Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoff! n je ktors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Mittels des Kraftstoffinjektors sind ein erster Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, und ein zweiter Kraftstoff, beispielsweise Die selkraftstoff, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringbar. Der Kraftstoff injektor weist hierzu zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln auf.

Stand der Technik

Beim sogenannten NGDI G, Natural Gas Direct Injection“)- Einspritzverfahren wird Erd gas bzw. Methangas unter Hochdruck direkt in den Brennraum einer Brennkraftma schine eingeblasen, mittels einer zuvor abgesetzten Dieselpiloteinspritzung gezündet und diffusiv verbrannt. Dieses Brennverfahren weist gegenüber der konventionellen Dieselverbrennung den Vorteil auf, dass die C0 ₂ -Emissionen um bis zu 25 % reduziert werden können. Darüber hinaus können die Kraftstoffkosten gesenkt werden. Das Brennverfahren weist zudem eine dieselähnliche Verbrennungs- und damit Drehmo- mentencharakteristik auf, so dass die Integration in vorhandene Dieselantriebssysteme möglich ist, und zwar ohne große Änderungen an den Systemkomponenten vorneh men zu müssen.

Beim NGDI-Einspritzverfahren erfolgt die Zumessung der beiden Kraftstoffe mittels ei nes Kraftstoffinjektors, der zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln aufweist. Die äußere Düsennadel, die als Hohlnadel ausgeführt ist, steuert die Gasein blasung. Die innere Düsennadel steuert die Dieselpiloteinspritzung. Das Öffnen und Schließen der beiden Düsennadeln wird jeweils über die Ansteuerung eines Steuerven tils bewirkt. Das heißt, dass jeder Düsennadel ein Steuerventil zugeordnet ist, über dessen Schaltstellung der Steuerdruck in einem Steuerraum beeinflussbar ist, so dass die jeweilige Düsennadel mit einer in Schließrichtung wirkenden hydraulischen Druck kraft beaufschlagbar ist. Wird durch Öffnen eines Steuerventils der Steuerdruck in ei nem Steuerraum abgesenkt, kann dadurch das Öffnen der jeweiligen Düsennadel be wirkt werden.

Um ein zeitlich versetztes Öffnen der beiden Düsennadeln zu ermöglichen, werden die den Düsennadeln zugeordneten Steuerventile unabhängig voneinander angesteuert. Dadurch, dass beide Düsennadeln ineinander geführt sind, wird beim Öffnen der äuße ren Düsennadel die innere Düsennadel zumindest über einen Teilhubbereich mitge führt. Dies führt zu einer unerwünschten Anhebung des an der inneren Düsennadel an liegenden Steuerdrucks, wodurch eine Gegenkraft erzeugt wird, die das Öffnen der äußeren Düsennadel abbremst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsenna deln bereitzustellen, das hohe Nadelöffnungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Auf diese Weise soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Einspritzratenform fülliger auszule gen.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zwei ko axial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln zum Einbringen eines ersten Kraftstoffs, beispielsweise Erdgas, und eines zweiten Kraftstoffs, beispielsweise Die selkraftstoff, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Bei dem Verfahren werden die beiden Düsennadeln mit Hilfe zweier Steuerventile zeitlich versetzt geöffnet und beim Öffnen der äußeren Düsennadel wird die innere Düsennadel zumindest über ei nen Teilhubbereich mitführt. Erfindungsgemäß wird während der Ansteuerphase des der äußeren Düsennadel zugeordneten Steuerventils zum Öffnen der äußeren Düsen- nadel das der inneren Düsennadel zugeordnete Steuerventil zumindest zeitweise ebenfalls angesteuert, so dass einem Anstieg eines an der inneren Düsennadel anlie genden Steuerdrucks entgegengewirkt wird, ohne die innere Düsennadel zu öffnen.

Das vorgeschlagene Verfahren besitzt den Vorteil, dass die prinzipbedingt den Öff nungshub der äußeren Düsennadel abbremsende Gegenkraft deutlich reduziert wird, so dass die äußere Düsennadel schneller öffnet. Die Einspritzratenform kann somit fül liger ausgelegt werden.

Das der inneren Düsennadel zugeordnete Steuerventil kann beim Öffnen der äußeren Düsennadel gleich lang oder kürzer als das der äußeren Düsennadel zugeordnete Steuerventil angesteuert werden. Ist die Ansteuerdauer kürzer gewählt, um beispiels weise einen zu starken Abfall des Steuerdrucks und damit ein Öffnen der inneren Dü sennadel zu verhindern, können beide Steuerventile gleichzeitig oder zeitversetzt an gesteuert werden. Sofern die Ansteuerung zeitversetzt erfolgt, kann es kurzzeitig zu einem geringfügigen Anstieg des an der inneren Düsennadel anliegenden Steuer drucks kommen. Dieser ist jedoch vernachlässigbar, da er durch zeitversetztes Öffnen des der inneren Düsennadel zugeordneten Steuerventils sofort wieder abgebaut wird.

Bevorzugt wird das der inneren Düsennadel zugeordnete Steuerventil nur so lange angesteuert, dass der an der inneren Düsennadel anliegende Steuerdruck beim Öff nen der äußeren Düsennadel nicht weiter ansteigt oder abfällt. Dabei muss gewährleis tet sein, dass die innere Düsennadel nicht öffnet.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das der inneren Düsennadel zugeordnete Steuerventil während der Öffnungsphase der äußeren Düsennadel mehr fach angesteuert wird, so dass über mehrere Einzelansteuerungen einem Anstieg des an der inneren Düsennadel anliegenden Steuerdrucks entgegengewirkt wird. Über mehrere vergleichsweise kurze Einzelansteuerungen kann annähernd kontinuierlich einem Anstieg des an der inneren Düsennadel anliegenden Steuerdrucks entgegen gewirkt werden. Dies erweist sich insbesondere dann als Vorteil, wenn bei permanen ter Ansteuerung des der inneren Düsennadel zugeordneten Steuerventils während ei nes Öffnungshubs der äußeren Düsennadel die Gefahr besteht, dass der an der inne- ren Düsennadel anliegende Steuerdruck so weit abfällt, dass die innere Düsennadel öffnet.

Um mit Ansteuerung der beiden Steuerventile einen Druckabbau im jeweiligen Steuer raum zu erzielen, werden die beiden Steuerventile durch die Ansteuerung geöffnet. Die beiden Steuerventile sind demnach bevorzugt als stromlos geschlossene Ventile aus geführt. Mit Öffnen der beiden Steuerventile werden weiterhin bevorzugt Ablaufdros seln freigegeben, über die der im jeweiligen Steuerraum herrschende Steuerdruck ab gebaut wird. Über den Drosselquerschnitt der Ablaufdrosseln kann der Druckabbau im jeweiligen Steuerraum eingestellt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die beiden Steuerräume über Zulaufdrosseln mit dem zweiten Kraftstoff, vorzugsweise mit Dieselkraftstoff, beaufschlagt werden. Die Ablauf drosseln und die Zulaufdrosseln sind dabei derart aufeinander abzustimmen, dass ei nerseits - bei geöffneter Ablaufdrossel - ein möglichst schneller Druckabbau und ande rerseits - bei geschlossener Ablaufdrossel - ein möglichst schneller Druckaufbau im je weiligen Steuerraum bewirkt werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Zulaufdrossel permanent geöffnet bleibt, so dass über die Zulaufdrossel kontinuierlich Kraftstoff nachströmt. Aufgrund der Verwendung des zweiten Kraftstoffs als Druckmedium muss kein zusätzliches Druckmedium vorgehalten werden, wodurch das Verfahren weiter vereinfacht wird.

Bevorzugt wird zudem der zweite Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, zum Zünden des ersten Kraftstoffs, vorzugsweise Erdgas, verwendet und im Wege einer Pilotein spritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Bei dem vorgeschla genen Verfahren kann es sich demnach insbesondere um ein NGDI-Verfahren han deln, das die eingangs genannten Vorteile aufweist.

Des Weiteren bevorzugt werden Magnetventile als Steuerventile verwendet. Diese sind vergleichsweise einfach und kompakt aufgebaut, so dass ein kompaktbauender Kraft stoffinjektor geschaffen wird. Zeichnung

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ansteuerprofils gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ansteuerprofils gemäß dem er findungsgemäßen Verfahren und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerprofils.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens geeigneter Kraftstoffinjektor zu entnehmen. Der Kraftstoffinjektor weist einen Düsenkörper 17 sowie zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Düsennadeln 1, 2 auf. Die äußere Düsennadel 1, die dem Freigeben und Verschließen von Einblasöffnungen 11 für einen gasförmigen Kraftstoff dient, ist hierzu als Hohlnadel ausgeführt. Über die innere Düsennadel 2, die vorliegend vollständig in der äußeren Düsennadel 1 unter Ausbildung eines Druckraums 16 aufgenommen ist, sind Einspritz öffnungen 12 steuerbar, die der Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffs dienen. Über den Druckraum 16 wird den Einspritzöffnungen 12 flüssiger Kraftstoff zugeführt. Der gasförmige Kraftstoff gelangt über einen Druckraum 15 zu den Einblasöffnungen 11, der einerseits durch den Düsenkörper 17, andererseits durch die äußere Düsennadel 1 begrenzt wird. Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas bzw. Methangas und bei dem flüssigen Kraftstoff um Dieselkraftstoff handeln. Da der Flammpunkt von Methangas so hoch ist, dass keine Selbstzündung erfolgt, wird Dieselkraftstoff zum Zünden verwendet. Der Dieselkraftstoff wird hierzu im Wege einer Piloteinspritzung kurz vor dem Methangas in einen Brennraum (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine eingebracht. Das heißt, dass die innere Düsennadel 2 unabhängig von der äußeren Düsennadel 1 geöffnet wird, um die Piloteinspritzung vorzunehmen.

Zum Öffnen der inneren Düsennadel 2 wird mit Hilfe eines Steuerventils 4 der Steuer druck in einem Steuerraum 6 abgesenkt, der über eine Zulaufdrossel 10 mit dem flüs sigen Kraftstoff beaufschlagt wird. Hierzu wird das Steuerventil 4, das vorliegend als stromlos geschlossenes Magnetventil ausgeführt ist, angesteuert bzw. geöffnet, so dass eine Ablaufdrossel 8 freigegeben wird, über die Kraftstoff aus dem Steuerraum 8 abströmen kann. Durch Absenken des Steuerdrucks im Steuerraum 6 vermag die inne re Düsennadel 2 entgegen der Federkraft einer Feder 14 zu öffnen.

Um anschließend den gasförmigen Kraftstoff über die Einblasöffnungen 11 in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen, wird die äußere Düsennadel 1 ge öffnet. Hierzu wird mit Hilfe eines weiteren Steuerventils 3 der Steuerdruck in einem Steuerraum 5 abgesenkt, der über eine Zulaufdrossel 9 ebenfalls mit dem flüssigen Kraftstoff beaufschlagt wird. Das weitere Steuerventil 3 ist analog dem zuvor beschrie benen Steuerventil 4 als stromlos geschlossenes Magnetventil ausgeführt. Wird das Steuerventil 3 angesteuert, öffnet es und gibt eine Ablaufdrossel 7 frei, so dass Kraft stoff aus dem Steuerraum 5 abströmen kann. In der Folge sinkt der Steuerdruck im Steuerraum 5 und die äußere Düsennadel vermag entgegen der Federkraft einer Fe der 13 zu öffnen. Die beiden Steuerräume 5, 6 sind vorliegend über eine Dichthülse 18 getrennt, so dass die beiden Düsennadeln 1, 2 unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Eine weitere Dichthülse 19 trennt den Steuerraum 5 vom Druckraum 15, so dass eine Vermischung der beiden Kraftstoff vermieden wird.

Die Ansteuerung der beiden Steuerventile 3, 4 zum unabhängigen Öffnen der beiden Düsennadeln 1, 2 ist schematisch in der Fig. 4 dargestellt. Die Kurve A stellt die An steuerung bzw. Bestromung des Steuerventils 4 dar, die zur Realisierung der Dieselpi loteinspritzung zeitlich vor der Ansteuerung des Steuerventils 3 erfolgt (Kurve B). In den darunter liegenden beiden Diagrammen sind der Hubverlauf H der beiden Düsen nadeln 1, 2 sowie der Ratenverlauf R jeweils über der Zeit t dargestellt, wobei sich der Index„D“ auf den flüssigen Kraftstoff und der Index„G“ auf den gasförmigen Kraftstoff beziehen.

Dadurch, dass beide Düsennadeln 1, 2 ineinander geführt sind, wird beim Öffnen der äußeren Düsennadel 1 die innere Düsennadel 2 zumindest über einen Teilhubbereich mitgeführt. Die innere Düsennadel 2 ist dabei geschlossen, so dass lediglich gasförmi ger Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Die beim Öffnen der äußeren Düsennadel 1 mitgeführte innere Düsennadel 2 bewirkt, dass sich das Volumen des Steuerraums 6 verkleinert und der Steuerdruck im Steuerraum 6 ent sprechend ansteigt. Auf diese Weise wird eine hydraulische Gegenkraft erzeugt, wel che die Bewegung der Düsennadeln 1, 2 abbremst.

Um die Gegenkraft zu mindern und das Öffnen der äußeren Düsennadel 1 zu be schleunigen, werden daher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zeit weise beide Steuerventile 3, 4 gleichzeitig angesteuert. Das heißt, dass während des Öffnungshubs der äußeren Düsennadel 1 Kraftstoff aus beiden Steuerräumen 3, 4 ab strömt, so dass das Mitführen der inneren Düsennadel 2 keinen Druckanstieg im Steu erraum 6 bewirkt. Das der inneren Düsennadel 2 zugeordnete Steuerventil 4 muss da bei in der Weise angesteuert werden, dass der Druck im Steuerraum 6 ausreicht, um die innere Düsennadel 2 geschlossen zu halten. Hierzu eignen sich unterschiedliche Ansteuerverfahren.

Ein erstes Ansteuerverfahren ist schematisch in der Fig. 2 dargestellt. Die Kurven A und A‘ geben die Bestromungsdauer und -höhe des der inneren Düsennadel 2 zuge ordneten Steuerventils 4 wieder. Die Kurve B die Bestromungsdauer und -höhe des der äußeren Düsennadel 1 zugeordneten Steuerventils 3. Die beiden Steuerventile 3, 4 werden demnach über einen gewissen Zeitraum gleichzeitig angesteuert, was eine ge ringe Gegenkraft und damit ein schnelleres Öffnen der äußeren Düsennadel 1 zur Fol ge hat. Dies schlägt sich im Hubverlauf der äußeren Düsennadel 1 (Kurve H _G ) und dem zugehörigen Ratenverlauf (Kurve R _G ) nieder, die im Vergleich zur Fig. 4 deutlich fülliger sind (die Kurven H _G und R _G aus der Fig. 4 sind zur Verdeutlichung in der Fig. 2 jeweils gestrichelt dargestellt). Ein zweites Ansteuerverfahren ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt. Dieses unter scheidet sich von dem Ansteuerverfahren der Fig. 2 dadurch, dass während der An steuerung des Steuerventils 3 zum Öffnen der äußeren Düsennadel 1 das der inneren Düsennadel 2 zugeordnete Steuerventil 4 mehrfach kurz hintereinander angesteuert wird (Kurve A‘). Dadurch kann einem zu starken Druckabfall im Steuerraum 6 entge gengewirkt werden, so dass sichergestellt ist, dass die innere Düsennadel 2 während des Öffnungshubs der äußeren Düsennadel 1 geschlossen bleibt.