DE102018208859A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, Kraftstoffinjektor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, bei dem die Hubbewegung einer Düsennadel (1) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung (2) hydraulisch über einen an der Düsennadel (1) anliegenden, veränderbaren Steuerdruck in einem der Düsennadel (1) zugeordneten Steuerraum (3) gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird der Steuerdruck im Steuerraum (3) mit Hilfe eines ebenfalls hydraulisch gesteuerten, hubbeweglichen Vorsteuerkolbens (4) verändert, der eine Ablaufdrossel (5) schaltet, über welche der Steuerraum (3) entlastbar ist.Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoffinjektor, der insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der insbesondere 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 Kraftstoff kann es sich insbesondere um einen gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise um Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“) handeln.
  • Stand der Technik
  • Bei der Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe, insbesondere von Erdgas, das überwiegend aus Methan besteht, dessen Flammpunkt sehr hoch ist, wird in der Regel Dieselkraftstoff zum Zünden des Kraftstoffs im Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet. Der Dieselkraftstoff wird hierzu getrennt vom gasförmigen Kraftstoff im Wege einer Piloteinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Gleichwohl zwei unterschiedliche Kraftstoffe eingespritzt werden müssen, kann die Einspritzung beider Kraftstoffe mit Hilfe eines einzigen Kraftstoffinjektors realisiert werden, der in diesem Fall als Dual-Fuel-Injektor, beispielsweise als NGDI (englisch: „natural-gas-direct-injection“)-injektor, ausgebildet ist. Mit Hilfe des NGDI-Injektors können beide Kraftstoffe unter hohem Druck direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
  • Ein aus dem Stand der Technik bekannter NGDI-Injektor ist beispielhaft in der beigefügten 6 dargestellt. Der NGDI-Injektor weist einen Düsenkörper 14 sowie zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Düsennadeln 1, 11 zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen 2, 12 für die beiden Kraftstoffe auf. Beide Düsennadeln 1, 11 werden hydraulisch gesteuert. Den Düsennadeln 1, 11 ist hierzu jeweils ein Steuerraum 3, 13 zugeordnet, der über eine Zulaufdrossel 17, 18 mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils 6, 16 über eine Ablaufdrossel 5, 15 entlastbar ist. Mit Öffnen des Steuerventils 6, 16 strömt hydraulisches Druckmittel aus dem Steuerraum 5, 15 ab, so dass die dem Steuerraum 5, 15 zugeordnete Düsennadel 1, 11 entlastet wird und zu öffnen vermag. Über die freigegebenen Einspritzöffnungen 2, 12 wird dann der jeweilige Kraftstoff in einen Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
  • Um bei der Verbrennung von Methan einen entsprechend hohen Heizwert wie bei der Dieselverbrennung zu erreichen, muss in der gleichen Zeit ein deutlich größerer Volumenstrom in den Brennraum eingebracht werden. Dies erfordert vergleichsweise große Querschnitte, insbesondere große Einspritzöffnungen, einen großen Sitzdurchmesser sowie eine ausreichend große Steuerfläche der Düsennadel, um eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf die Düsennadel auszuüben. Soll die Düsennadel geöffnet werden, muss zudem eine vergleichsweise große Steuermenge in möglichst kurzer Zeit aus dem Steuerraum abgelassen werden, was wiederum große Querschnitte bei der Ablaufdrossel und beim Ventilsitz des Steuerventils erfordert. Beim Öffnen der Düsennadel muss zudem ein ausreichend großer Hub gewährleistet sein.
  • Große Querschnitte und Hübe wiederum erfordern große Kräfte zum Schließen bzw. Dichthalten und zum Öffnen der Düsennadel. Wird ein Magnetventil als Steuerventil verwendet, muss der Magnet entsprechend groß ausgelegt sein. Dies kann jedoch zu Bauraumproblemen führen. Ferner steigt der Energiebedarf.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines NGDI-Injektors, anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile nicht oder nur in vermindertem Maße auftreten.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie 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 zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors wird die Hubbewegung einer Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung hydraulisch über einen an der Düsennadel anliegenden, veränderbaren Steuerdruck in einem der Düsennadel zugeordneten Steuerraum gesteuert. Erfindungsgemäß wird der Steuerdruck im Steuerraum mit Hilfe eines ebenfalls hydraulisch gesteuerten, hubbeweglichen Vorsteuerkolbens verändert, der eine Ablaufdrossel schaltet, über welche der Steuerraum entlastbar ist.
  • Mit Hilfe des hydraulisch gesteuerten Vorsteuerkolbens können große Kräfte nahezu hubunabhängig erzeugt werden. Das heißt, dass große Querschnitte und/oder große Hübe realisierbar sind, um große Volumenströme in den Brennraum einzubringen.
  • Zur hydraulischen Steuerung des Vorsteuerkolbens wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuerventils ein am Vorsteuerkolben anliegender Steuerdruck in einem weiteren Steuerraum verändert. Das Steuerventil kann aufgrund des zwischengeschalteten Vorsteuerkolbens vergleichsweise klein ausgelegt werden. Beispielsweise kann ein Magnetventil als Steuerventil verwendet werden, das einen vergleichsweise kleinen Magneten aufweist. Bauraumprobleme werden auf diese Weise vermieden. Ferner kann der Kraftstoffinjektor energieeffizienter betrieben werden.
  • Bevorzugt wird mit Hilfe einer am Vorsteuerkolben unmittelbar oder mittelbar abgestützten Feder eine zusätzliche in Richtung eines Dichtsitzes für den Vorsteuerkolben wirkende Druckkraft erzeugt. Die Feder definiert die Position des Vorsteuerkolbens im drucklosen Zustand.
  • Des Weiteren bevorzugt wird ein gestufter Vorsteuerkolben zur Ausbildung einer Druckstufe verwendet. Die Druckstufe ist derart orientiert, dass auf den Vorsteuerkolben eine in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Druckkraft wirkt. Durch die zusätzliche Öffnungskraft muss der Steuerdruck im Steuerraum zur Steuerung der Hubbewegung des Vorsteuerkolbens weniger stark abgesenkt werden, so dass die Kavitationsgefahr im Steuerraum gemindert wird. Ferner kann die Öffnungsgeschwindigkeit des Vorsteuerkolbens durch Abstimmung der Drosselquerschnitte einer Zulaufdrossel zur Befüllung des Steuerraums und einer Ablaufdrossel zur Entlastung des Steuerraums exakter eingestellt werden.
  • An der Druckstufe liegt vorzugsweise Hochdruck an, so dass der im Bereich des Dichtsitzes anliegende Druck einen untergeordneten Einfluss auf die Hubbewegung des Vorsteuerkolbens hat.
  • Die Druckstufe wird über unterschiedliche Außendurchmesser des Vorsteuerkolbens realisiert. Aufgrund der unterschiedlichen Außendurchmesser ergeben sich unterschiedlich große hydraulisch wirksame Flächen am Vorsteuerkolben. Über das Flächenverhältnis der hydraulisch wirksamen Flächen kann zudem eine Kraftübersetzung bewirkt werden, so dass noch größere Kräfte zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel erzeugbar sind.
  • Bevorzugt wird eine zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführte Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung für einen vorzugsweise gasförmigen Kraftstoff verwendet. Die Düsennadel kann somit insbesondere zur Steuerung der Einspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs sowie zur Aufnahme einer weiteren Düsennadel zur Steuerung der Einspritzung eines weiteren, vorzugsweise flüssigen Kraftstoffs eingesetzt werden. Bei dem Kraftstoffinjektor, der nach dem Verfahren betrieben wird, kann es sich demnach insbesondere um einen Dual-Fuel-Injektor, vorzugsweise um einen NGDI-Injektor, handeln.
  • Der darüber hinaus zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst mindestens eine hubbewegliche Düsennadel, über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung freigebbar und verschließbar ist. Die Düsennadel begrenzt dabei an ihrem brennraumfernen Ende einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum. Erfindungsgemäß ist der Steuerraum über eine Ablaufdrossel entlastbar, die über einen hydraulisch gesteuerten Vorsteuerkolben schaltbar ist.
  • Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile auch mit dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor erzielbar sind. Insbesondere können mit Hilfe des hydraulisch gesteuerten Vorsteuerkolbens hohe Kräfte erzeugt werden, die große Querschnitte und große Hübe der Düsennadel ermöglichen.
  • Bevorzugt umfasst der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ein Steuerventil zur hydraulischen Steuerung des Vorsteuerkolbens. Mit Hilfe des Steuerventils ist ein Steuerdruck in einem Steuerraum veränderbar ist, der von dem Vorsteuerkolben begrenzt wird. Das Steuerventil, wobei es sich vorzugsweise um ein Magnetventil handelt, kann aufgrund der Vorsteuerung durch den Vorsteuerkolben vergleichsweise klein ausgelegt werden, so dass Bauraum eingespart wird und der Energiebedarf sinkt.
  • Des Weiteren bevorzugt ist der Vorsteuerkolben in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Feder definiert die Position des Vorsteuerkolbens im drucklosen Zustand. Vorzugsweise liegt der Vorsteuerkolben im drucklosen Zustand am Dichtsitz an.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Vorsteuerkolben gestuft ausgeführt ist und eine Druckstufe ausbildet. Das heißt, dass der Vorsteuerkolben mindestens zwei unterschiedliche Außendurchmesser aufweist, so dass ein hydraulisch wirksamer, ringförmiger Absatz ausgebildet wird. Dieser ist derart orientiert, dass ein an dem ringförmigen Absatz anliegender Druck, wobei es sich vorzugsweise um Hochdruck handelt, eine in Öffnungsrichtung wirksame Druckkraft auf den Vorsteuerkolben ausübt. Aufgrund der über die Druckstufe bewirkten Öffnungskraft muss der Vorsteuerkolben zum Öffnen weniger stark entlastet werden. Das heißt, dass der Steuerdruck in dem dem Vorsteuerkolben zugeordneten Steuerraum weniger stark abgesenkt werden muss, so dass die Kavitationsgefahr sinkt.
  • Über die unterschiedlichen Außendurchmesser des Vorsteuerkolbens kann zudem das Flächenverhältnis der am Vorsteuerkolben ausgebildeten hydraulisch wirksamen Flächen in der Weise eingestellt werden, dass eine Kraftübersetzung erreicht wird, die ein schnelles Öffnen des Vorsteuerkolbens gewährleistet.
  • Vorteilhafterweise ist die Düsennadel zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführt und in der Düsennadel ist zumindest abschnittsweise eine weitere Düsennadel hubbeweglich aufgenommen. Das heißt, dass der Kraftstoffinjektor zwei ineinander geführte Düsennadeln aufweist, so dass mittels des Kraftstoffinjektors zwei unterschiedliche Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzbar sind. Bei dem Kraftstoffinjektor kann es sich demnach insbesondere um einen Dual-Fuel-Injektor, beispielsweise einen NGDI-Injektor, handeln.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Vorsteuerkolbens,
    • 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Vorsteuerkolbens,
    • 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Vorsteuerkolbens,
    • 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen vierten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Vorsteuerkolbens,
    • 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen fünften erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich des Vorsteuerkolbens und
    • 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor kann analog dem in der 6 dargestellten Kraftstoffinjektor ausgeführt sein, wobei Unterschiede hinsichtlich der hydraulischen Steuerung der äußeren, als Hohlnadel ausgeführten Düsennadel 1 bestehen. Der Bereich ist in der 6 durch eine gestrichelte Umrandung angegeben. Die nachfolgend näher beschriebenen 1 bis 5 beziehen sich allesamt auf diesem Bereich.
  • Der 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform einer hydraulischen Steuerung der Düsennadel 1 zu entnehmen. Die hydraulische Steuerung erfolgt mit Hilfe eines Vorsteuerkolbens 4, über dessen Position der Steuerdruck in einem Steuerraum 3 veränderbar ist, der durch die Düsennadel 1 begrenzt wird. Das heißt, dass an der Düsennadel 1 der im Steuerraum 3 herrschende Steuerdruck anliegt und eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Druckkraft auf die Düsennadel 1 ausübt. Zum Öffnen der Düsennadel 1 muss daher der Steuerdruck im Steuerraum 3 gesenkt werden.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass ein am Vorsteuerkolben 4 anliegender Steuerdruck gesenkt wird, der in einem weiteren, dem Vorsteuerkolben 4 zugeordneten Steuerraum 7 herrscht. Zum Absenken des Steuerdrucks im Steuerraum 7 wird ein Steuerventil 6 geöffnet, so dass der Steuerraum 7 über eine Ablaufdrossel 23 entlastet wird. Denn über eine Zulaufdrossel 24 strömt weniger Druckmittel nach als über die Ablaufdrossel 23 aus dem Steuerraum 7 abströmt. Demzufolge wird auch der Vorsteuerkolben 4 entlastet, so dass dieser von einem Dichtsitz 9 abhebt und eine Ablaufdrossel 5 freigibt, über welche der der Düsennadel 1 zugeordnete Steuerraum 3 entlastbar ist. Die über die Ablaufdrossel 5 abströmende Absteuermenge wird über einen Niederdruckraum 20 einem Rücklauf 19 zugeführt.
  • Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist in der 2 dargestellt. Hier wird der Vorsteuerkolben 4 in Richtung des Dichtsitzes 9 zusätzlich von der Federkraft einer Feder 8 beaufschlagt. Die Feder hält bei einer fehlenden hydraulischen Druckkraft den Vorsteuerkolben 4 in Anlage mit dem Dichtsitz 9.
  • Der 3 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen. Der Vorsteuerkolben 4 bildet im Übergang der Durchmesser D1 und D2 eine Druckstufe aus, die in einem Hochdruckraum 21 zu liegen kommt, so dass an der Druckstufe Hochdruck anliegt. Auf den Vorsteuerkolben 4 wirkt somit eine zusätzliche öffnende Kraft, aufgrund welcher der Steuerdruck im Steuerraum 7 weniger stark abgesenkt werden muss, um den Vorsteuerkolben 4 aus dem Dichtsitz 9 zu heben. Dadurch verringert sich die Kavitationsgefahr im Steuerraum 7.
  • In der 4 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform der 3 wird hier der Vorsteuerkolben 4 analog der Ausführungsform der 2 in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 8 beaufschlagt. Die Feder 8 ist hier jedoch im Hochdruckraum 21 angeordnet, so dass eine in axialer Richtung kompakt bauende Anordnung erreicht wird.
  • Der 5 ist eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, der sich von der Ausführungsform der 4 durch eine Dichthülse 22 unterscheidet, welche das steuerraumseitige Ende des Vorsteuerkolbens 4 umgibt. Die Dichthülse 22 dichtet den Steuerraum 7 in radialer Richtung ab, wobei die Dichtkraft über die Federkraft der Feder 8 erzielt wird. Ferner wird eine Überbestimmung des Vorsteuerkolbens 4 vermieden, da dieser nur in einem Abschnitt gehäuseseitig geführt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, bei dem die Hubbewegung einer Düsennadel (1) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung (2) hydraulisch über einen an der Düsennadel (1) anliegenden, veränderbaren Steuerdruck in einem der Düsennadel (1) zugeordneten Steuerraum (3) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruck im Steuerraum (3) mit Hilfe eines ebenfalls hydraulisch gesteuerten, hubbeweglichen Vorsteuerkolbens (4) verändert wird, der eine Ablaufdrossel (5) schaltet, über welche der Steuerraum (3) entlastbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur hydraulischen Steuerung des Vorsteuerkolbens (4) mit Hilfe eines Steuerventils (6) ein am Vorsteuerkolben (4) anliegender Steuerdruck in einem weiteren Steuerraum (7) verändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer am Vorsteuerkolben (4) unmittelbar oder mittelbar abgestützten Feder (8) eine zusätzliche in Richtung eines Dichtsitzes (9) für den Vorsteuerkolben (4) wirkende Druckkraft erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gestufter Vorsteuerkolben (4) zur Ausbildung einer Druckstufe verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführte Düsennadel (1) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung (2) für einen vorzugsweise gasförmigen Kraftstoff verwendet wird.
  6. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens eine hubbewegliche Düsennadel (1), über deren Hubbewegung mindestens eine Einspritzöffnung (2) freigebbar und verschließbar ist, wobei die Düsennadel (1) an ihrem brennraumfernen Ende einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Steuerraum (3) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (3) über eine Ablaufdrossel (5) entlastbar ist, die über einen hydraulisch gesteuerten Vorsteuerkolben (4) schaltbar ist.
  7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (6) zur hydraulischen Steuerung des Vorsteuerkolbens (4) vorgesehen ist, mit Hilfe dessen ein Steuerdruck in einem Steuerraum (7) veränderbar ist, der von dem Vorsteuerkolben (4) begrenzt wird.
  8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerkolben (4) in Richtung eines Dichtsitzes (9) von der Federkraft einer Feder (8) beaufschlagt ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerkolben (4) gestuft ausgeführt ist und eine Druckstufe ausbildet.
  10. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) zumindest abschnittsweise als Hohlnadel ausgeführt ist und in der Düsennadel (1) zumindest abschnittsweise eine weitere Düsennadel (11) hubbeweglich aufgenommen ist.
DE102018208859.4A 2018-06-06 2018-06-06 Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors, Kraftstoffinjektor Withdrawn DE102018208859A1 (de)

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