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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisch unterstütztes Motorventilstellglied
bzw. -betätigungsglied
nach Anspruch 1, das mit einem Motorventil verbunden ist.
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Einschlägiger Stand
der Technik
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Aus
der
US 5,732,678 A ist
ein Schieber- bzw. Spindelventil bekannt, das einen Hydraulikantrieb
steuert, wie z. B. einen Antrieb für eine Kraftstoffpumpe in einem
Verbrennungsmotor, in dem der Hydraulikantrieb einen Antriebskolben
aufweist, der in einem Hydraulikzylinder gelagert wird, durch den ein
Strömungskanal
eine Verbindung mit dem Schieberventil besitzt. Der Schieber kann
eine Position besetzen, in der der Strömungskanal mit einer Hochdruckquelle
und einer anderen Position verbunden ist, in der der Strömungskanal
mit einer Niederdrucköffnung
verbunden ist. Der Schieber ist mittels einer Positionierungseinrichtung
einstellbar, die durch eine Steuereinheit elektrisch betätigt wird,
die wiederum geplante Positionen des Schiebers bestimmt und für einen
beweglichen Teil im Positionierungsbauteil ist. Der bewegliche Teil
weist Wicklungen auf, die in einem Magnetfeld in einem Schlitz positioniert
sind, der in der Längsrichtung
des Schiebers rechteckig ausgebildet ist. Ein Sensor signalisiert
die Ist-Position des beweglichen Teils an die Steuereinheit. Der
bewegliche Teil und der Schieber sind aneinander befestigt, so daß das Schieberventil
den Bewegungen des beweglichen Teils nachgeführt wird. Die Steuereinheit
versorgt die Wicklungen mit Strom, wenn die Ist-Position des beweglichen Teils sich
von der geplanten Position unterscheidet.
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Die
US 5,529,030 A offenbart
ein hydraulisch unterstütztes
Motorventilstellglied, das mit einem Motorventil verbunden ist,
das zwischen einer geschlossenen Position, einer offenen Position
und der geschlossenen Position tranlatorisch beweglich ist, und ein
translatorisch bewegliches Pilotventil aufweist, das mit einer Pilotventil-Positionierungseinrichtung verbunden
ist und durch diese gesteuert wird, und einen Servokolben, der eine
fluidische Verbindung mit dem Pilotventil besitzt und mit dem Mo torventil
wirksam verbunden ist, wobei die Pilotventil-Positionierungseinrichtung
eine Translation des Pilotventils in einer Bohrung bewirkt, die
in dem Servokolben definiert ist, um zu ermöglichen, daß ein unter Druck stehendes,
hydraulisches Fluid zum und von dem Servokolben strömen kann.
Der Servokolben unterliegt der Hin- und Herbewegung des Pilotventils.
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Hintergrund
der Erfindung
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Erwünscht ist
ein hydraulisch unterstütztes Motorventilstellglied,
das einen flexiblen Motorventilbetrieb unter verschiedensten Motorbetriebsbedingungen
ermöglicht.
Das hydraulisch unterstützte
Motorventilstellglied sollte eine variable Ventilsteuerzeit des Öffnens und
Schließens
und nach Bedarf einen variablen Ventilhub zur Erzielung optimaler
Motorwirkungsgrade ermöglichen.
Derzeit ist es so, daß hydraulisch
betätigte
Ventile durch Rohre, die allgemein als Leitungen (Rails) bezeichnet
werden, mit einem hydraulischen Fluid versorgt werden. Die bei den
derzeitigen hydraulischen Betätigungskonzepten
vorliegenden Ventilbewegungsprofile sind von einem bereits festgelegten,
konstanten Öldruckwert
an den Versorgungsleitungen abhängig,
da die Leitungsdrücke
nicht schnell genug eingestellt werden können, um die Ventilprofile
anzupassen. Ungeachtet der Motor-Umdrehungszahl pro Minute führen die
konstanten Leitungsdruckwerte zu konstanten Ventilprofilen.
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Die
derzeitigen hydraulischen Betätigungsschemata
erhöhen
den Motorkonstruktionsaufwand. Einige hydraulische Betätigungskonzepte
basieren auf zusätzlichen
hydraulischen Versorgungsleitungen auf konstantem Druckniveau. Ferner
sind für eine
hydraulische Betätigung,
die auf Schieber- oder Teller-Ventilbetätigungen durch Ein-/Aus-Magnetspulen
basiert, Motorventilstellungssensoren erforderlich, die für eine zuverlässigen Zeitsteuerung
der Magnetspulen sowie für
Betriebssicherheit sorgen. Die Mehrzahl der erforderlichen Sensoren
sorgt für eine
weitere Erhöhung
der Komplexität
des Motors.
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Ein
hydraulisch unterstütztes
Motorventilstellglied sollte eine einheitliche Ventilbetätigung bei verschiedensten
Hydraulikfluidtemperaturen ermöglichen.
Gegenwärtige
Hydraulikbetätigungskonzepte basieren
typischerweise auf mechanischen Dämpfungsmechanismen, die zum
Aufsetzen dienen und verhindern sollen, daß sich das Ventil zu schnell setzt.
Solche Mechanismen sind typischerweise sehr von der Öltemperatur
abhängig,
was zu uneinheitlichen Ventilbetätigungseigenschaften
führt.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein hydraulisch betätigtes Motorventilstellglied
zu schaffen, das eine flexiblen Motorventilbetrieb ermöglicht: eine
variable Ventilzeitsteuerung und Öffnen und Schließen und
einen variablen Ventilhub.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wird diese Aufgabe durch die Merkmale nach Anspruch 1
gelöst.
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Verbesserte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen hydraulisch
betätigten
Motorventilstellglieds resultieren aus den Unteransprüchen.
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Ferner
sind bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
die mechanischen Bauteile, die zum Ausführen einer hydraulischen Betätigung notwendig sind,
verhältnismäßig simpel
ausgelegt, wodurch die Anzahl an zusätzlich erforderlichen Motorbauteilen minimiert
wird. Es sind keine Sensoren oder mechanische Dämpfungsmechanismen notwendig.
Zusätzlich
ist die hydraulische Betätigung
der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß eine einheitlichen Betätigung bei
verschiedensten Hydraulikfluidtemperaturen ermöglicht wird.
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Die
vorstehende Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung
einer Feinnadelsteuerung gelöst.
Die Feinnadelsteuerung sorgt für
eine Anpassung der Motorventilprofile: Variieren von Motorprofilen
bei verschiedenen Motordrehzahlen, Variieren der Form der Profile
bei einer gegebenen Umdrehung pro Minute. Die vorlie gende Erfindung
ermöglicht
ferner aggressive Öffnungs-
und Schließabläufe des
Ventils, was zu einem verbesserten volumetrischen Wirkungsgrad des
Motors führt.
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Das
erfindungsgemäße hydraulisch
unterstützte
Motorventilstellglied spricht nicht auf Druckveränderungen in der Hochdruckleitung
an, d. h. die Anpassung der Motorventilbewegung kann eine erhebliche
Druckveränderung
(über einem
vorgeschriebenen Schwelldruck) in der Hochdruckleitung tolerieren.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erfordert lediglich eine Hochdruck-Versorgungsleitung voraus. Die Niederdruckleitung
wird bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durch den bereits vorhandenen Schmierölvorrat
gestellt. Bei Motoren mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, das eine
Hochdruckleitung beinhaltet, wird der selbe Druckvorrat zur Ventilbetätigung verwendet,
um den Mehraufwand an Bauteilen im Motor zu minimieren.
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Bei
der vorliegenden Erfindung folgt die Abgabe, d. h. die Motorventilposition,
sehr dicht der Eingabe in das hydraulische Stellglied. Daher erfordert die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht den Zusatzaufwand eines
notwendigen Sensors, um eine Motorventilposition für eine Feedback-Steuerung
zu messen. Eine exakte Steuerung des Setzens des Ventils wird durch
eine exakte Steuerung der Nadel am Ende des Hubs erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ferner ein sehr gutes Betriebsverhalten bei niedrigen Temperaturen,
trotz der Tatsache, daß es
sich bei dem hydraulischen Betätigungsfluid
bevorzugt um Schmieröl
handelt. Die proportionalen Strömungsquerschnitte
der Hydraulikfluiddurchlässe
sind nicht so klein, als daß sie
das Betriebsverhalten bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen
beeinträchtigen würden. Dies
erlangt insbesondere im Niedertemperaturbetrieb Bedeutung, da die
Viskosität
des Hydraulikfluids, insbesondere des Schmieröls, bei kaltem Motor beträchtlich
höher ist
als nach Aufwärmen des
Motors.
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Ferner
tragen die mechanischen Bauteile, die zur Ventilbetätigung durch
die vorliegende Erfindung erforderlich sind, nicht erheblich zur
Komplexität
des Motors bei, d. h. daß sehr
wenige Modifizierungen an einem vorhandenen Zylinderkopf erforderlich
wären,
um die Ventilstellglied-Baugruppe der vorliegenden Erfindung einzubauen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht des hydraulisch unterstützten Motorventilstellglieds
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt, das mit einem Motorventil verbunden
ist;
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2a–2b stellen
den Ventilöffnungszyklus
dar. Insbesondere 2a ist eine Seitenansicht des
Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich das Stellglied und
das Ventil in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung befinden;
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2b ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei die
Stellgliednadel mit der Translation nach rechts beginnt und das
Ventil sich in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung befindet;
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2c ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
die Stellgliednadel in einer rechtsgerichteten Position befindet
und das Ventil sich der offenen, ausgefahrenen Anordnung nähert;
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2d ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei die
Stellgliednadel und das Ventil in der offenen, ausgefahrenen Anordnung angehalten
sind;
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3a–3b stellen
den Ventilschließzyklus
dar. Insbesondere ist 3a eine Seitenansicht des Ventilstellglieds
im Querschnitt, wobei sich die Stellgliednadel und das Ventil in
der offenen, ausgefahrenen Anordnung befinden;
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3b ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
die Stellgliednadel und das Ventil in der offenen, ausgefahrenen
Anordnung befinden, wobei die Stellgliednadel translatorisch nach
links bewegt worden ist, wodurch die Ausfahrkammer zu einem Niederdruck-Hydraulikfluid freigelegt
wird;
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3c ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglied im Querschnitt, wobei das
Ventil sich im Übergang
zwischen der offenen, ausgefahrenen Anordnung und der geschlossenen,
eingezogenen Anordnung befindet, wobei die Stellgliednadel translatorisch
nach links bewegt worden ist, wodurch die Ausfahrkammer zu einem
Niederdruckhydraulikfluid freigelegt wird.
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3d ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
die Stellgliednadel und das Ventil in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung
befinden;
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4a–4b stellen
verschiedene Stellglied- und Ventilparameter auf einer gemeinsamen zeitlichen
Basis dar, wobei das Ventil durch das erfindungsgemäße Ventilstellglied
betätigt
wird. Insbesondere stellt 4a einen
Graphen über
die Stellglied- und
Ventilverschiebung im Zeitverlauf dar.
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4b ist
ein Graph über
die Strömung
eines Hochdruckhydraulikfluids zum Stellglied im Zeitverlauf;
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4c ist
ein Graph über
die auf den Stellgliedkolben wirkende Kraft und die Ventilfederkraft
im Zeitverlauf;
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4d ist
ein Graph über
den Stellglieddruck in der Ausfahr- und Einziehkammer im Zeitverlauf;
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5a–5b sind
schematischen Darstellungen einer Hydraulik, die den Ventilöffnungszyklus und
den Ventilschließzyklus
in Folge darstellen. Insbesondere 5a ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
das Stellglied und das Ventil in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung
kurz vor dem Ventilabwärtshub
befinden;
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5b ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei die
Stellgliednadel eine Translation nach unten beginnt und sich das
Ventil in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung befindet;
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5c ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
die Stellgliednadel in einer Abwärtsposition
befindet und das Ventil sich der offenen, ausgefahrenen Anordnung
nähert;
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5d ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei die
Stellgliednadel und das Ventil in der offenen, ausgefahrenen Anordnung angehalten
sind;
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5e ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei die
Stellgliednadel beginnt, sich nach oben einzuziehen, und das Ventil sich
in der offenen, ausgefahrenen Anordnung befindet;
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5f ist
eine Seitenansicht des Ventilstellglieds im Querschnitt, wobei sich
die Stellgliednadel und das Ventil in der offenen, ausgefahrenen
Anordnung befinden, wobei die Stellgliednadel nach oben eingezogen
ist und die Ausfahrkammer zu einem Niederdruckhydraulikfluid freilegt
wird und das Ventil sich in der geschlossenen, eingezogenen Anordnung befindet;
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Das
erfindungsgemäße hydraulisch
unterstützte
Motorventilstellglied ist in den Figuren allgemein mit dem Bezugszeichen 10 dargestellt. 1 stellt
das Stellglied 10 dar, das mit einem Motorkopf 12 verbunden
ist.
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Der
Motorkopf 12 weist ein Ventil 14 auf, das darin
translatorisch beweglich angeordnet ist. Das Ventil 14 öffnet und
schließt
einen Einlaß-/Auslaßkanal 16.
Der Ein-laß-/Auslaßkanal 16 ist,
abhängig
davon, ob das Ventil 14 ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil
ist, entweder ein Einlaßkanal
oder ein Auslaßkanal.
Für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung, kann das Ventil 14 entweder
ein Einlaß-
oder ein Auslaßventil
sein.
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Bei
der Darstellung von 1 befindet sich das Ventil 1 in
der geschlossenen Anordnung, wobei es auf dem Ventilsitz 18 aufliegt.
Ein länglicher
zylindrischer Ventilschaft 20 wird in einer Ventilführung 22 translatorisch
geführt.
Eine Ventildichtung 24, die am Motorkopf 12 angebracht
ist, verhindert, daß Fluide um
den Ventilschaft 20 herum entweichen.
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Eine
Ventilschraubenfeder 26 ist konzentrisch mit dem Ventilschaft 20 angeordnet
und weist ein erstes Ende auf, das auf dem Motorkopf 12 aufliegt.
Das zweite Ende der Ventilfeder 26 ist in einer Ventildrehvorrichtung 28 einbehalten.
Die Ventilfeder 26 wird bevorzugt in einem komprimierten
Zustand zwischen der Ventildrehvorrichtung 28 und dem Motorkopf 12 gehalten,
wenn sich das Ventil 14 entweder in der offenen oder geschlossenen
Anordnung befindet. Von einem Ventikegelstück 30 ist ein Abschnitt
in einer Kegelstückrille 32 angeordnet
ist, die um den Umfang des Ventilschafts 20 herum ausgebildet
ist. Das Ventilkegelstück 30 bildet
die Verbindung zwischen der Ventildrehvorrichtung 28 und
dem Ventilschaft 20.
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Das
erfindungsgemäße hydraulische
Stellglied 10 weist drei Hauptkomponenten auf: ein Stellgliedgehäuse 40,
einen Stellgliedkolben 42 und eine Nadel 44.
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Unter
Bezugnahme auf 2a besteht das Stellgliedgehäuse 40 bevorzugt
aus drei Komponenten: einem mittig angeordneten Gehäusekörper 46, einer
Gehäuseabdeckung 48 und
einem Gehäuseeinsatzstück 50.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist
der Gehäusekörper 46 des
Stellgliedgehäuses 40 eine
Zylinderbohrung 52 auf, die konzentrisch mit der Längsachse
des Stellgliedgehäuses 40 definiert
ist. Ein LP- Fluidkanal 54 (LP
= low pressure = Niederdruck) ist zwischen dem Gehäusekörper 46 und
dem Gehäuseeinsatzstück 50 definiert.
Der LP-Fluidkanal 54 erstreckt sich von der Außenseite des
Stellgliedgehäuses 40 und
schneidet die Zylinderbohrung 52.
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Eine
Kolbenbohrung 58a, 58b ist konzentrisch mit der
Längsachse
des Stellgliedgehäuses 40 und
des Gehäusekörpers 46 bzw.
des Gehäuseeinsatzstücks 50 definiert.
Die Kolbenbohrung 58a, 58b ist allgemein zylindrisch
und weist einen Durchmesser auf, der im wesentlichen geringer ist
als der Durchmesser der Zylinderbohrung 52. Ein HP-Fluidkanal 56 (HP
= high pressure = Hochdruck) ist zwischen dem Gehäusekörper 46 und
der Gehäuseabdeckung 48 definiert.
Der HP-Fluidkanal 56 schneidet die Kolbenbohrung 58a.
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In
der Gehäuseabdeckung 48 des
Stellgliedgehäuses 40 ist
eine Nadelbohrung 60 definiert. Um den Umfang der Nadelbohrung 60 herum
ist eine O-Ringrille 62 definiert.
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Der
Stellgliedkolben 42 weist einen zylindrischen Kolbenkörper 64 und
einen Kolbenkopf 66 auf. Der Kolbenkörper 64 weist eine
allgemein längliche zylindrische
Form auf. Der Kolbenkörper 64 ist
an einem ersten Ende mit dem Ende des Ventilschafts 20 des
Ventils 14 betrieblich verbunden. Eine Nadelbohrung 72 ist
am zweiten Ende des Kolbenkörpers 64 definiert.
Die Nadelbohrung 72 erstreckt sich in etwa über die
Hälfte
der Längenabmessung
des Kolbenkörpers 64.
Die Nadelbohrung 72 verläuft konzentrisch mit der Längsachse
des Stellgliedkolbens 42. Der Kolbenkörper 64 ist in der
Kolbenbohrung 58a, 58b gleitend angeordnet.
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Der
Kolbenkopf 66 weist eine allgemein zylindrische Form auf.
Der Durchmesser des Kolbenkopfs 66 ist im wesentlichen
größer als
der Durchmesser des Kolbenkörpers 64.
Der Kolbenkopf 66 ist in der Zylinderbohrung 52 angeordnet,
die im Stellgliedgehäuse 40 definiert
ist. Wie in 1 dargestellt, teilt der Kolbenkopf 66 die
Zylinderbohrung 52 in eine linke Ausfahrkammer 68 mit
variablem Volumen und eine rechte Einziehkammer 70 mit
variablem Volumen. Der Kolbenkörper 64 ist
in der Kolbenbohrung 58a, 58b translatorisch beweglich,
und der Kolbenkopf 66 ist mit ihm in der Zylin derbohrung 52 translatorisch
beweglich. Eine derartige Translation in der Zylinderbohrung 52 dient
dazu, das Volumen in der Ausfahrkammer 68 und in der Einziehkammer 70 zeitgleich
zu ändern,
wodurch das Volumen von der einen Kammer vergrößert und das Volumen von der anderen
Kammer verkleinert wird.
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Eine
Mehrzahl von gerillten Kanälen 74 erstreckt
sich durch den Kolbenkörper 64,
um die Strömung
des Hydraulikfluids vom LP-Fluidkanal 54 zur Ausfahrkammer 68 (abhängig von
der Position der Nadel 44) und zur Einziehkammer 70 aufzunehmen. Eine
Mehrzahl von gerillten Kanälen 76 erstreckt
sich durch den Kolbenkörper 64,
um die Strömung
des Hydraulikfluids vom HP-Fluidkanal 56 zur Ausfahrkammer 68 aufzunehmen.
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Die
Nadel 44 ist ein allgemein länglicher zylindrischer Stab.
Die Nadel 44 ist zumindest teilweise in der Nadelbohrung 72 angeordnet,
die im Kolbenkörper 64 definiert
ist. Die Nadel 44 erstreckt sich durch die Nadelbohrung 60,
die in der Gehäuseabdeckung 48 des
Stellgliedgehäuses 40 definiert
ist. Ein in der O-Ringrille 66 angeordneter O-Ring bewirkt eine
Dichtung zwischen der Nadel 44 und der Nadelbohrung 60.
Die Nadel 44 ist sowohl in der Nadelbohrung 60 als
auch in der Nadelbohrung 72 translatorisch gleitend angeordnet.
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Die
Nadel 44 erstreckt sich über die Gehäuseabdeckung 48 hinaus
und ist mit einem Nadelpositionierungsmechanismus 80 betrieblich
verbunden. In der Darstellung von 1 ist der
Nadelpositionierungsmechanismus 80 eine Magnetspule. Auf Wunsch
kann der Nadelpositionierungsmechanismus 80 auch die Erhebung
eines Nockens oder ein Schrittmotor oder eine andere geeignete Positionierungsvorrichtung
sein.
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Das
nach innen gerichtete Ende der Nadel 44 ist so geformt,
daß sie
ein Spindelventil mit einer ersten Endrille 82 ausbildet.
Die Rille 82 weist einen Durchmesser auf, der im wesentlichen
geringer ist als der Innendurchmesser der Nadelbohrung 72,
wodurch ein Fluidkanal zwischen der ersten Endrille 82 und
der Nadelbohrung 72 ausgebildet wird. Eine zweite Rille 84 ist
in etwa in der Mitte entlang der Längsachse der Nadel 44 definiert.
Die zweite Rille 84 weist ebenfalls einen Durchmesser auf,
der im wesentlichen geringer ist als der Durchmesser der Nadelbohrung 72,
wodurch ein Fluidkanal zwischen der zweiten Rille 84 und
der Nadelbohrung 72 definiert wird.
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Betrieb der
Erfindung
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Während des
Betrieb ist das hydraulisch unterstützte Motorventilstellglied 10 von
einem Nieder- und Hochdruckfluid abhängig. Eine Niederdruck-Hydraulikfluidquelle,
wie z. B. Motorschmieröl,
das unter Druck steht, während
das Öl
zu Schmierzwecken durch den Motor zirkuliert, ist mit dem LP-Fluidkanal 54 betrieblich
verbunden. Eine Hochdruckfluidquelle, wie z. B. ein unter Druck
stehendes Motoröl,
das für den
Betrieb der Motorkraftstoffeinspritzdüsen notwendig ist, ist mit
dem HP-Fluidkanal 56 betrieblich verbunden. Eine derartige
Hochdruckquelle ist im Zusammenhang mit einem hydraulisch betätigten,
elektronisch gesteuerten Einspritzdüsensystem in den US-Patenten
5,191,867 und 5,392,749 beschrieben. Die translatorische Bewegung
der Nadel 44, die auf die Eingabe des Nadelpositionierungsmechanismus 80 anspricht,
verteilt das Hydraulikfluid in die bzw. aus der Ausfahrkammer 68 bzw.
Einziehkammer 70, die durch die Position des Kolbenkopfs 66 des
Stellgliedkolbens 42 definiert sind, um in einer solchen Weise
(die im nachstehenden Abschnitt ausführlich beschrieben wird) auf
den Kolbenkopf 66 einzuwirken, daß der Stellgliedkolben 42 und
das Ventil 14 die translatorische Bewegung der Nadel 44 sehr
genau nachführen.
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Der
Stellgliedkolben 42 wirkt direkt auf das Motorventil 14 ein,
wobei das Motorventil 14 durch die Ventilfeder 26 in
die geschlossen Position vorgespannt wird. Die Ventilfeder 26 übt stets
eine nach links gerichtete Kraft auf den Betätigungskolben 42 aus,
wie in 1–3d dargestellt
ist. Der Stellgliedkolben 42 übt eine ausreichende, nach
rechts gerichtete Kraft aus, wenn er durch das Hochdruckhydraulikfluid
dazu angeregt wird, um so die gegenwirkende Vorspannung der Feder 26 und
die bei der Verbrennung freiwerdenden, gegenwirkenden Kräfte, die
auf das Motorventil 14 einwirken, zu überwinden, um das Ventil 14 zu öffnen.
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Eine
translatorische Bewegung der Nadel 44 erfordert eine minimale
Kraft, die durch den Nadelpositionierungsmechanismus 80 ausgeübt wird,
und kann in wirksamer Weise gesteuert werden, um so ein vorgeschriebenes
Profil zu beschreiben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
Kraft weniger als 5,443 kg (zwölf
englische Pfund) und noch bevorzugter beträgt sie im wesentlichen etwa
2,721 kg (sechs englische Pfund). Die translatorische Position der
Nadel 44 steuert die Position des Motorventils 14. Die
Positionierung des Ventils 14 erfordert einen viel größeren Kraftaufwand
als der zur Positionierung der Nadel 44 erforderliche Kraftaufwand.
Dieser viel größere Kraftaufwand
wird durch das Hochdruckhydraulikfluid geleistet, das in der Ausfahrkammer 68 wirkt, die
auf den Stellgliedkolben 42 einwirkt. Diesbezüglich handelt
es sich bei dem Stellglied 10 um ein Servonachführsystem.
Die Steuerung der Nadel 44 wird durch das Nadelpositionierungssystem 80 beibehalten.
Die Nadel 44 dient als Servopilot, wobei der Stellgliedkolben 42 die
Servohauptstufe ist und der Nadel 44 nachgeführt wird.
Die zur Betätigung
der Nadel 44 notwendige Kraft ist relativ gering im Vergleich
zu den Kräften,
die der Nadel 44 nachgeführt werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist die Nadel 44 mit einer Kraft von 2,72 kg (sechs englischen
Pfund) steuerbar. Dadurch werden Masse und Komplexität der Bauteile,
die notwendig sind, um die Betätigung
des Ventils 14 zu bewirken, deutlich reduziert.
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Die 2a–2d stellen
den Öffnungshub des
Ventils 14 dar, der in sequentiellem Ablauf von der geschlossenen
Position in 2a zur offenen Position in 2d gezeigt
ist. In 2a ruht das Motorventil 14 durch
Einwirkung der durch die Ventilfeder 26 ausgeübten Vorspannung
zunächst
auf dem Ventilsitz 18. Die Nadel 44 und der Stellgliedkolben 42 befinden
sich vollständig
eingezogen in der ganz linken Position. Das Niederdruckfluid tritt
in den LP-Fluidkanal 54 ein und strömt durch die gerillten Kanäle 74,
um die Einziehkammer 70 zu befüllen, und strömt dann
durch den durch die erste Endrille 80 definierten Fluidkanal,
um in die Ausfahrkammer 68 des Stellgliedkolbens 42 zu
strömen.
Bei einem Niederdruckhydraulikfluid, das auf beide Seiten 69, 71 des
Kolbenkopfs 66 einwirkt, befindet sich der Stellgliedkolben 42 in
einem Zustand der hydraulischen Gleichgewichts. Der Kraft der Feder 26 wirkt
dabei keine hydraulisch erzeugte Kraft entgegen.
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Unter
Bezugnahme auf 2b wird die Nadel 44 durch
den Nadelpositionierungsmechanismus 80 translatorisch nach
rechts bewegt. Zunächst
wird der Absatz der ersten Endrille 82 der Nadel 44 durch eine
derartige Translation vorgerückt,
wobei die Ausfahrkammer 68 von der Einziehkammer 70 abgedichtet
wird. Während
dann die Nadel 44 weiterhin translatorisch nach rechts
bewegt wird, ermöglicht
die Nadel 44 dadurch dem Hochdruckfluidvorrat aus dem HP-Fluidkanal 56,
durch die zweite Rille 84 und durch die gerillten Kanäle 76 zu
strömen.
Das Hochdruckfluid kommuniziert mit der Ausfahrkammer 68 und wirkt
auf die Fläche 69 des
Kolbenkopfs 66 ein, das einen Abschnitt der Ausfahrkammer 68 ausbildet.
Es ist zu beachten, daß das
Niederdruckfluid stets auf die Fläche 71 des Kolbenkopfs
einwirkt, die einen Abschnitt der Einfahrkammer 70 ausbildet.
Das Hochdrucköl
in der Ausfahrkammer 68 treibt den Stellgliedkolben 42 und
das Motorventil 14 in die offene Position (2c),
wodurch die gegenwirkende Kraft der Feder 26 und die gegenwirkende
Kraft des Niederdruckfluids, das auf die Fläche 71 des Kolbenkopfs 66 einwirkt,
die einen Bereich der Einziehkammer 70 ausbildet, überwunden
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet das Hochdruckfluid
in einem Druckbereich von näherungsweise 3102592,5
Pa (450 psi) bis 20683950 Pa (3000 psi), und das Niederdruckfluid
arbeitet bei einem Druck von näherungsweise344732,5
Pa (50 psi).
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Die
Geschwindigkeit der nach rechts gerichteten translatorischen Verschiebung
der Nadel 44 bestimmt den Querschnitt der Fluidkanalöffnung zwischen
der zweiten Rille 84 und den gerillten Kanälen 76 zur
Ausfahrkammer 68 und überträgt dadurch
dosiert das Hochdruckfluid aus dem Hochdruckvorrat am HP-Fluidkanal 56,
der zur Einwirkung auf die Fläche 69 des
Kolbenkopfs 66 vorgesehen ist, die einen Bereich der Ausfahrkammer 68 ausbildet.
Durch diese dosierte Übertragung
ist bei Bedarf die Steuerung des Öffnungsprofils des Ventils 26 möglich. Je schneller
die Nadel 44 ihre Bewegung nach rechts fortsetzt, desto
geringer ist die auf das Hochdrucköl ausgeübte Drosselung und desto größer das
Volumen des Hochdruckfluidvorrats, dem die Nadel ermöglicht,
mit der Ausfahrkammer 68 zu kommunizieren, um auf die Fläche 69 des
Kolbenkopfs 66 einzuwirken, die einen Bereich der Ausfahrkammer 68 ausbildet.
Das Hochdruckfluid in der Ausfahrkammer 68 treibt den Stellgliedkolben 42 und
das Motorventil 14 in die Öffnungsposition, wobei die
Kraft der Feder 26 und die gegenwirkende Kraft des Niederdruckfluids,
das auf die Fläche 71 des
Kolbenkopfs 66 einwirkt, die einen Abschnitt der Einziehkammer 70 ausbildet, überwunden
werden. Umgekehrt gilt: Je langsamer die Verschiebung der Nadel 44,
desto geringer der Querschnitt des Fluidkanals, der durch die zweite Rille 84 definiert
ist, die zu den gerillten Kanälen 76 und
somit zur Ausfahrkammer 68 offen steht, und desto stärker der
Drosselungseffekt auf das Hochdrucköl. Das resultierende geringere
Hochdruckölvolumen
in der Ausfahrkammer 68 führt dazu, daß weniger
Kraft zur Verfügung
steht, um die Kraft der Feder 26 und um die gegenwirkende
Kraft des Niederdruckfluids zu überwinden,
die auf die Seite 71 des Kolbenkopfs 66 einwirkt,
die einen Bereich der Einziehkammer 70 ausbildet. Dies
führt wiederum
zu einer langsameren Bewegung des Stellgliedkolbens 42 und
resultiert in einem Ventilprofil, das durch eine langsamere Öffnungsbewegung
des Motorventils 14 gekennzeichnet ist.
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Bezugnehmend
auf 2d, wenn die Nadel 44 am Punkt ihrer
größten nach
rechts gerichteten Translation einen Halt erreicht hat, bewirken
der Druck in der Ausfahrkammer 68 und die Trägheit des Stellgliedkolbens 42,
daß der
Stellgliedkolben 42 und das Ventil 14 ihre nach
rechts gerichtete Bewegung über
eine kurze Entfernung fortsetzen, bis der Absatz 85 der
zweiten Rille 84 der Nadel 44 den gerillten Kanal 76 abdichtet,
wodurch verhindert wird, daß noch mehr
Hochdruckfluid auf die Ausfahrkammer 68 des Kolbenstellglieds 42 einwirken
kann. Es ergibt sich dann ein Gleichgewicht zwischen dem in der
Ausfahrkammer 68 durch die Nadel 44 eingeschlossenen
Fluid und der gegenwirkenden Vorspannung der Feder 26.
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Der
Schließhub
des Ventils 14 ist der Reihe nach in den 3a–3d dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 3a sind die Nadel 44 und
der Stellgliedkolben 42 anfänglich so positioniert, daß das Motorventil 14 infolge
des letzten Vorgangs im Öffnungshub,
auf den vorstehend verwiesen wurde, von der Ventilsitzfläche leicht
angehoben (zumindest teilweise geöffnet) wird. Die Nadel 44 dichtet
die Ausfahrkammer 68 sowohl vom Hochdruck- als auch vom
Niederdruckölvorrat
ab, wie zuvor unter Bezugnahme auf 2d beschrieben
wurde.
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Unter
Bezugnahme auf 3b zieht der Nadelpositionierungsmechanismus 80 die
Nadel 44 wieder zurück,
wodurch eine nach links gerichtete Translation der Nadel 44 bewirkt
wird. Die Bewegung der Nadel 44 öffnet den Fluidkanal, der um
den Umfang der ersten Endrille 82 herum definiert ist,
um eine fluidische Verbindung zwischen der Ausfahrkammer 68 und
der Einziehkammer 70 herzustellen. Wie zuvor angezeigt,
liegt die Einziehkammer 70 stets frei zum Niederdruckölvorrat
am LP-Fluidkanal 54. Durch die Nadel 44 in der
Nähe der
zweiten Rille 84 wird die Ausfahrkammer 68 vom
Hochdrucköl
am HP-Fluidkanal 56 isoliert. Die zweite Rille 84 ist
so positioniert, daß sie
die gerillten Kanäle 76 vom Hochdruckfluidvorrat
am Kanal 54 isoliert. Das Hochdruckfluid in der Ausfahrkammer 68 strömt in die
Einziehkammer 70, bis sich die Ausfahrkammer 68 und die
Einziehkammer 70 im Zustand eines hydraulischen Gleichgewichts
befinden. Die Kraft der Feder 26, die stets auf den Stellgliedkolben 42 einwirkt, treibt
das Motorventil 14 und den Stellgliedkolben 42 nach
links in die geschlossene Position, wie in 3c dargestellt
ist.
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Die
Geschwindigkeit, mit der die Nadel 44 zurückgezogen
wird, wird durch den Nadelpositionierungsmechanismus 80 bestimmt
und bestimmt den Querschnitt des Fluidkanals, der zwischen der Einziehkammer 70 und
der Ausfahrkammer 68 fluidisch kommuniziert, wodurch die
Hochdruckfluidströmung von
der Ausfahrkammer 68 zur Einziehkammer 70 dosiert übertragen
wird. Die Kraft der Feder 26 bewirkt, daß das Motorventil 14 und
der Stellgliedkolben 42 in die geschlossene Position geschoben
werden, während
das Hochdruckfluid aus der Ausfahrkammer 68 abgeführt wird.
Je schneller die Nadel 44 nach links verschoben wird, desto
größer der
Querschnitt und desto schneller die Geschwindigkeit, mit der das Öl von der
Ausfahrkammer 68 in die Einziehkammer 70 abgeführt wird.
Das Öl
in der Ausfahrkammer 68 muß verdrängt werden, damit sich das
Ventil A schließen
kann. Die Verdrängungsgeschwindigkeit der
Nadel 44 steuert die Schließgeschwindigkeit des Ventils 14.
Die Steuerung der Transla tionsgeschwindigkeit der Nadel 44 gestattet
somit eine Steuerung des Schließprofils
des Ventils 14.
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Wenn
die Nadel 14 einen Anschlag bzw. Halt erreicht hat, wie
in 3d dargestellt ist, bewirken die Kraft der Feder 26 und
die Trägheitskraft,
daß die nach
links gerichtete Bewegung des Stellgliedkolbens 42 zur
geschlossenen Position um einen geringen Verfahrweg fortgesetzt
wird, nachdem die Nadel 44 angehalten worden ist. Dieser
Weg wird solange fortgesetzt, bis die Ausfahrkammer 68 von
der Einziehkammer 70 durch den Absatz der ersten Endrille 82 abgedichtet
ist. Dann ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Fluiddruck
in der Ausfahrkammer 68 und der Einziehkammer 70.
Die Kraft der Feder 26 wirkt weiterhin auf den Stellgliedkolben 42 und
das Ventil 14 ein, wobei das Ventil 14 in der
geschlossenen Position, auf dem Ventilsitz aufliegenden, gehalten
wird.
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Die 4a–4d stellen
einen Vergleich zwischen einem Nocken-Ventiltriebprofil des Motorauslaßventils 14 und
einem Profil dar, das eine aggressive Ventilöffnung im Bereich des unteren
Totpunkts beinhaltet. Die 4b–4d stellen
eine Stellgliedströmungsgeschwindigkeit,
Kolbenkräfte und
Stellglieddrücke
dar, die der in 4a dargestellten Bewegung entsprechen. 4a zeigt
ein Kolbenbewegungsprofil, ein Nocken-Ventiltriebprofil, eine Nadelposition
und eine Reaktion des Kolbenstellglieds und des Motorventils auf
die Eingabe der Nadelposition. 4a veranschaulicht,
wie genau die Ausgabe in Form der Bewegung des Ventils 14 der Eingabe
in Form der Position der Nadel 44 nachgeführt wird,
wodurch auf einen Sensor verzichtet werden kann, der die Position
des Ventils 14 verfolgen muß. 4b zeigt
die Strömungsgeschwindigkeit des
zum Ausführen
eines Ventilöffnungs-
und -schließzyklus
erforderlichen Hochdrucköls. 4c veranschaulicht
die Kraft des auf das Stellglied 42 wirkenden Hochdrucköls im Vergleich
zur gegenwirkenden Kraft der Feder 26. Aus 4d geht
hervor, daß der
zum Offenhalten des Ventils notwendige Druck sich nach 0,02 Sekunden
bei etwa 400 psi stabilisiert. Damit das Stellglied 10 auslegungsgemäß funktioniert,
ist nahezu jedes Hochdruckhydraulikfluid geeignet, das über dem
Schwellenwert von etwa 400 psi liegt.
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An
dieser Stelle wird Bezug auf 5a–5f genommen,
wo ein hydraulisches Konzept für
den Betrieb eines hydraulischen Stellglieds 10 durch einen
Abwärtshub
des Ventils 14 und einen Aufwärtshub des Ventils 14 in
Folge dargestellt ist. Für
die Ausführung
des Abwärtshubs
des Ventils 14 sind zwei Abwärtsbewegungen zu berücksichtigen.
Erstens ist der Stellgliedkolben 42 mit dem Ventil 14 verbunden
und treibt das Ventil wie dargestellt in die Abwärtsrichtung. Zweitens wird
die Nadel 44 in der im Stellgliedkolben 42 definierten
Nadelbohrung 72 unter der Einwirkung des Nadelpositionierungsmechanismus 80 translatorisch
bewegt.
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Vor
Beginn des Abwärtshubs
des Ventils 14 befinden sich der Stellgliedkolben 42 und
die Nadel 44 in der ganz oberen Position und sind vollständig eingezogen,
wie in 5a dargestellt ist. Ein am Hochdruckfluidkanal 56 vorhandene
Hochdruckschmieröl
von einer Hochdruckleitung gelangt in die Kammer 90 und
strömt
in die zweite Rille 84. Die zweite Rille 84 ist
an ihrem alleruntersten Ende durch den Absatz 86 der Nadel 44 abgedichtet,
der am Stellgliedkolben 42 abdichtend anliegt.
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Das
am Niederdruckfluidkanal 54 vorhandene Niederdruckmotorschmieröl von einer
Niederdruckleitung strömt
in die Einziehkammer 70. Dabei wird durch das abdichtende
Anliegen des Absatzes 88 der Nadel 44 am Bolzen 42 des
Stellgliedkolbens verhindert, daß das Niederdruckmotorschmieröl in die
Ausfahrkammer 68 eintritt.
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Wie
in 5a dargestellt ist, wird das Ventil 14 durch
Einwirkung des auf die Einziehfläche 71 des Kolbenkopfs 66 wirkenden
Niederdruckmotorschmieröls
in Kombination mit der durch die Ventilfeder 26 ausgeübten Vorspannung
in seiner ganz oberen Position, am Ventilsitz aufliegend, gehalten.
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5b stellt
das Einsetzen des Abwärtshubs
des Ventils 14 dar. In 5b hat
sich die Nadel 44 relativ zum Stellgliedkolben 42 unter
dem Einfluß des
Nadelpositinierungsmechanismus 80 translatorisch abwärts bewegt.
Durch diese Abwärtstranslation
wird der Absatz 86 der Nadel 44, der auf dem Stellgliedkolben 42 aufliegt,
herausgefahren und erzeugt so einen Fluidkanal durch die zweite
Rille 84 zur Ausfahrkammer. 68.
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Das
Hochdruckmotorschmieröl
strömt
durch die zweite Rille 84 in die Ausfahrkammer 68 und
wirkt auf die Ausfahrfläche 69 des
Kolbenkopfs 66 ein. Die durch das Hochdruckmotorschmieröl ausgeübte Kraft
reicht aus, um die gegenwirkende Kraft, die durch das auf die Einziehfläche 71 einwirkende
Motordruckschmieröl
ausgeübt
wird, zusammen mit der Vorspannung, die durch die Ventilfeder 26 ausgeübt wird,
zu überwinden.
Dementsprechend setzt die Translation des Stellgliedkolbens 42 und
des gekoppelten Ventils 14 in Abwärtsrichtung ein, wobei die Translation
der Nadel 44 sehr präzise
nachgeführt wird.
Die Strömung
des Hochdruckmotorschmieröls in
die Ausfahrkammer 68 ist durch die Pfeile A dargestellt.
Die Abdichtung der Ausfahrkammer 68 von der Einziehkammer 70 bleibt
durch die abdichtende Wirkung des Absatzes 88 erhalten.
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In 5c ist
das Ventil 14 dargestellt, während es sich der ganz offenen,
nicht am Ventilsitz aufliegenden Abwärtsposition nähert. In
der Darstellung von 5c hat sich die Nadel 44 entlang
ihres gesamten Verfahrwegs translatorisch abwärts bewegt. Der Stellgliedkolben 42 eilt
der Nadel 44 geringfügig nach.
Wie durch die Pfeile A angezeigt, strömt dementsprechend weiterhin
Hochdruckmotorschmieröl
in die Ausfahrkammer 68 ein und wirkt auf die Ausfahrfläche 69,
wodurch der Stellgliedkolben 42 und das Ventil 14 in
Abwärtrichtung
getrieben werden.
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In 5d sind
das Ventil 14, der Stellgliedkolben 42 und die
Nadel 44 allesamt in der ganz unteren Position gezeigt.
Im Vergleich zu 5c hat sich der Stellgliedkolben 42 relativ
zur Nadel 44 weiterhin translatorisch nach unten bewegt.
Durch diese Translation wird die Ausfahrkammer 68 durch
die Wirkung des Absatzes 86 der Nadel 44 abgedichtet, der
wiederum abdichtend am Stellgliedkolben 42 anliegt. In
dieser Position strömt
weder Hochdruck-Motorschmieröl
noch Niederdruck-Motorschmieröl.
Zudem liegt der Absatz 88 der Nadel 44 abdichtend
am Stellgliedkolben 42 an und isoliert dadurch die Einziehkammer 70 von
der Ausfahrkammer 68. Dabei handelt es sich im wesentlichen
um eine statische Position. Das Hochdruckmotorschmieröl wird in
der Ausfahrkammer 68 abgedichtet, wodurch eine hydraulische
Sperre erzeugt wird, die verhindert, daß das Niederdruckmotorschmieröl, das auf
die Einziehfläche 71 des
Kol benkopfs 66 in Kombination mit der Ventilfeder 26 einwirkt,
den Stellgliedkolben 42 in Aufwärtsrichtung bewegt.
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Unter
Bezugnahme auf 5e ist das Einsetzen des Aufwärtshubs
des Ventils 14 dargestellt. In 5e hat
sich die Nadel 44 unter dem Einfluß des Nadelpositionierungsmechanismus 80 translatorisch
geringfügig
nach oben bewegt. Durch eine derartige Aufwärtstranslation wird der Absatz 88,
der abdichtend am Stellgliedkolben 42 anliegt, herausbewegt.
Der Absatz 86 und Stellgliedkolben 42 liegen weiterhin
abdichtend aneinander an. Die Translation der Nadel 44 öffnet einen
Fluidkanal von der Ausfahrkammer 68 durch die erste Rille 82 und
dann durch die Einziehkammer 70. Der Druck des Hochdruck-Motorschmieröls, das
in der Ausfahrkammer 68 eingeschlossen ist, wird in der
Einziehkammer 70 verteilt, wie durch die Pfeile B dargestellt
ist. Mit der Aufhebung der hydraulischen Sperre, die in 5d dargestellt
ist, kann die Vorspannung der Ventilfeder 26 frei auf das
Ventil 14 und den Stellgliedkolben 42 wirken.
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Unter
Bezugnahme auf 5f treibt die nach oben gerichtete
Vorspannung der Ventilfeder 26, die auf das Ventil 14 einwirkt,
den Stellgliedkolben 42 nach oben. Die Aufwärtsbewegung
des Stellgliedkolbens 42 verdrängt im wesentlichen das gesamte
hydraulische Betätigungsfluid
von der Ausfahrkammer 68. Wie in 5f dargestellt,
wird der Absatz 88 vom Stellgliedkolben 42 getrennt,
um zu ermöglichen,
daß die
Strömung
des Motorschmieröls
von der Ausfahrkammer 68 zur Einziehkammer 70 weiterhin
stattfinden kann. Die Nadel 44 wird mit dem Stellgliedkolben 42 nach
oben eingezogen, wodurch bewirkt wird, daß der Absatz 86 weiterhin
abdichtend am Stellgliedkolben 42 anliegt, wodurch das
Hochdruckmotorschmieröl
von der Ausfahrkammer 68 isoliert wird. Damit ist der Aufwärtshub des
Ventils 14 beendet.