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Die folgende Beschreibung erörtert und ermittelt das Wesen dieser Erfindung sowie die Art, in der sie durchgeführt werden soll:
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Kraftstoffinjektor für einen Verbrennungsmotor (ICE).
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Hintergrund der Erfindung:
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Ein typisches Problem bei einem direktgesteuerten Solenoid besteht darin, dass es hohe Leistung aufnimmt, weshalb eine Slave-ECU erforderlich ist, um den hohen Leistungsbedarf handzuhaben. Der hydraulisch (indirekt) gesteuerte Injektor nimmt niedrige Leistung auf, aber der Injektor ist teuer, und es besteht eine Zeitverzögerung zwischen der Erregung des Solenoids und der Kraftstoffeinspritzung. Das direktgesteuerte Solenoid ist im Vergleich zum hydraulisch gesteuerten Injektor einfach. Der Leistungsbedarf ist die wichtigste Herausforderung. Andererseits sind herkömmliche Magnetinjektoren tatsächlich indirekt gesteuerte Injektoren mit einer typischen Zeitverzögerung beim Betrieb. Auch die Herstellungskosten sind für derartige Injektoren wegen des komplizierten Hydraulikkreises nicht geringer. Eine weitere Herausforderung bei magnetgesteuerten Injektoren ist die Zeitverzögerung zum Stoppen der Einspritzung, da die Nadel nicht unmittelbar zum Sitzen gebracht werden kann, wodurch etwas Kraftstoff verschwendet wird. Andererseits, um derartige Verzögerungen auszugleichen, müssen bei der Steuerlogikentwicklung wiederum gewisse Näherungen ausgeführt werden.
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Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen:
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 einen Kraftstoffinjektor in Voreinspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
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2 den Kraftstoffinjektor während der Einspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
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3 einen modifizierten Kraftstoffinjektor in Voreinspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, und
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4 den modifizierten Kraftstoffinjektor während einer Einspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Genaue Beschreibung der Ausführungsformen:
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1 stellt einen Kraftstoffinjektor in Voreinspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Ein Kraftstoffinjektor 100 für einen Verbrennungsmotor (ICE) ist vorgesehen. Der Kraftstoffinjektor 100 umfasst einen Injektorkörper 128 umfassend wenigstens einen Einlasspfad 108, wenigstens einen Rückführpfad 132 und wenigstens eine Einspritzdüse 122. Wenigstens ein Solenoid 102 ist an einem Ende des Injektorkörpers 128 angeordnet. Eine erste Feder 104 ist zentral innerhalb des wenigstens einen Solenoids 102 angeordnet. Eine zentrale Axialbohrung liegt unter der ersten Feder 104 und steht in Fluidverbindung mit dem wenigstens einen Einlasspfad 108, dem wenigstens einen Rückführpfad 132 und einer Einspritzkammer 124. Ein bewegliches Element 106 ist in der zentralen Axialbohrung eingesetzt/montiert. Das bewegliche Element 106 umfasst einen ersten Ausschnitt 110 und einen zweiten Ausschnitt 112. Das bewegliche Element 106 wird zum wenigstens einen Solenoid 102 bei Einschaltung durch den Leistungsverbinder 134 gezogen. Es ist auch eine zweite Feder 118 in einer Kraftstoffkammer 116 untergebracht. Die Kraftstoffkammer 116 ist unter der zentralen Axialbohrung angeordnet und steht in Fluidverbindung mit dem wenigstens einen Einlasspfad 108 durch einen ersten Flusspfad 114. Der erste Flusspfad 114 verbindet auch die Kraftstoffkammer 116 mit dem Rückführpfad 132. Die zentrale Axialbohrung und die Kraftstoffkammer 116 sind durch eine Wand getrennt. Ein Nadelventil 120 in der Einspritzkammer 124 ist unter der zweiten Feder 118 vorgesehen. Das Nadelventil 120 wird betätigt basierend auf der von der zweiten Feder 118 ausgeübten Kraft und dem Druck des Kraftstoffs, der in dem wenigstens einen Einlasspfad 108 vorhanden ist, und dem Druck der Kraftstoffkammer 116 und der Einspritzkammer 124.
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Wenn sich das wenigstens eine Solenoid 102 in einem abgeschalteten Zustand befindet, verbindet der zweite Ausschnitt 112 gemäß der vorliegenden Offenbarung den wenigstens einen Einlasspfad 108 mit der Kraftstoffkammer 116. Wenn sich das wenigstens eine Solenoid 102 in eingeschaltetem Zustand befindet, verbindet der erste Ausschnitt 110 die Kraftstoffkammer 116 mit dem wenigstens einen Rückführpfad 132, und gleichzeitig verbindet der zweite Ausschnitt 112 den Einlasspfad 108 mit der Einspritzkammer 124 für Kraftstoffeinspritzung.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind das wenigstens eine Solenoid 102 und die erste Feder 104 über dem beweglichen Element 106 montiert. Die erste Feder 104 ruht über einem Kopfabschnitt des beweglichen Elements 106. Mit anderen Worten, das bewegliche Element 106 ist unter dem wenigstens einen Solenoid 102 platziert, und die erste Feder 104 ruht über einem Kopf des beweglichen Elements 106.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind zwei Solenoide 102 vorgesehen, eines unter dem anderen, durch einen Zwischenraum voneinander getrennt. Das bewegliche Element 106 ist so montiert, dass der Kopfabschnitt des beweglichen Elements 106 im Zwischenraum zwischen den beiden Solenoiden 102 angeordnet ist. Mit anderen Worten, der Kopfabschnitt des beweglichen Elements 106 ist zwischen den beiden Solenoiden 102 platziert. Jedes der beiden Solenoide 102 wird alternativ gesteuert, um das bewegliche Element 106 zu betätigen und die Kraftstoffeinspritzung durchzuführen. Die erste Feder 104 ist bei dieser Ausführungsform optional.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist das bewegliche Element 106 in einer Ausgangsstellung am weitesten von dem wenigstens einen Solenoid 102 entfernt, d. h., wenn das wenigstens eine Solenoid 102 nicht eingeschaltet ist, befindet sich das bewegliche Element 106 in der Ausgangsstellung. Wenn das wenigstens eine Solenoid 102 eingeschaltet ist, wird das bewegliche Element 106 in Richtung des eingeschalteten Solenoids 102 gezogen.
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Wenn der wenigstens eine Einlasspfad 108 mit der Kraftstoffkammer 116 verbunden ist, übt der Kraftstoff vom Einlasspfad 108 zusammen mit der zweiten Feder 118 gemäß der vorliegenden Offenbarung Kraft auf das Nadelventil 120 aus, um die wenigstens eine Einspritzdüse 122 zu schließen.
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Wenn der wenigstens eine Einlasspfad 108 mit der Einspritzkammer 124 verbunden ist, übt der Kraftstoff vom Einlasspfad 108 gemäß der vorliegenden Offenbarung Kraft auf eine Schulter des Nadelventils 120 aus, wodurch das Nadelventil 120 von der wenigstens einen Einspritzdüse 122 für Kraftstoffeinspritzung abgehoben wird.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind der wenigstens eine Einlasspfad 108 und der wenigstens eine Rückführpfad 132 mit der Kraftstoffkammer 116 durch den ersten Flusspfad 114 verbunden.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei ein zweiter Flusspfad 130 von der zentralen Axialbohrung ausgebildet ist, der während des Betriebs des beweglichen Elements 106 aussickernden/leckenden Kraftstoff sammelt. Der zweite Flusspfad 130 verbindet den Spalt 126 mit dem Rückführpfad 132.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist der Kraftstoffinjektor 100 mit deaktiviertem Solenoid 102 gezeigt. Die erste Feder 104 befindet sich in einem expandierten Zustand, wodurch das bewegliche Element 106 in einem Abstand zum wenigstens einen Solenoid 102 gehalten wird. Der Kopfabschnitt des beweglichen Elements 106 ruht über der um die zentrale Axialbohrung gebildeten Stütze. Der Einlasspfad 108 ist mit der Kraftstoffkammer 116 über den zweiten Ausschnitt 112 des beweglichen Elements 106 verbunden. Die gestrichelten Linien in der Figur entsprechen einem Flusspfad hinter dem Einlasspfad 108. Basierend auf dem Zustand des Solenoids 102 wird die Kraftstoffkammer 116 selektiv mit dem Rückführpfad 132 oder dem Einlasspfad 108 durch den ersten Flusspfad 114 verbunden. Ein kleiner Spalt 126, der zwischen dem Ende der zentralen Axialbohrung und dem beweglichen Element 106 gebildet ist, nimmt während der Bewegung des beweglichen Elements 106 leckenden Kraftstoff auf. Der Spalt 126 ist auch mit dem Rückführpfad 132 durch den mit gestrichelten Linien gezeigten zweiten Flusspfad 130 verbunden. Der zweite Flusspfad 130 ist wieder hinter dem Flusspfad zwischen dem Einlasspfad 108 zur Einspritzkammer 124. Der Kraftstoffstrom ist durch eine Einzelpunktlinie dargestellt.
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Im deaktivierten Zustand des Solenoids 102 verbindet das bewegliche Element 106 den Einlasspfad 108 mit der Kraftstoffkammer 116. Der Kraftstoff strömt durch den Einlasspfad 108 und füllt die Kraftstoffkammer 116. Es wird auch gezeigt, dass Kraftstoff in anderen Flusspfaden vorhanden ist. Der erste Flusspfad 114 hinter dem Einlasspfad 108 wird ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Der Einlasspfad 108 ist von der Einspritzkammer 124 noch durch das bewegliche Element 106 getrennt. In diesem Zustand bleibt der Einlasspfad 108 auch vom Rückführpfad 132 getrennt.
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2 stellt den Kraftstoffinjektor während der Einspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Wenn das Solenoid 102 durch Zuführen von Strom über den Leistungsverbinder 134 aktiviert wird, fungiert das bewegliche Element 106 als Anker/Spule und wird zum eingeschalteten Solenoid 102 gezogen. Während sich das bewegliche Element 106 in Richtung des eingeschalteten Solenoids 102 bewegt, verbindet der erste Ausschnitt 110 den Kraftstoffrückführpfad 132 mit der Kraftstoffkammer 116. Ein Teil des Kraftstoffs im ersten Flusspfad 114 und gespeichert in der Kraftstoffkammer 116 wird zu einem Behälter oder Kraftstofftank aufgrund hohen Kraftstoffdrucks zurückgeführt, und der Druck wird entlastet.
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Wenn der erste Ausschnitt 110 den Rückführpfad 132 mit der Kraftstoffkammer 116 verbindet, verbindet auch der zweite Ausschnitt 112 den Einlasspfad 108 mit der Einspritzkammer 124. Der Druck des Kraftstoffs in der Einspritzkammer 124 übt eine Kraft auf die Schulter des Nadelventils 120 aus. Die auf die Schulter wirkende Kraft arbeitet gegen die Kraft der zweiten Feder 118 an der Oberseite des Nadelventils 120. Die durch den Kraftstoff ausgeübte Kraft ist größer als die der zweiten Feder 118 und öffnet daher die Einspritzdüse 122. Die Einspritzdüse 122 bleibt offen, bis der Einlasspfad 108 mit der Einspritzkammer 124 verbunden ist, und der Kraftstoff wird konstant mit einem vorgegebenen/erforderlichen Druck zugeführt.
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Sobald das Solenoid 102 abgeschaltet wird, wird das bewegliche Element 106 von der ersten Feder 104 zur ursprünglichen Stellung/Ausgangsstellung weggedrückt. Wenn das bewegliche Element 106 die Ausgangsstellung erreicht, bewegen sich auch der erste Ausschnitt 110 und der zweite Ausschnitt 112 zusammen, und der Rückführpfad 132 wird von der Kraftstoffkammer 116 getrennt, während der Einlasspfad 108 von der Einspritzkammer 124 getrennt wird. Die Trennung ist von einer Verminderung des Kraftstoffdrucks in der Einspritzkammer 124 begleitet, wodurch die zweite Feder 118 dazu veranlasst wird, das Nadelventil 120 niederzudrücken und die wenigstens eine Einspritzdüse 122 zu schließen.
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3 stellt einen modifizierten Kraftstoffinjektor in Voreinspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Der Kraftstoffinjektor 200 ist in abgeschaltetem Zustand des Solenoids 102 gezeigt. Das bewegliche Element 106 ist durch das wenigstens eine Solenoid 102 eingesetzt, und ein Kopfabschnitt des beweglichen Elements 106 ruht über der ersten Feder 104 im Inneren des wenigstens einen Solenoids 102. Im Vergleich zu 1 und 2 sind der erste Flusspfad 114 und der zweite Flusspfad 130 in derselben Seite gezeigt, während die Verbindung zwischen dem Einlasspfad 108 und der Einspritzkammer 124 auf der anderen Seite ist. In 3 ist der Kraftstoffinjektor 200 mit abgeschaltetem Solenoid 102 gezeigt. Der Einlasspfad 108 ist mit der Kraftstoffkammer 116 über den zweiten Ausschnitt 112 verbunden.
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4 stellt einen modifizierten Kraftstoffinjektor während einer Einspritzphase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Wenn das Solenoid 102 eingeschaltet wird, wird das bewegliche Element 106 gegen die Kraft der ersten Feder 104 nach unten gezogen. Während sich das bewegliche Element 106 nach unten bewegt, verbindet der erste Ausschnitt 110 die Kraftstoffkammer 116 mit dem Rückführpfad 132 über den ersten Flusspfad 114. Gleichzeitig verbindet der zweite Ausschnitt 112 den Einlasspfad 108 mit der Einspritzkammer 124. Aufgrund des Kraftstoffdrucks wird nun eine Kraft auf die Schulter des Nadelventils 120 ausgeübt. Die Kraft vom Kraftstoff bringt das Nadelventil 120 gegen die Kraft der zweiten Feder 118 zum Abheben von den Einspritzdüsen 122. Der Kraftstoff wird zur Verbrennung in den Zylinder eingespritzt.
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Beim Abschalten des Solenoids 102 wird das bewegliche Element 106 vom Solenoid 102 durch die expandierende erste Feder 104 weggedrückt. Die Bewegung des beweglichen Elements 106 veranlasst das Blockieren des Einspritzpfads, wodurch Stoppen der Kraftstoffeinspritzung bewirkt wird. Das Solenoid 102 wird von einem Controller oder Prozessor wie einem elektronischen Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) so gesteuert, dass die gewünschte Einspritzung erzielt wird.
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Gemäß einer vorliegenden Offenbarung ist ein von einem Direktsteuerungssolenoid 102 betätigter Hochdruck-Kraftstoffinjektor 100, 200 vorgesehen, der verglichen mit konventionellen Kraftstoffinjektoren eine wesentlich geringere Zeitverzögerung aufweist, sowohl beim Öffnen als auch Schließen der Einspritzung. Die Länge des Kraftstoffinjektors 100, 200 ist ebenfalls kurz. Die Einspritzsteuerung erfolgt direkt durch Betätigen des beweglichen Elements 106 durch das Solenoid 102 zum Umleiten des Hochdruckkraftstoffs, um das Nadelventil 120 entweder anzuheben oder niederzudrücken und dementsprechend die Einspritzung unverzüglich entweder zu starten oder zu stoppen. Der Leistungsbedarf des Solenoids 102 zum Betätigen des beweglichen Elements 106 ist niedrig, da die hydraulischen Kräfte axial ausgeglichen sind. Der Kraftstoffinjektor 100, 200 umfasst das bewegliche Element 106, das wenige Variationen im Durchmesser in Abhängigkeit von der Anzahl der zu steuernden Ports aufweist. Aufgrund des spezifischen Designs sind die auf das bewegliche Element 106 wirkenden Axial-Hydraulikkräfte ausgeglichen, und das Solenoid 102 kann das bewegliche Element 106 gegen Federkräfte in schnellem Takt nach oben oder unten bewegen. Da der unter Druck gesetzte Kraftstoff durch die Hin- und Herbewegung des beweglichen Elements 106 nur umgeleitet wird, wird das Nadelventil 120 vom unter Druck gesetzten Kraftstoff entweder angehoben oder nach unten gedrückt, um die Einspritzung schnell zu steuern. Somit bietet die vorliegende Offenbarung ein direkt gesteuertes Solenoid 102, das unkompliziert ist und keine Zeitverzögerung aufweist. Die Zeitverzögerung zum Stoppen der Einspritzung ist minimiert oder nicht existent, da das Nadelventil 120 unmittelbar zum Sitzen gebracht wird, wodurch etwas Kraftstoff gespart wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die in der obigen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen nur der Veranschaulichung dienen und den Umfang dieser Erfindung nicht beschränken. Viele derartige Ausführungsformen und andere Modifikationen sowie Änderungen der in der Beschreibung erörterten Ausführungsform sind vorgesehen. Der Umfang der Erfindung ist nur durch den Umfang der Ansprüche begrenzt.
