zuverlässige Abdichtung der Absteueröffnung (43) und des Absteuer-Durchlasses (40) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Brennstoff-Abflusses im Wesentlichen der minimalen Zeitdauer angeglichen wird, die für die Steuereinrichtung (39) erforderlich ist, um einen Umlauf von der ersten Stellung zur zweiten Stellung and zurück zur ersten Stellung durchzuführen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Druckverstärkerkolben (14) in einem Zylinder (22) längsverschiebbar ist, wobei der Zylinder einen Teil einer Druckverstärkerkammer (23) mit variablem Volumen definiert, und wobei die Absteueröffnung (43) den Zylinder (22) kreuzt.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Translation des Druckverstärker-Kolbenkopfes (20) den vorgewählten Abstand von der ersten zurückgezogenen Stellung dazu dient, um die Absteueröffnung (43) zuverlässig abzudichten, und wobei der Absteuer-Durchlaß (40) bewirkt, daß sich der Druck in der Druckverstärkerkammer (23) auf ein einspritzbares Niveau aufbauen kann.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Absteuer-Durchlaß (40) einen vorbestimmten Durchflußquerschnitt aufweist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druckverstärkerkolben (14) in der Druckverstärkerkammer (23) zwischen der ersten zurückgezogenen Stellung und einer zweiten Stellung mit vollem Hub längsverschiebbar ist, wobei die Absteueröffnung (43) benachbart zum und im Abstand vom Druckverstärker-Kolbenkopf (20) angeordnet ist, wenn der Druckverstärkerkolben (14) in der ersten zurückgezogenen Stellung angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Absteuer-Durch-laß (40) ein Abfließen des Brennstoffs aus der Druckkammer (23) für eine Zeit nach Beginn des Hubes des Druckverstärkerkolbens (14) bewirkt, wobei die Zeit von ausreichender Dauer ist, um sicherzustellen, daß die Steuereinrichtung (39) in einem stabilen und voraussagbaren Betrieb des Brennstoffzufuhr-Vorgangs arbeitet.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Absteuer-Durch-laß (40) eine gewählte Verzögerung zwischen der Einleitung eines Ansteuerbefehls an die Steuereinrichtung (39) und dem Beginn der Brennstoffeinspritzung bewirkt.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Absteuer-Durch-laß (40) in einem Einspritzvorrichtungs-Gehäuse definiert ist und strömungstechnisch mit einem Niederdruck-Bereich zum Abfließen des Brennstoffs zum Niederdruck-Bereich verbunden ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner ein Nadelventil (16), wobei das Nadelventil (16) zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung längsverschiebbar ist, und eine Brennstoff-Einspritzöffnung (33) enthält, welche in der offenen Nadelventil-Stellung geöffnet ist, wobei das Nadelventil (16) eine Nadelrückfläche (50) aufweist und die Nadelrückfläche (50) einen Teil einer hinteren Nadelkammer (44) definiert, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung ferner enthält: die Absteueröffnung (43), welche einen Absteuer-Durchlaß (40) enthält, welcher in einem Einspritzvorrichtungs-Gehäuse definiert und mit der Nadelrückfläche (50) strömungstechnisch verbunden ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, wobei Brennstoff, der unter Druck durch die Absteueröffnung (43) abfließt, auf die Nadelrückfläche (50) einwirkt, um die Translation des Nadel-Ventils (16) zu steuern.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner einen Nadelrückseiten-Entlastungs-Durchlaß (46) enthält, wobei der Nadelrückseiten-Entlastungs-Durchlaß (46) mit der Nadelrückfläche (50) strömungstechnisch verbunden ist, um von dort Brennstoff abzulassen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Brennstofffluß im Nadelrückseiten-Entlastungs-Durchlaß (46) zweiwegig ausgelegt ist, um selektiv den Brennstoff von der Nadelrückfläche abzulassen und um ein Brennstoff-Volumen an der Nadelrückfläche (50) wiederzubefüllen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druckverstärkerkolben (14) mit der Absteueröffnung (43) zusammenwirkt, um den Beginn der Brennstoffeinspritzung selektiv wie gewünscht zu steuern; oder um den Beginn der Brennstoffeinspritzung in bezug auf den Beginn der Druckverstärkerkolben-Bewegung zu verzögern; oder um den Beginn der Brennstoffeinspritzung in bezug auf den Beginn der Betätigung eines Einspritzvorrichtungs-Steuerventils zu verzögern.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffeinspritzung nur nach Schließen der Absteueröffnung (43) erfolgt.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Absteuer-Durchlaß (40) wahlweise die Absteueröffnung (43) mit der Nadelrückfläche (50) des Nadelventils (16) strömungstechnisch verbindet.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 14 und 15, wobei Brennstoff, der unter Druck durch die Absteueröffnung (43) abfließt, auf die Nadelrückfläche (50) einwirkt, um einer Kraft entgegenzuwirken, die auf das Nadelventil (16) wirkt und dazu neigt, das Nadelventil (16) in eine offene Stellung zu drängen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine Nadelrückseiten-Entlastungs-Öffnung (48) mit einer Brennstoffquelle strömungstechnisch verbunden ist, die außerhalb der Einspritzvorrichtung angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Brennstofffluß in der Nadelrückseiten-Entlastungs-Öffnung (48) zweiwegig ausgelegt ist, um selektiv den Brennstoff von der Nadelrückfläche (50) abzulassen und um ein Brennstoff-Volumen an der Nadelrückfläche (50) wiederzubefüllen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, der eine zweite Absteueröffnung (53) aufweist, wobei die zweite Absteueröffnung (53) vom Druckverstärkerkolben unabhängig vom Öffnen und Schließen der Absteueröffnung (43) während der Translationsbewegung des Verdichterkolbens (14) variabel geöffnet und geschlossen werden kann, um Brennstoff von der Druckverstärkerkammer (23) abfließen zu lassen, um wie gewünscht die Öffnungsbewegung des Einspritzvorrichtungs-Nadelventils (16) zu steuern.