-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Treibstoffeinspritzvorrichtungen
und genauer auf Hochdrucktreibstoffeinspritzvorrichtungsdüsen.
-
Beispiele
von Hochdrucktreibstoffeinspritzsystemen sind in
US-Patent
Nr. 4 275 844 , ausgegeben an Grgurich et al. und
US-Patent Nr. 5 191 867 A ,
ausgegeben an Glassey et al. gezeigt. Motoren, die mit Hochdrucktreibstoffeinspritzsystemen
ausgerüstet
sind, besitzen eine optimale volumetrische Einspritzrate. Für Diesel-Motoren besitzt diese
optimale Einspritzrate einen allmählichen Anstieg, eine Periode
der Stabilisierung, gefolgt von einem scharfen Abfall. Mittel zum
Erzeugen dieses charakteristischen Profils werden allgemein als
ratenformende Mittel oder Einrichtungen bezeichnet, da sie verwendet werden,
um die volumetrische Rate der Treibstoffeinspritzung in eine Motorverbrennungskammer
zu formen. Der allmähliche
Anstieg, gefolgt von einem scharfen Abfall in der Treibstoffeinspritzung,
besitzt den spezifischen Vorteil des Minimierens von Teilchenemissionen
von der Verbrennung. Ebenfalls minimiert sie Verbrennungslärm.
-
Treibstoffeinspritzvorrichtungsdüsen weisen typischerweise
ein Gehäuse
auf mit einem langgestreckten Hohlraum oder einem leeren Raum entlang einer
ersten Achse. Der Hohlraum besitzt einen ersten Endteil oder Einspritzkammer
und einen zweiten Endteil oder Federkammer mit einem verbindenden Stromungsdurchlaß dazwischen
angeordnet. Eine Einspritzzumeßöffnung verbindet
strömungsmittelmäßig die
Einspritzkammer des Hohlraums mit einer Atmosphäre (zum Beispiel der Motorverbrennungskammer),
die sich außerhalb
der Treibstoffeinspritzvorrichtung befindet. Ein Nadelrückschlagventil
ist gleitbar innerhalb des Hohlraums angeordnet für eine Translation
oder Bewegung zwischen einer ersten Position, in der ein Sitzteil
des Nadelrückschlagventils
gegen ein erstes Ende oder einen Boden des Hohlraums der Einspritzzumeßöffnung sitzt,
und einer zweiten Position, wobei die Nadel beabstandet von dem
ersten Ende ist und nicht die Einspritzzumeßöffnung blockiert.
-
Bei
der Treibstoffeinspritzvorrichtungsdüse von Glassey et al. ist eine
Feder gegen das Nadelrückschlagventil
angeordnet, die dazu neigt, die Nadel gegen das erste Ende vorzuspannen.
Die Federkammer des Hohlraums besitzt eine Öffnung, die Strömungsmittelverbindung
mit einer Niedrigdrucktreibstoffversorgung vorsieht. Unter Druck
stehender Treibstoff, der in die Einspritzkammer des Hohlraums geleitet
wurde, überwindet
die Feder, um das Rückschlagventil
weg von dem ersten Ende zu bewegen. Irgendein Strömungsmittel
in der Federkammer des Hohlraums, das durch die Bewegung des Rückschlagventils
dazu verschoben wurde, wird durch die Öffnung, die mit der Niedrigdrucktreibstoffversorgung verbindet,
erschöpft.
-
Die
Treibstoffvorrichtungsdüse,
die von Grgurich et al. offenbart wurde, besitzt keine Strömungsmittelverbindungsöffnung in
der Federkammer. Während
eines Einspritzzyklus sickert Strömungsmittel vorbei an dem Führungsteil
des Nadelrückschlagventils
von der Hochdruckeinspritzkammer zu der Federkammer, was den Druck
innerhalb der Federkammer erhöht.
Die Erhöhung
bzw. der Anstieg im Druck in der Federkammer des Hohlraums erhöht den Ventilöffnungsdruck
(VOP = valve opening Pressure) von Strömungsmittel in der Einspritzkammer,
der erforderlich ist, um das Rückschlagventil
von dem ersten Ende des Hohlraums anzuheben. Ein zu hoher VOP erzeugt
eine sehr steile Anfangsrate von Treibstoffeinspritzung, die den
unerwünschten
Effekt von erhöhtem
Motorverbrennungslärm
und ansteigenden Stickoxiden (NOx) besitzt.
-
Es
ist wünschenswert,
eine Treibstoffeinspritzvorrichtungsdüse vorzusehen, die einen relativ niedrigen
VOP besitzt und eine allmählich
ansteigend volumetrische Einspritzrate vorsieht, und zwar mit einem
scharfen Ende der Einspritzung, um einen niedrigen Ventilöffnungsdruck
vorzusehen und um Motorverbrennungslärm und NOx zu
minimieren.
-
Die
in der Patentschrift
AT 191199 offenbarte Einspritzanlage
für Brennkraftmaschinen,
betrifft eine Einspritzanlage mit einer Einspritzpumpe und einem Einspritzventil,
dessen bewegliches Ventilglied durch den Kraftstoffdruck entgegen
der Kraft einer mechanischen Schließfeder in einem Schließfederraum
sowie entgegen der Kraft des im Schließfederraum eingeschlossenen
Kraftstoffinhalts, der als zusätzliche hydraulische
Schließfeder
wirkt.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Treibstoffeinspritzvorrichtungsdüse offenbart,
die ein Gehäuse
aufweist, das einen langgestreckten Hohlraum definiert mit einem
ersten Endteil, der mindestens eine Einspritzzumeßöffnung besitzt
und einen. zweiten Endteil und einem Versorgungsdurchlaß, der unter
Druck stehendes Strömungsmittel
von einer Treibstoffpumpenkammer zu dem ersten Endteil des Hohlraums
verbindet bzw. in Verbindung bringt. Die Düse weist ebenfalls ein Nadelrückschlagventil
auf, und zwar gleitbar angeordnet innerhalb des langgestreckten
Hohlraums für eine
Translation darin zwischen einer ersten Position und einer zweiten
Position, das einen Führungsteil besitzt,
der so bemessen ist um einen minimalen ringförmigen Frei- oder Zwischenraum
zwischen dem langgestreckten Hohlraum vorzusehen, um dadurch wesentlich
eine Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Endteil des langgestrecken Hohlraums mit dem
zweiten Endteil des langgestreckten Hohlraums zu verhindern. Das
Nadelrückschlagventil besitzt
einen Sitzteil, der eine Eingriffsfläche definiert, und zwar mit
einem ersten Ende des Hohlraums, wobei die Eingriffsfläche kleiner
ist als eine Querschnittsfläche
des Führungsteils
und die Einspritzzumeßöffnung in
der ersten Position abdeckt. Ein Volumen von Flüssigkeit, die in dem zweiten
Endteil des Hohlraums eingefangen ist, wird unter Druck gesetzt, und
zwar ansprechend auf die Verschiebung des Nadelrückschlagventils weg von dem
ersten Ende des Hohlraums durch eine Anlegung von unter Druck gesetztem
Strömungsmittel
an den ersten Endteil der Hohlraumkammer.
-
Die
vorliegende Erfindung sieht ein vorbestimmtes eingefangenes Volumen
von Treibstoff vor, das als hydraulische Feder dient, und zwar innerhalb eines
Federhohlraums eines Treibstoffeinspritzvorrichtungsgehäuses. Dies
sieht eine allmählich
ansteigende volumetrische Rate von Treibstoffeinspritzung vor, und
zwar gefolgt durch einen steilen Abfall in dem Volumen des eingespritzten
Treibstoffs als eine Funktion der Zeit. Das eingefangene Volumen
von Treibstoff wird unter Druck gesetzt, und zwar durch die Verschiebung
des Nadelrückschlagventils
weg von dem ersten Endteil durch die Kraft einer unter Druck stehenden
Einspritzladung, die auf das Rückschlagventil
wirkt. Der resultierende Druck in der Federkammer bringt das Nadelrückschlagventil
in eine geschlossene Position sehr schnell zurück. Wenig oder kein verbleibender
Druck bzw. Restdruck wird in der Federkammer an dem Ende der Einspritzung
aufrechterhalten.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Ausführungbsbeispiels einer Einheitstreibstoffeinspritzvorrichtung
bzw. Treibstoffeinspitzvorrichtungseinheit;
-
2 eine
schematische Querschnittsansicht eines Düsengebiets bzw. einer Düsenfläche der Einheitstreibstoffeinspritzvorrichtung
der 1;
-
3 einen
Graph von Nadelrückschlagventilverschiebung
D als eine Funktion der Zeit t für
die vorliegende Erfindung;
-
4 einen
Graph der volumetrischen Strömungsrate
F von der Einspritzvorrichtung als eine Funktion der Zeit t für die vorliegende
Erfindung; und
-
5 einen
Graph des Treibstoffdrucks P als eine Funktion der Zeit t für einen
Einspritzzyklus der vorliegenden Erfindung.
-
Eine
beispielhafte Treibstoffeinspritzvorrichtung, wie zum Beispiel eine
hydraulisch betätigte elektronisch
gesteuerte Einheitstreibstoffeinspritzvorrichtung 10, auf
die im folgenden als HEUI-Einheits-Treibstoffeinspritzvorrichtung
Bezug genommen wird, ist in 1 gezeigt.
Obwohl hier als vereinheitlicht oder als Einheitstreibstoffeinspritzvorrichtung 10 gezeigt,
könnte
die Treibstoffeinspritzvorrichtung alternativ von einem modularen
Aufbau sein, mit zum Beispiel einer Düsenanordnung 11 getrennt
von einer Treibstoffunterdrucksetzungseinheit.
-
Zusätzlich könnten die
Mittel zum Betätigen des
Treibstoffpumpmechanismus der Einheitstreibstoff/Einspritzvorrichtung 10 ein
mechanisches System anstelle des dargestellten HEUI-Systems sein.
-
Die
Einheits/Treibstoffeinspritzvorrichtung 10 der 1 besitzt
einen Einspritzvorrichtungkörper 12 mit
einer zentralen Längsachse 14.
Eine Solenoidbetätigungsvorrichtung 16 ist über einem
oberen Endteil des Einspritzvorrichtungskörpers 12 angebracht bzw.
befestigt. Ein Sitzventil 18 ist gleitbar in dem Einspritzvorrichtungskörper 12 angeordnet,
und zwar für
betriebsmäßige Bewegung
zwischen ersten (keine Einspritzung) und zweiten (Einspritzung)
Positionen. Das Sitzventil 18 ist an einem bewegbaren Anker 20 der
Solenoidbetätigungsvorrichtung 16 durch eine
dazwischen liegende Gewindebefestigungsvorrichtung 22 befestigt.
Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
bzw. Solenoidbetätigungsvorrichtung 16 verschiebt
betriebsmäßig das Sitzventil 18 zwischen
der ersten Position und der zweiten Position, und zwar ansprechend
auf elektronische Signale, die zu der Solenoidbetätigungsvorrichtung 16 von
einem elektronischen Steuermodul (nicht gezeigt) geschickt wurden.
-
Ein
Verstärkungs-
oder Intensivierkolben 24 ist gleitbar in dem Einspritzvorrichtungskörper 12 für eine axiale
Verschiebung darin angeordnet. Ein Hydraulikströmungsmitteleinlaßdurchlaß 26 verbindet unter
hohem Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel mit dem Sitzventil 18 von
einer (nicht gezeigten) Hochdrucksammelleitung. Interne Hydraulikströmungsmitteldurchlässe 28 verbinden
Hydraulikströmungsmittel
von einem Sitzventil 18 mit dem Intensivierkolben 24,
wenn sich das Sitzventil 18 in seiner zweiten (oberen)
Position bzw. Stellung befindet.
-
Ein
unterer Endteil des Einspritzvorrichtungskörpers 12 stößt an eine
Trommelanordnung 30 an. Ein sich hin- und herbewegender
Treibstoffpumpenkolben bzw. -plunger 32 erstreckt sich
von dem Intensivierkolben 24 nach unten in eine axiale
Trommelbohrung 34 der Trommelanordnung 30. Eine Treibstoffpumpenkammer 36 wird
definiert durch einen Teil der Trommelbohrung 34 an einem
Endteil des Treibstoffpumpenplungers 32. Eine Plungerrückkehrfeder 37 spannt
den Treibstoffpumpenplunger 32 und den Intensivierkolben 24 nach
oben gemäß den 1 und 2 vor.
-
Unter
der Trommelanordnung
30 befindet sich die Düsenanordnung
11.
Eine dazwischenliegende Beabstandungsplatte
38 definiert
eine Einlaßapertur
bzw. -öffnung
und eine oder mehrere gesonderte Auslaßaperturen bzw. -öffnungen
dahindurch. Ein Anschlag
40 ist unter der dazwischenliegenden Beabstandungsplatte
38 angeordnet.
Ein erstes oder Kugeleinlaßrückschlagventil
42 in
dem Anschlag
40 steht in Strömungsmittelverbindung mit der
Einlaßöffnung der
Beabstandungsplatte
38 und gestattet Strömungsmittel
dort vorbei in die Treibstoffpumpenkammer
36 zu strömen. Ein
umgekehrtes oder zweites Strömungsrückschlagventil
44 in
dem Anschlag
40 gestattet, daß Strömungsmittel daran vorbei von
der Treibstoffpumpenkammer
36 strömt, aber blockiert bzw. verhindert
das Rückkehren
vom Strömungsmittel
oder Verbrennungsgas in die Treibstoffpumpenkammer
36.
Diese Merkmale kann man deutlich in
2 und in
dem
US-Patent Nr. 5
287 838 A , ausgegeben an Wells, erkennen.
-
Ein
zylindrischer Mantel bzw. eine zylindrische Hülse 46 ist unterhalb
des Anschlags 40 angeordnet. Die Hülse 46 definiert sowohl
eine zentrale Federkammer 48 dahindurch und einen separaten Ablaß- oder
Auslaßdurchlaß oder Treibstoffeinspritzdurchlaß 50,
und zwar in Strömungsmittelverbindung mit
dem zweiten Strömungs-Rückschlagventil 44.
-
Eine
Düsensprühspitze 52 stößt an die
Hülse 46 gegenüber dem
Anschlag 40 an. Eine sich axial erstreckende Sack- bzw.
Blindbohrung 54 erstreckt sich von der Federkammer 48 der
Hülse 46 zu
einer Unterseite bzw. einem Boden 55 der Blindbohrung 54 in
einem Endteil 56 der Düsensprühspitze 52.
Eine oder mehrere Treibstoffeinspritzsprühzumeßöffnungen 58 sind in
dem Endteil 56 der Düsensprühspitze 52 definiert.
Ein Ablaßdurchlaß oder Treibstoffeinspritzdurchlaß 60 der
Düsensprühspitze 52 verbindet Strömungsmittel
von dem Treibstoffeinspritzdurchlaß 50 der Hülse 46 mit
einem herzförmigen
Abschnitt 62 einer Einspritzkammer 64 der Blindbohrung 54.
Ein zylindrischer Führungsdurchlaß 65 der
Blindbohrung 54 ist zwischen dem herzförmigen Abschnitt 62 und der
Federkammer 48 angeordnet. Den Anschlag 40, die
Hülse 46 und
die Düsensprühsprühspitze 52 kann man
gemeinsam als ein Führungsglied
bezeichnen. Die Federkammer 48 und die Blindbohrung 54 können zusammen
als ein einzelner langgestreckter Hohlraum 66 oder als
leerer Raum, der sich konzentrisch entlang der Längsachse 14 erstreckt,
charakterisiert werden. Ein erstes Ende des langgestreckten Hohlraums 66 fällt mit
dem Boden 55 der Blindbohrung 54 zusammen. Ein
zweites Ende 68 des langgestreckten Hohlraums 66 ist
bei dem Anschlag 40 und weist zu der Federkammer 48 hin.
Die Federkammer 48 ist abgedichtet, und ist nur bei dem
ringförmigen Freiraum
offen, der zwischen dem Führungsdurchlaß 65 und
einem bewegbaren Nadelrückschlagventil 69 definiert
wird. Die Einspritzkammer 64 wird alternativ gekennzeichnet
als ein erstes Endteil des langgestreckten Hohlraums 66 und
die Federkammer 48 als ein zweites Endteil des langgestreckten
Hohlraums 66.
-
Das
Nadelrückschlagventil 69 ist
gleitbar angeordnet in dem langgestreckten Hohlraum 66 für eine axiale
Verschiebung bzw. Translation zwischen einer ersten oder geschlossenen
Position und einer zweiten oder geöffneten Position. Das Nadelrückschlagventil 69 besitzt
ein Führungsteil 70,
das bemessen ist, um einen minimalen ringförmiges Freiraum mit dem Führungsdurchlaß 65 vorzusehen.
Ein Sitzteil 72 oder erstes Endteil. des Nadelrückschlagventils 69 definiert
ein Oberflächengebiet
des Eingriffs mit dem Boden 55 der Bohrung 54,
dessen axiale Projektion kleiner als ein Querschnittsgebiet des Führungsteils, 70 ist.
Vorzugsweise bedeckt der Sitzteil 72 des Nadelrückschlagventils 69 die
Treibstoffeinspritzsprühzumeßöffnungen 58,
wenn das Rückschlagventil 69 in
der ersten Position bzw. Stellung angeordnet ist. Ein Federsitz 74 des
Nadelrückschlagventils 69 ist
in der Federkammer 48 angeordnet. Der Federsitz 74 ist
größer im Durchmesser
als der Führungsteil 70 und
erstreckt sich radial fast über den
gesamten Durchmesser der Federkammer 48.
-
Ein
Zwischenteil 75 des Nadelrückschlagventils 69 zwischen
dem Führungsteil 70 und
dem Sitzteil 72 besitzt einen Durchmesser, der kleiner
ist als der des Führungsteils 70.
Ein Bewegungsbeschränkungsteil 76 des
Nadelrückschlagventils 69 erstreckt
sich axial von dem Federsitzteil 74 gegenüber dem
Führungsteil 70.
Das Bewegungsbeschränkungsteil 76 erstreckt
sich zu einer Stelle in der Nähe des
Anschlags 40. Eine schraubenförmige Kompressions- oder Druckfeder 78 ist
in der Federkammer 48 zwischen dem Federsitzteil 74 und
dem Anschlag 40 angeordnet. Die Druckfeder 78 spannt
den Sitzteil 72 gegen den Boden 55 der Blindbohrung 54 vor.
Strömungsmittel
in der Federkammer 48 wirkt als eine hydraulische Feder 79.
-
Ein
Gehäuse 80,
wie zum Beispiel eine mit einem Innengewinde versehene Mutter umschließt einen
unteren Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 12, die Trommelanordnung 30,
die Beabstandungsplatte 38, den Anschlag 40, die
Hülse 46 und
die Düsensprühspitze 52,
um diese in einer Betriebsbeziehung bezüglich einander zu halten. Zusammen
können
der Anschlag 40, die Hülse 46,
die Düsensprühspitze 52 und
das Gehäuse 80 als
ein Düsengehäuse 82 charakterisiert
werden.
-
Das
Gehäuse 80 besitzt
eine oder mehrere Treibstoffeinlaßöffnungen 84, die dahindurch
verlaufen, und zwar ungefähr
normal zu der Längsachse 14.
Das Gehäuse 80 definiert
einen ringförmigen Treibstoffdurchlaß 86 zwischen
sich. und der Trommelanordnung 30 und dem Anschlag 40,
der strömungsmittelmäßig mit
den Treibstoffeinlaßöffnungen 84 verbunden
ist. Ein Kantenfilterdurchlaß (edge
filter – Durchlaß) 88 in
dem Anschlag 40 erstreckt sich von dem ringförmigen Treibstoffdurchlaß 86 zu
dem Kugeleinlaßrückschlagventil 42.
-
Im
Betrieb tritt Hydraulikströmungsmittel
in den Strömungsmitteleinlaßdurchlaß 26 ein,
und zwar mit einem Druck von zum Beispiel bis zu 23 MPa (3335 psi).
In der ersten (unteren) Position bzw. Stellung blockiert das Ventil 18 das
weitere Fortschreiten von unter Druck stehendem Hydraulik-Strömungsmittel
in den Einspritzvorrichtungskörper 12.
In der ersten Position hält
das Sitzventil ebenfalls die internen Hydraulikströmungsmitteldurchlässe 28 gefüllt mit
Hydraulikströmungsmittel,
und zwar bei einem relativ geringeren Strömungsmitteldruck.
-
Ein
elektronisches Signal von einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung
veranlaßt
die Solenioidbetätigungsvorrichtung 16 den
Anker 20 nach oben zu verschieben, was das Sitzventil 18 in
die zweite (obere) Position bewegt. Wenn das Sitzventil 18 sich in
die zweite Position bewegt, steigt der Druck des Hydraulik-Strömungsmittels
in den inneren Hydraulikströmungsmitteldurchlässen 28 schnell
an, und zwar beinahe sofort auf den des Hydraulik-Strömungsmittels
in dem Strömungsmittel-Einlaßdurchlaß 26.
Der Druck des Hydraulikbetätigungsströmungsmittels
wirkt gegen den Intensivierkolben 24, wodurch er und der
Plunger 32 nach unten gegen die Feder 37 gezwängt werden.
-
Eine
(nicht gezeigte) Niedrigdrucktreibstoffpumpe liefert Treibstoff
zu den Einlaßöffnungen 84 durch
eine Treibstoffschiene oder Sammelleitung, die in einem Motorzylinderkopf
(nicht gezeigt) definiert wird. Niedrigdrucktreibstoff betritt den
ringförmigen Treibstoffdurchlaß 86 durch
die Einlaßöffnungen 84 und
umgibt die Trommelanordnung 30 und den Anschlag 40.
Treib- bzw. Brennstoff
läuft von
dem ringförmigen
Treibstoffdurchlaß 86 durch
den Kantenfilterdurchlaß 88 vorbei
an dem ersten Kugeleinlaß-Rückschlagventil 42 und
in die Treibstoffpumpenkammer 36. Der Niedrigdrucktreibstoff
läuft von
der Treibstoffpumpenkammer 36 durch das zweite Rückschlagventil 44 durch
die Treibstoffeinspritzdurchlässe 50 und 60 der
Hülse 46 bzw.
der Düsensprühspitze 52 und
zu der Einspritzkammer 64 der Blindbohrung 54.
Obwohl der ringförmige
Zwischenraum zwischen dem Führungsdurchlaß 65 und
dem Führungsteil 70 so
klein ist, daß er
eine Wanderung bzw. Leckage von Niedrigdruckströmungsmittel zu der Federkammer 48 verhindert,
wird im wesentlichen das ganze offene Volumen innerhalb der Federkammer 48,
das nicht von dem Nadelrückschlagventil 69 und der
Druckfeder 78 besetzt wird, mit Treibstoff bei niedrigem
Druck gefüllt.
Der Treibstoff darin wird vorgesehen durch Vorfällen der Federkammer 48 mit Treibstoff,
wenn die Einheitstreibstoffeinspritzvorrichtung 10 zusammengebaut
wird. Vorgeladener Druck des Treibstoffs innerhalb der Federkammer 48,
d. h. Druck in der Federkammer 48 über dem Druck in der Einspritzkammer 64 ist
im wesentlichen Null, wenn sich das Nadelrückschlagventil 69 in
der ersten Position befindet. Dies hilft den gewünschten niedrigen VOP vorzusehen,
und zwar durch Minimieren des anfänglichen Widerstandes gegen
eine nach oben gerichtete Bewegung des Nadelrückschlagventils 69.
-
Der
hydraulische Druck, der gegen den Intensivierkolben 24 wirkt,
erzeugt eine Kraft, gegen die reagiert wird bzw. eine Gegenkraft
aufgebaut wird, und zwar durch den Treibstoff innerhalb der Treibstoffpumpenkammer 36.
Diese Kraft ist gleich der Kraft an dem Intensivierkolben 24 weniger
der der Feder 37. Wenn die Feder 37 relativ niedrige Last-
bzw. Ladungscharakteristiken besitzt, wird die Reaktionskraft, die
durch den Treibstoff in der Pumpenkammer 36 vorgesehen
wird, beinahe gleich der Kraft gegen den Intensivierkolben 24 sein,
die durch das Hydraulikströmungsmittel
angewendet wird. Der Treibstoff in der Treibstoffpumpenkammer 36 wird deshalb
unter Druck gesetzt, und zwar auf ein Niveau bzw. einen Pegel ungefähr gleich
dem Druck des Hydraulikströmungsmittels
mal der effektiven Querschnittsfläche des Intensivierkolbens 24 geteilt
durch die effektive Querschnittsfläche des Kolbens bzw. Plungers 32.
Ein beispielhaftes Verhältnis
der Flächen
ist ungefähr
sieben, was einen Treibstoffdruck von ungefähr 161 MPa (23 350 psi) zur
Folge hat, wenn der Druck des Hydraulikströmungsmittels 23 MPa (3335 psi)
beträgt.
Der unter hohem Druck stehende Treibstoff in der Treibstoffpumpenkammer 36 ist
in Strömungsmittelverbindung
mit dem Treibstoff in den Treibstoffeinspritzdurchlässen 50, 60 und
der Einspritzkammer 64 und wird sehr schnell unter Druck
gesetzt.
-
Der
nun unter hohem Druck stehende Treibstoff in der Einspritzkammer 64 wirkt
gegen das Nadelrückschlagventil 69 auf
einem Gebiet bzw. einer Fläche
gleich einem Querschnitt des Führungsteils 70 minus
einer Sitzfläche,
die durch den Eingriff zwischen dem Sitzteil 72 des Nadelrückschlagventils 69 und
dem Boden 55 der Blindbohrung 54 oder erstem Ende
des Hohlraums 66 definiert wird. Die resultierende Kraft
gegen das Nadelrückschlagventil 69 veranlaßt es, sich
nach oben zu bewegen, die Druckfeder 78 zu überwinden
und den Treibstoff innerhalb der Federkammer 48 durch axialen
Eintritt dahinein zu komprimieren. Diese Kompression des Strömungsmittels
innerhalb der Federkammer 48, d. h. Kompression der hydraulischen
Feder 79, induziert eine Veränderung im Druck (dP) innerhalb
der Federkammer 48 gleich dem Elastizitätsmodul des Strömungsmittels
(Eb) (bulk modulus of elasticity) multipliziert
mit der Volumenveränderung
(dV) und. geteilt durch das ursprüngliche Volumen (Vo)
oder in Gleichungsform: dP = Eb(dV/Vo). Da es sehr minimale Leckage von der Federkammer 48,
gibt, fährt
der Druck darin fort, sich aufzubauen mit einer weiteren Verschiebung
bzw. Versetzung des Nadelrückschlagventils 69.
Wenn das Nadelrückschlagventil 69 von dem
ersten Ende des Hohlraums 66 weggezwängt wird, wirkt ebenfalls der
unter hohem Druck stehende Treibstoff gegen den Sitzteil 72,
was weiter die nach oben gerichtete Kraft gegen das Nadelrückschlagventil 69 erhöht. Wenn
das Nadelrückschlagventil 69 sich
weg von dem ersten Ende des Hohlraums 66 abhebt, beginnt
Treibstoff ebenfalls durch die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 in die
(nicht gezeigte) Motorverbrennungskammer zu laufen. Der vorgewählte Druck,
bei dem das Nadelrückschlagventil 69 sich
zuerst abhebt, ist als der Ventilöffnungsdruck (VOP = valve opening
Pressure) bekannt. Treibstoffentladung bzw. Treibstoffablaß beginnt,
wenn der Ventilöffnungsdruck
erreicht ist. Optimalerweise für
die dargestellte Einspritzvorrichtung besitzt die Einheits-Treibstoffeinspritzvorrichtung 10 einen
relativ geringen VOP, um das Nadelrückschlagventil 69 von
seinem Sitz abzuheben, gefolgt von einer allmählich ansteigenden Rate von
volumetrischer Strömung
durch die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 bzw. -drosseln
und gefolgt von einem scharfen Abfall in der volumetrischen Strömungsrate gegen
Ende der Einspritzung. Ein niedriger VOP bekämpft eine Zündungsverzögerung durch Vorsehen einer
früheren
Entflammungszeit.
-
Bei
der anfänglichen
Verschiebung muß das Nadelrückschlagventil 69 nur
die Kraft der Druckfeder 78 überwinden, was einen relativ niedrigen
VOP vorsieht. Treibstoff in der Federkammer 48 befindet sich
bei einem im wesentlichen in der Nähe von Null befindlichen Restvorladungsdruck,
d. h. der Druck in der Federkammer 48 ist fast gleich dem
Druck in der Einspritzkammer 64. Der Treibstoff, der in
der Federkammer 48 angeordnet ist, stellt folglich einen
kleinen Widerstand für
die anfängliche
nach oben gerichtete Verschiebung des Nadelrückschlagventils 69 dar.
Eine fortdauernde nach oben gerichtete Verschiebung des Nadelrückschlagventils 69 erhöht jedoch
schnell den Druck des darin enthaltenen Strömungsmittels. Das Vorsehen
der Federkammer 48 mit einer vorgewählten relativ niedrigen Volumenkapazität und des
Nadelrückschlagventils 69 mit
einem Führungsteil 70 mit
relativ großer
Querschnittsfläche erleichtert
das Entwickeln von relativ hohen Druckpegeln oder einer Rückkehr-
bzw. Rückstellkraft,
und zwar innerhalb der Federkammer 48 mit nur einem kleinen
Betrag von axialer Verschiebung des Nadelrückschlagventils 69.
Das ursprüngliche
Volumen (Vo) wird minimiert und die Veränderung
an Volumen (dV) für
eine gegebene axiale Verschiebung wird maximiert.
-
Wenn
das sich nach oben bewegende Nadelrückschlagventil 69 den
Anschlag 40 berührt, dann
besitzt der Druck innerhalb der Federkammer 48 Plateaus.
Jedoch, so lange es einen ausreichenden ringförmigen Freiraum zwischen dem
Führungsteil 70 des
Nadelrückschlagventils 69 und
dem Führungsdurchlaß 65 gibt,
um eine gleitende Bewegung dazwischen zu gestatten, gibt es etwas
Wanderung bzw. Leckage von Hochdrucktreibstoff von der Einspritzkammer 64 zu
der Federkammer 48. Viel von dem Druck wird bei der Bewegung
entlang des Führungsdurchlasses 65 verloren
werden, obwohl dies wenig oder keinen Effekt auf den Druck innerhalb
der Federkammer 48 hat. Aus diesem Grund, wenn die Druckfeder 78 das
Nadelrückschlagventil 69 in
seine ursprüngliche
auf dem Sitz aufliegende Position an dem Ende der Einspritzung zurückbringt,
gibt es praktisch wenig oder keinen Restvorladungsdruck bzw. Restvorlastdruck
innerhab der Federkammer 48. Übriger Vorlastdruck oder Restvorlastdruck
in der Federkammer 48 besitzt den ungewünschten Effekt des Erhöhens des
VOP. Falls es irgendeine beträchtliche
Leckage von Treibstoff von der Einspritzkammer 64 in die
Federkammer 48 gibt, was eine Vorlast induziert, kann dies
korrigiert werden durch eine Veränderung
des Designs bzw. der Konstruktion, und zwar durch Erhöhen der
Länge des
Führungsteils 70 und
des Führungsdurchlaßes 65 und/oder
Verringern des ringförmigen
Freiraums, um weiter den Druckabfall darüber zu erhöhen.
-
An
dem Ende der Treibstoffeinspritzung, wenn der hohe Druck von Treibstoff
in der Treibstoffpumpenkammer 36 abgelassen bzw. begrenzt
wurde, und der Druck innerhalb der Einspritzkammer 64 fällt, wirkt
der unter Druck stehende Treibstoff innerhalb der Federkammer 48 zusammen
mit der Feder dahingehend, das Rückschlagventil 69 schnell
in die erste Position zurückkehren
zu lassen, was die gewünschte
schnelle Beendung von volumetrischer Strömung durch die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 vorsieht.
-
Die
volumetrische Strömungsrate
von Treibstoff durch die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 ist eine
Funktion von sowohl der Zumeßöffnungsgeometrie
als auch von dem Abstand des Sitzteils 72 von dem ersten
Ende des Hohlraums 66, da dieser Abstand als eine Einschränkung von
Treibstoffströmung,
die die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 erreicht,
dient. Je weiter der Sitzteil 72 sich von dem ersten Endteil
entfernt, desto größer wird
die volumetrische Rate von Strömung
durch die Treibstoff-Einspritzsprühzumeßöffnungen 58 sein. Die 3, 4 und 5 zeigen
jeweils Plots bzw. Graphen von Rückschlagventilverschiebung
D, volumetrische Strömungsrate
F und Druck P, und zwar jeweils als eine Funktion der Zeit t. Die 3, 4 und 5 besitzen
jeweils einen beispielhaften Graphen, der die Variation der Charakteristiken über die Zeit
t gemessen in Sekunden, für
die vorliegende Erfindung simuliert, sowie einen grundlegenden Graphen,
der die Variation dieser Charakteristiken über die Zeit für eine ähnliche
Einspritzvorrichtung, die sich auf lediglich die Druckfeder 78 verläßt, um das Nadelrückschlagventil 69 zurückzubringen,
simuliert. 3 zeigt einen beispielhaften
Graphen A und einen Grundliniengraphen B einer simulierten Verschiebung
bzw. Versetzung D des Nadelrückschlagventils 69,
und zwar gemessen in Millimetern. 4 zeigt
einen beispielhaften Graphen C und einen Grundliniengraphen E der
simulierten volumetrischen Verdrängung
F, gemessen in Litern pro Minute. 5 zeigt
einen beispielhaften Graphen G und einen Grundliniengraphen H eines
simulierten Drucks P gemessen in kPa, und zwar innerhalb der Federkammer 48.
Es ist offensichtlich, daß die
vorliegende Erfindung die gewünschte
bzw. erforderliche allmähliche
Erhöhung
auf die maximale Verdrängung
erreicht, und zwar gefolgt von einer schnellen Rückkehr zu der ersten Position,
wobei der Sitzteil 72 gegen das erste Ende des Hohlraums 66 drückt.
-
Verschiedene
Parameter steuern die Wirksamkeit der Düse mit gefangenem Volumen.
Wie oben bemerkt wurde, gilt dP = Eb(dV/Vo). Beabsichtige Werte dieser Parameter sind:
Vo
= 350 mm3 (0,021 in3)
Eb = 1724 MPa (250 000 psi)
Führungsteildurchmesser
= 4,6 mm (0,18 inch)
Führungsteilhub
= 0,35 mm (0,014 inch)
dVmax = 0,35
mm (π/4)
(4,6 mm)2 = 5,8 mm3 (0,00035 in3).
dPmax =
1724 MPa (5,8 mm3/350 mm3)
= 28,6 MPa (4140 psi).
-
5 zeigt
eine maximale Veränderung
im Druck, jedoch von nur 21 MPa an, und zwar weniger als die oben
berechneten 28,6 MPa. Diese Abweichung wird Leckage von Treibstoff
durch den ringförmigen
Freiraum zwischen dem Führungdurchlaß 65 und
dem Führungsteil 70 zugerechnet.
Eine Leckage steigt an mit größerem ringförmigen Freiraum.
Die Leckage neigt ebenfalls dazu, sich zu erhöhen, wenn die Länge der Überlappung
oder Überdeckung
zwischen dem Führungsteil 70 und
den Führungsdurchlässen 65 abnimmt.
Eine Leckage steigt zusätzlich mit
einer Erhöhung
in der Differenz in den Drücken der
Federkammer 48 oder des gefangenen Volumens und der Einspritzkammer 64.
-
Ist
ein fixierter verfügbarer
Hub gegeben, variiert die maximale Druckveränderung dPmax,
die in der Federkammer 48 erzeugt wird, nicht direkt mit dem
Druck der Einspritzkammer 64, wie in Grgurich et al., bei
dem der Druck in der Federkammer 48 im wesentlichen gleich
dem Druck in der Einspritzkammer 64 ist. Stattdessen wird
die Druckveränderung gesteuert
durch die verfügbare
Veränderung
im Volumen dVmax.
-
Es
wird erwogen, daß,
obwohl diese Erfindung in dem Kontext einer HEUI-Einheits-Treibstoffeinspritzvorrichtung
beschrieben wurde, sie ebenfalls anwendbar ist auf nicht vereinheitliche
HEUI-Treibstoffeinspritzvorrichtungen
sowie mechanisch betätigte
Treibstoffeinspritzvorrichtungen. Diese Erfindung ist gut geeignet
zur Verwendung mit irgendwelchen Hochdrucktreibstoffeinspitzvorrichtungen,
die ein bewegbares Nadelrückschlagventil 69 aufweisen.
-
Es
wird ebenfalls erwogen, daß wegen
dem günstigen
Effekt des Verwendens einer Federkammer 48 mit relativ
kleinem Volumen auf die Fähigkeit den
Strömungsmitteldruck
innerhalb der Federkammer 48 zu erhöhen, es möglich ist, Treibstoffeinspritzdüsen zu konstruieren,
die eine relative kurze Federkammer besitzen, wodurch die Gesamtlänge der Treibstoffeinspritzvorrichtung
verringert wird.
-
Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einer Studie der Zeichnung,
der Offenbarung und der angefügten
Patentansprüche erhalten
werden.