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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffeinspritzventil, das für ein gemeinsames
Verteilleitungseinspritzsystem, im Folgenden Common-Rail-System genannt, für eine Dieselbrennkraftmaschine
anwendbar ist, insbesondere auf ein Brennstoffeinspritzventil, dessen
Hub einer Düsennadel
variabel gesteuert ist.
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Herkömmlicherweise
ist ein Common-Rail-System, in dem Hochdruckbrennstoff in einem
Common-Rail gesammelt wird, um gemeinsam für entsprechende Brennkraftmaschinenzylinder
verwendet zu werden, als Brennstoffeinspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine
gut bekannt. Bei einem Brennstoffeinspritzventil, das in dem Common-Rail-System
enthalten ist, betätigt
ein Betätigungsmittel
eine Düsennadel,
um eine Einspritzbohrung zu öffnen
und zu schließen,
um die Brennstoffeinspritzung zu steuern. Ein piezoelektrisches
Betätigungsmittel,
dessen Ansprecheigenschaft hervorragend ist, ist als Betätigungsmittel
vielversprechend.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzsystem für
eine Dieselbrennkraftmaschine besteht in der jüngsten Vergangenheit eine Forderung
in der präzisen
Steuerung der Brennstoffeinspritzung zum Zweck der Lärmverringerung
und der Verringerung des Abgasausstoßes. Um dieser Forderung nachzukommen, wird
der Hubbetrag der Düsennadel
variabel gesteuert, wie beispielsweise in der
US-Patentschrift Nr. 5,803,370 gezeigt
ist, die ein Brennstoffeinspritzventil offenbart, in dem eine Düsennadel
durch einen Stift gesteuert wird, der einstückig mit einem piezoelektrischen
Betätigungsmittel
versehen ist. Ein Wert der Spannung, die an dem piezoelektrischen
Betätigungsmittel
angelegt wird, wird derart gesteuert, dass die Düsennadel zu einer beliebigen
Position angehoben werden kann.
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Obgleich
gemäß dem herkömmlichen,
zuvor erwähnten
Brennstoffeinspritzventil eine Hubposition der Düsennadel durch Verändern der
Spannung variiert, die an dem piezoelektrischen Betätigungsmittel angelegt
wird, um beispielsweise zu einer halben Hubposition zu gelangen,
die die Hälfte
des Weges zwischen der ganzen Hubposition und der Sitzposition ist,
ist es jedoch schwierig, die halbe Hubposition genau zu steuern,
da der Hubbetrag des piezoelektrischen Betätigungsmittels nicht immer
der gleiche ist, selbst wenn die daran angelegte Spannung die gleiche
ist, da die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen
Betätigungsmittels
temperaturabhängig
sind und ebenfalls unter den entsprechenden piezoelektrischen Betätigungsmitteln schwanken.
Demgemäß hat das
herkömmliche Brennstoffeinspritzsystem
den Nachteil, dass die halbe Hubposition nicht zu einer vorgegebenen
Position bei jedem Einspritzkreislauf und bei jedem piezoelektrischen
Betätigungsmittel
genau fixiert werden kann.
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Um
den Hubbetrag immer konstant zu halten, besteht eine Idee darin,
einen Stopper vorzusehen, der den Hub der Düsennadel beschränkt. Jedoch
hat die Position des Stoppers variabel zu sein, um die Düsennadel
zu der ersten oder zweiten Position zu bewegen, dass heißt, zu der
ganzen Hubposition und der halben Hubposition zu bewegen, so dass
sein Aufbau kompliziert wird. Ferner neigt ein Körper des Brennstoffeinspritzventils
dazu, größer zu sein,
da es notwendig ist, ein Antriebsbauteil zu schaffen, um die Position
des Stoppers variabel zu gestalten.
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Nach
dem Stand der Technik aus
DE
100 30 119 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzgerät mit einem
Nadelventil offenbart, bei dem ein Hubsperrkolben zum Einstellen
eines Ventilmaximalhubs vorgesehen ist.
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Außerdem offenbart
der Stand der Technik nach
DE
197 42 320 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
mit einem Sicherheitsventil, bei dem beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils
zugleich auch Hochdruckkraftstoff über eine Druckleitung zu Einspritzöffnungen
gelangen kann.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Brennstoffeinspritzventil
mit einem Stopper zu schaffen, das eine variable Hubposition der
Düsennadel
genau steuert, und dessen Aufbau einfacher ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Brennstoffeinspritzventil mit der Kombination
der Merkmale von Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst, wobei weitere vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen definiert
sind.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
ist bei einem Brennstoffeinspritzventil, das ein Düsennadelbauteil zum Öffnen und
Schließen
eines Einspritzloches und ein elektrisch gesteuertes Betätigungsbauteil
zum wahlweisen Steuern eines Hubs des Düsennadelbauteils auf einen
ersten Hubbetrag oder einen zweiten Hubbetrag hat, der größer als
der erste Hubbetrag ist, wenn eine erste oder eine zweite Energie dort
zugeführt
wird, ein bewegbarer Stopper zum Stoppen des Hubs des Düsennadelbauteils
zwischen der ersten und der zweiten Position bewegbar, so dass das
Düsennadelbauteil
zu dem ersten Hubbetrag an der ersten Position und zu dem zweiten
Hubbetrag an der zweiten Position angehoben werden kann. Ein Gegendrucksteuerungsbauteil
wird durch das Betätigungsbauteil
angesteuert, um einen hohen Gegendruck auf den bewegbaren Stopper
wirken zu lassen, wenn die erste Energie oder keine Energie dem
Betätigungsbauteil
zugeführt
wird, um den bewegbaren Stopper an der ersten Position zu halten, und
um einen niedrigen Gegendruck auf den bewegbaren Stopper wirken
zu lassen, wenn die zweite Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird,
um es dem bewegbaren Stopper zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermöglichen,
zu der zweiten Position zu gelangen. Ein Düsennadeldruckbauteil wird durch
das Betätigungsbauteil
angesteuert, um einen Druck dem Düsennadelbauteil aufzuerlegen,
so dass das Düsennadelbauteil
angehoben wird, wenn die erste oder die zweite Energie dem Betätigungsbauteil
zugeführt
wird.
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Mit
dem zuvor erwähnten
Brennstoffeinspritzventil wird die erste oder die zweite Hubhöhe des Düsennadelbauteils
genauer gesteuert, ohne dass durch Schwankungen der Temperatureigenschaften
oder Eigenschaftsunterschiede unter den Betätigungsbauteilen eine Beeinflussung
stattfindet, da jeder Hub des Düsennadelbauteils
durch den bewegbaren Stopper begrenzt ist, der wahlweise an der ersten
oder zweiten Position steht.
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Eine
Veränderung
von der ersten Position zu der zweiten Position oder umgekehrt wird
durch Erhöhen
oder Senken des Gegendruckes leicht durchgeführt, der dem bewegbaren Stopper
durch das Gegendrucksteuerventil auferlegt wird.
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Es
ist vorzuziehen, dass das Gegendrucksteuerbauteil ein hydraulisches
Steuerventil zum Einführen
eines Druckes einer Hochdruckleitung zu einer rückseitigen Fläche des
bewegbaren Stoppers in einem geschlossenen Zustand und zum Einführen eines
Druckes einer Niedrigdruckleitung zu der rückseitigen Fläche des
bewegbaren Stoppers in einem offenen Zustand hat.
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In
dem Fall, bei dem der hohe Gegendruck dem bewegbaren Stopper auferlegt
wird, wird der bewegbare Stopper, wenn er in einem Zylinder enthalten
ist, gegen einen Boden des Zylinders gedrückt, der die erste Position
darstellt, und wenn eine Kraft zum Drücken des bewegbaren Stoppers
größer als eine
Kraft zum Anheben des Düsennadelbauteils
ist, wenn das Düsennadelbauteil
mit dem bewegbaren Stopper in Kontakt kommt, verbleibt der bewegbare Stopper
an der ersten Position. Für
dem Fall, dass der niedrige Druck dem bewegbaren Stopper auferlegt
wird, bewegt sich der bewegbare Stopper in Richtung auf eine Decke
des Zylinders, die die zweite Position ausbildet, wenn die Kraft
zum Drücken
des bewegbaren Stoppers leichter als die Kraft zum Anheben des Düsennadelbauteils
ist, wenn das Düsennadelbauteil
mit dem bewegbaren Stopper in Kontakt kommt.
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Vorzugsweise
hat das Betätigungsbauteil
ein piezoelektrisches oder eine andere Art Betätigungsmittel, das ein elektrisch
verformbares Element hat, dessen Verschiebung gemäß einer
dorthin zugeführten
Energie variabel ist. Das piezoelektrische oder die andere Art Betätigungsmittel,
das ein elektrisch verformbares Element hat, bringt eine direktere
Ansprecheigenschaft und eine bessere Steuereigenschaft.
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Es
ist weiter vorzuziehen, dass die Verschiebung des piezoelektrischen
oder der anderen Art des Betätigungsmittels
zu einem Druck gewandelt wird, der verwendet wird, um nicht nur
das hydraulische Steuerungsventil sondern auch das Düsennadeldruckbauteil
zu betätigen.
Dieser Aufbau lässt
das Brennstoffeinspritzventil kompakter ausbilden, so dass die Energieleistung
des Brennstoffeinspritzventils hervorragend ist.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie Verfahren zum Betrieb
und der Funktion der bezogenen Bestandteile werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung, den anhängigen
Ansprüchen
und den Zeichnungen gewürdigt,
die einen Bereich dieser Erfindung darstellen.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Brennstoffeinspritzventils gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 ist
ein Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines
Betriebs des Brennstoffeinspritzventils aus 1.
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3 ist
eine Schnittansicht eines Teils eines Brennstoffeinspritzventils
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Ein
Brennstoffeinspritzventil gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
wird mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Das Brennstoffeinspritzventil ist beispielsweise auf ein gemeinsames Verteilleitungseinspritzsystem,
im Folgenden Common-Rail-System
genannt, für
eine Dieselbrennkraftmaschine anwendbar. Das Brennstoffeinspritzventil hat
ein Gehäuse
H, eine Düsennadel 1,
die in einem unteren Bereich des Gehäuses H gleitend enthalten ist,
und ein piezoelektrisches Betätigungsmittel 2, das
in einem oberen Bereich des Gehäuses
H enthalten ist. Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 hat sowohl
die Funktion zum Betätigen
der Düsennadel 1 als
auch die Funktion zum Betätigen
eines hydraulischen Steuerungsventils 3, das den Gegendruck des
bewegbaren Stoppers 4 steuert. Einzelheiten des bewegbaren
Stoppers und des hydraulischen Steuerungsventils werden später beschrieben.
Das Gehäuse
H ist mit einer Hochdruckleitung 51 versehen, die zu einer
Wand auf ihrer rechten Seite offen ist, um mit einem Common-Rail
(nicht gezeigt) verbunden zu sein. Die Hochdruckleitungen 51 erstrecken
sich in die obere und untere Richtungen innerhalb des Gehäuses H und
ist mit einer Brennstoffsammelkammer 52 verbunden, die
um ein vorderes Ende der Düsennadel 1 ausgebildet
ist. Das Gehäuse
H ist ferner mit einer Niedrigdruckleitung 53 versehen,
die zu einer Wand auf ihrer linken Seite offen ist, um mit einem
Brennstofftank (nicht gezeigt) in Verbindung zu sein.
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Die
Düsennadel 1 ist
auf einer Seite ihres oberen Endes mit einem Düsenkolben 12 versehen, der
einstückig
mit ihr ausgebildet ist und dessen Durchmesser größer als
der der Nadel ist. Der Düsenkolben 12 ist
in einen Düsenkolbenzylinder 13, der
in dem Gehäuse
H vorgesehen ist, gleitend eingepasst. Die Düsennadel 1 wird durch
eine Feder 61, die ein oberes Ende des Düsenkolbens 12 berührt, und
einen Ventilschließkolben 62 nach
unten vorgespannt, so dass die kegelförmige Fläche 11 an einem unteren
Ende der Düsennadel 1 auf
einem kegelförmigen
Düsensitz 54 sitzt,
der in einem vorderen Ende des Gehäuses H ausgebildet ist, um
die Verbindung zwischen der Brennstoffsammelkammer 52 und
einer Einspritzbohrung 55 zu verschließen. Wenn die Düsennadel 1 angehoben
wird, tritt die Einspritzbohrung 55 mit der Brennstoffsammelkammer 52 in
Verbindung, so dass Brennstoff aus der Brennstoffbohrung 55 eingespritzt
wird. Der Ventilschließkolben 62 ist mit
dem Düsenkolben 12 koaxial
ausgerichtet. Ein Durchmesser des Ventilschließkolbens 62 ist kleiner als
der des Düsenkolbens 12,
und eine untere Hälfte des
Ventilschließkolbens 62 ist
in einer Federkammer 63 vorgesehen, wo die Feder 61 aufgenommen ist.
Die Federkammer ist mit der Niedrigdruckkammer 53 verbunden.
Der Ventilschließkolben 62,
der Ventilkolben 12 und die Ventilnadel 1 bilden
ein Düsennadelbauteil
aus.
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Das
piezoelektrische Betätigungsmittel 2 hat einen
bekannten Aufbau, bei dem eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente
aufeinandergestapelt sind, und das aufgrund ihrer eigenen Expansion
und Kontraktion, was auf einem Wert der daran angelegten Spannung
beruht, eine axiale Verschiebung zeigt. Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 ist
an einem Außenumfang
einer unteren Seite davon mit einem Piezo-Kolben 21 verbunden,
der flüssigkeitsdicht
in eine Innenfläche
des Gehäuses
H gleitend eingepasst ist. Gemäß der Expansion
und Kontraktion des piezoelektrischen Betätigungsmittels 2 bewegt
sich der Piezo-Kolben 21 hin und her, um ein Volumen einer
piezohydraulischen Kammer 22 zu verkleinern und zu vergrößern, so
dass der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 ansteigt
und fällt. Eine
Blattfeder 23, die in der piezohydraulischen Kammer 22 angeordnet
ist, drückt
den Piezo-Kolben 21 in eine Richtung zum Vergrößern des
Volumens der piezohydraulischen Kammer 22. Der Piezo-Kolben 21 wird
aufgrund der Expansion des piezoelektrischen Betätigungsmittels 2 gegen
eine Vorspannkraft der Blattfeder 23 bewegt, um das Volumen
der piezohydraulischen Kammer 22 zu verkleinern und um
ihren Druck zu erhöhen.
Das piezoelektrische Betätigungsmittel 2,
der Piezo-Kolben 21 und die piezohydraulische Kammer 22 bilden
ein Betätigungsbauteil
aus.
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Die
piezohydraulische Kammer 22 ist durch eine Steuerungshydraulikleitung 64 (ein
Teil davon ist in 1 weggelassen) mit einer Hubsteuerungshydraulikkammer 6 verbunden,
die um einen oberen Endumfang der Düsennadel 1 ausgebildet
ist. Der hydraulische Druck der Hubsteuerungshydraulikkammer 6 wirkt
auf eine Stufenfläche an
einem unteren Ende des Düsenkolbens 12,
der mit dem oberen Ende der Düse 1 verbunden
ist, so dass, wenn sich das Piezo-Betätigungsmittel 2 ausdehnt,
der hydraulische Druck der Hubsteuerungshydraulikkammer 6 zusammen
mit dem der piezohydraulischen Kammer 22 ansteigt. Wenn
der hydraulische Druck der Hubsteuerungshydraulikkammer 6 einen
bestimmten Wert überschreitet,
beginnt sich die Düsennadel 1 anzuheben.
Die Hubsteuerungshydraulikleitung 64 und die Hubsteuerungshydraulikkammer 6 bilden
ein Düsennadeldruckbauteil
aus.
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Ein
Stopperzylinder 14, in dem ein bewegbarer Stopper 4 gleitend
enthalten ist, ist koaxial mit dem Düsenkolbenzylinder 13 und
an seiner oberen Seite ausgebildet. Der Düsenkolbenzylinder 13 ist mit
dem Stopperzylinder 14 über
einen Abschnitt 15 mit kleinem Durchmesser verbunden. Der
bewegbare Stopper 4 ist mit einem Ventilschließkolbenzylinder 41 versehen,
der sich von einem unteren Endmittelpunkt davon nach oben erstreckt.
Eine obere Hälfte
des Ventilschließkolbens 62 ist
in dem Ventilschließkolbenzylinder 41 gleitend
eingepasst. Ein Hohlraum 42, der durch ein oberes Ende
des Ventilschließkolbens 62 und
ein oberes Ende des Ventilschließkolbenzylinders 41 umgeben
ist, ist durch eine Leitung 43 mit kleinem Durchmesser
mit einer Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 verbunden, die
in Kontakt mit einem oberen Ende des bewegbaren Stoppers 4 vorgesehen
ist. Die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 ist über eine Öffnung 45 mit
der Hochdruckleitung 51 verbunden.
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Ein
hoher Druck des Brennstoffs der Hochdruckleitung 51, der über die Öffnung 45 zu
der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 eingeführt wird, wird
dem oberen Ende des bewegbaren Stoppers 4 auferlegt, so
dass der bewegbare Stopper 4 nach unten gedrückt wird,
um einen Boden des Stopperzylinders 14 (an einer ersten Position)
zu berühren.
Wenn der Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 verringert
wird, bewegt sich der bewegbare Stopper 44 nach oben, um
die Decke des Stopperzylinders 14 (an einer zweiten Position)
zu berühren.
Ferner dringt der hohe Druck des Brennstoffs der Hochdruckleitung 51 durch
die Leitung 43 mit kleinem Durchmesser in den Hohlraum 42 und
wirkt auf das obere Ende des Ventilschließkolbens 62, so dass
die Düsennadel 1 nach
unten gedrückt
wird. In einem Ventilschließzustand
der Düsennadel 1 ist
ein Spalt A zwischen dem oberen Ende des Ventilschließkolbens 62 und
einer Decke des Hohlraums 42 vorgesehen. Der Spalt A entspricht
einem ersten Hubbetrag der Düsennadel 1.
Ferner ist ein Spalt B zwischen dem oberen Ende des bewegbaren Stoppers
und einem oberen Ende der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 vorgesehen.
Eine Summe der Spalte A und B entspricht einem zweiten Hubbetrag
der Düsennadel 1.
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Der
Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 steigt oder
senkt sich aufgrund der Unterbrechung der Verbindung oder durch
die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und
der Niedrigdruckleitung 53 gemäß einer Schließ- oder Öffnungssteuerung
des hydraulischen Steuerungsventils 3. Das hydraulische
Steuerungsventil 3 ist ein Zweiwegeventil und besteht aus
einer Ventilkammer 33, die an einem Mittelpunkt einer oberen
Fläche
davon mit einem kegelförmigen
Niedrigdrucksitz 31 versehen ist, aus einem kugelförmigen Ventilkörper 34,
der in der Ventilkammer 33 enthalten ist, einer Überlaufkammer 32,
die oberhalb des Niedrigdrucksitzes 31 angeordnet ist und
mit der Niedrigdruckleitung 53 verbunden ist, und aus einer
Ventilfeder 35, die in Kontakt mit dem Ventilkörper 34 ist. Eine
Leitung 46, die mit der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 verbunden
ist, ist zu einem Bodenmittelpunkt der Ventilkammer 33 geöffnet. Eine Leitung,
die die Öffnung 45 hat,
ist mit einem Mittelteil der Leitung 46 verbunden. Der
kugelförmige
Ventilkörper 34 ist
ein nach außen öffnendes
Ventil und wird durch einen Kolben 17 betätigt, der
koaxial einen Stift 16 hat, der mit ihm in Kontakt ist.
Der Druck der Ventilkammer 33 und eine Vorspannkraft der
Ventilfeder 35 drücken
den Ventilkörper 34 in
Richtung auf den Niederdrucksitz 31.
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Der
Kolben 17 ist in einem Ventilbetätigungszylinder 18 eingepasst
und wird durch hydraulischen Druck einer Ventilsteuerungshydraulikkammer 19 nach
unten gedrückt,
die an einem oberen Ende des Ventilbetätigungszylinders 18 ausgebildet
ist. Die piezohydraulische Kammer 22 ist nicht nur mit
der Hubsteuerungshydraulikkammer 6 sondern auch mit der
Ventilsteuerungshydraulikkammer 19 verbunden. Wenn sich
demgemäß der Druck
der piezohydraulischen Kammer 22 erhöht, bewegt sich der Kolben 17 nach
unten, um den Ventilkörper 34 weg
von dem Niedrigdrucksitz 31 zu bewegen, so dass sich das
hydraulische Steuerungsventil 3 öffnet. Der Stift 16,
der Ventilbetätigungszylinder 18,
der Kolben 17, die Ventilsteuerungshydraulikkammer 19 und
das hydraulische Steuerungsventil 3 bilden ein Gegendrucksteuerungsbauteil
aus.
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Das
piezoelektrische Betätigungsmittel 2 dient
zum Erhöhen
oder zum Senken des Drucks der piezohydraulischen Kammer 22 und
des Drucks der Ventilsteuerungshydraulikkammer 19, um das
hydraulische Steuerungsventil 3 zu öffnen oder zu schließen, so
dass der bewegbare Stopper 4 nach oben oder unten bewegt
wird. Das heißt,
wenn das hydraulische Steuerungsventil 3 geschlossen wird, und
die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 unter hohem Druck
ist, ist der bewegbare Stopper 4 an der ersten Position,
wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit unteren Ende
des Stopperzylinders 14 kommt. Im Gegensatz dazu, wenn
das hydraulische Steuerungsventil 3 geöffnet wird, und die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 unter
niedrigem Druck ist, wird der bewegbare Stopper 4 zu der
zweiten Position bewegt, wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt
mit dem oberen Ende des Stopperzylinders 14 kommt. Wie
zuvor erwähnt
worden ist, kann der bewegbare Stopper 4 die erste oder
die zweite Position wahlweise erreichen, wenn der Druck der Stoppersteuerungskammer 44 von
dem niedrigen Druck zu dem hohen Druck oder von dem hohen Druck
zu dem niedrigen Druck geschaltet wird. Der Hubbetrag der Ventilnadel 1 kann
an der ersten Position, die den ersten Hubbetrag (Spalt A) zeigt,
und an der zweiten Position, die den zweiten Hubbetrag (Spalt A
+ Spalt B) zeigt, umgeschaltet werden.
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Ein
Betrieb des zuvor erwähnten
Brennstoffeinspritzventils wird mit Bezug auf ein Zeit-Diagramm
beschrieben, wie in 2 gezeigt ist.
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In
einem Ausgangszustand, bei dem das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 nicht
betätigt
wird (vor einer Zeit t1 in 2), ist
das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 zusammengezogen,
und die Düsennadel 1 wird
durch die Feder 61 und den Ventilschließkolben 62 nach unten
gedrückt,
so dass die kegelförmige
Fläche 11 in
Kontakt mit dem Düsensitz 54 ist.
Der Kolben 17 ist an einer Ausgangsposition und der Ventilkörper 34 des
hydraulischen Steuerungsventils wird in Richtung auf den Niedrigdrucksitz 31 durch
die Vorspannkraft der Ventilfeder 35 und den Druck des
Hochdruckbrennstoffs, der in die Ventilkammer 33 einzuführen ist,
gedrückt.
Der bewegbare Stopper 4 ist an der ersten Position, da
der bewegbare Stopper 4 durch den Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 nach
unten gedrückt wird.
Das obere Ende des Ventilschließkolbens 62 liegt
mit einem dazwischenliegenden Spalt A der Decke des Hohlraums 42 gegenüber.
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In
einem Zeitpunkt t2 in 2, wenn eine Spannung V1 (erste
Energie) an dem piezoelektrischen Betätigungsmittel 2 angelegt
wird, expandiert das piezoelektrische Betätigungsmittel 2, so
dass der Piezo-Kolben 21 nach unten bewegt wird. Demgemäß wird der
Druck der piezohydraulischen Kammer 22 und der Druck der
Hubsteuerungshydraulikkammer 6, die nach oben auf der Düsennadel
wirkt, erhöht.
Wenn der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 einen ersten
hydraulischen Druck P1 (in einem Zeitpunkt t2) erreicht, hebt sich
die Düsennadel 1 gegen
die Vorspannkräfte
der Feder 61 und des Ventilschließkolbens 62 (erster
Hub). Da der Durchmesser des Kolbens 17, der Durchmesser
des Niedrigdrucksitzes 31 und die Vorspannkraft der Ventilfeder 35 eingestellt
sind, um das Steuerungsventil 3 bei dem ersten hydraulischen
Druck P1 nicht zu öffnen, bleibt
der bewegbare Stopper 4, der den hohen Druck erhält, der
in die Stoppersteuerungskammer 44 von der Hochdruckleitung 51 eingeführt worden ist,
bei der ersten Position, wo der Hub der Düsennadel 1 begrenzt
ist. Demgemäß ist der
Hubbetrag der Düsennadel 1 (erster
Hubbetrag) in einem Zeitpunkt t3, wenn das Anheben der Düsennadel 1 stoppt, gleich
dem Spalt A zwischen dem oberen Ende des Ventilschließkolbens 62 und
der Decke des Hohlraums 42.
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In
einem Zeitpunkt t4 in 2, wenn eine Spannung V2 (eine
zweite Energie, die größer als
die erste Energie ist) auf das piezoelektrische Betätigungsmittel 2 angelegt
wird, expandiert das piezoelektrische Betätigungsmittel 2. Sobald
der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 den ersten hydraulischen
Druck P1 (in einem Zeitpunkt t5) erreicht, beginnt sich die Düsennadel 1 anzuheben
und, wenn die Düsennadel 1 die
erste Hubposition erreicht, wird sie zeitweilig gestoppt. Wenn das
piezoelektrische Betätigungsmittel 2 weiterhin
expandiert und der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 einen zweiten
hydraulischen Druck P2 (in einem Zeitpunkt t6) erreicht, bewegt
sich der Kolben 17 nach unten, um den Ventilkörper 34 des
Steuerventils 3 zu betätigen,
so dass die Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 mit der
Niedrigdruckleitung 53 verbunden wird und der Druck der
Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 sinkt. Währenddessen
steigt der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 weiterhin
an und erreicht einen dritten hydraulischen Druck P3 (in einem Zeitpunkt
t7), wobei die Düsennadel 1 zusammen
mit dem bewegbaren Stopper 4 in einem Zustand, bei dem
das obere Ende des Ventilschließkolbens 62 in
Kontakt mit der Decke des Hohlraums 42 gehalten wird, einen
nächsten
stufenweisen Hub (zweiter Hub) beginnt. Das Anheben der Düsennadel 1 schreitet
fort, bis der bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit der Decke
der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 kommt und an dieser
Position (in einem Zeitpunkt t8) anhält. Zu diesem Zeitpunkt ist der
Hubbetrag der Düsennadel
(zweiter Hubbetrag) gleich der Summe des Spalts A und des Spalts
B.
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Wenn
die elektrischen Ladungen des piezoelektrischen Betätigungsmittels 2 zum
Beenden der Brennstoffeinspritzung nicht mehr zugeführt werden, kehrt
der Druck der piezohydraulischen Kammer 22 zu dem niedrigen
hydraulischen Ausgangsdruck (in einem Zeitpunkt t9) zurück, so dass
der Ventilkörper 34 des
Steuerungsventils 3 die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und
der Niedrigdruckleitung 53 schließt. Dann ist der Hochdruckbrennstoff,
der von der Hochdruckleitung 51 eingeführt worden ist, in der Lage,
den Druck der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 zu erhöhen, so
dass sich der bewegbare Stopper 4 nach unten bewegt und
zu der ersten Position zurückkehrt. Gleichzeitig
entfällt
eine Kraft zum Anheben der Ventilnadel 1, und die Ventilnadel 1 wird
durch die Vorspannkräfte
des Ventilschließkolbens 62 und
der Feder 61 nach unten bewegt und setzt sich auf den Düsensitz 54,
so dass die Brennstoffeinspritzung beendet ist.
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Wie
zuvor erwähnt
worden ist, kann der Hub der Düsennadel 1 durch
einen oder jeden des ersten Hubs (halber Hub) und des zweiten Hubs
(ganzer Hub) gemäß den Werten
der an dem piezoelektrischen Betätigungsmittel 2 angelegten
Spannung ausgewählt
werden. Da ferner der Hubbetrag durch den Spalt A und den Spalt
B definiert ist, kann eine genaue Hubsteuerung durchgeführt werden,
ohne dass aufgrund von Temperatureigenschaften oder Eigenschaftsunterschieden
des piezoelektrischen Betätigungsmittels 2 Schwankungen
verursacht würden.
Wenn ferner die Spannung, die an dem piezoelektrischen Betätigungsmittel 2 angelegt
wird, gesteuert wird, um in zwei Schritten erhöht zu werden, kann der Hub
der Düsennadel 1 beliebig
gesteuert werden, um zuerst einen halben Hub einzurichten, und um
dann während
eines Kreislaufs der Brennstoffeinspritzung die ganzen Hub einzurichten.
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Wenn
demgemäß das zuvor
erwähnte Brennstoffeinspritzventil
als Brennstoffeinspritzventil für
die Dieselbrennkraftmaschine verwendet wird, kann der Hub der Düsennadel 1 nach
Belieben auf jedwedes Hubmuster, wie beispielsweise den halben Hub,
den ganzen Hub oder den ganzen Hub kontinuierlich zu dem halben
Hub gesteuert werden, so dass der Brennstoffeinspritzgenalt in Ansprechen
auf das ausgewählte
Hubmuster verfügbar
ist. Bei der Dieselbrennkraftmaschine ist der halbe Hub zum Verwirklichen
eines Niedrigeinspritzgehaltes anwendbar, der benötigt wird,
um bei geringer Geschwindigkeit und bei niedrigem Lastbetrieb Geräusche und
NOx zu verringern, und der ganze Hub zum
Verwirklichen eines hohen Einspritzgehaltes anwendbar, der notwendig
ist, um bei hoher Geschwindigkeit und bei hohem Lastbetrieb Rauch
zu verringern. Ferner ist der ganze Hub kontinuierlich zu dem halben
Hub anwendbar, um einen optimalen Einspritzgehalt bei mittlerer
Geschwindigkeit und mittlerem Lastbetrieb zu verwirklichen.
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Wenn
aufgrund der Eigenschaftsunterschiede und der Temperatureigenschaften
des piezoelektrischen Betätigungsmittels
der Hub bei dem herkömmlichen
Brennstoffeinspritzventil schwankt, kann der Einspritzgehalt schwanken,
so dass nicht nur kein vorgegebener Einspritzgehalt realisiert werden kann,
sonder auch kein vorgegebener Einspritzgehalt genau gesteuert werden
kann. Jedoch ist gemäß dem Brennstoffeinspritzventil
der Erfindung die Hubschwankung kleiner, da der variable bewegbare Stopper 4 dazu
dient, den Hub zu beschränken,
so dass ein optimaler Einspritzgehalt und eine optimale Einspritzmenge
sicher erreicht werden kann. Da es ferner nicht notwendig. ist,
eine Vielzahl piezoelektrischer Betätigungsmittel vorzusehen, um
den Hubbetrag variabel zu gestalten, kann das Brennstoffeinspritzventil,
dessen Aufbau kompakt und dessen Steuerung genau ist, realisiert
werden.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Ein
hydraulisches Steuerungsventil eines Brennstoffeinspritzventils
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
wird mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Das
hydraulische Steuerungsventil 3a zum Steuern der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist ein Dreiwegeventil. Das hydraulische Steuerungsventil 3a ist mit
einem halbkugelförmigen
Ventilkörper 34a versehen,
der in der Ventilkammer 33 enthalten ist. Die Ventilkammer 33 ist
an einem oberen Mittelpunkt davon mit einer Niedrigdrucköffnung 36 versehen,
die ununterbrochen zu dem kegelförmigen
Niedrigdrucksitz 31 ist, und an einem Bodenmittelpunkt
mit einer Hochdrucköffnung 37 versehen.
Die Niedrigdrucköffnung 36 ist über die Überlaufkammer 32 mit
der Niedrigdruckleitung 53 verbunden. Die Hochdruckleitung 37 ist
mit der Hochdruckleitung 51 verbunden. Wenn ein kugelförmiger Bereich
des Ventilkörpers 34a auf dem
Niedrigdrucksitz 31 sitzt und die Niedrigdrucköffnung 36 verschließt, ist
die Verbindung zwischen der Ventilkammer 33 und der Niedrigdruckleitung 53 unterbrochen.
Wenn ein flacher Bodenbestandteil des Ventilkörpers 34a die Hochdrucköffnung 37 schließt, ist
die Verbindung zwischen der Ventilkammer und der Hochdruckleitung 51 unterbrochen.
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Die
Ventilkammer 33 ist immer mit der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 über eine
Leitung 46a verbunden. Der Hochdruckbrennstoff der Hochdruckleitung 51 wird
durch die Hochdrucköffnung 37, die
Ventilkammer 33 und die Leitung 46a zu der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 eingeführt. Der andere
Aufbau des hydraulischen Steuerungsventils 3a ist gleich
dem des hydraulischen Steuerungsventils 3 des ersten Ausführungsbeispiels.
Der Ventilkörper 34a wird
durch den Kolben 17 betätigt,
der den Stift 16 koaxial damit in Kontakt hat, so dass
die Niedrigdrucköffnung 36 oder
die Hochdrucköffnung 36 wahlweise
geschlossen ist, um den Druck der Stoppersteuerungskammer 44 ansteigen
zu lassen oder zu senken.
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Wenn
der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 nicht
auf den Kolben 17 wirkt, der den Stift 16 hat
(wenn die Energie nicht dem piezoelektrische Betätigungsmittel 2 zugeführt wird, oder
wenn die erste Energie nicht dorthin zugeführt wird), wird der Ventilkörper 34a auf
den Niedrigdrucksitz 31 gesetzt, so dass die Verbindung
zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der Niedrigdruckleistung 53 unterbrochen
ist, und so dass die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und
der Hochdruckleitung 51 möglich ist. Demgemäß wird aufgrund
des hohen Drucks der Hochdruckleitung 51 der bewegbare Stopper 4 an
einer ersten Position (wo der bewegbare Stopper 4 in Kontakt
mit dem unteren Ende des Stopperzylinders 13 kommt) gehalten.
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Wenn
der hydraulische Druck der piezohydraulischen Kammer 22 auf
den Kolben 17 wirkt, der den Stift 16 hat (wenn
die zweite Energie dem piezoelektrische Betätigungsmittel 2 zugeführt wird),
bewegt sich der Ventilkörper 34,
um die Verbindung zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und
der Hochdruckleitung 51 zu unterbrechen, und um die Verbindung
zwischen der Stoppersteuerungshydraulikkammer 44 und der
Niedrigdruckleitung 53 zu ermöglichen. Demgemäß kann der
bewegbare Stopper 4 die zweite Position erreichen (wo der
bewegbare Stopper 4 in Kontakt mit dem oberen Ende des
Stopperzylinders 13 kommt), wenn die Ventilnadel 1 angehoben
wird.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
hat die gleiche Funktion wie das erste Ausführungsbeispiel und hat ferner
Vorteile, nach denen die Öffnung 45 beseitigt
werden kann, oder Hochdruckbrennstoff der Hochdruckleitung 51 an
einem Austreten durch die Ventilkammer 33 zu der Niedrigdruckleitung 53 gehindert
wird.
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Bei
den zuvor erwähnten
Ausführungsbeispielen
kann ferner das Brennstoffeinspritzventil anstelle des piezoelektrischen
Betätigungsmittels 2 jede
Art elektrisch verformbares Betätigungsmittel haben.
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In
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ist ein bewegbarer Stopper
(4) zum Beschränken
eines Hubs des Düsennadelbauteils
(1, 12, 62) zwischen einer ersten und
einer zweiten Position bewegbar, so dass das Düsennadelbauteil durch einen
halben Hubbetrag an der ersten Position und durch einen ganzen Hubbetrag
an der zweiten Position angehoben werden kann. Ein Gegendruckventilbauteil
(3, 16 bis 19) wird durch ein Betätigungsbauteil
(2, 21, 22) zum Anlegen eines Gegendrucks
auf den bewegbaren Stopper betätigt,
wenn eine erste Energie oder keine Energie dem Betätigungsbauteil
zugeführt wird,
um den bewegbaren Stopper an der ersten Position zu halten, und
zum Anlegen eines niedrigen Gegendrucks auf den bewegbaren Stopper
betätigt, wenn
eine zweite Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird,
um es dem bewegbaren Stopper zusammen mit dem Düsennadelbauteil zu ermöglichen, zu
der zweiten Position zu gelangen. Ein Düsennadeldruckbauteil (6, 64)
wird ebenfalls durch das Betätigungsbauteil
zum Anlegen eines Druckes auf und zum Verursachen eines Hubs des
Düsennadelbauteils
betätigt,
wenn die erste oder die zweite Energie dem Betätigungsbauteil zugeführt wird.