Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, Kraftstoffinjektor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor vorge schlagen, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.

Der Kraftstoffinjektor kann als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor ausgebildet sein. Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h.„Natural Gas“) handeln.

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 einem erhöhten

Stickoxidausstoß 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 Kraftstoffinjektor 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 G, global warming“) ebenfalls nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einblasrate beim Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine lastabhängig zu gestalten, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, der eine mit einem Dichtsitz zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung umfasst. Über die Einblasöffnung wird ein gasförmiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen. Erfindungsgemäß wird der Zustrom von gasförmigem Kraftstoff in Richtung des Dicht sitzes durch Verändern eines freien Strömungsquerschnitts im Strömungspfad des gasförmigen Kraftstoffs lastabhängig eingestellt, so dass der Zustrom von gasförmigem Kraftstoff in Richtung des Dichtsitzes bei Teillast geringer als bei Volllast ist.

Der geringere Zustrom von gasförmigem Kraftstoff bei Teillast der Brennkraftmaschine führt zu einer verringerten Gasmenge und damit zu einem verringerten Gasdruck vor der mindestens einen Einblasöffnung. Folglich ist auch die Einblasrate bei Teillast nied riger als bei Volllast. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht auf diese Weise eine lastabhängige Formung der Einblasrate. Entsprechend können die eingangs genann ten, mit zu großen Einblasraten einhergehenden Nachteile vermieden werden.

Bevorzugt wird der freie Strömungsquerschnitt im Strömungspfad des gasförmigen Kraftstoffs mit Hilfe eines verdrehbaren und/oder verschiebbaren Sperrelements ver ändert. Das Sperrelement erfüllt damit die Funktion eines in den Strömungspfad inte grierten Druckreglers, dessen Absteuermenge zugleich die benötigte Einblasmenge darstellt. Das Sperrelement wird dabei bevorzugt um eine Längsachse A des Kraftstoff injektors verdreht und/oder parallel zur Längsachse A verschoben.

Das Verdrehen und/oder Verschieben des Sperrelements kann unabhängig vom Hub der Düsennadel bewirkt werden. Das heißt, dass die lastabhängige Formung der Ein blasrate unabhängig vom Hub der Düsennadel erfolgt.

Weiterhin bevorzugt wird ein hülsenförmiges Sperrelement mit mindestens einer um fangseitigen Öffnung zum Verändern des freien Strömungsquerschnitts im Strömungs pfad verwendet. Die umfangseitige Öffnung wird bei Volllast in vollständiger und bei Teillast in teilweiser Überdeckung mit dem freien Strömungsquerschnitt im Strömungs pfad gebracht. Die mindestens eine Öffnung definiert dann den maximal freien Strö mungsquerschnitt, der durch Verdrehen und/oder Verschieben des hülsenförmigen Sperrelements eingeschränkt werden kann, da sich das Sperrelement - ähnlich einer Blende - vor den freien Strömungsquerschnitt schiebt und diesen teilweise abdeckt.

Das Verdrehen und/oder Verschieben des Sperrelements kann hydraulisch, pneuma tisch, elektrisch oder elektromagnetisch bewirkt werden. Die Umsetzung des erfin dungsgemäßen Verfahrens kann demnach auf vielfältige Weise realisiert werden. Das Verdrehen des Sperrelements wird vorzugsweise mit Hilfe einer exzentrisch angreifen den Kraft bewirkt, die wiederum hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder elektromag netisch erzeugt werden kann. Dadurch, dass die Kraft exzentrisch angreift, wird ein Drehmoment erzeugt, das zu der gewünschten Verdrehung des Sperrelements führt.

Das Verdrehen und/oder Verschieben des Sperrelements kann in diskreten Schritten oder stufenlos erfolgen. Beispielsweise kann durch einen Anschlag eine Endlage und damit eine maximale Verdrehung bzw. Verschiebung des Sperrelements vorgegeben werden. Das Sperrelement kann in diesem Fall in mindestens zwei diskrete Positionen gebracht werden.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die zum Verdre hen des Sperrelements erforderliche exzentrisch angreifende Kraft mit Hilfe eines Stellglieds, insbesondere mit Hilfe eines druckbeaufschlagten Kolbens, aufgebracht.

Die Längsachse des Kolbens ist hierzu im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse A des Kraftstoff injektors orientiert, welche vorzugsweise die Drehachse darstellt und wei terhin vorzugsweise mit der Längsachse des Sperrelements zusammenfällt. Die Längsachse des Kolbens darf dabei die Längsachse A des Kraftstoff injektors nicht schneiden, da andernfalls keine exzentrisch angreifende Kraft aufgebracht wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die exzentrisch angreifende Kraft mit Hilfe mindestens eines Magneten, insbesondere mit Hilfe eines Elektromag neten, erzeugt. Je nach Bestromungsart kann auf diese Weise auch eine Rückstellung des Sperrelements in seine Ausgangslage realisiert werden.

Um in einer besonders einfachen Weise eine Rückstellung des Sperrelements zu be wirken, wird vorgeschlagen, dass das Sperrelement entgegen der Federkraft einer Fe der verdreht wird. Sobald die exzentrisch angreifende Kraft zur Erzeugung eines Drehmoments weggenommen wird, stellt die Feder das Sperrelement automatisch in seine Ausgangslage zurück. Dies gilt vorzugsweise analog für den Fall, dass das Sper relement - alternativ oder ergänzend - verschoben wird.

Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Der Kraftstoffinjektor umfasst eine mit einem Dichtsitz zu sammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen min destens einer Einblasöffnung, über welche gasförmiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einblasbar ist. Erfindungsgemäß ist ein verdrehbares und/oder verschiebbares Sperrelement zur Veränderung eines freien Strömungsquer schnitts in einem Strömungspfad für den gasförmigen Kraftstoff vorgesehen.

Durch Verdrehen und/oder Verschieben des Sperrelements kann der freie Strömungs querschnitt im Strömungspfad für den gasförmigen Kraftstoff verringert werden, so dass bei Teillast weniger Kraftstoff in Richtung des Dichtsitzes und damit in Richtung der mindestens einen Einblasöffnung strömt. Mit der Gasmenge reduziert sich auch der Gasdruck vor der Einblasöffnung, so dass die Einblasrate bei Teillast niedriger ist.

Da der Kraftstoffinjektor zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemä ßen Verfahrens geeignet ist, können mit Hilfe des Kraftstoffinjektors dieselben Vorteile erzielt werden. Insbesondere kann eine lastabhängige Formung der Einblasrate unab hängig vom Hub der Düsennadel bewirkt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sperrelement hül senförmig ausgebildet und weist mindestens eine umfangseitige Öffnung auf, die wahlweise in vollständiger oder teilweiser Überdeckung mit dem freien Strömungs querschnitt im Strömungspfad für den gasförmigen Kraftstoff bringbar ist. Vorzugswei se wird die umfangseitige Öffnung bei Volllast in vollständiger und bei Teillast in teil weiser Überdeckung mit dem freien Strömungsquerschnitt im Strömungspfad gebracht. Die mindestens eine Öffnung definiert bei Volllast den maximal freien Strömungsquer schnitt, der durch Verdrehen und/oder Verschieben des hülsenförmigen Sperrelements eingeschränkt werden kann. Dabei schiebt sich das Sperrelement - ähnlich einer Blen de - vor den freien Strömungsquerschnitt und deckt diesen teilweise ab.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Sperrelement eine ex zentrisch angeordnete Kraftangriffsfläche aufweist. Greift an dieser Fläche eine Kraft an, wird aufgrund der Exzentrizität der Fläche ein Drehmoment erzeugt, das zu einer Verdrehung des Sperrelements führt. Vorzugsweise ist die exzentrisch angeordnete Kraftangriffsfläche parallel zur Längsachse A des Kraftstoffinjektors ausgerichtet. Zur Ausbildung der exzentrisch angeordneten Kraftangriffsfläche kann beispielsweise das Sperrelement einen außenumfangseitig angeordneten parallel zur Längsachse verlau fenden Steg aufweisen.

Ferner bevorzugt sind Stellmittel zum Verdrehen und/oder Verschieben des Sperrele ments vorgesehen. Mit Hilfe der Stellmittel ist die zum Verdrehen und/oder Verschie ben erforderliche Kraft erzeugbar und/oder auf das Sperrelement übertragbar. Die Stellmittel können beispielsweise einen druckbeaufschlagbaren Kolben, einen Elektro magneten, einen Permanentmagneten und/oder eine Feder umfassen. Mit Hilfe der Feder können insbesondere Rückstellkräfte erzeugt werden, wenn das Sperrelement entgegen der Federkraft der Feder verdreht und/oder verschoben wird. Hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung und Wirkungsweise der Stellmittel wird zwecks Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen in Zusammenhang mit dem erfindungsge mäßen Verfahren weiter oben verwiesen. Nachfolgend werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte

Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Kraftstoffinjektor beschränkt auf den Bereich der Düse,

Fig. 2 einen schematische Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor der Fig. 1 im Be reich des Sperrelements bei maximalem Zustrom,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor der Fig. 1 im Be reich des Sperrelements bei verringertem Zustrom,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich von Stellmitteln zum Verdrehen des Sperrelements,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich von Stellmitteln zum Verdrehen des Sperrelements,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch einen vierten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich von Stellmitteln zum Verdrehen des Sperrelements und

Fig. 7 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjek tor umfasst einen Düsenkörper 14, in dem eine Düsennadel 2 zum Freigeben und Ver schließen mehrerer Einblasöffnungen 3 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsenna del 2 wirkt dabei mit einem Dichtsitz 1 zusammen, der durch den Düsenkörper 14 aus gebildet wird. Hebt die Düsennadel 2 vom Dichtsitz 1 ab, vermag ein gasförmiger Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann, über einen Strö mungspfad 5 in Richtung der Einblasöffnungen 3 zu strömen. Der gasförmige Kraftstoff wird dann über die Einblasöffnungen 3 in einen Brennraum 4 einer Brennkraftmaschine eingeblasen. Der Strömungspfad 5 wird im Bereich der Einblasöffnungen 3 durch eine zentrale Boh rung 15 des Düsenkörpers 14 gebildet. Die Bohrung 15 ist als Stufenbohrung ausge führt, so dass ein ringförmiger Absatz 17 ausgebildet wird, der vorliegend konisch ge formt ist. An dem Absatz 17 ist ein hülsenförmiges Sperrelement 6 mit umfangseitigen Öffnungen 7 abgestützt und mittels der Federkraft einer Feder 13 gegen den Absatz 17 axial vorgespannt. Die Düsennadel 2 ist durch das hülsenförmige Sperrelement 6 und die Feder 13 hindurchgeführt, so dass der Hub der Düsennadel 2 durch das Sperrele ment 6 und/oder die Feder 13 nicht beeinträchtigt wird. Radial außen in Bezug auf das hülsenförmige Sperrelement 6 weist der Düsenkörper 14 zwei seitlich angeordnete Bohrungen 16 auf (siehe auch Figuren 2 und 3), die ebenfalls Teil des Strömungs pfads 5 für den gasförmigen Kraftstoff sind.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, können die Öffnungen 7 des Sperrelements 6 in voll ständiger Überdeckung mit den Bohrungen 16 des Düsenkörpers 14 gebracht werden. In dieser Position des Sperrelements 6 ist der Zustrom von gasförmigem Kraftstoff über den Strömungspfad 5 maximal. Diese Position nimmt das Sperrelement 6 vorzugswei se bei Volllast der Brennkraftmaschine ein.

Wie ferner der Fig. 3 zu entnehmen ist, können die Öffnungen 7 durch Verdrehen des Sperrelements 6 auch nur in teilweiser Überdeckung mit den Bohrungen 16 des Dü senkörpers 14 gebracht werden. In dieser Position deckt das Sperrelement 6 die Boh rungen 16 teilweise bzw. fast vollständig ab, so dass weniger Kraftstoff in die zentrale Bohrung 15 des Düsenkörpers 14 strömt. Diese Position nimmt das Sperrelement 6 bevorzugt bei Teillast der Brennkraftmaschine ein. Denn aufgrund des verringerten Zu stroms nimmt auch der Gasdruck vor den Einblasöffnungen 3 ab, so dass die Einblas rate niedriger ist. Mit Hilfe des verdrehbaren Sperrelements 6 ist demnach eine lastab hängige Formung der Einblasrate realisierbar.

Das Verdrehen des hülsenförmigen Sperrelements 6 kann auf unterschiedliche Art und Weise bewirkt werden. Anhand der Figuren 4 bis 6 werden beispielhaft verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind Stellmitel zum Verdrehen des Sperrele ments 6 vorgesehen, die einen druckbeaufschlagbaren Kolben 10 und eine Feder 8 umfassen. Der Kolben 10 liegt an einer exzentrisch angeordneten Kraftangriffsfläche 9 des Sperrelements 6 an. Andernends begrenzt der Kolben 10 einen Druckraum 18, der mit einem Druckmitel, beispielsweise mit einem hydraulischen Druckmitel, beauf schlagbar ist. Auf den Kolben 10 wirkt somit eine Druckkraft, die vom Kolben 10 auf die Kraftangriffsfläche 9 übertragen wird und ein Drehmoment erzeugt. Dieses führt dazu, dass das Sperrelement 6 entgegen der Federkraft der Feder 8 um eine Längsachse A (siehe Fig. 1) des Kraftstoffinjektors verdreht wird. Wird der Druck im Druckraum 18 anschließend wieder gesenkt, stellt die Federkraft der Feder 8 das Sperrelement 6 in seine Ausgangslage zurück.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 5 dargestellt. Hier umfassen die Stell mitel einen Elektromagneten 11, der bei Bestromung eine Magnetkraft erzeugt, die auf die exzentrische Kraftangriffsfläche 9 des Sperrelements 6 wirkt und ein Drehmoment erzeugt. Das Sperrelement 6 wird auch hier entgegen der Federkraft einer Feder 8 verdreht, so dass die Feder 8 die Rückstellung des Sperrelements 6 bewirkt, wenn die Bestromung des Elektromagneten 11 beendet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 werden ein Elektromagnet 11 und ein Perma nentmagnet 12 als Stellmitel eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass eine Feder 8 zur Rückstellung verzichtbar ist, da das Sperrelement 6 aufgrund des Permanentmagne ten 12 selbstständig in seine Ausgangslage zurückfindet.

Wie dem Schaltbild der Fig. 7 zu entnehmen ist, kann durch das Sperrelement 6 eine variable Drosselstelle 21 im Strömungspfad 5 des gasförmigen Kraftstoffs geschaffen werden. Weiter stromabwärts stellt der Dichtsitz 1 eine weitere variable Drosselstel le 20 dar, die vom Hub der Düsennadel 2 abhängig ist. Die Einblasöffnungen 3 bilden jeweils eine Drosselstelle 19 aus, deren Querschnit konstant ist. Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren zur lastabhängigen Formung der Einblasrate wird lediglich der Drosselquerschnit im Bereich der variablen Drosselstelle 21 verändert, und zwar vor zugsweise unter Berücksichtigung des Brennraumdrucks. Der Kraftstoffinjektor kann hierzu eine Anbindung 22 an den Brennraum 4 aufweisen, so dass die Düsennadel 2 sowohl in Öffnungsrichtung, als auch in Schließrichtung von Brennraumdruck beaufschlagt ist.