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Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor für zwei Medien, aufweisend einen Injektorkörper mit einer eingelassenen Führung für eine äußere Injektornadel, die eine innere Injektornadelführung für eine innere Injektornadel aufweist, wobei zwischen der Führung und der äußeren Injektornadel ein Dichtspalt angeordnet ist, an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Medium der zwei Medien anliegt.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Zweistoffinjektor ist aus der
US 2007/0199539 A1 bekannt. Dieser Zweistoffinjektor ist für zwei Medien, nämlich ein flüssiges Medium und ein gasförmiges Medium ausgelegt und weist einen Injektorkörper mit einer eingelassenen Führung für eine äußere Injektornadel auf, die eine innere Injektornadelführung für eine innere Injektornadel beinhaltet. Dabei ist zwischen der Führung und der äußeren Injektornadel ein Dichtspalt angeordnet, an dessen gegenüberliegenden Enden einerseits das gasförmige und andererseits das flüssige Medium anliegt.
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Ein weiterer Zweistoffinjektor ist aus der
DE 10 2013 014 329 A1 bekannt. Dieser Zweistoffinjektor ist ebenfalls zur Einspritzung eines flüssigen Mediums, nämlich Dieselkraftstoff, und eines zweiten Mediums, nämlich einem gasförmigen Kraftstoff, ausgelegt. Dabei wird korrespondierend mit dem Dieselkraftstoff-Einspritzvorgang über eine Gasdüsenanordnung des Zweistoffinjektors Luft in einen Brennraum eingespritzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweistoffinjektor bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Funktion gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Bereich des Dichtspalts eine Stopfbuchse angeordnet ist, die eine den Querschnitt des Dichtspalts in einem Teilbereich oder über eine Teillänge der Stopfbuchse einstellbare Einrichtung aufweist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei einer gattungsgemäßen Ausgestaltung des Zweistoffinjektors die beiden Injektornadeln, nämlich die äußere Injektornadel und die innere Injektornadel gegenseitig beeinflussen. Zusätzlich entstehen Probleme dahingehend, die beiden Medien während der Bewegung der Injektornadeln und den Pausen dazwischen zu trennen. Um die Leckagemengen gering zu halten, ist einerseits eine geringe Druckdifferenz vorteilhaft. Andererseits ist für die Darstellung einer hohen Schaltdynamik ein deutlich höherer Druck des einen Mediums gegenüber dem zweiten Medium vorteilhaft. Beides widerspricht sich. Dadurch, dass nun eine Stopfbuchse vorgesehen ist, die eine den Querschnitt des Dichtspalts in zumindest einen Teilbereich der Stopfbuchse einstellbarer Einrichtung aufweist, kann die Leckagemenge zumindest in dem Teilbereich des Dichtspalts eingestellt werden. Die Stopfbuchse kann sich über die gesamte Länge oder eine Teillänge des Dichtspalts erstrecken. Die Leckagemenge wird insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzes des Zweistoffinjektors eingestellt. So ist es im Rahmen der Erfindung möglich und vorgesehen, mit dem Zweistoffinjektor gleichzeitig die zwei verschiedenen Medien einzuspritzen oder aber nur eines der beiden Medien. Insbesondere bei einer Einspritzung nur eines der beiden Medien ist sicherzustellen, dass das eingespritzte Medium nicht entlang des Dichtspalts zu dem Bereich des zweiten Mediums gelangt und dadurch bei einer anschließenden Zweistoffeinspritzung eine Betriebsstörung auslösen kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Einrichtung von einer Formgedächtnislegierung gebildet. Eine Formgedächtnislegierung ist ein spezielles Metall, das in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren kann beziehungsweise zwei unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen kann. Eine solche Formgedächtnislegierung wird auch als Memorymetall bezeichnet. Die von der Formgedächtnislegierung ausgeübte Formwandlung basiert auf einer temperaturabhängigen Gitterumwandlung zu einer der beiden Kristallstrukturen. Es gibt dabei eine sogenannte Hochtemperaturphase und eine Niedertemperaturphase. Beide können durch die Temperaturänderung ineinander übergehen. Neben einer Temperaturänderung kann aber auch eine Umwandlung der beiden Kristallstrukturen durch eine mechanische Spannung herbeigeführt werden. Beim Gegenstand der Erfindung erfolgt der Übergang vorzugsweise durch eine Temperaturänderung, die von einer Heizeinrichtung ausgelöst wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung ein Piezoaktor. Ein solcher Piezoaktor übt durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine axiale Vorspannung auf die Stopfbuchse aus und stellt somit den Querschnitt des Dichtspalts beispielsweise zwischen zwei Werten ein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung ein Magnetaktor. Auch durch einen Magnetaktor kann auf die Stopfbuchse eine Vorspannung ausgeübt werden, die zur Einstellung des Querschnitts des Dichtspalts genutzt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung ein Mechanikaktor. Auch mittels eines solchen Mechanikaktors kann der Dichtspalt in der gewünschten Art und Weise eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zwei gleichgerichtete stromdurchflossene Leiter auf. Auch mittels solcher stromdurchflossener Leiter kann je nachdem, ob eine Spannung anliegt oder nicht anliegt, eine radial wirkende Kraft aufgebracht werden. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, verschieden ausgestaltete Einrichtungen miteinander zu kombinieren, um beispielsweise spezielle Effekte hinsichtlich einer Einstellung des Querschnitts des Dichtspalts zu erreichen. Die Einrichtung kann im Rahmen der Erfindung auch eine Kombination von zwei oder mehr zuvor beschriebenen verschiedenen Einrichtungen sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Medium ein flüssiges Medium, insbesondere Dieselkraftstoff, und das zweite Medium ein gasförmiges Medium, insbesondere Brenngas. Wenn auch der Gegenstand bei einem Zweistoffinjektor für zwei beliebige Medien angewendet werden kann, ist die bevorzugte Anwendung bei Medien in Form von Dieselkraftstoff und Brenngas gegeben. Insbesondere bei diesen beiden Medien besteht das Problem, dass bei einem herkömmlichen System durch den Dichtspalt Dieselkraftstoff in das Brenngas eingetragen wird. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn durch den Zweistoffinjektor ausschließlich Dieselkraftstoff beispielsweise in einen Brennraum eingespritzt wird. Dadurch wird in einem anschließenden Zweistoffbetrieb oder einem reinen Gasbetrieb der Betrieb des Zweistoffinjektors nachteilig beeinflusst. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vermieden und somit die Funktion des Zweistoffinjektors deutlich verbessert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung steht an dem ersten Ende des Dichtspalts das flüssige Medium und an dem zweiten Ende des Dichtspalts das gasförmige Medium an. Der Querschnitt des Dichtspalts wird dabei im Übrigen so eingestellt, dass bei einem normalen Betrieb mit beiden Medien die Bewegung der äußeren Injektornadel gegenüber dem Injektorkörper nicht zu stark behindert wird, um insbesondere eine die Verstellbewegung hindernde Reibung gering zu halten. Wird die äußere Injektornadel dagegen nicht bewegt, beispielsweise zwischen Einspritzvorgängen oder bei einer Einspritzung nur gesteuert von der inneren Injektornadel, kann das Spiel ohne eine Einschränkung der Funktion bis zur Anlage der Stopfbuchse an der äußeren Injektornadel reduziert werden. Dadurch kann der Dichtspalt (im Bereich der Stopfbuchse) bis auf 0 reduziert werden und die beiden Medien sind sauber getrennt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Zweistoffinjektor Teil eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Mit dem so ausgebildeten Zweistoffinjektor wird in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine Dieselkraftstoff und Brenngas bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine jeweils alleinig oder additiv eingespritzt. Dabei ist es auch zur Erfüllung vorgegebener Abgasemissionskriterien vorteilhaft, wenn keine Eintragung von Dieselkraftstoff in das Brenngas erfolgt und somit eine genau vorbestimmte Einspritzung von Dieselkraftstoff und Brenngas in den jeweiligen Brennraum erfolgt. Die Brennkraftmaschine kann zum Antrieb beliebiger Fahrzeuge, Schiffe oder sonstiger Maschinen ausgelegt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zweistoffinjektors,
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2a, 2b eine schematisch dargestellte Darstellung eines Dichtspalts des Zweistoffinjektors zwischen einem Injektorkörper und einer äußeren Injektornadel mit einer eingesetzten Stopfbuchse in einer ersten Ausgestaltung in einer nicht aktivierten und einer aktivierten Stellung,
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3a, 3b eine schematisch dargestellte Darstellung eines Dichtspalts des Zweistoffinjektors zwischen einem Injektorkörper und einer äußeren Injektornadel mit einer eingesetzten Stopfbuchse in einer zweiten Ausgestaltung in einer nicht aktivierten und einer aktivierten Stellung,
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4a, 4b eine schematisch dargestellte Darstellung eines Dichtspalts des Zweistoffinjektors zwischen einem Injektorkörper und einer äußeren Injektornadel mit einer eingesetzten Stopfbuchse in einer dritten Ausgestaltung in einer nicht aktivierten und einer aktivierten Stellung.
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Der in 1 dargestellte Zweistoffinjektor 1 ist Teil eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei mit dem Zweistoffinjektor 1 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zum Betrieb derselben zwei unterschiedliche Medien, nämlich Dieselkraftstoff als flüssiges Medium und Brenngas als gasförmiges Medium wechselweise oder additiv vorzugsweise in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Der Zweistoffinjektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, in den eine Führung 3 für eine äußere Injektornadel 4 eingelassen ist. Die äußere Injektornadel 4 weist eine innere Injektornadelführung 5 für eine innere Injektornadel 6 auf und die äußere Injektornadel 4 hat eine Injektornadelspitze 7, die in einen Ventilsitz 8 eines mit dem Injektorkörper 2 verbundenen Ventilsitzkörper 9 einwirkt. In den Ventilsitzkörper 9 ist im Bereich des Ventilsitzes 8 zumindest eine Ventilsitzkörperspritzöffnung 10 eingelassen, die beim Aufsitzen der Injektornadelspitze 7 in den Ventilsitz 8 verschlossen ist und bei einer Verstellung der äußeren Injektornadel 4 gegen die Kraft einer Injektornadelfeder 11 auf der gegenüberliegenden Seite der äußeren Injektornadel 4 mit einem Gasraum 12 verbunden ist. Der Gasraum 12 ist über einen in dem Injektorkörper 2 eingelassenen Gaskanal 13 mit einer an dem Injektorkörper 2 befestigten Gasleitung 14 verbunden, über die in den Gasraum 12 Gas eingeführt wird, das bei geöffneter äußerer Injektornadel 4 durch die Ventilsitzkörperspritzöffnung 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt beziehungsweise eingeblasen wird.
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Die in der inneren Injektornadelführung 5 geführte innere Injektornadel 6 weist ebenfalls eine Injektornadelspitze 15 auf, die in einen Ventilsitz 16, der in die äußere Injektornadel 4 eingearbeitet ist, einwirkt. In der dargestellten geschlossenen Stellung der inneren Injektornadel 6 beziehungsweise deren Injektornadelspitze 15 ist zumindest eine in die äußere Injektornadel 4 eingelassene Spritzöffnung 17 verschlossen. Ist die innere Injektornadel 6 und damit deren Injektornadelspitze 15 gegen eine Nadelfeder 18 axial nach oben verschoben, ist die zumindest eine Spritzöffnung 17 über eine zwischen der äußeren Injektornadel 4 und der inneren Injektornadel 6 gebildeten Strömungsverbindung 19 und weiter über einen Fluidkanal 20 mit einer an dem Injektorkörper 2 befestigten Fluidleitung 21 verbunden. Durch die Fluidleitung 21 wird dem Zweistoffinjektor 1 Dieselkraftstoff zugeleitet, der bei geöffneter innerer Injektornadel 6 durch die zumindest eine Spritzöffnung 17 ebenfalls in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Die Verstellung der äußeren Injektornadel 4 und der inneren Injektornadel 6 wird von zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Ventilelementen 22a, 22b gesteuert. Die Ventilelemente 22a, 22b werden beispielsweise von elektromagnetischen, hydraulischen oder mechanischen Betätigungsorganen 23a, 23b angesteuert. Das Ventilelement 22a wirkt mit einer ersten Steuerleitung 24a zusammen, die die Fluidleitung 21 mit einem die Injektornadelfeder 11 aufnehmenden Injektornadelfederraum 25 und dem Ventilelement 22a verbindet. Ist das erste Ventilelement 22a in der dargestellten geschlossenen Position, ist eine Verbindung zwischen der ersten Steuerleitung 24a und einer ebenfalls an dem Injektorkörper 2 befestigten Rücklaufleitung 26 unterbrochen. Dadurch baut sich in dem Injektornadelfederraum 25 ein Fluiddruck auf, der zusammen mit der Injektornadelfeder 11 die äußere Injektornadel 4 in der geschlossenen Position hält. Wird dagegen die Strömungsverbindung zwischen der ersten Steuerleitung 24a und der Rücklaufleitung 26 von dem Ventilelement 22a freigegeben, erfolgt ein Druckabbau in dem Injektornadelfederraum 25 und die äußere Injektornadel 4 wird durch den an einer in dem Gasraum 12 angeordneten Druckschulter anliegenden Gasdruck axial verschoben, so dass durch die zumindest eine Ventilsitzkörperspritzöffnung 10 Brenngas in den Brennraum eingespritzt wird. Die gleiche Funktionsweise gilt sinngemäß für die innere Injektornadel 6, die von dem Ventilelement 22b und eine zweite Steuerleitung 24b angesteuert wird. In die beiden Steuerleitungen 24a, 24b sind Steuerleitungsdrosseln 27a, 27b eingesetzt, die den Zufluss von Dieselkraftstoff in die Steuerleitungen 24a, 24b begrenzen beziehungsweise eine gegenseitige Beeinflussung der Steuerfunktion durch die beiden Ventilelemente 22a, 22b verhindern.
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Zwischen der äußeren Injektornadel 4 und der Führung 3 ist ein Dichtspalt 28 gebildet, der sich mit seinen gegenüberliegenden Enden 29a, 29b von der Verbindung des Fluidkanals 20 mit der Strömungsverbindung 19 (oberes Ende 29a) und dem Gasraum 12 auf der gegenüberliegenden Seite (unteres Ende 29b) erstreckt. An diesem Dichtspalt 28 liegt von dem Gasraum 12 her der Gasdruck an und von der Verbindung des Fluidkanals 20 zu der Strömungsverbindung 19 der Fluiddruck an. Da der Fluiddruck normalerweise höher als der Gasdruck ist, würde ein allmählicher Eintrag von Fluid in den Gasraum 12 erfolgen. Um dies zu verhindern, weist der Dichtspalt 28 zwischen dessen gegenüberliegenden Enden 29a, 29b eine Stopfbuchse 30 auf. Die Stopfbuche 30 erstreckt sich über die gesamte Länge des Dichtspalts 28 oder über eine Teillänge des Dichtspalts 28 wie dies in der 1 dargestellt ist. Die Stopfbuche 30 ist mittels einer in 1 nicht detailliert dargestellten Einrichtung 32 so ausgebildet, dass mit dieser der freie Querschnitt des Dichtspalts 28 im Bereich der Stopfbuchse 30 eingestellt werden kann. Dies wird in den nachfolgenden Figuren noch im Einzelnen erläutert. Durch die Einstellung des feien Querschnitt des Dichtspalts 28 kann verhindert werden, dass das Fluid in den Gasraum 12 (beziehungsweise umgekehrt) gelangt. Dadurch ist eine Sperrfunktion eingestellt, die die Funktion des Zweistoffinjektors 1 insbesondere hinsichtlich einer zuverlässigen Trennung des Dieselkraftstoffs gegenüber dem Brenngas ohne eine Beeinträchtigung der Ansteuerung des Zweistoffinjektors 1 zur Einspritzung von Dieselkraftstoff und/oder Brenngas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine gegenüber einer herkömmlichen Ausgestaltung deutlich verbessert.
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Die 2a, 2b zeigen in einer Ausschnittsvergrößerung jeweils den Dichtspalt 28 mit seinem oberen Ende 29a und seinem unteren Ende 29b zwischen dem Injektorkörper 2 und der äußeren Ventilnadel 4. Im Bereich dieses Dichtspalts 28 ist eine Stopfbuchse 30 angeordnet, die eine Einrichtung 32 in Form einer Formgedächtnislegierung beinhaltet. Bei der dargestellten Ausschnittsvergrößerung erstreckt sich die Stopfbuchse 30 von dem oberen Ende 29a bis zu einem Bereich unterhalb der Mitte des Dichtspalts 28. Die Formgedächtnislegierung kann zwei unterschiedliche Zustände einnehmen. Diese unterschiedlichen Zustände äußern sich durch eine unterschiedliche Ausdehnung der Formgedächtnislegierung. Bei einer geringen Temperatur weist die Formgedächtnislegierung eine geringe Ausdehnung auf, so dass zwischen der Formgedächtnislegierung und der äußeren Injektornadel 4 ein geringer Restspalt 31 verbleibt. Der Restspalt 31 kann auch entgegen der Darstellung dem Dichtspalt 28 entsprechen. Bei einer hohen Temperatur dehnt sich die Formgedächtnislegierung der Stopfbuchse 30 aus, so dass es zu einer Anlage der Stopfbuchse 30 an der äußeren Injektornadel 4 kommt. Diese beiden unterschiedlichen Zustände sind in den 2a, 2b dargestellt. Die beiden unterschiedlichen Temperaturen werden durch eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung 33 eingestellt. Da die Einnahme der unterschiedlichen Zustände eine geringe Zeitspanne benötigt, ist diese Einrichtung für einen dynamischen Betrieb des Zweistoffinjektors 1 weniger geeignet.
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3a, 3b zeigen eine Stopfbuchse 30, die eine Einrichtung beinhaltet, die durch Aufbringen einer axialen Vorspannung den Restspalt 31 ändert. Diese Stopfbuchse 30 beinhaltet eine in 3b funktionsmäßig dargestellte Einrichtung 32 beispielsweise in Form eines Piezoaktors, eines Magnetaktors oder eines Mechanikaktors, die die Vorspannung auf die Stopfbuchse 30 aufbringt.
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Die 4a, 4b zeigen eine Stopfbuchse 30, die eine Einrichtung 32 in Form zweier gleichgerichteten stromdurchflossenen Leiter 34 aufweist, und wobei die stromdurchflossenen Leiter je nach Anlage einer Spannung den Restdichtspalt 31 wie zuvor beschrieben einstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0199539 A1 [0002]
- DE 102013014329 A1 [0003]
