DE102018208865A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln (1, 2), die innerhalb eines Düsenkörpers (3) einen Gasraum (4) für einen gasförmigen Kraftstoff und einen Flüssigkraftstoffraum (5) für einen flüssigen Kraftstoff definieren, bei dem der Flüssigkraftstoffdruck über dem Gasdruck eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird während einer Einspritzunterbrechung, beispielsweise im Schubbetrieb einer Brennkraftmaschine, die durch den Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt wird, flüssiger Kraftstoff, der im Wege der Leckage in den Gasraum (4) gelangt ist, durch einmaliges oder mehrfaches impulsartiges Öffnen der äußeren Düsennadel (1) aus dem Gasraum (4) ausgetrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Kraftstoffinjektor weist zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln auf, die innerhalb eines Düsenkörpers einen Gasraum für einen gasförmigen Kraftstoff und einen Flüssigkraftstoffraum für einen flüssigen Kraftstoff definieren. Bei den beiden Kraftstoffen kann es sich insbesondere um Erdgas und Dieselkraftstoff handeln. Der Kraftstoffinjektor ist vorzugsweise ein NGDI-Injektor.
  • Stand der Technik
  • Beim sogenannten NGDI („Natural Gas Direct Injection“)-Einspritzverfahren wird Erdgas unter Hochdruck direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen, mittels einer zuvor abgesetzten Dieselpiloteinspritzung gezündet und diffusiv verbrannt. Dieses Brennverfahren weist gegenüber der konventionellen Dieselverbrennung den Vorteil auf, dass die CO2-Emissionen um bis zu 25 % reduziert werden können. Darüber hinaus können die Kraftstoffkosten gesenkt werden. Das Brennverfahren weist zudem eine dieselähnliche Verbrennungs- und damit Drehmomentencharakteristik auf, so dass die Integration in vorhandene Dieselantriebssysteme möglich ist, und zwar ohne große Änderungen an den Systemkomponenten vornehmen zu müssen.
  • Beim NGDI-Einspritzverfahren erfolgt die Zumessung der beiden Kraftstoffe in der Regel mittels eines Kraftstoffinjektors, der zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln besitzt. Die äußere Düsennadel steuert die Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffs, die innere Düsennadel die Dieselpiloteinspritzung. Aus Sicherheitsgründen wird der Dieseldruck immer etwas höher als der Gasdruck eingestellt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass kein Gas im Wege der Leckage in den Dieselbereich gelangt.
  • Eine geringe Leckage des Dieselkraftstoffs in den Gasbereich ist nicht sicherheitskritisch und wird daher in der Regel hingenommen. Der sich innerhalb zwei Motorumdrehungen bzw. zwischen zwei Arbeitstakten im Gasbereich ansammelnde Dieselkraftstoff wird einfach mit der nächsten Gaseinblasung mit ausgetragen.
  • Erfolgt jedoch über einen längeren Zeitraum keine Gaseinblasung, beispielsweise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, kann sich im Gasbereich eine größere Menge an Dieselkraftstoff ansammeln. Mit der ersten Gaseinblasung nach Beenden des Schubbetriebs gelangt dann eine zu große Dieselmenge auf einmal in den Brennraum, was zu einer schlechten Verbrennung führt. Diese kann sich in einer schlechten Abgasqualität äußern und zu einer Beschädigung des Kraftstoffinjektors und/oder der Brennkraftmaschine führen.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile möglichst nicht auftreten.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln, die innerhalb eines Düsenkörpers einen Gasraum für einen gasförmigen Kraftstoff und einen Flüssigkraftstoffraum für einen flüssigen Kraftstoff definieren. Bei dem Verfahren wird der Flüssigkraftstoffdruck über dem Gasdruck eingestellt, um zu verhindern, dass der gasförmige Kraftstoff in den Flüssigkraftstoffraum gelangt. Erfindungsgemäß wird während einer Einspritzunterbrechung, beispielsweise im Schubbetrieb einer Brennkraftmaschine, die durch den Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt wird, flüssiger Kraftstoff, der im Wege der Leckage in den Gasraum gelangt ist, durch einmaliges oder mehrfaches impulsartiges Öffnen der äußeren Düsennadel aus dem Gasraum ausgetrieben.
  • Das vorgeschlagene Verfahren verhindert die Ausbildung eines „Dieselsumpfs“ im Gasraum, insbesondere oberhalb eines Dichtsitzes der äußeren Düsennadel, im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine. Dadurch ist sichergestellt, dass mit der ersten Gaseinblasung nach Beenden des Schubbetriebs kein Dieselkraftstoff oder allenfalls eine geringe Dieselmenge in den Brennraum miteingebracht wird. Auf diese Weise wird einer Verschlechterung der Verbrennung und der Abgasqualität entgegengewirkt. Ferner können Schäden am Kraftstoffinjektor oder an der Brennkraftmaschine vermieden werden.
  • Unter einem impulsartigen Öffnen der äußeren Düsennadel wird ein kontrolliertes, kurzes Öffnen verstanden. Die Öffnungsdauer ist gerade so lang gewählt, dass der den Dieselsumpf im Gasraum ausbildende Dieselkraftstoff ausgetrieben bzw. ausgeschwemmt wird. Auf diese Weise geht nur wenig gasförmiger Kraftstoff verloren.
  • Die äußere Düsennadel kann zum Austreiben bzw. Ausschwemmen des Dieselkraftstoffs einmalig oder mehrfach impulsartig bzw. kurz geöffnet werden. Durch mehrfaches kurzes Öffnen kann auch eine größere Dieselmenge ausgetragen werden, die sich beispielsweise bei längerem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine im Gasraum, insbesondere oberhalb des Dichtsitzes der äußeren Düsennadel angesammelt hat.
  • Bevorzugt wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkraftstoffdruck und dem Gasdruck von mindestens 10 bar, vorzugsweise mindestens 15 bar, weiterhin vorzugsweise von etwa 20 bar eingestellt. Die Sicherheit steigt, je größer die Druckdifferenz ist. Beispielsweise kann bei einem Gasdruck von etwa 500 bar der Flüssigkraftstoffdruck auf etwa 520 bar eingestellt werden.
  • Um im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine die beiden Kraftstoffe zeitlich versetzt einspritzen bzw. einblasen zu können, werden vorzugsweise die beiden Düsennadeln getrennt voneinander gesteuert. Des Weiteren bevorzugt werden die beiden Düsennadeln getrennt voneinander hydraulisch gesteuert. Das heißt, dass den Düsennadeln jeweils ein Steuerraum zugeordnet ist, der mit einem Hydraulikmedium beaufschlagbar ist. An den Düsennadeln liegt somit jeweils ein Steuerdruck an, der eine hydraulische Druckkraft bewirkt, der die Düsennadel in ihrem Dichtsitz hält. Durch Absenken des Steuerdrucks wird die Düsennadel entlastet und öffnet. Das Absenken des Steuerdrucks in einem Steuerraum kann mit Hilfe eines Steuerventils bewirkt werden.
  • Vorteilhafterweise wird zur hydraulischen Steuerung der beiden Düsennadeln der flüssige Kraftstoff verwendet, wobei es sich vorzugsweise um Dieselkraftstoff handelt. Auf diese Weise muss kein weiteres Hydraulikmedium vorgehalten werden, um die Düsennadeln zu steuern.
  • Bevorzugt wird zudem der flüssige Kraftstoff zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs verwendet. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei dem gasförmigen Kraftstoff um Erdgas handelt, da der Flammpunkt von Erdgas sehr hoch ist, so dass keine Selbstzündung erfolgt. Ein zum Zünden geeigneter flüssiger Kraftstoff ist insbesondere Diesel kraftstoff.
  • Zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs wird vorzugsweise der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, im Wege einer Piloteinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Die zeitlich versetzt eingeblasenen Gasstrahlen treffen dann im Brennraum auf die Flüssigkraftstoffstrahlen bzw. Zündstrahlen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher beschrieben. Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Düsenbaugruppe eines Kraftstoffinjektors, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Die in der Figur schematisch dargestellte Düsenbaugruppe eines Kraftstoffinjektors umfasst einen Düsenkörper 3, in dem zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln 1, 2 aufgenommen sind. Die äußere Düsennadel 1 ist hierzu als Hohlnadel ausgeführt.
  • Die äußere Düsennadel 1 definiert gemeinsam mit der inneren Düsennadel 2 einen Flüssigkraftstoffraum 5 der mit einem flüssigen Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, beaufschlagbar ist. Darüber hinaus begrenzt die äußere Düsennadel 1 gemeinsam mit dem Düsenkörper 3 einen Gasraum 4, der ein mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, beaufschlagbar ist. Der Kraftstoffinjektor ist demnach als Zweistoffinjektor ausgebildet, mittels dessen zwei unterschiedliche Kraftstoffe getrennt voneinander in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringbar sind.
  • Der gasförmige Kraftstoff wird über Einblasöffnungen 6 in den Brennraum eingespritzt bzw. eingeblasen, die im Düsenkörper 3 ausgebildet sind. Oberhalb der Einblasöffnungen 6 bildet der Düsenkörper 3 einen Dichtsitz 16 für die äußere Düsennadel 1 aus. In Richtung des Dichtsitzes 16 ist die äußere Düsennadel 1 durch die Federkraft einer Feder 13 vorgespannt. Bei geschlossener äußerer Düsennadel 1 kann kein gasförmiger Kraftstoff aus dem Gasraum 4 in Richtung der Einblasöffnungen 6 nachströmen.
  • Der flüssige Kraftstoff wird über Einspritzöffnungen 7 in den Brennraum eingespritzt, die vorliegend ebenfalls im Düsenkörper 3 ausgebildet sind. Ein Dichtsitz 17 für die innere Düsennadel 2 wird durch die äußere Düsennadel 1 ausgebildet. In Richtung des Dichtsitzes 17 ist die innere Düsennadel 2 analog der äußeren Düsennadel 1 durch die Federkraft einer Feder 12 vorgespannt. Bei geschlossener innerer Düsennadel 2 kann kein flüssiger Kraftstoff aus dem Flüssigkraftstoffraum 5 in Richtung der Einspritzöffnungen 7 nachströmen.
  • Der Zulauf von flüssigem Kraftstoff in den Flüssigkraftstoffraum 5 erfolgt über einen Zulaufkanal 18, der vorliegend als Schrägbohrung in der äußeren Düsennadel 1 ausgebildet ist. Somit befindet sich oberhalb einer durch den Düsenkörper 3 ausgebildeten Führung 14 für die äußere Düsennadel 1 ein weiterer Flüssigkraftstoffraum 5. Um eine Leckage des gasförmigen Kraftstoffs über die Führung 14 in den Flüssigkraftstoffraum 5 zu verhindern, ist der Flüssigkraftstoffdruck höher als der Gasdruck eingestellt. Dies verhindert jedoch nicht, dass im Wege der Leckage flüssiger Kraftstoff über die Führung 14 in den Gasraum 4 gelangt. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wird der in den Gasraum 4 gelangende flüssige Kraftstoff mit der nächsten Gaseinblasung einfach ausgetragen. Erfolgt jedoch über einen längeren Zeitraum keine Gaseinblasung, beispielsweise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, kann sich im Bereich einer Düsenspitze 15 oberhalb des Dichtsitzes 16 eine so große Menge an Flüssigkraftstoff ansammeln, dass der mit der nächsten regulären Einspritzung in den Brennraum eingebrachte gasförmige Kraftstoff schlecht verbrennt. Ferner kann bzw. können der Kraftstoffinjektor und/oder die Brennkraftmaschine Schaden nehmen.
  • Wird jedoch der Kraftstoffinjektor gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben, wird während einer Schubphase der Brennkraftmaschine die äußere Düsennadel 1 einmalig oder mehrfach impulsartig geöffnet, so dass die sich im Gasraum 4 im Bereich der Düsenspitze 15 angesammelte Flüssigkraftstoffmenge ausgeschwemmt wird. Das heißt, dass mit der nächsten regulären Gaseinblasung nach Beenden der Schubphase kein oder nur noch wenig Flüssigkraftstoff miteingebracht wird, so dass eine optimale Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs erreicht wird.
  • Zum Öffnen der äußeren Düsennadel 1 wird der Steuerdruck in einem Steuerraum 9 abgesenkt, der eine auf die Düsennadel 1 hydraulische Schließkraft bewirkt. Die Düsennadel 1 wird somit entlastet und vermag entgegen der Federkraft der Feder 13 zu öffnen. Der Steuerraum 9 wird radial außen von einer Dichthülse 11 begrenzt, in der das brennraumferne Ende der äußeren Düsennadel 1 hubbeweglich aufgenommen ist. Radial innen wird der Steuerraum 9 von einer Dichthülse 10 begrenzt, die einen Steuerraum 8 umschließt, der der inneren Düsennadel 2 zugeordnet ist. Wird der Steuerdruck im Steuerraum 8 gesenkt, wird die innere Düsennadel 2 entlastet und öffnet.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zwei koaxial angeordneten, ineinander geführten Düsennadeln (1, 2), die innerhalb eines Düsenkörpers (3) einen Gasraum (4) für einen gasförmigen Kraftstoff und einen Flüssigkraftstoffraum (5) für einen flüssigen Kraftstoff definieren, bei dem der Flüssigkraftstoffdruck über dem Gasdruck eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Einspritzunterbrechung, beispielsweise im Schubbetrieb einer Brennkraftmaschine, die durch den Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt wird, flüssiger Kraftstoff, der im Wege der Leckage in den Gasraum (4) gelangt ist, durch einmaliges oder mehrfaches impulsartiges Öffnen der äußeren Düsennadel (1) aus dem Gasraum (4) ausgetrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkraftstoffdruck und dem Gasdruck von mindestens 10 bar, vorzugsweise mindestens 15 bar, weiterhin vorzugsweise von etwa 20 bar eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Düsennadeln (1, 2) getrennt voneinander hydraulisch gesteuert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur hydraulischen Steuerung der beiden Düsennadeln (1, 2) der flüssige Kraftstoff verwendet wird, wobei es sich vorzugsweise um Dieselkraftstoff handelt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise Erdgas, verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, im Wege einer Piloteinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird.
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