DE102018215891A1 - Device for metering a gaseous and a liquid fuel and a method for operating this device - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Dosieren eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs mit einem Injektor (1), der dazu ausgebildet ist, einen gasförmigen Kraftstoff unter einem Arbeitsdruck zu dosieren, und mit einer Zufuhrleitung (2) zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff zu dem Injektor (1), wobei in der Zufuhrleitung (2) eine Zerstäubereinheit (8) vorgesehen ist, über die eine Schmierflüssigkeit in die Zufuhrleitung (2) für den gasförmigen Kraftstoff zerstäubt eingebracht werden kann.Device for metering a gaseous and a liquid fuel with an injector (1), which is designed to meter a gaseous fuel under a working pressure, and with a supply line (2) for supplying gaseous fuel to the injector (1), wherein An atomizer unit (8) is provided in the supply line (2), via which a lubricating liquid can be introduced in an atomized manner into the supply line (2) for the gaseous fuel.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs, wie sie beispielsweise Verwendung findet, um gasförmige und flüssige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.The invention relates to a device for metering a gaseous and a liquid fuel, as used, for example, to introduce gaseous and liquid fuels into a combustion chamber of an internal combustion engine. In addition, the invention relates to a method for operating this device.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, mit denen sich flüssige und gasförmige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen lassen. Dazu werden insbesondere Injektoren verwendet, die sowohl gasförmigen als auch flüssigen Kraftstoff jeweils unter einem spezifischen hohen Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindüsen bzw. einspritzen können. Dabei wird der flüssige Kraftstoff fein zerstäubt und dient entweder als alleiniger Kraftstoff, falls gasförmiger Kraftstoff nicht zur Verfügung steht, oder als Zündmenge, um die Verbrennung im Brennraum zu initiieren, damit der gasförmige Kraftstoff optimal verbrennt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
Soll eine Eindüsung bzw. Einspritzung geschehen, so wird der Druck in den Steuerräumen abgesenkt und die Düsennadeln heben von den Düsensitzen ab und geben die Eindüsöffnungen bzw. die Einspritzöffnungen frei.If an injection or injection is to take place, the pressure in the control rooms is reduced and the nozzle needles lift off the nozzle seats and expose the injection openings or the injection openings.
Innerhalb der Injektors liegt also sowohl gasfömiger als auch flüssiger Kraftstoff unter einem hohen Druck von beispielsweise ca. 500 bar (50 MPa) an. Die Kraftstoffe sollen sich jedoch innerhalb des Injektors nicht vermischen, weshalb Abdichtmaßnahmen erforderlich sind. Eine völlige Abdichtung zwischen den gas- und flüssigkeitsführenden Bereichen des Injektors ist nur schwer zu erreichen, da Drosselspalte zwischen diesen Bereichen konstruktionsbedingt nicht völlig vermieden werden können. Dabei ist eine geringfügige Beimischung von flüssigem Kraftstoff zum gasförmigen Kraftstoff nicht unbedingt nachteilig, also wenn flüssiger Kraftstoff in den mit Gas gefüllten Bereich des Injektors gelangt, solange eine bestimmte Menge nicht überschritten wird. Es ist sogar für den Verschleiß am Düsensitz der äußeren Düsennadel erwünscht, da der flüssige Kraftstoff - beispielsweise Dieselkraftstoff - hier eine schmierende Wirkung entfaltet. Darüber hinaus bewirkt der flüssige Kraftstoff eine zusätzliche Abdichtung am Düsensitz, der aufgrund der hohen Temperaturen nicht mit einer Elastomerdichtung versehen werden kann und daher ohne den Flüssigkeitsfilm nicht völlig gasdicht ist.Both gaseous and liquid fuel are therefore present within the injector at a high pressure of, for example, approximately 500 bar (50 MPa). However, the fuels should not mix within the injector, which is why sealing measures are required. A complete seal between the gas and liquid-carrying areas of the injector is difficult to achieve, because of the design, throttle gaps between these areas cannot be completely avoided. A slight admixture of liquid fuel to the gaseous fuel is not necessarily disadvantageous, that is, if liquid fuel gets into the area of the injector filled with gas as long as a certain amount is not exceeded. It is even desirable for wear on the nozzle seat of the outer nozzle needle, since the liquid fuel - for example diesel fuel - has a lubricating effect here. In addition, the liquid fuel creates an additional seal on the nozzle seat, which cannot be provided with an elastomer seal due to the high temperatures and is therefore not completely gas-tight without the liquid film.
Dabei ist jedoch die genaue Dosierung des flüssigen Kraftstoffs, der in den Gasbereich gelangen soll, schwierig. Die Menge des flüssigem Kraftstoffs, der durch den Drosselspalt zum Düsensitz gelangt, hängt von der Druckdifferenz und der Größe des Drosselspalts ab und darüber hinaus von weiteren Parametern, wie beispielsweise der Temperatur. Weiter kann es zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen, wenn über längere Zeit ausschließlich flüssiger Kraftstoff ausgespritzt wird, wobei die äußere Düsennadel, die den gasförmigen Kraftstoff steuert, geschlossen bleibt und nur die innere Düsennadel öffnet und schließt. Im Gasbereich des Injektors sammelt sich dann die eintretende Flüssigkeitsmenge, was beim Wiederanfahren der Gaseindüsung zu Schwierigkeiten führt, da mit dem Gasstrom plötzlich eine größere Flüssigkeitsmenge in den Brennraum gelangt und dort zu unvorhersehbaren Verbrennungszuständen führt.However, the exact metering of the liquid fuel that is to enter the gas range is difficult. The amount of liquid fuel that reaches the nozzle seat through the throttle gap depends on the pressure difference and the size of the throttle gap and also on other parameters, such as the temperature. Functional impairments can also occur if only liquid fuel is sprayed out over a long period of time, the outer nozzle needle, which controls the gaseous fuel, remains closed and only the inner nozzle needle opens and closes. The amount of liquid entering then collects in the gas area of the injector, which leads to difficulties when restarting the gas injection, since a larger amount of liquid suddenly enters the combustion chamber with the gas flow and there leads to unpredictable combustion conditions.
Es ist deshalb in der Regel vorteilhaft, wenn im Injektor Maßnahmen ergriffen werden, die zu einer völligen Trennung von gasförmigem und flüssigem Kraftstoff führen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von geeigneten Dichtungen, beispielsweise Wellbalgen, geschehen oder aber durch eine direkte Ansteuerung der Düsennadeln, so dass keine mit flüssigem Kraftstoff befüllbaren Steuerräumen vorhanden sind. Bei solchen Injektoren ist jedoch konzeptbedingt kein schmierender Flüssigkeitsfilm im Gassystem vorhanden, so dass es zu Undichtigkeiten und erhöhtem Verschleiß am Gasventilsitz kommen kann.It is therefore generally advantageous if measures are taken in the injector which lead to a complete separation of gaseous and liquid fuel. This can be done, for example, by using suitable seals, for example corrugated bellows, or by directly actuating the nozzle needles, so that there are no control rooms that can be filled with liquid fuel. In the case of such injectors, however, there is no lubricating liquid film in the gas system due to the concept, so that leaks and increased wear on the gas valve seat can occur.
Die Dosierung des flüssigen und des gasförmigen Kraftstoffs kann auch durch zwei getrennte Injektoren erfolgen, die entweder völlig separat ausgebildet sind oder bei denen beide Dosiervorrichtungen im gleichen Gehäuse aufgenommen sind. Auch bei diesen Systemen ist eine Schmierung des Dichtsitzes des Injektors für den gasförmigen Kraftstoff aus den oben genannten Gründen vorteilhaft.The liquid and the gaseous fuel can also be metered by two separate injectors, which are either completely separate or in which both metering devices are accommodated in the same housing. In these systems too, lubrication of the sealing seat of the injector for the gaseous fuel is advantageous for the reasons mentioned above.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eindosierung eines flüssigen und eines gasförmigen Kraftstoffs weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass ein verringerter Verschleiß und eine gute Dichtigkeit im gasführenden Bereich des Injektors vorhanden ist, unabhängig vom Prinzip der Düsennadelansteuerung. Dazu weist die Vorrichtung zum Dosieren eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs einen Injektor auf, der dazu ausgebildet ist, einen flüssigen und gasförmigen Kraftstoff unter jeweils einem Arbeitsdruck zu dosieren. Weiter ist eine Zuführleitung zur Zuführung von gasförmigen Kraftstoff zu dem Injektor vorgesehen, wobei in der Zufuhrleitung eine Zerstäubereinheit vorgesehen ist, über die eine Schmierflüssigkeit in die Zufuhrleitung für den gasförmigen Kraftstoff zerstäubt eingebracht werden kann.The inventive device for metering a liquid and a gaseous In contrast, fuel has the advantage that there is reduced wear and a good seal in the gas-carrying area of the injector, regardless of the principle of the nozzle needle control. For this purpose, the device for metering a gaseous and a liquid fuel has an injector which is designed to meter a liquid and gaseous fuel under a respective working pressure. Furthermore, a supply line for supplying gaseous fuel to the injector is provided, wherein an atomizer unit is provided in the supply line, via which a lubricating liquid can be atomized into the supply line for the gaseous fuel.
Durch die Zuführung der Schmierflüssigkeit in den Gasstrom schlägt sich ein feiner Schmierflüssigkeitsfilm auf den Oberflächen der Zufuhrleitung und des Injektors nieder und damit auch auf dem Dichtsitz des Dichtelements, das im Injektor die Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs steuert. Dadurch kommt es zu einer ausreichenden Schmierung des Dichtsitzes, unabhängig davon, wie das Dichtelement bewegt wird. Der durch einen ungeschmierten Düsensitz bedingte Verschleiß und die Dichtigkeitsprobleme an dieser Stelle können damit vermieden werden.By feeding the lubricant into the gas stream, a fine film of lubricant is deposited on the surfaces of the feed line and the injector and thus also on the sealing seat of the sealing element, which controls the feed of the gaseous fuel in the injector. This results in sufficient lubrication of the sealing seat, regardless of how the sealing element is moved. The wear caused by an unlubricated nozzle seat and the sealing problems at this point can thus be avoided.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Injektor eine längsbewegliche Düsennadel auf, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Durchströmquerschnitts zusammenwirkt, durch den der gasförmige Kraftstoff dosierbar ist. Durch die Benetzung mit der Schmierflüssigkeit des Düsensitzes treten die bereits erwähnten Vorteile auf.In a first advantageous embodiment, the injector has a longitudinally movable nozzle needle which interacts with a nozzle seat for opening and closing a flow cross-section through which the gaseous fuel can be metered. By wetting with the lubricant of the nozzle seat, the advantages already mentioned occur.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Zufuhrleitung einen Hochdruckgasraum auf, eine vom Hochdruckgasraum zum Injektor führende Verbindungsleitung und eine Hochdruckleitung, über die der Hochdruckgasraum mit gasförmigen Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, wobei die Zerstäubereinheit in der Hochdruckleitung angeordnet ist. Durch die Anordnung der Zerstäubereinheit in der Hochdruckleitung wird die zerstäubte Schmierflüssigkeit bereits vor dem Hochdruckgasraum eingespeist, so dass sämtliche Flächen von der Zerstäubereinheit stromabwärts mit der Schmierflüssigkeit benetzt werden. Es bietet insbesondere den Vorteil, dass der gesamte Aufbau, insbesondere des Hochdruckgasraumes, gegenüber den schon bekannten Dosiersystemen nicht geändert werden muss.In a further advantageous embodiment, the supply line has a high-pressure gas space, a connecting line leading from the high-pressure gas space to the injector and a high-pressure line, via which the high-pressure gas space can be filled with gaseous fuel under high pressure, the atomizer unit being arranged in the high-pressure line. As a result of the arrangement of the atomizer unit in the high-pressure line, the atomized lubricant is already fed in before the high-pressure gas space, so that all surfaces downstream of the atomizer unit are wetted with the lubricant. In particular, it offers the advantage that the entire structure, in particular the high-pressure gas space, does not have to be changed compared to the already known metering systems.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zerstäubereinheit über ein elektrisches Steuergerät angesteuert. Dies erlaubt eine genaue Dosierung der zu zerstäubenden Schmierflüssigkeit in der gewünschten Menge und zum richtigen Zeitpunkt.In a further advantageous embodiment, the atomizer unit is controlled by an electrical control device. This allows the lubricant to be atomized to be dosed precisely in the desired quantity and at the right time.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Injektoren zur Dosierung des flüssigen und gasförmigen Kraftstoffs mit dem Hochdruckgasraum über jeweils eine Verbindungsleitung verbunden. Durch die Anordnung der Zerstäubereinheit bereits in der Hochdruckleitung vor dem Hochdruckgasraum werden sämtlich Injektoren und damit sämtliche Ventilsitze diese Injektoren mit der Schmierflüssigkeit benetzt, so dass alle Injektoren die entsprechenden Vorteile aufweisen.In a further advantageous embodiment, a plurality of injectors for metering the liquid and gaseous fuel are connected to the high-pressure gas space via a connecting line in each case. As a result of the arrangement of the atomizer unit in the high-pressure line in front of the high-pressure gas space, all the injectors and thus all the valve seats of these injectors are wetted with the lubricant, so that all injectors have the corresponding advantages.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein Kraftstoff-Hochdrucksammelraum vorhanden, in dem verdichteter, flüssiger Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird und von dem eine Zulaufleitung zu dem Injektor führt. Insbesondere, wenn ein Kraftstoff durch den Injektor dosiert wird, der Schmiereigenschaften aufweist, wie Dieselkraftstoff, kann dieser auch benutzt werden, um den Düsensitz des Injektors zu benetzen. Da der Kraftstoff bereits unter hohem Druck im System vorliegt, kann dieser einfach über eine Verbindungsleitung aus dem Kraftstoff-Hochdrucksammelraum der Dosiereinheit zugeführt werden. Der Kraftstoff-Hochdrucksammelraum stellt auch den benötigten Druck zur Verfügung, um den flüssigen Kraftstoff zu zerstäuben.In a further advantageous embodiment of the device, a high-pressure fuel collecting space is present, in which compressed, liquid fuel is held under high pressure and from which an inlet line leads to the injector. In particular, if a fuel is metered by the injector that has lubricating properties, such as diesel fuel, this can also be used to wet the nozzle seat of the injector. Since the fuel is already present in the system under high pressure, it can easily be supplied to the metering unit from the high-pressure fuel collecting space via a connecting line. The high pressure fuel plenum also provides the pressure required to atomize the liquid fuel.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Dosieren eines gasförmigen und eines flüssigen Kraftstoffs mit einem Injektor, der dazu ausgebildet ist, einen gasförmigen Kraftstoff unter einem Arbeitsdruck zu dosieren, ist vorgesehen, dass in einer Zufuhrleitung zur Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs zum Injektor eine Zerstäubereinheit angeordnet ist, über die eine Schmierflüssigkeit zerstäubt eingebracht wird. Diese Schmierflüssigkeit ist vorzugsweise flüssiger Kraftstoff, der den Ventilsitz des gasförmigen Teils des Injektors schmiert. Dieser flüssige Kraftstoff ist vorzugsweise der gleiche Kraftstoff, der auch über den Injektor dosiert wird. Dabei wir die Schmierflüssigkeit nur dann in vorteilhafterweise in die Zufuhrleitung eingebracht, wenn gasförmiger Kraftstoff über den Injektor dosiert wird. Arbeitet der Injektor in einem Modus, in dem nur flüssiger Kraftstoff dosiert wird, braucht der Ventilsitz der entsprechenden Düsennadel nicht weiter mit einer Schmierflüssigkeit benetzt werden, so dass während dieser Zeit keine Eindosierung über die Zerstäubereinheit stattfindet.In a method according to the invention for operating a device for metering a gaseous and a liquid fuel with an injector, which is designed to meter a gaseous fuel under a working pressure, it is provided that an atomizer unit in a supply line for supplying the gaseous fuel to the injector is arranged, through which a lubricant is introduced atomized. This lubricating liquid is preferably liquid fuel which lubricates the valve seat of the gaseous part of the injector. This liquid fuel is preferably the same fuel that is dosed via the injector. The lubricating liquid is advantageously introduced into the supply line only when gaseous fuel is metered in via the injector. If the injector works in a mode in which only liquid fuel is metered, the valve seat of the corresponding nozzle needle does not need to be wetted further with a lubricant, so that there is no metering in via the atomizer unit during this time.
Die Zerstäubereinheit wird vorzugsweise mittels eines elektrischen Steuerventils gesteuert, wobei die Schmierflüssigkeit durch das Steuergerät nur in vorgegebenen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine eingebracht wird, in die der Injektor die Kraftstoffe eindüst bzw. einspritzt. Bei der Eindosierung der Schmierflüssigkeit ist insbesondere darauf zu achten, dass nicht zu viel davon in die Bereiche des Injektors gerät, in denen Gas dosiert wird, da dies andernfalls zu Fehlfunktionen führen kann. Über das Abstimmen mit den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine kann beispielsweise kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine etwas Schmierflüssigkeit eingebracht werden, während im laufenden Betrieb nur noch wenig Schmierflüssigkeit weiter in den Ansaugtrakt des gasförmigen Kraftstoffs eindosiert wird.The atomizer unit is preferably controlled by means of an electrical control valve, the lubricating liquid being introduced by the control device only at predetermined operating points of an internal combustion engine into which the injector injects or injects the fuels. When metering in the lubricant, it is particularly important to ensure that not too much of it gets into the areas of the injector where gas is metered, as this can otherwise lead to malfunctions. About coordinating with the operating points of the For example, some internal combustion engine can be introduced with a little lubricating fluid shortly after the internal combustion engine starts, while only a little additional lubricating fluid is metered into the intake tract of the gaseous fuel during operation.
FigurenlisteFigure list
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung der gesamten Vorrichtung, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind, -
2 einen Längsschnitt durch einen Injektor, wie er bei der Vorrichtung nach1 Verwendung findet, -
3 eine Vergrößerung des mit III bezeichneten Ausschnitt von2 und -
4 eine weitere Ausschnittsvergrößerung des mit IV bezeichneten Ausschnitts der2 .
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1 1 shows a schematic representation of the entire device, only the essential components being shown, -
2nd a longitudinal section through an injector, as in the device1 Is used, -
3rd an enlargement of the section of III2nd and -
4th a further enlargement of the section of IV2nd .
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Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
Die Hochdruckleitung
Die Injektoren
Dem äußeren Düsensitz
In der äußeren Düsennadel
Durch die dem äußeren Düsensitz
Mit dem gleichen Prinzip ist der innere Steuerraum
Die äußere Düsennadel
Der Einsatz einer Zerstäubereinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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