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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, die bei einem Common-Rail-System für Dieselkraftmaschinen verwendbar
ist.
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Common-Rail-Systeme
sind als ein Kraftstoffeinspritzsystem für Dieselkraftmaschinen bekannt,
die eine Common-Rai1 zum Zuführen
von mit hohem Druck beaufschlagten Kraftstoff zu jedem Zylinder
der Kraftmaschine aufweist. Übliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die bei derartigen Common-Rail-Systemen verwendet
werden, bestehen aus einem Nadelventil, das Zerstäubungslöcher öffnet oder
schließt,
einer Steuerkammer, die einen Staudruck auf das Nadelventil ausübt, und
aus einem Steuerventil zum Einstellen des Drucks innerhalb der Steuerkammer.
Die Steuerkammer ist mit dem Steuerventil in Verbindung, das zu
einer Niederdruckleitung und einer Hochdruckleitung führt, die
zu der Common-Rail durch jeweilige Öffnungen bzw. Drosseln führt. Das Öffnen des
Steuerventils bewirkt einen Druckabfall in der Steuerkammer, wodurch
das Nadelventil nach oben angehoben wird, um die Zerstäubungslöcher zu öffnen.
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Unlängst wurde
ein piezoelektrischer Aktuator mit schnellem Ansprechverhalten als
ein Mechanismus zum wahlweisen Öffnen
und Schließen
eines derartigen Steuerventils vorgeschlagen. Zum Beispiel lehrt
US 5 779 149 A von
Hayes Jr. eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die mit einem piezoelektrischen
Aktuator ausgestattet ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung hat
einen Kolben mit großem Durchmesser,
der durch den piezoelektrischen Aktuator bewegt wird, und einen
Kolben mit kleinem Durchmesser zum wahlweisen Öffnen und Schließen des
Steuerventils. Der Hub des auf den Kolben mit großem Durchmesser
wirkenden piezoelektrischen Aktuators wird hydraulisch verstärkt und
zu dem Kolben mit kleinem Durchmesser übertragen.
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Die
vorstehend beschriebene Kraftstoffeinspritzvorrichtung ermöglicht in
vorteilhafter Weise, dass das kleine Steuerventil durch einen kleinen
Hydraulikdruck geöffnet
wird, um das große
Nadelventil anzuheben, aber sie hat jedoch den folgenden Nachteil.
Die Hubgeschwindigkeit des Nadelventils hängt von der Kraftstoffdurchsatzrate
in und aus der Steuerkammer ab, die durch die Größe der Öffnungen bzw. Drosseln bestimmt
ist. Falls die Größe der Öffnungen
bzw. Drosseln so bestimmt ist, dass jene Hubgeschwindigkeit des
Nadelventils erzielt wird, die zum Einspritzen einer großen Kraftstoffmenge
in die Kraftmaschine erforderlich ist, dann wird das Nadelventil
daher mit einer unerwünschten
höheren
Geschwindigkeit angehoben, wenn es erforderlich ist, eine kleine
Kraftstoffmenge in die Kraftmaschine einzuspritzen. Falls die Größe der Öffnungen
bzw. Drosseln so bestimmt ist, dass sie mit jener übereinstimmt,
die zum Einspritzen einer kleinen Kraftstoffmenge in die Kraftmaschine
erforderlich ist, dann wird das Nadelventil andererseits in einer
unerwünschten
geringeren Geschwindigkeit angehoben, wenn es erforderlich ist,
eine große
Kraftstoffmenge in die Kraftmaschine einzuspritzen.
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WO
01/23754 A1 offenbart eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Nadelventil mit einem Ventilkörper, einer Steuerkammer, in der
ein erster Druck aufgebaut wird, der auf eine erste Druckwirkfläche des
Nadelventils in einer Ventilschließrichtung aufgebracht wird,
und einer Nadelventilkammer, die einen zweiten Druck auf eine zweite
Druckwirkfläche
des Nadelventils (1) in einer Ventilöffnungsrichtung aufbringt.
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US 5 156 132 A offenbart
eine ähnliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Aufbau einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorzusehen, die zum Anheben eines
Nadelventils mit variabler Geschwindigkeit gestaltet ist, die eine
Funktion einer gewünschten
in eine Kraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffmenge ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und den beigefügten
Zeichnungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung sowie eines nicht zur Erfindung gehörenden Vergleichsbeispiels
ersichtlich, die jedoch die Erfindung nicht auf die spezifischen
Ausführungsbeispiele
beschränken
sollen, sondern nur dem Verständnis
dienen.
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Zu
den Zeichnungen:
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1 zeigt eine Längsschnittansicht
eines Innenaufbaus einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2(a), 2(b) und 2(c) zeigen
ausschnittartige Schnittansichten einer Bewegungsfolge eines Nadelventils
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der 1;
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2(d) zeigt eine Zeitkarte
einer Beziehung zwischen einer Änderung
eines Hydraulikdrucks in einer Steuerkammer und Hubbeträgen eines
Druckwirkflächenänderungsrings
und eines zylindrischen Körpers
des Nadelventils, die in den 2(a) bis 2(c) gezeigt sind;
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3 zeigt eine Längsschnittansicht
eines Innenaufbaus einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem
Vergleichsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört;
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4(a), 4(b) und 4(c) zeigen
ausschnittartige Schnittansichten einer Bewegungsfolge eines Kolbens
mit kleinem Durchmesser der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der 3; und
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4(d) zeigt eine Zeitkarte
einer Beziehung zwischen einer Änderung
eines Hydraulikdrucks in einer zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer
und Hubbeträgen
eines Aktuatorhubverstärkungsänderungsrings
und eines zylindrischen Körpers
des Kolbens mit kleinem Durchmesser, die in den 4(a) bis 4(c) gezeigt
sind.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen werden eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß der Erfindung
sowie ein nicht zur Erfindung gehörendes Vergleichsbeispiel erläutert, die
zum Beispiel in einem Common-Rail-Einspritzsystem für Fahrzeug-Dieselkraftmaschinen
verwendbar sind, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile
in mehreren Ansichten beziehen.
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Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung hat einen ersten Körper B1,
in dem ein piezoelektrischer Aktuator 51 angeordnet ist,
einen zweiten Körper
B2, in dem ein Steuerventil 3 vorgesehen ist, einen dritten Körper B3
und einen vierten Körper
B4, in dem ein Nadelventil 1 angeordnet ist. Der erste,
der zweite, der dritte und der vierte Körper B1, B2, B3 beziehungsweise
B4 sind in der dargestellten Art und Weise einander benachbart angeordnet.
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Der
erste Körper
B1 hat in seiner Seitenwand einen Hochdruckkraftstoffeinlass 101,
der zu einer Common-Rail (nicht gezeigt) führt. Der Hochdruckkraftstoffeinlass 101 ist
durch einen Hochdruckkraftstoffpfad 102 mit einer Nadelventilkammer 4 verbunden.
Der Hochdruckkraftstoffpfad 102 erstreckt sich vertikal,
wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, durch den ersten, den
zweiten und den dritten Körper B1,
B2 und B3. Die Nadelventilkammer 4 ist innerhalb des vierten
Körpers
B4 ausgebildet. Ein Niederdruckkraftstoffpfad 104 ist in
dem ersten Körper
B1 ausgebildet, der zu einem Kraftstoffbehälter (nicht gezeigt) durch
einen Niederdruckkraftstoffauslass 103 führt, der
in der Seitenwand des ersten Körpers B1
ausgebildet ist. Der erste, der zweite, der dritte und der vierte
Körper
B1, B2, B3 und B4 sind innerhalb einer hohlen zylindrischen Halterung 5 angeordnet
und flüssigdicht
aneinander gefügt.
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In
dem ersten Körper
B1 ist eine zylindrische Kammer ausgebildet, in der der piezoelektrische
Aktuator 51 und ein Kolben 52 mit großem Durchmesser
angeordnet sind. Der Kolben 52 mit großem Durchmesser ist gemäß der Zeichnung
an ein unteres Ende des piezoelektrischen Aktuators 51 gefügt und wird
durch eine Scheibenfeder 531 in einen bleibenden Eingriff
mit dem piezoelektrischen Aktuator 51 elastisch gedrückt, so
dass der Kolben 52 mit großem Durchmesser durch eine
Ausdehnung oder durch ein Zusammenziehen (das heißt ein Hub)
des piezoelektrischen Aktuators 51 bewegt wird, der durch
Aufbringen einer elektrischen Spannung erregt wird. Die Scheibenfeder 531 ist
innerhalb einer Aktuatorhubverstärkungskammer 53 angeordnet,
die unterhalb des Kolbens 52 mit großem Durchmesser definiert ist.
Die Aktuatorhubverstärkungskammer 53 ist an
einer Fügestelle
des ersten und des zweiten Körpers
B1 und B2 ausgebildet und dient zum Umwandeln des Hubs des Kolbens 52 mit
großem
Durchmesser zu einem Hydraulikdruck, und sie bringt diesen auf den
Kolben 54 mit kleinem Durchmesser auf, der innerhalb des
zweiten Körpers
B2 angeordnet ist, um den Hub des Kolbens 52 mit großem Durchmesser
durch den Kolben 54 mit kleinem Durchmesser zu verstärken und
abzugeben. Der Verstärkungsgrad des
Hubs des Kolbens 52 mit großem Durchmesser (das heißt ein Verstärkungsfaktor,
der das Verhältnis des
Hubs des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zu dem Hub
des Kolbens 52 mit großem
Durchmesser ist) ist eine Funktion einer Differenz zwischen Druckwirkflächen (mit
Druck beaufschlagten Flächen)
des Kolbens 52 mit großem
Durchmesser und des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser,
an denen der Kraftstoffdruck in der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 wirkt.
An einer Außenumfangswand
des Kolbens 52 mit großem
Durchmesser ist ein ringartiger Auslasspfad 522 ausgebildet,
durch den der aus der Aktuatorhubverstärkungskammer 531 austretende
Kraftstoff zu dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 ausgelassen
wird. Ein O-Ring 521 ist in der in der Außenumfangswand
des Kolbens 52 mit großem Durchmesser
ausgebildeten ringartigen Nut angeordnet, um so eine flüssigdichte
Abdichtung einzurichten.
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Die
Aktuatorhubverstärkungskammer 53 ist durch
ein Rückschlagventil 71 und
einen Zwischendruckpfad 72 mit einer Zwischendruckkammer 7 in Verbindung,
die an einem unteren Ende des zweiten Körpers B2 definiert ist. Die
Zwischendruckkammer 7 führt
zu der Nadeldruckkammer 4 durch einen Zwischenraum um einen
Zwischendruckeinlassstift 73 und außerdem zu dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 durch
einen Zwischenraum um einen Zwischendruckauslassstift 74.
Der Hydraulikdruck innerhalb der Zwischendruckkammer 7 ist
auf ein gewünschtes Niveau
zwischen den Drücken
in dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 und der Nadelventilkammer 4 einstellbar,
indem die Zwischenräume
um den Zwischendruckeinlassstift 73 und den Zwischendruckauslassstift 74 abgewandelt
werden. Wenn der Hydraulikdruck in der Aktuatorhubverstärkungskammer 43 aufgrund
des Kraftstofflecks abfällt,
dann wird das Rückschlagventil 71 geöffnet, so
dass der Kraftstoff in der Zwischendruckkammer 7 in die
Aktuatorhubverstärkungskammer 53 strömt, wodurch
der Druck in der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 konstant gehalten
wird.
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Das
Steuerventil 3 besteht aus einer Ventilkammer 31,
einer Ventilkugel 32 und einem Niederdruckanschluss 33.
Die Ventilkammer 31 ist in dem unteren Ende des zweiten
Körpers
B2 ausgebildet. Die Ventilkugel 32 wird durch den Kolben 54 mit
kleinem Durchmesser bewegt oder angehoben, um den Niederdruckanschluss 33 wahlweise
zu öffnen
und zu schließen.
Der Niederdruckanschluss 33 führt zu einer Auslassdruckkammer 541,
die um einen abgeschrägten
Kopf des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser definiert ist.
Der Kolben 54 mit kleinem Durchmesser hat eine Spitze,
die sich in den Niederdruckanschluss 33 erstreckt und an
der Ventilkugel 32 anliegt, wie dies klar aus der Zeichnung
ersichtlich ist. Wenn die Ventilkugel 32 den Niederdruckanschluss 33 öffnet, dann
strömt
der Hydraulikdruck in der Ventilkammer 31 in den Niederdruckkraftstoffpfad 104 durch
die Auslassdruckkammer 541 und einen Auslasspfad 542.
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Die
Ventilkammer 31 ist jederzeit mit einer in einem oberen
Ende des vierten Körpers
B4 ausgebildeten Steuerkammer 2 durch eine Auslassdrossel 22 und
einen Drosselpfad 21 in Verbindung, die in dem dritten
Körper
B3 ausgebildet sind. Die Auslassdrossel 22 mündet in
die Ventilkammer 31. Die Steuerkammer 2 ist innerhalb
der Nadelventilkammer 4 des vierten Körpers B4 definiert und dient
zum Aufbringen des Hydraulikdrucks auf das Nadelventil 1 in nach
unten gerichteter Richtung gemäß der Zeichnung
(das heißt
in eine Ventilschließrichtung).
Das Nadelventil 1 ist mit seiner oberen Hälfte innerhalb der
Nadelventilkammer 4 und mit seiner unteren Hälfte innerhalb
einer Gleitkammer 41 angeordnet, die zu der Nadelventilkammer 4 führt. Die
Gleitkammer 41 ist mit einer Vielzahl Zerstäubungslöcher 42 in
Verbindung, die in einem Einspritzkopf ausgebildet sind.
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Das
Nadelventil 1 hat einen oberen Endabschnitt, der gleitbar
innerhalb einer hohlen zylindrischen Nadelventilführung 6 flüssigdicht
angeordnet ist. Zwischen der oberen Fläche der Nadelventilführung 6 und
der unteren Fläche
des dritten Körpers
B3 ist ein selbstausrichtender Ring 61 gehalten. Eine erste
Schraubenfeder 63 ist zwischen einem Federsitz 62,
der an einem mittleren Abschnitt des Nadelventils 1 gesichert
ist, und dem unteren Ende der Nadelventilführung 6 angeordnet,
um die Nadelventilführung 6 und
das Nadelventil 1 in entgegengesetzten Richtungen zu drücken. Der
selbstausrichtende Ring 61 hat eine ebene Endwand, die
in direktem Kontakt mit dem unteren Ende des dritten Körpers B3 ist,
und eine sphärische
Wand, die in direktem Kontakt mit einer konischen oberen Wand der Nadelventilführung 6 ist.
Die lotrechte Stellung des Nadelventils 1 zu dem unteren
Ende des dritten Körpers
B3 ist somit durch eine horizontale Bewegung des selbstausrichtenden
Rings 61 und eine Drehbewegung der Nadelventilführung 6 gehalten.
Die erste Schraubenfeder 63 dient außerdem zum Einrichten von flüssigdichten
Abdichtungen zwischen dem selbstausrichtenden Ring 61 und
der Nadelventilführung 6 sowie
zwischen dem selbstausrichtenden Ring 61 und dem dritten
Körper
B3.
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Das
Nadelventil 1 hat einen zylindrischen Körper 11 (das heißt einen
Ventilkörper)
und einen Druckwirkflächenänderungsring 12,
der gleitbar an einem oberen Abschnitt des Körpers 11 angeordnet ist,
welcher gemäß der folgenden
detaillierten Beschreibung als eine Nadelventilhubgeschwindigkeitsversetzungseinrichtung
dient. Der Druckwirkflächenänderungsring 12 ist
durch einen Kontakt seines Außenumfangs
mit einem Innenumfang der Nadelventilführung 6 gleitbar.
Der zylindrische Körper 11 hat
einen Flansch 13, gegen den der Druckwirkflächenänderungsring 12 durch
eine zweite Schraubenfeder 64 gedrückt wird, die zwischen einem
unteren Ende des Druckwirkflächenänderungsrings 12 und dem
Federsitz 62 angeordnet ist.
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Die
zweite Schraubenfeder 64 dient zum Aufrechterhalten eines
direkten Eingriffs des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
dem zylindrischen Körper 11,
um so einen Verlust der Hubbewegung des zylindrischen Körpers 11 zu
reduzieren, sie kann jedoch bei diesen Ausführungsbeispiel weggelassen werden.
Die Nadelventilführung 6 kann
an ihrer unteren Kante mit einem Flansch ausgebildet sein, der nach
innen vorsteht, um so als ein Stopper zum Vermeiden einer Abwärtsbewegung
des Druckwirkflächenänderungsrings 12 zu
dienen.
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Die
untere Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 ist in einem Abstand L von
dem oberen Ende des Druckwirkflächenänderungsrings 12 angeordnet
und dient als ein Stopper zum Definieren eines zulässigen Bereiches
einer Aufwärtsbewegung des
Druckwirkflächenänderungsrings 12.
Insbesondere wird der zylindrische Körper 11 des Nadelventils 1,
zusammen mit dem Druckwirkflächenänderungsring 12 innerhalb
eines Bereiches des Abstands L angehoben. Nach einem Zusammenstoß des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 wird nur der zylindrische
Körper 11 des
Nadelventils 1 angehoben. Die Hubgeschwindigkeit des Nadelventils 1 ändert sich
daher bei dem Zusammenstoß des
Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61. Dieser Vorgang wird später genauer
beschrieben.
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Die
Steuerkammer 2 ist durch eine Endwand des Nadelventils 1 und
durch Innenwände
der Nadelventilführung 6 und
den selbstausrichtenden Ring 61 definiert. In dem dritten
Körper
B3 sind eine Einlassdrossel 24 und ein Hochdruckkraftstoffpfad 23 ausgebildet.
Die Steuerkammer 2 ist mit dem Hochdruckkraftstoffpfad 102 durch
die Einlassdrossel 24 und den Kraftstoffpfad 23 in
Verbindung. Der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 ändert sein
Niveau beim Öffnen
oder Schließen
des Steuerventils 3. Insbesondere wenn der Hydraulikdruck
in der Steuerkammer 2 so abfällt, dass sich das Nadelventil 1 anhebt,
dann sind die Zerstäubungslöcher 42 mit
der Nadelventilkammer 4 durch einen Zwischenraum um das
Nadelventil 1 in Verbindung, wodurch der Kraftstoff aus
den Zerstäubungslöchern 42 zerstäubt wird.
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Ein
Betrieb der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2(a) bis 2(d) beschrieben.
Die 2(d) zeigt eine
Beziehung zwischen einer Änderung
eines Hydraulikdrucks innerhalb der Steuerkammer 2, der
durch eine Betätigung des
piezoelektrischen Aktuators 51 bewirkt wird, und Hubbeträgen des
zylindrischen Körpers 11 und
des Druckwirkflächenänderungsrings 12 des
Nadelventils 1. Die 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen eine Bewegungsfolge des zylindrischen
Körpers 11 und
des Druckwirkflächenänderungsrings 12 in
Zeiträumen ta,
tb und tc.
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Wenn
der piezoelektrische Aktuator 51 im AUS-Zustand ist, dann
schließt
die Ventilkugel 32 des Steuerventils den Niederdruckanschluss 33 weiter,
so dass die Ventilkammer 31 und die Steuerkammer 2 auf
einen angehobenen Druck des von dem Hochdruckkraftstoffpfad 102 zugeführten Kraftstoffes gehalten
werden, der nachfolgend auch als ein Zuführungsdruck bezeichnet wird.
Die Summe des Hydraulikdrucks in der Steuerkammer 2 und
des Federdrucks der Feder 63, die größer ist als der Hydraulikdruck
in der Nadelventilkammer 4 in nach oben gerichteter Richtung
bei Betrachtung der 1,
wirkt somit weiterhin auf das Nadelventil 1 in nach unten gerichteter
Richtung, wodurch die Zerstäubungslöcher 42 geschlossen
werden.
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Bei
Aufbringung eines gegebenen Niveaus einer elektrischen Antriebsspannung
auf den piezoelektrischen Aktuator 51 zum Zeitpunkt 1 gemäß der 2(d) dehnt sich der piezoelektrische
Aktuator 51 aus, so dass sich der Kolben 52 mit
großem
Durchmesser nach unten bewegt, wodurch der Hydraulikdruck in der
Aktuatorhubverstärkungskammer 53 ansteigt.
Dies bewirkt eine Bewegung des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser
und der Ventilkugel 32 nach unten, so dass der Niederdruckanschluss 33 geöffnet wird,
wodurch die Fluidverbindung zwischen der Ventilkammer 31 und
der Auslassdruckkammer 541 eingerichtet wird, die zu dem
Niederdruckpfad 104 führt.
Dies führt
zu einem Abfall des Hydraulikdrucks in der Steuerkammer 2.
Wenn der Druck, der das Nadelventil 1 nach oben drückt, jenen
Druck übersteigt,
der das Nadelventil 1 nach unten drückt, wird der zylindrische
Körper 11 des
Nadelventils 1 zusammen mit dem Druckwirkflächenänderungsring 12 zum
Zeitpunkt t2 gemäß der 2(d) angehoben.
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Das
Anheben des Nadelventils 1 bewirkt einen erneuten Anstieg
des Hydraulikdrucks in der Steuerkammer 2. Wenn die Geschwindigkeit
des Hubs des Nadelventils 1 zu dem Zeitpunkt t3 konstant
wird, und zwar wenn die Durchsatzrate des in die Steuerkammer 2 eintretenden
Kraftstoffes mit der Durchsatzrate des aus der Steuerkammer 2 austretenden
Kraftstoffes im Gleichgewicht ist, dann wird der Hydraulikdruck
in der Steuerkammer 2 bis zu dem Zeitpunkt t4 auf ein konstantes
Niveau gehalten, das niedriger ist als der Zuführungsdruck. Insbesondere in
dem Zeitraum ta zwischen t3 und t4 bewegen sich der zylindrische
Körper 11 und
der Druckwirkflächenänderungsring 12 des
Nadelventils 1 zusammen nach oben, wie dies in der 2(a) gezeigt ist. Das Nadelventil 1 wird
somit mit einer kleineren Geschwindigkeit in der Ventilöffnungsrichtung
angehoben, in der das Nadelventil 1 die Zerstäubungslöcher 42 öffnet.
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Wenn
sich das Nadelventil 1 um den Abstand L nach oben bewegt
und, wie dies in der 2(b) gezeigt
ist, der Druckwirkflächenänderungsring 12 mit
der unteren Fläche 65 des selbstausrichtenden
Rings 61 zum Zeitpunkt t4 zusammenstößt, dann stoppt das Nadelventil 1.
Das Nadelventil 1 wird daraufhin für eine Weile davon abgehalten,
dass es sich anhebt. Dies ist dadurch begründet, dass nach dem Zusammenstoß des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 die gesamte Druckwirkfläche des
Nadelventils 1, an dem der in der Nadelventilkammer 4 erzeugte
Druck wirkt, durch die Fläche
des unteren Endes des Druckwirkflächenänderungsrings 12 verringert
ist, woraus eine Verringerung der Kraft resultiert, die das Nadelventil 1 nach
oben drückt.
Der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 beginnt sich somit
erneut zu verringern. Bei dem Zusammenstoß des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des selbstausrichtenden
Rings 61 wird die Fläche
des oberen Endes des Druckwirkflächenänderungsrings 12,
an dem der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 wirkt,
durch eine Kontaktfläche
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 verringert, so dass die gesamte
Fläche
des Nadelventils 1, an der der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 wirkt,
verringert ist.
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Wenn
sich der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 weiter verringert
und ein vorgegebenes unteres Niveau in dem Zeitpunkt t5 erreicht,
dann ist der nach unten gerichtete Druck, der auf den zylindrischen
Körper 11 des
Nadelventils 11 wirkt, kleiner als der nach oben gerichtete
Druck, und nur der zylindrische Körper 11 des Nadelventils
beginnt sich anzuheben. Insbesondere ist die gesamte Fläche des
zylindrischen Körpers 11 und
des Druckwirkflächenänderungsrings 12,
an der der Hydraulikdruck innerhalb der Steuerkammer 2 nach
dem Zeitpunkt t4 ausgeübt
wird, kleiner als jener vor dem Zeitpunkt t4. Die Durchsatzrate
des aus der Steuerkammer 2 ausgelassenen Kraftstoffes ist
gemäß der Beschreibung konstant.
Daher wird das Nadelventil 1 in dem Zeitraum tc gemäß der 2(c) mit einer Geschwindigkeit
angehoben, die größer ist
als vor dem Zeitpunkt t4. Der Hydraulikdruck innerhalb der Steuerkammer 2 wird
auf ein Niveau gehalten, das niedriger ist als in dem Zeitraum ta.
Wenn der zylindrische Körper 11 des
Nadelventils 1 an dem unteren Ende des dritten Körpers B3
anliegt, dann wird das Anheben des Nadelventils 1 gestoppt,
so dass der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 eine erneute
Verringerung nach dem Zeitpunkt t6 beginnt.
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Wie
dies aus der vorstehenden Beschreibung offensichtlich ist, ist die
gesamte Druckwirkfläche
des Nadelventils 1, an der der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 wirkt,
die Summe der Flächeninhalte
der oberen Enden des zylindrischen Körpers 11 und des Druckwirkflächenänderungsrings 12 des Nadelventils 1,
wenn es erforderlich ist, eine kleine Kraftstoffmenge in die Kraftmaschine
einzuspritzen, und zwar während
eines Zeitintervalls (das heißt
der Zeitraum ta) zwischen einem Zeitpunkt, wenn der Hydraulikdruck
in der Steuerkammer 2 auf das erste untere Niveau nach
der Erregung des piezoelektrischen Aktuators 51 abfällt, und
dem Zusammenstoß des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61, so dass das Nadelventil 1 mit
der niedrigeren Geschwindigkeit angehoben wird. Wenn es erforderlich
ist, eine große
Kraftstoffmenge in die Kraftmaschine einzuspritzen, und zwar während eines
Zeitintervalls (das heißt
der Zeitraum tc) zwischen einem Zeitpunkt, wenn der Hydraulikdruck
in der Steuerkammer 2 auf das zweite untere Niveau nach
dem Zusammenstoß des
Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit
der unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 abfällt, und dem Zusammenstoß des zylindrischen Körpers 11 mit
dem unteren Ende des dritten Körpers B3,
dann ist die gesamte Druckwirkfläche
des Nadelventils 1, an der der Hydraulikdruck in der Steuerkammer 2 wirkt,
durch den Flächeninhalt
der Kontaktfläche
des Druckwirkflächenänderungsrings 12 mit der
unteren Fläche 65 des
selbstausrichtenden Rings 61 verringert, so dass das Nadelventil 1 mit
der höheren
Geschwindigkeit angehoben wird. Insbesondere dient die Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
zum Bewegen des Nadelventils 1 mit zwei unterschiedlichen
Geschwindigkeiten, ohne dass eine Änderung der Größe der Öffnungen
bzw. Drosseln 24 und 22 erforderlich ist.
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Die 3 zeigt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einem
nicht zur Erfindung gehörenden
Vergleichsbeispiel als eine Bauart, bei der der Hydraulikdruck in
der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 direkt
zum Bewegen des Nadelventils 1 ohne Verwendung des Steuerventils 3 dient.
Für dieselben Bauteile
werden dieselben Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels verwendet,
und deren detaillierte Erläuterung
wird hierbei weggelassen.
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Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß diesem Vergleichsbeispiel
hat einen Ausgleichskolben 8, der innerhalb des zweiten
Körpers
B2 angeordnet ist, wobei der Kolben 54 mit kleinem Durchmesser
innerhalb des dritten Körpers
B3 angeordnet ist und das Nadelventil 1 innerhalb des vierten
und des fünften
Körpers
B5 und B4 angeordnet ist.
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Das
Nadelventil 1 ist innerhalb des fünften Körpers B5 verschiebbar gehalten
und hat ein oberes Ende, das sich in eine Federkammer 95 erstreckt,
die in dem vierten Körper
B4 ausgebildet ist. Die Federkammer 95 ist mit dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 in
Verbindung. Die Feder 63 ist zwischen dem Federsitz 62,
der an dem oberen Ende des Nadelventils 1 gesichert ist,
und einer oberen Wand der Federkammer 95 (das heißt dem Boden
des dritten Körpers
B3) angeordnet, um das Nadelventil 1 nach unten zu drücken. Der
Kolben 54 mit kleinem Durchmesser hat eine Spitze oder
ein unteres Ende, das sich in die Federkammer 95 erstreckt
und an dem Federsitz 62 anliegt. Ein Kraftstoffschacht 43 ist
um das Nadelventil 1 angeordnet, der zu dem Hochdruckkraftstoffpfad 102 führt.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung ist der Ausgleichskolben 8 innerhalb des zweiten
Körpers
B2 über
dem Kolben 54 mit kleinem Durchmesser angeordnet. Der Ausgleichskolben 8 hat
einen gewölbten
Kopf, der mit dem oberen Ende des Kolbens 54 mit kleinem
Durchmesser in Kontakt ist. Eine Ausgleichsdruckkammer 81 ist über einem
oberen Ende des Ausgleichskolbens 8 definiert und mit dem Hochdruckkraftstoffpfad 102 durch
einen Ausgleichsdruckeinlasspfad 82 in Verbindung. Der
in den Hochdruckkraftstoffeinlass 101 zugeführte Kraftstoffdruck oder
der Zuführungsdruck
tritt in die Ausgleichsdruckkammer 81 durch den Ausgleichsdruckeinlasspfad 82 ein
und wirkt auf den Ausgleichskolben 8, um das Nadelventil 1 durch
den Kolben 54 mit kleinem Durchmesser nach unten zu drücken. Der
Durchmesser des Ausgleichskolbens 8 ist vorzugsweise gleich
wie oder geringfügig
größer als
ein Durchmesser eines Abschnitts des Nadelventils 1, der
entlang einer Innenwand des fünften
Körpers
B5 gleitet, so dass der auf das obere Ende des Ausgleichskolbens nach
unten wirkende Druck mit dem auf das Nadelventil 1 nach
oben wirkenden Druck im Gleichgewicht sein kann, wenn die Zerstäubungslöcher 42 geöffnet sind.
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Die
Aktuatorhubverstärkungskammer 53 ist durch
das Rückschlagventil 71 und
den Zwischendruckpfad 72 mit der Zwischendruckkammer 7 in
Verbindung, die zwischen einem unteren Ende des zweiten Körpers B2
und einem oberen Ende des dritten Körpers B3 definiert ist. Der
Kraftstoff innerhalb der Ausgleichsdruckkammer 82 strömt in die
Zwischendruckkammer 7 durch einen Zwischenraum um den Ausgleichskolben 8 und
wandert zu dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 durch einen
Zwischenraum um den Zwischendruckauslassstift 74. Der Hydraulikdruck
innerhalb der Zwischendruckkammer 7 ist auf ein gewünschtes
Niveau zwischen den Drücken
in der Ausgleichsdruckkammer 81 und dem Niederdruckkraftstoffpfad 104 einstellbar,
indem die Zwischenräume
um den Ausgleichskolben 8 und dem Zwischendruckauslassstift 74 abgewandelt
werden.
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Der
Kolben 54 mit kleinem Durchmesser besteht aus einem zylindrischen
Körper 54a (das
heißt ein
Kolbenkörper)
und aus einem Hubverstärkungsänderungsring 54b,
der gleitbar an einem Abschnitt 54c mit großem Durchmesser
gepasst ist. Der Hubverstärkungsänderungsring 54b dient ähnlich wie
der Druckwirkflächenänderungsring 12 des
Ausführungsbeispiels
als eine Nadelventilhubgeschwindigkeitsänderungseinrichtung. Eine zweite
Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ist
unter dem Hubverstärkungsänderungsring 54b definiert,
die mit der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 durch
einen Kraftstoffpfad 55 in Verbindung ist, der sich durch
den zweiten und den dritten Körper
B2 und B3 erstreckt. Der Kraftstoff, dessen Druck auf das vorgegebene Zwischenniveau
in der Zwischendruckkammer 7 eingestellt ist, strömt somit
in die zweite Aktuatorhubverstärkungskammer 56 durch
das Rückschlagventil 71 und
die Aktuatorhubverstärkungskammer 53,
um einen Hydraulikdruck zu erzeugen, der den Kolben 54 mit
kleinem Durchmesser nach oben drückt.
Ein Flansch 54d ist an einer unteren Kante des Hubverstärkungsänderungsrings 54b ausgebildet
und erstreckt sich nach innen, um so mit einem unteren Absatz des
Abschnitts 54c mit großem
Durchmesser in Eingriff zu gelangen. Eine Scheibenfeder 561 ist
an dem Boden der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 angeordnet,
um den Hubverstärkungsänderungsring 54b nach
oben zu drücken.
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Eine
Erhöhung
des Drucks innerhalb der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 bewirkt eine
Anhebung des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser, um das
Nadelventil 1 nach oben anzuheben. Das obere Ende des Hubverstärkungsänderungsrings 54b ist
in einem vorgegebenen Abstand L von einer ringartigen Fläche 83 beabstandet,
die an dem unteren Ende des zweiten Körpers B2 definiert ist und
als ein Stopper dient. Daher werden der zylindrische Körper 54a und
der Hubverstärkungsänderungsring 54b des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zusammen innerhalb des
Abstands L angehoben. Nachdem der Hubverstärkungsänderungsring 54b mit
der Stopperfläche 83 zusammengestoßen ist,
wird nur der zylindrische Körper 54a angehoben,
was zu einer Erhöhung
des Verstärkungsfaktors führt, der
das Verhältnis
des Hubs des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zu dem
Hub des Kolbens 52 mit großem Durchmesser des piezoelektrischen
Aktuators 51 ist, um auf diese Weise ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel
die Hubgeschwindigkeit des Nadelventils 1 zu erhöhen.
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Ein
Betrieb der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4(a) bis 4(d) beschrieben. Die 4(d) zeigt eine Beziehung
zwischen einer Änderung
des Hydraulikdrucks innerhalb der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56,
der durch eine Betätigung
des piezoelektrischen Aktuators 51 hervorgerufen wird,
und Hubbeträgen
des zylindrischen Körpers 54a und
des Hubverstärkungsänderungsrings 54b des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser. Die 4(a), 4(b) und 4(d) zeigen eine Bewegungsfolge
des zylindrischen Körpers 54a und
des Hubverstärkungsänderungsrings 54b des Kolbens
mit kleinem Durchmesser in Zeiträumen
ta, tb und tc.
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Wenn
der piezoelektrische Aktuator 51 im AUS-Zustand ist, dann
wird der Druck der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 und
der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 auf
das vorgegebene Zwischenniveau gehalten, so dass die Summe der Hydraulikdrücke innerhalb
der Zwischendruckkammer 7 und der Ausgleichsdruckkammer 81 sowie
der Federdruck der Feder 63, die das Nadelventil 1 nach unten
drückt,
größer als
die Summe der Hydraulikdrücke
innerhalb der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 und
dem Kraftstoffschacht 43, die das Nadelventil 1 nach
oben drückt,
wodurch die Zerstäubungslöcher 11 geschlossen
werden.
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Bei
Aufbringung eines vorgegebenen Niveaus einer elektrischen Antriebsspannung
auf den piezoelektrischen Aktuator 51 zum Zeitpunkt 1 gemäß der 4(d) dehnt sich der piezoelektrische
Aktuator 51 aus, so dass sich der Kolben 52 mit
großem Durchmesser
nach unten bewegt, wodurch die Hydraulikdrücke in der Aktuatorhubverstärkungskammer 53 und
der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ansteigen.
Wenn der Hydraulikdruck in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ein gewisses
höheres
Niveau überschreitet,
dann übersteigt
ein auf das Nadelventil 1 nach oben wirkender Druck einen
nach unten wirkenden Druck, so dass das Anheben des Kolbens 54 mit
kleinem Durchmesser zum Zeitpunkt t2 beginnt. Nach dem Zeitpunkt
t2 werden der zylindrische Körper 54a und
der Hubverstärkungsänderungsring 54b des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zusammen nach oben mit
einer geringeren Geschwindigkeit angehoben. Der Hydraulikdruck innerhalb
der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 wird
konstant gehalten. Das Nadelventil 1 wird somit nach oben
mit der geringeren Geschwindigkeit angehoben.
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Wenn
sich der Hubverstärkungsänderungsring 54b über den
Abstand L nach oben bewegt und, wie dies in der 4(b) gezeigt ist, mit der Stopperfläche 83 des
zweiten Körpers
B2 zusammenstößt, dann
stoppen der Kolben 54 mit kleinem Durchmesser und das Nadelventil 1 zum
Zeitpunkt t3. Insbesondere wird bei dem Zusammenstoß des Hubverstärkungsänderungsrings 54b mit
der Stopperfläche 83 die
gesamte Druckwirkfläche
des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser, an der der Druck
in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 wirkt,
durch eine Fläche
des unteren Endes des Hubverstärkungsänderungsrings 54b verringert,
woraus eine Verringerung einer Kraft resultiert, die den Kolben 54 mit
kleinem Durchmesser nach oben drückt.
Dadurch wird der zylindrische Körper 54a des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser an einer mittleren Stelle
gehalten, an der der Hubverstärkungsänderungsring 54b an
der Stopperfläche 83 in
dem Zeitraum tb anliegt.
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Wenn
der Hydraulikdruck in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ansteigt
und ein zweites höheres
Niveau überschreitet,
dann überschreitet
der auf das Nadelventil 1 nach oben wirkende Druck einen
nach unten wirkenden Druck zum Zeitpunkt t4, so dass nur der zylindrische
Körper 54a des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zusammen mit dem Nadelventil 1 nach
oben angehoben wird. Insbesondere wird die gesamte Fläche des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser, auf die der Hydraulikdruck
innerhalb der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 nach
dem Zeitpunkt t3 aufgebracht wird, kleiner als jene vor dem Zeitpunkt
t3. Daher wird der Kolben 54 mit kleinem Durchmesser in
dem Zeitraum tc gemäß der 4(c) mit einer Geschwindigkeit
nach oben angehoben, die größer ist
als vor dem Zeitpunkt t3. Der Hydraulikdruck innerhalb der zweiten
Aktuatorhubverstärkungskammer 56 wird
auf ein höheres
Niveau als in dem Zeitraum ta gehalten.
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Wenn
der Ausgleichskolben 8, der über dem zylindrischen Körper 54a des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser angeordnet ist, mit
der oberen Wand der Ausgleichsdruckkammer 81 zusammenstößt, dann
wird das Anheben des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser
und des Nadelventils 1 gestoppt, so dass ein Anstieg des
Hydraulikdrucks in der Aktuatorhubverstärkungskammer 56 nach
dem Zeitpunkt t5 erneut beginnt.
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Wie
dies aus der vorstehenden Beschreibung offensichtlich ist, werden
sowohl der zylindrische Körper 54a als
auch der Hubverstärkungsänderungsring 54b dem
Hydraulikdruck innerhalb der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ausgesetzt
und nach oben bewegt, wenn es erforderlich ist, eine kleine Kraftstoffmenge
in die Kraftmaschine einzuspritzen, und zwar während eines Zeitintervalls (das
heißt
der Zeitraum ta) zwischen einem Zeitpunkt, wenn der Hydraulikdruck
in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 auf
das erste höhere Niveau
nach der Erregung des piezoelektrischen Aktuators 51 ansteigt,
und dem Zusammenstoß des Hubverstärkungsänderungsrings 54b mit
der Stopperfläche 83 des
zweiten Körpers
B2, so dass das Nadelventil 1 mit der geringeren Geschwindigkeit
angehoben wird. Wenn es erforderlich ist, eine große Kraftstoffmenge
in die Kraftmaschine einzuspritzen, und zwar während eines Zeitintervalls
(das heißt
der Zeitraum tc) zwischen einem Zeitpunkt, wenn der Hydraulikdruck
in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 auf
das zweite höhere
Niveau nach dem Zusammenstoß des
Hubverstärkungsänderungsrings 54b mit
der Stopperfläche 83 des
zweiten Körpers
B2 ansteigt, und dem Zusammenstoß des Ausgleichskolbens 8 mit
der oberen Wand der Ausgleichsdruckkammer 81, dann wird
nur der zylindrische Körper 54a des
Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser dem Hydraulikdruck in
der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 ausgesetzt
und nach oben bewegt, so dass das Nadelventil 1 mit der
höheren
Geschwindigkeit angehoben wird. Insbesondere führt eine Verringerung der gesamten
Druckwirkfläche
des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser, auf die der Druck
in der zweiten Aktuatorhubverstärkungskammer 56 wirkt,
zu einer Erhöhung
des Verstärkungsfaktors,
der das Verhältnis
des Hubs des Kolbens 54 mit kleinem Durchmesser zu dem
Hub des Kolbens 52 mit großem Durchmesser des piezoelektrischen
Aktuators 51 ist, so dass das Nadelventil mit der höheren Geschwindigkeit
angehoben wird.
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Während die
vorliegende Erfindung zum besseren Verständnis hinsichtlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels
offenbart ist, sollte klar sein, dass die Erfindung auf verschiedene
Weise ausgeführt
werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Daher soll
die Erfindung alle möglichen Ausführungsbeispiele
und Abwandlungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen enthalten,
die ausgeführt
werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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Ein
verbesserter Aufbau einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist bei
einem Common-Rail-System für
Fahrzeug-Dieselkraftmaschinen verwendbar. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung
ist so gestaltet, dass sie ein Nadelventil mit variabler Geschwindigkeit
als Funktion einer gewünschten
Kraftstoffmenge bewegt, die in die Kraftmaschine einzuspritzen ist.
Die variable Geschwindigkeit wird durch eine Hydraulikdruckwirkfläche (mit
Hydraulikdruck beaufschlagte Fläche)
eines Kolbens zum Beispiel des Nadelventils geändert, um die Geschwindigkeit
des Hubs des Nadelventils zu steuern.