DE19545162B4

DE19545162B4 - Brennstoffeinspritzvorrichtung mit federvorgespanntem Steuerventil

Info

Publication number: DE19545162B4
Application number: DE19545162A
Authority: DE
Inventors: Dale C. Maley; Douglas Kinnear; Steven B. Peoria Coleman; Darwin R. Edwards Carrell
Original assignee: Caterpillar Inc; GW Lisk Co Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2015-12-05
Also published as: GB2295652B; GB2295652A; GB9524261D0; DE19545162A1; JP3707841B2; JPH08226361A; US5605289A

Abstract

Brennstoffeinspritzvorrichtungsanordnung zum Einspritzen von Brennstoff während eines Brennstoffeinspritzzyklus mit einer Startzeit und einer Stoppzeit, wobei die Anordnung folgendes aufweist:
eine Brennstoffeinspritzdüse (30);
eine Brennstoffpumpe (24);
einen Brennstoffeinlaß zugeordnet zu der Brennstoffpumpe, die bewirkt, daß Brennstoff periodisch von dem Brennstoffeinlaß durch die Brennstoffeinspritzdüse gepumpt wird; und
ein Steuerventil zugeordnet zur Brennstoffpumpe zur Steuerung der Startzeit und der Stoppzeit des Brennstoffeinspritzzyklus, wobei das Steuerventil folgendes aufweist:
einen Ventilkörper (48);
einen Anker (118) angeordnet in einer Ausnehmung im Ventilkörper, wobei der Anker eine erste Seite und eine entgegengesetzt liegende zweite Seite aufweist und hin- und herbewegbar angeordnet ist innerhalb der Ausnehmung zwischen einer ersten und zweiten Position;
eine erste an der ersten Seite des Ankers (118) angeordnete Feder (124), um eine erste Federkraft auf den Anker auszuüben, wobei die erste Feder eine erste Langzeitfederkennlinie besitzt;
eine zweite Feder (130) angeordnet auf der zweiten Seite des...

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Brennstoffeinspritzsystems und insbesondere auf ein federvorgespanntes Steuerventil geeignet für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung.

Konventionelle Brennstoffeinspritzsysteme verwenden mechanisch, hydraulisch oder elektrisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtungen. In hydraulisch betätigten Systemen bewirkt die Pumpanordnung das periodische Einspritzen von Brennstoff in die Motorzylinder, wobei der Antrieb hydraulisch durch unter Druck gesetztes Betätigungsströmungsmittel erfolgt, welches selektiv der Pumpanordnung durch ein elektronisch gesteuertes Ventil zugeführt wird. Ein Beispiel eines hydraulisch betätigten und elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzsystems zeigt die US-Patentschrift 5 121 730.

In mechanisch betätigten Systemen ist die Pumpanordnung mechanisch mit einem Nocken gekoppelt, der durch den Motor derart angetrieben wird, daß die Pumpanordnung synchron mit der Drehung des Nockens betätigt wird. Die präzise Zeitsteuerung und die Dauer der Einspritzung wird durch ein elektronisch gesteuertes Ventil bestimmt, welches mit der Pumpanordnung zusammenarbeitet. Typischerweise ist das elektronisch gesteuerte Ventil ein Elektromagnet- oder Solenoidventil.

Ferner ist aus der DE 42 43 665 C2 eine Kraftsoffeinspritzvorrichtung insbesondere Pumpedüse, für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Zylinderbohrung eines Pumpengehäuses geführten Pumpenkolben bekannt, der durch einen Nockenantrieb axial hin- und hergehend angetrieben wird. Der Pumpenkolben begrenzt mit seiner einen, dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeits raum, der über einen Druckkanal mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil verbunden ist und der aus einer Kraftstoffquelle über eine Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt wird, die zur Steuerung der Hochdruckförderphase ein elektrisch angesteuertes Ventil enthält, dessen von einem elektrischen Stellglied betätigtes Ventilglied einen aus dem Pumpenarbeitsraum und dem daran angrenzenden Teil der Kraftstoffleitung gebildeten Hochdruckraum von einem durch den zur Kraftstoffquelle führenden Teil der Kraftstoffleitung gebildeten Niederdruckraum durch Anlage einer Dichtfläche auf einem Ventilsitz trennt, bzw. beim Abheben vom Ventilsitz die Verbindung zwischen beiden öffnet, wobei das Ventilglied im Bereich eines mit dem Hochdruckraum verbundenen Druckraumes eine ringförmige Querschnittsverringerung aufweist. Ferner weist das Ventilglied eine ständig mit dem Niederdruckraum verbundene Bohrung auf, die im Falle eines Bruchs des Ventilgliedes im Bereich der Querschnittsverringerung den Hochdruckraum mit dem Niederdruckraum verbindet.

In einem ein derartiges Brennstoffeinspritzsystem verwendenden Motor können sich die durch den Motor erzeugten Emissionen, wie beispielsweise teilchenförmige Emissionen und NOx-Emissionen über eine relativ lange Zeitperiode hinweg, wie beispielsweise über ein Jahr oder mehr hinweg ändern, wenn der Motor älter wird. Da es relativ strenge gesetzliche Regeln oder Standards gibt, welche die Emissionsmenge des Motors begrenzen, ist es nachteilig, wenn sich die Emissionen über lange Zeitperioden hinweg ändern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung richtet sich auf eine Brennstoffeinspritzanordnung und ein Steuerventil für eine solche Anordnung, welches automatisch Änderungen kompensiert hinsichtlich der von dem Motor erzeugten Emissionen und zwar dadurch, daß man die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung innerhalb des Motors ändert. Infolgedessen ändern sich die Emissionen des Motors über lange Zeitperioden nicht wesentlich oder sie ändern sich nur in einem solchen Maße, daß dies keine Konsequenzen hat.

Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffeinspritzanordnung vorgesehen, um die Einspritzung während eines Brennstoffeinspritzzyklus zu bewirken, wobei dieser Zyklus eine Startzeit und eine Stoppzeit besitzt, wobei diese Anordnung folgendes aufweist: eine Brennstoffeinspritzdüse, eine Brennstoffpumpe und einen mit der Brennstoffpumpe assoziierten Brennstoffeinlaß. Die Brennstoffpumpe bewirkt das periodische Pumpen von Brennstoff vom Brennstoffeinlaß durch die Brennstoffeinspritzdüse.

Die Brennstoffeinspritzanordnung ist mit einem Steuerventil versehen, welches mit der Brennstoffpumpe assoziiert ist, um die Startzeit und die Stoppzeit des Brennstoffeinspritzzyklus zu steuern. Das Steuerventil weist einen Ventilkörper auf und ein Anker ist in einer Ausnehmung im Ventilkörper angeordnet. Der Anker besitzt eine erste Seite und eine entgegengesetzt dazu liegende zweite Seite und er ist hin- und herbewegbar innerhalb der Ausnehmung angeordnet und zwar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. Eine erste Feder ist auf der ersten Seite des Ankers angeordnet, um eine erste Federkraft auf den Anker auszuüben, und zwar entsprechend einer ersten Langzeitfedercharakteristik und eine zweite Feder ist an der zweiten Seite des Ankers angeordnet, um eine zweite Federkraft auf den Anker auszüben, und zwar entsprechend einer zweiten Langzeitfedercharakteristik, die sich von der ersten Langzeitfedercharakteristik derart unterscheidet, daß die Startzeit des Brennstoffeinspritzzyklus sich über die Zeit hinweg ändert.

Das Steuerventil weist auch eine elektromagnetische Vorrichtung auf, die benachbart zu einer Seite des Ankers angeordnet ist, die bewirkt, daß der Anker eine der Positionen, d.h. der ersten und zweiten Positionen einnimmt, wenn die elektromagnetische Vorrichtung elektrisch erregt wird, und ein Ventilelement ist starr mit dem Anker verbunden und für eine Hin- und Herbewegung innerhalb des Ventilkörpers angeordnet. Das Ventilelement gestattet den Strömungsmittelfluß durch das Steuerventil dann, wenn sich der Anker in der ersten Position befindet und verhindert den Strömungsmittelfluß durch Steuerventil dann, wenn der Anker sich in der zweiten Position beffindet.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
1 ein schematisches Diagramm, welches ein mechanisch betätigtes, elektronisch gesteuertes Einheitseinspritzvorrichtungsbrennstoffsystem zeigt und zwar mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem elektronischen Steuerventil;
2 eine Teilquerschnittsansicht einer Solenoid- oder Elektromagnetbetätigungsvorrichtung für das elektronische Steuerventil schematisch gezeigt in 1;
3 ein Beispiel einer Federcharakteristik oder Federkennlinie;
4 eine charakteristische Emissionkurve, welche die Beziehung darstellt zwischen den durch einen Motor erzeugten teilchenförmigen und NOx-Emissionen; und
5 ein Paar von Langzeitfedercharakteristika gemäß der Erfindung.
Es sei zunächst auf die beste Möglichkeit zur Ausführung der Erfindung eingegangen. Ein Ausführungsbeispiel eines mechanisch betätigten elektronisch gesteuerten Einheitseinspritzvorrichtungsbrennstoffsystems ist in 1 gezeigt. Der Ausdruck "mechanisch betätigte elektronisch gesteuerte Einheitseinspritzvorrichtung lautet auf Englisch "mechanically-actuated electronically controlled unit injector" und kann mit "MEUI" abgekürzt werden. Das Brennstoffeinspritzsystem 10 ist insbesondere für einen Dieselmotor geeignet, der eine Anzahl von Motorkolben 12 aufweist; von denen einer an einer Motorkurbelwelle 14 angebracht dargestellt ist und eine hin- und hergehende Bewegung in einem Motorzylinder 14 ausführen kann.
Durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 20 wird Brenn- oder Kraftstoff in den Zylinde 16 eingespritzt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 20 besitzt einen schematisch durch gestrichelte Linien 22 angedeuteten Brennstoffeinspritzvorrichtungskörper, eine Pumpenanordnung 24, ein Steuerventil 26, ein Düsenventil 28 und eine Düse 30. Unter Druck stehender Brennstoff wird an die Pumpenanordnung 24 durch einen Brennstoffeinlaß 32 geliefert, der strömungsmittelmäßig mit einem Brennstoffdurchlaß oder einer Leitung 34 in Verbindung steht, die ihrerseite strömungsmittelmäßig mit einem Brennstofftank oder Reservoir 36 verbunden ist. Ein Paar von Brennstoffiltern 40, 42 ist in der Brennstoffleitung 34 vorgesehen und der Brennstoff wird auf einen relativ niedrigen Druck wie beispielsweise 410 kPa (60 psi) durch eine Transferpumpe 44 unter Druck gesetzt.
Der an die Pumpenanordnung 24 über den Brennstoffdurchlaß 34 gelieferte Brennstoff wird innerhalb der Pumpenanordnung 27 periodisch unter Druck gesetzt, und zwar von dem relativ niedrigen Druck auf einen relativ hohen Einspritzdruck, wie beispielsweise 210000 kPa (30000 psi) und zwar geschieht dies durch einen Kolben oder Plunger 48, der mechanisch mit einem Motornocken 50 über einen Kipparm 52 verbunden ist. Das Düsenventil 28 steht strömungsmittelmäßig mit der Pumpenanordnung 24 über eine Brennstoffleitung 56 in Verbindung und ist strömungsmittelmäßig mit der Düse 30 über einen Brennstoffdurchlaß 58 verbunden. Das Düsenventil 28 arbeitet als ein Rückschlagventil, welches dann öffnet, wenn der durch die Pumpenanordnung 24 vorgesehene Druck einen relativ hohen Schwellen-Einspritzdruck, wie beispielsweise 34200 kPa (5000 psi) erreicht und schließt dann, wenn der Brennstoffdruck unter den Schwellendruck abfällt.
Die durch die Pumpenanordnung 24 vorgesehene Brennstoffunterdrucksetzung wird durch das Steuerventil 26 gesteuert, welches strömungsmittelmäßig mit der Pumpenanordnung 24 über eine Brennstoffleitung 60 in Verbindung steht. Wenn sich das Steuerventil 26 in seinen in 1 gezeigten Öffnungspositionen befindet, so kann Brennstoff aus der Pumpenanordnung 24 über die Brennstoffleitung 60 austreten, und zwar über einen Brennstoffauslaß 62 ausgebildet im Brennstoffeinspritzvorrichtungskörper 22 und ferner durch einen Brennstoffkanal oder eine Leitung 64, welche zu einem Brennstoffreservoir 36 führt, auf welche Weise verhindert wird, daß Brennstoff innerhalb der Pumpenanordnung 24 auf den Einspritzdruck durch den Kolben 48 unter Druck gesetzt wird. Wenn das Steuerventil 26 geschlossen ist, so kann der Brennstoff nicht aus der Pumpenanordnung 24 über die Brennstoffleitung 60 austre ten und somit kann der Brennstoff durch den Kolben 48 unter Druck gesetzt werden.
Das Öffnen und Schließen des Steuerventils 26 wird durch ein Motorsteuermodul (engine control modul "ECM") 70 gesteuert, welches damit durch eine elektrische Leitung 72 verbunden ist. Das Motorsteuermodul 70 ist mit einem Nockenpositionssensor 74 verbunden, der die Position des Nockens 50 abfühlt und ein Nockenpositionssignal auf einer Leitung 76 erzeugt, die mit dem Motorsteuermodul 70 verbunden ist. Ansprechend auf das Nockenpositionssignal erzeugt das Steuermodul 70 elektrische Leistung auf der Leitung 72, um periodisch das Steuerventil 26 zu öffnen und zu schließen, wobei dieses Ventil 26 elektromagnetbetätigt ist, um so das periodische Einspritzen des Brennstoffs in den Zylinder 16 zu bewirken.
Die Arbeitsweise des Brennstoffsystems 10 wird nunmehr in Verbindung mit einem Einspritzzyklus beschrieben. Um die Brennstoffeinspritzung zu beginnen, wird das Steuerventil 26 aus seiner in 1 gezeigten Öffnungsposition in seine Schließposition bewegt, die verhindert, daß Brennstoff aus der Pumpenanordnung 24 über die Brennstoffleitung 60 austritt. Nachdem das Steuerventil 26 geschlossen ist, treibt der Kipparm 52 den Kolben 48 nach unten, was den Druck des Brennstoffs innerhalb der Pumpenanordnung 24 erhöht und auch den Druck des zum Düsenventil 28 hin vorgesehenen Brennstoffs. Wenn der Brennstoffdruck in dem Düsenventil 28 den relativ hohen Schwellen-Einspritzdruck erreicht, so öffnet sich das Düsenventil 28 und Brennstoff wird durch die Düse 30 in den Zylinder 16 eingespritzt.
Wenn die Brennstoffeinspritzung beendet werden soll, so wird das Steuerventil 26 aus seiner Schließposition in seine Öffnungsposition bewegt. Infolgedessen verläßt unter Druck stehender Brennstoff die Pumpenanordnung 24 durch die Brennstoffdurchlässe oder Kanäle 60, 62, was zur Folge hat, daß der Brennstoffdruck in der Pumpenanordnung 24 und in der Düse 28 abnimmt. Wenn der Brennstoffdruck in dem Düsenventil 28 unter den Schwellen-Einspritzdruck abfällt, so schließt das Düsenventil 28 auf welche Weise das Brennstoffeinspritzen in den Zylinder 16 beendet wird.
Ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des in 1 gezeigten Steuerventils 26 ist schematisch in 2 gezeigt. Das Steuerventil 26 besitzt einen Ventilkörper aufgebaut aus einer Anzahl von Ventilkörperteilen einschließlich eines im allgemeinen oberen Ventilkörperteils 102, eines Innenventilkörperteils 104 und eines Mittelkörperteils 106. Ein Abstandselement 108 ist angeordnet zwischen dem Innenkörperteil 104 und dem Mittelkörperteil 106. Die Ventilkörperteile 102, 104, 106 und das Abstandselement 108 können miteinander durch irgendwelche konventionellen Mittel wie beispielsweise durch einen oder mehrere Bolzen 110 befestigt sein. Eine elektrisch erregbare elektromagnetische Vorrichtung in der Form einer Drahtspule 112 ist innerhalb einer ringförmigen Ausnehmung gebildet im Mittelkörperteil 106 angeordnet. Die Drahtspule 112 kann selektiv über ein Paar von elektrischen Verbindern 114 erregt werden, die mit der Drahtspule über eines oder mehrere leitende Glieder 116 verbunden sind.
Ein im allgemeinen flacher zylindrischer Anker 118 ist in einem im Inneren des Ventilkörpers gebildeten Raum angeordnet. Der Anker 118 ist festgelegt zwischen dem oberen Ende eines im allgemeinen zylindrischen Ventilelements 120 und einem unteren Federsitzglied 122. Das untere Ende einer Feder 124 ist in einer Ringnut angeordnet, die in der Oberseite, d.h. der oberen Oberfläche des unteren Sitzglieds 122 angeordnet ist, und das obere Ende der Feder 124 ist in einem zylindrischen Innenhohlraum eines oberen Federsitzglieds 126 angeordnet.
Eine Trimm- oder Einstellschraube 128 wird dann in die Ventilkörperteile 102, 104 eingeschraubt, so daß deren untere Spitze Kontakt mit der Oberseite oder oberen Oberfläche des oberen Federsitzglieds 126 macht. Die Vertikalposition des oberen Sitzgliedes 126 innerhalb des Ventilkörperteils 104 und somit die Größe der Kraft, die die Feder 124 auf den Anker 118 ausübt, kann durch die Drehung der Einstellschraube 128 eingestellt werden. Eine zweite Feder 130 ist zwischen einer Unterlegscheibe 131 befestigt an der Unterseite des Ankers 118 und eine Ringkante gebildet im Ventilkörper 106 angeordnet.
Das am Anker 118 befestigte Ventilelement 120 ist für eine vertikale Hin- und Herbewegung innerhalb einer in einer Führungstrommel 132 gebildeten Mittelbohrung angeordnet. Die Führungstrommel 132 besitzt eine flache, kreisförmige Ausnehmung 134 ausgebildet in ihrem Boden. Ein Strömungsführungsglied 140 ist direkt unterhalb der Führungstrommel 132 angeordnet und besitzt eine Vertikalbohrung 142 angeordnet koaxial innerhalb der Mittelbohrung gebildet in der Führungstrommel 132. Die Strömungsführung 140 besitzt eine zweite abgewinkelte Bohrung 144, die strömungsmittelmäßig mit der flachen, in der Führungstrommel 132 ausgebildeten, kreisförmigen Ausnehmung 134 verbunden ist.
Ein Gehäuseglied 150 umgibt die Führungstrommel 132 und die Strömungsführung 140. Das Gehäuseglied 150, die Strömungsführung 140, die Führungstrommel 132 und die Polglieder 102, 106 bilden zusammen den Rest des Ventilkörpers. Ein O-Ring 152 ist zwischen dem Mittelkörperteil 106 und dem Gehäuseglied 150 angeordnet und letzteres steht gewindemäßig oder in Schraubverbindung mit dem Mittelteil 106 an den Gewinden 154. Ein Aufstichtstift oder Schraube 155 kann zur Verhinderung einer Fehlausrichtung der Strömungsführung 140 bezüglich des Gehäuseteils 150 vorgesehen sein.
Ein Ringraum 156 wirkt als ein Strömungsdurchlaß und ist zwischen der Innenwand des Gehäuseglieds 150 und den Außenwänden des Führungsgliedes 132 und der Strömungsführung 140 angeordnet. Die Strömungsführung 140 besitzt eine Horizontalbohrung 160, die strömungsmittelmäßig die Vertikalbohrung 142 mit dem ringförmigen Strömungsdurchlaß 156 verbindet. Ein Strömungsmittel abdichtender Stahlring 158 ist zwischen der Strömungsführung 140 und dem Gehäuse 150 angeordnet.
Das Gehäuse 150 besitzt die Brennstoffeinlaßleitung oder Bohrung 60 darinnen ausgebildet (was schematisch in 1 gezeigt ist) und zwar ist diese Bohrung 60 strömungsmittelmäßig mit der abgewinkelten Bohrung 144 und dem Brennstoffauslaßdurchlaß oder der Bohrung 64 (schematisch in 1 gezeigt) verbunden und zwar strömungsmittelmäßig gekuppelt mit dem ringförmigen Strömungsdurchlaß 156.
Das untere Ende des Ventilelements 120 besitzt eine leicht konkave Ausnehmung 161 an ihrem Mittelteil, was die Bildung einer relativ scharfen Ringkante oder "Messerkante" um das untere Ende oder Bodenende des Ventilelements 120 herum zur Folge hat. Die Ringkante macht selektiv Kontakt mit dem flachen Ventilsitz bestehend aus der flachen Oberfläche (obere Oberseite) der Strömungsführung 140, um den Umfang der Vertikalbohrung 142.
Jede der Federn 124, 130 übt eine Federkraft auf den Anker 118 aus. Der gesamte Nettowert dieser zwei Federkräfte ist eine nach oben gerichtete Federkraft, die bei Nichtvorhandensein einer Erregung der Spule 112 bewirkt, daß der Anker 118 seine obere Position einnimmt, so daß das Steuerventil 26 offen ist.
Wenn das Ventilelement 120 derart positioniert ist (wie in 2 gezeigt), daß sein Ende einen Abdichtkontakt mit dem Ventilsitz macht, dann ist die Strömung von der Brennstoffleitung 60 zu dem Brennstoffdurchlaß 64 blockiert und die Brennstoffeinspritzung kann erfolgen. Wenn das Ventilelement 120 sich in seiner unteren Position befindet, so ist die Unterseite oder untere Oberfläche des Ankers 118 leicht beabstandet (wie beispielsweise mehrere Tausendstel eines Zolls) gegenüber der Oberseite (der oberen Oberfläche) des Abstandselements 108. Das Ventilelement 120 nimmt diese untere Position dann ein, wenn die Spule 112 erregt, um die nach oben gerichtete Nettokraft zu überwinden, die am Anker 118 durch die Federn 124, 130 erzeugt wird.
Wenn das Ventilelement 120 bei der Hin- und Herbewegung nach oben aus seiner unteren Position gemäß 2 herausbewegt wird, so daß sein Ende gegenüber dem Ventilsitz beabstandet ist, dann kann Brennstoff von der Brennstoffleitung 69 längs einer Strömungsleitung fließen, die folgendes aufweist: die abgewinkelte Bohrung 144, die Kreisausnehmung 134, die Vertikalbohrung 142, die Horizontalbohrung 160, die Ringausnehmung 156 und schließlich zum Brennstoffdurchlaß 64. Das Ventilelement 120 nimmt diese obere Position ein, wenn die Spule 112 enderregt ist.
Das Material jeder der Federn 124, 130 ist speziell derart ausgewählt, daß jede Feder 124, 130 eine unterschiedliche Langzeitcharakteristik zeigt. Der hier verwendete Ausdruck "Langzeitfedercharakteristik" bedeutet die von einer Feder über ihre Betriebslebensdauer hinweg ausgeübte Federkraft, wobei es sich bei der Betriebslebensdauer über eine relativ lange Zeitperiode handelt, die definitionsgemäß mindestens einen Monat beträgt.
Ein Beispiel einer Federcharakteristik ist in 3 veranschaulicht. Wie in 3 gezeigt, erzeugt die Feder an einem Punkt P1 auf der Federcharakteristik (wenn die Feder neu ist) eine Anfangsfederkraft. Die durch die Feder erzeuge Federkraft nimmt mit der Zeit relativ schnell (innerhalb der ersten wenigen Stunden der Betriebslebensdauer der Feder) ab, und zwar auf einen Punkt P2, wo die Federkraft niederiger ist, und dann nimmt die Federkraft sehr allmählich auf einen Punkt P3 ab und zwar zum Ende der Betriebslebensdauer (gemessen in Jahren) hin ab, wo die durch die Feder erzeugte Kraft noch niedriger ist. Die in 3 dargestellte Federcharakteristik ist als ein Beispiel anzusehen, und es gibt noch andere Federcharakteristika. Beispielsweise ist es möglich, eine Feder mit einer Federkraft herzustellen, die mit der Zeit anstelle abzunehmen, ansteigt.
Unter Bezugnahme auf 4 sei bemerkt, daß ein gegebener Motortyp eine Emissionskennlinie oder charakteristische Kurve besitzt, in der zwei Emissionen eine umgekehrte Beziehung zueinander haben, und zwar die Teilchen (PP) Emissionen und die NOx-Emissionen (wie beispielsweise NO₂, NO₃ usw.). Das heißt, wenn die Menge der durch den Motor erzeugten PP-Emissionen ansteigt, dann nimmt die Menge der NOx-Emissionen ab. Jeder gegebene Motortyp oder jede gegebenene Motorkonstruktion hat ihre eigene einzigartige Emissionscharakteristik derart wie sie in 4 gezeigt ist, und über die Lebensdauer des Motors dieser Bauart oder dieses Typs hinweg werden die durch den Motor erzeugten Emissionen durch einen Punkt auf der Kurve spezifiziert. Die charakteristische Kurve für die Emissionen oder die Kennlinie bzw. Kennlinien für einen gegebenen Motortyp kann empirisch dadurch bestimmt werden, daß man den Motor über seine Betriebslebensdauer hinweg betreibt und periodisch die Emissionsmengen mißt, die an den verschiedenen Zeitpunkten während dieser Betriebslebensdauer erzeugt werden.
Wenn beispielsweise ein Motor neu ist, so kann er einen Betriebspunkt P4 auf der Emissionskurve besitzen, in welchem Falle die Mengen an teilchenförmigen und NOx-Emissionen spezifiziert durch diesen Punkt durch den Motor erzeugt werden. Wenn der Motor altert, so kann sich der Emissionsbetriebspunkt allmählich oder graduell ändern in einen neuen Punkt P5 (aus Gründen, die jenseits des Bereichs der vorliegenden Beschreibung liegen).
Wenn die Vorschriften hinsichtlich der Umgebung strenger werden, kann es zweckmäßig (oder notwendig) werden, den Motor bei einem bestimmten Emissionsbetriebspunkt zu betreiben oder innerhalb eines Bereichs von Emissionsbetriebspunkten, so daß die vorgeschriebenen Grenzen für die Emissionen eingehalten werden. Es kann somit beispielsweise erwünscht sein, den Betrieb an oder nahe dem Punkt P4 auf der in 4 gezeigten Kurve vorzusehen. Wenn der Punkt 4 der optimale Emissionsbetriebspunkt wäre, so würde eine Änderung oder Drift des Betriebspunktes zum Punkt P5 hin unerwünscht sein.
Die Erfinder haben erkannt, daß der Emissionsbetriebspunkt dadurch geändert werden kann, daß man die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung innerhalb des Motors ändert. So kann beispielsweise der Emissionsbetriebspunkt des Motors vom Punkt P5 zum Punkt P4 geändert werden und zwar dadurch daß man die Zeit oder den Zeitpunkt ändert, bei dem die Brennstoffeinspritzung beginnt und insbesondere dadurch, daß man bewirkt, daß die Startzeit der Brennstoffeinspritzung später beginnt als dies andernfalls der Fall wäre.
Die Erfinder haben ferner erkannt, daß die Zeit bzw. der Zeitpunkt, wo die Brennstoffeinspritzung beginnt, dadurch geändert werden könnte, daß man eine Änderung der Nettoaufwärtskraft am Anker 118 bewirkt. Es sei bemerkt, daß dann, wenn die Nettoaufwärtsfederkraft am Anker 118 ansteigt, die Zeit oder der Zeitpunkt, bei der die Brennstoffeinspritzung beginnt, später auftritt, da eine größere Nettofederkraft überwunden werden muß, um den Anker 18 nach unten zum Schließen des Ventils 26 zu bewegen, um zu gestatten, daß die Brennstoffeinspritzung beginnt.
Um somit eine unerwünschte Drift hinsichtlich des Emissionsbetriebspunktes zu kompensieren, wird jede der Federn 124, 130 derart ausgewählt, daß sie eine unterschiedliche Langzeitfedercharakteristik oder Langzeitfederkennlinie besitzt, so daß die Nettoaufwärtskraft am Anker 118 sich allmächlich über die Betriebslebensdauer des Motors hinweg ändert, um jedwede Drift des Emissionsbetriebspunktes zu kompensieren. Infolgedessen kann der Motor derart konstruiert werden, daß der Emissionsbetriebspunkt (Betriebspunkt der Emissionen) sich nicht wesentlich ändert oder derart, daß er innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs bleibt.
5 veranschaulicht ein beispielhaftes Paar von Langzeitfederkennlinien oder Charakteristika der Federn 124, 130 gemäß der Erfindung (irgendwelche anfänglichen relativ schnellen Änderungen der Federcharakteristika oder Federkennlinien frühzeitig während der Betriebslebensdauer der Feder 124, 130 sind nicht dargestellt). In der 5 ist eine erste Langzeitfedercharakteristik, die über die Zeit hinweg leicht ansteigt durch eine Linie 170 dargestellt und eine zweite Langzeitfederkennlinie oder Federcharakteristik, die mit der Zeit allmählich abnimmt ist durch die gestrichelte Linie 172 dargestellt.
Wenn die obere Feder 124 die Federkennlinie 172 hätte und die untere Feder 130 die Federkennlinie 170 hätte, so würde die Nettoaufwärtskraft an dem Anker 118 allmächlich über die Zeit hinweg ansteigen und infolgedessen würde die Startzeit, zu der die Brennstoffeinspritzung beginnt, allmählich später liegen als dies andernfalls der Fall wäre. Infolgedessen würde sich der Emissionsbetriebspunkt des Motors, der sich ansonsten allmählich über eine lange Zeitperiode hinweg in Richtung vom Punkt 4 zum Punkt 5 auf der Kurve 4 ändern würde im wesentlichen nicht ändern, oder aber würde innerhalb eines vorbestimmten Betriebspunktbereiches bleiben.
Wenn die obere Feder 124 die Federkennlinie 170 hätte und die untere Feder 130 die Federkennlinie 172 hätte, so würde die Nettoaufwärtskraft am Anker 118 allmählich mit der Zeit abnehmen und infolgedessen würde die Startzeit, bei der die Brennstoffeinspritzung begänne allmächlich früher liegen als dies ansonsten der Fall wäre. Infolgedessen würde sich der Emissionsbetriebspunkt des Motors, der sich ansonsten allmählich über eine lange Zeitperiode in der Richtung vom Punkt P5 zum Punkt P4 auf der Kurve der 4 bewegen würde, sich nicht wesentlich ändern oder er würde innerhalb eines vorbestimmten Betriebspunktbereichs bleiben. Andere Kombinationen der verschiedenen Langzeitfederkennlinien für die Federn 124, 130 könnten zur Erreichung der erwünschten Ergebnisse verwendet werden. Die einzige Notwendigkeit besteht darin, daß die Langzeitfederkennlinien für die zwei Federn 124, 130 unterschiedlich voneinander sind.
Ein Beispiel eines Federmaterials, das für eine Feder mit einer im wensentlichen konstanten Langzeitfederkennlinie verwendet werden könnte ist Chromsilizium, welches dadurch Wärme ausgehärtet ist, wobei die Feder vollständig zusammengedrückt wird und die Feder einer Temperatur von 204° C (400° F) für eine Stunde ausgesetzt wird, wäh rend die Feder vollständig zusammengedrückt ist, wobei die Feder verwendet wird bei einer Betriebsbeanspruchung von 210000 kPa (30000 psi).
Ein Federmaterial, das zur Bildung einer Feder verwendet werden könnte, die eine Langzeitfedercharakteristik wie die durch die gestrichelte Linie 172 in 5 gezeigte besitzt, ist nicht Wärme ausgehärteter Niedrigkohlenstoffstahl, der bei einer Betriebsbeanspruchung von 535000 kPa (75000 psi) verwendet wird.
Ein Federmaterial, das zur Bildung einer Feder verwendet werden könnte, die eine leicht ansteigende Langzeitfederkennlinie besitzt, ist Chromvanadium, das Wärme ausgehärtet ist und das bei einer Betriebsbeanspruchung von 210000 kPa (30000 psi) verwendet wird.
Wenn das oben beschriebene Chromvanadiummaterial für eine der Federn 124, 130 verwendet wird und das oben beschriebene Niedrigkohlenstoffstahlmaterial für die andere der Federn 124, 130 verwendet wird, so sollte die Federrate (beispielsweise Newton pro Zentimeter) der Niedrigkohlenstoffeder dreimal die Federrate der Chromvanadiumfeder sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Das oben beschriebene Steuerventil hat zahlreiche Anwendungsfälle in Brennstoffeinspritzsystemen und zwar einschließlich beispielsweise elektronisch gesteuerten Einspritzbrennstoffsystemen oder mechanisch betätigten, elektronisch gesteuerten Einspritzvorrichtungsbrennstoffsystemen.
Das Steuerventil könnte zur Steuerung unterschiedlicher Arten von Brennstoffeinspritzvorrichtungen verwendet werden und zwar einschließlich Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die Rückschlagventile verwenden wie beispielswei se Brennstoffeinspritzvorrichtungen der in US-Patent 5 121 730 beschriebenen Bauart.
Zahlreiche Abwandlungen der Erfindung sind dem Fachmann aufgrund der obigen Beschreibung und Ansprüche gegeben.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Eine Brennstoffeinspritzvorrichtungsanordnung und ein Steuerventil für eine solche Anordnung sind vorgesehen und zwar mit automatischer Kompensation hinsichtlich Änderungen der Emissionen, die durch den Motor erzeugt werden, und zwar dadurch, daß die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung innerhalb des Motors geändert wird. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungsanordnung, die das Einspritzen des Brennstoffs während eines Brennstoffs-Brennstoffeinspritzzyklus vorsieht, der eine Startzeit und eine Stoppzeit besitzt, weist eine Brennstoffeinspritzdüse auf, ferner eine Brennstoffpumpe und ein Brennstoffeinlaß assoziiert mit der Brennstoffpumpe, wodurch Brennstoff periodisch vom Brennstoffeinlaß durch die Brennstoffeinspritzdüse gepumpt wird. Ein der Brennstoffpumpe zugeordnetes Steuerventil steuert die Startzeit und die Stoppzeit des Brennstoffeinspritzzyklus und dieses Ventil weist einen Ventilkörper auf, sowie einen Elektromagnet betätigten Anker, der in einer Ausnehmung im Ventilkörper angeordnet ist. Der Anker besitzt eine erste Seite und eine entgegengesetzt dazu liegende zweite Seite und ist innerhalb der Ausnehmung zwischen einer ersten und einer zweiten Position hin- und herbewegbar. Eine erste Feder ist auf der ersten Seite des Ankers angeordnet, um eine erste Federkraft auf den Anker auszuüben und zwar entsprechend einer ersten Langzeitfedercharakteristik und eine zweite Feder ist auf der zweiten Seite des Ankers, um eine zweite Federkraft auf den Anker auszuüben und zwar entsprechend einer zweiten Langzeitfedercharakteristik, die sich von der ersten Langzeitfedercharakteristik derart unterscheidet, daß die Startzeit des Brennstoffeinspritzzyklus sich mit der Zeit ändert.

Claims

Brennstoffeinspritzvorrichtungsanordnung zum Einspritzen von Brennstoff während eines Brennstoffeinspritzzyklus mit einer Startzeit und einer Stoppzeit, wobei die Anordnung folgendes aufweist: eine Brennstoffeinspritzdüse (30); eine Brennstoffpumpe (24); einen Brennstoffeinlaß zugeordnet zu der Brennstoffpumpe, die bewirkt, daß Brennstoff periodisch von dem Brennstoffeinlaß durch die Brennstoffeinspritzdüse gepumpt wird; und ein Steuerventil zugeordnet zur Brennstoffpumpe zur Steuerung der Startzeit und der Stoppzeit des Brennstoffeinspritzzyklus, wobei das Steuerventil folgendes aufweist: einen Ventilkörper (48); einen Anker (118) angeordnet in einer Ausnehmung im Ventilkörper, wobei der Anker eine erste Seite und eine entgegengesetzt liegende zweite Seite aufweist und hin- und herbewegbar angeordnet ist innerhalb der Ausnehmung zwischen einer ersten und zweiten Position; eine erste an der ersten Seite des Ankers (118) angeordnete Feder (124), um eine erste Federkraft auf den Anker auszuüben, wobei die erste Feder eine erste Langzeitfederkennlinie besitzt; eine zweite Feder (130) angeordnet auf der zweiten Seite des Ankers, um eine zweite Federkraft auf den Anker auszuüben und wobei die zweite Feder eine zweite Langzeitfedercharakteristik besitzt, die sich von der ersten Langzeitfedercharakteristik derart unterscheidet, daß die Startzeit des Brennstoffeinspritzzyklus sich über die Zeit hinweg ändert; eine elektromagnetische Vorrichtung angeordnet benachbart zu einer der Seiten des Ankers und zu be wirken, daß der Anker eine der ersten und zweiten Positionen dann einnimmt, wenn die elektromagnetische Vorrichtung elektrisch erregt ist; und ein Ventilelement, welches starr mit dem Anker verbunden ist und innerhalb des Ventilkörpers für eine Hin- und Herbewegung angeordnet ist, wobei das Ventilelement den Strömungsmittelfluß durch das Steuerventil dann gestattet, wenn sich der Anker in der erwähnten ersten Position befindet und wobei der Strömungsmittelfluß durch das Steuerventil dann verhindert, wenn sich der Anker in der zweiten Position befindet.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Feder aus einem ersten Material aufgebaut ist und wobei die zweite Feder aus einem zweiten vom ersten Material unterschiedlichen Material aufgebaut ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Langzeitfederkennlinien bewirken, daß die Startzeit früher beginnt.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Langzeitfederkennlinien bewirken, daß die Startzeit später beginnt.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei eine der Federn eine Federkraft besitzt und zusätzlich Einstellmittel vorgesehen sind, um die Federkraft einzustellen.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Einstellmittel eine Einstellschraube aufweisen, die betriebsmäßig mit der erwähnten einen Feder gekoppelt sind.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die Einstellmittel zusätzlich einen beweglichen Federsitz aufweisen, der zwischen der erwähnten einen Feder und der erwähnten Einstellschraube angeordnet sind.