DE102005037419A1 - Injektor zur Direktinjektion von brennbaren Fluiden - Google Patents

Abstract

Injektor zur Direktinjektion von Fluiden in einen Verbrennungsraum von Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus: DOLLAR A - einem über einen Hubtransformator (5) auf eine nach außen öffnende Ventilnadel (3) wirkenden piezoelektrischen Aktor (1), DOLLAR A - wobei die Steifigkeit von Ventil (3) und Hubtransformator (5) annähernd der Steifigkeit des Piezoaktors entspricht. DOLLAR A Produkt: Injektor für mit brennbaren Gasen betriebene Motoren.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Injektor zur direkten Injektion von Fluiden, insbesondere zur Einblasung von Brenn- bzw. Heizgasen, in einen oder mehrere Verbrennungsräume von Verbrennungskraftmaschinen. Insbesondere wird die Direkteinblasung von Gas in einen Zylinderkopf eines Gasmotors betrachtet.
• Ein Großteil der heutzutage betriebenen Motoren wird mit fluiden Brennstoffen betrieben, die zum größten Teil aus dem fossilen Bereich der Energieträger stammen. Bei der Betrachtung der automobilen Entwicklung sind hier im Wesentlichen die flüssigen Brennstoffe wie Benzin oder Diesel zu nennen. Bestehende Technologien zur Einbringung von Brennstoff und Luft in einen Verbrennungsraum eines derartigen Motors sind allgemein bekannt. Die Entwicklungen der letzten Jahre haben vor allem hinsichtlich der höheren Energieausbeute und der niedrigeren Schadstoff-Emissionswerte wesentlich veränderte Technologien hervorgebracht. So wird bei automobilen Verbrennungsmotoren nach und nach eine Brennstoff-Direkteinspritzung notwendig sein, die seit längerem die Serienreife erreicht hat. Charakteristisch daran ist, dass eine so genannte Vorkammer-Einspritzung oder Ansaugrohr-Einspritzung durch eine Direkteinspritzung des flüssigen Brennstoffs in den Verbrennungsraum bei unverändert ausgelegter Luftzufuhr über einen separaten Kanal ersetzt wird. Diesbezüglich sind Diesel- und auch Benzinsysteme bekannt. Ein für einen Benzinmotor ausgelegtes Direkteinspritzungs-System trägt beispielsweise die Bezeichnung HPDI (High Pressure Direct Injection).
• So ist beispielsweise der Energieinhalt eines gleichen Volumenanteils eines Brennstoffgases wesentlich kleiner als der eines fluiden Brennstoffs. Dieses Verhältnis beträgt beispielsweise zwischen Erdgas und Heizöl ungefähr 1:10. Mit an deren Worten sind wesentlich größere Durchsatzmengen bei gleicher Motorleistung zu bearbeiten. Weiterhin sind die Beträge bei beispielsweise Zündgrenzen oder Flammengeschwindigkeit etc. wesentlich anders.
• Weiterhin sind Gasmotoren bekannt, die unterschiedliche Gase fossiler Herkunft oder auch Wasserstoff als Brennstoff verwenden. In den meisten Fällen sind auch hier die Systeme mit einer Gemischbildung zwischen Brennstoff und Luft im Ansaugrohr ausgebildet. Da der Einsatz von brennbaren Gasen in Verbrennungskraftmaschinen des automobilen Bereichs zunehmend gefragt ist, werden die damit verbundenen Luft- und Brennstoff-Zuführsysteme durch Weiterentwicklungen optimiert. Beim Einsatz von Gasen als Brennstofflieferant sind jedoch wesentlich andere Voraussetzungen zu beachten als bei einem flüssigen Brennstoff.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor zur Direktinjizierung von brennbaren Fluiden in den Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine zu beschreiben, der einen optimierten Hub an einem Injektionsventil liefert. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein ausreichender Volumenstrom an brennbarem Fluid durch einen mit piezoelektrischem Aktor gesteuerten Injektor erzielbar ist. Mittels Direktinjizierung in einen Zylinderkopf eines Motors kann in kürzesten Zeitabschnitten ein notwendiges Volumenelement mit hoher Geschwindigkeit eingebracht werden. Durch den Einsatz des piezoelektrisch gesteuerten Injektors wird der begrenzte Bauraum an einem Zylinderkopf berücksichtigt. Die Steuerbarkeit des Injektors liegt in Zeitbereichen, die unterhalb von 1 ms liegen. Mit derartig kurzen Schaltzeiten können weitere Vorteile gewonnen werden wie eine bestimmte Freiheit bei der Entwicklung von Brennverfahren wie bei spielsweise der Schichtladung in einem Brennraum. Weiterhin bietet die Erfindung die Möglichkeit, ein kleines Fluidvolumen für den Leerlaufbetrieb oder den Teillastbetrieb ebenso zu steuern wie ein Brenngasvolumen für den Volllastbereich. Da im System keine Vormischung stattfindet, kann auch eine stufenlose Injektion von brennbarem Fluid eingerichtet werden. Bei der Einblasung von brennbaren Gasen gelten gleiche oder analoge Betrachtungen wie bei flüssigen Brennstoffen. Hauptsächliche Wirkung der Erfindung besteht in der mechanischen Abstimmung der Steifigkeiten von einerseits dem Ventil und dem Hubtransformator und andererseits dem piezoelektrischen Aktor. Dieser Ansatz ergibt eine optimale Entnahme von mechanischer Arbeit aus dem piezoelektrischen Aktor. Anders ausgedrückt verrichtet der piezoelektrischen Aktor nur einen minimalen Hub ohne relevante Kraft.
• Eine notwendige Huberhöhung an einem Injektor zur Direktinjektion von gasförmigem oder fluidem Brennstoff kann mechanisch durch einen Hebel vorteilhaft realisiert werden. Eine weitere ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung besteht in der Realisierung des Hubübertragers anhand eines hydraulischen Ausgleichselementes. Dieses ist in einfacher Weise durch zwei mit unterschiedlichem Querschnitt und hydraulisch miteinander verbundenen Hydraulikkolben realisierbar. Ein Längenausgleich oder Abgleich lässt sich somit sehr gut durchführen durch einen hydraulischen Ausgleich, einen thermischen Ausgleich oder einen elektrischen Ausgleich oder aus einer Kombination daraus. Ein Festsetzen eines Hydraulikkolbens wird durch die Parallelschaltung eines Rückschlagventils zu einem hydraulischen Leckagepfad vorteilhaft verhindert.
• Im Folgenden werden anhand von die Erfindung nicht einschränkenden schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
• 1 zeigt die Anforderungen an einen Injektor zur Gasdirekteinblasung im Vergleich mit leistungsfähigen Benzin-Injektoren;
• 2 zeigt das Prinzip eines Injektors zur Gasdirekteinblasung mit mechanischer Lösung durch einen Hebel, wobei der geringe Aktorhub auf eine erforderliche Größe transformiert wird und die vom Aktor zur Verfügung stehende Kraft ausnützt;
• 3 zeigt das Prinzip eines Injektors zur Gasdirekteinblasung, wobei die gedrosselte Leckage der Hydraulikkolben zu einem gewünschten Ausgleich von Längentoleranzen von Ausfertigung und Betrieb dienen;
• 4 zeigt das Prinzip eines Injektors zur Gasdirekteinblasung mit Rückschlagventil zur Eliminierung des Effektes des hydraulischen Setzens;
• 5 zeigt ein Beispiel der Gesamtanordnung eines Injektors zur Gasdirekteinblasung mit hydraulischem Hubtransformator.
• In der Erfindung werden der Einsatz von Piezoaktoren kombiniert mit nach außen öffnenden Ventilen, die beispielsweise mit einem Kegelsitz ausgestattet sind. Weiterhin kann für die Gasdirekteinblasung ein hydraulischer Ausgleich für den thermischen Längenausgleich eingesetzt werden, da die Längenänderungen in der Größenordnung der Aktuator-Elongation liegen.
• Der thermische Ausgleich von unterschiedlichen Längenänderungen besteht darin, dass an entsprechenden Stellen geeignete Materialien eingesetzt werden, deren Ausdehnung dem des Piezoaktors entsprechen, so dass die Gesamtausdehnung des Injektors dem Konstruktionswerkstoff des Injektors entspricht. Ein elektrischer Ausgleich der Längenänderung kann gesteuert oder geregelt durch Auswertung der sensorischen Rückwirkung des Piezoaktors erfolgen. Zur wesentlichen Steigerung des Durchsatzes am Ventil ist zunächst 1 der Zielbereich entsprechend Volumen und Druck zu bestimmen. In 1 ist anhand einer Ellipse ein Zielbereich bei beispielsweise 20 bar Gasdruck und 8 bis 11 mg/ms Durchsatz vorgesehen. Bei weiteren realistischen Anwendungen von Gasen als Brennstoff für den Betrieb von Motoren kann der Gasdruck von 10 bis 200 bar reichen. Somit stellt sich für einen Gas-Injektor bzw. ein System zur Gasdirekteinblasung die Anforderung, innerhalb kurzer Zeit ein sehr großes Volumen passieren zu lassen. Da es in der Regel nicht möglich sein wird, den Durchmesser beliebig zu steigern, da an dem Zylinderkopf und in der Umgebung eines Verbrennungsraums eines Motors nicht unbegrenzt Platz für Ein- und Auslassventile vorhanden ist, lässt sich als veränderbarer Parameter lediglich der Hub des Ventils verändern. Dies wäre prinzipiell durch einen entsprechend langen Aktor möglich, was jedoch mit großem dynamischem Nachteil verbunden wäre, da die Eigenfrequenz eines solchen Aktors für die Anwendung zu niedrig ist. Somit werden übliche Aktoren eingesetzt und die notwendige Hubüberhöhung geschieht durch Hubtransformatoren, die entweder mechanisch oder hydraulisch umsetzbar sind. Hierzu sind insbesondere die 2, 3, 4 und 5 zu betrachten.
• Die Anforderung an einen Injektor zur Gasdirekteinblasung werden durch die Erfindung insgesamt erfüllt. Ein hydraulischer Hubtransformator wirkt zugleich vorteilhaft als thermischer Längenausgleich. Eine Leistungsanpassung des Aktuators geschieht durch die Anpassung der mechanischen Steifigkeit der durch den Piezoaktor dargestellten Kraftquelle mit der Steifigkeit der durch das Ventil und den Hubtransformator dargestellten Kraftsenke. Somit wird sichergestellt, dass der Aktor die größtmögliche mechanische Arbeit verrichten kann, die zum gewünschten Öffnungshub erforderlich ist. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Aktor nicht ohne Gegenkraft einen Hub erzeugt, sondern gegen die Federkraft von Ventilnadel, Schließfeder und Hubtransformator arbeitet. Die Erzielung ei nes maximalen Aktorhubs ist jedoch nicht mit einer Maximalkraft, die auch als Blockierkraft bezeichnet wird, des Aktors verbunden. Im Betrieb wird jedoch, um dem Aktor die maximale mechanische Arbeit abzufordern, eine Kraft gewünscht, die der halben Blockierkraft und dem halben Hub entspricht, so dass der Aktor in einer optimalen Leistungsumgebung arbeitet. Dies ist durch entsprechende Auslegung des Hubübersetzers möglich. Die benötigte Arbeit kann somit durch einen Aktor mit minimaler Größe realisiert werden.
• Durch die Hubübersetzung kann ein Aktor mit minimaler Länge eingesetzt werden. Das Quadrat der Aktorlänge I bestimmt die eigene Schwingungsdauer T und damit die Dynamik des Systems. Durch die Leistungsanpassung ist der Aktorhub halbiert und somit die Dynamik doppelt so gut wie im Leerhubbetrieb. Insgesamt lässt sich ein dynamisches System mit breitem Arbeitsbereich und hohem Durchsatz darstellen.
• 2 zeigt die mechanische Lösung für einen Hubübertrager.
• Die 3 und 4 zeigen schematisch dargestellt hydraulische Ausgleichssysteme, wobei sie sich durch unterschiedliche Ausbildungen unterscheiden. Insbesondere ist der Piezoaktor 1 dargestellt, der auf einen ersten Hydraulikkolben 8 wirkt, welcher hydraulisch mit einem zweiten Hydraulikkolben verbunden ist. Die damit vorgenommene Hubtransformation durch die unterschiedlichen Querschnitten an den Hydraulikkolben wird durch den zweiten Hydraulikkolben am Ventil 3 angesetzt, so dass der Gaszulauf 7 eine Dosierung in Richtung Brennraum 6 erfährt.
• 5 zeigt die Gesamtanordnung eines Injektors zur Gasdirekteinblasung mit entsprechend geringem Bauvolumen. Die darin verwendeten Aktoren sind Piezoaktoren. Am Gaseinlass 4 steht ein Brenngas mit einem Druck im Bereich von beispielsweise 10 bis 200 bar an. Der Piezoaktor steuert mittelbar über den Hubtransformator 5 das Ventil 3, das las Nadelventil ausgelegt ist und die Ventilnadel 11 aufweist. Das Gas wird direkt in einen Brennraum eines Motors injiziert, so dass keinerlei Vormischung stattfindet. Elektrische Ansteuerleitungen sind in 5 nicht dargestellt.

Claims (11)

1. Injektor zur Direktinjektion von Fluiden in einen Verbrennungsraum von Verbrennungskraftmaschinen bestehend aus: – einem über einen Hubtransformator (5) auf eine nach außen öffnende Ventilnadel (3) wirkenden piezoelektrischen Aktor (1), – wobei die Steifigkeit von Ventil (3) und Hubtransformator (5) annähernd der Steifigkeit des Piezoaktors entspricht.
2. Injektor nach Anspruch 1, bei dem das Fluid ein Brenngas ist.
3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hubtransformator (5) durch ein mechanisches Mittel dargestellt ist.
4. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hubtransformator (5) durch ein hydraulisches Mittel dargestellt ist.
5. Injektor nach Anspruch 4, bei dem das hydraulische Mittel gleichzeitig als hydraulisches Ausgleichselement zum Längenabgleich dient.
6. Injektor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das hydraulische Mittel durch in Serie geschaltete Hydraulikkolben (8, 9) mit unterschiedlichem Querschnitt und einer gemeinsamen hydraulischen Arbeitskammer und jeweils gedrosselten Leckagepfaden zwischen Primär- und Sekundärseiten der Hydraulikkolben dargestellt ist.
7. Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem eine Auswerteeinheit anhand der elektrischen sensorischen Rückwirkung des Piezoaktors für einen elektrischen Längenabgleich vorhanden ist.
8. Injektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Längenabgleich gleichzeitig hydraulisch und elektrisch über das Ausgleichselement und die Auswerteeinheit durchführbar ist.
9. Injektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Piezoaktor mit halber Blockierkraft und halbem Hub leistungsangepasst ansteuerbar ist.
10. Injektor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem parallel zu einem Leckagepfad eines vom Piezoaktor angetriebenen Hydraulikkolbens ein Rückschlagventil geschaltet ist.
11. Injektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Hub des Ventils stufenlos steuerbar ist.