DE60125304T2

DE60125304T2 - Verstellbare hubbegrenzungeinrichtung für ein kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE60125304T2
Application number: DE60125304T
Authority: DE
Inventors: M. Eric Peoria BRAM; R. Manas Peoria SATAPATHY
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: EP1198671A1; DE60125304D1; WO2001090570A1; JP2003534494A; US6568602B1; EP1198671B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die Rückschlagventile verwenden, und insbesondere auf die Mikro-Zumessung oder auf variierende Brennstoffeinspritzraten durch Verwendung eines Rückschlagelementanschlages mit variabler Position.
Technischer Hintergrund
Mit der Zeit sind Ingenieure zu der Erkenntnis gekommen, dass unerwünschte Abgasemissionen dadurch verringert werden können, dass man die Fähigkeit hat, zumindest drei unterschiedliche Brennstoffeinspritzratenformen im Betriebsbereich eines gegebenen Motors zu erzeugen. Dieser Ratenformen weisen ein Rampenprofil, ein Rampen-Quadrat-Profil und ein rechteckiges Brennstoffeinspritzprofil auf. Ingenieure glauben, dass durch Einspritzung einer kleinen Brennstoffmenge gerade vor der Hauptbrennstoffeinspritzung, um eine Brennstoffbrennkammer "vorzufüllen", unerwünschte Abgasemissionen reduziert werden können.
Zusätzlich glauben Ingenieure auch, dass durch Erzeugung einer "geteilten Einspritzung" von variierender Brennstoffmenge der Verbrennungswirkungsgrad bei manchen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise im Leerlauf, verbessert werden kann, und Geräusche (insbesondere im Leerlauf) reduziert werden können.
Obwohl es eine große Vielzahl von Mechanismen gibt, um Brennstoff in Brennstoffeinspritzsystemen unter Druck zu setzen, weisen nahezu alle Brennstoffeinspritzvorrichtungen ein federvorgespanntes Nadelrückschlagventil auf, um den Düsenauslass zu öffnen und zu schließen. Bei nahezu allen Brennstoffeinspritzvorrichtungen ist das Nadelventilglied nur an zwei unterschiedlichen Positionen anzuhalten: vollständig offen oder vollständig geschlossen. Weil die Nadelventilglieder in diesen Brennstoffeinspritzvorrichtungen normalerweise nicht an einer teilweise geöffneten Position zu stop pen sind, kann der Brennstoffeinspritzmassenfluss gewöhnlicherweise nur durch Veränderungen des Brennstoffdruckes gesteuert werden.
Eine hydraulische Vorspannungssteuerung des Rückschlagventils ist auch möglich, wie gelehrt in US 6 024 296 A . Düsen mit zweistufigen Federn sind auch verwendet worden, jedoch können diese langsamere Einspritzungsratenveränderungen als erwünscht erzeugen. Ein weiterer Ansatz ist eine Dual-Düsenkonstruktion, dies ist jedoch eine teure Lösung.
JP 60 116857 A bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzdüse, die verwendet wird, um die Ausgabe eines Motors zu steigern, und zwar durch Steuerung des Hubes eines Nadelventils, so dass dieses einen maximalen Hub hat, der am besten zu den Bedingungen des Motorbetriebs passt, und zwar durch Vorsehen eines Hubsteuergliedes zwischen dem Nadelventil und einem Begrenzungsglied zur Begrenzung des maximalen Hubes des Nadelventils. Eine Brennstoffeinspritzdüse, die in einem Dieselmotor oder Ähnlichem verwendet wird, besteht aus einem Düsenkörper mit einem Düsenloch, das an einem Oberteil ausgeformt ist, weiter aus einem Nadelventil, welches durch hydraulischen Druck angehoben wird, einem elastischen Glied, um das Nadelventil in eine Richtung zu drücken, um die Einspritzung von Brennstoff aus dem Düsenloch zu verhindern, aus einem Begrenzungsglied zur Begrenzung des maximalen Hubes des Nadelventils und so weiter. Ein Steuerglied ist in das Begrenzungsglied eingepasst, welches beispielsweise aus einem elektrostatischen Material besteht, wie beispielsweise Barium-Titanat, so dass die axiale Länge (in Richtung des Hubes) des Ventils verringert wird, wenn ein elektrisches Feld daran angelegt wird. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, den maximalen Hub des Ventils auf einen Wert zu steuern, der für die Bedingungen des Motorbetriebs geeignet ist.
JP 59 023061 A bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzratensteuervorrichtung für ein Brennstoffeinspritzventil in einem Dieselmotor, wobei ein piezoelektrisches Element oder Ähnliches als ein Element zur Begrenzung des Hubes eines Ventilkörpers verwendet wird, und wobei ein Einspritzverhält nismuster durch einen Computer verändert wird, um der Drehzahl des Motors und einer Belastung zu folgen. Im Inneren eines Düsenhalters ist ein Element zur Begrenzung des Hubes des Ventilkörpers vorgesehen, dessen Länge gemäß der Veränderung der Betriebsbedingung des Motors variiert wird, wobei die Variation der Länge von der Veränderung der Spannung abhängt, die auf ein piezoelektrisches Element aufgeprägt wird, welches in dem Element vorgesehen ist. Eine Steuervorrichtung für das piezoelektrische Element besteht aus einem Computer und einem Spannungsverstärker, und das piezoelektrische Element wird ansprechend auf die Eingangsgrößen der Motordrehzahl und Motorbelastung gesteuert.
EP 0 826 877 A offenbart eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung, die einen Einspritzvorrichtungskörper mit einem Betätigungsströmungsmitteleinlass und einer Nadelsteuerkammer aufweist. Hydraulikmittel in der Einspritzvorrichtung setzen Brennstoff in dem Einspritzvorrichtungskörper unter Druck. Die Hydraulikmittel weisen ein Betätigungsströmungsmittelsteuerventil mit einem Elektromagneten auf und sind bewegbar, um den Betätigungsströmungsmitteleinlass zu öffnen und zu schließen. Ein Nadelventilglied weist eine hydraulische Verschlussfläche auf, die einem Druck in der Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist. Ein Nadelsteuerventil, welches den gleichen Elektromagneten verwendet, ist in dem Einspritzvorrichtungskörper montiert und ist bewegbar, um die Nadelsteuerkammer zu einer Hochdruck-Strömungsmittelquelle zu öffnen und zu schließen. Die langsamere Ansprechzeit des Betätigungsströmungsmittelsteuerventil gestattet eine direkte Steuerung des schnell ansprechenden Nadelventils durch einen einzigen schnell wirkenden 2-Wege-Elektromagneten.
Es wäre vorteilhaft, einen zuverlässigen Mechanismus zu haben, um genau den maximalen Rückschlagelementhub zu Ratenformungszwecken zu variieren. Beispielsweise könnte die Fähigkeit, selektiv den maximalen Hub des Rückschlagventilgliedes von einem Schuss (Einspritzung) zum nächsten zu reduzieren, dabei helfen, eine Vorzumessung oder Mikro-Zumessung vorzusehen, das heißt, die Einspritzung einer sehr kleinen Brennstoffmenge vor einer Haupteinspritzung. Dies könnte den Betrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung verbessern, insbesondere, um schädliche Emissionen zu reduzieren und/oder Betriebsgeräusch zu reduzieren, wie oben erklärt. Ein variabler Rückschlagelementhub könnte auch für andere Zwecke vorteilhaft sein. Genaue Verfahren zum Erreichen einer Vorzumessung oder Mikro-Zumessung eines sehr kleinen Brennstoffvolumens sind immer interessant.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere Punkte anzusprechen, die mit der Steuerung des Nadelventilhubes innerhalb von Brennstoffeinspritzvorrichtungen assoziiert sind.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 11 offenbart. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können aus den Unteransprüchen gewonnen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der Erfindung sind besser mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren verständlich, in denen gewisse Abmessungen übertrieben sein können, um beispielsweise die Rückschlagventilbewegung zu veranschaulichen, und in denen die Figuren Folgendes darstellen:
1 eine diagrammartige Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die einen Rückschlagelementanschlag mit variabler Position gemäß der Erfindung verwendet;
2 eine diagrammartige Seitenansicht eines Rückschlagventilteils der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 1, wobei das Rück schlagelement in einer geschlossenen Position ist und der Rückschlagelementanschlag an einer vorgeschobenen Position ist;
3 eine diagrammartige Seitenansicht eines Rückschlagventilteils der 2, wobei das Rückschlagelement in einer vollständig offenen Position ist, und wobei der Rückschlagelementanschlag in einer zurückgezogenen Position ist;
4a eine diagrammartige Seitenansicht des Rückschlagventilteils der 2, wobei das Rückschlagelement in einer Mikro-Zumessungsposition ist, und wobei der Rückschlagelementanschlag in der vorgeschobenen Position ist; und
4b eine diagrammartige Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Rückschlagelementkolbens, der mit der Erfindung verwendet werden kann.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die 1–4b beschrieben, die einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 und einen Rückschlagventilteil 12 davon veranschaulichen, der die Erfindung verwendet.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10, wie in 1 gezeigt, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung und hat eine elektronisch gesteuerte Betätigungsvorrichtung 14. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel verwendet die Betätigungsvorrichtung 14 einen Elektromagneten, jedoch können andere Arten von elektronisch gesteuerten Betätigungsvorrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Piezo-Betätigungsvorrichtungen oder magnetostriktive Betätigungsvorrichtungen.
Ein Verstärkerkolben 16 ist verschiebbar in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 angeordnet. Unter dem Verstärkerkolben 16 ist ein Stößel 18, der teilweise einen Brennstoffdrucksteuerhohlraum 20 definiert. In anderen Aus führungsbeispielen kann der Stößel 18 mit dem Verstärkerkolben 16 integral sein.
Die 2–4b zeigen einen Rückschlagventilteil 12 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 genauer. Ein Festkörpermotor 22 ist in einem Düsenkörper 24 über einem Rückschlagventilglied 26 angeordnet. Der Festkörpermotor 22 kann eine Expansionsvorrichtung sein, die aus irgendeinem elektrischen oder magnetisch ausdehnbaren Material zusammengesetzt sein kann, beispielsweise einem Piezo-Material oder einem magnetostriktiven Material. Die Vorrichtung oder das Material, aus mit dem sie gemacht ist, kann sich ausdehnen, wenn dieses erregt wird, wie beispielsweise bei einem üblichen Piezo-Stapel, oder kann sich zusammenziehen, wenn es erregt wird, wie beispielsweise wenn man eine thermisch vorgespannte unimorphe Biege-Piezo-Vorrichtung verwendet, die ferroelektrische Wafer aufweist, wie beispielsweise jene, die im US-Patent 5 632 841 beschrieben wird, das der National Aeronautics and Space Administration (NASA) zueigen ist.
Das Rückschlagventilglied 26 ist verschiebbar in einer Rückschlagelementbohrung 28 in dem Düsenkörper 24 angeordnet und erstreckt sich in eine Düsenkammer 30 in einer Düse 32. Die Düse 32 hat mindestens eine Düsenzumessöffnung 34. Über dem Rückschlagventilglied 26 ist ein Rückschlagelementkolben 36, der ein vom Rückschlagventilglied 26 getrenntes Teil sein kann, wie in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel, oder an dem Rückschlagventilglied 26 angebracht sein kann oder sogar integral damit sein kann.
In dem in den 1–4a veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Rückschlagelementkolben 36 eine Gleitringdichtung 38 auf, die einen Gummispanner oder O-Ring 40 und eine Nylon-Abnutzungsfläche (Verschleißfläche) 42 aufweist. Der Rückschlagelementkolben 36 mit der Gleitringdichtung 38 ist verschiebbar in einer Rückschlagelementkolbenbohrung 44 angeordnet. 4b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Rückschlagelementkolbens 36' ohne die Gleitringdichtung 38.
Eine Rückschlagelementsteuerkammer 46 wird teilweise durch eine Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36 definiert. Mechanische Vorspannmittel 50, wie beispielsweise eine Feder (4a) in der Rückschlagelementsteuerkammer 46 drücken nach unten auf den Rückschlagelementkolben 36. (Um genauer die Erfindung zu veranschaulichen, sind die mechanischen Vorspannmittel 50 in den 2 und 3 weggelassen.) Eine Unterseite des Festkörpermotors 22 wirkt als ein Rückschlagelementanschlag 52 mit variabler Position und ist in der Rückschlagelementsteuerkammer 46 gegenüberliegend zur Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel angeordnet.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 ist im veranschaulichten Ausführungsbeispiel der 1 eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit direkter Rückschlagelementsteuerung, die die Erfindung verwendet.
Nun mit Bezug auf 2 tritt die Brennstoffeinspritzung auf, wenn das Rückschlagventilglied 26 nach oben gezogen oder gedrückt wird, so dass der Hochdruck-Brennstoff in der Düsenkammer 30 durch die Düsenzumessöffnung 34 laufen kann. Üblicherweise wird es mehr als eine Düsenzumessöffnung 34 geben, die zur effizienten Brennstoffeinspritzung angeordnet ist.
Das Rückschlagventilglied 26 ist normalerweise nach unten vorgespannt, und es davon abzuhalten, sich zu öffnen, das heißt, das Rückschlagventilglied 26 in einer ersten Position zu halten, das heißt in einer "geschlossenen" Position, in der das Rückschlagventilglied 26 gegen die Düse 32 gedrückt wird, um strömungsmittelmäßig die Düsenzumessöffnung 34 von der Düsenkammer 30 zu isolieren. Diese Vorspannung kann mechanisch oder hydraulisch oder eine Kombination daraus sein.
Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel verwendet sowohl eine mechani sche als auch eine (intermittierende) hydraulische Vorspannung, um das Rückschlagventilglied 26 zu der geschlossenen Position hin vorzuspannen. Die mechanischen Vorspannmittel 50 (4a) drücken nach unten auf die Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36. Hochdruck-Hydraulikströmungsmittel kann zu der Rückschlagelementsteuerkammer 46 abgeleitet werden, um eine zusätzliche Abwärtsvorspannung auf das Rückschlagventilglied 26 aufzubringen, und zwar durch Aufbringen von hydraulischem Druck gegen die Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36.
Mit Bezug auf 3 wird für die Hauptbrennstoffeinspritzung, um eine Hauptbrennstoffeinspritzrate zu erreichen, der Festkörpermotor 22 in einem "Kontraktionsenergiezustand" betrieben, der schnell den Rückschlagelementanschlag 52 in eine höhere "zurückgezogene" Position bringt. Die Hauptbrennstoffeinspritzung tritt auf, wenn der Rückschlagelementanschlag 52 in der zurückgezogenen Position ist und der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 gesteigert wird; bis der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 die mechanische und/oder hydraulische Vorspannung überwindet, die das Rückschlagventilglied 26 in der geschlossenen Position hält. Wenn dies geschieht, gleitet das Rückschlagventilglied 26 nach oben, bis seine Bewegung durch einen Kontakt mit dem zurückgezogenen Rückschlagelementanschlag 52 gestoppt wird. Dann ist das Rückschlagventilglied 26 in einer zweiten Position, das heißt in einer "vollständig offenen" Position. Die Verwendung des Rückschlagelementanschlages 52, um das Rückschlagventilglied 26 zu stoppen, kann eine bessere Leistung von Schuss zu Schuss (von Einspritzung zu Einspritzung) erzeugen, als der Umstand, dass man sich beispielsweise auf eine Federvorspannung oder eine hydraulische Vorspannung verlässt, um das Rückschlagventilglied 26 zu stoppen.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 für die Hauptbrennstoffeinspritzung gesteigert, indem bewirkt wird, dass die Betätigungsvorrichtung 14 Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel leitet, um gegen den Verstärkerkolben 16 zu drücken. Dies drückt wiederum den Stößel 18 weiter in den Brennstoffdrucksteuerungshohlraum 20, was den Brennstoffdruck sowohl in dem Brennstoffdrucksteuerhohlraum 20 als auch in der Düsenkammer 30 anhebt, mit der er strömungsmittelmäßig verbunden ist.
Obwohl eine Mikro-Zumessungseinspritzung (unten besprochen) während der Hauptbrennstoffeinspritzung eingeleitet werden kann, endet die Hauptbrennstoffeinspritzung normalerweise, wenn die gesamte Vorspannung, die das Rückschlagventilglied 26 zur geschlossenen Position hin drückt, den Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 überschreitet. Dies kann erreicht werden durch Reduzierung des Brennstoffdruckes in der Düsenkammer 30 durch Steigerung der abwärts gerichteten Vorspannung gegen das Rückschlagventilglied 26 oder durch Kombination dieser beiden Verfahren.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 durch Betrieb der Betätigungsvorrichtung 14 reduziert werden, um den Hydraulikströmungsmitteldruck davon freizugeben, auf den Verstärkerkolben 16 zu drücken, wodurch gestattet wird, dass der Stößel 18 sich wieder nach oben bewegt. Natürlich können bei anderen Ausführungsbeispielen von Brennstoffeinspritzvorrichtungen andere Verfahren zur Vergrößerung und Verringerung des Brennstoffdruckes in der Düsenkammer 30 mit der Erfindung verwendet werden.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann die Abwärtsvorspannung gegen das Rückschlagventilglied 26 gesteigert werden, um die Hauptbrennstoffeinspritzung zu beenden, und zwar durch Betätigung der Betätigungsvorrichtung 14, um Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel in die Rückschlagelementsteuerkammer 46 zu leiten, wie oben erklärt. In anderen Ausführungsbeispielen, die die Erfindung verwenden, kann eine hydraulische Vorspannung, entweder konstant oder variabel, anstelle der mechanischen Vorspannmittel 50 verwendet werden. Noch andere Ausführungsbeispiele, die die Erfindung verwenden, können Kombinationen von diesem Verfahren verwenden, um eine Vorspannung vorzusehen, wenn die Erfindung verwen det wird.
Nun mit Bezug auf 4a wird für eine Mikro-Zumessungseinspritzung der Festkörpermotor 22 in einem "Expansionsenergiezustand" betätigt, der bewirkt, dass der Rückschlagelementanschlag 52 schnell auf eine niedrigere "vorgeschobene" Position abfällt. Die Mikro-Zumessungseinspritzung tritt auf, wenn der Rückschlagelementanschlag an der vorgeschobenen Position positioniert ist (dorthin bewegt und dort angehalten), und der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 gesteigert wird, bis der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 die mechanische und/oder hydraulische Vorspannung überwindet, die das Rückschlagventilglied 26 in der geschlossenen Position hält. Wenn dies geschieht, gleitet das Rückschlagventilglied 26 nach oben, bis seine Bewegung durch einen Kontakt mit dem vorgeschobenen Rückschlagelementanschlag 52 angehalten wird. Wenn dies auftritt, ist das Rückschlagventilglied 26 in einer dritten Position, das heißt in einer "Mikrozumessungsposition".
Diese Bewegung (aus der geschlossenen Position in die Mikro-Zumessungsposition) ist kleiner als die Bewegung des Rückschlagventilgliedes 26 aus seiner geschlossenen Position in seine vollständig offene Position. Als eine Folge schränkt in der Mikro-Zumessungsposition das Rückschlagventilglied 26 immer noch beträchtlich oder wesentlich jedoch nicht vollständig den Brennstoff in der Düsenkammer 30 dagegen ein, die Düsenzumessöffnung 34 zu erreichen. Dies gestattet, dass eine Mikro-Zumessungseinspritzrate von stark unter Druck gesetztem Brennstoff von weniger als der Hauptbrennstoffeinspritzrate zur Vorzumessung, zur geteilten Einspritzung oder zur Mikro-Zumessung ausgestoßen wird.
Es ist auch möglich, eine Mikro-Zumessungseinspritzung direkt von der Haupteinspritzung durch Betätigung des Festkörpermotors 22 zu beginnen, um den Rückschlagelementanschlag 52 aus der zurückgezogenen Position in die vorgeschobene Position zu bewegen, während der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 aufrechterhalten wird, um die mechanische und/oder hydraulische Verschlussvorspannung auf dem Rückschlagventilglied 26 zu überwinden. Wenn dies geschieht, drückt der Rückschlagelementanschlag 52 direkt das Rückschlagventilglied 26 nach unten aus der vollständig offenen Position in die Mikro-Zumessungsposition.
Die Mikro-Zumessungseinspritzung endet entweder, wenn die Hauptbrennstoffeinspritzung beginnt, oder wenn der Festkörpermotor 22 aus dem zweiten Energiezustand zurück in den ersten Energiezustand umgeschaltet wird, was gestattet, dass die abwärts gerichtete Vorspannung auf dem Rückschlagventilglied 26 das Rückschlagventilglied 26 zurück zur geschlossenen Position drückt.
Unterschiedliche Abfolgekombinationen sind vorstellbar. Beispielsweise kann eine Mikro-Zumessungseinspritzung beispielsweise zur Vorzumessung ausgeführt werden, kann dann durch Absenkung des Brennstoffdruckes in der Düsenkammer 30 beendet werden, bevor die Hauptbrennstoffeinspritzung ausgeführt wird. Oder die Brennstoffeinspritzvorrichtung kann sofort von der Mikro-Zumessungseinspritzung auf die Hauptbrennstoffeinspritzung schallten, und zwar durch Betätigung des Festkörpermotors 22, um den Rückschlagelementanschlag 52 von der vorgeschobenen Position zur zurückgezogenen Position zu bewegen, ohne zuerst den Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 abzusenken. In ähnlicher Weise kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung sofort von der Hauptbrennstoffeinspritzung auf die Mikro-Zumessungseinspritzung schalten, wie oben erklärt.
Oder im Falle einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit direkter hydraulischer Rückschlagelementsteuerung kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine sehr kurze Pause bei der Brennstoffeinspritzung zwischen der Mikro-Zumessungseinspritzung und der Hauptbrennstoffeinspritzung erreichen, während der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30 hoch bleibt. Um dies zu tun wird hydraulisches Hochdruck-Strömungsmittel zur Rückschlagelementsteuerkammer 46 geliefert, um sehr schnell das Rückschlagventilglied 26 aus seiner Mikro-Zumessungsposition in seine geschlossene Position zu bewegen. Dann wird der Festkörpermotor 22 betrieben, um sofort den Rückschlagelementanschlag 52 aus seiner vorgeschobenen Position in seine zurückgezogene Position zu bewegen, und das hydraulische Hochdruck-Strömungsmittel wird aus der Rückschlagelementsteuerkammer 46 abgeleitet, um zu gestatten, dass der Hochdruck-Brennstoff in der Düsenkammer 30 schnell das Rückschlagventilglied 26 aus seiner geschlossenen Position in seine vollständig offene Position bewegt.
Wegen dem schnell wirkenden Betrieb des Festkörpermotors 22 kann zusätzlich der Rückschlagelementanschlag 52 schnell zwischen der vorgeschobenen Position und der zurückgezogenen Position umgeschaltet werden, um zu gestatten, dass das Rückschlagventilglied 26 eine steuerbare Zwischenposition zwischen der Mikro-Zumessungsposition und der vollständig offenen Position erreicht, bevor es in die Mikro-Zumessungsposition zurück gedrückt wird. Eine schnelle Wiederholung dieser Wirkung kann ein "Flattern" erzeugen, was einer Brennstoffeinspritzung mit fluktuierender Rate mit einer Spitzeneinspritzrate von weniger als der Haupteinspritzrate zur Folge hat. Diese Spitzenrate kann durch Einstellung der Zeitsteuerung des Betriebs des Festkörpermotors 22 durch Einstellung der abwärts gerichteten Vorspannung des Rückschlagventilgliedes 26, durch Einstellung des Brennstoffdruckes in der Düsenkammer oder eine Kombination daraus variiert werden.
Durch Variieren des Stroms oder des Magnetfeldes, die an den Festkörpermotor 22 angelegt werden (beispielsweise eine Piezo-Bauart oder eine magnetostriktive Bauart), kann weiterhin der Festkörpermotor 22 betätigt werden, um den Rückschlagelementanschlag 52 an irgendeiner von einer Vielzahl von unterschiedlichen, diskreten Zwischenposition zu positionieren. Auf diese Weise kann die Menge des während der Mikro-Zumessungseinspritzung eingespritzten Brennstoffes während des gleichen Brennstoffeinspritzschusses variiert werden, oder kann von Schuss zu Schuss variiert werden, um die Motorbelastung, die Drosselposition oder andere Motorbetriebsbedingungen einzustellen.
Schließlich ist es möglich, einen extrem kurzes Mikro-Zumessungsereignis zu erreichen, und zwar durch Betrieb des Festkörpermotors 22, während das Rückschlagventilglied 26 in seiner geschlossenen Position ist. Um dies zu tun wird hydraulisches Hochdruck-Strömungsmittel in der Rückschlagelementsteuerkammer 46 verwendet, um das Rückschlagventilglied 26 in seiner geschlossenen Position zu halten, während die Düsenkammer 30 mit Hochdruck-Brennstoff gefüllt wird. Vor dem Ablaufen des hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittels aus der Rückschlagelementsteuerkammer 46, oder wenn das hydraulische Hochdruck-Strömungsmittel gerade beginnt, aus der Rückschlagelementsteuerkammer 46 abzulaufen, jedoch die gesamte abwärts gerichtete Vorspannung gegen das Rückschlagventilglied 26 immer noch größer ist als der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 30, wird dann der Festkörpermotor 22 betrieben, um sofort den Rückschlagelementanschlag 52 aus einer Position sehr nahe an der Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36 (beispielsweise der vorgeschobenen Position) zu einer Position weiter weg von dem Rückschlagelementkolben 36 (beispielsweise der zurückgezogenen Position) zu bewegen.
Weil die Fläche des Rückschlagelementanschlags 52 so nah an der Verschlussfläche 48 des Rückschlagelementkolbens 36 war, wird ein plötzliches Wegziehen vom Rückschlagelementkolben 36 einen Bereich mit momentanem niedrigeren Druck über dem Rückschlagelementkolben 36 erzeugen, der niedriger ist als der Brennstoffdruck in der Düsenkammer 36. Dies wird gestatten, dass das Rückschlagventilglied 26 sich sehr kurz öffnet, was ein extrem kurzes Mikro-Zumessungseinspritzereignis verursacht. Durch Auswahl von Zwischenpositionen von variierender Distanz von der Verschlussfläche 48 zu Beginn kann die Intensität des Ereignisses gesteuert werden.
Dies kann als ein einziges Ereignis ausgeführt werden, oder der gesamte Prozess kann schnell irgendeine Anzahl von Malern aufeinander folgend wiederholt werden, um ein steuerbares "Mikro-Flattern" des Rückschlagventilglieds 26 zu erzeugen.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel isoliert die Gleitringdichtung 38 des Rückschlagelementkolbens 36 strömungsmittelmäßig das hydraulische Strömungsmittel in der Rückschlagelementsteuerkammer 46 von irgendwelchem Brennstoff, der durch die Rückschlagelementbohrung 28 beispielsweise aus der Düsenkammer 30 geleckt haben kann. Die Nylon-Verschleißfläche 42 der Gleitringdichtung 38 bietet gute Abnutzungscharakteristiken, hat jedoch wenig oder gar keine Elastizität, so dass der Gummispanner 40 sie gegen die Rückschlagelementkolbenbohrung 44 drückt.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und in der vorangegangenen Beschreibung veranschaulicht und beschrieben worden ist, sollen eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft angesehen werden und nicht als einschränkend; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt.
Beispielsweise ist es möglich, die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel zu betreiben, wo die zurückgezogene Position des Rückschlagelementanschlags 52 so hoch ist, dass das Rückschlagventilglied 26 und/oder der Rückschlagelementkolbens 36 nicht von dem Rückschlagelementanschlag 52 gestoppt werden, wenn sie in der vollständig offenen Position sind, sondern stattdessen die Rückschlagventilbewegung durch einen anderen Anschlag oder Vorspannmittel gestoppt wird. Oder die zurückgezogene Position für den Rückschlagelementanschlag 52 kann so angeordnet werden, dass das Rückschlagventilglied 26 teilweise die Strömungsmittelverbindung zwischen der Düsenkammer 30 und der Düsenzumessöffnung 34 in der "vollständig offenen" Position einschränkt, so dass der Festkörpermotor 22 den Rückschlagelementanschlag 52 zu einer Vielzahl von jeweiligen Mikro-Zumessungspositionen zwischen den zurückgezogenen und den vorgeschobenen Positionen bewegen kann, um Brennstoff mit progressiv kleineren Raten einzuspritzen.

Claims

Brennstoffeinspritzvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Düse (32) in einem Düsenkörper (24), wobei die Düse (32) zumindest teilweise eine Düsenkammer (30) und mindestens eine Düsenzumessöffnung (34) definiert; einen Rückschlagelementanschlag (52) in dem Düsenkörper (24), wobei der Rückschlagelementanschlag (52) aus einem Festkörpermotor (22) besteht, der betreibbar ist, um den Rückschlagelementanschlag (52) zwischen einer vorstehenden Position und einer zurückgezogenen Position zu bewegen; und ein Rückschlagventilglied (26), welches verschiebbar in dem Düsenkörper (24) angeordnet ist und sich in die Düsenkammer (30) erstreckt, und welches eine Verschlussfläche (48) aufweist, die in einer Rückschlagelementsteuerkammer (46) gelegen ist, wobei die Gleitbewegung des Rückschlagventilgliedes (26) in einer ersten Richtung zu einer geschlossenen Position hin begrenzt ist, in der das Rückschlagventilglied (26) die Strömungsmittelverbindung zwischen der Düsenkammer (30) und der Düsenzumessöffnung (34) beschränkt, und in einer zweiten Richtung durch den Rückschlagelementanschlag (52) eingeschränkt ist; und eine elektrische Betätigungsvorrichtung (14), die betriebsmäßig angekoppelt ist, um den Strömungsmitteldruck in der Rückschlagelementsteuerkammer (46) zu steuern.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Festkörpermotor (22) betreibbar ist, um den Rückschlagelementanschlag (52) an einer Zwischenposition zwischen der vorstehenden Position und der zurückgezogenen Position zu positionieren.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Festkörpermotor (22) betreibbar ist, um den Rückschlagelementanschlag (52) an einer Vielzahl von Zwischenpositionen zwischen der vorstehenden Position und der zurückgezogenen Position zu positionieren.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Festkörpermotor (22) eine Piezo-Vorrichtung ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Festkörpermotor (22) eine thermisch vorgespannte unimorphe Piezo-Biegevorrichtung ist, die ferroelektrische Wafer aufweist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Festkörpermotor (22) eine magnetostriktive Vorrichtung ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, die weiter Folgendes aufweist: einen Verstärkerkolben (16), der verschiebbar in der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10) angeordnet ist und betreibbar ist, um den Brennstoffdruck in der Düsenkammer (30) zu vergrößern; und eine Betätigungsvorrichtung (14), die betreibbar ist, um ein Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel zum Verstärkerkolben (16) abzuleiten.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Rückschlagelementsteuerkammer (46) strömungsmittelmäßig von der Düsenkammer (30) isoliert ist und mit einem hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittel zu füllen ist, so dass der Strömungsmitteldruck in dem hydraulischen Hochdruck-Strömungsmittel in der Rückschlagelementsteuerkammer (46) das Rückschlagventilglied (26) zu der geschlossenen Position hin vorspannen wird.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, die weiter mechanische Vorspannmittel (50) in der Rückschlagelementsteuerkammer (46) aufweist, die das Rückschlagventilglied (26) zu der geschlossenen Position hin vorspannen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, die weiter Gleitringdichtungsmittel (36, 38) aufweist, um strömungsmittelmäßig die Rückschlagelementsteuerkammer (46) zu isolieren.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (10), die einen Düsenkörper (24) aufweist, wobei der Düsenkörper (24) eine Düse (32) aufweist, die zumindest teilweise eine Düsenkammer (30) und mindestens eine Düsenzumessöffnung (34) definiert, weiter einen Rückschlagelementanschlag (52), der einen Festkörpermotor (22) aufweist, und ein Rückschlagventilglied (26), welches sich in die Düsenkammer (30) erstreckt und verschiebbar ist zwischen einer geschlossenen Position, in der die Düsenkammer (30) strömungsmittelmäßig von der Düsenzumessöffnung (34) isoliert ist, und einer vollständig offenen Position, in der die Düsenkammer (30) in Strömungsmittelverbindung mit der Düsenzumessöffnung (34) ist, und eine Verschlussfläche (48) aufweist, die in einer Rückschlagelementsteuerkammer (46) gelegen ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Liefern von unter Druck gesetztem Brennstoff zur Düsenkammer (30); Betätigung des Festkörpermotors (22), um den Rückschlagelementanschlag (52) in einer zurückgezogenen Position zu positionieren; Betätigung des Festkörpermotors (22), um den Rückschlagelementanschlag (52) an einer vorgeschobenen Position zu positionieren; Positionieren des Rückschlagventilgliedes (26) in der geschlossenen Position; Einspritzung von Brennstoff aus der Düsenzumessöffnung (34) mit einer Haupteinspritzrate durch Bewegung des Rückschlagventilgliedes (26) in die vollständig offene Position; Einspritzung des Brennstoffes aus der Düsenzumessöffnung (34) mit einer Mikro-Zumessrate, die geringer als die Haupteinspritzrate ist, durch Positionierung des Rückschlagventilgliedes (26) an einer Mikro-Zumessposition zwischen der geschlossenen Position und der voll ständig offenen Position, in der eine weitere Bewegung des Rückschlagventilgliedes (26) zur vollständig offenen Position hin durch den Rückschlagelementanschlag (52) in der vorstehenden Position blockiert wird; und wobei mindestens einer der Einspritzschritte den Schritt aufweist, den Strömungsmitteldruck in der Rückschlagelementsteuerkammer (46) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 11, welches weiter Folgendes aufweist: Betätigung des Festkörpermotors (22), um den Rückschlagelementanschlag (52) an einer Zwischenanschlagsposition zwischen der vorstehenden Position und der zurückgezogenen Position zu positionieren; und Einspritzung von Brennstoff aus der Düsenzumessöffnung (34) mit einer Zwischenrate zwischen der Mikro-Zumessrate und der Haupteinspritzrate durch Positionierung des Rückschlagventilgliedes (26) an einer Zwischenrückschlagelementposition zwischen der Mikro-Zumessposition und der vollständig offenen Position, in der eine weitere Bewegung des Rückschlagventilgliedes (26) zu der vollständig offenen Position durch den Rückschlagelementanschlag (52) an der Zwischenposition begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, welches weiter aufweist, ein kontinuierliches Einspritzereignis auszuführen, welches zumindest drei aufeinander folgende getrennte Brennstoffeinspritzraten aufweist, und zwar durch Betrieb des Festkörpermotors (22), um sequentiell den Rückschlagelementanschlag (52) an einer ersten Position, dann an einer zweiten Position und dann an einer dritten Position der vorstehenden Position, der zurückgezogenen Position und der Zwischenanschlagsposition zu positionieren, und zwar all dies während eines einzigen Einspritzereignisses.
Verfahren nach Anspruch 11, welches weiter Folgendes aufweist: Betätigung des Festkörpermotors (22), um den Rückschlagelementanschlag (52) an einer Vielzahl von Zwischenanschlagpositionen zu positionieren, die näher an der vorstehenden Position als an der zurückgezogenen Position sind; und Einspritzung von Brennstoff aus den Düsenzumessöffnungen (34) mit einer jeweiligen Vielzahl von Zwischenraten zwischen der Mikro-Zumessrate und der Haupteinspritzrate durch Positionierung des Rückschlagventilgliedes (26) an einer jeweiligen Vielzahl von Zwischenrückschlagelementpositionen zwischen der Mikro-Zumessposition und der vollständig offenen Position, wobei eine weitere Bewegung des Rückschlagventilgliedes (26) zu der vollständig offenen Position hin durch den Rückschlagelementanschlag (52) an den jeweiligen Zwischenanschlagpositionen blockiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, welches weiter aufweist, basierend auf Motorbetriebsbedingungen auszuwählen, an welcher der Vielzahl von Zwischenanschlagpositionen der Rückschlagelementanschlag (52) zu positionieren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, welches weiter aufweist, den Festkörpermotor (22) zu betätigen, um den Rückschlagelementanschlag (52) aus der vorgeschobenen Position in die zurückgezogene Position zu bewegen, und zwar beginnend, wenn das Rückschlagventilglied (26) an der Mikro-Zumessposition ist, so dass Brennstoff, der aus der Düsenzumessöffnung (34) eingespritzt wird, von der Mikro-Zumessrate zur Haupteinspritzrate hin ohne Unterbrechung der Brennstoffeinspritzung zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–16, welches weiter einen Mikro-Flatterschritt eines Betriebs des Festkörpermotors (22) aufweist, wobei sich der Rückschlagelementanschlag (52) schnell zur zurückgezogenen Position bewegt, wenn das Rückschlagventilglied (26) in der geschlossenen Position ist, wodurch verursacht wird, dass das Rückschlagventilglied (26) beginnt, sich von der geschlossenen Position aus anzuheben und dann zurückzufallen, was eine momentane Einspritzung von Brennstoff aus der Düsenzumessöffnung (34) zur Folge hat.
Verfahren nach Anspruch 17, welches weiter aufweist, eine Vielzahl der Mikro-Flatterschritten in schneller Aufeinanderfolge auszuführen, um ein Mikro-Flattern des Rückschlagventilgliedes (26) auszuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–18, welches weiter aufweist, hydraulisches Hochdruck-Strömungsmittel zu einer Rückschlagelementsteuerkammer (46) abzuleiten, die strömungsmittelmäßig von der Düsenkammer (30) isoliert ist, um das Rückschlagventilglied (26) zur geschlossenen Position hin vorzuspannen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–19, welches weiter aufweist, mechanische Vorspannmittel (50) zu verwenden, um das Rückschlagventilglied (26) zur geschlossenen Position hin vorzuspannen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–20, welches weiter aufweist, ein hydraulisches Hochdruck-Strömungsmittel zu verwenden, um den Stößel (18) anzutreiben, um den Brennstoffdruck in der Düsenkammer (30) zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 21, welches weiter aufweist, elektronisch eine Betätigungsvorrichtung (14) zu betätigen, um Hochdruck-Betätigungsströmungsmittel zu einem Verstärkerkolben (16) abzuleiten, um den Stößel (18) anzutreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–22, wobei der Festkörpermotor (22) eine Piezo-Vorrichtung ist, die entregt wird, um Brennstoff mit der Mikro-Zumessrate einzuspritzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–23, welches weiter aufweist, den Festkörpermotor (22) zu betätigen, um zu bewirken, dass der Rückschlagelementanschlag (52) abwechselnd zwischen der vorstehenden Position und der zurückgezogenen Position läuft, um eine kontinuierliche fluktuierende Brennstoffeinspritzrate mit einer Spitzeneinspritzrate von weniger als der Haupteinspritzrate zu erzeugen.