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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf ein Steuerungssystem gerichtet und
genauer auf ein Steuerungssystem für einen Kraftstoffinjektor.
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Technischer Hintergrund
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Kraftstoffinjektoren
sehen eine Möglichkeit vor, Kraftstoff in die Verbrennungskammern
eines Motors einzuführen. Eine Art eines Kraftstoffinjektors ist
als der Common-Rail-Kraftstoffinjektor (mechanisch gesteuerter Kraftstoffinjektor
aus gemeinsamer Druckleitung) bekannt. Ein typischer Common-Rail-Kraftstoffinjektor
weist eine Düsenbaugruppe auf, die eine zylindrische Bohrung
mit einem Düsenauslass an einem Ende und einen Düsenzufuhrdurchlass
in Kommunikation mit einer Hochdruckkraftstoffleitung an einem gegenüberliegenden
Ende aufweist. Ein Nadelsicherheitsventil ist in der zylindrischen
Bohrung hin und her bewegbar angeordnet und durch eine Feder in
Richtung zu einer geschlossenen Position vorgespannt, in der der
Düsenauslass blockiert ist. Um Kraftstoff einzuspritzen,
wird das Nadelsicherheitsventil bewegt, dass es den Düsenauslass öffnet,
wodurch es ermöglicht, dass Hochdruckkraftstoff aus der
Hochdruckleitung durch den Düsenzufuhrdurchlass gelangt
und in die zugehörige Verbrennungskammer spritzt.
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Eine
Möglichkeit, das Nadelsicherheitsventil zwischen der offenen
und der geschlossenen Position zu bewegen, umfasst Entleeren und
Befüllen einer Steuerungskammer, die zu einer Basis des
Nadelsicherheitsventils gehört. Insbesondere kann die Steuerungskammer
mit unter Druck stehendem Kraftstoff gefüllt werden, um
das Nadelsicherheitsventil in einer geschlossenen Position zu halten,
und der unter Druck stehende Kraftstoffwahlweise entleert werden, um
das Nadelsicherheitsventil in Richtung zu der offenen Position vorzuspannen.
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Eine
Piezoeinrichtung ist oft hydraulisch mit der Steuerungskammer verbunden,
um das Entleeren und Befüllen der Steuerungskammer zu bewirken.
Insbesondere ist die Piezoeinrichtung typischerweise mechanisch
mit einem ersten Kolben verbunden, der von einem zweiten Kolben
durch einen mit Kraftstoff gefüllten Raum getrennt ist,
was als eine hydraulische Kupplung bekannt ist. Die hydraulische Kupplung
wird verwendet zum Anpassen von Herstellungstoleranzen, der Wärmeausdehnung
der Injektorbauteile und/oder der Verstärkung der Kraft oder
der Bewegung der Piezoeinrichtung. Während die Piezoeinrichtung
geladen wird und sich zum Bewegen des ersten Kolbens ausdehnt, nimmt
der Kraftstoffdruck der hydraulischen Kupplung zu, was zu einer
Bewegung des zweiten Kolbens führt. Der zweite Kolben drückt
dann gegen ein Steuerventil und öffnet dieses, wodurch
die Steuerungskammer entleert wird. Solange wie die hydraulische
Kupplung unter dem richtigen Druck stehend bleibt, führt
ein Ausdehnen und ein Zusammenziehen der Piezoeinrichtung zu genauen
Kraftstoffeinspritzereignissen. Falls jedoch Kraftstoff aus der
hydraulischen Kupplung entweicht und nicht wieder aufgefüllt
wird, kann eine Bewegung der Piezoeinrichtung zu einer ungewünschten
oder zu keiner Bewegung des Steuerventils führen.
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Ein
Beispiel für ein Wiederauffüllen der hydraulischen
Kupplung ist in dem
US-Patent
Nr. 6 840 466 (dem '466-Patent) beschrieben, das Igashira
et al. am 11. Januar 2005 erteilt wurde. Das '466-Patent beschreibt
einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor mit einem Sicherheitsventil,
das an einem unteren Ende des ersten Kolbens installiert ist. Das
Sicherheitsventil arbeitet, dass es einen Kraftstoffverlust aufgrund eines
Entweichens durch Verbinden eines Sammelbehälters mit einer
Verschiebungsverstärkungskammer (z. B. der oben beschriebenen
hydraulischen Kupplung) kompensiert. Das Sicherheitsventil besteht
aus einem flachen Ventil, das einen Durchlass in dem ersten Kolben
zwischen dem Sammelbehälter und der Verschiebungsverstärkungskammer schließt,
und einer konischen Feder, die zum Blockieren des Durchlasses das
flache Ventil nach oben drückt. Das flache Ventil ist aus
einer dünnen Scheibe hergestellt, die ein Zapfenloch aufweist,
das in der Mitte derselben ausgebildet ist. Das Zapfenloch dient zum
Ermöglichen des Entweichens des Kraftstoffs aus dem Inneren
der Verschiebungsverstärkungskammer zu dem Sammelbehälter
in dem Moment eines Fehlers während eines Einspritzens,
wodurch das Einspritzen gestoppt wird. Das Zapfenloch dient auch
als ein Vakuum in der Verschiebungsverstärkungskammer zum
Entfernen von Blasen aus der Kammer.
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Obwohl
das flache Sicherheitsventil, das in dem Kraftstoffinjektor des
'466-Patents enthalten ist, ausreichend Kraftstoff wieder auffüllen
kann, der aus der Verschiebungsverstärkungskammer entwichen ist,
kann es eine begrenzte Anwendbarkeit aufweisen. Insbesondere, da
das flache Sicherheitsventil ein Loch aufweist, durch das Kraftstoff
während Einspritzereignissen entweichen kann, kann es schwierig
sein, einen signifikanten Druck in der Verschiebungsverstärkungskammer
aufzubauen. Tatsächlich kann, wie in dem '466-Patent beschrieben
ist, das Loch sogar als ein Vakuum wirken, das direkt gegen den
Druckaufbau in der Kammer wirkt. Dieses reduzierte Druckniveau kann
eine Bewegung des Steuerungsventils und/oder eine Kraftverstärkung
und den sich ergebenden Einspritzdruck, der aus dem Injektor erhältlich
ist, begrenzen. Zusätzlich kann, selbst falls ein signifikanter
Druckaufbau in dem Injektor des '466-Patents möglich wäre,
die flache Natur des Sicherheitsventils zu wenig Halt gegen den
Druck vorsehen, was möglicherweise zu einer Deformation des
Sicherheitsventils und/oder einem Fehler des Injektors führt.
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Eine
alternative Ausführungsform des Injektors des '466-Patents
ist in SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2006-01-0174 mit dem Titel „180MPa
Piezo Common Rail System" offenbart. Wie in 6 dieses Artikels
dargestellt ist, ist der oben beschriebene Kraftstoffinjektor mit
einem robusteren Vollkugelsicherheitsventil anstelle des in dem
'466-Patent beschriebenen flachen Sicherheitsventils ausgestattet.
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Obwohl
das Vollkugelsicherheitsventil robuster sein kann und deshalb größeren
Drücken widerstehen kann, kann es immer noch problembehaftet sein.
Im Besonderen kann das Vollkugelsicherheitsventil ein größeres
Volumen erfordern, um die vergrößerte Größe
des Vollkugelsicherheitsventils unterzubringen. Dieses vergrößerte
Volumen kann zu dem Volumen der Verschiebungsverstärkungskammer dazukommen,
die durch die Verschiebungsbewegung des ersten Kolbens nach unten
mit Druck beaufschlagt werden muss. Falls die Verschiebungsbewegung
der Piezoeinrichtung genauso beibehalten wird, wird das größere
Volumen zu einem geringeren Druck in der Kammer führen.
Falls die Verschiebungsbewegung der Piezoeinrichtung vergrößert wird,
müssen auch die Kosten für die Bauteile erhöht werden
und die Größe des Injektors vergrößert
werden.
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Das
Steuerungssystem der vorliegenden Offenbarung löst eines
oder mehrere der oben genannten Probleme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Steuerungssystem
für einen Kraftstoffinjektor gerichtet. Das Steuerungssystem
weist ein Düsenelement mit wenigstens einer Öffnung
und ein Nadelsicherheitsventil mit einem Hinterende und einem Vorderende
auf. Das Nadelsicherheitsventil ist in dem Düsenelement
hin und her bewegbar angeordnet, dass es die wenigstens eine Öffnung öffnet
und schließt. Das Steuerungssystem weist auch eine Steuerungskammer,
die sich an dem Hinterende des Nadelsicherheitventils befindet,
und ein Steuerventil auf, das zum wahlweisen Entleeren und Befüllen
der Steuerungskammer bewegbar ist. Das Steuerungssystem weist weiter
einen Injektorkörper, einen ersten Kolben, der sich in
dem Injektorkörper befindet, und einen zweiten Kolben,
der sich in dem Injektorkörper befindet, auf. Der erste
Kolben ist zum Bewegen des Steuerventils betriebsmäßig
mit dem Steuerventil verbunden. Der zweite Kolben befindet sich zum
Ausbilden einer Kupplungskammer in einem Abstand von dem ersten
Kolben. Das Steuerungssystem weist zusätzlich ein Teilkugelsicherheitsventil auf,
das der Kupplungskammer zugeordnet ist, um die Kupplungskammer wahlweise
wiederaufzufüllen.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Verfahren
zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines
Motors gerichtet. Das Verfahren umfasst ständiges Zuleiten von
unter Druck stehendem Kraftstoff zu einer Spitze eines Kraftstoffinjektors
während eines Betriebs des Kraftstoffinjektors und ständiges
Zuleiten von unter Druck stehendem Kraftstoff zu einer ersten Kammer des
Kraftstoffinjektors während eines Betriebs des Kraftstoffinjektors.
Das Verfahren umfasst auch Verringern des Volumens einer zweiten
Kammer des Kraftstoffinjektors zum Beaufschlagen von Kraftstoff mit
Druck in derselben. Das Beaufschlagen des Kraftstoffs mit Druck
in der zweiten Kammer führt zu einer Druckreduzierung in
der ersten Kammer und einem anschließenden Einspritzen
von Kraftstoff in die Verbrennungskammer. Das Verfahren umfasst
weiter Ausleiten von Kraftstoff aus der ersten Kammer zu der zweiten
Kammer und Verhindern, dass Kraftstoff aus der zweiten Kammer zu
der ersten Kammer strömt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische und diagrammatische Darstellung eines beispielhaft
offenbarten Kraftstoffsystems,
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung eines beispielhaft offenbarten Kraftstoffinjektors
zur Verwendung mit dem Kraftstoffsystem der 1, und
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung einer beispielhaft offenbarten hydraulischen
Kupplung zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor der 2.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt
einen Motor 10 und eine beispielhafte Ausführungsform
eines Kraftstoffsystems 12 dar. Zum Zwecke dieser Offenbarung
ist der Motor 10 als ein Viertaktdieselmotor abgebildet
und beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor 10 irgendeine
andere Art Verbrennungsmotor sein kann, wie beispielsweise ein Ottokraftstoff-
oder ein Gasmotor. Der Motor 10 kann einen Motorblock 14,
der eine Mehrzahl von Zylindern 16 definiert, einen Kolben 18,
der in jedem Zylinder 16 verschiebbar angeordnet ist, und
einen Zylinderkopf 20, der jedem Zylinder 16 zugeordnet
ist, aufweisen.
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Der
Zylinder 16, der Kolben 18 und der Zylinderkopf 20 können
eine Verbrennungskammer 22 ausbilden. In der dargestellten
Ausführungsform weist der Motor 10 sechs Verbrennungskammern 22 auf.
Jedoch wird in Erwägung gezogen, dass der Motor 10 eine
größere oder kleinere Anzahl von Verbrennungskammern 22 aufweisen
kann, und dass die Verbrennungskammern 22 in einer „Reihen"-Konfiguration,
einer „V"-Konfiguration oder in jeder anderen geeigneten
Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie
auch in 1 gezeigt ist, kann der Motor 10 eine
Kurbelwelle 24 aufweisen, die in dem Motorblock 14 drehbar
angeordnet ist. Eine Verbindungsstange 26 kann jeden Kolben 18 mit
der Kurbelwelle 24 verbinden, so dass eine Gleitbewegung
des Kolbens 18 in jedem entsprechenden Zylinder 16 zu
einer Drehung der Kurbelwelle 24 führt. Ähnlich
kann eine Drehung der Kurbelwelle 24 zu einer Gleitbewegung
des Kolbens 18 führen.
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Das
Kraftstoffsystem 12 kann Bauteile aufweisen, die zusammenwirken,
dass sie Einspritzungen von unter Druck stehendem Kraftstoff in
jede Verbrennungskammer 22 liefern. Insbesondere kann das
Kraftstoffsystem 12 einen Tank 28, der zum Halten
einer Kraftstoffzufuhr gestaltet ist, eine Kraftstoffpumpanordnung 30,
die zum Beaufschlagen des Kraftstoffs mit Druck und zum Leiten des
unter Druck stehenden Kraftstoffs zu einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 32 mittels
einer gemeinsamen Leitung 34 gestaltet ist, aufweisen.
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Die
Kraftstoffpumpanordnung 30 kann eine oder mehrere Pumpeinrichtungen
aufweisen, die zum Vergrößern des Drucks des Kraftstoffs
und zum Leiten von einer oder mehrerer unter Druck stehender Kraftstoffströmungen
zu der gemeinsamen Leitung 34 wirken. Bei einem Beispiel
weist die Kraftstoffpumpanordnung 30 eine Niederdruckquelle 36 und
eine Hochdruckquelle 38 auf, die in Reihe angeordnet sind
und mittels einer Kraftstoffleitung 40 fluidmäßig
verbunden sind. Die Niederdruckquelle 36 kann eine Transferpumpe
sein, die gestaltet ist, dass sie eine Niederdruckzufuhr an die
Hochdruckquelle 38 vorsieht. Die Hochdruckquelle 38 kann
gestaltet sein, dass sie die Niederdruckzufuhr aufnimmt und den
Druck des Kraftstoffs auf den Bereich von ungefähr 30–300
MPa vergrößert. Die Hochdruckquelle 38 kann
mittels einer Kraftstoffleitung 42 mit der gemeinsamen
Leitung 34 verbunden sein. Ein Sicherheitsventil 44 kann
in der Kraftstoffleitung 42 zum Vorsehen einer Strömung
des Kraftstoffs in einer Richtung aus der Kraftstoffpumpanordnung
zu der gemeinsamen Leitung 34 angeordnet sein.
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Eine
oder beide der Niederdruck- und der Hochdruckquelle 36, 38 kann/können
betriebsmäßig mit dem Motor 10 verbunden
sein und durch die Kurbelwelle 24 angetrieben sein. Die
Nieder- und/oder die Hochdruckquelle 36, 38 kann/können
mit der Kurbelwelle 24 in irgendeiner Weise verbunden sein,
die der Fachmann leicht erkennt, bei der eine Drehung der Kurbelwelle 24 zu
einer entsprechenden Drehung einer Pumpenantriebswelle führt.
Beispielsweise ist eine Pumpenantriebswelle 46 der Hochdruckquelle 38 in 1 gezeigt,
dass sie mit der Kurbelwelle 24 durch einen Getriebezug 48 verbunden
ist. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass eine oder beide
der Nieder- und der Hochdruckquelle 36, 38 alternativ
elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder in irgendeiner anderen
geeigneten Weise angetrieben werden kann/können.
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Die
Kraftstoffinjektoren 32 können in den Zylinderköpfen 20 angeordnet
sein und mittels einer Mehrzahl von Kraftstoffleitungen 50 mit
der gemeinsamen Leitung 34 verbunden sein. Jeder Kraftstoffinjektor 32 kann
betätigbar sein, dass er eine Menge von unter Druck stehendem
Kraftstoff in eine zugehörige Verbrennungskammer 22 zu
vorbestimmten Zeitpunkten, bei vorbestimmten Kraftstoffdrücken und
Kraftstoffströmungsraten einspritzt. Der Zeitpunkt des
Kraftstoffeinspritzens in die Verbrennungskammer 22 kann
mit der Bewegung des Kolbens 18 synchronisiert sein. Beispielsweise
kann Kraftstoff eingespritzt werden, während sich der Kolben 18 einer
oberen Todpunktposition in einem Kompressionstakt nähert,
um eine kompressionsgezündete Verbrennung des eingespritzten
Kraftstoffs zu ermöglichen. Alternativ kann der Kraftstoff
eingespritzt werden, während der Kolben 18 den
Kompressionstakt beginnt, der auf dem Weg in Richtung zu einer oberen
Todpunktposition für einen homogenen Befüllungskompressionszündungsvorgang
ist. Der Kraftstoff kann auch eingespritzt werden, während
sich der Kolben 18 von einer oberen Todpunktposition in Richtung
zu einer unteren Todpunktposition während eines Expansionstakts
für eine späte Nacheinspritzung bewegt, um eine
reduzierende Atmosphäre für eine Nachbehandlungsregeneration
zu erzeugen.
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Wie
in 2 dargestellt ist, kann jeder Kraftstoffinjektor 32 einen
Kraftstoffinjektor mit einer normalerweise geschlossenen Düseneinheit darstellen. Insbesondere
kann jeder Kraftstoffinjektor 32 einen Injektorkörper 52,
ein Gehäuse 54, das mit dem Injektorkörper 52 betriebsmäßig
verbunden ist, eine Führung 55, die in dem Gehäuse 54 angeordnet
ist, ein Düsenelement 56, ein Nadelventilelement 58,
einen Aktor 59 und eine Aktorventilbaugruppe 61 aufweisen.
Es wird in Erwägung gezogen, dass zusätzliche
Bauteile in dem Kraftstoffinjektor 32 enthalten sein können,
wie beispielsweise begrenzte Öffnungen, Druckausgleichdurchlässe,
Akkumulatoren und andere Injektorbauteile, die im Stand der Technik
bekannt sind.
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Der
Injektorkörper 52 kann ein zylindrisches Bauteil
darstellen, das für eine Baugruppe in dem Zylinderkopf 20 gestaltet
ist und einen oder mehrere Durchlässe aufweist. Im Besonderen
kann der Injektorkörper 52 eine zentrale Bohrung 100,
die zum Aufnehmen des Aktors 59 gestaltet ist, einen Kraftstoffeinlass 102 und
-auslass 104 in Kommunikation mit der zentralen Bohrung 100,
und eine Steuerungskammer 106 aufweisen. Die Steuerungskammer 106 kann
in direkter Kommunikation mit einem Hinterende des Nadelventilelements 58 sein
und wahlweise von dem unter Druck stehenden Kraftstoff entleert oder
mit demselben befüllt werden, um eine Bewegung des Nadelventilelements 58 zu
bewirken. Der Injektorkörper 52 kann auch einen
Zufuhrdurchlass 110 aufweisen, der immer fluidmäßig
den Kraftstoffeinlass 102 mit dem Düsenelement 56 und
der Steuerungskammer 106 während eines Betriebs
des Kraftstoffinjektors 32 verbindet.
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Das
Gehäuse 54 kann ein zylindrisches Bauteil mit
einer zentralen Bohrung 60 zum Aufnehmen der Führung 55 und
des Düsenelements 56 und mit einer Öffnung 62,
durch die ein Vorderende 64 des Düsenelements 56 vorsteht,
darstellen. Ein Dichtbauteil, wie beispielsweise ein O-Ring (nicht
gezeigt), kann zwischen der Führung 55 und dem
Düsenelement 56 zum Begrenzen eines Kraftstoffentweichens aus
dem Kraftstoffinjektor 32 angeordnet sein.
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Die
Führung 55 kann auch ein zylindrisches Bauteil
mit einer zentralen Bohrung 68 darstellen, die gestaltet
ist, das Nadelventilelement 58 und eine Rückstellfeder 90 aufzunehmen.
Die Rückstellfeder 90 kann zwischen einem Anschlag 92 und
einer Sitzoberfläche 94 zum axialen Vorspannen
des Nadelventilelements 58 in Richtung zu dem Vorderende 64 angeordnet
sein. Ein Abstandshalter 96 und ein ähnlicher
Abstandshalter 97 können zwischen der Rückstellfeder 90 und
der Sitzoberfläche 94 beziehungsweise zwischen
der Rückstellfeder 90 und dem Anschlag 92 zum
Reduzieren einer Belastung der Bauteile in dem Kraftstoffinjektor 32 angeordnet
sein. Die zentrale Bohrung 68 kann als eine Druckkammer wirken
und unter Druck stehenden Kraftstoff, der von dem Zufuhrdurchlass 110 in
Erwartung eines Einspritzungsereignisses zugeführt wird,
halten.
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Das
Düsenelement 56 kann ähnlich ein zylindrisches
Bauteil mit einer zentralen Bohrung 72 in Kommunikation
mit der zentralen Bohrung 68 darstellen. Die zentrale Bohrung 72 kann
das Nadelventilelement 58 aufnehmen und eine oder mehrere Öffnungen 80 aufweisen,
die den unter Druck stehenden Kraftstoff aus der zentralen Bohrung 68 durch
die zentrale Bohrung 72 in die Verbrennungskammern 22 des
Motors 10 durchlassen, während das Nadelventilelement 58 von
den Öffnungen 80 weg bewegt wird.
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Das
Nadelventilelement 58 kann ein längliches zylindrisches
Bauteil sein, das in der Führung 55 und dem Düsenelement 56 verschiebbar
angeordnet ist. Das Nadelventilelement 58 kann zwischen einer
ersten Position, in der ein Vorderende des Nadelventilelements 58 eine
Kraftstoffströmung durch die Öffnungen 80 blockiert,
und einer zweiten Position, in der die Öffnungen 80 zum
Spritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 22 offen
sind, axial bewegbar sein. Es wird in Erwägung gezogen,
dass das Nadelventilbauteil 58 ein Mehrfach-Bauteil-Element
mit einem Nadelbauteil und einem Kolbenbauteil oder ein einziges
integrales Element sein kann.
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Das
Nadelventilelement 58 kann mehrere antreibende hydraulische
Oberflächen aufweisen. Beispielsweise kann das Nadelventilelement 58 eine hydraulische
Oberfläche 112 aufweisen, die mit der Vorspannung
der Rückstellfeder 90 zum Antreiben des Nadelventilelements 58 in
Richtung zu einer ersten oder öffnungsblockierenden Position
neigt, wenn sie durch den unter Druck stehenden Kraftstoff betätigt
wird. Das Nadelventilelement 58 kann auch eine hydraulische
Oberfläche 114 aufweisen, die der Vorspannung
der Rückstellfeder 90 zum Antreiben des Nadelventilelement 58 in
der gegenüberliegenden Richtung zu einer zweiten oder öffnungsöffnenden Position
entgegenwirkt, wenn sie durch den unter Druck stehenden Kraftstoff
betätigt wird.
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Der
Aktor 59 kann zum Steuern der Kräfte auf das Nadelventilelement 58 gegenüber
dem Düsenelement 56 angeordnet sein. Insbesondere
kann der Aktor 59 ein Elektro-Ausdehnungsmodul, wie beispielsweise
einen piezoelektrischen Motor, aufweisen. Ein piezoelektrischer
Motor kann einen oder mehrere Stapel scheibenartiger piezoelektrischer Kristalle
aufweisen. Die Kristalle können Strukturen mit Zufallsbereichsorientierungen
sein. Diese Zufallsorientierungen sind asymmetrische Anordnungen von
positiven und negativen Ionen, die ein permanentes Dipolverhalten
zeigen. Wenn ein elektrisches Feld an die Kristallstapel angelegt
wird, wie beispielsweise durch das Anlegen eines Stroms, dehnen
sich die Stapel entlang der Achse des elektrischen Felds aus, während
sich die Bereiche in Reihe anordnen. Bei einer Ausführungsform
kann die Ausdehnung des Aktors 49 ungefähr 40 μm
sein.
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Der
Aktor 59 kann mittels einer Aktorventilbaugruppe 61 mit
dem Nadelventilelement 58 verbunden sein. Insbesondere
kann die Aktorventilbaugruppe 61 einen ersten Kolben 116,
einen zweiten Kolben 118 und ein Steuerventilelement 120 aufweisen.
Ein Sicherheitsventil 119 kann zwischen dem ersten Kolben 116 und
dem zweiten Kolben 118 zum Vorsehen einer Strömung
des Kraftstoffs in einer Richtung aus der Steuerungskammer 106 zu
einer hydraulischen Kupplung 132 angeordnet sein.
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Der
erste Kolben 116 kann verbunden sein, dass er sich mit
der Ausdehnung und dem Zusammenziehen des Aktors 59 bewegt.
Insbesondere kann der erste Kolben 116 mittels einer Rückstellfeder 125 in
mechanischem Eingriff mit dem Kristallstapel des Aktors 59 gehalten
sein. Die Rückstellfeder 125 kann zwischen einem
Flansch 116a des ersten Kolbens 116 und einem
Mantelelement 128 angeordnet sein. Während der
Aktor 59 geladen wird und sich ausdehnt oder deenergetisiert
wird und sich zusammenzieht, kann sich der erste Kolben 116 in
der zentralen Bohrung 100 bewegen, dass er das Volumen der
hydraulischen Kupplung 123 reduziert oder vergrößert.
Es wird in Erwägung gezogen, dass der erste Kolben 116 fest
mit dem Aktor 59 verbunden ist, falls dies gewünscht
ist.
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Der
zweite Kolben 118 kann von dem ersten Kolben 116 um
einen Abstand getrennt sein, wodurch die hydraulische Kupplung 123 ausgebildet
wird. Während der erste Kolben 116 zum Verringern
des Volumens der hydraulischen Kammer 123 bewegt wird,
kann der Druck des Kraftstoffs in der hydraulischen Kupplung 123 entsprechend
zunehmen. Der zunehmende Druck des Kraftstoffs in der hydraulischen
Kupplung 123 kann gegen ein Ende des zweiten Kolbens 118 wirken,
wodurch der zweite Kolben 118 gezwungen wird, sich gegen
das Steuerventilelement 120 nach unten zu bewegen. Während
der erste Kolben 116 zum Vergrößern des
Volumens der hydraulischen Kupplung 123 bewegt wird, kann
der Druck des Kraftstoffs in der hydraulischen Kupplung 123 entsprechend
abnehmen, wodurch dem Steuerventilelement 120 ermöglicht
wird, den zweiten Kolben 118 in seine ursprüngliche
Position zurückzuholen. Es wird in Erwägung gezogen,
dass eine Rückstellfeder (nicht gezeigt) dem zweiten Kolben 118 zugeordnet
sein, um den zweiten Kolben 118 in Berührung mit
dem Steuerventilelement 120 zu halten, falls dies gewünscht
ist.
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Das
Steuerventilelement 120 kann zum wahlweisen Entleeren der
Steuerungskammer 106 in die und aus der Berührung
mit einem Sitz 122 bewegt werden, wodurch das Einspritzen
des Kraftstoffs initiiert wird. Wenn das Steuerventilelement 120 mit
dem Sitz 122 in Eingriff ist oder in der Nichteinspritzposition
ist, kann Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinlass 102 durch
den Zufuhrdurchlass 110 in die Steuerungskammer 106 über
einen Verzweigungsdurchlass 124 fließen. Während
sich der unter Druck stehende Kraftstoff in der Steuerungskammer 106 aufbaut, kann
die nach unten gerichtete Kraft, die an der hydraulischen Oberfläche 112 erzeugt
wird, zusammen mit der Kraft der Rückstellfeder 90 die
nach oben gerichtete Kraft an der hydraulischen Oberfläche 114 überwinden,
wodurch die Öffnungen 80 geschlossen werden und
das Kraftstoffeinspritzen beendet wird. Wenn das Steuerventilelement 120 gegen
die Vorspannung einer Rückstellfeder 127, aus
dem Eingriff mit dem Sitz 122, und in die Einspritzposition
bewegt wird, kann Kraftstoff aus der Steuerungskammer 106 zu
dem Tank 28 über eine begrenzte Öffnung 121, die
zentrale Bohrung 100 und den Kraftstoffauslass 104 strömen.
Während der Kraftstoff aus der Steuerungskammer 106 zu
dem Tank 28 entleert wird, kann die nach oben gerichtete
Kraft an der hydraulischen Oberfläche 114 das
Nadelventilelement 58 gegen die Vorspannung der Rückstellfeder 90 drücken, wodurch
die Öffnungen 80 geöffnet werden und
das Kraftstoffeinspritzen in die Verbrennungskammern 22 initiiert
wird. Wenn der Aktor 59 deenergetisiert wird, kann die
Rückstellfeder 127 das Steuerventilelement 120 in
die Nichteinspritzposition zurückholen.
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Das
Sicherheitsventil 119 kann aus der hydraulischen Kupplung 123 entwichenen
Kraftstoff wieder auffüllen. Insbesondere kann es während
eines Betriebs des Kraftstoffinjektors 32 möglich
sein, dass der Kraftstoff aus dem Inneren des Raums zwischen dem
ersten und dem zweiten Kolben 116, 118 durch die
zentrale Bohrung zu dem Kraftstoffauslass 104 entweicht.
Falls die Kraftstoffmenge, und anschließend der Druck,
in diesem Raum schwankt, kann die Bewegung des ersten Kolbens 116 zu
einer ungewünschten Bewegung des zweiten Kolbens 118 und
des Steuerventilelements 120 führen. Beispielsweise
kann sich, falls aus der hydraulischen Kupplung 123 Kraftstoff
entwichen ist, der erste Kolben 116 weiter bewegen müssen,
um den Druck zu erzeugen, der zum Initiieren der Bewegung des zweiten
Kolbens 118 erforderlich ist. In einigen Situationen kann
diese zusätzliche Distanz zu einer geringen oder sogar
zu keiner Bewegung des zweiten Kolbens 118 führen.
Das Sicherheitsventil 119 kann wahlweise ermöglichen,
dass Kraftstoff aus der Steuerungskammer 106 den Kraftstoffverlust
aus der hydraulischen Kupplung 123 wieder auffüllt.
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Wie
in 3 dargestellt ist, kann das Sicherheitsventil 119 in
einer zentralen Bohrung 130 des zweiten Kolbens 118 angeordnet
sein. Ein oder mehrere quer orientierte Durchlässe 132 in
dem zweiten Kolben 118 können mit einem oder mehreren
quer orientierten Durchlässen 133 des Mantelelements 128 zum
fluidmäßigen Verbinden der zentralen Bohrung 130 mit
der zentralen Bohrung 100 und anschließend mit
der Steuerungskammer 106 zusammenwirken. Da die aus dem
Kraftstoffdruck in der hydraulischen Kupplung 123 resultierende
Kraft, die auf das Sicherheitsventil 119 wirkt, unter die
Kraft abnimmt, die aus dem Kraftstoffdruck in der zentralen Bohrung 130 resultiert,
die auf das Sicherheitsventil 119 zusammen mit der Schwerkraft
wirkt, kann das Sicherheitsventil 119 zum Ermöglichen,
dass Kraftstoff aus der zentralen Bohrung 130 in den Raum
zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben 116, 118 strömt,
von einem Sitz 134 weg bewegt werden. Da sich die Drücke
des Kraftstoffs in der hydraulischen Kupplung 123 und der
zentralen Bohrung 130 im Wesentlichen ausgleichen, kann
das Sicherheitsventil 119 in seinen Eingriff mit dem Sitz 134 zurückkehren.
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Wie
ebenfalls in 3 dargestellt ist, kann das
Sicherheitsventil 119 robust sein und durch seine Bewegung
entlang der axialen Richtung der zentralen Bohrung 13 geführt
sein. Insbesondere kann das Sicherheitsventil 119 ein Teilkugelelement 136 und ein
Führungselement 138 aufweisen. Das Teilkugelelement 136 kann
einen sphärischen Bereich aufweisen, der durch eine obere
flache Oberfläche abgeschnitten ist. Die Größe
des sphärischen Bereichs, der in dem Teilkugelelement 136 enthalten
ist, kann variabel und abhängig von einer besonderen Anwendung
sein. Um jedoch die Struktur vorzusehen, die erforderlich ist, hohen
Drücken zu widerstehen, die in der hydraulischen Kupplung 123 erzeugt
werden, während das Volumen verkleinert wird, das erforderlich
ist zum Aufnehmen des Teilkugelelements 136, wird der sphärische
Bereich in den meisten Situationen typischerweise als ungefähr
eine Hälfte einer vollständigen Kugel verwendet
und kann als eine Halbkugel bekannt sein. Ein kleiner Vorsprung
kann auf der flachen Oberfläche des Teilkugelelements 136 angeordnet
sein zum Verhindern einer vollständigen Berührung
des ersten Kolbens 116 mit der flachen Oberfläche
und zum dadurch Minimieren der Wahrscheinlichkeit, dass das Teilkugelelement 136 an
einer Endfläche des ersten Kolben 116 anhaftet.
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Das
Führungselement 138 kann die Wahrscheinlichkeit
minimieren, dass das Sicherheitsventil 119 in der zentralen
Bohrung 130 oder in dem Raum zwischen dem ersten und dem
zweiten Kolben 116, 118 während einer
Bewegung des Sicherheitsventils 119 festsitzt. Obwohl das
Sicherheitsventil 119 beschrieben ist, dass es lediglich
durch Kraftstoffdrücke und die Schwerkraft vorgespannt
wird, wird in Erwägung gezogen, dass alternativ eine Rückstellfeder (nicht
gezeigt) in der zentralen Bohrung 130 oder in der hydraulischen
Kupplung 132 angeordnet sein kann zum Vorspannen des Sicherheitsventils 119 und
zum dadurch Bewirken der Öffnungs- und Schließungsdruckdifferenz
des Sicherheitsventils 119, falls dies gewünscht
ist. Jedoch kann die Verwendung einer Rückstellfeder die
Komplexität des Sicherheitsventils 119 vergrößern
und die zugehörigen Kosten und die Unzuverlässigkeit
erhöhen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Kraftstoffinjektorsteuerungssystem der vorliegenden Offenbarung
weist breite Anwendungsbereiche in einer Vielzahl von Motorarten
einschließlich beispielsweise Dieselmotoren, Ottokraftstoffmotoren
und Gasmotoren auf. Das offenbarte Kraftstoffinjektorsteuerungssystem
kann in irgendeinem Motor implementiert sein, in dem eine ständige
und vorhersagbare Kraftstoffinjektorleistung wichtig ist. Die Einspritzsteuerung
der Kraftstoffinjektoren 32 wird nun beschrieben.
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Das
Nadelventilelement 58 kann durch ein Kraftungleichgewicht
bewegt werden, das durch Kraftstoffdruck erzeugt wird. Wenn beispielsweise das
Nadelventilelement 58 in der ersten oder öffnungsblockierenden
Position ist, kann unter Druck stehender Kraftstoff aus dem Kraftstoffzufuhrdurchlass 100 in
die Steuerungskammer 106 strömen, dass er auf
die hydraulische Oberfläche 112 wirkt. Gleichzeitig
kann unter Druck stehender Kraftstoff aus dem Kraftstoffzufuhrdurchlass 100 in
die zentralen Bohrungen 68 und 72 in Erwartung
eines Einspritzens strömen. Die Kraft der Feder 90 zusammen
mit der Kraft, die an der hydraulischen Oberfläche 114 erzeugt
wird, kann größer als eine entgegenwirkende Kraft
sein, die an der hydraulischen Oberfläche 112 erzeugt
wird, wodurch bewirkt wird, dass das Nadelventilelement 58 zum
Begrenzen einer Kraftstoffströmung durch die Öffnungen 84 in
der ersten Position bleibt.
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Zum Öffnen
der Öffnungen 84 und zum Einspritzen des unter
Druck stehenden Kraftstoffs aus der zentralen Bohrung 72 in
die Verbrennungskammer 22, kann ein Strom an den Aktor 59 übertragen werden,
der eine Ausdehnung bewirkt, die den ersten Kolben 116 zu
der unter Druck stehenden hydraulischen Kupplung 123 bewegt.
Der zunehmende Druck der hydraulischen Kupplung 123 kann
wirken, dass sich der zweite Kolben 118 und das eingegriffene
Steuerventilelement 120 derart bewegen, dass Kraftstoff
aus der Steuerungskammer 106 und von der hydraulischen
Oberfläche 112 weg entleert wird. Diese Druckabnahme,
die auf die hydraulische Oberfläche 112 wirkt,
kann der entgegenwirkenden Kraft, die über die hydraulische
Oberfläche 114 wirkt, ermöglichen, die
Vorspannkraft der Feder 90 zu überwinden, wodurch
das Nadelventilelement 58 in Richtung zu der öffnungsöffnenden
Position bewegt wird.
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Zum
Schließen der Öffnungen 84 und zum Beenden
des Einspritzens von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 22 kann
der Aktor 59 deenergetisiert werden. Insbesondere kann
sich, während sich der Stapel aus Piezokristallen in dem
Aktor 59 zusammenzieht, der erste Kolben 116 von
der hydraulischen Kupplung 123 zurückziehen, was
zu einem Druckabfall in derselben führt. Diese Druckreduktion kann
der Feder 127 ermöglichen, das Steuerventilelement 120 und
den eingegriffenen zweiten Kolben 118 zurück in
ihre strömungsblockierenden Positionen zu holen. Wenn das
Steuerventilelement 120 in der strömungsblockierenden
Position ist, kann verhindert werden, dass Kraftstoff aus der Steuerungskammer 106 zu
dem Tank 28 entleert wird. Da unter Druck stehender Kraftstoff
kontinuierlich der Steuerungskammer 106 über den
begrenzten Verzweigungsdurchlass 124 zugeführt
wird, kann der Druck in der Steuerungskammer 106 schnell
aufgebaut werden, wenn das Entleeren desselben aus derselben verhindert
wird. Der zunehmende Druck in der Steuerungskammer 106 kann
zusammen mit der Vorspannkraft der Feder 90 die entgegenwirkende Kraft,
die auf die hydraulische Oberfläche 114 wirkt, überwinden,
dass sie das Nadelventilelement 58 in Richtung zu der geschlossenen
Position drücken.
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Während
der Druck der hydraulischen Kupplung 123 aufgrund des Entweichens
abnimmt, kann das Sicherheitsventil 119 die hydraulische
Kupplung 123 mit unter Druck stehendem Kraftstoff wieder
auffüllen. Insbesondere als Antwort auf eine Druckdifferenz
zwischen der hydraulischen Kupplung 123 und der zentralen
Bohrung 130, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,
kann sich das Sicherheitsventil 119 gegen die Schwerkraft
bewegen, um zu ermöglichen, dass Kraftstoff aus der zentralen
Bohrung 100, durch die quer verlaufenden Durchlässe 132, 133 und
durch die zentrale Bohrung 130 und in die hydraulische
Kupplung 123 strömt. Auf diese Weise kann das
nicht betätigte Volumen und daher der Druck in der hydraulischen
Kupplung 123 im Wesentlichen konstant gehalten werden,
was zu im Wesentlichen konstanten und vorhersagbaren Einspritzereignissen
führt.
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Das
Sicherheitsventil 119 kann hohe hydraulische Kupplungsdrücke
vorsehen und ausreichend robust sein, um die hohen Drücke
zu bewältigen. Insbesondere, da das Sicherheitsventil 119 lediglich eine
Strömung von Kraftstoff in einer Richtung aus der zentralen
Bohrung 130 in die hydraulische Kupplung 123 ermöglicht,
kann wenig Kraftstoff aus der hydraulischen Kupplung 123 während
der Verschiebungsbewegung des ersten Kolbens 116 nach unten entweichen.
Durch Minimieren des Entweichens während dieser Bewegung
zu dem ersten Kolben 116 kann mit minimalem Wirkungsgradverlust
der Druck in der hydraulischen Kupplung 123 auf einen signifikanten
hohen Wert in einer Rate ansteigen, die unmittelbar proportional
zu der Bewegung des ersten Kolbens 116 ist. Zusätzlich
ist aufgrund der Teilkugelnatur des Sicherheitsventils 119 zum
Aufnehmen des Sicherheitsventils 119 ein minimales Volumen
in der hydraulischen Kupplung 123 erforderlich. Dieses
minimierte Volumen in der hydraulischen Kupplung 123 kann
den Bewegungsweg reduzieren, den der erste Kolben 116 bewältigen
muss, um die hydraulische Kupplung 123 auf den gewünschten
Druck mit Druck zu beaufschlagen. Ein geringer Bewegungsweg, der für
den ersten Kolben 116 erforderlich ist, kann entweder die
Kosten des Aktors 59 reduzieren oder sogar höhere
Drücke ermöglichen, die in der hydraulischen Kupplung 123 erzeugt
werden. Weiter kann aufgrund der Teilkugelnatur des Sicherheitsventils 119 das
Sicherheitsventil 119 robust genug sein, um diesen hohen
Drücken ohne Deformation oder Beschädigung zu
widerstehen.
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Fachleute
werden erkennen, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen
an dem Steuerungssystem der vorliegenden Offenbarung gemacht werden
können, ohne den Schutzumfang der Offenbarung zu verlassen.
Andere Ausführungsformen werden die Fachleute aus der Betrachtung
der Beschreibung und der Umsetzung des hierin offenbarten Steuerungssystems
erkennen. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als
beispielhaft angesehen werden mit einem wirklichen Schutzumfang der
Offenbarung, der durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente
angegeben ist.
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Zusammenfassung
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Kraftstoffinjektorsteuerunssystem
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Ein
Steuerungssystem für einen Kraftstoffinjektor (32)
wird offenbart. Das Steuerungssystem weist ein Düsenelement
(56) mit wenigstens einer Öffnung (80)
und ein Nadelsicherheitsventil (58) auf. Das Nadelsicherheitsventil
ist zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Öffnung
hin und her bewegbar angeordnet. Das Steuerungssystem weist auch
eine Steuerungskammer (106), die sich an dem Hinterende
des Nadelsicherheitsventils befindet, und ein Steuerventil (120),
das zum wahlweisen Entleeren und Befüllen der Steuerungskammer
bewegbar ist, auf. Das Steuerungssystem weist weiter einen Injektorkörper
(52), einen ersten Kolben (118), der sich in dem
Injektorkörper befindet, und einen zweiten Kolben (116),
der sich in dem Injektorkörper befindet, auf. Der erste
Kolben ist zum Bewegen des Steuerventils betriebsmäßig
mit dem Steuerventil verbunden. Der zweite Kolben befindet sich
zum Ausbilden einer Kupplungskammer (123) in einem Abstand
zu dem ersten Kolben. Das Steuerungssystem weist zusätzlich
ein Teilkugelsicherheitsventil (119) auf, das zum wahlweisen
Wiederaufüllen der Kupplungskammer der Kupplungskammer
zugeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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