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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige Kraftstoffinjektoren sind auch als Doppelbrennstoffinjektoren, Zweistoffinjektoren oder Dual-Fuel-Injektoren bekannt.
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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art weisen in der Regel zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte hubbewegliche Düsennadeln zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen für die unterschiedlichen Kauf. Die Ansteuerung ist vergleichsweise aufwendig, da für jede Düsennadel ein Steuerventil vorhanden sein muss. Ferner müssen beide Steuerventile zeitlich genau aufeinander abgestimmt sein.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 225 167 A1 geht beispielhaft ein Kraftstoffzumessventil für eine Brennkraftmaschine hervor, das ein Gehäuse umfasst, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem im Gehäuse ausgebildeten Dichtsitz zusammenwirkt. Im Gehäuse ist ferner ein Gasraum ausgebildet, der die Düsennadel abschnittsweise umgibt und der durch das Öffnen des Dichtsitzes mit wenigstens einer Eindüsöffnung verbindbar ist. Weiterhin ist ein mit flüssigem Kraftstoff befüllbarer Raum vorhanden, der dem Gasraum abgewandt die Düsennadel umgibt. Zur Vereinfachung der Ansteuerung wird vorgeschlagen, den flüssigen und den gasförmigen Kraftstoff in einem einzigen Vorgang in den Brennraum einzubringen. Hierzu wird eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs in den Gasraum über einen Leckagespalt zugelassen, so dass beim Öffnen der Düsennadel Gas aus dem Gasraum über die Einspritzöffnungen in einen Brennraum strömt und dabei den innerhalb des Gasraums vorhandenen flüssigen Kraftstoff mitreißt. Der Leckagespalt ist dabei derart bemessen, dass durch die Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs eine solche Menge an flüssigem Kraftstoff in den Brennraum gelangt, dass die Zündfähigkeit des Gemisches auf das gewünschte Maß angehoben wird. Um bei Bedarf eine größere Menge des flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum einzubringen, ist eine weitere Düsennadel vorgesehen, die in einer Bohrung der ersten Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer weiteren Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Zur Steuerung der Hubbewegungen der beiden Düsennadeln ist jeweils ein Steuerventil vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, der eine unabhängige Ansteuerung zweier koaxial angeordneter und ineinander geführter Düsennadeln ermöglicht sowie schnell und präzise schaltet. Darüber hinaus soll der Kraftstoffinjektor möglichst einfach aufgebaut sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder eines flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Düsennadeln zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen. Dabei sind jeder Düsennadel ein Steuerraum und ein Steuerventil zur Beeinflussung des im jeweiligen Steuerraum herrschenden Steuerdrucks zugeordnet. Erfindungsgemäß wird der Steuerraum, welcher der äußeren Düsennadel zugeordnet ist, in axialer Richtung einerseits durch einen mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelten Kolben, andererseits durch eine Drosselplatte und in radialer Richtung durch ein Gehäuse mit einer Durchgangsbohrung begrenzt, in welcher der Kolben aufgenommen ist.
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Dadurch, dass beiden Düsennadeln jeweils ein Steuerraum und ein Steuerventil zugeordnet sind, können beide Düsennadeln unabhängig voneinander angesteuert werden. Ferner kann die Ausbildung des Kraftstoffinjektors vereinfacht werden, da der Steuerraum, welcher der äußeren Düsennadel zugeordnet ist, in radialer Richtung durch ein Gehäuse mit einer Durchgangsbohrung begrenzt wird. Die Durchgangsbohrung erleichtert die Ausführung einer präzisen Führungsbohrung, über welche der mit der äußeren Düsennadel gekoppelte Kolben geführt ist. Die Begrenzung des Steuerraums in axialer Richtung durch die Drosselplatte ermöglicht kurze Steuerleitungen und somit kleine Steuermengen, so dass ein schnell und präzise schaltender Kraftstoffinjektor geschaffen wird. Der ferner zur Begrenzung des Steuerraums vorgeschlagene, mit der äußeren Düsennadel mechanisch koppelbare Kolben vermag zudem eine Distanz zwischen dem Steuerraum und der äußeren Düsennadel zu überbrücken, so dass durch eine Spannpratze hervorgerufene Montagekräfte, die im eingebauten Zustand des Kraftstoffinjektors auf das Gehäuse wirken, nicht durch die Steuerventile geleitet werden. Das heißt, dass nach der werkseitigen Prüfung des Kraftstoffinjektors keine weitere Verformung der Steuerventile zu befürchten ist, die zu abweichenden Einspritzmengen und/oder zu einer Fehlfunktion des Kraftstoffinjektors führen könnte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolben mittels eines Zentrierstücks mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelt. Das Zentrierstück bewirkt eine Ausrichtung des Kolbens in Bezug auf die äußere Düsennadel in radialer Richtung, so dass die Entstehung von Querkräften aufgrund eines radialen Versatzes verhindert wird. Somit trägt auch diese Maßnahme zu einem schnellen und präzisen Schalten des Kraftstoffinjektors bei. Vorzugsweise ist das Zentrierstück durch die Federkraft einer Druckfeder gegen die äußere Düsennadel axial vorgespannt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Zentrierstück stets in Kontakt mit der äußeren Düsennadel steht. Ferner wird verhindert, dass die äußere Düsennadel öffnet, bevor Systemdruck im Kraftstoffinjektor aufgebaut ist.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die innere Düsennadel durch die Federkraft einer weiteren Druckfeder, die vorzugsweise am Zentrierstück axial abgestützt ist, in Richtung eines Dichtsitzes axial vorgespannt ist. Somit ist durch die weitere Druckfeder ein unbeabsichtigtes Öffnen der inneren Düsennadel bei fehlendem Systemdruck sichergestellt. Die Federkraft der weiteren Druckfeder ist vorzugsweise kleiner als die Federkraft der ersten Druckfeder, so dass weiterhin der Kontakt des Zentrierstücks mit der äußeren Düsennadel gewährleistet ist. Am Zentrierstück kann zudem ein Hubanschlag für die innere Düsennadel ausgebildet sein, so dass hierüber der Hub der inneren Düsennadel einstellbar ist.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum, welcher der inneren Düsennadel zugeordnet ist, in dem Kolben ausgebildet ist, der mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist. In axialer Richtung wird vorzugsweise der Steuerraum durch einen weiteren Kolben begrenzt, der mit der inneren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist. Der weitere Kolben dient der Überbrückung einer Distanz zwischen der inneren Düsennadel und dem der inneren Düsennadel zugeordneten Steuerraum, so dass dieser wiederum nah am zugehörigen Steuerventil angeordnet werden kann. Das heißt, dass Steuerleitungen verkürzt werden können, was wiederum ein schnelles und präzises Schalten des Kraftstoffinjektors begünstigt. Erfolgt die mechanische Kopplung der inneren Düsennadel und des Kolbens im Bereich des Zentrierstücks, kann mit Hilfe des Zentrierstücks eine Ausrichtung in radialer Richtung bewirkt werden, die einem radialen Versatz und damit unerwünschten Querkräften entgegenwirkt.
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Vorteilhafterweise ist der Kolben, der mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise oder teilweise hülsenförmig ausgeführt. Der hülsenförmige Abschnitt bzw. das hülsenförmige Teil des Kolbens ermöglicht die Aufnahme und/oder Führung des Kolbens, der mit der inneren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist. Je länger der hülsenförmige Abschnitt bzw. das hülsenförmige Teil ist, desto näher rückt der Steuerraum, welcher der inneren Düsennadel zugeordnet ist, an das zugehörige Steuerventil heran, was kurze Steuerleitungen ermöglicht.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Drosselplatte auf der dem Steuerraum abgewandten Seite mindestens einen Ventilsitz für ein Steuerventil ausbildet. Die Höhe der Drosselplatte bestimmt somit im Wesentlichen die Länge der Steuerleitungen, so dass besonders kurze Steuerleitungen realisierbar sind. Sofern die Drosselplatte die Ventilsitze für beide Steuerventile ausbildet, können diese nebeneinander liegend im Kraftstoffinjektor angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein kompakt bauender Kraftstoffinjektor geschaffen.
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Bevorzugt ist in der Drosselplatte mindestens eine als Zulaufdrossel und/oder als Ablaufdrossel dienende Drosselbohrung ausgebildet, die in den Steuerraum mündet, welcher der äußeren Düsennadel zugeordnet ist. Über den Drosselquerschnitt der jeweiligen Drossel kann der Kraftstoffzulauf in den Steuerraum bzw. der Kraftstoffablauf aus dem Steuerraum vorgegeben werden. Vorzugsweise ist der Drosselquerschnitt der als Zulaufdrossel dienenden Drosselbohrung möglichst groß gewählt, um einen schnellen Druckaufbau im Steuerraum und damit ein schnelles Schließen der Düsennadel zu erreichen. Der Drosselquerschnitt der Ablaufdrossel sollte demgegenüber möglichst klein gewählt werden, um die rückzuführenden Steuermengen gering zu halten.
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Ferner bevorzugt ist in der Drosselplatte eine als Ablaufdrossel dienende Drosselbohrung ausgebildet, die über mindestens einen Ablaufkanal mit dem Steuerraum verbunden ist, welcher der inneren Düsennadel zugeordnet ist. Da eine Drosselbohrung in der Drosselplatte vergleichsweise einfach herzustellen ist, kann auf diese Weise die Fertigung vereinfacht werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Kolben, welcher mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist, mindestens eine als Zulaufdrossel dienende Drosselbohrung ausgebildet ist, die vorzugsweise als Radialbohrung oder als Schrägbohrung ausgeführt ist. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Zulaufdrossel handeln, über welche der Steuerraum mit Kraftstoff befüllbar ist, welcher der inneren Düsennadel zugeordnet ist. In diesem Fall ist die Drosselbohrung bevorzugt als Radialbohrung ausgeführt. Soll die Drosselbohrung in den Steuerraum münden, welcher der äußeren Düsennadel zugeordnet ist, ist diese bevorzugt als Schrägbohrung ausgeführt. Sofern beide Zulaufdrosseln in dem Kolben ausgebildet sind, der mit der äußeren Düsennadel mechanisch gekoppelt ist, reduziert sich die Anzahl der Drosselbohrungen, die in der Drosselplatte ausgebildet sind, auf die beiden Ablaufdrosseln.
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Die Anordnung bzw. Lage der Drosselbohrungen hängt insbesondere von der konkreten Ausführung der Steuerventile ab. Bevorzugt ist mindestens ein Steuerventil als 2/2-Wegeventil oder als 4/2-Wegeventil ausgeführt. In der Ausführung als 4/2 Wegeventil kann mit Öffnen der Ablaufdrossel die Zulaufdrossel geschlossen werden, so dass die Ablaufdrossel kleiner ausgelegt werden kann, da sie nicht den über die Zulaufdrossel in den Steuerraum gelangende Kraftstoffmenge zu kompensieren hat. Es können beide Steuerventile als 4/2 Wegeventil ausgeführt sein oder nur ein Steuerventil. Darüber hinaus können auch beide Steuerventile als 2/2-Wegeventile ausgeführt sein, da sich dieses Konzept besonders einfach umsetzen lässt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen ersten schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen zweiten schematischen Längsschnitt durch den Kraftstoffinjektor der 1 mit veränderter Schnittebene,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Steuerventile,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Düsennadeln,
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
- 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 und in der 2 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Düsennadeln 1, 2 zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen 3, 4 (siehe 4). Die äußere Düsennadel 1 steuert Einspritzöffnungen 3, die in einem Düsenkörper 25 ausgebildet sind, der einen Gasraum 27 begrenzt. Über die Einspritzöffnungen 3 ist demnach ein gasförmiger Kraftstoff einspritzbar bzw. einblasbar. Die Einspritzöffnungen 4 sind in der äußeren Düsennadel 1 angeordnet, die zugleich einen Dichtsitz 16 für die innere Düsennadel 2 ausbildet und einen Flüssigkraftstoffraum 28 begrenzt. Über die Einspritzöffnungen 4 ist demnach ein flüssiger Kraftstoff einspritzbar. Der Düsenkörper 25 ist mittels einer Düsenspannmutter 26 mit einem Gehäuse 11 verspannt, das von einer Durchgangsbohrung 12 durchsetzt ist. In der Durchgangsbohrung 12 sind zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Kolben 9, 17 aufgenommen, von denen der abschnittsweise hülsenförmig ausgebildete äußere Kolben 9 mit der äußeren Düsennadel 1 und der innere Kolben 17 mit der inneren Düsennadel 2 mechanisch gekoppelt sind. Die Kolben 9, 17 verlängern somit die Düsennadeln 1, 2. Dies hat den Vorteil, dass den Düsennadeln 1, 2 zugeordnete Steuerräume 5, 6 düsenfern bzw. in der Nähe von Steuerventilen 7, 8 angeordnet werden können, die der Ansteuerung der Düsennadeln 1, 2 dienen. Somit können kurze Steuerleitungen realisiert werden, die zu einem schnellen und präzisen Schalten des Kraftstoffinjektors beitragen.
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Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, wird der Steuerraum 5, welcher der äußeren Düsennadel 1 zugeordnet ist, in radialer Richtung durch das Gehäuse 11 und in axialer Richtung einerseits durch den Kolben 9, andererseits durch eine Drosselplatte 10 begrenzt. Auf ihrer dem Steuerraum 5 abgewandten Seite bildet die Drosselplatte 10 einen ersten Ventilsitz 18 für das der äußeren Düsennadel 1 zugeordnete Steuerventil 7 sowie einen zweiten Ventilsitz 19 für das der inneren Düsennadel 2 zugeordnete Steuerventil 8 aus. Das erste Steuerventil 7 ist als 4/2-Wegeventil und das zweite Steuerventil 8 ist als 2/2-Wegeventil ausgebildet. Das heißt, dass mit Öffnen des ersten Steuerventils 7 eine Verbindung des Steuerraums 5 mit einem Rücklauf (nicht dargestellt) über eine in der Drosselplatte 10 ausgebildete Ablaufdrossel 21 hergestellt wird, während zugleich eine Verbindung des Steuerraums 5 mit einem Zulaufkanal 38 über eine in der Drosselplatte 10 ausgebildete Zulaufdrossel 20 unterbrochen wird. Dem Ventilsitz 18 liegt hierzu ein Ventilsitz 18' gegenüber, der durch einen an die Drosselplatte 10 angesetzten Ventilkörper 35 ausgebildet wird. Des Weiteren ist in der Drosselplatte 10 eine Ablaufdrossel 22 ausgebildet, die über einen im Gehäuse 11 ausgebildeten ersten Ablaufkanal 23 und einem im Kolben 9 ausgebildeten zweiten Ablaufkanal 23 mit dem Steuerraum 6 verbunden ist, welcher der inneren Düsennadel 2 zugeordnet ist. Die Ablaufdrossel 22 mündet in den Ventilsitz 19 und ist somit über das zweite Steuerventil 8 schaltbar, das als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Das heißt, dass bei geöffneter Ablaufdrossel 22 auch eine Zulaufdrossel 24 geöffnet ist, die den Steuerraum 6 mit dem Zulaufkanal 38 verbindet und als Radialbohrung im Kolben 9 ausgebildet ist. Die Ablaufdrossel 22 muss somit den Zustrom über die Zulaufdrossel 24 kompensieren.
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Der Steuerdruck in den Steuerräumen 5, 6 bewirkt auf den jeweiligen Kolben 9, 17 jeweils eine hydraulische Druckkraft, die über den Kolben 9, 17 auf die jeweilige Düsennadel 1, 2 übertragen wird, da Kolben 9, 17 und Düsennadel 1, 2 mechanisch gekoppelt sind. Wie insbesondere der 4 zu entnehmen ist, wird die mechanische Kopplung des äußeren Kolbens 9 mit der äußeren Düsennadel 1 mittels eines Zentrierstücks 13 bewirkt, das durch die Federkraft einer ersten Druckfeder 14 gegen die äußere Düsennadel 1 axial vorgespannt ist. Die Druckfeder 14 ist hierzu einerseits am Zentrierstück 13, andererseits an einem Federteller 30 abgestützt, der innerhalb der Durchgangsbohrung 12 des Gehäuses 11 fixiert ist. Am Zentrierstück 13 ist zudem eine zweite Druckfeder 15 abgestützt, welche die innere Düsennadel 2 in Richtung des Dichtsitzes 16 vorspannt. Die Federkraft der zweiten Druckfeder 15 ist kleiner als die der ersten Druckfeder 14, so dass sichergestellt ist, dass das Zentrierstück 13 stets in Kontakt mit der äußeren Düsennadel 1 steht. Im Zentrierstück 13 ist eine Einstellscheibe 29 aufgenommen, über welche der äußere Kolben 9 am Zentrierstück 13 abgestützt ist. Die Einstellscheibe 29 begrenzt den maximalen Hub der äußeren Düsennadel 1 durch den Anschlag an der Drosselplatte 10. Zur Begrenzung des Hubs der inneren Düsennadel 2 ist am Zentrierstück 13 ein Hubanschlag 39 ausgebildet. Dies führt zu einer kurzen Toleranzkette, so dass eine Einstellscheibe zur Hubeinstellung entbehrlich ist.
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Beiden Steuerventilen 7, 8 ist jeweils eine Magnetbaugruppe 31, 32 zugeordnet, mittels welcher die Steuerventile 7, 8 betätigbar sind. Sowohl die Steuerventile 7, 8 als auch die Magnetbaugruppen 31, 32 sind vorliegend im Ventilkörper 35 aufgenommen. Auf dem Ventilkörper 35 liegt ein Deckel 33 auf, der mittels einer Spannmutter 34 mit dem Gehäuse 11 verspannt ist (siehe insbesondere 3). Das Gehäuse 11 weist zudem einen Gasanschluss 36 zur Versorgung mit dem gasförmigen Kraftstoff sowie einen Flüssigkraftstoffanschluss 37 zur Versorgung mit dem flüssigen Kraftstoff auf (siehe insbesondere 2).
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Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist in der 5 dargestellt. Hier sind beide Steuerventile 7, 8 als einfache 2/2-Wegeventile ausgeführt. Die Steuerventile 7, 8 geben in geöffnetem Zustand jeweils eine Ablaufdrossel 21, 22 frei, über welche eine Verbindung des jeweiligen Steuerraums 5, 6 mit einem Rücklauf (nicht dargestellt) herstellbar ist. Die beiden Ablaufdrosseln 21, 22 sind in der Drosselplatte 10 ausgebildet. Der Zulauf von Kraftstoff in die Steuerräume 5, 6 erfolgt über Zulaufdrosseln 20, 24, von denen die Zulaufdrossel 20 ebenfalls in der Drosselplatte 10 und die Zulaufdrossel 24 als Radialbohrung im äußeren Kolben 9 ausgebildet ist.
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Eine Abwandlung der Ausführungsform der 5 ist in der 6 dargestellt. Beide Steuerventile 7, 8 sind auch hier als 2/2-Wegeventile ausgeführt. Die beiden Ablaufdrosseln 21, 22 sind in der Drosselplatte 10 und die beiden Zulaufdrosseln 20, 24 sind im äußeren Kolben 9 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225167 A1 [0003]
