DE102018200565A1 - Injector for metering gaseous fuel, Gaseinblassystem with such an injector and method for operating this injector - Google Patents

Injector for metering gaseous fuel, Gaseinblassystem with such an injector and method for operating this injector Download PDF

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Abstract

Injektor zur Dosierung von gasförmigem Kraftstoff mit einem Injektorkörper (1), in dem eine kolbenförmige Düsennadel (2) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche (4) mit einem im Injektorkörper (1) ausgebildeten Düsensitz (5) zum Öffnen und Verschließen eines Strömungsquerschnitts (11) zusammenwirkt, durch den gasförmiger Kraftstoff einer Eindüsöffnung (8) zuströmen kann. Ein Steuerraum (10) wird von der dichtflächenabgewandten Stirnfläche (32) der Düsennadel (2) begrenzt und ist mit einem flüssigen Medium befüllbar ist, wobei im Steuerraum (10) ein wechselnder Flüssigkeitsdruck einstellbar ist und durch den Druck im Steuerraum (10) eine Schließkraft in Richtung des Dichtsitzes (5) auf die Düsennadel (2) ausgeübt wird. Im Injektorkörper (1) ist ein Gegendruckraum (12) ausgebildet, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist und der eine Gegenfläche (33) der Düsennadel (2) so beaufschlagt, dass dadurch eine hydraulische, in axialer Richtung der Düsennadel (2) wirkende Kraft ausgeübt wird, die der hydraulischen Kraft im Steuerraum (10) entgegengerichtet ist.Injector for metering gaseous fuel with an injector body (1), in which a piston-shaped nozzle needle (2) is longitudinally displaceable, with a sealing surface (4) with a nozzle seat (5) formed in the injector body (1) for opening and closing a flow cross-section (11) cooperates, can flow through the gaseous fuel to a Eindüsöffnung (8). A control chamber (10) is bounded by the sealing surface facing away from the end face (32) of the nozzle needle (2) and is filled with a liquid medium, wherein in the control chamber (10) an alternating fluid pressure is adjustable and by the pressure in the control chamber (10) has a closing force in the direction of the sealing seat (5) on the nozzle needle (2) is applied. In the injector body (1), a counterpressure space (12) is formed, which can be filled with the liquid medium and which acts on a mating surface (33) of the nozzle needle (2) so that a hydraulic, in the axial direction of the nozzle needle (2) acting force is exerted, which is opposite to the hydraulic force in the control chamber (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Dosierung von gasförmigem Kraftstoff, wie er beispielsweise Verwendung findet, um gasförmige Kraftstoffe direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Gaseinblassystem mit einem solchen Injektor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Injektors.The invention relates to an injector for metering of gaseous fuel, as used, for example, to introduce gaseous fuels directly into a combustion chamber of an internal combustion engine. Moreover, the invention relates to a gas injection system with such an injector and a method for operating such an injector.

Stand der TechnikState of the art

Injektoren zur Einbringung von gasförmigem Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2015 209 134 A1 . Der Injektor weist eine in einem Injektorkörper längsbeweglich angeordnete Düsennadel auf, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Dem Strömungsquerschnitt nachgeordnet sind im Injektorkörper mehrere Eindüsöffnungen ausgebildet, durch die der gasförmige Kraftstoff hindurchtritt, so dass er optimal verteilt in den Brennraum eingedüst wird. Das einzudüsende Gas steht dabei unter einem relativ hohen Druck von 300 bis 500 bar, was entsprechend hohe Kräfte auf die Düsennadel insbesondere auch in Längsrichtung bewirkt. Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel wird ein servo-hydraulisches Prinzip eingesetzt. Dazu begrenzt die Düsennadel mit ihrer den Eindüsöffnungen abgewandten Stirnseite einen Steuerraum, der mit einem flüssigen Medium, beispielsweise einem flüssigen Kraftstoff, befüllbar ist, der unter einem Druck steht, der ähnlich hoch ist wie der Druck in den mit Gas gefüllten Bereichen des Injektors. Durch ein Steuerventil lässt sich der Druck in dem Steuerraum variieren, so dass damit auch die in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft auf die Düsennadel geändert werden kann. Damit ist eine Steuermöglichkeit der Düsennadel gegeben.Injectors for introducing gaseous fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine are known from the prior art, for example from the DE 10 2015 209 134 A1 , The injector has a nozzle needle which is arranged longitudinally movably in an injector body and which cooperates with a nozzle seat for opening and closing a flow cross-section. Downstream of the flow cross-section, a plurality of injection openings are formed in the injector body, through which the gaseous fuel passes, so that it is optimally distributed into the combustion chamber. The einzudüsende gas is under a relatively high pressure of 300 to 500 bar, which causes correspondingly high forces on the nozzle needle in particular in the longitudinal direction. To control the longitudinal movement of the nozzle needle, a servo-hydraulic principle is used. For this purpose, the nozzle needle with its end faces away from the injection openings delimits a control chamber which can be filled with a liquid medium, for example a liquid fuel, which is under a pressure which is similar to the pressure in the gas-filled areas of the injector. By a control valve, the pressure in the control chamber can be varied, so that thus the force acting in the closing direction hydraulic force can be changed to the nozzle needle. This gives a control possibility of the nozzle needle.

Der gasförmige Kraftstoff wird über einen Verdichter und einen Gashochdruckspeicher zur Verfügung gestellt, mit dem der Injektor verbunden ist. Das System ist dabei darauf ausgelegt, den maximalen Gasdruck zur Verfügung zu stellen, also beispielsweise 500 bar. Je nach Lastpunkt der Brennkraftmaschine kann es jedoch auch erforderlich sein, einen niedrigeren Gasdruck in den Brennraum einzubringen, beispielsweise im Leerlauf oder in einem Teillastbereich. Dazu muss bei den bisher bekannten Systemen der Gasdruck abgesenkt werden, was am schnellsten dadurch geschieht, dass Gas aus dem Hochdruckspeicher in den Tank zurückgeführt wird oder anderweitig abgeblasen wird. Da Gas gut kompressibel ist, muss eine relativ große Gasmenge aus dem Hochdruckspeicher abgeführt werden, die dort bereits verdichtet vorgehalten wird und die dann, wenn wieder der volle Eindüsdruck benötigt wird, mit viel Energieaufwand erneut komprimiert und dem Hochdruckspeicher zugeführt werden muss. Dies ist energetisch ungünstig und beeinträchtigt den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.The gaseous fuel is provided via a compressor and a gas high pressure accumulator to which the injector is connected. The system is designed to provide the maximum gas pressure, eg 500 bar. Depending on the load point of the internal combustion engine, however, it may also be necessary to introduce a lower gas pressure into the combustion chamber, for example during idling or in a partial load range. For this purpose, in the systems known hitherto, the gas pressure must be lowered, which is most rapidly achieved by the fact that gas is returned from the high-pressure accumulator into the tank or is otherwise blown off. Since gas is well compressible, a relatively large amount of gas must be removed from the high-pressure accumulator, which is already held there compacted and then, when the full injection pressure is needed again with a lot of energy and compressed again the high-pressure accumulator must be supplied. This is energetically unfavorable and affects the efficiency of the internal combustion engine.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Injektor zur Dosierung von gasförmigem Kraftstoff weist demgegenüber den Vorteil auf, dass damit eine Brennkraftmaschine mit hoher Effizienz betreibbar ist, wobei unterschiedliche Gasdrücke in den Brennraum eingedüst werden können, ohne dass der Gasdruck des Versorgungssystems abgesenkt werden muss. Dazu weist der Injektor einen Injektorkörper auf, in dem eine kolbenförmige Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche mit einem im Injektorkörper ausgebildeten Düsensitz zum Öffnen und Verschließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den gasförmiger Kraftstoff einer Eindüsöffnung zuströmen kann. Im Injektorkörper ist weiterhin ein Steuerraum ausgebildet, der von der der Dichtfläche abgewandten Stirnseite der Düsennadel begrenzt wird und der mit einem flüssigen Medium befüllbar ist, wobei im Steuerraum ein wechselnder Flüssigkeitsdruck einstellbar ist, wobei durch den Druck im Steuerraum eine Schließkraft in Richtung des Dichtsitzes auf die Düsennadel ausgeübt wird. Im Injektorkörper ist ein Gegendruckraum ausgebildet, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist und der eine Gegenfläche der Düsennadel so beaufschlagt, dass dadurch eine hydraulische in axialer Richtung der Düsennadel wirkende Kraft ausgeübt wird, die der hydraulischen Kraft im Steuerraum entgegengerichtet ist.In contrast, the injector for metering gaseous fuel according to the invention has the advantage that an internal combustion engine can be operated with high efficiency, it being possible for different gas pressures to be injected into the combustion chamber without the gas pressure of the supply system having to be lowered. For this purpose, the injector has an injector body, in which a piston-shaped nozzle needle is arranged longitudinally displaceable, which cooperates with a sealing surface with a nozzle seat formed in the injector body for opening and closing a flow cross-section through which gaseous fuel can flow to an injection opening. In the injector further a control chamber is formed, which is bounded by the sealing surface facing away from the end face of the nozzle needle and which can be filled with a liquid medium, wherein in the control chamber an alternating fluid pressure is adjustable, wherein the pressure in the control chamber a closing force in the direction of the sealing seat on the nozzle needle is exercised. In the injector, a counter-pressure space is formed, which is filled with the liquid medium and which acts on a counter surface of the nozzle needle so that thereby a hydraulic force acting in the axial direction of the nozzle needle force is applied, which is directed opposite to the hydraulic force in the control chamber.

Die Bewegung der Düsennadel geschieht durch das Wechselspiel der hydraulischen Kräfte einerseits im Steuerraum und andererseits im Gegendruckraum. Liegt ein relativ hoher Druck des flüssigen Mediums vor, so sind die Öffnungskräfte auf die Düsennadel entsprechend hoch, da nach einer Druckabsenkung im Steuerraum ein hoher hydraulischer Druck im Gegendruckraum auf die Düsennadel wirkt. Damit lässt sich die Düsennadel schnell bewegen, insbesondere lässt sie sich rasch aus dem Sitzdrosselbereich herausbewegen, also dem Bereich, in dem durch einen nur sehr kleinen Spalt zwischen dem Düsensitz und der Dichtfläche der Düsennadel eine Drosselstelle ausgebildet ist. Somit lässt sich schneller eine große Gasmenge mit dem vollen Gasdruck in den Brennraum einbringen.The movement of the nozzle needle is done by the interplay of hydraulic forces on the one hand in the control room and on the other hand in the counter-pressure space. If there is a relatively high pressure of the liquid medium, the opening forces on the nozzle needle are correspondingly high since, after a pressure reduction in the control chamber, a high hydraulic pressure in the counterpressure space acts on the nozzle needle. Thus, the nozzle needle can be moved quickly, in particular, it can be quickly move out of the seat throttle range, ie the area in which a throttle point is formed by a very small gap between the nozzle seat and the sealing surface of the nozzle needle. Thus, a large amount of gas can be introduced faster with the full gas pressure in the combustion chamber.

Wird der Druck des flüssigen Mediums, mit dem der Steuerraum und der Gegendruckraum geflutet ist, hingegen abgesenkt, so wirkt im Gegendruckraum eine entsprechend geringere hydraulische Öffnungskraft auf die Düsennadel. Wird der Druck im Steuerraum abgesenkt, so bewirken diese geringeren Kräfte eine vergleichsweise langsame Bewegung der Düsennadel in Öffnungsrichtung. Damit ist es möglich, die Düsennadel relativ lange im Sitzdrosselbereich zu halten, d.h. dass die Öffnungsbewegung der Düsennadel rechtzeitig gestoppt wird und so einen Teilhub durchfährt, damit zwischen der Dichtfläche und dem Düsensitz eine Drosselstelle gebildet wird. An dieser Drosselstelle wird damit ein Teil des Gasdrucks abgebaut, so dass an den Eindüsöffnungen ein geringerer Gasdruck anliegt als im Injektor zur Verfügung steht. Die Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs erfolgt mit einem geringeren Gasdruck, ohne dass eine Druckabsenkung im Gas-Versorgungssystems notwendig ist und damit nicht unnötig gasförmiger Kraftstoff entspannt oder abgeblasen werden muss.If the pressure of the liquid medium, with which the control chamber and the counterpressure space is flooded, is lowered, on the other hand, a correspondingly lower hydraulic opening force acts on the nozzle needle in the counterpressure space. If the pressure in the control chamber is lowered, these lower forces cause a comparatively slow movement the nozzle needle in the opening direction. This makes it possible to keep the nozzle needle relatively long in the seat throttle area, ie that the opening movement of the nozzle needle is stopped in time and thus passes through a partial stroke, so that a throttle point is formed between the sealing surface and the nozzle seat. At this throttle point so that a part of the gas pressure is reduced, so that at the injection openings a lower gas pressure is applied than is available in the injector. The injection of the gaseous fuel is carried out with a lower gas pressure, without a pressure reduction in the gas supply system is necessary and thus does not unnecessarily gaseous fuel must be expanded or blown off.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist die Düsennadel einen im Durchmesser erweiterten Abschnitt auf, an dem die Stirnfläche ausgebildet ist und der den Gegendruckraum mit einer der Stirnfläche entgegengesetzter Gegenfläche begrenzt. Dadurch können in konstruktiv einfacher Weise hydraulische Gegenkräfte auf die Düsennadel erzeugt werden, die in Längsrichtung der Düsennadel wirken. Dabei ist der Gegendruckraum in vorteilhafter Weise als Ringraum ausgebildet, der die Düsennadel umgibt, was ebenfalls in einfacher Weise durch eine entsprechende Formgestaltung des Injektorkörpers umgesetzt werden kann.In a first advantageous embodiment, the nozzle needle has an enlarged diameter portion, on which the end face is formed and which limits the counter-pressure chamber with an opposite end surface of the opposite surface. As a result, hydraulic opposing forces can be generated on the nozzle needle, which act in the longitudinal direction of the nozzle needle in a structurally simple manner. In this case, the counter-pressure space is advantageously formed as an annular space surrounding the nozzle needle, which can also be implemented in a simple manner by a corresponding design of the injector body.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerraum über eine im Injektorkörper ausgebildete Zulaufdrossel mit dem flüssigen Medium befüllbar. Damit kann beispielsweise über einen gesteuerten Ablauf der Druck im Steuerraum eingestellt werden und damit die entsprechende hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel.In a further advantageous embodiment, the control chamber can be filled with the liquid medium via an inlet throttle formed in the injector body. Thus, for example, via a controlled sequence of the pressure in the control room can be adjusted and thus the corresponding hydraulic closing force on the nozzle needle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel als Hohlnadel ausgebildet, die eine Längsbohrung aufweist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Innennadel, die mit einem in der Düsennadel ausgebildeten inneren Düsensitz zum Freigeben oder Verschließen einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Die weitere Düsennadel erlaubt es, auch flüssigen Kraftstoff gleichzeitig oder zeitlich versetzt zu dem gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einzubringen, wobei in vorteilhafter Weise zwischen der Düsennadel und der Wand der Längsbohrung ein Druckraum ausgebildet ist, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist, so dass das flüssige Medium bei geöffneter Einspritzöffnung durch diese ausgespritzt wird. Dabei ist das flüssige Medium in vorteilhafter Weise ein flüssiger Kraftstoff, der in dem Injektor zwei Funktionen hat. Zum einen dient er als Brennstoff, der über den Injektor in den Brennraum eingespritzt werden kann, und zum anderen als hydraulisches Arbeitsmedium zum Steuern der Düsennadel und der Innennadel.In a further advantageous embodiment, the nozzle needle is designed as a hollow needle having a longitudinal bore with a longitudinally displaceably arranged therein inner needle, which cooperates with an opening formed in the nozzle needle inner nozzle seat for releasing or closing an injection port. The additional nozzle needle also allows liquid fuel to be introduced into the combustion chamber at the same time or with a time offset to the gaseous fuel, advantageously forming a pressure space between the nozzle needle and the wall of the longitudinal bore which can be filled with the liquid medium, so that the liquid medium is ejected with the injection opening open by this. In this case, the liquid medium is advantageously a liquid fuel, which has two functions in the injector. On the one hand, it serves as fuel, which can be injected via the injector into the combustion chamber, and on the other hand as a hydraulic working medium for controlling the nozzle needle and the inner needle.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gegendruckraum mit dem Druckraum hydraulisch verbunden. Dadurch kann der Gegendruckraum in einfacher Weise befüllt werden und ebenso der Druckraum, der zwischen der Innennadel und der Längsbohrung ausgebildet ist, so dass der Injektor baulich einfach umgesetzt werden kann.In a further advantageous embodiment, the counterpressure space is hydraulically connected to the pressure chamber. As a result, the counterpressure space can be filled in a simple manner, as well as the pressure chamber, which is formed between the inner needle and the longitudinal bore, so that the injector can be structurally easily implemented.

In einem erfindungsgemäßen Gaseinblassystem mit einem erfindungsgemäßen Injektor ist ein Hochdruckspeicher vorhanden, in dem das flüssige Medium vorgehalten wird, mit dem sowohl der Steuerraum als auch der Gegendruckraum verbunden ist. Damit kann dieselbe Hochdruckquelle für das flüssige Medium sowohl für die Einspritzung als auch für die Steuerung der Düsennadel bzw. der Innenadel verwendet werden. Eine Druckabsenkung des Hochdruckspeichers für das flüssige Medium ist relativ einfach machbar, da Flüssigkeiten nur wenig kompressibel sind, d.h. es muss nur eine geringe Menge abgesteuert werden, um den Druck deutlich abzusenken. Die Energieverluste durch eine solche Drucksteuerung sind deshalb gering.In a gas injection system according to the invention with an injector according to the invention, a high-pressure accumulator is provided, in which the liquid medium is kept, with which both the control chamber and the counter-pressure space is connected. Thus, the same high pressure source for the liquid medium can be used both for the injection and for the control of the nozzle needle or the inner needle. A pressure drop of the high-pressure reservoir for the liquid medium is relatively easy to do, since liquids are only slightly compressible, i. it only needs a small amount to be reduced in order to lower the pressure significantly. The energy losses due to such a pressure control are therefore low.

Figurenlistelist of figures

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors mit den wesentlichen Systemkomponenten dargestellt. Es zeigen

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors zusammen mit den schematisch dargestellten Systemkomponenten für das flüssige und das gasförmige Medium bzw. den gasförmigen Kraftstoff und
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel ebenfalls mit schematischer Darstellung der Systemkomponenten.
In the drawing, two embodiments of the injector according to the invention with the essential system components are shown. Show it
  • 1 a first embodiment of the injector according to the invention together with the system components shown schematically for the liquid and the gaseous medium or the gaseous fuel and
  • 2 a second embodiment also with a schematic representation of the system components.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors schematisch im Längsschnitt dargestellt, wobei die Anbaukomponenten nur schematisch dargestellt sind. Der Injektor weist einen Injektorkörper 1 auf, in dem eine Düsennadel 2 längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Düsennadel 2 eine Längsachse 9 aufweist und im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet ist. Die Düsennadel 2 weist an ihrem dem Brennraum zuwandten Ende eine konische Dichtfläche 4 auf, mit der die Düsennadel 2 mit einem ebenfalls konischen Düsensitz 5 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, der zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5 aufgesteuert werden kann. Dabei ist die Düsennadel 2 von einem Gasraum 3 umgeben, der über eine im Injektorkörper 1 verlaufende Zuführbohrung 6 mit gasförmigem Kraftstoff befüllt werden kann. Dem Düsensitz 5 nachgeordnet ist in der Düsennadel 2 eine Ringnut 7 ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Gasraum 3 einströmt, wenn er zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5 hindurchströmt. Im Düsenkörper 1 sind darüber hinaus mehrere Eindüsöffnungen 8 ausgebildet, die mit der Ringnut 7 verbunden sind, so dass der gasförmige Kraftstoff aus der Ringnut 7 durch die Eindüsöffnung 8 ausgedüst werden kann. Die Ringnut 7 stellt dabei sicher, dass der gasförmige Kraftstoff gleichmäßig auf die Eindüsöffnungen 8 verteilt wird.In 1 a first embodiment of the injector according to the invention is shown schematically in longitudinal section, wherein the add-on components are shown only schematically. The injector has an injector body 1 on, in which a nozzle needle 2 is arranged longitudinally displaceable, wherein the nozzle needle 2 a longitudinal axis 9 has and is substantially piston-shaped. The nozzle needle 2 has at its end facing the combustion chamber a conical sealing surface 4 on, with the nozzle needle 2 with a likewise conical nozzle seat 5 cooperates to open and close a flow cross-section, the between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 can be controlled. Here is the nozzle needle 2 from a gas room 3 surrounded by one in the injector body 1 extending feed bore 6 can be filled with gaseous fuel. The nozzle seat 5 downstream is in the nozzle needle 2 an annular groove 7 formed, in which the gaseous fuel from the gas space 3 when it flows in between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 flowing. In the nozzle body 1 are moreover several injection openings 8th formed with the ring groove 7 are connected, so that the gaseous fuel from the annular groove 7 through the injection opening 8th can be exterminated. The ring groove 7 ensures that the gaseous fuel evenly on the injection ports 8th is distributed.

Mit ihrer Stirnfläche 32, die der Dichtfläche 4 abgewandt ist, begrenzt die Düsennadel 2 einen Steuerraum 10, der innerhalb des Düsenkörpers 1 ausgebildet ist und radial außen vom Düsenkörper 1 und an der in der Zeichnung oberen Seite durch eine Drosselplatte 13 begrenzt wird. Der Steuerraum 10 ist über eine Zulaufdrossel 14 mit einem flüssigen Medium unter einem Arbeitsdruck befüllbar. Über eine Ablaufdrossel 15 kann das flüssige Medium aus dem Steuerraum 10 abgeführt werden, so dass ein wechselnder hydraulischer Druck im Steuerraum 10 einstellbar ist. Die Düsennadel 2 weist an ihrem der Dichtfläche 4 abgewandten Ende einen im Durchmesser erweiterten Abschnitt 102 auf, an dem die Stirnfläche 32 ausgebildet ist. Durch den erweiterter Abschnitt 102 ist an der der Stirnseite 32 gegenüberliegenden Seite des erweiterten Abschnitts 102 eine ringscheibenförmige Gegenfläche 33 ausgebildet. Mit dieser Gegenfläche 33 begrenzt der im Durchmesser erweiterte Abschnitt 102 einen Gegendruckraum 12, der als Ringraum ausgebildet ist und die Düsennadel 2 umgibt. Über eine Zulaufbohrung 28 kann der Gegendruckraum 12 ebenfalls mit dem flüssigem Medium befüllt werden, so dass durch den Druck im Gegendruckraum 12 eine hydraulische Kraft auf die Düsennadel 2 ausgeübt wird, die der hydraulischen Kraft des Steuerraums 10 auf die Düsennadel 2 entgegen gerichtet ist.With her face 32 that the sealing surface 4 turned away, limits the nozzle needle 2 a control room 10 that inside the nozzle body 1 is formed and radially outward from the nozzle body 1 and at the upper side in the drawing by a throttle plate 13 is limited. The control room 10 is via an inlet throttle 14 filled with a liquid medium under a working pressure. About a drain throttle 15 can the liquid medium from the control room 10 be discharged, leaving an alternating hydraulic pressure in the control room 10 is adjustable. The nozzle needle 2 indicates at its the sealing surface 4 opposite end of a diameter-expanded section 102 on, on which the end face 32 is trained. Through the extended section 102 is at the front 32 opposite side of the extended section 102 an annular disc-shaped counter surface 33 educated. With this counter surface 33 limits the diameter-expanded section 102 a back pressure chamber 12 , which is designed as an annulus and the nozzle needle 2 surrounds. Via an inlet bore 28 can the counterpressure space 12 also be filled with the liquid medium, so that by the pressure in the back pressure chamber 12 a hydraulic force on the nozzle needle 2 is exercised, that of the hydraulic power of the control room 10 on the nozzle needle 2 directed against.

Zur Versorgung des Injektors mit dem flüssigen Medium ist ein Flüssigtank 23 vorhanden. Das flüssige Medium wird über eine Flüssigleitung 26 einer Pumpe 24 zugeführt, die das flüssige Medium verdichtet und es über eine zweite Flüssigleitung 26' in einen Hochdruckspeicher 25 einleitet, wo das verdichtete flüssige Medium vorgehalten wird. Vom Hochdruckspeicher 25 führt eine Druckleitung 27 ab, die sich in eine erste Druckleitung 27' und eine zweite Druckleitung 27" verzweigt, wobei die erste Druckleitung 27' in die Zulaufbohrung 28 mündet und damit der Versorgung des Gegendruckraums 12 dient, während die zweite Druckleitung 27" in die Zulaufdrossel 14 mündet und damit den Steuerraum 10 mit dem flüssigen Medium befüllt. Die Ablaufdrossel 15 ist über ein Steuerventil 29 mit einer Rücklaufleitung 30 verbindbar, die zurück in den Flüssigtank 23 führt. Das Steuerventil 29 ist als ein beispielsweise elektromagnetisch betätigtes 2/2-Wege-Ventil ausgebildet, so dass die Verbindung des Steuerraums 10 über die Ablaufdrossel 15 mit dem Tank 23 elektrisch gesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann.To supply the injector with the liquid medium is a liquid tank 23 available. The liquid medium is transferred via a liquid line 26 a pump 24 fed, which compresses the liquid medium and it via a second liquid line 26 ' in a high-pressure accumulator 25 initiates where the compressed liquid medium is kept. From the high-pressure accumulator 25 leads a pressure line 27 starting in a first pressure line 27 ' and a second pressure line 27 " branches, wherein the first pressure line 27 ' into the inlet bore 28 flows and thus the supply of the counter-pressure space 12 serves while the second pressure line 27 " into the inlet throttle 14 flows and thus the control room 10 filled with the liquid medium. The outlet throttle 15 is via a control valve 29 with a return line 30 connectable, the back to the liquid tank 23 leads. The control valve 29 is designed as an example, electromagnetically actuated 2/2-way valve, so that the connection of the control chamber 10 over the outlet throttle 15 with the tank 23 can be opened or closed electrically controlled.

Die Versorgung des Injektors mit dem gasförmigen Medium umfasst einen Gastank 17, aus dem über eine erste Gasleitung 19 ein gasförmiger Kraftstoff einem Verdichter 18 zugeführt wird, der den gasförmigen Kraftstoff auf den notwendigen Arbeitsdruck verdichtet und über eine zweite Gasleitung 19' einem Gasdruckspeicher 20 zuführt, wo das verdichtete gasförmige Medium bzw. der gasförmige Kraftstoff vorgehalten wird. Der Gasdruckspeicher 20 ist über eine Gashochdruckleitung 21 mit der Zuführbohrung 6 verbunden, so dass damit der Gasraum 3 mit dem verdichteten gasförmigen Kraftstoff befüllt wird.The supply of the injector with the gaseous medium comprises a gas tank 17 from which via a first gas line 19 a gaseous fuel a compressor 18 is fed, which compresses the gaseous fuel to the required working pressure and a second gas line 19 ' a gas pressure accumulator 20 feeds, where the compressed gaseous medium or the gaseous fuel is kept. The gas pressure accumulator 20 is via a gas high pressure line 21 with the feed hole 6 connected so that thereby the gas space 3 is filled with the compressed gaseous fuel.

Die Funktionsweise des Injektors ist wie folgt: Soll Gas unter dem vollen Eindüsdruck, wie er im Gasdruckspeicher 20 vorgehalten wird, in den Brennraum eingedüst werden, so wird auch ein hoher Druck des flüssigen Mediums benötigt, mit dem sowohl der Steuerraum 10 als auch der Gegendruckraum 12 befüllt sind, wenn das Steuerventil 29 geschlossen ist. Soll eine Eindüsung geschehen, so wird das Steuerventil 29 geöffnet und der hydraulische Druck im Steuerraum 10 sinkt ab, da über die Ablaufdrossel 15 mehr flüssiges Medium aus dem Steuerraum 10 ausströmt als im gleichen Zeitraum über die Zulaufdrossel 14 nachfließt. Durch den nach wie vor hohen hydraulischen Druck im Gegendruckraum 12 wird eine hohe hydraulische Öffnungskraft auf die Düsennadel 2 ausgeübt, so dass sich diese schnell vom Düsensitz 5 wegbewegt und den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5 aufsteuert. Damit strömt gasförmiger Kraftstoff aus dem Gasraum 3 in die Ringnut 7 und von dort in die Eindüsöffnungen 8. An den Eindüsöffnungen 8 liegt damit praktisch ungedrosselt der volle Druck des gasförmigen Mediums an, wie er im Gasdruckspeicher 20 zur Verfügung gestellt wird. Zur Beendigung der Eindüsung wird das Steuerventil 29 wieder geschlossen, so dass sich der hohe hydraulische Druck im Steuerraum 10 erneut aufbaut und die Düsennadel 2 zurück in ihre Schließstellung drückt.The operation of the injector is as follows: Set gas below the full injection pressure, as in the gas pressure accumulator 20 is maintained, are injected into the combustion chamber, so a high pressure of the liquid medium is required, with both the control room 10 as well as the backpressure room 12 are filled when the control valve 29 closed is. If an injection happen, then the control valve 29 opened and the hydraulic pressure in the control room 10 decreases, because of the outlet throttle 15 more liquid medium from the control room 10 flows out than in the same period via the inlet throttle 14 continues to flow. Due to the still high hydraulic pressure in the back pressure chamber 12 will have a high hydraulic opening force on the nozzle needle 2 exercised, so that these quickly from the nozzle seat 5 moved away and the flow cross-section between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 aufsteuert. This gaseous fuel flows from the gas space 3 in the ring groove 7 and from there into the injection openings 8th , At the injection openings 8th is thus virtually unthrottled to the full pressure of the gaseous medium, as in the gas pressure accumulator 20 is made available. To stop the injection, the control valve 29 closed again, so that the high hydraulic pressure in the control room 10 builds up again and the nozzle needle 2 pushes back to its closed position.

Soll hingegen nicht mit dem vollen Gasdruck eingedüst werden, so wird der Druck im hydraulischen System abgesenkt, d.h. im Hochdruckspeicher 25 liegt jetzt ein niedrigerer hydraulischer Druck an. Dies kann beispielsweise durch eine Drosselung der Pumpe 24 geschehen oder aber durch Absteuerung eines Teils des flüssigen Mediums, das verdichtet im Hochdruckspeicher 25 anliegt. Damit vermindert sich die hydraulische Schließkraft, die durch den Druck im Steuerraum 10 auf die Düsennadel 2 ausgeübt wird, jedoch bleibt die Düsennadel 2 weiter geschlossen, da auch der hydraulische Gegendruck im Gegendruckraum 12 entsprechend abnimmt. Wird jetzt das Steuerventil 29 geöffnet, so sinkt wiederum der hydraulische Druck im Steuerraum 10 ab, die hydraulische Öffnungskraft im Gegendruckraum 12 ist aber nun geringer, so dass die Düsennadel 2 nur vergleichsweise langsam in Öffnungsrichtung bewegt wird. Entsprechend lange bleibt der Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5 klein und drosselt damit die Gasströmung, die in die Ringnut 7 und zu den Einspritzöffnungen 8 strömt. An den Eindüsöffnungen 8 liegt damit ein geringerer Gasdruck an als im Gasdruckspeicher 20 und im Gasraum 3. Damit die Düsennadel 2 nicht ihren vollen Öffnungshub durchfährt, muss das Steuerventil 29 geschlossen werden, ehe sich die Düsennadel 2 aus dem Sitzdrosselbereich herausbewegt, d.h. aus dem Hubbereich, in dem zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5 ein Drosselspalt gebildet wird. Dazu kann das Steuerventil mehrfach während einer Eindüsung geöffnet und geschlossen werden, so dass die Eindüsung über die Eindüsöffnungen 8 stets mit gedrosseltem Strömungsquerschnitt geschieht und damit mit einem geringeren effektiven Gasdruck an den Eindüsöffnungen 8.If, on the other hand, it is not intended to inject with the full gas pressure, the pressure in the hydraulic system is lowered, ie in the high-pressure accumulator 25 now there is a lower hydraulic pressure. This can be done, for example, by throttling the pump 24 done or by Absteuerung a portion of the liquid medium, the compressed in the high-pressure accumulator 25 is applied. This reduces the hydraulic closing force caused by the pressure in the control room 10 on the nozzle needle 2 is exercised, but remains the nozzle needle 2 closed further, as well as the hydraulic back pressure in the back pressure chamber 12 decreases accordingly. Going to happen now the control valve 29 opened, so again decreases the hydraulic pressure in the control room 10 off, the hydraulic opening force in the back pressure chamber 12 but is now lower, so the nozzle needle 2 only comparatively slowly moved in the opening direction. The flow cross section remains correspondingly long between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 small and thus throttles the gas flow into the annular groove 7 and to the injection ports 8th flows. At the injection openings 8th is thus a lower gas pressure than in the gas pressure accumulator 20 and in the gas room 3 , So that the nozzle needle 2 does not pass through their full opening stroke, the control valve 29 be closed before the nozzle needle 2 moved out of the seat throttle area, ie from the stroke area in which between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 a throttle gap is formed. For this purpose, the control valve can be opened and closed several times during an injection, so that the injection via the injection openings 8th always happens with throttled flow cross section and thus with a lower effective gas pressure at the injection openings 8th ,

Der erfindungsgemäße Injektor ermöglicht also eine Eindüsung mit verschiedenen effektiven Gasdrücken. Jedem gewünschten effektiven Gasdruck ist dabei ein entsprechender Druck des flüssigen Mediums zugeordnet beziehungsweise ein entsprechender Druckbereich, um diesen gewünschten Gasdruck zu erreichen, indem die Düsennadel nur soweit bewegt wird, dass die erforderliche Drosselung des gasförmigen Kraftstoffs stattfindet. Diese Korrelation kann durch Versuche oder Simulation bestimmt werden und zur Steuerung des Injektors beispielsweise in einem entsprechenden Steuergerät hinterlegt werden.The injector according to the invention thus enables injection with different effective gas pressures. Each desired effective gas pressure is associated with a corresponding pressure of the liquid medium or a corresponding pressure range in order to achieve this desired gas pressure by the nozzle needle is only moved so far that the required throttling of the gaseous fuel takes place. This correlation can be determined by experiments or simulation and stored for controlling the injector, for example, in a corresponding control unit.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, wobei die gleichen Komponenten gegenüber der 1 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Auf eine erneute Erläuterung der gleichen Komponenten wird deshalb verzichtet. Dieser Injektor weist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 eine veränderte Düsennadel auf, bei der die Düsennadel 2 als Hohlnadel mit einer Längsbohrung 35 ausgeführt ist. In der Längsbohrung 35 ist eine kolbenförmige Innennadel 38 längsverschiebbar angeordnet, wobei zwischen der Düsennadel 38 und der Wand der Längsbohrung 35 ein Druckraum 36 ausgebildet ist, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist. Dazu ist in der Düsennadel 2 eine Verbindungsbohrung 50 ausgebildet, die den Gegendruckraum 12 mit dem Druckraum 36 verbindet. Die Düsennadel 38 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine innere Dichtfläche 41 auf, mit der die Innennadel 38 mit einem inneren Düsensitz 40 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den der flüssige Kraftstoff zu mehreren, in der Düsennadel 2 ausgebildeten Einspritzöffnungen 42 strömen kann.In 2 shows a second embodiment of the injector according to the invention, wherein the same components compared to 1 are provided with the same reference numerals. A further explanation of the same components is therefore omitted. This injector has over the embodiment of the 1 a modified nozzle needle on, at the nozzle needle 2 as a hollow needle with a longitudinal bore 35 is executed. In the longitudinal bore 35 is a piston-shaped inner needle 38 arranged longitudinally displaceable, wherein between the nozzle needle 38 and the wall of the longitudinal bore 35 a pressure room 36 is formed, which is filled with the liquid medium. This is in the nozzle needle 2 a connection hole 50 formed the the back pressure chamber 12 with the pressure room 36 combines. The nozzle needle 38 has at its combustion chamber end an inner sealing surface 41 on, with the inner needle 38 with an inner nozzle seat 40 cooperates to open and close a flow cross section through which the liquid fuel to several, in the nozzle needle 2 trained injection ports 42 can flow.

Die Innennadel 38 weist an ihren der inneren Dichtfläche 41 abgewandten Seite eine Stirnfläche 44 auf, mit der die Innennadel 38 einen inneren Steuerraum 43 begrenzt, der mit dem flüssigen Medium aus dem Hochdruckspeicher 25 über eine Zulaufdrossel 45 befüllbar ist. Über eine Ablaufdrossel 46 ist der innere Steuerraum 43 mit der Rücklaufleitung 30 verbindbar, wobei diese Verbindung über ein zweites Steuerventil 48 führt, das wiederum als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet ist und beispielsweise ein elektromagnetisch betriebenes Ventil ist. In gleicher Weise wie beim Steuerraum 10 lässt sich so der hydraulische Druck im inneren Steuerraum 43 durch Öffnen und Schließen des zweiten Steuerventils 48 einstellen und damit die Längsbewegung der Innennadel 38 steuern. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann über das Gegenspiel zwischen dem Druck im Steuerraum 10 und im Gegendruckraum 12 die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 2 eingestellt werden und damit eine entsprechende Sitzdrosselung zwischen der Dichtfläche 4 und dem Düsensitz 5, was damit den Druck des gasförmigen Kraftstoffs an den Eindüsöffnungen 8 mindert.The inner needle 38 indicates at its inner sealing surface 41 opposite side an end face 44 on, with the inner needle 38 an inner control room 43 limited, with the liquid medium from the high-pressure accumulator 25 via an inlet throttle 45 is fillable. About a drain throttle 46 is the inner control room 43 with the return line 30 connectable, this connection via a second control valve 48 leads, which in turn is designed as a 2/2-way valve and, for example, is an electromagnetically operated valve. In the same way as the control room 10 so can the hydraulic pressure in the inner control room 43 by opening and closing the second control valve 48 adjust and thus the longitudinal movement of the inner needle 38 control. Also in this embodiment can be about the backlash between the pressure in the control room 10 and in the backpressure room 12 the opening speed of the nozzle needle 2 be adjusted and thus a corresponding seat throttling between the sealing surface 4 and the nozzle seat 5 , what with it the pressure of the gaseous fuel at the injection openings 8th decreases.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102015209134 A1 [0002]DE 102015209134 A1 [0002]

Claims (11)

Injektor zur Dosierung von gasförmigem Kraftstoff mit einem Injektorkörper (1), in dem eine kolbenförmige Düsennadel (2) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche (4) mit einem im Injektorkörper (1) ausgebildeten Düsensitz (5) zum Öffnen und Verschließen eines Strömungsquerschnitts (11), durch den gasförmiger Kraftstoff einer Eindüsöffnung (8) zuströmen kann, und mit einem Steuerraum (10), der von der dichtflächenabgewandten Stirnfläche (32) der Düsennadel (2) begrenzt wird und der mit einem flüssigen Medium befüllbar ist, wobei im Steuerraum (10) ein wechselnder Flüssigkeitsdruck einstellbar ist und durch den Druck im Steuerraum (10) eine Schließkraft in Richtung des Dichtsitzes (5) auf die Düsennadel (2) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Injektorkörper (1) ein Gegendruckraum (12) ausgebildet ist, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist und der eine Gegenfläche (33) der Düsennadel (2) so beaufschlagt, dass dadurch eine hydraulische, in axialer Richtung der Düsennadel (2) wirkende Kraft ausgeübt wird, die der hydraulischen Kraft im Steuerraum (10) entgegengerichtet ist.Injector for metering gaseous fuel with an injector body (1), in which a piston-shaped nozzle needle (2) is longitudinally displaceable, with a sealing surface (4) with a nozzle seat (5) formed in the injector body (1) for opening and closing a flow cross-section (11), through which gaseous fuel can flow to an injection opening (8), and with a control chamber (10), which is delimited by the sealing surface facing away from the end face (32) of the nozzle needle (2) and which can be filled with a liquid medium, wherein Control chamber (10) an alternating fluid pressure is adjustable and by the pressure in the control chamber (10) a closing force in the direction of the sealing seat (5) on the nozzle needle (2) is exercised, characterized in that in the injector body (1) has a counter-pressure chamber (12) is formed, which is filled with the liquid medium and which acts on a counter surface (33) of the nozzle needle (2) so that thereby hy draulic, in the axial direction of the nozzle needle (2) acting force is exerted, which is opposite to the hydraulic force in the control chamber (10). Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (2) einen im Durchmesser erweiterten Abschnitt (102) aufweist, an dem die Stirnfläche (32) ausgebildet ist und der den Gegendruckraum (12) mit einer der Stirnfläche (32) entgegengesetzten Gegenfläche (33) begrenzt.Injector after Claim 1 , characterized in that the nozzle needle (2) has a diameter-enlarged portion (102) on which the end face (32) is formed and which limits the counter-pressure chamber (12) with one of the end face (32) opposite counter surface (33). Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruckraum (12) als Ringraum ausgebildet ist, der die Düsennadel (2) umgibt.Injector after Claim 2 , characterized in that the counter-pressure chamber (12) is designed as an annular space which surrounds the nozzle needle (2). Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum über eine im Injektorkörper (1) ausgebildete Zulaufdrossel (14) mit dem flüssigen Medium befüllbar ist.Injector after Claim 1 , characterized in that the control chamber via a in the injector body (1) formed inlet throttle (14) can be filled with the liquid medium. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (2) als Hohlnadel ausgebildet ist, die eine Längsbohrung (35) aufweist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Innennadel (38), die mit einem in der Düsennadel (2) ausgebildeten inneren Düsensitz (40) zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (42) zusammenwirkt.Injector after Claim 1 , characterized in that the nozzle needle (2) is designed as a hollow needle having a longitudinal bore (35) with a longitudinally displaceably arranged therein inner needle (38) formed with a in the nozzle needle (2) inner nozzle seat (40) for releasing or Closing at least one injection port (42) cooperates. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innennadel (38) und der Wand der Längsbohrung (35) ein Druckraum (36) ausgebildet ist, der mit dem flüssigen Medium befüllbar ist, so dass das flüssige Medium bei geöffneter Einspritzöffnung (42) durch diese ausgespritzt wird.Injector after Claim 5 , characterized in that between the inner needle (38) and the wall of the longitudinal bore (35), a pressure chamber (36) is formed which can be filled with the liquid medium, so that the liquid medium is ejected with the injection opening (42) open , Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruckraum (12) mit dem Druckraum (36) hydraulisch verbunden ist.Injector after Claim 6 , characterized in that the counter-pressure chamber (12) with the pressure chamber (36) is hydraulically connected. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium ein flüssiger Kraftstoff ist.Injector after one of Claims 1 to 7 , characterized in that the liquid medium is a liquid fuel. Gaseinblassystem mit einem Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochdruckspeicher (25) für das flüssige Medium vorhanden ist, mit dem sowohl der Steuerraum (10) als auch der Gegendruckraum (12) verbunden sind.Gas injection system with an injector according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that a high-pressure accumulator (25) for the liquid medium is present, with which both the control chamber (10) and the counter-pressure chamber (12) are connected. Verfahren zum Betreiben eines Injektors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Festlegen des gewünschten Eindüsdrucks des gasförmigen Kraftstoffs. - Bestimmen des zur Erreichung dieses Eindüsdrucks erforderlichen Drucks des flüssigen Mediums, das dem Injektor zugeführt wird. - Zuführen des flüssigen Mediums zum Injektor, so dass sich in allen mit dem flüssigen Medium gefüllten Räumen des Injektors dieser Druck einstellt. - Eindüsen des gasförmigen Mediums mit dem Injektor durch Bewegen der Düsennadel, wobei die Düsennadel nur soweit bewegt wird, dass diese die Strömung des gasförmigen Kraftstoffs zur Erreichung des gewünschten Eindüsdrucks drosselt.Method for operating an injector according to one of Claims 1 to 8th characterized by the following method steps: - setting the desired injection pressure of the gaseous fuel. Determining the pressure of the liquid medium required to achieve this injection pressure, which pressure is supplied to the injector. - Supplying the liquid medium to the injector, so that sets in all filled with the liquid medium spaces of the injector, this pressure. - Injecting the gaseous medium with the injector by moving the nozzle needle, wherein the nozzle needle is moved only to the extent that it throttles the flow of the gaseous fuel to achieve the desired injection pressure. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des flüssigen Mediums bei einem gewünschten hohen Eindüsdruck höher ist als der Druck des flüssigen Mediums bei einem gewünschten niedrigeren Eindüsdruck.Method according to Claim 10 , characterized in that the pressure of the liquid medium at a desired high injection pressure is higher than the pressure of the liquid medium at a desired lower injection pressure.
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