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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Kraftstoffsysteme
für Kompressionszündungsmaschinen und genauer
auf einen mit zwei Leitern elektronisch gesteuerten Druck erhöhten
Kraftstoffinjektor für ein Common Rail Kraftstoffsystem.
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Hintergrund
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Ingenieure
suchen beständig nach Wegen, Kraftstoffsysteme für
Kompressionszündungsmaschinen auf eine Weise zu betreiben,
die Emissionen vermindert, ohne den Wirkungsgrad zu verschlechtern.
Eine Strategie, die in dieser Beziehung bemerkenswert erfolgreich
war, ist die Einführung elektronisch gesteuerter Injektoreinheiten,
die ermöglichen, den Zeitablauf und die Menge der Kraftstoffeinspritzung
unabhängig vom Kurbelwellenwinkel zu steuern. Diese Entwicklungslinien
wurden bis zu dem Punkt fortgesetzt, dass mehrere Kraftstoffinjektoren zwei
oder mehr getrennte elektrische Aktoren enthalten, um eine große
Vielfalt an Kraftstoffeinspritzmöglichkeiten zu schaffen.
Diese erweiterten Möglichkeiten können eine noch
umfassendere Steuerung der Zeitpunkte, der Menge, des Einspritzgeschwindigkeitsverlaufes,
der Einspritzdrücke und weiterer Faktoren, die im Stand
der Technik bekannt sind, erlauben, um noch geringere Emissionen über
den Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine zu erzielen. Beispielsweise
offenbart das
US-Patent 6,725,838 derselben
Eigentümerin ein Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem jeder
Kraftstoffinjektor zwei getrennte elektrische Aktoren, eine Direktsteuernadel
und einen Druckerhöherkolben aufweist, so dass Kraftstoff mit
hohem und sogar höheren Kraftstoffeinspritzdrücken
eingespritzt werden kann. In dem offenbarten System kann der Zeitablauf
unabhängig vom Kraftstoffdruck etwas gesteuert werden,
und verschiedene Spritzmuster ermöglichen eine große
Vielfalt von Kraftstoffeinspritzstrategien, um Emissionen zu vermindern,
ohne Wirkungsgrad zu opfern. Eine andere mit dem oben genannten
Kraftstoffeinspritzsystem und vielen anderen derzeit verwendeten
Kraftstoffeinspritzsystemen verfolgte Strategien liegt darin, nach
immer höheren Einspritzdrücken zu streben, indem
eine Strategie mit einem gemeinsamen, unter Druck gesetzten Kraftstoffverteilerrohr
und/oder eine Druckerhöhung innerhalb der einzelnen Kraftstoffinjektoren
verwendet wird. Beispielsweise zeigen sowohl das '838 Patent als
auch das
US-Patent 6,453,875 Kraftstoffeinspritzsysteme,
die eine gemeinsame unter Druck gesetzte Kraftstoffleiste verwenden,
die eine Einspritzung bei Leistendruck ermöglichen und
weiter eine Druckerhöhungstrategie bereitstellen, die eine
Einspritzung des Kraftstoffes bei deutlich höherem Druck
ermöglichen, indem ein Druckerhöherkolben innerhalb
der einzelnen Kraftstoffinjektoren während eines Einspritzvorgangs
bewegt wird. Während diese ziemlich komplizierten Kraftstoffeinspritzsysteme
ein sich ständig erweiterndes Bündel von Kraftstoffeinspritzmöglichkeiten
anzubieten scheinen, tendieren sie dazu schwierig in gleich bleibender
Qualität herstellbar zu sein, fügen den Steuersystemen
zusätzlich Komplexität zu und müssen
noch ihre Langzeitverlässlichkeit und Robustheit nachweisen,
wie sie in der Vergangenheit von einfachen Kraftstoffeinspritzsystemen
nachgewiesen wurde.
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Ein
Problem, das Common Rail Einspritzsystem häufig geplagt
hat, ist Leckage. Fachleute wissen, dass das Aufwenden von Energie
zum unter Druck setzen von Kraftstoff in einer Verteilerleiste auf Einspritzdruckniveau
und ein anschließendes Verlieren jeglicher deutlicher Menge
des unter Druck gesetzten Kraftstoffes durch Leckage ineffizient
ist. Leckage kann häufig in Kraftstoffinjektoren auftreten,
in denen ein Niederdruckraum von einem Hochdruckraum durch eine
Führungsfläche getrennt ist, wie sie beispielsweise mit
einem Nadelventil oder einem Plunger verbunden ist. Leckage kann
bisweilen zwischen Einspritzereignissen aufgrund von Kraftstoffinjektorstrukturen
auftreten, die zwischen Einspritzereignissen nur einen Teil des
Kraftstoffinjektors unter Druck halten. In anderen Fällen,
wie beispielsweise dem, der in dem direkt gesteuerten Nadelventil
auftritt, das in dem '875-Patent offenbart ist, ist Leckage eine
akzeptierte Folge der Ausführung eines Einspritzereignisses.
Beispielsweise öffnen und schließen einige Kraftstoffinjektoren
ihre Nadeln zum Öffnen und Schließen ihrer Düsenauslässe,
indem die Hochdruckverteilerleiste über einen Nadelspitzenhohlraum
direkt mit einer Niederdruckableitung während eines Einspritzereignisses
verbunden wird. Während die Verwendung sogenannter A und
Z-Öffnungen die zur Durchführung der Steuerfunktion
erforderlichen Leckageraten vermindern können, bedeutet
die Leckage dennoch eine deutliche Ineffektivität im Betrieb bestimmter
Kraftstoffeinspritzsysteme.
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Ein
anderer Typ eines Druck erhöhten Kraftstoffeinspritzsystems,
das Robustheit und bemerkenswerten Erfolg über viele Jahre
nachgewiesen hat, ist in dem Patent 5,121,730 derselben Eigentümerin
offenbart. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem verwendet unter mittleren
Druck stehendes Öl, um einen Druckerhöherkolben
zu drücken, um Kraftstoff auf Einspritzpegel unter Druck
zu setzen. Obwohl diese Art von Kraftstoffeinspritzsystemen während
vieler Jahre sehr gut funktioniert hat, scheint keine Möglichkeit
zu bestehen, die ständig höher werdenden Einspritzdruckpegel
zu erreichen, die derzeit von der Industrie gefordert werden. Weiter
müssen Viskositätsänderungen des Öls
bei extremen Temperaturen, beispielsweise beim Kaltstart, kompensiert
werden. Zusätzlich hat das offenbarte System den Nachteil, dass
zwei getrennte Fluidkreise aufrecht erhalten werden müssen,
einer ist dem Betätigungsfluid (Öl) zugeordnet
und ein anderer ist dem zwischen den Kraftstoffinjektoren zirkulierenden
Kraftstoff zugeordnet.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der vorstehend
beschriebenen Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt enthält ein Kraftstoffinjektor einen Druckerhöhersteuerhohlraum,
einen Plungerhohlraum, einen Betätigungshohlraum, einen Nadelspitzenhohlraum
und einen Düsenhohlraum, die in einem Injektorkörper
angeordnet sind, der einen Hochdruckeinlass, einen Niederdruckabfluss und
einen Düsenauslass definiert. Eine Nadel trennt fluidmäßig
einen Nadelspitzenhohlraum von dem Düsenhohlraum und ist
zwischen einer ersten Stellung, in der der Düsenauslass
in Fluidverbindung mit dem Düsenhohlraum ist, und der zweiten
Stellung beweglich, bei der der Düsenhohlraum von dem Düsenauslass
abgetrennt ist. Ein Druckerhöher trennt fluidmäßig
den Druckerhöhersteuerhohlraum, den Plungerhohlraum und
den Betätigungshohlraum voneinander. Ein elektronisches
Steuerventil ist zumindest teilweise in dem Injektorkörper
angeordnet und zwischen einer ersten Stellung, in der der Druckerhöhersteuerhohlraum
fluidmäßig mit dem Hochdruckeinlass verbunden
ist, und einer zweiten Stellung beweglich, in der der Druckerhöherhohlraum
fluidmäßig mit dem Niederdruckabfluss verbunden
ist. Ein Absperr -bzw. Rückschlagventil trennt den Hochdruckeinlass
fluidmäßig von dem Plungerhohlraum. Unversperrte
Kanäle verbinden fluidmäßig den Nadelspitzenhohlraum
und den Betätigungshohlraum mit dem Hochdruckeinlass.
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Gemäß einem
anderen Aspekt enthält ein Kraftstoffeinspritzsystem eine
Hochdruckverteilerleiste, ein Niederdruckreservoir und eine Mehrzahl von
Kraftstoffinjektoren, von denen jeder einen Nadelspitzenhohlraum
und einen Betätigungshohlraum enthält, die fluidmäßig über
unversperrte Kanäle mit der Hochdruckverteilerleiste verbunden
sind. Jedem Kraftstoffinjektor ist ein elektronisches Steuerventil zugeordnet,
das zwischen einer ersten Stellung, in der der Druckerhöhersteuerhohlraum
fluidmäßig mit der Hochdruckverteilerleiste verbunden
ist, und einer zweiten Stellung beweglich ist, in der der Druckerhöhersteuerhohlraum
fluidmäßig mit dem Niederdruckreservoir verbunden
ist. Jeder Kraftstoffinjektor enthält einen Druckerhöher
und eine Nadel mit entgegengesetzten hydraulischen Oberflächen,
die durch Führungsoberflächen getrennt sind und
mit dem in der Hochdruckverteilerleiste herrschenden Fluiddruck
beaufschlagt sind, wenn das elektronische Steuerventil sich in der
ersten Stellung befindet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt enthält ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine das Komprimieren von Luft in einem Maschinenzylinder über
einen Selbstentzündungspunkt eines flüssigen Kraftstoffes
hinaus. Entgegengesetzte hydraulische Oberflächen eines
Druckerhöhers einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren werden
zwischen Einspritzereignissen in ihrem dem Kraftstoffdruck in der Hochdruckverteilerleiste
ausgesetzten Zustand gehalten. Ein Kraftstoffeinspritzereignis wird
ausgelöst, indem ein Druckerhöhersteuerhohlraum
mit einem Niederdruckreservoir über ein elektronisches
Steuerventil fluidmäßig verbunden wird. Kraftstoffdruck
wird während eines Einspritzereignisses über den
der Hochdruckverteilerleiste angehoben, indem der Druckerhöher
innerhalb der jeweiligen Kraftstoffinjektoren bewegt wird. Ein Nadelspitzenhohlraum
wird zwischen und während Einspritzereignissen auf dem Kraftstoffdruck
der Hochdruckverteilerleiste gehalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem
entsprechend der vorliegenden Offenbarung; und
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2 ist
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors
entsprechend der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug
nehmend auf 1 enthält eine Brennkraftmaschine 10 ein
Common Rail Kraftstoffsystem 12, das einen Kraftstoffinjektor 14 enthält,
der jedem von einer Mehrzahl von Zylindern 19 zugeordnet
ist. Genauer enthält jeder Kraftstoffinjektor 14 eine
Kraftstoffinjektorspitze 18, die für eine direkte Einspritzung
von Kraftstoff in die einzelnen Zylinder 19 angeordnet
ist. Der Kraftstoff kann in herkömmlicher Weise in jedem
der einzelnen Zylinder 19 durch Kompression gezündet
werden. Die Darstellung zeigt zwar eine Brennkraftmaschine 10 mit
sechs Zylindern; die vorliegende Offenbarung ist jedoch für
eine Brennkraftmaschine mit jedwelcher Anzahl von Zylindern anwendbar.
Die Brennkraftmaschine 10 wird in herkömmlicher
Weise mittels eines elektronischen Steuermoduls 20 oder
mehrerer Steuermodule gesteuert, die mit den einzelnen Kraftstoffinjektoren 14 über
Verbindungsleitungen 22 kommunizieren und mit einer Hochdruckpumpe 15 zur
Steuerung des Kraftstoffdruckes in einer Hochdruckverteilerleiste 13 über
eine Verbindungsleitung 21 kommunizieren. Das Common Rail
Kraftstoffsystem 12 enthält ein Niederdruckreservoir 16,
das Niederdruckkraftstoff der Hochdruckpumpe 15 über
eine Pumpenzufuhrleitung 30 zuführt, die eine
Förderpumpe, Filter, Kühler und ähnliches
(nicht dargestellt) enthalten kann. Die Hochdruckpumpe wird derart
gesteuert, dass sie unter Druck gesetzten Kraftstoff der Verteilerleiste 13 über
eine Leistenzufuhrleitung 31 zuführt. Jeder der einzelnen
Kraftstoffinjektoren 14 ist mit der Hochdruckverteilerleiste 13 über
einzelne Leistenzweigleitungen 32 verbunden, die an Hochdruckeinlässe 25 jedes
Kraftstoffinjektors 14 angeschlossen sind. Niederdruckkraftstoff
verlässt die einzelnen Kraftstoffinjektoren 14 über
Niederdruckabflüsse 26, die sich in eine Niederdruckrücklaufleitung 35 entleeren,
die fluidmäßig mit dem Niederdruckreservoir 16 für
einen Umlauf zurückverbunden ist. Die Verteilerleiste 13 kann
mit einem Druckentlastungsventil (nicht dargestellt) ausgerüstet
sein, das einen Überdruck durch Rückleiten von überschüssigem
Kraftstoff zurück in das Niederdruckreservoir 16 vermeiden
könnte.
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Jeder
Kraftstoffinjektor 14 ist mit nur einem einzigen elektronischen
Steuerventil 40 ausgerüstet, das einen elektrischen
Aktor 41 enthält, der derart gekoppelt ist, dass
ein Ventilglied 42 gegen die Wirkung einer Vorspannfeder 43 bewegt
wird. Fachleute erkennen, dass das elektronische Steuerventil 40 ein Sitzventil
sein kann, das eine Leckage durch eine fluiddichte Dichtung vermeidet,
die mit einem oder mehreren konischen Ventilsitzen einhergeht. Auf
diese Weise könnte das Ventilglied 42 derart festgelegt sein,
dass es sich zwischen einem konischen Hochdruckventilsitz und einem
konischen Niederdruckventilsitz durch Wirkung der Vorspannfeder 43 und des
elektrischen Aktors 41 in an sich bekannter Weise bewegt.
Alternativ könnte das Ventilglied 42 mittels eines
mit dem elektrischen Aktor 41 verbundenen Vorsteuerventils
bewegt werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Der Kraftstoffinjektor 14 enthält einen Injektorkörper 50,
in dem verschiedene Komponenten und eine Mehrzahl von Durchlässen
bzw. Kanälen und Hohlräumen angeordnet sind, um
das Einspritzen von Kraftstoff in den individuellen Maschinenzylinder 19 mit
einem Druck zu ermöglichen, der größer
ist als der Druck in der Verteilerleiste 13. Genauer sind
in dem Injektorkörper 14 ein Druckerhöhersteuerhohlraum 52,
ein Plungerhohlraum 53, ein Betätigungshohlraum 51,
ein Nadelspitzenhohlraum 54 und ein Düsenhohlraum 55 angeordnet.
Zusätzlich definiert der Injektorkörper 50 einen
Hochdruckeinlass 25, einen Niederdruckabfluss 26 und
einen Düsenauslass 29. Der Düsenhohlraum 55 ist
fluidmäßig über einen unversperrten Düsenzufuhrkanal 56 mit
dem Plungerhohlraum 53 verbunden. In der Ausdrucksweise
der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Ausdruck „unversperrt”,
dass kein Ventil, das den Kanal bzw. Durchlass vollständig schließen
kann, in dem Durchlass angeordnet ist. Ein unversperrter Kanal kann
somit eine Durchflusseinschränkung bzw.- Drosselung enthalten,
enthält jedoch weder ein elektronisch gesteuertes noch
ein passives Ventil, das den Kanal vollständig absperren kann.
Beispielsweise ist der Plungerhohlraum 53 auch mit der
Hochdruckleitung 57 über einen Plungerfüllkanal 59 verbunden,
der ein Absperr- bzw. Rückschlagventil 47 enthält.
Somit könnte im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung
der Plungerfüllkanal 59 nicht als unversperrt
betrachtet werden. Wie in 2 dargestellt,
ist das originäre Ende der Hochdruckleitung 57 fluidmäßig
mit dem Hochdruckeinlass 25 verbunden. Ein unversperrter
Betätigungszweigkanal 58 verbindet die Hochdruckleitung 57 fluidmäßig
mit dem Betätigungshohlraum 51. Auf diese Weise
ist der Betätigungshohlraum 51 ständig mit
der Hochdruckverteilerleiste 13 über den Zweigkanal 58,
die Hochdruckleitung 57 und den Leistenzweigkanal 32 verbunden. Ähnlich
ist der Nadelspitzenhohlraum 54 ständig fluidmäßig
mit der Hochdruckleitung 57 und somit der Verteilerleiste 13 über eine
Druckverbindungsleitung 60 verbunden, die eine eingeschränkte Öffnung 61,
falls erwünscht, enthalten kann.
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Der
Kraftstoffinjektor 14 enthält weiter einen Druckerhöher 48,
der aus einer oder mehreren Komponenten zusammengesetzt sein kann,
um zwischen einer zurückgezogenen Stellung, wie dargestellt,
und einer vorgeschobenen, unteren Stellung zu gleiten. Der Druckerhöher 48 ist
normalerweise in seine rückgezogene Stellung von einer
Rückstellfeder 49 vorgespannt, die in dem Betätigungshohlraum 51 angeordnet
ist. Fachleute werden erkennen, dass die Rückstellfeder 49 auch
woanders angeordnet sein könnte, um den Druckerhöher 48 in
Richtung seiner rückgezogenen Stellung in an sich bekannter
Weise vorzuspannen. Die Bewegung des Druckerhöhers 48 zwischen
dessen zurückgezogener und vorgeschobener Stellung wird
mittels ringförmiger Führungsflächen 70 und 71 geführt,
die eine relativ enge Führungszwischenraumpassung zwischen
dem Druckerhöher und den inneren Wänden des Injektorkörpers 50 definieren.
Auf diese Weise können der Druckerhöher 48 und
die Führungsflächen 70 und 71 derart vorgestellt
werden, dass sie den Druckerhöherhohlraum 52,
den Betätigungshohlraum 51 und den Plungerhohlraum 53 fluidmäßig
voneinander trennen. Der Druckerhöher 48 kann
hohle Bereiche neben Führungsbereichen 70 und 71 enthalten,
die dazu dienen, den Führungszwischenraum in diesen Bereichen
zu vermindern, wenn ein hoher Druck den Druckerhöher leicht
radial expandiert während Zeiten, in denen ein Druckunterschied
zwischen einem oder mehreren von Betätigungshohlraum 51,
Druckerhöhersteuerhohlraum 52 und Plungerhohlraum 53 vorhanden
ist. Wenn sich das elektronische Steuerventil 40 in seiner
vorgespannten ersten Stellung, wie dargestellt befindet, ist der
Plungerhohlraum 53 fluidmäßig mit dem
Druckerhöhersteuerhohlraum 52 über die
Fluidleitung 63 und die Steuerleitung 66 fluidmäßig
verbunden. Der Kraftstoffinjektor 40 ist mit dem Druckerhöher 48 und
dem elektronischen Steuerventil 40 in Stellungen dargestellt,
die sie zwischen Einspritzereignissen annehmen würden.
Eine Fluidverbindung zwischen dem Plungerhohlraum 53 und
dem Druckerhöhersteuerhohlraum 52 bewirkt, dass
alle inneren Hohlräume zwischen Einspritzereignissen (Betätigungshohlraum 51,
Druckerhöhersteuerhohlraum 52, Plungerhohlraum 53,
Nadelspitzenhohlraum 54 und Düsenhohlraum 55)
auf dem gleichen Druck wie die Verteilerleiste 13 sind.
Dies verhindert Druckunterschiede längs der Führungsbereiche 70 und 71 während
der längeren Zeitdauer zwischen Einspritzereignissen, wodurch
eine Leckage längs dieser Führungsflächen
verhindert wird, wie sie bisweilen in anderen Kraftstoffeinspritzsystemen
beobachtet wird, die zwischen Einspritzereignissen einen Druckunterschied
aufrecht erhalten. Wenn der elektrische Aktor 41 das Ventilglied 42 in
dessen zweite Stellung bewegt, wird der Druckerhöhersteuerhohlraum 52 fluidmäßig
mit dem Niederdruckabfluss 26 verbunden. Wenn dies auftritt,
bewirkt die hydraulische Kraft in dem Betätigungshohlraum 51,
dass sich der Druckerhöher 48 abwärts
in Richtung auf seine vorgeschobene Stellung gegen die Wirkung der Rückstellfeder 49 bewegt,
um den Kraftstoffdruck in dem Plungerhohlraum 53 über
den in der Verteilerleiste 13 entsprechend der Stärke
der Feder 49 und den dem Druckerhöher 48 zugeordneten
Durchmesserverhältnissen in an sich bekannter Weise anzuheben.
Wenn dies auftritt, schließt das Rückschlagventil 47.
Die Fluidleitung 63 und die Steuerleitung 66 können
jeweilige eingeschränkte Durchlässe bzw. Öffnungen 64 und 67 enthalten,
um eine erwünschte Wirkung des Kraftstoffinjektors 14 zu
erreichen. Beispielsweise könnte eine eingeschränkte Öffnung 67 verwendet
werden, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Druckerhöhers 48 während
eines Einspritzereignisses zu vermindern. Andererseits könnten eine
oder beide eingeschränkte Öffnungen 64 und 67 dazu
verwendet werden, die Rückbewegungsgeschwindigkeit des
Druckerhöhers 48 nach einem Einspritzereignis
zu verlangsamen, wenn der Kraftstoffinjektor sich selbst für
ein nachfolgendes Einspritzereignis rückstellt, um eine
Kavitation zu vermeiden. Fachleute werden erkennen, dass eingeschränkte Öffnungen 64 und 67 gleiche
oder unterschiedliche Durchströmflächen aufweisen
können, und eine oder beide, wenn erwünscht, bei
dem Kraftstoffinjektor 14 fehlen können.
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Der
Kraftstoffinjektor 14 enthält weiter eine in ihm
angeordnete Nadel 45. Die Bewegung der Nadel 45 wird
mittels einer Führungsfläche 72 geführt,
die zusammen mit der Nadel 45 den Nadelspitzenhohlraum 54 von
dem Düsenhohlraum 55 trennt. Die Nadel 45 ist
normalerweise auf herkömmliche Art mittels einer Nadelvorspannfeder 46 in
Berührung mit einem Sitz 28 abwärts vorgespannt.
Wenn die Nadel 45 den Sitz 28 berührt,
ist der Düsenhohlraum 55 von einer Fluidverbindung
mit dem Düsenauslass 29 in herkömmlicher
Weise abgeschnitten. Wenn die Nadel 45 sich in Richtung
auf ihre offene Stellung gegen die Wirkung der Nadelvorspannfeder 46 anhebt,
entsteht eine Fluidverbindung zwischen dem Nadelhohlraum 45 und
dem Düsenauslass 29, der erlaubt, dass Kraftstoff
in die einzelnen Maschinenzylinder 19 abgespritzt wird.
Die Nadel 45 enthält hydraulische Öffnungsflächen 44a und 44b,
die mit dem Fluiddruck in den Düsenhohlraum 55 beaufschlagt
sind. Wenn beide auf Leistungsdruck sind, der Spitzenhohlraum 54, was
immer der Fall ist, und der Düsenhohlraum 55 ebenfalls,
wie es zwischen Einspritzereignissen der Fall ist, wird die Nadel 45 in
ihrer unteren Stellung gehalten, so dass der Sitz 28 von
der Nadelvorspannfeder 46 geschlossen wird. Wenn jedoch
der Druckerhöher 48 abwärts angetrieben
wird, um den Kraftstoffdruck in dem Plungerhohlraum 53 deutlich
zu erhöhen, wird der Fluiddruck über den Düsenzufuhrkanal 56 dem
Düsenhohlraum 55 zugeleitet und dieser höhere
Druck wirkt auf die hydraulischen Öffnungsflächen 44a und 44b,
um die Nadel 45 aufwärts gegen die Wirkung der
Vorspannfeder 46 in ihre Offenstellung anzuheben. Die Feder 46 ist
zwar in dem Düsenhohlraum 55 dargestellt; sie
könnte jedoch auch woanders, beispielsweise in dem Nadelspitzenhohlraum 54 angeordnet
sein. Fachleute werden erkennen, dass der Ventilöffnungsdruck
sowie die Öffnungs- Lind Schließgeschwindigkeit
der Nadel 45 ingenieurmäßig durch Wahl
der Druckhöhe in der Verteilerleiste 13, den Flächenverhältnissen
des Druckerhöhers 48 und entsprechend dem erwarteten Einspritzdruck
in dem Plungerhohlraum 53 beeinflusst werden können,
wobei die hydraulischen Öffnungsflächen 44a und 44b geeignet
bemessen werden und eine geeignete Vorspannung der Nadelvorspannfeder 46 gewählt
wird und schließlich die eingeschränkte Öffnung 61 vorgesehen
oder nicht vorgesehen wird.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Kraftstoffsystem der vorliegenden Offenbarung kann in jedwelcher
Verbrennungskraftmaschine angewendet werden, ist jedoch speziell
für kompressionsgezündete Maschinen geeignet,
bei denen Kraftstoff in an sich bekannter Weise direkt in einzelne
Maschinenzylinder 19 eingespritzt und kompressionsgezündet
wird. Zwischen Einspritzereignissen ist der elektrische Aktor 41 nicht
mit Energie beaufschlagt und befindet sich das Steuerventilglied 41 mittels
der Vorspannfeder 43 in seiner ersten oder vorgespannten
Stellung, wie dargestellt. Wenn dieser Zustand vorhanden ist, ist
der Druckerhöhersteuerhohlraum 52 fluidmäßig über
die Steuerleitung 66, die Fluidleitung 63, das
in dem Kolbenfüllkanal 59 angeordnete Rückschlagventil 47 und
die Hochdruckleitung 57 und den Leistenzweigkanal 32 mit
der Verteilerleiste 13 verbunden. Somit tritt der einzige Druckunterschied,
der in dem Kraftstoffinjektor 14 zwischen Einspritzereignissen
vorhanden ist, in dem elektronischen Steuerventil 41 auf.
Da dieses Ventil ein tellerartiges Ventilglied enthalten kann, das
einen konischen Ventilsitz abdichtet, tritt in dem Kraftstoffinjektor 14 zwischen
Einspritzereignissen keine Leckage auf. Ähnlich tritt keine
Leckage an der Nadel 45 auf, da diese sicher an dem Sitz 28 sitzt,
und ist kein Druckunterschied zwischen dem Nadelspitzenhohlraum 54 und
dem Düsenhohlraum 55 vorhanden.
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Ein
Einspritzereignis wird von dem elektronischen Steuermodul ausgelöst,
das die Energiebeaufschlagung des elektrischen Aktors 41 steuert,
um das Steuerventilglied 42 aus seiner ersten, dargestellten Stellung
in seine zweite Stellung zu bewegen, die den Druckerhöhersteuerhohlraum 52 mit
dem Niederdruckabfluss 26 über die Steuerleitung 66 verbindet.
Wenn dies auftritt, drückt der in dem Betätigungshohlraum 51 wirkende
Leistendruck den Druckerhöher 48 abwärts
gegen die Wirkung der Rückstellfeder 49, um den
Kraftstoffdruck in dem Plungerhohlraum 53 anzuheben. Wenn
dieser Druck über einen Ventilöffnungsdruck für
die Nadel 45 ansteigt, hebt sich diese in eine Offenstellung
gegen die Wirkung der Nadelvorspannfeder 46 an, um den
Düsenhohlraum 55 mit den Düsenauslässen 29 fluidmäßig zu
verbinden und das Abspritzen von Kraftstoff in den Maschinenzylinder 19 zu
beginnen. Kurz bevor die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt
ist, beendet das Steuersignal die Energiebeaufschlagung des elektrischen
Aktors 41, wodurch er unter der Wirkung der Vorspannfeder 43 in
seine erste Stellung zurückkehrt. Dadurch wird der Druckerhöhersteuerhohlraum 52 wieder über
die Steuerleitung 66, die Fluidleitung 63, den
Plungerhohlraum 53 und den Plungerfüllkanal 59 mit
der Verteilerleiste 13 verbunden. Wenn dies auftritt, fällt
der Kraftstoffdruck in dem Düsenhohlraum 55 unter
einen Ventilschließdruck ab und die Nadel 55 wird
von der Nadelvorspannfeder 46 abwärts angetrieben,
so dass sie wiederum an dem Sitz 28 anliegt. Nach dem Einspritzereignis
ermöglichen eine Strömung aus der Verteilerleiste 13 und
aus dem Betätigungshohlraum 51 verschobener Kraftstoff
dem Druckerhöher 48, sich unter der Wirkung der
Rückstellfeder 49 zurückzuziehen, um
den Plungerhohlraum 53 und den Druckerhöhersteuerhohlraum 52 in
Vorbereitung für ein nachfolgendes Einspritzereignis wieder
zu füllen.
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In
einem typischen Dieselmotor verbrennt Kraftstoff durch Komprimieren
von Luft in dem Maschinenzylinder 19 über den
Selbstentzündungspunkt des von dem Kraftstoffinjektor 14 eingespritzen flüssigen
Kraftstoffes hinaus. Fachleute werden erkennen, dass der Kraftstoff
in den Zylinder vor oder nach dem Komprimieren von Luft über
den Selbstentzündungspunkt hinaus eingespritzt werden kann.
In einem typischen Fall wird die Luft über den Selbstentzündungspunkt
hinaus komprimiert und wird Kraftstoff an oder nahe dem oberen Totpunkt
des Kolbens des jeweiligen individuellen Zylinders eingespritzt. Nichtsdestoweniger
kann das Kraftstoffsystem 12 gemäß der
vorliegenden Offenbarung auch bei einem sogenannten homogenen Ladungskompressionszündungsbetriebsmodus
angewendet werden, bei dem Kraftstoff in den Maschinenzylinder eingespritzt wird
und sich mit Luft vermischen kann, bevor eine Kompression über
einen Selbstentzündungspunkt des Kraftstoffes hinaus geschieht.
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Fachleute
werden erkennen, dass das Kraftstoffsystem gemäß der
vorliegenden Offenbarung die bekannte Technologie, die mit den mit
relativ hohem Druck arbeitenden Common Rail Systemen verbunden ist,
verbessert. Diese Verbesserung wird über die Verwendung
eines Druckerhöhers zu einer substantiellen Erhöhung
der Einspritzdrücke über die der Verteilerleiste
erreicht, wobei diese Erhöhung innerhalb des Kraftstoffinjektors
nur für die kurze Dauer des Einspritzereignisses erfolgt.
Während viele derzeit in Produktion befindliche Common
Rail Systeme Einspritzdrücke in der Größenordnung
von 160–180 Mpa erreichen können, ist allgemein
anerkannt, dass für Kraftstoffsysteme (Pumpe, Leitungsleiste,
Injektor, Drucksensor, Druckregler) erhebliche strukturelle Herausforderungen
bestehen, um während einer gesamten Maschinenlebensdauer
Einspritzdrücke jenseits von 200 Mpa auszuhalten. Das Kraftstoffsystem gemäß der
vorliegenden Offenbarung hat jedoch die Fähigkeit, dass
Kraftstoffdrücke kurzzeitig nur im Kraftstoffinjektor deutlich über
200 Mpa für Einspritzungen mit relativ hohem Druck ansteigen,
wie sie mit den meisten Common Rail Systemen derzeit nicht möglich
sind. Dies wird mit einem einzigen elektrischen Aktor erreicht.
Fachleute werden erkennen, dass diese extrem hohen Drücke
nützlich sein können, um unerwünschte
Motoremissionen weiter zu vermindern, ohne dass Motorleistung geopfert
wird. Zusätzlich können sehr hohe Einspritzdrücke
erreicht werden, ohne dass der Wirkungsgrad wegen deutlicher Kraftstoffleckage
innerhalb des Kraftstoffinjektors zwischen Einspritzereignissen
sinkt. Die einzigen wesentlichen Verluste sind diejenigen, die damit verbunden
sind, dass einmal unter Druck gesetzter Kraftstoff während
einer Einspritzung aus dem Druckerhöhersteuerhohlraum 52 verschoben
wird. Während etwas Leckage längs der Führungsflächen 70, 71 und 72 während
eines Einspritzereignisses auftreten kann, kann diese relativ kleine
Leckage zusätzlich weiter vermindert werden, beispielsweise
dadurch, dass ein hohler Plungerbereich für den Druckerhöher 48 verwendet
wird, der den Führungszwischenraum während der
Abwärtshubbewegung des Druckerhöhers vermindert,
um eine Kraftstoffmigration und Leckage längs der Führungsfläche 70 weiter zu
vermindern. Fachleute werden erkennen, dass durch geeignete Abmessung
der Flächenverhältnisse und der Federstärke,
die der Nadel 45 zugeordnet sind, sowie der eingeschränkten Öffnung 61,
die Kraftstoffeinspritzrate mehr in Richtung quadratisch oder mehr
rampenförmig in an sich bekannter Art gestaltet werden
kann. Zusätzlich ermöglicht die Struktur der vorliegenden
Offenbarung immer einen Ventilöffnungsdruck, der größer
ist als der in der Verteilerleiste 13, und die Öffnung 61 neben
dem Nadelspitzenhohlraum 54 regelt die Strömung
in und aus Nadelpitzenhohlraum 54, wodurch die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeiten gesteuert werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung nur für
erläuternde Zwecke beabsichtigt ist und den Umfang der
vorliegenden Erfindung nicht in irgendeiner Weise beschränken
soll. Fachleute werden erkennen, dass aus einem Studium der Zeichnungen,
die Offenbarung und der beigefügten Ansprüche
andere Aspekte der Erfindung erhalten werden können.
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Zusammenfassung
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Druckerhöhtes Common
Rail Kraftstoffeinspritzsystem und Verfahren zum Betreiben einer
dieses verwendenden Brennkraftmaschine
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In
einem Common Rail Kraftstoffeinspritzsystem (12) werden
extrem hohe Einspritzdrücke mittels eines beweglichen Druckerhöhers
(48) erreicht, der in jedem Kraftstoffinjektor (14)
angeordnet ist. Die Kraftstoffinjektoren (14) werden individuell
mittels eines einzigen elektrischen Aktors 41 gesteuert,
der sich zwischen Stellungen hin und her bewegt, in denen ein Druckerhöhersteuerhohlraum
(52) entweder mit einer Hochdruckverteilerleiste (13)
oder einem Niederdruckreservoir (16) verbunden ist. Eine
Leckage zwischen Einspritzereignissen wird vermieden, indem die
Beaufschlagung von entgegengesetzten hydraulischen Oberflächen
des Druckerhöhers (48) und einer Ventilnadel mit
Fluiddruck in der Hochdruckleiste (13) aufrechterhalten
wird. Dadurch werden Druckunterschiede und eine Leckage vermieden,
die mit Führungsflächen (70, 71, 72)
zusammenhängen, die Hoch- und Niederdruckbereiche trennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6725838 [0002]
- - US 6453875 [0002]