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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor zur Durchführung des Verfahrens. Mittels des angegebenen Kraftstoffinjektors ist somit die Einblasrate des gasförmigen Kraftstoffs steuerbar.
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Der Kraftstoffinjektor kann als Mono-Fuel-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor ausgebildet sein. Bei dem gasförmigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“) handeln.
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Stand der Technik
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Bei der Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe werden zunehmend höhere Einblasdrücke verwirklicht, um bei Volllast Anforderungen zu erfüllen, wie sie an die Verbrennung von Dieselkraftstoff gestellt werden. Hohe Einblasdrücke führen jedoch zu Einblasraten, die bei Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine zu groß sind und bei der Umsetzung häufig mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung und/oder einem erhöhten Stickoxidausstoß einhergehen. Dies gilt es zu vermeiden.
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Als Lösungsansatz kann ein Druckregelventil zur Gasdruckregelung an einem Speicherbehälter für den gasförmigen Kraftstoff vorgesehen werden, über den mindestens ein Kraftstoffinjektor mit gasförmigem Kraftstoff versorgbar ist. Die Gasdruckregelung über einen solchen Druckregler erfolgt jedoch aufgrund der hohen Kompressibilität des gasförmigen Kraftstoffs sehr langsam. Ferner fallen große Steuermengen an, die verloren gehen, da sie wegen des niedrigen Druckniveaus weder in den Gastank zurückgeführt, noch der Verbrennung zugeführt werden können. Ein Abblasen der anfallenden Steuermengen in die Umgebung ist aufgrund des hohen Erwärmungspotenzials („global warming“) ebenfalls nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs anzugeben, deren Einsatz nicht zu den vorstehend genannten Nachteilen führt oder diese zumindest mindert.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs wird ein Kraftstoffinjektor verwendet, der mindestens eine mit einem Dichtsitz zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung umfasst. Erfindungsgemäß wird der Druck des gasförmigen Kraftstoffs unmittelbar vor der Einspritzöffnung über den Hub der Düsennadel betriebspunktabhängig eingestellt. Das heißt, dass der Hub der Düsennadel betriebspunktabhängig variiert bzw. beschränkt wird.
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Führt die Düsennadel lediglich einen Teilhub aus, bildet sich zwischen der Düsennadel und dem Dichtsitz eine Drosselstelle aus, die zu einer Reduzierung des Gasdrucks unmittelbar vor der Einspritzöffnung führt. Die Reduzierung des Gasdrucks erfolgt demnach genau an der Stelle, an welcher der geringere Druck benötigt wird. Dabei stellt die Absteuermenge zugleich die benötigte Einblasmenge dar.
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Die Steuerung der Einblasrate erfolgt betriebspunktabhängig, und zwar in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird die Motorlast als Betriebsparameter zugrundegelegt. Während bei Volllast bevorzugt keine oder nur eine geringe Sitzdrosselung erreicht wird, findet bei Teillast eine definierte Drosselung über den Dichtsitz statt, so dass der Gasdruck vor der Einspritzöffnung auf einen für die Verbrennung optimalen Wert eingestellt wird.
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Anders als bei der Dieseleinspritzung, bei welcher der hohe Druck zugleich der Zerstäubung des Kraftstoffs dient, ist bei der Gaseinblasung das kritische Druckverhältnis entscheidend. Ein Druck, der größer als der Druck ist, der zur Erreichung der Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt erforderlich ist, führt nur zu einem überexpandierten Strahl mit großen Stoßverlusten und Geräuschemissionen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Druck des einzublasenden gasförmigen Kraftstoffs derart reduziert werden, dass er vor der Einspritzöffnung einem Idealwert entspricht, so dass Geräuschemissionen sowie Stickoxidemissionen reduziert werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise ein Kraftstoffinjektor mit nach innen öffnender Düsennadel verwendet. Die den Hub der Düsennadel beschränkenden Mittel können somit im Kraftstoffinjektor vorgesehen werden. Alternativ oder ergänzend kann im Kraftstoffinjektor ein Hubanschlag ausgebildet werden, um einen Maximalhub der Düsennadel festzulegen.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hub der Düsennadel durch einen variablen Hubanschlag beschränkt. Der variable Hubanschlag erlaubt eine dynamische Einstellung des Gasdrucks vor der Einspritzöffnung in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine.
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Vorzugsweise wird der variable Hubanschlag durch einen Anschlagkörper ausgebildet, der axial verschiebbar in einem den Dichtsitz ausbildenden Düsenkörper aufgenommen ist. Über den axial verschiebbaren Anschlagkörper kann zugleich der Maximalhub der Düsennadel definiert werden. Die axiale Verschiebung des Anschlagkörpers wird vorzugsweise durch ein Stellglied bewirkt.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hub der Düsennadel durch eine Aktorik zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel variiert. Eines variablen Hubanschlags und/oder eines separaten Stellglieds zur axialen Verschiebung eines Anschlagkörpers bedarf es in diesem Fall nicht, so dass der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Kraftstoffinjektor besonders kompakt bauend gestaltet werden kann. Vorzugsweise ist die Aktorik dazu ausgelegt, die Hubbewegung der Düsennadel an einem beliebigen Punkt zu stoppen, um eine dynamische Einstellung des Gasdrucks vor der Einspritzöffnung zu ermöglichen.
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Bevorzugt umfasst die Aktorik zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor. Da derartige Aktoren üblicherweise Einsatz in Kraftstoffinjektoren finden, kann auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden, was eine kostengünstige Umsetzung ermöglicht.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Hub der Düsennadel in Abhängigkeit vom Druck im Brennraum gesteuert wird. Das heißt, dass eine direkte Rückkopplung zum Brennraum bzw. zum Brennraumdruck besteht. Vorzugsweise führt der Brennraumdruck zu einer Kraftkomponente, welche die Düsennadel in einem Gleichgewicht hält, auf diese Weise kann zugleich der Energiebedarf des Kraftstoffinjektors gesenkt werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der mindestens eine mit einem Dichtsitz zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung umfasst. Erfindungsgemäß sind darüber hinaus Mittel vorhanden, die eine variable Einstellung des Hubs der Düsennadel ermöglichen. Die Düsennadel kann demnach Positionen einnehmen, in denen sie weder vollständig geöffnet ist, noch geschlossen ist. In einer solchen Position bildet sich zwischen der Düsennadel und dem Dichtsitz eine Drosselstelle aus, welche dazu führt, dass der Druck unmittelbar vor der Einspritzöffnung reduziert wird. Über den Drosselquerschnitt ist somit der Gasdruck vor der Einspritzöffnung steuerbar. Insbesondere kann der Gasdruck vor der Einspritzöffnung und damit die Einblasmenge auf einen für die Verbrennung optimalen Druck eingestellt werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zur variablen Einstellung des Hubs der Düsennadel einen variablen Hubanschlag. Über den variablen Hubanschlag kann zugleich ein Maximalhub der Düsennadel vorgegeben werden. Bei Maximalhub der Düsennadel bildet sich vorzugsweise keine Drosselstelle zwischen der Düsennadel und dem Dichtsitz aus, so dass der Gasstrom nicht gedrosselt wird und ein maximaler Gasdruck vor der Einspritzöffnung erreicht wird. Soll die Einblasmenge reduziert werden, kann der Hubanschlag in der Weise variiert werden, dass der Hub der Düsennadel beschränkt wird, so dass über die Sitzdrosselung der Gasdruck vor der Einspritzöffnung herabgesetzt wird.
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Der variable Hubanschlag ist vorzugsweise an einem Anschlagkörper ausgebildet, der axial verschiebbar in einem den Dichtsitz ausbildenden Düsenkörper aufgenommen ist. Die axiale Verschiebbarkeit des Anschlagkörpers ermöglicht eine dynamische Einstellung des Hubs der Düsennadel. Der Dichtsitz und der Anschlagkörper definieren jeweils die beiden Endlagen der Düsennadel, wobei die durch den Anschlagkörper definierte Endlage variabel ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur variablen Hubeinstellung ein Stellglied zur axialen Verschiebung des Anschlagkörpers umfassen. Über die axiale Verschiebung des Anschlagkörpers ist eine dynamische Hubeinstellung realisierbar. Vorzugsweise dient das Stellglied allein der axialen Verschiebung des Anschlagkörpers. Die axiale Lage des Anschlagkörpers ist somit unabhängig von der aktuellen Position der Düsennadel vorgebbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zur variablen Hubeinstellung eine Aktorik, mittels welcher zugleich die Hubbewegung der Düsennadel steuerbar ist. Ein axial verschiebbarer Anschlagkörper und/oder ein separates Stellglied zur axialen Verschiebung des Anschlagkörpers sind somit verzichtbar. Auf diese Weise kann Bauraum eingespart werden. Die Aktorik ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Düsennadel in eine beliebige Position zwischen vollständig geöffnet und geschlossen zu bewegen, so dass eine dynamische Hubeinstellung möglich ist. Die Aktorik kann insbesondere einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor umfassen, da derartige Aktoren üblicherweise Einsatz in Kraftstoffinjektoren finden, so dass auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden kann.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Hubeinstellung eine vom Druck im Brennraum beaufschlagbare Steuerkammer umfassen, die von der Düsennadel begrenzt wird. Auf diese Weise kann der Brennraumdruck zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eingesetzt werden. Vorzugsweise liegt im Betrieb des Kraftstoffinjektors beidseits der Düsennadel Brennraumdruck an, so dass die Düsennadel weitgehend druckausgeglichen ist. Eine Positionsveränderung der Düsennadel kann in diesem Fall mit wenig Kraft bewirkt werden, so dass der Energiebedarf des Kraftstoffinjektors entsprechend gering ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines schematischen Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit einer Düsennadel a) in Schließposition, b) in vollständig geöffneter Position, c) in teilweise geöffneter Position, und
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2 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der jeweils in den 1a) bis 1c) dargestellte Kraftstoffinjektor 2 umfasst einen Düsenkörper 8, in dem zum Freigeben und Verschließen mehrerer Einspritzöffnungen 5 eine Düsennadel 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Düsennadel 4 wirkt dabei mit einem Dichtsitz 3 zusammen, der durch den Düsenkörper 8 gebildet wird. Der Düsenkörper 8 und die Düsennadel 4 begrenzen einen Ringraum 12, der mit gasförmigem Kraftstoff beaufschlagbar ist. Hebt die Düsennadel 4 von dem Dichtsitz 3 ab, wird der gasförmige Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 5 in einen Brennraum 1 einer Brennkraftmaschine eingeblasen.
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In der 1a) ist die Düsennadel 4 in den Dichtsitz 3 gestellt, so dass kein gasförmiger Kraftstoff aus dem Ringraum 12 den Einspritzöffnungen 5 zugeführt wird. Die Düsennadel 4 nimmt in dieser Position eine erste Endlage ein. Eine zweite Endlage der Düsennadel 4 wird durch einen Hubanschlag 6 an einem Anschlagkörper 7 definiert, an dem die Düsennadel 4 anschlägt, wenn sie öffnet bzw. vom Dichtsitz 3 abhebt. Der Hubanschlag 6 ist variabel, da der Anschlagkörper 7 axial verschiebbar im Düsenkörper 8 aufgenommen ist. Auf diese Weise kann der Hub der Düsennadel 4 eingestellt bzw. variiert werden. Zugleich kann über den Anschlagkörper 7 ein Maximalhub der Düsennadel 4 vorgegeben werden. Der am Anschlagkörper 7 ausgebildete variable Hubanschlag 6 stellt somit ein Mittel 10 zur variablen Einstellung des Hubs der Düsennadel 4 dar.
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Die Einstellung des Hubs der Düsennadel 4 erfolgt betriebspunktabhängig, das heißt in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann die Hubeinstellung lastabhängig erfolgen.
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Bei Volllast wird der Anschlagkörper 7 derart positioniert, dass die Düsennadel 4 vollständig öffnet bzw. den Maximalhub erreicht (siehe 1b)). In dieser Lage ist der Dichtsitz entdrosselt. Der Gasdruck vor den Einspritzöffnungen 5 entspricht somit dem Gasdruck im Ringraum 12.
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Bei Teillast wird der Gasdruck vor den Einspritzöffnungen 5 reduziert, indem der Anschlagkörper 7 in Richtung des Dichtsitzes 3 verschoben wird, so dass der Hub der Düsennadel 4 kleiner als der Maximalhub ist (siehe 1c)). Im Bereich des Dichtsitzes 3 bildet sich zwischen dem Düsenkörper 8 und der Düsennadel 4 eine Drosselstelle 11 aus, die bewirkt, dass der Druck vor den Einspritzöffnungen 5 geringer als im Ringraum 12 ist. Entsprechend verringert sich auch die Gasmenge, die in den Brennraum 1 eingespritzt bzw. eingeblasen wird. Über den variablen Hub der Düsennadel 4 und den sich dabei einstellenden Drosselquerschnitt im Bereich der Drosselstelle 11 ist demnach die Einblasrate steuerbar.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 2 ist schematisch in der 2 dargestellt. Sie zeigt einen Strömungspfad 13 für den gasförmigen Kraftstoff, der über die Drosselstelle 11 und die Einspritzöffnungen 5, welche eine weitere Drosselstelle darstellen, in den Brennraum 1 führt. Der Drosselquerschnitt im Bereich der Drosselstelle 11 ist über den Hub der Düsennadel 4 einstellbar, wobei vorliegend die Einstellung unter Berücksichtigung des Drucks im Brennraum 1 vorgenommen wird. Der Kraftstoffinjektor 2 weist hierzu eine weitere Anbindung 14 an den Brennraum 1 auf, so dass die Düsennadel 4 sowohl in Öffnungsrichtung, als auch in Schließrichtung von Brennraumdruck beaufschlagt wird. Es besteht demnach eine direkte Rückkopplung zum Brennraum 1, der eine Berücksichtigung des dort herrschenden Drucks ermöglicht.
