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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Zwei- bzw. Dualkraftstoffmotoren, insbesondere einen Kraftstoffinjektor, der eine dynamische Gasmischung im Zylinder ermöglicht.
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Hintergrund
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Typische Zweikraftstoffmotoren arbeiten mit relativ niedrigen Gasdrücken (z.B. 100-200 psi = 0,69-1,38 MPa), was eine Einspritzung in den Zylinder mit herkömmlichen Düsenkonstruktionen erschwert. Bei diesen Motoren wird gasförmiger Kraftstoff über Begasung oder Einspritzung in die Ansaugöffnung mit Luft vermischt, um ein homogenes Gemisch für eine Zündung mittels einer kleinen Flüssigdieselpiloteinspritzung bereitzustellen. Mit anderen Worten, es wird eine kompressionsgezündete kleine Dieseleinspritzung dazu verwendet, ein homogenes Gemisch aus gasförmigem Kraftstoff und Luft in den einzelnen Zylindern zu zünden. Dieser Ansatz kann dazu führen, dass es notwendig ist, ein Austreten von Kohlenwasserstoff in das Abgas aufgrund von in den Spalten der Brennkammer vorhandenen Resten von gasförmigem Kraftstoff zu kontrollieren. Die US-Patentanmeldung der Anmelderin mit der Veröffentlichungsnummer
US 2012/ 0 187 218 A1 zeigt eine Zweikraftstoffmotoralternative, bei der gasförmiger Kraftstoff mit relativ hohem Druck direkt in den Motorzylinder eingespritzt wird.
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WO 2012/ 171 119 A1 offenbart einen Zweikraftstoffmotor mit Zweikraftstoffeinspritzventilen mit konzentrischen Nadeln. Das Ventil ist mit zwei Öffnungen zum separaten Einspritzen von zwei unterschiedlichen Kraftstoffen in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ausgebildet. Das Ventil weist einen Einlass für einen Flüssigkraftstoff und einen Einlass für einen Gaskraftstoff sowie einen Einlass für ein Dichtfluid auf. Das Dichtfluid wird einem Dichtfluidhohlraum zugeführt, der die Nadeln umgibt.
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DE 10 2007 028 091 A1 offenbart ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffen, nämlich einem flüssigen Primärkraftstoff wie Diesel und einem flüssigen Sekundärkraftstoff wie Pflanzenöl.
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Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, eines oder mehrere der vorher genannten Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt enthält ein Zweikraftstoffmotor ein Motorgehäuse, das mehrere Zylinder festlegt. Mehrere Kraftstoffinjektoren weisen jeweils einen Injektorkörper auf, der einen Flüssigdüsenauslasssatz und einen Gasdüsenauslasssatz festlegt, die in einen der Zylinder geöffnet sind. Jeder Injektorkörper legt ferner einen Flüssigkraftstoffeinlass, einen Gaskraftstoffeinlass und einen Ablaufauslass fest. Jeder der Kraftstoffinjektoren enthält ein Flüssignadelventilbauteil, das den Flüssigdüsenauslasssatz öffnet und schließt, und ein Gasnadelventilbauteil, das den Gasdüsenauslasssatz öffnet und schließt. Jeder Kraftstoffinjektor enthält ferner einen ersten elektrischen Aktor, der mit dem Flüssignadelventilbauteil betriebsverbunden ist, und einen zweiten elektrischen Aktor, der mit dem Gasnadelventilbauteil betriebsverbunden ist. Ein Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail ist mit dem Flüssigkraftstoffeinlass jedes der Kraftstoffinj ektoren fluidverbunden. Ein Niederdruckgaskraftstoff-Common-Rail ist mit dem Gaskraftstoffeinlass jedes der Kraftstoffinjektoren fluidverbunden. Eine Ablaufleitung ist mit dem Ablaufauslass fluidverbunden. Jeder der Kraftstoffinjektoren enthält einen Ablaufringraum, der das Gasnadelventilbauteil umgibt und mit dem Ablaufauslass fluidverbunden ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt enthält ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper, der einen Flüssigkraftstoffeinlass, einen Gaskraftstoffeinlass, einen Flüssigdüsenauslasssatz, einen Gasdüsenauslasssatz und einen Ablaufauslass festlegt. Ein erster elektrischer Aktor, ein zweiter elektrischer Aktor, eine Flüssigdüsenkammer, eine Gasdüsenkammer, eine erste Nadelsteuerkammer und eine zweite Nadelsteuerkammer sind in dem Injektorkörper angeordnet. Die Flüssigdüsenkammer, die erste Nadelsteuerkammer und die zweite Nadelsteuerkammer sind mit dem Flüssigkraftstoffeinlass fluidverbunden. Die Gasdüsenkammer ist mit dem Gaskraftstoffeinlass fluidverbunden. Ein erstes Steuerventilbauteil ist mit dem ersten elektrischen Aktor betriebsverbunden und zwischen einer ersten Position, die die erste Nadelsteuerkammer von dem Ablaufauslass trennt, und einer zweiten Position, die die erste Nadelsteuerkammer mit dem Ablaufauslass fluidverbindet, bewegbar. Ein zweites Steuerventilbauteil ist mit dem zweiten elektrischen Aktor betriebsverbunden und zwischen einer ersten Position, die die zweite Nadelsteuerkammer von dem Ablaufauslass trennt, und einer zweiten Position, die die zweite Nadelsteuerkammer mit dem Ablaufauslass fluidverbindet, bewegbar. Ein Flüssignadelventilbauteil weist eine Öffnungshydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der Flüssigdüsenkammer ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der ersten Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist, auf. Das Flüssignadelventilbauteil ist zwischen einer geschlossenen Position, die die Flüssigdüsenkammer von dem Flüssigdüsenauslasssatz trennt, und einer geöffneten Position, die die Flüssigdüsenkammer mit dem Flüssigdüsenauslasssatz fluidverbindet, bewegbar. Ein Gasnadelventilbauteil weist eine Öffnungshydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der Flüssigdüsenkammer ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche, die einem Fluiddruck in der zweiten Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist, auf. Das Gasnadelventilbauteil ist zwischen einer geschlossenen Position, die die Gasdüsenkammer von dem Gasdüsenauslasssatz trennt, und einer geöffneten Position, die die Gasdüsenkammer mit dem Gasdüsenauslasssatz fluidverbindet, bewegbar. Ein Ablaufringraum umgibt das Gasnadelventilbauteil und ist mit dem Ablaufauslass fluidverbunden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Motors das Zuführen von Hochdruckflüssigkraftstoff zu einem Flüssigkraftstoffeinlass eines Kraftstoffinjektors. Niederdruckgaskraftstoff wird einem Gaskraftstoffeinlass des Kraftstoffinjektors zugeführt. Gaskraftstoff wird aus einem Gasdüsenauslasssatz des Kraftstoffinjektors direkt in einen Motorzylinder eingespritzt. Flüssigkraftstoff wird aus einem Flüssigdüsenauslasssatz des Kraftstoffinjektors direkt in den Motorzylinder eingespritzt. Eine Leckage von Flüssigkraftstoff in eine Gasdüsenkammer des Kraftstoffinjektors wird verringert, indem Flüssigkraftstoff von einem Ablaufringraum, der ein Gasnadelventilbauteil umgibt, zu einem Ablaufauslass bewegt wird. Der eingespritzte Flüssigkraftstoff wird in dem Motorzylinder kompressionsgezündet. Ein Gemisch aus Luft und dem eingespritzten Gaskraftstoff wird in dem Motorzylinder mittels des kompressionsgezündeten Flüssigkraftstoffs gezündet.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht eines Zweikraftstoffmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Motors und des Zweikraftstoff-Common-Rail-Systems für den Motor aus 1;
- 3 ist eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Teils des in 2 gezeigten Motorgehäuses, so dass ein Aufbau eines Kraftstoffinjektors und eines Motorzylinders sichtbar ist;
- 4 ist ein seitlicher Schnitt durch eine Anordnung von koaxialen Zufuhrrohren gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist eine geschnittene Vorderansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
- 6 ist eine geschnittene Vorderansicht eines Spitzenteils eines Kraftstoffinjektors gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Zunächst Bezug nehmend auf die 1-3 enthält ein Zweikraftstoffmotor bzw. eine Zweikraftstoffbrennkraftmaschine 10 ein Zweikraftstoff-Common-Rail-System 20, das an einem Motorgehäuse 11 angebracht ist, welches mehrere Motorzylinder 12 festlegt. Ein Kolben 14 ist so in jedem Motorzylinder positioniert, dass er sich zwischen einer Position eines unteren Totpunkts und einer Position eines oberen Totpunkts hin und her bewegt, um ein Kompressionsverhältnis festzulegen, das größer als 14:1 ist, was einem Kompressionsverhältnis entspricht, das ermöglicht, dass Flüssigdieselkraftstoff auf bekannte Weise kompressionsgezündet wird. Das Zweikraftstoff-Common-Rail-System 20 enthält jeweils einen Kraftstoffinjektor 25, der zur direkten Einspritzung in einen der mehreren Motorzylinder 12 positioniert ist. Ein Niederdruckgaskraftstoff-Common-Rail 21 und ein Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail 22 sind mit jedem Kraftstoffinjektor 25 fluidverbunden. Jeder der Kraftstoffinjektoren 25 enthält ferner einen Ablaufauslass 105 (5), der mit einer Ablaufleitung 24 fluidverbunden ist, die zu einem Flüssigdieselkraftstofftank 50 führt. Ein geeignet konstruierter Druckregler kann zum Aufrechterhalten des Drucks in der Ablaufleitung 24 über dem Druck in dem Gaskraftstoff-Common-Rail 21 in der Ablaufleitung 24 angeordnet sein. Der Druckregler 28 kann eine einfache Blende oder ein echtes Ventil eines bekannten Typs sein. Das Zweikraftstoff-Common-Rail-System 20 enthält ferner Gaszufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 16 sowie Flüssigzufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 17. Die Kraftstoffinjektoren 25, die Gaszufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 16 und die Flüssigzufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 17 stehen jeweils in einer Kommunikationsverbindung mit einer elektronischen Motorsteuerung 15 und werden von dieser auf bekannte Weise gesteuert. Die Gaszufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 16 können einen mit Druck beaufschlagten Kälteflüssiggastank 40 mit einem Auslass, der mit einer Kältepumpe 41 mit variabler Fördermenge fluidverbunden ist, enthalten. Die Vorrichtungen 16 können ferner einen Wärmetauscher 42, einen Druckspeicher 44, ein Gasfilter 43 und ein Kraftstoffkonditioniermodul 45 enthalten, das die Zufuhr und den Druck von gasförmigem Kraftstoff in dem Gaskraftstoff-Common-Rail 21 steuert. Die Flüssigzufuhr- und -drucksteuerungsvorrichtungen 17 können einen Flüssigdieselkraftstofftank 50, Kraftstofffilter 51 und eine elektronisch gesteuerte Hochdruckpumpe 52 enthalten, die dem Flüssigkraftstoff-Common-Rail 22 Flüssigkraftstoff zuführt und den Druck in demselben steuert.
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Zusätzlich Bezug nehmend auf 4 kann das Zweikraftstoff-Common-Rail-System 20 eine Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrohren (Quills) mit einem inneren Zufuhrrohr 32 und einem äußeren Zufuhrrohr 33 enthalten, die in Dichtkontakt mit einem gemeinsamen konischen Sitz 27 jedes Kraftstoffinjektors 25 stehen. Die Blöcke 31 der Anordnungen 30 von koaxialen Zufuhrrohren können über Gaskraftstoffleitungssegmente 18 und Flüssigkraftstoffleitungssegmente 19 der Reihe nach miteinander verbunden sein, so dass jeweils das Gaskraftstoff-Common-Rail 21 und das Flüssigkraftstoff-Common-Rail 22 festgelegt werden. Die letzte Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrrohren in der Kette kann anstelle der in 2 gezeigten Anschlussstücke (Fittings) Stopfen aufweisen. Eine Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrrohren ist fluidmäßig zwischen jedem der mehreren Kraftstoffinjektoren 25 und dem Gaskraftstoff-Common-Rail 21 und dem Flüssigkraft-Common-Rail 22 positioniert.
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Jede Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrrohren kann eine Lasteinstellklemme 34 mit einer Dreh- bzw. Schwenkfläche 75 enthalten, die an einer Lasteinstellposition 56, die von der Achse 29 des inneren Zufuhrrohrs 32 geschnitten wird, mit einem Block 31 in Kontakt steht. Die Lasteinstellklemme 34 kann einen Befestigungsschlitz 77 und eine Befestigungsbohrung 76 festlegen, die jeweils ein erstes Befestigungselement 81 und ein zweites Befestigungselement 80 aufnehmen. Die Lasteinstellklemme 34 dreht sich bzw. schwenkt ansprechend auf Einstellungen des ersten und des zweiten Befestigungselements 81, 80 an der Lasteinstellposition 56. Die Befestigungselemente 80 und 81 sind jeweils in einer Befestigungsbohrung 54 und einem Befestigungsschlitz 55 der Blöcke 31 aufgenommen.
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Jeder Block 31 jeder Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrrohren kann ein Segment des Gaskraftstoff-Common-Rails 21 festlegen, das senkrecht zu der Achse 29 des inneren Zufuhrrohrs 32 angeordnet ist. Ein Gaskraftstoffkanal 60 ist an einem Ende in das Gaskraftstoff-Common-Rail 21 geöffnet und an seinem anderen Ende in den ersten Kraftstoffeinlass 101 des Kraftstoffinjektors 25 geöffnet. Ein Segment des Gaskraftstoffkanals 60 befindet sich zwischen dem inneren Zufuhrrohr 32 und dem äußeren Zufuhrrohr 33. Jeder der Blöcke 31 legt ferner ein Segment des Flüssigkraftstoff-Common-Rails 22 fest. Ein Flüssigkraftstoffkanal 61 ist an einem Ende in das Flüssigkraftstoff-Common-Rail 22 geöffnet und an seinem gegenüberliegenden Ende in den zweiten Kraftstoffeinlass 102 des Kraftstoffinjektors 25 geöffnet. Auch wenn dies nicht notwendig ist, kann der Gaskraftstoffkanal 60 ein Rückschlagventil 67 enthalten, so dass verhindert wird, dass Flüssigkraftstoff in das Gaskraftstoff-Common-Rail 21 gelangt.
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Zum Auffangen von Metallteilen, die häufig bei einem ersten Betrieb des Motors 10 nach dem Bau in Kraftstoffströme gelangen, kann die Anordnung 30 von koaxialen Zufuhrrohren ein Gaskraftstoffspaltfilter 36 und ein Flüssigkraftstoffspaltfilter 37 enthalten. Bei der dargestellten Ausführungsform kann das Flüssigkraftstoffspaltfilter 37 in dem inneren Zufuhrrohr 32 positioniert sein. Das Gaskraftstoffspaltfilter 36 ist in dem äußeren Zufuhrrohr 33 positioniert gezeigt. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die Spaltfilter 36 und 37 an anderen Stellen angeordnet oder weggelassen werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
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Zusätzlich Bezug nehmend auf 5 enthält jeder Kraftstoffinjektor 25 einen Inj ektorkörper 100, der einen Flüssigkraftstoffeinlass 102 (4), einen Gaskraftstoffeinlass 101 (4), einen Flüssigdüsenauslasssatz 104, einen Gasdüsenauslasssatz 103 und einen Ablaufauslass 105 festlegt. Ein erster elektrischer Aktor 111, ein zweiter elektrischer Aktor 122, eine Flüssigdüsenkammer 116, eine Gasdüsenkammer 115, eine erste Nadelsteuerkammer 106 und eine zweite Nadelsteuerkammer 107 sind in dem Injektorkörper 100 angeordnet. Die Flüssigdüsenkammer 116, die erste Nadelsteuerkammer 106 und die zweite Nadelsteuerkammer 107 sind über Kanäle, die in dem Schnitt in 5 nicht sichtbar sind, mit dem Flüssigkraftstoffeinlass 102 fluidverbunden. Die Gasdüsenkammer 115 ist ebenfalls über einen Kanal, der in dem Schnitt in 5 nicht sichtbar ist, mit dem Gaskraftstoffeinlass 101 fluidverbunden. Ein erstes Steuerventilbauteil 130 ist mit dem ersten elektrischen Aktor 111 betriebsverbunden und zwischen einer ersten Position, die die erste Nadelsteuerkammer 106 von dem Ablaufauslass 105 trennt, und einer zweiten Position, die die erste Nadelsteuerkammer 106 mit dem Ablaufauslass 105 fluidverbindet, bewegbar. Ein zweites Steuerventilbauteil 135 ist mit dem zweiten elektrischen Aktor 122 betriebsverbunden und zwischen einer ersten Position, die die zweite Nadelsteuerkammer 107 von dem Ablaufauslass 105 trennt, und einer zweiten Position, die die zweite Nadelsteuerkammer 107 mit dem Ablaufauslass 105 fluidverbindet, bewegbar. Der erste elektrische Aktor 111 enthält einen ersten Anker 141, und der zweite elektrische Aktor 122 enthält einen zweiten Anker 142. Der erste und der zweite elektrische Aktor 111, 122 können einen gemeinsamen Stator 144 gemeinsam verwenden. Das erste Steuerventilbauteil 130, der erste Anker 141, der zweite Anker 142 und das zweite Steuerventilbauteil 135 können sich längs einer gemeinsamen Mittellinie 125 bewegen. Unterschiedliche Geometrien würden jedoch ebenfalls in den beabsichtigten Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen.
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Ein Flüssignadelventilbauteil 110 weist eine Öffnungshydraulikfläche 114, die einem Fluiddruck in der Flüssigdüsenkammer 116 (und dem Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail 22) ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche 112, die einem Fluiddruck in der ersten Nadelsteuerkammer 106 ausgesetzt ist, auf. Abhängig von dem Druck in der ersten Nadelsteuerkammer 106 ist das Flüssignadelventilbauteil 110 zwischen einer geschlossenen Position in Kontakt mit dem Sitz 113, so dass die Flüssigdüsenkammer 116 von dem Flüssigdüsenauslasssatz 104 getrennt ist, und einer geöffneten Position nicht in Kontakt mit dem Sitz 113, so dass die Flüssigdüsenkammer 116 mit dem Flüssigdüsenauslasssatz 104 fluidverbunden ist, bewegbar. Ein Gasnadelventilbauteil 120 weist eine Öffnungshydraulikfläche 123, die einem Fluiddruck in der Flüssigdüsenkammer 116 (und dem Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail) ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche 121, die einem Fluiddruck in der zweiten Nadelsteuerkammer 107 ausgesetzt ist, auf. Abhängig von dem Druck in der zweiten Nadelsteuerkammer 107 ist das Gasnadelventilbauteil 120 zwischen einer geschlossen Position in Kontakt mit dem Sitz 108, so dass die Gasdüsenkammer 115 von dem Gasdüsenauslasssatz 103 getrennt ist, und einer geöffneten Position nicht in Kontakt mit dem Sitz 108, so dass die Gasdüsenkammer 115 mit dem Gasdüsenauslasssatz 103 fluidverbunden ist, bewegbar. Für Fachleute ist offensichtlich, dass der Druck in der Flüssigdüsenkammer 116 gleich dem Druck in dem Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail 22 ist und dass der Druck in der Gasdüsenkammer 115 gleich dem Druck in dem Niederdruckgaskraftstoff-Common-Rail 21 ist. Da das Flüssigkraftstoff-Common-Rail einen Druck aufweist, der ein Vielfaches des Drucks des Gaskraftstoff-Common-Rails beträgt, umgibt ein Ablaufringraum 132 das Gasnadelventilbauteil 120 und ist zum Auffangen von Flüssigkraftstoff, der sich entlang der Außenseite des Gasnadelventilbauteils 120 zu der Gasdüsenkammer 115 bewegt, mit dem Ablaufauslass 105 fluidverbunden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Injektorkörper 100 eine Spitzenkomponente 160, die den Flüssigdüsenauslasssatz 104 und den Gasdüsenauslasssatz 103 festlegt. Das Flüssignadelventilbauteil 110 weist eine Führungswechselwirkung 145 mit der Spitzenkomponente 160 auf, und das Gasnadelventilbauteil 120 weist eine Führungswechselwirkung 147 mit der Spitzenkomponente 160 auf. Abflachungen (nicht gezeigt) können an dem Flüssignadelventilbauteil 110 vorgesehen sein, um einen Kraftstoffstrom vorbei an der Führungswechselwirkung 145 zu ermöglichen. Der Ablaufringraum 132 kann ein oberes Führungssegment 152 von einem unteren Führungssegment 153 für das Gasnadelventilbauteil 120 trennen. Der Ablaufringraum 132 ist über einen Ablaufkanal 129 mit dem Ablaufauslass fluidverbunden. Für Fachleute ist offensichtlich, dass eine Führungswechselwirkung 145, 147 gemäß der vorliegenden Offenbarung bedeutet, dass die sich bewegende Komponente (z.B. das Nadelventilbauteil 110, 120) bezüglich des Durchmessers einen geringen Abstand von der entsprechenden Führungsbohrung der sich nicht bewegenden Komponente (z.B. des Injektorkörpers 100) aufweist. Bei der Ausführungsform in 5 bewegt sich das Flüssignadelventilbauteil 110 entlang einer ersten Mittellinie 131, und das Gasnadelventilbauteil 120 bewegt sich entlang einer zweiten Mittellinie 133, die parallel zu der ersten Mittellinie 131 ist, jedoch von dieser beabstandet ist. Für Fachleute ist offensichtlich, dass Kraftstoffinjektoren mit zwei konzentrischen Nadelventilbauteilen ebenfalls in den beabsichtigten Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen könnten.
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Wenngleich dies nicht notwendig ist, kann die erste Nadelsteuerkammer 106 durch den Injektorkörper 100, eine erste schwimmende Hülse 127 und ein Ende des Flüssignadelventilbauteils 110 festgelegt sein. Die zweite Nadelsteuerkammer 107 kann durch den Injektorkörper 100, eine zweite schwimmende Hülse 128 und ein Ende des Gasnadelventilbauteils 120 festgelegt sein. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die jeweiligen Nadelventilbauteile 110, 120 in Richtung des Durchmessers einen geringen Abstand von den jeweiligen schwimmenden Hülsen 127 und 128 haben. Eine erste Feder 155 wirkt zum gleichzeitigen Vorspannen des ersten Nadelventilbauteils 110 nach unten zu seiner geschlossenen Position und der ersten schwimmenden Hülse 127 nach oben in Kontakt mit dem Injektorkörper 100. Auf ähnliche Weise spannt eine zweite Feder 157 gleichzeitig das Gasnadelventil 120 nach unten zu seiner geschlossenen Position und die zweite schwimmende Hülse 128 nach oben in Kontakt mit dem Injektorkörper 100 vor.
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Wenngleich dies nicht notwendig ist, kann sich das erste Steuerventilbauteil 130 zum Schließen und Öffnen der Fluidverbindung zwischen der ersten Nadelsteuerkammer 106 und dem Ablaufauslass 105 in und außer Kontakt mit einem Flachsitz 151 bewegen. Auf ähnliche Weise kann sich das zweite Steuerventilbauteil 135 zum Schließen und Öffnen der Fluidverbindung zwischen der zweiten Nadelsteuerkammer 107 und dem Ablaufauslass 105 in und außer Kontakt mit einem zweiten Flachsitz 156 bewegen. Wenn der erste und der zweite elektrische Aktor 111 und 122 aberregt sind, kann eine gemeinsam verwendete Feder 146 dazu dienen, sowohl das erste Steuerventilbauteil 130 als auch das zweite Steuerventilbauteil 135 in Kontakt mit ihren jeweiligen Flachsitzen 151 und 156 vorzuspannen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass einer der Sitze 151 und 156 oder beide konische Sitze sein kann bzw. können, ohne den beabsichtigten Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
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Die erste Nadelsteuerkammer 106 kann über eine Z-Öffnung 136 und einen in dem Schnitt in 5 nicht sichtbaren Kanal stets mit dem Flüssigkraftstoffeinlass 102 fluidverbunden sein. Somit wird, wenn der erste elektrische Aktor 111 aberregt ist und das erste Steuerventil 130 in Kontakt mit dem Flachsitz 151 gehalten ist, der Druck in der ersten Nadelsteuerkammer 106 hoch sein. Wenn der erste elektrische Aktor 111 erregt wird, kann hoher Druck das erste Steuerventil 130 von dem Flachsitz 151 weg bewegen, so dass die erste Nadelsteuerkammer 106 durch eine A-Öffnung 138 mit dem Ablaufauslass 105 fluidverbunden wird. Dies führt dazu, dass ein an der Schließhydraulikfläche 112 wirkender Druckabfall ermöglicht, dass sich das Flüssignadelventilbauteil 110 zum Durchführen eines Flüssigkraftstoffeinspritzvorgangs an seine geöffnete Position bewegt. Somit kann man sagen, dass der erste elektrische Aktor 111 mit dem Flüssignadelventilbauteil 110 betriebsverbunden ist. Auf ähnliche Weise ist bei der dargestellten Ausführungsform die zweite Nadelsteuerkammer 107 über eine Z-Öffnung 137 und einen in dem Schnitt in 5 nicht sichtbaren Fluidkanal stets mit dem Flüssigkraftstoffeinlass 102 fluidverbunden. Wenn der zweite elektrische Aktor 122 aberregt ist, wird das zweite Steuerventilbauteil 135 zum Trennen der Fluidverbindung zwischen der zweiten Nadelsteuerkammer 107 und dem Ablaufauslass 105 in Kontakt mit dem Sitz 156 gehalten, so dass ein hoher Druck an der Schließhydraulikfläche 121 wirkt. Wenn der zweite elektrische Aktor 122 erregt wird, kann der hohe Druck in der zweiten Nadelsteuerkammer 107 entlang des durch eine gestrichelte Linie angegebenen nicht sichtbaren Kanals zum Bewegen des zweiten Steuerventilbauteils 135 weg von dem Sitz 156 zum fluidmäßigen Verbinden der zweiten Nadelsteuerkammer mit dem Ablaufauslass 105 durch die A-Öffnung 139 wirken, so dass ein Druckabfall an der Schließhydraulikfläche 121 wirkt. Wenn der Druck abfällt, kann die Hochdruckflüssigkeit an der Öffnungshydraulikfläche 123 bewirken, dass sich das Gasnadelventilbauteil 120 zum Durchführen einer Einsprühung von gasförmigem Kraftstoff aus dem Gasdüsenauslasssatz 103 an seine geöffnete Position bewegt. Somit kann man sagen, dass der zweite elektrische Aktor 122 mit dem Gasnadelventilbauteil 120 betriebsverbunden ist.
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Sowohl der Flüssig- als auch der Gaskraftstoffeinspritzvorgang wird unter Verwendung von Flüssigkraftstoff als ein Steuerfluid, das auf die jeweiligen Öffnungshydraulikflächen 114, 123 und die jeweiligen Schließhydraulikflächen 112, 121 einwirkt, gesteuert. Wenngleich der Kraftstoffinjektor 25 so dargestellt ist, dass er Zweiwegeventile und Flachsitze verwendet, ist für Fachleute offensichtlich, dass Dreiwegeventile verwendet werden könnten, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. In solch einem Fall sind die jeweiligen Steuerkammern 106 und 107 möglicherweise nicht stets mit dem Flüssigkraftstoffeinlass fluidverbunden, sondern zeitweise mit dem Flüssigkraftstoffeinlass verbunden, abhängig von einer Position des Dreiwegeventils. Andere Steuerstrategien könnten zusätzliche Öffnungen beinhalten, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Bei der Ausführungsform in 5 kann sowohl der Flüssigdüsenauslasssatz 104 als auch der Gasdüsenauslasssatz 103 mehrere Düsenauslässe enthalten, beispielsweise sechs, die auf bekannte Weise um die jeweiligen Mittellinien 131 und 133 verteilt sind. Man kann erwarten, dass der gemeinsame Strömungsquerschnitt der mehreren Düsenauslässe, die den Gasdüsenauslasssatz 103 bilden, größer ist als der Gesamtströmungsquerschnitt der mehreren Düsenauslässe, die den Flüssigdüsenauslasssatz 104 bilden.
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Bezugnehmend auf 6 enthält ein Kraftstoffinjektor 225 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Spitzenkomponente 260, die einen Gasdüsenauslasssatz festlegt, der aus lediglich einem einzigen Düsenauslass 265 besteht. Bei dieser Ausführungsform kann der einzige Düsenauslass 265 einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der größer als ein Gesamtströmungsquerschnitt der mehreren Düsenauslässe ist, die den Flüssigdüsenauslasssatz dieser alternativen Ausführungsform bilden. Diese Strategie kann einen größeren Strömungsquerschnitt ermöglichen, so dass eine ausreichende Gasladung in der begrenzten Zeit, die zu Beginn des Kompressionshubs zur Verfügung steht, in den Motorzylinder eingebracht werden kann. Zusätzlich dazu unterscheidet sich diese Ausführungsform ferner darin, dass sie eine optionale O-Ringdichtung 268 enthält, die das Gasnadelventilbauteil 220 umgibt und zwischen der Gasdüsenkammer 215 und dem Ablaufringraum 232 angeordnet ist.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung kann allgemein auf Zweikraftstoffmotoren angewandt werden, die eine geringe Menge einer Piloteinspritzung von Flüssigdieselkraftstoff zum Zünden einer viel größeren Ladung von Gaskraftstoff verwenden. Zusätzlich dazu kann die vorliegende Offenbarung speziell auf Zweikraftstoffmotoren angewandt werden, die gasförmigen Kraftstoff verwenden, der den Motor mit einem relativ niedrigen Druck zugeführt wird, oder mit einem Druck, der mindestens ein vielfaches niedriger als der Druck des Flüssigkraftstoffs ist. Schließlich kann die vorliegende Offenbarung allgemein auf Motoren mit einem Kompressionsverhältnis, das höher als 14:1 ist, angewandt werden, was einem Kompressionsverhältnis entspricht, das kompressionsgezündeten Brennkraftmaschinen wie solchen, die flüssigen Dieselkraftstoff verwenden, entspricht. Zusätzlich dazu kann die vorliegende Offenbarung auf Zweikraftstoffmotoren angewandt werden, bei denen gasförmiger Kraftstoff und flüssiger Kraftstoff den einzelnen Zylindern direkt von einem einzelnen Kraftstoffinjektor zugeführt werden, der dem jeweiligen Motorzylinder zugeordnet ist.
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Erneut Bezug nehmend auf die Figuren beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 das Zuführen von Hochdruckflüssigkraftstoff zu dem Flüssigkraftstoffeinlass 102 jedes Kraftstoffinjektors 25. Auf ähnliche Weise wird Niederdruckgaskraftstoff dem Gaskraftstoffeinlass 103 jedes Kraftstoffinjektors 25 zugeführt. Bei einer speziellen Ausführungsform kann der Flüssigkraftstoffdruck von der Größenordnung 40 MPa sein, während der Gaskraftstoffdruck von der Größenordnung 1-5 MPa sein kann. Wenngleich dies nicht notwendig ist, kann der Flüssigkraftstoff von einem Flüssigkraftstoff-Common-Rail 22 zugeführt werden, und der Gaskraftstoff kann von einem Gaskraftstoff-Common-Rail 21 zugeführt werden. Somit kann erwartet werden, dass die elektronische Steuerung 15 den Flüssigkraftstoffdruck an dem Flüssigkraftstoffeinlass 102 auf einem Druck aufrecht erhält, der mindestens viermal so hoch wie der Gaskraftstoffdruck an dem Gaskraftstoffeinlass 101 ist. Mit anderen Worten, das Verhältnis des Drucks in dem Hochdruckflüssigkraftstoff-Common-Rail 22 zu einem Druck in dem Niederdruckgaskraftstoff-Common-Rail 21 kann mindestens 4:1 betragen.
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Während eines Betriebs wird gasförmiger Kraftstoff aus einem Gasdüsenauslasssatz 103 des Kraftstoffinjektors 25 direkt in einen Motorzylinder 12 eingespritzt. Im Allgemeinen und aufgrund der Tatsache, dass der Gaskraftstoffdruck relativ niedrig ist, kann der Gaskraftstoff während des Kompressionshubs eingespritzt werden, nachdem sich das Einlassventil (nicht gezeigt) des einzelnen Zylinders 12 geschlossen hat. Durch Vorsehen eines Gasdüsenauslasssatzes 103 mit einem relativ großen Strömungsquerschnitt kann die relativ große Ladung von gasförmigem Kraftstoff eigespritzt bzw. eingebracht werden, bevor Zylinderdrücke zu hoch werden. In gewissem Maße kann die Homogenität der Mischung der Gaskraftstoffladung mit der Luft in dem Zylinder mittels des Gaskraftstoffeinspitztimings gesteuert werden, unter Berücksichtigung der Beschränkung, dass eine geeignete Menge an Gaskraftstoff in den Motorzylinder eingespritzt werden muss, um die angeforderte Leistung des Motors 10 zu liefern. Ebenfalls während des Betriebs wird Flüssigkraftstoff aus dem Flüssigdüsenauslasssatz 104 jedes Kraftstoffinjektors direkt in den Motorzylinder 12 eingespritzt. Dieser Kraftstoffeinspritzvorgang wird wahrscheinlich in der Nähe des oberen Totpunkts erfolgen, wenn in dem einzelnen Zylinder 12 auf bekannte Weise Selbstzündungsbedingungen vorliegen. Somit kann sich vor einer Einspritzung des Flüssigkraftstoffs der bereits eigespritzte Gaskraftstoff vor einer Zündung mit Luft vermischen. Der eingespritzte Flüssigkraftstoff wird in dem Motorzylinder 12 kompressionsgezündet. Ein Gemisch aus Luft und dem eingespritzten Gaskraftstoff wird mittels des kompressionsgezündeten Flüssigkraftstoffs in dem Motorzylinder 12 gezündet.
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Eine Leckage von Flüssigkraftstoff in die Gasdüsenkammer 115, 215 kann verringert werden, indem Flüssigkraftstoff aus einem Ablaufringraum 132, 232, der ein Gasnadelventilbauteil 120, 220 umgibt, zu einem Ablaufauslass 105 befördert wird. Um eine Bewegung von gasförmigem Kraftstoff in den Ablaufringraum 132, 232 zu hemmen, lehrt die vorliegende Offenbarung, den Druck in dem Ablaufringraum 132, 232 (und in der Ablaufleitung 24) auf einem Druck aufrechtzuerhalten, der größer ist als der Druck in der Gasdüsenkammer 215 und damit als der Druck in dem Gaskraftstoff-Common-Rail 21. Beispielsweise kann, wenn der Gaskraftstoffdruck 1 MPa ist, der Ablaufauslass 105 über eine geeignete Einstellung eines Druckreglers 28 auf bekannte Weise auf einem Druck von 1,1 MPa gehalten werden. Somit ist ein Verhältnis des Drucks in der Ablaufleitung 24 zu dem Druck in dem Niederdruckgaskraftstoff-Common-Rail 21 etwa 1, bevorzugt größer als 1 und kleiner als 1,5, noch bevorzugter größer als 1 und kleiner als 1,2. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die Zahl auf dieselbe Anzahl von signifikanten Stellen gerundet ist. Das heißt, 1,1 ist etwa 1.
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Die vorliegende Offenbarung lehrt ebenfalls eine Verringerung eines Austretens von Kohlenwasserstoff aus dem Motorzylinder 12 durch Mischen von Luft mit dem eingebrachten Gaskraftstoff weg von der Zylinderwand 13. Dies steht im Gegensatz zu Zweikraftstoffmotoren mit einer Einspritzung in die Einlassöffnung, bei denen Gaskraftstoff in Spalte in den Motorzylinder gelangen kann und nicht verbrannt wird, was zu einem Austreten von Kohlenwasserstoff aus solchen bekannten Motoren führt. Eine Weise zum Verringern eines Austretens von Kohlenwasserstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Richten des eingespritzten Gaskraftstoffs zur Mitte der einzelnen Zylinder 12, um eine Mischung mit Luft in einiger Entfernung von der Zylinderwand 13 zu befördern. Die Strategie der vorliegenden Offenbarung kann ferner durch Hervorrufen einer Verwirbelung der Luft in dem Zylinder und Verwenden des geringeren Molekulargewichts des Gaskraftstoffs bezüglich Luft gesteigert werden, um dazu beizutragen, den Kraftstoff von den Zylinderwänden fernzuhalten. In den meisten Fällen wird die Gaskraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubs durchgeführt und vor dem Flüssigkraftstoffeinspritzschritt abgeschlossen. Da der Gaskraftstoffdruck relativ niedrig ist, lehrt die vorliegende Offenbarung eine Steuerung der Bewegung des Gasnadelventilbauteils 120 mittels Flüssigkraftstoff und eine Steuerung der Bewegung des Flüssignadelventilbauteils 110 ebenfalls mittels Flüssigkraftstoff. Somit dient der Gaskraftstoff lediglich als eingespritztes Medium, während der Flüssigkraftstoff während des normalen Betriebs des Motors 10 sowohl als Steuerfluid als auch als Piloteinspritzungsmedium dient.
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Es versteht sich, dass die vorangegangene Beschreibung lediglich zur Veranschaulichung dient und den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken soll. Somit ist für Fachleute offensichtlich, dass andere Aspekte der Offenbarung bei einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche erhalten werden können.
