Titel:

Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs, Kraftstoffeinspritzventil

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen

Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer solchen

Düsenbaugruppe.

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 in der Re gel mittels eines Kraftstoffeinspritzventils, das zwei koaxial angeordnete, ineinander ge führte Düsennadeln besitzt. Die äußere Düsennadel steuert die Einspritzung des gas förmigen Kraftstoffs, die innere Düsennadel die Dieselpiloteinspritzung. Da beide Dü sennadeln in der Regel hydraulisch angesteuert werden, gilt es Maßnahmen zur Medi- entrennung zu treffen. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass gasförmiger Kraftstoff in den Bereich für den flüssigen Kraftstoff gelangt. In der Regel liegt daher der Gas druck unter dem Druck des flüssigen Kraftstoffs. Der Druckunterschied kann beispiels weise 20 bar betragen. Eine auf diese Weise geförderte Leckage des flüssigen Kraft stoffs in den Gasbereich wird hingenommen.

Liegt der Gasdruck deutlich unter dem Druck des flüssigen Kraftstoffs, beispielweise um einen reinen Dieselbetrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, besteht die Ge fahr, dass der im Wege der Leckage in den Gasbereich gelangende Dieselkraftstoff zu einem ungewollten Öffnen der Düsennadel für den gasförmigen Kraftstoff führt. Um dies zu verhindern, wird in der DE 10 2016 203 916 Al ein federelastisches hülsenför miges Dichtelement vorgeschlagen, das einerseits mit einer beweglichen Dichtscheibe, andererseits mit einem Düsenkörper fluiddicht verbunden ist und die Dichtscheibe mit einer axialen Vorspannkraft in Richtung einer an der äußeren Düsennadel ausgebilde ten Dichtfläche beaufschlagt. Die Vorspannkraft wirkt dabei zugleich als Dichtkraft.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder eines flüssigen Kraftstoffs anzugeben, die eine sichere Medientrennung ermöglicht und zudem möglichst einfach aufgebaut ist.

Ferner soll eine sichere Medientrennung unabhängig vom jeweiligen Düsenkonzept ei nes Kraftstoffeinspritzventils bewirkt werden, so dass die Erfindung auf Kraftstoffein spritzventile mit einem Koaxialdüsenkonzept (siehe beispielhaft Fig. 3a), mit einem Pa ralleldüsenkonzept (siehe beispielhaft Fig. 3b) oder mit zwei getrennten Düsen (siehe beispielhaft Fig. 3c) anwendbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer solchen Düsenbaugruppe angegeben. Offenbarung der Erfindung

Die für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst mindestens eine hubbewegliche Düsennadel, die an ihrem brennraumabgewandten Ende einen mit einem flüssigen Kraftstoff beaufschlagbaren Steuerraum begrenzt und zur Medientrennung zumindest abschnittsweise von einem Körperbauteil und einem federelastischen hülsenförmigen Dichtelement umgeben ist. Erfindungsgemäß ist das federelastische hülsenförmige Dichtelement fluiddicht mit der Düsennadel verbunden.

Die fluiddichte Verbindung des federelastischen hülsenförmigen Dichtelements mit der äußeren Düsennadel gewährleistet eine sichere Medientrennung, so dass keine Ver mischung der beiden Kraftstoffe erfolgt. Denn vorzugsweise wird über die Hubbewe gung der Düsennadel die Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffs gesteuert, während die Hubbewegung der Düsennadel hydraulisch mittels des flüssigen Kraftstoffs ge steuert wird. Die Gefahr einer Vermischung der beiden Kraftstoffe wird somit deutlich reduziert. Insbesondere kann eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs in den Gasbereich verhindert werden.

Durch eine vollständige Unterbindung der Leckage des flüssigen Kraftstoffs, vorzugs weise Dieselkraftstoff, in den Gasbereich können folgende Funktionsbeeinträchtigun gen beseitigt werden:

1. Die Ausbildung eines„Dieselsumpfs“, der sich in Schubphasen der Brennkraft maschine in einem Düsenschaftbereich der Düsenbaugruppe oberhalb eines Dichtsitzes der Düsennadel ausbildet, so dass beim Übergang in den nächsten befeuerten Betriebspunkt während der ersten Einspritzungen eine zu große Die selmenge und damit Energiemenge in den Brennraum eingebracht wird. Diese beeinträchtigt nicht nur den Fahrkomfort, sondern auch die Standfestigkeit der Brennkraftmaschine aufgrund zu hohen Brennraumdrücken bis wieder gasförmi ger Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. 2. Die Zertifizierung eines Kraftfahrzeugs mit Gasantrieb erfordert, dass mindestens 90 % der benötigten Energie durch Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs erbracht wird („Gas-Energy-Ratio“). Die in den Gasbereich gelangende Lecka gemenge des flüssigen Kraftstoffs kann dazu führen, dass dieser Wert nicht er reicht wird.

3. Eine Flutung des Gasbereichs mit flüssigem Kraftstoff (Dieselkraftstoff) bei rei nem Dieselbetrieb des Kraftfahrzeugs, da in diesem Betriebszustand kurzzeitig Druckunterschiede bis zu 500 bar auftreten können.

Ferner wird eine Gasleckage in den Bereich des flüssigen Kraftstoffs sicher vermieden, und zwar auch nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine, wenn im Gasbereich ein Druck von etwa 25 bar vorgehalten wird, während im Bereich für den flüssigen Kraft stoff lediglich Umgebungsdruck herrscht.

Zur fluiddichten Verbindung ist das federelastische hülsenförmige Dichtelement mit der Düsennadel fest verbunden bzw. dauerhaft an der Düsennadel befestigt. Das heißt, dass sich das an der Düsennadel befestigte Ende mit der Düsennadel hin und her be wegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das federelastische hül senförmige Dichtelement über sein brennraumseitiges Ende mit der Düsennadel fluid dicht verbunden. Das heißt, dass flüssiger Kraftstoff zwischen das Dichtelement und die Düsennadel gelangen kann, so dass radial innen und radial außen am Dichtele ment unterschiedliche Drücke anliegen. Über den Differenzdruck zwischen innen und außen kann eine auf die Düsennadel wirkende Schließkraft erzeugt werden, die bei entsprechender Auslegung eine separate Schließfeder entbehrlich macht.

Vorteilhafterweise weist die Düsennadel einen ringförmigen Absatz oder einen Ring bund zur fluiddichten Verbindung mit dem federelastischen hülsenförmigen Dichtele ment auf. Über den Absatz bzw. Ringbund kann eine Abstützung des Dichtelements in axialer Richtung erreicht werden, so dass die Dichtstelle einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. Der Absatz bzw. der Ringbund bildet eine hydraulisch wirksame Fläche aus, die von flüssigem Kraftstoff beaufschlagt ist. Liegt der Druck des flüssigen Kraft- Stoffs über dem Gasdruck, kann über den Absatz bzw. Ringbund eine auf die Düsen nadel wirkende Schließkraft erzeugt werden.

Weiterhin bevorzugt ist das federelastische hülsenförmige Dichtelement über sein brennraumabgewandtes Ende mit dem Körperbauteil fluiddicht verbunden, das die Dü sennadel zumindest abschnittsweise umgibt. Über das Körperbauteil kann eine weitere Abstützung des Dichtelements in axialer Richtung erreicht werden. Zwischen dem Dichtelement und der Düsennadel verbleibt vorzugsweise ein Ringraum, der über ei nen radialen Spalt zwischen dem Körperbauteil und der Düsennadel an einen mit flüs sigem Kraftstoff beaufschlagten Druckraum angebunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass flüssiger Kraftstoff zwischen das Dichtelement und die Düsennadel gelangen kann, um beispielsweise eine zusätzliche, auf die Düsennadel wirkende hydraulische Schließkraft zu erzeugen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das die Düsennadel zumin dest abschnittsweise umgebende Körperbauteil einen kragenförmigen Abschnitt zur Führung der Düsennadel und/oder zur fluiddichten Verbindung mit dem federelasti schen hülsenförmigen Dichtelement aufweist. Der kragenförmige Abschnitt erleichtert die Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Körperbauteil und dem Dichtelement.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel einen im Körperbauteil auf genommenen Endabschnitt aufweist. Auf diese Weise kann eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erzielt werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum im Körperbauteil ausgebildet ist, das den Endab schnitt der Düsennadel aufnimmt.

Ferner bevorzugt ist im Körperbauteil mindestens eine als Zu- und/oder Ablauf für den flüssigen Kraftstoff dienende Drosselbohrung ausgebildet, die mit dem Steuerraum verbunden ist. Bei dem Körperbauteil kann es sich demnach insbesondere um eine Drosselplatte handeln, die an einen Düsenkörper axial angesetzt und vorzugsweise mittels einer Düsenspannmutter mit dem Düsenkörper axial verspannt ist. Dies ermög licht einen einfachen Aufbau der Düsenbaugruppe. Des Weiteren bevorzugt ist im Körperbauteil mindestens ein Zulaufkanal für den gas förmigen und/oder flüssigen Kraftstoff ausgebildet. Der Zulaufkanal stellt den Zulauf von Kraftstoff in Richtung mindestens einer Einspritzöffnung sicher, über welche der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Vorzugsweise sind ein erster Zulaufkanal radial außen und ein zweiter Zulaufkanal radial innen in Be zug auf das federelastische hülsenförmigen Dichtelement angeordnet. Über den ersten Zulaufkanal kann in diesem Fall gasförmiger Kraftstoff in Richtung mindestens einer Einspritzöffnung für den gasförmigen Kraftstoff und über den zweiten Zulaufkanal flüs siger Kraftstoff in Richtung mindestens einer Einspritzöffnung für den flüssigen Kraft stoff zugeführt werden. Diese Ausführung erleichtert die Umsetzung eines Koaxialdü senkonzepts.

Bevorzugt trennt das federelastische hülsenförmige Dichtelement einen mit dem gas förmigen Kraftstoff beaufschlagbaren ersten Druckraum von einem mit dem flüssigen Kraftstoff beaufschlagbaren zweiten Druckraum, so dass außen und innen am Dich telement unterschiedliche Drücke anliegen. Vorzugsweise liegt radial außen der Gas druck und radial innen der Druck des flüssigen Kraftstoffs an. Die Druckdifferenz kann zur Erzeugung einer auf die Düsennadel wirkenden hydraulischen Schließkraft genutzt werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das federelastische hülsenförmige

Dichtelement als Well- oder Faltenbalg ausgeführt ist. In dieser Ausgestaltung ist das Dichtelement in der Lage, die Hubbewegungen der Düsennadel zuzulassen. Die Länge des Dichtelements in axialer Richtung ist entsprechend dem Hub der Düsennadel aus zulegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Düsennadel zumin dest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführt und umgibt zumindest abschnittsweise eine koaxial angeordnete weitere Düsennadel. Die weitere Düsennadel kann zur Steu erung der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffs verwendet werden. Gleichwohl die bei den Düsennadeln ineinander geführt sind, kann mittels des federelastischen hülsen förmigen Dichtelements eine sichere Medientrennung bewirkt werden. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe

vorgeschlagen. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe gewähr leistet eine sichere Medientrennung bei zugleich einfachem Aufbau der Düsenbau gruppe.

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

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße

Düsenbaugruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße

Düsenbaugruppe gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 3 a)-c) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch bekannte Kraftstoffein spritzventile mit a) koaxial angeordneten Düsennadeln, b) parallel angeordneten Dü sennadeln und c) mit zwei Düsen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkör per 13, in dem ein mit einem gasförmigen Kraftstoff beaufschlagbarer Druck raum llausgebildet ist, der radial innen von einem federelastischen hülsenförmigen Dichtelement 4 begrenzt wird. Das Dichtelement 4 ist über ein brennraumseitiges En de 4.1 mit einer hubbeweglichen Düsennadel 1 und über ein brennraumabgewandtes Ende 4.2 mit einem Körperbauteil 3 fluiddicht verbunden. Das Dichtelement 4 ist vorlie gend als Wellbalg ausgeführt, so dass es Hubbewegungen der Düsennadel 1 zulässt. Über die Hubbewegungen der Düsennadel 1 sind Einspritzöffnungen 14 zum Einsprit zen des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine freigeb- bar oder verschließbar. Die Düsennadel 1 ist als Hohlnadel ausgeführt und umgibt einen mit einem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise mit Dieselkraftstoff, beaufschlagbaren weiteren Druckraum 12, der radial innen von einer weiteren hubbeweglichen Düsennadel 2 begrenzt wird. Über die Hubbewegungen der inneren Düsennadel 2 sind im Düsenkörper 13 ausgebildete Einspritzöffnungen 15 zum Einspritzen des flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine freigebbar und verschließbar. Die innere Düsennadel 2 ist dabei über die äußere Düsennadel 1 geführt.

Das mit dem Dichtelement fluiddicht verbundene Körperbauteil 3 weist brennraumseitig einen kragenförmigen Abschnitt 6 auf, in dem ein Endabschnitt der äußeren Düsenna del 1 aufgenommen ist. Die äußere Düsennadel 1 begrenzt auf diese Weise einen Steuerraum 7, der über eine erste Drosselbohrung 8 mit flüssigem Kraftstoff beauf schlagbar und über eine zweite Drosselbohrung 8 entlastbar ist. Auf diese Weise kann ein auf der äußeren Düsennadel 1 lastender Steuerdruck verändert werden, um das Öffnen und Schließen der Düsennadel 1 zu bewirken. Der Steuerraum 7 ist über eine Dichthülse 16 von einem weiteren Steuerraum 17 getrennt, der über Drosselbohrun gen 8 ebenfalls mit flüssigem Kraftstoff beaufschlagbar bzw. entlastbar ist. Über den Steuerdruck im Steuerraum 17 kann somit die Hubbewegung der inneren Düsenna del 2 gesteuert werden. Die Dichthülse 16 ist mittels der Federkraft einer Feder 18 ge gen das Körperbauteil 3 axial vorgespannt, die hierzu einerseits an der Dichthülse 16, andererseits an der inneren Düsennadel 2 abgestützt ist. Die Feder 18 bewirkt dem nach zugleich eine auf die innere Düsennadel 2 wirkende Schließkraft.

Der Zulauf des gasförmigen Kraftstoffs in den Druckraum 11 erfolgt über einen ersten im Körperbauteil 3 ausgebildeten Zulaufkanal 9, der radial außen in Bezug auf das fe derelastische hülsenförmige Dichtelement 4 angeordnet ist. Über einen weiteren im Körperbauteil 3 ausgebildeten Zulaufkanal 10, der radial innen in Bezug auf das Dich telement 4 angeordnet ist, kann der Druckraum 12 mit flüssigem Kraftstoff befüllt wer den. Der Druckraum 12 erstreckt sich hierzu über Radialbohrungen 19 bis in einen Ringraum hinein, der zwischen dem Dichtelement 4 und der äußeren Düsennadel 1 ausgebildet wird. Der Ringraum wird in axialer Richtung von einem Ringbund 5 der äu ßeren Düsennadel 1 begrenzt, der zugleich der fluiddichten Verbindung des federelas tischen hülsenförmigen Dichtelements 4 mit der äußeren Düsennadel 1 dient. Radial innen in Bezug auf das Dichtelement 4 wird demnach der Ringbund 5 von dem flüssi- gen Kraftstoff beaufschlagt. Auf den Ringbund 5 wirkt somit eine hydraulische Schließ kraft, die das Schließen der äußeren Düsennadel 1 bewirkt oder zumindest unterstützt.

Der Fig. 2 ist ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil mit ei- ner Düsenbaugruppe mit nur einer Düsennadel 1 zu entnehmen. Die Düsennadel 1 steuert die Einspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs. Analog der Fig. 3b kann parallel zur Düsennadel 1 eine weitere Düsennadel 2 zur Steuerung der Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffs angeordnet sein. Die in der Fig. 2 dargestellte Düsenbaugruppe kann aber auch analog der Fig. 3c ausgebildet sein, so dass die weitere Düsennadel 2 Bestandteil einer weiteren Düsenbaugruppe ist (in der Fig. 3c angedeutet durch einen

Kasten 20).

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das federelastische hülsenförmige Dich telement 4 wiederum als Wellbalg ausgeführt. Der Wellbalg ist an seinem brennraum- seitigen Ende 4.1 fest und somit fluiddicht mit der Düsennadel 1 verbunden, und zwar im Bereich eines Ringbunds 5 der Düsennadel 1. Das brennraumabgewandte Ende 4.2 des Dichtelements 4 ist fest bzw. fluiddicht mit einem Körperbauteil 3 verbunden, das die Düsennadel 1 abschnittsweise umgibt und der Führung der Düsennadel 1 dient. Über den Führungsbereich kann flüssiger Kraftstoff in einen Druckraum 12 gelangen, der radial außen durch das Dichtelement 4 abgedichtet ist. Das Dichtelement 4 trennt somit den Druckraum 12 von einem Druckraum 11, der mit gasförmigem Kraftstoff be aufschlagt ist. Über den Ringbund 5 und den hydraulischen Druck im Druckraum 12 kann eine in Schließrichtung auf die Düsennadel 1 wirkende hydraulische Kraft gene riert werden.

Hinsichtlich der Figuren 3a bis 3c wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen, da diese den Stand der Technik wiedergeben und nur der Veranschaulichung möglicher Düsenkonzepte dienen.