Titel

Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck und Verfahren zum Betreiben eines solchen Injektors

Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck, wie er verwendet werden kann, um verschiedene Fluide unter hohem Druck zu zerstäuben. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Injektors.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind Injektoren bekannt, mit denen Fluid unter hohem Druck eindosiert werden kann, beispielsweise um Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudosieren. Dazu ist beispielsweise aus der DE 10 2008 002 528 AI ein Kraftstoffinjektor bekannt, der ein Injektorgehäuse mit einem darin ausgebildeten Druckraum aufweist, wobei der Druckraum mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum ist eine kolbenförmige Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die durch ihre Längsbewegung eine oder mehrere Einspritzöffnungen freigibt oder verschließt. Der im Druckraum anstehende Kraftstoff wird, wenn die Einspritzöffnungen freigegeben werden, durch diese unter hohem Druck ausgespritzt und dabei fein zerstäubt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden soll, da nur so ein gut zündfähiges Kraftstoff-Luft- Gemisch gebildet werden kann, das eine optimale Verbrennung gewährleistet.

Feines Zerstäuben eines Fluids ist auch in anderen Bereichen der Technik bekannt, beispielsweise um Farben oder Lacke auf eine Oberfläche aufzubringen. Hierbei werden jedoch in der Regel deutlich niedrigere Drücke verwendet als die in einem Kraftstoffinjektor. Sind jedoch deutlich höhere Drücke im einzelnen An- wendungsfalls notwendig oder wünschenswert, so ist dies sehr aufwendig, da die notwendigen Pumpen und Ventile speziell an die entsprechende Flüssigkeit an- gepasst werden müssen. Die Verwendung eines aus der Kraftstoffeinspritzung bekannten Injektors scheidet in der Regel aus, da dieser für die Verwendung von Kraftstoffen konzipiert und nur mit diesen einwandfrei und über einen längeren

Zeitraum funktioniert.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Injektor zum Dosieren eines Fluids unter hohem Druck weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass dieser auf die bekannte Technik eines Kraftstoffinjektors zurückgreift, jedoch eine Zerstäubung auch anderer Fluide ermöglicht, für die der Injektor ursprünglich nicht ausgelegt ist. Dazu weist der Injektor zum Dosieren eines Fluids einen mit einem zweiten Fluid befüllbaren Druckraum auf, in dem eine längsverschiebbare Düsennadel zumindest teilweise angeordnet ist, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt, durch welche das zweite Fluid ausgespritzt werden kann. Darüber hinaus ist ein Steuerraum vorhanden, den die Düsennadel begrenzt und der mit einem ersten Fluid befüllbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum eine Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung des Düsensitzes ausübbar ist. Im Injektor ist ein Abdichtmittel vorhanden, das den Druckraum in einen ersten Druckraumbereich und einen zweiten Druckraumbereich trennt, so dass sich beide Fluide innerhalb des Injektors nicht mischen. Der Druckraum im Injektor wird durch das Abdichtmittel in zwei Druckraumbereiche unterteilt. Mit dem ersten Druckraumbereich ist der Steuerraum, über dessen hydraulischen Druck die Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird, und ein Steuerventil zum Steuern des Drucks im Steuerraum verbunden. Es können auch noch weitere Komponenten vorhanden sein, beispielsweise Absperrventile oder Sensoren, die mit diesem Druckraumbereich in Kontakt stehen. Der erste

Druckraumbereich wird im Betrieb des Injektors mit einer Flüssigkeit gefüllt, beispielsweise mit einem Hydrauliköl oder mit Kraftstoff, um zum einen die notwendigen hydraulischen Kräfte zu erzeugen und zum anderen auch eine Schmierwirkung zu entfalten. Damit kann eine einwandfreie Funktion des Injektors sicherge- stellt werden, so wie sie von Kraftstoffinjektoren bekannt ist und sich dort bewährt hat.

Der zweite Druckraumbereich des Injektors ist mit einem zweiten Fluid befüllt und damit mit dem Fluid, das durch den Injektor ausgespritzt bzw. zerstäubt werden soll. Hierbei kann jedes beliebige andere Fluid Verwendung finden, beispielsweise Wasser, Silikone, flüssige Klebstoffe, sonstige, fließfähige Kunststoffe oder andere Fluide. Diese Fluide kommen nur mit wenigen Bauteilen des Injektors in Berührung und nur diese Bauteile müssen gegenüber dem zweiten Fluid bestän- dig sein, also z.B. korrosionsbeständig oder beständig gegenüber Säuren oder

Laugen sein. Damit kann zur Steuerung des Injektors die bewährte Technik verwendet werden, die von der Kraftstoffeinspritzung bekannt ist, um auch andere Fluide zu dosieren oder zu zerstäuben, beispielsweise um diese auf eine Oberfläche aufzubringen oder auch einen Wasserstrahl für ein Wasserstrahlschneid- System zu erzeugen.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel in einer Führungsbohrung des Druckraums geführt, wobei die Führungsbohrung den Druckraum in den mit dem ersten Fluid befüllbaren ersten Druckraumbereich und den mit dem zweiten Fluid befüllbaren zweiten Druckraumbereich trennt. Die Führungsbohrung muss die Düsennadel entsprechend eng führen, so dass eine ausreichende Dichtwirkung gegeben ist. Da zwischen der Führungsbohrung und der Düsennadel zwangsläufig immer ein Leckagespalt verbleibt, um die notwendige Beweglichkeit der Düsennadel sicherzustellen, sind die beiden Fluide in diesem Fall nicht vollkommen voneinander getrennt, da insbesondere dann, wenn zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich ein deutlicher Druckunterschied besteht, eine minimale Mischung der Fluide stattfinden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel von einem Fal- tenbalg umgeben, dessen eines Ende fluiddicht mit der Düsennadel verbunden ist und dessen anderes Ende fluiddicht mit der Wand des Druckraums verbunden ist. Damit übernimmt der Faltenbalg die Abdichtung zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich, wobei die Dichtheit nur von der Güte der Verbindung zwischen dem Faltenbalg und der Düsennadel bzw. der Wand des Druckraums abhängt. Der Faltenbalg weist die notwendige Flexibilität auf, um die Längsbewegung der Düsennadel zu erlauben und trotzdem eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Druckraumbereichen zu gewährleisten. In vorteilhafter Weiterbildung weist die Verbindung des Faltenbalgs mit der Wand des Druckraums die Form einer Ringscheibe auf, die an ihrem inneren Rand mit dem Faltenbalg fluiddicht verbunden ist und dessen äußerer Rand mit der Wand des Druckraums fluiddicht abschließt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Injektorkörper zwei Teilkörper umfasst, die fluiddicht gegeneinander verspannt sind, wobei der äußere Rand der Ringscheibe fluiddicht zwischen den Teilkörpern eingeklemmt ist. Damit lässt sich in einfacher Weise eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Faltenbalg und der Wand des Druckraums herstellen.

Statt eines Faltenbalgs ist auch die Verwendung einer entsprechend geformten Membran möglich, die fluiddicht sowohl mit der Wand des Druckraums als auch mit der Düsennadel verbunden ist und die notwendige Flexibilität aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Injektorkörper zwei Zu- laufbohrungen auf, wobei die erste Zulaufbohrung in den ersten Druckraumbereich mündet und die zweite Zulaufbohrung in den zweiten Druckraumbereich. Damit lassen sich beide Druckraumbereiche unabhängig voneinander mit einem Fluid befüllen unter dem jeweils gewünschten Druck.

Ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors, der die oben genannten Merkmale aufweist, besteht darin, dass dem Injektor ein erstes Fluid und ein zweites Fluid zugeführt wird, wobei das erste Fluid verschieden vom zweiten Fluid ist. Dabei ist das zweite Fluid in vorteilhafterweise eine Flüssigkeit, insbesondere ein Hydrau- liköl oder ein flüssiger Kraftstoff, der einerseits weitgehend inkompressibel ist, um große hydraulische Kräfte auf die Düsennadel ausüben zu können, und der andererseits eine Schmierwirkung entfaltet, um die Bewegung der Teile innerhalb des vom zweiten Fluid gefüllten Bereichs auch über eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist der Druck, mit dem das erste Fluid dem Injektor zugeführt wird, zumindest näherungsweise gleich dem Druck, mit dem das zweite Fluid dem Injektor zugeführt wird. Sind beide Drücke, also der im ersten Druckraumbereich und der Druck im zweiten Druckraumbereich, gleich, so wird die Abdichtung der beiden Druckraumbereiche gegeneinander erleichtert. Bei der Ausbildung der Abdichtung in Form eines Faltenbalgs, minimieren sich dadurch die Kräfte, die auf den Faltenbalg wirken, so dass er relativ dünnwandig ausgeführt werden kann und entsprechend flexibel ist. Bei der Ausbildung der Abdichtmittel in Form einer Führung der Düsennadel mit einem zylindrischen Abschnitt in einer Führungsbohrung, minimiert der gleiche Druck eine mögliche Leckage, der durch den Führungsspalt stattfindet, so dass eine einwandfreie Trennung der beiden Fluide innerhalb des Injektors über die Lebenszeit erhalten bleibt. Dabei ist es in der Regel unschädlich, wenn kurzzeitig ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druckraumbereich und dem zweiten Druckraumbereich besteht, wobei vorzugsweise der Druckunterschied nicht mehr als 20 % beträgt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Regelung der Pumpen oder Zumessventile geschehen, mit denen der erste bzw. der zweite Fluiddruck erzeugt bzw. eingestellt werden kann.

Zeichnung

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

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Injektor im Längsschnitt in schematischer

Darstellung zusammen mit den wesentlichen Anbaukomponenten und

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in der gleichen Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, der einen Düsenkörper 5 und einen Haltekörper 6 umfasst, wobei der Düsenkörper 5 gegen den Haltekörper 6 flüssigkeitsdicht durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung verspannt ist. Im Injektorkörper 2 ist ein Druckraum 3 ausgebildet, der sowohl im Düsenkörper 5 als auch im Haltekörper 6 ausgebildet ist und in dem eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 10 ist mit ei- nem Führungsabschnitt 15 in einem Führungsbereich 16 im Düsenkörper 5 geführt, so dass ihre Position in radialer Richtung festgelegt ist. Der Führungsabschnitt 15 weist mehrere Anschliffe 18 auf, durch die eine Strömung von Fluid im Bereich des Düsenkörpers 5 in axialer Richtung innerhalb des Druckraums 3 er- möglicht wird.

An dem in der Zeichnung unteren Ende weist die Düsennadel 10 eine im Wesentlichen konische Dichtfläche 13 auf, die mit einem im Düsenkörper 5 ausgebildeten, ebenfalls im Wesentlichen konischen Düsensitz 12 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den der Druckraum 3 mit Einspritzöffnungen 14 verbindbar ist, die im Düsenkörper 5 ausgebildet sind. Bei Anlage der Düsennadel 10 am Düsensitz 12 werden die Einspritzöffnungen 14 verschlossen. Das den Einspritzöffnungen 14 abgewandte Ende der Düsennadel 10 ist in einem Ventilstück 20 aufgenommen, das den Druckraum 3 am anderen Ende begrenzt. Durch das Ventilstück 20 und die Stirnseite der Düsennadel 10 wird ein Steuerraum 22 definiert, der über eine Zulaufdrossel 23, die im Ventilstück 20 ausgebildet ist, mit dem Druckraum 3 verbunden ist. Der Steuerraum 22 ist wei- terhin über eine Ablaufdrossel 24 mit einen Niederdruckraum 30 verbindbar, wobei die Ablaufdrossel 24 als Bohrung im Ventilstück 20 ausgebildet ist und koaxial zur Düsennadel 10 verläuft. Im Niederdruckraum 30 ist ein Ventilkörper 26 angeordnet und darüber hinaus ein Elektromagnet 31 mit einem Magnetkern 32, wobei der Magnetkern 32 durch eine Schlussplatte 34, die in den Injektorkörper 2 eingeschraubt ist, gegen den Ventilkörper 26 und schließlich gegen das Ventilstück 20 verspannt ist. Im Ventilkörper 26 ist ein Magnetanker 28 geführt, an dem ein kugelförmiges Schließelement 29 befestigt ist, das mit einer Sitzfläche am Ventilstück 20 zusammenwirkt und dadurch die Ablaufdrossel 24 verschließen kann. Der Magnetanker 28 wird durch eine Ankerfeder 33 gegen das Ventilstück 20 gedrückt und damit auf das Schließelement 29. Zur Bewegung des Magnetankers 28 dient der Elektromagnet 31, der bei Bestromung eine magnetische Kraft gegen die Kraft der Ankerfeder 33 auf den Magnetanker 28 ausübt, so dass das Schließelement 29 die Ablaufdrossel 24 freigibt und Fluid aus dem Steuerraum 22 in den Niederdruckraum 30 abfließen kann. Wird die Bestromung des Elektromagneten 31 unterbrochen, so drückt die Ankerfeder 33 das Schließele- ment 29 zusammen mit dem Magnetanker 28 zurück in seine Schließstellung, wodurch die Ablaufdrossel 24 wieder verschlossen wird.

Der Druckraum 3 wird durch ein Abdichtmittel 60 in einen ersten Druckraumbe- reich 103 und einen zweiten Druckraumbereich 203 unterteilt, wobei der erste

Druckraumbereich 103 weitgehend im Haltekörper 6 und der zweite Druckraumbereich 203 im Düsenkörper 5 ausgebildet sind. Das Abdichtmittel 60 weist die Form eines Faltenbalgs 62 auf, der im Bereich des Übergangs zwischen der Düse 5 und dem Haltekörper 6 angeordnet ist. Der Faltenbalg 62 umgibt dabei die Düsennadel 10 und ist an seinem den Einspritzöffnungen 14 zugewandten Ende mit der Düsennadel 10 fluiddicht verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht 63. Am gegenüberliegenden Ende geht der Faltenbalg 62 in eine Ringscheibe 64 über, die radial nach außen weist und die zwischen dem Haltekörper 6 und dem Düsenkörper 5 geklemmt ist, so dass der Faltenbalg 62 hier fluiddicht mit der Wand des Druckraums 3 abschließt. Durch den Faltenbalg 62 ist so eine fluiddichte Trennung der beiden Druckraumbereiche 103, 203 gegeben.

Der erste Druckraumbereich 103 kann mit einem ersten Fluid unter hohem Druck befüllt werden. Dazu wird das erste Fluid in einem ersten Tank 40 vorgehalten, von dem eine Leitung 42 zu einer Hochdruckpumpe 43 führt. Die Hochdruckpumpe 43 verdichtet das erste Fluid und führt es einem Hochdruckspeicher 44 zu, in dem das erste Fluid unter hohem Druck vorgehalten wird. Vom Hochdruckspeicher 44 führt eine Hochdruckleitung 45 zu einer im Injektorkörper 2 ausgebildeten ersten Zulaufbohrung 46, die in den ersten Druckraumbereich 103 mündet. Vom Niederdruckraum 30 führt eine Abiaufbohrung 36 zu einer Rücklaufleitung

37, mit der das erste Fluid, das durch die Ablaufdrossel 24 in den Niederdruckraum 30 gelangt, zurück in den ersten Tank 40 geleitet werden kann.

Durch die Verbindung des Steuerraums 22 über die Zulaufdrossel 23 mit dem ersten Druckraumbereich 103 ist der Steuerraum 22 stets mit Kraftstoff unter gleichem Druck wie im ersten Druckraumbereich 103 befüllt, so dass durch den hydraulischen Druck im Steuerraum 22 eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 10 ausgeübt wird, die diese mit einer entsprechenden Kraft gegen den Düsensitz 12 drückt. Soll die hydraulische Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 22 gemindert werden, um eine Längsbewegung der Düsennadel 10 zu ermöglichen, so wird der Elektromagnet 31 bestromt und damit die Ablaufdrossel 24 geöffnet. Fluid strömt aus dem Druckraum 22 in den Niederdruckraum 30, so dass der Druck im Steuerraum 22 vermindert wird und entsprechend die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 10. Wird die Bestromung des Elektromagneten 31 wieder abgeschaltet, so bewegt sich der Magnetanker 28 durch die Kraft der Ankerfeder 33 in seine Schließstellung, und es baut sich im Steuerraum 22 wieder der gleiche Druck wie im ersten Druckraumbereich 103 auf. Der zweite Druckraumbereich 203, der im Wesentlichen im Düsenkörper 5 ausgebildet ist, kann über eine zweite Zulaufbohrung 54 mit einem zweiten Fluid befüllt werden. Dazu wird das zweite Fluid in einem zweiten Tank 50 vorgehalten und wird über eine Leitung 51 einer Pumpe 52 zugeführt. Die Pumpe 52 verdichtet das zweite Fluid bis zum gewünschten Druck und führt es über eine Drucklei- tung 53 der zweiten Zulaufbohrung 54 zu, die in den zweiten Druckraumbereich

203 mündet. Da der hydraulische Druck durch das zweite Fluid innerhalb des zweiten Druckraumbereichs 103 auf Teile der Dichtfläche 13 wirkt, ergibt sich daraus eine hydraulische bzw. pneumatische Öffnungskraft auf die Düsennadel 10, so dass mit deren Zusammenspiel mit der hydraulischen Schließkraft durch den Druck im Steuerraum 22 die Längsbewegung der Düsennadel 10 ermöglicht wird. Durch entsprechende Formgebung der Düsennadel 10 kann aber auch erreicht werden, dass durch den Druck im ersten Druckraumbereich 103 eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 10 wirkt, die zusätzlich zur Öffnungskraft durch den Druck im zweiten Druckraumbereich 203 wirkt.

Der Injektor 1 wird vorzugsweise in der Weise betrieben, dass das erste Fluid eine Flüssigkeit ist, beispielweise ein Hydrauliköl oder ein Kraftstoff. Damit ist im ersten Druckraumbereich 103 eine verdichtete Flüssigkeit vorhanden, die die entsprechenden hydraulischen Kräfte auf den Steuerraum 22 ermöglicht. Dabei muss das erste Fluid relativ inkompressibel sein, um rasch Druckänderungen im

Steuerraum 22 zu ermöglichen. Da zwischen der Düsennadel 10 und der Führung innerhalb des Ventilstücks 20 ein sehr enger Spalt gebildet ist, in dem Reibung auftritt, ist vorzugsweise das erste Fluid eine Flüssigkeit mit einer Schmierwirkung, die in diesen Spalt eindringt und eine verschleißarme Bewegung der Düsennadel 10 ermöglicht. Das zweite, im zweiten Tank 50 vorgehaltene Fluid ist vom Fluid im ersten Druckraumbereich 103 in der Regel verschieden. Beispielsweise kann hier Wasser eingefüllt werden, ein Silikon-Öl, ein flüssiger Kunststoff oder auch ein fließfähiger Klebstoff, der mit dem Injektor zerstäubt oder ausgespritzt werden soll. Das zweite Fluid kommt dabei ausschließlich mit dem Düsenkörper 5, der Düsennadel 10 und dem Faltenbalg 62 innerhalb des Injektors 1 in Berührung, so dass auch nur diese Teile des Injektors 1 beständig gegenüber dem zweiten Fluid sein müssen, beispielsweise korrosionsbeständig gegen Wasser.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, wobei sich die Darstellung der Figur 2 nur im Bereich der Düsenna- delführung, also im Bereich zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper 1, von dem der Figur 1 unterscheidet. Das Abdichtmittel 60 ist hier in Form einer Führungsbohrung 66 ausgebildet, in der die Düsennadel 10 in diesem Bereich geführt ist. Da in der Führungsbohrung 66 nur ein sehr enger Ringspalt zwischen der Düsennadel 10 und der Wand der Führungsbohrung 66 verbleibt, wird durch diese relativ lange Führung eine Abdichtung zwischen dem ersten Druckraumbereich 103 und dem zweiten Druckraumbereich 203 erreicht, die bei entsprechender Länge und bei einer nur sehr geringen Höhe von wenigen Mikrometern eine Abdichtung der beiden Druckraumbereiche 103, 203 in dem Sinne bewirkt, dass ein Austausch der Fluide praktisch ausgeschlossen ist bzw. auf ein so geringes Maß reduziert ist, dass die Funktion des Injektors nicht beeinträchtigt wird. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Injektor so betrieben, dass der Druck im ersten Druckraumbereich 103 stets ungefähr gleich dem Druck im zweiten Druckraumbereich 203 ist. Solange die beiden Drücke näherungsweise gleich sind, ist nur ein minimaler, diffusionsartiger Fluss über den Ringspalt im Bereich des Führungsbereichs 66 möglich. Eine geringe Druckdifferenz zwischen den beiden Druckraumbereichen ist auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 von Vorteil, da so die hydraulischen Kräfte auf den Faltenbalg 62 minimiert werden und dieser relativ dünnwandig ausgeführt werden kann, so dass eine hohe Flexibilität des Faltenbalgs 62 ermöglicht wird und damit eine entsprechend gute Beweglichkeit der Düsennadel 10. Ist insbesondere bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbespiel das zweite Fluid relativ unempfindlich gegen eine geringfügige Beimischung des ersten Fluids, so kann der Injektor 1 so betrieben werden, dass im ersten Druckraumbereich 103 mindestens der gleiche Druck wie im zweiten Druckraumbereich 203 herrscht. Der bei einer Druckdifferenz unvermeidliche Leckagestrom aus dem ersten Druckraumbereich 103 in den zweiten Druckraumbereich 203 beeinträchtigt dann die Funktion des Injektors nicht. Sind die Verhältnisse der beiden Fluide umgekehrt, weil eine geringfügige Beimischung des zweiten Fluids zum ersten Fluid unschädlich ist, so sollten die Druckverhältnisse entsprechend auch umge- kehrt werden. Dies kann leicht geschehen, indem die Druckerzeugung durch die beiden Pumpen 43, 52 entsprechend gesteuert wird.