Injektor und Anordnung mit einem Injektor

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Abgeben eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Injektor zum Einspritzen alternativer Kraftstoffe wie zum Beispiel Ammoniak oder aber Alkohole, wie Ethanol oder Methanol, wobei die Hubbewegung einer Düsennadel über ein von dem Arbeitsmedium unterschiedliches Steuermedium bewirkt wird.

Stand der Technik

Aus der DE 102017217991 A1 der Anmelderin ist ein Injektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Der bekannte Injektor zeichnet sich durch zwei, mit unterschiedlichen Medien befüllbare Druckräume aus, in denen eine Düsennadel hubbeweglich angeordnet ist. Die beiden Druckräume sind durch einen sich quer zur Längsrichtung der Düsennadel erstreckenden Faltenbalg mediendicht voreinander getrennt. Der auf Einlassöffnungen des Injektors gegenüberliegenden Seite angeordnete Druckraum ist mit einem Steuermedium zur Beeinflussung der Längsbewegung der Düsennadel befüllbar, während der auf der Seite der Einlassöffnungen zugewandte Druckraum mit dem über die Einlassöffnungen aus dem Injektor abgebbaren Arbeitsmedium befüllbar ist. Wesentlich ist, dass in einem Zustand, bei dem die beiden Druckräume nicht mit unter Druck stehenden Medien befüllt sind auf die Düsennadel keine in Schließrichtung der Düsennadel wirkende, die Einlassöffnungen verschließende Kraft erzeugt wird.

Aus der DE 102018211 510 A1 der Anmelderin ist ein weiterer gattungsgemäßer Injektor bekannt. Auch bei diesem Injektor erfolgt in einem Zustand, bei dem der Steuerraum nicht von dem (hydraulischen) Druck eines Steuermediums kraftbeaufschlagt ist, keine Kraftbeaufschlagung der Düsennadel in Richtung ihrer die Einlassöffnungen verschließenden Stellung.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Injektor zum Abgeben eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass er den Druckraum, der mit dem Arbeitsmedium befüllt ist, in einem Zustand, bei dem der Steuerraum nicht von dem Druck des Steuermediums hydraulisch kraftbeaufschlagt ist, gegenüber dem Brennraum abdichtet, indem die Düsennadel in ihre Schließstellung kraftbeaufschlagt ist.

Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Injektor, eine relativ hohe, in Richtung der Schließstellung auf die Düsennadel wirkende Schließkraft zu erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Injektor zusammen mit einem anderen Injektor zum Abgeben bzw. Einspritzen von Arbeitsmedium in einen Brennraum vorgesehen ist, wobei der erfindungsgemäße Injektor beispielsweise Ammoniak oder aber Alkohole, wie Ethanol oder Methanol in den Brennraum einspritzt und der andere Injektor insbesondere zum Einspritzen von Dieselkraftstoff ausgebildet ist. Dabei ist es wesentlich, dass in einem Betriebszustand, bei dem der andere Injektor den (Diesel-) Kraftstoff in den Brennraum einspritzt, während er erfindungsgemäße Injektor drucklos bzw. stillgelegt ist, der durch das Betreiben des anderen Injektors entstehende Brennraumdruck nicht dazu führt, dass Brennraumgase in den erfindungsgemäßen Injektor eindringen können, die ggf. zu einer Beschädigung des Injektors führen könnten.

Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die bei dem erfindungsgemäßen Injektor durch wenigstens eine Schließfeder auf die Düsennadel erzeugbare Schließkraft derart ausgelegt ist, dass diese wenigstens so groß ist wie der Brennraumdruck, wenn die Brennkraftmaschine mit einem anderen Injektor betrieben wird, um die Düsennadel in ihrer Schließstellung zu halten.

Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einem erfindungsgemäßen Injektor vorgesehen, dass die Düsennadel mit wenigstens einer Schließfeder gekoppelt, insbesondere in Anlagekontakt mit der wenigstens einen Schließfeder angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Schließfeder die Düsennadel in Richtung ihrer Schließstellung durch Federkraft kraftbeaufschlagt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Injektors zum Abgeben eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Mit Blick auf typische Brennraumdrücke bei der Verwendung eines (zusätzlichen bzw. zweiten) Injektors, der dazu ausgebildet ist, flüssigen Brennstoff bzw. (Diesel-) Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen, ist es vorgesehen, dass die Düsennadel in Richtung ihrer Längsachse betrachtet zwischen dem Druckraum für das Arbeitsmedium und dem Steuerraum für das Steuermedium in einem Führungsabschnitt des Injektorgehäuses radial geführt ist, dass der Druck des Steuermediums im Steuerraum auf eine senkrecht zur Längsachse der Düsennadel angeordnete Steuerfläche wirkt, dass die Düsennadel in ihrer Schließstellung unter Ausbildung eines Dichtsitzes an einem Wandabschnitt des Druckraums anliegt, und dass die Fläche der Düsennadel im Bereich des Dichtsitzes maximal 41% der Fläche im Bereich des Führungsabschnitts und die Fläche der Steuerfläche zwischen 23% und 74% der Fläche im Bereich des Führungsabschnitts entspricht.

Zur Erzeugung einer in Öffnungsrichtung der Düsennadel wirkenden Kraft zum Freigegen der Einlassöffnungen bei einer Druckreduzierung im Steuerraum ist es vorgesehen, dass die Düsennadel in dem Druckraum für das Arbeitsmedium eine Druckfläche aufweist, die dazu ausgebildet ist, unter dem hydraulischen Druck des Arbeitsmediums eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf die Düsennadel zu erzeugen.

Eine weitere besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Injektors sieht vor, dass die Düsennadel im Steuerraum einen Abschnitt aufweist, der von einer Führungshülse radial umgeben ist, und dass die Führungshülse von einer ersten Schließfeder gegen ein den Steuerraum begrenzendes Bauteil kraftbeaufschlagt ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, eine zur Erzeugung einer relativ hohen Schließkraft auf die Düsennadel vorgesehene zweite Schließfeder außerhalb des Steuerraums in einem separaten Federraum anzuordnen, wobei der Steuerraum gegenüber diesem anderen Raum (Federraum) durch die Führungshülse abgedichtet ist.

In bevorzugter Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das Bauteil, an der die Führungshülse (dichtend) anliegt, eine Drosselplatte ist.

Wie bereits oben angeführt, ist es von besonderem Vorteil, dass in einem vom Niederdruckbereich separaten Federraum eine zweite Schließfeder angeordnet ist, und dass die zweite Schließfeder dazu ausgebildet ist, die Düsennadel mit einer größeren Kraft in Richtung ihrer Schließstellung zu beaufschlagen als die erste Schließfeder. Insbesondere ermöglicht es eine derartige konstruktive Ausgestaltung, dass die zweite Schließfeder eine nahezu beliebige Größe bzw. Form und Geometrie aufweisen kann, ohne dass dadurch die Größe des Steuerraums negativ beeinflusst bzw. vergrößert werden muss.

Um eine zusätzliche Abdichtung zwischen dem im Steuerraum befindlichen Steuermedium und dem im Druckraum befindlichen Arbeitsmedium zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass im Bereich des Führungsabschnitts für die Düsennadel eine radial um die Längsachse der Düsennadel umlaufende Nut ausgebildet ist, die mit einem Sperrmedium befüllbar ist. Dieses Sperrmedium kann beispielsweise ein Sperröl mit einer relativ hohen Viskosität sein, sodass auch eine Durchmischung des Sperrmediums mit dem Arbeitsmedium bzw. dem Steuermedium erschwert ist.

Weiterhin umfasst die Erfindung eine Anordnung zum Abgeben von Arbeitsmedium in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem soweit beschriebenen ersten Injektor, sowie mit einem zweiten Injektor, der dazu ausgebildet ist, ein von dem ersten Injektor unterschiedliches Arbeitsmedium in den Brennraum einzuspritzen, wobei der Brennraumdruck beim Betreiben der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Injektor maximal etwa 350bar beträgt.

Ganz besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Anordnung dazu ausgebildet ist, einen alternativen Kraftstoff wie Ammoniak oder aber Alkohole, wie Ethanol oder Methanol als Arbeitsmedium für den ersten Injektor und Dieselkraftstoff für den zweiten Injektor in den Brennraum der Brennkraftmaschine abzugeben. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von zwei Injektoren im Bereich eines Brennraums einer Brennkraftmaschine und

Fig. 2 einen Injektor zum Abgeben eines insbesondere flüssigen

Arbeitsmediums in den Brennraum der Brennkraftmaschine in einem vereinfacht dargestellten Längsschnitt.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist eine Anordnung 100 gezeigt, bei der im Bereich eines Brennraums 1 einer Brennkraftmaschine 2 zwei Injektoren 10, 20 vorgesehen sind, um unterschiedliche Arbeitsmedien in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine 2 abzugeben bzw. einzuspritzen oder einzublasen. Insbesondere ist der erste Injektor 10 dazu ausgebildet, ein in einem Vorratsspeicher 12 bevorratetes erstes Arbeitsmedium, insbesondere einen alternativen Kraftsoff wie Ammoniak oder aber Alkohole, wie Ethanol oder Methanol in den Brennraum 1 einzuspritzen, während der andere Injektor 20 dazu ausgebildet ist, ein in einem zweiten Vorratsspeicher 14 bevorratetes zweites Arbeitsmedium, insbesondere Dieselkraftstoff in den Brennraum 1 einzuspritzen.

Wesentlich dabei ist darüber hinaus, dass die beiden Injektoren 10, 20 gemeinsam betrieben werden können, insbesondere, wenn der andere Injektor 20 als Zündquelle für das Entzünden des Arbeitsmediums des ersten Injektors 10 dient. Der erste Injektor 10 kann jedoch bedarfsweise auch stillgelegt werden, wenn beispielsweise kein erstes Arbeitsmedium verfügbar ist. In diesem Fall wird die Brennkraftmaschine 2 ausschließlich mit dem anderen, zweiten Injektor 20 betrieben.

Der in der Fig. 2 näher dargestellte Injektor 10 weist ein Injektorgehäuse 22 auf, in dem eine Ausnehmung 24 ausgebildet ist, die mehrere, unterschiedliche Durchmesser aufweisende Abschnitte hat. Das Injektorgehäuse 22 weist auf der dem Brennraum 1 zugewandten Seite mehrere Einlassöffnungen 26 auf, die dazu ausgebildet sind, das (gasförmige) Arbeitsmedium in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine 2 einzublasen. Hierzu bildet die Ausnehmung 24 auf der den Einlassöffnungen 26 zugewandten Seite einen Druckraum 28 aus, der über eine Zuführbohrung 30 mit dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium verbindbar ist.

Innerhalb der Ausnehmung 24 ist in Richtung einer Längsachse 32 eine Düsennadel 34 hubbeweglich angeordnet. In der in der Fig. 2 dargestellten Schließstellung sitzt ein Düsennadelende 35, das konisch ausgebildet ist, im Bereich eines Wandabschnitts 36 der Ausnehmung 24 unter Ausbildung eines Dichtsitzes 38 an der Ausnehmung 24 an, um die Einlassöffnungen 26 zumindest mittelbar zu verschließen. Auch weist die Düsennadel 34 innerhalb des Druckraums 28 Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf, derart, dass eine im Ausführungsbeispiel konisch ausgebildete Druckfläche 39 bei einer hydraulischen Druckbeaufschlagung des Druckraums 28 durch das Arbeitsmedium eine die Einlassöffnungen 26 freigebende Öffnungskraft auf die Düsennadel 34 erzeugt.

Die Düsennadel 34 ist in Längsrichtung betrachtet in einem mittleren Bereich in einem Führungsabschnitt 40 der Ausnehmung 24 radial geführt. Im Bereich des Führungsabschnitts 40 weist die Düsennadel 34 bzw. der Führungsabschnitt 40 einen konstanten Durchmesser D auf. Wiederum in etwa in einem mittleren Bereich des Führungsabschnitts 40 ist im Bereich der Wand der Ausnehmung 24 eine radial um die Längsachse 32 umlaufende Ringnut 42 ausgebildet, die über einen Zuführkanal 44 mit einem Sperrmedium in Form eines Sperröls o.ä. befüllbar ist. Für den Fall, dass der Injektor 20 als Dieselinjektor ausgebildet ist, kann das Sperrmedium bzw. Sperröl aus dem Kraftstoffkreislauf des Injektors 20 entnommen werden, d.h., dass es sich bei dem Sperrmedium dann um Diesel handeln kann. Die Düsennadel 34 ragt auf der den Einlassöffnungen 26 abgewandten Seite mit einem im Durchmesser verringerten Abschnitt 45 in einen Steuerraum 46 hinein, der ebenfalls in der Ausnehmung 24 ausgebildet ist. Der Steuerraum 46 hat über eine Zulaufbohrung 48 Verbindung mit einem Vorratsspeicher 49 für ein unter Druck stehendes Steuermedium, wobei das Steuermedium ein von dem Arbeitsmedium unterschiedliches Medium ist. Weiterhin ist der Steuerraum 46 über eine Ablaufbohrung 50 in einen Niederdruckbereich 52 druckentlastbar. Hierzu dient ein Ventil 54, das in einer geöffneten Stellung einen Abfluss des Steuermediums aus dem Steuerraum 46 ermöglicht. Das Ventil 54 lässt sich, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt und daher nicht näher erläutert, beispielsweise mittels eines Magnetaktuators betätigen.

Der Steuerraum 46 bzw. die Ausnehmung 24 ist auf der den Einlassöffnungen 26 gegenüberliegenden Seite von einer Drosselplatte 55 verschlossen, in der eine Zulaufdrossel 56 für den Zulaufkanal 44 und eine Ablaufdrossel 57 für die Ablaufbohrung 50 ausgebildet sind. Weiterhin weist die Drosselplatte 55 konzentrisch zur Längsachse 32 eine Durchgangsbohrung 58 auf, die auf der dem Steuerraum 46 gegenüberliegenden Seite in einem Federraum 60 mündet.

Innerhalb des Steuerraums 46 ist der als Führungsabschnitt wirkende Abschnitt 45 der Düsennadel 34 radial von einer Führungshülse 62 umgeben, die der Abdichtung der Durchgangsbohrung 58 in Richtung des Federraums 60 dient. Hierzu ist die Führungshülse 62, die auf der der Drosselplatte 55 zugewandten Seite eine konisch ausgebildete, radial um die Längsachse 32 umlaufende Dichtkante 63 aufweist, von der Federkraft einer ersten Schließfeder 64 in Richtung der Drosselplatte 55 kraftbeaufschlagt. Die erste Schließfeder 64 stützt sich an der Düsennadel 34 im Bereich einer ringförmigen, radial um die Längsachse 32 umlaufenden Steuerfläche 65 ab.

Die Düsennadel 34 durchsetzt die Durchgangsbohrung 58 mit einem im Durchmesser nochmals reduzierten Abschnitt 66, der im Bereich des Federraums 60 tellerartig im Durchmesser vergrößert ausgebildet ist. Im Federraum 60 ist eine zweite Schließfeder 68 angeordnet, die sich dadurch auszeichnet, dass sie sich gegen ein gehäusefestes, nicht dargestelltes Bauteil des Injektors 10 abstützt und die Düsennadel 34 in Richtung des Dichtsitzes 38 mit einer größeren Federkraft beaufschlagt als die Federkraft der ersten Schließfeder 64. Zum Abgeben von Arbeitsmedium in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine 2 durch den Injektor 10 ist der Druckraum 28 mit unter hohem Druck stehendem Arbeitsmedium (Gas) befüllt. Zum Anheben der Düsennadel 34 aus ihrer in der Fig. 2 dargestellten Schließstellung in eine Öffnungsstellung, bei der das Arbeitsmedium über die Einlassöffnungen 26 in den Brennraum 1 ausströmen kann, ist es erforderlich, dass der Druck im Steuerraum 46 verringert wird. Dies erfolgt durch Ansteuern des Ventils 54, sodass das Steuermedium in den Niederdruckraum 52 abströmen kann. Die zum Öffnen der Düsennadel 34 benötigte Öffnungskraft wird durch das in dem Druckraum 28 gegen die Druckfläche 39 an der Düsennadel 34 wirkende Arbeitsmedium bewirkt.

Zum Schließen der Düsennadel 34 wird durch Schließen des Ventils 54 der hydraulische Druck in dem Steuerraum 46 erhöht, was eine hydraulische (zusätzliche) Schließkraft in Richtung der Schließstellung der Düsennadel 34 bewirkt, wobei die Federkräfte der beiden Schließfedern 64 und 68, zusammen mit der hydraulischen Schließkraft durch das Steuermedium in den Steuerraum 46, größer sein müssen als die in Öffnungsrichtung auf die Düsennadel 34 wirkende Kraft durch das in dem Druckraum 28 befindliche Arbeitsmedium an der Druckfläche 39.

Weiterhin ist es wesentlich, dass bei nicht betriebenem Injektor 10, insbesondere, wenn die Brennkraftmaschine 2 durch den zweiten Injektor 20 mit flüssigem (Otto-) Kraftstoff bzw. Arbeitsmedium betrieben wird, die Düsennadel 34 gegen den im Brennraum 1 herrschenden Brennraumdruck, der typischerweise bis zu etwa 350bar betragen kann, in ihrer Schließstellung verbleibt, was durch die Federkraft der beiden Schließfedern 64, 68 ermöglicht wird. Mit Blick auf den angesprochenen maximalen Brennraumdruck hat es sich dabei als erforderlich herausgestellt, dass die Fläche As der Düsennadel 34 im Bereich des Dichtsitzes 38 maximal 41% der Fläche A _F im Bereich des Führungsdurchmessers der Düsennadel 34 bzw. des Führungsabschnitts 40, und die Fläche Ast des Abschnitts 66 in Höhe der Steuerfläche 65 zwischen 23% und 74% der Fläche A _F im Bereich des Führungsdurchmessers der Düsennadel 34 bzw. des Führungsabschnitts 40 entspricht. Der soweit beschriebene Injektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.