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Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor für zwei Medien, aufweisend einen Düsenkörper mit einer eingelassenen Führung für eine Injektornadel zur Steuerung eines Injektorkanals für ein erstes Medium und eine in den Düsenkörper eingelassene Zuführeinrichtung für ein zweites Medium.
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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 in Form von einem Kraftstoff und ein gasförmiges Medium in Form eines Brenngases ausgelegt und weist einen Düsenkörper mit einer eingelassenen Führung für eine äußere Injektornadel auf, die eine innere Injektornadelführung für eine innere Injektornadel aufweist. Die innere Injektornadel steuert in der äußeren Injektornadel eingelassene Spritzlöcher für das flüssige Medium an, während die äußere Injektornadel in den Düsenkörper eingelassene Mündungen für das gasförmige Medium ansteuert. Das flüssige Medium wird zum Schalten der inneren und äußeren Injektornadel verwendet. Zwischen der Führung und der äußeren Injektornadel ist ein Dichtspalt angeordnet, an dessen gegenüberliegenden Enden einerseits das flüssige und andererseits das gasförmige Medium anliegen. Dadurch ist eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Medien nicht ausgeschlossen.
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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 und eines gasförmigen Mediums ausgelegt. Dabei wird korrespondierend mit dem Einspritzvorgang für das flüssige Medium über eine Gasdüsenanordnung des Zweistoffinjektors ein gasförmiges Medium in Form von Luft in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist keine Injektornadel zum Schalten des gasförmigen Mediums vorhanden. Stattdessen ist ein Ventil zum Schalten des gasförmigen Mediums vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweistoffinjektor bereitzustellen, dessen Funktion insbesondere hinsichtlich der Steuerung und Trennung der Medien optimiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Zuführeinrichtung für das zweite Medium einen Spritzkanal zusammenwirkend mit einem Schaltelement aufweist, und dass der Spritzkanal getrennt von dem das erste Medium führenden Hochdruckkanal in dem Düsenkörper angeordnet ist. Der Spritzkanal ist folglich vollkommen unabhängig von dem Spritzkanal sowie der Führung und der Injektornadel für das erste Medium in dem Düsenkörper eingelassen, so dass eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Medien beispielsweise durch einen Dichtspalt, an dessen gegenüberliegenden Enden die unterschiedlichen Medien, beispielsweise ein gasförmiges und ein flüssiges Medium, anliegen, ausgeschlossen ist. Der Spritzkanal wirkt mit dem Schaltelement zusammen, wobei das Schaltelement den Mediumfluss durch den Spritzkanal beziehungsweise den Mediumzufluss zu dem Spritzkanal steuert. Das Schaltelement kann an beliebiger Stelle des Zweistoffinjektors oder aber gegebenenfalls auch an ein mit dem Zweistoffinjektor zusammenwirkenden Bauteil angeordnet beziehungsweise verbaut sein. Vorzugsweise ist das Schaltelement aber an einer Schnittstelle des Düsenkörpers mit einem Injektorkörper verbaut. Der Düsenkörper und der Injektorkörper wirken mit gegenüberliegenden Stirnflächen zusammen und sind beispielsweise mittels einer Überwurfmutter miteinander verspannt. Durch diese Anordnung des Schaltelements ist dies problemlos in den Zweistoffinjektor einbaubar.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Schaltelement einen Aktor und ein von dem Aktor angesteuertes Schaltventil auf. Das Schaltventil steuert den Mediumsfluss zu beziehungsweise in den Spritzkanal und kann zunächst einmal beliebig ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktor ein Elektromagnet. Mit einem Elektromagneten lassen sich die benötigten Schaltkräfte und Schaltwege problemlos aufbringen. Dabei ist der so ausgebildete Elektromagnet problemlos so auszugestalten, dass er in dem Zweistoffinjektor eingebaut werden kann. Weiterhin sind die elektrischen Schaltleitungen zur Bestromung des Elektromagneten problemlos beispielsweise durch eine gekapselte Steckverbindung mit dem Zweistoffinjektor verbindbar.
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Alternativ ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, den Aktor als Piezoaktor auszugestalten. Auch eine solche Ausgestaltung ist durch ihre geringe Größe vorteilhaft einsetzbar, wenn das Gesamtsystem so ausgelegt ist, dass von dem Piezoaktor die geforderten Schaltleistungen und Schaltwege realisierbar sind.
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In weiterer Ausführung der Erfindung weist das Schaltventil einen Ventilkörper auf, der eine Strömungsverbindung zwischen einer Mediumzuführung und dem Spritzkanal beherrscht. Die Mediumzuführung beinhaltet beispielsweise eine Mediumzuführleitung, die beispielsweise in den Injektorkörper eingelassen ist und an der zu der Stirnfläche des Düsenkörpers mündet. Die Mediumzuführleitung steht dann mit einem Schaltraum in Verbindung, in dem der Ventilkörper mit einem (Schalt)-Abschnitt hineinragt. Bei einer Verstellung des Ventilkörpers kann die Strömungsverbindung zu dem Spritzkanal hergestellt beziehungsweise unterbrochen werden. Der Ventilkörper weist beispielsweise als (Schalt)-Abschnitt zumindest einen in dem Schaltraum verdrehbaren Flügel auf, der einen Strömungszugang zu dem Spritzkanal freigibt oder schließt.
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In weiterer alternativer Ausgestaltung ist das Schaltventil ein Drehelement, das eine Strömungsverbindung zwischen der Mediumzuführleitung und dem Spritzkanal beherrscht. Dabei ist das Drehelement bevorzugt als Drehscheibe oder Drehring ausgebildet, die beziehungsweise der zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper angeordnet sein kann. Insbesondere bei einer Ausgestaltung als Drehring kann dieser auf einem Zapfen angeordnet sein, der zwischen dem Injektorkörper und dem Düsenkörper angeordnet ist und die Führung für die Injektornadel umschließt und dabei zudem den Injektorkörper und den Düsenkörper so auf Distanz hält, dass der Drehring problemlos verstellbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Spritzkanal eine vorzugsweise in einer Düsenkörperspitze oberhalb einer von der Injektornadel gesteuerten Spritzöffnung angeordnete Mündung auf. Die Mündung des Spritzkanals kann düsenförmig ausgebildet sein und ist so benachbart zu der Spritzöffnung angeordnet, dass beide in einen Brennraum einmünden, in den das flüssige Medium und das gasförmige Medium eingespritzt werden sollen. Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das erste Medium Dieselkraftstoff und das zweite Medium ein Brenngas. Bevorzugt wird zum Start der entsprechend ausgestalteten Maschine zunächst Dieselkraftstoff in einen zugehörigen Brennraum eingespritzt, der sich vorzugsweise durch Kompressionszündung mit zugeführter Brennluft entzündet, und der dann zugeführtes Brenngas zusätzlich entzündet. Danach kann dann die entsprechende Maschine ausschließlich mit Brenngas betrieben werden. Bei bestimmten Betriebssituationen kann die Maschine aber auch problemlos ausschließlich mit Dieselkraftstoff betrieben werden oder aber in einem dauernden Zweistoffbetrieb. In jedem denkbaren Betriebszustand der Maschine ist sichergestellt, dass insbesondere kein Dieselkraftstoff in das Versorgungssystem, beispielsweise einen Tank, des Brenngases gelangen kann. Bi einer herkömmlichen Maschine ist dies aufgrund des Dichtspalts zwischen dem Dieselkraftstoff und dem Brenngas zusammen mit dem höheren Systemdruck des Dieselkraftstoffs nicht ausgeschlossen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Zweistoffinjektor bei einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine verbaut. Das Einspritzsystem ist dann wiederum beispielsweise als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet. Der erfindungsgemäße Zweistoffinjektor ist vorzugsweise in einem Zylinderkopf einer solchen Brennkraftmaschine eingebaut, und die Spritzöffnung beziehungsweise die Mündung des Spritzkanals sind so in der Injektorspitze angeordnet, dass diese in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine einmünden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines teilweise dargestellten Zweistoffinjektors, der zur Einspritzung von zwei verschiedenen Medien in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgestaltet ist,
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2 eine Detailansicht eines Schaltventils eines solchen Zweistoffinjektors,
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3 eine weitere Detailansicht eines Schaltventils gemäß 2 und
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4 eine weitere Ausgestaltung eines Schaltventils in Analogie zu dem Schaltventil gemäß den 2 und 3.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines teilweise dargestellten Zweistoffinjektors in einem Schnitt. Der Zweistoffinjektor 1 ist Bestandteil eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzsystem beispielsweise als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist und wobei mittels des Zweistoffinjektors 1 flüssiger Kraftstoff und gasförmiger Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Der flüssige Kraftstoff ist ein erstes Medium in Form eines Dieselkraftstoffs und der gasförmige Kraftstoff ein zweites Medium in Form eines Brenngases. Das Brenngas kann dabei in seinem gasförmigen oder flüssigen Zustand eingespritzt werden.
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Der Zweistoffinjektor 1 weist als wesentliche Bauteile einen (andeutungsweise dargestellten) Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3 auf, die mittels einer (ebenfalls nur andeutungsweise dargestellten) Überwurfmutter 4 miteinander verbunden sind. Der Injektorkörper 2 und der Düsenkörper 3 weisen zusammenwirkende Stirnflächen auf, wobei in der 1 nur die Stirnfläche 5 des Düsenkörpers 3 zur besseren Übersicht dargestellt beziehungsweise bezeichnet ist. In den Düsenkörper 3 ist eine in der Stirnfläche 5 zentral mündende Führung 6 eingelassen, in der eine Injektornadel 7 eingesetzt ist. Die Führung 6 setzt sich ebenso wie die Injektornadel 7 in dem Injektorkörper 2 fort und wird von einem in dem Injektorkörper 2 angeordneten Injektornadelschaltventil betätigt. Die Betätigung der Injektornadel 7 erfolgt in der Form, als dass die Injektornadel 7 in der Führung 6 axial bewegt werden kann. Neben der Führung 6 ist in dem Düsenkörper 3 zumindest ein Hochdruckkanal 8 eingelassen, der angrenzend an die Führung 6 oder aber auch getrennt von der Führung 6 in den Düsenkörper 3 eingearbeitet ist. Der Hochdruckkanal 8 mündet in einen in einer Düsenkörperspitze 9 angeordneten Ventilsitz 10 für eine Injektornadelspitze 11 der Injektornadel 7. An dem Ventilsitz 10 steht bei der dargestellten geschlossenen Position der Injektornadel 7 Dieselkraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 3.000 bar an. Wird die Injektornadel 7 und damit die Injektornadelspitze 11 aus dem Ventilsitz 10 nach oben wegbewegt, wird eine Strömungsverbindung zwischen dem Hochdruckkanal 8 und einem Spritzraum 12 in der Düsenkörperspitze 9 freigegeben. Von dem Spritzraum 12 zweigen eine oder vorzugsweise mehrere Spritzöffnungen 13 ab, die in die Düsenkörperspitze 9 eingelassen sind, und durch die Dieselkraftstoff in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Wird die Injektornadel 7 anschließend wieder nach unten bewegt bis die Injektor nadelspitze 11 in dem Ventilsitz 10 anliegt, wird die Einspritzung von Dieselkraftstoff beendet.
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Neben der Führung 6 und dem Hochdruckkanal 8 ist zumindest ein Spritzkanal 14 in den Düsenkörper 3 eingelassen. In der 1 sind beispielsweise zwei Spritzkanäle 14 dargestellt, wobei aber auch drei, vier oder mehr Spritzkanäle 14 beispielsweise auf dem Umfang des Düsenkörpers 3 verteilt angeordnet sein können. Jeder der Spritzkanäle 14 weist eine Mündung 15 auf, die ebenfalls im Bereich der Düsenkörperspitze 9 des Injektorkörpers 3, insbesondere oberhalb der Spritzöffnungen 13 angeordnet ist. Auch die Mündungen 15 wirken mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine zusammen. Der zumindest eine Spritzkanal 14 weist gegenüberliegend zu der Mündung 15 eine Mündungsöffnung 16 auf, die in einen später noch erläuterten Schaltraum 17 (2) im Bereich unterhalb der Stirnfläche 5 mündet. Mehrere Spritzkanäle 14 können mit einer gemeinsamen Mündung 15 in den Schaltraum 17 einmünden oder aber es können auch mehrere Spritzkanäle 14 mit jeweils einer eigenen Mündung 15 in dem Schaltraum 17 einmünden. In den Figuren ist dargestellt, dass die beiden dargestellten Spritzkanäle 14 mit jeweils einer eigenen Mündung 15 in den Schaltraum 17 (siehe auch 2 und 3) einmünden. Die zumindest eine Mündung 15 des zumindest einen Spritzkanals 14 ist über ein nachfolgend in den verschiedenen möglichen Ausgestaltungen darstellbares Schaltelement mit einer Mediumzuführleitung 18 verbindbar, wobei die Mediumszuführleitung 18 in geeigneter Weise in dem Injektorkörper 2 zur Zuführung von dem Brenngas eingelassen ist. Das Schaltelement weist einen Aktor und einen von dem Aktor angesteuertes Schaltventil auf. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Aktor ein Elektromagnet 19 und das Schaltventil ein Ventilkörper 20 beispielsweise in Form eines Flügels. Der Elektromagnet 19 weist eine Spule 21 auf, die drehfest beispielsweise in dem Injektorkörper 2 angeordnet und befestigt ist. Die Spule 21 ist zur Erzeugung eines Magnetfeldes bestrombar, wobei die Zuführleitung in geeigneter Weise in dem Injektorkörper 2 verlegbar sind. Der Ventilkörper 20 bildet zumindest im Bereich der Spule 21 den bei einer Bestromung der Spule 21 relativ zu der Spule 21 bewegbaren Anker des Elektromagneten 19. Dabei sind die Spule 21 und der Ventilkörper 20 so ausgebildet und angeordnet, dass der Ventilkörper 20 eine Drehbewegung in dem Schaltraum 17 (siehe 2) ausführen kann. Dazu ist der Schaltraum 17 trapezförmig mit einer gebogenen Gleitfläche 22 ausgebildet, an der eine entsprechend gekrümmte Ventilkörperfläche 23 des Ventilkörpers 20 geführt ist. Die zumindest eine Mündungsöffnung 16 mündet in eine Trapezfläche 24 des Schaltraums 17 und wird bei Anliegen des Ventilkörpers 20 an die Trapezfläche 24 durch eine entsprechende Verdrehung des Ventilkörpers 20 verschlossen. Der Ventilkörper 20 kann durch eine gegenüberliegende Druckfeder 25 zur Anlage an der die Mündungsöffnung 16 beinhaltenden Trapezfläche 24 vorgespannt sein und bei einer Bestromung der Spule 21 gegen die Kraft der Druckfeder 25 zur Freigabe der Mündungsöffnung 16 gegenüber dem Schaltraum 17 verschwenkt werden. Um eine sichere Abdichtung der Mündungsöffnung 16 gegenüber dem damit zusammenwirkenden Ventilkörper 20 zu gewährleisten, kann in den Ventilkörper 20 eine Elastomerdichtung 26 beispielsweise aus einem Gummimaterial eingesetzt sein. Umgekehrt kann die Elastomerdichtung 26 aber auch in eine die Mündungsöffnung 16 umgebende Ausnehmung in der Trapezfläche 24 eingelassen sein.
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In 2 ist das obere Ende des Düsenkörpers 3 mit zwei gegenüberliegenden Schalträumen 17 und darin angeordneten Ventilkörpern 20 in einer Detailansicht dargestellt. Die beiden Schalträume 17 sind in geeigneter Weise mit der Mediumszuführleitung 18 in dem Injektorkörper 2 verbunden. Die in 2 dargestellten zwei Ventilkörper 20 können im Bereich des Injektorkörpers 2 miteinander verbunden sein und von einer Spule 21 angesteuert sein.
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3 zeigt ähnlich zu 2 eine Schnittdarstellung des oberen Bereichs des Düsenkörpers 3, wobei auf der rechten Seite der dortige Schaltraum 17 ohne Ventilkörper 20 dargestellt ist und die Mündungsöffnungen 16 der Spritzkanäle 14 mit der diese umfassenden Elastomerdichtlinie 27 von der Elastomerdichtung 26, die auf der linken Seite der 2 des dort dargestellten Ventilkörpers 20 wiedergegeben ist.
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In der Ausführung gemäß 4 ist das Schaltventil mit einem Drehelement in Form einer Drehscheibe 28 versehen beziehungsweise ausgestaltet. Die Drehscheibe 28 weist dabei bevorzugt einen ventilkörperartigen Fortsatz auf, der entsprechend dem Ventilkörper 20 gemäß 1 den Anker des Elektromagneten 19 bildet. Zwei Mündungsöffnungen 16 sind in die Stirnfläche 5 des Düsenkörpers 3 eingelassen, die bei einer entsprechenden Drehstellung der Drehscheibe 28 mit weiterführenden Drehscheibenkanälen 29 in der Drehscheibe 28 zusammenwirken. Auf der gegenüberliegenden Seite der Drehscheibe 28 wirken die Drehscheibenkanäle 29 beispielsweise mit einem Ringkanal zusammen, der wiederum mit der Mediumszuführleitung 18 in dem Injektorkörper 2 zusammenwirkt. In weiterer Ausgestaltung der in 4 dargestellten Drehscheibe 28 kann diese eine zentrale Ausnehmung aufweisen, in die ein beispielsweise mit dem Düsenkörper 3 zusammenwirkender Zapfen eingesetzt ist. Der Zapfen stellt eine Führung der Drehscheibe 28 und gleichzeitig durch ein Zusammenwirken mit dem Injektorkörper 2 die Ausbildung eines ringförmigen Schaltraums zur Aufnahme der Drehscheibe 28 her. Der Zapfen kann einen äußeren Anschlag aufweisen, der mit einer Gegenfläche in der inneren Ausnehmung der Drehscheibe 28 zur Herstellung einer definierten Drehlage der Drehscheibe 28 zusammenwirkt.
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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]
