DE102018208322A1

DE102018208322A1 - Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs beim Einblasen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102018208322A1
Application number: DE102018208322.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs beim Einblasen in einen Brennraum (1) einer Brennkraftmaschine, wobei zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs ein Kraftstoffinjektor (2) verwendet wird, der mindestens eine mit einem Dichtsitz (3) zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel (4) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung (5) umfasst. Erfindungsgemäß wird der Hub der Düsennadel (4) mit Hilfe eines variablen Hubanschlags (6) lastabhängig eingestellt, so dass der Hub bei Teillast kleiner als bei Volllast ist.Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoffinjektor (2) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs beim Einblasen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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.
Stand der Technik
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.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einblasrate beim Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine lastabhängig zu gestalten, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs beim Einblasen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine wird zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs ein Kraftstoffinjektor verwendet, der mindestens eine mit einem Dichtsitz zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung umfasst. Erfindungsgemäß wird der Hub der Düsennadel mit Hilfe eines variablen Hubanschlags lastabhängig eingestellt, so dass der Hub bei Teillast kleiner als bei Volllast ist.
Durch die Beschränkung des Hubs der Düsennadel bei Teillast stellt sich nach der Sitzentdrosselung der Düsennadel vor der mindestens einen Einblasöffnung ein geringerer Druck ein. Auf diese Weise wird genau an der Stelle ein reduzierter Druck bereitgestellt, an der er bei Teillast der Brennkraftmaschine benötigt wird. Durch Reduzierung des Drucks bei Teillast wird verhindert, dass es zu einem überexpandiertem Gasstrahl mit großen Stoßverlusten und Geräuschemissionen kommt. Die eingangs genannten Nachteile werden auf diese Weise vermieden.
Bevorzugt wird der variable Hubanschlag durch einen eine schräge Anschlagfläche aufweisenden Anschlagkörper ausgebildet, der zur Einstellung des Hubs der Düsennadel senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschoben wird. Das heißt, dass der Anschlagkörper eine Anschlagfläche aufweist, die gegenüber einer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verlaufenden Ebene geneigt ist. Der Anschlagkörper besitzt demnach im Wesentlichen eine Keilform. Wird der Anschlagkörper in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschoben, verändert sich der axiale Abstand des Anschlagkörpers zur Düsennadel, der zugleich den Hub der Düsennadel definiert. Durch Verschieben des Anschlagkörpers kann somit der Hub eingestellt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Verschieben des Anschlagkörpers hydraulisch bewirkt wird. Der Anschlagkörper wird hierzu mit einer hydraulischen Druckkraft beaufschlagt, die veränderbar ist. Über die hydraulische Druckkraft kann somit die Lage des Anschlagkörpers in Bezug auf die Düsennadel und damit der Hubanschlag eingestellt werden. Vorzugsweise wird ein flüssiger Kraftstoff als Hydraulikmedium verwendet, beispielsweise Dieselkraftstoff. Der gleiche Kraftstoff kann zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eingesetzt werden, so dass vorzugsweise die Düsennadel ebenfalls hydraulisch gesteuert wird. Sofern der gasförmige Kraftstoff nicht selbstzündend ist, kann der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, darüber hinaus zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs genutzt werden.
Vorteilhafterweise wird der Anschlagkörper entgegen der Federkraft einer Feder senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschoben. Über die Federkraft der Feder kann in einfacher Weise eine Rückstellung des Anschlagkörpers bewirkt werden. Über die Rückstellkraft der Feder kann zugleich eine Gleichgewichtslage des Anschlagkörpers eingestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei der lastabhängigen Einstellung des Hubs der Düsennadel der Druck im Brennraum berücksichtigt wird. Zur Berücksichtigung des Brennraumdrucks kann eine direkte Rückkopplung zum Brennraum bzw. zum Brennraumdruck bestehen, so dass auf die Düsennadel eine Kraftkomponente wirkt, welche die Düsennadel in einem Gleichgewicht hält. Auf diese Weise kann zugleich der Energiebedarf des Kraftstoffinjektors gesenkt werden.
Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst mindestens eine mit einem Dichtsitz zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung. Erfindungsgemäß ist der Hub der Düsennadel durch einen variablen Hubanschlag begrenzt, der durch einen Anschlagkörper ausgebildet wird, der eine schräge Anschlagfläche aufweist und parallel zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschiebbar ist.
Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist damit insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Das heißt, dass sich mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors die zuvor in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile erzielen lassen. Insbesondere kann aufgrund des variablen Hubanschlags der Hub der Düsennadel lastabhängig eingestellt werden. Durch Beschränken des Hubs bei Teillast der Brennkraftmaschine wird der Druck vor der mindestens einen Einblasöffnung reduziert. Dies wiederum führt zu einer niedrigeren Einblasrate, so dass die Umsetzung weniger geräuschintensiv und mit weniger Stickoxiden verbunden ist.
Zur Ausbildung des variablen Hubanschlags weist der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor einen Anschlagkörper auf, der eine schräge Anschlagfläche besitzt und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschiebbar ist. „Schräg“ bedeutet im vorliegenden Fall, dass die Anschlagfläche gegenüber einer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verlaufenden Ebene geneigt ist. Der Anschlagkörper besitzt demnach im Wesentlichen eine Keilform. Ein solcher Anschlagkörper ist einfach und kostengünstig herstellbar.
Bevorzugt ist der Anschlagkörper einerseits von der Federkraft einer Feder und andererseits von einer hydraulischen Druckkraft beaufschlagt, mittels welcher der Anschlagkörper entgegen der Federkraft der Feder senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschiebbar ist. Das heißt, dass die Feder an einer Stirnfläche des Anschlagkörpers anliegt, die vorzugsweise parallel zur Bewegungsrichtung der Düsennadel ausgerichtet ist. Andernends begrenzt vorzugsweise der Anschlagkörper einen Druckraum, der weiterhin vorzugsweise mit flüssigem Kraftstoff beaufschlagbar ist, so dass auf die andere Stirnfläche des Anschlagkörpers eine hydraulische Druckkraft wirkt, mit deren Hilfe die Lage des Anschlagkörpers und damit der Hub der Düsennadel einstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anschlagkörper unter Ausbildung eines Axialspalts in einer Ausnehmung der Düsennadel aufgenommen. Der Axialspalt definiert den maximalen Hub der Düsennadel. Wird der Anschlagkörper senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel verschoben, vergrößert oder verkleinert sich der Axialspalt, so dass hierüber der Hub der Düsennadel eingestellt werden kann. Vorzugsweise ist der Anschlagkörper in der Weise in der Ausnehmung der Düsennadel aufgenommen, dass er die Düsennadel beidseits überragt. Auf diese Weise wird ein ausreichender Stellweg geschaffen.
Ferner bevorzugt wird der Axialspalt einerseits durch die schräge Anschlagfläche des Anschlagkörpers und andererseits durch eine schräge Anschlagfläche der Düsennadel begrenzt. Das heißt, dass sich am Axialspalt zwei schräge Anschlagflächen gegenüberliegen. Die Neigung der schrägen Anschlagflächen ist dabei im Wesentlichen gleich gewählt, so dass der Axialspalt eine gleichbleibende Breite besitzt. Die Düsennadel schlägt somit über ihre gesamte Fläche am Anschlagkörper an, so dass dieser möglichst gleichmäßig belastet wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Düsennadel nach innen öffnet. Auf diese Weise kann ein variabler Hubanschlag, der den Hub der Düsennadel beim Öffnen beschränkt, besonders einfach realisiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich der Düse,
2 den Kraftstoffinjektor der 1 bei veränderter Lage des Anschlagkörpers,
3 einen schematischen Querschnitt durch den Kraftstoffinjektor der 1 im Bereich des Anschlagkörpers und
4 ein stark vereinfachtes Schaltbild des Kraftstoffinjektors der 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in der 1 ausschnittsweise dargestellte Kraftstoffinjektor 2 umfasst einen Düsenkörper 14, der einen Dichtsitz 3 für eine hubbewegliche Düsennadel 4 ausbildet. Über die Hubbewegung der Düsennadel 4 sind im Düsenkörper 14 ausgebildete Einblasöffnungen 5 freigebbar bzw. verschließbar. Bei angehobener Düsennadel 4 strömt ein gasförmiger Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, aus einem Druckraum 15, der zwischen dem Düsenkörper 14 und der Düsennadel 4 ausgebildet wird, in Richtung der Einblasöffnungen 5 und über die Einblasöffnungen 5 in einen Brennraum 1.
Beim Öffnen wirkt die Düsennadel 4 mit einem variablen Hubanschlag 6 zusammen, der vorliegend durch einen Anschlagkörper 8 gebildet wird, der unter Ausbildung eines Axialspalts 10 in einer Ausnehmung 11 der Düsennadel 4 aufgenommen ist und eine schräge Anschlagfläche 7 besitzt. Der schrägen Anschlagfläche 7 des Anschlagkörpers 8 liegt am Axialspalt 10 eine schräge Anschlagfläche 12 der Düsennadel 4 gegenüber. Wird nun der Anschlagkörper 8 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel 4 verschoben, beispielsweise in der 1 nach links, verengt sich der Axialspalt 10, so dass der Hub der Düsennadel 4 verkleinert wird (siehe 2). Der Hub der Düsennadel 4 kann somit lastabhängig durch Verschieben des Anschlagkörpers 8 eingestellt werden. Während bei Volllast der Hub maximal ist, wird er bei Teillast beschränkt. Dies führt bei Teillast zu der gewünschten Reduzierung des Gasdrucks vor den Einblasöffnungen 5.
Zum Verschieben des Anschlagkörpers 8 sind Stellmittel vorgesehen, die vorliegend einen mit flüssigem Kraftstoff beaufschlagbaren Druckraum 13 einerseits und eine Feder 9 andererseits umfassen (siehe 3). Wird der Druck im Druckraum 13 angehoben, bewirkt dies eine Stellkraft, die den Anschlagkörper 8 entgegen der Federkraft der Feder 9 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel 4 verschiebt. Wird der Druck anschließend gesenkt, stellt die Federkraft der Feder 9 den Anschlagkörper 8 automatisch zurück.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dem Schaltbild der 4 zu entnehmen. Das Schaltbild zeigt einen Gasströmungspfad 16, der über eine Drosselstelle 17 und die Einblasöffnungen 5, welche eine weitere Drosselstelle 18 ausbilden, in den Brennraum 1 führt. Der Drosselquerschnitt im Bereich der Drosselstelle 17 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 Anbindung 19 an den Brennraum 1 auf, so dass die Düsennadel 4 sowohl in Öffnungsrichtung, als auch in Schließrichtung von Brennraumdruck beaufschlagt ist. Es besteht demnach eine direkte Rückkopplung zum Brennraum 1, der eine Berücksichtigung des dort herrschenden Drucks ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Einblasrate eines gasförmigen Kraftstoffs beim Einblasen in einen Brennraum (1) einer Brennkraftmaschine, wobei zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs ein Kraftstoffinjektor (2) verwendet wird, der mindestens eine mit einem Dichtsitz (3) zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel (4) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Düsennadel (4) mit Hilfe eines variablen Hubanschlags (6) lastabhängig eingestellt wird, so dass der Hub bei Teillast kleiner als bei Volllast ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Hubanschlag (6) durch einen eine schräge Anschlagfläche (7) aufweisenden Anschlagkörper (8) ausgebildet wird, der zur Einstellung des Hubs der Düsennadel (4) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel (4) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschieben des Anschlagkörpers (8) hydraulisch bewirkt wird, wobei vorzugsweise ein flüssiger Kraftstoff verwendet wird, der weiterhin vorzugsweise auch zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel (4) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagkörper (8) entgegen der Federkraft einer Feder (9) verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lastabhängigen Einstellung des Hubs der Düsennadel (4) der Druck im Brennraum (1) berücksichtigt wird.
Kraftstoffinjektor (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine mit einem Dichtsitz (3) zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel (4) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einblasöffnung (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Düsennadel (4) durch einen variablen Hubanschlag (6) begrenzt ist, der durch einen Anschlagkörper (8) ausgebildet wird, der eine schräge Anschlagfläche (7) aufweist und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel (4) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagkörper (8) einerseits von der Federkraft einer Feder (9) und andererseits von einer hydraulischen Druckkraft beaufschlagt ist, mittels welcher der Anschlagkörper (8) entgegen der Federkraft der Feder (9) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel (4) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagkörper (8) unter Ausbildung eines Axialspalts (10) in einer Ausnehmung (11) der Düsennadel (4) aufgenommen ist.
Kraftstoffinjektor (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialspalt (10) einerseits durch die schräge Anschlagfläche (7) des Anschlagkörpers (8) und andererseits durch eine schräge Anschlagfläche (12) der Düsennadel (4) begrenzt wird.
Kraftstoffinjektor (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (4) nach innen öffnet.