Kraftstoffinjektor für gasförmige Brennstoffe

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zur dosierten Abgabe von gasförmigem Brennstoff, wie er beispielsweise Verwendung findet, um diesen Brennstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.

Stand der Technik

Zur Eindosierung von gasförmigem Brennstoff werden Injektoren verwendet, die bewegliche Ventilelemente aufweisen. Das Ventilelement öffnen und schließt dabei einen Strömungsquerschnitt, durch den der Brennstoff in einen Brennraum oder auch in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine strömt. Zur Bewegung das Ventilelements werden meist Elektromagneten eingesetzt, wobei das Ventilelement entweder als Tauchanker fungiert oder mit einem Magnetanker verbunden ist, der durch den Elektromagneten in einer Längsrichtung bewegt wird. Die Bewegung des Ventilelements erfolgt gegen die Kraft einer vorgespannten Schließfeder, die dafür sorgt, dass das Ventilelement bei ausgeschaltetem Elektromagneten geschlossen bleibt. Aus der DE 10 2014 234344 Al ist ein Kraftstoffinjektor zur Einbringung von gasförmigem Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Ventilelement nach außen öffnet, das heißt, es bewegt sich bei der Öffnungsbewegung aus dem Gehäuse heraus in Richtung des Brennraums. Die Bewegung geschieht entgegen der Kraft einer Schließfeder und wird durch einen Elektromagneten gesteuert.

Gasförmige Brennstoffe beinhalten im Gegensatz zu flüssigem Kraftstoff wenig chemische Energie pro Volumen. Es muss deshalb ein großer Strömungsquerschnitt auf gesteuert werden, um in der zur Verfügung stehenden Zeit genug Brennstoff in den Brennraum einzubringen. Dort vermischt sich der gasförmige Brennstoff mit der vorhandenen Luft, wird gezündet und verbrennt unter Expansion. Das Ventilelement muss entsprechend einen verhältnismäßig großen Hub ausführen, um den benötigten Strömungsquerschnitt freizugeben.

Soll der Brennstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden, so muss dieser gegen die bereits komprimierte Luft im Brennraum eingebracht werden und einen entsprechend hohen Einblasdruck aufweisen. Um einen großen Querschnitt aufzusteuern muss das Ventilelement weiterhin relativ groß ausgebildet sein, wodurch große pneumatische Kräfte im Druckraum auf das Ventilelement in seiner Schließrichtung wirken, zusätzlich zur Kraft der Schließfeder. Beide Kräfte müssen durch den Elektromagneten überwunden werden. Elektromagnete, die eine ausreichend starkes Magnetfeld erzeugen, haben jedoch große Abmessungen und benötigen entsprechend viel Bauraum. Darüber hinaus sind hohe Ströme im Elektromagneten notwendig, was viel Energie benötigt und eine aufwendige Leistungselektronik.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist den Vorteil auf, dass ein großer Hub des Ventilelements möglich ist und damit ein großer Strömungsquerschnitt mit dem Ventilelement aufsteuerbar ist, wobei das Ventilelement einen relativ kleinen Durchmesser aufweist und nur ein vergleichsweise kleiner Elektromagnet notwendig ist. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein Gehäuse mit einem Ventilkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem ein kolbenförmiges Ventilelement angeordnet ist und der eine Auslassöffnung zur Abgabe des Kraftstoffs aufweist. Das Ventilelement ist gegen die Kraft einer Schließfeder in Längsrichtung bewegbar, wobei am auslassseitigen Ende des Ventilelements eine nach innen gerichtete Dichtfläche ausgebildet ist, die mit einem Ventilsitz an Ventilkörper zusammenwirkt. Durch eine nach außen gerichtete Längsbewegung des Ventilelements wird ein Strömungsquerschnitt freigegeben. Im Gehäuse ist ein Steuerraum ausgebildet, der mit einem Steuermedium unter einem Steuerdruck befüllbar ist und der durch die Stirnseite eines Kolbens begrenzt ist. Dabei wird durch den hydraulischen Druck auf den Kolben zumindest mittelbar eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf das Ventilelement ausgeübt. Als Steuermedium wird ein flüssiges Steuermedium verwendet, beispielsweise ein Hydrauliköl oder ein flüssiger Kraftstoff, der leicht und mit bekannter Technik auf einen Druck von einigen hundert bar verdichtet werden kann. Wird der Steuerraum mit dem Steuermedium befüllt, so ergibt sich eine Öffnungskraft auf das Ventilelement, die dieses aus dem Ventilkörper hinausdrückt und damit einen Strömungsquerschnitt aufsteuert. Diese hydraulische Öffnungskraft ist proportional zum Druck und kann so leicht auf das notwendige Niveau reguliert werden. Wird das Steuermedium aus den Steuerraum wieder abgeleitet, so mindert sich der Öffnungsdruck entsprechend, und das Ventilelement wird durch eine Schließfeder zurück in seine Schließstellung gedrückt. Dieser Aufbau zur hydraulischen Steuerung der Öffnungsbewegung kann relativ kompakt ausgebildet werden, so dass ein Kraftstoffinjektor mit einem großen Öffnungshub des Ventilelements, aber relativ geringen Abmessungen konstruiert werden kann.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerraum mit einem Steuerventil verbunden, wobei das Steuerventil eine Verbindung zu einem Steuermedienzulauf öffnet und schließt. Durch das Steuerventil wird der Zulauf von unter Druck stehendem Steuermedium gesteuert, wobei das Steuerventil beispielsweise als elektromagnetisches Ventil ausgebildet ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Steuerventil als 3/2-Wegeventil ausgebildet, das in einer ersten Schaltstellung den Steuerraum mit dem Steuermedienzulauf verbindet und in einer zweiten Schaltstellung den Steuerraum mit einem Steuermedienrücklauf. Damit kann der Steuerraum je nach Stellung des Steuerventils entweder mit dem unter Druck stehenden Steuermedium oder mit einem weitgehend drucklosen Steuermedienrücklauf verbunden werden, so dass über ein einziges Steuerventil der Druck im Steuerraum kontrolliert werden kann und damit die Bewegung des Ventilelements.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Steuerventil einen längs- beweglichen Steuerkolben auf, der in der ersten Schaltstellung mit einem ersten Dichtsitz zur Unterbrechung der Verbindung zum Steuermedienzulauf und in der zweiten Schaltstellung mit einem zweiten Dichtsitz zur Unterbrechung der Verbindung zum Steuermedienrücklauf zusammenwirkt. Durch einfaches Bewegen des Steuerkolbens in einer Längsrichtung können so beide Zuläufe abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. ln einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerventilkolben mit einem Magnetanker verbunden, der mit einem Elektromagneten zusammenwirkt. Die Ausgestaltung des Steuerventils als elektromagnetisches Ventil erlaubt ein schnelles Schalten auch mit einem großen Hub und damit das Öffnen und Schließen großer Strömungsquerschnitte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerventilkolben durch eine Steuerventilfeder gegen den ersten Dichtsitz vorgespannt. Damit befindet sich der Steuerventilkolben bei ausgeschaltetem Elektromagneten in Anlage am ersten Dichtsitz und unterbricht damit die Verbindung des Steuerraums zum Steuermedienzulauf, so dass der Kraftstoffinjektor insgesamt geschlossen bleibt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kolben in einer Kolbenbohrung im Gehäuse geführt, vorbei an der Außenseite des Kolbens ein Dichtring angebracht ist, der den Ringspalt zwischen der Kolbenbohrung und dem Kolben abdichtet. Da der Kolben an seiner Stirnseite vom Steuermedium beaufschlagt ist, besteht die Gefahr, dass das Steuermedium zwischen dem Kolben und der Kolbenbohrung hindurchtritt und sich mit dem gasförmigen Brennstoff mischt. Durch die Ausbildung der Dichtringe lässt sich dies weitgehend unterbinden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Kolben zumindest mittelbar an der Stirnseite des Ventilelements an, wobei der Kolben von einem Entlastungsraum umgeben ist. Über den Entlastungsraum kann Steuermedium, das trotz der Dichteringe zwischen dem Steuerkolben und der Wand der Kolbenbohrung hindurchtritt, aufgefangen und abgeleitet werden. Dazu kann der Entlastungsraum beispielsweise mit einem Saugrohrbereich einer Brennkraftmaschine verbunden sein, wo ein relativ niedriger Druck herrscht und in den Hydrauliköl oder flüssiger Kraftstoff in geringer Menge eingebracht werden kann. Da nur minimale Mengen so in den Brennraum gelangen, wird die Verbrennung nicht beeinträchtigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Ventilelement an seinem der Dichtfläche abgewandten Ende an einem Druckkolben an, der in einer Führungsbohrung im Gehäuse geführt ist und von einem Kolbendichtring gegeben ist, der den Ringspalt zwischen dem Druckkolben und der Führungsbohrung abdichtet. Diese Abdichtung verhindert, dass der Brennstoff, der der durch den Kraftstoffinjektor eindosiert werden soll, möglicherweise in den Steuerraum gelangt oder sich mit dem Steuermedium vermischt.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt und Fig. 2 die Anschlüsse des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2, einen Anschlusskörper 3, einen Führungskörper 4 und einen Steuerventilkörper 5 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander gasdicht anliegen. Dabei ist der Ventilkörper 2 mit einer Spannmutter 6 gegen den Anschlusskörper 3 verspannt, während der Anschlusskörper 3 gegen den Führungskörper 4 und der Führungskörper 4 gegen den Steuerventilkörper 5 mittels Spannelementen 7a und 7b verspannt sind. Im Ventilkörper 2 ist ein Druckraum 8 ausgebildet, der sich bis in den Anschlusskörper 3 erstreckt. Der Druckraum 8 kann über einen Kraftstoffzulauf 18 mit einem gasförmigen Brennstoff befüllt werden, der unter einem Eindüsdruck in den Druckraum 8 eingeleitet wird. Der Brennstoff tritt über eine Auslassöffnung 9 aus dem Druckraum 8 aus, der in dem in der Zeichnung unteren Bereich des Gehäuses 1 ausgebildet ist.

Im Druckraum 8 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 10 längsverschiebbar angeordnet. Das Ventilelement 10 weist an seinem auslassseitigen Ende einen Ventilteller 13 auf, der durch die Auslassöffnung 9 hindurchragt und an dem eine Dichtfläche 14 ausgebildet ist, die dem Ventilkörper 2 zugewandt ist. Die Dichtfläche 14 wirkt mit einem am Ventilkörper 2 ausgebildeten Ventilsitz 15 zum Verschließen der Auslassöffnung 9 zusammen, wobei der Ventilsitz 15 die Auslassöffnung 9 umgibt. Das Ventilelement 10 ist mit einer Führungshülse 11 verbunden, die im Druckraum 8 an ihrer Außenseite geführt ist. Zwischen der Führungshülse 11 und einem Absatz im Druckraum 8 ist eine Schließfeder 12 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Führungshülse 11 und damit das Ventilelement 10 in Schließrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt und den Ventilteller 13 gegen den Ventilsitz 15 drückt. Zur Durchleitung des Brennstoffs im Druckraum 8 sind in der Führungshülse 11 mehrere Durchlassöffnungen 17 ausgebildet.

Das Ventilelement 10 liegt mit seiner der Auslassöffnung 9 abgewandt Stirnseite an einem Druckkolben 20 an, der in einer Führungsbohrung 28 im Anschlusskörper 3 geführt ist. Der Druckkolben 20 ist ebenfalls längsbeweglich, wobei der Ringspalt zwischen dem Druckkolben 20 und der Führungsbohrung 28 durch zwei Druckkolbendichtringe 21 abgedichtet wird, die den Druckkolben 20 umgeben. Der Druckkolben 20 liegt seinerseits an einem ebenfalls längsbeweglichen Kolben 22 an, der in einer Kolbenbohrung 27 im Führungskörper 4 längsbeweglich geführt ist. Auch der Kolben 22 ist an seiner Außenseite von zwei Kolbendichtringen 23 umgeben, die denn Ringraum zwischen dem Kolben 22 und der Kolbenbohrung 27 abdichten.

Im Bereich zwischen dem Führungskörper 4 und dem Anschlusskörper 3, in dem der Kolben 22 am Druckkolben 20 anliegt, ist ein Entlastungsraum 24 ausgebildet, der über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Bohrung mit einer Ablaufleitung verbunden ist, so dass der Entlastungsraum 24 stets druckentlastet ist. Dadurch wird Kraftstoff oder Steuermedium abgeführt, das trotz der Dichtringe 21, 23 in den Ringspalt zwischen dem Kolben 22 und der Kolbenbohrung 27 beziehungsweise zwischen dem Druckkolben 20 und der Druckkolbenbohrung 28 eindringt, so dass eine Durchmischung des Steuermediums mit dem Brennstoff im Druckraum 8 verhindert wird. Der Inhalt des Entlastungsraums 24 kann beispielsweise einem Ansaugraum einer Brennkraftmaschine zugeführt und schließlich im Brennraum verbrannt werden.

Der Kolben 22 begrenzt mit seiner der Auslassöffnung 9 abgewandten Stirnseite einen Steuerraum 25, der durch die Kolbenbohrung 27 und eine Zwischenplatte 26 begrenzt wird, wobei die Zwischenplatte 26 zwischen dem Steuerventilkörper 5 und dem Führungskörper 4 eingeklemmt ist. In der Zwischenplatte 26 ist eine Nut 44 und eine Bohrung 43 ausgebildet, die in eine Schrägbohrung 42 im Steuerventilkörper 5 mündet, so dass über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 der Steuerraum 25 mit dem Steuermedium befüllt oder auch entlastet werden kann. Zur Steuerung der Befüllung des Steuerraums 25 ist im Steuerventilkörper 5 ein elektromagnetisches Steuerventil 30 angeordnet, das einen Steuerventilkolben 31 umfasst, der in einer Steuerbohrung 34 im Steuerventilkörper 5 längsbeweglich geführt ist. Der Steuerventilkolben 31 ist mit einem Magnetanker 35 verbunden, der mit einem Elektromagneten 36 zusammenwirkt und den Steuerventilkolben 31 gegen die Kraft einer Steuerventilfeder 37 bewegt. Bei ausgeschaltetem Elektromagneten 36 drückt die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 gegen einen ersten Dichtsitz 32, so dass der Steuerventilkörper 31 den ersten Dichtsitz 32 verschließt und damit einen Zufluss von Steuermedium in den Steuerraum 25 verhindert.

Neben dem ersten konischen Dichtsitz 32 wirkt der Steuerventilkolben 31 auch mit einem zweiten konischen Dichtsitz 33 im Steuerventilkörper 5 zusammen, wobei beide Dichtsitze 32, 33 mit entsprechenden Gegenflächen am Steuerventilkolben 31 Zusammenwirken zum Öffnen und Schließen von zwei Strömungsquerschnitten. Dabei steuert der erste Dichtsitz 32 den Strömungsquerschnitt, durch den das Steuermedium durch die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25 fließt. Das Steuermedium wird dem Gehäuse 1 über einen Steuermedienzulauf 39 und eine Zulaufbohrung 40 zugeführt, von wo das Steuermedium beim geöffnetem ersten Dichtsitz 32 in einem Ventilraum 41 und von dort über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25 fließt. Durch den zweiten Dichtsitz 33 wird ein Strömungsquerschnitt vom Ventilraum 41 zu einer Ablaufbohrung 45 und zu einem Steuermedienrücklauf 46 auf- beziehungsweise zugesteuert.

Wird der Elektromagnet 36 bestromt, so wird der Magnetanker 30 und damit auch der Steuerventilkolben 31 vom ersten Dichtsitz 32 weggezogen, so dass das Steuermedium in den Steuerraum 25 fließt. Wird die Bestromung des Elektromagneten 36 beendet, so drückt die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 gegen den ersten Dichtsitz 32 und öffnet den zweiten Dichtsitz 33. Dadurch wird eine Verbindung vom Ventilraum 41 in die Ablaufbohrung 45 geöffnet, so dass das Steuermedium aus dem Steuerraum 25 in den Steuermedienrücklauf 46 fließt und den Steuerraum 25 entlastet. Der Kraftstoffinjektor funktioniert wie folgt: Soll der Kraftstoffinjektor gasförmigen Brennstoff abgeben, so wird der Elektromagnet 36 bestromt und zieht den Magnetanker 35 gegen die Kraft der Steuerventilfeder 37 an und bewegt dadurch auch den Steuerventilkolben 31 vom ersten Dichtsitz 32 weg. Daraufhin strömt Steuermedium vom Steuermedienzulauf 39 und durch die Zulaufbohrung 40 in den Ventilraum 41 und weiter über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25. Das Steuermedium steht unter einem Steuerdruck von beispielsweise 200 bar (20 MPa) bis 300 bar (30 MPa). Durch die jetzt offene Verbindung baut sich dieser Druck im Steuerraum 25 auf und bewirkt eine hydraulische Kraft auf den Kolben 22 und damit auch auf den Druckkolben 20 und das Ventilelement 10, so dass das Ventilelement 10 gegen die Kraft der Schließfeder 12 in eine Öffnungsstellung gedrückt wird und dabei den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 14 und dem Ventilsitz 15 aufsteuert. Daraufhin strömt Brennstoff aus dem Druckraum 8 in die Auslassöffnung 9 und wird beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen. Zur Beendigung der Dosierung wird der Elektromagnet 36 stromlos geschaltet, worauf die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 zurück in Anlage an den ersten Dichtsitz 32 drückt, was die Verbindung des Steuerraums 25 zum Steuermedienzulauf 39 unterbricht. Gleichzeitig wird der zweite Dichtsitz 33 aufgesteuert und eine Verbindung des Steuerraums 25 mit dem Steuermedienrücklauf 46 über die Ablaufbohrung 45 aufgesteuert, so dass das Steuermedium aus dem Steuerraum 25 abfließt und der Druck im Steuerraum 25 entsprechend gemindert wird. Da jetzt die hydraulische Öffnungskraft durch den Steuerraum 25 entfällt, drückt die Schließfeder 12 das Ventilelement 10 zurück in die Schließstellung in Anlage an der Ventilsitz 15.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Versorgung des Kraftstoffinjektors mit dem Steuermedium und dem Brennstoff. Das Gehäuse 1 ist mit einer Steuermedienpumpe 50 verbunden, die verdichtetes Steuermedium aus einem Steuermedientank 54 über eine Leitung 52 über den Steuermedienrücklauf 39 in das Gehäuse 1 leitet, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Rücklauf des Steuermediums aus dem Steuerraum 25 geschieht über eine mit dem Steuermedienrücklauf 46 verbundene Ablaufleitung 53, von wo das Steuermedium zurück in den Steuermedientank 54 fließt. Der Brennstoff gelangt aus einem Brennstoffbehälter 56, in dem der Brennstoff unter einem Einblasdruck vorgehalten wird, über eine in den Kraftstoffzulauf 18 mündende Brennstoffleitung 57 in den Kraftstoffinjektor. Der aus der Auslassöffnung 9 austretende Brennstoff 58 ist im unteren Bereich der Fig. 2 angedeutet. Die Steuerung des Elektromagneten geschieht über ein Steuergerät 60, das über elektrische Leitungen 61 mit dem Elektromagneten 36 verbunden ist und durch das entsprechende Ströme durch den Elektromagneten 36 gesteuert werden.

Alternativ zu dem in der in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffinjektor kann es auch vorgesehen sein, dass der Druckkolben 20 und der Kolben 22 einstückig ausgebildet sind oder fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ventilelement 10 einstückig mit dem Druckkolben 20 ausgebildet ist oder fest mit diesem verbunden ist, vorzugsweise ebenfalls durch eine Schweißverbindung oder eine andere Stoff- oder formschlüssige Verbindung.