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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende bezieht sich im Allgemeinen auf ein Ventilsystem zum
Steuern des Flusses bzw. des Strömens
eines Strömungsmittels
durch einen Strömungsmitteldurchlaß und mehr
im Speziellen auf ein Ventilsystem, welches ein Ventil hat, das
durch eine piezoelektrische Einrichtung betätigt wird, um den Fluß von Strömungsmittel
durch das Ventilsystem zu steuern.
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Hintergrund der Erfindung
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Ventilsysteme
sind in der Vergangenheit so entworfern worden, die ein Ventil haben,
das durch einen Magneten, einen piezoelektrischen Stapel bzw. Stack
oder eine magnetorestriktive Stange betätigt wird, um den Fluß von Strömungsmittel
durch das Ventilsystem zu steuern. Das Ventilsystem kann beispielsweise
einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer, ein elektrohydraulisches
Betätigersystem,
einen elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzer, einen Benzinanschlußeinspritzer,
ein Strömungsmittel-Zumeßventil,
ein Abblas- bzw. Überdruckventil,
ein Reduzierventil, ein direktes Ventil oder einen Direkt-Einspritzungs-Benzineinspritzer
aufweisen.
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Nichtsdestoweniger
ist es in durch Magnete gesteuerten Ventilen oft schwierig, Bewegung
und Positionierung des Ventils durch die Steuersignale, welche an
die Magnete angelegt werden, genau zu steuern. Dies ist insbesondere
wahr, wenn Zwischenpositionierung eines durch einen Magneten gesteuerten
Ventils zwischen zwei einander entgegenliegenden Positionen erwünscht ist.
Durch Magnete gesteuerte Ventile sind gemäß ihrer Natur empfänglich für Variabilität in ihrem
Betrieb, wegen induktiver Verzögerungen,
Wirbelströmen,
Feder-Vorbelastungen, Magnet-Kraft-Charakteristiken und variierender
Strömungsmittel-Flußkräfte. Jeder
dieser Faktoren muss bedacht werden und ihm muss für den Entwurf
eines durch einen Magneten gesteuerten Ventilsystems Rechnung getragen
werden. Darüberhinaus
begrenzt die Antwortzeit des Magneten die minimale Verweil- bzw.
Haltezeit zwischen Ventilbetätigungen und
macht das Ventilsystem im Allgemeinen empfänglicher für verschiedene Quellen von
Variabilität.
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Während Magnete
grosse Kräfte
vorsehen und lange Hübe
haben, haben Magnete bestimmte Nachteile. Zum Beispiel muss zuerst
während
der Betätigung
kontinuierlich Strom zum Magneten geliefert werden, um den Magneten
in seiner eingeschalteten Position zu halten. Um weiterhin die Trägheit der
Armatur bzw. des Ankers zu überwinden
und schnellere Antwortzeiten vorzusehen, wird ein Magnet durch eine
gestufte bzw. schrittartige Stromwellenform angetrieben. Anfänglich wird
ein sehr grosser Strom vorgesehen, um den Magneten umzuschalten;
und nachdem der Magnet seinen Zustand geändert hat, wird der Antriebsstrom
auf einen minimalen Wert herabgestuft, der benötigt wird, um den Magneten
in diesen Zustand zu halten. Daher wird ein relativ komplexer und
Hochleistungsstrom-Antrieb bzw. -Treiber benötigt. Zusätzlich dazu, dass er eine relativ
komplexe und Hochstrom-Leistungsquelle erfordert, führt die
Anforderung von kontinuierlichem Stromfluss um den Magneten in seiner
eingeschalteten Position zu halten zum Erhitzen bzw. zum Erwärmen des
Magneten. Die Existenz solch einer Hitzequelle ebenso wie die Fähigkeit
diese Hitze richtig abzuleiten bzw. zu verteilen, ist oft von Bedeutung, abhängig von
der Umgebung, in welcher der Magnet benutzt wird.
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Zusätzlich ist
die Kraft, die von einem Magneten produziert wird abhängig von
der Lücke
zwischen dem Anker und dem Stator und wird nicht leicht durch das
Eingangssignal gesteuert. Dies macht es schwierig, den Magneten
als einen Proportionalbetätiger
zu benutzen. Grosse Proportional-Magneten
sind üblich,
aber sie arbeiten nahe oder am Sättigungspunkt
und sind sehr ineffizient. Kleine, relativ schnell wirkende nicht-Proportional-Magneten können eine
Antwortzeit, welche durch die Ankerverschiebung definiert wird,
so schnell wie 350 Mikrosekunden haben. Nichtsdestoweniger kann
die Antwortzeit in einigen Anwendungen, welche Ventilbetätigung mit
hoher Wiederholungs- bzw. Repetitionsrate oder nahe benachbarte
Ereignisse erfordern, eine signifikante Begrenzung sein. Darüberhinaus
ist es bekannt, dass es eine substantielle Verzögerung zwischen dem Start des
Stromsignals und dem Start der Ankerbewegung gibt. Dies liegt der
induktiven Verzögerung
zwischen der Spannung und dem magnetischen Fluss der erfor dert ist,
um Kraft auf den Anker auszuüben.
In Ventilsystemen führen
solche Verzögerungen
zu Variabilität.
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Elektroaktive
Betätiger
so wie zum Beispiel piezoelektrische Stacks bzw. Stapel bzw. Säulen und magnetorestriktive
Stangen eliminieren die Antwortzeit und Proportionalitätnachteile
des Magneten. Die piezoelektrischen Stapel bieten wegen ihres kapazitiven
Verhaltens den Vorteil während
des "Festhaltens" keine Leistung zu
ziehen, wo Betätigung
für eine
lange Zeitperiode aufrecht erhalten wird. Nichtsdestoweniger haben
diese Betätiger
selbst Nachteile. Piezoelektrische Stapel und magnetorestriktive
Betätiger
besitzen beeindruckende Kräfte,
haben jedoch sehr kleine Hubfähigkeiten.
Die Ausgabe bzw. Ausgangsgrösse
dieser Betätiger
muss dann mechanisch oder hydraulisch vergrössert bzw. verstärkt werden,
was die Antwortzeit und die Proportionalitätvorteile die sie bieten begrenzen.
Wegen ihrer kleinen Belastungsfähigkeit,
tendieren diese Betätiger auch
dazu, gross zu sein. Zusätzlich
sind diese Betätiger
uni-direktional, d. h. sie bewegen sich nur in einer Richtung als
Antwort auf ein Steuersignal. Daher erfordert jedes Ventil oder
jede Masse, welche von dem Betätiger
bewegt wird, es, dass eine vorspannende Rückstellkraft, so wie zum Beispiel
durch eine Rückstellfeder
angelegt wird, um das Ventil oder die Masse in ihre ursprüngliche
Position zurückzubewegen.
Oft weist die Feder eine signifikante Kraftmenge auf, die benötigt wird,
um das Ventil oder die Masse zu bewegen und repräsentiert eine weitere Quelle von
Variabilität.
Auch wird die vorteilhafte Antwortzeit des Betätigers keinen Einfluss auf
das Zurückkehren bzw.
Zurückholen
des Ventils oder der Masse haben, da es komplett von der Rückstellfeder
abhängt.
Daher ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, eines oder
mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Während die
Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben
wird, wird man verstehen, dass die Erfindung nicht auf dies Ausführungsbeispielen
begrenzt ist. Die Erfindung schliesst im Gegenteil alle alternativen,
Modifikationen und Äquivalente
ein, wie sie innerhalb des Geistes und des Umfangs der vorliegenden
Erfindung eingeschlossen sein können.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ventilsystem, so wie zum
Beispiel ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer einen Ventilkörper und
eine Strömungsmittelkammer, die
innerhalb des Ventilkörpers
untergebracht ist. Die Strömungsmittelkammer
ist angepasst, um mit einer Strömungsmittelquelle
zum Enthalten von Strömungsmittel
darin zu kommunizieren bzw. in Verbindung zu stehen. Eine Strömungsmittelöffnung bzw. Strömungsmittelmündung steht
in Verbindung mit der Strömungsmittelkammer.
Ein Ventilglied, welches innerhalb des Ventilkörpers montiert ist, ist zwischen einer
geschlossenen Position zum Schließen der Strömungsmittelöffnung und einer offenen Position zum Öffnen einer
Strömungsmittelöffnung beweglich. Ein
vorbelasteter Biegebetätiger
tritt bzw. steht betriebsmäßig mit
dem Ventilglied in Eingriff und kann betrieben werden, um das Ventilglied
selektiv in wenigstens eine der geschlossenen und offenen Positionen
zu bewegen, um die Strömungsmittelöffnung zu schliessen
und zu öffnen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung schliesst ein Ventilsystem, so wie zum Beispiel
ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer
einen Ventilkörper
und eine Strömungsmittelkammer
ein, welche innerhalb des Ventilkörpers untergebracht ist. Die
Strömungsmittelkammer ist
angepasst, um mit einer Strömungsmittelquelle zum
Enthalten von Strömungsmittel
darin zu kommunizieren bzw. in Verbindung zu stehen. Die Strömungsmittelöffnung steht
in Verbindung mit der Strömungsmittelkammer.
Eine Steuerströmungsmittel-Kammer
ist innerhalb des Ventilkörpers
angebracht und ist angepasst, um mit einer Strömungsmittelquelle zum Enthalten
von Strömungsmittel
darin in Verbindung zu stehen. Die Steuerströmungsmittel-Kammer ist auch
angepasst, um selektiv mit einem Abfluss zum Ableiten von Strömungsmittel
von der Steuerströmungsmittel-Kammer
in Verbindung zu stehen. Ein Ventilglied ist innerhalb des Ventilkörpers montiert
und ist zwischen einer geschlossenen Position zum Schliessen der
Strömungsmittelöffnung und
einer offenen Position zum Öffnen
der Strömungsmittelöffnung beweglich.
Das Ventilglied bewegt sich zwischen den Öffnen-und-Schliessen-Positionen als Antwort
auf eine Differenz im Strömungsmitteldruck
in der Strömungsmittelkammer
und in der Steuerströmungsmittel-Kammer.
Ein Steuerventil ist innerhalb des Ventilkörpers montiert und kann betrieben
wer den, um sich zwischen einer geschlossenen Position zum Halten
bzw. Enthalten von Strömungsmittel
innerhalb der Steuerströmungsmittel-Kammer und
einer offenen Position zum Ableiten bzw. Abführen von der Steuerströmungsmittel-Kammer
zu bewegen. Ein vorbelasteter Biegebetätiger steht betriebsmäßig mit
dem Steuerventilglied in Eingriff und kann betrieben werden, um
das Steuerventilglied selektiv in wenigstens eine der geschlossenen
und offenen Positionen zu bewegen.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, zum
Einstellen einer Vorlast einer piezoelektrischen Einrichtung, welche
erste und zweite einander gegenüberliegende
Oberflächen
und eine periphere bzw. Umfangskante hat, welche sich zwischen diesen
erstreckt. Die Vorrichtung umfasste eine Festklemmeinrichtung, die
so konfiguriert ist, dass sie mit den ersten und zweiten einander
gegenüberliegenden
Oberflächen
der piezoelektrischen Einrichtung benachbart bzw. nahe der Umfangskante derselbigen
in Eingriff tritt bzw. steht. Die Festklemmeinrichtung kann betrieben
werden, um eine variable Festklemmkraft an die piezoelektrische
Einrichtung anzulegen. Eine Lasteinrichtung tritt betriebsmäßig mit
der Festklemmeinrichtung in Eingriff und kann betrieben werden,
um die angelegte Festklemmkraft zu variieren, um die Vorlast der
piezoelektrischen Einrichtung einzustellen.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ventilsystem, so wie zum
Beispiel ein Benzinanschlußeinspritzer
oder ein Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer einen Ventilkörper, welcher
einen Strömungsmitteleinlass
hat, der angepasst ist, um mit einer Strömungsmittelquelle in Verbindung
zu stehen und einen Strömungsmittelauslass,
um Strömungsmittel
abzulassen bzw. freizusetzen. Ein Strömungsmitteldurchlaß erstreckt
sich durch den Ventilkörper zwischen
dem Strömungsmitteleinlass
und dem Strömungsmittelauslass.
Ein Ventilglied ist wenigstens teilweise im Strömungsmitteldurchlaß montiert
und ist beweglich zwischen einer geschlossenen Position zum Schliessen
der Strömungsmittelöffnung und
einer offenen Position zum Öffnen
der Strömungsmittelöffnung.
Ein vorbelasteter Biegebetätiger
tritt betriebsmäßig mit
dem Ventilglied in Eingriff und kann betrieben werden, um das Ventilglied
selektiv in wenigstens eine der geschlossenen und offenen Positionen
bewegen, um die Strömungsmittelöffnung zu schliessen
und zu öffnen.
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Gemäß einem
weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Strömungsmittelzumessventil eine
Strömungsmittel-Reservoirkammer,
die angepasst ist, um mit einer Strömungsmittelquelle zum Enthalten
von Strömungsmittel
darin in Verbindung zu stehen. Ein Strömungsmittelauslass steht in
Verbindung mit der Strömungsmittel-Reservoirkammer.
Ein Kolbenglied ist zur selektiven Bewegung in der Strömungsmittel-Reservoirkammer
montiert und kann betrieben werden, um ein Strömungsmittelvolumen von der
Strömungsmittelöffnung bei
Bewegung des Kolbenglieds zum Strömungsmittelauslass hin, zuzumessen.
Ein vorbelasteter Biegebetätiger
tritt betriebsmäßig mit
dem Kolbenglied in Eingriff und kann betrieben werden, um das Kolbenglied
selektiv auf den Strömungsmittelauslass
zu zubewegen, um das Strömungsmittelvolumen
von der Strömungsmittelöffnung zuzumessen.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, umfasst ein Strömungsmittelzumessventil eine
Strömungsmittel-Reservoirkammer,
die angepasst ist, um mit einer Strömungsmittelquelle zum Enthalten
von Strömungsmittel
darin in Verbindung zu stehen. Ein Strömungsmittelauslass steht in
Verbindung mit der Strömungsmittel-Reservoirkammer.
Ein vorbelasteter Biegebetätiger
kann betrieben werden, um direkt auf das Strömungsmittel zu wirken, das
in der Strömungsmittel-Reservoirkammer
enthalten ist, sodass ein Strömungsmittelvolumen
vom Strömungsmittelauslass
bei Betätigung
des Biegebetätigers
zum Strömungsmittelauslass
hin zugemessen wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schliesst ein Strömungsmittelzumessventil einen
Einlass-Strömungsmitteldurchlaß ein, der
angepasst ist, um mit einer Strömungsmittelquelle
zum Tragen von Strömungsmittel
darin in Verbindung zu stehen. Ein Auslass-Strömungsmitteldurchlaß steht
in Verbindung mit dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß. Ein Ventilsitz
ist an einer Verbindung des Einlass-Strömungsmitteldurchlaßes und
des Auslass-Strömungmitteldurchlaßes angebracht
bzw. angeordnet. Ein Ventilglied ist montiert zur selektiven Bewegung
relativ zum Ventilsitz zwischen einer geschlossenen Position zum Schliessen
der Strömungsmittelverbindung zwischen
dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß und dem
Auslass-Strömungsmitteldurchlaß und einer
offenen Position zum Öffnen
der Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Strömungsmitteleinlass-Durchlaß und dem
Strömungsmittelauslass-Durchlaß, um ein
Strömungsmittelvolumen durch
den Auslass-Strömungsmitteldurchlaß zuzumessen.
Ein vorbelasteter Biegebetätiger
tritt betriebsmäßig mit
dem Ventilglied in Eingriff und kann betrieben werden, um das Ventilglied
selektiv in wenigstens eine der offenen und geschlossenen Positionen
zu bewegen.
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Gemäß noch einem
weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Strömungsmittelzumessventil einen
Einlass-Strömungsmitteldurchlaß, der angepasst
ist, um mit einer unter Druck stehenden bzw. gesetzten Strömungsmittelquelle
zum Tragen von unter Druck stehendem Strömungmittel darin in Verbindung
zu stehen. Ein Sensor kann betrieben werden, um einen Strömungsmitteldruck
in dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß zu detektieren
bzw. zu messen. Ein Auslass-Strömungsmitteldurchlaß steht
in Verbindung mit dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß. Ein Ventilsitz
ist an einer Verbindung des Einlass-Strömungsmitteldurchlaßes und
des Auslass-Strömungsmitteldurchlaßes angeordnet.
Ein Ventilglied ist montiert, zur selektiven Bewegung relativ zum
Ventilsitz zwischen einer geschlossenen Position zum Schliessen von
Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Einlass-Strömungmitteldurchlaß und dem
Auslass-Strömungsmitteldurchlaß und einer
offenen Position zum Öffnen
von Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß und dem
Auslass-Strömungsmitteldurchlaß, um einen
Strömungsmitteldruck
in dem Einlass-Strömungsmitteldurchlaß zu regulieren
bzw. zu regeln. Ein vorbelasteter Biegebetätiger tritt betriebsmäßig mit
dem Ventilglied in Eingriff und kann betrieben werden, um das Ventilglied
selektiv in wenigstens eine der offenen und geschlossenen Positionen
zu bewegen, als Antwort auf einen durch den Sensor gemessenen Strömungsmitteldruck
im Einlass-Strömungsmitteldurchlaß.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schliesste ein Ventilsystem eine Strömungsmittelkammer
und einen Strömungsmitteldurchlaß ein, der
mit der Strömungsmittelkammer
in Ver bindung steht. Eine Strömungsmittelapertur
bzw. Strömungsmittelöffnung bzw.
Strömungsmittelblende
ist an der Verbindung der Strömungsmittelkammer
und des Strömungsmitteldurchlaßes angeordnet.
Ein vorbelasteter Biegebetätiger
kann betrieben werden, um direkt auf die Strömungsmittelöffnung zu wirken, zwischen
einer geschlossenen Position zum Schliessen von Strömungsmittelverbindung
zwischen der Strömungsmittelkammer
und dem Strömungsmitteldurchlaß und einer
offenen Position zum Öffnen
von Strömungsmittelverbindung
zwischen der Strömungsmittelkammer und
dem Strömungsmitteldurchlaß.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen gewöhnlichen
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Ansicht ähnlich
zu 1, welche einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist
eine Ansicht ähnlich
zu 1, welche einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
eine Ansicht ähnlich
zu 1, welche einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
eine Ansicht ähnlich
zu 1, welche einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines elektrohydraulischen Betätigersystems
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7A und 7B sind
schematische Querschnittsansichten, welche den Betrieb eines Ausführungsbeispiels
eines elektrohydraulischen Betätigers
gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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8 ist
eine schematische Zeichnung bzw. Darstellung eines Ausführungsbeispiels
des Montierens eines vorbelasteten elektroaktiven Biegebetätigers,
der in den elektrohydraulischen Betätiger von 6 benutzt
wird;
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9 ist
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines vorbelasteten elektroaktiven
Biegebetätigers,
der in dem elektrohydraulischen Betätiger von 6 benutzt
wird;
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10 ist
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines vorbelasteten
elektroaktiven Biegebetätigers,
der in dem elektrohydraulischen Betätiger von 6 benutzt
wird;
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11 ist
eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines vorbelasteten elektroaktiven
Biegebetätigers,
der in dem elektrohydraulischen Betätiger von 6 benutzt
wird;
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12 ist
eine Diagrammansicht eines elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzersystems
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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13A und 13B sind
Querschnittsansichten des Kraftstoffeinspritzers, der in dem System von 12 benutzt
wird, welche die Zustände
der Komponenten innerhalb des Kraftstoffeinspritzers während einer
Voreinspritzungsphase eines Kraftstoffeinspritzzykluses zeigen;
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14A und 14B sind
Querschnittsansichten des Kraftstoffeinspritzers, der in dem System von 12 benutzt
wird, welche die Zustände
der Komponenten innerhalb des Kraftstoffeinspritzers während einer
Piloteinspritzungsphase eines Kraftstoffeinspritzzykluses zeigen;
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15A und 15B sind
Querschnittsansichten des Kraftstoffeinspritzers, der in dem System von 12 benutzt
wird, welche die Zustände
der Komponenten innerhalb des Kraftstoffeinspritzers während einer
Einspritzverzögerungsphase
eines Kraftstoffeinspritzzykluses zeigen;
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16 ist
eine Querschnittsansicht des Kraftstoffeinspritzers, der in dem
System von 12 benutzt wird, welche die
Zustände
der Komponenten innerhalb des Kraftstoffeinspritzers während einer Haupteinspritzphase
eines Kraftstoffeinspritzzykluses zeigen;
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17 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen Benzinanschlußeinspritzer
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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18 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die einen Benzinanschlußeinspritzer
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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19 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines vorbelasteten,
elektroaktiven Biegebetätigers,
der in dem Benzinanschlußeinspritzer
von 18 benutzt wird;
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20 ist
eine schematische Ansicht, die ein Strömungsmittelzumessventil in
Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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21 ist
eine schematische Ansicht, die ein Strömungsmittelzumessventil in
Verbindung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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22 ist
eine schematische Ansicht; die ein Strömungsmittelzumessventil in
Verbindung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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23 ist
eine schematische Ansicht, die ein Strömungsmittelzumessventil in
Verbindung mit einem vierten. Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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24 ist
eine schematische Ansicht, die ein Abblas- bzw. Überdruckventil oder ein Reduzierventil gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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25 ist
eine schematische Ansicht, die ein Direktventil gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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26 ist
eine schematische Ansicht, die einen Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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27 ist
eine schematische Ansicht, die einen Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen bzw. Figuren und insbesondere auf 1 ist
ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer 100a gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Kraftstoffeinspritzer 100a schliesst
einen Ventilkörper 102 ein,
welcher eine Hochdruck-Strömungsmittelschiene
bzw. -Leitung 104 hat, welche sich durch den Körper 102 erstreckt,
die mit einer Strömungsmittelkammer 106 in
Verbindung steht, welche in der Einspritzerspitze 108 gebildet
ist. Ein langgezogenes Nadelventil 110 ist so montiert,
dass es sich axial durch den Ventilkörper 102 erstreckt
und schliesst eine Ventilspitze 112 ein, welche normalerweise
in einem Ventilsitz 114 sitzt, um Strömungsmittelöffnungen 116 zu schliessen,
welche am entfernten Ende der Einspritzerspitze 108 gebildet
sind. Das Nadelventil 110 ist durch ein Vorspannelement,
so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 118,
welche auf einem ringförmigen Flansch 120 wirkt,
welcher sich radial auswärts
vom Nadelventil 110 erstreckt, in die geschlossenen Position
vorgespannt. Das Nadelventil 110 ist für vorwärts und rückwärts Bewegung innerhalb des
Ventilkörpers 102 zum
selektiven Öffnen
und Schliessen der Öffnungen 116 montiert,
sodass Kraftstoff in eine Motor- bzw. Maschinenverbrennungskammer
oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) eingespritzt
werden kann.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wie in 1 gezeigt,
ist das Nadelventil 110 mit wenigstens einer piezoelektrischen Einrichtung 122 verbunden,
so wie zum Beispiel einem vorbelasteten elektroaktiven Biegebetätiger, welcher
thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorbelastet sein kann,
der seine Form durch deformieren in entgegengesetzte axiale Richtungen
als Antwort auf ein Steuersignal ändert, welches durch ein elektronisches
Steuermodul (electronic control module) ECM (nicht gezeigt) angelegt
wird. Das Steuersignal kann ein Spannungssignal sein, welches durch
das ECM an die Biegebetätiger 122 durch ein
Paar von elektrischen Leitungen (nicht gezeigt) angelegt wird. Alternativ
kann der Biegebetätiger 122 durch
ein Stromsteuersignal gesteuert werden, wie im Gebiet bekannt ist.
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Der
Biegebetätiger 122 hat
vorzugsweise eine zylindrische oder Scheiben-Konfiguration und schliesst
wenigstens eine elektroaktive Schicht (nicht gezeigt) ein, welche
zwischen einem Paar von Elektroden (nicht gezeigt) positioniert
ist, obwohl ebenso andere Konfigurationen möglich sind, ohne vom Geist
und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einem
ausgeschalteten oder statischen Zustand ist der Biegebetätiger 122 vorzugsweise
so vorbelastet, dass er eine kuppelförmige bzw. kuppelartige Konfiguration
hat, wie in 1 gezeigt. Wenn die Elektroden
(nicht gezeigt) des Biegebetätigers 122 eingeschaltet
werden, um den Biegebetätiger 122 in
einen betätigten
Zustand zu versetzen, so wie zum Beispiel wenn ein Spannungs- oder Stromsteuersignal
durch das ECM (nicht gezeigt) angelegt wird, verschiebt sich der
Biegebetätiger 122 axial,
indem er sich aus der kuppelförmigen
Konfiguration abflacht. Insbesondere verschiebt sich der Biegebetätiger 122 axial,
das heisst er flacht sich ab in einer Richtung, wenn er ausgelöst wird,
als Antwort auf ein Steuersignal einer Polarität. In einem ausgeschalteten
Zustand, oder als Antwort auf ein Steuersignal einer entgegengesetzten
Polarität,
verschiebt sich der Biegebetätiger 122 axial,
d. h. er kehrt in einer umgekehrten Richtung in seine kuppelförmige Konfiguration
zurück.
Das angelegte Steuersignal kann sogar bewirken, dass sich der Biegebetätiger 122 in
einem größeren Ausmass
kuppelartig formt über
seine statische kuppelförmige
Konfiguration hinaus. Der Biegebetätiger 122 ist daher
in seinem Betrieb bi-direktional. Der Biegebetätiger 122 kann ein Aktuator
vom Modell TH-5-C sein, der kommerziell erhältlich ist von Face International,
Inc. of Norfolk, Virginia. Andere Biegebetätiger können ebenfalls benutzt werden.
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Der
Biegebetätiger 122 kann
eine Vielzahl von Biegebetätigern
(welche parallel oder in Reihe konfiguriert sind) aufweisen, welche
individuell gestapelt oder miteinander in ein einzelnes vielschichtiges Element
verbunden sind. Obwohl sie nicht gezeigt sind, werden gewöhnliche
Fachleute erkennen, dass mehrere Biegebetätiger 122 parallel
innerhalb des Ventilkörpers 102 montiert
sein können,
um die Kraft zu erhöhen,
die durch die Biegebetätiger 122 auf
das Nadelventil 110 als Antwort auf ein Steuersignal ausgeübt wird
bzw. angelegt wird, welches durch das ECM (nicht gezeigt) angelegt
wird. Alternativ können die
Biegebetätiger 122 in
Reihe montiert sein, um den Hub des Nadelventils 110 bei
axialer Verschiebung des Biegebetätigers 122 als Antwort
auf das Steuersignal zu erhöhen.
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Der
Biegebetätiger 122 ist
innerhalb des Ventilkörpers 102 durch
einen Festklemm- und Lastringaufbau montiert, der schematisch bei 124 gezeigt
ist. Die Struktur und der Betrieb des Festklemm- und Lastringaufbaus 124 werden
unten im Detail in Verbindung mit den 7A, 7B, 8 und 11 beschrieben.
Kurz gesagt schliesst der Aufbau 124 obere und untere Festklemmringe
(nicht gezeigt) ein, welche den Biegebetätiger 122 an seiner Umfangskante
zwischen dem Paar von Festklemmringen tragen bzw. halten. Ein Lastring 126 des
Aufbaus 124 wird benutzt, um den Biegebetätiger 122 vorzubelasten
bzw. vorzuspannen auf eine vorbestimmte Federkonstante und/oder
eine axiale Verschiebung durch Einstellen der Festklemmkraft, welche
durch das Paar von Festklemmringen (nicht gezeigt) an den Biegebetätiger 122 angelegt
wird. Erhöhen
der Festklemmkraft auf den Biegebetätiger 122 reduziert
eine axiale Verschiebung des Biegebetätigers 122 zu einem
Kontrollsignal von vorbestimmter Grösse. Dem entgegengesetzt reduziert
Absenken der Festklemmkraft in einer grösseren axialen Verschiebung
des Biegebetätigers 122 zu
dem Kontrollsignal von vorbestimmter Grösse.
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Wie
in 1 gezeigt ist das Nadelventil 110 mit
dem Biegebetätiger 122 verbunden,
sodass sich das Nadelventil 110 axial innerhalb des Ventilkörpers 102 bewegen
wird, bei axialer Verschiebung des Biegebetätigers 122 von der
kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 1 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte
Position (nicht gezeigt). In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist das Nadelventil 110 oder wenigstens ein Teil
davon, der dem Biegebetätiger 122 benachbart
ist, vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material
hergestellt, so wie zum Beispiel Zirkon. Wie man erkennt kann das
Nadelventil 110 aus anderen elektrisch isolierenden Materialien
hergestellt sein, die den Fachleuten bekannt sind. Alternativ dazu
kann das Ende des Nadelventils 110, dass dem Biegebetätiger 122 benachbart
ist so konstruiert sein, dass es ein elektrisch nicht leitendes
Ende hat.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird die Verbindung des Nadelventils 110 mit dem Biegebetätiger 122 erreicht,
indem ein Loch (nicht gezeigt) nahe der Mitte des Biegebetätigers 122 gebildet
wird. Eine elektrisch nicht leitende Hülse bzw. Manschette (nicht
gezeigt), welche einen elektrisch nicht leitenden ringförmigen Flansch 128 hat,
wird durch das Loch (nicht gezeigt) eingeführt, sodass der Flansch 128 eine
Hauptoberfläche 130 des
Biegebetätigers 122 kontaktiert.
Eine elektrisch nicht leitende Beilagscheibe 132 ist in
Kontakt mit einer gegenüberliegenden
Hauptoberfläche 134 des
Biegebetätigers 122 montiert.
Ein elektrisch nicht leitender Befestiger 136, so wie zum
Beispiel eine Schraube, wird durch die nicht leitende Hülse (nicht gezeigt)
eingeführt,
und schrauben- bzw. gewindemäßig mit
einem Ende des Nadelventils 110 in Eingriff gebracht. Alternativ
kann ein elektrisch nicht leitender Befestiger 136 direkt durch
das Loch (nicht gezeigt) in den Biegebetätiger 122 eingeführt werden,
um sich schraubenmäßig mit einem
Ende des Nadelventils zu verbinden. Wie man erkennt, kann anstatt
der Benutzung eines Befestigers 136 das Ende des Nadelventils 110 durch
adhäsive
Mittel bzw. Klebemittel durch verbinden oder Anbringung durch andere
Mittel auf feste Weise mit dem Biegebetätiger 122 verbunden
sein. Wenn der Biegebetätiger 122 auf
feste Weise mit dem Nadelventil 110 verbunden ist, ist
der Biegebetätiger 122 in
der Lage, das Nadelventil 110 mit dem bi-direktionalen Betrieb
des Biegebetätigers 122 bi-direktional
zu bewegen. Obwohl es nicht gezeigt ist erkennt man, dass das Nadelventil 110 nicht
auf feste Weise mit dem Biegebetätiger 122 verbunden
sein muss. Statt dessen tritt ein Ende des Nadelventils 110 entfernt bzw.
weit weg von der Ventilspitze 112 mit der Hauptoberfläche 134 des
Biegebetätigers 122 in
Eingriff, sodass sich das Nadelventil 110 bei axialer Verschiebung
des Biegebetätigers 122 von
der kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 1 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte Position
(nicht gezeigt) axial innerhalb des Ventilkörpers 102 bewegen
wird.
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Im
Betrieb des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100a spannt
die Rückstellfeder 118 das
Nadelventil 110 in eine geschlossene Position vor, sodass
die Ventilspitze 112 im Ventilsitz 114 sitzt,
um die Öffnungen 116 zu
verschließen.
Kraftstoff wird durch die Hochdruckleitung 104 unter Druck
zur Strömungsmittelkammer 106 geliefert.
Während
eines Einspritzzyklus legt das ECM (nicht gezeigt) ein Steuersignal
an den Biegebetätiger 122 an,
das bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 122 verformt
oder axial verschiebt, indem er sich abflacht. Da der Biegebetätiger 122 als
Antwort auf das Steuersignal abflacht, hebt sich das Nadelventil 110 mittels
seiner festen Verbindung zum Biegebetätiger 122 vom Ventilsitz 114 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 118 ab,
um die Öffnungen 116 für ein Einspritzen
von Kraftstoff zu öffnen.
Nachdem der Einspritzzyklus komplett ist, wird das Steuersignal
entweder unterbrochen, oder die Polarität des Steuersignals wird umgekehrt,
um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 122 in seine kuppelförmige Konfiguration
wie in 1 gezeigt, zurückkehrt.
Die Rückstellfeder 118 unterstützt beim Zurück setzen
bzw. Zurückbringen
des Nadelventils 110 in seine geschlossene Position in
Kontakt mit dem Ventilsitz 114, um die Öffnungen 116 zu versiegeln.
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Bezugnehmend
auf 2 wird nun ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer 100b gemäß einem
alternativen zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wo gleiche Ziffern gleiche Teil
des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100a aus 1 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Rückstellfeder 118 eliminiert,
sodass der bi-direktionale Betrieb des Biegebetätigers 122 benutzt
wird, um das Nadelventil 110 sowohl in seine offenen und
seine geschlossenen Positionen zu bewegen. Die Federrate des Biegebetätigers 122 kann durch
den Festklemm- und Lastringaufbau 124 eingestellt werden,
um das Nadelventil 110 gegen den Ventilsitz 114 vorzubelasten.
Alternativ dazu kann die Federrate des Biegebetätigers 122 gesteuert
werden, durch das Material und/oder die Dickenauswahl des Biegebetätigers 122.
Während
eines Einspritzzyklusses wird der Biegebetätiger 122 eingeschaltet, um
das Nadelventil 110, wie oben im Detail beschrieben, in
seine offene Position zu bewegen. Nachdem der Einspritzzyklus komplett
ist, wird die Polarität
des Steuersignals vorzugsweise umgekehrt, um zu bewirken, dass der
Biegebetätiger 122 in
seine kuppelförmige
Konfiguration zurückkehrt,
wie in 2 gezeigt, und dabei das Nadelventil 110 in
seine geschlossene Position in Kontakt mit dem Ventilsitz 114 zurückbringt,
um die Öffnungen 116 zu
versiegeln.
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Bezugnehmend
auf 3 ist nun ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer 100c gemäß einem
alternativen, dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wo gleiche Zahlen gleiche Teile
des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100a von 1 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel schliesst
der Kraftstoffeinspritzer 100c eine Hochdruck-Strömungsmittelleitung 104 ein,
welche sich durch den Ventilkörper 102 erstreckt,
welche mit der Strömungsmittelkammer 106 in
Verbindung steht, die in der Einspritzerspitze 108 gebildet
ist. Ein sich auswärts öffnendes
langgestrecktes Kontroll- bzw. Absperrventil (check valve) 138 ist
so montiert, dass es sich axial durch den Ventilkörper 102 erstreckt
und schliesst einen abschliessenden Kopf 140 ein, der normalerweise
in einem konisch geformten Ventilsitz 142 sitzt, um eine
Strömungsmittelöffnung 144 zu schliessen,
die am entfernten Ende der Einspritzerspitze 108 gebildet
ist. Das Absperrventil 138 ist durch ein Vorspannelement,
so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 146,
welche auf einen ringförmigen Flansch 148 wirkt,
der sich radial auswärts
vom Absperrventil 138 erstreckt, in die geschlossene Position
vorgespannt. Das Absperrventil 138 ist für Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
bzw. Hin- und Herbewegung innerhalb des Ventilkörpers 102 zum selektiven Öffnen und
Schliessen der Öffnung 144 montiert,
sodass Kraftstoff in eine Motor- bzw. Maschinenverbrennungskammer
oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) eingespritzt werden
kann.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
tritt ein Ende des Absperrventils 138 entfernt vom Abschlusskopf 140 mit
wenigstens einem Biegebetätiger 122 in
Eingriff. Das Absperrventil 138 tritt mit dem Biegebetätiger 122 in
Eingriff, sodass sich das Absperrventil 138 bei axialer
Verschiebung des Biegebetätigers 122 von
der kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 3 gezeigt ist, in eine abgeflachte oder
betätigte
Position (nicht gezeigt) axial bewegen wird.
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Beim
Betrieb des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100c spannt
die Rückstellfeder 146 das sich
auswärts öffnende
Absperrventil 138 in eine geschlossene Position vor, sodass
der abschliessende Kopf 140 im konisch geformten Ventilsitz 142 sitzt, um
die Öffnung 144 zu
verschließen
Kraftstoff wird durch die Hochdruckleitung 104 unter Druck
zur Kraftstoffkammer 106 geliefert. Während eines Einspritzzyklusses
legt das ECM (nicht gezeigt) ein Steuersignal an den Biegebetätiger 122 an,
welches bewirkt, dass der Biegebetätiger 122 sich axial
verformt oder verschiebt, indem er sich abflacht. Da sich der Biegebetätiger 122 als
Antwort auf das Steuersignal abflacht, wird das Absperrventil 138 vermittels seines
in Eingriff stehens mit dem Biegebetätiger 122 von dem
konisch geformten Ventilsitz 142 gegen die Kraft der Rückstellfeder 146 weggestossen,
um die Öffnung 144 für eine Einspritzung
von Kraftstoff zu öffnen.
Nachdem der Einspritzzyklus komplett ist, wird das Steuersignal
entweder unterbrochen, oder die Polarität des Steuersignals wird umgekehrt,
um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 122 in seine kuppelförmige Konfiguration,
wie in 3 gezeigt, zurückkehrt.
Die Rückstellfeder 146 unterstützt beim Zurückbringen
des Absperrventils 138 in seine geschlossenen Position,
sodass der abschliessende Kopf 140 mit dem konisch geformten
Ventilsitz 142 in Eingriff tritt, um die Öffnung 144 zu
versiegeln.
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Bezugnehmend
auf 4 wird nun ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer gemäß einem
alternativen, vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Ziffern gleiche
Teile des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100c aus 3 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel ist
das langgestreckte Absperrventil 138 auf feste Weise mit
dem Biegebetätiger
verbunden, wie oben im Detail in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde, sodass der bi-direktionale Betrieb des Biegebetätigers 122 benutzt
wird, um das Absperrventil 138 sowohl in seine offenen
als auch seine geschlossenen Positionen zu bewegen. Die feste Verbindung
des Absperrventils 138 mit dem Biegebetätiger 122 erlaubt
es, dass die Rückstellfeder 146 eliminiert
wird, sodass der Biegebetätiger 122 die
notwendige Kraft vorsieht, um das Absperrventil 138 in
seine geschlossene Position zurückzubringen.
Wie oben im Detail beschrieben, wird die Federrate des Biegebetätigers eingestellt,
durch den Festklemm- und Lastringaufbau 124, um das Absperrventil 138 gegen
den konisch geformten Ventilsitz 142 vorzubelasten.
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Bezugnehmend
auf 5 wird nun ein Kraftstoffeinspritzer 100e gemäß einem
alternativen, fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wo gleiche Zahlen gleiche Teile
des Commen-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100a aus 1 repräsentieren.
Der Kraftstoffeinspritzer 100e schliesst einen Ventilkörper 150 ein,
welcher eine Hochdruck-Strömungsmittelschiene 152 hat,
die sich durch den Körper 150 erstreckt,
die mit einer Strömungsmittel-Kammer 154 in
Verbindung steht, die in der Einspritzerspitze 108 gebildet
ist und mit einer Steuerströmungsmittel-Kammer 156,
die im Ventilkörper 150 gebildet
ist. Ein Nadelventil 158 ist so montiert, dass es sich
axial durch den Ventilkörper 150 erstreckt
und schliesst eine Ventilspitze 160 ein, welche normalerweise
in einem Ventilsitz 162 sitzt, um Strömungsmittelöffnungen 164 zu verschliessen, die
am entfernten Ende der Einspritzerspitze 108 gebildet sind.
Das Nadelventil 158 ist durch ein Vorspannelement, so wie
zum Beispiel durch eine Rückstellfeder 166,
die auf einem Kopf 168 des Nadelventils 158 wirkt,
in die geschlossene Position vorgespannt. Das Nadelventil 158 ist
für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung
innerhalb des Ventilkörpers 150 montiert,
zum selektiven Öffnen
und Schliessen der Öffnungen 164,
sodass Kraftstoff in eine Motorverbrennungskammer oder einen Zylinder
eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) eingespritzt werden kann.
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Das
Hochdruckströmungsmittel,
das zur Steuerkammer 156 überhalb des Ventils 158 und
zur Strömungsmittelkammer 154 in
der Einspritzerspitze 108 geliefert wird, erzeugt ein Kraftgleichgewicht
zusammen mit der Rückstellfeder 166.
Das Hochdruckströmungsmittel
wird durch ein Steuerventil 170, das die Steuerkammer 156 gegen
einen Abfluss 171 versiegelt, in der Steuerkammer 156 zurückgehalten. Das
Steuerventil 170 wird durch ein vorspannendes Element,
so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 174,
die auf einem abschliessenden Kopf 176 des Steuerventils 170 wirkt,
gegen den Ventilsitz 172 in eine geschlossene Position
vorgespannt. Das Steuerventil 170 ist für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung innerhalb des Ventilkörpers 150 montiert,
zum selektiven Öffnen
und Schliessen eines Strömungsmitteldurchlaßes von
der Steuerkammer 156 zum Abfluss 171.
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Weiterhin
steht mit Bezug auf 5 ein Ende des Steuerventils 170 entfernt
vom abschliessenden Kopf 176 mit wenigstens einem Biegebetätiger 122 in
Eingriff. Das Steuerventil 170 steht mit dem Biegebetätiger 122 in
Eingriff, sodass sich das Steuerventil 170 bei axialer
Verschiebung des Biegebetätigers 122 von
der kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 5 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte
Position (nicht gezeigt), axial innerhalb des Ventilkörpers 150 bewegen
wird. Im Betrieb des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers 100e spannt
die Rückstellfeder 174 das
Steuerventil 170 in eine geschlossene Position vor, sodass
der abschliessende Kopf 176 auf dem Ventilsitz 172 sitzt bzw.
dagegen lehnt, um den Strömungsmitteldurchlaß von der
Strömungsmittel-Kammer 156 zum
Abfluss 171 zu schliessen. Kraftstoff wird unter Druck von
der Hochdruckleitung 152 zur Strömungsmittelkammer 154 und
zur Streuerkammer 156 geliefert, um zusammen mit der Rückstellfeder 156 ein
Kraftgleichgewicht zu erzeugen.
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Um
ein Einspritzen von Kraftstoff von den Öffnungen 164 einzuleiten,
legt das ECM (nicht gezeigt) ein Steuersignal an den Biegebetätiger 122, welches
bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 122 axial
verformt oder verscheibt, indem er sich abflacht. Wenn sich der
Biegebetätiger 122 als
Antwort auf das Steuersignal abflacht, wird das Steuerventil 170 vermittels
seines in Eingriff stehens mit dem Biegebetätiger 122 vom Ventilsitz 172 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 174 weggestossen,
um die Steuerkammer 156 zum Abfluß 171 zu öffnen. Dies
resultiert darin, dass ein Druckdifferential bzw eine Druckdifferenz
erzeugt wird, welche das Nadelventil 158 vom Ventilsitz 162 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 156 abhebt
und dabei die Öffnungen 164 für ein Einspritzen
von Kraftstoff öffnet.
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Nachdem
der Einspritzzyklus komplett ist, wird das Steuersignal entweder
beendet, oder die Polarität
des Steuersignals wird umgekehrt, um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 122 in
seine kuppelförmige
Konfiguration, wie in 5 gezeigt, zurückkehrt.
Die Rückstellfeder 174 unterstützt beim Zurückbringen
des Steuerventils 170 in seine geschlossene Position, so
dass der Abschliessende Kopf 176 mit dem Ventilsitz 172 in
Eingriff trittum den Strömungsmitteldurchlaß von der
Steuerkammer 156 zum Abfluß 171 zu versiegeln.
Hochdruck wird für
die Steuerkammer 156 wiederhergestellt, um zusammen mit
der Rückstellfeder 156 ein
Kraftgleichgewicht zu erzeugen, wie oben im Detail beschrieben wurde. Dies
resultiert darin, dass sich das Nadelventil 158 gegen den
Ventilsitz 162 in die geschlossene Position bewegt, um
die Öffnungen 164 zu
verschliessen. Obwohl es nicht gezeigt ist, erkennen gewöhnliche Fachleute,
dass mehrere Biegebetätiger 122 parallel innerhalb
des Ventilkörpers 150 montiert
sein können,
um die Kraft zu erhöhen,
die durch den Biegebetätiger 122 an
das Steuerventil 170 als Antwort auf ein Steuersignal angelegt
wird, welches durch das ECM (nicht gezeigt) angelegt wird. Zusätzlich wird man,
obwohl es nicht gezeigt ist, erkennen, dass das zweite Steuerventil 170 auf
feste Weise mit dem Biegebetätiger 122 verbunden
sein kann, so dass die Rückstellfeder 174 eliminiert
wird. In diesem Ausführungsbeispiel
wird der bi-direktionale Betrieb des Biegebetätigers 122 benutzt,
um das Steuerventil 170 sowohl in seine offenen als auch
seine geschlossenen Positionen zu bewegen, und dabei den Betrieb des
Nadelventils 158 wie oben im Detail beschrieben zu steuern.
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Mit
Bezug auf 6 weist ein elektrohydraulischer
Betätiger 310 ein
hydraulisches Ventil 314 und einen elektromechanischen
Betätiger 312 auf,
so wie zum Beispiel einen vorbelasteten elektroaktiven Biegebetätiger, welcher
Beispielsweise thermich, mechanisch oder auf andere Weise vorbelastet
sein kann. Der elektrohydraulische Betätiger 310 empfängt bzw.
nimmt unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel aus einer Strömungsmittelquelle 335 auf
und der elektrohydraulische Betätiger 310 ist strömungmittelmäßig mit
einer Einrichtung 315, so wie zum Beispiel einem hydraulischen
Ventil 314 verbunden und steuert den Betrieb desselben.
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Im
allgemeinen sieht eine elektrische Steuereinheit 328, so
wie zum Beispiel eine elektronisches Steuermodul (electronic control
module)(ECM), um die Einrichtung 315 zu steuern, ein Steuersignal
für den
Biegebetätiger 312 vor,
welches bewirkt, dass der Biegebetätiger 312 aus einem
ersten in einen zweiten Betriebszustand umschaltet. Das hydraulische
Ventil 314 schaltet von einem ersten in einen zweiten Betriebszustand
um, als eine Funktion einer Änderung
des Zustandes des Biegebetätigers 312. Die
Einrichtung 315 schaltet aus einem ersten in einen zweiten
Betriebszustand um, als eine Funktion einer Änderung des Zustandes des hydraulischen Ventils 314.
Die bi-direktional Fähigkeit
des Biegebetätigers 312 wird
benutzt, um das hydraulische Ventil 314 und die Vorrichtung 315 aus
ihren jeweiligen zweiten Zuständen
in ihre jeweiligen ersten Zustände umzuschalten
bzw. zurückzubringen.
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Gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung weist bezugnehmend auf 7A der
Biegebetätiger 312 einen
vorbelasteten, elektroaktiven Biegebetätiger auf, der thermisch, mechanisch
oder auf andere Weise vorbelastet sein kann, der seine Form als
Antwort auf ein Steuersignal, welches vom ECM 328 angelegt
wird, verändert,
indem er sich in entgegengesetzte axiale Richtungen verformt. Das Steuersignal
kann ein Spannungssignal sein, welches vom ECM 328 durch
elektrische Leiter an den Biegebetätiger 323 angelegt
wird. Der Biegebetätiger 312 hat
normalerweise eine kreis- oder scheibenförmige Konfiguration und schließt wenigstens
eine elektroaktive Schicht (nicht gezeigt) ein, welche zwischen
einem Paar von Elektroden (nicht gezeigt) positioniert ist, obwohl
ebenso andere Konfigurationen möglich
sind, ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In einem nicht-betätigten
oder statischen Zustand ist der Biegebetätiger so vorbelastet, dass
er eine kuppelförmige
Konfiguration hat, wie in 7A gezeigt.
Wenn die Elektroden eingeschaltet werden, um den Biegebetätiger 312 in
eine betätigten
Zustand zu versetzen, verschiebt sich der Biegebetätiger 312 axial
in eine weniger kuppelförmige
Konfiguration wie in 7B gezeigt. Der Biegebetätiger 312 kann
vom Modell TH-5C sein, welches kommerziell erhält lich ist, von Face International,
Inc. of Norfolk, Virginia. Andere passende Betätiger können ebenfalls benutzt werden.
Ein oder mehrere Biegebetätiger 312 können eine
Vielzahl von Biegebetätigern
(die parallel oder in Reihe angeordnet bzw. konfiguriert sind) aufweisen,
die individuell gestapelt sind, oder zusammen in ein einzelnes mehrschichtiges
Element verbunden sind.
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Der
Biegebetätiger 312 ist
innerhalb einer Aushöhlung 318 innerhalb
des Gehäuses 316 untergebracht
und wird an seiner Umfangskante 320 jeweils zwischen oberen
und unteren Festklemmringen 322, 324 getragen
bzw. gehalten. Die Festklemmringe sind normalerweise hergestellt
aus einem steifen, elektrisch nichtleitenden Material. Der untere
Festklemmring ist im Allgemeinen von L-förmigem Querschnitt und hat
eine im Allgemeinen zylindrische innere Seitenoberfläche 321,
welche die Umfangskante 320 des Biegebetätigers 312 anordnet,
bzw. lokalisiert. Der untere Festklemmring 322 hat eine
ringförmige
Trageoberfläche 323,
welche eine Seite des Biegebetätigers 312 um
seine periphere Umfangskante 320 trägt. Der obere Festklemmring 324 ist auch
im Allgemeinen von L-förmigem
Querschnitt und hat eine Lageroberfläche 325, welche eine
entgegengesetzte Seite des Biegebetätigers 312 um seine
periphere Umfangskante herum kontaktiert.
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Ein
Lastring 326, der gewindemäßig mit dem Gehäuse in Eingriff
steht, wird benutzt, um den Biegebetätiger 3i2 mit einer
Festklemmkraft vorzubelasten. Wenn der Lastring 326 festgezogen
und gelockert wird, wird die Festklemmkraft auf der Umfangskante 320 des
Biegebetätigers 312 über den
oberen Festklemmring jeweils erhöht
bzw. erniedrigt. Erhöhen
der Festklemmkraft auf den Biegebetätiger 312 reduziert
eine axiale Verschiebung des Biegebetätigers 312 als Antwort
auf eine gegebene Steuersignalgröße. Dementgegengesetzt
führt ein
erniedrigen der Festklemmkraft zu einer größeren axialen Verschiebung.
Im Ausführungsbeispiel
von 7A legt der Lastring 326 eine Festklemmkraft
um die gesamte Umfangskante 320 des Biegebetätigers 312 herum
an. Wie man erkennt, kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel
die Lageroberfläche
des oberen Festklemmrings 324 an unterschiedlichen Stellen
um ihren Umfang herum eingekerbt oder ausgeschnitten sein. Daher
wird auf die Teile der Umfangskante 320 des Biegebetätigers 312,
die den Ausschneidungen in der Lageroberfläche des oberen Festklemmrings 324 direkt
gegenüber
liegen, keine Festklemmkraft direkt ausgeübt. Alternativ kann eine statische
Last an den Biegebetätiger 312 angelegt
werden, wenn der elektrohydraulische Betätiger 310 zusammengeschraubt
wird, so das der Lastring 326 gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht gewindemäßig mit
dem Gehäuse 316 in
Eingriff steht.
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Das
hydraulische Ventil 314 setzt sich zusammen aus einem beweglichen
Ventilelement 330, sowie zum Beispiel einem Teller, das
in einer Aushöhlung 332 eines
Ventilkörpers 334 untergebracht ist,
auf welchem das Gehäuse 316 montiert
ist. Das hydraulische Ventil 314 aus 2A ist
ein Drei-Wege – Zwei-Positions – Ventil.
Wie man erkennt können andere,
vergleichbar funktionierende Ventile anstelle des Tellers bzw. des
Tellerventil 330 benutzt werden. Hydraulikströmungsmittel
wird aus einer Quelle von unter Druck stehendem Strömungsmittel 335 über einen
Lieferdurchlaß 336 vorgesehen,
der die Aushöhlung 332 schneidet.
Hydraulikströmungsmittel
wird in die Strömungsmittelquelle 335 über den
Abflußdurchlaß 338 zurückgebracht
bzw. zurückgeführt, der die
Aushöhlung 332 ebenfalls
schneidet. Betrieb des hydraulischen Ventils 314 verbindet
entweder den Lieferdurchlaß 336 oder
den Abflußdurchlaß 338 mit einem
Steuerdurchlaß 340.
Wie man erkennt ist die zweidimensionale Darstellung der Durchlässe 336, 338, 340 in 2A schematischer Natur. Oft wird das hydraulische
Ventil 314 yo hergestellt, dass die Durchlässe 336, 338 und 340 die
Aushöhlung 332 bei unterschiedlichen
umfangsmäßigen Orten
der Aushöhlung 332 schneiden.
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In A ist der Biegebetätiger 7A in seiner kuppelförmigen,
nicht betätigten,
ruhigen Position, das heisst, in seinem vorbelasteten, mechanischen Zustand
gezeigt; und der Teller 330 ist in seiner ersten Position
gezeigt. Der Biegebetätiger 312 arbeitet als
Antwort darauf, dass das ECM 328 Befehlssignale in Form
von Vorspann-Spannungen unterschiedlicher Polaritäten und
Größen liefert.
Der nicht-betätigte
Zustand des Biegebetätigers 312 wird
als Antwort darauf erreicht, dass das ECM 328 ein erstes
Befehlssignal für
den Biegebetätiger 312 vorsieht,
so wie zum Beispiel eine DC- bzw. Gleichspannungs- Vorspann-Spannung
einer ersten Polarität.
Wenn er in diesem Zustand ist, wird ein Mittenteil 342 des
Biegebetätigers 312 vertikal
aufwärts
in eine gebogene oder kuppelförmige
Position verschoben. Ein betätigender
Stift oder Teil 344 des Tellers 330 wird mechanisch
durch ein Vor spannelement, so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 346,
gegen eine untere Seite des Mittenteils 342 des Biegebetätigers 312 vorgespannt.
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Der
betätigende
Stift 344 wird normalerweise aus einem elektrisch nichtleitenden
Material, so wie zum Beispiel Zirkon hergestellt. Wie man erkennt kann
der betätigende
Stift aus anderen elektrisch isolierenden Materialien, die den Fachleuten
bekannt sind, hergestellt werden. Alternativ kann das Ende des betätigenden
Stifts 344, das in Kontakt mit dem Biegebetätiger 312 ist,
so konstruiert sein, dass es eine elektrisch nichtleitende Spitze
hat.
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In
einer ersten Position hat der Teller 330 ein erstes ringförmiges Versiegelungsgebiet 348,
welches von einem unteren, ringförmigen
Ventilsitz 350 auf dem Ventilkörper 334 getrennt
bzw. separiert ist. Daher wird unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel
freigesetzt, um vom Lieferdurchlaß 336 in den Steuerdurchlaß 340 zu
fließen.
Wenn er in der ersten Position ist, hat der Teller 330 ein
zweites ringförmiges
Versiegelungsgebiet 352, welches mit einem ringförmigen oberen
Sitz in Eingriff steht, wobei es den Fluß von Hydraulikströmungsmittel
vom Steuerdurchlaß 340 zum
Abflußdurchlaß 338 blockiert.
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Wenn
es erwünscht
ist, das hydraulische Ventil 314 zu betreiben oder seinen
Zustand zu ändern,
sieht das ECM 328 ein zweites Befehlssignal für den Biegebetätiger 312 vor,
so wie zum Beispiel eine erste DC-Vorspann-Spannung von einer unterschiedlichen
Polarität
gegenüber
dem ersten Befehlssignal. Das zweite Befehlssignal bewirkt, dass sich
der Biegebetätiger 312 in
einer im Wesentlichen vertikalen Abwärtsrichtung in eine weniger
kuppelförmige
oder leicht kuppelförmige
Position bewegt. Die Abwärtsbewegung
des Biegebetätigers 312 überwindet
die Vorspannkraft der Rückstellfeder 346,
wenn sich der Biegebetätiger 312 in
seine betätigte,
zweite Position, wie in 7b gezeigt,
bewegt. Es sollte festgehalten werden, dass, wenn das erste Befehlssignal
entfernt wird, der Biegebetätiger 312 vorübergehend
in der Position, die in 7b illustriert
ist, verbleiben wird, bis sich seine Ladung hinreichend durch Lecks
bzw. Leckströme
abbaut. Daher wird wesentlich weniger Leistung erfordert, um den
Biegebetätiger 312 aufrecht
zu erhalten, als bei anderen Betätigern
so wie zum Beispiel einem Magneten.
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Abwärtsbewegung
des Biegebetätigers 312 stösst bzw.
drückt
den Betätigerteil 342 und
den Teller 330 abwärts
in seine zweite Position. Wenn der Teller 330 in seiner
zweiten Position ist, ist das zweite ringförmige Versiegelungsgebiet 352 vom
ringförmigen
oberen Sitz 354 getrennt, wobei es den Steuerdurchlaß 340 zum
Abflussdurchlaß 338 öffnet. Darüber hinaus
tritt das erste ringförmige
Versiegelungsgebiet 348 mit dem ringförmigen Sitz 350 auf
dem Ventilkörper 334 in
Eingriff und unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel vom Lieferdurchlaß 336 wird
vom Steuerdurchlaß 340 abgeblockt.
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Das
Hydraulikventil 314 bleibt in dem Zustand, der in 7b gezeigt
ist, bis das ECM 328 ein anderes oder das erste Befehlssignal
vorsieht. Wenn das ECM 328 wieder das erste Befehlssignal
an den Biegebetätiger 312 anlegt,
bewegt sich der Biegebetätiger 312 im
Wesentlichen aufwärts,
bis er die nicht betätigte,
kuppelförmige,
erste Position erreicht, die in 7a gezeigt
ist. Es sollte festgehalten werden, dass, wenn das erste Befehlssignal
entfernt ist, der Biegebetätiger 312 vorübergehend
in der Position, die in 7a gezeigt
ist, verbleiben wird, bis sich seine Ladung hinreichend durch Lecks
bzw. Leckströme abbaut.
Wenn sich der Biegebetätiger 312 aufwärts bewegt,
spannt die Rückstellfeder 346 den
Teller 330 aufwärts
vor gegen den Mittenteil 342 des Biegebetätiger 312.
Wenn sich der Teller aufwärts
bewegt, tritt das zweite ringförmige
Versiegelungsgebiet 352 mit dem ringförmigen oberen Sitz 354 in
Eingriff, wobei es wiederum den Steuerdurchlaß 340 vom Abflussdurchlaß 338 abschliesst.
Darüber
hinaus trennt sich das erste ringförmige Versiegelungsgebiet 348 vom
ringförmigen
unteren Sitz 350 auf dem Ventilkörper 334, wobei es
Fluss von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel zum Steuerdurchlaß 340 einleitet.
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Der
Betrieb der Rückstellfeder 346 bewegt den
Teller 330 mit einer relativ hohen Kraft und der Teller 330 schlägt bzw.
sitzt auf dem oberen Ventilsitz 354 mit einer relativ hohen
Geschwindigkeit auf. Ein derartiges wiederholtes Aufschlagen mit
hoher Geschwindigkeit des Tellers 330 gegen den Sitz 348 erzeugt
Beanspruchung und reduziert die nützlichen Lebensdauern des Tellers 330 und
des Sitzes 348. Der Biegebetätiger 312 ist ein
proportionaler und bi-direktionaler Betätiger und diese Merkmale können benutzt
werden, um den Einschlag und das Aufschlagen des Tellers 330 auf
dem Sitz 354 zu polstern oder zu reduzieren. Nachdem das
erste Befehlssignal für
den Biegebetätiger 312 vorgesehen
ist, um ihn zurück
in seine erste Position, wie in 7a gezeigt,
zu bewegen, wird der Teller 330 durch die Rückstellfeder 346 auf
seinen Sitz zubewegt.
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Wenn
sich der Teller 330 auf den oberen Sitz 354 zubewegt,
legt das ECM 328 an den Biegebetätiger 312 ein drittes
Befehlssignal oder eine Vorspannung an, ähnlich zu derjenigen, jedoch
geringer als die des ersten Befehlssignals. Das dritte Befehlssignal
bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 312 durch eine
kleine Aufwärtsverschiebung
in eine leicht kuppelförmige
dritte Position bewegt. Diese dritte Position erhöht die Widerstandskraft
gegen den Betrieb der Rückstellfeder 346.
Mit der Widerstandskraft wird die Geschwindigkeit des Tellers 330 reduziert,
ebenso wie die Aufschlagkraft des Tellers 330 auf dem Sitz 354.
Wie man erkennt, kann das ECM 328 Befehlssignal für den Biegebetätiger 312 vorsehen,
welche sowohl die Verschiebung oder Position, als auch die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung des Biegebetätigers 312 steuern,
um den Betrieb des Tellers 330 präziser zu steuern.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind bezüglich 6 die
Festklemmringe 322, 324 als Glieder mit im Allgemeinen
L-förmigen
Querschnitt gezeigt, in welchen der untere Festklemmring 322 eine
Seitenoberfläche 321 hat
zum Anordnen bzw. Lokalisieren der Umfangskante 320 des
Biegebetätigers 312.
Wie man erkennt, können
andere Konfigurationen von Festklemmringen benutzt werden. Zum Beispiel
sind bezugnehmend auf 8 obere und untere Festklemmringe 360, 362 innerhalb
der Aushöhlung 318 des
Gehäuses 316 angeordnet.
Der untere Festklemmring 362 hat eine ringförmige Trage- bzw.
Halteoberfläche 346 zum
Tragen einer Unterseite des Biegebetätigers 312, um die
Umfangskante 320 herum. Der obere Festklemmring 360 hat
eine ringförmige
Lageroberfläche 366,
zum Anlegen einer Festklemmkraft, um die Umfangskante 320 herum, auf
einer entgegengesetzten Seite des Biegebetätigers 312. Die äusseren
Umfangsoberflächen 368, 370 der
oberen und unteren Ringe 360, 362 lokalisieren
die Ringe innerhalb des Hohlraums 318. Der Lastring 326 funktioniert
wie vorausgehend bezüglich 6 beschrieben
wurde so, dass er eine Festklemmkraft an die Umfangskante 320 des
Biegebetätigers 312 anlegt.
Wie vorausgehend diskutiert wurde, kann die Lageroberfläche 366 des
oberen Festklemmrings 360 an unterschiedlichen Orten ausgeschnitten
sein, um das Anlegen einer Festklemmkraft gegen bzw. an den Biegebetätiger zu
variieren.
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Die
Festklemmringe 322, 324, 360, 362 werden
normalerweise aus einem steifen, elektrisch nichtleitenden Material
hergestellt. Wie man erkennt können
die Ringe aus einem leitfähigen
Material hergestellt sein, wenn die Oberflächen des Biegebetätigers 312,
die die Ringe kontaktieren, mit einer dielektrischen Schicht geschützt sind.
Alternativ kann eines der obigen Ausführungsbeispiele mit jedem Ring
benutzt werden. Als eine weitere Alternative kann ein taugliches
bzw. passendes Material so wie Gummi oder ein "VITON"-Material
zwischen den Festklemmringen und dem Biegebetätiger benutzt werden, um die
Betätigerbelastung
zu verbessern.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Biegebetätiger 312 von
ring- bzw. kreisförmiger
Natur. Bezugnehmend auf 9 kann der Biegebetätiger 312a vierseitig
sein, zum Beispiel quadratisch oder rechteckig. Obere und untere
Festklemmglieder 372, 374 erstrecken sich jeweils
längs der
Seiten 376 des Biegebetätigers 312a,
welche parallel zu seiner Krümmungsachse
sind. Die Festklemmglieder 372, 374 sichern die
Seiten 376 des Biegebetätigers 312a auf
eine ähnliche
Weise, wie bezüglich 1 und 2 beschrieben.
Darüber
hinaus können
die Festklemmglieder 372, 374 von unterschiedlicher
Konfiguration sein, ähnlich
zu den Festklemmringen 322, 324, die vorher beschrieben
wurden. Wie man erkennt, kann der Biegebetätiger 312a von jeder
beliebigen Form oder Grösse
sein die es ihm erlaubt, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
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Bezugnehmend
auf 10 kann eine Biegebetätiger 312b nur längs einer
einzigen Seite 378 jeweils zwischen oberen und unteren
Festklemmgliedern 380, 382 getragen bzw. gehalten
sein. In diesem Ausführungsbeispiel
erfährt
das ferne Ende 384 des Biegebetätigers 312b eine lineare
Verschiebung als Antwort auf Vorspannspannungen unterschiedlicher Polaritäten.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird der elektromechanische Biegebetätiger 312 auf ein Hydraulikventil 314 angewandt
bzw. daran angelegt, welches als ein 2-Positions – 3-Wege – Tellerventil beschrieben
ist. Das Konzept der vorliegenden Erfindung kann erweitert werden
auf ein N-Positions – M-Wege – Tellerventil.
Darüber
hinaus kann die vorliegende Erfindung mit einem Spulenventil oder
jedem anderen linear verschiebbaren Ventil verwendet werden.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird das Tellerventil 330 durch eine Rückstellfeder 346 in Kontakt
mit dem Biegebetätiger 312 gehalten.
Während
Rückstellfedern
weit verbreitet in Kombination mit Ventilen benutzt werden, stellt
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Rückstellfeder
eine signifikante Kraft dar, der durch den Biegebetätiger 312 entgegengewirkt
werden muss. Darüber
hinaus kann die Variabilität
der Federkonstante der Rückstellfeder
einen signifikanten Effekt auf die Performance schneller Proportionalventile
haben. Als eine Alternative zur Benutzung einer Rückstellfeder
wird bezugnehmend auf 11 ein Loch 386 in
der Mitte des Biegebetätigers 312c gebildet.
Ein Befestiger 388, so wie zum Beispiel eine Schraube steht
schrauben- bzw. gewindemäßig mit
dem Ende des Betätigungsstifts 344 in Eingriff.
Wenn daher der Biegebetätiger 312c fest
mit dem betätigenden
Stift 344 verbunden ist, ist der Biegebetätiger 312c nun
in der Lage, den betätigenden Stift
und den Teller 330 mit dem bi-direktionalen Betrieb des
Biegebetätigers 312c zu
bewegen. Daher wird die Notwendigkeit für eine Rückstellfeder eliminiert. Wie
man erkennt, kann, anstatt der Benutzung eines Befestigers 388 das
Ende des betätigenden Stifts 344 auf
feste Weise mit dem Biegebetätiger 312c durch
Klebemittel, Verbindung oder Anbringung durch andere Mittel verbunden
sein.
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Mit
Bezug auf die Figuren und insbesondere auf 12 ist
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines elektronisch gesteuerten Kraftstoffsystems 410 zum
Verwenden der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das exemplarische
Kraftstoffeinspritzsystem 410 ist angepasst für einen
sich vorwärts- und rückwärts bewegenden
internen Direkteinspritzungs-Dieselzyklus-Verbrennungsmotor. Nichtsdestoweniger
versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere
Typen von Motoren bzw. Maschinen so wie zum Beispiel Drehmotoren
oder Motoren mit modifizierem Zyklus anwendbar ist, und dass der
Motor eine oder mehrere Motorverbrennungskammern oder Zylinder enthalten
kann. Das Kraftstoffsystem 410 schliesst einen Kraftstoffeinspritzer 412,
eine Vorrichtung 413 zum Liefern von Kraftstoff an jeden
Einspritzer 412 und eine Vorrichtung 414 zum elektronischen
Steuern jedes Einspritzers 412 ein.
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Der
Motor hat wenigstens einen Zylinder (nicht gezeigt), wobei jeder
Zylinder eine oder mehrere separate Einspritzerbohrungen (nicht
gezeigt) schneidet, von denen jede einen Kraftstoffeinspritzer 412 gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufnimmt. Der Kraftstoffeinspritzer 412 sollte eine
Lieferung bzw. einen Vorrat vom Kraftstoffvorrat 413 unter
Druck setzen, den unter Druck gesetzten Kraftstoff atomisieren,
indem er ihn durch eine oder mehrere Ausgangsöffnungen 510 pumpt,
die korrekte Menge von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zum Verbrennungskammerteil
des Zylinders liefern und den Kraftstoff gleichmäßig in der ganzen Verbrennungskammer
verteilen. Jeder Einspritzer ist zusammengesetzt aus einem elektrohydraulischem Einspritzerantrieb 415 und
einem Einspritzerbetätiger 423.
Der Einspritzerantrieb 415 ist zusammengesetzt aus einem
Betätigerantrieb 418 und
einem elektromechanischem Betätiger 419,
so wie zum Beispiel einem vorbelastet Magnetischen Biegebetätiger, welcher
thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorbelastet sein kann.
Der Betätigerantrieb 418 ist strömungsmittelmäßig mit
einer Quelle von unter Druck gesetztes Strömungsmittel 422, so
wie zum Beispiel einem Hydrauliköl
oder einem Abfluss dafür verbunden
und weist ein Hauptventil 421 und ein hydraulisches Pilotventil 420 auf,
weiche auf den Betrieb des Biegebetätigers 419 antworten.
Der Einspritzerbetätiger 423 ist
zusammengesetzt aus einem Druckverstärker bzw. Druckintensivierer 416 und
einem Einspritzventilsystem 417. Im Allgemeinen sieht die
elektronische Steuerung 414 ein Befehlssignal für den Biegebetätiger 419 vor,
welches bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 419 durch eine Verschiebung
bewegt und aus einem ersten in einen zweiten Betriebszustand umschaltet,
um das Einspritzventilsystem 417 zu betreiben. Der Betätigerantrieb 418 schaltet
aus einem ersten in einen zweiten Betriebszustand als eine Funktion
einer Änderung
im Zustand des Biegebetätigers 419.
Mehr im Speziellen bewegt der Biegebetätiger 419, wenn er
sich durch seine Verschiebung bewegt, auch das Pilotventil 420.
Bewegung des Pilotventils 420 leitet unter Druck stehendes
Hydraulikströmungsmittel
um und verändert
den Zustand des Hauptventils 421. Darüber hinaus bewirkt das umgeleitete
Hydraulikströmungsmittel,
dass der Druckverstärker 416 und
das Einspritzventilsystem 417 von den ersten in die zweiten
Betriebeszustände
umschalten, als eine Funktion der Veränderung im Zustand des Betätigerantriebs 418,
wobei sie entweder eine Lieferung von unter Druck stehenden Kraftstoff
von der Ausgangsöffnung 510 des
Kraftstoffeinspritzers 412 einleiten, oder eine Lieferung
davon beenden.
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Die
Kraftstoffliefervorrichtung 413 schliesst typischerweise
einen Kraftstofftank 424, einen Kraftstofflieferdurchlaß 425,
welcher strömungsmittelmäßig zwischen
dem Kraftstofftank 424 und einem Einlassanschluss 429 des
Kraftstoffeinspritzers 412 gekoppelt ist, eine Kraftstofftransferpumpe 426 mit
relativ niedrigem Druck, einen oder mehrere Kraftstofffilter 427 und
einen Kraftstoffabflussdurchlaß 428 ein, der
strömungsmittelmäßig zwischen
dem Einspritzer 412 und dem Kraftstofftank 424 gekoppelt
ist. Falls gewünscht
können
Kraftstoffdurchläße im Kopf
des Motors angeordnet sein, welche strömungsmittelmäßig mit
dem Kraftstoffeinspritzer 412 und einem oder beiden der
Durchläße 425, 428 verbunden
sein.
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Die
elektronische Steuervorrichtung 414 schließt vorzugsweise
ein elektronisches Steuermodul (ECM) 430 ein, welches wenigstens
das Folgende steuert: (1) Kraftstoffeinspritzungs-Timing und -Druck;
(2) Gesamte Kraftstoffeinspritzmenge während eines Einspritzzyklus;
(3) Die Phasen während jedes
Abschnitts bzw. Segements jedes Einspritzzyklusses; (4) Die Anzahl
von separaten Einspritzsegmenten während jedes Einspritzzyklusses;
(5) Das Zeitintervall bzw. die Zeitintervalle zwischen den Einspritzsegmenten
und (6) Die Kraftstoffmenge, welche während jedes Einspritzsegments
von jedem Einspritzzyklus geliefert wird.
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Normalerweise
ist jeder Einspritzer 412 eine Einspritzereinheit bzw.
ein Einheits-Einspritzer, wobei der Einspritzerantrieb 415,
der Druckverstärker 416 und
das Einspritzventilsystem 417 in einem gemeinsamen Gehäuse 432 untergebracht
sind. Obwohl er als eine einheitlicher Einspritzer 412 gezeigt ist,
könnte
der Einspritzer 412 alternativ von modularer Bauweise sein,
wobei der Druckverstärker 416 separat
vom Einspritzventilsystem 417 ist. Als eine weitere Alternative
kann der Einspritzerantrieb 415 vom Druckverstärker 416 getrennt
sein. Bezugnehmend auf 13 umfasst
gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung der Biegebetätiger 419 einen vorbelasteten
elektroaktiven Biegebetätiger,
welcher thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorbelastet
sein kann, welcher seine Form ändert,
indem er sich in entgegengesetzte Richtungen axial verformt, als
Antwort auf einer Steuersignal, welches vom ECM 430 angelegt
wird. Das Steuersignal kann ein Spannungs signal sein, welches vom
ECM 430 durch ein Paar von elektrischen Leitern 434 an
den elektrischen Biegebetätiger 419 angelegt
wird. Der Biegebetätiger 419 hat
normalerweise eine kreis- bzw. ringförmige oder Scheiben-Konfiguration und schliesst
wenigstens eine elektroaktive Schicht (nicht gezeigt) ein, welche
zwischen einem Paar von Elektroden (nicht gezeigt) positioniert
ist, obwohl andere Konfigurationen ebenso möglich sind, ohne vom Geist
und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einem nicht
betätigten
oder statischen Zustand ist der Biegebetätiger 419 vorzugsweise
so vorbelastet, dass er eine kuppelförmige Konfiguration hat, wie
in 13a gezeigt. Wenn die Elektroden eingeschaltet
werden, um den Biegebetätiger 419 in einen
betätigten
Zustand zu versetzen, verschiebt sich der Biegebetätiger 419 axial
in eine weniger kuppelförmige
Konfiguration, wie in 13b gezeigt.
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Der
Biegebetätiger 419 kann
einer vom Modell TH-5C sein, die kommerziell verfügbar sind
von Face International, Inc. of Norfolk, Virginia. Andere passende
Betätiger
können
auch benutzt werden. Einer oder mehrere Biegebetätiger 419 können eine Vielzahl
von Biegebetätigern
(die parallel oder in Reihe konfiguriert sind) aufweisen, die individuell
gestapelt oder zusammen in ein einziges vielschichtiges Element
verbunden sind. Bezugnehmend auf 13a und 13b ist der Biegebetätiger 419 innerhalb
des Gehäuses 423 untergebracht
und wird an seiner Umfangskante 436 jeweils zwischen unteren
und oberen Festklemmringen 438, 440 getragen. Die
Festklemmringe werden normalerweise aus einem steifen, elektrisch
nicht leitenden Material hergestellt. Der untere Festklemmring 438 ist
im Allgemeinen von L-förmigen
Querschnitt und hat eine ringförmige
Trageoberfläche
zum Tragen einer unter Seite des Biegebetätigers 419 um seine
Umfangskante 436. Der obere Festklemmring 440 ist
ebenfalls im Allgemeinen von L-förmigen Querschnitt
und hat eine Lageroberfläche,
welche eine obere Seite des Biegebetätigers 419 um ihre
Umfangskante 436 kontaktiert. Wie man erkennt, können andere
Konfigurationen von Festklemmringen 438, 440 benutzt
werden.
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Ein
Lastring 442, der gewindemäßig mit dem Gehäuse 432 in
Eingriff steht, wird benutzt, um den Biegebetätiger 419 mit einer
Festklemmkraft vorzubelasten. Wenn der Lastring zugedreht bzw. festgedreht
und gelockert wird, wird jeweils die Feststellkraft an der Umfangskante 436 des
Biegebetätigers 419 über den
oberen Festklemmring 440 erhöht bzw. erniedrigt. Erhöhen der
Festklemmkraft auf den Biegebetätiger 419 reduziert
eine axiale Verschiebung des Biegebetätigers 419 als Antwort
auf eine gegebene Steuersignalgröße. Dementgegengesetzt
resultiert ein Absenken der Festklemmkraft in einer größeren axialen
Verschiebung. Im Ausführungsbeispiel von 2A legt der Lastring eine Festklemmkraft
um die gesamte Umfangskante 436 des Biegebetätigers 419 an.
Wie man erkennt, kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel die Lageroberfläche des
oberen Festklemmrings 440 an unterschiedlichen Orten um ihren
Umfang herum eingekerbt oder ausgeschnitten sein. Daher wird keine
direkte Festklemmkraft and die Teile der Umfangskante 436 des
Biegebetätigers 419 angelegt,
welche den Ausschneidungen in der Lageroberfläche des oberen Festklemmrings 440 direkt
gegenüberliegen.
Die gewöhnlichen
Fachleute verstehen, dass andere Festklemmkonfigurationen ebenso
möglich
sind, wie oben im Detail beschrieben, ohne vom Geist und Umfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Das
hydraulische Pilotventil 420 ist zusammengesetzt aus einem
beweglichen Ventil 444, so wie zum Beispiel einem Teller,
bzw. Tellerventil, welches in einer Aushöhlung 445 im Gehäuse 432 untergebracht
ist. Das Pilotventil 420 von 2A und 2B ist ein Drei-Wege – Zwei-Positions – Ventil.
Wie man erkennt, können
andere, vergleichbar funktionierende Ventile anstelle des Tellers 444 benutzt
werden. Das Einspritzergehäuse 432 hat
einen Einlaßanschluß 446,
der strömungsmittelmäßig mit
der Strömungsmittelleitung 447 der
Hydraulikströmungsmittelquelle 442 gekoppelt
ist. Unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel von der Strömungsmittelquelle 422 läuft durch
einen Lieferdurchlaß 448,
welcher die Aushöhlung 445 des
Gehäuses 432 schneidet.
Hydraulikströmungsmittel
wird zur Strömungsmittelquelle 422 über Abflußdurchläße 450 zurückgeleitet
bzw. zurückgeführt, welche
ebenfalls die Aushöhlung 445 schneiden.
Betrieb des Pilotventils 420 verbindet entweder den Lieferdurchlaß 448 oder
den Abflußdurchlaß 450 mit
einem Steuerdurchlaß 452. Wie
man erkennt ist die zweidimensionale Darstellung der Durchläße 448, 450, 452 schematischer
Natur. Oft ist das Pilotventil 420 so hergestellt, dass
die Durchläße 448, 450, 452 die
Aushöhlung 445 bei
unterschiedlichen Umfangspositionen der Aushöhlung 445 schneiden.
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In 13A und 13B ist
der Biegebetätiger 419 in
seinem kuppelförmigen,
ruhigen, nicht betätigten
Zustand oder Position. Wenn er im nicht betätigten Zustand ist, wird ein
Mittenteil des Biegebetätigers 419 vertikal
aufwärts
in eine gebogene oder kuppelförmige
Position verschoben. Ein betätigender Stift
oder Teil 454 des Tellerventils 444 ist mechanisch
durch ein Vorspannelement, so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 456,
gegen eine untere Seite des Mittenteils des Biegebetätigers 419 vorgespannt.
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Der
betätigende
Stift 454 wird normalerweise aus einem elektrisch nicht
leitenden Material so wie zum Beispiel Zirkon hergestellt. Wie man
erkennt, kann der betätigende
Stift aus anderen elektrisch isolierenden Materialien hergestellt
sein, die den Fachleuten bekannt sind. Alternativ kann das Ende
des betätigenden
Stifts 454, das in Kontakt mit dem Biegebetätiger 419 ist,
so konstruiert sein, dass es eine elektrisch nichtleitende Spitze
hat.
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In
der Position, die in 13A und 13B gezeigt
sind, hat das Tellerventil 444 ein erstes, ringförmiges Versiegelungsgebiet 458,
welches von einem ringförmigen,
unteren Sitz 460 getrennt ist. Daher kann unter Druck stehendes
Strömungsmittel
frei bzw. ungehindert vom Lieferdurchlaß 448 zum Steuerdurchlaß 452 fließen. Darüber hinaus
hat das Tellerventil 444 ein zweites, ringförmiges Versiegelungsgebiet 462,
das mit einem ringförmigen,
oberen Sitz 464 in Eingriff steht, wobei es den Fluß von Hydraulikströmungsmittel
vom Steuerdurchlaß 452 zum
Abflußdurchlaß 450 blockiert.
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Wenn
das Tellerventil 444 in der Position ist, die in 13A und 13B gezeigt
ist, ist das unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel für einen Boden 446 des
Hauptventils 421, so wie zum Beispiel eines Spulenventils
vorgesehen. Der Lieferdurchlaß 448 schneidet
auch einen externen ringförmigen Durchlaß 471 auf
dem Spulenventil 421. Das Spulenventil ist so ausgelegt,
daß, wenn
das unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel an die Enden angelegt
wird, die Kräfte
die durch das unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel angelegt werden, gleich
groß und
entgegengesetzt sind. Mit gelichen Strömungsmittelkräften wird
das Spulenventil 421 durch ein Vorspannelement 474,
so wie zum Beispiel eien Rückstellfeder,
in eine geschlossene Position, die in 13A gezeigt
ist, vorgespannt.
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Wenn
das Spulenventil 421 geschlossen ist, ist der Strömungsmitteldurchlaß 476 strömungsmittelmäßig mit
einem ringförmigen
Strömungsmit telpfad
oder einem Ring 475 verbunden, welcher wiederum eine Abflußleitung 477 schneidet.
Daher wird jeder Strömungsmitteldruck
im Strömungsmittelpfad 476 erleichtert,
bzw. abgemildert, wenn das Spulenventil 421 in seiner oberen
geschlossenen Position ist. Wenn das Spulenventil 421 weiterhin
in seiner geschlossen Position ist, wird Hydraulikströmungsmittel im
Lieferdurchlaß 448 daran
gehindert, in die Spitze des Hydraulikströmungsmitteldurchlasses 476 einzutreten,
welche mit einer Aushöhlung 498 verbunden ist,
die einen Verstärker-
bzw. Intensiviererkolben 416 enthält. Wenn keine Hydraulikströmungsmittelkraft
an die Spitze des Druckverstärkers 416 angelegt
wird hält
ein Vorspannelement 482, so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder
den Verstärkerkolben 480 an
seiner obersten Position innerhalb der Aushöhlung 498.
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Wenn
das Tellerventil 420 in der Position ist, die in 13a und 13b gezeigt
ist, wird unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel im Steuerdurchlass 452 in
eine Aushöhlung 484 überhalb des
Kontroll- bzw. Absperrkolbens 486 gelenkt, die mit einem
Düsenkontrollventil 488 verbunden
ist. Unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel überhalb
des Kontrollkolbens 486 zwingt den Kontrollkolben 486 und
das Düsenventil 488 abwärts. Ein
Ende 506 des Düsenkontrollventils 488 steht
auf absiegelnde Weise mit einer inneren Oberfläche der Spitze 490 des
Kraftstoffeinspritzers 412 in Eingriff, wobei es das Düsenkontrollventil 488 verschliesst
und den Fluss von Kraftstoff von seiner Ausgangsöffnung 510 verhindert.
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Der
Kraftstoffeinspritzer 412 arbeitet mit einem gespaltenen
bzw. geteilten Einspritzzyklus, welcher die folgenden fünf Phasen
von Einspritzung hat: Voreinspritzung, Piloteinspritzung, Einspritzverzögerung,
Haupteinspritzen und Füllen.
Die Voreinspritzungsphase existiert, wenn der Motor läuft und
der Einspritzer 412 zwischen Zündungszyklen ist. Die Voreinspritzungsphase
ist durch die Zustände
der verschiedenen Komponenten des Kraftstoffeinspritzers 412,
der in 13a und 13b gezeigt
ist, gezeigt. Hydraulikströmungsmitteldruck
auf dem Spulenventil 421 ist im Gleichgewicht und daher
wird das Spulenventil 421 durch die Rückstellfeder 474 geschlossen
gehalten, wobei es einen Fluss von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel
zum Verstärkerkolben 480 stoppt.
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In
seiner erhobenen, geschlossenen Position trennt sich das Spulenventil 421 vom
Spulenstift 496 und vom Kugelsteuerventil 492 und
gibt sie mechanisch frei. Daher wird der Druck von jedem Hydraulikströmungsmittel
im Strömungsmitteldurchlass 476 um
das Kugelkontrollventil 492 und aus der Entlüftungsleitung 494 abgelassen.
Daher wird der Druckverstärker 416 inaktiv
gehalten und unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel im Steuerdurchlass 452 hält den Kontrollkolben 486 und
das Düsenkontrollventil 488 geschlossen.
Daher wird Kraftstoff, der am Einlassanschluss 429 empfangen wird,
nicht in einen Zylinder eingespritzt.
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Zur
passenden Zeit leitet das ECM 430 die Piloteinspritzungsphase
ein, indem es ein erstes Befehlssignal für den Biegebetätiger 419 vorsieht,
so wie eine DC-Vorspannspannung einer ersten Polarität. Bezugnehmend
auf 14a und 14b bewirkt
das erste Befehlssignal, dass sich der Biegebetätiger 419 in einer
ersten Richtung biegt, so wie zum Beispiel eine im Allgemeinen vertikale
Abwärtsrichtung,
wie in 13a gesehen, in eine weniger
kuppelförmige
oder leicht kuppelförmige
betätigte
erste Position. Es sollte festgehalten werden, dass mit gegenwärtig verfügbaren Betätigern solche
Betätiger niemals
einen flachen Zustand erreichen und dass sie durch jede Verbiegung über die
Mitte hinaus oder einen flachen Zustand zerstört werden.
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Die
Abwärtsbewegung
des Biegebetätigers 419 überwindet
die Vorspannkraft der Rückstellfeder 456,
da der Biegebetätiger 419 sich
in seine betätigte,
erste Position bewegt, Es soll festgehalten werden, dass der Biegebetätiger 419,
wenn das erste Befehlssignal entfernt wird, vorübergehend in der Position verbleiben
wird, die in 14a und 14b gezeigt
ist, bis sich seine Ladung ausreichend durch Lecks bzw. Leckströme abbaut.
Daher wird wesentlich weniger Leistung angelegt, um einen Biegebetätiger 419 und
andere Betätiger,
so wie zum Beispiel einen Magneten, aufrecht zu erhalten.
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Bewegung
des Biegebetätigers 419 nach
unten stösst
bzw. drückt
den Betätigerstift 452 und
den Teller 420 abwärts
in eine erste Position. Wenn das Tellerventil 420 an seiner
ersten Position ist, tritt das erste ringförmige Versiegelungsgebiet 458 mit
dem ringförmigen
unteren Sitz 460 in Eingriff und das unter Druck gesetzte
Hydraulikströmungsmittel
vom Lieferdurchlass 448 wird vom Steuerdurchlass 452 abgeblockt.
Darüber
hinaus wird das zweite ringförmige
Versiegelungsgebiet 462 vom ringförmigen oberen Sitz 464 getrennt,
wobei es den Steuerdurchlass 452 zum Abflussdurchlass 450 öffnet. Daher wird
hydraulischer Druck von der Unterseite 466 des Spulenventils 421 weggenommen
bzw. entfernt.
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Der
Druckkopf in der Aushöhlung 470 an
der Spitze 472 des Spulenventils 421 überwindet
die Kraft, die durch die Rückstellfeder 474 ausgeübt wird und
das Spulenventil 421 bewegt sich vertikal abwärts in eine
offene Position. Da sich das Spulenventil 421 abwärts bewegt,
kontaktiert es die Spitze des Spulenstifts 496; und das
Spulenventil 421 und der Spulenstift 496 sichern
das Kugelkontrollventil 492 mechanisch in seinem Sitzgebiet 497,
wobei sie den Strömungsmitteldurchlass 476 von
der Entlüftungsleitung 494 absiegeln.
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Eine
Verschiebung des Spulenventils 421 in seine untere, offene
Position unterbricht die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Strömungsmittelpfad 476 und
dem Ring 475 und der Abflussleitung 477. Weiterhin öffnet Verschiebung
des Spulenventils 421 nach unten einen Strömungsmittelpfad über den
Ring 471 zwischen dem Lieferdurchlass 448 und
der Spitze des Strömungsmitteldurchlasses 476.
Daher wird unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel von der Aushöhlung 470 zum
Strömungsmitteldurchlass 476 vorgesehen,
der zur Spitze des Verstärkerkolbens 480 in
der Aushöhlung 498 führt. Die
Anlegung von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel an die Spitze des
Verstärkerkolbens 480,
zwingt den Verstärkerkolben 480 in
seinem Zylinder oder seiner Aushöhlung 498 abwärts. Ein
Plunger-Kolben 500 tritt betriebsmäßig mit dem Verstärkerkolben 480 in
Eingriff, um eine sehr hohe Druckkraft auf Kraftstoff innerhalb
der Aushöhlung 502 auszuüben. Der
Druck des Kraftstoffs, der in den Kraftstoffeinspritzer 412 am
Einlass 429 eintritt, kann ungefähr 450 kPa oder 65 psi sein.
Der Verstärkerkolben 480 kann
den Kraftstoffdruck innerhalb einer Düsenaushöhlung 504 auf ungefähr 175 Mpa
oder 25.000 psi als eine Funktion des Leitungsdruck erhöhen. Ein
Einlass-Füll-Kontrollventil 507 hindert
Hochdruckkraftstoff daran, zurück
aus dem Einlassanschluss 429 herauszufliessen. Natürlich sind
andere Kraftstoffdrücke
ebenso möglich,
ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Das Öffnen des
Strömungsmitteldurchlasses 452 zum
Abflussdurchlass 450 entfernt auch den Druck des Hydraulikströmungsmittels über dem
Kon trollkolben 486. Wenn der Druck innerhalb der Düsenaushöhlung 504 ansteigt,
bildet sich eine ausreichende Kraft an den Enden 506 des
Düsenkontrollventils 488,
um die Kraft zu überwinden,
die durch die Kontrollkolben-Rückstellfeder 508 angelegt
wird. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in der Düsenaushöhlung 504 stösst bzw.
drückt
das Düsenkontrollventil 488 und
den Kontrollkolben 486 effektiv gegen die Feder 508.
Das Ende 506 des Düsenkontrollventils 488 wird
von seinem Sitz in der Spitze 490 getrennt und unter hohem
Druck stehender Kraftstoff fliesst frei bzw. ungehindert durch die Öffnung oder die Öffnungen 510 in
den Zylinder. Die Piloteinspritzungsphase setzt sich solange fort,
wie der Biegebetätiger 419 betätigt bleibt;
das Spulenventil 421 offen bleibt und kein unter Druck
stehendes Hydraulikströmungsmittel
auf der Spitze des Kontrollkolbens 486 ist.
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Nachfolgend
wird durch den Motorbetrieb eine Einspritzverzögerungsphase durch des ECM 430 eingeleitet,
welches für
den Biegebetätiger 419 ein
zweites Befehlssignal so wie zum Beispiel eine DC-Vorspannspannung
von einer entgegengesetzten Polarität des ersten Befehlssignals
vorsieht. Das zweite Befehlssignal bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 419 in
einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung bewegt,
so wie zum Beispiel einer im Allgemeinen vertikalen Aufwärtsrichtung.
Der Biegebetätiger 419 bewegt
sich in eine mehr kuppelförmige,
ruhige, vorgespannte, zweite Position, wie in 15a und 15b gezeigt.
Wenn sich der Biegebetätiger 419 aufwärts bewegt,
bewegt die Rückstellfeder 456 den
Teller 420 und den betätigende
Stift 454 aufwärts
in eine zweite Position, sodass der betätigende Stift 454 den
Mittenteil des Biegebetätigers 419 kontaktiert.
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Bewegung
des Tellers 420 nach oben bewirkt, dass das zweite Versiegelungsgebiet 420 mit den
oberen Sitz 464 in Eingriff tritt, wobei es den Steuerdurchlass 452 vom
Abflussdurchlaß 450 trennt.
Gleichzeitig trennt sich das erste ringförmige Versiegelungsgebiet 458 vom
unteren Siegel 460 und unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel fliesst
vom Strömungsmitteldurchlass 448 zum
Steuerdurchlass 452. Die erneute Anwendung von unter Druck
stehendem Hydraulikströmungsmittel
auf den Steuerdurchlass 452 erzeugt eine hydraulische Kraft an
der Spitze des Kontrollkolbens 486. Der Kontrollkolben 486 und
das Düsenkontrollventil
werden abwärts
bewegt bis das Ende 506 mit der Spitze 490 in Eingriff
tritt, wobei es das Düsenkontrollventil 488 verschliesst.
Wenn das Düsenkontrollventil
verschlossen ist, wird der Fluss von Kraftstoff von der Ausgangsöffnung 510 des
Kraftstoffeinspritzers 412 beendet. Daher wird die Einspritzung
von Kraftstoff in den Zylinder unmittelbar beendet, unmittelbar
nach dem Ausschalten des Biegebetätigers 419.
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Das
Anwenden bzw. Anlegen von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel
an den Steuerdurchlass 452 legt wiederum eine Hydraulikströmungsmittelkraft
an die Unterseite bzw. den Boden 466 des Spulenventils 421 an.
Diese Kraft in Kombination mit einer relativ schwachen Kraft der Rückstellfeder 456 überwindet
die Kraft des unter Druck stehenden Hydraulikströmungsmittels am oberen Ende 472 des
Spulenventils 421 langsam. Daher bewegt sich das Spulenventil 421 langsam
aufwärts, relativ
zur Geschwindigkeit des Verschliessens des Düsenkontrollventils 488.
Während
dieser Periode von anfänglichem
langsamen Betrieb des Spulenventils 421, fliesst weiterhin
unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel am Spulenventil 421 vorbei
zum Verstärkerkolben 480.
Wenn das Düsenkontrollventil 488 geschlossen
ist, und die Anwendung einer hydraulischen Kraft auf den Verstärkerkolben 480 und
den Plunger-Kolben 500 fortgesetzt wird, bewegen sich der
Kolben 480 und der Plunger-Kolben 500 weiterhin
aufwärts.
Die fortgesetzte Bewegung des Verstärkerkolbens 480 und
des Kolbens 500 bringt wiederum den Kraftstoff in den Aushöhlungen 502 und 504 auf
den erwünschten
Einspritzdruck in Vorwegnahme bzw. Erwartung der Haupteinspritzphase.
Die Dauer der Einspritzverzögerungsphase ist
ausreichend klein, sodass das Spulenventil 421 die Lieferung
von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel zur Spitze des
Verstärkerkolben 480 niemals
abschaltet.
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Nachfolgend
wird während
des Motorbetriebs die Haupteinspritzphase durch das ECM 430 eingeleitet,
welches ein drittes Befehlssignal vorsieht, um den Biegebetätiger 419 zu
betätigen.
Das dritte Befehlssignal ist ähnlich
dem ersten Befehlssignal, welches beschrieben wird bezüglich der
Piloteinspritzphase. Das dritte Befehlssignal ist effektiv dahingehend,
dass es bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 419 abwärts in seine
betätigte,
weniger Kuppelförmige
erste Position bewegt, wie in 16 gezeigt.
Das Tellerventil 420 verändert wiederum seinen Zustand
und kehrt in seine erste Position zurück, wobei es den Steuerdurchlass 452 zum
Abflussdurchlass 450 öffnet.
Druck wird sofort vom Kontrollkolben 486 weggenommen und
der Kraftstoff in der Aushöhlung 504,
der während
des Verzögerungszyklus
unter Druck gesetzt war, ist effektiv dahingehend, dass er das Düsenkontrollventil 488 schnell öffnet.
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Gleichzeitig öffnet die
Entfernung des hydraulischen Drucks von der Unterseite 466 des
Spulenventils 421 schnell das teilweise geschlossene Spulenventil 421,
wobei voller Hydraulikströmungsmitteldruck
an die Spitze des Verstärkerkolbens 480 angelegt
wird. Der Verstärkerkolben 480 und
der Plunger-Kolben 500 setzen ihre Abwärtsbewegung fort, um den erwünschten
Einspritzdruck auf den Kraftstoff in den Aushöhlungen 502, 504 aufrecht
zu erhalten. Die Haupteinspritzphase setzt sich so lange fort, wie
der Biegebetätiger 419 in
seinem betätigten Zustand
verbleibt.
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Die
Haupteinspritzphase endet und die Füllphase beginnt, wenn das ECM 430 ein
viertes Befehlssignal für
den Biegebetätiger 419 vorsieht.
Das vierte Befehlssignal ist ähnlich
dem zweiten Befehlssignal und bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 419 in
die zweite Aufwärtsrichtung
in seine zweite, mehr kuppelförmige,
ruhige, vorbelastete Position bewegt, wie in 13 angezeigt.
Wiederum bewegt sich das Tellerventil 420 auf eine Weise,
die ähnlich
ist zu derjenigen, die bezüglich
der Verzögerungsphase
beschrieben worden ist aufwärts,
in seine zweite Position, wobei es wiederum unter Druck stehendes
Hydraulikströmungsmittel
an den Steuerdurchlass 452 und die Spitze des Kontrollkolbens 486 anlegt.
Der Kontrollkolben 486 bewegt sich abwärts, wobei er sofort das Düsenkontrollventil 488 schliesst
und den Fluss von unter Druck stehendem Strömungsmittel durch die Öffnung 510 des
Kraftstoffeinspritzers 412 beendet.
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Das
unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel im Steuerdurchlass 452 stellt
auch ein hydraulisches Kraftgleichgewicht an den Enden des Spulenventils 421 wieder
her, wobei es der Rückstellfeder 474 erlaubt,
das Spulenventil 421 in seine geschlossene Position zurück zu bewegen
bzw. zurück zu
bringen. Das Schliessen des Spulenventils 421 beendet den
Fluss von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel vom Lieferdurchlass 448 zum Strömungsmitteldurchlass 476.
Auch wird der Strömungsmitteldurchlass 476 zum
Ring 475 geöffnet, sodass
Hydraulikströmungsmitteldruck
im Durchlass 476 durch den Abfluss 477 erleichtert
bzw. abgebaut wird. Da sich das Spulenventil weiterhin weg vom Spulenstift 496 erhebt,
ist das Kugelkontrollventil 492 in der Lage, den Druck
des Hydraulikströmungsmittels
im Durchlass 476 über
die Entlüftung 494 abzulassen
bzw. abzubauen.
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Da
das unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel von der Spitze
des Verstärkerkolbens 480 entfernt
wird, stösst
bzw . drückt
die Rückstellfeder 482 Hydraulikströmungsmittel
aus dem Hohlraum überhalbe
des Verstärkerkolbens 480 heraus. Das
umgekehrte Kontrollventil 507 für den Kraftstoffeinlass wird
zu seinem Ventilsitz angehoben, wenn der Plunger-Kolben 500 angehoben wird.
Dies erlaubt es, dass Kraftstoff in die Kolbenaushöhlung 502 fliesst.
Der Füllzyklus
ist komplett, wenn der Plunger-Kolben 500 und
der Verstärkerkolben 480 an
ihren obersten Positionen sind und die Kolbenaushöhlung 502 mit
Kraftstoff gefüllt
ist, wie in 13a und 13b gezeigt.
Am Ende des Füllzyklus
sind alle Komponenten des Kraftstoffeinspritzers 412 in
jeweiligen Zuständen,
die die Voreinspritzungsphase definieren und der Kraftstoffeinspritzer
ist bereit für
den nächsten
Kraftstoffeinspritzzyklus.
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Während die
Benutzung von Hydraulikströmungsmittel
hierin beschrieben ist, erkennen gewöhnliche Fachleute das andere
Strömungsmittel ebenso
benutzt werden können,
so wie zum Beispiel Motoröl,
Kraftstoff, Getriebeflüssigkeit,
Leistungs-Steuerungsflüssigkeit
und Motorkühlmittel, ohne
vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus
versteht es sich, dass das Kontrollventil 488 veranlasst
werden kann, sich während
eines Einspritzzyklus mehrfach zu öffnen und zu schliessen, um
beispielsweise Pilot- Haupt- und Nacheinspritzungen vorzusehen.
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Bezugnehmend
auf 17–19 sind Benzinanschlußeinspritzer 600a und 600b gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Anschlusseinspritzer 600a schliesst
einen Ventilkörper 602 ein,
welcher einen axialen Strömungsmitteldurchiass 604 hat,
der sich durch den Ventilkörper 602 erstreckt,
der zwischen einem Einlass 606 und einer Strömungsmittelkammer 608 in
Verbindung steht, die in der Einspritzerspitze 610 gebildet
ist. Ein langgestrecktes Nadelventil 612 ist so montiert,
dass es sich axial durch den Ventilkörper 602 erstreckt
und eine Ventilspitze 614 einschliesst, die normalerweise in
einem Ventilsitz 616 sitzt, um eine Strömungsmittelöffnung 618 zu schliessen,
die am entfernten Ende der Einspritzerspitze 610 gebildet ist.
Das Nadelventil 612 ist für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung innerhalb des Ventilkörpers 602 montiert,
um die Öffnung 618 während eines
Einspritzzyklus selektiv zu öffnen und
zu schliessen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist wie in 17 gezeigt,
das Nadelventil 602 auf feste Weise mit wenigstens einer piezoelektrischen
Einrichtung 622, so wie zum Beispiel einem vorbelasteten,
elektroaktiven Biegebetätiger
verbunden, welcher thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorgespannt
sein kann, wie oben im Detail beschrieben. Der Biegebetätiger 622 kann
eine zylindrische oder Scheiben-Konfiguration haben und kann mit
einem elektrisch isolierenden und/oder auf andere Weise schützenden
Material beschichtet sein, wie im Gebiet gut bekannt ist.
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Der
Biegebetätiger 622 kann
eine Vielzahl von Biegebetätigern
(die parallel oder in Reihe konfiguriert sind) aufweisen, welche
individuell gestapelt oder zusammen in ein einziges Vielschichtiges
Element verbunden sind. Obwohl es nicht gezeigt ist, werden gewöhnlich Fachleute
erkennen, dass mehrere Biegebetätiger 622 parallel
innerhalb des Ventilkörpers 602 montiert
sein können,
um die Kraft zu erhöhen,
die durch den Biegebetätiger 622 an
das Nadelventil 612 angelegt wird als Antwort auf ein Steuersignal,
welches durch das ECM (nicht gezeigt) durch elektrische Leitungen 624 (eine
gezeigt) an den Biegebetätiger 622 angelegt
wird. Alternativ können
die Biegebetätiger 622 in
Reihe montiert sein, um den Hub des Nadelventils 612 bei
axialer Verschiebung der Biegebetätiger 622 als Antwort
auf das Steuersignal zu erhöhen.
Der Biegebetätiger 622 ist innerhalb
des Ventilkörpers 602 durch
einen Festklemm- und Lastringaufbau montiert, der diagrammatisch
bei 628 gezeigt ist, wie oben im Detail in Verbindung mit 7a, 7b, 8 und 11 beschrieben.
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Wie
in 17 gezeigt, erstreckt sich ein zylindrisches Kopplungsglied 628 durch
eine Bohrung 630, die durch die Mitte des Biegebetätigers 622 gebildet
ist und ist am Betätiger 622 durch
ein Paar von Verschlusskragen 632 fixiert, welche die Hauptoberflächen 634, 636 des
Biegebetätigers 622 kontaktieren
und geschraubt, geschweisst, geklebt oder auf andere Weise am Kopplungsglied 628 befestigt
sein können.
Ein Ende des Kopplungsglieds 628 ist betriebsmäßig mit
dem Nadelventil 612 durch einen Verschluss (nicht gezeigt)
oder andere geeignete Mittel der Befestigung verbunden. Das Kopplungsglied 628 schliesst
einen axialen Strömungsmitteldurchlass 638 (17)
ein, der sich wenigstens teilweise durch dasselbe hindurch erstreckt,
der in Strömungsmittelverbindung
mit Strömungsmitteldurchlässen 640 ist,
die sich durch eine Wand des Kopplungsglieds 628 erstrecken.
Die Durchlässe 638, 640 erlauben
es, Kraftstoff von einer Seite des Biegebetätigers 622 durch das
Kopplungsglied 628 zur anderen Seite zu laufen. Wie in 17 gezeigt,
ist das Nadelventil 612 mit dem Biegebetätiger 622 durch das
Kopplungsglied 628 verbunden, sodass das Nadelventil 612 sich
bei axialer Verschiebung des Biegebetätigers 622 von der
kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 17 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte
Position (nicht gezeigt) axial innerhalb des Ventilkörpers 602 bewegen wird.
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Bei
Betrieb des Benzinanschlusses 600a von 17 wird
die Federrate des Biegebetätigers 622 benutzt,
um das Nadelventil 612 in eine geschlossene Position vorzuspannen,
sodass die Ventilspitze 614 im Ventilsitz 616 sitzt,
um die Öffnung 618 zu
verschliessen. Kraftstoff wird durch den axialen Strömungsmitteldurchlass 604 und
die Strömungsmitteldurchlässe 638, 640,
welche sich durch das Kopplungsglied 628 erstrecken, zur
Strömungsmittelkammer 608 in
der Einspritzerspitze 610 geliefert. Während eines Einspritzzyklus
legt das ECM (nicht gezeigt) ein Steuersignal an den Biegebetätiger 622 an,
welches bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 622 axial verformt
oder verschiebt, indem er sich abflacht. Wenn sich der Biegebetätiger 622 abflacht
als Antwort auf das Steuersignal, hebt das Nadelventil 612 vermittels
seiner festen Verbindung zum Biegebetätiger 622 vom Ventilsitz 616 ab,
um die Öffnung 618 für ein Einspritzen
von Kraftstoff zu öffnen.
Nachdem der Einspritzzyklus komplett ist, wird das Steuersignal
entweder unterbrochen, oder die Polarität des Steuersignals wird umgekehrt,
um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 622 in seine kuppelförmige Konfiguration,
wie in 17 gezeigt, zurückkehrt.
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Ein
Benzinanschlußeinspritzer 600b gemäß einem
alternativen zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 18 gezeigt,
wo gleiche Zahlen, gleiche Teile des Benzinanschlußeinspritzers 600a von 17 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
kann der Biegebetätiger 622 eine
rechteckige Konfiguration, wie in 19 gezeigt,
haben, obwohl andere Konfigurationen ebenso möglich sind. Der Biegebetätiger 622 schließt ein Paar
von gegenüberliegen,
kleineren bzw. kürzeren Seiten 642a und
ein Paar von gegenüberliegenden, größeren bzw.
längeren
Seiten 642b ein. Ein Loch 624 ist in der Mitte
des Biegebetätigers 622 vorgesehen,
um direkte Anbringung des Nadelventils 612 am Betätiger 622 durch
einen geeigneten Befestiger (nicht gezeigt) zu erlauben, wie oben
im Detail beschrieben ist. In diesem Ausführungsbeispiel stehen mehrere
Strömungsmitteldurchläße 646 in
Verbindung mit dem axialen Strömungsmitteldurchlaß 604 und
werden durch den Ventilkörper 602 und
um die kurzen Seiten 642a des Biegebetätigers 622 geführt. Auf
diese Weise kann das Kopplungsglied 628 zum leiten des
Strömungsmittels
durch den Biegebetätiger 622 eliminiert
werden.
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Bezugnehmend
auf 20 ist ein Strömungsmittelzumessventil 700a gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Strömungsmittelzumessventil 700a schließt einen
Plunger-Kolben oder Kolben 702 ein, der direkt mit einem
Biegebetätiger 712 verbunden
ist, wie oben im Detail beschrieben wurde. Der Biegebetätiger 704 wird
durch einen Träger
bzw. eine Halterung getragen, die schematische bei 706 gezeigt
ist, die den Festklemm- und Lastringaufbau aufweisen kann, der oben
im Detail in Verbindung mit 7A, 7B, 8 und 11 beschrieben
wurde. Der Biegebetätiger 704 kann
eine zylindrische oder scheibenförmige
Konfiguration haben und wenigstens eine elektroaktive Schicht (nicht
gezeigt) einschließen,
die zwischen einem Paar von Elektroden (nicht gezeigt) positioniert
ist, obwohl andere Konfigurationen ebenso möglich sind, ohne vom Geist
und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einem
ausgeschalteten oder statischen Zustand ist der Biegebetätiger 704 vorzugsweise
so vorbelastet, dass er eine kuppelförmige Konfiguration hat, wie
in 20 gezeigt.
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Wenn
die Elektroden (nicht gezeigt) des Biegebetätigers 704 eingeschaltet
werden, um den Biegebetätiger 704 in
einen betätigten
Zustand zu versetzen, so wie zum Beispiel, wenn ein Spannungs- oder
Stromsteuersignal durch ein Betätiger-Steuersystem
(nicht gezeigt) angelegt wird, verschiebt sich der Biegebetätiger 704 axial,
indem er sich aus der kuppelförmigen
Konfiguration abflacht. Insbesondere verschiebt sich der Biegebetätiger 794 axial,
d.h. er flacht sich ab, wenn er als Antwort auf ein Steuersignal
einer Polarität
betätigt
wird. In einem ausgeschalteten Zustand oder als Antwort auf eine
Steuersignal einer entgegengesetzten Polarität verschiebt sich der Biegebetätiger 794 axial,
d.h. er kehrt in einer entgegengesetzten Richtung in seine kuppelförmige Konfiguration
zurück,
oder der Biegebetätiger 704 kann sich
höher kuppelartig
formen als sein statischer Zustand, abhängig vom weitergeleiteten Signal.
Der Biegebetätiger 704 ist
daher bi-direktional in seinem Betrieb, wie oben im Detail beschrieben
wurde.
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Ein
Teil des Plunger-Kolbens 702 erstreckt sich in eine Strömungsmittel-Reservoirkammer 708, welche
ein variables Volumen hat, das durch ein unteres Ende des Plunger-Kolbens 702 und
ein Auslaßkontrollventil 712 definiert
wird. Ein Strömungsmitteleinlaß-Durchlaß 714 steht
durch ein Einlaßkontrollventil 716 in
Verbindung mit der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708.
Die Position des unteren Endes 710 des Plunger-Kolbens 702 und
daher das Volumen des Strömungsmittels
in der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 kann
genau kalibriert oder gesteuert werden, indem die Spannung oder
der Strom, der an den Biegebetätiger 704 angelegt
wird, variiert wird. Zusätzlich
können
die statische Position des Biegebetätigers 704 und daher
das statische Volumen der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 eingestellt
werden, indem die Vorlast variiert wird, die durch den Festklemm-
und Lastringaufbau, der schematisch bei 706 gezeigt ist,
an den Biegebetätiger 704 angelegt
wird.
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Der
Biegebetätiger 704 kann
eine Vielzahl von (parallel oder in Reihe konfigurierten) Biegebetätigern aufweisen,
welche individuell gestapelt, oder zusammen in ein einziges Element
verbunden sind. Obwohl es nicht gezeigt ist, erkennen gewöhnliche Fachleute,
daß mehrfache
Biegebetätiger 704 parallel
montiert sein können,
um die Kraft zu erhöhen,
die durch die Biegebetätiger 704 als
Antwort auf ein Steuersignal, das durch das Betätigersteuersystem (nicht gezeigt)
angelegt wird, auf den Plunger-Kolben 702 ausgeübt wird.
Alternativ können
die Biegebetätiger 704 in
Reihe montiert sein, um den Hub des Plunger-Kolbens 702 bei
axialer Verschiebung der Biegebetätiger 704 als Antwort
auf das Steuersignal zu erhöhen.
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Im
Betrieb wird die Strömungsmittel-Reservoirkammer
durch den Strömungsmitteleinlass-Durchlass 714 und
das Einlasskontrollventil 716 mit Strömungsmittel gefüllt. Während eines
Strömungsmittelzumesszyklusses
wird der Biegebetätiger 704 durch
ein Steuersignal betätigt,
welches bewirkt, dass sich der Biegebetätiger axial verschiebt, d.
h. abflacht. Das Ausmass der axialen Verschiebung und daher der
Zumess-Hub des Kolbens oder Plunger-Kolbens wird genau gesteuert, durch
das Steuersignal, welches an den Biegebetätiger 704 angelegt
wird. Der Plunger-Kolben 702 kann genau angehoben werden
zu einer beliebigen Position innerhalb des Bewegungsbereichs des
Biegebetätigers 704,
als Antwort auf das angelegte Steuersignal. Da der Plunger-Kolben 702 sich
axial verschiebt, bewirkt der erhöhte Druck am Auslasskontrollventil 712,
dass sich das Auslasskontrollventil öffnet, wobei es gestattet,
dass ein Strömungsmittelvolumen
durch das Strömungsmittelzumessventil 700a zugemessen wird.
Nachdem ein Strömungsmittelvolumen
zugemessen worden ist, wird das Steuersignal entweder unterbrochen,
oder die Polarität
des Steuersignals wird umgekehrt, um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 704 in
seine kuppelförmige
Konfiguration, wie in 20 gezeigt, zurückkehrt.
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Bezugnehmend
auf 21 ist ein Strömungsmittelzumessventil 700b gemäß einem
alternativen zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Zahlen, gleiche Teile
des Strömungsmittelzumessventils 700a von 20 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Plunger-Kolben 718 vorgespannt in Eingriff mit
den Biegebetätiger 704 durch
ein Vorspannelement, so wie zum Beispiel eine Rückstellfeder 720.
Man erkennt, dass das Vorspannen des Plunger-Kolbens 718 in
den Eingriff mit dem Biegebetätiger 704 ebenso
durch andere, mechanische oder hydraulische Mittel erreicht werden
könnte.
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Der
Plunger-Kolben 718 tritt mit dem Biegebetätiger 704 in
Eingriff, sodass der Plunger-Kolben 718 sich bei axialer
Verschiebung des Biegebetätigers 704 aus
der kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 21 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte
Position (nicht gezeigt) während
eines Strömungsmittelzumesszyklusses axial
innerhalb der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 bewegen
wird. Nachdem ein Strömungsmittelzumesszyklus
komplett ist, wird das Steuersignal entweder unterbrochen oder die
Polarität
des Steuersignals wird umgekehrt, um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 704 in
seine kuppelförmige
Konfiguration, wie in 21 gezeigt, zurückkehrt.
Die Rückstellfeder 720 bringt
den Plunger- Kolben 702 zurück in seine
statische Position und hält
den Eingriff des Plunger-Kolbens 702 mit dem Biegebetätiger 704 aufrecht.
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Bezugnehmend
auf 22 ist nun ein Strömungsmittelzumessventil 700c gemäß einem
alternativen, dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Zahlen, gleiche Teile
des Strömungsmittelzumessventils 700a aus 20 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Plunger-Kolben 702 eliminiert, sodass der Biegebetätiger 704 innerhalb
der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 während eines
Strömungsmittelzumesszyklusses,
direkt auf das Strömungsmittel
wirkt. Die Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 schliesst
eine versiegelte Strömungsmittelkammer 722 ein,
die unterhalb des Biegebetätigers 704 gebildet
ist.
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Während eines
Strömungsmittelzumesszyklusses
wird der Biegebetätiger 704 durch
ein Steuersignal betätigt,
welches bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 704 axial verschiebt,
dass heisst, sich abflacht und dabei den Strömungsmitteldruck innerhalb der
Strömungsmittelkammern 708 und 722 erhöht. Das
Ausmass der axialen Verschiebung des Biegebetätigers 704 und daher
die Erhöhung
im Strömungsmitteldruck
innerhalb der Kammern 708 und 722 wird genau gesteuert,
durch das Steuersignal, welches an den Biegebetätiger 704 angelegt
wird. Der erhöhte
Druck auf dem Auslasskontrollventil 712 bewirkt, dass sich
das Auslasskontrollventil 712 öffnet, wobei es erlaubt, dass
ein Strömungsmittelvolumen
durch das Strömungsmittelzumessventil 700c zugemessen
wird. Nachdem ein Strömungsmittelvolumen
zugemessen worden ist, wird das Steuersignal entweder unterbrochen,
oder die Polarität
des Steuersignals wird umgekehrt, um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 704
in seine kuppelförmige
Konfiguration zurückkehrt,
wie in 22 gezeigt.
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Bezugnehmend
auf 23 ist nun ein Strömungsmittelzumessventil 700d gemäß einem
alternativen, vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Zahlen, gleiche Teile
des Strömungsmittelzumessventils 700a von 20 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
schliesst das Strömungsmittelzumessventil 700d einen
Einlass-Strömungsmitteldurchlass 724 und
einen oder mehrere Auslass-Strömungsmitteldurchlässe 726 (zwei
gezeigt) ein, welche mit dem Einlass-Strömungsmitteldurchlass 724 in
Verbindung stehen. Ein Steuerventil 728 versiegelt selektiv
die Auslass-Strömungsmitteldurchlässe 726 vom
Einlass- Strömungsmitteldurchlass 724,
wenn ein Abschlusskopf 730 des Steuerventils 728 mit
einem Ventilsitz 732 in Eingriff tritt.
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Ein
Ende des Steuerventils 728, welches entfernt vom Abschlusskopf 730 ist,
wird direkt mit dem Biegebetätiger 704 verbunden,
in einer Weise, wie oben im Detail beschrieben. Andere Montierungen
des Biegebetätigers 704 und
des Steuerventils 728 sind ebenso möglich, ohne vom Geist und Umfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Steuerventil 728 ist
für Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
montiert, zum selektiven Öffnen
und Schliessen eines Strömungsmitteldurchlasses
zwischen dem Einlass-Strömungmitteldurchlass 724 und
den Auslass-Strömungsmitteldurchlässen 726,
durch bi-direktionalen Betrieb des Biegebetätigers 704.
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Im
Betrieb wird ein Steuersignal einer vorbestimmten Grösse für eine vorbestimmte
Zeitdauer an den Biegebetätiger 704 gelegt,
um zu bewirken, dass sich der Biegebetätiger 704 axial verschiebt,
d.h. sich abflacht. Das Ausmaß der
axialen Verschiebung des Abschlußkopfs 730 vom Ventilsitz 732 wird
genau gesteuert durch ein Steuersignal, welches von einem Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) an den Biegebetätiger 704 angelegt
wird. Das Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) kann einen programmierbaren Timer bzw. Zeitgeber
einschließen,
um die Zeitdauer zu steuern, für
welche das Steuerventil 728 in der offenen Position gehalten
wird. Ein Strömungsmittel-Drucksensor (nicht
gezeigt) kann mit dem Einlaß-Strömungsmitteldurchlaß 724 verbunden
bzw assoziiert sein und an das Betätigersteuersystem (nicht gezeigt)
gekoppelt sein, um den Strömungsmitteldruck
innerhalb des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 724 zu überwachen.
Alternativ dazu kann der Biegebetätiger 704 als ein
Drucksensor benutzt werden, so dass der Biegebetätiger 704 eine Spannungs-
oder Stromausgabe hat, welche im Allgemeinen proportional zum Strömungsmitteldruck
innerhalb des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 724 ist.
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Das
Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) ist so programmiert, dass es das Steuerventil 728 öffnet, so
dass ein vorbestimmtes Strömungsmittelvolumen durch
die Auslass-Strömungsmitteldurchlässe 726 zugemessen
wird. Wie gewöhnliche
Fachleute erkennen werden, wird das zugemessene Volumen bestimmt
durch den Strömungsmitteldruck
innerhalb des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 724 und durch
die Zeitdauer für
die das Steuer ventil 728 durch den Biegebetätiger 704 geöffnet wird.
-
Bezugnehmend
auf 24 ist nun ein Abblas- oder Reduzierventil 800 gemäß der Prinzipien der
vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel schließt das Abblas-
oder Reduzierventil 800 einen Einlass-Strömungsmitteldurchlass 802 ein,
der mit einem unter Druck stehenden Strömungsmittelsystem 804 und
einem oder mehreren Auslass-Strömungsmitteldurchlässen 806 (zwei
gezeigt) in Verbindung steht. Ein Steuerventil 808 versiegelt
die Auslass-Strömungsmitteldurchlässe 806 selektiv
gegenüber
dem Einlass-Strömungsmitteldurchlass 802,
wenn ein Abschlußkopf 810 des
Steuerventils 808 mit einem Ventilsitz 812 in
Eingriff tritt. Der Abschlußkopf 810 des
Abblas- oder Reduzierventils könnte
vom Typ eines gewinkelten Sitzes, vom Typ eines flachen Sitzes,
vom Nadelventiltyp, Spulenventiltyp, Tellerventiltyp oder von anderen Ventiltypen
sein, die den Fachleuten bekannt sind.
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Ein
Ende des Steuerventils 808, welches vom Abschlußkopf 810 entfernt
ist, ist auf eine Weise direkt mit einem Biegebetätiger 814 verbunden,
die oben im Detail beschrieben wurde. Andere Montierungen des Biegebetätigers 814 und
des Steuerventils 808 sind ebenfalls möglich, ohne vom Geist und Umfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Steuerventil 808 ist
für Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
montiert, zum selektiven Öffnen
und Schließen
eines Strömungsmitteldurchlasses,
zwischen dem Einlass-Strömungsmitteldurchlass 802 und
den Auslass-Strömungsmitteldurchlässen 806, durch
bi-direktionalen Betrieb des Biegebetätigers 814. Wie unten
im Detail beschrieben wird, wird in einem Ausführungsbeispiel in dem das Steuerventil 808 ein
Abblasventil ist, das Steuerventil 808 selektiv geöffnet, um
Druckextrema im unter Druck gesetzten System 804 zu vermeiden.
Alternativ dazu wird in einem Ausführungsbeispiel, in welchem
das Steuerventil 808 ein Reduzierventil ist, das Steuerventil 808 selektiv
geöffnet,
um einen reduzierten Strömungsmitteldruck
in den Auslass-Strömungsmitteldurchlässen 806 vorzusehen,
so wie zum Beispiel für
die Benutzung in Bremsensystemen, Differentalsperren, Leistungsabnahme-Klauen
bzw. -Kupplungen und anderen Systemen, welche einen gesteuerten
Strömungsmitteldruck
innerhalb des Systems erfordern.
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Im
Betrieb kann der Biegebetätiger 814 als ein
Drucksensor benutzt werden, so dass der Biegebetätiger 814 eine Spannungs-
oder Stromausgabe hat, welche im Allgemeinen proportional zum Strömungsmitteldruck
innerhalb des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 802 und
des unter Druck gesetzten Systems 804 ist. Alternativ dazu
könnte
ein separater Drucksensor (nicht gezeigt) benutzt werden. Ein Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) empfängt
die Druckinformation vom Biegebetätiger 814 oder einem
separaten Drucksensor (nicht gezeigt) und öffnet das Steuerventil 808 durch
ein Steuersignal von vorbestimmter Größe, so dass entweder extreme Drücke im unter
Druck gesetzten System vermieden werden, oder alternativ der Strömungsmitteldruck
im Strömungsmittelauslass 806 auf
einen vorbestimmten Druck reduziert wird. In einem Ausführungsbeispiel,
wo das Steuerventil 808 ein Abblasventil ist, wird nachdem
der Strömungsmitteldruck
erleichtert bzw. reduziert ist, das Steuersignal entweder unterbrochen,
oder die Polarität
des Steuersignals wird umgekehrt, um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 814 in
seine kuppelförmige
Konfiguration, wie in 24 gezeigt, zurückkehrt,
um den Abschlußkopf 810 auf
den Ventilsitz 812 aufzusetzen. In einem Ausführungsbeispiel,
in dem das Steuerventil 808 ein Reduzierventil ist, wird
das Steuersignal eingestellt, um den Strömungsmitteldurchlass zwischen
dem Einlass – Strömungsmitteldurchlass 802 und
den Auslass – Strömungsmitteldurchlässen 806 zu öffnen oder
zu begrenzen.
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Bezugnehmend
auf 25 ist nun ein Direktventil 900 vorgesene,
in Form einer piezoelektrischen Einrichtung, so wie zum Beispiel
eines piezoelektrischen Biegebetätigers 902,
wie oben um Detail beschrieben, um eine Strömungsmittelapertur bzw eine
Strömungsmittelöffnung 904 selektiv
zu öffnen und
zu schließen.
Der Biegebetätiger 902 wird
auf einem Träger
bzw einer Halterung getragen, die schematisch bei 906 gezeigt
ist, welche ein Strömungsmittelsiegel
um den gesamten Umfang bzw. die gesamte Peripherie des Biegebetätigers 902 herum
bildet. Der Biegebetätiger 902 und
das Strömungsmittelsiegel
um die gesamte Peripherie des Biegebetätigers 902 herum bilden
eine Strömungsmittelkammer 908,
welche mit der Strömungsmittelöffnung 904 und
den Strömungsmitteldurchlässen 910 in
Verbindung steht. Zusätzliche
Strömungsmittelöffnungen (nicht
gezeigt) können
mit der Strömungsmittelkammer 908 in
Verbindung stehen.
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Der
Biegebetätiger 902 kann
eine zylindrische oder scheibenförmige
Konfiguration haben und kann mit einem isolierenden und/oder auf
andere Weise schützenden
Material beschichtet sein, wie im Gebiet wohl bekannt ist.
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In
einem ausgeschalteten oder statischen Zustand, ist der Biegebetätiger 902 vorzugsweise
so vorbelastet, dass er eine kuppelförmige Konfiguration, wie in 25 gezeigt
hat, so dass die Strömungsmittelöffnung 904 geöffnet ist.
Wenn die Elektroden (nicht gezeigt) des Biegebetätigers 902 eingeschaltet
werden, um den Biegebetätiger 902 in
einen betätigten
Zustand zu versetzen, so wie zum Beispiel wenn ein Spannungs- oder
Stromsteuersignal durch ein Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) angelegt wird, verschiebt sich der Biegebetätiger 902 axial,
indem er sich aus der kuppelförmige
Konfiguration abflacht, um sich direkt mit der Strömungsmittelöffnung 904 zu
versiegeln, um den Fluss von Strömungsmittel
von der Strömungsmittelkammer 908 zu
den Strömungsmitteldurchlässen zu
verhindern. Natürlich könnten die
Orientierung und der Betrieb des Biegebetätigers 902 so verändert werden,
dass der Biegebetätiger 902 die
Strömungsmittelöffnung 904 in
seinem statischen oder nicht betätigten
Zustand direkt versiegelt und die Strömungsmittelöffnung 904 in seinem
betätigten
Zustand öffnet.
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Mit
Bezug auf 26–27 werden
nun Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer 1000a und 1000b gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Einspritzer 1000a schliesst
einen Ventilkörper 1002 ein,
welcher einen axialen Strömungsmitteldurchlass 1004 und
mehrere Strömungsmitteldurchlässe 1006 hat,
welche sich durch den Ventilkörper 1002 erstrecken,
die zwischen einem Einlass 1008 und einer Strömungsmittelkammer 1010,
welche in der Einspritzerspitze 1012 gebildet ist, in Verbindung
stehen. Ein sich auswärts öffnendes
langgestrecktes Kontrollventil 1014 ist so montiert, dass
es sich axial durch den Ventilkörper 1012 erstreckt
und schliesste einen Abschlusskopf 1016, der normalerweise
in einem konisch geformten Ventilsitz 1018 sitzt, um eine
Strömungsmittelöffnung 1020 zu
verschliessen, die am entfernten Ende der Einspritzerspitze 1012 gebildet
ist. Das Kontrollventil 1014 ist in seine geschlossenen
Position vorgespannt, durch ein Vorspannelement, so wie zum Beispiel
eine Rückstellfeder 1022,
die auf einen ringförmigen Flansch 1024 wirkt,
der sich vom Kontrollventil 1014 radial auswärts erstreckt.
Der ringförmige
Flansch 1024 schliesst mehrere Aperturen bzw. Öffnungen 1026 ein,
welche Strömungsmittelfluss
vom axialen Strömungsmitteldurchlass 1004 zur
Strömungsmittelkammer 1010 gestatten.
Obwohl es nicht gezeigt ist, erkennt man, dass in einem alternativen
Ausführungsbeispiel
das Strömungsmittel
um den ringförmigen
Flansch 1024 herum abgelenkt werden kann bzw. geleitet
werden kann, durch einen oder mehrere Strömungsmitteldurchlässe im Ventilkörper 1002 (nicht
gezeigt). Das Kontrollventil 1014 ist für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung innerhalb des Ventilkörpers 1002 montiert,
um die Öffnung 1020 während eines
Einspritzzyklusses selektiv zu öffnen
und zu schliessen.
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Im
Ausführungsbeispiel
von 26 tritt ein Ende des Kontrollventils 1014,
das entfernt vom Abschlusskopf 1016 ist, mit wenigstens
einem Biegebetätiger 1028 in
Eingriff, so wie zum Beispiel mit einem vorbelasteten elektroaktiven
Biegebetätiger,
welcher thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorbelastet
sein kann, wie oben im Detail beschrieben wurde. Das Kontrollventil 1014 steht
bzw. tritt mit dem Biegebetätiger 1028 in
Eingriff, sodass das Kontrollventil 1014 sich bei axialer
Verschiebung des Biegebetätigers 1028 aus
der kuppelförmigen
oder nicht betätigten
Konfiguration, die in 26 gezeigt ist, in eine abgeflachte
oder betätigte
Position (nicht gezeigt) innerhalb des Ventilkörpers 1002 axial bewegen
wird.
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Der
Biegebetätiger 1028 kann
eine rechteckige Konfiguration haben, wie in 19 gezeigt,
obwohl andere Konfigurationen ebenso möglich sind. Der Biegebetätiger 1028 kann
mit einem elektrisch isolierenden und/oder auf andere Weise schützenden
Material beschichtet sein, wie im Gebiet wohl bekannt ist. Der Biegebetätiger 1028 kann
eine Vielzahl von Biegebetätigern
(die parallel oder in Reihe konfiguriert sind) aufweisen, welche
individuell gestapelt sind, oder zusammen in ein einziges vielschichtiges Element
verbunden sind. Obwohl es nicht gezeigt ist, werden gewöhnliche
Fachleute erkennen, dass mehrere Biegebetätiger 1028 parallel
innerhalb des Ventilkörpers 1002 montiert
sein können,
um die Kraft zu erhöhen,
die durch die Biegebetätiger 1028 an
das Kontrollventil 1014 angelegt wird, als Antwort auf
ein Steuersignal, welches durch das ECM (nicht gezeigt) durch elektrische
Leitungen 1030 (eine gezeigt) angelegt wird. Alternativ
können
die Biegebetätiger 1028 in
Reihe montiert sein, um den Hub des Kontrollventils 1014 bei
axialer Verschiebung des Biegebetätigers 1028 als Antwort
auf das Steuersignal zu erhöhen.
Der Biegebetätiger 1028 ist
innerhalb des Ventilkörpers 1002 durch
einen Festklemm- und Lastringaufbau montiert, der schematisch bei 1023 gezeigt
ist, wie oben im Detail in Verbindung mit 7A, 7B, 8 und 11 beschrieben wurde.
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Im
Betrieb des Direkteinspritzungs-Benzineinspritzers 1000a von 26 spannt
die Rückstellfeder 1022 das
sich auswärts öffnende
Kontrollventil 1014 in eine geschlossene Position vor,
sodass der Abschlusskopf 1016 in dem konisch geformten
Ventilsitz 1018 sitzt, um die Öffnung 1020 zu verschliessen.
Kraftstoff wird zur Kammer 1010 durch den axialen Strömungsmitteldurchlass 1004 und
die mehrfachen Öffnungen 1026 geliefert,
die im ringförmigen Flansch 1024 gebildet
sind. Während
eines Einspritzzyklus liegt das ECM (nicht gezeigt) ein Steuersignal an
den Biegebetätiger 1028,
welches bewirkt, dass sich der Biegebetätiger 1028 verformt
oder sich axial verschiebt, indem er sich abflacht. Wenn der Biegebetätiger 1028 sich
als Antwort auf ein Steuersignal abflacht, wird das Kontrollventil 1014 vermittels
seines in Eingriff stehens mit dem Biegebetätiger 1028 vom konisch
geformten Ventilsitz 1018 gegen die Kraft der Rückstellfeder 1022 weggeschoben
bzw. weggestossen, um die Öffnung 1020 für ein Einspritzen
von Kraftstoff zu öffnen.
Nachdem der Einspritzzyklus komplett ist, wird das Steuersignal
entweder unterbrochen, oder die Polarität des Steuersignals wird umgekehrt,
um zu bewirken, dass der Biegebetätiger 1028 in seine
kuppelförmige
Konfiguration, wie in 26 gezeigt, zurückkehrt.
Die Rückstellfeder 1022 unterstützt bzw.
hilft beim Zurückbringen des
Kontrollventils 1014 in seine geschlossene Position, sodass
der Abschlusskopf 1016 mit dem konisch geformten Ventilsitz 1018 in
Eingriff tritt, um die Öffnung 1020 zu
versiegen.
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Bezugnehmend
auf 27 wird nun ein Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer 1000b gemäß einem
alternativen, zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Zahlen, gleiche
Teile des Benzineinspritzers 1000a von 26 repräsentieren.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist das langgestreckte Kontrollventil 1014 auf feste Weise
mit dem Biegebetätiger 1028 verbunden in
einer Art und Weise, wie sie oben im Detail beschrieben wurde, sodass
der bi-direktionale Betrieb des Biegebetätigers 1028 benutzt
wird, um das Kontrollventil 1014 sowohl in seine offenen
als auch seine geschlossenen Positionen zu bewegen. Die feste Ver bindung
des Kontrollventils 1014 mit dem Biegebetätiger 1028 erlaubt
es, dass die Rückstellfeder 1022 eliminiert
wird, sodass der Biegebetätiger 1028 die
notwendige Kraft vorsieht, um das Kontrollventil 1014 in
seine geschlossene Position zurückzubringen.
Wie oben im Detail beschrieben wurde, kann die Federrate des Biegebetätigers 1028 eingestellt
werden, durch den Festklemm- und Lastringaufbau 1032, um
das Kontrollventil 1014 gegen den konisch geformten Ventilsitz 1018 vorzubelasten
bzw. vorzuspannen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer 100a–100e der vorliegenden
Erfindung können
Vorteile gegenüber
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzern gemäß dem Stand der Technik haben.
In jedem der Ausführungsbeispiel
von 1–4 steuert
der Biegebetätiger 122 direkt
das Öffnen
und Schliessen des langgestreckten Nadelventils 110 und
des Kontrollventils 138. Daher wird die hydraulische Steuerkammer,
welche normalerweise mit Common-Rail-Kraftstoffeinspritzern verbunden bzw.
assoziiert ist, eliminiert. Dies entfernt bzw. beseitigt eine Quelle
von Variabilität
im Betriebe von Common-Rail-Kraftstoffeinspritzern 100a–100d und
resultiert in präziserer
und genauerer Steuerung der Kraftstoffzumessung während eines
Einspritzzyklusses. Im Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer 100e steuert
der Biegebetätiger 122 das Öffnen und Schliessen
des Steuerventils 170, um die Steuerströmungsmittelkammer 156 selektiv
mit dem Abfluss 171 in Verbindung zu stellen. Dies resultiert
in einer präziseren
und genaueren Steuerung der Kraftstoffzumessung während eines
Einspritzzyklusses, als sie durch Ventile vorgesehen wird, die durch
einen Magneten, einen piezoelektrischen Stack bzw. Stapel oder eine
magnetorestrektive Stange betätigt werden,
die in Common-Rail-Kraftstoffeinspritzern gemäß dem Stand
der Technik gefunden werden.
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Der
verbesserte, elektrohydraulische Betätiger 310 gemäß der vorliegenden
Erfindung, benutzt einen Biegebetätiger 312 als eine
mechanische Leistungsquelle. Der Biegebetätiger 312 ist physikalisch bzw.
körperlich
klein, verbraucht wenig Leistung, hat sehr schnelle Antwortzeiten
und hat einen proportional steuerbaren bi-direktionalen Betrieb.
Daher ist der elektrohydraulische Betätiger 310 relativ
klein, hat hervorragende bzw. grosse Flexibilität und ist leistungseffizient.
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Darüber hinaus
sieht die Benutzung des Biegebetätigers 312 im
elektrohydraulischen Betätiger 310 signifikante
Vorteile gegenüber
elektrischen Magneten vor. Zuerst sieht die kleine Masse und die niedrige
Trägheit
des Biegebetätigers 312 ihn
mit extrem schnellen Antwortzeiten vor, so wie zum Beispiel mit
ungefähr
150 Mikrosekunden. Die schnelle Antwortzeit erlaubt eine schnelle
Umschaltzeit des Tellers 330 ebenso wie der Einrichtung 315.
Daher erlaubt die sehr schnelle Antwortzeit des elektrohydraulischen
Betätigers 310 es,
dass der elektrohydraulische Betätiger 310 in
einem weiten Bereich von Anwendungen benutzt wird.
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Der
Biegebetätiger 312 hat
einen weiteren Vorteil, dass er die Fähigkeit zu proportionalem bi-direktionalem
Betrieb besitzt. Daher kann der Teller 330 mittels unterschiedlicher,
so wie zum Beispiel positiver und negativer Befehlssignale, in beide
Richtungen bewegt werden. Dies erlaubt entweder die Eliminierung
einer Rückstellfeder 346 oder
die Benutzung einer wesentlich kleineren Rückstellfeder 346. Darüber hinaus
sieht die Fähigkeit
zur Proportionalen bi-direktionalen Steuerung einen elektrohydraulischen
Betätiger 310 vor,
der die Fähigkeit
hat, die Geschwindigkeit des Tellers 330 und des Ventils 314, welches
hydraulisch mit dem Teller 330 verbunden ist, einzustellen.
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Der
Biegebetätiger 312 hat
noch einen weiteren Vorteil dahingehend, dass er beträchtlich
weniger Leistung verbraucht, bzw zieht, als ein Elektromagnet. Darüber hinaus
verbraucht ein Biegebetätiger 312 wegen
seines kapazitiven Verhaltens während einer "Halte-" Periode keine Leistung,
wo die Betätigung
für eine
relativ lange Zeitperiode aufrecht erhalten wird.
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Zusätzlich können mehrere
Biegebetätiger 312 leicht
in einer gestapelten, parallelen Weise kombiniert werden, um eine
Kraft vorzusehen, welche ungefähr
linear mit der Zahl der Betätiger
im Stapel bzw. Stack zusammenhängt.
Zusätzlich
können
die Betätiger
auf eine serielle Weise kombiniert werden, um die Größe des Hubs,
das heisst die Verschiebung zu erhöhen. Sogar in einer gestapelten
Anordnung sind Betätiger
relativ klein und beanspruchen weniger Platz als Elektromagnete
und piezoelektrische Stapel.
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Der
Kraftstoffeinspritzer 412 der vorliegenden Erfindung sieht
gegenüber
Magnet-gesteuerten Kraftstoffeinspritzern gemäß dem Stand der Technik viele
Vorteile vor. Zum Beispiel ist es oft schwierig, die Bewegung der
Magnet-gesteuerten Kraftstoffeinspritzerventile durch Steuersignale,
die an den Magneten angelegt werden, genau zu steuern, besonders
wenn Zwischenpositionierung des Magnet-gesteuerten Ventils erwünscht ist,
so wie zum Beispiel jeweils beim Betrieb der Teller- und Spulenventile 420 und 421.
Faktoren, so wie zum Beispiel induktive Verzögerungen, Leckströme und Variabilität in den Komponenten
(d. h. Feder-Vorlasten, Magnetkraftcharakteristiken und variierende
Strömungsmittelflusskräfte) müssen in
einem Magnetgesteuerten Kraftstoffeinspritzerentwurf alle in Betracht
gezogen werden. Weiterhin begrenzt die Antwortzeit von Magneten
die minimalen möglichen
Haltezeiten zwischen mehreren Einspritzereignissen und macht den
Kraftstoffeinspritzer im Allgemeinen empfänglicher für verschiedene Quellen von
Variabilität.
Darüber
hinaus erhöhen
die Komponenten eines Magneten im Allgemeinen die Gesamtmasse und
die Leistungsanforderungen eines Magnetgesteuerten Kraftstoffeinspritzersystem.
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Der
vorbelastete Biegebetätiger 419 der
vorliegenden Erfindung eliminiert die Nachteile bekannter Magnet-gesteuerter
Ventile, indem er schnelle, genaue und wiederholbare gesteuerte
Bewegung der Teller- bzw. Spulenventile 420 und 421 vorsieht,
zwischen ihren offenen, teilweise offenen und geschlossenen Positionen.
Der Biegebetätiger 419 der
vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen eine proportionale Einrichtung
von niedrigem Gewicht, welche einen Ausgabe-Hub hat, der proportional
zum Eingangssteuersignal ist. Genaue, wiederholbare bi-direktionale
Bewegung der Teller- bzw. Spulenventile 420 und 421 wird
einfach gesteuert, indem die Grösse
und die Polarität
des Steuersignals, das an den Biegebetätiger 419 angelegt
wird, variiert wird. Darüber
hinaus hat der Biegebetätiger 419 der
vorliegenden Erfindung eine schnelle Antwortzeit, sodass die Halte-
bzw. Verweilzeit zwischen mehreren Einspritzereignissen reduziert
werden kann, wobei er auch die Variabilität von Einspritzereignis zu
Einspritzereignis reduziert. Darüber
hinaus wirkt der vorbelastete Biegebetätiger 419 als eine
kapazitive Last und wird für
eine Zeitperiode nachdem das ECM-Steuersignal beendet ist in seiner
betätigten
Position verbleiben, anders als ein Magnet, welcher ein kontinuierliches
Spannungssignal während
seiner Betätigungsphase
benötigt.
Daher ist der Kraftstoffeinspritzer 412 der vorliegenden
Erfindung im Allgemeinen leichter und erfordert weniger Leistung
für den
Betrieb als magnetisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzer der Vergangenheit.
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Benzinanschlusseinspritzer 600a und 600b haben
den Vorteil, dass das Nadelventil 612, welches benutzt
wird, um die Strömungsmittelöffnung 618 zu öffnen und
zu schliessen, durch den vorbelasteten Biegebetätiger 622 gesteuert
wird, welcher all die Vorteile hat, die oben im Detail mit den Biegebetätigern 312 und 419 beschrieben
wurden.
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In
den Strömungsmittelzumessventilen 700a und 700b sieht
der Biegebetätiger 704 sehr
genaue und wiederholbare bi-direktionale Bewegung der Plunger-Kolben 702 und 718 in
den Strömungsmittel-Reservoirkammern 708 vor,
um präzise
Zumessung von Strömungsmittel
vom Auslass-Kontrollventil 712 vorzusehen.
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Im
Strömungsmittelzumessventil 700c wird die
axiale Bewegung des Biegebetätigers 704 genau gesteuert,
um den Strömungsmitteldruck
in der Strömungsmittel-Reservoirkammer 708 und
der versiegelten Strömungsmittelkammer 722 zu
erhöhen.
Die Erhöhung
des Strömungsmitteldrucks
wird genau gesteuert, um ein Volumen von Strömungsmittel durch das Auslass-Kontrollventil 712 zuzumessen.
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Im
Strömungsmittelzumessventil 700d wird der
Biegebetätiger 704 benutzt,
um die Position des Steuerventils 728 relativ zum Ventilsitz 732 zu
steuern. Der programmierbare Zeitgeber bzw. Timer, der mit dem Betätigersteuersystem
gekoppelt ist, steuert die Zeitdauer während der das Steuerventil 728 geöffnet ist,
während
der Strömungsmitteldrucksensor, der
mit dem Einlass-Strömungsmitteldurchlass 724 verbunden
ist bzw. zu diesem gehört,
und mit dem Betätigersteuersystem
gekoppelt ist, den Kraftstoffdruck innerhalb des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 724 überwacht.
Das Strömungsmittelvolumen,
welches durch das Zumessventil 700d zugemessen wird, wird
durch den Strömungsmitteldruck innerhalb
des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 724 und
die Zeitdauer, während
der das Steuerventil 728 durch den Biegebetätiger 704 geöffnet wird,
bestimmt.
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Im
Abblas- oder Reduzierventil 800 wird der Biegebetätiger 814 benutzt,
um die Position des Steuerventils 808 zu steuern. Das Steuerventil 808 steuert
die Verbindung des Einlass-Strömungsmitteldurchlasses 802 und
des Auslass-Strömungsmitteldurchlasses 806.
In einem Ausführungsbeispiel,
indem das Steuerventil 808 ein Abblasventil ist, wird das
Steuerventil 808 selektiv geöffnet, um Druckextrema im unter
Druck stehenden System 804 zu ver meiden. Alternativ wird
in einem Ausführungsbeispiel,
in welchem das Steuerventil 808 ein Reduzierventil ist,
das Steuerventil 808 selektiv geöffnet, um einen reduzierten
Strömungsmitteldruck
in den Auslass-Strömungsmitteldurchlässen 806 vorzusehen.
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Im
Direktventil 900 wird der Biegebetätiger 902 benutzt,
um die Strömungsmittelöffnung bzw. -apertur 904 selektiv
zu öffnen
und zu schliessen. In einem abgeschalteten oder statischen Zustand
ist der Biegebetätiger 902 vorzugsweise
so vorbelastet, dass er eine kuppelförmige Konfiguration hat, so
wie in 25 gezeigt, sodass die Strömungsmittelöffnung 904 geöffnet ist.
Wenn die Elektroden (nicht gezeigt) des Biegebetätigers 902 eingeschaltet
werden, um den Biegebetätiger 902 in
einen betätigten
Zustand zu versetzen, so wie zum Beispiel, wenn durch ein Betätigersteuersystem
(nicht gezeigt) ein Spannungs- oder Stromsteuersignal angelegt wird,
verschiebt sich der Biegebetätiger 902 axial,
indem er sich aus der kuppelförmigen
Konfiguration abflacht, um direkt mit der Strömungsmittelöffnung 904 zu versiegeln,
um Fluss von Strömungsmittel
von der Strömungsmittelkammer 908 zu
den Strömungsmitteldurchlässen 910 zu
verhindern.
-
Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer 1000a und 1000b haben
den Vorteil, dass das Kontrollventil 612, welches benutzt
wird, um die Strömungsmittelöffnung 1020 zu öffnen und
zu schliessen, durch den vorbelasteten Biegebetätiger 1028 gesteuert
wird, welcher alle Vorteile hat, die oben im Detail in Verbindung
mit den Biegebetätigern 312 und 419 beschrieben
wurden.
-
Während die
vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele
illustriert bzw. dargelegt worden ist, und während diese Ausführungsbeispiele
in beträchtlichem Detail
beschrieben worden sind, ist es nicht die Absicht des Anmelders,
den Umfang der angehängten Ansprüche zu beschränken oder
auf eine beliebige andere Weise auf solche Details zu begrenzen.
Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen werden den Fachleuten leicht klar werden.
Die Erfindung ist daher in ihren breiteren Aspekten nicht auf die
speziellen Details, die repräsentative
Vorrichtung und das Verfahren und das illustrative Beispiel, welche
gezeigt und beschrieben wurden, begrenzt. Dementsprechend können Abweichungen
von solchen Details gemacht werden, ohne vom Geist oder Umfang des allgemeinen
Erfindungskonzepts des Anmelders abzuweichen.
-
Zusammenfassung
-
Ein
Ventilsystem, welches ein Ventil hat, dass durch eine piezoelektrische
Einrichtung betrieben wird, um den Fluss bzw. die Strömung von
Strömungsmittel
durch das Ventilsystem zu steuern. Die Bewegung des Ventils wird
durch einen vorbelasteten Biegebetätiger gesteuert, der seine
Form ändert, indem
er sich als Antwort auf ein Steuersignal, welches durch ein Betätigersteuersystem
angelegt wird, in entgegengesetzte, axiale Richtungen verformt. Das
Ventilsystem kann einen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzer, ein elektrohydraulisches
Betätigersystem,
einen elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzer, einen Benzinanschlußeinspritzer,
ein Strömungsmittelzumessventil,
ein Abblasventil, ein Reduzierventil, ein Direktventil oder einen
Direkteinspritzungs-Benzineinspritzer aufweisen..