Titel

Kraftstoff injektor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von zwei flüssigen und/oder gasförmigen Kraftstoffen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Aus der DE 10 2013 014 329 A1 ist ein Brennverfahren für eine

Brennkraftmaschine bekannt, welches zur Ausführung verschiedener Formen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einen Dual-Fuel-

Kraftstoffinjektor verwendet. Dabei ist in diesem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor eine erste Düsenanordnung, wodurch Dieselkraftstoff in einen Brennraum fließen kann, und eine zweite Düsenanordnung, welche gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum ausbringen kann, angeordnet.

Mittels eines solchen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors ist es möglich, eine

Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Diesel-/Gasmotor, sowohl im reinen Flüssigkraftstoffbetrieb als auch im kombinierten Flüssigkraftstoff- /Gasbetrieb zu betreiben. Sowohl die Dauer und Menge als auch die Reihenfolge der jeweiligen Einspritzungen von Flüssigkraftstoff/ Gas und das

Mischungsverhältnis beeinflussen erheblich die Zündeigenschaften und damit die Effizienz des gesamten Einspritzsystems.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff! njektor zur

Einspritzung von zwei flüssigen und/ oder gasförmigen Kraftstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf eine Weise weiterzubilden, welcher beide auf grundlegende Weise unterschiedlichen Einspritzarten in einem Injektor zusammenführt und die Zündeigenschaften und somit die Effizienz des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems verbessert. Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor dadurch gelöst, dass der Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von zwei flüssigen und/ oder gasförmigen Kraftstoffen ein Injektorgehäuse mit einem Düsenkörper und einem Ventilkörper umfasst, wobei im Injektorgehäuse eine erste hubbeweglich angeordnete Düsennadel zum Öffnen und Schließen eines Einspritzquerschnitts angeordnet ist. Dabei ist die erste Düsennadel als Hohlnadel ausgebildet, in der eine zweite hubbeweglich angeordnete Düsennadel angeordnet ist. Diese wirkt zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung mit einem in der ersten Düsennadel ausgebildeten inneren Düsensitz zusammen. Außerdem begrenzen die erste Düsennadel und die zweite Düsennadel einen

Einspritzraum, welcher über eine Zulaufdrossel mit Kraftstoff befüllbar ist. In einer oberen Schaltstellung liegt die zweite Düsennadel an einem Dichtsitz an und trennt dadurch eine Verbindung zwischen dem Einspritzraum und der

Zulaufdrossel.

Durch die Sperrung der Verbindung des Einspritzraums und der Zulaufdrossel wird der Nachlauf von Kraftstoff unterbunden. Auf diese Weise kann die

Einspritzung dieses Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine beendet werden, ohne dass die zweite Düsennadel ihre Bewegung umkehren muss.

Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung werden in den

Unteransprüchen aufgeführt.

In erster vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im Inneren des Ventilkörpers ein Ventilelement angeordnet ist, das eine mehrstufig ausgebildete Durchgangsbohrung aufweist. In diese Sacklochbohrung ragen sowohl die erste Düsennadel als auch die zweite Düsennadel hinein.

Dabei kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Dichtsitz an dem Ventilelement ausgebildet ist, um einen kompakten Aufbau zu erreichen. Dabei kann das Ventilelement auf einfache Weise separat befestigt werden.

Weiter kann die Zulaufdrossel in dem Ventilelement ausgebildet sein.

Weiter kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Ventilelement durch eine Feder in Richtung des Düsensitzes kraftbeaufschlagt ist. Dies ermöglicht eine flexible und sehr einfache Fixierung des Ventilelements im Kraftstoffinjektor ohne zusätzliche Fixierung, beispielsweise durch einen

Schweißvorgang.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Düsennadel am Außenumfang gestuft ausgebildet ist, um Platz für einen weiteren Raum zu schaffen, in dem weitere Komponenten untergebracht werden können oder der verwendet werden kann, um den Injektor schlanker zu gestalten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es mit Vorteil vorgesehen, dass die mindestens eine Einspritzöffnung an der einem Brennraum zugewandten Stirnseite der ersten Düsennadel ausgebildet ist. Somit ist kein separates Bauteil nötig, was eine einfachere Fertigung ermöglicht.

In konstruktiver Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der Düsenkörper und die erste Düsennadel eine Vorkammer begrenzen. In dieser Vorkammer ist eine Feder vorhanden, welche die erste Düsennadel in Richtung des Brennraums kraftbeaufschlagt.

Weiter kann es vorgesehen sein, dass in der Vorkammer eine Trennvorrichtung, insbesondere eine Membran, angeordnet ist, welche die flüssigen und/ oder gasförmigen Kraftstoffe voneinander trennt, so dass sich die beiden Kraftstoffe trotz der unvermeidlichen Leckagespalte nicht vermischen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Ventilelement und die zweite Düsennadel in der oberen Schaltstellung einen Teilraum begrenzen. Dieser Teilraum bildet einen Teil des Einspritzraums, wobei es in vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen ist, dass die Zulaufdrossel in den Teilraum mündet. Damit kann ein präzises Ende der Einspritzung gewährleistet werden.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zweite Düsennadel durch eine Rückstellfeder in Richtung des inneren Düsensitzes kraftbeaufschlagt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Düsennadel einen gasförmigen Kraftstofffluss in den Brennraum steuert und/ oder dass die zweite Düsennadel einen flüssigen Kraftstofffluss in den Brennraum steuert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigen in:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,

Fig. 2(a)eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich der ersten Düsennadel und der zweiten Düsennadel, wobei die erste Düsennadel einen Einspritzquerschnitt und die zweite

Düsennadel mindestens eine Einspritzöffnung verschließt,

Fig. 2(b) eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors im Bereich der ersten Düsennadel und der zweiten Düsennadel, wobei die erste Düsennadel den Einspritzquerschnitt verschließt, die zweite Düsennadel die mindestens eine Einspritzöffnung freigegeben hat,

Fig. 2(c) eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors im Bereich der ersten Düsennadel und der zweiten Düsennadel, wobei die erste Düsennadel den Einspritzquerschnitt freigegeben hat und die zweite Düsennadel die mindestens eine Einspritzöffnung verschließt,

Fig. 3(a)ein Diagramm, in dem einerseits der Hubweg H der ersten Düsennadel und der Hubweg h zweiten Düsennadel gegen die Zeit t aufgetragen ist und in dem andererseits die Einspritzmenge m des Kraftstoffs bzw. des Gases in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt ist. Dies stellt ein erstes mögliches Einspritzszenario dar, wie es in Fig. 2 dargestellt ist,

Fig. 3(b) ein Diagramm, in dem einerseits der Hubweg H der ersten Düsennadel und der Hubweg h der zweiten Düsennadel gegen die Zeit t aufgetragen ist und in dem andererseits die Einspritzmenge m des Kraftstoffs bzw. des Gases in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt ist. Dies stellt ein zweites mögliches Einspritzszenario dar, wobei hier eine

Mehrfacheinspritzung der beiden Kraftstoffe dargestellt ist.

Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen

Bezugsziffern versehen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor bestehend aus einem Injektorgehäuse 1 , das einen Düsenkörper 2, einen Ventilkörper 3 und einen

Haltekörper 4 umfasst. Zwischen dem Ventilkörper 3 und dem Haltekörper 4 ist eine Magnetspule 33 eingefügt. Des Weiteren weist der Kraftstoffinjektor einen Innenpol 5 und einen Magnetanker 6 bestehend aus einer Ankerplatte 9 und einem Ankerbolzen 10 auf. Dabei begrenzen der Ventilkörper 3, der Haltekörper 4 und der Innenpol 5 einen Ankerraum 22, in dem der Magnetanker 6 angeordnet ist. Der Ankerbolzen 10 taucht in eine Durchgangsbohrung 13 des Ventilkörpers 3 ein und ragt dabei in einen Druckraum 21 hinein, wobei dieser Druckraum 21 im Düsenkörper 2 und im Ventilkörper 3 ausgebildet ist und durch den

Ventilkörper 3 begrenzt wird. Über ein Rail 23 ist der Ankerraum 22 mit flüssigem Kraftstoff befüllbar, wobei dieser über eine Zulaufdrossel 49 in den Druckraum 21 eintreten kann. Innerhalb des Druckraums 21 ist neben einer Rückstellfeder 24, welche an einer Abstützhülse 26 befestigt ist, ein Ventilelement 14 angeordnet, das zusammen mit dem Düsenkörper 2 einen Teilraum 44 des Druckraums 21 begrenzt. Weiterhin ist im Druckraum 21 eine Feder 15 angeordnet, welche sich an dem Ventilelement 14 abstützt und dieses in Richtung des Düsenkörpers 2 kraftbeaufschlagt und dadurch ortsfest fixiert. Der Teilraum 44 des Druckraums 21 weist eine erste hubbeweglich angeordnete Düsennadel 7 auf, welche als Hohlnadel ausgebildet ist und in welcher eine zweite hubbeweglich angeordnete Düsennadel 8 angeordnet ist. Dabei ist die zweite Düsennadel 8 mit ihrer dem Magnetanker zugewandten Stirnseite in einer Durchgangsbohrung 13 des

Ventilelements 14 geführt und ist mit dem Ankerbolzen 10 des Magnetankers 6 fest verbunden. Der Teilraum 44 des Druckraums 21 ist aufgrund der

Düsennadelanordnungen wiederum in mehrere Einzelräume unterteilt. Dabei schließt der Düsenkörper 2 mit der ersten Düsennadel 7 einerseits eine

Vorkammer 28 und andererseits einen Raum 47 ein, welcher über einen

Zulaufkanal 48 mit einem zwischen einer Spannmutter 31 , dem Düsenkörper 2, dem Ventilkörper 3 und dem Haltekörper 4 gebildeten Gasraum 30 verbunden ist. Das Gas wird über eine Gasversorgung 32 in den Gasraum 30 eingespeist. Die Vorkammer 28 weist eine Feder 39 und eine Trennvorrichtung 19 auf, insbesondere eine Membran, welche die flüssigen und/ oder gasförmigen Kraftstoffe voneinander trennt.

Die zweite Düsennadel 8 bildet zusammen mit der ersten Düsennadel 7 und dem Ventilelement 14 einen Einspritzraum 20. Dieser ist über eine in dem

Ventilelement 14 ausgebildete Zulaufdrossel 36 mit dem Druckraum 21 verbindbar und ist daher mit dem ersten Kraftstoff, vorzugsweise mit flüssigem Kraftstoff, befüllbar. Die erste Düsennadel 7 verschließt in einer unteren

Schaltstellung mit Hilfe der Feder 39 einen in dem Düsenkörper 2 ausgebildeten Einspritzquerschnitt 27, über welchen vorzugsweise gasförmiger Kraftstoff in einen Brennraum 29 eingespritzt werden kann. Die zweite Düsennadel 8 ist über die Rückstellfeder 24 in Richtung eines in der ersten Düsennadel 7

ausgebildeten inneren Düsensitzes 25 kraftbeaufschlagt und schließt in einer unteren Schaltstellung mindestens eine in der ersten Düsennadel 7 ausgebildete Einspritzöffnung 35, über welche flüssiger Kraftstoff in den Brennraum 29 fließen kann. Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist wie folgt: Bei einer Bestromung der Magnetspule 33 baut sich eine Magnetkraft im Innenpol 5 auf, so dass der Magnetanker 6 und die mit diesem fest verbundene zweite Düsennadel 8, wie in Figur 2(a) dargestellt, in Richtung des Innenpols 5 gezogen werden. Dadurch wird der innere Düsensitz 25 freigegeben und flüssiger Kraftstoff entweicht aus dem Einspritzraum 20 über eine Sacklochbohrung 34 in der ersten Düsennadel 7 und über mindestens eine Einspritzöffnung 35 in den Brennraum 29 der Brennkraftmaschine. Nach einem Hubweg h der zweiten Düsennadel 8 erreicht diese eine obere Schaltstellung und liegt an einem Dichtsitz 38 an (siehe Fig. 2(b)). Der Dichtsitz 38 ist dabei an dem am

Außenumfang mehrstufig ausgebildeten Ventilelement 14 ausgebildet. Dadurch wird ein Teilraum 45 des Einspritzraums 20 gebildet, wobei in diesen Teilraum 45 die Zulaufdrossel 36 mündet. Das Durchflussverhältnis zwischen der

Zulaufdrossel 36 und dem Durchfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 35 ist dabei so gewählt, dass die erste Düsennadel 7 sich erst dann nach oben bewegt, wenn die zweite Düsennadel 8 den Dichtsitz 38 erreicht hat. Beim

Erreichen des Dichtsitzes 38 verschließt die zweite Düsennadel 8 die

Zulaufdrossel 36, was zu einem Druckabfall im Einspritzraum 20 führt. Die resultierenden Kräfte auf die erste Düsennadel wirken nun nicht mehr in

Schließrichtung, sondern bewirken mit Hilfe der Feder 39 ein Abheben der ersten Düsennadel 7 in Richtung des Innenpols 5. Die Freilegung des

Einspritzquerschnitts 27 führt zur Einbringung von vorzugsweise gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum 29 der Brennkraftmaschine. Nach einem Hubweg H liegt die zweite Düsennadel 8 an dem inneren Düsensitz 25 der ersten

Düsennadel 7 in ihrer oberen Schaltstellung an und verschließt somit die mindestens eine Einspritzöffnung 35. Der Einspritzvorgang von flüssigem

Kraftstoff in den Brennraum 29 der Brennkraftmaschine ist, wie in Figur 2(c) dargestellt, beendet. Der im Einspritzraum 20 noch vorhandene flüssige Kraftstoff ist nun vollkommen isoliert.

Wird die Bestromung der Magnetspule 33 beendet, wird die Magnetkraft abgebaut, durch welche der Magnetanker 6 in Richtung des Innenpols 5 gezogen wurde. Die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche der

brennraumabgewandten Stirnseite der zweiten Düsennadel 8, die vom Druck im Teilraum 45 des Einspritzraums 20 beaufschlagt ist, ist nun größer als die in Längsrichtung hydraulisch wirksame Fläche auf die zweite Düsennadel 8 im momentan isolierten Einspritzraum 20. Mit Hilfe der Rückstellkraft der

Rückstellfeder 24 in Richtung des Brennraums 29 auf die zweite Düsennadel 8 bewegt sich diese aus dem Dichtsitz 38 in Richtung des Brennraums 29. Es kommt zu einem Druckausgleich zwischen dem Teilraum 45 des Einspritzraums 20 und dem Einspritzraum 20, da sich der Teilraum 45 des Einspritzraums 20 wieder in den Einspritzraum 20 einfügt. Der Druck im Gasraum 30 und damit im Raum 47 entspricht etwa dem Druck im Einspritzraum 20, wohingegen der Druck in der Vorkammer 28 aufgrund der geöffneten ersten Düsennadel 7 geringer ist. Aufgrund der dadurch resultierenden Kräfte auf die erste Düsennadel 7 bewegt sich die erste Düsennadel 7 in Richtung des Einspritzquerschnitts 27. Damit wird die Einbringung von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum 29 beendet.

Figur 3(a) stellt den oben beschriebenen Einspritzvorgang in einem Diagramm dar, in dem der Hubweg H der ersten Düsennadel 7 und der Hubweg h der zweiten Düsennadel 8 in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt ist. Außerdem ist auch die Einspritzmenge m von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff als

Funktion der Zeit t abgebildet. Der maximale Hubweg h der zweiten Düsennadel

8 ist am Zeitpunkt ti erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ti beginnt die erste

Düsennadel 7 in Richtung des Magnetankers 6 zu verfahren und gibt den Einspritzquerschnitt 27 frei. Die maximale Einspritzmenge m von flüssigem bzw. gasförmigem Kraftstoff ist in beiden Fällen dann erreicht, wenn die erste

Düsennadel 7 bzw. die zweite Düsennadel 8 in der oberen Schaltstellung sind. Nach Abschalten der Magnetspule 33 legen die erste Düsennadel 7 und die zweite Düsennadel 8 zusammen den negativen Hubweg h bzw. H zurück. Die Einspritzmenge m von gasförmigem Kraftstoff reduziert sich während der Bewegung der Düsennadeln 7 und 8 in Richtung des Brennraums 29 und wird zum Zeitpunkt t.2 mit Schließung des Einspritzquerschnitts 27 eingestellt.

Figur 3(b) veranschaulicht eine alternative Einspritzform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors. Hier wird die Bestromung der Magnetspule 33 mehrfach beendet, bevor die zweite Düsennadel 8 den Dichtsitz 38 erreicht hat. Dadurch werden nur kleine Mengen m an flüssigen Kraftstoff in den Brennraum 29 eingebracht. Erst nach der dritten Bestromung der Magnetspule 33 zum

Zeitpunkt U ist der maximale Hubweg h der zweiten Düsennadel 8 und damit die maximale Einspritzmenge an flüssigen Kraftstoff erreicht. Die Einspritzung von gasförmigem Kraftstoff beginnt nun zum Zeitpunkt t ₅ , wenn sich die erste Düsennadel 7 in Richtung der zweiten Düsennadel 8 bewegt. Mit Erreichen des maximalen Hubwegs H der ersten Düsennadel 7 zum Zeitpunkt t.6 wird die maximal mögliche Einspritzmenge m von gasförmigem Kraftstoff in den

Brennraum 29 eingespritzt. Nach Beendigung der Magnetspulenbestromung legen die erste Düsennadel 7 und die zweite Düsennadel 8 zusammen den negativen Hubweg h bzw. H zurück und beenden den Einspritzvorgang. Es folgt eine erneute Magnetspulenbestromung, welche vor Erreichen des maximalen Hubwegs h der zweiten Düsennadel 8 beendet wird und es wird wiederum nur eine kleine Menge m an flüssigen Kraftstoff in den Brennraum 29 eingespritzt. Dies ist nur eine mögliche Einspritzform des erfindungsgemäßen

Kraftstoffinjektors. Es können mehrere Vor- und Nacheinspritzungen von flüssigem Kraftstoff vorgenommen werden.