-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf direkt gesteuerte Nadelventile für Brennstoffeinspritzvorrichtungen und insbesondere auf ein Nadelsteuersystem, welches verschieden bemessene F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen aufweist.
-
Hintergrund
-
Heutige elektronisch gesteuerte verdichtungsgezündete Motoren weisen typischerweise eine elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem direkt betätigten Rückschlagventil auf. Das direkt betätigte Rückschlagventil weist eine hydraulische Verschlussfläche auf, die einem Druck in einer Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist. Der Druck wird in der Nadelsteuerkammer entlastet, um ein Einspritzereignis einzuleiten, und zwar durch Betätigung eines Zwei-Wege- oder eines Drei-Wege-Ventils, um strömungsmittelmäßig die Nadelsteuerkammer mit einem Niederdruckablaufauslass zu verbinden. Das Einspritzereignis wird beendet durch Entregen des elektronisch gesteuerten Zwei-Wege- oder Drei-Wege-Ventils, um die Nadelsteuerkammer erneut unter Druck zu setzen. Das ebenfalls zu eigene
US-Patent 7,331,329 zeigt eine Beispiel einer solchen Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem Drei-Wege-Ventil, während das
US-Patent 6,986,474 eine beispielhafte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem Zwei-Wege-Ventil zeigt. Im Allgemeinen kann eine Drei-Wege-Ventilversion im Vergleich zu einem entsprechenden Zwei-Wege-Ventil bessere Leistungsfähigkeiten vorsehen, tut dies jedoch auf Kosten gesteigerter Komplexität und größerer Schwierigkeiten bei der Herstellung, insbesondere bei der Massenherstellung von Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit konsistentem Leistungsverhalten.
-
Bei frühen Versionen des Zwei-Wege-Ventils war typischerweise vorgesehen, dass die Nadelsteuerkammer strömungsmittelmäßig mit einem Düsenversorgungsdurchlass über eine uneingeschränkte Z-Zumessöffnung verbunden war, und das Zwei-Wege-Ventil gestattete eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer und einem Niederdruckablaufauslass durch eine sogenannte A-Zumessöffnung. Während eines Einspritzereignisses ist der Düsenversorgungsdurchlass strömungsmittelmäßig direkt mit dem Niederdruckablauf über die Z-Zumessöffnung, die Nadelsteuerkammer und die A-Zumessöffnung verbunden. Somit gab es eine anfängliche Motivation, die A- und Z-Zumessöffnungen vergleichsweise klein zu machen, um Verluste während eines Einspritzereignisses zu verringern. Diese Motivation führte schnell zu einem Problem, welches damit assoziiert war, dass es allgemein wünschenswert ist, Einspritzereignisse abrupt zu beenden, was erreicht wird, indem schnell der Druck in der Nadelsteuerkammer angehoben wird. Eine kleine Z-Zumessöffnung verlangsamt die Rate, mit der der Druck in der Nadelsteuerkammer am Ende eines Einspritzereignisses zunehmen kann. Dieses Problem wurde angegangen, indem man eine zusätzliche Zumessöffnung hinzufügte, um zu ermöglichen, dass die Nadelsteuerkammer zum Ende eines Einspritzereignisses schnell wieder unter Druck gesetzt wird. Beispielsweise weist das zuvor genannte
US-Patent 6,989,474 eine zusätzliche Zumessöffnung
14 auf, welche das erneute Unter-Druck-Setzen der Nadelsteuerkammer
4 über sowohl die Z-Zumessöffnung
5 als auch durch die A-Zumessöffnung
6 durch die zusätzliche Füll- oder F-Zumessöffnung
14 ermöglicht. Die entsprechende Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem Drei-Wege-Ventil, die oben in dem ebenfalls zu eigenen
US-Patent 7,331,329 beschrieben wird, weist genauso drei Zumessöffnungen auf, welche eine Z-Zumessöffnung
112 und zwei andere Zumessöffnungen
110 und
111 aufweisen, welche bezüglich der Leistung sehr stark der F-Zumessöffnung bzw. der A-Zumessöffnung bei der entsprechenden Brennstoffeinspritzvorrichtung mit Zwei-Wege-Ventil ähneln.
-
Wegen der Komplexität und der Schwierigkeit bei der Herstellung eines Drei-Wege-Ventils, welches bei in Massen produzierten Brennstoffeinspritzvorrichtungen konsistent arbeitet, gibt es einen zunehmenden Wunsch dahingehend, dass ein Zwei-Wege-Steuerventil verwendet wird, um die Drucksteuerfunktionen in einem direkt gesteuerten Rückschlagventil für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auszuführen. Unglücklicherweise haben gegenwärtige Strategien bezüglich der Verwendung von Zwei-Wege-Ventilen, auch wenn F-, A-, und Z-Zumessöffnungen vorgesehen werden, eine weniger als zufriedenstellende Leistung im Vergleich zur entsprechenden Steuerstrategie mit einem Drei-Wege-Ventil zur Folge. Während beispielsweise das Vorsehen einer F-Zumessöffnung dabei helfen kann, das Ende eines Einspritzereignisses zu beschleunigen, kann die F-Zumessöffnung nicht dabei helfen, die Rate bzw. Geschwindigkeit zu verzögern, mit der sich das Nadelventilglied öffnet, um ein Einspritzereignis zu beginnen, was auch manchmal eine wünschenswerte Eigenschaft einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ist. Zusätzlich können Variationen der Strömungsquerschnitte unter Steuerventilen für in Massen produzierte Brennstoffeinspritzvorrichtungen eine nicht akzeptable Varianz bei der Leistung unter den Brennstoffeinspritzvorrichtungen zur Folge haben.
-
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme gerichtet.
-
Zusammenfassung der Offenbarung
-
Gemäß einem Aspekt weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung einen Einspritzvorrichtungskörper auf, der einen Brennstoffeinlass, mindestens einen Düsenauslass und einen Ablaufauslass definiert, und in dem eine Düsenkammer, eine Nadelsteuerkammer, eine Zwischenkammer und eine Pufferkammer angeordnet sind. Die Nadelsteuerkammer ist strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass durch einen ersten Pfad verbunden, der eine Z-Zumessöffnung aufweist, und die Nadelsteuerkammer ist strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass durch einen zweiten Pfad verbunden, der eine F-Zumessöffnung, die Zwischenkammer und eine A-Zumessöffnung aufweist. Ein elektronisch gesteuertes Ventil ist an dem Einspritzvorrichtungskörper angebracht und weist ein Steuerventilglied auf, welches zwischen einer ersten Position in Kontakt mit einem Ventilsitz und einer zweiten Position außer Kontakt mit dem Ventilsitz bewegbar ist. Die Nadelsteuerkammer ist strömungsmittelmäßig mit einem Ablaufauslass durch einen dritten Pfad verbunden, der die A-Zumessöffnung, die Zwischenkammer, eine E-Zumessöffnung und die Pufferkammer aufweist, wenn das Steuerventilglied in der zweiten Position ist, jedoch ist die Nadelsteuerkammer vom Ablaufauslass abgeblockt, wenn das Steuerventilglied in der ersten Position ist. Ein Nadelventilglied weist eine hydraulische Öffnungsfläche auf, die einem Strömungsmitteldruck in der Düsenkammer ausgesetzt ist, und eine hydraulische Verschlussfläche, die einem Strömungsmitteldruck in der Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung auf, ein Einspritzereignis zu starten, in dem Brennstoff aus der Nadelsteuerkammer durch die A-Zumessöffnung bewegt wird, und aus der Düsenkammer durch die F-Zumessöffnung zur Zwischenkammer. Zusätzlich wird das Einspritzereignis gestartet durch Bewegen von Brennstoff von der Zwischenkammer zum Ablaufauslass durch die E-Zumessöffnung und die Pufferkammer. Danach wird das Einspritzereignis beendet.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
-
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Drucksteuerteils der in 1 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung;
-
3 ist eine perspektivische Draufsicht einer Sitzscheibe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
-
4 ist eine perspektivische Ansicht von unten der Sitzscheibe der 3;
-
5 ist eine perspektivische Draufsicht einer Zumessöffnungsscheibe gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
-
6 ist eine Reihe von in Zeilen angeordneten Kurvendarstellungen für ein Einspritzereignis, welches einen Betätigungsvorrichtungsstrom, eine Steuerventilbewegung, einen Zwischenkammerdruck, einen Nadelsteuerkammerdruck, eine Nadelventilgliedbewegung und eine Einspritzrate jeweils gegenüber der Zeit mit und ohne eine F-Zumessöffnung aufweist;
-
7 ist eine Gruppe von in Zeilen angeordneten Kurvendarstellungen ähnlich der 6, welche unterschiedliches Betriebsverhalten für eine relativ kleine bzw. eine relativ große A-Zumessöffnung zeigen; und
-
8 ist eine Gruppe von in Zeilen angeordneten Kurvendarstellungen ähnlich den 6 und 7, die unterschiedliche Leistungscharakteristiken für eine E-Zumessöffnung zeigen, die groß bzw. klein ist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Mit Bezug auf die 1 und 2 weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 einen Einspritzvorrichtungskörper auf, der einen Brennstoffeinlass 44 definiert, weiter mindestens einen Düsenauslass 45 und einen Niederdruckablaufauslass 46. Der Brennstoffeinlass 44 weist einen konischen bzw. kegelförmigen Sitz 40 auf, um eine Verbindung zwischen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 und einer Common-Rail bzw. gemeinsamen Druckleitung über eine Stegleitung zu ermöglichen, deren Bauart in der Technik wohlbekannt ist. Der Niederdruckablaufauslass 46 wäre strömungsmittelmäßig mit einem Tank verbunden, um jeglichen Brennstoff, der für die Steuerfunktion verwendet wird, und/oder von einer Leckage herrührt, zur Rückzirkulation zurückzuleiten. Die Düsenauslässe 45 wären im Brennraum eines verdichtungsgezündeten bzw. kompressionsgezündeten Motors positioniert, um eine direkte Brennstoffeinspritzung in den Motorzylinder zu ermöglichen. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 weist ein direkt betätigtes Rückschlagelement 13 einer Bauart auf, die kurz im Abschnitt über den technischen Hintergrund beschrieben wurde. Innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers 11, der alle Komponenten außer elektrischen Komponenten und sich bewegenden Komponenten aufweist, ist eine Anzahl von Strömungsmitteldurchlasswegen und Kammern. Unter diesen ist eine Düsenkammer 50, eine Nadelsteuerkammer 52, eine Zwischenkammer 54 und eine Pufferkammer 55. Wie der Ausdruck in dieser Offenbarung verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „Einspritzvorrichtungskörper” verschiedene stationäre Komponenten der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10, welche Strömungsmitteldurchlasswege, Kammern usw. definieren. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Düsenkammer 50 strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass 44 über einen nicht eingeschränkten Düsenversorgungsdurchlass 49 verbunden, wie es bei einer Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtung üblich ist. Der Ausdruck „nicht eingeschränkt” meint einen Strömungsmitteldurchlass ohne Ventile oder Ähnliches, die einen Strömungsquerschnitt durch den Durchlass verändern oder möglicherweise sogar einen Strömungsmittelfluss dadurch blockieren. Obwohl die vorliegende Offenbarung im Zusammenhang mit einer Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 veranschaulicht ist, könnten die Prinzipien um das direkt betätigte Rückschlagelement 13, die unten besprochen werden sollen, gleichfalls auf andere Arten von Brennstoffeinspritzvorrichtungen anwendbar sein, was nockenbetätigte Brennstoffeinspritzvorrichtungen und möglicherweise Hybrid-Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit Common-Rail und Nockenbetätigung mit einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
-
Insbesondere mit Bezug auf 2 ist die Nadelsteuerkammer 52 strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass 44 durch einen ersten Pfad 61 verbunden, der eine Z-Zumessöffnung 66 und einen Abschnitt des Düsenversorgungsdurchlasses 49 aufweist. Wie der Ausdruck in dieser Offenbarung verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „Zumessöffnung” eine Flussbegrenzung, die durch einen Durchlass mit einem Strömungsquerschnitt definiert wird. Obwohl Zumessöffnungen bzw. Drosselblenden gewöhnlicher Weise für eine vereinfachte Herstellung einen kreisförmigen Querschnitt und einen gleichmäßigen Durchmesser haben, fallen auch nicht kreisförmige Querschnitte und nicht gleichmäßige Durchmesser (beispielsweise verjüngt) ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung. Der Fachmann wird erkennen, dass Flussbegrenzungen irgendwo in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung auftreten können, wie beispielsweise bei einem Spiel zwischen einem Ventilglied und einem Ventilsitz, jedoch werden solche Flussbegrenzungen nicht als Zumessöffnungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung angesehen werden. Die Nadelsteuerkammer 52 ist auch strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass 44 durch einen zweiten Pfad 62 verbunden, der eine F-Zumessöffnung 68, die Zwischenkammer 54, eine A-Zumessöffnung 67, genauso wie die Düsenkammer 50 und den Düsenversorgungsdurchlass 49 aufweist.
-
Ein elektronisch gesteuertes Ventil 20 ist an dem Einspritzvorrichtungskörper 11 angebracht und weist ein Steuerventilglied 22 auf, welches zwischen einer ersten Position in Kontakt mit einem Ventilsitz 23 und einer zweiten Position außer Kontakt mit dem Ventilsitz 23 bewegbar ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist das elektronische Steuerventil 20 einen Elektromagneten mit einem Anker 24 auf, der an einem Schaft 26 angebracht ist, der über Abstandshalter 28 mit einem Druckelement 27 in Kontakt mit dem Steuerventilglied 22 zusammenwirkt. Somit ist die elektrische Betätigungsvorrichtung 25 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ein Elektromagnet, könnte jedoch eine andere elektrische Betätigungsvorrichtung sein, wie beispielsweise ein Piezo-Element, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich ist das Steuerventilglied 22 als in Kontakt und außer Kontakt mit einem Ventilsitz 23 bewegbar gezeigt, welcher ein flacher Sitz ist, jedoch ein entsprechender konischer Sitz sein könnte, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Obwohl die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 nur eine elektrische Betätigungsvorrichtung 25 aufweist, könnte schließlich die vorliegende Offenbarung mögliche Anwendung bei Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit zwei oder mehr elektrischen Betätigungsvorrichtungen finden, wie beispielsweise mit einer ersten elektrischen Betätigungsvorrichtung, die mit einem Überlaufventil assoziiert ist, und einer zweiten elektrischen Betätigungsvorrichtung, die mit einem direkt betätigten Rückschlagelement assoziiert ist, wie es typischerweise im Fall einer nockenbetätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung vorliegen könnte. Eine Feder 29 spannt normalerweise den Schaft 26, die Abstandshalter 28, das Druckelement 27 und das Steuerventilglied 22 nach unten in Kontakt mit dem flachen Sitz 23. Der Ausdruck „flacher Sitz” meint einen Ventilsitz, der ein Teil einer ebenen Oberfläche ist, und somit ist ein flacher Sitz etwas anderes als ein konischer Sitz, der mit einem Sitzventil assoziiert ist, oder als ein Kantensitz, der mit einem Kolbenventil assoziiert ist.
-
Die Nadelsteuerkammer 52 ist strömungsmittelmäßig mit dem Niederdruckablaufauslass 46 durch einen dritten Weg 63 verbunden, der die A-Zumessöffnung 67, die Zwischenkammer 54, eine E-Zumessöffnung 69, eine Pufferkammer 55 und eine Gegenbohrung 64 aufweist. Anders gesagt, die Strömungsmittelverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer 52 und dem Niederdruckablaufauslass 46 tritt nur auf, wenn das Steuerventilglied 22 außer Kontakt mit dem flachen Sitz 23 ist. Die Nadelsteuerkammer 52 ist daher von dem Niederdruckablaufauslass 46 abgeblockt, wenn das Steuerventilglied 22 in seiner ersten Position ist, wobei das Steuerventilglied in Kontakt mit dem flachen Sitz 23 ist. Es sei bemerkt, dass die E-Zumessöffnung 69 strömungsmittelmäßig zwischen der Zwischenkammer 54 und der Pufferkammer 55 positioniert ist. Zusätzlich kann die E-Zumessöffnung 69 so orientiert sein, dass ihre Mittellinie 57 die Sitzscheibe 19 in der Pufferkammer 55 schneidet, so dass der dritte Pfad von einer geraden Linie abweicht, so dass er zumindest zwei Kurven zwischen dem Ausgang der E-Zumessöffnung 69 und der Gegenbohrung 64 aufweist, welche sich durch den flachen Sitz 23 öffnet. Simulationen lassen vermuten, dass Kavitationsblasen, die aus der E-Zumessöffnung austreten, wahrscheinlicher in der Pufferkammer 55 als in der Nachbarschaft des flachen Sitzes 23 kollabieren, wenn die E-Zumessöffnung einfach koaxial zur Mittellinie 35 wäre. Wenn die Kavitationsblasen in der Blasenkammer bzw. Pufferkammer 55 kollabieren, kann es dort mehr als ausreichend Opferwandmaterial geben, welches verfügbar ist, um eine Kavitationserosion zuzulassen, ohne die Leistungscharakteristiken der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 zu unterminieren oder zu verändern. Wenn beispielsweise Kavitationsblasen stattdessen in der Nachbarschaft eines empfindlichen Bereichs 65 des flachen Sitzes 23 kollabieren würden, könnte eine ordnungsgemäße Abdichtung des Ventilgliedes 22 am flachen Sitz 23 unterminiert werden, genauso wie Leistungsveränderungen auf Grund einer potentiellen Veränderung des freigelegten bzw. ausgesetzten Bereiches des Ventilgliedes 22 zum Strömungsmittel in der Gegenbohrung 64, wenn das Ventil geschlossen ist. Dies kann bei Strukturen der gezeigten Bauart wichtig sein, wo das Ventilglied 22 hydraulisch weg vom flachen Sitz 23 gedrückt wird, und zwar durch Strömungsmitteldruck in der Gegenbohrung bzw. Senkung 64, wenn die elektrische Betätigungsvorrichtung 20 erregt wird. Trotzdem würde eine abgeänderte Struktur, bei der das Steuerventilglied 22 vom Ventilsitz 23 durch die elektrische Betätigungsvorrichtung 20 abgehoben wird, auch in den Umfang der 'vorliegenden Offenbarung fallen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die E-Zumessöffnung 69 derart gezeigt, dass sie eine sich geringfügig verkleinernde Verjüngung in einer Flussrichtung zum Ventilsitz 23 aufweist. Diese Abweichung von einem regelmäßigen Zylinder, wie bei den gezeigten F-, A- und Z-Zumessöffnungen, kann weiter einen möglichen Kavitationserosionsschaden am Sitz 23 verringern. Diese Struktur zusammen mit der Trennung der E-Zumessöffnung 69 von der Zwischenkammer 54 durch einen Übergangsraum 83 mit einer abgerundeten Oberfläche kann auch inkrementell einen Widerstand gegen Kavitationserosion in einem empfindlichen Bereich 65 verbessern. Während Ingenieure inkrementell ein Verhalten bei der Kavitationserosion durch eine Anzahl von unterschiedlichen Optionen verändern können, welche das Volumen und die Form des Übergangsraums 83, die Form und die Orientierung der E-Zumessöffnung 69 genauso wie das Volumen der Pufferkammer 55 in Bezug zur Gegenbohrung bzw. Senkung 64 mit einschließen, wird angenommen, dass der Hauptteil der Vermeidung einer Kavitationserosion im empfindlichen Bereich 65 erreicht wird, indem die Mittellinie der E-Zumessöffnung so geleitet bzw. ausgerichtet wird, dass sie die Sitzscheibe 19 in der Pufferkammer 55 schneidet. Frühe Simulationen, bei denen die E-Zumessöffnung mit der Mittellinie 35 koaxial war, und eine Mittellinie hatte, welche das Ventilglied 22 schneidet, ließen annehmen, dass die Kavitationserosion im empfindlichen Bereich 65 auf Niveaus ist, die für die erwartete Lebensdauer der Brennstoffeinspritzvorrichtung nicht akzeptabel wären. Wie bei der vorliegenden Offenbarung verwendet, bedeutet das Abweichen von einer geraden Linie jegliche Orientierung der Mittellinie 57 der E-Zumessöffnung, die anders als koaxial zur Mittellinie der Gegenbohrung 64 ist.
-
Obwohl dies nicht notwendig ist, kann der flache Ventilsitz 23 an einer Sitzscheibe 19 geformt sein, welche zusammen mit einer ersten Scheibe 16 die Pufferkammer 55 definiert. Die erste Scheibe 16 definiert die E-Zumessöffnung 69 und den Übergangsraum 83. Eine zweite Scheibe 17, die kein Teil des Einspritzvorrichtungsstapels bzw. der Einspritzvorrichtungsstapelelemente ist, definiert zusammen mit der ersten Scheibe 16 die Zwischenkammer 54. Die erste Scheibe 16 kann einen konischen Sitz 80 definieren, der eine sphärische bzw. kugelförmige Oberfläche 81 aufnimmt, die an der Außenfläche der zweiten Scheibe 17 ausgeformt ist. Diese zwei Komponenten können durch die Nadelventilvorspannfeder zusammengedrückt werden, welche dahingehend wirkt, dass sie eine schwimmende Nadelführungskomponente 18 nach oben in Kontakt mit der Unterseite der zweiten Scheibe 17 drückt. Zusammen definieren das Nadelventilglied 30, die schwimmende Nadelführungskomponente 18 und die zweite Scheibe 17 eine Nadelsteuerkammer 52, wie am Besten in 2 gezeigt. Obwohl ein Führungsspiel zwischen dem Führungssegment 34 und der Führungsbohrung 39 vorhanden ist, wird die Bewegung des Nadelventilgliedes 30 tatsächlich durch eine Führungswechselwirkung zwischen dem Nadelventilglied 30 und der Spitzenkomponente 14 geführt.
-
Ein Nadelventilglied 30 ist in dem Einspritzvorrichtungskörper 11 positioniert und ist zwischen einer ersten Position, in der die Düsenauslässe 45 von der Düsenkammer 50 abgeblockt sind, und einer zweiten angehobenen Position bewegbar, in der die Düsenkammer 50 strömungsmittelmäßig mit den Düsenauslässen 45 für ein Einspritzereignis verbunden ist. Das Nadelventilglied 30 weist eine hydraulische Öffnungsfläche 31 auf, die einem Strömungsmitteldruck in der Düsenkammer 50 ausgesetzt ist, und eine hydraulische Verschlussfläche 32, die dem Strömungsmitteldruck in der Nadelsteuerkammer 52 ausgesetzt ist. Eine Mittellinie 35 des Nadelventilgliedes 30 schneidet eine Öffnung des dritten Pfades 63 in die Nadelsteuerkammer 52. Diese Struktur erzeugt einen sogenannten hydraulischen Anschlag, wenn das Nadelventilglied 30 nicht in seiner oberen offenen Position ist, was in Kontrast zu einem mechanischen Anschlag steht, bei dem ein Ventilglied tatsächlich in Kontakt mit einer Anschlagfläche kommt, wenn es in seiner offenen Position ist. Im Fall eines hydraulischen Anschlags wird das Nadelventilglied 30 nur außer Kontakt mit der Unterseite der zweiten Zumessöffnungsscheibe 17 während eines Einspritzereignisses schweben. Die Strategie mit hydraulischem Anschlag hat den Vorteil, das Nadelventilglied 30 besser ansprechend zu machen als ein äquivalentes Gegenstück mit identischen Merkmalen außer einem mechanischen Anschlag. Trotzdem finden die Lehren der vorliegenden Offenbarung auch potentielle Anwendbarkeit auf Nadelventilglieder, welche in der offenen Position einen mechanischen Anschlag berühren.
-
Die Nadelsteuerkammer 52 ist von der Düsenkammer 50 durch ein Führungssegment 34 des Nadelventilgliedes 30 getrennt, welches ein Führungsspiel in einer Führungsbohrung 39 hat, die von der schwimmenden Nadelführungskomponente 18 definiert wird. Das Führungsspiel zwischen dem Nadelventilglied 30 und der schwimmenden Führungskomponente 18 hilft dabei, strömungsmittelmäßig die Nadelsteuerkammer 52 von der Düsenkammer 50 zu isolieren. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel hat weder das Nadelventilglied 30 noch die schwimmende Führungskomponente 18 oder die zweite Scheibe 17 irgendeinen Kontakt mit der Druckhaltehülse 15, die im Wesentlichen ein hohler regelmäßiger Zylinder mit verringertem Querschnitt an gegenüberliegenden Enden für kleinere Dichtungsstege ist, wo die Druckhaltehülse 15 andere Komponenten des Einspritzvorrichtungsstapels berührt.
-
Mit zusätzlicher Bezugnahme auf die 3–5 kann die E-Zumessöffnung 69 durch die erste Scheibe 16 definiert werden, die zwischen der Sitzscheibe 19 und der Druckhaltehülse 15 gestapelt ist. Die Sitzscheibe 19 kann den Ventilkörper 21 über eine Vielzahl von nicht angrenzenden Dichtungsstegen 41a–c (3) berühren, die durch erhabene Oberflächen definiert werden. Somit weist der zuvor besprochene dritte Pfad 63 den Strömungsquerschnitt zwischen dem Steuerventilglied 22 und dem flachen Sitz 23 genauso wie den offenen Raum zwischen den Dichtungsstegen 41a–c mit erhabener Oberfläche auf, welche den Fluss zum Ablaufauslass 41 leiten. Der Fachmann wird erkennen, dass jeder Hochdruckdurchlassweg, wie beispielsweise der Düsenversorgungsdurchlass 49, vollständig von einem Dichtungssteg 41c in einer Weise ähnlich wie der Dichtungssteg 41b umgeben ist, der vollständig einen Teil des flachen Sitzes 23 umgibt und definiert. Durch Verwendung von erhabenen Dichtungsstegen kann weniger Klemmdruck in der Brennstoffeinspritzvorrichtung notwendig sein, um eine Leckage zwischen Komponenten des Einspritzvorrichtungsstapels zu verhindern, der ein Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 11 ist. Somit weist der Einspritzvorrichtungskörper den Ventilkörper 21, die erste Drossel- bzw. Zumessöffnungsscheibe 16, die zweite Zumessöffnungsscheibe 17 und die schwimmende Nadelführungskomponente 18, die Sitzscheibe 19 und andere Komponenten auf. Die Sitzscheibe 19 kann auch an ihrer Unterseite eine Vielzahl von nicht anliegenden Dichtungsstegen 41d–f aufweisen, welche einen Kontakt mit einer oberen ebenen Oberfläche 70 der zweiten Zumessöffnungsscheibe 17 herstellen. Die zweite Zumessöffnungsscheibe 17 definiert die F-Zumessöffnung, die A-Zumessöffnung und die Z-Zumessöffnung, wie am Besten in 2 gezeigt. Obwohl die F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung durch Scheiben definiert sind, wird der Fachmann weiter erkennen, dass dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss, und dass eine Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden könnte, ohne irgendwelche Scheiben vorzusehen. Die Sitzscheibe 19 weist Dübellöcher bzw. Passlöcher 72 und 73 auf, die mit Passlöchern 74 und 75 in der Scheibe 16 ausgerichtet sein sollten, wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 montiert wird, so dass die verschiedenen Durchlasswege miteinander ausgerichtet sind, wie am Besten in 2 gezeigt.
-
Wenn die elektrische Betätigungsvorrichtung 25 erregt ist, um das Ventilglied 22 außer Kontakt mit dem flachen Sitz 23 zu bewegen, wird die Strömungsmittelverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer 52 und dem Niederdruckablaufauslass 46 für ein Einspritzereignis ermöglicht bzw. eingerichtet. Um die Leistung der Brennstoffeinspritzvorrichtung unempfindlich für Variationen des Steuerventilhubes zu machen, kann der Strömungsquerschnitt durch die Zumessöffnung E kleiner sein als der Strömungsquerschnitt, der vom flachen Sitz 23 und der Steuerkammer 22 in der zweiten oder offenen Position definiert wird. Somit ist eine gewisse Varianz bzw. Veränderlichkeit beim Steuerventilhub und daher beim Strömungsquerschnitt zwischen der Steuerventilkammer 22 und dem flachen Sitz 23 bei der Massenproduktion von Brennstoffeinspritzvorrichtungen zu erwarten, und es ist auch zu erwarten, dass der Steuerventilhub möglicherweise mit der Zeit zunimmt, wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung mit der Zeit über viele Einspritzereignisse einläuft bzw. eingefahren wird. Durch Bemessen der E-Zumessöffnung, so dass diese kleiner ist als der Strömungsquerschnitt zwischen dem flachen Sitz 23 und dem Steuerventilglied 22, kann die Leistung der Brennstoffeinspritzvorrichtung unempfindlich für Variationen des Steuerventilhubs genauso wie für eine Zunahme des Steuerventilhubs über die Zeit gemacht werden. Trotzdem könnte der Strömungsquerschnitt durch die Zumessöffnung E größer sein als andere Flussbeschränkungen im dritten Pfad 63, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
-
Obwohl dies nicht notwendig ist, können die F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen alle Strömungsquerschnitte von der gleichen Größenordnung haben. Der Ausdruck „gleiche Größenordnung” bedeutet, dass der Strömungsquerschnitt durch irgendeine Zumessöffnung nicht mehr als zehnmal des Strömungsquerschnittes durch irgendeine der anderen Zumessöffnungen ist. Abhängig von der speziellen Anwendung können gewisse Experimente nötig sein, um einen Satz von Zumessöffnungsflussquerschnitten zu erreichen, die erwünschte Leistungsergebnisse über einen Betriebsbereich einer Brennstoffeinspritzvorrichtung erzeugen. Beispielsweise kann ein Satz von Zumessöffnungsflussquerschnitten, die bei einem Einspritzdruck gut arbeiten, bei einem anderen Einspritzdruck nicht wünschenswert sein oder sogar inakzeptabel sein. Beispielsweise kann der beste Satz von Flussquerschnitten bei hohen Einspritzdrücken inkompatibel mit dem Betrieb der gleichen Brennstoffeinspritzvorrichtung bei niedrigen Einspritzdrücken sein, wie beispielsweise im Leerlauf und umgekehrt. Somit können die jeweiligen Flussquerschnitte der unterschiedlichen Zumessöffnungen ein gewisser Kompromiss sein, um eine akzeptable Leistung der Brennstoffeinspritzvorrichtungen bei allen Betriebsbedingungen zu erzeugen, und somit ist zu erwarten, dass gewisse Experimente notwendig sind, um eine Kombination von Zumessöffnungsflussquerschnitten für eine spezielle Brennstoffeinspritzvorrichtungsanwendung zu finden.
-
Industrielle Anwendbarkeit
-
Die vorliegende Offenbarung findet allgemeine Anwendbarkeit bei jeglicher Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem direkt betriebenen Rückschlagelement, was Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtungen, nockenbetätigte Brennstoffeinspritzvorrichtungen und Hybrid-Bauarten miteinschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung findet spezielle Anwendbarkeit bei Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit direkt betätigten Rückschlagelementen, welche ein Zwei-Wege-Ventil verwenden, sie könnte jedoch mögliche Anwendung in Brennstoffeinspritzvorrichtungen finden, die ein Drei-Wege-Ventil verwenden. Die vorliegende Offenbarung findet spezielle Anwendung bei Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtungen, welche ein Zwei-Wege-Steuerventil aufweisen. Durch geeignete Auswahl der Strömungsquerschnitte für jede der unterschiedlichen Zumessöffnungen können gewisse wünschenswerte Leistungscharakteristiken erreicht werden, was miteinschließt, dass der anfängliche Beginn der vorderen Einspritzratenform verlangsamt wird, genauso wie ein abruptes Ende irgendeines Einspritzereignisses ermöglicht wird.
-
Zwischen den Einspritzereignissen wird die elektrische Betätigungsvorrichtung 25 entregt, und das Steuerventilglied 22 ist in seiner unteren geschlossenen Position in Kontakt mit dem flachen Sitz 23, um eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer 52 und dem Niederdruckablaufauslass 46 zu blockieren. Hoher Druck, der ungefähr der Gleiche sein sollte wie der Rail-Druck, sollte im Düsenversorgungsdurchlass 49, in der Düsenkammer 50, in der Nadelsteuerkammer 52 und in der Zwischenkammer 54, in der Pufferkammer 55 genauso wie in den F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen vorherrschen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 frei von Stellen ist, wo ein Niederdruckraum von einem Hochdruckraum zwischen den Einspritzereignissen durch eine bewegbare Führungsgliedfläche getrennt ist. Es ist zu erwarten, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 als solche eine geringe statische Leckage zeigen wird.
-
Jedes Einspritzereignis wird initialisiert durch Erregen der elektrischen Betätigungsvorrichtung 25, um das Steuerventilglied 22 außer Kontakt mit dem Sitz 23 zu bewegen. Wenn der Anker 24 und der Schaft 26 sich auf Grund der Erregung der elektrischen Betätigungsvorrichtung 25 nach oben bewegen, werden die Abstandshalter 28 auch angehoben, um die Feder 29 vom Druckelement 27 zu entkoppeln. Wenn dies auftritt, wirkt der existierende Druck in der Gegenbohrung 64 auf das Steuerventilglied 22, was bewirkt, dass es außer Kontakt mit dem flachen Ventilsitz 23 angehoben wird. Diese Struktur gestattet eine gewisse Weiterbewegung des Ankers 24 und des Schaftes 26 am Ende eines Einspritzereignisses, um ein Wegspringen des Ventilsitzes 22 vom flachen Sitz 23 zu verhindern, was ein nicht wünschenswertes sekundäres Einspritzereignis bewirken könnte. Insbesondere und mit Bezug auf die ersten zwei in Zeilen angeordneten Kurvendarstellungen der 6, wird die elektrische Betätigungsvorrichtung 25 anfänglich mit einem Pull-In- bzw. Einzugsstrom erregt und dann auf einen Hold-In- bzw. Haltestrom heruntergestuft, wenn das Steuerventilglied 22 sich bewegt und in seiner oberen offenen Position relativ stationär wird. Wenn dies auftritt, fängt der Brennstoff an, sich von der Nadelsteuerkammer 52 durch die A-Zumessöffnung 67 zu bewegen, und gleichzeitig von der Düsenkammer 50 durch die F-Zumessöffnung 68 zur Zwischenkammer 54. Zur gleichen Zeit fängt der Brennstoff an, sich von der Zwischenkammer 54 zum Niederdruckablaufauslass 46 durch die E-Zumessöffnung 69 und über das Ventilglied 22 zu bewegen. Diese Bewegung des Brennstoffes bewirkt, dass der Druck in der Nadelsteuerkammer 52 abfällt, wie in der vierten Kurvendarstellung der 6 gezeigt, und in einem geringeren Ausmaß in der Zwischenkammer 54, wie in der dritten Kurvendarstellung von 56 (6) gezeigt. Wenn der Druck in der Nadelsteuerkammer 52 ausreichend abfällt, überwindet die nach oben gerichtete hydraulische Öffnungskraft auf der hydraulischen Hubfläche 31 die nach unten wirkende Schließkraft von der Nadelvorspannfeder und die hydraulische Verschlusskraft auf der hydraulische Verschlussfläche 32, was gestattet, dass das Nadelventilglied 30 sich in seine obere offene Position anhebt, wie in der fünften Kurvendarstellung der 6 gezeigt, um den Beginn der Einspritzung (SOI = start of injection) zu beginnen, wie in der sechsten Kurvendarstellung der 6 gezeigt.
-
Während eines Einspritzereignisses kann der sich schnell bewegende Brennstoff in dem dritten Pfad 63 bewirken, dass Kavitationsblasen auftreten, jedoch kann die Orientierung der E-Zumessöffnung 69 das Kollabieren der Kavitationsblasen innerhalb der Pufferkammer 55 anstatt im empfindlichen Bereich 65 des flachen Sitzes 23 begünstigen. Das Einspritzereignis wird beendet durch Entregen bzw. Abschalten der elektrischen Betätigungsvorrichtung 25, und dadurch, dass gestattet wird, dass sich das Ventilglied 22 unter der Wirkung der Feder 29 nach unten in Kontakt mit dem Sitz 23 bewegt. Dies blockiert eine weitere Bewegung des Brennstoffes zum Niederdruckablaufauslass 46, was bewirkt, dass der Druck wieder sowohl in der Nadelsteuerkammer 52 als auch in der Zwischenkammer 54 ansteigt. Wenn der Druck in der Nadelsteuerkammer 52 den Ventilverschlussdruck überschreitet, der ausreicht, um die hydraulische Öffnungskraft zu überwinden, bewegt sich das Nadelventilglied 30 nach unten, um die Düsenauslässe 45 zu schließen, wie in der fünften Kurvendarstellung der 6 gezeigt, um das Ende der Einspritzung (EOI = end of injection) zu ermöglichen, wie in der 6. Kurvendarstellung der 6 gezeigt. Die zwei unterschiedlichen Kurven in 6 sind vorgesehen, um zu veranschaulichen, wie zwei unterschiedlich bemessene Strömungsquerschnitte der F-Zumessöffnung das abrupte Ende der Einspritzung beeinflussen. Die gestrichelten Linien zeigen, die Situation, wenn die F-Zumessöffnung einen Strömungsquerschnitt von Null hat oder insgesamt weggelassen ist, was zeigt, dass eine wesentliche Verzögerung zwischen dem Schließvorgang des Steuerventilgliedes an seinem Sitz auftritt, wie in der zweiten Kurvendarstellung gezeigt, bis das Nadelventilglied 30 schließlich seine untere geschlossene Position für ein Ende der Einspritzung erreicht, wie in den fünften und sechsten Kurvendarstellungen der 6 gezeigt. Wenn andererseits die F-Zumessöffnung klein gemacht ist, wie in der Situation, die mit durchgezogener Linie gezeigt ist, ist die Verzögerung zwischen der Entregung der elektrischen Betätigungsvorrichtung 25 und dem Ende der Einspritzung relativ kurz, wie in den ersten und sechsten Kurvendarstellungen gezeigt ist. Somit kann die F-Zumessöffnung enge Zeitsequenzen der Einspritzereignisse ermöglichen, wie beispielsweise ein Haupteinspritzereignis, gefolgt durch ein eng gekoppeltes Nacheinspritzereignis mit einer dazwischen liegenden Beruhigungszeit, was nicht möglich wäre, wenn die F-Zumessöffnung eliminiert bzw. weggelassen werden würde.
-
Die Kurvendarstellungen der 7 sind vorgesehen, um eine Empfindlichkeit für die Größe der A-Zumessöffnung zu veranschaulichen, wobei die durchgezogenen Linien eine Situation mit einer klein bemessenen A-Zumessöffnung zeigen, und wobei die gestrichelten Linien die Leistung der Einspritzvorrichtung für einen relativ großen Strömungsquerschnitt durch die A-Zumessöffnung 67 zeigen. Wie zu sehen ist, beeinflusst die Größe der A-Zumessöffnung in erster Linie die Einspritzleistung beim Beginn des Einspritzereignisses und hat wenig Einfluss auf das Ende der Einspritzung. Über viele Jahre haben Ingenieure erkannt, dass gewisse Leistungsverbesserungen, möglicherweise speziell mit Bezug auf die Verringerung von nicht wünschenswerten Emissionen, durch einen langsameren Aufbau der Einspritzrate erreicht werden können, und zwar im Gegensatz zu einer Einspritzrate, die von Null nahezu sofort auf eine maximale Einspritzrate geht, wie von der gestrichelten Linie gezeigt, wenn die A-Zumessöffnung groß ist. Anders gesagt, wenn der Strömungsquerschnitt durch die A-Zumessöffnung verringert wird, wird die Möglichkeit eines Druckabfalls in der Nadelsteuerkammer 52 am Beginn eines Einspritzereignisses behindert, was somit die Hubrate des Nadelventilgliedes 30 verlangsamt und einen allmählicheren Anstieg des vorderen Endes der Einspritzrate erzeugt, wie in den fünften und sechsten Kurvendarstellungen der 7 gezeigt. Wenn der Strömungsquerschnitt durch die Zumessöffnung A immer größer wird, wird der Anfang der Einspritzratenform nahezu vertikal.
-
Mit Bezug auf 8 kann die E-Zumessöffnung mit der F-Zumessöffnung zusammenarbeiten, um den Beginn der Einspritzratenform zu verlangsamen, wie in den fünften und sechsten Kurvendarstellungen der 8 gezeigt. Es wird angenommen, dass dies auftritt, indem Brennstoff, der durch die F-Zumessöffnung in die Zwischenkammer 54 eintritt, den Fluss von Brennstoff in die Zwischenkammer 54 von der Nadelsteuerkammer 52 durch die A-Zumessöffnung behindert, was somit die Hubrate des Nadelventilgliedes 30 verlangsamt (Kurvendarstellung 5) und den anfänglichen Aufbau der Einspritzrate zum Beginn der Einspritzung verlangsamt, wie in der sechsten Kurvendarstellung gezeigt. Wenn die E-Zumessöffnung zu groß ist, kann der Effekt auf den Beginn der Einspritzung, der durch die F-Zumessöffnung bewirkt bzw. verursacht wird, vernichtet werden. Wenn die E-Zumessöffnung zu klein ist, gibt es möglicherweise keinen ausreichenden Druckabfall in der Nadelsteuerkammer 52, um zu gestatten, dass das Nadelventilglied sich schon abhebt, um ein Einspritzereignis bei niedrigen Einspritzdrücken auszuführen. Die Kurvendarstellungen mit durchgezogener Linie und mit gestrichelter Linie der 8 sollen die unterschiedlichen Leistungseffekte zeigen, wenn die E-Zumessöffnung relativ groß ist, wie bei der durchgezogenen Linie oder relativ klein ist, wie bei der gestrichelten Linie. Wie erwartet, hat die Größe der E-Zumessöffnung wenig Effekt auf die Leistungscharakteristiken am Ende der Einspritzung, wie durch die Kurvendarstellungen der 8 gezeigt.
-
Ein weiterer kleiner, jedoch wichtiger Aspekt ist die Tatsache, dass speziell im Fall einer Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtung, die Einspritzdrücke bei unterschiedlichen Motorbetriebsbedingungen ziemlich unterschiedlich sein können, und es kann schwierig sein, einen Strömungsquerschnitt der E-Zumessöffnung zu finden, der eine akzeptable Brennstoffeinspritzvorrichtungsleistung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Rail-Drücken erzeugt. Der Fachmann wird erkennen, dass die Strömungscharakteristiken durch die Zumessöffnungen und daher die daraus resultierende Leistung der Brennstoffeinspritzvorrichtung mit dem Druckgradienten an der Zumessöffnung in Beziehung steht, der bei unterschiedlichen Rail-Drücken unterschiedlich sein wird. Ein möglicher Startpunkt für die Auswahl von Größen der F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen wäre, die anfänglichen Strömungsquerschnitte als einen gewissen Prozentsatz des gesamten Strömungsquerschnittes durch die Düsenauslässe 45 einzustellen. Beispielsweise könnte eine anfängliche Bemessung in der Größenordnung von 10–20% des gesamten Strömungsquerschnittes durch die Düsenauslässe 45 ein guter Startpunkt sein. Als nächstes müssen Strömungsquerschnitte, die verschiedenen Federvorspannungen, Sitzdurchmesser usw. so ausgewählt werden, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den extrem hohen und niedrigen erwarteten Rail-Drücken arbeiten wird. Als nächstes können die verschiedenen Zumessöffnungen bezüglich der Größe angepasst werden, um erwünschte Leistungscharakteristiken zu erreichen, beispielsweise unter Verwendung der Kurvendarstellungen der 6, 7 und 8 zur Anleitung. Durch das Vorsehen einer Pufferkammer 55 und möglicherweise durch ordnungsgemäße Anordnung und Orientierung der E-Zumessöffnung kann schließlich ein möglicher Kavitationsschaden im empfindlichen Bereich 65 des flachen Sitzes 23 auf akzeptable Niveaus über die erwartete Arbeitslebensdauer der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 verringert werden. Durch Verwendung einer Strategie mit einem Zwei-Wege-Steuerventil in Verbindung mit geeignet bemessenen F-, A-, Z- und E-Zumessöffnungen, können die Leistungscharakteristiken der Einspritzvorrichtung die Leistung einer entsprechenden Einspritzvorrichtung mit Drei-Wege-Ventil nachahmen und sich dieser annähern, und zwar ohne die zusätzliche Komplexität und die Kosten, die mit Drei-Wege-Ventilen assoziiert sind.
-
Es sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte der Offenbarung aus einem Studium der Zeichnung, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen werden können.
