Titel:

Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, Kraftstoffinjektor

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit den Merk malen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoff injektor mit einer solchen Düsenbaugruppe. Der Kraftstoffinjektor dient dem Einbringen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brenn kraftmaschine. Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (englisch:„Natural Gas“, abgekürzt„NG“) handeln.

Stand der Technik

Beim sogenannten NGDI-Einspritzverfahren (englisch:„Natural Gas Direct Injection“) wird Erdgas direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen, mittels einer zuvor abgesetzten Dieselpiloteinspritzung gezündet und anschließend diffusiv verbrannt. Die Verbrennung von Erdgas weist gegenüber der konventionellen Diesel verbrennung insbesondere den Vorteil auf, dass die C0 ₂ -Emissionen um bis zu 25% reduziert werden können. Dabei weist Erdgas eine dieselähnliche Verbrennungs- und damit Drehmomentscharakteristik auf, so dass der Integrationsgrad in bestehende Die selantriebssysteme hoch ist. Das heißt, dass in der Regel nur geringe Änderungen an Brennkraftmaschine, Kühlsystem und/oder Abgasnachbehandlungssystem erforderlich sind.

Zum direkten Einspritzen von Erdgas und Dieselkraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann ein sogenannter Zweikraftstoff- oder Dual-Fuel-Injektor ver wendet werden. Dieser kann beispielsweise zwei koaxial angeordnete, ineinander ge führte Düsennadeln aufweisen, wobei die äußere Düsennadel mindestens eine Ein blasöffnung zum Einbringen bzw. Einblasen des Erdgases und die innere Düsennadel mindestens eine Einspritzöffnung zum Einbringen bzw. Einspritzen des Dieselkraft stoffs steuert. Ein derartiger Dual-Fuel-Injektor ist beispielsweise aus der Offenle gungsschrift DE 10 2014 225 167 Al bekannt.

Um eine hohe Effizienz bei der Verbrennung von Erdgas zu erreichen, wird ein maxi maler Gasanteil („Gas Energy Ratio“, GER) angestrebt. Das heißt, dass die zum Zün den im Wege der Piloteinspritzung eingespritzte Dieselmenge möglichst klein gehalten wird. In diesem Zusammenhang erweisen sich demnach besonders kleine Öffnungs querschnitte für die Einspritzung von Dieselkraftstoff als vorteilhaft. Soll darüber hinaus ein„Diesel-Only“-Betrieb der Brennkraftmaschine möglich sein, um beispielsweise ei nen Kaltstart oder einen Notbetrieb zu ermöglichen, muss die Einspritzmenge deutlich angehoben werden. Besonders kleine Öffnungsquerschnitte sind in diesem Zusam menhang wenig zielführend, so dass in der Regel eine Größe gewählt wird, die eine Kompromisslösung darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffin jektor zum Einbringen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, die - je nach Betriebsart der Brenn kraftmaschine - eine Optimierung der Einspritzmenge des flüssigen Kraftstoffs ermög licht. Auf diese Weise soll eine weitere Effizienzsteigerung bei der Verbrennung der Kraftstoffe erreicht werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des An spruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsge mäßen Düsenbaugruppe angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor zum Einbringen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftma schine umfasst einen Düsenkörper und zwei koaxial angeordnete Düsennadeln. Die zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführte äußere Düsennadel steuert da bei das Einbringen des gasförmigen Kraftstoffs über mindestens eine Einblasöffnung. Die innere Düsennadel steuert das Einbringen des flüssigen Kraftstoffs über mindes tens eine Einspritzöffnung. Erfindungsgemäß bilden mehrere Einspritzöffnungen einen ersten Lochkreis sowie einen in einem axialen Abstand zum ersten Lochkreis angeord neten zweiten Lochkreis aus. Über die innere Düsennadel bzw. den Öffnungshub der inneren Düsennadel sind demnach unterschiedliche Gesamtöffnungsquerschnitte zum Einspritzen des flüssigen Kraftstoffs freigebbar. Denn in Abhängigkeit vom Öffnungs hub der inneren Düsennadel wird entweder nur der erste Lochkreis oder es werden beide Lochkreise freigegeben.

Die Bereitstellung unterschiedlicher Gesamtöffnungsquerschnitte besitzt den Vorteil, dass die Einspritzmenge des flüssigen Kraftstoffs variiert und somit an den jeweiligen Bedarf bzw. an die Betriebsart der Brennkraftmaschine optimal angepasst werden kann. Beispielsweise kann im Gasbetrieb der Brennkraftmaschine durch Freigeben le diglich des ersten Lochkreises die Einspritzmenge auf die zum Zünden des gasförmi gen Kraftstoffs erforderliche Mindestmenge reduziert werden. Das heißt, dass sehr ho he Gasanteile realisierbar sind, die mit einer Effizienzsteigerung einhergehen. Soll die Brennkraftmaschine ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden, bei spielsweise bei einem Kaltstart oder im Notbetrieb, kann durch Freigeben beider Loch kreise die Einspritzmenge deutlich erhöht werden.

Eine weitere Optimierung der Einspritzmenge kann über die jeweilige Anzahl, Größe und/oder Form der Einspritzöffnungen eines Lochkreises erreicht werden. Hierüber kann zugleich kann das Aufbruch- und Eindringverhalten der Flüssigkraftstoffstrahlen verbessert werden.

Die den ersten und zweiten Lochkreis ausbildenden Einspritzöffnungen sind vorzugs weise in der äußeren Düsennadel ausgebildet. Die äußere Düsennadel trennt in die sem Fall den Gasbereich vom Flüssigkraftstoffbereich, so dass keine zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen zur Trennung beider Bereiche erforderlich sind. Vorzugs weise bildet die äußere Düsennadel eine geschlossene Kuppe aus, die in axialer Rich tung den Düsenkörper überragt. Alternativ können die den ersten und zweiten Loch kreis ausbildenden Einspritzöffnungen im Düsenkörper ausgebildet sein. Die Trennung des Gasbereichs vom Flüssigkraftstoffbereich wird in diesem Fall allein über einen Dichtkontakt der äußeren Düsennadel mit dem Düsenkörper bewirkt. Gegebenenfalls sind weitere konstruktive Maßnahmen zur sicheren Medientrennung erforderlich.

Bevorzugt ist der erste Lochkreis im Bereich eines Dichtsitzes für die innere Düsenna del angeordnet. Befindet sich die innere Düsennadel in ihrem Dichtsitz, sind die Ein spritzöffnungen des ersten Lochkreises verschlossen. Vorzugsweise ist der Dichtsitz konisch geformt, so dass über den Öffnungshub der inneren Düsennadel eine schnelle Sitzentdrosselung erreichbar ist. Der Dichtsitz für die innere Düsennadel wird vorzugs weise durch die äußere Düsennadel gebildet.

Der zweite Lochkreis ist vorzugsweise im Bereich eines durch die äußere Düsennadel oder durch den Düsenkörper geformten Sacklochs angeordnet, in welches die innere Düsennadel eintaucht. Auf diese Weise kann ein ausreichend großer axialer Abstand zwischen den beiden Lochkreisen realisiert werden, der das stufenweise Öffnen der inneren Düsennadel ermöglicht.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die innere Düsennadel eine vorzugsweise ko nische Dichtkontur und einen endseitigen Zapfen aufweist. Die vorzugsweise konische Dichtkontur der inneren Düsennadel wirkt mit dem vorzugsweise konischen Dichtsitz zusammen, der durch die äußere Düsennadel gebildet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises sicher verschlossen werden. Der ferner vorgeschlagene endseitige Zapfen schließt vorzugsweise über einen ringförmi gen Absatz an die Dichtkontur der inneren Düsennadel an, so dass der Zapfen einen gegenüber der Dichtkontur verringerten Durchmesser aufweist. Der Zapfen taucht in das Sackloch ein und verschließt die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises. Der Zapfen bildet hierzu bevorzugt eine weitere Dichtkontur aus, die vorzugsweise zylinder förmig ist. Die Zylinderform der weiteren Dichtkontur stellt sicher, dass bei einem Öff nungshub der inneren Düsennadel zum Freigeben der Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises zunächst verschlossen bleiben. An die Dichtkontur kann sich ein zumindest bereichsweise konisch geformter Endabschnitt des Zapfens anschließen, der bei fortgesetztem Öffnungshub der inneren Düsennadel die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises freigibt. Bevorzugt weisen die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises jeweils einen kleine ren Öffnungsquerschnitt als die Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises auf. Da die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises vorrangig der Einspritzung einer Zünd menge dienen, kann auf diese Weise die Zündmenge so gering wie möglich gehalten werden.

Die Einspritzöffnungen des ersten Lochkreises weisen allein einen Gesamtöffnungs querschnitt Ai und in Kombination mit den Einspritzöffnungen des zweiten Lochkreises einen Gesamtöffnungsquerschnitt A ₂ auf. Das Flächenverhältnis A1/A2 beträgt dabei vorzugsweise 15-75%. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Freigabe beider Lochkreise die Einspritzmenge an flüssigem Kraftstoff zum Betrieb der Brennkraftmaschine aus reicht.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Einspritzöffnungen eines Lochkreises jeweils in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Diese Maßnahme trägt zu einer gleichmäßigen Verteilung des flüssigen Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftma schine bei.

Der darüber hinaus angegebene Kraftstoffinjektor zum Einbringen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass er eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe umfasst. Die stu fenweise öffnende innere Düsennadel der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe er möglicht eine Optimierung der Einspritzmenge des flüssigen Kraftstoffs, um entweder mit einer sehr kleinen Menge den gasförmigen Kraftstoff zu zünden oder mit einer sehr großen Menge die Brennkraftmaschine zu betreiben. Zugleich kann eine Effizienzstei gerung durch eine Maximierung des Gasanteils im Gasbetrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden.

Bei dem flüssigen Kraftstoff handelt es sich vorzugsweise um Dieselkraftstoff, bei dem gasförmigen Kraftstoff vorzugsweise um Erdgas. Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist vorzugsweise als NGDI-Injektor ausgelegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbau gruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 a) einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 bei verschlossenem ersten und zweiten Lochkreis, b) ein Diagramm zur Darstellung des Volumenstromverlaufs,

Fig. 3 a) einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 bei freigegebenem ersten und ver schlossenem zweiten Lochkreis, b) ein Diagramm zur Darstellung des Volumenstrom verlaufs,

Fig. 4 a) einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 bei freigegebenem ersten und zweiten Lochkreis, b) ein Diagramm zur Darstellung des Volumenstromverlaufs,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbau gruppe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbau gruppe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Düsenbaugruppe 1 für ei nen Kraftstoffinjektor zum Einbringen eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine umfasst einen Düsenkörper 3, in dem zwei koaxial angeordnete Düsennadeln 4, 6 aufgenommen sind. Die äußere Düsenna del 4 ist zur Aufnahme der inneren Düsennadel 6 als Hohlnadel ausgeführt und bildet einen Dichtsitz 8 für die innere Düsennadel 6 aus. Über die Hubbewegung der äußeren Düsennadel 4 ist mindestens eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Einblasöffnung 5 zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs freigebbar und wieder verschließbar. Um den gasförmigen Kraftstoff im Brennraum 2 zu zünden, wird kurz zuvor im Wege einer Piloteinspritzung flüssiger Kraftstoff in den Brennraum 2 eingespritzt. Hierzu weist die Düsenbaugruppe 1 einen ersten Lochkreis 7.1 ausbildende Einspritzöffnungen 7 auf, die in der äußeren Düsennadel 4 im Bereich des Dichtsitzes 8 ausgebildet sind (siehe Fig. 2a). Bei einer Hubbewegung der inneren Düsennadel 6 werden die Einspritzöff nungen 7 des ersten Lochkreises 7.1 freigegeben und flüssiger Kraftstoff in den Brenn raum 2 der Brennkraftmaschine eingespritzt (siehe Fig. 3a). Die innere Düsennadel 6 hebt dabei nur geringfügig vom Dichtsitz 8 ab. Da der Dichtsitz 8 und eine mit dem Dichtsitz 8 zusammenwirkende Dichtkontur 10 der inneren Düsennadel 6 konisch ge formt sind, reicht dieser Hub aus um die Einspritzöffnungen 7 des ersten Lochkrei ses 7.1 freizugeben. Weitere Einspritzöffnungen 7 eines zweiten Lochkreises 7.2, der in einem axialen Abstand zum ersten Lochkreis 7.1 in der äußeren Düsennadel 4 aus gebildet ist, bleiben verschlossen. Denn im Gasbetrieb der Brennkraftmaschine wird die Einspritzmenge auf die erforderliche Zündmenge beschränkt. Da es sich hierbei um Kleinstmengen handelt, sind die Einspritzöffnungen 7 des ersten Lochkreises 7.1 ent sprechend klein dimensioniert.

Zum Verschließen der Einspritzöffnungen 7 des zweiten Lochkreises 7.2 weist die in nere Düsennadel 6 einen endseitigen Zapfen 11 auf, der in ein an den Dichtsitz 8 an schließendes Sackloch 9 der äußeren Düsennadel 4 eintaucht. Der Zapfen 11 weist ei ne zylinderförmige Dichtkontur 12 sowie einen hieran anschließenden konischen End abschnitt 13 auf. Die zylinderförmige Dichtkontur 12 stellt sicher, dass bei einem ersten Öffnungshub der inneren Düsennadel 6 die Einspritzöffnungen 7 des zweiten Lochkrei ses 7.2 verschlossen bleiben. Erst wenn die innere Düsennadel 6 soweit angehoben wird, dass der die zylinderförmige Dichtkontur 12 aufweisende Abschnitt des Zap fens 11 vollständig aus dem Sackloch 9 austaucht, werden auch die Einspritzöffnun gen 7 des zweiten Lochkreises 7.2 freigegeben (siehe Fig. 4a). In diesem Fall wird flüssiger Kraftstoff über den ersten und den zweiten Lochkreis 7.1, 7.2 in den Brenn raum 2 eingespritzt, so dass die Einspritzmenge deutlich angehoben wird. Auf diese Weise kann ein Kaltstart der Brennkraftmaschine oder ein Notbetrieb allein mit flüssi gem Kraftstoff realisiert werden.

Den Fig. 2a, 3a, und 4a sind jeweils Fig. 2b, 3b und 4b zugeordnet, die den Volumen strom Q in Abhängigkeit von der Ansteuerung bzw. Ansteuerdauer AD der inneren Dü sennadel 6 darstellen. Die Diagramme zeigen deutlich das gestufte Öffnungsverhalten der inneren Düsennadel 6, wobei in einer ersten Stufe (Fig. 3b) nur der erste Loch kreis 7.1 freigegeben wird, so dass der Volumenstrom Q gering ist, und in einer zwei- ten Stufe (Fig. 4b) beide Lochkreise 7.1, 7.2. freigegeben sind, so dass der Volumen strom Q maximal ist.

In der Fig. 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe 1 dargestellt. Hier sind nicht nur die Einblasöffnungen 5, sondern auch die Einspritzöffnungen 7 im Düsenkörper 3 ausgebildet. Der Düsenkörper 3 ist hierzu brennraumseitig geschlossen ausgeführt, so dass auch das Sackloch 9 durch den Düsenkörper 3 gebildet wird. Der Dichtsitz 8 für die innere Düsennadel 6 wird da bei durch die äußere Düsennadel 4 ausgebildet, welche die innere Düsennadel 6 im Bereich der mit dem Dichtsitz 8 zusammenwirkenden Dichtkontur 10 umgreift. Der glei che Abschnitt der äußeren Düsennadel 4 wirkt dichtend mit dem Düsenkörper 3 zu sammen, so dass hierüber eine Medientrennung bewirkt wird.

Eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 5 ist in der Fig. 6 dargestellt. Hier sind die Einblasöffnungen 5 in einem größeren axialen Abstand zu den Einspritzöffnungen 7 angeordnet. Dadurch vergrößert sich der Leckagepfad zwischen Gasbereich und Flüs sigkraftstoffbereich, so dass eine verbesserte Medientrennung bewirkt wird.