DE102018212090A1 - Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs, Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs, Kraftstoffeinspritzventil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln (1, 2), wobei zwischen der äußeren Düsennadel (1) und einer Führung (3) ein Dichtelement (4) zur Medientrennung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement (4) durch eine Vorspannkraft gegen die Führung (3) radial vorgespannt, wobei die Vorspannkraft veränderbar ist, so dass das Dichtelement (4) bei einer Hubbewegung der äußeren Düsennadel (1) teilentlastbar ist.Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer solchen Düsenbaugruppe.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Düsenbaugruppe.
  • Stand der Technik
  • Beim sogenannten NGDI („Natural Gas Direct Injection“)-Einspritzverfahren wird Erdgas bzw. Methangas 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 Kraftstoffeinspritzventils, das zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln aufweist. Die äußere Düsennadel steuert die Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffs, die innere Düsennadel die Dieselpiloteinspritzung. Da beide Düsennadeln in der Regel hydraulisch angesteuert werden, gilt es Maßnahmen zur Medientrennung zu treffen. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass gasförmiger Kraftstoff in den Bereich für den flüssigen Kraftstoff gelangt. In der Regel liegt daher der Gasdruck unter dem Druck des flüssigen Kraftstoffs. Der Druckunterschied kann beispielsweise 20 bar betragen. Eine auf diese Weise geförderte Leckage des flüssigen Kraftstoffs in den Gasbereich wird hingenommen.
  • Liegt der Gasdruck deutlich unter dem Druck des flüssigen Kraftstoffs, beispielweise um einen reinen Dieselbetrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, besteht die Gefahr, dass im Wege der Leckage Diesel in den Gasbereich gelangt und der Gasbereich mit Diesel vollläuft. Dieser wird dann beim nächsten Öffnen der Gasnadel unkontrolliert eingespritzt, was mit einem zu hohen Brennwert und einer schlechten Aufbereitung des gasförmigen Kraftstoffs einhergeht.
  • Zur Optimierung der Medientrennung wird in der DE 10 2016 203 916 A1 ein federelastisches hülsenförmiges Dichtelement vorgeschlagen, das einerseits mit einer beweglichen Dichtscheibe, andererseits mit einem Düsenkörper fluiddicht verbunden ist und die Dichtscheibe mit einer axialen Vorspannkraft in Richtung einer an der äußeren Düsennadel ausgebildeten Dichtfläche beaufschlagt. Die Vorspannkraft wirkt dabei zugleich als Dichtkraft.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Medientrennung in einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder eines flüssigen Kraftstoffs zu optimieren.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Kraftstoffeinspritzventil mit dem Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird eine Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Düsenbaugruppe umfasst zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln, wobei zwischen der äußeren Düsennadel und einer Führung ein Dichtelement zur Medientrennung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement durch eine Vorspannkraft gegen die Führung radial vorgespannt, wobei die Vorspannkraft veränderbar ist, so dass das Dichtelement bei einer Hubbewegung der äußeren Düsennadel teilentlastbar ist.
  • Das gegen die Führung radial vorgespannte Dichtelement zur Medientrennung wird bei jeder Hubbewegung der äußeren Düsennadel dynamisch belastet, so dass es einem starken Verschleiß ausgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Düsenbaugruppe ermöglicht eine Teilentlastung des Dichtelements während einer Hubbewegung der äußeren Düsennadel, so dass der Verschleiß im Kontaktbereich des Dichtelements mit der Führung verringert wird. Bei geschlossener äußere Düsennadel wird die Vorspannkraft wieder angehoben, so dass die Dichtkraft maximal ist. Auf diese Weise wird eine sichere Medientrennung bewirkt und zugleich eine Erhöhung der Lebensdauer des zur Medientrennung eingesetzten Dichtelements erreicht.
  • Während des teilentlasteten Zustands des Dichtelements können kleine bzw. kleinste Mengen des flüssigen Kraftstoffs in den Gasbereich übertreten. Dies wird nicht nur in Kauf genommen, sondern ist sogar erwünscht, da geringe Mengen des Flüssigkraftstoffs nützlich für die Lebensdauer des Sitzes der äußeren Düsennadel sind.
  • Bevorzugt liegt radial innen am Dichtelement ein Druck an, der dem Druck in einem Steuerraum zur Steuerung der Hubbewegung der äußeren Düsennadel entspricht. Auf diese Weise kann die Veränderung der Vorspannkraft zur radialen Vorspannung des Dichtelements gemeinsam mit der Veränderung des Steuerdrucks im Steuerraum zur Steuerung der Hubbewegung der äußeren Düsennadel bewirkt werden. Ferner korreliert die Teilentlastung des Dichtelements mit der Hubbewegung der äußeren Düsennadel.
  • Zum Öffnen der äußeren Düsennadel wird der Steuerdruck im Steuerraum gesenkt. Zugleich sinkt der Druck im Druckraum und das Dichtelement wird teilentlastet, noch bevor die äußere Düsennadel öffnet. Wird anschließend der Steuerdruck im Steuerraum wieder angehoben, um die äußere Düsennadel zu schließen, steigt auch der Druck im Druckraum wieder an, wobei sich der Druck im Steuerraum und damit im Druckraum erst nach dem Nadelschließen erst wieder vollständig aufbaut. Während der gesamten Hubbewegung, das heißt, während des Öffnens und Schließens, der äußeren Düsennadel ist somit das Dichtelement teilentlastet. Entsprechend kann der Verschleiß des Dichtelements im Kontaktbereich mit der Führung verringert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtelement in einer Ringnut der äußeren Düsennadel aufgenommen und begrenzt innerhalb der Ringnut einen Druckraum, der mit dem Steuerraum zur Steuerung der Hubbewegung der äußeren Düsennadel verbunden ist. Die Ringnut verhindert eine Bewegung des Dichtelements relativ zur äußeren Düsennadel, und zwar in axialer Richtung. Vorliegend wird die Ringnut zugleich zur Ausbildung des Druckraums genutzt, der mit dem Steuerraum verbunden ist. Die Ringnut weist hierzu bevorzugt eine größere Tiefe auf, so dass sie von dem hierin aufgenommenen Dichtelement nicht vollständig ausgefüllt wird. Das Dichtelement ist des Weiteren bevorzugt in der Weise in der Ringnut aufgenommen, dass es in radialer Richtung geringfügig über den Außenumfang der äußeren Düsennadel übersteht, um in Dichtkontakt mit der Führung zu gelangen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Druckraum über mindestens einen in der äußeren Düsennadel ausgebildeten Verbindungskanal mit dem Steuerraum verbunden ist. Über den mindestens einen Verbindungskanal kann in einfacher Weise eine Anbindung des Druckraums an den Steuerraum geschaffen werden. Vorzugsweise verläuft der Verbindungskanal parallel zur Längsachse A der äußeren Düsennadel, so dass der Verbindungskanal möglichst kurz gehalten werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist der Steuerraum mit dem flüssigen Kraftstoff beaufschlagbar. Da die erforderlichen Anschlüsse für die Versorgung mit dem flüssigen Kraftstoff bereits vorhanden sind, kann der konstruktive Aufwand zur Umsetzung der Erfindung weiter verringert werden. Bei dem flüssigen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Dieselkraftstoff handeln, der nicht nur als Steuermedium sondern auch zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs genutzt werden kann.
  • Bevorzugt wird die Führung, gegen die das Dichtelement vorgespannt ist, durch einen Düsenkörper ausgebildet, in dem die beiden Düsennadeln zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Der Düsenkörper weist hierzu bevorzugt eine zentrale Bohrung mit einem die Führung ausbildenden Bohrungsabschnitt auf. Innerhalb der Bohrung begrenzt die äußere Düsennadel einen mit dem gasförmigen Kraftstoff beaufschlagbaren Gasbereich.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement ringförmig ausgebildet ist. Das Dichtelement ist somit umlaufend geschlossen ausgeführt und kann als geschlossener Dichtring in die Ringnut eingesetzt werden. Das heißt, dass keine leckagebehafteten Spalte ausgebildet werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement elastisch verformbar ist. Die elastische Verformbarkeit erleichtert das Einsetzen des Dichtelements in die Ringnut, insbesondere dann, wenn das Dichtelement als geschlossener Dichtring ausgeführt ist. Durch die Elastizität des Dichtelements kann zudem eine weitere Vorspannung des Dichtelements gegen die beiden Nutflanken der Ringnut bewirkt werden, so dass der hinter dem Dichtelement liegende Druckraum nach außen hin abgedichtet ist.
  • Darüber hinaus wird ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe vorgeschlagen. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe gewährleistet eine sichere Medientrennung bei zugleich einfachem Aufbau der Düsenbaugruppe und damit des Kraftstoffeinspritzventils.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kraftstoffeinspritzventil ein Dual-Fuel-Injektor, mittels dessen ein flüssiger Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, im Wege einer Piloteinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzbar ist, um den anschließend im Wege einer Haupteinspritzung in den Brennraum eingebrachten gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, zu zünden. Auf diese Weise kann das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil in einem modernen Gasmotor eingesetzt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe,
    • 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 bei geschlossener äußerer Düsennadel,
    • 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 bei geöffneter äußerer Düsennadel und
    • 4 ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Hubverlaufs der äußeren Düsennadel in Relation zum Druckverlauf im Steuerraum.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der 1 ist eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere für einen Dual-Fuel-Injektor, zu entnehmen. Die Düsenbaugruppe umfasst zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln 1, 2, die zumindest abschnittsweise in einem Düsenkörper 9 aufgenommen sind. Der Düsenkörper 9 weist hierzu eine zentrale Bohrung 10 auf. Die äußere Düsennadel 1 begrenzt innerhalb der Bohrung 10 einen Gasbereich 11, der mit dem gasförmigen Kraftstoff beaufschlagbar ist. Die innere Düsennadel 2 und die äußere Düsennadel 1 begrenzen gemeinsam einen Flüssigkraftstoffbereich 12. Die äußere Düsennadel 1 bildet dabei einen Dichtsitz 13 für die innere Düsennadel 2 aus und der Düsenkörper 9 bildet einen Dichtsitz 14 für die äußere Düsennadel 1 aus.
  • Beide Düsennadeln 1, 2 werden hydraulisch gesteuert, wobei als Steuermedium der flüssige Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, verwendet wird.
  • Zur Steuerung der Hubbewegungen der äußeren Düsennadel 1 ist ein Steuerraum 7 vorgesehen, der am brennraumabgewandten Ende der Düsennadel 1 angeordnet ist und mit flüssigem Kraftstoff beaufschlagbar ist, so dass auf die Düsennadel 1 eine Schließrichtung wirkende hydraulische Druckkraft Fs wirkt. Um die Düsennadel 1 zu öffnen, muss der im Steuerraum 7 herrschende Steuerdruck gesenkt werden, so dass eine auf die Düsennadel 1 wirkende resultierende Kraft FR in Öffnungsrichtung wirkt. Dies führt dazu, dass die Düsennadel 1 von ihrem Dichtsitz 14 abhebt und öffnet. Zum Schließen wird der Steuerdruck im Steuerraum 7 wieder angehoben, so dass die Düsennadel 1 in den Dichtsitz 14 zurückgestellt wird. Die Düsennadel 1 wird dabei über eine Führung 3 innerhalb der Bohrung 10 geführt. In Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Bohrung 10, besteht die Gefahr, dass flüssiger Kraftstoff über die Führung 3 in den Gasbereich 11 gelangt. Solange es sich hierbei nur um sehr geringe Mengen handelt, ist dies erwünscht, da über den flüssigen Kraftstoff eine gewisse Schmierung erreichbar ist, die beispielsweise den Verschleiß im Bereich des Dichtsitzes 14 verringert. Größere Leckagemengen gilt es jedoch sicher zu verhindern.
  • Um dies zu erreichen, ist außen auf der äußeren Düsennadel 1 ein ringförmiges Dichtelement 4 angeordnet, dass in radialer Richtung gegen die Führung 3 vorgespannt ist. Über die Vorspannkraft FV ist die Dichtkraft einstellbar. Um eine maximale Dichtkraft zu erzielen, ist demnach die Vorspannkraft FV möglichst groß gewählt. Dies erweist sich jedoch als nachteilig in Bezug auf den Verschleiß des Dichtelements 4 im Kontaktbereich mit der Führung 3, da sich das Dichtelement 4 gemeinsam mit der äußeren Düsennadel 1 relativ zum Düsenkörper 9 bewegt.
  • Die dargestellte erfindungsgemäße Düsenbaugruppe weist daher ein Dichtelement 4 auf, das in einer Ringnut 5 aufgenommen ist und innerhalb der Ringnut 5 einen Druckraum 6 begrenzt, der über einen Verbindungskanal 8 mit dem Steuerraum 7 verbunden ist (siehe 2 oder 3). Das heißt, dass der Druck im Druckraum 6 entsprechend dem Steuerdruck im Steuerraum 7 variiert. Der variierende Druck im Druckraum 6 führt zu einer variierenden Vorspannkraft FV , so dass das Dichtelement 4 zeitweise teilentlastet ist. Da der Druck im Druckraum 6 dem Steuerdruck im Steuerraum 7 entspricht, korreliert die Teilentlastung des Dichtelements 4 mit der Hubbewegung der äußeren Düsennadel 1. Das heißt, dass das Dichtelement 4 immer dann teilentlastet ist, wenn sich die Düsennadel 1 öffnet (3) oder schließt. Auf diese Weise kann der Verschleiß des Dichtelements 4 im Kontaktbereich mit der Führung 3 deutlich reduziert werden. Befindet sich die äußere Düsennadel 1 in ihrer Schließstellung (2), ist der Druck im Druckraum 6 maximal, so dass eine maximale Vorspannkraft Fv und damit eine maximale Dichtkraft erreicht wird.
  • Dem Diagramm der 4 ist die Hubbewegung der Düsennadel 1 (Kurve a) in Relation zum Druckverlauf (Kurve b) im Steuerraum 7 zu entnehmen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Düsennadel 1 zeitlich verzögert öffnet, so dass das Dichtelement 4 bereits entlastet ist, bevor die Düsennadel 1 vom Dichtsitz 14 abhebt. Da der maximale Druck im Steuerraum 7 auch erst nach dem Schließen der Düsennadel 1 erreicht wird, bleibt das Dichtelement 4 während der gesamten Bewegung der Düsennadel 1 teilentlastet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016203916 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Düsenbaugruppe für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln (1, 2), wobei zwischen der äußeren Düsennadel (1) und einer Führung (3) ein Dichtelement (4) zur Medientrennung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) durch eine Vorspannkraft gegen die Führung (3) radial vorgespannt ist, wobei die Vorspannkraft veränderbar ist, so dass das Dichtelement (4) bei einer Hubbewegung der äußeren Düsennadel (1) teilentlastbar ist.
  2. Düsenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass radial innen am Dichtelement (4) ein Druck anliegt, der dem Druck in einem Steuerraum (7) zur Steuerung der Hubbewegung der äußeren Düsennadel (1) entspricht.
  3. Düsenbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) in einer Ringnut (5) der äußeren Düsennadel (1) aufgenommen ist und innerhalb der Ringnut (5) einen Druckraum (6) begrenzt, der mit dem Steuerraum (7) zur Steuerung der Hubbewegung der äußeren Düsennadel (1) verbunden ist.
  4. Düsenbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (6) über mindestens einen in der äußeren Düsennadel (1) ausgebildeten Verbindungskanal (8) mit dem Steuerraum (7) verbunden ist, wobei vorzugsweise der Verbindungskanal (8) parallel zur Längsachse (A) der äußeren Düsennadel (1) verläuft.
  5. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (7) mit dem flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise mit Dieselkraftstoff, beaufschlagbar ist.
  6. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (3) durch einen Düsenkörper (9) ausgebildet wird, in dem die beiden Düsennadeln (1, 2) zumindest abschnittsweise aufgenommen sind.
  7. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) ringförmig ausgebildet ist und/oder elastisch verformbar ist.
  8. Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil ein Dual-Fuel-Injektor ist.
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