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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine neuartige, hydraulisch betätigte
Einspritzvorrichtung für gasförmige oder
duale Kraftstoffe für
eine Verbrennungskraftmaschine. Genauer bezieht sich die Anmeldung
auf einen hydraulisch betätigten
Gasinjektor oder eine Einspritzvorrichtung, jeweils zum Einspritzen
eines gasförmigen
Kraftstoffes und eines Steuerkraftstoffes in eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine
zu unterschiedlichen Zeiten unter kontrolliertem Druck.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Aufgrund seiner Verfügbarkeit,
der geringen Kosten und des Potenfials zur Reduzierung von Partikelemissionen
ist Erdgas ein vielversprechender Kandidat für die Betankung von Dieselmaschinen. Verfahren,
die verwendet werden können,
um eine Dieselmaschine (eine Kompressionszündungsmaschine) für den Verbrauch
von Erdgas umzurüsten, fallen
in drei Kategorien. Eine ist, die Maschine zu einer Funkenzündungsmaschine
mit stöchiometrischer oder
magerer Verbrennung umzurüsten.
Als zweite Option kann die Maschine auf Erdgas umgerüstet werden,
indem eine "Dualkraftstoff"-Technik
verwendet wird, bei der das Erdgas mit der gesamten Einlassluft
oder mit einem Teil derselben gemischt wird und mittels Dieselkraftstoff
gezündet
wird, der am Ende des Kompressionshubes eingespritzt wird. Ein drittes
Verfahren ist die direkte Einspritzung des Erdgaskraftstoffes in
die Brennkammer mit einer Zündquelle.
Das bevorzugte Verfahren, wie im folgenden beschrieben wird, ist
das direkte Einspritzungsverfahren, das das einzige Verfahren ist,
das die inhärenten,
günstigen
Betriebseigenschaften und den hohen Wirkungsgrad von Dieselmaschinen
bewahrt.
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(1) Betanken von Dieselmaschinen
mit vorgemischter Luft und Erdgas Funkenzündung
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Eine Dieselmaschine kann auf Erdgas
umgerüstet
werden, indem das Erdgas mit der Einlassluft eingespritzt wird und
dem Gemisch erlaubt wird, durch das Einlassventil in die Kammer
einzutreten. Das Gemisch, stöchiometrisch
oder mager, kann anschließend
nahe dem oberen Totpunkt unter Verwendung von Zündkerzen gezündet werden.
Um jedoch eine Explosion des Gemisches zu vermeiden, muss das Kompressionsverhältnis der
Maschine reduziert werden. Eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses
wird von einer Reduktion des Wirkungsgrades begleitet, oder äquivalent
von einer Erhöhung
des Kraftstoffverbrauchs. Um ferner die Stärke des Gemisches unter allen
Bedingungen aufrechtzuerhalten, muss die Einlassluft gedrosselt
werden, was Pumpverluste und eine weitere Erhöhung des Kraftstoffverbrauches,
der zum Aufrechterhalten einer äquivalenten
Leistung erforderlich ist, bewirkt. Diese Verluste treten insbesondere
bei geringer Last oder Teillast auf, was die vorherrschenden Betriebsbedingungen von
Kraftfahrzeugmaschinen sind. Typischerweise bietet die Umrüstung von
Dieselmaschinen auf stöchiometrische
oder magere Verbrennung von Erdgas mit Funkenzündung eine deutliche Reduktion
schädlicher
Emissionen, führt
jedoch zu einer Erhöhung des
Kraftstoffverbrauchs.
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(2) Betanken von Dieselmaschinen
mit vorgemischter Luft und Erdgas Steuerzündung
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Bei diesem Verfahren wird das Erdgas
im allgemeinen der Einlassluft zugemischt und tritt durch die Einlassöffnungen
oder das Ventil in die Brennkammer ein. Das Gemisch wird nahe dem
oberen Totpunkt durch Einspritzen von Steuerdieselkraftstoff (Zünd-Dieselkraftstoff)
gezündet.
Bei diesem Verfahren gibt es jedoch grundsätzliche Komplikationen:
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- 1. Bei niedriger Last mit ungedrosseltem Dieselbetrieb ist
das Gaskraftstoff- und
Luft-Gemisch für
eine zufriedenstellende Verbrennung zu mager. Der Kraftstoffverbrauch
steigt unter diesen Bedingungen an, wobei die Kohlenwasserstoffemissionen
ebenfalls ansteigen. Abhilfemaßnahmen
für diese
Situation umfassen:
- a. Rückkehr
zum Dieselkraftstoffbetrieb bei geringen Lasten – in bestimm ten Anwendungen,
bei denen wesentliche Teillastbedingungen existieren, hebt diese
Abhilfemaßnahme
den Zweck der Kraftstoffsubstitution auf.
- b. Drosseln der Einlassluft, was kompliziert ist, wenn die Maschine
mit Turboladern ausgestattet ist, aufgrund der Gefahr eines Kompressorstoßes (obwohl dies
bei modernen, elektronisch geregelten Abgasklappen vermieden werden
kann). In jedem Fall beseitigt eine solche Drosselung einen inhärenten Vorteil
des Dieselbetriebs.
- c. Überspringzündung, was
nicht die Zündung
der Zylinder bei jedem Zyklus sondern, bei jedem zweiten Zyklus
umfasst. Dieses Verfahren erlaubt gewöhnlich, keinen gleichmäßigen Maschinenbetrieb, insbesondere
bei Vierzylindermaschinen, und ist üblicherweise zu instabil für den Leerlauf,
der einen direkten Dieselbetrieb erfordert.
- 2. Da während
der Kompression ein vorgemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch existiert,
besteht die Gefahr des Klopfens (einer unkontrollierten Verbrennung des
Gemisches) mit einer möglichen
Maschinenbeschädigung.
Somit kann eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses erforderlich sein.
Wenn eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses gewählt wird,
wird die Maschineneffizienz geopfert. Wenn das Kompressionsverhältnis aufrechterhalten
wird, muss die unter der jeweiligen Bedingung verwendete Menge an
Erdgas begrenzt werden, so dass das gebildete Gemisch nicht zum
Klopfen neigt. Dies bedeutet, dass mehr Dieselkraftstoff verwendet
werden muss, um Fälle
mit hoher Last zu unterstützen.
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Dieses Steuerzündungsverfahren und das vorher
beschriebene Funkenzündungsverfahren
sind für
Zweitaktmaschinen kaum geeignet, da eine wesentliche Menge der Einlassladung
in Zweitaktmaschinen durch das Auslassventil hinausströmt und verschwendet
wird. Um diese Überströmung zu
vermeiden, und um die Verbrennungseigenschaften bei geringer Last
zu verbessern, wurde vorgeschlagen, das Erdgas direkt in die Brennkammer
einzuspritzen, nachdem alle Ventile oder Öffnungen geschlossen worden
sind, jedoch noch ein relativ geringer Druck vorherrscht. Dies ergibt
zusätzliche
Schwierigkeiten, da eine neue Einspritzsystemsteuerung erforderlich ist, Modifikationen
am Kopf oder Motorblock erforderlich sind und eine Dosierung des
gasförmigen
Kraftstoffes und die Sicherstellung der Schichtung schwierig sind.
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Soweit bekannt ist, hat sich das
zweite Verfahren als fähig
erwiesen, die Effizienz über
einen weiten Bereich von Last und Drehzahlen aufrechtzuerhalten,
indem nur eine wesentliche Menge an Dieselkraftstoff zurückbehalten
wird, um die obigen Probleme zu kompensieren.
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3) Direkteinspritzung von
Erdgas in Dieselmaschinenzylinder
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Der große Vorteil der direkten Einspritzung von
Kraftstoff in die Maschinenzylinder im Dieselbetrieb ist, dass sie über den
gesamten Lastbereich eine effiziente und stabile Verbrennung erlaubt.
Dies liegt daran, dass die Verbrennung in lokalen Regionen stattfindet,
in denen das Kraftstoff-Luft-Verhältnis innerhalb
der vorgeschriebenen Entflammbarkeitsgrenzen liegt. Erdgas hat gegenüber Dieselkraftstoff den
Vorteil, dass es keine Zerstäubung
in Mikrotröpfchen
erfordert und somit keine sehr hohen Einspritzdrücke erfordert. Für die Dieseleinspritzung
sind Drücke
von etwa 1.000 at für
den effizientesten Betrieb erforderlich. Für Erdgas sind Drücke von
200 at ausreichend. Die Hauptschwierigkeit bei der direkten Einspritzung
von Erdgas besteht darin, dass das Gas bei dem typischen Temperatur-
und Druckbereich einer Dieselmaschine nicht selbst zündet, wie
es Dieselkraftstoff tut. Um diese Schwierigkeit zu überwinden,
muss eine weitere Zündquelle
vorgesehen sein. Beispiele von Zündquellen
sind eine bestimmte kleine Menge an selbstzündendem Steuerdieselkraftstoff,
der mit oder separat von dem Erdgas eingespritzt wird, Glühkerzen
oder heisse Oberflächen
und dergleichen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert,
die an der Maschine erforderlichen Modifikationen zu begrenzen.
Diesbezüglich
ist eine Zündquelle
vorteilhaft, die durch einen einzigen Injektor mit dem Erdgas oder
anderen gasförmigen Kraftstoffen
eingespritzt werden kann.
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Überblick über den
Stand der Technik
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Der erfolgreiche Betrieb von Dieselmaschinen
mit großer
Bohrung und direkter Einspritzung von komprimiertem Erdgas wurde
in Nordamerika demonstriert, wie in den folgenden Veröffentlichungen
beschrieben ist:
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- 1. J. F. Wakenell, G. B. O'Neal und Q. A. Baker, "High
Pressure Late Cycle Direct Injection of Natural Gas in a Rail Medium
Speed Diesel Engine", SAE Technical Paper 872041;
- 2. M. L. Willi, B. G. Richards, "Design and Development of a
Direct Injected, Glow Plug Ignition Assisted, Natural Gas Engine",
ICE, Bd. 22, Heavy Duty Engines: A look at the Future, ASME 1994;
und
- 3. D. P. Meyers, G. D. Bourn, J. C. Hedrick, J. T. Kubesh, "Evaluation
of Six Natural Gas Systems for LNG Locomotive Applications", SAE
Technical Paper 972967.
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Meyers u. a. am South West Research
Institute demonstrierten die Überlegenheit
der Direkteinspritzung von Erdgas gegenüber anderen Mitteln der Betankung
einer Lokomotivenmaschine mit Erdgas. Die Direkteinspritzung von
Erdgas führt
zum besten thermischen Wirkungsgrad für die beabsichtigte Reduktion
von Stickoxidemissionen. Sie verwendeten zwei Injektoren, um die
Einspritzung der zwei Kraftstoffe zu bewerkstelligen. Der Gasinjektor
wurde hydraulisch betätigt
und elektronisch gesteuert und war in einem Winkel in der Brennkammer
montiert. Es wurde der ursprüngliche
Dieselkraftstoffinjektor verwendet, jedoch mit kleineren Löchern, um
die Menge des eingespritzten Dieselstrahlkraftstoffes zu reduzieren.
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Die Arbeit von Wakenell u. a., ausgeführt am South
West Research Institute, verwendet die direkte Einspritzung von
Erdgas in eine Lokomotiven-Zweitakt-Dieselmaschine mit großer Bohrung
(8,5 Zoll). Das Erdgas wurde in flüssiger Form (LNG) gespeichert
und anschließend
mit hohen Drücken
von 5.000 psi (340 at) gepumpt. Die volle Nennleistung wurde mit
weniger als 2 % Steuerdieselkraftstoff (98 % Erdgas) erreicht, wobei
der thermische Wirkungsgrad etwas weniger als 100 % des Dieselbetriebes
betrug. Der Gasinjektor ersetzte den Dieselinjektor, wobei ein kleiner
Dieselinjektor im "Testhahn"-Loch
im Zylinderkopf installiert wurde. Der Gasinjektor war ein hydraulisch
betätigter
Gasinjektor, wobei der hohe Druck mittels einer unabhängigen Hydraulikpumpe zugeführt wurde.
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Willi und Richards bei Caterpillar
demonstrierten die Möglichkeit
der Verwendung von Glühkerzen
zum Zünden
des direkt eingespritzten Erdgases in einer Dieselmaschine. Die
Ergebnisse zeigten gleiche oder bessere thermische Wirkungsgrade
und Stickoxidemissionen sowie reduziertes Partikelmaterial. Der
für diese
Anmeldung verwendete Injektor ist ein modifizierter HEUI-Injektor
von Caterpillar (der Gegenstand der SAE-Papiere 930270 und 930271 ist
und folglich in den US-Patenten 5.181.494 und 5.191.867 und 5.245.970
und 5.143.291). Der Injektor, der nur für die Gaseinspritzung ausgelegt
ist, enthält
einen Mechanismus zum Formen der Injektionsrate der gasförmigen Injektion.
Drucköl
wird von einer gewöhnlichen
Pumpe zugeführt
und innerhalb des Injektors verstärkt. Es scheint kein Mittel
zum Injizieren eines Steuerkraftstoffes oder irgendeine Druckbegrenzungsvorrichtung
vorhanden zu sein.
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Die folgenden norwegischen Publikationen offenbaren
die Einspritzung von gasförmigen
Kraftstoff in Dieselmaschinen:
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- 1. P. M. Einang, S. Korea; R. Kvamsdal, T.
Hansen und A. Sarsten, "High-Pressure,
Digitally Controlled Injection of Gaseous Fuel in a Diesel Engine,
with Special Reference to Boil-Off from LNG Tankers", Proceedings
CIMAC Conf., Juni 1983;
- 2. P. M. Einang, N. Engja, H. Vestergren, "Medium Speed 4-stroke
Diesel Engine Using High Pressure Gas Injection Technology", Proceedings
CIMAC Conf., 1987.
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Einang. u. a. [1983] in Norwegen
führten Tests
durch, bei denen die direkte Einspritzung von Erdgas in eine Zweitakt-Marinedieselmaschine
durch einen separaten Gasinjektor verwendet wurde, wobei der ursprüngliche
Dieselkraftstoffinjektor für
die Steuerzündung
verwendet wurde. Mit 73 Erdgasanteil war der thermische Wirkungsgrad
der mit Erdgas betankten Maschine etwas besser als bei Dieselbetankung. Die
NOx-Emissionen wurden um etwa 24 % reduziert. Es wurden keine Einzelheiten über den
Gasinjektor angegeben. Die anschließende Arbeit [1987] nutzte
die direkte Einspritzung von Erdgas mit Steuerdieselkraftstoff in
einer Viertaktmaschine.
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Es wurde ein kombiniertes Gas/Öl-Einspritzventil
verwendet, jedoch sind keine Einzelheiten dieses Injektors in der
Publikation offenbart.
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In Finnland ist die folgende Publikation
von Interesse:
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- 1. R. Verstergren, "The Merits of the Gas-Diesel Engine",
ASME ICE, Bd. 25-3, 1995.
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Die finnische Arbeit bei Wartsila
Diesel International bezieht sich auf die Verwendung von direkt eingespritztem
Erdgas mit Steuerdieselkraftstoff und zeigt das Potential der Technik,
um Erdgas zu verwenden, während
die hohe Ausgangsleistung von Dieselmaschinen aufrechterhalten wird.
Dualkraftstoffinjektoren sind im Papier nicht genauer erläutert, erscheinen
jedoch in mehreren Patenten, wie später beschrieben wird.
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Aus Japan und Dänemark sind die folgenden Veröffentlichungen
von Interesse:
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- 1. M. Miyake, Y. Endo, T. Biwa, S. Mizuhara,
O. Grone, P. S. Pendersen, "Recent Developement of Gas Injection
Diesel Engines", CIMAC Conf., Warschau, 1987;
- 2. T. Biwa, O. Beppu, P. S. Pendersen, O. Grone, O. Schnohr,
M. Fogh, "Developement of the 28/32 Gas Injection Engine", MAN B&W;
- 3. M. Miyake, T. Biwa, Y. Endoh, M. Shimotsu, S. Murakami, T.
Komoda, "The Developement of High Output, Highly Efficient Gas Burning
Diesel Engines", 15th CIMAC Conference, Paris, 1983, Proceedings
Bd. A2, S. 1193-1216;
- 4. T. Fukuda, T. Komoda, K. Furushima, M. Yanagihara, Y. Ito,
"Developement of Highly Efficient Gas Injection Diesel Engin with
Glow Plug Ignition Assist for Cogeneration Systems", JSME-ASME International
conference in Power Engineering, ICOPE-93.
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Die japanische Arbeit von Miyake
u. a. (Mitsui Engineering and Shipbuilding Co.) zeigte gute Ergebnisse
mit einer äquivalenten
Maschineneffizienz bei 85 % Maschinenlast unter Verwendung von 5
% Steuerdieselkraftstoff in einer großen Dieselmaschine (420 mm
Bohrung). Es wurden zwei Einspritzsysteme präsentiert; das erste nutzt zwei
separate Injektoren. In diesem Beispiel wird ein Gasinjektorentwurf beschrieben,
der auf einer hydraulisch betätigten
Nadel beruht. Die Hydraulikbetätigungsquelle
ist eine maschinenbetriebene Aktuatorpumpe. Ein Einzelinjektorentwurf,
der sowohl den Steuerdieselkraftstoff als auch das Erdgas einspritzen
kann, wird ebenfalls präsentiert.
Der Injektor wird ebenfalls durch eine externe Druckölquelle
betätigt
und beruht auf konzentrischen Nadeln. Die schematischen Entwürfe enthalten
keine Druckbegrenzung. Ferner ist der Entwurf für kleinere Dieselmaschinen
nicht gut geeignet, da die Nadelsitze sieh nicht an der Spitze des
Injektors. befinden. Dies bedeutet, dass eine wesentliche Menge
an Kraftstoff im Injektor bleibt und spät im Expansionshub eingespritzt
werden kann. Diese Situation ist bei einer Maschine mit einem hohen
Kraftstoffverbrauch nicht sehr wichtig, führt jedoch in einer kleineren
Maschine, die von Leerlauf bis zur Nenndrehzahl betrieben wird,
auch zu, erhöhten
Verschmutzungsemissionen und zu einem Verlust an Wirkungsgrad.
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Dieselben japanischen Autoren präsentierten
im Jahr 1987 weitere Verfeinerungen und Tests. Ein neu kombinierter
Injektor wurde auf der Grundlage zweier separater Nadelventile präsentiert,
die stromaufseitig der Injektorspitze angeordnet sind, wobei eine
den Steuerdieselkraftstoff kontrolliert und die andere das Erdgas
kontrolliert. Wie oben erwähnt worden
ist, ist dieser Entwurf nicht gut für kleinere Maschinen geeignet,
aufgrund der Kraftstoffmenge, die zwischen dem Nadelventil und der
Injektorspitze festsitzt, was zu einer Späteinspritzung führt. Ferner ist
es schwierig, eine feine Zerstäubung
des Steuerdieselkraftstoffes mit einem Nadelventil zu bewerkstelligen,
das von der Spitze abgesetzt angeordnet ist.
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Das Mitsui-Konstruktionsteam hat
ferner ein System getestet, das die direkte Einspritzung von Erdgas
nur mit Glühkerzenzündung verwendet.
In diesem Fall wurde ein Gaseinspritzventil verwendet, jedoch bietet
das schematische Diagramm wenig Informationen über das Nadelventil, das mittels
Hochdrucköl
betätigt
wird, welches von einer externen Pumpe geliefert wird.
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Die Arbeit des japanischen und des
dänischen
Teams an der 28/30-Maschine
(MAN B&W Diesel
und Mitsui) weist ebenfalls einen einzelnen Injektor auf, der Steuerdieselkraftstoff
und Erdgaskraftstoff handhaben kann. Hier beruht der Entwurf auf zwei
separaten Nadelventilen, die stromaufseitig von der Düse angeordnet
sind. Der Entwurf weist Hochdrucköl als Mittel zum Einschließen des
Hochdruckerdgases auf. Die 28/32-Maschine ist eine Maschine mit
ziemlich großer
Bohrung (280 mm), die für
Generatoren und in Marineanwendungen verwendet wird. Das Betätigungsöl wurde
ebenfalls von einer unabhängigen
Pumpe zugeführt.
Der Injektorentwurf enthält
ein Nadelventil gut stromaufseitig der Düse, was für kleinere Maschinen ungeeignet
ist, wie vorher erläutert
wurde.
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Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff
in die Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine sind seit vielen
Jahren bekannt. Mehrere Patente offenbaren Kraftstoffinjektoren:
Das
US-Patent Nr. 4.543.930, von Baker, offenbart eine Maschine, die
einen Hauptkraftstoffinjektor und einen Steuerkraftstoffinjektor
enthält.
Der Steuerkraftstoff und der Hauptkraft können derselbe Kraftstoff sein.
Der Steuerinjektor injiziert zwischen 5 und 15 % des gesamten Kraftstoffes
zu verschiedenen Zeitpunkten, in Abhängigkeit von der Menge des
injizierten Steuerkraftstoffs, der Kraftstoffcetanzahl und der Drehzahl
und Last. Der Steuerkraftstoffinjektor ist in Richtung zur Mittellinie
des Dieselzylinders und in einem Winkel zur Richtung der Oberseite
des Kolbens gerichtet. Dies meidet die Wände des Zylinders. Die Schichtung
des früh
eingespritzten Steuerkraftstoffs ist erforderlich, um die Kraftstoff-Luft-Mischrate zu
reduzieren, einen Verlust an Steuerkraftstoff an Löschzonen
zu verhindern und das Kraftstoff-Luft-Gemisch davor zu bewahren,
zu mager zu werden, um wirksam zu werden. Der Steuerkraftstoffinjektor
kann ein einzelnes Loch zum Einspritzen des Kraftstoffes enthalten
und ist auf etwa 48° unterhalb
des Kopfes des Zylinders gerichtet.
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Das US-Patent Nr. 4.416.229, von
Wood, offenbart ein System, bei dem Dieselkraftstoff dem Hohlraum
eines Injektors an einer Stelle nahe dem Ventilsitz zugeführt wird.
Alternativ wird Kraftstoff dem Hohlraum des Injektors zugeführt. Der
Dieselkraftstoff wird mit einem relativ niedrigen Druck zugeführt, der
das Ventilelement nicht in die offene Position bewegt. Der alternative
Kraftstoff wird mit einem relativ hohen Druck zugeführt, der
ausreicht, um das Ventilelement in die offene Position zu bewegen,
in Intervallen unmittelbar vor der Bewegung des Kolbens des Zylinders
der Brennkammer, in die der Kraftstoff eingespritzt werden soll,
in eine hohe Zentralposition während
seines Kompressionshubes. Die Kraftstoffzufuhr verhindert den Rückfluss
des Kraftstoffes und hält
somit den Hohlraum mit Kraftstoff gefüllt, mit Ausnahme dann, wenn
alternativer Kraftstoff innerhalb des Hohlraums durch die Zufuhr
von Dieselkraftstoff verdrängt
wird. Eine Schwade beider Kraftstoffe mit dem Dieselkraftstoff an
der Spitze wird in die Kammer eingespritzt, um dem Dieselkraftstoff zu
ermöglichen,
durch die Kompression in der Kammer gezündet zu werden, wobei der alternative
Kraftstoff durch den Dieselkraftstoff gezündet wird.
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Das US-Patent Nr. 4.724.801, von
Kelgard, offenbart eine Dual-Kraftstoff-Maschine, die mit direktem Dieselkraftstoff
oder mit gasförmigem
Kraftstoff und Steuereinspritzung von Dieselkraftstoff betrieben
wird. Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf Dual-Kraftstoff-Maschinen
für die
Verwendung in Straßenfahrzeugen,
hat jedoch auch andere Anwendungsgebiete. Die Erfindung betrachtet
ferner die Verwendung von Wärme
von Kühlwasser
von den Hüllen
der Maschine, um einen flüssigen
Kraftstoff in einen gasförmigen
Zustand zu verdampfen, welcher anschließend direkt in die Zylinder
der Maschine während
des Betriebs im Dual-Kraftstoff-Zyklus eingespritzt wird.
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Das US-Patent Nr. 5.067.467, von
Hill u. a., offenbart eine neuartige Vorrichtung zum Komprimieren
und Einspritzen von gasförmigem
Kraftstoff von. einer Gaskraftstoffzuführung mit variablem Druck in eine
Kraftstoffaufnahmevorrichtung. Der Verstärkungsinjektor komprimiert
und injiziert gasförmigen Kraftstoff
von einer Quelle mit veränderlichem
Druck in den Zylinder einer Maschine mit Zwangsverdrängung. Der
Verstärkungsinjektor
für gasförmige Kraftstoffe
in einer Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Vorrichtung, die
ein komprimiertes Gas von der Kammer der Verbrennungskraftmaschine
oder ein komprimiertes Fluid oder Gas von einem externen Kompressor
nutzt, um ein Verstärkungsmittel
anzutreiben, das den Druck des Kraftstoffgases, das der Verbrennungskraftmaschine
zugeführt
wird, für
eine schnelle Spätzykluseinspritzung
in den Zylinder der Verbrennungskraftmaschine anhebt. In dieser
Vorrichtung werden der gasförmige
Kraftstoff und der flüssige
Steuerkraftstoff miteinander vermischt und durch dieselben Löcher eingespritzt.
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Das US-Patent Nr. 5.315.973, von
Hill u. a., offenbart eine verwandte Vorrichtung zum Komprimieren
und Einspritzen von gasförmigem
Kraftstoff aus einer Gaskraftstoffzuführung mit veränderlichem Druck
in die Kraftstoffaufnahmevorrichtung. Der Verstärkungsinjektor für gasförmige Kraftstoffe
in einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Mechanismus, der
das komprimierte Gas von einem externen Kompressor nutzt, um ein
Verstärkungsmittel
anzutreiben, das den Druck des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Brennstoffgases
für eine schnelle
Spätzykluseinspritzung
in den Zylinder der Verbrennungskraftmaschine anhebt. In dieser
Vorrichtung werden der gasförmige
Kraftstoff und der flüssige
Steuerkraftstoff miteinander vermischt und durch dieselben Löcher eingespritzt.
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Das US-Patent Nr. 5.329.908, von
Tarr u. a., offenbart einen verwandten Kraftstoffinjektor, der einen
Gasakkumulator mit einem Volumen aufweist, der wenigstens gleich
dem zehnfachen der maximalen Kraftstoffmenge ist, die hierdurch
einspritzbar sein muss. Ein solenoidbetätigtes Tellerventil mit einer
Stirnfläche,
die sich in den Verbrennungszylinder öffnet und die so geformt ist,
dass sie einen Teil des eingespritzten Kraftstoffes in direkten
Kontakt mit der Zündkerze
bringt, wird ebenfalls offenbart. In einer ersten Ausführungsform,
die eine veränderliche Kraftstoffzuführung verwendet,
steuert eine elektronische Steuereinheit (ECU) den Einspritzzeitpunkt,
um das komprimierte Gas in die jeweiligen Zylinder einzuspritzen,
wenn die jeweiligen Kolben der Zylinder sich ihren oberen Totpunkten
nähern,
um dieselmaschinenartige Wirkungsgrade zu erreichen, solange der
Zuführungsdruck
des komprimierten Gases ausreichend hoch ist. Wenn der Zuführungsdruck
des komprimierten Gases für
den hocheffizienten Betrieb zu niedrig wird, ändert die ECU die Betriebsweise,
so dass der Kraftstoff in die Maschine eingespritzt wird, wenn der
Kolben sich nahe seinem unteren Totpunkt befindet, so dass er mit
der Luft vor der Zündung
gemischt werden kann, um ottomotorartige Wirkungsgrade zu erzeugen.
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Baker (US-Patent Nr. 4.543.930) und
Kelgard (US-Patent Nr. 4.472.801) verwenden zwei Injektoren anstelle
des einen, wie in der vorliegenden Anmeldung. Wood (US-Patent Nr.
4.416.229), Hill u. a. (US-Patent Nr. 5.067.467) und Hill u. a.
(US-Patent Nr. 5.315.973) injizieren die zwei Kraftstoffe gemeinsam
statt separat wie in der vorliegenden Anmeldung: Tarr u. a. (US-Patent
Nr. 5.329.908) verwendet eine Solenoidbetätigung nur eines Gasinjektors.
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Wartsila Diesel International Oy,
Finnland, besitzt die folgenden Patente und Patentanmeldungen, die
sich auf Dual-Kraftstoff-Injektoren beziehen:
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- 1. Europäische
Patentanmeldung 92305415.9, eingereicht, am 12. Juni 1992 mit dem
Titel "Improved Fuel Injection Valve Arrangement and Engine Using
Such an Arrangement";
- 2. US-Patent Nr. 5.199.398, eingereicht am 8. Juni 1992 mit
dem Titel "Fuel Injection Valve Arrangement";
- 3. EP0778410, eingereicht am 12. Juni 1996, mit dem Titel "Injection
Valve Arrangement for an Internal Combustion Engine";
- 4. EP0787900, eingereicht am 28. Januar 1997, mit dem Titel
"Injection Valve Arrangement";
- 5. EP0718489, eingereicht am 12. Juni 1996, mit dem Titel "Injection
Valve Arrangement for an Internal Combustion Engine"; und 6. US-Patent
Nr. 5.060.610, eingereicht am 21. September 1990, mit dem Titel
"Combustion Process for Internal Combustion Engine Using Gaseous
Fuel".
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Das US-Patent Nr.5.199.398, von Nylund, und
das europäische
Patent Nr. 0.520.659 A1, von Nylund, offenbaren eine Kraftstoffeinspritzventilanordnung
für sogenannte
Dual-Kraftstoff-Maschinen, die eine Steuerkraftstoffnadel und ein
axial bewegliches, im wesentliches hohles Ventilelement verwenden,
das die Einspritzung eines gasförmigen
Kraftstoffes erlaubt. Die zwei Nadeln sind separat steuerbar.
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Das europäische Patent Nr. 0.778.410,
von Nylund, offenbart eine Einspritzventilanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine,
die eine Steuernadel und wenigstens zwei Ventile für die Einspritzung des
gasförmigen
Kraftstoffes verwendet. Die Steuerkraftstoffeinspritzung wird außerhalb
des Injektors gesteuert, während
ein Hauptventil dem Hydraulikfluid gestattet, die Gasnadeleinspritzventile
zu betätigen.
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Das europäische Patent Nr. 0.718.489
A1, von Hellen, offenbart eine Einspritzanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine,
die eine Steuernadel und ein separat steuerbares Ventil für die Einspritzung
eines verschiedenen Mediums verwendet. Die Steuerkraftstoffeinspritzung
wird außerhalb
des Injektors gesteuert, während
ein Hauptventil den Zugang von Hydraulikfluid steuert, um das Einspritzventil
für das
verschiedene Medium zu betätigen.
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Das europäische Patent Nr. 0.787.900,
von Jay und Prillwitz, offenbart eine Einspritzventilanordnung mit
zwei Einspritzventilen zum Einspritzen eines zusätzlichen Druckmediums in die
Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine.
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Nylund (U.S. 5.199.398,
EP 0 .520.659 A1, EP 0.778.410), Hellen (
EP 0 .718.489 A1), sowie Jay und,
Prillwitz (
EP 0 .787.900),
verwenden zwei verschiedene Quellen eines Betätigungsfluids für die Betätigung des
gewöhnlichen
flüssigen
Kraftstoffs und diejenige des Zusatzkraftstoffs. In der vorliegenden
Anmeldung wird eine einzelne Quelle eines Hydraulikfluids betrachtet.
Ferner wird die Dosierung des flüssigen
Kraftstoffs oder Steuerkraftstoffs in den obigen Patenten außerhalb
des Injektors durchgeführt,
während
sie in der vorliegenden Anmeldung intern durchgeführt wird.
Ferner braucht die obige Offenbarung nicht auf einer Druckbegrenzungsvorrichtung
beruhen, die in der vorliegenden Anmeldung benötigt wird.
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Die folgenden Patente der Vereinigten
Staaten offenbaren Dual-Kraftstoff-Injektoren und Einheitsinjektoren für die Verwendung
mit Kolbenverdrängungsmaschinen:
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Dual-Kraftstoff-Injektoren
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4.736.712 offenbart einen selbstspülenden Dual-Kraftstoff-Injektor,
der sequentiell zwei Kraftstoffe durch dieselbe Reihe von Löchern einspritzt. Da
dieselbe Reihe von Löchern
für beide
Kraftstoffe verwendet wird, müssen
die Kraftstoffe eine ähnliche Dichte
aufweisen, um eine vernünftige
Einspritzdauer zu erhalten. Die offenbarte Erfindung beschreibt nicht
die Betätigung
der verwendeten Nadel.
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Die EP-Patentanmeldung 0 546 985,
die das neueste Dokument des Standes der Technik ist, aus dem die
vorliegende Erfindung hervorgeht, offenbart eine hydraulisch betätigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
die unter anderem für
das Einspritzen eines Hauptkraftstoffes in Form eines Gases und
eines Steuerkraftstoffes in Form eines Dieselkraftstoffes verwendet
wird. Diese bekannte Einspritzvorrichtung weist ein Injektorgehäuse auf,
das eine Ventilkammer mit einer Injektordüse an dem Ende nahe der Brennkammer
definiert, wobei die Injektordüse
wenigstens eine Öffnung
in die Brennkammer aufweist. Außerdem
ist ein erstes verschiebbares Einspritzventil innerhalb der Ventilkammer
vorgesehen und in Schließstellung
gegen einen Ventilsitz gedrängt,
der. in der Ventilkammer zum Einspritzen eines Hauptkraftstoffs
in die Brennkammer ausgebildet ist. Ein zweites verschiebbares Einspritzventil
ist ebenfalls innerhalb der Ventilkammer vorgesehen und in Schließstellung
gegen einen Ventilsitz gedrängt,
der in der Ventilkammer zum Einspritzen eines Steuerkraftstoffs
in die Brennkammer ausgebildet ist. Mehrere Öffnungen zum Einleiten eines
Hauptkraftstoffes, eines Steuerkraftstoffes und eines Hydraulikmittels
sind ebenfalls in der Ventilkammer vorgesehen. Die Einspritzung
des Steuerkraftstoffs und des Hauptkraftstoffs wird mittels verschiedener
Steuerpumpen ausgeführt,
d. h. das Gas als Hauptkraftstoff wird von einem Kompressor unter
Druck gesetzt, während
der Dieselkraftstoff als Steuerkraftstoff durch eine Injektorpumpe
unter Druck gesetzt wird.
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Einheitsinjektoren
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5.558.067 zeigt ein Doppelpuls-Elektronik-Einheitsinjektor-Solenoidventil
zum Füllen
der Steuerkammer vor der Dosierkammer.
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5.245.970 zeigt ein Anlasserreservoir
und eine Volumenkompensationsvorrichtung für ein hydraulisches Einheitsinjektor-Kraftstoffsystem.
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5.191.867 offenbart ein hydraulisch
betätigtes,
elektronisch gesteuertes Einheitsinjektor-Kraftstoffsystem mit veränderlicher
Steuerung des Betätigungsfluiddrucks.
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5.181.494 zeigt einen hydraulisch
betätigten, elektronisch
gesteuerten Einheitsinjektor mit hubgesteuertem Kolben und Betriebsverfahren.
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5.143.291 zeigt einen zweistufigen,
hydraulischen, elektrisch gesteuerten Einheitsinjektor.
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5.096.121 offenbart einen zweistufigen,
hydraulischen, elektrisch gesteuerten Einheitsinjektor. 4.811.715
zeigt einen elektronischen Einheitsinjektor.
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4.699.320 zeigt einen einzelnen Solenoid-Einheitsinjektor.
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4.531.672 offenbart einen solenoidbetätigten Einheitsinjektor
mit ausgeprägten
Steuer-, Dosierungs- und Einspritzperioden.
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4.494.696 offenbart einen Einheitsinjektor.
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4.427.152 zeigt einen druck-zeit-gesteuerten Einheitsinjektor.
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4.418.867 zeigt einen elektronisch
gesteuerten Einheitsinjektor.
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4.420.116 offenbart einen Einheitsinjektor, der
eine hydraulisch gesteuerte Zeitsteuerung und eine Kraftstoffabschaltung
verwendet.
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4.402.456 zeigt einen Doppeldeponie-Einzelsolenoid-Einheitsinjektor.
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4.235.374 offenbart einen elektronisch
gesteuerten Diesel-Einheitsinjektor.
-
Die obigen Patente beziehen sich
hauptsächlich
auf Flüssigkraftstoffinjektoren,
und teilen nicht dieselben Anforderungen für eine Druckbegrenzungsvorrichtung
und eine DualßKraftstoff-Fähigkeit wie
diejenigen, die in dieser Anmeldung präsentiert werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung ist auf eine hydraulisch
betätigte
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gerichtet, wie in Anspruch 1 beansprucht
ist.
-
Der Betätigungsmechanismus kann durch die
Kolbenverdängungsmaschine
oder eine maschinenbetriebene Vorrichtung betätigt werden und kann elektrisch
oder mechanisch betrieben werden. Der Betätigungsmechanismus kann einen
ansteigenden Hydraulikimpuls erzeugen, um die Einspritzventile zu bewegen,
und kann eine Zeitsteuerung zur Erzeugung des Impulses zu einem
vorgegebenen Zeitpunkt enthalten.
-
Eine Pumpe kann einen ansteigenden
Hydraulikdruckimpuls für
eine vorgegebene Zeit und eine Dauer erzeugen, um somit die Einspritzventile zu
betätigen.
Die Pumpe kann maschinengetrieben oder elektrisch angetrieben sein.
Der Einspritzzeitpunkt und die Menge des eingespritzten Kraftstoffes können mittels
eines elektrisch oder mechanisch betätigten Ventils reguliert werden.
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Ein Hydraulikfluid kann über ein
elektrisch oder mechanisch betätigtes
Ventil, dessen Position den Zeitpunkt und die Dauer bestimmen kann,
in die Einspritzvorrichtung geleitet werden. Ein Hydraulikfluid,
das einen von einer Pumpe zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und mit
einer vorgegebenen Dauer erzeugten ansteigenden Druckimpuls führt, kann durch
eine Öffnung
in den Injektor geleitet werden. Ein Nocken- und Kolbenmechanismus,
der von der Maschine angetrieben wird, kann das Hydraulikfluid unter
Druck setzen.
-
Die Druckbegrenzungsvorrichtung kann
ein Rückschlagventil
sein. Die Druckbegrenzungsvorrichtung kann eine Überlauföffnung umfassen, die geöffnet werden
kann, wenn sich das Einspritzventil an einer vorgegebenen Stelle
vorbeibewegt.
-
Jedes der Einspritzventile kann eine
Nadel sein, die sich von einer geschlossenen in eine offene Position
hin und her bewegt, um zu erlauben, dass Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung
in eine Brennkammer der Maschine gelangt, wenn der Druck des Hydraulikfluids
den vorgegebenen Pegel erreicht. Wenn sich die Nadel in eine offene
Position bewegt, wenn der Druck des Hydraulikfluids den vorgegebenen
Pegel erreicht, kann der Kraftstoff durch die Löcher in einer Spitze einer
Düse strömen.
-
Der Injektor bzw. die Einspritzvorrichtung kann
einen Steuerkraftstoff und einen Hauptkraftstoff in die Maschine
einspritzen. Der Steuerkraftstoff kann eine Flüssigkeit sein, während der.
Hauptkraftstoff ein Gas sein kann. Der Injektor kann Steuerdieselkraftstoff
und Erdgas als Hauptkraftstoff in die Maschine einspritzen.
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Der Injektor kann ein zweites Einspritzventil zum
Einspritzen von Steuerkraftstoff in die Maschine enthalten. Der
Injektor kann eine zweite Nadel zum Einspritzen von Steuerkraftstoff
in die Maschine enthalten. Der Injektor kann zwei Kraftstoffe in
die Maschine durch separate Öffnungen
einspritzen. Der Injektor kann eine Steuerkraftstoffdosierungsvorrichtung
enthalten.
-
Das unter Druck stehende Hydraulikfluid kann
eine Steuernadelfeder überwinden,
wodurch die Steuerkraftstoffnadel geöffnet werden kann und Steuerkraftstoff
in die Brennkammer der Maschine geleitet werden kann. Die Steuernadelfeder
kann die Steuernadel schließen,
wenn der Druck des Hydraulikfluids unter einen zweiten vorgegebenen
Druck fällt,
wodurch die Steuerkraftstoffeinspritzung beendet wird.
-
Die Steuerkraftstoffdosierungsvorrichtung kann
eine Einlassöffnung
enthalten, die den Injektor füllen
kann und die verschlossen werden kann, wenn ein verschiebungsbegrenzter
Kolben in eine Position bewegt wird, die die Einlassöffnung abdeckt.
Die Steuerkraftstoffdosierungsvorrichtung kann einen verschiebungsbegrenzten
Kolben und eine Rückholfeder
zum Zurückholen
des Kolbens in seine Ausgangsstellung, sobald die Einspritzung abgeschlossen
ist, enthalten. Die Steuerkraftstoffdosierungsvorrichtung kann ein
Einlassventil enthalten, das ermöglichen
kann, dass das Hydraulikfluid bei Bedarf zwischen der Dosierungsvorrichtung
und dem Steuernadelventil wieder aufgefüllt wird.
-
Die zwei Kraftstoffe können in
die Maschine mit einem konzentrischen Doppelnadeleinspritzsystem
oder mittels eines Doppelnadelsystems mit nebeneinander angeordneten
Nadeln eingespritzt werden.
-
Das Einspritzventil kann an einem
Ende des Injektors nahe einer Brennkammer der Maschine angeordnet
sein. Die Nadel kann an einem Ende des Injektors nahe einer Brennkammer
der Maschine angeordnet sein.
-
Eine oder mehrere Komponenten des
Injektors können
durch Hydraulikfluiddichtungen gegeneinander abgedichtet sein.
-
Der Steuerkraftstoff kann Dieselkraftstoff sein,
der als Hydraulikfluid dienen kann.
-
Die Erfindung ist ferner auf ein
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Kolbenverdrängungsmaschine
gerichtet, wie in Anspruch 24 beansprucht ist.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen, die spezifische
Ausführungsformen
der Erindung darstellen, die jedoch nicht als den Erfindungsgedanken
oder Umfang der Erfindung einschränkend aufgefasst werden sollen, zeigen:
-
1 und 2 eine Querschnittsdarstellung
einer Ausführungsform
eines Injektors für
nur den Hauptkraftstoff mit einer externen Hydraulikbetätigungsquelle
für zwei
verschiedene Mechanismen der Druckbegrenzungsvorrichtung, wobei
diese Ausführungsform
nicht zu der hier offenbarten Erfindung gehört und verwendet wird, um das
Verständnis
der Erfindung zu unterstützen;
-
3 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für nur
den Hauptkraftstoff mit einer internen Quelle einer elektronisch gesteuerten
Hydraulikbetätigung,
wobei diese Ausführungsform
nicht zu der hier offenbarten Erfindung gehört und verwendet wird, um das
Verständnis
der Erfindung zu unterstützen
-
4 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für Hauptkraftstoff und
Steuerkraftstoff mit einer externen Hydraulikbetätigungsquelle und mit einer
Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit konzentrischer Doppelnadelanordnung;
-
5 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für gasförmigen Kraftstoff
und Steuerkraftstoff mit einer internen Quelle der elektronisch
gesteuerten Hydraulikbetätigung
und mit einer Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit konzentrischer
Doppelnadelanordnung;
-
5a eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für Hauptkraftstoff und
Steuerkraftstoff mit einer internen Quelle der mechanisch gesteuerten
hydraulischen Betätigung
und mit Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit konzentrischer
Doppelnadelanordnung;
-
5b einen
Querschnitt einer Ausführungsform
eines Injektors für
gasförmigen
Kraftstoff und flüssigen
Steuerkraftstoff mit einer externen Hydraulikdruckquelle und internem
elektrisch gesteuerten Ventil für
die Zuführung
des Hochdruck-Betätigungsöls;
-
6 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für Hauptkraftstoff und
Steuerkraftstoff mit einer internen Quelle der elektronisch gesteuerten
Hydraulikbetätigung
und mit Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit einem verschiedenen
Mittel zum Anheben der Gasnadel und mit konzentrischer Doppelnadelanordnung;
-
7 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für Hauptkraftstoff und
Steuerkraftstoff mit einer internen Quelle der elektronisch gesteuerten
Hydraulikbetätigung
und mit Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit konzentrischer
Doppelnadelanordnung und mit einem verschiedenen Mittel zum Öffnen der
Gasnadel;
-
7a und 7b Seitenschnittansicht und Draufsicht
der konzentrischen Doppelnadelkonstruktion;
-
8 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Injektors
für Hauptkraftstoff und
Steuerkraftstoff mit interner Quelle der elektrisch gesteuerten
Hydraulikbetätigung
und mit Steuervolumenkontrollvorrichtung und mit Doppelnadelanordnung
mit nebeneinanderliegenden Nadeln; und
-
8a und 8b Seitenschnittansicht und Draufsicht
der Doppelnadelkonstruktion mit nebeneinanderliegenden Nadeln.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
Verbrennungskraftmaschinen, einschließlich Dieselmaschinen
und Ottomotoren, sind seit etwa einem Jahrhundert bekannt. Dieselmaschinen sind
die Arbeitspferde der Wirtschaftswelt. Obwohl Dieselmaschinen effizient
und kostengünstig
zu betreiben sind, verbrennen sie jedoch schweren Dieselkraftstoff,
der eine Quelle von lungenschädigenden Partikeln
und Stickoxiden ist, welche zu Industriedunst und saurem Regen beitragen.
-
Die hier offenbarte und beanspruchte
Erfindung ist auf einen hydraulisch betätigten Gasinjektor oder eine
Einspritzvorrichtung für
die Verwendung mit einer Kolben- oder Zwangsverdrängungsmaschine
wie z. B. einer Dieselmaschine gerichtet. Der Injektor enthält die folgenden
neuartigen Konzepte:
-
- 1. Ein hydraulisches Druckentlastungssystem, das
mit einem Hauptkraftstoff-Nadelbetätigungsmechanismus verwendet
wird;
- 2. Eine konzentrische Doppelnadelanordnung, die einen Steuerkraftstoff
und einen Hauptkraftstoff an der Injektorspitze dosiert und eine
sequentielle Einspritzung erlaubt;
- 3. Eine Doppelnadelanordnung mit nebeneinander angeordneten
Nadeln, die einen Steuerkraftstoff und einen Hauptkraftstoff an
der Injektorspitze dosiert und eine sequentielle Einspritzung erlaubt;
- 4. Einen Mechanismus, der die bei jedem Hub eingespritzte Steuerkraftstoffmenge
kontrolliert; und
- 5. Ausgewählte
Verfahren zum Betätigen
der Hauptgaskraftstoffnadel.
-
Die Hydraulikdruckentlastung ist
in einem hydraulisch betätigten
Gaskraftstoffinjektor erforderlich, um den Druckanstieg im Injektor
zu begrenzen. In einem Dieselkraftstoffinjektor wird der Druck abgebaut,
wenn die Einspritzung stattfindet. Die Hydraulikdruckentlastung
ist ebenfalls in der vorliegenden Erfindung eines Gasinjektors mit
Steuerkraftstoffähigkeit
erforderlich, da die Steuereinspritzung nur für eine kurze Dauer zu Beginn
der Einspritzperiode stattfindet und nicht ausreicht, um den Druck
abzubauen. Wenn der Druck nicht abgebaut wird, und wenn das System
mit feinen Toleranzen zwischen den gepaarten Oberflächen der
bewegten Teile hergestellt wird, wie es für eine geeignete Injektorantwort
sein sollte, können
die bei hohen Lasten erreichten Druckpegel die Injektorteile beschädigen.
-
Die Schlüsselelemente der Nadelanordnungen
in dieser Erfindung, die sich auf einen zum Einspritzen eines Hauptkraftstoffes
und eines Steuerkraftstoffes fähigen
Injektor bezieht, sind:
-
- 1. Die Fähigkeit
des Einspritzens von Steuerkraftstoff (der flüssig sein kann) durch kleine
Löcher und
bei einem vernünftig
hohen Druck für
eine feine Zerstäubung;
- 2. Die Fähigkeit
des Einspritzens eines Hauptkraftstoffs (der gasförmig sein
kann) durch eine separate Reihe von Löchern mit unterschiedlichen
Abmessungen, um die Dichtedifferenz zwischen dem Hauptkraftstoff
und dem Steuerkraftstoff zu kompensieren;
- 3. Die Fähigkeit
des Einspritzens des Steuerkraftstoffs vor dem Hauptkraftstoff mittels
einer Zeitverzögerung,
die durch die Auswahl von Federn und Betätigungsdrücken einstellbar ist;
- 4. Die Fähigkeit
des Einspritzens eines begrenzten Volumens am Steuerkraftstoff unabhängig von der
Last, wobei das Volumen so gesteuert wird, dass eine gleichmäßige Zündung des
Hauptkraftstoffes aufrechterhalten wird;
- 5. Die Fähigkeit
des Einschließens
einer Zeitverzögerung
zwischen der Einspritzung des Steuerkraftstoffs und dem Hauptkraftstoff
emuliert eine Ratenformung, eine Technik, die bei einzelnen Kraftstoffen
verwendet wird, um Stickoxide und Geräusche von Dieselmaschinen zu
reduzieren. Die Fähigkeit
des Einspritzens nur eines festen Volumens des Steuerkraftstoffs
erlaubt, den Verbrauch des Steuerkraftstoffs und dessen zugehörige Emissionen
zu kontrollieren, während
eine gute Zündung
beibehalten wird.
-
1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung eines Injektors nur für Hauptkraftstoff
mit einer externen Hydraulikdruckquelle. Der Hauptkraftstoff kann gasförmig sein.
Er weist den Basisinjektorentwurf für den Betrieb nur mit Hauptkraftstoff
auf. Wie in 1 gezeigt
ist, wird Hydrauliköl
von einer (nicht gezeigten) Leitungs-Kraftstoffeinspritzpumpe oder
von einer (nicht gezeigten) Verteilertyp-Kraftstoffeinspritzpumpe
durch die Öffnung 1 zugeführt. Wenn
die Pumpe das Öl
für die
Injektorbetätigung
unter Druck setzt, wird eine Kraft unter der Gasnadel 2 ausgeübt. Wenn
der Druck einen ausreichend hohen Pegel erreicht hat, wird die Feder 3 überwunden
und die Gasnadel 2 wird angehoben. Der über die Öffnung 4 zugeführte Hochdruckhauptkraftstoff
kann durch die Injektordüse 6 in
die Brennkammer 5 strömen
wenn die Nadel 2 angehoben wird. Es kann eine beliebige
Anzahl von Einspritzlöchern vorhanden
sein. Sobald die Nadel 2 geöffnet ist, steigt der Hydraulikdruck
weiter an, bis die Pumpe den effektiven Betätigungshub für diesen
Injektor beendet, der Druck absinkt und die Nadel 2 schließt, d. h.
mittels der Feder 3 in ihre Ausgangsposition zurückkehrt.
Für eine
lange Einspritzdauer steigt der Druck zwischen dem Zeitpunkt der Öffnung der
Nadel 2 und dem Ende der Einspritzung deutlich an, wobei
dieser Druck abgebaut werden muss, um die Integrität der Injektorkomponenten
(Federn, Sitze, Öffnungen)
zu bewahren. Ein Druckabbau ist in dieser Ausführungsform mittels eines Entlastungsventils 7 vorgesehen,
das bei einem vorgegebenen maximalen Druckpegel öffnet. Das Entlastungsventil 7 öffnet sich
in eine Kraftstoff/Hydraulik-Rückführungsleitung 12.
Der Hochdruck-Hauptkraftstoft muss davor bewahrt werden, in das
Betätigungsfluid
auszutreten, was in dieser Ausführungsform
mittels einer Hochdruckflüssigkeitsdichtung 8 bewerkstelligt
wird, die durch die Öffnung 9 und
mit einem höheren
Druck als der Hauptkraftstoff zugeführt wird. Eine Alternative
zur Hochdruckflüssigkeitsdichtung 8 ist
die Verwendung einer geeigneten Weichmaterialdichtung. Ein Austreten
des Hauptkraftstoffs in das Hydraulikfluid würde zu einer langsamen Antwort
oder einem Versagen der Betätigung führen. Jeder
Austritt von Hydraulikfluid in die Federkäfige 10 und 11 wird über die
Rückführungsöffnung 12 abgeleitet.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Injektorentwurfes, der die in 1 gezeigten Merkmale
aufweist, wobei jedoch das Entlastungsventil (7 und 11 in 1) durch eine einfache Überlauföffnung 7 und 12 ersetzt
ist. Die Überlauföffnung 7 ist
unbedeckt, wenn die Nadel angehoben wird, was effektiv den Hub der
Nadel und den Druck im Injektor begrenzt. Die für den obigen Injektor verwendete
Verteiler- oder Leitungs-Kraftstoffeinspritzpumpe kann mechanisch
oder elektronisch gesteuert sein.
-
3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
des Injektorentwurfes, der die in 1 dargestellten Merkmale
aufweist, jedoch eine interne (statt einer externen) Betätigungsquelle
enthält.
In der gezeigten Ausführungsform
ist die Betätigung
mittels eines maschinenbetriebenen Nockens 15 und mittels
eines elektronisch gesteuerten Ventils vorgesehen. Wie in 3 gezeigt ist, wird Hydrauliköl mit niedrigem Druck über ein
Ventil 1 in die Kammer 13 geleitet. Das Ventil 1 wird
mittels eines Solenoids 14 gesteuert. Wenn das Solenoid 14 erregt
wird, schließt
das Ventil 1. Ein maschinengetriebener Nocken 15 setzt das
Hydrauliköl
in der Kammer 13 durch die Operation eines Hauptkolbens 16 unter
Druck. Wenn der Hydraulikdruck des Hydrauliköls in der Kammer 13,
die unterhalb der Nadel 12 verbunden ist, einen gewissen
Pegel erreicht, wird die Schraubenfeder 13, die die Gasnadel 12 in
einer unteren Position hält, überwunden.
Die Gasnadel 2 wird dann angehoben und lässt somit
Erdgas, das durch den Kanal 4 zugeführt wird, durch die Löcher 6 an
der Spitze 18 des Injektors in die Brennkammer 5 entweichen.
Ein Hydraulikdruckbegrenzungs-Entlastungsventil 7 ist in
dieser Ausführungsform
erforderlich, wie oben in Zusammenhang mit 1 erläutert
worden ist. Es kann jedoch auch eine Überlauföffnung, wie in 2 gezeigt, verwendet werden. Ferner werden
eine Dichtung 8, Federkäfige 10 und 11 und
eine Ableitung 12 verwendet, wie oben in Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist.
-
4 zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines Injektorentwurfes, der die in 1 dargestellten Merkmale
aufweist, mit Bezug auf einen Hauptkraftstoff, jedoch mit der Ergänzung eines
Steuerkraftstoffeinspritzsystems, das eine Steuerkraftstoffnadel 22, ein
Steuerkraftstoffdosierungsventil 19, ein Einlassventil
26 und ein Rückschlagventil 21 umfasst.
In der in 4 gezeigten
Ausführungsform
sind die Steuer- und Hauptkraftstoffnadeln konzentrisch. 4 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem,
das durch eine Kraftstoffeinspritzpumpe gesteuert wird. Wie in 4 gezeigt ist, wird das
Hydrauliköl
von einer Leitungs-Kraftstoffeinspritzpumpe oder einer Verteilertyp-Kraftstoffeinspritzpumpe
(nicht gezeigt) durch die Öffnung 1 und
die Kammer 13 zugeführt.
Wenn die Pumpe das Öl
für die
Injektorbetätigung
unter Druck setzt, wird eine Kraft auf das Steuerdosierungsventil 19 ausgeübt. Das
Dosierungsventil 19 bewegt sich nach unten, um somit seine
Einlassöffnung 20 zu
blockieren und das Öl
darunter unter Druck zu setzen. Das Drucköl strömt durch das Rückschlagventil 21 unter
die Steuerkraftstoffnadel 22, durch spezielle Öffnungen 25 in
der Hauptgaskraftstoffnadel 2, die sich unterhalb der Feder 3 befindet
und in einer Schnittansicht gezeigt ist. Wenn . der Druck hoch genug
ist, so dass die Steuernadelfeder 23 überwunden wird, wird die Steuernadel 22 angehoben
und Steuerkraftstoff wird durch die Löcher 24 an der Spitze 18 des
Injektors eingespritzt. Es kann eine beliebige Anzahl solcher Löcher 24 an
der Spitze des Injektors vorhanden sein. Das Dosierungsventil 19 besitzt
einen begrenzten Hub, wobei bei Erreichen des Endes dieses Hubes
der Druck nicht mehr aufgebaut wird. Wenn Kraftstoff eingespritzt
wird, sinkt der Druck schnell ab und die Steuernadel schließt sich.
Das Rückschlagventil 21 verhindert,
dass Kraftstoff von unterhalb der Nadel 22 zurückgesaugt
wird, um somit eine schnelle und wiederholbare Betätigung bei
jedem Hub sicherzustellen. Der Druck in der Kammer 13 steigt
jedoch weiterhin an, wobei nach einer Zeitverzögerung der Druck hoch genug
ist, um die Hauptfeder 3 zu überwinden, die normalerweise
die Hauptgasnadel 2 in einer unteren Position in Stellung
hält. Wenn
die Hauptnadel 2 angehoben wird, strömt der durch die Öffnung 4 und
den Kanal 17 zugeführte Hauptkraftstoff
durch die Löcher 6 in
die Brennkammer 5. Es kann eine beliebige Anzahl von Löchern 6 vorgesehen
sein, wobei eine optimale Anzahl die besten Verbrennungseigenschaften
bietet. Die Gesamtfläche
der Löcher 6 ist
im allgemeinen größer als die.
Gesamtfläche
der Steuerkraftstofflöcher 24,
um die Dichtedifferenz zwischen dem Hauptkraftstoff und dem Steuerkraftstoff
zu kompensieren. Die Ausführungsform
in 4 enthält ferner,
wie in der obigen Beschreibung in Bezug auf 1 erläutert
worden ist, eine Druckbegrenzungsvorrichtung 11, eine Dichtung 8 und
Ableitungen 12 für
die Federkäfige 10 und 11.
Wenn der effektive Hub der Pumpe für den Injektor beendet ist,
sinkt der Druck in der Kammer 13 ab, wobei die Hauptnadel 2 schließt, indem
sie mittels der Hauptnadelfeder 3 auf ihren Sitz zurückgedrückt wird.
Ein Einlassventil 26 ist erforderlich, um dem Dosierungskolben
die Rückkehr
in seine Position zu erlauben. Das Einlassventil 26 wird
durch Niedrigdrucköl
betätigt.
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5 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
eines Injektorentwurfs, der die in 3 dargestellten Merkmale
aufweist, jedoch mit der Ergänzung
eines Steuerkraftstoffeinspritzsystems, das eine Steuerkraftstoffnadel 22,
ein Steuerkraftstoffdosierungsventil 19, ein Einlassventil 26 und
ein Rückschlagventil 21 umfasst.
Die Hauptkraftstoffnadel 2 ist im Schnitt gezeigt. In der
in 5 gezeigten Ausführungsform sind
die Steuer- und Hauptnadeln 2 und 22 konzentrisch. 5 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem,
das intern durch einen maschinenbetriebenen Nocken 15 und
ein elektronisch gesteuertes Solenoid 14 gesteuert wird.
Die Operation der Ausführungsform
in 5 ist der in 4 beschriebenen Operation ähnlich,
mit der Ausnahme, dass das Hochdrucköl im Zylinder 13 vom
nockengetriebenen Kolben 16 bei Erregung des Solenoids 14 bereitgestellt
wird.
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5a zeigt
eine Ausführungsform
eines Injektors ähnlich
derjenigen in 5, jedoch
mit einer mechanischen Betätigung
statt einer Solenoidbetätigung
des Ventils 1. Als Beispiel einer mechanischen Betätigung betätigt ein
Zahnschienen- und Ritzel-Mechanismus 40 ein Ventil 1 mit
einer Schraubenliniennut 41, so dass während ihres Verlaufs das. Ventil 1 geöffnet oder
geschlossen werden kann. Eine ähnliche
mechanische Betätigung
kann auch bei Bedarf auf die in den 3, 6, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen
angewendet werden.
-
5a zeigt
eine Ausführungsform
eines Injektors ähnlich
derjenigen in 5, jedoch
mit (nicht gezeigter) externer Druckbeaufschlagung des Betätigungsöls und internen
Mitteln zum Zuführen
des Hochdrucköls
zum Injektor. Als Beispiel des internen Mittels zum Zuführen des
Hochdrucköls
ist ein elektrisch betätigtes
Ventil 1 gezeigt. Hochdrucköl, das von einer externen Pumpe
unter Druck gesetzt wird, wird mittels der Öffnung dem Ventil 1 zugeführt. Ähnliche
Kombinationen der externen Druckbeaufschlagung und des internen
Zugangsventils können
bei Bedarf auch auf die in den 3, 6, 7 und 8 gezeigten
Ausführungsformen
angewendet werden.
-
6 zeigt
ein Ausführungsform
eines Injektorentwurfes, der die in 5 dargestellten
Merkmale aufweist, jedoch mit einem verschiedenen Verfahren zur
Betätigung
der Hauptnadel 2. In 5 wird die
Hauptnadel 2 durch die auf den Hauptnadelkopf 28 wirkende
Druckdifferenz betätigt.
Dieser Entwurf erfordert eine sehr gute Passung zwischen der Hauptnadel 2 und
der Injektorbohrung auf zwei verschiedenen Durchmessern. In 6 wird die Hauptnadel 2 mittels
des Kolbens 28 betätigt,
der auf den. Hauptnadelkopf 28 nach oben einwirkt. Obwohl
in 6 ein Kolben 27 gezeigt
ist, können
zwei oder mehr Kolben verwendet werden, um die Hauptnadel 2 zu
betätigen.
Diese Ausführungsform
eliminiert die Notwendigkeit einer präzisen Passungsbearbeitung von
zwei Durchmessern der Nadeln.
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7 zeigt
eine Ausführungsform
eines Injektorentwurfes, der die in 5 dargestellten
Merkmale aufweist, jedoch mit einem verschiedenen Verfahren der
Betätigung
der Hauptnadel 2. In dieser Ausführungsform verschiebt sich
die Hauptnadel 2 nach unten, statt nach oben. Die Operation
ist so, wie oben für
die in 5 gezeigte Ausführungsform
beschrieben worden ist, jedoch wirkt das Hochdrucköl auf die
Oberseite der Nadel 2 und verschiebt diese nach unten,
wenn der Druck ausreicht, um die Feder 29 zu überwinden.
Der Hauptkraftstoff wird durch die Öffnung 4 zur Hauptnadel 2 befördert und
läuft in
vertikalen Kanälen 30 zur
Injektorspitze 18. Wenn die Hauptnadel 2 nach
unten gedrückt
wird, werden die Enden der Kanäle 30 freigelegt
und der Hauptkraftstoff strömt
in die Brennkammer 5. Die Kanäle 30 werden verwendet,
um als diskrete Löcher
um den Umfang der Basis der Nadel 2 zu dienen. Die Hauptnadel 2 dichtet
gegen die Oberfläche 31 ab.
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Die 7a und 7b zeigen genaue Drauf- und Seitenschnittansichten
der in 7 dargestellten,
invertiert konzentrischen Doppelnadelkonstruktion. 7a zeigt
die Reihe von Kanälen 30 um
den Umfang der Nadel 2. 7b zeigt,
die Dichtung 31 an der Grenzfläche zwischen der Basis der
Nadel 2 und den Kanälen 30.
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8 zeigt
eine Ausführungsform
eines Injektorentwurfes, der die in 5 dargestellten
Merkmale aufweist, jedoch mit zwei Nadeln, die in einer nebeneinanderliegenden
Konfiguration angeordnet sind, statt in einer konzentrischen Konfiguration,
wie in den 5 und 7 gezeigt ist. Die 8a und 8b zeigen
Seitenschnitt- und Draufsichten der Konstruktion mit nebeneinanderliegenden
Nadeln. Die in 8 gezeigte Ausführungsform
weist alle Merkmale auf, die in 5 gezeigt
sind. Eine Hochdruckflüssigkeitsdichtung 8 ist
weiterhin zwischen dem Kanal 17 und der Hydraulikbetätigungsfläche der
Hauptnadel 2 erforderlich, um einen Austritt des Hauptkraftstoffes in
das Hydrauliköl
zu verhindern. Die Einspritzdüse an
der Basis erfordert eine spezielle Konfiguration, wie in 8 und auch in den 8a und 8b gezeigt ist. Die Einspritzlöcher 32 (siehe 8b), die in einer beliebigen Anzahl vorhanden
sind, müssen
so verteilt sein, dass sie die Steuereinspritzspitze 33 freilassen (siehe 8b), die ihrerseits eine beliebige Anzahl von
Steuerkraftstoffeinspritzlöchern
aufweist.
-
In anderen Ausführungsformen des Injektors kann
die Quelle der Hydraulikbetätigung
eine interne Nocken- und Kolbeneinrichtung oder eine externen Pumpeinrichtung
enthalten. In anderen Ausführungsformen
des Injektors kann das Zeitsteuermittel mechanisch oder elektrisch
sein und kann entwe der intern in der Injektoreinheit oder außerhalb
der Injektoreinheit angeordnet sein.
-
In anderen Ausführungsformen kann der hydraulisch
betätigte
Kraftstoffinjektor Nadeloperationskomponenten enthalten, die folgendes
umfassen:
-
- 1. nebeneinanderliegende Nadeln anstelle von konzentrischen
Nadeln;
- 2. Nadeln, die nach oben statt nach unten verschoben werden;
- 3. einen Kolben zum Anheben der Hauptnadel; und
- 4. ein Rückschlagventil,
um einen hohen Hydraulikdruck im Steuernadelbereich aufrechtzuerhalten.
-
Wie für Fachleute in Bezug auf die
vorangehende Offenbarung offensichtlich ist, sind viele Änderungen
und Modifikationen bei der Ausführung
dieser Erfindung möglich,
ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang derselben abzuweichen. Dementsprechend
ist der Umfang der Erfindung entsprechend dem durch die folgenden
Ansprüche
definierten Inhalt auszulegen.