DE102017218527A1 - Injektor zum Dosieren von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff - Google Patents

Injektor zum Dosieren von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff Download PDF

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Abstract

Injektor (1) zum Dosieren von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff, mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum (3) ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige äußere Düsennadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung einen Eindüsquerschnitts (9) öffnet und schließt, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum (3) ausströmen kann. An der äußeren Düsennadel (5) ist ein Führungsabschnitt (13) ausgebildet, mit dem die äußere Düsennadel (5) in einer Führungsbohrung (14) des Injektorkörpers (2) geführt ist, so dass zwischen dem Führungsabschnitt (13) und der Führungsbohrung (14) ein Drosselspalt (15) ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt (13) der äußeren Düsennadel (5) ist gestuft ausbildet, so dass im Führungsabschnitt (13) ein Absatz (16) ausbildet ist, der einer im Injektorkörper (2) ausgebildeten Schulter (17) gegenüberliegt, wobei zwischen dem Absatz (16) und der Schulter (17) ein elastisches Dichtelement (18) angeordnet ist, das zwischen dem Absatz (16) und der Schulter (17) zur Abdichtung des Drosselspalts (15) eingeklemmt ist, wenn die äußere Düsennadel (5) in ihrer Schließstellung ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Injektor, wie er zum Dosieren von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff Verwendung findet, beispielsweise um diese Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Injektoren bekannt, mit denen sowohl gasförmiger als auch flüssiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert werden kann. Ein solcher, beispielsweise aus der DE 10 2014 225 167 A1 bekannter Injektor weist eine äußere Düsennadel auf, die längsverschiebbar in einem Injektorkörper angeordnet ist. Die Düsennadel weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche auf, mit der sie mit einer Sitzfläche zum Öffnen und Schließen eines Eindüsquerschnitts zusammenwirkt, über den gasförmiger Kraftstoff aus einem Druckraum innerhalb des Injektors ausströmen kann. Die Düsennadel ist dabei in einem zylindrischen Führungsabschnitt im Injektorkörper geführt, wobei zwischen der Führungsbohrung im Injektorkörper und der Düsennadel ein Leckagespalt verbleibt. In der äußeren Düsennadel ist eine Längsbohrung ausgebildet, in der eine innere Düsennadel angeordnet ist, die Einspritzöffnungen, die innerhalb der äußeren Düsennadel ausgebildet sind, öffnet und schließt. Mit der inneren Düsennadel wird ein flüssiger Kraftstoff dosiert, mit dem die Längsbohrung der äußeren Düsennadel befüllt ist.
  • Um den flüssigen Kraftstoff in die Längsbohrung der äußeren Düsennadel zu einzuleiten ist eine Bohrung vorgesehen, die durch die Führungsbohrung und die äußere Düsennadel hindurch bis in die Längsbohrung der äußeren Düsennadel reicht. Dabei durchsticht diese Zulaufbohrung den Drosselspalt, der zwischen der äußeren Düsennadel und der Führungsbohrung im Injektorkörper besteht, so dass flüssiger Kraftstoff in diesen Drosselspalt eindiffundieren kann. Da der Drosselspalt in den mit gasförmigem Kraftstoff befüllten Druckraum mündet, gelangt auf diese Weise stets flüssiger Kraftstoff in den Druckraum, wird mit dem Gasstrom mitgerissen und so ebenfalls in den Brennraum eingebracht, wo er verbrennt. Beim normalen Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils stellt dies kein Problem dar, da nur eine sehr geringe Menge flüssiger Kraftstoff in den mit Gas gefüllten Druckraum gelangt und mit dem Gasstrom problemlos mit ausgespritzt werden kann. Eine geringe Menge kann sogar erwünscht sein, um einerseits die äußere Düsennadel zu schmieren und andererseits etwas flüssigen Kraftstoff auf den äußeren Düsensitz zu bringen, wo er ebenfalls eine Schmierung bewirkt und den Verschleiß mindert.
  • Der bekannte Kraftstoffinjektor kann auch dafür verwendet werden, ausschließlich flüssigem Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen. Dazu wird die äußere Düsennadel in ihrer Schließstellung gehalten, so dass der mit Gas gefüllte Druckraum verschlossen bleibt, während die innere Düsennadel bewegt wird und dadurch den flüssigen Kraftstoff dosiert. Dieser Betriebszustand kann gezielt angefahren werden oder beispielsweise dann erforderlich sein, wenn der gasförmige Kraftstoff nicht oder nicht mit dem erforderlichen Druck zur Verfügung steht. Beim bekannten Kraftstoffinjektor kann bei einem länger dauernden reinen Betrieb mit flüssigem Kraftstoff eine große Menge flüssiger Kraftstoff über den Drosselspalt in den mit gasförmigem Kraftstoff gefüllten Druckraum gelangen, bis dieser vollständig mit flüssigem Kraftstoff gefüllt ist. Wird zu einem späteren Zeitpunkt die Gaseinblasung wieder aufgenommen, so muss dieser flüssige Kraftstoff aus dem Druckraum herausgedrückt werden, was zu einer unkontrollierten Verbrennung führen kann und den ordnungsgemäßen Betrieb des Injektors beeinträchtigt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Injektor weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass ein Betrieb nur mit flüssigem Kraftstoff auch über einen längeren Zeitraum problemlos möglich ist, ohne dass die Fähigkeit zur Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff beeinträchtigt wird. Dazu weist der Injektor einen Injektorkörper auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige, äußere Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung einen Eindüsquerschnitt öffnet und schließt, durch den gasförmiger Kraftstoff ausströmen kann. An der äußeren Düsennadel ist ein Führungsabschnitt ausgebildet, mit dem die äußere Düsennadel in einer Führungsbohrung des Injektorkörpers geführt ist, wobei zwischen dem Führungsabschnitt und der Führungsbohrung ein Drosselspalt ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt der äußeren Düsennadel ist gestuft ausgebildet, so dass im Führungsabschnitt ein Absatz ausgebildet ist, der eine im Injektorkörper ausgebildete Schulter gegenüber liegt. Zwischen dem Absatz und der Schulter ist ein elastisches Dichtelement angeordnet, das zwischen dem Absatz und der Schulter zur Abdichtung des Drosselspalts eingeklemmt ist, wenn die äußere Düsennadel in ihrer Schließstellung ist.
  • Bei einem Betrieb, bei dem nur flüssiger Kraftstoff ausgespritzt wird, bleibt die äußere Düsennadel in ihrer Schließstellung. Der flüssige Kraftstoff dringt jedoch weiterhin in den Drosselspalt zwischen der Führungsbohrung im Injektorkörper und der äußeren Düsennadel ein, so dass dieser in den Druckraum einfließen würde mit den oben bereits beschriebenen Folgen. Durch das Dichtelement, das zwischen dem Absatz und der Schulter eingeklemmt ist, wird der Drosselspalt wirksam abgedichtet, so dass auch bei einem längeren Betrieb des Injektors nur mit flüssigem Kraftstoff eine Abdichtung des mit gasförmigem Kraftstoff gefüllten Druckraums gegen den flüssigen Kraftstoff gewährleistet ist. Auch nach einem längeren Betrieb mit flüssigem Kraftstoff kann damit problemlos auf einen Gasbetrieb umgestellt werden bzw. auf einen Gas- und Flüssigbetrieb.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist in der äußeren Düsennadel eine Längsbohrung ausgebildet, in die flüssiger Kraftstoff eingebracht werden kann. Dieser kann von dort eingespritzt werden und dient beispielsweise dazu, ein zündfähiges Gemisch im Brennraum herzustellen, das zur Entflammung des gasförmigen Kraftstoffs dient. Zur Versorgung der Längsbohrung mit flüssigem Kraftstoff ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Drosselspalt mit einer Zulaufbohrung für den flüssigen Kraftstoff verbunden ist. Dadurch ist der Drosselspalt zwischen der äußeren Düsennadel und der Führungsbohrung mit dem flüssigen Kraftstoff während des Betriebs des Injektors verbunden, was in diesem Bereich eine Schmierwirkung erzeugt, die für den dauerhaften Betrieb des Injektors unerlässlich ist und für einen verschleißarmen Betrieb sorgt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Führungsbohrung zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser auf, durch die die Schulter ausgebildet ist. Eine gestufte Bohrung lässt sich mit geringem Aufwand herstellen, so dass eine Fertigung kostengünstig möglich ist. Dabei ist die Schulter vorzugsweise ringscheibenförmig ausgebildet und ebenso der Absatz an der äußeren Düsennadel, so dass das elastische Dichtelement gut zwischen diesen beiden Flächen eingeklemmt werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dichtelement als ein Dichtring ausgebildet, der in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in einer in der Schulter ausgebildeten Ringnut aufgenommen ist. Solche Dichtringe sind als Standardbauteile im Stand der Technik bekannt und lassen sich kostenstündig herstellen. Je nach Material und nach Tiefe der Ringnut lässt sich die gewünschte Flächenpressung im Bereich zwischen der Schulter und dem Absatz erreichen.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors gezeigt. Es zeigt
    • 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor mit seinen wesentlichen Komponenten und
    • 2a und 2b zwei Zustände des Injektors, wobei der mit II bezeichnete Ausschnitt der 1 vergrößert dargestellt ist.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum 3 ausgebildet ist. Im Druckraum 3 ist eine äußere Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die kolbenförmig ausgebildet ist und die an ihrem in der Zeichnung unteren, dem Brennraum zugewandten Ende eine konische Dichtfläche 6 aufweist, mit der die äußere Düsennadel 5 mit einem Düsensitz 7 zum Öffnen und Schließen eines Eindüsquerschnitts zusammenwirkt. Der Eindüsquerschnitt ist hier in Form von mehreren Eindüsöffnungen 9 ausgebildet, die im Injektor 2 schräg nach außen zeigen. Der Druckraum 3 ist über eine im Injektorkörper 2 ausgebildete Gaszuflussbohrung 10 mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar, wobei der gasförmige Kraftstoff durch den Ringraum, der zwischen der äußeren Düsennadel 5 und der Wand des Druckraums 3 verbleibt, zum Düsensitz 7 strömt und zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 7 hindurch in die Eindüsöffnungen 9.
  • Die äußere Düsennadel 5 bildet in ihren dem Düsensitz 7 abgewandten Endbereich einen Führungsabschnitt 13 aus, mit dem die äußere Düsennadel 5 in einer Führungsbohrung 14 geführt ist. Zwischen dem Führungsabschnitt 13 und der Führungsbohrung 14 ist ein Drosselspalt 15 ausgebildet, der die Beweglichkeit der äußeren Düsennadel 5 in der Führungsbohrung 14 sicherstellt. Mit ihrem dem Düsensitz 7 abgewandten Ende begrenzt die äußere Düsennadel 5 einen äußeren Steuerraum 32, in dem eine äußere Schließfeder 33 unter Druckvorspannung angeordnet ist, so dass durch die äußere Schließfeder 33 eine Kraft auf die äußere Düsennadel 5 in Richtung des Düsensitzes 7 ausgeübt wird.
  • Im Inneren der äußeren Düsennadel 5 ist eine Längsbohrung 19 ausgebildet, in der eine kolbenförmige, innere Düsennadel 20 längsverschiebbar aufgenommen ist. Die innere Düsennadel 20 bildet an ihrem Ende eine innere Dichtfläche 21 aus, mit der sie mit einem inneren Düsensitz 22, der am Ende der Längsbohrung 19 in der äußeren Düsennadel 5 ausgebildet ist, zum Öffnen und Schließen mehrerer Einspritzöffnungen 24 zusammenwirkt. Die Längsbohrung 19 und damit der zwischen der inneren Düsennadel 20 und der Wand der Bohrung 19 verbleibende Ringraum ist mit einem flüssigen Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar, der bei freigegebenen Einspritzöffnungen 24 durch diese ausgespritzt werden kann. Die innere Düsennadel 20 begrenzt zusammen mit der äußeren Düsennadel 5 einen inneren Steuerraum 29, in dem eine innere Schließfeder 30 unter Druckvorspannung aufgenommen ist, die eine Schließkraft auf die innere Düsennadel 20 in Richtung des inneren Düsensitzes 22 ausübt.
  • Zur Zuführung des flüssigen Kraftstoffs ist im Injektorkörper 2 eine Zulaufbohrung 26 ausgebildet, die im oberen Bereich des Injektorkörpers 2 parallel zur äußeren Düsennadel 5 verläuft, schließlich abknickt und in die Längsbohrung 19 der äußeren Düsennadel 5 mündet. Dabei durchquert die Zulaufbohrung 26 den Drosselspalt 15, der zwischen der äußeren Düsennadel 5 und der Führungsbohrung 14 ausgebildet ist, so dass der Drosselspalt 15 mit der Zulaufbohrung 26 verbunden ist. Zur Befüllung des inneren Druckraums 30 dient eine erste Zulaufdrossel 28, die von der Zulaufbohrung 26 abzweigt und im Injektorkörper 2 und in der äußeren Düsennadel 5 ausgebildet ist. Der innere Steuerraum 29 ist darüber hinaus über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Ablaufdrossel mit einem Niederdruckraum verbindbar, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb des inneren Steuerraums 29 durch Öffnen und Schließen der Ablaufdrossel geändert werden kann und die hydraulische Schließkraft auf die innere Düsennadel 20 variierbar ist.
  • Zur Befüllung des äußeren Steuerraums 32 ist weiterhin im Injektorkörper 2 eine zweite Zulaufdrossel 35 ausgebildet, so dass der hohe Kraftstoffdruck in der Zulaufbohrung 26 auch im äußeren Steuerraum 32 herrscht. Der äußere Steuerraum 32 ist darüber hinaus über eine Ablaufdrossel 36 mit dem Niederdruckraum verbindbar, so dass auch der Kraftstoffdruck im äußeren Steuerraum 32 eingestellt werden kann und damit die hydraulische Schließkraft auf die äußere Düsennadel 5.
  • Die Führungsbohrung 14 ist als Stufenbohrung ausgeführt und weist einen ersten Abschnitt 114 mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt 214 mit einem kleineren Durchmesser auf. Durch die beiden Abschnitte 114, 214 ist in der Führungsbohrung 14 am Injektorkörper 2 eine Schulter 17 ausgebildet, die ringscheibenförmig ausgebildet ist und damit im Querschnitt gesehen einen rechten Winkel mit der Längsachse 27 der äußeren Düsennadel 5 bildet. Entsprechend weist der Führungsabschnitt 13 der äußeren Düsennadel 5 ebenfalls zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser auf, so dass sowohl zwischen der äußeren Düsennadel 5 und dem ersten Abschnitt der Führungsbohrung 114 als auch zwischen dem zweiten Führungsabschnitt 214 und der äußeren Düsennadel 5 ein Drosselspalt 15 gebildet wird. Durch die beiden Führungsabschnitte 13 mit unterschiedlichem Durchmesser ist auch an der äußeren Düsennadel 5 ein Absatz 16 ausgebildet, der der Schulter 17 gegenüber liegt, wobei zwischen dem Absatz 16 und der Schalter 17 ein elastisches Dichtelement 18 angeordnet ist. Dazu zeigt 2a eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der 1. Das elastische Dichtelement 18 ist in einer in der Schulter 17 ausgebildeten Ringnut 23 teilweise aufgenommen. Ist die äußere Düsennadel 5 in ihrer Schließstellung, d.h. in Anlage am Düsensitz 7, so wird das elastische Dichtelement 18 zwischen dem Absatz 16 und der Schulter 17 eingeklemmt und dichtet dadurch den Drosselspalt 15 ab. Über die Zulaufbohrung 26, die mit dem Drosselspalt 15 verbunden ist, wird beständig flüssiger Kraftstoff in den Drosselspalt 15 eingebracht und würde ohne das elastische Dichtelement 18 weiter in den Druckraum 3 fließen. Durch das elastische Dichtelement 18 wird dieser Fluss verhindert, solange die äußere Düsennadel 5 in ihrer Schließstellung ist.
  • Eine Benetzung des Drosselspalts 15 durch den flüssigen Kraftstoff ist durchaus erwünscht, da der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, eine Schmierwirkung im Drosselspalt 15 entfaltet und für ein verschleißarmes Bewegen der äußeren Düsennadel 5 sorgt. Hebt die Düsennadel 5 mit ihrem Absatz 16 in ihrer Öffnungsstellung von der Schulter 17 und dem elastischen Dichtelement 18 ab, wie es 2b zeigt, so fließt der flüssige Kraftstoff in den Drosselspalt 15 und weiter in den Druckraum 3. Der flüssige Kraftstoff, der in geringer Menge auf diese Weise in den Druckraum 3 gerät, wird bei der Gaseindüsung durch den gasförmigen Kraftstoff mitgerissen und über den Eindüsquerschnitt 9 in den Brennraum eingebracht. Die geringe Menge flüssigen Kraftstoffs hat auch den Vorteil, dass der Düsensitz 7 leicht benetzt und geschmiert wird, so dass auch der Verschleiß zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 7 gemindert wird. Fährt die äußere Düsennadel 5 zurück in ihre Schließstellung, so wird das Dichtelement 18 wieder zwischen dem Absatz 16 und der Schulter 17 eingeklemmt und verschließt den Drosselspalt 15.
  • Beim Betrieb ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff würde ohne weitere Maßnahmen beständig flüssiger Kraftstoff in den Druckraum 3 fließen, würde von dort jedoch nicht mehr durch den gasförmigen Kraftstoff mitgerissen. Entsprechend würde sich der flüssige Kraftstoff im Druckraum 3 ansammeln, solange der Injektor nur mit flüssigem Kraftstoff betrieben wird. Bleibt die äußere Düsennadel 15 geschlossen und bewegt sich nur die innere Düsennadel 20, so bleibt beim erfindungsgemäßen Injektor jedoch der Drosselspalt 15 durch das Dichtelement 18 abgedichtet, so dass auch bei längerem Betrieb der Druckraum 3 frei von flüssigem Kraftstoff bleibt. Damit kann nach Beendigung des reinen Flüssigkraftstoffbetriebs die Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff ohne Probleme wieder aufgenommen werden, ohne dass der Druckraum 3 vorher geleert werden müsste.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014225167 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Injektor (1) zum Dosieren von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff, mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum (3) ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige äußere Düsennadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung einen Eindüsquerschnitts (9) öffnet und schließt, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum (3) ausströmen kann, wobei an der äußeren Düsennadel (5) ein Führungsabschnitt (13) ausgebildet ist, mit dem die äußere Düsennadel (5) in einer Führungsbohrung (14) des Injektorkörpers (2) geführt ist, so dass zwischen dem Führungsabschnitt (13) und der Führungsbohrung (14) ein Drosselspalt (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (13) der äußeren Düsennadel (5) gestuft ausbildet ist, so dass im Führungsabschnitt (13) ein Absatz (16) ausbildet ist, der einer im Injektorkörper (2) ausgebildeten Schulter (17) gegenüberliegt, wobei zwischen dem Absatz (16) und der Schulter (17) ein elastisches Dichtelement (18) angeordnet ist, das zwischen dem Absatz (16) und der Schulter (17) zur Abdichtung des Drosselspalts (15) eingeklemmt ist, wenn die äußere Düsennadel (5) in ihrer Schließstellung ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Düsennadel (5) eine Längsbohrung (19) ausgebildet ist, in die über eine Zulaufbohrung (26) flüssiger Kraftstoff eingebracht werden kann.
  3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselspalt (15; 115) mit der Zulaufbohrung (26) für flüssigen Kraftstoff verbunden ist.
  4. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbohrung (14) zwei Abschnitte (114; 214) mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, zwischen denen die Schulter (17) ausgebildet ist.
  5. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (17) ringscheibenförmig ausgebildet ist.
  6. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (16) an der äußeren Düsennadel (5) ringscheibenförmig ausgebildet ist.
  7. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtelement (18) als ein Dichtring ausgebildet ist.
  8. Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (18) zumindest teilweise in einer in der Schulter (17) ausgebildeten Ringnut (23) aufgenommen ist.
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