Titel

Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige Brennstoffeinspritzventile sind auch als Doppelbrennstoffinjektoren, Zweistoffinjektoren oder Dual-Fuel-Injektoren be- kannt.

Stand der Technik

Brennstoffeinspritzventile der vorstehend genannten Art weisen in der Regel zwei inei- nander geführte hubbewegliche Düsennadeln zum Freigeben und Verschließen von

Einspritzöffnungen für die unterschiedlichen Brennstoffe auf. Die Ansteuerung ist vergleichsweise aufwendig, da für jede Düsennadel ein Steuerventil vorhanden sein muss. Ferner müssen beide Steuerventile zeitlich genau aufeinander abgestimmt sein. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 225 167 AI ist ein Kraftstoffzumessventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse bekannt, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem im Gehäuse ausgebildeten Dichtsitz zusammenwirkt. Im Gehäuse ist ferner ein Gasraum ausgebildet, der die Düsennadel abschnittsweise umgibt und der durch das Öffnen des Dichtsitzes mit wenigstens einer Eindüsöffnung verbindbar ist. Weiterhin ist ein mit flüssigem Kraftstoff befüllbarer Raum vorhanden, der dem Gasraum abgewandt die Düsennadel umgibt. Zur Vereinfachung der Ansteuerung wird vorgeschlagen, den flüssigen und den gasförmigen Kraftstoff in einem einzigen Vorgang in den Brennraum einzubringen. Hierzu wird eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs in den Gasraum über einen Leckagespalt zugelassen, so dass beim Öffnen der Düsennadel Gas aus dem Gasraum über die Einspritzöffnungen in einen Brennraum strömt und dabei den innerhalb des Gasraums vorhandenen flüssigen Kraftstoff mitreißt. Der Leckagespalt ist dabei derart bemessen, dass durch die Ein- düsung des gasförmigen Kraftstoffs eine solche Menge an flüssigem Kraftstoff in den Brennraum gelangt, dass die Zündfähigkeit des Gemisches auf das gewünschte Maß angehoben wird. Um bei Bedarf eine größere Menge des flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum einzubringen, ist eine weitere Düsennadel vorgesehen, die in einer Bohrung der ersten Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer weiteren Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Zur Steuerung der Hubbewegungen der beiden Düsennadeln ist jeweils ein Steuerventil vorgesehen, so dass der Aufbau des Kraftstoffzumessventils nicht minder komplex als bei einem herkömmlichen Dual-Fuel- Injektor ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, das weniger komplex aufgebaut und somit einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Das zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Brennstoffeinspritzventil umfasst ein in einer zentralen Bohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenes erstes Ventilglied und ein in einer zentralen Bohrung des ersten Ventilglieds hubbeweglich aufgenommenes zweites Ventilglied. Jedem Ventilglied ist ein Steuerraum zugeordnet, der über eine Zulaufdrossel mit flüssigem Brennstoff beaufschlagbar und jeweils über ein Ventil entlastbar ist. Erfindungsgemäß sind die Ventile hintereinandergeschaltet und nur ein Aktor ist zur Betätigung beider Ventile vorgesehen. Dadurch, dass nur ein Aktor vorgesehen ist, reduziert sich die Teilezahl. Das heißt, dass der Fertigungs- und Montageaufwand sinkt, und zwar in Bezug auf das Brennstoffeinspritzventil sowie in Bezug auf die Anbindung des Brennstoffeinspritzventils an eine Stromversorgung und/oder an eine Motorsteuerung. Der Entfall eines Aktors erlaubt zudem eine besonders kompaktbauende Ausführung des Brennstoffeinspritzventils.

Durch das Hintereinanderschalten der beiden Ventile kann ein zeitlich versetztes Öffnen der Ventilglieder mit nur einem Aktor bewirkt werden, beispielsweise, um eine Piloteinspritzung mit flüssigem Brennstoff und eine nachfolgende Haupteinspritzung mit gasförmigem Brennstoff zu realisieren.

Bevorzugt ist nur ein Ventil direkt über den Aktor betätigbar, wobei es sich vorzugsweise um das Ventil handelt, das der Entlastung des dem zweiten Ventilglied zugeordneten Steuerraum dient. Das zweite Ventilglied öffnet demnach bevorzugt zuerst, um insbesondere eine Piloteinspritzung mit flüssigem Kraftstoff zu realisieren. Ferner können die Steuerleitungen zwischen diesem Ventil und dem Steuerraum kurzgehalten werden, da das zweite Ventilglied - bei einer entsprechenden Länge - bis dicht an das Ventil bzw. an den Aktor geführt werden kann. Dies wirkt sich günstig auf die Absteuermenge und damit auf die Ventilanforderungen aus, so dass ein entsprechend klein bauendes Ventil eingesetzt werden kann.

Das Ventil, das der Entlastung des dem ersten Ventilglied zugeordneten Steuerraums dient, wird vorteilhafterweise über das Ventil gesteuert, das direkt über den Aktor betätigbar ist. Dies ist möglich, da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil beide Ventile hintereinandergeschaltet sind. Auf diese Weise wird eine kaskadenartige Ansteuerung erreicht, die ein zeitlich versetztes Öffnen der beiden Ventilglieder ermöglicht.

Das Hintereinanderschalten der beiden Ventile besitzt ferner den Vorteil, dass das nachfolgende Ventil zur Überbrückung einer Distanz zwischen dem ersten Ventilglied und dem Aktor einsetzbar ist. Auf diese Weise können wiederum kurze Steuerleitungen realisiert werden, um die Absteuermenge zu reduzieren. Entsprechend können die Ventilanforderungen gesenkt werden, insbesondere kann ein kleinbauendes Ventil verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das direkt über den Aktor betätigbare Ventil ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Schließelement, wobei in den Ventilsitz ein Ablaufkanal mit einer hierin angeordneten Ablaufdrossel mündet, über den der dem zweiten Ventilglied zugeordnete Steuerraum entlastbar ist. Über das Verhältnis der Drosselquerschnitte der Ablaufdrossel und der Zulaufdrossel zueinander kann das Öffnungsverhalten des zweiten Ventilglieds bestimmt werden. Im Übrigen kann das Ventil sehr einfach aufgebaut sein.

Beispielsweise kann das direkt über den Aktor betätigbare Ventil ein 2/2 -Wege- Ventil sein. Öffnet das Ventil strömt flüssiger Brennstoff über den Ablaufkanal und die Ablaufdrossel aus dem Steuerraum ab, während über die Zulaufdrossel flüssiger Brennstoff nachströmt. Hier muss über das Verhältnis der Drosselquerschnitte zueinander das Öffnen des zugeordneten Ventilglieds sichergestellt werden. Das Ventil kann zum Beispiel als einfaches Kugelsitzventil ausgebildet sein.

Darüber hinaus kann das direkt über den Aktor betätigbare Ventil ein 3/2 -Wege- Ventil sein. Dann wirkt das Schließelement des Ventils mit einem weiteren Ventilsitz zusammen, über den vorzugsweise die Zulaufdrossel freigebbar und verschließbar ist. Öffnet das Ventil ist der Ablaufkanal bzw. die Ablaufdrossel freigegeben und die Zulaufdrossel verschlossen. Das heißt, dass kein flüssiger Brennstoff über die Zulaufdrossel nachzuströmen vermag. Auf diese Weise kann die Absteuermenge begrenzt werden.

Bevorzugt ist der dem zweiten Ventilglied zugeordnete Steuerraum mit einem weiteren Steuerraum verbunden, der von einem Betätigungselement des weiteren Ventils be- grenzt wird, das der Entlastung des dem ersten Ventilglied zugeordneten Steuerraums dient. Es sind somit mindestens drei Steuerräume vorhanden, wobei der erste und der zweite Steuerraum dem ersten und dem zweiten Ventilglied zugeordnet sind und wobei der dritte Steuerraum der Steuerung des nachfolgenden Ventils dient, das nicht direkt über den Aktor betätigbar ist. Die Betätigung des weiteren Ventils wird auf diese Weise an die des direkt über den Aktor betätigbaren Ventils gekoppelt, so dass ein zweiter

Aktor entfallen kann. Sofern das direkt über den Aktor betätigbare Ventil als 2/2-Wege- Ventil ausgebildet ist, kann über das Verhältnis der Drosselquerschnitte von Zulauf- und Ablaufdrossel der Öffnungszeitpunkt des weiteren Ventils bestimmt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass dem zweiten Ventilglied am Steuerraum ein beweglicher Anschlagkörper gegenüberliegt, der in Richtung des zweiten Ventilglieds von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Der Anschlagkörper bewirkt ein zweistufiges Öffnen des zweiten Ventilglieds, wenn der dem zweiten Ventilglied zugeordnete Steuerraum entlastet wird. In einer ersten Stufe sinkt der Steuerdruck im Steuerraum auf ein erstes Druckniveau und das zweite Ventilglied bewegt sich in Richtung des Anschlagkörpers bis es am Anschlagkörper anschlägt. Mit Anschlagen am Anschlagkörper sinkt der Steuerdruck erneut, und zwar auf ein zweites Druckniveau, das im Fall eines als 2/2 -Wege- Ventil ausgebildeten direkt betätigbaren Ventils vom Verhältnis der Drosselquerschnitte von Zulauf- und Ablaufdrossel abhängig ist. Mit Erreichen des zweiten Druckniveaus sinkt der Steuerdruck im weiteren Steuerraum und das nachgeschaltete weitere Ventil öffnet, so dass der dem ersten Ventilglied zugeordnete Steuerraum entlastet wird und das erste Ventilglied öffnet.

Das weitere Ventil, das der Entlastung des dem ersten Ventilglied zugeordneten Steuerraums dient, umfasst bevorzugt ein Schließelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, in den ein Ablaufkanal mit einer hierin ausgebildeten Ablaufdrossel zur Entlastung des dem ersten Ventilglied zugeordneten Steuerraums mündet. Das Ventil kann demnach ähnlich dem ersten, direkt betätigbaren Ventil ausgebildet sein und ist ebenso einfach umsetzbar.

Das Schließelement kann insbesondere kugelförmig sein. Ein kugelförmiges Schließelement lässt sich besonders einfach von einem Betätigungselement führen. Vorzugsweise ist das Betätigungselement stangenförmig ausgebildet, so dass es zur Überbrückung einer Distanz zwischen dem ersten Ventilglied und dem Aktor eingesetzt werden kann. Auf diese Weise können die Steuerleitungen kurzgehalten werden.

Das weitere Ventil, das der Entlastung des dem ersten Ventilglied zugeordneten Steuerraums dient, kann beispielsweise ein 2/2-Wege-Ventil, insbesondere ein Kugelsitzventil, sein. Um bei geöffnetem Ventil ein Nachströmen von flüssigem Brennstoff über die Zulaufdrossel zu verhindern, kann das Ventil auch als 3/2 -Wege- Ventil ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind beide Ventilglieder des Brennstoffeinspritzventils jeweils über eine Feder in Richtung eines Dichtsitzes axial vorgespannt. Das heißt, dass der Aktor zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils eingesetzt bzw. bestromt wird. Die Rückstellung der Ventilglieder in ihre jeweiligen Dichtsitze erfolgt über die Federkraft der Federn.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Aktor ein Magnetaktor oder ein Piezoaktor ist. Derartige Aktoren sind für den Einsatz in einem Brennstoffeinspritzventil bekannt, so dass hierauf zurückgegriffen werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine um- fasst einen Düsenkörper 2 mit einer zentralen Bohrung 1, in der ein erstes Ventilglied 3 hubbeweglich aufgenommen ist. Das erste Ventilglied 3 weist ebenfalls eine zentrale Bohrung 4 auf. In dieser ist ein zweites Ventilglied 5 hubbeweglich geführt. Die zentrale Bohrung 4 des ersten Ventilglieds 3 ist mit flüssigem Brennstoff beaufschlagbar und die zentrale Bohrung 1 des Düsenkörpers 2 ist mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbar. Über eine Hubbewegung des ersten Ventilglieds 3 ist demnach der gasförmige Brennstoff in den Brennraum einbringbar, während die Einspritzung des flüssigen Brennstoffs über eine Hubbewegung des zweiten Ventilglieds 5 bewirkt wird.

Das erste Ventilglied 3 wirkt mit einem ersten Dichtsitz 27 zusammen, der durch den Düsenkörper 2 ausgebildet wird. Hebt das erste Ventilglied 3 vom Dichtsitz 27 ab, gibt es Einspritzöffnungen (nicht dargestellt) frei, über den der gasförmige Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird.

Das zweite Ventilglied 5 wirkt mit einem Dichtsitz 28 zusammen, der im ersten Ventilglied 3 ausgebildet ist. Hebt das zweite Ventilglied 5 vom Dichtsitz 28 ab, werden im ersten Ventilglied 3 ausgebildete Einspritzöffnungen (nicht dargestellt) zur Einspritzung des flüssigen Brennstoffs freigegeben.

Jedem Ventilglied 3, 5 ist ein Steuerraum 6, 7 zugeordnet, wobei jeder Steuerraum 6, 7 über eine Zulaufdrossel 8, 9 mit flüssigem Brennstoff beaufschlagbar und über ein Ventil 10, 11 entlastbar ist. Bei einer Entlastung sinkt der Steuerdruck im jeweiligen Steuerraum 6, 7 und das zugeordnete Ventilglied 3, 5 vermag entgegen der Federkraft einer Feder 25, 26, mittels welcher das Ventilglied 3, 5 gegen den Dichtsitz 27, 28 axial vorgespannt ist, zu öffnen. Die Federn 25, 26 sind in einem Federraum 30 aufgenommen, der in einem Körperbauteil 31 ausgebildet ist. Die Federn 25, 26 sind koaxial angeordnet und umgeben einen in den Federraum 30 hineinragenden Endabschnitt des zweiten bzw. inneren Ventilglieds 5. Die Feder 26 ist dabei einerseits mittelbar über einen Federteller 34 an einem Ringbund 35 des zweiten bzw. inneren Ventilglieds 5 und andererseits an dem Körperbauteil 31 abgestützt. Die weitere Feder 25 ist mittelbar über eine Bundhülse 36 an dem ersten bzw. äußeren Ventilglied 3 abgestützt, wobei die Bundhülse 36 durch eine Drosselplatte 29 hindurchgeführt ist, die zwischen dem Düsenkörper 2 und dem Körperbauteil 31 angeordnet ist. Der Düsenkörper 2, die Drosselplatte 29, das Körperbauteil 31 sowie ein weiteres Körperbauteil 32, in dem unter anderem ein Aktor 12 angeordnet ist, sind mittels einer Düsenspannmutter 33 axial verspannt.

Der Aktor 12 ist vorliegend als Magnetaktor ausgebildet und umfasst eine Magnetspule 37 zur Einwirkung auf einen Anker 38. Der Anker 38 ist durch eine Ankerfeder 39 axial vorgespannt. Über einen Ankerbolzen 40, der den Anker 38 durchsetzt, ist der Anker 38 mit einem kugelförmigen Schließelement 14 des Ventils 11 koppelbar, das der Entlastung des dem zweiten Ventilglied 5 zugeordneten Steuerraums 7 dient. Das kugelförmige Schließelement 14 wirkt dabei mit einem Ventilsitz 13 zusammen, in den ein mit dem Steuerraum 7 verbundener Ablaufkanal 15 mündet (siehe auch Fig. 2). Zum Entlasten des Steuerraums 7 wird der Aktor 12 bestromt, so dass ein Magnetfeld aufgebaut wird, dessen Magnetkraft den Anker 38 in Richtung der Magnetspule 37 bewegt. Dabei wird das Schließelement 14 des Ventils 11 entlastet und das Ventil 11 öffnet. Bei geöffnetem Ventil 11 strömt flüssiger Brennstoff aus dem Steuerraum 7 über einen Ablaufkanal 15 ab, der in den Ventilsitz 13 des Ventils 11 mündet, was zur Folge hat, dass der Steuerdruck im Steuerraum 7 sinkt und das dem Steuerraum 7 zugeordnete innere Ventilglied 5 zu öffnen vermag. Beim Öffnen bewegt sich das innere Ventilglied 5 in Richtung eines Anschlagkörpers 19, der dem Ventilglied 5 am Steuerraum 7 gegenüberliegt. Mit Anschlagen des inneren Ventilglieds 5 am Anschlagkörper 19 sinkt der Druck im Steuerraum 7 auf ein zweites Druckniveau weiter ab. Gleiches gilt für den Druck in einem mit dem Steuerraum 7 verbundenen weiteren Steuerraum 17, der von einem stangenförmigen Betätigungselement 18 zur Einwirkung auf ein kugelförmiges Schließelement 21 des weiteren Ventils 10 begrenzt wird. Das Betätigungselement 18 bewegt sich nach oben und entlastet auf diese Weise das Schließelement 21 des weiteren Ventils 10, so dass dieses ebenfalls öffnet. Bei geöffnetem Ventil 10 strömt flüssiger Brennstoff aus dem Steuerraum 6 über einen Ablaufkanal 23 ab, der in einen Ventilsitz 22 des Ventils 10 mündet. Dies hat zur Folge, dass der Druck im Steuerraum 6 sinkt und das zugeordnete äußere Ventilglied 3 zu öffnen vermag. Bei geöffnetem Ventilglied 3 wird gasförmiger Brennstoff in den Brennraum eingespritzt bzw. ein- geblasen.

Vorliegend sind die beiden Ventilglieder 3, 5 derart ausgelegt, dass mit der Hubbewegung des äußeren Ventilglieds 3 das innere Ventilglied 5 schließt. Das Öffnen und Schließen der beiden Ventilglieder 3, 5 erfolgt somit zeitlich versetzt zueinander, um beispielsweise vor der Haupteinspritzung mit gasförmigem Brennstoff eine Piloteinspritzung mit flüssigem Brennstoff zu realisieren. Da der als Anschlag für das innere Ventilglied 5 dienende Anschlagköper 19 beweglich ist, kann dieser aufgrund der größeren Öffnungskraft des äußeren Ventilglieds 5 gegen die Federkraft einer Feder 20 überdrückt werden. Dies ermöglicht einen Hub des äußeren Ventilglieds 3, der größer als der des inneren Ventilglieds 5 ist. Zur Hubbegrenzung des äußeren Ventilglieds 3 kann die Drosselplatte 29 als Hubanschlag verwendet werden.

Um die Haupteinspritzung mit gasförmigem Brennstoff zu beenden, wird das direkt über den Aktor 12 betätigbare Ventil 11 geschlossen. In den Steuerräumen 7 und 17 baut sich erneut Druck auf, so dass in der Folge auch das Ventil 10 schließt. Dies führt zu einem Druckaufbau im Steuerraum 6, der bewirkt, dass das äußere Ventilglied 3 zurück in seinen Dichtsitz 27 gestellt wird. Das innere Ventilglied 5 und der Anschlagkörper 19 folgen der Bewegung des äußeren Ventilglieds 3, bis der Anschlagkörper 19 auf das Körperbauteil 31 auftrifft und sich von dem inneren Ventilglied 5 löst. Über die Zulaufdrossel 9 wird der Steuerraum 7 weiter befüllt, so dass allein das innere Ventilglied 5 dem äußeren Ventilglied 3 bis zum Dichtsitz 27 folgt.

In den Ablaufkanälen 15, 23 ist jeweils eine Ablaufdrossel 16, 24 ausgebildet. Über das Verhältnis der Drosselquerschnitte der mit dem Steuerraum 7 verbundenen Ablaufdrossel 16 und der Zulaufdrossel 9 kann insbesondere Einfluss auf das zweite abgesenkte Druckniveau und damit auf das zeitlich versetzte Öffnen des äußeren Ventilglieds 3 genommen werden.

Soll das zweite abgesenkte Druckniveau im Steuerraum 7 und damit im Steuerraum 17 vom Verhältnis der beiden Drosselquerschnitte entkoppelt werden, kann das Ventil 11 als 3/2 -Wege- Ventil ausgebildet werden (nicht dargestellt), so dass mit Öffnen des Ventils 11 die Zulaufdrossel 9 gezielt verschlossen wird. Auf diese Weise kann der Druck im Steuerraum 17 bis auf das Druckniveau des Ablaufsystems gesenkt werden, so dass eine Druckabsenkung erreicht wird, die sich von einem ersten abgesenkten Druckniveau deutlich unterscheidet. Das 3/2-Wege-Ventil besitzt ferner den Vorteil einer reduzierten Absteuermenge, da die Zulaufdrossel 9 bei geöffnetem Ventil 11 geschlossen ist und kein flüssiger Kraftstoff in den Steuerraum 7 nachzuströmen vermag.

Alternativ oder ergänzend kann das Ventil 10 als 3/2 -Wege- Ventil ausgeführt werden (nicht dargestellt), um die Absteuermenge zu reduzieren.

Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Ventile 10, 11 als Kugelsitzventil gemäß der Figuren 1 und 2 ausgeführt sind. Das erfindungsgemäße Ansteuerkonzept lässt sich auch mittels anderer Ventiltypen realisieren.