DE60026920T2

DE60026920T2 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit kombinierter Druckregeleinrichtung für Vor- und Haupteinspritzung

Info

Publication number: DE60026920T2
Application number: DE60026920T
Authority: DE
Inventors: He Canton Jiang; Craig L. Carleton Savonen
Original assignee: Detroit Diesel Corp
Current assignee: Detroit Diesel Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: EP1113165B1; MXPA00012603A; US6227175B1; EP1113165A2; KR20010062690A; CA2327691A1; DE60026920D1; JP2001207937A; EP1113165A3; AU7199800A; BR0006435A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzanordnung für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Kraftstoffeinspritzanordnungen werden in Verbrennungsmotoren eingesetzt, um ein vorbestimmtes dosiertes Kraftstoffgemisch in vorgewählten Intervallen dem Brennkammer zuzuführen. Im Stand der Technik gewöhnlich verwendete Kraftstoffeinspitzer haben typischerweise einen Hochdruckkraftstoffdurchgang, der sich zwischen einem magnetisch aktiviertem Steuerventil und einem zylindrischen Bohrloch im Einspritzkörper erstreckt. Ein Kolben kann sich innerhalb des zylindrischen Bohrlochs hin- und herbewegen, um den Kraftstoffdruck zu erhöhen. Kraftstoff mit relativ geringem Druck wird dem Einlasskanal, wenn sich der Zylinder an seinem oberen Totpunkt befindet, zugeführt. Das Steuerventil dosiert die Kraftstoffzufuhr in vorbestimmten Intervallen durch einen Kraftstoffkanal, der mit dem Überlaufventil verbunden ist. Kraftstoff mit sehr hohem Druck wird einer Einspritzdüsenanordnung zugeführt und schließlich vom Einspritzer zerstäubt.
Im Fall der Kompressionszündung bzw. im Fall von Dieselmotoren wird der Kraftstoff mit relativ hohem Druck zugeführt. Zur Zeit liefern herkömmliche Einspritzer Kraftstoff mit einem Druck von 32,000 psi. Dies sind ziemlich hohe Drücke, was beachtliche Maßnahmen erfordert, um die strukturelle Integrität der Einspritzer, gute Dichtungseigenschaften und eine effektive Zerstäubung des Kraftstoffs in der Brennkammer zu gewährleisten. Im Wesentlichen muss der moderne Motor beachtliche wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bieten, wobei auf immer strengere Emissionsrichtlinien zu achten ist. Dennoch haben höhere Anforderungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, der sauberen Verbrennung, geringerer Emissionen und der Kontrolle der Entstehung von NO_x dazu geführt und werden auch weiterhin dazu führen, immer höhere Anforderungen an Kraftstoffzuführsystemen für Verbrennungsmotoren zu stellen, was die Erhöhung des Kraftstoffdrucks im Einspritzer einschließt.
Um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, wurden elektronische Steuermodule eingesetzt, um den Beginn und das Ende des Kraftstoffeinspritzvorgangs das Timing beim Einspritzen und die Menge des Kraftstoffs zu steuern, um dadurch den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, und um die Emissionsrichtlinien einzuhalten. Es gibt immer noch einen anhaltenden Bedarf, Methoden zu entwickeln, um zusätzliche Ein spritzparameter, wie die Kraftstoffeinspritzrate und die maximalen Einspritzdrücke während eines Einspritzvorgangs auf kosteneffektive Art und Weise zu steuern.
Die Kraftstoffeinspritzrate eines herkömmlichen Kraftstoffeinspritzers hat über die Zeit aufgetragen normalerweise eine Trapezform, mit einem relativ linearem Anstieg ausgehend von einer niedrigen Ausgangsrate zu einer hohen Rate am Ende der Einspritzung. Eine niedrige Ausgangsrate der Einspritzung führt tendenziell zu niedrigen NO_x-Emissionen. Eine hohe Einspritzrate am Ende des Einspritzvorgangs führt tendenziell zu niedrigen Partikelemissionen und zu einer besseren Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs.
Ein Weg, um die NO_x-Emissionen zu reduzieren und somit die Emissionsrichtlinien einzuhalten ist die Ausgangseinspritzrate auf ein niedriges Niveau zu regulieren, damit die maximale Verbrennungstemperatur und damit die Bildung von NO_x reduziert wird. Eine kurze Eingangseinspritzung des Kraftstoffs, üblicherweise Piloteinspritzung genannt, die am Anfang des Einspritzvorgangs stattfindet, wurde ebenfalls auf Grund der oben genannten Notwendigkeit der NO_x-Reduzierung angewendet. Dennoch haben Versuche die Einspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs zu regulieren und/oder eine Piloteinspritzung durchzuführen – beide Maßnahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt – gezeigt, dass die Maßnahmen Nachteile aufweisen, wie eine hohe mechanische Komplexität, die Notwendigkeit einer komplizierten elektronischen Steuerung und die Tatsache, dass sie nur geringfügig effizient und/oder kosteneffektiv sind.
Andererseits ist es wünschenswert, die Qualität der Zerstreuung des Kraftstoffs zu verbessern, um das Problem des Kraftstoffverbrauchs anzugehen und die Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs zu verbessern. Das könnte durch eine Erhöhung des Kraftstoffeinspritzdrucks erreicht werden, speziell bei einem maximalen Drehmoment und bei Teillast. Insbesondere kann ein erhöhter Einspritzdruck durch die Verwendung einer Einspritznocke mit einem hohen Geschwindigkeitsprofil oder durch die Wahl eines größeren Kolbendurchmessers erreicht werden. Jedoch verursachen generell das Nockenprofil, der Kolbendurchmesser oder andere Hardwarekonfigurationen, die einen höheren Einspritzdruck bei mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Last zur Folge haben, extrem hohe Einspritzdrücke bei hoher Motordrehzahl und großer Last. Diese erhöhten Einspritzdrücke können ernste Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer des Einspritzers verursachen. Dementsprechend ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Entlastungsventile verwendet werden, die den maximalen Systemdruck limitieren.
Aus GB-A-2 194 600 ist eine Einspritzvorrichtung, wie oben beschrieben, bekannt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einspritzvorrichtung, wie oben angedeutet, aufzuzeigen, die einfach, kostengünstig und wirtschaftlich ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit der vorliegenden Erfindung durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Verbrennungsmotoren, die einen Einspritzkörper mit einer Fluidverbindung zu einer Kraftstoffquelle, einer Zerstäuberanordnung, durch die der Kraftstoff während des Einspritzvorgangs zerstäubt wird, ein Hochdruckkraftstoffzuführsystem, dass der Zerstäuberanordnung Kraftstoff unter hohem Druck zuführt und eine elektromagnetische Ankersteuerventileinrichtung, um den Takt und die Kraftstoffmenge während jedem Einspritzvorgang zu steuern, aufweist, wobei der Einspritzer einen Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Zerstäuberanordnung zu steuern, um eine Einspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs zu regeln und weiterhin dazu ausgebildet ist, den Maximaldruck des Kraftstoffs der von der Zerstäubereinheit zerstäubt wird, zu limitieren. Demnach kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung die Eingangsrate der Kraftstoffeinspritzung reduzieren und den maximalen Einspritzdruck limitieren.
Demzufolge ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler dazu ausgebildet ist, eine Eingangs- bzw. Piloteinspritzung zu ermöglichen und/oder die Eingangsrate der Einspritzung zu reduzieren.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler so eingestellt werden kann, dass verschiedene Kombinationen von Eingangseinspritzraten erzielt werden können, wodurch die maximale Verbrennungstemperatur und die NO_x-Emissionen reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der kombinierte Eingangs- und Einspritzdruckregler weiterhin dafür ausgebildet ist, den Maximaldruck des Kraftstoffs, der durch die Zerstäuberanordnung zerstäubt wird, zu limitieren. Folglich ist der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler speziell für die Verwendung in Einspritzern geeignet, wo ein hoher Einspritzdruck bei niedriger Motordrehzahl und geringer Last erwünscht ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler auf effektive Weise das Problem der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, die hohe Einspritzdrücke aufweisen, löst.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die oben gezeigten Merkmale in einem kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler integriert sind, der einfach und kostengünstig sowie wirtschaftlich ist und der weiterhin eine elegante einfache und nicht übermäßig komplexe Mechanik aufweist.
Weitere bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Im Folgenden wird vorliegende Erfindung mit Hilfe von verschiedenen Ausführungen in Verbindung mit Zeichnungen detailliert beschrieben:
1 ist eine Querschnittsansicht eines Einspritzers, der an einem Zylinderkopf befestigt ist und durch einen Nocken angetriebenen Ventilhebel aktiviert wird;
2 ist eine Querschnittsansicht der Einspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des Einspritzers, die den kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer alternativen Ausführung eines Einspritzers, die den kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Explosisionsansicht, die das Durchflusssteuerventil und das Überlaufventil der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine Querschnittsansicht des Durchflusssteuerventils der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Querschnittsansicht des Überlaufventils der vorliegenden Erfindung;
8 ist der Kurvenverlauf der Hubhöhe des Kegelventils, die Einspritzrate und der Einspritzdruck aufgetragen über den Kurbelwinkel in Grad;
9 ist ein Vergleich der Einspritzrate und des Einspritzdrucks eines Einspritzers mit und ohne einem Durchflusssteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung aufgetragen über den Kurbelwinkel in Grad;
10 ist eine Grafik ist, die die Einspritzrate und den Einspritzdruck eines Einspritzers mit und ohne dem Überlaufventil gemäß der vorliegenden Erfindung vergleicht und über den Kurbelwinkel in Grad anträgt.
In den Figuren, in denen immer die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile der Struktur in den Zeichnungen zu bezeichnen, wird in 1 eine Einspritzanordnung für einen Verbrennungsmotor generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die Einspritzanordnung 10 ist in einer typischen Umgebung gezeigt, wo sie in einem Zylinderkopf 12 befestigt ist und dazu verwendet wird, Kraftstoff in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors einzuspritzen. Der Kraftstoff wird verbrannt, um Energie zu erzeugen, die die Kurbelwelle in Rotation versetzt. Eine Nocke 14 rotiert, um einen Kipphebel 16 zu betätigen, der wiederum einen Kolben 18 antreibt, der so in der Einspritzanordnung 10 angeordnet ist, dass er sich hin- und herbewegen kann. In einer anderen Ausführungsform kann eine vom Motor angetriebene Nocke, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, dazu verwendet werden, den Kolben 18 direkt anzutreiben. Die Bewegung des Kolbens 18 dient dazu, den Kraftstoffdruck innerhalb der Einspritzanordnung zu erhöhen. Der Kraftstoff wird schließlich durch die Einspritzanordnung 10 in einen Zylinder mit hohem Druck eingespritzt, wie es im Folgenden detailliert beschrieben wird.
2 zeigt eine Einspritzanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt mit einem sich in vertikaler Richtung erstreckenden Einspritzkörper, der allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist, der über eine Kraftstoffleitung mit einer Kraftstoffquelle verbunden ist. Der Einspritzkörper 20 weist eine Gewindebuchse 22 und eine Gewindemutter 24 auf, die am unteren Ende der Gewindebuchse 22 festgeschraubt ist und eine Verlängerung der Gewindebuchse bildet. Die Gewindemutter 24 hat eine Öffnung 26 an ihrem unteren Ende, durch die das untere Ende einer Zerstäuberanordnung herausragt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Der Kraftstoff wird von der Zerstäubungseinrichtung 28 während eines Einspritzvorgangs zerstäubt, worauf später noch genauer eingegangen wird.
Die Einspritzanordnung 10 weist weiterhin ein Hochdruckkraftstoffzuführsystem auf, das im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 30 versehen ist, das dazu dient, Kraftstoff mit hohem Druck der Zerstäuberanordnung 28 zuzuführen. Dazu weist das Hochdruckkraftstoffzuführsystem 30 eine zylindrische Bohrung 32 auf, die sich in der Gewindebuchse 22 befindet. Der Kolben 18 ist verschieblich in der zylindrischen Bohrung 32 gelagert. Zusammen definieren der Kolben 18 und das zylindrische Bohrloch 32 eine Pumpkammer 34. Der Kolben 18 ragt über ein Ende der Gewindebuchse 22 hinaus und wird durch einen Nockenstößel 36 an seinem oberen Ende gehalten. Eine Rückholfeder 38, die zwischen einer Schulter 40, die an der Gewindebuchse 22 ausgebildet ist und einer Kolbenfederaufnahme 42 gehalten wird, dient dazu, den Kolben 18 durch Vorspannung auf seiner ausgefahrenen Position zu halten. Der obere Teil des Einspritzkörpers 20 weist einen Stopper auf, um die Federaufnahme 42 in ihrer Aufwärtsbewegung mit dem Kolben 18, die durch die Spannung der Rückholfeder 38 hervorgerufen wird, zu begrenzen.
Kraftstoff mit niedrigem Druck wird der Anordnung 10 über einen Kraftstoffverteiler oder etwas Ähnlichem durch einen Kraftstoffzuführkanal 44 der in der Gewindebuchse 22 ausgebildet ist, zugeführt. Der Kraftstoffzuführkanal 44 ist mit der Pumpkammer 34 über einen Einlasskanal 46 verbunden. Weiterhin weist das Hochdruckkraftstoffzuliefersystem 30 einen Hochdruckkraftstoffzugang auf, der im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen "48" bezeichnet ist, der sich durch den Einspritzkörper 20 von der Pumpkammer 34 zu der Zerstäuberanordnung 28 erstreckt.
Die Zerstäuberanordnung 28 weist eine Zerstäuberspitze 50 auf, die wenigstens eine, aber bevorzugterweise mehrere Öffnungen 52 aufweist, durch die das Fluid von der Zerstäuberanordnung 28 zerstäubt wird. Die Zerstäuberspitze 50 vergrößert sich an ihrem oberen Ende, wodurch ein Absatz 54 gebildet wird, der auf einem inneren Absatz 56 sitzt, der durch eine Senkung 57 in der Gewindemutter 24 gebildet wird. Zwischen der Zerstäuberspitze 50 und dem unteren Ende des Einspritzkörpers 20 sind über der Zerstäuberanordnung 28 in Folge ausgehend von der Zerstäuberspitze 50 eine Vorspann vorrichtung allgemein mit dem Bezugszeichen "58" versehen, ein kombinierter Eingangs- und Maximaldruckregler allgemein mit dem Bezugszeichen "60" versehen und ein magnetisch arbeitendes Prüfventil allgemein mit dem Bezugszeichen "62" versehen, angeordnet. Wie in den Figuren dargestellt, sind diese Elemente zu Gunsten einer einfachen Fertigung und eines einfachen Zusammenbaus als getrennte Teile ausgebildet. Die Gewindemutter 24 weist innere Gewinde 64 auf, die mit dem inneren Gewinde 66 am unteren Ende des Einspritzkörpers 20 in Eingriff kommen. Die geschraubte Verbindung der Gewindemutter 24 und des Einspritzkörpers 20 hält die Zerstäuberspitze 50, die Vorspannvorrichtung 58, den Druckregler 60 und das magnetisch arbeitende Prüfventil 62 eingeklemmt und Ende an Ende aufeinandergereiht zwischen einer oberen Fläche 68 der Zerstäuberspitze 50 und einer unteren Fläche 70 der Gewindebuchse 22 zusammen. Alle die oben genannten Elemente haben gelappte Gewindeoberflächen, die, da sie unter Druck aneinander gepresst werden, eine dichte Verbindung zueinander herstellen. Der Einspritzkörper 20 hat eine Längsachse 74, die die Mittellinie des Einspritzkörpers definiert. Der Kolben 18, der Druckregler 16, das Prüfventil 62 und die Zerstäuberanordnung 28 sind axial entlang dieser Mittellinie angeordnet. Zusätzlich weist die Gewindemutter 24 eine Überlaufkammer für Kraftstoff mit niedrigem Druck auf, in der von dem Kraftstoffzuliefersystem 30 nichtverwendeter Kraftstoff aufgefangen wird. Der Kraftstoff verlässt den Einspritzkörper 20 über einen Kraftstoffrückführkanal 73, der sich in der Gewindemutter 24 benachbart zu der Überlaufkammer 72 befindet. Die Überlaufkammer 72 und der Hochdruckkraftstoffdurchgang 48 sind seitlich beabstandet von der Mittellinie des Einspritzkörpers 20 und speziell gegenüber liegend bezüglich der Mittellinie des Einspritzkörpers 20 angeordnet.
Die Zerstäuberanordnung 28 weist eine Düsenbohrung 76 auf, die in der Zerstäuberspitze 50 entlang der Mittellinie des Einspritzkörpers 20 ausgebildet ist. Die Bohrung 76 ist fluidmechanisch mit dem Hochdruckkraftstoffdurchgang 48 verbunden und definiert eine Einspritzrille 78. Die Zerstäuberanordnung 28 weist weiterhin ein Nadelventil, das allgemein mit dem Bezugszeichen "80" versehen ist, auf, das beweglich in der Düsenbohrung 76 gehalten wird, wobei das Nadelventil zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position abhängig vom Kraftstoffdruck beweglich gelagert ist, dabei bedeutet geschlossene Position, wenn kein Kraftstoff von der Zerstäuberanordnung 28 zerstäubt wird und offene Position, wenn Kraftstoff über die Zerstäuberspitze 50 durch die Öffnungen 52 zerstäubt wird, wenn der Druck in der Düsenbohrung einen voreingestellten Nadelöffnungsdruck überschreitet. Folglich hat das Nadelventil 80 eine Spitze 82 und ein Ventilteil 84, das von der Einspritzrille 78 aufgenommen wird. Die Spitze 82 ist so ausge führt, dass sie die Öffnung 52 verschließen kann, wenn der Druck im Kraftstoffzuführsystem 30 unter dem Nadelschließdruck liegt. Andererseits reagiert das Nadelventil 80 auf den Druck, der auf das Ventilteil 84 innerhalb der Einspritzrille 78 wirkt, wobei wenn das Ventil seine geöffnete Position einnimmt, Kraftstoff von dem Einspritzer 10 durch die Öffnungen 52 zerstäubt wird. Die Vorspannvorrichtung 58 hält das Nadelventil 80 auf seiner geschlossenen Position mit einer vordefinierten Kraft, so dass das Nadelventil 80 auf seine offene Position nur dann fährt, wenn der Druck von dem Kraftstoffzuführsystem 30, der innerhalb der Einspritzrille 78 wirkt, einen Nadelöffnungsdruck erreicht hat.
Die Vorspannvorrichtung 58 weist einen Federkäfig 86 auf, der dadurch gehalten wird, dass er sich an einem Ende an der oberen Fläche 68 der Zerstäuberspitze 50 abstützt. Der Federkäfig 86 hat eine Federkammer 88, die sich innerhalb des Federkäfigs befindet. Innerhalb der Federkammer 88 befindet sich eine obere Aufnahme 90 und eine untere Aufnahme 92, die voneinander getrennt angeordnet sind. Eine spiralenförmige Feder 94 erstreckt sich zwischen den beiden Aufnahmen 90, 92, so dass sie in entgegengesetzter Richtung mit einer vordefinierten Kraft vorgespannt werden. Der Federkäfig 86 weist eine untere Öffnung 96 auf, die sich unterhalb der unteren Aufnahme 92 befindet um sich zwischen der Federkammer 88 und der Düsenbohrung 76 erstreckt. Das Nadelventil 80 weist weiterhin einen Kopf 98 auf, der sich gegenüber der Spitze 82 befindet. Der Kopf 98 wird von der unteren Öffnung 96 aufgenommen und ist an der unteren Aufnahme 92 befestigt. Folglich überträgt die untere Aufnahme 92 die vordefinierte Kraft auf das Nadelventil 80, um es auf seiner geschlossenen Position vorgespannt zu halten.
Wie oben bereits erwähnt, ist der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60 unmittelbar über der Vorspannvorrichtung 58 angeordnet. Der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60 ist dafür ausgebildet, die Nockenanordnung 28 zu steuern, um die Einspitzrate am Beginn des Einspritzvorgangs zu regulieren. Zusätzlich ist der Druckregler 60 weiterhin dafür ausgebildet, im Maximaldruck des Kraftstoffs der von der Zerstäuberanordnung 28 eingespritzt wird, zu begrenzen. Um dies zu bewerkstelligen, ist der Einspritzdruckregler 60 beweglich zwischen einer geschlossenen und zwei offenen Positionen gelagert: (1) erste geöffnete Position, die die Einspritzrate des Kraftstoffs am Anfang des Einspritzvorgangs reduziert sowie (2) eine zweite offene Position, die den Maximaldruck des Kraftstoffs, der von der Zerstäuberanordnung 28 zerstäubt wird, begrenzt. Der Druckregler 60 ist weiterhin dafür ausgelegt, eine kurze starke Einspritzung von voreingespritztem Kraftstoff am Anfang des Einspritzvorgangs zur Verfügung zu stellen, wenn der Regler auf seine erste offene Position verfahren wird, wie im Folgenden detailliert beschrieben wird. Die Vorspannvorrichtung 58 spannt den Einspritzdruckregler 60 auf seine geschlossene Position mit einer vordefinierten Kraft vor, so dass der Einspritzdruckregler 60 zu seiner ersten geöffneten Position nur dann fährt, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem 30 einen vordefinierten ersten Öffnungsdruck erreicht hat. Weiterhin verhält sich die Vorspannvorrichtung 58 so, dass der Einspritzdruckregler 60 auf seine zweite geöffnete Position nur dann fährt, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 einen vordefinierten zweiten Öffnungsdruck erreicht hat.
In den 3 bis 7 wird der kombinierte Eingangs- und Maximaldruckregler 60 gezeigt, der ein Durchflussregelventil, allgemein mit dem Bezugszeichen "100" versehen und ein Überflussventil allgemein mit dem Bezugszeichen "102" versehen, aufweist. Der Einspritzdruckregler 60 weist weiterhin ein Gehäuse 104 auf mit einer Ventilbohrung 106, die einen ersten größeren Durchmesser definiert und einen Einlass 108, der einen zweiten kleineren Durchmesser definiert, der mit „A" in 4 bezeichnet ist, auf. Der Einlass 108 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuführsystem 30 und der Ventilbohrung 106 über eine Abkürzung 110 her. In einer anderen Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, kann der Einlass 108 eine direkte Fluidverbindung mit der Pumpenkammer 34 aufweisen. In dieser Ausführung befindet sich das Prüfventil 62 an einem anderen Ort im Einspritzkörper. Davon abgesehen, ist die Einspritzanordnung 10, wie in 4 dargestellt, grundsätzlich gleich, was alle wichtigen Merkmale, wie in 2 und 3 gezeigt, betrifft. Das Gehäuse 104 weist weiterhin einen Ventilsitz 112 auf, der durch den Einlass 108 und die Ventilbohrung 106 definiert wird.
Das Durchlassregelventil 100 weist einen präzisionsgefertigten zylindrischen Körper 114 auf, der entsprechend von einer Ventilbohrung 106 aufgenommen wird, um ein Auslaufen des sich unter Druck befindlichen Fluids zwischen dem Körper 114 und der Bohrung 106 vorzubeugen. Das Durchlasssteuerventil 100 weist weiterhin einen Ringkopf 116 auf, der sich von dem Körper 114 erstreckt und der so ausgebildet ist, dass er in den Einlass 108 passt, so dass dadurch dazwischen ein vordefinierter ringförmiger Hohlraum 118 gebildet wird. Demnach wird der ringförmige Hohlraum 118 von dem Größenunterschied zwischen dem Durchmesser "A" des Einlasses 108 und dem Durchmesser des ringförmigen Kopfes 116 gebildet. Zusätzlich ist ein ringförmiger Absatz 120 zwischen dem Körper 114 und dem ringförmigen Kopf ausgebildet. Eine Ventilkammer 122 ist definiert durch den Zwischenraum des ringförmigen Absatzes 120 und der Ventilbohrung 106. Das Durchlasssteuerventil 100 weist weiterhin einen Kegelstumpf 124 auf, der sich zwischen dem ringförmigen Kopf 116 und dem ringförmigen Absatz 120 befindet, wobei der Kegelstumpf 124 zum Ventilsitz 112 passförmig ausgebildet ist.
Das Durchlassregelventil 100 ist beweglich in der Ventilbohrung 106 gelagert, wobei es sich zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position hin- und herbewegen kann, abhängig von dem Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffzuführsystem 30, der auf den ringförmigen Kopf 116 einwirkt. In seiner offenen Position fließt Kraftstoff an dem ringförmigen Kopf 116 und dem konischen Abschnitt 124 vorbei und fließt weiterhin durch den ringförmigen Hohlraum 118 in die Ventilkammer 122. Dies reduziert die Kraftstoffrate, die von der Zerstäuberanordnung 28 zerstäubt wird, durch die Reduzierung des Kraftstoffdrucks am Anfang des Einspritzvorgangs.
Das Durchflussregelventil 100 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass es eine kurze Voreinspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder ausführen kann. Im Falle der Voreinspritzung öffnet sich zunächst das Nadelventil 80, um eine kurze Voreinspritzung des Kraftstoffs zu ermöglichen. Der ringförmige Hohlraum 118 ist ausreichend groß dimensioniert, so dass der Kraftstofffluss in die Ventilkammer 122 den Kraftstoffdruck reduziert, so dass dieser Kraftstoffdruck unter dem Nadelöffnungsdruck fällt. Das Nadelventil 80 ist dann geschlossen, bis der Kraftstoffdruck des Zuliefersystems 30 wieder über den Nadelöffnungsdruck steigt. Jedoch bleibt das Durchflussregelventil 100 auf seiner offenen Position, da der Druck, der notwendig ist, um es offen zu halten (d.h. der Systemdruck, der auf beide den ringförmigen Kopf 116 und dem Absatz 120 wirkt), geringer ist als der Druck, der notwendig ist, um das Ventil auf seine offene Position zu verfahren (d.h. der Druck, der auf dem ringförmigen Kopf 116 alleine wirkt). In beiden Fällen funktioniert das Durchflussregelventil so, dass es die maximale Verbrennungstemperatur und somit die Bildung von NO_x reduziert. Die Vorspannvorrichtung 58 spannt das Durchflussregelventil 100 auf seine geschlossenen Position mit einer vordefinierten Kraft vor, so dass das Durchflussregelventil 100 auf seine offene Position nur dann fährt, nachdem der Druck in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 einen vordefinierten Durchflussregelventilöffnungsdruck erreicht hat.
Wie es am besten in den 4 bis 7 erkennbar ist, dient der Körper 114 des Durchflussregelventils 100 auch als Gehäuse für das Überlaufventil 102. Dementsprechend hat das Gehäuse 114 eine Überlaufventilbohrung 126, die einen ersten größeren Durchmesser definiert. Weiterhin weist das Überlaufgehäuse 114 einen Einlass 128 auf, der einen zweiten kleineren Durchmesser, der mit dem Bezugszeichen "B" in 4 versehen ist.
Das Überlaufventil 102 weist einen präzisionsgefertigten im Wesentlichen zylinderförmigen Körper 130 auf, der sich entsprechend innerhalb der Überlaufbohrung 126 und des ringförmigen Kopfes 132 befindet und der dazu ausgebildet ist, von dem Einlass 128 so aufgenommen zu werden, dass dazwischen ein vordefinierter ringförmiger Hohlraum 134 gebildet wird. Demnach wird der ringförmige Hohlraum 134 durch den Größenunterschied des Durchmessers B des Einlasses 128 und des Durchmessers des ringförmigen Kopfs 132 gebildet. Weiterhin weist ein Überlaufkanalsystem im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen "136" versehen eine Fluidverbindung zwischen der Überlaufbohrung 126 und der Überlaufkammer 72 auf. Genauer gesagt weist das Überlaufkanalsystem 136 genutete Kanäle 38 auf, die an dem Überlaufventilkörper 130 ausgebildet sind. Die genuteten Kanäle 138 weisen eine Mehrzahl an Fließnuten 140 auf, die in Umfangsrichtung nebeneinander um den Überlaufventilkörper 130 herum angeordnet sind, und die sich in axialer Richtung erstrecken. Die genuteten Kanäle 138 weisen weiterhin eine Gürtelnut 142 auf, die ringförmig in Umfangsrichtung des Überlaufkörpers 130 angeordnet ist.
Das Kraftstoffüberlaufsystem 136 weist weiterhin wenigstens einen Verbindungskanal 144 auf, der sich in dem Einspritzdruckreglergehäuse 104 erstreckt und eine Fluidverbindung zwischen der Kraftstoffüberlaufkammer 172 und der Durchlassregelventilbohrung 106 herstellt. Weiterhin erstreckt sich wenigstens eine, aber bevorzugterweise mehrere Ablaufkanäle 146 durch das Überlaufgehäuse 114, wobei die Ablaufkanäle 146 mit der ringförmigen Nut 145, die am unteren Teil der Durchflussregelventilbohrung 114 angeordnet ist, in Fluidverbindung steht. Die ringförmige Nut 145 ist mit dem Verbindungskanal 144 verbunden und stellt somit eine Fluidverbindung zwischen dem Verbindungskanal 144 und dem Ablaufkanal 146 her. Die Gürtelnut 142 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Ablaufkanal 146 und den Fließnuten 140 her.
Wie oben bereits erwähnt, spannt die Vorspannvorrichtung 58 den Einspritzdruckregler 60 so vor, dass sich der Regler auf seiner geschlossenen Position befindet. Dazu überträgt die obere Federaufnahme 90 eine vordefinierte Kraft auf den Einspritzdruckregler 60, um trotz des Überlaufventils 102 den Regler 60 auf seine geschlossene Position vorzuspannen. Genauer gesagt weist die Federkammer 88 eine obere Öffnung 150 auf, die mit der oberen Aufnahme 90 korrespondiert und sich zwischen der Federkammer 88 und der Überlaufventilbohrung 126 erstreckt. Der Überlaufventilkörper 130 weist ein Ende 152 auf, das von der oberen Öffnung 150 aufgenommen wird und das durch den oberen Aufnahme 90 gehalten wird, um das Überlaufventil 102 vorzuspannen und schließlich um den kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60 auf seiner geschlossenen Position vorzuspannen.
Der Einlass 128 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuliefersystem 30 und der Überlaufventilbohrung 126 her. Das Überlaufventil 102 ist koaxial relativ zu dem Durchflussregelventil 100 sowie zu der Achse 74 der Einspritzanordnung 10 angeordnet. Weiterhin ist das Überlaufventil 102 beweglich in der Überlaufventilbohrung 126 gelagert (d.h. innerhalb des Durchflussregelventilkörpers 114) und kann sich von einer geschlossenen zu einer offenen Position abhängig von dem Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 bewegen. In seiner offenen Position stellt das Überlaufventil 102 eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuliefersystem 30 und der Kraftstoffüberlaufkammer 72 her. Wenn das Überlaufventil 102 offen ist, wird der Druck des Kraftstoffs in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 dramatisch reduziert. Das Überlaufventil 102 dient somit dazu, den Maximaldruck in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 und somit den maximalen Einspritzdruck zu limitieren. Die maximalen System- und Einspritzdrücke können durch die Änderung der Größe des Einlasses 128 und des Überlaufventils 102 eingestellt werden. Je größer der Einlass 128 ist, desto geringer ist der maximale System- und Einspritzdruck der Einspritzanordnung 10.
In den hier offenbarten Ausführungsformen wird eine einzige Vorspannvorrichtung 58 verwendet, um beide das Nadelventil 80 und den kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60 (d.h. beide das Durchflusssteuerventil 100 und das Überlaufventil 102) auf ihrer geschlossenen Position vorzuspannen. Dennoch wird ein Fachmann feststellen, dass eine Vorspannrichtung verwendet werden könnte, die dem Nadelventil 80 zugeordnet ist, während eine separate Vorspannrichtung dazu vorgesehen ist, den Druckregler 60 vorzuspannen. Zusätzlich könnten verschiedene Vorspannvorrichtungen dafür verwendet werden, dass Durchflussregelventil 100 und das Überlaufventil 102 vorzuspannen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann ein magnetisch betriebenes Prüfventil 62 zwischen der Pumpenkammer 34 und der Nockenanordnung 28 und zwischen der Niedrigdruckkraftstoffüberlaufkammer 72 und dem Hochdruckkanal 48 angeordnet sein. Genauer gesagt kann das Prüfventil 62 gerade über dem kombinierten Eingangs- und Maximaleinspitzdruckregler 60 und unter der Pumpenkammer 34 angeordnet sein. Das Prüfventil 62 ist dazu ausgebildet, den Druck in dem Kraftstoffzuführsystem 30 zu steuern. Dazu ist das Prüfventil 62 beweglich zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position gelagert, wobei in der offenen Position eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffkanal 48 und der Niedrigdruckkammer 72 hergestellt ist, wodurch der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem 30 reduziert wird, und in der geschlossenen Position, die Verbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffkanal 48 und der Niedrigdrucküberlaufkammer 72 unterbrochen wird, wodurch der Druck in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 erhöht wird. Das Fließen des Prüfventils 62 und das Erhöhen des Drucks in dem Kraftstoffzuliefersystem 30 erleichtert die Zufuhr von Kraftstoff bei hohem Druck von der Pumpenkammer 34 zu der Zerstäuberanordnung 28.
Das Prüfventil 62 weist ein Ventilgehäuse 154 auf, das eine Ventilbohrung 56 und ein Ventilteil 158, das beweglich in der Ventilbohrung 56 gelagert ist, hat. Eine Magnetanordnung ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen "160" versehen und ist benachbart zu dem Gehäuse 154 angeordnet. Eine Armatur 162 schaltet elektromagnetisch das Ventil 158 und die Magnetanordnung 160 zusammen und dient dazu, das Ventil 158 zwischen seiner offenen und geschlossenen Position hin- und her zu fahren. Eine sehr kurze Leitung 164 erstreckt sich innerhalb des Gehäuses 154 zwischen der Ventilbohrung 156 und der Überlaufkammer 72. Außerdem erstreckt sich innerhalb des Gehäuses 154 eine Verbindungsöffnung 166 zwischen der Ventilbohrung 156 und dem Hochdruckkraftstoffkanal 48.
Die Magnetanordnung 160 weist ein Polstück 168 und eine Wicklung 170 auf, die um das Polstück 168 herumgewickelt ist. Die Wicklung 170 ist elektrisch mit dem Anschlussteil 172 (2) verbunden und das wiederum mit einer Stromquelle über ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsteuermodul verbunden ist. Das Polstück 168 weist auf, eine Bohrung 174, die ein blindes Ende 176 und einen Luftspalt 178 hat, der der Armatur 162 gegenüber liegt. Eine Spiralfeder 180 ist in der Bohrung 174 und zwischen den blinden Ende 176 und der Armatur 162 eingeklemmt, um das Ventil 158 auf seiner normalen geöffneten Position vorzuspannen. Die Armatur 162 weist eine Öffnung 182 auf, die mit der Bohrung 174 in dem Polteil 168 fluchtet. Eine Befestigung 184 erstreckt sich durch die Öffnung 182 und verbindet die Armatur 162 mit dem Ventil 158. Das Ventil 158 wird, wie in den Fig. zu sehen, nach oben bewegt und das Prüfventil 62 ist geschlossen, wenn die Wicklung 170 mit Strom versorgt wird, wobei ein elektrisches Feld erzeugt wird, das auf die Armatur 162 einwirkt.
Die Ausführungsform, die in den 2 und 3 dargestellt ist, zeigt ein Ventilgehäuse 154 mit einem abgestuften Teil 188, das sich lose in einem Kanal 186 befindet, so dass es der Bewegung der Armatur 162 folgt, wobei das abgestufte Teil 188 so ausgebildet ist, dass es angrenzend und dicht mit dem Polteil 168 verbunden ist. Folglich kann sich der Hochdruckkraftstoffkanal 48 durch das Polteil 168 und das Ventilgehäuse 154 sowie durch das abgestufte Teil 188 erstrecken.
Während des Betriebs wird Kraftstoff mit niedrigem Druck der Einspritzanordnung 10 von einem Kraftstoffverteiler oder etwas Ähnlichem durch den Kraftstoffzuführkanal 44 zugeführt. Der Kraftstoff wird in die Pumpenkammer 34 über den Einlasskanal 46 geleitet, wenn der Kolben 18 auf Grund des Einflusses der Vorspannung der Rückholfeder 38 sich auf seiner voll ausgefahrenen Position bzw. an seinem Totpunkt befindet, wie in 2 gezeigt. Wie in 1 dargestellt, ist die Nocke 14 so ausgeführt, dass die Länge der gesamten Hebelsektion sich innerhalb eines Bereiches von ungefähr 180° erstreckt (zwischen den Punkten C und D). Der Kolben 18 wird durch den Nockenbuckel über den Kipphebel 16 von seinem Totpunkt auf seinen Maximalhub (unterste Position) nach unten und anschließend wieder nach oben auf seinen Totpunkt während der ersten Hälfte des Nockenrotationsvorgangs gefahren. Der Kolben 18 bleibt an seinem oberen Totpunkt, während der restlichen Hälfte des Nockenrotationsvorgangs.
Wenn sich die Nocke 14 so dreht, dass der Nockenbuckel den Kipphebel 16 bewegt, wird der Kolben 18 nach unten gefahren und der Einlasskanal 46 wird von dem Kolben 18 geschlossen. Das Herunterfahren des Kolbens 18 erhöht den Druck in dem Kraftstoffzuführsystem 30 auf ein Maximum, wenn der Kolben seinen Maximalhub erreicht hat.
Das magnetisch betriebene Prüfventil 63 wird im Normalfall auf seiner offenen Position gehalten, wobei das Ventilteil 158 durch die Vorspannung der Spiralfeder 180 abgesetzt ist. In dieser Lage ist das Kraftstoffzuführsystem 30 in Fluidverbindung mit der Niedrigdruckkraftstoffüberlaufkammer 72 über einen kurzen Verbindungskanal 166 und einer kurzen Leitung 164. Demnach ist das Kraftstoffzuführsystem 30 zur Niedrigdruckseite offen und somit können sich keine hohen Einspritzdrücke in dem Einspritzer entwickeln.
Jedoch wird der Betrieb des Prüfventils 62 von einer Motorsteuerungseinheit oder einer anderen Steuerungseinheit gesteuert. Genauer gesagt kann während der Abwärtsbewegung des Kolbens 18 die Magnetanordnung 160 eingeschaltet werden, um eine elektro magnetische Kraft zu erzeugen. Die Kraft zieht die Armatur 162 zu der Magnetanordnung 160 hin, die wiederum das Ventilteil 158 gegen die Vorspannkraft der Feder 180 auf seine geschlossene Position fährt und dabei die Verbindung mit dem Kraftstoffzuführsystem 30 und der Überlaufkammer 72 über das Prüfventil 62 unterbricht. Das Kraftstoffzuführsystem 30 wird dann durch den Pumpvorgang des Kolbens 18 während seiner Abwärtsbewegung unter Druck gesetzt.
Der kombinierte Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60 ist normalerweise durch die Vorspannkraft der Spiralfeder 94, die über das Ende 152 des Überlaufventils 102 wirkt, geschlossen. Jedoch reagiert das Durchflusssteuerventil 100 auf den Druck in dem Kraftstoffzuführsystem 30, der über dem Gebiet "A" des Einlasses 108 wirkt.
Auf ähnlicher Weise ist die Zerstäuberanordnung 28 normalerweise über die Vorspannkraft der Spiralfeder 94, die durch den Kopf 98 des Nadelventils 80 übertragen wird, geschlossen. Das Nadelventil 80 reagiert auf den Systemdruck, der in der Einspritzrille 78 gegen das Ventilteil 84 wirkt, wobei das Nadelventil 80 auf seine offene Position gefahren wird. Dann beginnt der Einspritzvorgang.
Wenn der Systemdruck den Durchflussregelventilöffnungsdruck überschreitet, bewegt sich ein Durchflussventilkörper 114 innerhalb der Bohrung 106 entgegen der Vorspannkraft der Spiralfeder 94 auf seine offene Position über eine Länge "Li", wie in 4 dargestellt. Demnach ist der Durchflussregelöffnungsdruck durch die Fläche "A" des Einlasses 108 und die Vorspannkraft der Feder 94 definiert. Wenn das Durchflussregelventil 100 offen ist, fließt sich unter Druck befindlicher Kraftstoff von dem Einlass 108 in die Ventilkammer 122. Die Kraftstoffflussrate zu der Ventilkammer 122 wird bestimmt durch die Querschnittsfläche des ringförmigen Hohlraums 118, der sich zwischen dem Einlass 108 und dem ringförmigen Kopf 116 befindet. Ein größerer ringförmiger Hochraum 118 führt zu einer größeren Menge von sich unter Druck befindlichem Kraftstoff, der schnell in die Kammer 122 fließt. Die Folge ist ein starker Systemdruckabfall. Der ringförmige Hohlraum 118 kann so ausgeführt sein, dass der Systemdruck unter dem Nadelschließdruck fällt. Wenn das der Fall ist, fällt das Nadelventil 80 zurück in seinen Sitz, was zu einer Piloteinspritzung einer kleinen Menge Kraftstoff in die Brennkammer des Motors führt.
In der Zwischenzeit setzt der Kolben 18 seine Abwärtsbewegung fort und das Nadelventil 80 öffnet sich wieder, nachdem der Systemdruck den Nadelöffnungsdruck erreicht hat.
Jedoch bleibt das Durchflussregelventil 100 geöffnet, auch während des anfänglichen Druckabfalls, da der Druck, der notwendig ist, um es offen zu halten, niedriger ist als der anfänglich notwendige Druck, um das Durchflussregelventil zu öffnen.
Das Piloteinspritzszenario, das oben beschrieben wurde, ist grafisch in 8 dargestellt. Dort ist eine anfängliche Nadelventilbewegung mit "190" bezeichnet. Dies bewirkt eine anfängliche Kraftstoffeinspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs, was mit "192" bezeichnet ist. Genauso steigt auch der anfängliche Einspritzdruck, was mit "194" bezeichnet ist. Jedoch ist das Nadelventil 80 dann geschlossen, wenn das Durchflussregelventil anfänglich geöffnet wird, was mit "196" bezeichnet ist. Die Einspritzrate fällt auf Null, was mit "198" bezeichnet ist und der Einspritzdruck senkt sich, was mit "200" bezeichnet ist. Wenn der Systemdruck wieder auf den vordefinierten Öffnungsdruck gestiegen ist, öffnet sich das Nadelventil 80, was mit "202" bezeichnet ist und die Einspritzrate und der Einspritzdruck steigen, was mit "204" bzw. "206" bezeichnet ist.
Alternativ ermöglicht ein kleinerer ringförmiger Hohlraum 118 eine niedrigere Kraftstoffflussrate zur Ventilkammer 122. Dies bewirkt einen niedrigeren Einspritzdruckabfall als in 8 dargestellt. Weiterhin können der ringförmige Hohlraum 118 und der Hub "L₁" des Durchflusssteuerventils 100 so ausgelegt sein, dass keine Piloteinspritzung stattfindet, aber stattdessen die durchschnittliche anfängliche Einspritzrate lediglich reduziert wird. Dieses Merkmal ist grafisch in 9 dargestellt, wo die Einspritzrate und der Einspritzdruck eines Einspritzers, der ein Durchflusssteuerventil 100 (durch die durchgehende Linie dargestellt) hat mit einem Einspritzer verglichen wird, der kein Durchflusssteuerventil hat (durch die gestrichelte Linie dargestellt). Der Einspritzer, der ein Durchflusssteuerventil 100 hat, weist eine niedrigere Einspritzrate 208, aber einen höheren Einspritzdruck 210 auf als ein Einspritzer ohne Durchflusssteuerventil. Daher können verschiedene Kombinationen der anfänglichen Einspritzratenkurve durch die Modifizierung der Geometrie des ringförmigen Hohlraums 118 und des Hubs des Durchflusssteuerventils "L₁" erzielt werden, um für die Piloteinspritzung eine niedrigere anfängliche Einspritzrate zu erreichen, damit sich eine niedrigere maximale Verbrennungstemperatur und niedrigere NO_x-Emissionen ergeben.
Wenn eine Hochgeschwindigkeitseinspritznocke verwendet wird oder wenn der Durchmesser des Kolbens so ausgeführt ist, dass hohe Einspritzdrücke bei niedriger Motordrehzahl oder geringer Last erzeugt werden, kann der Systemdruck, der bei hohen Motordrehzahlen oder bei großer Last erzeugt wird, dazu führen, dass die Integritätsgrenze des Einspritzers erreicht wird, was zu einem Versagen oder vorzeitigem Ermüden des Einspritzers führt. Deshalb weist der Druckregler 60 der vorliegenden Erfindung weiterhin ein Überlaufventil 102 auf. Auf Grund eines vordefinierten überhöhten Systemdrucks bewegt sich der Überlaufventilkörper 130 auf seine offene Position, wobei er eine Wegstrecke "L₂", wie in 4 dargestellt, zurücklegt, entgegen der Vorspannkraft der Spiralfeder 94, die auf dem Körper 130 über sein Ende 152 wirkt. Der Überlaufventilöffnungsdruck wird definiert durch die Fläche "B" des Einlasses 128 und der Totallast, der Spiralfeder 94. Diese Last ist die Summe der anfänglichen Federlast und der Last auf Grund des Durchlassventilhubs "L₁". Sich unter Druck befindlicher Kraftstoff fließt dann entlang des ringförmigen Hohlraums 134 und in das Überlaufkraftstoffkanalsystem 136. Genauer gesagt fließt das sich unter Druck befindliche Fluid über die genuteten Kanäle 154 in den unteren Teil des Durchflussventilkörpers 114 und in die Kraftstoffüberlaufkammer 72 über den Verbindungskanal 144. Der ringförmige Hohlraum 134 und der Überlaufventilhub "L₂" definieren die Überlaufrate des sich unter Druck befindlichen Kraftstoffs. Das Hochdruckkraftstoffzuführsystem 30 ist daher zu der Niedrigdrucküberlaufkammer 72 geöffnet, was bedeutet, dass der maximale Druck der in der Anordnung 10 erreicht werden kann, limitiert ist.
Dieses Merkmal ist grafisch in 10 dargestellt, wo die Einspritzrate und der Einspritzdruck eines Einspritzers, der ein Überlaufventil 102 (dicke durchgezogene Linie) aufweist mit zwei Einspritzern ohne Überlaufventil (durch eine dünne durchgezogene und eine dünne gestrichelte Linie dargestellt) verglichen wird. 10 zeigt den begrenzten Maximaleinspritzdruck 212, der dann erreicht wird, wenn das Überlaufventil verwendet wird.
Am Ende des Einspritzvorgangs wird die Magnetanordnung 160 abgeschaltet, das Ventilteil 158 wird auf seine offene Position auf Grund der Spiralfeder 180 vorgespannt und das Hochdruckkraftstoffzuführsystem 30 ist komplett zu der Niedrigdruckkraftstoffüberlaufkammer 72 geöffnet. Das Nadelventil 80 bewegt sich auf Grund der Spiralfeder 94 in seinen Sitz zurück und der Vorgang wird wiederholt.
Demnach bietet die Kraftstoffeinspritzanordnung 10 der vorliegenden Erfindung einen kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler 60, der dazu ausgebildet ist, die Zerstäuberanordnung 28 zu steuern, um die Kraftstoffeinspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs zu regulieren. Genauer gesagt ist der Regler 60 dazu ausgebildet, eine anfängliche Piloteinspritzung zu ermöglichen und/oder die anfängliche Kraftstoffeinspritzrate zu reduzieren. Weiterhin kann der Druckregler 60 so eingestellt werden, dass verschiedene Kombinationen des anfänglichen Einspritzratenverlaufs erreicht werden können, wobei die maximale Verbrennungstemperatur und die NO_x-Emissionen reduziert werden. Zusätzlich ist der Druckregler 60 dazu ausgebildet, den Maximaldruck des von der Zerstäuberanordnung 28 zerstäubten Kraftstoffs zu limitieren. Daher ist der Druckregler speziell für die Verwendung in Verbindung mit Einspritzern geeignet, wo hohe Einspritzdrücke bei geringer Motordrehzahl und kleiner Last erwünscht sind. Der Druckregler 60 löst daher auf effektiver Weise das Problem der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer bei solchen Bedingungen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile werden weiterhin durch einen einfachen, kostengünstigen und effizienten Druckregler erreicht, der die Anforderungen auf elegant simpler Weise löst und dabei in mechanischer Hinsicht nicht übermäßig komplex ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzanordnung (10) für einen Verbrennungsmotor mit: – einem Einspritzkörper (20) in Fluidverbindung mit einer Kraftstoffquelle; – eine Zerstäuberanordnung (28), durch die Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) während eines Einspritzvorgangs zerstäubt wird; – ein Hochdruckkraftstoffzuführsystem (30), das der Zerstäuberanordnung (28) Kraftstoff unter hohem Druck zuführt; und – eine Magnet- und Ankersteuerventilanordnung, um den Takt und die Kraftstoffmenge während jedem Einspritzvorgang zu steuern, gekennzeichnet durch einen kombinierten Eingangs- und Maximaleinspritzdruckregler (60), der dazu ausgebildet ist, die Zerstäuberanordnung (28) zu steuern, um die Kraftstoffeinspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs zu steuern und der weiterhin dazu ausgebildet ist, den Maximaldruck des Kraftstoffs, der von der Zerstäuberanordnung (28) zerstäubt wird, zu limitieren.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzdruckregler (60) beweglich in der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) zwischen einer geschlossenen Position und einer ersten offenen Position beweglich gelagert ist, wodurch die Kraftstoffeinspritzrate am Anfang eines Einspritzvorgangs reduziert wird und der Druckregler (60) weiterhin zwischen einer geschlossenen Position und einer zweiten offenen Position beweglich in der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) gelagert ist, wodurch der Maximaldruck des Kraftstoffs, der von der Zerstäuberanordnung (28) zerstäubt wird, limitiert wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorspannvorrichtung (58), die in der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) gelagert ist, und die den Einspritzdruckregler (60) auf seine geschlossene Position mit einer vordefinierten Kraft so vorspannt, dass der Einspritzdruckregler (60) nur dann auf seine erste offene Position fährt, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) einen vordefinierten ersten Öffnungsdruck erreicht hat und dass weiterhin der Einspritzdruckregler (60) auf seine zweite offene Position nur dann fährt, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) einen vordefinierten zweiten Öffnungsdruck erreicht hat.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzdruckregler (60) ein Durchflussregelventil (100) aufweist, das beweglich in der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position, bei der die Kraftstoffeinspritzrate am Anfang des Einspritzvorgangs reduziert wird, gelagert ist und der weiterhin ein Überlaufventil (102) aufweist, das in der Kraftstoffeinspritzanordnung (10) zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position beweglich gelagert ist, wobei der maximale Druck des Kraftstoffs, der am Ende des Einspritzvorgangs eingespritzt wird, limitiert wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannvorrichtung (58), das Durchflussregelventil auf seine geschlossene Position mit einer vordefinierten Kraft so vorspannt, dass das Durchflussregelventil (100) nur dann auf seine geöffnete Position fährt, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) einen vordefinierten Durchflussregelventilöffnungsdruck erreicht hat.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzdruckregler (60) ein Gehäuse (104) mit einer Ventilbohrung (106) aufweist, die eine Fluidverbindung mit dem Kraftstoffzuführsystem (30) herstellt, und das Durchflussregelventil (100) beweglich in der Ventilbohrung (106) gelagert ist, um sich zwischen einer geschlossenen Position zu einer offenen Position abhängig von dem Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) hin- und herzubewegen und die Zerstäubungsrate, mit der der Kraftstoff von der Zerstäuberanordnung (28) zerstäubt wird, reduziert wird, indem der Druck des Kraftstoffs am Anfang des Einspritzvorgangs verringert wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbohrung (106) einen ersten größeren Durchmesser definiert, dass das Gehäuse (104) einen Einlass (108) aufweist, der einen zweiten kleineren Durchmesser definiert, dass der Einlass (108), eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuführsystem (30) und der Ventilbohrung (106) herstellt und dass das Durchflussregelventil (100) einen Körper (114) aufweist, der von der Ventilbohrung (106) aufgenommen wird, und ein ringförmiger Kopf (116) aufweist, der dazu ausgebildet ist, von dem Einlass (108) so aufgenommen zu werden, dass dazwischen ein vordefinierter ringförmiger Hohlraum (118) gebildet wird und einen ringförmiger Absatz (120) aufweist, der zwischen dem Körper (130) und dem ringförmigen Kopf (116) ausgebildet ist, wobei der Hohlraum eine Ventilkammer (122) zwischen dem ringförmigen Absatz (120) und der Ventilbohrung (106) definiert, wodurch die Bewegung des Durchflussregelventils (100) auf seine offene Position dem Kraftstoff erlaubt in die Ventilkammer (122) zu fließen und dabei den Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) zu reduzieren.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (104) einen Ventilsitz (112) aufweist, der sich zwischen dem Einlass (108) und der Ventilbohrung (106) befindet, und dass das Durchflussregelventil (100) einen kegelförmigen Abschnitt (124) aufweist, der zwischen dem ringförmigen Kopf (116) und dem ringförmigen Absatz (120) ausgebildet ist und der mit dem Ventilsitz (112) zusammenwirkt, wenn das Durchflussregelventil (100) geschlossen ist.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussregelventil (100) ein Gehäuse mit einer Überlaufventilbohrung (126), die in Fluidverbindung mit dem Kraftstoffzuführsystem (30) steht, aufweist, wobei das Überlaufventil (102) beweglich in der Überlaufventilbohrung (126) zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position gelagert ist, und die Position von dem Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) abhängt und wodurch der Maximaldruck des eingespritzten Kraftstoffs am Ende des Einspritzvorgangs limitiert wird.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffüberlaufkammer (72), durch die nichtverwendeter Kraftstoff zu der Kraftstoffquelle zurückgeführt werden kann, wobei das Überlaufventil (102) eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuführsystem (30) und der Kraftstoffüberlaufkammer (72) herstellt, wenn das Überlaufventil sich auf seiner offenen Position befindet.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufventilbohrung (126) einen ersten größeren Durchmesser definiert, dass das Überlaufgehäuse einen Einlass (128) aufweist, der einen zweiten kleineren Durchmesser definiert, wobei der Einlass (128) eine Fluidverbindung zwischen dem Kraftstoffzuführsystem (30) und der Überlaufventilbohrung (126) aufweist und weiterhin, dass das Überlaufventil (102) einen Körper (130) aufweist, der von der Überlaufventilbohrung (126) aufgenommen wird, einen ringförmige Kopf (132) aufweist, der dazu ausgebildet ist, von dem Einlass (128) so aufgenommen zu werden, dass ein vordefinierter ringförmiger Hohlraum dazwischen gebildet wird und ein Überlaufkraftstoffkanalsystem (136) aufweist, das eine Fluidverbindung zwischen der Überlaufbohrung (126) und der Kraftstoffüberlaufkammer (72) herstellt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlaufkraftstoffkanalsystem (136) genutete Kanäle (138) aufweist, die auf dem Überlaufventilkörper (130) ausgebildet sind, und dass wenigstens ein Verbindungskanal (144) sich durch das Einspritzdruckreglergehäuse (104) erstreckt und eine Fluidverbindung zwischen der Kraftstoffüberlaufkammer (72) und der Druckregelventilbohrung (106) herstellt, und weiterhin wenigstens einen Ableitungskanal (146) aufweist, der sich durch das Überlaufgehäuse erstreckt und mit wenigstens einem Verbindungskanal (144) zusammenwirkt und eine Fluidverbindung zwischen dem Verbindungskanal (144) und den genuteten Kanälen (138) herstellt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die genuteten Kanäle (138) die eine Mehrzahl von Fließnuten (140), die in Umfangsrichtung nebeneinander auf dem Überlaufkörper (130) angeordnet sind und sich axial entlang eines Teils des Körpers (130) erstrecken, aufweist, und dass die genuteten Kanäle (138) eine Gürtelnut (142) aufweisen, die ringförmig entlang des Umfangs des Überlaufkörpers (130) angeordnet ist und die eine Fluidverbindung mit dem Fließnuten (140) sowie mit dem Ablaufkanal (146) herstellt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzerstäuberanordnung (28) eine Düsenspitze (50) aufweist, die wenigstens eine Öffnung (52) hat, durch die Fluid von der Anordnung (10) zerstäubt wird, und dass die Zerstäuberanordnung (28) eine Düsenbohrung (76) aufweist, die eine Fluidverbindung mit dem Kraftstoffzuführsystem (30) herstellt und ein Nadelventil (80), das beweglich in der Düsenbohrung (76) angeordnet ist und abhängig von dem Kraftstoffdruck zwischen einer geschlossenen Position, bei der kein Kraftstoff von der Zerstäuberanordnung (28) zerstäubt wird und einer offenen Position, bei der Kraftstoff von der Düsenspitze (82), durch wenigstens eine Öffnung (52) zerstäubt wird, wenn der Druck in der Düsenbohrung (76) einen vordefinierten Nadelöffnungsdruck überschreitet, hin- und herbewegbar ist.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrung (76) eine Einspritzrille (78) aufweist, die eine Fluidverbindung mit dem Kraftstoffzuführsystem (30) hat, dass das Nadelventil (80) eine Spitze (82) aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Öffnung (52) an der Düsenspitze (50) zu verschließen, wenn der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) unter dem Nadelschließdruck liegt und dass ein Ventilteil vorhanden ist, das von der Einspritzrille (78) aufgenommen wird, wobei das Nadelventil (80) auf den Druck reagiert, der auf das Ventilteil wirkt und auf seine offene Position fährt, wenn der Kraftstoffdruck den Nadelöffnungsdruck übersteigt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (58) das Nadelventil (80) auf seiner geschlossenen Position mit einer vordefinierten Kraft so vorspannt, dass das Nadelventil (80) auf seine offene Position nur dann fährt, nachdem der Druck in dem Kraftstoffzuführsystem (30) den Nadelöffnungsdruck erreicht hat.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (58) einen Federkäfig (86) aufweist, der eine Federkammer (88), die einen oberen Aufnahme (90), einen unteren Aufnahme (92) und eine Spiralfeder (94) hat, wobei die Spiralfeder (94) sich zwischen dem oberen und dem unteren Federabsätzen (90, 92) so erstreckt, dass die Absätze (90, 92) mit einer vordefinierten Kraft in entgegengesetzter Richtung vorgespannt werden.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der obere FederAufnahme (90) die vordefinierte Kraft auf den Einspritzdruckregler (60) überträgt und den Regler auf seine geschlossene Position vorspannt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkammer (88) eine obere Öffnung (150) aufweist, die mit dem oberen Aufnahme (90) zusammenwirkt und die sich zwischen der Federkammer (88) und der Überlaufventilbohrung (126) erstreckt, wobei der Überlaufventilkörper (130) ein Ende (152) aufweist, das durch die obere Öffnung (150) aufgenommen und von dem oberen Aufnahme (90) geklemmt wird, wobei die vordefinierte Kraft auf den Einspritzdruckregler (60) über das Ende (152) wirkt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der untere FederAufnahme (92) eine vordefinierte Kraft auf das Nadelventil (80) überträgt, um das Nadelventil (80) auf seine geschlossene Position vorzuspannen.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkammer (86) eine untere Öffnung (96) aufweist, die mit dem unteren Aufnahme (92) zusammenwirkt und sich zwischen der Federkammer (88) und der Düsenbohrung (76) erstreckt, wobei das Nadelventil (80) einen Kopf (98) aufweist, der gegenüber dem Endteil angeordnet ist, wobei der Kopf (98) durch die untere Öffnung (96) aufgenommen wird und von dem unteren Aufnahme (92) gehalten wird und wobei die vordefinierte Kraft auf das Nadelventil (80) über den Kopf (98) wirkt.
Kraftstoffeinspritzanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnet unter der Kolbenkammer eine Anker- und Steuerventilanordnung unter dem Magneten angeordnet ist und die Fließkanäle von der Hochdruckkammer zu der Kraftstoffüberlaufkammer (72) sehr nahe zusammenliegen, um das Öffnen und Schließen des Steuerventils besser steuern zu können, was zu einem besser gesteuerten Einspritzvorgang führt.