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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Einspritzen von Brennstoff
oder Kraftstoff in Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Hintergrund
der Technik
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Manche
Brennstoffeinspritzsysteme für
Motoren wurden als Pumpdüsen
entwickelt, welche einen hydraulisch angetriebenen Druckverstärker mit einem
gestuften Schließstift
zum Einspritzen von Brennstoff in den Motorzylinder beinhalten,
wobei die Brennstoffzuführung
und die Zeitsteuerung durch ein elektronisch gesteuertes Ventil
gesteuert wird und ebenso das Sprühmuster mittels einer Modulation des
Basisöldrucks
gesteuert wird, der auf die Pumpdüse einwirkt und/oder mittels
einer Modulation des Düsenöffnungsdrucks
gesteuert wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft hydraulisch betätigte, elektronisch gesteuerte
Pumpdüsensysteme
(HEUI), die dem Adressaten gut bekannt sind. Der zu der vorliegenden
Erfindung nächstliegende Stand
der Technik ist aus dem Patentdokument PCT/AU98/00073 und dem US-Patent
Nr. 5,785,021 bekannt.
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Das
US-Patent Nr. 5,785,021 offenbart ein Brennstoffeinspritzsystem
oder Kraftstoffeinspritzsystem, das einen Druckverstärker beinhaltet,
der mit einem hydraulisch gesteuerten differentiellen Ventil verbunden
ist. Das Ventil beinhaltet eine Kegelventilöffnung in einer Arbeitskammer
des Druckverstärkers.
Ein Drosselschlitz ist zwischen der Kegelventilkammer und der Arbeitskammer
vorgesehen, wobei entweder mindestens ein Bypass-Kanal zwischen der
Kegelventilkammer und einer Steuerkammer des Ventils oder eine Bohrung
die Arbeitskammer mit der Steuerkammer des Ventils verbindet.
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Ferner
offenbart das Dokument PCT/AU98/00073 ein Brennstoffeinspritzsystem,
in welchem ein Druckverstärker
mit einem hydraulisch gesteuerten, differentiellen Ventil assoziiert
ist, welches im Gegenzug eine Kegelöffnung in einer Arbeitskammer
des Druckverstärkers
definiert. Der Druckverstärker
beinhaltet einen Schließstift
mit einer externen Kerbe zum Verbinden der Schließkammer
einer Düse
mit einer Kompressionskammer des Schließstiftes während einer abgeschnürten Einspritzposition
des Schließstiftes
und zum Verbinden der Schließkammer
mit einem Steuerkanal während anderen
Positionen des Schließstiftes.
Der Druck in dem Steuerkanal wird durch ein hydraulisches Steuersystem
kontrolliert, welches in einer bevorzugten Ausführungsform gleich einem Satz
von Spritzventilen für
einen Motor ist. Auf diese Weise kann das Einspritzsystem zum Ändern der
Form einer Einspritzkurve und zum Bereitstellen eines sich ändernden Brennstoffeinspritzdrucks
verwendet werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine
vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes
Brennstoff-/Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen. Insbesondere
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen bereitzustellen,
welche den Bereich einer elektronischen Steuerung einer Injektionskurvenform der
Pumpdüse
erhöht,
die Stabilität
einer Brennstoffzuführung
in aufeinander folgenden Zyklen von Injektionen zwischen den Pumpdüsen einer
Mehrzylindermaschine verbessert, das Design der Pumpdüsen vereinfacht
und die Einspritzendqualität
verbes sert. Dies wird mittels eines Brennstoffeinspritzsystems erreicht,
dessen kennzeichnenden Merkmale in dem anhängigen Anspruch 1 definiert
sind.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffeinspritzsystem
für einen Verbrennungsmotor
mit einem Brennstoffeinspritzventil bereitgestellt, wobei das Einspritzventil
einen Einlasskanal; eine Steuerbohrung; einen Druckverstärker, der
einen Kolben, welcher einen Arbeitsraum bildet, und einen Schließstift,
welcher zum Einspritzen von Kraftstoff durch eine Düse eingerichtet
ist, aufweist; ein hydraulisches Ventil, das eine Steuerkammer und
eine Ventilkegelkammer aufweist und einen Ventilkegel aufweist,
der zwischen dem Einlasskanal und der Arbeitskammer angeordnet ist
und in die Arbeitskammer geöffnet
ist, wobei der Ventilkegel einen drosselnden Schlitz bereitstellt;
eine Einrichtung zum Vorspannen des hydraulischen Ventils in Richtung
seiner geschlossenen Position; ein Steuerventil, das zwischen der
Steuerkammer und der Steuerbohrung installiert ist; einen Bypass-Kanal zum Verbinden
der Ventilkegelkammer mit der Steuerkammer aufweist. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Ventil zum Steuern
der Flussfläche
des Bypass-Kanals
derart eingerichtet ist, dass der Bypass-Kanal offen ist, wenn das
hydraulische Ventil in seiner geschlossenen Position und offenen
Position oder nahe dieser Positionen ist und während der anderen Positionen des
hydraulischen Ventils geschlossen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gibt es ebenso einen dritten Bypass-Kanal,
der die Ventilkegelkammer und die Steuerkammer verbindet, so dass,
wenn der zusätzliche
Bypass-Kanal durch das zweite Steuerventil geschlossen wird, der
dritte Bypass-Kanal die Öffnungsrate
des hydraulischen Ventils während
der Positionen des hydraulischen Ventils steuert, wenn es den Bypass-Kanal
geschlossen hält.
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Das
Einspritzventil und das Einspritzsystem der vorliegenden Erfindung
beinhalten einen zusätzlichen
Bypass-Kanal, der eine Kegelventilkammer und eine Steuerkammer verbindet,
und ein zweites Ventil, das eingerichtet ist, die Flussfläche des
zusätzlichen
Bypass-Kanals in Übereinstimmung
mit einem Druckpegel in einem hydraulischen Steuersystem oder in
einem Steuerkanal zu steuern, wobei ein hydraulisches Ventil zum
Steuern der Flussfläche
eines Bypass-Kanals zum Verbinden der Ventilkegelkammer mit der
Steuerkammer eingerichtet ist; wobei das hydraulische Ventil die
Fähigkeit
zum Steuern der Flussfläche
des Bypass-Kanals aufweist, so dass der Bypass-Kanal offen ist,
wenn das hydraulische Ventil in seinen geschlossenen und offenen
Positionen oder nahe dieser Positionen ist und während der anderen Positionen
des HDV geschlossen ist. Mittels eines Steuerns des Drucks in dem
hydraulischen Steuersystem oder in dem Steuerkanal kann das zweite
Ventil gesteuert werden, um den zusätzlichen Bypass-Kanal zu öffnen oder
zu schließen.
Wenn ein solcher Druck erhöht
wird, öffnet
das zweite Ventil den zusätzlichen
Bypass-Kanal und vice versa. Wenn die Öffnungsgeschwindigkeit des
hydraulischen Ventils von der Flussfläche der Bypass-Kanäle abhängig ist,
ist es möglich,
die Öffnungsgeschwindigkeit
des hydraulischen Ventils während
seiner anfänglichen Öffnung durch
Steuern der Position des zweiten Ventils und der Flussfläche des
Bypass-Kanals zu steuern. Eine langsamere hydraulische Ventilöffnung verzögert den
Aufbau des Einspritz-Drucks. Beim Abschluss des Öffnens des hydraulischen Ventils
ist der Bypass-Kanal offen, und daher ist der Druck in der Steuerkammer
erhöht
und hilft das hydraulische Ventil vollständig zu öffnen und seine hydraulische
Beschränkung
zu reduzieren.
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Vorzugsweise
wird ein gemeinsames hydraulisches Steuersystem für einen
Satz von Einspritzventilen eines Motors verwendet, um die Positionen
der zweiten Ventile zu steuern. Der Druck in diesem gemeinsamen
hydraulischen Steuersystem wird durch ein Motormanagementsystem
gesteuert. Es hilft ein gleichmäßiges Injektionsmuster
für alle Motorzylinder
zu sichern, es vereinfacht das Einspritzsystem und hilft die Kosten
gering zu halten, da in diesem Fall nur ein Druckregler benötigt wird,
und es kann irgendwo auf einem Motor angeordnet werden. Alternativ
kann das hydraulische Steuersystem durch eine direkte Magnetsteuerung
der zweiten Ventile ersetzt werden, welche durch einen einzigen Solenoiden
(Magneten) und eine mechanische Anordnung ausgeführt werden kann, die die Betätigung des
Solenoiden an alle Einspritzventile eines Motors überträgt.
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Unterschiedliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
einen breiteren Steuerbereich der Einspritzkurvenform unabhängig von
dem gemeinsamen (Common Rail) (Betätigungs-)Druck, eine Vereinfachung
des Pumpdüsendesigns,
eine Verbesserung der Einspritzendqualität und der Einspritzventilverlässlichkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen vielfältige Ausführungsformen des Pumpdüsensystems
in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung zu verschiedenen Betriebsstadien gezeigt
werden, im Detail:
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1 ist
eine Längsquerschnittsansicht
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 ist
eine detailliertere Querschnittsansicht des hydraulischen differentiellen
Ventils, das in 1 gezeigt ist;
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Einspritzventils, das nicht durch
den beanspruchten Gegenstand abgedeckt ist; und
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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Die
Ausführungsform
von 1 zeigt eine Quelle für einen Kraftstoffdruck, einen
Einlasskanal 2, eine Steuerbohrung 3, ein hydraulisches
Ventil 4, vorzugsweise in der Form eines hydraulisch kontrollierten
differentiellen Ventils (HDV), eine Steuerkammer 5, einen
Druckverstärker,
der aus einem Kolben 6 und einem Schließstift 7 mit einer
externen Kerbe 8 und einer Kante 9 besteht, eine
Arbeitskammer 10, eine Überlaufkammer 11 und
eine Kompressionskammer 12, einen Überlaufkanal 13, eine
Düse 14, eine
Nadel 15, eine Feder 16, eine Schließkammer 17 und
eine Auslasskammer 18, eine Rückschlagklappe 19,
deren Einlass mit dem Einlasskanal 2 und deren Auslass
mit dem Kompressionsraum 12 verbunden ist, einen Abschnürkanal 20,
ein Steuerventil 21, das zwischen der Steuerkammer 5 und
der Steuerbohrung 3 angeordnet ist, einen Steuerkanal 22, ein
zusätzliches
Steuerventil 23, das zwischen dem Steuerkanal 22 und
der Steuerbohrung 3 angeordnet ist, und einen Verbindungskanal 24,
der den Steuerkanal 22 mit der Einlassöffnung 2 verbindet.
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Das
hydraulische Ventil 4 steuert die Flussfläche von
der Einlassöffnung 2 zu
der Arbeitskammer 10 und öffnet in Richtung der Arbeitskammer. Das
Steuerventil 4 hat einen Kegel 25 mit einer Anlagefläche 26 und
bildet eine Kegelventilkammer 27 und einen Drosselschlitz 28.
Dort ist ein Bypass-Kanal 29 und ein zusätzlicher
Bypass-Kanal 30 zum Verbinden der Kegelventilkammer 27 mit
der Steuerkammer 5 vorgesehen. Das hydraulische Ventil 4 ist in
seiner geschlossene Position durch eine Feder 31 vorgespannt.
Der Kompressionsraum 12 ist mit der Auslasskammer 18 verbunden.
Der Kompressionsraum 12 kann ebenso mit dem Abschnürkanal 20 durch
eine externe Kerbe 8 des Schließstifts 7 in Abhängigkeit
von dem Schließstift
verbunden sein. Der Abschnürkanal 20 kann
mit dem Steuerkanal 22 durch die Kerbe 8 des Schließstifts 7 in
Abhängigkeit von
der Position des Schließstifts
verbunden sein. Der Überflusskanal 13 kann
mit der Überflusskammer 11 in
Abhängigkeit
von der Position des Schließstifts
verbunden sein.
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Ein
zweites Ventil 32 ist ebenso in dem zusätzlichen Bypass-Kanal 30 angeordnet
und durch eine Feder 23 zum Schließen des zusätzlichen Bypass-Kanals vorgespannt.
Das zweite Ventil hat eine Steuerkammer 34, die mit einem
hydraulischen Steuersystem 35 verbunden ist.
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Das
hydraulische Ventil 4 ist so gestaltet, dass seine obere
Kante 36 (siehe 3) den Bypass-Kanal 29 in
Abhängigkeit
von der Position des hydraulischen Ventils öffnen oder schließen kann. wenn
das hydraulische Ventil die obere Kante 36 schließt, schließt sich
der Bypass-Kanal 29, wie in 2 gezeigt.
In einer gewissen Position des hydraulischen Ventils, während seine Öffnung die
Kante 36 berührt
(3), öffnet der
Bypass-Kanal und hält
das hydraulische Ventil weiter offen.
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Das
hydraulische Ventil hat ebenso eine Kerbe 37 mit einer
Kante 38, die die Flussfläche des Bypass-Kanals 29 so
steuert, dass, wenn das hydraulische Ventil geschlossen ist, die
Kante 38 den Bypass-Kanal öffnet und an einem gewissen
Punkt des Öffnungsanschlages
des hydraulischen Ventils die Kante 39 den Bypass-Kanal
schließt.
In der bevorzugten Ausführungsform
schließt
während
des Öffnungsanschlag
des hydraulischen Ventils die Kante 38 den Bypass-Kanal,
bevor die obere Kante 36 den Bypass-Kanal wieder öffnet, so
dass er an einem Teil des Öffnungsanschlags
des hydraulischen Ventils geschlossen bleibt.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt
und identisch zu der in 1 gezeigten, außer dass
ein dritter Bypass-Kanal 39 die Kegelventilkammer 27 mit
der Steuerkammer 5 verbindet.
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Eine
alternative Form eines Einspritzventils, das nicht durch den Gegenstand
nach dem anhängigen
Patentanspruch 1 abgedeckt ist, ist in 4 gezeigt,
welches identisch zu dem in 1 ist, außer dass
keine Kerbe an dem hydraulischen Ventil 4 und kein dritter
Bypass-Kanal vorgesehen ist und das zweite Ventil 32 so
gestaltet ist, dass es den zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 nicht vollständig schließen kann, ebenso verbindet
der Verbindungskanal 24 den Steuerkanal 22 mit
dem hydraulischen Steuersystem 35 anstelle einer Verbindung
des Kanals 22 mit der Einlassöffnung.
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Eine
alternative Form eines Einspritzventils ist in 5 gezeigt,
welches identisch zu dem in 1 ist, außer dass
die Steuerkammer 34 des zweiten Ventils 32 mit
dem Steuerkanal 22 verbunden ist, anstatt mit dem hydraulischen
Steuersystem verbunden zu sein.
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Das
Brennstoffeinspritzsystem der dargestellten Ausführungsformen arbeitet wie folgt.
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Mit
Bezug auf 1 ist das Steuerventil 21 in der
anfänglichen
Position inaktiv und schließt
die Verbindung zwischen der Steuerkammer 5 und der Steuerbohrung 3 ab.
In diesem Fall ist der Druck in dem hydraulischen Steuersystem 35 auf
einen niedrigen Pegel durch ein Motormanagementsystem (nicht dargestellt)
eingestellt, die Feder 33 überwindet die durch den Druck
in der Steuerkammer 34 auf das zweite Ventil 32 ausgeübte Kraft
und hält
den zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 wie dargestellt geschlossen. Das hydraulische
Ventil 4 wird durch die Feder 31 in Richtung des
Schließen
des hydraulischen Ventils geschoben, bis es eine erste Zwischenposition
erreicht, wo die obere Kante 36 des hydraulischen Ventils
(vergleiche 3) den Bypass-Kanal 29 abschließt. Danach
verbleibt das hydraulische Ventil in der ersten Zwischenposition,
da der Brennstoff nicht aus der Steuerkammer 5 entweichen
kann, wobei das Steuerventil 21 und die Bypass-Kanäle 29 und 30 geschlossen
sind. Bezug nehmend auf 1 werden der Kolben 6 und
der Schließstift 7 in
der unteren Position durch den Kraftstoffdruck in der Arbeitskammer 10 gehalten,
die Schließkammer 17 ist über den Abschnürkanal 20 und
die äußere Kerbe 8 des Schließstiftes
mit dem Kompressionsraum 12 verbunden, die Düse 14 ist
durch die Nadel 15 geschlossen. Der Überflussraum 11 ist
mit der Steuerbohrung 3 über den Überflusskanal 13 verbunden.
Das zusätzliche
Steuerventil 23 wird von der Energieversorgung getrennt
und geschlossen.
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Wenn
ein elektrischer Strom an das Steuerventil 21 angelegt
wird, schließt
es die Steuerkammer 5 an die Steuerbohrung 3 an
und ermöglicht
es dem hydraulischen Ventil, sich weiter in Richtung der geschlossenen
Position zu bewegen. An einem gewissen Punkt erreicht das hydraulische
Ventil eine zweite Zwischenposition, in welcher die Kante 38 (vergleiche 3)
beginnt, den Bypass-Kanal 29 zu öffnen, wenn sich das hydraulische
Ventil weiterbewegt. Schließlich
schließt
das hydraulische Ventil die Verbindung zwischen der Einlassöffnung 2 und
der Kegelventilkammer 27, wie in 2 gezeigt.
Das Steuerventil 21 verbleibt offen und ermöglicht es
dem Brennstoff, aus der Arbeitskammer 10 durch den Drosselschlitz 28 in
die Kegelventilkammer 27, ferner durch einen Bypass-Kanal 29 in
die Steuerkammer 5 und durch die Steuerbohrung 3 zu
fließen.
Die Flussfläche
des Drosselschlitzes 28 ist so, dass der Fluss durch es
verursacht, dass die hydraulische Kraft das hydraulische Ventil 4 in
Richtung des Flusses wirkt, der das hydraulische Ventil mit der
zusätzlichen
Unterstützung
der durch die Feder 31 ausgeübten Kraft geschlossen hält. Wenn
der Druck in der Arbeitskammer 10 auf einen gewissen Pegel
abgesunken ist, bewegen sich der Kolben 6 und der Schließstift 7 unter dem
Druck des Kompressionsraums 12 nach oben, wobei der Brennstoffdruck
durch das Rückschlagventil 19 übertragen
wird. Ab einem gewissen Punkt während
der Bewegung des Schließstiftes
schließt seine
Kerbe 8 die Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 12 und
dem Abschnürkanal 20,
und während
er an diesem Punkt oder darüber
hinaus ist, isoliert er den Abschnürkanal 20 und dadurch
die Abschlusskammer 17 von dem Kompressionsraum 12. Ab
einem gewissen Punkt einer weiteren Aufwärtsbewegung des Schließstiftes öffnet seine
Kerbe 8 die Verbindung zwischen dem Abschnürkanal 20 und dem
Steuerkanal 22, wodurch die Verschlusskammer 17 mit
dem Steuerkanal 22 verbunden wird, und während er
an oder über
diesen Punkt hinaus ist, hält er
die Abschlusskammer 17 und den Steuerkanal 22 miteinander
verbunden (2). Dadurch gleicht sich der
Druck in der Abschlusskammer 17 an den Druck in dem Steuerkanal 22 an.
Ebenso schließt
ab einem gewissen Punkt der Bewegung des Schließstiftes seine Kante 9 die
Verbindung zwischen der Überflusskammer 11 und
dem Überflusskanal 13 ab,
und während
er an diesem oder über
diesen Punkt hinaus ist, bleiben die Steuerbohrung 3 und
die Überflusskammer 11 voneinander
getrennt. Diese Zeitspanne, in welcher sich der Kolben 6 und
der Schließstift
aufwärtsbewegen,
ist durch die Dauer des Öffnens
des Steuerventils 21 festgelegt, was umgekehrt durch die Dauer
des Stroms festgelegt ist, der durch das Motormanagementsystem bereitgestellt
wird.
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Der
Betrieb der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf eine so genannte
Voreinspritzung und "Stiefel"-Einspritzung (Boot
Injection) beschrieben, welches bereits bekannte Einspritztypen
sind. Der Ausdruck "Voreinspritzung" bezieht sich auf
eine kleine getrennte Einspritzung, die einer Haupteinspritzung
vorausgeht. Üblicherweise
werden 1 bis 10% des gesamten eingebrachten Treibstoffs des Zyklusses
während
der Voreinspritzung eingespritzt. Der Ausdruck "Stiefeleinspritzung" bezieht sich auf eine einzige Einspritzung,
die gleich dem vorderen Ende eines Stiefels geformt ist, d.h. mit
einem geringen Schritt am Beginn der Einspritzung und dann einem schrittweisen
Ansteigen der Injektionsrate und des Drucks von diesem geringen
Pegel aus.
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Falls
eine Voreinspritzung oder eine stiefelgeformte Einspritzung benötigt wird,
dann wird, während
der Schließstift 7 noch
nicht einen Einspritzhub begonnen hat, der Strom an das zusätzliche
Steuerventil 23 angelegt, das sich öffnet. Die Flussflächen des
geöffneten
Ventils 23 und des Verbindungska nals 24 sind derart,
dass der Druck in dem Steuerkanal 22 und daher in der Verschlusskammer 17 reduziert
wird. Der reduzierte Druck in der Verschlusskammer erlaubt dem Druck
in der Auslasskammer 18, die Nadel 15 anzuheben,
eine anfängliche Öffnung der
Düse 14 zu
schaffen und die Einspritzung eines Brennstoffes zu beginnen, die
von der Einlassöffnung 2 über das
Rückschlagventil 19 an
die Auslasskammer 18 gebracht wird. Falls eine Voreinspritzung
benötigt
wird, wird das zusätzliche
Steuerventil 23 geschlossen, bevor eine Haupteinspritzung
begonnen wird, dann gleicht der Druck in der Steuerkammer 22 und
in der Abschlusskammer 17 den Druck in dem Einlasskanal 2 aus
und die Düse
wird durch die Feder 16 geschlossen. Falls eine stiefelgeformte
Einspritzung benötigt
wird, wird das zusätzliche
Steuerventil zu einem späteren
Zeitpunkt geschlossen, so dass die Düse nicht geschlossen wird, bevor
eine Haupteinspritzung startet. 5 illustriert den
Moment, wenn eine Stiefeleinspritzung durchgeführt wird, während sich der Kolben 6 und
der Schließstift 7 immer
noch nach oben bewegen, wobei das Ventil 21 offen ist.
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Wenn
der Kolben 6 und der Schließstift 7 eine geforderte
Position erreicht haben, die durch die Brennstoffzuführung festgelegt
ist, die zu diesem Zeitpunkt benötigt
wird, wird der Strom, der an das Steuerventil 21 angelegt
ist, abgeschaltet, und das Ventil 21 schließt sich,
wodurch die Steuerkammer 5 und die Steuerbohrung 3 isoliert
werden. Als Ergebnis stoppt der Brennstofffluss über den Drosselschlitz 28,
und die hydraulische Kraft, die das hydraulische Ventil 4 geschlossen
hält, hört auf zu
agieren. Der Brennstoffdruck in der Einlassöffnung 2, der auf
den differentiellen Punkt in dem hydraulischen Ventil agiert, überwindet
die Kraft der Feder 31 und schafft eine anfängliche Öffnung des
hydraulischen Ventils. Dies ermöglicht
es einem Brennstoff, durch die Einlassöffnung 2 zu der Kegelventilkammer 27 und über den
Drosselschlitz 28 in die Arbeitskammer 10 und über den
Bypass-Kanal 29 zu der Steuerkammer 5 zu fließen. Dieser
Brennstofffluss erhöht
den Druck in einer Kegelventilkammer 27 und einer Steuerkammer 5,
die das hydraulische Ventil 4 zwingt, sich zu öffnen. Der
Druck in der Arbeitskammer 10 steigt an und verursacht,
dass der Kolben 6 und der Schließstift 7 sich nach
unten bewegen, wodurch der Brennstoff in dem Kompressionsraum 12 komprimiert
wird und sich das Rückschlagventil 19 schließt.
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Wenn
sich der Brennstoffdruck in dem Kompressionsraum 12 erhöht, erhöht sich
ebenso der Druck in der Düsenauslasskammer 18 und
die Düse 14 öffnet sich,
wodurch die Federkraft 16 und der Druck in der Verschlusskammer 17 überwunden
werden. Auf diese Weise wird die Haupteinspritzung gestartet. Der
Moment der Düsenöffnung und
entsprechend der Druck, der sich in dem Kompressionsraum 12 zu
dem Zeitpunkt der Düsenöffnung entwickelt, hängt von
dem Druck in der Verschlusskammer 17 ab, die gleich dem
Druck in der Steuerkanal 22 ist. Falls eine Stiefeleinspritzung
bereits begonnen hat, schließt
eine Erhöhung
des Drucks in dem Kompressionsraum 12, der von dem gestarteten
Einspritzhub des Kolbens resultiert, den Stiefelzustand der Einspritzung
ab und beginnt die Haupteinspritzung.
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Wenn
das Öffnen
des hydraulischen Ventils an der zweiten Zwischenposition, wie zuvor
beschrieben, oberhalb der Kante 38 ankommt (vergleiche 3),
schließt
sich der Bypass-Kanal 29. Der Teil des Öffnungshubs des hydraulischen
Ventils von der zweiten Zwischenposition bis zu der ersten Zwischenposition
ist durch einen geringeren Druck in der Steuerkammer 5 aufgrund
eines erhöhten
Volumens der Kammer und der Tatsache, dass die Bypass-Kanäle 29 und 30 geschlossen
sind, gekennzeichnet. Der Drosselschlitz 28 ist derart
gestaltet, dass der Druckunterschied zwischen der Kegelventilkammer 27 und
der Arbeitskammer 10 eine hydraulische Kraft auf den Kegel 25 ausbildet,
der ausreichend ist, das hydraulische Ventil zu öffnen, selbst wenn der Druck in
der Steuerkammer 5 unterhalb atmosphärischen Drucks fällt. Jedoch
verhindert der geringere Druck in der Steuerkammer 5 ein
schnelleres Öffnen
des hydraulischen Ventils. Ein langsameres Öffnen des hydraulischen Ventils
verzögert
im Gegenzug einen Druckanstieg in der Arbeitskammer 10 während eines
Einspritzhubs des Schließstiftes.
Dies schafft einen Anstieg des Einspritzdrucks, der mehr schrittweise
geprägt
ist.
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Falls
ein schnellerer Anstieg des Einspritzdrucks beim Beginn einer Haupteinspritzung
gewünscht
ist, dann stellt das Motormanagementsystem den Druck in dem hydraulischen
Steuersystem 35 (1) auf einen
höheren
Pegel ein, der die Federkraft 33 überwindet und das zweite Ventil 32 anhebt,
wodurch der zusätzliche
Bypass-Kanal 30 geöffnet.
Eine relativ große
Flussfläche
zwischen der Kegelventilkammer 27 und der Steuerkammer 5 hilft in
diesem Fall, einen höheren
Druck in der Steuerkammer 5 während des gesamten Öffnungshubes des
hydraulischen Ventils aufrechtzuerhalten, welches seine Öffnungsrate
erhöht
und dadurch die Rate eines Einspritzdrucks beim Beginnen eines Einspritzens
anhebt.
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Während eines
Einspritzhubs des Kolbens 6 und des Schließstifts 7 wird
Brennstoff durch die geöffnete
Düse 14 eingespritzt.
Beim finalen Zustand eines Einspritzhubs trennt die Kerbe 8 den
Abschnürkanal 20 von
dem Steuerkanal 22 und öffnet
die Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 12 und dem
Abschnürkanal 20.
Zusätzlich öffnet bei
einem finalen Zustand eines Einspritzhubs die Kante 9 die Verbindung
zwischen der Überlaufkammer 11 und der
Steuerbohrung 3. Wenn der Abschnürka nal 20 und der
Kompressionsraum 12 miteinander verbunden sind, gleichen
sich der Druck in der Abschlusskammer 17 und dem Kompressionsraum 12 aus
und die Nadel 15 schließt die Düse 14, und der Kolben 6 und
der Schließstift 7 bleiben
an dem Boden des Hubs. Wenn der Kolben stationär ist, gibt es keinen Brennstofffluss
durch das hydraulische Ventil, und der Druck in der Arbeitskammer 10,
der Kegelventilkammer 27 und der Steuerkammer 5 gleichen
sich mit dem Druck in der Einlassöffnung 2 aus und die Feder 31 bewegt
das hydraulische Ventil nach oben. Somit kehrt das System in die
anfängliche
Position zurück,
wie in 1 gezeigt.
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Das
Hauptprinzip, aufgrund welchem die Erfindung basiert ist, basiert
auf der Tatsache, dass das hydraulische Ventil derart entworfen
ist, dass es vollständig
die Verbindung zwischen der Kegelventilkammer 27 und der
Steuerkammer 5 während
eines anfänglichen
Teils des Öffnungshubes
des hydraulischen Ventils schließen kann. Dies ermöglicht eine signifikante
Reduktion der Öffnungsgeschwindigkeit des
hydraulischen Ventils während
eines anfänglichen
Teils seines Öffnungshubs.
Darüber
hinaus ist der zusätzliche
Bypass-Kanal 30 zwischen der Kegelventilkammer und der
Steuerkammer angeordnet, und das zweite Ventil 32 ist in
dem zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 angeordnet. Als Konsequenz schafft die
Verwendung des zweiten Ventils 32 in dem zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 eine flexible elektronische Steuerung und
einen breiteren Steuerbereich für
die Öffnungsrate
des hydraulischen Ventils (und damit der Injektionskurvenform).
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In
einer alternativen Form der Erfindung, die in 2 gezeigt
ist, arbeitet das Einspritzsystem in der gleichen Weise. In der
anfänglichen
Position schließt
die Feder 31 das hydraulische Ventil 4 vollständig ab,
selbst wenn das zweite Ventil 32 geschlossen ist, da der
dritte Bypass-Kanal 39 vorhanden ist, der es dem Brennstoff
ermöglicht,
aus der Steuerkammer 5 zurück in die Kegelventilkammer 27 und
die Arbeitskammer 10 während
des Schließens des
hydraulischen Ventils zurückzufließen. Der
dritte Bypass-Kanal 39 ist derart gestaltet, dass, während das
hydraulische Ventil während
seines Öffnungshubes
zwischen der zweiten und der ersten Zwischenposition ist, der dritte
Bypass-Kanal eine ausreichende Beschränkung des Flusses von der Kegelventilkammer 27 zu
der Steuerkammer 5 schafft, um den Druck in dieser Kammer
gering zu halten (vorausgesetzt, dass der zusätzliche Bypass-Kanal 30 geschlossen
ist), wodurch die Rate eines Einspritzdruckanstiegs zu Beginn einer
Hauptanspritzung, wie zuvor beschrieben, reduziert ist. Durch Ändern der Flussfläche des
dritten Bypass-Kanals 39 ist es möglich, den Grad einer Ratenform
der Haupteinspritzung zu ändern,
die aktiviert oder deaktiviert werden kann, indem das zweite Ventil 32 geschlossen
oder geöffnet
wird.
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In
der alternativen Form eines Einspritzsystems, wie in 4 gezeigt,
arbeitet das Brennstoffeinspritzsystem in der gleichen Weise. Der
dritte Bypass-Kanal ist abwesend, und das zweite Ventil 32 ist so
entworfen, dass es den zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 nicht vollständig abschließen kann.
Wenn das zweite Ventil 32 durch die Feder 33 gegen
seine Stopp-Position, wie in 4 gezeigt,
gedrückt
wird, belässt
dies die Kegelventilkammer 27 und die Steuerkammer 5 immer
noch miteinander in Verbindung, und die oben beschriebene Funktion
eines dritten Bypass-Kanals wird aufrechterhalten.
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Die
Tatsache, dass der Verbindungskanal 24 den Steuerkanal 22 mit
dem hydraulischen Steuersystem 35 anstelle der Einlassöffnung 2 verbindet, ermöglicht eine
Verbesserung der Steuerbarkeit der Voreinspritzung, insbesondere
bei geringem Common- Rail-Druck.
Dies ist, da der Druck in dem System 35 höher gehalten
werden kann als in der Einlassöffnung,
wenn ein geringer Einspritzdruck gewünscht ist, so dass die Kräfte, die
auf die Nadel 15 wirken, um die Düse 14 zu schließen und
eine Voreinspritzung zu beenden, höher sein werden und die Abschlussphase
der Nadel kürzer
sein wird.
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In
einer weiteren alternativen Form der Erfindung, wie in 5 gezeigt
ist, arbeitet das Brennstoffeinspritzsystem in der gleichen Weise,
außer
dass die Position des zweiten Ventils 32 durch den Druck in
dem Steuerkanal 22 festgelegt ist. Wenn das zusätzliche
Steuerventil geschlossen ist, ist der Druck in dem Steuerkanal 22 hoch,
und das zweite Ventil 32 öffnet den zusätzlichen
Bypass-Kanal 30. Wenn sich das Ventil 23 öffnet, fällt der
Druck in dem Steuerkanal 22 und damit in der Steuerkammer 34 aufgrund einer
relativ geringen Flussfläche
des Verbindungskanals 24, das zweite Ventil 32 schließt den zusätzlichen
Bypass-Kanal 30. Dadurch kann die Steuerung über die
Form der führenden
Front der Haupteinspritzkurve ohne Notwendigkeit eines getrennten
hydraulischen Steuersystems durchgeführt werden.
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Andere
Ausführungsformen
sind ebenfalls möglich,
die die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, wie in den zuvor
beschriebenen unterschiedlichen Kombinationen beschrieben, beinhalten,
z.B. der Steuerkanal 22 kann direkt mit dem hydraulischen
Steuersystem 35 in 1 verbunden sein,
ohne das zusätzliche
Steuerventil 23 und den Verbindungskanal 24 zu
nutzen, so dass der Nadelöffnungsdruck
und die Flussfläche
des zusätzlichen Bypass-Kanals 30 beide
durch eine Druckmodulation in dem hydraulischen Steuersystem kontrolliert
werden können.
Ein geringerer Druck würde
für beide
einen geringeren anfänglichen
Anstieg eines Einspritzdrucks schaffen, da die Nadel sich bei einem
geringeren Druck in der Auslasskammer 18 und für einen
geringeren Einspritzdruckanstieg zu späteren Zuständen der Einspritzung aufgrund
einer langsameren Öffnung
des hydraulischen Ventils 4 öffnen würde und umgekehrt. Eine andere
mögliche
Ausführungsform
würde ein
elastisches Mittel beinhalten, das die Nadel 15 nahe zu
der Düse 14 vorspannen
würde, die
eine variable Steifigkeit aufweist, so dass eine anfängliche Öffnung der
Nadel bei einem geringeren Druck in der Auslasskammer 18 möglich ist,
aber andere Positionen der Nadel, die nahe Maximalhubs sind, die
Steifigkeit des elastischen Mittels erhöhen. Dies unterstützt ein
schnelleres Schließen
der Nadel während
eines Einspritzabschnürens.
Solch eine variable Steifigkeit kann mittels eines allgemein bekannten
Zwei-Federn-Entwurfs
des elastischen Mittels erreicht werden.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung über bekannte Brennstoffeinspritzsysteme
werden hauptsächlich
durch die nachfolgenden Einrichtungen erreicht:
- – die Verwendung
des hydraulischen Ventils 4, welches zum Steuern der Flussfläche des
Bypass-Kanals 29 eingerichtet ist, so dass der Bypass-Kanal
offen ist, wenn das hydraulische Ventil in seiner geschlossenen
und in seiner offenen Position ist oder nahe dieser Positionen und
während
anderer Positionen des hydraulischen Ventils geschlossen ist;
- – die
Verwendung des zusätzlichen
Bypass-Kanals 30 zum Verbinden der Ventilkammer 27 mit der
Steuerkammer 5;
- – die
Verwendung des zweiten Ventils 32, das in dem zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 installiert ist und welches die Flussfläche dieses
Kanals in Abhängigkeit
der Befehle des Motormanagementsystems steuern kann;
- – die
Verwendung des dritten Bypass-Kanals 39, der die Kegelventilkammer 27 mit
der Steuerkammer 5 verbindet;
- – die
Verwendung des zusätzlichen
Steuerventils 23 zwischen dem Steuerkanal 22 und
der Steuerbohrung 3, wobei der Schließstift 7 eingerichtet ist,
den Steuerkanal mit dem Abschnürkanal 20 an
manchen Positionen des Schließstiftes
zu verbinden, die anders als seine Abschnürpositionen sind, und den Abschnürkanal 20 mit
dem Kompressionsraum 12 während der Abschnürpositionen
des Schließstiftes
zu verbinden, und die Verwendung des Verbindungskanals 24,
der den Steuerkanal 22 mit der Einlassöffnung 2 oder alternativ
mit dem hydraulischen Steuersystem 35 verbindet, wobei
die Flussflächen
des Verbindungskanals 24 und das offene zusätzliche
Steuerventil 23 so sind, dass, wenn das zusätzliche Steuerventil
offen ist, der Druck in dem Steuerkanal reduziert wird.
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Die
Verwendung des hydraulischen Ventils 4, die zum Steuern
der Flussfläche
des Bypass-Kanals 29 eingerichtet ist, so dass der Bypass-Kanal
offen ist, wenn das hydraulische Ventil in den geschlossenen oder
offenen Positionen oder nahe dieser Positionen und geschlossen während seiner
anderen Positionen ist, ermöglicht
es, die Öffnungsgeschwindigkeit
des hydraulischen Ventils während
der ersten Abschnitte seines Öffnungshubs
zu reduzieren, wodurch der schrittweise Anstieg des Einspritzdrucks erreicht
wird und zugleich die Maximalflussfläche des Steuerventils 21 reduziert
wird, welches benötigt wird,
um das hydraulische Ventil in der geschlossenen Position zu halten,
wenn das Steuerventil 21 offen ist, da der Druckabfall ü ber dem
hydraulischen Ventil in diesem Fall auf die Fläche des Kegels 27 einwirkt,
welche größer als
die Fläche
der zylindrischen Versiegelungsoberfläche des hydraulischen Ventils
ist. In den bekannten Brennstoffeinspritzsystemen, z.B. dem System,
das in dem US-Patent Nr. 5,785,021 beschrieben ist, ist die Arbeitskammer
in permanenter und direkter Verbindung mit der Steuerkammer, um
einen Transport des Brennstoffes von der Arbeitskammer zu der Steuerbohrung
zu vereinfachen, wenn das Steuerventil offen ist und das HDV geschlossen
ist, da der Bypass-Kanal in dieser Position des HDV geschlossen
ist. Daher agiert der Druckabfall über dem HDV in dem Fall eines
Einspritzsystems nach dem Stand der Technik auf die Fläche der
versiegelten Zylinderoberfläche
des HDV, die geringer als die Fläche
des Kegels ist, welches einen größeren Druckabfall
benötigt,
um das HDV geschlossen zu halten, und entsprechend eine größere Flussfläche des
Steuerventils 21. Darüber
hinaus verhindert eine solche permanente Verbindung der HDV-Steuerkammer
mit der Arbeitskammer eine effiziente Reduzierung der Öffnungsgeschwindigkeit des
HDV während
eines Teils seines Öffnungshubes, der
an seinem geschlossenen Bypass-Kanal stattfindet.
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Die
Verwendung des zusätzlichen
Bypass-Kanals 30 zum Verbinden der Kegelventilkammer 27 mit
der Steuerkammer 5 ermöglicht
es, die gleiche Aufgabe eines Reduzierens der maximalen Flussfläche des
Steuerventils 21 zu lösen,
welches notwendig ist, um das hydraulischen Ventil in dem Fall geschlossen
zu halten, dass der Bypass-Kanal 29 in dieser Position
des hydraulischen Ventils geschlossen ist, wie oben beschrieben,
aber ohne zusätzliche
Kerben 37 in dem hydraulischen Ventil.
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Die
Verwendung des zweiten Ventils 32, welches in dem zusätzlichen
Bypass-Kanal 30 installiert ist und welches die Fluss fläche dieses
Kanals in Abhängigkeit
von Befehlen des Motormanagementsystems steuern kann, ermöglicht eine
elektronische Steuerung der Rate des Einspritzdruckanstiegs zu Beginn
der Einspritzung. Falls das zweite Ventil offen ist, wird die Öffnungsgeschwindigkeit
des hydraulischen Ventils nicht durch einen geringeren Druck in der
Steuerkammer 5 reduziert, da es mit der Kegelventilkammer 27 zu
allen Zeiten verbunden ist, und falls das zweite Ventil 32 geschlossen
ist, ist die Öffnungsgeschwindigkeit
des hydraulischen Ventils geringer als die ersten Abschnitte seines Öffnungshubs aufgrund
eines geringeren Drucks in der Steuerkammer 5, da der Bypass-Kanal
geschlossen ist, wenn das hydraulischen Ventil zwischen seiner zweiten und
ersten Zwischenposition ist. Die Verwendung des dritten Bypass-Kanals,
der die Kegelventilkammer mit der Steuerkammer verbindet, ermöglicht ein Anpassen
der Öffnungsgeschwindigkeit
des hydraulischen Ventils zwischen seiner zweiten und ersten Zwischenposition,
wenn der zusätzliche
Bypass-Kanal 30 durch
das zweite Ventil 32 geschlossen ist und daher die Form
der führenden
Front der Haupteinspritzung anpasst. Dies kann durch Optimieren
der Flussfläche
des dritten Bypass-Kanals 39,
der Abstände
zwischen der geöffneten,
der ersten, der zweiten und der geschlossenen Position des hydraulischen
Ventils und des Entwurfs des Drosselschlitzes 28 des hydraulischen
Ventils erreicht werden.
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Die
Verwendung des zusätzlichen
Steuerventils 23 zwischen dem Steuerkanal 22 und
der Steuerbohrung 3, wobei der Schließstift 7 eingerichtet
ist, den Steuerkanal mit dem Abschnürkanal 20 an manchen
Position des Schließstiftes,
anderen als seiner Abschnürposition,
zu verbinden und den Abschnürkanal 20 mit
dem Kompressionsraum 12 während der Abschnürpositionen
des Schließstiftes
zu verbinden, und die Verwendung des Verbindungskanals 24,
der den Steuerkanal 22 mit der Einlassöffnung 2 oder alternativ
mit dem hydraulischen Steuersystem 35 verbindet, wobei
die Flussflächen
des Verbindungskanals 24 und des zusätzlichen Steuerventils 23 derart
sind, dass, wenn das zusätzliche
Steuerventil offen ist, der Druck in dem Steuerkanal reduziert ist,
ermöglichen
eine elektronische Steuerung eines Voreinspritzens oder Stiefeleinspritzens
zu erreichen und gleichzeitig die Form der nachlaufenden Kante der
Injektionskurve zu verbessern, den Einspritzdüsenentwurf zu vereinfachen
und seine Verlässlichkeit
zu erhöhen.
In den bekannten Brennstoffeinspritzsystemen, z.B. dem System, das
aus der Patentanmeldung Nr. PCT/AU98/00073 bekannt ist, ist das
zusätzliche
Steuerventil, welches die Voreinspritzung oder Stiefeleinspritzung
steuert, in dem Steuerkanal installiert, der mit dem Abschnürkanal des
Einspritzventils jederzeit verbunden ist, so dass während des
Abschnürens
der Einspritzung ein hoher Druck in dem Steuerkanal vorliegt und
daher das zusätzliche
Steuerventil in der Lage sein muss, gegenüber hohem Druck zu versiegeln,
welches das Einspritzventildesign erschwert. Dies führt auch
zu einem größeren Volumen,
auf welches der abgeschnürte
Brennstoff gerichtet wird, welches ein Nadelschließen verlangsamt
und dadurch die Form der Einspritzkurve verschlechtert.
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Die
Verwendung des Verbindungskanals 24 gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie zuvor beschrieben, ermöglicht
es, das zusätzliche
Steuerventil in dem Steuerkanal anzuordnen, welcher von dem Abschnürkanal während der
Abschnürpositionen
des Schließstiftes
getrennt ist, so dass der Düsenöffnungsdruck
durch das zusätzliche
Steuerventil gesteuert werden kann, aber dieses Ventil ist nicht
einem hohen Druck während
einer Abschnürung
der Einspritzung ausgesetzt. Dies ist ebenso vorteilhaft in Bezug
auf das Ausgleichen der Düsenöffnungsdrucke
für verschiedene
Einspritzventile eines Motors und in aufeinander folgenden Zyklen
einer Einspritzung, da der Druck in der Düsenabschließkammer 17 in dem
Fall einer unvollständigen
Versiegelung in dem geschlossenen zusätzlichen Steuerventil immer noch
gleich dem Druck in der Auslassöffnung
ist (oder dem hydraulischen Steuersystem). Bei einem Einspritzsystem
nach dem Stand der Technik beeinflusst eine Änderung der Leckraten des Steuerkanals eher
den Düsenöffnungsdruck.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern kann innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche variiert werden. Beispielsweise
können
andere Typen hydraulischer Ventile anstelle hydraulisch gesteuerter
differentieller Ventile 4, die oben beschrieben wurden,
verwendet werden, aufgrund der Tatsache, dass weder der Steuerkanal 22,
das zusätzliche
Steuerventil 23 noch der Verbindungskanal 24 einen
Bezug zu dem Entwurf eines hydraulisch gesteuerten differentiellen
Ventils haben.