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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Dieselmotorkraftstoffeinsritzvorrichtungen und betrifft mehr
insbesondere eine Vorrichtung zum Gestalten der Kraftstoffeinspritzrate.
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Die US-A-3 368 761 beschreibt eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Lochbauart, mit einem Düsenkörper mit einer
langgestreckten Ventilbohrung, einem kreisringförmigen Ventilsitz und
einer koaxialen, longitudinal beabstandeten, oberen
Ventilführung und einem unteren, äußeren Ring oberhalb des
Ventilsitzes; einem langgestreckten Nadelventil in der Ventilbohrung
mit einer koaxialen, longitudinal beabstandeten, oberen Führung
und einem unteren, inneren Ring, die mit der Ventilführung bzw.
dem äußeren Ring des Düsenkörpers zusammenwirken, um eine axiale
Bewegung des Nadelventils innerhalb der Ventilbohrung zwischen
einer unteren, geschlossenen Position, in welcher es sich auf
dem Ventilsitz befindet, und einer oberen, vollständig offenen
Position, in welcher es einen vorbestimmten maximalen Hub hat,
zu erzeugen; wobei der Düsenkörper eine Düsenspitze unterhalb
des Nadelventils hat, welche das untere Ende der Ventilbohrung
umschließt, und ein oder mehrere Sprühlöcher, die mit der
Ventilbohrung unterhalb des Ventilsitzes verbunden sind, zum
Einspritzen von Kraftstoff; wobei der Düsenkörper eine obere
Kraftstoffkammer hat, die das Nadelventil zwischen der Ventilführung
und dem äußeren Ring des Düsenkörpers umgibt, und eine untere
Kraftstoffkammer, die das Nadelventil zwischen dem äußeren Ring
und dem Ventilsitz des Düsenkörpers umgibt; einer
Schließfedereinrichtung, die das Nadelventil abwärts in Berührung mit dem
Ventilsitz vorspannt; wobei die obere Führung des Nadelventils
einen größeren Durchmesser als der innere Ring und der
Ventilsitz hat und wobei der innere Ring einen größeren Durchmesser
als der Ventilsitz hat, um zwei unterschiedliche Flächen zum
hydraulischen öffnen des Nadelventils gegen die Vorspannung der
Ventilschließfedereinrichtung zu schaffen; wobei die obere
Kraftstoffkammer so angeschlossen ist, daß sie periodische
Hochdruckimpulse von Kraftstoff zum Öffnen des Nadelventils gegen
die Vorspannung der Federeinrichtung und zum Zuführen von
Kraftstoff zur Kraftstoffeinspritzung über jedes Sprühloch empfängt.
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Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und
verbesserte Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Reduzieren oder
Regulieren der Kraftstoffeinspritzmenge während einer
Anfangsstufe der Einspritzung zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue
und verbesserte Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen
einer anfänglichen reduzierten Ladung zur Voreinspritzung zu
schaffen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue
und verbesserte Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Zumessen von
Kraftstoff während einer Anfangsstufe der Einspritzung zu
schaffen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue
und verbesserte Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu schaffen, die
hilft, den Kraftstoffdruck an dein Einspritzvorrichtungsventil
sitz bis zur Ventilschließung aufrechtzuerhalten, um eine
sekundäre Kraftstoffeinspritzung, Nachtröpfeln von Kraftstoff am
Ende der Einspritzung sowie Kavitationserosion an dem Ventilsitz
und dem benachbarten Bereich zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue
und verbesserte Zwei-Stufen-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu
schaffen, die eine regulierte oder reduzierte
Kraftstoffeinspritzmenge während einer ersten Stufe der Einspritzung hat.
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Zum Erreichen von einem oder mehreren der vorgenannten Ziele ist
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß das Nadelventil seinen unteren, inneren Ring
näher bei dem ventilsitz als bei der oberen Führung des
Nadelventils hat, daß der Durchmesser der oberen Ventilführung des
Düsenkörpers in dem Bereich von 3,81 bis 4,57 mm (0.150 bis
0.180 Zoll) liegt, daß der Durchmesser des unteren, äußeren
Ringes
des Ventilkörpers in dem Bereich von 2,48 bis 4,06 mm (0.098
bis 0.160 Zoll) liegt und daß der Ventilsitzdurchmesser in dem
Bereich von 2 bis 2,64 min (0.079 bis 0.104 Zoll) liegt, wobei
ein vorbestimmtes Zumeßspiel zwischen dem äußeren Ring des
Düsenkörpers und dem inneren Ring des Nadelventils vorgesehen ist
zum Zumessen von Kraftstoff zwischen der oberen und unteren
Kraftstoffkammer während eines anfänglichen Inkrements von
wenigstens 0,1 mm (0.004 Zoll) der Aufwärtsbewegung des
Nadelventils aus seiner geschlossenen Position und während eines
entsprechenden letzten Inkrements der Abwärtsbewegung des
Nadelventils.
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Die Zwei-Stufen-Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann eine oder
zwei (oder mehr als zwei) Ventilschließfedern aufweisen. Bei der
Ausführungsform mit zwei Federn ist nur eine Feder wirksam, wenn
das Einspritzvorrichtungsnadelventil geschlossen ist und wenn
das Nadelventil bis in eine vorbestimmte Zwischenposition
geöffnet wird. Beide Federn sind wirksam, wenn das Nadelventil ab
dieser Zwischenposition bis in seine vollständig offene Position
geöffnet wird. Bei einer Ausführungsform mit einer Feder ist
eine einzelne Feder wirksam, wenn das Nadelventil geschlossen
ist und wenn das Nadelventil bis in seine vollständig offne
Position geöffnet wird. Bei beiden Versionen erfolgt während einer
ersten Stufe der Nadelventilbetätigung die
Kraftstoffmengengestaltung auf eine Weise, die sich nicht auf die
Kraftstoffzumessung zwischen dein Nadelventil und seinem Ventilsitz
verläßt und die für geringe Veränderungen im Nadelventilhub im
wesentlichen unempfindlich ist.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Die neue und verbesserte Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann auf
Basis einer Massenfertigung wirtschaftlich hergestellt werden.
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Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung liegen zum Teil auf
der Hand und sind zum Teil im folgenden ausführlicher dargelegt.
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Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der
folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine Längsschnittansicht, teilweise weggebrochen und
teilweise im Schnitt, einer
Ein-Feder-Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine Längsschnittansicht, teilweise weggebrochen und
teilweise im Schnitt, einer
Zwei-Federn-Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 3 eine vergrößerte Längsschnittansicht, teilweise
weggebrochen und teilweise im Schnitt, von ähnlichen Teilen des
Düsenkörpers und des Düsennadelventils der
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen nach Fig. 1 und nach Fig. 2;
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Fig. 4 eine vergrößerte Längsschnittansicht, teilweise
weggebrochen und teilweise im Schnitt, des Düsenkörpers und des
Nadelventils nach Fig. 3, die die Beziehung eines inneren und
äußeren Zumeßringes und von Zumeßkanten des Düsenkörpers und des
Nadelventils zeigt, wenn das Nadelventil geschlossen ist; und
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Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung des Nadelventilhubs und
der Zeit während eines exemplarischen Kraftstoffeinspritzzyklus
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Fig. 1 zeigt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszahlen benutzt, um
dieselben oder ähnliche Teile oder ähnlich funktionierende Teile zu
bezeichnen. Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei exemplarische
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 10, 11, die Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung darstellen. Jede Einspritzvorrichtung 10,
11 hat einen langgestreckten Düsenkörper 12 mit einer
langgestreckten
Ventilbohrung 14 und einem langgestreckten
Düsennadelventil 16, das in der Ventilbohrung 14 axial hin- und
hergewegbar ist. Bei der Einspritzvorrichtung 10 ist der
Düsenkörper 12 als ein Stück ausgebildet, wogegen bei der
Einspritzvorrichtung 11 der Düsenkörper 12 eine obere, langgestreckte
Körperunterbaugruppe 84 und einen unteren, langgestreckten
Körperteil 86 mit einem äußeren Durchmesser, der wesentlich kleiner
als der der oberen Körperunterbaugruppe 84 ist, aufweist. Der
Düsenkörper 12 jeder Einspritzvorrichtung 10, 11 hat eine untere
Endspitze 20, die zu dem unteren Ende der Ventilbohrung 14
koaxial ist und diese umschließt. Der Düsenkörper 12 jeder
Einspritzvorrichtung 10, 11 hat eine interne, nach oben gewandte,
koaxiale, konische Oberfläche 18, die einen ringförmigen
Nadelkontaktbereich oder Ventilsitz 19 unmittelbar oberhalb der
Düsenspitze 20 bildet. In jeder Einspritzvorrichtung 10, 11 hat
das Nadelventil 16 ein unteres konisches Ende mit ungefähr
Linienkontakt mit der konischen Oberfläche 18, wenn das Ventil
geschlossen ist.
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In jeder Einspritzvorrichtung 10, 11 sind ein oder mehrere
Sprühlöcher 22 kleinen Durchmessers unterhalb des Ventilsitzes
19 in der Endspitze 20 vorgesehen. Alternativ (nicht gezeigt)
können ein oder mehrere Sprühlächer 22 in der konischen
Oberfläche 18 unterhalb des Ventilsitzes 19 vorgesehen sein. Auf
herkömmliche Weise dienen die Sprühlöcher 22 zum Sprühen von
kleinen Tröpfchen von Kraftstoff zur Verbrennung. Die Anzahl,
der Durchmesser und die genaue Lage der Sprühlöcher 22 werden
für jeden Verwendungszweck gewählt.
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Die Einspritzvorrichtung 10 hat eine einzelne Ventilschließfeder
38, wohingegen die Einspritzvorrichtung 11 zwei
Ventilschließfedern 80, 82 hat. Bei der Einspritzvorrichtung 10 ist
die einzelne Schraubendruckfeder 38 oberhalb des Nadelventils 16
angeordnet, um das Nadelventil 16 ständig abwärts in seine
geschlossene Position zu drängen. Bei der Einspritzvorrichtung 11
ist die erste oder obere Schraubendruckfeder 80 oberhalb des
Nadelventils 16 angeordnet, um über einen Federsitz 87 und einen
Zwischenstift 88 das Nadelventil 16 ständig abwärts in seine
geschlossene Position zu drängen. Die zweite oder untere
Schraubendruckfeder 82 bewirkt ebenfalls über den Zwischenstift 88,
daß das Nadelventil 16 nach unten gedrängt wird, wenn das
Nadelventil 16 über eine vorbestiminte Zwischenposition angehoben
wird.
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Bei der Ein-Feder-Einspritzvorrichtung 10 wird eine
Beilegscheibe 39 benutzt, um die Vorbelastung der Ventilfeder 38 genau
einzustellen und dadurch den Ventilöffnungsdruck genau
einzustellen (d.h. den Druck, bei welchem das Nadelventil 16 von
dem Ventilsitz 19 abzuheben beginnt). Eine Adapterplatte 40, die
auf dem Düsenkörper 12 angeordnet ist, dient als ein Anschlag,
an dem eine obere Führung 30 des Nadelventils 16 in Anlage
bringbar ist, um den Ventilhub zu begrenzen.
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Bei der Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung 11 sind der obere
Federsitz 87 und der Zwischenstift 88 zwischen dem Nadelventil 16
und einem mit Außengewinde versehenen, mittigen Anschlag 92
angeordnet. Der Anschlag 92 ist einstellbar, um den maximalen
Ventilhub einzustellen. Ein erster, mit Außengewinde versehener
Federsitz 90 ist einstellbar, um die Vorbelastung der oberen Feder
80 präzise einzustellen und dadurch den Ventilöffnungsdruck
präzise festzulegen. Ein zweiter, mit Außengewinde versehener
Federsitz 96 ist einstellbar, um die Vorbelastung der unteren
Feder 82 präzise einzustellen. Wenn das Nadelventil 16 geschlossen
ist, ruht ein unterer Federsitz 98 der unteren Feder 82 auf
einer separaten ringförmigen Unterleg- oder Beilegscheibe 100.
Wenn das Nadelventil 16 bis in eine vorbestimmte
Zwischenposition angehoben wird, in der es einen vorbestimmten Zwischenhub
hat, der durch die Dicke der ringförmigen Beilegscheibe 100
festgelegt ist, berührt der Zwischenstift 88 den unteren
Federsitz 98 der unteren Feder 82. Dieser vorbestimmte Zwischenhub
ist vorzugsweise geringfügig kleiner als die Hälfte des
maximalen Ventilhubes.
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Die Einspritzvorrichtungen 10, 11 sind Einspritzvorrichtungen
der Lochbauart. Bei jeder Einspritzvorrichtung hat das
Nadelventil 16 einen vorbestimmten maximalen Hub, der vorzugsweise
innerhalb des üblichen Bereiches des maximalen Hubes von 0,20
bis 0,40 mm (0.008 bis 0.016 Zoll) von solchen
Einspritzvorrichtungen der Lochbauart liegt.
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Abgesehen von den unterschiedlichen Effekten, die durch die
unterschiedlichen Federmechanismen hervorgerufen werden, welche in
den beiden Einspritzvorrichtungen 10, 11 verwendet werden,
ermöglichen die beiden Einspritzvorrichtungen 10, 11, obgleich die
Einspritzvorrichtungen 10, 11 ansonsten baulich unterschiedlich
sind, denselben allgemeinen Typ von zweistufigem Ventilbetrieb,
der im folgenden beschrieben ist. Und die folgende Beschreibung,
die den Zweistufenbetrieb betrifft, gilt gleichermaßen für beide
Einspritzvorrichtungen 10, 11, ausgenommen dort, wo etwas
anderes angegeben ist.
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Der Düsenkörper 12 hat obere und untere, koaxiale
Ventilführungen oder -ringe 26, 28, die mit oberen und unteren, koaxialen
Führungen oder Ringen 30, 32 des Nadelventils 16 zusammenwirken,
um die Hin- und Herbewegung des Nadelventils 16 zu führen. Die
obere Ventilführung 26 ist an dem oberen Ende des Düsenkörpers
12 angeordnet, und die untere Ventilführung 28 ist mit Abstand
unterhalb der oberen Ventilführung 26 und oberhalb des
Ventilsitzes 19 angeordnet. Eine obere ringförmige Kraftstoffkammer
34, die das Nadelventil 16 umgibt, ist zwischen der oberen und
unteren Ventilführung 26, 28 vorgesehen. Eine untere ringförmige
Kraftstoffkammer 36, die das Nadelventil 16 umgibt, ist zwischen
der unteren Ventilführung 28 und dem Ventilsitz 19 vorgesehen.
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Der Durchmesser der oberen Führung 30 des Nadelventils 16 ist
größer als der Durchmesser des ringförmigen Ventilsitzes 19, um
eine unterschiedliche Fläche zum hydraulischen Anheben des
Nadelventils 16 von dem Ventilsitz 19 zur Kraftstoffeinspritzung
zu schaffen. Das Nadelventil 16 wird durch Hochdruckimpulse von
Kraftstoff periodisch betätigt, der der oberen ringförmigen
Kammer 34 über eine radiale Öffnung 41 in dem Düsenkörper 12 (Fig.
2) oder über einen oder mehrere interne Kraftstoffdurchlässe 42
in dem Düsenkörper 12 (Fig. 1) zugeführt wird. Jeder
Hochdruckimpuls wirkt, wie im folgenden ausführlicher beschrieben, auf
die unterschiedliche Fläche zwischen der oberen Führung 30 und
dem Ventilsitz 19 ein, um das Nadelventil 16 zu öffnen und
Kraftstoff zur Kraftstoffeinspritzung über die Sprühlöcher 22
zuzuführen.
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Bei einer Düse der Lochbauart haben in den meisten Fällen die
Hochdruckimpulse üblicherweise einen maximalen Druck innerhalb
eines Bereiches von 27,6 bis 11,72 MPa (4000 bis 17000 psi).
Dieser maximale Druck und der Ventilöffnungsdruck sind
Funktionen der Federkenndaten und der Vorbelastungseinstellung von
jeder Ventilschließfeder (d.h. der Feder 38 der
Einspritzvorrichtung 10 und der Federn 80, 82 der Einspritzvorrichtung 11) und
der Form des Hochdruckimpulses. Bei einer
Ein-Feder-Einspritzvorrichtung liegt der Ventilöffnungsdruck üblicherweise in dem
Bereich von 19,3 bis 34,5 MPa (2800 bis 5000 psi). Bei einer
Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung liegt der Ventilöffnungsdruck
üblicherweise in dem Bereich von 17,2 bis 20,7 MPa (2500 bis
3000 psi). Der Druck, der erforderlich ist, um das Nadelventil
aus seiner vorbestimmten Zwischenposition gegen die Vorbelastung
der zweiten Feder 82 zusätzlich zu der Vorspannung der ersten
Feder 80 anzuheben, liegt üblicherweise in dem Bereich von 23,4
bis 40 MPa (3400 bis 5800 psi).
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Die untere Führung 32 des Nadelventils 16 arbeitet mit der
unteren, feststehenden Ventilführung 28 zusammen, um den
Kraftstoffdurchfluß zwischen der oberen und unteren Kraftstoffkammer
34, 36 während eines Teils der Hin- und Herbewegung des
Nadelventils 16 zu begrenzen oder zu drosseln. Die Regulierung
erfolgt,während eines anfänglichen Aufwärtsinkrements der Bewegung
und eines entsprechenden letzten Abwärtsinkrements der Bewegung
des Nadelventils 16. Dieses Inkrement liegt vorzugsweise in dem
Bereich von etwa 0,1 bis 0,2 mm (0.004 bis 0.008 Zoll) oder ist
etwa gleich der Hälfte des maximalen Hubes des Nadelventils 16.
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Die untere Führung 32 des Nadelventils 16 hat einen oberen und
unteren, beabstandeten Abschnitt 50, 52 mit äußeren
zylindrischen Oberflächen. Der untere Abschnitt 52 hat drei
gleichwinkelig beabstandete, sich axial erstreckende Planflächen 54, die
axiale Durchlässe für einen ungedrosselten Kraftstoffdurchfluß
schaffen. Eine konische Oberfläche 56 bildet in Kombination mit
den Planflächen 54 einen peripheren Ringraum zwischen den
beabstandeten Abschnitten 50, 52 zum Verbinden der oberen Enden der
drei axialen Durchlässe.
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Der untere Teil des oberen Abschnitts 50 bildet einen inneren
Zumeßring 60, der innerhalb eines äußeren Zumeßringes 62
aufgenommen ist, welcher durch die untere, feststehende Führung 28
gebildet wird, wenn das Nadelventil 16 auf seinem Sitz ist. Der
innere Zumeßring 60 wird durch eine externe, zylindrische
Zumeßoberfläche gebildet, die eine untere, kreisförmige Zumeßkante
64 hat. Der äußere, feststehende Zumeßring 62 wird durch eine
interne, zylindrische Zumeßoberfläche gebildet, die eine obere,
kreisförmige Zumeßkante 66 hat. Jede Zumeßkante 64, 66 ist eine
scharfe Kante, die in den gezeigten Ausführungsformen durch den
zylindrischen Zumeßring 60 bzw. 62 und eine benachbarte,
rechtwinkelige Schulter gebildet wird. Ein Spieldurchlaß 68, der ein
radiales Spiel b hat, ist zwischen den beiden gegenüberliegenden
zylindrischen Zumeßringen 60, 62 vorhanden. Das diametrale Spiel
zwischen den beiden Zumeßringen 60, 62 liegt bei jeder der
gezeigten Ausführungsformen vorzugsweise innerhalb des Bereiches
von 0,0076 bis 0,0152 mm (0.0003 bis 0.0006 Zoll).
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Der untere Führungsabschnitt 52 ist vorgesehen, um die
konzentrizität des inneren und äußeren Zumeßringes 60, 62
aufrechtzuerhalten. Bei Düsen, die keinen unteren Führungsabschnitt 52 für
diesen Zweck benötigen, können der untere Führungsabschnitt 52
und die konische Zwischenoberfläche 56 weggelassen werden, und
die axiale Länge der unteren Ventilführung 28 kann entsprechend
reduziert werden.
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Der innere und äußere Zumeßring 60, 62 wirken zusammen, um den
Durchfluß zwischen der oberen und unteren Kammer 34, 36 während
eines Teils der Auf- und Abwärtsbewegung des Nadelventils 16 zu
regulieren. Die Durchflußzumessung oder -drosselung erfolgt
während des Anfangsinkrements des Nadelventilhubes und eines
entsprechenden letzten Inkrements der Nadelventilschließung. Zum
Beispiel bei geschlossenem Ventil, wie es in den Fig. 3 und 4
gezeigt ist, wirken, wenn die axiale Überlappung a der
Zumeßkanten 64, 66 0,152 mm (0.006 Zoll) beträgt (d.h. wenn die
Zumeßringe 60, 62 eine axiale Breite oder Überlappung a von 0,152 mm
(0.006 Zoll) haben), die kreisringförinigen Zumeßringe 60, 62
zusammen, um den Durchfluß während des anfänglichen Aufwärts- und
des letzten Abwärtsinkrements der Bewegung des Nadelventils 16
von 0,152 min (0.006 Zoll) zu regulieren. Die Zumeßkanten 64, 66
sind, wie beschrieben, vorzugsweise koaxiale, kreisförmige
Kanten, und die Zumeßringe 60, 62 werden durch zylindrische
Oberflächen gebildet. Alternativ (nicht gezeigt) können ein oder
beide Zumeßringe 60, 62 eine andere Form haben, um einen
allmählicheren Übergang zwischen regulierten und nichtregulierten
Zuständen zu schaffen, wenn sich das Nadelventil 16 hin- und
herbewegt.
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Vor dem Öffnen des Ventils ist der Druck in der unteren Kammer
36 im wesentlichen derselbe wie der in der oberen Hammer 34. Das
ist so selbst während eines schnellen Anstiegs des Druckes am
Beginn eines Hochdruckventilbetätigungsimpulses, weil bei
geschlossenem Nadelventil 16 nur ein extrem geringer Durchfluß
durch den Spieldurchlaß 68 erforderlich ist, um den Druck
zwischen der oberen und unteren Kammer 34, 36 auszugleichen. Wenn
jedoch das Nadelventil 16 von dem Ventilsitz 19 abhebt und
Kraftstoff durch den Spieldurchlaß 68 und die Sprühlöcher 22
strömt, wird der Druck in der unteren Kammer geringer sein als
der Druck in der oberen Kammer, und zwar aufgrund der
Kraftstoffdrosselung oder -zumessung, die durch den Spieldurchlaß 68
erfolgt. Demgemäß ist bei irgendeinem besonderen Druck in der
oberen Kammer die vorhandene hydraulische Öffnungsvorspannung an
dem Nadelventil 16 kleiner, wenn das Nadelventil 16 offen ist,
als wenn es geschlossen ist, und kleiner als sie sein würde,
wenn es keine Drosselung gäbe. Infolgedessen ist wegen der
Drosselung ein höherer Druck in der oberen Kammer erforderlich, um
das Nadelventil 16 weiter zu öffnen, nachdem es anfänglich
geöffnet worden ist. Das weitere Öffnen des Ventils wird deshalb
für eine kurze, aber bedeutsame Zeitspanne verlangsamt oder
verzögert, während welcher die Kraftstoffeinspritzmenge durch den
Spieldurchlaß 68 zugemessen oder gedrosselt wird.
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Somit erfolgen die Nadelventilbetätigung und die
Kraftstoffeinspritzung in zwei Stufen: einer ersten Stufe von teilweiser
Nadelventilöffnung, während welcher es eine regulierte oder
reduzierte Kraftstoffeinspritzmenge gibt, und einer zweiten Stufe
von ungedrosselter Kraftstoffeinspritzung. Die erste Stufe kann
zwei unterschiedlliche Phasen haben. Während einer ersten,
anfänglichen Öffnungsphase, wenn der Druck in der oberen Kammer
über den Nadelventilöffnungsdruck ansteigt, kann das Nadelventil
zwischen einer geschlossenen und einer teilweise offenen
Position schwanken oder pendeln. Die Ventilschwankung hält während
einer anschließenden zweiten Phase an, nachdem der Druck in der
oberen Kammer einen Wert erreicht hat, der ausreicht, um das
Nadelventil 16 vom Schließen abzuhalten. Bei der
Ein-Feder-Einspritzvorrichtung 10 setzt sich die Nadelventilschwankung in der
zweiten Phase fort, bis die gesamte Nadelventilöffnungskraft,
die durch die unterschiedlichen Kraftstoffdrücke in der oberen
und unteren Kammer 34, 36 erzeugt wird, ausreicht, um das
Nadelventil 16 aufwärts in seine vollständig offene Position zu
treiben. Ein repräsentativer Kraftstoffeinspritzzyklus der
Ein-Feder-Einspritzvorrichtung 10 ist in Fi.g 5 dargestellt. Bei der
Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung 11 hält die
Nadelventilschwankung in der zweiten Phase an, bis die gesamte
Ventilöffnungskraft ausreicht, um das Nadelventil 16 in seine vorbestimmte
Zwischenposition anzuheben, in welcher der Stift 88 den unteren
Federsitz 98 der zweiten Feder 82 berührt. Nach einer kurzen
Verzögerung, bis die gesamte Nadelventilöffnungskraft ausreicht,
um die Vorbelastung der zweiten Feder 82 zu überwinden, wird das
Nadelventil 16 in seine vollständig offene Position getrieben.
Diese kurze Verzögerung fügt somit der ersten Stufe der
Kraftstoffeinspritzung eine dritte Phase hinzu.
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Der Durchmesser der unteren Führung 32 wird gewählt, um die
gewünschte ventilschwankung zu erzielen. In einem Extrem wird es,
wenn der Durchmesser der unteren Führung 32 kleiner als der oder
gleich dem Durchmesser des Ventilsitzes 19 ist, keine
Ventilschwankung in der ersten Stufe geben. Statt dessen wird bei
der Ein-Feder-Einspritzvorrichtung 10 das Nadelventil 16 in
einem einzelnen Schritt in seine vollständig offene Position
getrieben. Bei der Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung 11 wird das
Nadelventil 16 am Anfang in seine vorbestimmte Zwischenposition
getrieben, wo die zweite Feder 82 wirksam wird. Nach der oben
beschriebenen kurzen Verzögerung wird das Nadelventil 16 in
seine vollständig offene Position getrieben. In dem anderen
Extrem wird, wenn der Durchmesser der unteren Führung 32 gleich
dem oder größer als der Durchmesser der oberen Führung 30 ist,
bei beiden Einspritzvorrichtungen 10, 11 das Nadelventil 16
zwischen einer geschlossenen und einer teilweise offenen Position
pendeln oder schwanken und niemals vollständig öffnen. Die
Nadelventilbetätigung, die durch eine dieser extremen Bedingungen
geschaffen wird, kann zwar in gewissen Fällen erwünscht sein, im
allgemeinen sollte jedoch der Durchmesser der unteren Führung 32
in einem zentralen Bereich zwischen dem Durchmesser des
Ventilsitzes 19 und der oberen Führung 30 liegen.
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Die zweistufige Ventilbetätigung wird durch die Druck/Zeit-Kurve
oder -form des Hochdruckkraftstoffimpulses beeinflußt, welcher
der oberen Kraftstoffkammer 34 zugeführt wird. Bei jedem
bestimmten Kraftstoffeinspritzsystem variiert die Impulsform mit
der Motordrehzahl. Bei höheren Motordrehzahlen nimmt der Druck
des zugeführten Hochdruckimpulses schneller zu, wodurch für
einen effektiven Erststufenbetrieb weniger Zeit zur Verfügung
gestellt wird. Infolgedessen ist bei der
Ein-Feder-Einspritzvorrichtung 10 die Erststufenventilbetätigung üblicherweise bei
niedrigeren Drehzahlen ausgeprägter. Bei der
Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung 11 kann die Erststufenbetätigung während des
gesamten gewünschten Motordrehzahlenbereiches durch richtige
Auswahl des Zwischenventilhubes und durch Verwendung von Federn
80, 82 mit einer geeigneten Vorbelastung und Federsteife erzielt
werden.
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Gewisse Düsenabmessungen oder -parameter werden für jeden Fall
festgelegt, um die gewünschte zweistufige oder zweiphasige
Betätigung zu erzielen. Im Falle eines typischen
Kraftfahrzeugdieselmotors (z.B. eines Zweilitermotors mit vier Zylindern und
mit Einspritzvorrichtungen, die direkt eine Ladung einspritzen,
welche ein maximales Volumen von ungefähr 40 mm³ hat, und die
durch Hochdruckimpulse betätigt werden, welche einen maximalen
Druck haben, der sich mit der Motordrehzahl in dem Bereich von
34,5 bis 96,5 MPa (5000 bis 14000 psi) verändert), lauten die
Düsenparameter und ihre bevorzugten nominellen
Abmessungsbereiche wie folgt:
Parameter
Nomineller Abmessungsbereich
Durchmesser der oberen Ventilführung
Durchmesser der unteren Ventilführung
Diametrales Spiel 68
Durchmesser des Ventilsitzes
Zumeßringbreite (Kantenüberlappung) a
Maximaler Ventilhub
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In dem typischen Fall eines Kraftfahrzeugdieselmotors, der oben
beschrieben ist, ist es im allgemeinen erwünscht, ungefähr die
ersten 5 mm³ Kraftstoff mit einer reduzierten Geschwindigkeit
einzuspritzen, um das Verbrennungsgeräusch und
Stickoxidemissionen zu reduzieren. Optimale Abmessungen innerhalb der oben
angegebenen Bereiche werden festgelegt, um diesen Wert der
Einspritzung der ersten Stufe zu erzielen. In Fällen von anderen
Dieselmotoren können die optimalen Abmessungen außerhalb der
angegebenen Bereiche liegen.
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Die axiale Position der Zumeßringe 60, 62 relativ zu dem
Ventilsitz 19 kann den Zweistufenbetrieb beeinflussen. Allgemein
wird angenommen, daß die Zumeßringe 60, 62
näher bei dem
Ventilsitz 19 als bei den oberen Führungen 26, 30 angeordnet sein
sollten, um das Volumen der unteren Kraftstoffkammer 36 zu
reduzieren und dadurch die Ansprechempfindlichkeit des
Nadelventils 16 auf die zugemessene Geschwindigkeit des Durchflusses
durch den Spieldurchlaß 68 zu erhöhen.
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Der innere und der mit diesem zusammenwirkende äußere Zumeßring
60, 62 sorgen, wie beschrieben, für eine Kraftstoffdrosselung
und deshalb für eine Kraftstoffdurchsatzgestaltung während der
ersten Stufe der Ventilbetätigung. Die Kraftstoffregulierung
während der ersten Stufe erfolgt auf eine Weise, die für den
Ventilhub im wesentlichen unempfindlich ist, da die
Kraftstoffregulierung in der ersten Stufe nicht auf der
Kraftstoffzumessung zwischen dem Nadelventil 16 und dem Ventilsitz 19 basiert.
Es wird dadurch eine effektivere und beständigere
Durchsatzgestaltung erreicht.
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Bei der Zwei-Federn-Einspritzvorrichtung 11 kann die
Ventilbetätigung in der ersten Stufe auf höhere Drehzahlen ausgedehnt
und auf andere Weise nach Bedarf modifiziert oder verbessert
werden. Zum Beispiel, die zweite Feder 82 ist in einer
Zwischenposition wirksam, die einen vorbestimmten Zwischenventilhub
von 0,1 mm (0.004 Zoll) hat (zur Verwendung in Kombination mit
einer Zumeßringbreite (Kantenüberlappung) a von 0,15 mm (0.006
Zoll) und einem gesamten Ventilhub von 0,3 mm (0.012 Zoll)).
Während der ersten Stufe der Ventilbetätigung wird das
Nadelventil 16 durch die Vorbelastung der zweiten Feder 82 vorübergehend
in dieser vorbestimmten Zwischenposition gehalten.
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Während der zweiten Stufe der Ventilbetätigung (bei
Konstruktionen, bei denen entweder eine oder zwei
Nadelventilschließfedern benutzt werden) wird die Kraftstoffeinspritzmenge nicht
durch die Zumeßringe 60, 62 nachteilig beeinflußt. Außerdem ist
der Übergang zwischen der ersten und zweiten Stufe, während
welchem die zusammenwirkenden Zumeßringe 60, 62 eine variierende
Übergangswirkung haben, extrem schnell. Während der ersten Stufe
werden das Ventilverhalten und die Kraftstoffeinspritzmenge
hauptsächlich durch die Kraftstoffdurchflußleistung zwischen den
Zumeßringen 60, 62 bestimmt. Während der zweiten Stufe wird das
Nadelventil 16 schnell in seine vollständig offene Position
getrieben und dann vorübergehend in dieser gehalten. Die Breite
(Kantenüberlappung), der Durchmesser und die Konfiguration der
Zumeßringe 60, 62, die Federsteife und die Vorbelastung jeder
Ventilfeder sowie die Zwischenventilposition werden für jeden
Düsenverwendungszweck vorherbestimint, um diese zweistufige
Ventilbetätigung nach Wunsch zu gestalten.
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Die Zumeßringe 60, 62 beeinflussen auch den Kraftstoffdurchfluß
während der Ventilschließung. Während des letzten Inkrements der
Ventilschließung wirken die beiden Ringe 60, 62 zusammen, um den
Kraftstoffdurchfluß zwischen der oberen und unteren Kammer 34,
36 zu begrenzen. Außerdem dient die untere Führung 32 des
Nadelventils 16 als eine Pumpe, um den Kraftstoff in der unteren
Kammer 36 unter Druck zu setzen, wenn, wie bevorzugt, der innere
Zumeßring 60 einen Durchmesser hat, der größer als der des
Ventilsitzes 19 ist. Dieser Pumpvorgang wird durch
Entwurfsparameter und andere Faktoren, die oben erläutert worden
sind, beeinflußt. Durch diesen Pumpvorgang wird der
Kraftstoffdruck an dem Sprühloch (an den Sprühlöchern) 22 und dem
Ventilsitz 19 auf einem höheren Druck als sonst gehalten, bis das
Nadelventil 16 vollständig geschlossen ist. Der höhere Druck
hilft, Kraftstoffnachtröpfeln aus dem Sprühloch (den
Sprühlöchern) 22 zu eliminieren oder zu reduzieren, und hilft,
Kavitation in der unteren Kraftstoffkammer 36 zu eliminieren oder zu
reduzieren, indem er hilft, daß Dampfkavitäten kollabieren und
verhindert werden, die sich üblicherweise an oder nahe bei dem
Ventilsitz 19 während der Ventilschließung bilden.
Kavitationserosion an oder nahe bei dem Ventilsitz 19 wird dadurch
reduziert oder eliminiert. Darüber hinaus dämpft der Spieldurchlaß
68 die Übertragung von jedweden sekundären Druckwellen aus der
oberen Kammer 34 in die untere Kammer 36, die durch Reflexion
des Einspritzimpulses und anschließend an jedes
Einspritzereignis verursacht werden. Diese Dämpfung eliminiert eine
unerwünschte "sekundäre" Kraftstoffeinspritzung und minimiert weiter
Kavitation innerhalb der unteren Kraftstoffkammer 36 und
minimiert
so Erosion an oder nahe bei dem Ventilsitz 19.
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Die beschriebenen exemplarischen
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 10, 11 sind Kraftstoffeinspritzvorrichtungen der Lochbauart
und dafür bestimmt, in Kraftstoffanlagen benutzt zu werden, in
welchen eine entfernt angeordnete Hochdruckpumpe benutzt wird,
um Hochdruckkraftstoffimpulse den
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 10, 11 über Hochdruckkraftstoffleitungen zuzuführen. Die
vorliegende Erfindung ist auch ohne weiteres an andere Typen von
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen anpaßbar, z B.
Einheitskraftstoffeinspritzvorrichtungen, bei denen eine Hochdruckpumpe
als Teil jeder Einspritzvorrichtungsbaugruppe und
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen der Zapfenbauart benutzt werden.