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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Direktsteuerventile für Kraftstoffinjektoren, insbesondere ein Nadelsteuerungssystem, das verschieden große F-, A-, Z- und E-Öffnungen enthält.
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Hintergrund
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Die heutzutage eingesetzten elektronisch gesteuerten Kompressionszündungsmotoren enthalten normalerweise einen elektronisch gesteuerten Kraftstoffinjektor mit einem direkt betätigten Verschlussventil. Das direkt betätigte Verschlussventil enthält eine Schließhydraulikfläche, die einem Druck in einer Nadelsteuerungskammer ausgesetzt ist. Zum Einleiten eines Einspritzvorgangs wird ein Druck in der Nadelsteuerungskammer durch Betätigen eines Zweiwege- oder Dreiwegeventils zum Fluidverbinden der Nadelsteuerungskammer mit einem Niederdruckablauf abgebaut. Der Einspritzvorgang wird durch Aberregen des elektronisch gesteuerten Zweiwege- oder Dreiwegeventils zum erneuten Beaufschlagen der Nadelsteuerungskammer mit Druck beendet. Das
US-Patent 7,331,329 der Anmelderin zeigt ein Beispiel für einen solchen Kraftstoffinjektor mit einem Dreiwegeventil, während das
US-Patent 6,986,474 einen beispielhaften Kraftstoffinjektor mit einem Zweiwegeventil zeigt. Im Allgemeinen kann ein Dreiwegeventil im Vergleich zu einem Zweiwegeventil eine größere Leistungsfähigkeit aufweisen, jedoch mit einer erhöhten Komplexität und einer erhöhten Schwierigkeit bei der Herstellung, insbesondere im Hinblick auf die Massenfertigung von Kraftstoffinjektoren mit gleichbleibenden Leistungseigenschaften.
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Frühe Versionen des Zweiwegeventils enthielten typischerweise die Nadelsteuerungskammer, die über eine freie Z-Öffnung mit einem Düsenzufuhrkanal fluidverbunden war, und das Zweiwegeventil erlaubte eine Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerungskammer und einem Niederdruckablauf durch eine sogenannte A-Öffnung. Während eines Einspritzvorgangs wird der Düsenzufuhrkanal über die Z-Öffnung, die Nadelsteuerungskammer und die A-Öffnung direkt mit dem Niederdruckablauf fluidverbunden. Somit gab es anfangs einen Anlass, die A- und die Z-Öffnung relativ klein auszuführen, damit Verluste während eines Einspritzvorgangs verringert werden. Dies führte jedoch schnell zu einem Problem im Hinblick darauf, dass es im Allgemeinen erwünscht ist, Einspritzvorgänge abrupt zu beenden, was durch rasches Anheben des Drucks in der Nadelsteuerungskammer erreicht wird. Eine kleine Z-Öffnung verlangsamt die Rate, mit der Druck in der Nadelsteuerungskammer am Ende eines Einspritzvorgangs zunehmen kann. Diesem Problem wurde durch Hinzufügen einer zusätzlichen Öffnung zum Ermöglichen, dass die Nadelsteuerungskammer am Ende des Einspritzvorgangs schnell erneut mit Druck beaufschlagt werden kann, begegnet. Beispielsweise enthält das zuvor genannte
US-Patent 6,986,474 eine zusätzliche Öffnung
14, die eine erneute Beaufschlagung der Nadelsteuerungskammer
4 mit Druck über sowohl die Z-Öffnung
5 als auch die A-Öffnung
6 mittels der zusätzlichen Füll- oder F-Öffnung
14 ermöglicht. Der oben genannte Dreiwegeventilkraftstoffinjektor in dem
US-Patent 7,331,329 der Anmelderin enthält ebenfalls drei Öffnungen, die eine Z-Öffnung
112 und zwei andere Öffnungen
110 und
111 beinhalten, die im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der F-Öffnung und der A-Öffnung des Zweiwegeventilkraftstoffinjektors ähneln.
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Aufgrund der Komplexität und der Schwierigkeit bei der Herstellung eines Dreiwegeventils, das bei massengefertigten Kraftstoffinjektoren eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit aufweist, wird verstärkt auf einen Einsatz eines Zweiwegesteuerventils zum Durchführen der Drucksteuerfunktion eines Direktsteuerverschlussventils für einen Kraftstoffinjektor gesetzt. Leider resultieren aktuell verwendete Strategien für einen Einsatz von Zweiwegeventilen selbst mit F-, A- und Z-Öffnungen in einer Leistung, die im Vergleich zu einer Dreiwegeventilsteuerungsstrategie nicht zufriedenstellend ist. Auch wenn beispielsweise das Vorhandensein einer F-Öffnung dazu beitragen kann, das Ende eines Einspritzvorgangs zu beschleunigen, trägt die F-Öffnung möglicherweise nicht dazu bei, die Rate, mit der das Nadelventilbauteil öffnet, um einen Einspritzvorgang durchzuführen, zu verlangsamen, was manchmal ebenfalls eine gewünschte Eigenschaft eines Kraftstoffinjektors darstellt. Zusätzlich dazu können Variationen von Strömungsquerschnitten bei Steuerventilen für massengefertigte Kraftstoffinjektoren zu Leistungsschwankungen der Kraftstoffinjektoren führen, die nicht akzeptabel sind.
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Die folgende Offenbarung zielt auf eines oder mehrere der vorher genannten Probleme ab.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt enthält ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper, der einen Kraftstoffeinlass, wenigstens einen Düsenauslass und einen Ablauf festlegt und in demselben eine Düsenkammer, eine Nadelsteuerungskammer und eine Zwischenkammer aufweist. Die Nadelsteuerungskammer ist durch einen ersten Pfad, der eine Z-Öffnung enthält, mit dem Kraftstoffeinlass fluidverbunden, und die Nadelsteuerungskammer ist mit einem zweiten Pfad, der eine F-Öffnung, die Zwischenkammer und eine A-Öffnung enthält, mit dem Kraftstoffeinlass fluidverbunden. Ein elektronisch gesteuertes Ventil ist an dem Injektorkörper angebracht und enthalt ein Steuerventilbauteil, das zwischen einer ersten Position in Kontakt mit einem Sitz und einer zweiten Position außer Kontakt mit dem Sitz bewegbar ist. Die Nadelsteuerungskammer ist durch einen dritten Pfad, der die A-Öffnung, die Zwischenkammer und eine E-Öffnung enthält, mit einem Ablauf fluidverbunden, wenn sich das Steuerventilbauteil an der zweiten Position befindet, die Nadelsteuerungskammer ist jedoch von dem Ablauf getrennt, wenn sich das Steuerventilbauteil an der ersten Position befindet. Ein Nadelventilbauteil enthält eine Öffnungshydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der Düsenkammer ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der Nadelsteuerungskammer ausgesetzt ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffinjektors das Starten eines Einspritzvorgangs durch Bewegen von Kraftstoff aus der Nadelsteuerungskammer durch die A-Öffnung und aus der Düsenkammer durch die F-Öffnung zu der Zwischenkammer. Zusätzlich dazu wird der Einspritzvorgang durch Bewegen von Kraftstoff aus der Zwischenkammer durch die E-Öffnung zu dem Auslass begonnen. Danach wird der Einspritzvorgang beendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein seitlicher Schnitt eines Kraftstoffinjektors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist ein vergrößerter Schnitt des Drucksteuerteils des Kraftstoffinjektors aus 1;
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3 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Öffnungsscheibe gemäß einem Aspekt der folgenden Offenbarung;
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4 ist eine perspektivische Unteransicht der ersten Öffnungsscheibe aus 3;
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5 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine zweite Öffnungsscheibe gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
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6 ist eine Reihe von Streifendiagrammen für einen Einspritzvorgang, die jeweils einen Aktuatorstrom, eine Steuerventilbewegung, einen Zwischenkammerdruck, einen Nadelsteuerungskammerdruck, eine Nadelventilbauteilbewegung und eine Einspritzrate gegenüber der Zeit mit und ohne eine F-Öffnung zeigen;
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7 ist eine Gruppe von Streifendiagrammen ähnlich zu denen aus 6, die die unterschiedlichen Leistungseigenschaften für eine relativ kleine bzw. eine relativ große A-Öffnung zeigen;
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8 ist eine Gruppe von Streifendiagrammen ähnlich zu denen aus den 6 und 7, die die unterschiedliche Leistungseigenschaften für eine E-Öffnung zeigen, die groß bzw. klein ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 enthält ein Kraftstoffinjektor 10 einen Injektorkörper, der einen Kraftstoffeinlass 44, mindestens einen Düsenauslass 45 und einen Niederdruckablauf 46 festlegt. Der Kraftstoffeinlass 44 enthält einen konischen Sitz 40 zum Ermöglichen einer Verbindung zwischen dem Kraftstoffinjektor 10 und einem Common Rail über ein bekanntes Zufuhrrohr. Der Niederdruckablauf 46 wäre mit einem Tank fluidverbunden, um für die Steuerfunktion verwendeten und/oder austretenden Kraftstoff für eine Rückführung zu einem Tank zurückzubringen. Die Düsenauslässe 45 wären in dem Brennraum einer Kompressionszündungsbrennkraftmaschine positioniert, um eine Direktkraftstoffeinspritzung in den Zylinder der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Der Kraftstoffinjektor 10 enthält einen direkt betätigten Verschluss 13, wie er im vorhergehenden Abschnitt kurz beschrieben wurde. In dem Injektorkörper 11, der mit Ausnahme von elektrischen und beweglichen Komponenten die gesamte Hardware enthält, sind eine Anzahl von Fluidkanälen und Kammern ausgebildet. Darunter befinden sich eine Düsenkammer 50, eine Nadelsteuerungskammer 52 und eine Zwischenkammer 54. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Injektorkörper” verschiedene stationäre Komponenten des Kraftstoffinjektors 10, die Fluidkanäle, Kammern und dergleichen festlegen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Düsenkammer 50 über einen freien Düsenzufuhrkanal 49 mit dem Kraftstoffeinlass 44 fluidverbunden, wie das bei Common-Rail-Kraftstoffinjektoren üblicherweise der Fall ist. Der Ausdruck „frei” bedeutet einen Fluidkanal ohne Ventile oder dergleichen, die einen Strömungsquerschnitt durch den Kanal ändern oder möglicherweise sogar einen Fluidstrom durch denselben blockieren. Wenngleich die folgende Offenbarung im Zusammenhang mit einem Common-Rail-Kraftstoffinjektor 10 erläutert wird, wären die hierin in Zusammenhang mit der direkt betätigten Nadel 13 erörterten Prinzipien genauso auf andere Arten von Kraftstoffinjektoren anwendbar, einschließlich beispielsweise nockenbetätigte Kraftstoffinjektoren, jedoch nicht darauf beschränkt, und können Hybridkraftstoffinjektoren mit Common Rail und Nockenbetätigung sein.
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Bezug nehmend auf 2 ist die Nadelsteuerungskammer 52 über einen ersten Pfad 61, der eine Z-Öffnung 66 und ein Segment des Düsenzufuhrkanals 49 enthält, mit dem Kraftstoffeinlass 44 fluidverbunden. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Öffnung” eine Strömungsbegrenzung, die durch einen zylindrischen Kanal mit gleichmäßigem Durchmesser und Strömungsquerschnitt festgelegt ist. Somit ist für Fachleute offensichtlich, dass an anderen Stellen in einem Kraftstoffinjektor Strömungsbegrenzungen vorhanden sein können, beispielsweise bei einem Zwischenraum zwischen einem Ventilbauteil und einem Ventilsitz, dass solche Strömungsbegrenzungen jedoch in Zusammenhang mit der folgenden Offenbarung nicht als Öffnungen zu betrachten sind. Die Nadelsteuerungskammer 52 ist ferner über einen zweiten Pfad 62, der eine F-Öffnung 68, die Zwischenkammer 54, die A-Öffnung 67 und die Düsenkammer 50 sowie den Düsenzufuhrkanal 49 enthält, mit dem Kraftstoffeinlass 44 fluidverbunden.
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Ein elektronisch gesteuertes Ventil 20 ist an dem Injektorkörper 11 angebracht und enthält ein Steuerventilbauteil 22, das zwischen einer ersten Position, an der es in Kontakt mit einem Sitz 23 ist, und einer zweiten Position, an der es nicht in Kontakt mit dem Sitz 23 ist, bewegbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält das elektronische Steuerventil 20 ein Solenoid mit einem Anker 24, der an einem Drücker 27, der in Kontakt mit dem Steuerventilbauteil 22 ist, angebracht ist. Somit ist bei der dargestellten Ausführungsform der elektrische Aktuator 25 ein Solenoid, er könnte jedoch auch ein anderer elektrischer Aktuator sein, beispielsweise ein Piezoelement, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich dazu ist gezeigt, dass das Steuerventilbauteil 22 in und außer Kontakt mit einem Sitz 23 bewegbar ist, der ein flacher Sitz ist, jedoch auch ein komplementärer konischer Sitz sein könnte, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Schließlich könnte, auch wenn der Kraftstoffinjektor 10 lediglich einen elektrischen Aktuator 25 enthält, die vorliegende Offenbarung potentiell bei Kraftstoffinjektoren mit zwei oder mehr elektrischen Aktuatoren angewandt werden, beispielsweise einem ersten elektrischen Aktuator für ein Überströmventil und einem zweiten elektrischen Aktuator für einen direkt betätigten Verschluss, wie es typischerweise bei einem nockenbetätigten Kraftstoffinjektor der Fall ist. Eine Feder 29 spannt normalerweise den Drücker 27 und das Steuerventilbauteil 22 nach unten in Kontakt mit dem flachen Sitz 23 vor. Der Ausdruck „flacher Sitz” bedeutet einen Ventilsitz, der Teil einer planaren Fläche ist, und damit unterscheidet sich ein flacher Sitz von einem konischen Sitz bei einem Tellerventil oder einem Kantensitz bei einem Kolbenventil.
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Die Nadelsteuerungskammer 52 ist durch einen dritten Pfad 63, der die A-Öffnung 67, die Zwischenkammer 54, eine E-Öffnung 69 und einen Niederdruckzwischenraum zwischen dem Ventilkörper 21 und einer ersten Öffnungsscheibe 16 enthält, mit dem Niederdruckablauf 46 fluidverbunden, wenn sich das Steuerventilbauteil in der zweiten Position befindet. Mit anderen Worten, die Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerungskammer 52 und dem Niederdruckablauf 46 ist lediglich dann vorhanden, wenn das Steuerventilbauteil 22 nicht in Kontakt mit dem flachen Sitz 23 ist. Die Nadelsteuerungskammer 52 ist daher von dem Niederdruckablauf 46 getrennt, wenn sich das Steuerventilbauteil 22 an seiner ersten Position befindet, an der das Steuerventilbauteil in Kontakt mit dem flachen Sitz 23 ist.
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Ein Nadelventilbauteil 30 ist in dem Injektorkörper 11 angeordnet und zwischen einer ersten Position, an der die Düsenauslässe 45 von der Düsenkammer 50 getrennt sind, und einer zweiten, angehobenen Position, an der die Düsenkammer 50 für einen Einspritzvorgang mit den Düsenauslässen 45 fluidverbunden ist, bewegbar. Das Nadelventilbauteil 30 enthält eine Öffnungshydraulikfläche 31, die einem Fluiddruck in der Düsenkammer 50 ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche 32, die einem Fluiddruck in der Nadelsteuerungskammer 52 ausgesetzt ist. Eine Mittellinie 35 des Nadelventilbauteils 30 schneidet eine Öffnung des dritten Pfads 63 in die Nadelsteuerungskammer 52. Dieser Aufbau schafft einen sogenannten Hydraulikstopp, wenn sich das Nadelventilbauteil 30 an seiner oberen, geöffneten Position befindet, im Gegensatz zu einem mechanischen Stopp, bei dem ein Ventilbauteil tatsächlich in Kontakt mit einer Stoppfläche kommt, wenn es sich an seiner geöffneten Position befindet. Im Fall eines Hydraulikstopps befindet sich das Nadelventilbauteil 30 während ein Einspritzvorgang stattfindet gerade außer Kontakt mit der unteren Fläche der zweiten Öffnungsscheibe 17. Die Hydraulikstoppstrategie weist den Vorteil auf, dass das Nadelventilbauteil ein besseres Ansprechverhalten aufweist als ein äquivalentes Gegenstück mit Merkmalen, die bis auf einen mechanischen Stopp identisch sind. Nichtsdestotrotz können die Lehren der vorliegenden Offenbarung ebenfalls auf Nadelventilbauteile angewandt werden, die an ihrer Öffnungsposition einen mechanischen Stopp kontaktieren. Die Nadelsteuerungskammer 52 ist durch ein Führungssegment 34 des Nadelventilbauteils 30, das über eine von der Nadelführungskomponente 18 festgelegte Führungsbohrung 39 geführt wird, von der Düsenkammer 50 getrennt.
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Bezug nehmend auf die 3–5 kann die E-Öffnung 69 durch die erste Scheibe 16 festgelegt sein, die zwischen dem Ventilkörper 21 und der zweiten Öffnungsscheibe 17 gestapelt ist. Insbesondere kontaktiert die erste Öffnungsscheibe 16 den Ventilkörper 21 über mehrere, nicht miteinander verbundene Dichtungsflächen 41a–d (3), die durch erhöhte Flächen festgelegt sind. Somit enthält der dritte Pfad 63 den Strömungsquerschnitt zwischen dem Steuerventilbauteil 22 und dem flachen Sitz 23 sowie den freien Raum zwischen den erhöhten Flächen der Dichtungsflächen 41a–d. Für Fachleute ist offensichtlich, dass jeder Hochdruckkanal, beispielsweise der Düsenzufuhrkanal 49, vollständig von einer Dichtungsfläche 41d umgeben ist, ähnlich wie die Dichtungsfläche 41b einen Teil des flachen Sitzes 23 vollständig umgibt und begrenzt. Durch Verwendung erhöhter Dichtungsflächen ist bei dem Kraftstoffinjektor ein niedrigerer Klemmdruck notwendig, um eine Leckage zwischen Komponenten des Injektorstapels, der Teil des Injektorkörpers 11 ist, zu hemmen. Somit enthält der Injektorkörper den Ventilkörper 21, die erste Öffnungsscheibe 16, die zweite Öffnungsscheibe 17 und die Nadelführungskomponente 18. Die erste Öffnungsscheibe 16 enthält ferner an ihrer Unterseite mehrere nicht zusammenhängende Dichtungsflächen 41e–g, die eine obere planare Fläche 70 der zweiten Öffnungsscheibe 17 kontaktieren. Die zweite Öffnungsscheibe 17 legt die F-Öffnung, die A-Öffnung und die Z-Öffnung fest, wie am besten in 2 zu sehen ist. Die Zwischenkammer 54 ist zum Teil durch die erste Öffnungsscheibe 16 und zum Teil durch die zweite Öffnungsscheibe 17 begrenzt, wie ebenfalls am besten in 2 zu sehen ist. Die zweite Öffnungsscheibe 17 ist zwischen der ersten Öffnungsscheibe 16 und der Nadelführungskomponente 18 gestapelt. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Scheibe” ein relativ dünnes Objekt, das wahrscheinlich einen kreisförmigen Querschnitt (wie gezeigt) aufweisen wird, jedoch keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen muss. Die Dicke des Objekts, in diesem Fall der ersten Öffnungsscheibe 16, wird durch die nicht zusammenhängenden Dichtungsflächen 41a–d auf der Oberseite und 41e–g auf der Unterseite festgelegt, die in parallelen Ebenen liegen. Im Falle der zweiten Öffnungsscheibe 17 sind sowohl die obere als auch die untere Fläche planar. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die Strategie mit nicht zusammenhängenden Dichtungsflächen an anderen Stellen vorgesehen sein kann, beispielsweise der Unterseite des Ventilkörpers 12 oder an einer oder beiden von der oberen und der unteren Fläche der zweiten Öffnungsscheibe 17, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich dazu ist für Fachleute offensichtlich, dass, wenngleich bei dem Kraftstoffinjektor 10 der vorliegenden Offenbarung die F-, A-, Z- und E-Öffnungen durch die Scheiben festgelegt sind, dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss und ein Kraftstoffinjektor gemäß der vorliegenden Offenbarung ohne Vorsehen solcher Scheiben hergestellt werden könnte. Die Scheibe 16 enthält Dübellöcher 72 und 73, die mit Dübellöchern 74 und 75 in der Scheibe 17 ausgerichtet sein sollten, wenn der Kraftstoffinjektor 10 zusammengebaut wird, damit die verschiedenen Durchgänge miteinander ausgerichtet sind, was am besten in 2 zu sehen ist.
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Wenn der elektrische Aktuator 25 zum Bewegen des Ventilbauteils 22 außer Kontakt mit dem flachen Sitz 23 erregt wird, wird die Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerungskammer 52 und dem Niederdruckablauf 46 für einen Einspritzvorgang hergestellt. Damit die Leistungsfähigkeit des Kraftstoffinjektors unempfindlicher gegenüber Variationen des Steuerventilhubs wird, kann der Strömungsquerschnitt durch die Öffnung E kleiner als ein Strömungsquerschnitt sein, der durch den flachen Sitz 23 und das Steuerventilbauteil 22 an der zweiten beziehungsweise geöffneten Position festgelegt wird. Somit kann man eine gewisse Variation des Steuerventilhubs und somit des Strömungsquerschnitts zwischen dem Steuerventilbauteil 22 und dem flachen Sitz 23 bei der Massenfertigung von Kraftstoffinjektoren berücksichtigen und ferner ein mögliches Anwachsen des Steuerventilhubs im Laufe der Zeit, wenn der Kraftstoffinjektor im Laufe vieler Einspritzvorgänge einläuft, berücksichtigen. Durch Vorsehen der E-Öffnung, die kleiner als der Strömungsquerschnitt zwischen dem flachen Sitz 23 und dem Steuerventilbauteil 22 ist, kann die Leistung des Kraftstoffinjektors hinsichtlich Variationen des Steuerventilhubs bzw. eines Anwachsens des Steuerventilhubs im Laufe der Zeit unempfindlicher sein. Nichtsdestotrotz könnte der Strömungsquerschnitt durch die Öffnung E größer als andere Strömungsbegrenzungen auf dem dritten Pfad 63 sein, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Wenngleich dies nicht notwendig ist, können alle Öffnungen F, A, Z und E Strömungsquerschnitte der gleichen Größenordnung aufweisen. Der Ausdruck „gleiche Größenordnung” bedeutet, dass der Strömungsquerschnitt durch eine Öffnung nicht mehr als das Zehnfache des Strömungsquerschnitts durch eine andere der Öffnungen beträgt. Abhängig von der bestimmten Anwendung können Experimente erforderlich sein, um einen Satz von Öffnungsquerschnitten zu erhalten, der die gewünschten Ergebnisse im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit über dem Betriebsbereich eines Kraftstoffinjektors erzielt. Beispielsweise kann ein Satz von Öffnungsquerschnitten, der bei einem Einspritzdruck gut funktioniert, bei einem unterschiedlichen Einspritzdruck unerwünscht oder sogar nicht akzeptabel sein. Beispielsweise kann der beste Satz von Strömungsquerschnitten für hohe Einspritzdrücke nicht kompatibel mit dem Betrieb desselben Kraftstoffinjektors bei niedrigen Einspritzdrücken, beispielsweise im Leerlauf, sein und umgekehrt. Somit können die jeweiligen Strömungsquerschnitte der unterschiedlichen Öffnungen ein Kompromiss sein, um eine akzeptable Leistung des Kraftstoffinjektors unter allen Betriebsbedingungen zu erzielen, und daher kann erwartet werden, dass Experimente notwendig sind, um eine Kombination von Öffnungsquerschnitten für eine spezifische Kraftstoffinjektoranwendung zu finden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist allgemein auf einen Kraftstoffinjektor mit einem direkt betätigten Verschluss anwendbar, einschließlich Common-Rail-Kraftstoffinjektoren, nockenbetätigte Kraftstoffinjektoren und Hybridkraftstoffinjektoren, jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Offenbarung kann insbesondere auf Kraftstoffinjektoren mit direkt betätigten Verschlüssen angewandt werden, die ein Zweiwegeventil einsetzen, könnte jedoch potentiell auch bei Kraftstoffinjektoren, die ein Dreiwegeventil einsetzen, angewandt werden. Die vorliegende Offenbarung findet insbesondere bei Common-Rail-Kraftstoffinjektoren Anwendung, die ein Zweiwegesteuerventil enthalten. Durch geeignetes Wählen der Strömungsquerschnitte für jede der unterschiedlichen Öffnungen können bestimmte erwünschte Leistungseigenschaften erzielt werden, einschließlich Verlangsamen des anfänglichen Beginns der Einspritzbeginnratenform sowie Ermöglichen eines abrupten Endes eines Einspritzvorgangs.
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Zwischen Einspritzvorgängen ist der elektrische Aktuator 25 aberregt, und das Steuerventilbauteil 22 befindet sich an seiner unteren, geschlossenen Position in Kontakt mit dem flachen Sitz 23, so dass die Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerungskammer 52 und dem Niederdruckablauf 46 blockiert wird. Hoher Druck, der etwa dem Rail-Druck entsprechen sollte, sollte in dem Düsenzufuhrkanal 49, der Düsenkammer 50, der Nadelsteuerungskammer 52 und der Zwischenkammer 54 sowie den Öffnungen F, A, Z und E vorliegen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass der Kraftstoffinjektor 10 keine Stellen aufweist, an denen ein Niederdruckraum zwischen Einspritzvorgängen durch eine Fläche eines beweglichen Führungsbauteils von einem Hochdruckraum getrennt ist. Daher kann erwartet werden, dass der Kraftstoffinjektor 10 eine niedrige statische Leckage aufweist.
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Jeder Einspritzvorgang wird durch Erregen des elektrischen Aktuators 25 zum Bewegen des Steuerventilbauteils 22 außer Kontakt mit dem Sitz 23 eingeleitet. Insbesondere wird, wie in den ersten beiden Streifendiagrammen in 6 gezeigt, der elektrische Aktuator 25 am Anfang auf einen Anziehstrom erregt und dann schrittweise auf einen Haltestrom verringert, wenn sich das Steuerventilbauteil 22 bewegt und an seiner oberen, geöffneten Position relativ stationär wird. Wenn dies der Fall ist, beginnt Kraftstoff, sich durch die A-Öffnung 67 aus der Nadelsteuerungskammer 52 zu bewegen und sich zur selben Zeit aus der Düsenkammer 50 durch die F-Öffnung 68 zu der Zwischenkammer 54 zu bewegen. Zur selben Zeit beginnt Kraftstoff, sich durch die E-Öffnung 69 und vorbei an dem Ventilbauteil 22 aus der Zwischenkammer 54 zu dem Niederdruckablauf 46 zu bewegen. Diese Kraftstoffbewegung bewirkt, dass der Druck in der Nadelsteuerungskammer 52 wie in der vierten Darstellung in 6 gezeigt abnimmt und, in geringerem Maße, in der Zwischenkammer 54 wie in der dritten Darstellung von 6 gezeigt abnimmt. Wenn der Druck in der Nadelsteuerungskammer 52 ausreichend abgefallen ist, überwindet die nach oben gerichtete Öffnungshydraulikkraft an der Hubhydraulikfläche 31 die nach unten gerichtete Schließkraft der Feder 29 und die Schließhydraulikkraft an der Schließhydraulikfläche 32, was dem Nadelventilbauteil 30 ermöglicht, sich wie in der fünften Darstellung von 6 gezeigt zu seiner oberen, geöffneten Position zu heben, damit wie in der sechsten Darstellung in 6 gezeigt der Einspritzbeginn (SOI) erreicht wird. Der Einspritzvorgang wird durch Aberregen des elektrischen Aktuators 25 und Ermöglichen, dass sich das Ventilbauteil 22 unter der Wirkung der Feder 29 nach unten in Kontakt mit dem Sitz 23 bewegt, beendet. Dies blockiert eine weitere Bewegung von Kraftstoff zu dem Niederdruckablauf 46, was eine erneute Erhöhung des Drucks sowohl in der Nadelsteuerungskammer 52 als auch in der Zwischenkammer 54 bewirkt. Wenn der Druck in der Nadelsteuerungskammer 52 den Ventilschließdruck soweit überschreitet, dass die Öffnungshydraulikkraft überwunden wird, bewegt sich das Nadelventilbauteil 30 wie in der fünften Darstellung der 6 gezeigt zum Schließen der Düsenauslässe 45 nach unten, um wie in der sechsten Darstellung von 6 gezeigt das Ende der Einspritzung (EOI) zu erreichen. Die zwei unterschiedlichen Kurven in 6 sollen darstellen, wie sich unterschiedlich große Strömungsquerschnitte der F-Öffnung auf die Abruptheit des Endes der Einspritzung auswirken. Die gestrichelten Linien zeigen den Fall, dass die F-Öffnung einen Strömungsquerschnitt von Null aufweist bzw. nicht vorhanden ist, was zeigt, dass eine erhebliche Verzögerung zwischen dem Schließen des Steuerungsventilbauteils auf seinem Sitz, wie in der zweiten Darstellung gezeigt ist, und dem Erreichen der unteren, geschlossenen Position für ein Einspritzende durch das Nadelventilbauteil 30, wie in der fünften und der sechsten Darstellung von 6 gezeigt ist, auftritt. Wenn andererseits die F-Öffnung klein ist, wie durch die durchgezogene Linie angegeben ist, ist die Verzögerung zwischen der Aberregung des elektrischen Aktuators 25 und dem Einspritzende wie in der ersten und der sechsten Darstellung gezeigt relativ kurz. Somit kann die F-Öffnung zeitlich nahe aufeinanderfolgende Sequenzen von Einspritzvorgängen ermöglichen, beispielsweise eine Haupteinspritzung, die von einer in engem Zusammenhang damit stehenden Nacheinspritzung gefolgt wird, mit einer dazwischen liegenden Druckhaltezeit, was nicht möglich wäre, wenn die F-Öffnung weggelassen wäre.
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Die Darstellungen der 7 sollen eine Empfindlichkeit gegenüber der Größe der A-Öffnung darstellen, wobei die durchgezogenen Linien eine kleine A-Öffnung zeigen und eine gepunktete Linie die Injektorleistung für einen relativ großen Strömungsquerschnitt durch die A-Öffnung 67 zeigt. Wie gezeigt, wirkt sich die Größe der A-Öffnung in erster Linie auf die Einspritzleistung zu Beginn des Einspritzvorgangs aus und hat eine geringe Auswirkung auf das Einspritzende. Im Laufe der Jahre haben Ingenieure festgestellt, dass Leistungsverbesserungen, insbesondere hinsichtlich einer Verringerung unerwünschter Emissionen, durch ein langsameres Anwachsen einer Einspritzrate anstelle einer Einspritzrate, die von Null sofort auf eine maximale Einspritzrate ansteigt, was durch die gepunktete Linie gezeigt ist, erzielt werden können, wenn die A-Öffnung groß ist. Mit anderen Worten, wenn der Strömungsquerschnitt durch die A-Öffnung verringert wird, wird ein Druckabfall in der Nadelsteuerungskammer 52 am Beginn eines Einspritzvorgangs behindert, so dass die Hubrate des Nadelventilbauteils 30 verlangsamt wird und ein allmählicherer Anstieg der Anfangseinspritzrate erzielt wird, wie in der fünften und der sechsten Darstellung von 7 gezeigt ist. Wenn der Strömungsquerschnitt durch die Öffnung A größer wird, wird die Form der Rate beim Einspritzbeginn annähernd vertikal.
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Bezug nehmend auf 8 kann die E-Öffnung mit der F-Öffnung zum Verlangsamen des Beginns der Einspritzratenform zusammenwirken, wie durch die fünfte und die sechste Darstellung in 8 gezeigt ist. Man geht davon aus, dass dies auftritt, indem Kraftstoff durch die F-Öffnung in die Zwischenkammer 54 eintritt und den Strom von Kraftstoff in die Zwischenkammer 54 aus der Nadelsteuerungskammer 52 durch die A-Öffnung behindert, so dass die Hubrate des Nadelventilbauteils 30 verlangsamt wird (Darstellung 5) und das anfängliche Anwachsen der Einspritzrate am Beginn der Einspritzung verlangsamt wird, wie in der sechsten Darstellung gezeigt ist. Wenn die E-Öffnung zu groß ist, kann der Effekt am Beginn der Einspritzung, den die F-Öffnung liefert, zunichte gemacht werden. Wenn die E-Öffnung zu klein ist, liegt in der Nadelsteuerungskammer 52 möglicherweise kein ausreichender Druckabfall vor, um dem Nadelventilbauteil zu ermöglichen, sich zu heben, damit ein Einspritzvorgang bei niedrigen Einspritzdrücken durchgeführt werden kann. Die durchgezogene Linie und die gestrichelte Linie in 8 sollen die unterschiedlichen Auswirkungen auf die Leistung zeigen, wenn die E-Öffnung relativ groß ist wie bei der durchgezogenen Linie oder relativ klein ist wie bei der gestrichelten Linie. Wie erwartet, hat die Größe der E-Öffnung nur eine geringe Auswirkung auf die Leistungseigenschaften am Ende der Einspritzung, wie aus den Darstellungen der 8 ersichtlich ist.
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Ein anderes subtiles aber wichtiges Problem ist die Tatsache, dass Einspritzdrücke bei einem Common-Rail-Kraftstoffinjektor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen sehr unterschiedlich sein können, und es möglicherweise schwierig ist, einen E-Öffnungsquerschnitt zu finden, der eine akzeptable Kraftstoffinjektorleistung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Rail-Drücken liefert. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die Strömungseigenschaften durch die Öffnungen und somit die daraus entstehende Kraftstoffinjektorleistung in Beziehung mit dem Druckgradienten über der Öffnung stehen, der bei unterschiedlichen Rail-Drücken unterschiedlich sein wird. Ein möglicher Ausgangspunkt zum Wählen der Größen der Öffnungen F, A, Z und E wäre, die anfänglichen Strömungsquerschnitte als einen Prozentsatz des Gesamtströmungsquerschnitts durch die Düsenauslässe 45 einzustellen. Beispielsweise könnte eine Anfangsgröße in der Größenordnung von 10–20% des Gesamtströmungsquerschnitts durch die Düsenauslässe 45 ein guter Ausgangspunkt sein. Als Nächstes müssen die Strömungsquerschnitte, die verschiedenen Federkonstanten, die Sitzdurchmesser, etc. so ausgewählt werden, dass der Kraftstoffinjektor bei extrem hohen und extrem niedrigen erwarteten Rail-Drücken funktioniert. Als Nächstes kann die Größe der verschiedenen Öffnungen variiert werden, um gewünschte Leistungseigenschaften zu erzielen, beispielsweise unter Verwendung der Darstellungen der 6, 7 und 8. Durch Verwenden einer Zweiwegesteuerventilstrategie in Verbindung mit geeignet dimensionierten Öffnungen F, A, Z und E können Injektorleistungseigenschaften die eines Dreiwegeventils annehmen bzw. sich diesen nähern, ohne die zusätzliche Komplexität und die Kosten von Dreiwegeventilen.
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Es versteht sich, dass die vorhergehende Beschreibung lediglich zur Veranschaulichung dient und den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken soll. Somit ist für Fachleute offensichtlich, dass andere Aspekte der Offenbarung unter Berücksichtigung der Zeichnungen, der Offenbarung und der folgenden Ansprüche erhalten werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7331329 [0002, 0003]
- US 6986474 [0002, 0003]
