DE10000027A1

DE10000027A1 - Brennstoffeinspritzvorrichtung mit gesteuertem Überlauf, zur Erzeugung einer geteilten Einspritzung

Info

Publication number: DE10000027A1
Application number: DE10000027A
Authority: DE
Inventors: Steven Y Tian; Iii Ralph A Smith
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 2000-01-03
Publication date: 2000-08-17
Also published as: US6119959A

Abstract

Ein Einspritzvorrichtungskörper definiert eine Brennstoffdruckkammer, einen Überlaufdurchlaß, ein Stoppvolumen und einen Düsenauslaß. Innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers ist ein Stößel positioniert, der zwischen einer zurückgezogenen Position und einer vorgeschobenen Position bewegbar ist. Der Stößel öffnet den Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkammer über einen Teil der Distanz zwischen den zurückgezogenen und den vorgeschobenen Positionen. Der Einspritzvorrichtungskörper enthält auch ein Nadelventilglied, welches eine hydraulische Verschlußfläche aufweist, die einem Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist. Das Stoppvolumen ist mit dem Überlaufdurchlaß druckgekoppelt.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffeinspritzsysteme mit Brennstoffüberlaufmerkma len und insbesondere auf hydraulisch betätigte Brenn stoffeinspritzsysteme mit gesteuertem Brennstoffüberlauf zur Erzeugung von geteilten Einspritzungen.

Technischer Hintergrund

Es ist lange bekannt, daß das Geräusch- und Abgasemissio nen in verschiedenen Motorbetriebszuständen durch die Formung der Brennstoffeinspritzrate verhindert werden können. Dieser Prozeß schneidet die Rate zu, mit der Brennstoff während des Brennstoffeinspritzzykluses einge spritzt wird. Ein Verfahren der Ratenformung, welches sich als wirkungsvoll bei der Steuerung von Emissionen bei Leerlaufmotorbetriebszuständen erwiesen hat, sieht die Verwendung einer Überlaufsteuervorrichtung vor, um eine geteilte Einspritzung zu erzeugen.

Ein Beispiel, welches eine Überlaufsteuervorrichtung ver wendet, um eine geteilte Einspritzung zu erzeugen, wird im US-Patent 5,492,098 von Hafner und anderen dargelegt. Hafner verwendet eine Überlaufsteuervorrichtung, um kurz den Druck zu senken, der das Nadelventilglied während des Einspritzereignisses umgibt, um eine geteilte Einsprit zung bei Leerlaufbetriebszuständen zu erzeugen. Wenn der Stößel sich bei Hafner zu seiner vorgeschobenen Position hin bewegt, öffnet ein Ring, der von dem Stößel definiert wird, die Brennstoffdruckkammer zu einem Überlaufan schluß, der mit einem Niederdruckbrennstoffrückleitungs gebiet verbunden ist. Dies bewirkt einen Abfall des Druc kes innerhalb der Brennstoffdruckkammer auf unter den Ventilverschlußdruck, was wiederum einen dramatischen Druckabfall in der Düsenkammer erzeugt, was somit gestat tet, daß die Vorspannfeder gegen das Nadelventilglied wirkt, um kurz den Düsenauslaß zu schließen. Sobald der Ring über den Überlaufanschluß gelaufen ist, wird die Strömungsmittelverbindung zwischen der Brennstoffdruck kammer und dem Niederdruckgebiet geschlossen. Dies be wirkt, daß der Druck in der Düsenkammer steigt, und das Nadelventilglied kann wieder gegen die Wirkung der Vor spannfeder wirken, um den Düsenauslaß zu öffnen.

Das Verfahren von Hafner erzeugt eine kurze Zeit zwischen den geteilten Einspritzungen, worauf als Setzzeit Bezug genommen wird. Diese Setzzeit ist eine Funktion von ver schiedenen geometrischen Merkmalen, die die Breite des Rings und die Form des Überlaufanschlusses unter anderem aufweisen. Während die Einspritzvorrichtung von Hafner gut bei der Verringerung von unerwünschten Emissionen bei Leerlaufmotorbetriebszuständen gearbeitet hat, ist die maximale Setzzeitfähigkeit für die Einspritzvorrichtung von Hafner inhärent durch den Hub ihres Stößels begrenzt. Beispielsweise würde ein Ring mit einer größeren Breite die Setzzeit vergrößern, würde jedoch die Leistung beim Nennbetriebszustand unterminieren. Bei manchen Anwendun gen gibt es den Wunsch, die Setzzeit über die geometri schen Einschränkungen hinaus zu steigern, die der Brenn stoffeinspritzvorrichtung von Hafner innewohnen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, Brenn stoffüberlaufteilungseinspritzvorrichtungen zu verbes sern, indem man einen breiteren Bereich von möglichen Setzzeiten vorsieht.

Offenbarung der Erfindung

Ein Einspritzvorrichtungskörper definiert eine Brenn stoffdruckkammer, einen Überlaufdurchlaß, der mit einem Stop- bzw. Abschlußvolumen druckgekoppelt ist, und einen Düsenauslaß. Innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers ist eine Stößel positioniert, der zwischen einer zurück gezogenen Position und einer vorgeschobenen Position be wegbar ist. Der Stößel öffnet den Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkammer über einen Teil der Distanz zwi schen den zurückgezogenen und den vorgeschobenen Positio nen. Der Einspritzvorrichtungskörper enthält auch ein Na delventilglied, welches eine hydraulische Verschlußfläche aufweist, die dem Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein diagrammartiger Seitenquerschnitt einer hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvor richtung gemäß des bevorzugten Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine teilweise diagrammartige Seitenquer schnittsansicht des Stößelteils der hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung der Fig. 1.

Fig. 3 ist ein diagrammartiger Teilseitenquerschnitt des Stößelteils einer hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß eines wei teren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er findung.

Fig. 4a-f sind Kurvendarstellungen der Stößelbewegung, der Rückschlagkolbenbewegung, der Nadelventil gliedbewegung, des Einspritzdruckes, des Ven tilöffnungsdruckes, des Stoppvolumendruckes und der Einspritzrate gegenüber der Zeit in einen Leerlaufzustand gemäß einer Brennstoffein spritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung und gemäß einer Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner.

Fig. 5a-f sind Kurvendarstellungen der Stößelbewegung, der Rückschlagkolbenbewegung, der Nadelventil gliedbewegung, des Einspritzdruckes, des Ven tilöffnungsdruckes, des Stoppvolumendruckes und der Einspritzrate gegenüber der Zeit bei einem Nennzustand gemäß einer Brennstoffeinspritzvor richtung der vorliegenden Erfindung und gemäß einer Brennstoffeinspritzvorrichtung von Haf ner.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 gemäß des be vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 weist ei nen Einspritzvorrichtungskörper 11 auf, der verschiedene Komponenten enthält, die aneinander in einer in der Tech nik wohlbekannten Weise angebracht sind, und die so posi tioniert sind, wie sie es gerade vor einem Einspritzer eignis wären. Insbesondere ist ein Elektromagnet 21 an einer elektronischen Verbindung 23 angebracht, und ist deaktiviert, so daß ein Steuerventilglied 22 zu einem Hochdrucksitz 27 durch die Betätigung einer Vorspannfeder 24 vorgespannt ist, um einen Hochdruckbetätigungsmit teleinlaß 12 von einem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 25 abzuschließen. Wenn das Steuerventilglied 25 wie ge zeigt sitzt, kann das Betätigungsströmungsmittel inner halb des Betätigungsströmungsmittelhohlraums 25 aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 durch einen Nieder druckbetätigungsströmungsmittelablauf 13 austreten. Aus tretendes Betätigungsströmungsmittel fließt dann in ein Ablaufreservoir 18 über einen Ablaufdurchlaß 17. Wenn der Elektromagnet 21 aktiviert ist, wird das Steuerventil glied 22 gegen die Wirkung der Vorspannfeder 24 angeho ben, um sich vom Hochdrucksitz 27 zu einem Niederdruck sitz 26 zu bewegen. Wenn das Steuerventilglied 22 beim Niederdrucksitz 26 ist, wird der Betätigungsströmungsmit telhohlraum 25 zum Betätigungsströmungsmittelablauf 13 hin abgeschlossen und zum Hochdruckbetätigungsströmungs mitteleinlaß 12 hin geöffnet. Das Hochdruckbetätigungs strömungsmittel kann dann in den Hochdruckbetätigungs strömungsmitteleinlaß 12 von einer Quelle 16 über einen Hochdruckbetätigungsströmungsmittelversorgungsdurchlaß 15 fließen. Dieses Hochdruckströmungsmittel fließt in den Betätigungsströmungsmittelhohlraum 25, um auf den Ober teil eines Verstärkerkolbens 31 zur wirken.

Wegen dem niedrigen Druck in dem Betätigungsströmungsmit telhohlraum 25, wenn der Elektromagnet 21 deaktiviert ist, wird der Verstärkerkolben 31 in eine zurückgezogene Position vorgespannt, wie gezeigt, und zwar innerhalb ei ner Kolbenbohrung 32 durch eine Rückstellfeder 34. Der Verstärkerkolben 31 ist mit einem Stößel 37 verbunden, der sich innerhalb einer Stößelbohrung 33 bewegt, die von einer Trommel bzw. einem Zylinder 38 definiert wird, der ein Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 11 ist. Der Verstärkerkolben 31 und der Stößel 37 bewegen sich zusam men zwischen einer zurückgezogenen Position wie gezeigt und einer vorgeschobenen Position. Der Stößel 37 und ein Teil der Stößelbohrung 33 definieren eine Brennstoff druckkammer 43 innerhalb der der Brennstoff vom Abwärts hub des Stößels 37 während eines Einspritzereignisses un ter Druck gesetzt wird. Zwischen den Einspritzereignissen zieht der Stößel 37 Brennstoff in die Brennstoffdruckkam mer 43 durch einen Brennstoffeinlaß 14 von einer Brenn stoffquelle 20 über einen Brennstoffdurchlaß 19 während seines Aufwärtshubes.

Die Trommel 38 definiert auch einen Überlaufdurchlaß 45. Ein Ende des Überlaufdurchlasses 45 ist ein Einspritz überlaufanschluß 39, der sich in die Stößelbohrung 33 öffnet, während das andere Ende ein Leckpfad 49 ist, der sich in ein Niederdruckgebiet 57 öffnet. Der Stößel 37 definiert einen Ring 41 und einen Satz von internen Axialdurchlässen 42. Zusammen erzeugen der Ring 41 und die internen Axialdurchlässe 42 einen Überlaufpfad, der die Brennsstoffdruckkammer 43 zu dem Überlaufdurchlaß 45 öffnet, wenn der Ring 41 benachbart zum Einspritz- bzw. Vorsteuerüberlaufanschluß 39 ist. Wenn der Stößel 37 in der zurückgezogenen Position ist, ist der Ring 41 nicht zum Einspritzüberlaufanschluß 39 hin offen, und daher ist die Brennstoffdruckkammer 43 zum Überlaufdurchlaß 45 ge schlossen. Es sei bemerkt, daß die Distanz, über die der Stößel laufen muß, bevor der Überlaufdurchlaß 45 sich öffnet, der ersten Hälfte der geteilten Einspritzung in einem Leerlaufzustand entspricht.

Die Brennstoffdruckkammer 43 ist strömungsmittelmäßig mit einer Düsenkammer 51 durch einen Düsenversorgungsdurchlaß 55 verbunden. Wenn der Stößel 37 seinen Abwärtshub be ginnt, wird der Brennstoff innerhalb der Brennstoffdruck kammer 43 komprimiert, und daher steigt der Brennstoff druck. Bis der Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoff druckkammer 43 über einem Ventilöffnungsdruck ist, ver hindert ein Nadelventilglied 52 einen Brennstofffluß in den Brennraum durch Blockierung des Düsenauslasses 54. Wenn der Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoffdruck kammer 43 den Ventilöffnungsdruck überschreitet, wird das Nadelventilglied 52 gegen die Wirkung einer Vorspannfeder 50 angehoben, um den Düsenauslaß 54 zu öffnen. Der Brenn stoff innerhalb der Brennstoffdruckkammer 43 darf dann in die Düsenkammer 51 über den Düsenversorgungsdurchlaß 55 und aus dem Düsenauslaß 54 in den Brennraum fließen.

Wenn der Ring 41 am Stößel 37 beginnt, sich in Strömungs mittelverbindung mit dem Einspritzüberlaufanschluß 39 vorzubewegen, fließt der Brennstoff innerhalb der Brenn stoffdruckkammer 43 durch die internen Axialdurchlässe 42 und in einen Überlaufdurchlaß 45 über den Einspritzüber laufanschluß 39. Man erinnere sich daran, daß bei der Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner ein relativ un eingeschränkter Flußpfad von der Brennstoffdruckkammer 43 zu einem Niederdruckrückleitungsgebiet erzeugt wird, wenn der Ring benachbart zum Überlaufanschluß ist. Anders als bei der Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner verwen det die vorliegende Erfindung einen Stöpsel 40, der in der Trommel 38 gelegen ist, um zu verhindern, daß Brenn stoff durch den Einspritzüberlaufanschluß 39 direkt in das Niederdruckgebiet 57 fließt. Bei der vorliegenden Er findung wird eine Flußeinschränkung zwischen der Brenn stoffdruckkammer 43 und dem Niederdruckgebiet 57 durch einen Leckpfad 49 erzeugt. Die geometrischen Abmessungen des Leckpfades 49 haben starken Einfluß auf die Leistung der geteilten Einspritzung der Brennstoffeinspritzvor richtung. Wenn beispielsweise der Leckpfad 49 zu groß ist, wird der Überlauffluß relativ uneingeschränkt wer den, und die Brennstoffeinspritzvorrichtung wird sich wie die Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner verhalten. Wenn jedoch der Leckpfad 49 zu klein ist, wird wenig oder kein Überlauf stattfinden, und es ist wahrscheinlich, daß die vorliegende Erfindung sich wie eine typische, hydrau lisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung ohne Brennstoffüberlaufmerkmale verhält. Weiter wird abhängig von der vom Leckpfad 49 erzeugten Flußeinschränkung wenn der Ring 41 offen ist, der Druck in dem Überlaufdurchlaß 45 wesentlich höher sein als der Druck in dem Nieder druckgebiet 57.

Um den Druckanstieg des Überlaufdurchlasses 45 auszunut zen, um die Setzzeit zu vergrößern, wird der Überlauf durchlaß 45 mit einem Stoppvolumen 56 gekoppelt. Das Stoppvolumen 56 ist ein im wesentlichen geschlossenes Vo lumen, welches mit Brennstoff gefüllt ist, welches keine direkte Verbindung mit dem Niederdruckgebiet 57 hat. Die vorliegende Erfindung nutzt den Druck des Stoppvolumens 56 aus, um dabei zu helfen, das Nadelventilglied 52 wäh rend der Setzzeit des geteilten Einspritzereignisses zu drücken und geschlossen zu halten, und zwar aufgrund der Druckkraft, die auf die hydraulische Verschlußfläche 53 wirkt. Dies ist im Kontrast zur Brennstoffeinspritzvor richtung von Hafner zu sehen, die einen Brennstoffdruck abfall in der Brennstoffdruckkammer verwendet, um zu ge statten, daß sich das Nadelventilglied unter der Wirkung der Vorspannfeder schließt. Ein Verfahren der Druckkoppe lung des Überlaufdurchlasses 45 mit dem Stoppvolumen 56 ist die Anordnung eines bewegbaren Rückschlagkolbens 46 in Verbindung mit sowohl dem Stoppvolumen 56 als auch dem Überlaufdurchlaß 45. Eine obere Hydraulikfläche 47 ist dem Druck innerhalb des Überlaufdurchlasses 45 ausge setzt, während eine untere Hydraulikfläche 48 dem Druck im Stoppvolumen 56 ausgesetzt ist. Der Rückschlagkolben 46 könnte auch bemessen werden, um die Druckkraft zu mul tiplizieren, die auf ihre Oberseite wirkt, und zwar zu einem noch höheren Druck im Stoppvolumen 56. Alternativ kann die hydraulische Verschlußfläche 53 des Nadelventil glieds 52 bemessen werden, um eine erwünschte Verschluß druckkraft zu erzeugen.

Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung einer erwünschten Druckkoppelung ist in Fig. 3 gezeigt. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel wird der Überlaufdurchlaß 145 direkt durch das Stoppvolumen 156 kanalisiert, wodurch somit eine Druckkoppelung erzeugt wird. Genauso wie beim früheren Ausführungsbeispiel verbindet ein Leckpfad 149 mit klei nem Durchmesser den Überlaufdurchlaß 145 mit dem Nieder druckgebiet 57. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der Ring 41 die Brennstoffdruckkammer 43 zum Überlaufdurchlaß 145 hin öffnet, kann der Brennstoffdruck innerhalb des Überlaufdurchlasses 145 direkt auf die hydraulische Ver schlußoberfläche 53 wirken, um das Nadelventilglied 52 geschlossen zu halten. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Stoppvolumen 156 ein Teil des Überlaufdurchlasses 145.

Industrielle Anwendbarkeit

Wiederum mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 und zusätzlich auf die Fig. 4a-f herrscht vor dem Start eines Ein spritzereignisses niedriger Druck in der Brennstoffdruck kammer 43 vor, und der Betätigungsströmungsmittelhohlraum 25 ist zum Niederdruckbetätigungsströmungsmittelablauf 13 hin offen, der Verstärkerkolben 31 und der Stößel 37 sind in ihren jeweiligen zurückgezogenen Positionen, und das Nadelventilglied 52 ist in seiner geschlossenen Position, die den Düsenauslaß 54 blockiert. Zusätzlich kehrt der Rückschlagkolben 46 zu seiner oberen Position zwischen den Einspritzereignissen zurück. Das Einspritzereignis wird eingeleitet durch Betätigung des Elektromagneten 21. Die Betätigung des Elektromagneten 21 bewegt das Steuer ventilglied 22 vom Hochdrucksitz 27 zum Niederdrucksitz 26, was den Hochdruckbetätigungsströmungsmitteleinlaß 12 öffnet. Das Betätigungsströmungsmittel kann nun in den Betätigungsströmungsmittelhohlraum 25 von der Quelle von Hochdruckbetätigungsströmungsmittel 16 über den Betäti gungsströmungsmittelversorgungsdurchlaß 15 fließen. Hoch druckbetätigungsströmungsmittel, welches in den Betäti gungsströmungsmittelhohlraum 25 eintritt, bewirkt einen Anstieg des Druckes, der auf den Verstärkerkolben 31 wirkt.

Dieser Druckanstieg, der auf den Verstärkerkolben 31 wirkt, beginnt den Verstärkerkolben 31 und den Stößel 37 von ihrer zurückgezogenen Position zu ihrer nach unten gerichteten vorgezogenen Position zu bewegen. Die Vor schubbewegung des Stößels 37 bewirkt einen Druckanstieg des Brennstoffes innerhalb der Brennstoffdruckkammer 43 und der Düsenkammer 51. Der steigende Druck des Brenn stoffes innerhalb der Düsenkammer 51 wirkt auf das Na delventilglied 52, welches dahingehend wirkt, den Düsen auslaß 54 zu schließen. Wenn der auf das Nadelventilglied 52 ausgeübte Druck den Ventilöffnungsdruck (Fig. 4d) überschreitet, wird das Nadelventilglied 52 gegen die Wirkung der Vorspannfeder 50 angehoben, und Brennstoff kann in die Brennkammer vom Düsenauslaß 54 sprühen (Fig. 4f).

Wenn das Einspritzereignis voranschreitet, bewegt sich der Stößel 37 weiter aus seiner zurückgezogenen Position zu seiner vorgeschobenen Position. Wenn der Stößel 37 sich voranbewegt, öffnet sich der Ring 41 zum Ein spritzüberlaufanschluß 39. Die Öffnung des Ringes 41 zum Einspritzüberlaufanschluß 39 tritt auf, wenn die Stößel bewegungskurven der Fig. 4a voneinander abweichen. Die ser Aspekt der Erfindung wird durch die Tatsache erklärt, daß der Stößel der vorliegenden Erfindung sich langsamer bewegt als der Stößel von Hafner, wenn der Einspritzüber laufanschluß 39 offen ist. Sobald der Ring 41 sich zum Einspritzüberlaufanschluß 39 hin öffnet, kann Brennstoff von der Brennstoffdruckkammer 43 durch den Einspritzüber laufanschluß 39 und in den Überlaufdurchlaß 45 überlau fen, und zwar über die internen Axialdurchlässe 42, die von dem Stößel 37 definiert werden. Da der Leckpfad 49 eine Flußeinschränkung darstellt, steigt der Druck in dem Überlaufdurchlaß 45 und die Bewegung des Stößels 37 ver langsamt sich relativ zu jener einer Einspritzvorrichtung von Hafner (siehe Fig. 4a). Diese Drucksteigerung drückt den Kolben 46 nach unten (Fig. 4b) was den Brennstoff innerhalb des Stoppvolumens 56 zusammendrückt (Fig. 4e), der auf die hydraulische Verschlußfläche 53 des Nadelven tilglieds 52 wirkt. Im Gegensatz dazu bleibt der Druck in dem Stoppvolumen von Hafner währen des gesamten Ein spritzereignisses niedrig (Fig. 4e). Der Leckpfad 40 der vorliegenden Erfindung sollte so bemessen sein, daß es ausreichend Druckabfall innerhalb der Brennstoffdruckkam mer 43 und eine ausreichende Drucksteigerung im Stoppvo lumen 56 gibt, so daß das Nadelventilglied 52 sich zu ei ner geschlossenen Position hin bewegen wird (siehe Fig. 4c). Es sei daran erinnert, daß die Brennstoffeinspritz vorrichtung von Hafner nur auf einem Druckabfall beruht, der auf die hydraulische Hubfläche des Nadelventilgliedes wirkt, um dessen geteilte Einspritzung bei Leerlaufzu ständen zu erzeugen. Vorzugsweise wird das Nadelventil glied 52 der vorliegenden Erfindung druckausgeglichen, wenn ein Brennstoffüberlauf auftritt, und wird unter der Wirkung der Vorspannfeder 50 geschlossen. Verschiedene Durchlaßwege und Druckflächen sollten auch so bemessen sein, daß sie das Nadelventilglied 52 geschlossen halten, während der Ring 41 zum Überlaufdurchlaß 45 hin offen ist. Wenn das Nadelventilglied 52 schließt, wird die er ste Hälfte der geteilten Einspritzung beendet.

Wegen der erzeugten Druckkoppelung kann sich das Nadel ventilglied 52 nicht wieder öffnen, bis der Ring 41 den Einspritzüberlaufanschluß 39 frei macht. In der vorlie genden Erfindung kann dies nicht auftreten, bis ein ge wisses Brennstoffvolumen aus der Brennstoffdruckkammer 43 verschoben worden ist. Das Brennstoffvolumen, welches verschoben bzw. verdrängt werden muß, ist bei der vorlie genden Erfindung geringfügig kleiner als jenes der Brenn stoffeinspritzvorrichtung von Hafner, da der Brennstoff kein inkompressibles Strömungsmittel ist. Anders gesagt bewirken die höheren Überlaufdrücke, die in der vorlie genden Erfindung vorhanden sind, daß der übergelaufene Brennstoff geringfügig komprimiert wird, im Vergleich zu dem Niederdrucküberlauf der Einspritzvorrichtung von Haf ner. Die Kompression des übergelaufenen Brennstoffes bei der vorliegenden Erfindung hat einen zusätzlichen Bo nuseffekt dahingehend, daß die Energie, die verwendet wurde, um den Brennstoff zu komprimieren, zumindest teil weise später beim Einspritzereignis wiedergewonnen wird, was einen wirkungsvolleren Betrieb der gesamten Brenn stoffeinspritzvorrichtung zur Folge hat. Anders gesagt muß weniger Öl durch den Brennstoffeinspritzvorrichtung verbraucht werden, um ein identisches Brennstoffvolumen relativ zu einer Einspritzvorrichtung von Hafner einzu spritzen, was einer Energieeinsparung entspricht.

Die Rate der Brennstoffverschiebung ist abhängig von der Kraft, die auf den Stößel 37 wirkt, und von der Größe des Leckpfades 49. Die gesteigerte Setzzeit, die von der vor liegenden Erfindung beim Leerlaufzustand im Vergleich zu der einer Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner (siehe Fig. 4f) erzeugt wird, ist teilweise der Tatsache zugeordnet, daß die Flußeinschränkung des Leckpfades 49 die Überlaufrate relativ zu der der Brennstoffeinspritz vorrichtung von Hafner verlangsamt. Wenn sich der Ring 41 schließt, endet der Überlauf, und der Einspritzdruck be ginnt wieder zu steigen. Der Druck im Überlaufdurchlaß 45 beginnt durch den Leckpfad 49 abzunehmen, um sich mit dem Niederdruckgebiet 57 auszugleichen. Da jedoch der Druck im Stoppvolumen relativ hoch bleibt, ist der Ventilöff nungsdruck des Nadelventilgliedes gestiegen, was bewirkt, daß die Öffnung des Nadelventilgliedes weiter verzögert wird (Fig. 4d). Anders gesagt kann ein Teil der verlän gerten Setzzeit der vorliegenden Erfindung auch dem ge stiegenen Ventilöffnungsdruck aufgrund des gestiegenen Stoppvolumendruckes zugeordnet werden, welcher auf die hydraulische Verschlußfläche 53 des Nadelventilglieds während und sofort nach dem Überlaufereignis bewirkt. So mit kann die gesteigerte Setzzeit bei Leerlaufzuständen gemäß der vorliegenden Erfindung der Verlangsamung des Überlaufereignisses und einem gesteigerten Ventilöff nungsdruck am Ende und kurz nach dem Überlaufereignis zu geordnet werden.

Wenn der Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoffdruck kammer 43 über den nun höheren Ventilöffnungsdruck (siehe VOP = Valve Opening Pressure, in Fig. 4d) steigt, öffnet das Nadelventilglied 52 den Düsenauslaß 54 und die zweite Hälfte der geteilten Einspritzung beginnt. Es sei be merkt, daß der Druck in dem Stoppvolumen scheinbar eine Spitze zeigt, und zwar ansprechend auf die Öffnung des Nadelventilglieds für die zweite Hälfte des geteilten Einspritzereignisses.

Kurz bevor die erwünschte Brennstoffmenge eingespritzt worden ist, wird ein Signal an den Elektromagneten 21 ge sandt, um das Einspritzereignis zu beenden. Der Fachmann wird erkennen, daß ein Stapel von piezoelektrischen Kri stallen oder eine andere geeignete elektronische Betäti gungsvorrichtung für den Elektromagneten 21 eingesetzt werden könnte, der in dem veranschaulichten Ausführungs beispiel gezeigt ist, ohne in anderer Weise die Leistung der veranschaulichten Brennstoffeinspritzvorrichtung zu verändern. Wenn er entregt wird, gestattet der Elektroma gnet 21, daß das Steuerventilglied 22 zum Hochdrucksitz 27 unter der Wirkung der Vorspannfeder 24 zurückkehrt, was den Hochdruckbetätigungsströmungsmitteleinlaß 12 ver schließt und einen weiteren Fluß von Hochdruckbetäti gungsströmungsmittel aus der Quelle 16 verhindert. Wenn das Steuerventilglied 22 zum Hochdrucksitz 27 zurück kehrt, wird der Niederdruckbetätigungsströmungsmittelab lauf 13 geöffnet. Dies bewirkt, daß der Druck in dem Be tätigungsströmungsmittelhohlraum 25 abfällt, was den Ab wärtshub des Verstärkerkolbens 31 und des Stößels 37 stoppt. Da der Stößel 37 sich nicht weiter nach unten be wegt, beginnt der Druck des Brennstoffes innerhalb der Brennstoffdruckkammer 43 abzufallen. Wenn dieser Brenn stoffdruck unter den Ventilverschlußdruck fällt, kehrt das Nadelventilglied 52 zu seiner Abwärtsposition zurück, um den Düsenauslaß 54 zu schließen und das Einsprit zereignis zu beenden.

Es wird angenommen, daß die Struktur der vorliegenden Er findung zwei zusätzliche Vorteile gegenüber der Ein spritzvorrichtung von Hafner zum Ende eines Einspritzer eignisses hin bietet. Erstens verwendet die vorliegende Erfindung wie zuvor erwähnt weniger Energie zur Ein spritzung einer identischen Brennstoffmenge, und zwar zu mindest teilweise aufgrund der Tatsache, daß die Energie, die verwendet wird, um den Brennstoff während des Über laufereignisses zu komprimieren, zumindest teilweise wäh rend des letzten Teils des Einspritzereignisses wiederge wonnen wird. Zweitens tendiert das Nadelventilglied dazu, sich zu seiner geschlossenen Position hin mit einer viel schnelleren Rate oder Geschwindigkeit zu bewegen, da die vorliegende Erfindung wesentlich höhere Drücke im Stopp volumen zum Ende eines Einspritzereignisses hin im Ver gleich zu denen der Brennstoffeinspritzvorrichtung von Hafner zeigt, was ein wünschenswerteres und abrupteres Ende für die zweite Hälfte des Einspritzereignisses be wirkt. Dieses abruptere Ende kommt von dem gesteigerten Druck, der auf die hydraulische Verschlußfläche 53 wirkt.

Zwischen den Einspritzereignissen beginnen verschiedene Komponenten des Einspritzvorrichtungskörpers 11, sich in Vorbereitung für das nächste Einspritzereignis zurückzu setzen. Da der Druck innerhalb des Betätigungsströmungs mittelhohlraums 25 abgefallen ist, kehren der Verstärker kolben 31 und der Stößel 37 zu ihren zurückgezogenen Po sitionen zurück, und zwar unter der Wirkung der Rück stellfeder 34. Die Rückzugsbewegung des Verstärkerkolbens 31 drückt das Betätigungsströmungsmittel aus dem Betäti gungsströmungsmittelhohlraum 25 in das Ablaufreservoir 18 zur Rückzirkulation. Die Rückzugsbewegung des Stößels 37 bewirkt, daß Brennstoff vom Brennstoffeinlaß 14 in die Brennstoffdruckkammer 43 durch den Brennstoffdurchlaß 19 über einen nicht zu sehenden Durchlaß gezogen wird.

Insbesondere bei Leerlaufzuständen verändert die vorlie gende Erfindung die Bewegungsrate des Verstärkerkolbens 31 und des Stößels 37 für einen Teil der geteilten Ein spritzung im Vergleich zu der Einspritzvorrichtung von Hafner (Fig. 4a). Zum Beginn eines Einspritzereignisses bewegen sich vor der Öffnung des Überlaufdurchlasses 45 der Verstärkerkolben 31 und der Stößel 37 mit der glei chen Rate wie ein entsprechender Kolben und ein Stößel in der Einspritzvorrichtung von Hafner. Wenn der Überlauf durchlaß in der Einspritzvorrichtung von Hafner offen ist, bewegt sich der Kolben und der Stößel mit viel schnellerer Rate bzw. Geschwindigkeit. Dies ist mit der vorliegenden Erfindung zu vergleichen, wobei die Bewe gungsrate des Verstärkerkolbens 31 und des Stößels 37 schneller ist als wenn der Überlaufdurchlaß 45 geschlos sen ist, jedoch geringer als bei der Einspritzvorrichtung von Hafner. Dies kommt von der Flußeinschränkung, die von der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, und zwar im Ge gensatz zu dem relativ uneingeschränkten Überlauffluß bei der Einspritzvorrichtung von Hafner. Sobald der Ring 42 den Überlaufdurchlaß 45 schließt, kehrt die Bewegungsrate des Verstärkerkolbens 31 und des Stößels 37 zur anfängli chen Rate zurück und ist wiederum die gleiche wie die der Einspritzvorrichtung von Hafner.

Während die vorliegende Erfindung und die Einspritzvor richtung von Hafner unterschiedlich arbeiten, um geteilte Einspritzungen bei Leerlaufmotorbetriebszuständen zu er zeugen, arbeiten beide Einspritzvorrichtungen bei Nennbe triebszuständen ähnlich (Fig. 5e-5f). Das heißt, daß beide Verfahren die Motorleistung bei Nennbetriebszustän den unbeeinflußt lassen. Jedoch arbeitet die vorliegende Erfindung wirkungsvoller und verwendet weniger Energie bei Nennzuständen im Vergleich zu der Einspritzvorrich tung von Hafner, und zwar wegen der Verlangsamung der Stößelbewegung, die durch die Leckpfadflußeinschränkung erzeugt wird. Bei höheren Motorbetriebszuständen gibt es oft einen viel höheren Schienen- bzw. Rail-Druck inner halb des Systems. Daher bewegen sich der Verstärkerkolben 31 und der Stößel 37 mit viel größerer Geschwindigkeit. Der Stößel 37 bewegt sich so schnell zwischen den zurück gezogenen und vorgeschobenen Positionen, daß der Ring 41 zum Überlaufdurchlaß 45 hin so kurz offen ist, daß keine geteilte Einspritzung auftreten kann (Fig. 5f). Genauso wie bei der Einspritzvorrichtung von Hafner bewegt sich der Stößel so schnell, daß keine geteilte Einspritzung auftreten kann. Es sei jedoch bemerkt, daß der Restdruck im Stoppvolumen der vorliegenden Erfindung ein viel ab rupteres Ende des Einspritzereignisses bei Nennzuständen bewirkt, die verbesserte Emissionen im Vergleich zu einem Motor zur Folge haben können, der die Brennstoffein spritzvorrichtung von Hafner verwendet.

Der Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung den Ingenieuren die Fähigkeit gibt, die mögliche Setzzeit bei Leerlaufzuständen stark im Vergleich zu jener der Einspritzvorrichtung von Hafner zu variieren. Anders ge sagt kann die Setzzeit bei der Einspritzvorrichtung von Hafner bei Leerlaufzuständen nur so groß gemacht werden, ohne in anderer Weise den Betrieb der Brennstoffein spritzvorrichtung bei Nennzuständen zu bewirken. Es wird jedoch andererseits angenommen, daß die vorliegende Er findung so flexibel ist, daß sie den Bereich der mögli chen Setzzeiten im Leerlauf ausweiten kann, und mögli cherweise auch die Fähigkeit hat, die geteilten Einsprit zungen bei anderen Betriebszuständen außer bei Leerlauf zu erzeugen. Der Fachmann wird erkennen, daß durch Verän derung der verschiedenen Merkmale, die die Größe des Rings, die Größe des Brennstoffüberlaufanschlusses, die Größe des Leckpfades, das Druckverhältnis, welches durch den Rückschlag des Kolbens 46 und möglicherweise durch die Bemessung der hydraulischen Verschlußfläche 53 be wirkt wird, aufweisen, unterschiedliche Einspritzraten profile bei unterschiedlichen Zuständen erzeugt werden können.

Es sei bemerkt, daß die obige Beschreibung nur vorgesehen ist, um die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu veran schaulichen und daß sie nicht in irgendeiner Weise das potentielle Ausmaß der vorliegenden Erfindung einschrän ken soll. Modifikationen können Variationen der Größe des Leckpfades oder der Art und Weise, in der der Überlauf durchlaß mit dem Stoppvolumen druckgekoppelt ist, aufwei sen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Während weiter die vorliegende Erfindung für eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung veranschaulicht worden ist, könnten die Konzepte nahezu auf irgendeine Brenn stoffeinspritzvorrichtung angewandt werden, die einen Stößel verwendet, um den Brennstoff unter Druck zu set zen. Somit könnten verschiedene Modifikationen vorgenom men werden, ohne vom beabsichtigten Kern und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er von den Ansprüchen unten definiert wird.

Claims

1. Brennstoffeinspritzvorrichtung, die folgendes auf weist:
einen Einspritzvorrichtungskörper, der eine Brenn stoffdruckkammer, einen Überlaufdurchlaß, ein Stopp volumen und einen Düsenauslaß definiert;
einen Stößel, der in dem Einspritzvorrichtungskörper positioniert ist, und um eine Distanz zwischen einer zurückgezogenen Position und einer vorgeschobenen Position bewegbar ist;
wobei der Stößel den Überlaufdurchlaß zur Brenn stoffdruckkammer über einen Teil der Distanz öffnet;
ein Nadelventilglied mit einer hydraulischen Vet schlußfläche, die dem Brennstoffdruck in dem Stopp volumen ausgesetzt ist; und
wobei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß druckgekoppelt ist.

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wo bei ein Teil des Überlaufdurchlasses ein Leckpfad ist, der sich zu einem Niederdruckgebiet hin öffnet.

3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, wo bei der Stößel einen Überlaufpfad definiert, der die Brennstoffdruckkammer zum Überlaufdurchlaß über den erwähnten Teil der Distanz öffnet; und
wobei der Leckpfad einen einschränkenden Flußquer schnitt relativ zum Überlaufpfad hat.

4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wo bei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß durch einen bewegbaren Kolben druckgekoppelt ist, wobei eine obere hydraulische Oberfläche dem Strömungsmit teldruck in dem Überlaufdurchlaß ausgesetzt ist, und wobei eine untere hydraulische Oberfläche dem Strö mungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist.

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wo bei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß durch einen Druckkommunikations- bzw. Druckverbindungs durchlaß gekoppelt ist, der sich zwischen dem Über laufdurchlaß und dem Stoppvolumen erstreckt.

6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wo bei der Teil der Distanz ein relativ kleiner Bruch teil der Distanz ist, die zwischen einem Anfangsteil und einem Restteil gelegen ist.

7. Brennstoffeinspritzvorrichtung, die folgendes auf weist:
einen Einspritzvorrichtungskörper, der eine Brenn stoffdruckkammer, ein Niederdruckgebiet, einen Über laufdurchlaß, ein Stoppvolumen und einen Düsenauslaß definiert;
einen Stößel, der in dem Einspritzvorrichtungskörper positioniert ist, und um eine Distanz zwischen einer zurückgezogenen Position und einer vorgeschobenen Position bewegbar ist;
wobei der Stößel den Überlaufdurchlaß zur Brenn stoffdruckkammer über einen Teil der Distanz öffnet, jedoch den Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkam mer hin verschließt, wenn der Stößel in der zurück gezogenen Position und in der vorgeschobenen Positi on ist;
ein Nadelventilglied mit einer hydraulischen Ver schlußfläche, die dem Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist; und
wobei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß druckgekoppelt ist, und wobei ein Teil des Überlauf durchlasses ein Leckpfad ist, der sich zu dem Nie derdruckgebiet hin öffnet.

8. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wo bei der Stößel einen Überlaufpfad definiert, der die Brennstoffdruckkammer zum Überlaufdurchlaß über den erwähnten Teil der Distanz öffnet; und
wobei der Leckpfad ein einschränkendes Flußgebiet bzw. einen einschränkenden Strömungsquerschnitt rela tiv zum erwähnten Überlaufpfad besitzt.

9. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8, wo bei der Leckpfad ausreichend einschränkend für den Fluß oder die Strömung ist, so daß der Strömungsmit teldruck bei der Bewegung des Nadelventilgliedes zur geschlossenen Position hin beihilft, wenn die Brenn stoffeinspritzvorrichtung in einem Zustand mit klei ner Einspritzung arbeitet, und wobei die Brennstoff druckkammer zum Überlaufdurchlaß hin offen ist.

10. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkammer hin so kurz offen ist, wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung in einem Zustand mit großer Einspritzung arbeitet, daß das Nadelven tilglied in einem offenen Zustand bleibt.

11. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 10, die weiter eine Feder aufweist, die betriebsmäßig posi tioniert ist, um das Nadelventilglied zu der ge schlossenen Position hin vorzuspannen; und
wobei das Nadelventilglied mindestens eine hydrauli sche Hubfläche aufweist, die dem Strömungsmittel druck in der Brennstoffdruckkammer ausgesetzt ist.

12. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 11, wo bei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß durch einen beweglichen Kolben gekoppelt ist, wobei eine obere hydraulische Oberfläche dem Strömungsmittel druck in dem Überlaufdurchlaß ausgesetzt ist, und wobei eine untere hydraulische Oberfläche dem Strö mungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist.

13. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 11, wo bei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß durch einen Druckkommunikations- bzw. Druckübertragungs durchlaß gekoppelt ist, der sich zwischen dem Über laufdurchlaß und dem Stoppvolumen erstreckt.

14. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrich tung, die folgendes aufweist:
einen Einspritzvorrichtungskörper, der eine Brenn stoffdruckkammer, ein Niederdruckgebiet, einen Über laufdurchlaß, ein Stoppvolumen und einen Düsenauslaß definiert;
einen Verstärkerkolben, der in dem Einspritzvorrich tungskörper positioniert ist, und der hydraulisch von einer zurückgezogenen Position zu einer vorge schobenen Position bewegbar ist;
einen Stößel, der betriebsmäßig mit dem Verstärker kolben in dem Einspritzvorrichtungskörper verbunden ist, und um eine Distanz zwischen der zurückgezoge nen Position und der vorgeschobenen Position beweg bar ist, und wobei der Stößel einen Ring definiert, der den Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkammer über einen Teil der erwähnten Distanz öffnet, der jedoch den Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkam mer hin verschließt, wenn der Stößel in der zurück gezogenen Position und in der vorgeschobenen Positi on ist;
ein Nadelventilglied mit einer hydraulischen Ver schlußfläche, die dem Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist; und
wobei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß druckgekoppelt ist, und wobei ein Teil des Überlauf durchlasses ein Leckpfad ist, der sich zu dem Nie derdruckgebiet hin öffnet.

15. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 14, die weiter eine Feder aufweist, die betriebsmäßig in dem Einspritzvorrichtungskörper positioniert ist, um das Nadelventilglied zu der ge schlossenen Position hin vorzuspannen.

16. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Leckpfad ausreichend einschränkend für den Fluß bzw. die Strömung ist, so daß der Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen bei der Bewegung des Nadelventilgliedes zu der geschlos senen Position hin hilft, wenn die Brennstoffein spritzvorrichtung in einem Zustand mit kleiner Ein spritzung arbeitet und die Brennstoffdruckkammer zum Überlaufdurchlaß hin offen ist.

17. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Überlaufdurchlaß zur Brennstoffdruckkammer so kurz offen ist, wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung in einem Zustand mit großer Einspritzung arbeitet, daß das Nadelventil glied in einem offenen Zustand bleibt.

18. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß durch einen bewegbaren Kolben druckgekoppelt ist, wobei eine obere hydraulische Oberfläche dem Strömungsmitteldruck in dem Überlauf durchlaß ausgesetzt ist, und wobei eine untere hy draulische Oberfläche dem Strömungsmitteldruck in dem Stoppvolumen ausgesetzt ist.

19. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Stoppvolumen mit dem Überlaufdurchlaß druckgekoppelt ist, und zwar durch einen Druckkommunikations- bzw. Druckübertragungs durchlaß, der sich zwischen dem Überlaufdurchlaß und dem Stoppvolumen erstreckt.

20. Hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Einspritzvorrichtungs körper einen Brennstoffeinlaß definiert, der mit ei ner Quelle von Brennstoffströmungsmittel verbunden ist, und einen Betätigungsströmungsmitteleinlaß, der mit einer Quelle von Betätigungsströmungsmittel ver bunden ist, welches anders ist als das Brenn stoffströmungsmittel.