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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Kraftstoffeinspritzventil kann sowohl als Einstoff-(„Mono-Fuel“) als auch als Zweistoff- („Dual-Fuel“) Einspritzventil ausgebildet sein. Die Ansteuerung erfolgt hydraulisch mit Hilfe eines Steuermediums, wobei es sich ebenfalls um einen Kraftstoff, beispielsweise um Dieselkraftstoff, handeln kann.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile, die der Einspritzung zweier unterschiedlicher Kraftstoffe dienen („Dual-Fuel“ Einspritzventile), erfordern in der Regel eine Medientrennung, die verhindert, dass sich die beiden Kraftstoffe vermischen. Eine Medientrennung kann ferner erforderlich sein, wenn das zur hydraulischen Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils verwendete Steuermedium nicht dem einzuspritzenden Kraftstoff entspricht. Dies kann sowohl bei einem „Mono-Fuel“ als auch bei einem „Dual-Fuel“ Einspritzventil der Fall sein.
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Um ein Vermischen zweier unterschiedlicher Medien im Kraftstoffeinspritzventil zu verhindern, können die Drücke der beiden Medien angeglichen werden. Dies reduziert das Druckgefälle und damit die Leckage, insbesondere im Bereich einer Führung eines beweglichen Ventilglieds des Kraftstoffeinspritzventils, an dem einerseits Steuerdruck, andererseits der Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs anliegt. Oftmals ist jedoch eine Angleichung der Mediendrücke nicht möglich oder nicht erwünscht. Bei einem Dual-Fuel-Einspritzventil, das der Einspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs, wie beispielsweise Wasserstoff (H2) oder Methan (CH4), und eines flüssigen Kraftstoffs, wie beispielsweise Dieselkraftstoff, dient, könnte der gasförmige Kraftstoff bei einem deutlich niedrigeren Druck als der flüssige Kraftstoff eingespritzt werden, da sich der gasförmige Kraftstoff leichter mit der im Brennraum vorhandenen Luft vermischt. Der Einspritzdruck des flüssigen Kraftstoffs sollte dagegen möglichst hoch gewählt werden, um eine gute Zerstäubung und damit eine schadstoffarme Verbrennung zu gewährleisten. Um jedoch das Risiko einer Vermischung der Medien zu senken, werden - insbesondere bei einem Dual-Fuel Einspritzventil - annähernd gleiche Drücke für die unterschiedlichen Medien gewählt.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Dichtelement zur Medientrennung vorgesehen werden. Ein solches Dichtelement geht beispielhaft aus der
WO 2018/082855A1 hervor, die ein Brennstoffeinspritzventil für einen gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff offenbart. Ein als Hohlnadel ausgebildetes hubbewegliches Ventilglied zur Steuerung der Einspritzung eines ersten, vorzugsweise gasförmigen Kraftstoffs weist außenumfangseitig ein ringförmiges Dichtelement auf. Die Anordnung des Dichtelements ist derart gewählt, dass es einer Leckage im Bereich einer Führung des Ventilglieds entgegenwirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem der Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs von dem eines weiteren Kraftstoffs und/oder eines Steuermediums weitgehend entkoppelt ist, so dass für jedes Medium das jeweils optimale Druckniveau gewählt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Kraftstoffeinspritzventil zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoff. Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil umfasst mindestens ein in einer zentralen Bohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenes Ventilglied zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung, wobei das der Einspritzöffnung abgewandte Ende des Ventilglieds eine Steuerfläche A1 aufweist, die einen Steuerraum begrenzt, der mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils entlastbar ist. Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil umfasst ferner ein ring- oder hülsenförmiges Dichtelement zur Medientrennung. Erfindungsgemäß weist das Ventilglied im Bereich eines mit dem Steuermedium beaufschlagbaren Druckraums einen Durchmessersprung zur Ausbildung einer Druckstufe auf. Die Druckstufe besitzt eine hydraulisch wirksame Fläche A2 , über die das Ventilglied mit einer in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft beaufschlagbar ist. Die Fläche A2 ist dabei kleiner als die Steuerfläche A1 des Ventilglieds.
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Durch Vorsehen einer Druckstufe im Bereich eines Druckraums, der wie der Steuerraum mit dem Steuermedium beaufschlagbar ist, kann der Druck des Steuermediums sowohl zur Erzeugung der schließenden als auch der öffnenden Kraft genutzt werden. Die Steuerung der Hubbewegungen des Ventilglieds kann somit unabhängig vom Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs vorgenommen werden. Das heißt, dass für den einzuspritzenden Kraftstoff das optimale Druckniveau gewählt werden kann. Das Druckniveau kann insbesondere dahingehend angepasst werden, dass eine Optimierung der Verbrennung und/oder eine Optimierung der Energieeffizienz zur Betriebsdruckerzeugung erreicht wird.
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Sofern es sich bei dem einzuspritzenden Kraftstoff um einen gasförmigen Kraftstoff handelt, kann zudem der Kraftstoffdruck deutlich niedriger als der Druck des Steuermediums gewählt werden. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Druck des Steuermediums deutlich höher als der Druck des gasförmigen Kraftstoffs gewählt werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem Steuermedium um einen flüssigen Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, handelt, der zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs ebenfalls in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Um eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs im Brennraum zu erzielen, kann der Druck entsprechend hoch gewählt werden.
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Die Erzeugung der sowohl schließenden als auch öffnenden Kraft mit Hilfe des Drucks des Steuermediums hat ferner den Vorteil, dass aufgrund der fehlenden Kompressibilität des Steuermediums die Erzeugung der öffnenden Kraft stabil und reproduzierbar erfolgen kann. Dies ist beispielsweise nicht der Fall, wenn zur Erzeugung der öffnenden Kraft ein gasförmiger Kraftstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan, eingesetzt wird, da dieser eine hohe Kompressibilität und/oder eine wechselnde Reinheit besitzt. Dadurch wird eine stabile und reproduzierbare Krafterzeugung zum Öffnen des Ventilglieds erschwert.
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Um den Einfluss des Drucks des einzuspritzenden Kraftstoffs auf die zu erzeugende öffnende Kraft so gering wie möglich zu halten, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Gesamtfläche A3 aller weiteren in Öffnungsrichtung wirkenden Druckstufen des Ventilglieds, die nicht im Bereich des mit dem Steuermedium beaufschlagbaren Druckraums angeordnet sind, kleiner als die Fläche A2 ist, an der der Druck des Steuermediums anliegt. In Abhängigkeit von der Anzahl etwaiger weitere Druckstufen kann es sich bei der Gesamtfläche A3 um eine Einzelfläche oder um die Summe mehrerer Einzelflächen handeln, die jeweils eine Druckstufe definieren.
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Die Entkopplung des Drucks des einzuspritzenden Mediums vom Druck des Steuermediums kann ein erhöhtes Druckgefälle und damit eine erhöhte Leckage zur Folge haben. Um dies zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass das zur Medientrennung vorgesehene ring- oder hülsenförmige Dichtelement im Bereich des mit dem Steuermedium beaufschlagbaren Druckraums in den Düsenkörper eingesetzt ist und durch den Druck des Steuermediums gegen einen ringförmigen Absatz des Düsenkörpers axial vorgespannt ist. Das heißt, dass bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzventil das Dichtelement nicht auf dem Ventilglied angeordnet ist, sondern in den Düsenkörper integriert ist. Das Dichtelement führt demnach keine Hubbewegungen gemeinsam mit dem Ventilglied aus. Eine Lagefixierung des Dichtelements ist nicht erforderlich, da der Druck des Steuermediums das Dichtelement in Anlage mit dem Düsenkörper hält. In Bezug auf die Ausbildung des Dichtelements zur Medientrennung erweist sich somit ein einseitig konstant höherer Druck sogar als Vorteil.
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Der ringförmige Absatz des Düsenkörpers, gegen den das Dichtelement axial vorgespannt ist, begrenzt vorzugsweise eine Führungsfläche des Düsenkörpers zur Führung des hubbeweglichen Ventilglieds. Da an der Führung einerseits der Druck des Steuermediums, andererseits der Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs anliegt, ist die Führung des Ventilglieds in der Regel leckagebehaftet. Das Risiko der Leckage steigt mit zunehmender Druckdifferenz zwischen dem Druck des Steuermediums und dem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs. Sofern es sich bei dem einzuspritzenden Kraftstoff um einen gasförmigen Kraftstoff, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan handelt, der bei einem vergleichsweise niedrigen Druck eingespritzt wird, kann die Druckdifferenz sehr groß sein. Es gilt in diesem Fall eine Leckage des Steuermediums über die Führung in den Gasbereich bzw. in die zentrale Bohrung des Düsenkörpers zu verhindern. Vorteilhafterweise ist daher das Dichtelement auf der Seite der Führung angeordnet, an welcher der Druck des Steuermediums anliegt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement gegen das Ventilglied radial vorgespannt ist. Die radiale Vorspannung erhöht die Dichtwirkung. Das Dichtelement kann hierzu, zumindest teilweise, aus einem elastischen Material gefertigt und derart dimensioniert sein, dass es unter einer radialen Vorspannung am Ventilglied anliegt. Alternativ oder ergänzend kann ein separates Element zur radialen Vorspannung des Dichtelements vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann das Dichtelement ein O-Ring sein. Dieser kann einen Innendurchmesser aufweisen, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Ventilglieds im Bereich der Dichtstelle ist, so dass der O-Ring unter einer radialen Vorspannung am Ventilglied anliegt. Alternativ kann das Dichtelement mehrteilig ausgeführt sein und einen O-Ring umfassen. In diesem Fall kann der O-Ring zur radialen Vorspannung eines weiteren Teils des Dichtelements gegen da Ventilglied genutzt werden. Das weitere Teil kann beispielsweise eine Hülse sein.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement eine Hülse ist oder einer Hülse umfasst, die gegen das Ventilglied radial vorgespannt ist. Sofern die Hülse ein Teil eines mehrteilig ausgebildeten Dichtelements ist, kann die radiale Vorspannung der Hülse durch ein weiteres Teil, wie beispielsweise einen O-Ring, bewirkt werden, der hierzu außen auf der Hülse angeordnet ist. Alternativ, und zwar insbesondere dann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Steuermediums und dem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs sehr hoch ist, kann die radiale Vorspannung auch über den außenumfangseitig anliegenden Druck des Steuermediums bewirkt werden. Das Dichtelement kann in diesem Fall eine einfache Hülse sein. Die Hülse kann auch einen Bundabschnitt zur Vergrößerung der Anlagefläche für die Anlage am Absatz des Düsenkörpers aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilglied als Hohlnadel ausgeführt und in der Hohlnadel ist ein weiteres Ventilglied hubbeweglich aufgenommen, das einen Steuerraum begrenzt, der mit dem Steuermedium beaufschlagbar ist und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines weiteren Steuerventils entlastbar ist. In dieser Ausgestaltung ist das Kraftstoffeinspritzventil ein Dual-Fuel-Einspritzventil, das dem Einspritzen zweier unterschiedlicher Kraftstoffe dient. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen gasförmigen ersten Kraftstoff und einen flüssigen zweiten Kraftstoff, der zugleich als Steuermedium dient. Das ring- oder hülsenförmige Dichtelement trennt somit die beiden Kraftstoffe voneinander.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2 im Bereich des Dichtelements zur Medientrennung und
- 4 einen Ausschnitt analog der 3, jedoch mit modifiziertem Dichtelement.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Mit Hilfe des in der 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils kann ein gasförmiger oder flüssiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das Kraftstoffeinspritzventil ist als Mono-Fuel-Injektor ausgelegt. Es umfasst einen Düsenkörper 2 mit einer zentralen Bohrung 1, in der ein nadelförmiges Ventilglied 3 hubbeweglich aufgenommen ist. Über die Hubbewegungen des Ventilglieds 3 wird eine im Düsenkörper 2 ausgebildete Einspritzöffnung 4 freigegeben oder verschlossen. Die Hubbewegungen des Ventilglieds 3 steuern somit die Einspritzung des Kraftstoffs. Die Hubbewegungen des Ventilglieds 3 wiederum werden über den Steuerdruck in einem Steuerraum 5 gesteuert, der mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist und in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils 6 entlastbar ist. Der Zulauf in den Steuerraum 5 erfolgt über eine Zulaufdrossel 18, der Ablauf über eine Ablaufdrossel 19.
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Über die Zulaufdrossel 18 füllt sich der Steuerraum 5 mit dem Steuermedium, so dass das der Einspritzöffnung 4 abgewandte Ende des Ventilglieds 3, das den Steuerraum 5 in axialer Richtung begrenzt und in einer den Steuerraum 5 in radialer Richtung begrenzenden Dichthülse 20 aufgenommen ist, von dem Druck des Steuermediums beaufschlagt wird. Wird nun das Steuerventil 6 geöffnet, strömt Steuermedium aus dem Steuerraum 5 über die Ablaufdrossel 19 ab und das Ventilglied 3 wird entlastet. Zugleich liegt der Druck des Steuermediums an einer Druckstufe 9 des Ventilglieds 3 an, da das Ventilglied 3 durch einen Druckraum 8 geführt ist, der ebenfalls mit dem Steuermedium beaufschlagt ist. Der an der Druckstufe anliegende Druck des Steuermediums bewirkt eine in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 3 wirkende Kraft. Eine weitere in Öffnungsrichtung wirkende Kraft wird über eine Druckstufe 10 erzielt, die - anders als die Druckstufe 9 - nicht von dem Steuermedium, sondern von dem einzuspritzenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Die Fläche A3 der Druckstufe 10 ist im Vergleich zur Fläche A2 der Druckstufe 9 sehr klein gewählt, da die den Öffnungshub des Ventilglieds 3 steuernden Kräfte vorrangig durch das Steuermedium realisiert werden sollen. Denn dieses gewährleistet ein stabiles und reproduzierbares Öffnungsverhalten, da es nicht kompressibel ist.
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Gleichwohl die Fläche A2 kleiner als die den Steuerraum 5 begrenzende Fläche A1 des Ventilglieds 3 ist und das Ventilglied 3 mit Hilfe einer Feder 21 in Schließrichtung vorgespannt ist, führt die Entlastung des Steuerraums 5 bei geöffnetem Steuerventil 6 zu einem Kräfteverhältnis an dem Ventilglied 3, das zum Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils führt. Wird anschließend das Steuerventil 6 wieder geschlossen, steigt der Druck im Steuerraum 5 wieder an und bewirkt - gemeinsam mit der Federkraft der Feder 21 -, dass das Ventilglied 3 in seine Ausgangsstellung zurückgestellt wird und das Kraftstoffeinspritzventil schließt. Die Fläche A1 ist hierzu größer als die Fläche A2 ausgeführt.
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Um eine wirksame Medientrennung vorzunehmen, die insbesondere eine Leckage des Steuermediums aus dem Druckraum 8 über eine Führung des Ventilglieds 3 in die zentrale Bohrung 1 des Düsenkörpers 2 verhindern soll, ist im Druckraum 8 unmittelbar angrenzend an eine Führungsfläche 12 des Düsenkörpers 2 ein ring- oder hülsenförmiges förmiges Dichtelement 7 angeordnet. Das Dichtelement 7 ist über den Druck des Steuermediums gegen einen ringförmigen Absatz 11 des Düsenkörpers 2 axial vorgespannt, so dass es beim Öffnen des Ventilglieds 3 - ohne eine zusätzliche Fixierung - in seiner Position verharrt. Das Dichtelement 7 kann somit sehr einfach ausgebildet werden.
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Der 2 ist ein als Dual-Fuel-Injektor ausgelegtes Kraftstoffeinspritzventil zu entnehmen, das ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildet ist. Im Unterschied zum Kraftstoffeinspritzventil der 1 ist lediglich das Ventilglied 3 als Hohlnadel ausgeführt und in die Hohlnadel ein weiteres nadelförmiges Ventilglied 15 hubbeweglich aufgenommen, das einen weiteren Steuerraum 16 begrenzt. Dieser ist über ein weiteres Steuerventil 17 entlastbar. Die Steuerung des als Hohlnadel ausgeführten Ventilglieds 3 erfolgt analog dem Kraftstoffeinspritzventil der 1, so dass auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.
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Am Ausführungsbeispiel der 2 wird nachfolgend die Ausbildung des Dichtelements 7 näher beschrieben.
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Wie der 3 zu entnehmen ist, kann das Dichtelement 7 mehrteilig ausgeführt sein und eine am Ventilglied 3 anliegende Hülse 14 sowie einen O-Ring 13 umfassen. Über den außenliegenden O-Ring 13 wird die Hülse 14 gegen das Ventilglied 3 radial vorgespannt. Da der Druckraum 8, in dem das Dichtelement 7 aufgenommen ist, im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils mit dem Steuermedium beaufschlagt ist, wird das Dichtelement 7 über den Druck des Steuermediums zugleich gegen den ringförmigen Absatz 11 des Düsenkörpers 2 axial vorgespannt.
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Der Druck des Steuermediums kann auch zur radialen Vorspannung des Dichtelements 7 gegen das Ventilglied 3 genutzt werden. In diesem Fall ist der O-Ring 13 verzichtbar. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der 4 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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