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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine. Im Besonderen umfasst die Einspritzvorrichtung eine
innere Düsennadel,
die konzentrisch in einem äußeren Ventil
angeordnet ist, wobei eine jede der Nadeln die Kraftstoffzuleitung
in die Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine steuert.
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Die
DE10254186 offenbart eine
zusammengesetzte Düsennadelanordnung,
bei welcher die Düsennadeln
durch einen piezoelektrischen Aktor betätigt werden.
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Es
ist bekannt, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer allgemein
als Düse
mit variabler Öffnung
(VON: variable opening nozzle) bezeichneten Einspritzdüse zu schaffen,
bei welcher ein Düsenkörper mit
einer Blindbohrung versehen ist, innerhalb welcher ein erstes, äußeres Ventil
von einem Aktor gesteuert verstellbar ist. Die in dem Düsenkörper vorgesehene
Bohrung bildet eine Sitzfläche,
mit welcher das äußere Ventil
in Eingriff bringbar ist, um die Kraftstoffzuleitung durch einen
an einer ersten axialen Position entlang der Länge des Düsenkörpers angeordneten ersten Satz
von Düsenauslässen zu
steuern. Das äußere Ventil
ist seinerseits mit einer weiteren Bohrung versehen, innerhalb welcher
eine zweite, innere Düsennadel
verstellbar ist. Die innere Düsennadel
ragt durch das offene Ende der weiteren Bohrung in dem äußeren Ventil
hervor und ist mit der Sitzfläche
in Eingriff bringbar, um die Kraftstoffzuleitung durch einen zweiten
Satz von Düsenauslässen zu
steuern, der an einer zweiten, axial tiefer liegenden Höhe entlang
der Länge
des Düsenkörpers angeordnet
ist.
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Das äußere Ventil
ist so schaltbar, dass es sich entweder allein bewegt, so dass das äußere Ventil
sich zwar von seinem Sitz weghebt, die innere Dü sennadel jedoch in der geschlossenen
Stellung verbleibt, oder dass es die innere Düsennadel dazu veranlasst, sich
ebenfalls zu bewegen. Die Übertragung
der Bewegung des äußeren Ventils
auf die innere Düsennadel,
welche bewirkt, dass sich auch die innere Düsennadel hebt, erfolgt in jenen
Fällen,
in denen das äußere Ventil über einen
Betrag hinweg bewegt wird, der einen vorbestimmten Schwellenbetrag übersteigt.
Während
dieser Betriebsphase ist der erste und der zweite Satz von Auslässen gleichermaßen geöffnet, um
eine relativ hohe Kraftstoffzuleitungsrate zu erteilen. Wird das äußere Ventil
um einen geringeren Betrag als den vorbestimmten Schwellenbetrag
angehoben, so bleibt die innere Düsennadel in der geschlossenen
Stellung, so dass die Einspritzung nur durch den ersten Satz von
Auslässen
bei einer geringeren Kraftstoffzuleitungsrate erfolgt. Eine Einspritzdüse dieses
Typs ist in dem Europäischen
Patent
EP 0967382 der
Anmelderin (Delphi Technologies, Inc.), oder in der ebenfalls angemeldeten
Europäischen
Patentanmeldung
EP 04250132.0 der
Anmelderin (Delphi Technologies, Inc.) beschrieben.
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Düsen mit
variabler Öffnung
des vorerwähnten
Typs schaffen insofern besondere Vorteile für Dieselmaschinen, als sie
die Flexibilität
bieten, Kraftstoff entweder nur durch den ersten Satz von Auslässen oder
gleichermaßen
durch die ersten und die zweiten Auslässe gemeinsam in die Verbrennungskammer
einzuspritzen. Dies ermöglicht
die Auswahl eines Kraftstoffnebels mit einem größeren Kraftstoffzuleitungsgesamtquerschnitt
für Betriebsarten
mit hoher Maschinenleistung oder mit einem kleineren Kraftstoffzuleitungsgesamtquerschnitt
für Betriebsarten
mit geringerer Maschinenleistung.
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Es
ist nunmehr erkannt worden, dass es für bestimmte Anwendungen wünschenswert
wäre, einen
breiteren Bereich von Kraftstoffzuleitungsnebeln zu schaffen; die
Möglichkeit,
nur zwei verschiedene Kraftstoffnebelzusammensetzungen einzuspritzen, stellt
in manchen Fällen
eine Ein schränkung
dar. Darüber
hinaus ist es bei Maschinen, die mit unterschiedlichen Verbrennungsarten,
beispielsweise gleichermaßen
in der homogenen Kompressionszündungs-Betriebsart
(HCCI-Betrieb) und in herkömmlicher
Diesel-Betriebsart, betrieben werden, wünschenswert, in den verschiedenen
Betriebsarten über
unterschiedliche Kraftstoffnebel zu verfügen. Für die HCCI-Betriebsart, bei
der die Einspritzung zu einem frühen
Zeitpunkt erfolgt, bevor der Kolben das obere Ende seines Hubs erreicht
hat, ist es mehrfach von Nutzen, einen nach unten gerichteten Kraftstoffnebel
mit relativ engem Kegelwinkel (typischerweise mit 80 Grad Kegelöffnungswinkel)
zu haben, wohingegen für
herkömmliche
Diesel-Betriebsarten
ein nach außen
gerichteter, breiterer Kraftstoffnebel (typischerweise mit 150 Grad
Kegelöffnungswinkel) nützlich ist.
Für Hochlast-Betriebsarten, bei
denen die Einspritzung durch beide Sätze von Auslässen erfolgt,
beeinflussen die Nebel sich gegenseitig, was eine verringerte Triebkraft
zur Folge hat und dazu führt,
dass die HCCI-Sprühnebel
auf den Kolben auftreffen. Als Kompromisslösung können die Kraftstoffnebel-Sprühwinkel
so ausgewählt
werden, dass diese Probleme vermieden werden, wobei jedoch in diesem
Fall die Leistung für
beide Betriebsarten nicht optimal ist.
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Im
Hinblick darauf, die vorerwähnten
Probleme in Angriff zu nehmen, wird durch die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Einspritzvorrichtung geschaffen.
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Gemäß einem
erste Aspekt der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine
geschaffen, die Folgendes umfasst: einen Düsenkörper mit einer Düsenbohrung, ein
inneres Ventil, das mit einem inneren Ventilsitz in Eingriff bringbar
ist, um die Kraftstoffzuleitung durch einen oder mehrere erste Düsenauslässe zu steuern, und
ein äußeres Ventil,
das in der Düsenbohrung
aufgenommen wird und mit einem äußeren Ventilsitz
in Eingriff bringbar ist, um die Kraftstoffzuleitung durch einen
oder mehrere zweite Düsenauslässe zu steuern.
Es ist ein Mittel zur Steuerung der Bewegung des inneren und des äußeren Ventils
vorgesehen, welches einen Aktor und ein Übertragungsmittel zur Übertragung
der Betätigungskraft
des Aktors zu dem inneren und dem äußeren Ventil umfasst, so dass entweder
eine Bewegung ausschließlich
des inneren Ventils erlaubt wird, um einen ersten Einspritzzustand
zu schaffen, in welchem eine Kraftstoffzuleitung ausschließlich durch
den bzw. durch jeden der ersten Auslässe erfolgt, oder eine Bewegung
ausschließlich
des äußeren Ventils
erlaubt wird, um einen zweiten Einspritzzustand zu schaffen, in
welchem eine Kraftstoffzuleitung ausschließlich durch den bzw. durch
jeden der zweiten Auslässe
erfolgt. Die Einspritzvorrichtung umfasst weiterhin ein Kupplungsmittel
zum Zusammenkoppeln der Bewegung des äußeren Ventils an das innere
Ventil in Fällen,
in denen das äußere Ventil über einen
Betrag hinweg, der einen vorbestimmten Schwellenbetrag übersteigt,
von dem äußeren Ventilsitz
weg bewegt wird, wodurch bewirkt wird, dass auch das innere Ventil sich
von dem inneren Ventilsitz weghebt, um einen dritten Einspritzzustand
zu schaffen, in welchem eine Kraftstoffzuleitung gleichermaßen durch
die ersten und durch die zweiten Düsenauslässe zusammen erfolgt.
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Die
Erfindung ist besonders gut zur Verwendung in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem
geeignet, bei welchem der Einspritzvorrichtung und einer Mehrzahl
anderer Einspritzvorrichtungen des Systems durch ein Common-Rail
Kraftstoff bei Common-Rail-Druck zugeführt wird.
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Die
Erfindung schafft somit den Vorteil, dass drei verschiedene Kraftstoffnebel
oder Kraftstoffeinspritzraten erzielt werden können, je nachdem, ob der erste,
der zweite oder der dritte Einspritzzustand ausgewählt wird.
Dies schafft einen Vorteil gegenüber
bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, bei denen nur zwei Einspritzraten
möglich
sind (d.h. entweder eine relativ niedrige Einspritzrate, die mittels Einspritzung
durch einen Satz von Auslässen
erzielt wird, oder eine relativ hohe Einspritzrate, die mittels Einspritzung
durch beide Sätze
von Auslässen
gemeinsam erzielt wird). In der vorliegenden Erfindung werden kleine,
mittlere und große
Auslassquerschnittflächen
möglich
gemacht, die jeweils für
einen Betrieb bei geringer, mittlerer und hoher Last bestimmt sind.
Darüber
hinaus ist es bei Maschinen, welche bei unterschiedlichen Verbrennungsbetriebsarten,
zum Beispiel gleichermaßen
in der HCCI-Betriebsart und in der herkömmlichen Diesel-Betriebsart,
betrieben werden, wünschenswert,
bei verschiedenen Betriebsarten unterschiedliche Kraftstoffnebel zur
Verfügung
zu haben. Eine Einspritzvorrichtung wie die hier geschaffene, die über die
Fähigkeit
verfügt,
in einer von drei Einspritzzuständen
einzuspritzen, hat daher Vorteile, wenn sie in Anwendungen dieses
Typs eingebaut wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Übertragungsmittel
eine Kraftstoff-Steuerkammer, eine zu dem inneren Ventil gehörige, erste Oberfläche, die
dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer ausgesetzt ist, und
eine zu dem äußeren Ventil
gehörige,
zweite Oberfläche,
die dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer ausgesetzt ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die erste und die zweite Oberfläche so angeordnet, dass eine
Erhöhung
des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer bewirkt, dass eines
der Ventile, das innere oder das äußere Ventil, sich hebt, während eine
Verringerung des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer bewirkt,
dass das jeweils andere der Ventile, das innere oder das äußere Ventil,
sich hebt.
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Es
ist vorzuziehen, dass die Steuerkammer relativ zu dem inneren und
dem äußeren Ventil
so ausgelegt ist, dass eine Erhöhung
des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer ein Öffnen des inneren
Ventils bewirkt und eine Verringerung des Kraftstoffdrucks innerhalb
der Steuerkammer ein Öffnen
des äußeren Ventils
bewirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das äußere Ventil
mit einer Ventilbohrung versehen, in welcher das innere Ventil aufgenommen
ist, wobei das innere Ventil mit einem Trägerelement zusammengekoppelt
ist, das sich durch die Ventilbohrung hindurch erstreckt, um die
erste Oberfläche
zu definieren. Das Trägerelement
kann an seinem von dem inneren Ventil entfernten Ende mit einem
vergrößerten Kopfende
versehen sein, wobei eine Unterseite des vergrößerten Kopfendes die erste
Oberfläche definiert.
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Das
Kupplungsmittel umfasst vorzugsweise eine Stoßfläche, welche durch das äußere Ventil
definiert bzw. gemeinsam mit diesem beweglich ist, wobei die Stoßfläche mit
einer Fläche
in Eingriff bringbar ist, die mit ihr zusammenzuwirken kann und
die durch das Trägerelement
definiert ist.
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Vorzugsweise
ist die Stoßfläche durch
ein Ringelement definiert, das innerhalb der Ventilbohrung aufgenommen
ist, und zwar beispielsweise in einer Presspassung. Das Ringelement
ist in jenen Fällen,
in denen beide Ventile geschlossen sind, um den vorbestimmten Schwellenbetrag
von dem Trägerelement
beabstandet.
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Bei
dem Aktor handelt es sich vorzugsweise um einen piezoelektrischen
Aktor mit einem Stapel von piezoelektrischen Elementen. Es ist vorzuziehen,
den piezoelektrischen Stapel in einer Stapelkammer zur Aufnahme
von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff anzuordnen. Der Stapel
kann erregt werden, um die Stapellänge zu erhöhen, so dass es zu einer Druckerhöhung innerhalb
der Steuerkammer kommt, und aberregt werden, um die Stapellänge zu vermindern,
so dass es zu einer Druckverringerung innerhalb der Steuerkammer
kommt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Aktor mit einem Aktorkolben zusammengekoppelt, der eine
Kolbenoberfläche
aufweist, wobei die Steuerkammer zumindest teilweise durch die jeweils zu
dem inneren bzw. dem äußeren Ventil
gehörige, erste
bzw. zweite Oberfläche,
sowie durch die Kolbenoberfläche
definiert ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Einspritzvorrichtung ein Dämpfungsmittel zum Dämpfen der Öffnungsbewegung des
inneren Ventils, wenn dieses sich von dem inneren Ventilsitz wegbewegt.
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Die
Einspritzvorrichtung umfasst typischerweise eine Federkammer, die
eine Feder eingebaut hat, welche dazu dient, das innere Ventil gegen
den inneren Ventilsitz hin vorzuspannen. Vorzugsweise umfasst das
Dämpfungsmittel
einen im Inneren des Aktorkolbens definierten Begrenzungsdurchlass,
der die Federkammer mit der Stapelkammer verbindet.
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Die
Einspritzvorrichtung kann weiterhin ein Strömungsbegrenzungsmittel zur
Verbindung der Steuerkammer mit der Stapelkammer umfassen. Als Ergebnis
daraus besteht eine Tendenz, dass der Kraftstoffdruck innerhalb
der Steuerkammer sich mit dem Einspritzdruck abgleicht, wenn die
Einspritzvorrichtung sich in einem Nicht-Einspritzzustand befindet.
Da der Steuerkammerdruck dazu neigt, dem Druck innerhalb der Stapelkammer
zu folgen, bleiben alle Kräfte
proportional zu dem Einspritzdruck und jegliche raschen Veränderungen
des Kraftstoffdrucks innerhalb des Common-Rail führen nicht zu einer unerwünschten
Einspritzung. Ein weiterer Vorteil des Strömungsbegrenzungsmittels liegt
darin, dass bei einem Ausfall des Aktors die durch das Strömungsbegrenzungsmittel
fließende
Strömung
es erlaubt, dass die Nadel von allein schließt. Außerdem wird dadurch, indem
die Steuerkammer mit einem 'frischen' Kraftstofffluss
versorgt wird, eine Verschlechterung des Kraftstoffs innerhalb der
Steuerkammer vermieden.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Strömungsbegrenzungsmittel
um einen Strömungsbegrenzungsdurchlass,
der in dem Aktorkolben vorgesehen ist
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das äußere Ventil
mit einer oberen und einer unteren Sitzlinie ausgestattet, die in
Fällen,
in denen das äußere Ventil
geschlossen ist, beiderseits von den zweiten Auslässen von
diesen beabstandet angeordnet sind, wobei die obere und die untere
Sitzlinie jeweils mit einer entsprechenden oberen und unteren Sitzfläche des äußeren Ventilsitzes
in Eingriff bringbar ist.
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Gleichermaßen kann
das innere Ventil mit einer oberen und einer unteren Sitzlinie ausgestattet sein,
die in Fällen,
in denen das innere Ventil geschlossen ist, beiderseits von den
ersten Auslässen von
diesen beabstandet angeordnet sind, wobei die obere und die untere
Sitzlinie jeweils mit einer entsprechenden oberen und unteren Sitzfläche des
inneren Ventilsitzes in Eingriff bringbar ist.
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Beispielsweise
kann die obere und die untere Sitzlinie des inneren Ventils jeweils
durch einen oberen und einen unteren Rand einer an dem inneren Ventil
vorgesehenen Rille definiert sein, wobei die Rille einen oberen,
kegelstumpfförmigen
Rillenbereich umfasst, um den oberen Rand zu definieren, und einen
unteren, kegelstumpfförmigen
Rillenbereich umfasst, um den unteren Rand zu definieren.
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Gleichermaßen kann
die obere und die untere Sitzlinie des äußeren Ventils jeweils durch
den oberen und den unteren Rand einer an dem äußeren Ventil vorgesehenen Rille
definiert sein, wobei die Rille einen oberen, kegelstumpfförmigen Rillenbereich
umfasst, um den oberen Rand zu defi nieren, und einen unteren, kegelstumpfförmigen Rillenbereich
umfasst, um den unteren Rand zu definieren.
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Vorzugsweise
definiert die Düsenbohrung eine
obere Zuleitungskammer zum Zuleiten von Kraftstoff zu den ersten
und den zweiten Auslässen und
eine untere Zuleitungskammer zum Zuleiten von Kraftstoff zu den
ersten und den zweiten Auslässen. Das
innere Ventil definiert zumindest teilweise ein Strömungsdurchlassmittel,
um zu erlauben, dass Kraftstoff von der oberen Zuleitungskammer
in die untere Zuleitungskammer strömt.
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Vorzugsweise
umfasst das Strömungsdurchlassmittel
eine oder mehrere Flachstellen, die an der Außenoberfläche des inneren Ventils vorgesehen sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der bzw. jeder erste Auslass verglichen mit dem bzw. jedem
zweiten Auslass eine unterschiedliche Durchfluss-Querschnittsfläche auf.
So können beispielsweise
die ersten Auslässe
verglichen mit den zweiten Auslässen
eine größere Durchfluss-Querschnittsfläche aufweisen.
Auf diese Weise ist es möglich,
drei verschiedene Kraftstoffnebel und Einspritzraten zu erzielen.
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Es
werden nun lediglich zur beispielhaften Veranschaulichung Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer Einspritzvorrichtung mit einer Einspritzdüse gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht der in 1 gezeigten Einspritzdüse in einer
Nicht-Einspritzstellung bei geschlossenem innerem und äußerem Ventil
ist;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
der in 2 gezeigten Einspritzdüse ist, um Teile davon deutlicher
zu veranschaulichen;
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4 eine
vergrößerte Ansicht
des äußeren Ventils
der Einspritzdüse
aus 2 und 3 ist, um deren ersten und zweiten
Ventilsitz deutlicher zu veranschaulichen;
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5 eine
Schnittansicht der in 2 bis 4 gezeigten
Einspritzdüse
in einer ersten Einspritzstellung ist, in welcher nur das innere
Ventil offen ist;
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6 eine
vergrößerte Schnittansicht
der in 5 gezeigten Einspritzdüse ist, um Teile davon deutlicher
zu veranschaulichen;
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7 eine
Schnittansicht der Einspritzdüse aus 2 bis 6 in
einer zweiten Einspritzstellung ist, in welcher nur das äußere Ventil
offen ist;
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8 eine
vergrößerte Schnittansicht
der in 7 gezeigten Einspritzdüse ist, um Teile davon deutlicher
zu veranschaulichen;
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9 eine
Schnittansicht der Einspritzdüse aus 2 bis 8 in
einer dritten Einspritzstellung ist, in welcher das innere und das äußere Ventil
gleichermaßen
offen sind;
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10 eine
vergrößerte Schnittansicht
der in 9 gezeigten Einspritzdüse ist, um Teile davon deutlicher
zu veranschaulichen.
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In
1 und
2,
auf welche nun Bezug genommen wird, umfasst eine allgemein mit
10 bezeichnete
Einspritzvorrichtung eine allgemein mit
12 bezeichnete
Einspritzdüse
und ein Betätigungsmittel mit
einem piezoelektrischen Aktor
14, um jeweils die Bewegung
eines ersten und eines zweiten Ventils
16 bzw.
18 zu
steuern, und zwar durch die Steuerung des Kraftstoffdrucks innerhalb
einer Einspritzvorrichtungs-Steuerkammer
20. Der piezoelektrische
Aktor
14 kann von bekanntem Typ sein und einen Stapel
22 aus
piezoelektrischen Elementen umfassen, welche dazu veranlasst werden,
sich bei Anlegen einer Spannung über
den Stapel
22 hinweg auszudehnen bzw. zu verkürzen. Es
ist ein Merkmal des piezoelektrischen Stapels
22, dass
er in einer kraftstoffbefüllten
Kammer
24 untergebracht ist, die im Inneren eines Einspritzvorrichtungs-Gehäuseteils
bzw. eines Einspritzungsvorrichtungs-Körpers
26 definiert
ist. Die Kammer
24, in welcher der Stapel
22 untergebracht
ist, bildet einen Teil des Kraftstoffzuführpfads zwischen einem Einspritzvorrichtungs-Einlass
28 und
einer Zuführkammer
30 der
Düse, wobei
der Pfad außerdem
durch eine in dem oberen Bereich des Einspritzvorrichtungs-Körpers
26 vorgesehene Bohrung
32,
sowie durch einen unteren Bereich
34 der Kammer
24 definiert
ist, wie weiter unten beschrieben. Bei der Verwendung wird dem Einspritzvorrichtungs-Einlass
28 von
einer Hochdruck-Kraftstoffquelle in Form eines Common-Rail oder
eines Druckspeichervolumens (nicht gezeigt) Kraftstoff zugeführt und
strömt
dieser durch die Stapelkammer
24 in die Düsen-Zuführkammer
30.
Weitere Einzelheiten eines piezoelektrischen Aktors
14 sind
in der Europäischen
Patentschrift
EP 0995901 der
Anmelderin (Delphi Technologies, Inc.) angegeben.
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Wie
am deutlichsten aus 2 und 3 ersichtlich
ist, umfasst die Einspritzdüse 12 einen
Düsenkörper 36,
der jeweils einen ersten und einen zweiten Auslass 38 bzw. 40 aufweist,
die entlang der Hauptachse des Düsenkörpers axial
so angeordnet sind, dass der zweite Auslass 40 eine höhere axiale Position
entlang dem Düsenkörper 36 einnimmt
als der erste Auslass 38. Der erste Auslass 38 weist
einen relativ großen
Durchmesser auf, um einen relativ großen Durchflussquerschnitt für den Kraftstoff
zu bieten, der in die Maschine eingespritzt wird, und der zweite
Auslass 40 weist einen relativ kleinen Durchmesser auf,
um einen geringeren Durchflussquerschnitt für den Kraftstoff zu bieten,
der in die Maschine eingespritzt wird. Es ist hier nur ein einziger
erster Auslass 38 und ein einziger zweiter Auslass 40 gezeigt,
in der Praxis kann jedoch ein Satz von mehr als einem ersten Auslass
und ein Satz von mehr als einem zweiten Auslass vorgesehen sein.
Zum Zweck der folgenden Beschreibung wird daher auf einen Satz von
ersten Auslässen 38 und
einen Satz von zweiten Auslässen 40 Bezug
genommen.
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Der
Düsenkörper 36 ist
mit einer sich axial erstreckenden Blindbohrung 42 versehen,
welche eine erste, obere Zuleitungskammer 44 zur Aufnahme
von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff von der Düsen-Zuführkammer 30 bildet.
Die axiale Bohrung 42 bildet außerdem an ihrem blinden Ende
eine zweite, untere Zuleitungskammer 46 für den Kraftstoff.
Zu dem blinden Ende hin weist die innere Oberfläche der Bohrung 42 eine
Kegelstumpfform auf und bildet dort eine allgemein mit 48 bezeichnete
Ventilsitzfläche gleichermaßen für das innere
und das äußere Ventil 16, 18.
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Das
erste und das zweite koaxiale Ventil 16, 18 sind
konzentrisch innerhalb der Bohrung 42 angeordnet, um jeweils
eine Steuerung des Kraftstoffflusses zwischen der oberen Zuleitungskammer 44 und dem
ersten und dem zweiten Satz von Auslässen 38, 40 zu
erlauben. Das erste Ventilelement hat die Form eines ersten, inneren
Ventils, oder einer Düsennadel 16,
wobei dessen/deren Bewegung steuert, ob Kraftstoff durch die ersten
Auslässe 38 zugeleitet
wird, oder nicht. Das zweite Ventilelement hat die Form eines äußeren Ventils 18,
dessen Bewegung steuert, ob Kraftstoff durch die zweiten Auslässe 40 zugeleitet wird
oder nicht. Das äußere Ventil
weist die Form einer Hülse
auf und hat eine sich axial erstreckende, durchgehende Bohrung 50.
Das äußere Ventil 18 umfasst
an seinem oberen Ende einen vergrößerten Bereich 18a,
um bei der Verwendung in Zusammenwirken mit dem angrenzenden Bereich
der Düsenkörperbohrung 42 eine
Führung
für die
Gleitbewegung des äußeren Ventils 18 darzustellen.
Die innere Düsennadel 16 und
das äußere Ventil 18 sind
mit entsprechenden Sitzen in Eingriff bringbar, die durch den Ventilsitz
definiert sind, wie weiter unten beschrieben. In 1 bis 3 befindet
sich das innere und das äußere Ventil 16, 18 jeweils
in geschlossener Stellung, und die Einspritzvorrichtung befindet sich
in einem sogenannten Nicht-Einspritzzustand.
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An
ihrem oberen Ende ist die innere Düsennadel 16 mit einem
Trägerelement 52 bzw.
einem Trägerelement
des inneren Ventils zusammengekoppelt, welches sich entlang der
Ventilbohrung 50 erstreckt, wobei die innere Düsennadel 16 innerhalb
eines unteren Abschnitts der Bohrung 50 aufgenommen wird.
Die innere Düsennadel 16 umfasst
einen oberen Schaft 16a mit einem relativ kleinen Durchmesser,
der in einem unteren Bereich des Trägerelements 52 aufgenommen
ist, um die Teile auf sichere Weise zusammenzukoppeln (z.B. mittels
einer Schraubengewindeverbindung oder einer Presspassung). Die innere
Düsennadel 16 ist
so geformt, dass sie einen Kragen 16b umfasst, der entweder
einstückig
mit dieser ausgebildet ist oder als ein getrenntes Teil getragen
wird, das mit der Bohrung 50 in dem äußeren Ventil 18 in
Wirkverbindung steht, um eine Führung
für die
Gleitbewegung der inneren Düsennadel 16 darzustellen.
Das Trägerelement 52 endet an
seinem oberen Ende in einem vergrößerten Kopfende 52a.
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Das
innere und das äußere Ventil 16, 18 ist jeweils
mit einem Kupplungsmittel 54 versehen, das dazu dient,
die Ventile dazu zu veranlassen, sich in jenen Fällen, in denen das äußere Ventil 18 um
mehr als einen vorbestimmten Schwellenbetrag L von seinem Sitz 48 wegbewegt
wird, gemeinsam zu bewegen. Das Kupplungsmittel umfasst ein Ringelement bzw.
einen Ring 54, der in einer Presspassung von der inneren
Oberfläche
der Bohrung 50 in dem äußeren Ventil 18 getragen
wird, und eine untere Stoßfläche 52d des
Trägerelements 52 des
inneren Ventils, während
dieses sich bei der Verwendung innerhalb der Bohrung 50 bewegt.
Die Oberseite 54a des Rings 54 ist mit der unteren
Stoßfläche 52d des
Trägerelements 52 in
Eingriff bringbar, so dass, wenn die äußere Düsennadel 18 über einen
Betrag hinweg angehoben wird, welcher den Betrag L übersteigt,
(d.h. den Spalt zwischen dem Ring 54 und der Stoßfläche 52d,
wenn beide Ventile 16, 18 geschlossen sind) die Bewegung
des äußeren Ventils 18 auf
das Trägerelement 52 und
somit auch auf das innere Ventil 16 übertragen wird. Die Unterseite 54b des
Rings 54 bildet eine Anschlagfläche für den Kragen 16b der
inneren Düsennadel 16,
um zu begrenzen, wie weit die innere Düsennadel 16 von ihrem
Sitz 48 angehoben werden kann, wenn die Einspritzvorrichtung
betätigt wird,
um die innere Düsennadel 16 dazu
zu veranlassen, sich allein zu bewegen.
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Das äußere Ventil 18 ist
weiterhin mit sich radial erstreckenden Bohrungen 56 versehen,
deren äußere Enden
mit der oberen Zuleitungskammer 44 in Verbindung stehen
und deren innere Enden mit Flachstellen oder Rillen 16c in
Verbindung stehen, die an der Außenoberfläche der inneren Düsennadel 16 vorgesehen
sind. Die sich radial erstreckenden Bohrungen 56 und die
Flachstellen 16c bilden gemeinsam ein Strömungsdurchlassmittel,
das einen Kraftstofffluss zwischen der oberen Zuleitungskammer 44 und
der unteren Zuleitungskammer 46 erlaubt.
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Das
Betätigungsmittel
der Einspritzvorrichtung umfasst weiterhin ein Übertragungsmittel zum Übertragen
der durch die Ausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen
Stapels 22 bedingten Betätigungskraft auf das innere
und das äußere Ventil 16, 18,
um deren unabhängige
Bewegung zu erlauben. Das Übertragungsmittel
umfasst einen Aktorkolben 58, der von einem Endstück 60 des
piezoelektrischen Stapels 22 getragen wird, und die Einspritz-Steuerkammer 20 zur
Aufnahme von Kraftstoff bei Einspritzdruck. Der Aktorkolben 58 hat
die Form einer Hülse,
welche eine Kolbenbohrung 62 definiert, die an ihrem oberen
Ende eine erste Federkammer 64 zur Aufnahme einer ersten,
inneren Ventilfeder 66 bildet. Das vergrößerte Kopfende 52a des
Trägerelements 52 wird
in dem unteren Abschnitt der Kolbenbohrung 62 aufgenommen,
so dass die innere Ventilfeder 66 darauf einwirkt und dazu
dient, das Trägerelement 52 und
somit die innere Düsennadel 16 nach unten
zu drücken.
Die Feder 66 dient somit dazu, die innere Düsennadel 16 mit
ihrem Sitz 48 in Eingriff zu drücken.
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Ein
Mantel 68 erstreckt sich von der Basis des Aktorkolbens 58 nach
unten, um eine vergrößerte Ausnehmung
zu bilden, in welcher in einem Gleitsitz eine obere Verlängerung 36a des
Düsenkörpers 36 aufgenommen
wird. Die Anordnung ist so, dass die Unterseite 52b des
vergrößerten Kopfendes 52a des
Trägerelements 52 der
oberen Endfläche 18a des äußeren Ventils 18 zugewandt
ist. Die Steuerkammer 20 des Last-Übertragungsmittels ist daher innerhalb
der Ausnehmung durch eine Fläche
des Aktorkolbens 58, die Oberseite 18a des äußeren Ventils 18,
die Unterseite 52b des vergrößerten Kopfendes 52a des
Trägerelements 52 und
die Oberseite 36b der oberen Verlängerung 36a des Düsenkörpers definiert.
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Eine
zweite Federkammer 70 ist innerhalb eines erweiterten Bereichs
der sich axial erstreckenden Bohrung 50 am oberen Ende
des äußeren Ventils 18 definiert.
Die zweite Federkammer 70 nimmt eine zweite Feder 72 auf, welche
dazu dient, das äußere Ventil 18 mit
dem Ventilsitz 48 in Eingriff zu drücken.
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Die
Steuerkammer 20 steht mit dem Stapelvolumen 24, 34 durch
ein Strömungsbegrenzungsmittel
in Form eines Begrenzungsdurchlasses bzw. einer Öffnung 74, der/die
in dem Mantel 68 des Aktorkolbens 58 vorgesehen
ist, in Verbindung. Ein Ende des Begrenzungsdurchlasses 74 steht
mit der Steuerkammer 20 in Verbindung und das andere Ende des
Begrenzungsdurchlasses 74 steht mit dem Stapelvolumen 24, 34 in
Verbindung. Der Begrenzungsdurchlass 74 gewährleistet,
dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 dazu
neigt, sich an den Einspritzdruck am Ende der Einspritzung anzugleichen,
was, wie weiter unten beschrieben, Vorteile für den Betrieb der Einspritzvorrichtung
bringt.
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Der
Aktorkolben 58 ist weiterhin mit einer sich radial erstreckenden
Bohrung 76 versehen, um einen Verbindungspfad zwischen
der ersten Federkammer 64 und der Stapelkammer 24 zu
schaffen. Wenn die Bohrung 76 einen begrenzten Durchmesser
aufweist, schafft sie ein Mittel zum Dämpfen der Bewegung des Trägerelements 52 und
somit der inneren Düsennadel 16,
wie weiter unten erörtert.
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Die
Art und Weise, in welcher das äußere Ventil 18 gegen
den Ventilsitz 48 hin schließt, wird nun unter Bezugnahme
auf 4 eingehender beschrieben.
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Das äußere Ventil 18 ist
entsprechend geformt, um eine erste (obere) innere Ventilsitzlinie 80 zu
bilden, die sich zuströmseits
der zweiten Auslässe 40 befindet,
wenn das Ventil 18 geschlossen ist, und eine zweite (untere)
innere Ventilsitzlinie 82, die sich abströmseits der
zweiten Auslässe 40 befindet,
wenn das Ventil 18 geschlossen ist (d.h. eine Sitzlinie 80, 82 auf
jeder Seite der Auslässe 40).
Das äußere Ventil 18 ist
mit einem gerillten bzw. ausgenommenen Bereich 84 versehen,
um jeweils an der oberen und der unteren Kante davon die obere und
die untere Sitzlinie 80, 82 zu bilden. Die Rille 84 ist
durch einen oberen Rillenbereich und einen unteren Rillenbereich definiert,
wobei beide Bereiche eine Kegelstumpfform aufweisen und zusammen
mit dem angrenzenden Bereich des Ventilsitzes 48 ein ringförmiges Volumen
für Kraftstoff
an den Einlass-Enden der zweiten Auslässe 40 definiert.
Unmittelbar oberhalb des oberen Rillenbereichs umfasst das äußere Ventil 18 einen
weiteren kegelstumpfförmigen
Bereich.
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Die
obere und die untere Sitzlinie 80, 82 des äußeren Ventils 18 treten
mit dem Ventilsitz 48 jeweils an einer oberen bzw. einer
unteren Sitzfläche von
diesem in Eingriff, wobei die obere Sitzfläche bedingt durch die höhere axiale
Position entlang der Länge
des Düsenkörpers 36 einen
größeren Durchmesser
aufweist als die untere Sitzfläche.
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In
der gezeigten Darstellung ist die innere Düsennadel 16 mit einem
vergrößerten,
kugelförmigen
Kopfende versehen, um mit dem Ventilsitz 48 in Eingriff
zu treten. In einer alternativen Ausführungsform kann jedoch die
innere Düsennadel 16 in ähnlicher
Weise wie das äußere Ventil 18 mit
dem Ventilsitz 48 in Eingriff treten, und zwar dadurch,
dass die innere Düsennadel 16 mit
einem gerillten bzw. ausgenommenen Bereich versehen ist, um jeweils
an der oberen und der unteren Kante davon eine obere und eine untere
Sitzlinie des inneren Ventils zu bilden, um mit einer oberen und
einer unteren Ventilsitzfläche
des Ventilsitzes 48 in Eingriff zu treten. Die Betriebsweise
der Einspritzvorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf 5 bis 10 beschrieben.
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Ausgehend
von der in 1 bis 3 gezeigten
Stellung, in welcher die innere Düsennadel 16 und das äußere Ventil 18 gleichermaßen durch
die Federn 66, 72 gegen ihre Sitze gedrückt werden,
füllt hochdruckbeaufschlagter
Kraftstoff das Stapelvolumen 24, 34 und wird er
der Düsen-Zuführ kammer 30 und
der oberen Zuleitungskammer 44 zugeführt, kann jedoch nicht an dem
inneren und dem äußeren Ventilsitz
vorbei gelangen, um die ersten und die zweiten Auslässe 38, 40 zu
erreichen. Somit erfolgt keine Einspritzung in die Maschine. In
dem Nicht-Einspritzzustand wird der Aktor 14 auf einem
ersten Erregungszustand gehalten, wobei eine mittelhohe Spannung über den
Stapel hinweg angelegt wird. Wie aus der folgenden Beschreibung
hervorgeht, soll das erste Erregungsniveau als das 'mittlere Erregungsniveau' bezeichnet werden.
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Um
Kraftstoff durch die ersten Auslässe 38 einzuspritzen,
wird der Aktor 14 auf ein zweites, erhöhtes Erregungsniveau gebracht,
indem eine relativ hohe Spannung über den Stapel hinweg angelegt wird,
um dadurch die Länge
des Stapels 22 zu erhöhen.
Als Ergebnis der Stapelverlängerung
wird der Aktorkolben 58 nach unten bewegt, um das Volumen der
Steuerkammer 20 zu reduzieren. Da das Volumen der Steuerkammer 20 reduziert
wird, erhöht
sich der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 20, so dass eine
erhöhte
Kraft auf die unterseitige Fläche 52b des
vergrößerten Kopfendes 52a des
Trägerelements 52 angewendet
wird. Wenn die auf das Trägerelement 52 einwirkende
Kraft (die in Wirkverbindung mit der Kraft steht, welche bedingt
durch den Kraftstoffdruck innerhalb der Bohrungen 56 auf
die Druckaufnahmeflächen
der inneren Düsennadel 16 einwirkt)
die Vorspannkraft der ersten Feder 66 übersteigt, wird das Trägerelement 52 zusammen
mit der inneren Düsennadel 16 dazu
veranlasst, sich in Richtung nach oben zu heben. Da die innere Düsennadel 16 sich
von dem inneren Ventilsitz 48 weghebt, ist der Kraftstoff
in der Lage, durch den durch die Bohrungen 56 und die Flachstellen 16c definierten
Strömungspfad
in die untere Zuleitungskammer 46 hinein- und von dort
aus durch die ersten Auslässe 38 auszuströmen. Dies
wird als der erste Einspritzzustand der Einspritzvorrichtung bezeichnet.
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Es
ist beispielsweise aus der vergrößerten Schnittansicht
aus 6 ersichtlich, dass die ersten Auslässe 38,
die durch die innere Düsennadel 16 gesteuert
werden, verglichen mit den zweiten Auslässen 40, die durch
das äußere Ventil 18 gesteuert
werden, über
eine relativ große
Durchfluss-Querschnittsfläche verfügen, so
dass in dem ersten Einspritzzustand eine relativ hohe Kraftstoffzuleitungsrate
erreicht wird.
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In
dem ersten Einspritzzustand bleibt das äußere Ventil 18 geschlossen,
und zwar infolge der Kraft der zweiten Feder 72 und der
(erhöhten)
Kraft, die durch den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 20 bedingt
ist, welche beide dazu dienen, das äußere Ventil 18 gegen
den äußeren Ventilsitz 48 hin
geschlossen zu halten. Die untere Oberfläche 54b des Rings 54 definiert
daher eine Anschlagfläche
für die innere
Düsennadel 16,
um das Ausmaß der Öffnungsbewegung
derselben zu begrenzen, da nachdem der Kragen 16b der inneren
Düsennadel 16 mit der
Fläche 54b in
Eingriff gelangt ist, eine weitere Bewegung der inneren Düsennadel 16 verhindert
wird.
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Die
Funktion der Bohrung 76, welche eine Verbindung zwischen
der ersten Federkammer 64 und dem Stapelvolumen 24, 34 erlaubt,
ist es zu gewährleisten,
dass die Öffnungsbewegung
der inneren Düsennadel 16 gedämpft wird.
Dies wird dadurch ermöglicht,
weil der Kraftstoff in der Federkammer 64 durch die Begrenzungsbohrung 76 nur
mit relativ geringer Geschwindigkeit entweichen kann, während das
Trägerelement 52 (zusammen
mit der inneren Düsennadel 16)
sich in Öffnungsrichtung
bewegt. Als Ergebnis dieser Dämpfungswirkung
wird die Bewegungssteuerung der inneren Düsennadel 16 verbessert.
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Falls
es nun erwünscht
ist, ausgehend von dem in 5 und 6 gezeigten,
ersten Einspritzzustand die Einspritzung zu beenden, so wird der
piezoelektrische Aktor 14 aberregt, so dass er auf sein mittleres
Niveau zu rückkehrt,
und zwar indem die Spannung über
den Stapel hinweg reduziert wird, so dass die Länge des Stapels 22 sich
verkürzt
bzw. verringert. Der Aktorkolben 58 wird daher so bewegt, dass
das Volumen der Steuerkammer 20 wieder auf ihr ursprüngliches
Volumen vergrößert wird.
Da das Volumen der Steuerkammer 20 sich erhöht, verringert
sich der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 20 und es
wird ein Punkt erreicht, an dem die Kraft der Feder 66 ausreichend
ist, um das Trägerelement 52 und
die innere Düsennadel 16 abwärts zu drücken, um
die innere Düsennadel 16 erneut
mit ihrem Sitz in Eingriff zu bringen.
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Es
wird ermöglicht,
dass Kraftstoff durch die in dem Aktorkolben 58 vorgesehene
Begrenzung 74 in Übereinstimmung
mit der Bewegung der inneren Düsennadel 16 in
die Steuerkammer 20 hinein- und wieder aus dieser herausströmt. Die
Funktion der Begrenzung 74 ist es, zu gewährleisten,
dass wenn der Aktor 14 in seinen Haltezustand zurückgeführt wird, (mittleres
Erregungsniveau) der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 dazu
neigt, sich an den Kraftstoffdruck innerhalb des Stapelvolumens 24, 34 anzugleichen.
Auf diese Weise folgt der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer
dem Kraftstoffdruck innerhalb des Stapelvolumens, so dass alle Kräfte proportional
zu dem Einspritzdruck (d.h. dem Druck im Stapelvolumen) bleiben.
Es hat daher nicht jede rasche Veränderung des Common-Rail-Drucks
eine ungewollte Einspritzung zur Folge. Ein weiterer Vorteil der
Begrenzung 74 ist es, dass sollte der Stapel ausfallen,
die Strömung
durch die Begrenzung 74 hindurch es der Nadel ermöglicht, von
allein zu schließen
(wenn auch mit einer Verzögerung,
welche länger
ist als jene bei einer normalen Einspritzung). Außerdem werden
dadurch, dass es ermöglicht
wird, dass 'frischer' Kraftstoff in die
Steuerkammer 20 einströmt,
Nachteile in Verbindung mit der Verschlechterung des Kraftstoffs
innerhalb der Steuerkammer 20 vermieden.
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Falls
es bezugnehmend auf 7 und 8 erwünscht ist,
im Gegensatz zu der nur durch die ersten Auslässe 38 erfolgenden
Einspritzung, Kraftstoff nur durch die zweiten Auslässe 40 einzuspritzen,
so wird das Erregungsniveau des Aktors 14 durch Reduzieren
der Spannung über
den Stapel hinweg auf ein drittes Erregungsniveau reduziert, welches
geringer ist als das mittlere Erregungsniveau. Als Folge daraus
verringert sich die Länge
des Stapels 22 auf weniger als die ursprüngliche
Länge,
so dass der Aktorkolben 58 in eine Richtung bewegt wird,
um das Volumen der Steuerkammer 20 zu vergrößern. Da
der Kraftstoffdruck innerhalb de Steuerkammer 20 sich zu
verringern beginnt, wird ein Punkt erreicht, an dem die nach oben
wirkende Kraft, die bedingt durch den Kraftstoff innerhalb der Düsen-Zuführkammer 30 auf das äußere Ventil 18 einwirkt,
genügend
groß ist,
um die Kraft der zweiten Feder 72 zu überwinden, und das äußere Ventil 18 hebt
sich von seinem Sitz weg. Da der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 nun
verringert ist, ist die verbleibende und auf das Kopfende 52a des
Trägerelements 52 einwirkende Hebekraft
unzureichend, um die innere Düsennadel 16 von
ihrem Sitz wegzuheben. Darüber
hinaus wird das Erregungsniveau des Stapels 22 nur bis
zu einem Niveau reduziert, bei welchem das äußere Ventil 18 dazu
veranlasst wird, sich über
einen Betrag hinweg zu heben, der kleiner ist als die Distanz L,
so dass es zu keiner Verkopplung der Bewegung des äußeren Ventils
mit der inneren Düsennadel 16 kommt,
während
die Oberflächen 54a, 52d des
Rings 54 und das Trägerelement 52 außer Eingriff
bleiben. Dies wird als der zweite Kraftstoff-Einspritzzustand bezeichnet,
in welchem die Kraftstoffeinspritzung nur durch die zweiten Auslässe 40 stattfindet.
Es ist festzustellen, dass da die Größe der zweiten Auslässe 40 geringer
ist als jene der ersten Auslässe 38,
die Kraftstoffzuleitungsrate für
den zweiten Einspritzzustand verglichen mit jenem für den ersten
Einspritzzustand relativ gering ist.
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Die
Einspritzung durch die zweiten Auslässe 40 kann beendet
werden, indem der Stapel 22 erneut erregt wird, so dass
er seine ursprüngliche
Länge zurückerhält (d.h.
durch erneutes Erregen des Stapels 22 auf das mittlere
Niveau). Dadurch wird der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 erneut
auf ein genügend
hohes Niveau aufgebaut, um das äußere Ventil 18 zu
schließen,
jedoch ohne die innere Düsennadel 16 dazu
zu veranlassen, sich zu heben.
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Einer
der Nutzen der Bereitstellung eines oberen und eines unteren Ventilsitzes
für das äußere Ventil 18 ist
es, dass die Kraftstoffmenge, die bei einer gegebenen Nadelanhebung
zu den zweiten Auslässen 40 strömen kann,
insofern wesentlich erhöht werden
kann, als zwischen der oberen Zuleitungskammer 44 und den
Auslässen 40 zwei
Strömungspfade
für den
Kraftstoff vorhanden sind; ein erster Strömungspfad direkt an dem oberen
Abschnitt des äußeren Ventilsitzes 48 vorbei,
und ein zweiter Strömungspfad
durch die Bohrungen 56 und die Flachstellen 16c der
inneren Düsennadel 16 und
an dem unteren Abschnitt des äußeren Ventilsitzes 48 vorbei. Ein
zusätzlicher
Nutzen wird insofern erzielt, als bedingt durch das Einströmen von
Kraftstoff in die Einlass-Enden der Auslässe 40 gleichermaßen von
einer zuströmseitigen
und einer abströmseitigen
Richtung ein gleichmäßigerer
und im Wesentlichen symmetrischer Kraftstofffluss zu den Auslässen erzielt wird,
um die Ausgewogenheit des in die Verbrennungskammer eingesprühten Kraftstoffnebels
zu verbessern.
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Falls
es bezugnehmend auf 9 und 10 wünschenswert
ist, Kraftstoff zur selben Zeit gleichermaßen durch die ersten und die
zweiten Auslässe 38, 40 einzuspritzen,
kann der Aktor 14 auf ein viertes Erregungsniveau aberregt
werden, welches geringer ist als das dritte Erregungsniveau, indem
die Spannung über
den Stapel hinweg noch weiter verringert wird. Als Ergebnis daraus
verringert sich die Stapellänge
auf eine noch kürzere
Länge und
der Aktorkolben 58 wird dazu veranlasst, sich um einen
Betrag nach oben zu bewegen, der das Volumen der Steuerkammer 20 noch
weiter vergrößert. Der
Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 verringert sich
dadurch auf einen weiter reduzierten Betrag (d.h. geringer als jener
für den
zweiten Einspritzzustand).
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Durch
Aberregung des Stapels 22 auf ein viertes, geringstes Erregungsniveau
wird der Druck in der Steuerkammer 20 ausreichend reduziert,
um es dem äußeren Ventil 18 zu
erlauben, sich über
einen weiteren Betrag hinweg zu bewegen, welcher nunmehr die Distanz
L übersteigt.
Als Folge daraus wird die Stoßfläche 54a des
Rings 54 dazu veranlasst, mit der Stoßfläche 52d des Trägerelements 52 in
Eingriff zu treten, so dass eine weitere Bewegung des äußeren Ventils 18 weg
von dem Ventilsitz 48 bewirkt, dass die Bewegung über die
in Eingriff stehenden Flächen 54a, 52d auch
auf die innere Düsennadel 16 übertragen
wird. In diesem dritten Einspritzzustand erfolgt die Kraftstoffeinspritzung
zur selben Zeit gleichermaßen
durch die ersten und die zweiten Auslässe 38, 40 und
somit bei einer dritten, höheren
Einspritzrate.
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Um
die Einspritzung von der dritten Einspritzstellung zu beenden, muss
der Aktorstapel 22 in seinen ursprünglichen Haltezustand zurückgeführt werden,
um es dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 20 zu
erlauben, sich genügend
zu verringern, so dass beide Ventile 16, 18 unter
dem Druck der Federn 66, 72 zum Schließen gebracht
werden.
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Die
Fähigkeit,
bei drei verschiedenen Einspritzraten einzuspritzen, schafft den
besonderen Vorteil, dass eine niedrige, eine mittlere und eine hohe
Einspritzrate für
den Betrieb der Maschine jeweils bei niedriger, mittlerer und hoher
Maschinenlast erreicht werden kann. Da es darüber hinaus möglich ist,
unabhängig
voneinander entweder durch die ersten Auslässe 38 oder durch
die zweiten Auslässe 40 einzuspritzen,
ist ein Betrieb ohne Kompromisse gleichermaßen in der HCCI-Betriebsart
wie in der herkömm lichen
Diesel-Betriebsart möglich.
Dem sei noch hinzugefügt,
dass die Kegelwinkel der Nebel von den ersten und den zweiten Auslässen 38, 40 vorzugsweise
so gewählt
sind, dass sie eine kleine Winkeldifferenz haben (d.h. die Differenz
zwischen dem Kegelöffnungswinkel
des Sprühnebels
von den ersten Auslässen 38 ist ähnlich dem
Kegelöffnungswinkel
des Sprühnebels
von den zweiten Auslässen 40),
da größere Differenzen
offensichtlich keine vorteilhaften Ergebnisse liefern, wenn die
beiden Sprühnebel
kombiniert werden (d.h. Einspritzung durch beide Sätze von
Auslässen 38, 40).
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Die
Erfindung schafft einen weiteren Vorteil gegenüber bekannten Einspritzvorrichtungen,
bei denen das Aktorspannungsniveau (Erregungsniveau) hoch ist, wenn
die Einspritzvorrichtung sich in einem Nicht-Einspritzzustand befindet (wobei dies
jener Zustand ist, in welchem die Einspritzvorrichtung sich die meiste
Zeit befindet). Bei der vorliegenden Erfindung wird die Spannung
für Nicht-Einspritzzustände auf
einem mittleren Niveau gehalten und wird nur dann auf ein hohes
Erregungsniveau umgeschaltet, wenn es erforderlich ist, die innere
Düsennadel 16 anzuheben,
um nur durch die ersten Auslässe 38 einzuspritzen.
Die Zeitdauer, während
der die Einspritzvorrichtung sich auf einem hohen Erregungsniveau
befindet, wird daher verkürzt,
und die Lebensdauer des Aktors folglich erhöht.
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Falls
es nicht erforderlich ist, rasch zwischen verschiedenen Einspritz-Betriebsarten zu
wechseln, kann die Einspritzvorrichtung in einer anderen Weise betrieben
werden, und zwar durch schrittweises Ändern des Spannungsniveaus,
das zwischen Einspritzvorgängen
(d.h. im Nicht-Einspritzzustand)
gehalten wird. Wenn die nächste
Einspritzung durch die ersten Auslässe 38 erfolgen soll,
und zwar durch Umschalten auf 'Spannung
hoch', um die innere
Düsennadel 16 anzuheben,
kann das Halte-Spannungsniveau
während
des Nicht-Einspritzzustands gegen Null gehen.
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Wenn
die nächste
Einspritzung durch die zweiten Auslässe 40 erfolgen soll,
und zwar durch Umschalten auf 'Spannung
niedrig', um die äußere Düsennadel 18 anzuheben,
kann das Halte-Spannungsniveau während
des Nicht-Einspritzzustands gegen ein hohes Spannungsniveau gehen.
Diese Betriebsart ist möglich
aufgrund des Strömungsbegrenzungsdurchlasses 74 zwischen
dem Stapelvolumen 24, 34 und der Steuerkammer 20,
der die Steuerkammer 20 auf dem mittleren Druckpegel hält, vorausgesetzt
die Aktorspannung wird nicht zu rasch verändert.
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Die
zuvor erwähnten
Ausführungsformen
beschreiben zwar Einspritzvorrichtungen, bei denen ein piezoelektrischer
Aktor zum Einsatz kommt, um den Druck innerhalb der Steuerkammer 20 zu
steuern, es wird jedoch auch erwogen, dass alternative Betätigungsmittel
geschaffen werden können,
um dieselbe Wirkung zu erzielen, wie beispielsweise ein magnetostriktives
Aktormittel. In anderen Ausführungsformen
kann auf die Feder 72 für
die äußere Düsennadel 18 auch
verzichtet werden.