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HINTERGRUND
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Kraftstoffeinspritzsysteme und insbesondere auf eine Kraftstoff-Einspritzdüse und ein Verfahren für eine verbesserte piezoelektrische Einspritzung von Kraftstoff.
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BESCHREIBUNG DES HINTERGRUNDS DER ERFINDUNG
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In vielen Kraftstoffzuführsystemen, die für Verbrennungsmotoren verwendbar sind, werden Kraftstoff-Einspritzdüsen verwendet, um Kraftstoffpulse in die Motorverbrennungskammer einzuspritzen. Eine häufig verwende Einspritzdüse ist eine Einspritzdüse mit geschlossener Düse, welche einen Düsenaufbau mit einem durch eine Feder vorgespannten Düsenventilelement aufweist, welches benachbart zu der Düsenöffnung angeordnet ist, um ein Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder zu ermöglichen. Das Düsenventilelement dient auch dem Bereitstellen eines beabsichtigten, abrupten Endes des Einspritzens von Kraftstoff, wodurch ein sekundäres Einspritzen verhindert wird, welches unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas verursacht. Das Düsenventil ist in einem Düsenhohlraum angeordnet und durch eine Düsenfeder vorgespannt, so dass, wenn eine ausgeübte Kraft die Vorspannkraft der Düsenfeder übersteigt, sich das Düsenventilelement bewegt, um zu ermöglichen, dass Kraftstoff durch die Düsenöffnungen hindurchtritt, wodurch der Beginn des Einspritzvorgangs gekennzeichnet wird.
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Entwickler von Verbrennungsmotoren haben verstärkt angefangen wahrzunehmen, dass wesentlich verbesserte Kraftstoffzuführsysteme notwendig sind, um die immer schärferen staatlichen und regulatorischen Erfordernisse an Emissionsreduzierung und verbesserter Kraftstoffausnutzung zu erfüllen. In diesem Sinne ist ein Aspekt bei Kraftstoffzuführsystemen, der im Blickpunkt der Entwickler gewesen ist, die Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren in Kraftstoff-Einspritzdüsen.
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Allgemein wurde seit Langem erkannt, dass piezoelektrische Aktuatoren für den Einsatz in Systemen, welche einen extrem schnellen mechanischen Betrieb in Antwort auf ein elektrisches Steuersignal erfordern, sehr wünschenswert sind. Aus diesem Grund haben piezoelektrische Aktuatoren eine beträchtliche Aufmerksamkeit von Entwicklern von Kraftstoffzuführsystemen für Verbrennungsmotoren erhalten. Solche Entwickler suchen weiterhin nach Wegen, um eine schnellere, präzisere, zuverlässigere und besser berechenbare Steuerung des Zeitablaufs und der Menge von aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzungen in die Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren zu erhalten, um mitzuhelfen, die wirtschaftlich und staatlich vorgegebenen Forderungen nach verbesserter Kraftstoffausnutzung und reduzierter Luftverschmutzung zu erfüllen. Wenn solche Ziele erreicht werden sollen, müssen Kraftstoffsteuerungsventile entwickelt werden, die extrem schnelle und zuverlässige Reaktionszeiten bereitstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung können erreicht werden, indem eine piezoelektrisch betätigte Kraftstoff-Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors bereitgestellt wird, welche einen Einspritzdüsenkörper mit einer Hülse, ein Düsengehäuse mit einem Düsenhohlraum, eine Halterung, welche die Hülse und das Düsengehäuse verbindet, und eine Einspritzdüsenöffnung aufweist, die mit einem Ende des Düsenhohlraums in Verbindung steht, um Kraftstoff in die Verbrennungskammer abzugeben. Ein Düsenventilelement ist in dem Düsenhohlraum benachbart zu der Einspritzdüsenöffnung angeordnet und zwischen einer offenen Position, in welcher Kraftstoff durch die Düsenöffnung in die Verbrennungskammer fließt, und einer geschlossenen Position, in welcher ein Kraftstofffluss durch die Einspritzdüsenöffnung blockiert ist, bewegbar ist. Ein piezoelektrischer Aktuator ist vorgesehen, welcher einen Stapel von piezoelektrischen Elementen aufweist, welche bewegbar sind, um in eine erste Richtung zu expandieren und bewegbar sind, um in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung zu kontrahieren. Eine Hydraulikverbindungsanordnung ist in der Düsenöffnung angeordnet und umfasst ein Hydraulikverbindungsgehäuse mit einer inneren Bohrung, einen Hydraulikverbindungskolben, welcher angeordnet ist, um sich gleitend in der inneren Bohrung zu bewegen, und funktionsmäßig mit dem piezoelektrischen Aktuator verbunden ist, und einen Hydraulikverbinder, welcher funktionsmäßig mit dem Hydraulikverbindungskolben und dem Düsenventilelement verbunden ist.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine piezoelektrisch betätigte Kraftstoff-Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors, welche einen Einspritzkörper mit einem Düsengehäuse mit einem Düsenhohlraum, eine Einspritzöffnung, welche mit einem Ende des Düsenhohlraums in Verbindung steht, um Kraftstoff in die Verbrennungskammer abzugeben, und ein Düsenventilelement aufweist, welches in dem Düsenhohlraum benachbart zu der Einspritzdüsenöffnung angeordnet ist. Das Düsenventilelement ist zwischen einer offenen Position, in welcher Kraftstoff durch die Einspritzdüsenöffnung in die Verbrennungskammer fließt, und einer geschlossenen Position, in welcher ein Kraftstofffluss durch die Einspritzdüsenöffnung blockiert ist, bewegbar. Ein piezoelektrischer Aktuator mit einem Stapel von piezoelektrischen Elementen ist bewegbar, um in eine erste Richtung zu expandieren und bewegbar, um in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung zu kontrahieren. Eine Hydraulikverbindungsanordnung ist innerhalb des Düsenhohlraums angeordnet und umfasst ein Hydraulikverbindungsgehäuse, einen Hydraulikverbindungskolben, welcher gleitend in dem Hydraulikverbindungsgehäuse angeordnet ist und funktionsmäßig mit dem piezoelektrischen Aktuator verbunden ist, und einen Hydraulikverbinder, welcher funktionsmäßig den Hydraulikverbindungskolben und das Düsenventilelement verbindet. Ein Hydraulikverbindungsnachfüllventil ist vorgesehen, um einen Kraftstofffluss in die Hydraulikverbindungskammer zu ermöglichen, während ein Kraftstofffluss von der Hydraulikverbindungskammer verhindert wird. Ein Aktuator-Energieversorgungsmittel wird dazu betrieben, eine elektrische Spannung zu dem piezoelektrischen Aktuator zu erhöhen, um zu bewirken, dass das Düsenventilelement in die offene Position bewegt wird, in Antwort auf eine Bewegung des Stapels von piezoelektrischen Elementen in die erste Richtung und zum Herabsetzen der Spannung zu dem piezoelektrischen Aktuator, um zu verursachen, dass sich das Düsenventilelement in die geschlossene Position bewegt, in Antwort auf eine Bewegung des Stapels von piezoelektrischen Elementen in die zweite Richtung. Das Öffnen und Schließen des Düsenventilelements definiert einen Einspritzpuls und das Hydraulikverbindungsnachfüllventil ist in eine offene Position bewegbar, um die Hydraulikverbindungskammer nachzufüllen, wenn die Spannung einen vorbestimmten unteren Wert erreicht. Das Aktuator-Energieversorgungsmittel ist des Weiteren betreibbar zum Variieren der Spannung, um mehrfache Einspritzpulse zu verursachen und um wahlweise die Spannung zwischen Injektionspulsen über dem vorbestimmten unteren Wert zu halten, um das Nachfüllventil in der geschlossenen Position zu halten, um zu verhindern, dass die Hydraulikverbindungskammer nachgefüllt wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht einer geschlossenen Einspritzdüse gemäß einer beispielhaften offenbarten Ausführungsform;
- 2 ist eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereichs der Einspritzdüse von 1, welche die Hydraulikverbindungsanordnung zeigt;
- 3 ist eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereichs einer weiteren Ausführungsform einer piezoelektrisch betätigten Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 ist eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereichs einer weiteren Ausführungsform einer piezoelektrisch betätigten Kraftstoff-Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Dämpfungsventil, welches Einlass- und Auslassöffnungen aufweist;
- 5 ist eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereichs einer weiteren Ausführungsform einer piezoelektrisch betätigten Kraftstoff-Einspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Dämpfungsventil, welches außerhalb des äußeren Kolbens angeordnet ist; und
- 6a - 6c stellen graphische Illustrationen bereit, welche Piezo-Spannung, Kraftstoffdruck und Nadelanhebung über die Zeitspanne eines Einspritzvorgangs mit mehreren Einspritzpulsen zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Piezoelektrische Vorrichtungen sind zu extrem schnellen und zuverlässigen Ventilreaktionszeiten fähig. Als Ergebnis bieten sie eine verbesserte Kontrolle über die Kraftstoffabgabe, weil sie dazu verwendet werden können, benötigte Mengen an Kraftstoff in einem kurzen Zeitrahmen einzuspritzen. Der Zeitrahmen zum Einspritzen von Kraftstoff kann verkürzt werden, indem der Kraftstoff bei höheren Einspritzdrücken eingespritzt wird. Beispielsweise hat die Anmelderin Einspritzsysteme mit extra hohem Druck implementiert, bei denen der Druck 2400 bar erreichen kann. Solche hohen Einspritzdrücke erzeugen kleinere Kraftstofftröpfchen und eine höhere Einspritzgeschwindigkeit, um ein vollständigeres Verbrennen des Kraftstoffs zu begünstigen, was die Leistung maximiert und die Kraftstoffausnutzung verbessert. Zusätzlich wird die Schadstoffbelastung minimiert, weil die hohen thermischen Wirkungsgrade in geringen Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) resultieren. Durch Einspritzen der benötigten Mengen an Kraftstoff in einem kürzeren Zeitrahmen kann ein Hochdrucksystem mehrere Einspritzvorgänge während jedem Verbrennungszyklus unterbringen. Als Ergebnis kann die Software zur Steuerung des Motors die Verbrennung für bestimmte Bedingungen optimieren.
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Die Anmelderin hat erkannt, dass es die Verwendung von sehr hohen Einspritzdrücken jedoch erfordert, dass die piezoelektrischen Aktuatoren von herkömmlichen Kraftstoff-Einspritzdüsen mit entsprechend hohen Kraftniveaus arbeiten müssen. Im Allgemeinen müssen die piezoelektrischen Aktuatoren gegen den Kraftstoff mit hohem Druck in der Kraftstoff-Einspritzdüse agieren, um das Düsenventil in eine offene Position zu bewegen, welches das Einspritzen von Kraftstoff bewirkt. Bei einem Typ einer Kraftstoff-Einspritzdüsenausführung wird beispielsweise eine Steuerkammer, die mit Hochdruckkraftstoff gefüllt ist, verwendet, um das Düsenventil gegen die Kraft einer Feder in die geschlossene Position zu treiben, und der piezoelektrische Aktuator öffnet ein Steuerventil, um die Steuerkammer einem Niederdruck-Abfluss auszusetzen. Wenn der Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt, fällt der Druck in der Steuerkammer ab und der Druck ist nicht mehr dazu geeignet, das Düsenventil in der geschlossenen Position zu halten. Um das Steuerventil zu öffnen, muss der piezoelektrische Aktuator gegen den hohen Druck in der Steuerkammer arbeiten. Daher müssen die piezoelektrischen Aktuatoren in solchen Kraftstoff-Einspritzdüsen wegen der hohen Drücke, die in der Kraftstoff-Einspritzdüse herrschen, große Kräfte aufbringen. Demgemäß hängt die Gestaltung von konventionellen piezoelektrischen Aktuatoren von den Einspritzdüsendrücken ab. Kraftstoff-Einspritzdüsen für Hochdruckeinspritzung sind notwendig, um größere piezoelektrische Aktuatoren zu verwenden, um die nötigen Kräfte bereitzustellen. Des Weiteren ist eine höhere Leistung erforderlich, um die herkömmlichen piezoelektrischen Aktuatoren mit hohen Einspritzdrücken zu betreiben.
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Die 1 und 2 zeigen eine piezoelektrisch betätigte Kraftstoff-Einspritzdüse 1 gemäß einer beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche dazu gestaltet ist, einen oder mehrere Mängel von herkömmlichen Einspritzdüsen, einschließlich den oben beschriebenen Mängeln, zu überwinden und/oder die im Folgenden beschriebenen Vorteile zu bieten. Demgemäß zeigen die 1 und 2 eine piezoelektrisch betriebene Kraftstoff-Einspritzdüse 10, die im Wesentlichen einen Einspritzdüsenkörper 12 mit einer Hülse 14, ein Düsengehäuse 16, das einen Düsenhohlraum 17 enthält, einen Halter 18 zum Verbinden der Hülse 14 und des Düsengehäuses 16, einen Einspritzdüsenhohlraum 20 und eine oder mehrere Einspritzdüsenöffnungen 22 zum Abgeben von Kraftstoff von dem Einspritzdüsenhohlraum 20 in die Verbrennungskammer umfasst. Ein Düsen- oder Nadelventilelement 11 ist für eine Auf- und Abbewegung in dem Düsenhohlraum 17 zwischen einer offenen Position, in welcher Kraftstoff durch die Einspritzdüsenöffnungen 22 in die Verbrennungskammer fließt, und einer geschlossenen Position, in welcher ein Kraftstofffluss durch die Einspritzdüsenöffnungen 22 blockiert ist, angeordnet. Die Einspritzdüse 10 umfasst des Weiteren eine piezoelektrische Aktuatoranordnung 24, welche ein oberes Aktuatorgehäuse 26 und ein unteres Aktuatorgehäuse 28 umfasst, welche in einem Aktuatorhohlraum 36, welcher in der Hülse 14 ausgebildet ist, angeordnet sind. Die Aktuatoranordnung 24 umfasst außerdem einen Stapel von piezoelektrischen Elementen 30, welche in einer Bohrung 27 angeordnet sind, welche in dem oberen Aktuatorgehäuse 26 ausgebildet ist, und einen Aktuatordeckel 32, welcher das äußere Ende der Bohrung 27 abdichtet. Ein Aktuatordeckelhalter 34 ist auf das obere Aktuatorgehäuse 26 aufgeschraubt, um den Aktuatordeckel 32 in Position zu sichern, wodurch das äußere Ende des Stapels von piezoelektrischen Elementen 30 in einer fixierten Position gesichert wird. Der Aktuatorhohlraum 36 ist eine Niederdruckumgebung der piezoelektrisch betriebenen Kraftstoff-Einspritzdüse 10 in Bezug auf die Hochdruckumgebung unterhalb des unteren Aktuatorgehäuses 28.
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Eine Bodenabstützung 38 ist an dem inneren Ende des Stapels von piezoelektrischen Elementen angeordnet. Ein gewelltes rohrförmiges Gehäuse 40 ist an einem Ende an dem Aktuatorgehäuse 32 und an einem gegenüberliegenden Ende an der Bodenabstützung 38 befestigt. Das gewellte, rohrförmige Gehäuse 40 stellt eine Vorspannung für den Stapel bereit, um zu gewährleisten, dass der Stapel immer in Kompression ist, wodurch es als eine Vorlastfeder mit einer relativ geringen Federrate agiert. Diese Vorlast gewährleistet, dass der Stapel 30 niemals in Spannung ist, wodurch Frakturen, die zu Fehlfunktionen des Aktuators führen können, vermieden werden. Das gewellte, rohrförmige Gehäuse 40 ist abgedichtet, um Fluid vom Eintreten in das Gehäuse und Kontaktieren des keramischen Stapels zu blockieren, wodurch nachteilige Wirkungen verhindert werden, die Fluide auf die Zuverlässigkeit des Aktuators haben könnten.
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Eine Aktuatorverbindung 44 ist vorgesehen, um sich an einer Oberfläche gegen die Bodenabstützung 40 und an einer gegenüberliegenden Seite an dem Aktuatorkolben 46 anzulegen. Der Aktuatorkolben 46 ist in dem Einspritzdüsenhohlraum 20 angeordnet und umfasst ein äußeres Ende, welches sich durch eine Bohrung 48, welche in dem unteren Aktuatorgehäuse 28 ausgebildet ist, erstreckt, zum Anlegen gegen das innere Ende der Aktuatorverbindung 44. In der beispielhaften Ausführung umfasst die Aktuatorverbindung 44 eine konkave, semisphärische Ausnehmung zum Aufnehmen eines äußeren, semisphärischen Endes des Aktuatorkolbens 46, um die Kräfte zentriert zu halten, während eine Fehlausrichtung aufgrund von Toleranzen in der Herstellung und Zusammenfügung zugelassen wird. Die Aktuatorverbindung 44 wird also dazu verwendet, die betätigende Last an den Aktuatorkolben 46 zu übertragen und die Last zentriert und gleichmäßig über den Stapel von piezoelektrischen Elementen 30 zu verteilen. Das innerste Ende des unteren Aktuatorgehäuses 28 ist mit der Hülse 14 dichtend in Eingriff und bildet einen Kraftstoffabflusshohlraum 50, von welchem Leckagekraftstoff über Auslassausgänge 52 zu einem Niederdruckabfluss abgelassen wird. Der Durchmesser des Aktuatorkolbens 46 ist dimensioniert und konfiguriert, um eine enge oder passende Passungsbeziehung mit der Bohrung 48 bereitzustellen, um jeglichen Kraftstoffverlust zu minimieren, während eine gleitende Bewegung des Kolbens 46 ermöglicht wird. Jeglicher Kraftstoffverlust durch den Spalt der Passung wird über die Abflusspassagen 54 zu dem Kraftstoffabflusshohlraum 50 abgegeben.
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Ein Leckagesteuermerkmal 60 umfasst eine Kolbenhülse 62, welche um den Aktuatorkolben 46 herum angeordnet ist, um eine partielle Fluiddichtung zwischen einer inneren Oberfläche der Kolbenhülse 62 und einer gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des Aktuatorkolbens 46 zu bilden. Ein Hülsenausrichtungsmerkmal 64 umfasst eine kegelstumpfförmige Oberfläche 66, welche an dem unteren Aktuatorgehäuse 28 ausgebildet ist, und eine semisphärische Oberfläche 68, welche an der Kolbenhülse 62 ausgebildet ist und zum Kontaktieren der kegelstumpfförmigen Oberfläche 66 positioniert ist. Die Kolbenhülse 62 wird durch eine Vorspannungsfeder 69 in Eingriff mit der kegelstumpfförmigen Oberfläche 66 gezwungen, um eine Fluiddichtung zu erzeugen, während eine Ausrichtung der Hülse 62 an dem Kolben 46 ermöglicht wird. Die radial nach außen gerichtete Orientierung der kegelstumpfförmigen Oberfläche 66 verhindert außerdem, dass sich der gegenüberliegende Bereich der Hülse 62 aufgrund von großen Druckkräften auf die äußere radiale Oberfläche der Hülse 62 relativ zu einem niedrigen Druck in der Fluiddichtungslücke zwischen der Hülse 62 und dem Kolben 46 exzessiv nach innen kontrahiert, wodurch ein Blockieren der Hülse 62 auf den Kolben 62 verhindert wird.
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Der Aktuatorkolben 46 erstreckt sich durch die Hülse 14 und umfasst ein inneres Ende, welches in Anlage gegen eine Hydraulikverbindungsanordnung 70 positioniert ist, welche in dem Düsengehäuse 16 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Hydraulikverbindungsanordnung 70 vollständig in einem Düsenhohlraum 17 angeordnet, welcher in dem Düsengehäuse 16 ausgebildet ist. In dieser Hinsicht ist das Düsengehäuse 16 vorzugsweise ein einstückiges Gehäuse mit einem Düsensitz 15, welcher daran gebildet ist. Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 umfasst ein Hydraulikverbindungsgehäuse 72 mit einer inneren Bohrung 73, einen Hydraulikverbindungskolben 74, welcher für ein relatives gleitendes Bewegen in der inneren Bohrung 73 zwischen dem Hydraulikverbindungsgehäuse 72 und dem Hydraulikverbindungskolben 74 angeordnet ist, eine Hydraulikverbindungsrückfeder 76, und einen Hydraulikverbinder oder ein Volumen 78, welches in der inneren Bohrung 73 vorgesehen ist. Ein äußerer Bereich des Nadelventilelements 11 ist für eine relative axiale, gleitende Bewegung in einer zentralen Bohrung 80 angeordnet, welche in dem Hydraulikverbindungskolben 74 ausgebildet ist, welcher für eine relative axiale, gleitende Bewegung innerhalb des Hydraulikverbindungsgehäuses 72 angeordnet ist. Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 dient zum Umwandeln der Abwärtsbewegung des piezoelektrischen Elements 30 in eine Aufwärtsbewegung des Nadelventilelements 11 sowie zum Verstärken der Bewegung des piezoelektrischen Elements 30 zum Heben des Nadelventilelements 11 um einen geeigneten Betrag. Die Einspritzdüse ist direkt-agierend, indem sie die Kraft des piezoelektrischen Aktuators 4 direkt verwendet, um eine Bewegungskraft auf das Nadelventil 3 auszuüben, und erfordert keinen Zwischenverlust an Druck oder Kraft, wie beispielsweise ein Herabsetzen des Druckes eines unter Druck stehenden Steuervolumens durch Erzeugen eines Niederdruckabflussstroms aus einem Steuervolumen. Das Hydraulikverbindungsgehäuse 72, der Hydraulikverbindungskolben 74 und das äußere Ende des Nadelventilelements 11 sind in einem ineinandergeschobenen, untereinander passenden und überlappenden Verhältnis innerhalb des Düsenhohlraums 17 des Düsengehäuses 16 zusammengesetzt. Ein Kraftstoffeinlass 82 ist dazu eingerichtet, Kraftstoff zu dem Zuführhohlraum 84 und dem Düsenhohlraum 17 zuzuführen. Eine Ausgabepassage 85, die in dem Hydraulikverbindungsgehäuse 72 ausgebildet ist, ermöglicht einen Fluss durch den Hohlraum 17. Der Kraftstoffzuführdruck kann innerhalb eines Druckbereichs von etwa 350 bis 2700 bar liegen.
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Eine obere Oberfläche des Hydraulikverbindungskolbens
74 ist in Anlage mit einem inneren Ende des Aktuatorkolbens
46, welcher innerhalb des Düsenhohlraums
17 angeordnet ist. Ein inneres Ende der Hydraulikrückstellfeder
76 ruht auf einem Ende des Hydraulikverbindungsgehäuses
72. In der offenbarten Ausführung grenzt das äußere Ende der Feder
76 an eine Flanschfläche des Hydraulikverbindungskolbens
74, um die Flanschfläche von dem Ende des Hydraulikverbindungsgehäuses
72 wegzudrücken. Ein Nachfüllventil
86 und ein Dämpfungsventil
88 sind des Weiteren in einer ähnlichen Weise an der Kraftstoff-Einspritzdüse vorgesehen, wie in der US-Patentanmeldung
US 2010 / 0 288 239 A1 offenbart, welche am 14. Mai 2009 angemeldet und „Piezoelectric Direct Acting Fuel Injector with Hydraulik Link“ betitelt ist. Außer für die neuen oder unterschiedlichen Merkmale, welche hierin beschrieben sind, funktionieren die beispielhaften Ausführungsformen der Einspritzdüse, die hierin beschrieben wird, im Allgemeinen wie die Kraftstoff-Einspritzdüse, welche in der US-Patentanmeldung
US 2010 / 0 288 239 A1 beschrieben ist.
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Nadelschließgeschwindigkeit:
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Für optimale Emissionen des Motors ist es wünschenswert, dass das Nadelventilelement eine schnelle Schließgeschwindigkeit aufweist. Die Schließgeschwindigkeit ist üblicherweise durch die Belastung in dem Düsensitz 15 während der Nadelbeaufschlagung begrenzt. Einige konventionelle Einspritzdüsen haben eine relativ große Masse in dem Nadelelement und den zugehörigen beweglichen Teilen, so dass die Schließgeschwindigkeit begrenzt werden muss, um eine akzeptable Belastung der Düse während der Nadelbeaufschlagung bereitzustellen. Es wird ein Verfahren benötigt, um die Masse der Nadel und der beweglichen Teile zu reduzieren, um die Nadelschließgeschwindigkeit zu maximieren.
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Beispielhafte Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der beanspruchten Erfindung erhöhen die Nadelschließgeschwindigkeit aufgrund der Reduktion einer Nadelbeaufschlagungskraft, welche aus einer kleinen Masse des Nadelventilelements 11 und der Nadelfeder 89 resultiert. Die kleine Masse ist ein direktes Ergebnis daraus, dass die Hydraulikverbindungsanordnung 70 vollständig innerhalb des Düsengehäuses 2 in enger Nachbarschaft zu den Düsenöffnungen 22 angeordnet ist.
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Ausrichtung der Nadelspitze & Ausrichtung eines Sprühloches:
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Bei Kraftstoff-Einspritzdüsen ist es wichtig, dass die Nadelspitze konzentrisch zu dem Nadelsitz gehalten wird, wenn die Nadel angehoben wird, um: 1) eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes über jede Einspritzdüsenöffnung/jedes Sprühloch bereitzustellen für eine optimale Verbrennung des Kraftstoffs und zur Minimierung von Kavitation und 2) die Abnutzung zwischen der Nadelspitze und dem Nadelsitz zu minimieren, welche auftreten würde, wenn die Nadel nicht zentriert ist und entlang des Nadelsitzes gleiten muss, wenn sie öffnet und schließt. In vielen konventionellen Kraftstoff-Einspritzdüsen wird die Ausrichtung der Nadelspitze durch Bereitstellen eines Bohrungsdurchmessers in der Düse oder dem benachbarten Gehäuse erreicht, der das eng passende Nadelventilelement führt. Dieses Verfahren ist bis zu einem begrenzten Betrag effektiv, aber die Bohrung der Düse oder des Gehäuses, welche das Nadelventilelement aufnimmt, expandiert aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes in der Bohrung und dem sehr geringen Druck außerhalb der Düse oder des Gehäuses in der Größe, so dass eine zusätzliche Exzentrizität der Nadelspitze zugelassen wird. Es gibt einige konventionelle Einspritzdüsenanwendungen, die es erfordern, dass die Sprühlöcher der Einspritzdüse mit Bezug auf die Zylinderköpfe des Motors ausgerichtet sind, aber dies ist schwierig, da nur ein Zugang zu dem Bereich mit kleinerem Durchmesser der Düse besteht, welche eine relativ dünne Wand aufweist.
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Ausführungen in Übereinstimmung mit der beanspruchten Erfindung verbessern die Nadelspitzenausrichtung auf den Nadelsitz 15, während sie auch eine einfache Ausrichtung der Einspritzdüsenöffnungen 22 mit Bezug auf den Zylinderkopf des Motors erlauben. Die beispielhaften Ausführungsformen stellen die folgenden Merkmale bereit, um die verbesserte Ausrichtung der Nadelspitze zu erreichen:
- - Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 ist innerhalb des Düsenhohlraums 17 angeordnet.
- - Das Düsengehäuse 16 ist mit dem Einspritzdüsenkörper 12 verbunden, wobei ein Gewinde an jedem Teil und eine Düsenhalterung 18 mit Gewinde verwendet wird, welche mit dem Gewinde an jedem Teil in Eingriff ist, um einen größeren Hohlraum in der Düse für die Hydraulikverbindungsanordnung 70 zur Verfügung zu stellen.
- - Diese Ausgestaltung stellt außerdem ein Mittel bereit für eine winkelige Ausrichtung des Sprühloches, wenn erforderlich (das heißt Düsenorientierung um die Einspritzdüsenachse).
- - Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 verwendet eine „Kugel auf Rumpf“-Verbindung 90 zwischen dem Hydraulikverbindungsgehäuse 72 und dem Düsengehäuse 16, um das obere Ende des Nadelventilelements 11 akkurat zu positionieren, und die Nadelfeder 89 forciert die Spitze des Ventilelements 11 in den Düsensitz, um die untere Spitze des Ventilelements 11 akkurat zu positionieren.
- - Der Hydraulikverbindungskolben 74 ist an den Aktuatorkolben 46 angebunden unter Verwendung einer „Kugel auf Rumpf“-Verbindung 92, welche es ermöglicht, dass der Aktuatorkolben 46 sich wie erforderlich neigt, während die Hydraulikverbindungsanordnung 70 mit dem Düsensitz 15 ausgerichtet bleibt.
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Bei der Einspritzdüsenanordnung ist das Düsengehäuse 16 insbesondere an der Hülse 14 angebracht unter Verwendung der mit einem Gewinde versehenen Düsenhalterung 18. Die Ausgestaltung dieser Teile stellt Platz für den größeren Hohlraum 17 in dem Düsengehäuse 16 für die Hydraulikverbindungsanordnung 70 zur Verfügung und stellt ein Mittel für eine winkelige Ausrichtung des Sprühloches bereit, wenn erforderlich (das heißt Orientierung der Düse um die Einspritzdüsenachse), indem die Halterung gelöst wird, das Düsengehäuse zu der erwünschten winkeligen Orientierung gedreht und die Halterung wieder befestigt wird. Viele existierende Einspritzdüsengestaltungen müssen einen kleineren Durchmesser des Düsengehäuses verwenden aufgrund der Verwendung einer Düsenhalterung, die einwärts gerichtet in Richtung der Einspritzdüsensprühlöcher, um den unteren Bereich des Düsengehäuses mit der Halterungswand zu umgeben, wobei unzureichender Raum für die Hydraulikverbindungsanordnung gelassen wird. Einige konventionelle Einspritzdüsenanwendungen umfassen eine Einspritzdüsenmotierbohrung, welche in einem Zylinderkopf ausgebildet ist, welcher in der Größe limitiert ist. Vorherige Einspritzdüsen, welche eine Halterung verwenden, die sich einwärts gerichtet über den Abschnitt des Düsengehäuses mit größerem Durchmesser erstreckt, erfordern, dass das Düsengehäuse im Durchmesser kleiner ist, wodurch der Düsenhohlraum kleiner sein muss. Solche vorherigen Ausgestaltungen würden es ausschließen, dass die Hydraulikverbindungsanordnung in dem Düsenhohlraum angeordnet wird, aufgrund eines Fehlens von ausreichend Platz, insbesondere von seitlichen Breitendimensionen (Durchmesser). Durch Verwendung einer kurzen Halterung 76 mit einem distalen Ende 77, welches an einem äußeren Ort endet, welcher innerhalb eines äußeren Drittels der axialen Länge des Düsengehäuses 16 angeordnet ist, kann das Düsengehäuse 16 größer ausgeführt werden, um zu der Anordnungsbohrung zu passen, und dementsprechend kann der Düsenhohlraum 17 größer sein, um die Hydraulikverbindungsanordnung 70 aufzunehmen. Durch Positionieren der Hydraulikverbindungsanordnung 70 in dem Düsenhohlraum 44 zwischen dem inneren Ende der Hülse 14 und den Einspritzdüsenöffnungen 22 nahe zu den Einspritzdüsenöffnungen 22, kann das Nadelventilelement 11 gekürzt sein (gebildet mit einer begrenzten axialen Länge), wodurch die bewegte Masse minimiert wird, und dementsprechend die Beaufschlagungskraft beim Schließen limitiert werden. Ein kürzeres Nadelventilelement 11 ist außerdem reaktionsfähiger auf Änderungen in Kräften, die auf das Ventilelement 11 wirken, zumindest teilweise aufgrund einer Reduktion in der inne wohnenden Reckung des Ventilelements 11, welche auftritt, wenn hydraulische Kräfte auf das Ventilelement angewendet werden, um die Schließzwangkräfte zu überwinden, um das Ventilelement in Richtung einer offenen Position zu bewegen.
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Beim Zusammenfügen werden die Düsenhalterung 18 und das Düsengehäuse 16 zuerst „handfest“ mit der Hülse 14 zusammengefügt. Während die Hülse feststehend gehalten wird, wird das Düsengehäuse 16 zu der angemessenen Sprühlochausrichtungsposition ausgerückt. Diese beiden Teile werden feststehend gehalten und die Düsenhalterung 18 wird dann festgezogen. Die Halterung 18 umfasst einen ersten Verbindungsbereich 94, welcher zum Beispiel ein inneres Gewinde umfasst, beispielsweise zum abgestimmten Eingreifen in ein Außengewinde, welches an der Hülse 14 ausgebildet ist, und einen zweiten Verbindungsbereich 96, welcher zum Beispiel ein inneres Gewinde umfasst, beispielsweise zum abgestimmten Eingreifen in ein Außengewinde, welches an dem Düsengehäuse 16 ausgebildet ist. Geeignete Dreh- und/oder Ausrichtungsmerkmale können an den Teilen, wie erforderlich, eingefügt sein (zum Beispiel Ebenen, Schlitze, Dorne oder usw.) Eine Ausführungsform verwendet eine Gestaltung vom Typ „Drehschnalle“, bei welcher das Düsengehäuse 16 ein linksgerichtetes Gewinde und die Einspritzdüsenhülse 14 ein rechtsgerichtetes Gewinde (oder umgekehrt) aufweist. Eine weitere Ausführungsform verwendet eine Gestaltung vom Typ „Differenzialgewindeabstand“, bei welcher das Düsengehäuse 16 und die Einspritzdüsenhülse 14 beide ein rechtsgängiges Gewinde (oder beide ein linksgängiges Gewinde) aufweisen, wobei ein Teil einen größeren Gewindegangabstand als das andere Teil aufweist.
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Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 verwendet eine „Kugel auf Rumpf“-Düsenverbindung 90, um sie akkurat in dem Düsengehäuse 16 zu positionieren, welche eine gute Ausrichtung des oberen Endes des Nadelventilelements 11 mit dem Düsensitz 15 bereitstellt. Die Hydraulikverbindungs- oder Kolbenrückstellfeder 76 übt eine Last auf das Hydraulikverbindungsgehäuse 72 aus, um einen angemessenen Sitz zu gewährleisten. Auch die Nadelfeder 89 forciert das Nadelventilelement 11 in den Düsensitz 15, wobei gewährleistet wird, dass das untere Ende des Nadelventilelements 11 ausgerichtet ist. Der Hydraulikverbindungskolben 74 in der Hydraulikverbindungsanordnung 70 wird unter Verwendung einer „Kugel auf Rumpf“-Kolbenverbindung 92 mit dem Aktuatorkolben 46 verbunden. Auch das obere Ende des Aktuatorkolbens 46 verwendet eine „Kugel auf Rumpf“-Hülsenverbindung 98 und eine „sphärische“ Adapterverbindung 100. Diese drei sphärischen Schnittstellen ermöglichen es dem Aktuatorkolben 46 sich wie erforderlich zu neigen, um normale Herstellungstoleranzen aufzunehmen, ohne festzuklemmen, während die Hydraulikverbindungsanordnung 11 mit dem Düsensitz 15 ausgerichtet bleibt. 2 zeigt, dass die Düsenverbindung 90 und die Kolbenverbindung 92 die Mittelpunkte der zwei sphärischen Oberflächen in enger Nähe angeordnet haben, welches zusammen mit Verbindungsreibung die Systemkopplung davor bewahrt, sich während des Betriebs zu verziehen.
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Während des Einspritzdüsenbetriebs behält das Element 11 seine Ausrichtung mit dem Düsensitz 15, wenn das Nadelventilelement 11 während des Betriebs der Einspritzdüse sich anhebt. Um einen Einspritzpuls zu beginnen, expandieren die piezoelektrischen Elemente 30, welches den Hydraulikverbindungskolben 74 über den Aktuatorverbinder 44 und den Aktuatorkolben 46 nach unten bewegt. Dieses erhöht den Druck in dem Hydraulikverbinder 78, um das Nadelventilelement 11 anzuheben. Diese Kraft, zusammen mit der Kraft der Kolbenrückstellfeder 76, resultiert darin, dass die Düsenverbindung 90 in Position verschlossen ist, bevor und während der Nadelanhebung sowie bei Nadelschließung, so dass eine Nadelausrichtung beibehalten wird. Beim Anheben wird die tatsächliche Exzentrizität der Spitze des Nadelventilelements 11 mit Bezug auf den Düsensitz 15 durch die sehr kleinen Spalte der Passung in der Hydraulikanordnung 70 begrenzt.
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Steuerung des Hydraulikverbindungsnachfüllventils:
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Die in der am 14. Mai 2009 angemeldeten, und „Piezoelectric Direct Acting Fuel Injector with Hydraulic Link“ betitelten US-Patentanmeldung
US 2010 / 0 288 239 A1 gezeigte Hydraulikverbindung enthält ein Nachfüllventil, welches das Mittel bereitstellt, um das Hydraulikverbindungsvolumen mit Kraftstoff nach einem Einspritzpuls nachzufüllen. Dieses Nachfüllen ist erforderlich, da etwas von dem Kraftstoff in dem Hydraulikverbinder während eines Einspritzzykluses ausläuft. Es ist wünschenswert, dass die Einspritzdüse für jeden Einspritzvorgang/Motorzündzyklus mehrere Einspritzpulse zu der Motorverbrennungskammer bereitstellt. Die minimale Zeit zwischen diesen mehreren Einspritzpulsen ist durch die Zeit, die zum Öffnen und dann Schließen vor dem nächsten Einspritzpuls/Zyklus des Nachfüllventils benötigt wird, begrenzt. Weitere potenziell unerwünschte Variabilität der Einspritzzeitvorgabe kann außerdem resultieren, wenn das Nachfüllventil zwischen jedem Einspritzpuls öffnet und schließt.
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Beispielhafte Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der beanspruchten Erfindung stellen eine steuerbare Nachfüllung bereit, um zu ermöglichen, dass die Hydraulikverbindungskammer nur dann nachgefüllt wird, wenn angeordnet. Wenn das Nachfüllventil 86 zwischen zwei oder mehr Einspritzpulsen geschlossen gehalten wird, dann können die Pulse näher beieinander sein, was in manchen Fällen für eine optimale Kraftstoffverbrennung sowie zum Reduzieren der Variabilität der Einspritzzeitvorgabe sehr wünschenswert ist. Das Nachfüllventil 86 könnte durch ein elektronisches Steuermodul des Motors oder eine Einheit angesteuert werden, um nachzufüllen, wenn erforderlich, um das Nadelanhebungsvermögen für den nächsten Einspritzpuls aufrechtzuerhalten, zum Beispiel nach allen oder einem Teil der mehreren Pulse eines Verbrennungsvorgangs.
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Innerhalb der Hydraulikverbindungsanordnung 70 öffnet das Nachfüllventil 86 nur, wenn der Druck des Hydraulikverbindungsvolumens 78 ausreichend niedriger ist, als der Druck des Kraftstoffzuführhohlraums/des Düsenhohlraums, was normalerweise nach jedem Einspritzpuls eintritt. In dieser vorliegenden Erfindung kann das Nachfüllventil 86 zwischen zwei Einspritzpulsen durch Befehlen der geeigneten unteren Grenze der elektrischen Spannung des piezoelektrischen Aktuators nach dem Einspritzpuls geschlossen gehalten werden. Hierbei wird eingestellt dass die Spannung nach einem Einspritzpuls nicht auf Null geht, sondern auf einer Spannung gehalten wird, die hoch genug ist, um den geeigneten Druck des Hydraulikverbindungsvolumens über dem Kraftstoffzufuhrdruck/ Düsenhohlraumdruck zu halten, aber niedrig genug, um unterhalb des Drucks zu sein, welcher zum Öffnen des Nadelventilelements 11 erforderlich ist. Um zu ermöglichen, dass das Hydraulikverbindungsvolumen 78 nach einem Einspritzpuls mit Kraftstoff nachgefüllt wird, wird ermöglicht, dass die elektrische Spannung des piezoelektrischen Aktuators nach einem Einspritzpuls auf Null geht. Dies erlaubt es, dass der Druck in dem Hydraulikverbindungsvolumen 78 ausreichend geringer ist, als der Hohlraumdruck zum Ermöglichen des Öffnens des Nachfüllventils 86.
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Genauer gesagt umfasst die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 der vorliegenden Erfindung ein Hydraulikverbindungsnachfüllventil 86, welches eine Passage mit einer relativ großen Durchflussfläche zum sehr schnellen Nachfüllen der Hydraulikverbindungskammer oder des Volumens 78 zwischen zwei Einspritzpulsen oder Vorgängen bereitstellt, während ein Leckagefluss aus der Hydraulikverbindungskammer 78 während des Einspritzens minimiert wird. In einer offenbarten Ausführungsform besteht das Nachfüllventil 86 aus einer ringförmigen Scheibe (oder einer ähnlichen Konfiguration), welche eine Rückschlagdichtung mit einem geeigneten Ventilsitz 102 in dem passenden Teil zum Formen einer Rückschlagventilanordnung bereitstellt. Das Hydraulikverbindungsnachfüllventil 86 kann federgespannt in jede Richtung sein, wenn durch spezifische Betriebsbedingungen erforderlich.
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Im Betrieb, wenn der Druck in der Hydraulikverbindungskammer 78 unterhalb des Druckes in dem Kraftstoffzuführhohlraum/dem Düsenhohlraum ist, hebt das Nachfüllventil 86 ab, um Kraftstofffluss durch die Flussfläche fließen zu lassen, um die Hydraulikverbindungskammer 78 nachzufüllen (zum Beispiel zwischen Einspritzpulsen). Wenn der Druck in der Hydraulikverbindungskammer 78 größer wird als der Druck in dem Düsenhohlraum, zwingt unter Druck stehender Kraftstoff von der Hydraulikverbindungskammer 78 das Nachfüllventil 86 in Richtung seines Ventilsitzes 102, bis das Ventil 86 sitzt, um die Passage zwischen dem Ventil und dem Sitz zu schließen (zum Beispiel wenn Einspritzung beginnt). Die Passage bleibt geschlossen, so lange der Druck in der Hydraulikverbindungskammer 78 größer ist als der Zuführdruck.
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Es ist wichtig, dass, mit Bezug auf 2 und die Graphen der 6a-6c die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren bereitstellt, welches es ermöglicht, dass das Nachfüllventil 86 steuerbar ist, so dass es nur nachfüllt, wenn dazu befohlen. Innerhalb der Hydraulikverbindungsanordnung 70 öffnet das Nachfüllventil 86 nur, wenn der Druck in dem Hydraulikverbindungsvolumen 78 ausreichend niedriger ist als der Druck des Kraftstoffzuführhohlraums/des Düsenhohlraums 84/17, was normalerweise nach jedem Einspritzpuls eintritt. Das Nachfüllventil 86 kann zwischen Einspritzpulsen geschlossen gehalten werden, indem die geeignete untere Grenze der elektrischen Spannung des piezoelektrischen Aktuators 24 nach dem Einspritzpuls eingestellt wird. Es wird verhindert, dass die Spannung nach einem Einspritzpuls auf Null geht; vielmehr wird sie auf einer Spannung gehalten, welche hoch genug ist, den geeigneten Druck in dem Hydraulikverbindungsvolumen 78 über dem Druck in dem Kraftstoffzufuhr-/Düsenhohlraum 84/17 zu halten, aber niedrig genug, um unterhalb des Druckes zu sein, welcher zum Öffnen des Nadelventilelements 11 erforderlich ist. Dieses Steuerverfahren ermöglicht es, dass die Einspritzpulse näher beieinander sind, welches in einigen Fällen für eine optimale Kraftstoffverbrennung sowie zum Reduzieren der Einspritzzeitvorgabenvariabilität sehr wünschenswert ist.
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Um zu ermöglichen, dass das Hydraulikverbindungsvolumen 78 nach einem Einspritzpuls mit Kraftstoff nachgefüllt wird, wird ermöglicht, dass die Spannung der piezoelektrischen Aktuatoranordnung 24 nach dem Einspritzpuls auf Null geht. Dieses erlaubt, dass der Druck in dem Hydraulikverbindungsvolumen 78 ausreichend niedriger ist als der Druck in dem Kraftstoffzufuhr-/Düsenhohlraum 84/17, um zu erlauben, dass das Nachfüllventil 86 öffnet. Dieses Nachfüllen gewährleistet, dass das Anhebungsvermögen des Nadelventilelements für den nächsten Einspritzpuls nach allen oder einem Teil der mehreren Pulse eines Verbrennungsvorgangs beibehalten wird.
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Kraftstoffleckage hinter Aktuatorkolbendurchmesser mit Passung:
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Es ist wünschenswert, die Hochdruckkraftstoffleckage zum Abfluss zu minimieren, da dieses Energieverluste minimiert und ein exzessives Erwärmen der Einspritzdüsenkomponenten und einen Rückfluss des Abflusskraftstoffs zu dem Kraftstofftank verhindert. Einige konventionelle Einspritzdüsen verwenden eine oder mehrere eng passende Passungen zwischen einem Kolben und seinem zugehörigen Gehäuse, um Hochdruckleckage zu minimieren, während weiterhin eine Bewegung über den Kolben übertragen werden kann. Dieses gleiche Gehäuse stellt jedoch auch eine höchstbeanspruchte Flächendichtung bereit, was in einer Verformung der Passungsbohrung resultieren kann, wodurch es erforderlich werden kann, einen größeren Spalt in der Passung zu verwenden, um eine Quetschung des Kolbens aufgrund der Bohrungsverformung zu vermeiden. Dieser größere Spalt resultiert in mehr Leckage.
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Beispielhafte Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der beanspruchten Erfindung verhindern, dass eine Gehäuseverformung den Kolbenpassungsspalt beeinträchtigt, während ein „Leckagesteuerungsmerkmal“ beibehalten wird. Diese Erfindung stellt eine Dichtung zur Verfügung, welche die Menge an Hochdruckkraftstoffleckage zum Abfluss durch Verwendung einer Passung zwischen der Kolbenhülse 62 und dem Aktuatorkolben 46 limitiert. Die Kolbenhülse 62 dichtet auch gegen das untere Aktuatorgehäuse 28 durch Verwendung einer geeigneten Dichtungsverbindung. Eine „Kugel auf Rumpf“-Verbindung 98 kann verwendet werden, um dem Aktuatorkolben 46 ein Neigen zu ermöglichen, wie erforderlich, um normale Herstellungstoleranzen aufzunehmen. Das Äußere der Hülse 62 ist dem Druck in dem Kraftstoffzuführhohlraum 84 ausgesetzt, welches dazu führt, dass die Hülsenbohrung geringfügig kontrahiert, wenn der Zuführdruck steigt. Der geeignete Passungsspalt wird bereitgestellt, um eine Kolbenquetschung zu vermeiden. Dieser Spalt kann abgeschrägt sein, um an die Menge der Bohrungskontraktion entlang der Achse angepasst zu sein, um Leckage weiter zu reduzieren.
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Genauer gesagt stellen beispielhafte Ausführungsformen einen Kolbendichtungsringraum 104 bereit, welcher die Menge an Leckage von Kraftstoff von dem Kraftstoffzuführhohlraum 84 zu dem Kraftstoffabflusshohlraum 50 durch die Verwendung einer Passung zwischen der Kolbenhülse 62 und dem Aktuatorkolben 46 limitiert. Die Kolbenhülse 62 dichtet auch gegen das untere Aktuatorgehäuse 28 unter Verwendung der Hülsenverbindung 98 des Typs Kugel auf Rumpf. Diese Verbindung ermöglicht es auch, dass der Aktuatorkolben 26 sich neigen kann, wie zum Aufnehmen vor normalen Herstellungstoleranzen erforderlich.
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Das Äußere der Kolbenhülse 62 ist dem Druck in dem Kraftstoffzuführhohlraum 84 ausgesetzt, wobei eine radiale hydraulische Kraft produziert wird, die tendiert, ein leichtes Kontrahieren der Bohrung der Kolbenhülse 62 zu bewirken, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführhohlraum 84 ansteigt. In der Hülsenverbindung 98 wird die interne konische Oberfläche auf die Hülse 62 angewendet. Dies erlaubt es, dass die axiale hydraulische Last auf der Hülse sich der radialen hydraulischen Kraft entgegensetzt, die dazu tendiert, die Hülsenbohrung zu kontrahieren, so dass die Menge der Kontraktion der Bohrung der Hülse 62 minimiert wird.
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Der geeignete Passungsspalt in dem Kolbendichtungsringraum 104 ist vorgesehen, um ein Quetschen des Aktuatorkolbens 46 zu vermeiden. Dieser Spalt kann abgeschrägt sein, um auf den Wert der Bohrungskontraktion entlang der Achse abgestimmt zu sein, um Leckage weiter zu reduzieren.
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Piezoelektrisches Aktuatorgehäuse und Vorlastfeder:
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Es ist wünschenswert, dass der piezoelektrische Aktuator ein Gehäuse oder ein ähnliches Mittel aufweist, um zu verhindern, dass ungewünschte Fluide den keramischen Stapel erreichen, wegen abträglicher Effekte auf die Zuverlässigkeit des Aktuators. Ein Vorlastverfahren ist auch erforderlich, um zu gewährleisten, dass der piezoelektrische Stapel immer unter Kompression steht und niemals unter Spannung, um Frakturen, die zu einem Ausfall des Aktuators führen können, zu vermeiden. Wenn eine Vorlastfeder verwendet wird, dann ist die geringste Federrate wünschenswert, um den größten verfügbaren Aktuatorenergieoutput zu erzielen.
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Diese Erfindung stellt ein gewelltes Gehäuse 40 zur Verfügung, um zu verhindern, dass die piezoelektrischen Elemente 30 einem Abflusskraftstoff ausgesetzt sind, sowie um jegliches Öl, welches innerhalb des Aktuators für eine verbesserte Wärmeübertragung verwendet wird, zu enthalten. Es wirkt auch als eine Vorlastfeder für den Stapel von piezoelektrischen Elementen 30. Das gewellte Gehäuse 40 ist an den Aktuatordeckel 32 angeschweißt. Das gewellte Gehäuse 40 wird dann zu der geeigneten Last gestreckt und an die Bodenabstützung 38 angeschweißt. Die Wellungen in dem gewellten Gehäuse 40 resultieren in einer relativ geringen Federrate, um die verfügbare piezoelektrische Aktuatorkraft zu maximieren.
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Wie vorstehend erwähnt, kann das Düsenventilelement 11 schnell in eine gewünschte Anhebeposition angehoben werden und eine Tendenz haben, um diese Position herum für eine gegebene Zeitspanne zu oszillieren. Ein Dämpfungsventil 88 ist in dem Hydraulikverbindungskolben 74 angeordnet und umfasst eine Dämpfungsventilöffnung 106. Das Dämpfungsventil 88 ist durch das äußere Ende der Nadelfeder 16 in eine Abstützung gegen den Hydraulikverbindungskolben 74 gedrückt. Das Dämpfungsventil 17 wird verwendet für den Zweck, die Oszillationen des Nadelventilelements 11 zu dämpfen, um eine konsistentere Kraftstoffzufuhr zu erreichen. Dies wird erreicht, da der in der Dämpfungskammer 40 festgehaltene Kraftstoff über die Dämpfungsventilöffnung 106 austritt, wobei eine Begrenzung des ausfließenden Kraftstoffflusses bereitgestellt wird und daher die Bewegung des Düsenventilelements 11 in die anhebende Richtung begrenzt wird. Das Dämpfungsventil 88 ermöglicht es außerdem, dass Kraftstoff in die Dämpfungskammer 108 eintritt, indem das Dämpfungsventil 88 von dem Hydraulikverbindungskolben 74 weg gegen die drückende Kraft der Nadelfeder 89 bewegt wird, wobei eine geringe Begrenzung der Bewegung des Düsenventilelements 11 in die absenkende Richtung bewirkt wird.
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Es sollte bemerkt werden, dass das innere Ende des oberen oder Aktuatorkolbens 46 einen großen Durchmesser aufweist, wodurch es als ein Verstärkungsmerkmal oder ein Verstärker funktioniert. In einer weiteren Ausführungsform, welche in 3 gezeigt ist, kann das innere Ende des Aktuatorkolbens 46 einen einzigen Durchmesser aufweisen, um eine zylindrische Form zu bilden, während eine separate Verstärkungskomponente 42 zwischen dem inneren Ende des Aktuatorkolbens 46 und dem äußeren Ende des Hydraulikverbindungskolbens 74 angeordnet sein kann. Die separate Verstärkungskomponente 42 kann eine zentrale Bohrung 108 aufweisen, um einen Zentralstab 130 des Aktuatorkolbens 46 aufzunehmen, um die Komponenten miteinander zu verbinden.
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Mit Bezug auf 4 können in einer weiteren Ausführungsform sowohl eine Dämpfungseinlassöffnung 110 und eine separate Dämpfungsauslassöffnung 112 verwendet werden, um einen Einlass- und einen Auslassfluss aus der Dämpfungskammer 108, die in dem Hydraulikverbindungskolben 74 angeordnet ist, zu steuern. Die Dämpfungseinlassöffnung 110 ist in dem Hydraulikverbindungskolben 74 gebildet und stellt die Möglichkeit zur Verfügung, die Aufschlaggeschwindigkeit beim Nadelschließen zu reduzieren, um mögliche Thematiken eines Einschlags der Nadel in den Sitz zu verhindern. Die minimale Größe der Dämpfungseinlassöffnung 110 (das heißt die minimale Aufprallgeschwindigkeit) ist dahingehend begrenzt, dass sie den Nadelöffnungsverzug und die Dämpfung nicht exzessiv beeinflussen darf, da sie in Serie mit der Dämpfungsauslassöffnung 112 ist.
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5 zeigt eine Ausführungsform, welche während des Schließens des Nadelventilelements mehr Dämpfung erlaubt (das heißt mehr Öffnungsbegrenzung) als während des Öffnens des Nadelventilelements. Diese Konfiguration stellt eine unabhängige Steuerung der Dämpfung während des Öffnens der Nadel und während des Schlie-βens der Nadel bereit. Die Nadelaufprallgeschwindigkeit kann daher herabgesetzt werden, während der Nadelöffnungsverzug und die Dämpfung nicht beeinträchtigt werden. In dieser Ausführungsform umfasst das Dämpfungsventil 88 ein Dämpfungsventilelement 114, welches außerhalb des Hydraulikverbindungskolbens 74 angeordnet und durch eine Feder 116 gegen einen Ventilsitz 118, der an dem Kolben 74 ausgebildet ist, einwärts gerichtet gedrückt wird. Während des Öffnens des Nadelventilelements fließt das Fluid aus der Dämpfungskammer (dämpfende Kammer) 108 durch die Dämpfungsauslassöffnung 112 sowie die beiden Dämpfungseinlassöffnungen 120, welche einander gegenüberliegend in der ringförmigen Wand des Hydraulikverbindungskolbens 74 ausgebildet sind, wodurch die Dämpfungskammer 108 mit dem Düsenhohlraum 17 verbunden wird. Während des Schließens der Nadel fließt Fluid in die Dämpfungskammer nur durch die beiden Dämpfungseinlassöffnungen 120. In anderen Ausführungsformen kann nur eine oder können mehr als zwei Dämpfungseinlassöffnungen verwendet werden. Zwei oder mehr Öffnungen würden jedoch die Fließkräfte, die radial auf die Hydraulikverbindungsanordnung wirken, ausbalancieren.
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Die Kraftstoff-Einspritzdüse der vorliegenden Erfindung ist für mehrere Kraftstoffpulse pro Verbrennungsvorgang bei engeren Intervallen (zum Beispiel 7 oder mehr) bei einem hohen Einspritzdruck geeignet, um besser zukünftige Anforderungen an Motoremissionen zu erfüllen, während ein Minimum an teuren Abgasnachbehandlungseinrichtungen verwendet wird. Die geringere Nadelmasse, schnellere Nadelschließantwort und die verbesserte Nadel-zu-Düsensitz-Ausrichtung helfen, die Motoremissionen und die Einspritzdüsenhaltbarkeit zu verbessern. Dieses Prinzip der Einspritzdüsengestaltung kann für kleine, mittlere, schwerere und größere Motoren angewendet werden, aber die erforderliche Energie von dem Aktuator vergrößert sich mit einer Vergrößerung der Anforderungen an Fluss und/oder Druck. Somit kann die Einspritzdüse der vorliegenden Erfindung signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreichen durch den Versuch, die erforderliche Bewegung zum Anheben des Nadelventilelements 11 von seinem Ventilsitz zu minimieren, um einen Kraftstoffeinspritzungsvorgang innerhalb einer kürzesten Antwortzeit durchzuführen. Um diese Ergebnisse zu erreichen, stellen beispielhafte Ausführungsformen eine einzigartige Hydraulikverbindungsanordnung 70 zur Verfügung, um den piezoelektrischen Aktuator mit dem Nadelventilelement 11 zu verbinden, wobei Leckagesteuermittel verwendet werden, wie hierin beschrieben, um hierdurch eine direkt wirkende Einspritzdüse bereitzustellen, die besser steuerbar ist und schneller agiert, während ein Abfluss minimiert wird. Ein Verzicht auf jegliche Blenden in den Kraftstoffzuführpassagen stromaufwärts des Düsenventilelementsitzes 15 ist vorgesehen, um den Schlauchdruck (das heißt bei Schlauchkammer) zu maximieren. Der obere Aktuatorkolben 46 erleichtert die Verbindung des piezoelektrischen Aktuators 24 mit der Hydraulikverbindungsanordnung 70. Die Hydraulikverbindungsanordnung 70 agiert direkt, um die nach unten gerichtete Bewegung des piezoelektrischen Aktuators 24 in eine nach oben gerichtete Bewegung des Nadelventilelements 11 umzusetzen (das heißt, der Hydraulikverbindungskolben 74 wird durch die piezoelektrischen Elemente 30 nach unten gedrückt, und das Nadelventilelement 11 wird durch den entstehenden Kraftstoffdruck der Hydraulikverbindungskammer 78 nach oben gedrückt). Die Durchmesser der Hydraulikverbindungskolben sind ausgewählt, um eine optimale Bewegungsverstärkung zu erreichen, die für die gewünschte Bewegung des Nadelventilelements 11 erforderlich ist. Die Hydraulikverbindungskammer 78 wird zwischen Einspritzvorgängen wahlweise nachgefüllt und wird wahlweise nachgefüllt zwischen Einspritzpulsen, wie erforderlich, um die Kraftstoffeinspritzkomponenten in die ursprünglichen Positionen zurückgehen zu lassen (für nachfolgende Kraftstoffeinspritzvorgänge), sogar wenn thermische Veränderungen auftreten.
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Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass an der offenbarten Vorrichtung und dem Verfahren verschiedene Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne dass der Umfang der Offenbarung verlassen wird. Außerdem werden durch Berücksichtigung der Beschreibung dem Fachmann andere Ausführungen der Vorrichtung und des Verfahrens ersichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als exemplarisch angesehen werden, wobei der wahre Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen angegeben wird.
