Titel:

Kraftstoffinjektor, Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoff! njektors

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff! njektor zum Einblasen gasförmiger Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas (NG, d. h.„Natural Gas“) in einen Brennraum einer Brennkraft maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Kraftstoff! njektor kann als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor ausgebil det sein. Ist letzteres der Fall, kann der Kraftstoffinjektor zum Einblasen bzw. Einsprit zen zweier unterschiedlicher Kraftstoffe genutzt werden, beispielsweise eines gasför migen und eines flüssigen Kraftstoffs. Mit Hilfe des flüssigen Kraftstoffs kann zum Bei spiel der gasförmige Kraftstoff gezündet werden. Dies gilt insbesondere, wenn Diesel kraftstoff als flüssiger Kraftstoff verwendet wird.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraft stoffinjektors.

Stand der Technik

Bei der Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe werden zunehmend höhere Einblasdrücke verwirklicht, um bei Volllast Anforderungen zu erfüllen, wie sie an die Verbrennung von Dieselkraftstoff gestellt werden. Hohe Einblasdrücke führen jedoch zu Einblasraten, die bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine zu groß sind und bei der Umsetzung häufig mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung und/oder erhöhten Emissionen einhergehen. Dies gilt es zu vermeiden.

Als Lösungsansatz kann ein Druckregelventil zur Gasdruckregelung an einem

Speicherbehälter für den gasförmigen Kraftstoff vorgesehen werden, über den mindestens ein Kraftstoff! njektor mit gasförmigem Kraftstoff versorgbar ist. Die

Gasdruckregelung über einen solchen Druckregler erfolgt jedoch aufgrund der hohen Kompressibilität des gasförmigen Kraftstoffs sehr langsam. Ferner fallen große Steuermengen an, die verloren gehen, da sie wegen des niedrigen Druckniveaus weder in den Gastank zurückgeführt, noch der Verbrennung zugeführt werden können. Ein Abblasen der anfallenden Steuermengen in die Umgebung ist aufgrund des hohen Erwärmungspotenzials („global warming“) ebenfalls nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff! njektor zum Einblasen gasförmiger Kraftstoffe anzugeben, der eine dynamische, insbesondere betriebspunktabhängige Formung der Einblasrate bei gleichbleibend hohem Gasdruck ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoff! njektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoff! njektors an gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen

Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Der vorgeschlagene Kraftstoff! njektor dient dem Einblasen gasförmiger Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Er umfasst mindestens eine

hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Ein blasöffnung, wobei die Düsennadel einen Steuerraum begrenzt, der über eine Zulauf drossel, die innerhalb eines Zulaufkanals ausgebildet ist, mit einem hydraulischen Druckmittel, vorzugsweise mit flüssigem Kraftstoff, beaufschlagbar ist. Erfindungsge mäß ist im Zulaufkanal unter Ausbildung eines als Zulaufdrossel dienenden Ringspalts ein Bolzen aufgenommen, dessen Lage in Bezug auf eine Längsachse des Zulaufka nals veränderbar ist, so dass der Drosselquerschnitt der Zulaufdrossel ring- oder si chelförmig ist.

Durch Lageveränderung des Bolzens kann somit der Drosselquerschnitt der Zulauf drossel gezielt verändert werden. Entsprechend verändert sich der Durchfluss durch die Zulaufdrossel und damit der Zulauf von hydraulischem Druckmittel in den Steuer- raum. Wird der Zulauf von hydraulischem Druckmittel während eines Einspritzvorgangs erhöht, sinkt der Steuerdruck im Steuerraum langsamer, was zur Folge hat, dass die Düsennadel abgebremst wird und die Geschwindigkeit der Düsennadel beim Öffnen abnimmt.

Die Einsteilbarkeit des Durchflusses der Zulaufdrossel ermöglicht eine betriebspunkt abhängige, insbesondere lastabhängige Formung der Einblasrate. Die Einstellung kann zudem dynamisch, insbesondere unabhängig vom Gasdruck sowie unabhängig vom Druckmittelversorgungsdruck vorgenommen werden. Das heißt, dass sowohl der Gas druck als auch der Druckmittelversorgungsdruck konstant bleiben können. Eine Gas druckregelung bzw. ein Gasdruckregler an einem Speicherbehälter für den gasförmi gen Kraftstoff kann somit entfallen. Ferner kann das Gasversorgungsdruckniveau so hoch eingestellt werden, dass bei Volllast eine maximale Nadeldynamik für eine steil ansteigende Einblasrate erreicht wird, die anschließend auf einem hohen Niveau bleibt oder zur Verbrauchsoptimierung abflacht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ende des Bolzens exzentrisch in einem drehbeweglich gelagerten Zylinder aufgenommen, so dass über eine Drehung des Zylinders die Lage des Bolzens in Bezug auf die Längsachse des Zulaufkanals veränderbar ist. Beispielsweise kann der Bolzen über eine Drehung des Zylinders aus einer zentrischen Lage in eine exzentrische Lage in Bezug auf die Längsachse des Zulaufkanals bewegt werden. In der zentrischen Lage des Bolzens ist der Drosselquerschnitt der Zulaufdrossel ringförmig, in der exzentrischen Lage nähert sich der Bolzen einseitig der Wandung des Zulaufkanals, so dass der Drosselquer schnitt eine sichelförmige Gestalt annimmt. Liegt der Bolzen einseitig an der Wandung des Zulaufkanals an, ist der Ringspalt zwischen dem Bolzen und der Wandung an ei ner Stelle minimal und an anderer Stelle maximal. Entsprechend verhält es sich mit dem Durchfluss durch die Zulaufdrossel. Wird der Bolzen aus einer exzentrischen La ge in Richtung einer zentrischen Lage bewegt, verkleinert sich der Ringspalt und der Durchfluss verringert sich. Das heißt, dass in der zentrischen Lage des Bolzens in Be zug auf die Längsachse des Zulaufkanals der Durchfluss durch die Zulaufdrossel mi nimal ist. Die Lageveränderung des Bolzens über eine Drehbewegung eines den Bolzen endsei tig aufnehmenden Zylinders besitzt den Vorteil, dass sie vergleichsweise einfach zu realisieren ist. Denn der Bolzen muss lediglich exzentrisch in Bezug auf den Zylinder angeordnet werden, der selbst zentrisch bzw. koaxial in Bezug auf den Zulaufkanal angeordnet werden kann. Das heißt, dass der Bolzen und der Zylinder nicht koaxial zueinander angeordnet sind. Über eine Drehbewegung des Zylinders kann somit eine Drehbewegung des Bolzens bewirkt werden, die zugleich zu einer radialen Verschie bung des Bolzens führt. Die Drehbewegung des Zylinders wird vorzugsweise mecha nisch bewirkt.

Alternativ zu einer Drehbewegung kann die gewünschte Lageveränderung des Bol zens auch ausschließlich durch eine Verschiebung des Bolzens in radialer Richtung in Bezug auf den Zulaufkanal bewirkt werden. In diesem Fall muss der Bolzen in Bezug auf den Zulaufkanal radial verschiebbar gelagert oder in einem in Bezug auf den Zu laufkanal radial verschiebbaren Körper gehalten sein. Die radiale Verschiebung des Bolzens und/oder Körpers wird vorzugsweise ebenfalls mechanisch bewirkt.

Zur Rückstellung des Bolzens in eine Ausgangslage, beispielsweise in eine zentrische Lage in Bezug auf die Längsachse des Zulaufkanals, ist vorzugweise mindestens ein Federelement vorgesehen. Die Bewegung aus der Ausgangslage in eine andere Lage wird somit gegen die Federkraft der Feder bewirkt. Dabei wird die Feder weiter ge spannt, so dass hierüber die Rückstellung des Bolzens realisierbar ist.

Sofern zur Lageveränderung des Bolzens ein drehbeweglich gelagerter Zylinder vor gesehen ist, wird vorgeschlagen, dass die Federkräfte des mindestens einen Fe derelements den drehbeweglich gelagerten Zylinder mit einem Drehmoment beauf schlagen. Der Bolzen wird in diesem Fall indirekt über eine Rückstellung des Zylinders in seine Ausgangsstellung zurückgestellt.

Wie bereits erwähnt, ist der Zylinder vorteilhafterweise koaxial zur Längsachse des Zu laufkanals angeordnet. Der Zylinder kann demnach im Zulaufkanal angeordnet werden, was den erforderlichen Platzbedarf so gering wie möglich hält. Bevorzugt ist der Zulaufkanal gestuft ausgeführt und bildet einen als Axiallager für den Zylinder dienenden ringförmigen Absatz aus. Die drehbewegliche Lagerung des Zylin ders kann auf diese Weise besonders einfach realisiert werden.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Zulauf von hydraulischem Druckmittel in die Zulaufdrossel über einen senkrecht zum Zulaufkanal geführten Verbindungskanal, so dass die Zulaufdrossel radial anströmbar ist. Das hyd raulische Druckmittel kann somit direkt in den Ringspalt bzw. in die Zulaufdrossel ein geleitet werden.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Zulauf von hydraulischem Druckmittel in die Zulaufdrossel über einen parallel zum Zulaufkanal geführten Verbindungskanal erfolgt, so dass die Zulaufdrossel axial anströmbar ist. Ist im Zulaufkanal zugleich ein drehbe weglicher Zylinder zur Lageveränderung des Bolzens aufgenommen, muss der Verbin dungskanal durch den Zylinder oder am Zylinder vorbeigeführt werden, so dass das hydraulische Druckmittel indirekt in den Ringspalt bzw. in die Zulaufdrossel eingeleitet wird.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoff! njektors zum Einblasen gasförmiger Kraftstoffe in einen Brennraum ei ner Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der mindestens eine hubbewegliche

Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung um fasst. Zur Steuerung der Hubbewegungen der Düsennadel wird ein an der Düsennadel anliegender Steuerdruck in einem Steuerraum verändert, der über eine Zulaufdrossel mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagt und über eine Ablaufdrossel entlas tet wird. Die Zulaufdrossel ist dabei innerhalb eines Zulaufkanals ausgebildet. Bei dem hydraulischen Druckmittel kann es sich insbesondere um flüssigen Kraftstoff handeln. Erfindungsgemäß wird zur betriebspunktabhängigen Steuerung der Einblasrate des Kraftstoffinjektors der Durchfluss durch die Zulaufdrossel variiert. Zur Variation des Durchflusses wiederum wird ein im Zulaufkanal aufgenommener Bolzen bewegt, so dass sich seine Lage in Bezug auf eine Längsachse des Zulaufkanals verändert.

Das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere unter Verwendung eines erfin dungsgemäßen Kraftstoff! njektors durchgeführt werden, da dieser eine zur Durchfüh- rung des Verfahrens geeignete Zulaufdrossel aufweist. Mit Hilfe des Verfahrens kön nen demzufolge dieselben Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen Kraftstoffin jektors erzielt werden. Das heißt, dass eine dynamische, vorzugsweise betriebspunkt abhängige, insbesondere lastabhängige Formung der Einblasrate des Kraftstoff! njek- tors bei konstantem, vorzugsweise maximalem Gasdruck realisierbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zur Variation des Durchflusses durch die Zulaufdrossel im Zulaufkanal aufgenommene Bolzen mechanisch entgegen der Federkraft mindestens eines Federelements bewegt und die Federkraft wird zur Rückstellung des Bolzens genutzt. Die Lageveränderung de Bozens wird in diesem Fall mit einfachen Mitteln realisiert, so dass der Zusatzauf wand zur Durchführung des Verfahrens vergleichsweise gering ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoff injektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Zulaufdrossel, bei maximalem Durchfluss,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Kraftstoff! njektor der Fig. 1, bei minimalem Durchfluss,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoff injektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Zulaufdrossel, bei maximalem Durchfluss,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch den Kraftstoff! njektor der Fig. 3, bei minimalem Durchfluss,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoff injektor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Zulaufdrossel, bei minimalem Durchfluss, Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor der Fig. 5, bei maximalem Durchfluss, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Nadelhubverlaufs (x) und des Drosselquer schnitts (A _z ) der Zulaufdrossel über die Zeit (t).

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Ein erster erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist ausschnittsweise der Fig.

1 zu entnehmen. Der Ausschnitt zeigt den Bereich einer Zulaufdrossel 4, über die ein Steuerraum 3 mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Der Steuer raum 3 wird von einer hubbeweglichen Düsennadel 2 begrenzt, an deren Stirnfläche 11 somit der im Steuerraum 3 herrschende Steuerdruck anliegt. Über den Steuerdruck im Steuerraum 3 sind die Hubbewegungen der Düsennadel 2 steuerbar. Damit die Dü sennadel 2 öffnet, muss der Steuerdruck gesenkt werden. Der Steuerraum 3 ist hierzu in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils (nicht dargestellt) über eine Ablaufdrossel (nicht dargestellt) entlastbar. Wird das Steuerventil geöffnet, strömt hyd raulisches Druckmittel aus dem Steuerraum 3 ab. In der Folge sinkt der Druck im Steu erraum 3, so dass eine auf die Düsennadel 2 wirkende Kraftresultierende die Düsen nadel 2 aus einem Dichtsitz (nicht dargestellt) hebt. Zum Schließen der Düsennadel 2 wird das Steuerventil geschlossen, so dass kein hydraulisches Druckmittel mehr aus dem Steuerraum 3 abströmen kann. In der Folge steigt der Druck im Steuerraum 3, so dass die hydraulischen Kräfte eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf die Düsenna del 2 ausüben.

Um die Steuerung der Einblasrate des Kraftstoff! njektors 1 betriebspunktabhängig, ins besondere lastabhängig, vornehmen zu können, weist die Zulaufdrossel 4 eines erfin dungsgemäßen Kraftstoff! njektors 1 einen variablen Drosselquerschnitt A _z auf. Auf die se Weise kann der Durchfluss durch die Zulaufdrossel 4 bzw. der Zulauf von hydrauli schem Druckmittel in den Steuerraum 3 betriebspunktabhängig, insbesondere lastab hängig, gesteuert werden. Denn über den Zulauf von hydraulischem Druckmittel in den Steuerraum 3 kann Einfluss auf das Öffnungs- und/oder Schließverhalten der Düsen nadel 2 genommen werden. Der Kraftstoff! njektor 1 der Fig. 1 weist hierzu einen in den Steuerraum 3 mündenden Zulaufkanal 5 auf, in dem ein Bolzen 6 aufgenommen ist. Der Bolzen 6 ist exzentrisch in Bezug auf eine Längsachse 10 des Zulaufkanals 5 angeordnet. An seinem dem Steuerraum 3 abgewandten Ende ist der Bolzen 6 in einem Zylinder 7 aufgenommen, der koaxial zum Zulaufkanal 5 angeordnet und über einen ringförmigen Absatz 8 dreh beweglich gelagert ist. Zur Ausbildung des ringförmigen Absatzes 8 ist der Zulaufka nal 5 gestuft ausgeführt. Führt der Zylinder 7 eine Drehbewegung aus, dreht sich auch der Bolzen 6. Da der Bolzen 6 ist in Bezug auf den Zylinder 7 exzentrisch angeordnet ist, bewegt er sich zugleich in Bezug auf den Zulaufkanal 5 in radialer Richtung. Der Bolzen 6 kann somit aus der dargestellten exzentrischen Lage in eine zentrische Lage bewegt werden (siehe Fig. 2). Dies führt zu einer Verkleinerung eines zwischen dem Bolzen 6 und einer Wandung 12 des Zulaufkanals 5 verbleibenden Ringspalts 13 und damit zu einer Verringerung des Durchflusses durch die Zulaufdrossel 4. Dies wiede rum hat zur Folge, dass sich der Steuerraum 3 weniger schnell mit dem hydraulischen Druckmittel füllt.

Den Figuren 3 und 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Kraftstoff! njektors 1 zu entnehmen, die sich von dem der Figuren 1 und 2 le diglich dadurch unterscheidet, dass der Zulaufkanal 5 bzw. die hierin ausgebildete Zu laufdrossel 4 über einen Verbindungskanal 9 axial statt radial angeströmt werden. Der Verbindungskanal 9 ist hierzu axial angeordnet und durch den Zylinder 7 hindurchge führt.

Den Figuren 5 und 6 ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Kraftstoff! njektors 1 zu entnehmen. Dargestellt ist jeweils ein Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor 1, und zwar im Bereich des im Zulaufkanal 5 aufgenommenen Bolzens 6. In der Fig. 5 ist der Bolzen 6 in einer zentrischen Lage in Bezug auf den Zu laufkanal 5 dargestellt, in der Fig. 6 in einer exzentrischen Lage. Die Lageveränderung wird mittels eines drehbeweglich gelagerten Zylinders 7 bewirkt, der sich vorliegend bei einer Drehung entlang einer Kreisbahn 14 bewegt. Da der Zylinder 7 und der Bolzen 6 nicht koaxial zueinander angeordnet sind, führt die Drehbewegung des Zylinders 7 zu einer Schwenkbewegung des Bolzens 6, so dass sich dieser einseitig der Wandung 12 des Zulaufkanals 5 nähert. Auf der diametral gegenüberliegenden Seite weitet sich der Ringspalt 13 zwischen dem Bolzen 6 und der Wandung 12, so dass sich der Durch fluss durch die Zulaufdrossel 4 erhöht.

Ein typischer Nadelhubverlauf x (Kurve xi bei Volllast und Kurve X2 bei Teillast) sowie der zugehörige Drosselquerschnitt Az (Kurve A _zi bei Volllast und Kurve A _Z 2 bei Teillast) über die Zeit t ist in der Fig. 7 dargestellt.