DE102019218432A1 - Single-substance injector and injection system for injecting a medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Einstoffinjektor (1) zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, umfassend eine hubbewegliche Düsennadel (2) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung (3), wobei die Düsennadel (2) gegen eine Feder (4) öffnet und/oder einen mit einem Steuermedium beaufschlagbaren Steuerraum (5) begrenzt, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils (6) entlastbar ist, so dass ein an der Düsennadel (2) anliegender Steuerdruck veränderbar ist, um die Düsennadel (2) zu betätigen. Erfindungsgemäß ist in einem Zulaufpfad (7) für das Medium eine Druckverstärkungseinrichtung (8) zur Anhebung des Drucks im Zulaufpfad (7) angeordnet.Die Erfindung betrifft ferner ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Einstoffinjektor (1).The invention relates to a single-substance injector (1) for injecting a liquid or gaseous medium, comprising a stroke-movable nozzle needle (2) for opening and closing at least one injection opening (3), the nozzle needle (2) opening and / or against a spring (4) a control chamber (5) which can be acted upon by a control medium and which can be relieved depending on the switching position of a control valve (6) so that a control pressure applied to the nozzle needle (2) can be changed in order to actuate the nozzle needle (2). According to the invention, a pressure boosting device (8) for increasing the pressure in the feed path (7) is arranged in an inlet path (7) for the medium. The invention also relates to an injection system with a single-substance injector (1) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft einen Einstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Einstoffinjektor dient dem Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, beispielsweise von Kraftstoff. Er kann aber auch zum Einspritzen anderer Medien, wie beispielsweise Wasser oder sonstiger Betriebs- und/oder Hilfsstoffe verwendet werden. Insofern ist der Begriff „Einstoffinjektor“ nicht auf die Verwendung als Kraftstoffinjektor beschränkt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Einstoffinjektor.The invention relates to a single-substance injector with the features of the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Ein Einstoffinjektor der eingangs genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
Die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine erfordert einen gewissen Einspritzdruck, um eine die Verbrennung fördernde Zerstäubung bzw. Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu bewirken. Der Einspritzdruck hängt unter anderem vom Kraftstoff und dessen Aggregatzustand ab. Beispielsweise kann es sich bei dem Kraftstoff um
Alternativ zu Erdgas kann auch Wasserstoff als Kraftstoff dienen, wobei das Verdichten von Wasserstoff noch aufwendiger ist, da der Versorgungsdruck lediglich bei etwa 4 bis 10 bar liegt. Der benötigte Einspritzdruck liegt jedoch bei mindestens 200 bar.As an alternative to natural gas, hydrogen can also be used as fuel, the compression of hydrogen being even more complex since the supply pressure is only around 4 to 10 bar. However, the required injection pressure is at least 200 bar.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik soll ein Einstoffinjektor für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem, angegeben werden, der eine weniger komplexe Systemkonfiguration ermöglicht. Dies gilt insbesondere in Bezug auf ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Denn bei einem derartigen System hängt die Komplexität vorrangig vom Gasdruck ab. Da ein hoher Gasdruck den Wärmehaushalt beeinflusst, wäre unter diesem Gesichtspunkt ein niedriger Gasdruck wünschenswert. Für die Einspritzung wird jedoch ein hoher Gasdruck benötigt.On the basis of the prior art mentioned above, a single-fuel injector for an injection system, in particular a fuel injection system, is to be specified which enables a less complex system configuration. This applies in particular to an injection system for injecting a gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. Because in such a system, the complexity depends primarily on the gas pressure. Since a high gas pressure influences the heat balance, a low gas pressure would be desirable from this point of view. However, a high gas pressure is required for the injection.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Zielkonflikt zu lösen. Insbesondere soll mit möglichst einfachen Mitteln der benötigte Einspritzdruck bereitgestellt werden können.The object of the invention is to solve this conflict of objectives. In particular, it should be possible to provide the required injection pressure with the simplest possible means.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Einstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben.To achieve the object, the single-substance injector with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums vorgeschlagene Einstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung, wobei die Düsennadel gegen eine Feder öffnet und/oder einen mit einem Steuermedium beaufschlagbaren Steuerraum begrenzt, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils entlastbar ist, so dass ein an der Düsennadel anliegender Steuerdruck veränderbar ist, um die Düsennadel zu betätigen. Erfindungsgemäß ist in einem Zulaufpfad für das Medium eine Druckverstärkungseinrichtung zur Anhebung des Drucks im Zulaufpfad angeordnet.The single-substance injector proposed for injecting a liquid or gaseous medium comprises a stroke-movable nozzle needle for opening and closing at least one injection opening, the nozzle needle opening against a spring and / or delimiting a control space that can be acted upon by a control medium and which can be relieved depending on the switching position of a control valve , so that a control pressure applied to the nozzle needle can be changed in order to actuate the nozzle needle. According to the invention, a pressure booster device for increasing the pressure in the inlet path is arranged in an inlet path for the medium.
Durch die mit Hilfe der Druckverstärkungseinrichtung injektorinterne oder zumindest injektornahe Druckanhebung kann der Systemdruck abgesenkt werden, so dass eine weniger komplexe Systemkonfiguration gewählt werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei dem System um ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, handelt. Der Einspritzdruck beim Einspritzen bzw. Einblasen von Erdgas kann bis zu 500 bar betragen. Sollen diese systemseitig zur Verfügung gestellt werden, beeinflusst der hohe Gasdruck die Systemkonfiguration, da alle Komponenten auf den hohen Gasdruck hin ausgelegt werden müssen. Darüber hinaus steigen mit dem Gasdruck die Anforderungen an den Wärmehaushalt des Systems.The system pressure can be reduced by the pressure increase inside the injector or at least close to the injector with the aid of the pressure booster, so that a less complex pressure System configuration can be selected. This is particularly true if the system is a fuel injection system for a gaseous fuel, for example natural gas or hydrogen. The injection pressure when injecting or blowing in natural gas can be up to 500 bar. If these are to be made available by the system, the high gas pressure influences the system configuration, since all components must be designed for the high gas pressure. In addition, the demands on the heat balance of the system increase with the gas pressure.
Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Einstoffinjektors kann der Gasdruck im System niedrig gehalten und erst im Injektor oder in der Nähe des Injektors auf den erforderlichen Wert angehoben werden. Entsprechend verringert sich die Komplexität des Einspritzsystems.When using a single-substance injector according to the invention, the gas pressure in the system can be kept low and only raised to the required value in the injector or in the vicinity of the injector. The complexity of the injection system is correspondingly reduced.
Der erfindungsgemäße Einstoffinjektor ist jedoch nicht auf die Anwendung als Kraftstoffinjektor beschränkt. Er kann auch der Einspritzung anderer flüssiger oder gasförmiger Medien dienen. Beispielsweise kann er zum Einspritzen von Wasser oder einen anderen Betriebs- und/oder Hilfsstoff eingesetzt werden.However, the single-substance injector according to the invention is not restricted to use as a fuel injector. It can also be used to inject other liquid or gaseous media. For example, it can be used to inject water or another operating and / or auxiliary substance.
Bevorzugt ist der Zulaufpfad für das Medium über einen Verstärkerraum der Druckverstärkungseinrichtung geführt, der von einem axial beweglichen Kolben begrenzt ist, so dass über die axiale Lage des Kolbens das Volumen des Verstärkerraums veränderbar ist. Taucht der Kolben in den Verstärkerraum ein, verkleinert sich dessen Volumen, was einen Druckanstieg im Verstärkerraum zur Folge hat. Entsprechend ändert sich der Druck im Zulaufpfad.The feed path for the medium is preferably guided via a booster chamber of the pressure booster device, which is delimited by an axially movable piston, so that the volume of the booster chamber can be changed via the axial position of the piston. If the piston dips into the booster chamber, its volume is reduced, which results in an increase in pressure in the booster chamber. The pressure in the feed path changes accordingly.
Der Zulaufpfad für das einzuspritzende Medium kann innerhalb und außerhalb des Injektors liegende Abschnitte umfassen, so dass auch die Druckverstärkungseinrichtung innerhalb oder außerhalb des Injektors angeordnet sein kann. Die bevorzugte Anordnung hängt insbesondere von den jeweiligen Bauraumverhältnissen ab. Sofern der Bauraum im Injektor zur Aufnahme der Druckverstärkungseinrichtung nicht ausreicht, kann diese außerhalb des Injektors angeordnet werden. Die Anordnung erfolgt in diesem Fall bevorzugt injektornah, um Druckverluste zu vermeiden.The feed path for the medium to be injected can comprise sections located inside and outside the injector, so that the pressure booster device can also be arranged inside or outside the injector. The preferred arrangement depends in particular on the respective installation space conditions. If the installation space in the injector is not sufficient to accommodate the pressure booster device, it can be arranged outside the injector. In this case, the arrangement is preferably close to the injector in order to avoid pressure losses.
Bei einer Integration der Druckverstärkungseinrichtung in den Injektor ist vorteilhafterweise der Kolben parallel oder koaxial zur Düsennadel angeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders kompakt bauende Anordnung erzielt werden. Bei einer Anordnung der Druckverstärkungseinrichtung außerhalb des Injektors kann der Kolben beliebig orientiert werden.When the pressure booster device is integrated into the injector, the piston is advantageously arranged parallel or coaxially to the nozzle needle. In this way, a particularly compact arrangement can be achieved. If the pressure booster device is arranged outside the injector, the piston can be oriented as desired.
Des Weiteren bevorzugt begrenzt der Kolben an seinem dem Verstärkerraum abgewandten Ende einen Druckraum, der über ein Steuerventil und/oder eine Zulaufdrossel mit einem Druckmittel beaufschlagbar ist und über ein Steuerventil und/oder eine Ablaufdrossel mit einem Rücklauf für das Druckmittel verbindbar ist. Durch Druckbeaufschlagung bzw. Entlastung des Druckraums kann somit der Kolben hin und her bewegt werden. Als Druckmittel kann beispielsweise das Steuermedium verwendet werden, mit dem auch der über der Düsennadel angeordnete Steuerraum beaufschlagt wird, so dass nur ein Druckmittel bzw. Steuermedium vorgehalten werden muss. Bei dem Steuermedium kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Kraftstoff oder eine sonstige Hydraulikflüssigkeit handeln. Sofern der Zulauf von Druckmittel in den Druckraum und/oder der Ablauf von Druckmittel aus dem Druckraum über ein Steuerventil steuerbar ist, kann es sich hierbei um ein zusätzliches Steuerventil oder um das Steuerventil des Injektors handeln. Im letztgenannten Fall kann mit nur einem Steuerventil die Hubbewegung der Düsennadel sowie die Bewegung des Kolbens der Druckverstärkungseinrichtung gesteuert werden. Die Druckverstärkungseinrichtung ist dann bevorzugt in den Injektor integriert, so dass keine zusätzliche Druckleitung benötigt wird.Furthermore, the piston preferably delimits a pressure chamber at its end facing away from the booster chamber, which can be acted upon by a pressure medium via a control valve and / or an inlet throttle and can be connected to a return for the pressure medium via a control valve and / or an outlet throttle. The piston can thus be moved back and forth by pressurizing or relieving the pressure chamber. The control medium, with which the control chamber arranged above the nozzle needle is also acted upon, can be used as the pressure medium, so that only one pressure medium or control medium has to be kept available. The control medium can be, for example, a liquid fuel or some other hydraulic fluid. If the inflow of pressure medium into the pressure chamber and / or the outflow of pressure medium from the pressure chamber can be controlled via a control valve, this can be an additional control valve or the control valve of the injector. In the latter case, the stroke movement of the nozzle needle and the movement of the piston of the pressure booster can be controlled with just one control valve. The pressure booster device is then preferably integrated into the injector, so that no additional pressure line is required.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung als Stufenkolben ausgeführt. Das heißt, dass der Kolben Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Kolbenquerschnittsflächen besitzt, so dass über das Flächenverhältnis der jeweiligen Kolbenquerschnittsflächen ein Übersetzungsverhältnis der Druckverstärkungseinrichtung einstellbar ist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Druckverstärkungseinrichtung gesteigert werden. Durch die Ausführung als Stufenkolben bildet der Kolben einen ringförmigen Absatz aus, der einen Ringraum begrenzt. Das Volumen des Ringraums kann beispielsweise als Druckausgleichsvolumen dienen. Der Ringraum ist hierzu bevorzugt an einen Rücklauf des Injektors angeschlossen, in dem Rücklaufdruck, das heißt Niederdruck herrscht.According to a preferred embodiment of the invention, the piston of the pressure booster device is designed as a stepped piston. This means that the piston has sections with different diameters or piston cross-sectional areas, so that a transmission ratio of the pressure booster device can be set via the area ratio of the respective piston cross-sectional areas. In this way, the efficiency of the pressure booster can be increased. Because it is designed as a stepped piston, the piston forms an annular shoulder which delimits an annular space. The volume of the annular space can, for example, serve as a pressure equalization volume. For this purpose, the annular space is preferably connected to a return of the injector, in which return pressure, that is to say low pressure, prevails.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringraum in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens mit dem oberhalb der Düsennadel ausgebildeten Steuerraum verbindbar ist. Die aus dem Steuerraum abgeführte Steuermenge wird demnach über den Ringraum der Druckverstärkungseinrichtung dem Rücklauf zugeführt, vorausgesetzt, dass der Kolben die Verbindung freigibt. Am ringförmigen Absatz des Kolbens ist hierzu bevorzugt eine Steuerkante ausgebildet.In a further development of the invention, it is proposed that the annular space can be connected to the control space formed above the nozzle needle as a function of the axial position of the piston. The control quantity discharged from the control chamber is accordingly fed to the return line via the annular chamber of the pressure booster, provided that the piston releases the connection. For this purpose, a control edge is preferably formed on the annular shoulder of the piston.
Vorteilhafterweise ist der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung an einer Rückstellfeder abgestützt. Die Rückstellfeder erleichtert die Rückstellung des Kolbens in seine Ausgangslage. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Kolben annähernd druckausgeglichen ist. Die Rückstellfeder ist vorzugsweise als Druckfeder, beispielsweise als Schraubendruckfeder, ausgebildet und im Verstärkerraum aufgenommen.The piston of the pressure booster device is advantageously supported on a return spring. The return spring makes that easier Return the piston to its original position. This is particularly advantageous when the piston is approximately pressure-balanced. The return spring is preferably designed as a compression spring, for example as a helical compression spring, and is accommodated in the booster chamber.
Um einen Druckaufbau im Verstärkerraum der Druckverstärkungseinrichtung zu ermöglichen, wird ferner vorgeschlagen, dass im Zulaufpfad für das Medium stromaufwärts der Druckverstärkungseinrichtung ein Rückschlagventil angeordnet, das entgegen der Zulaufrichtung sperrt.In order to enable a pressure build-up in the booster chamber of the pressure booster, it is further proposed that a check valve be arranged in the supply path for the medium upstream of the pressure booster, which locks against the supply direction.
Ferner bevorzugt ist ein weiteres Rückschlagventil im Zulaufpfad für das Medium stromabwärts der Druckverstärkungseinrichtung angeordnet, das ebenfalls entgegen der Zulaufrichtung sperrt. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei einer Rückstellung des Kolbens der Druckverstärkungseinrichtung - und einer damit einhergehenden Volumenvergrößerung des Verstärkerraums - bereits verdichtetes Medium aus dem weiter stromabwärts angeordneten Bereich des Zulaufpfads rückgesaugt wird.Furthermore, a further check valve is preferably arranged in the inlet path for the medium downstream of the pressure booster, which also blocks against the inlet direction. In this way it is prevented that when the piston of the pressure booster device is reset - and an accompanying increase in volume of the booster chamber - already compressed medium is sucked back from the area of the inlet path further downstream.
Wie eingangs bereits erwähnt, kann die vorgeschlagene Druckverstärkungseinrichtung in einem Abschnitt des Zulaufpfads angeordnet sein, der innerhalb oder außerhalb des Injektors verläuft. Die Anordnung hängt insbesondere von den vorhandenen Bauraumverhältnissen ab. Bei einer Anordnung außerhalb des Injektors ist eine injektornahe Anordnung vorzuziehen, da andernfalls die Leitungsführung zu einem erhöhten Aufwand führt.As already mentioned at the beginning, the proposed pressure booster device can be arranged in a section of the feed path which runs inside or outside the injector. The arrangement depends in particular on the available space. In the case of an arrangement outside the injector, an arrangement close to the injector is to be preferred, since otherwise the line routing leads to increased expenditure.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Einspritzsystem zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums umfasst mindestens einen Tank für das einzuspritzende Medium sowie einen erfindungsgemäßen Einstoffinjektor. Der erfindungsgemäße Einstoffinjektor ermöglicht eine Vereinfachung des Einspritzsystems, da die Druckverstärkungseinrichtung die sonst üblichen Systemkomponenten zur Hochdruckbeaufschlagung ersetzt.The injection system also proposed for injecting a liquid or gaseous medium comprises at least one tank for the medium to be injected and a single-substance injector according to the invention. The single-substance injector according to the invention enables the injection system to be simplified, since the pressure booster device replaces the otherwise customary system components for applying high pressure.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems mit einem erfindungsgemäßen Einstoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 a) bisc ) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch die Druckverstärkungseinrichtung des Einstoffinjektors der1 , -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einstoffinjektors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, -
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einstoffinjektors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, -
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einstoffinjektors gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und -
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Einstoffinjektors gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a schematic representation of an injection system with a single-substance injector according to the invention according to a first preferred embodiment, -
2 a) toc ) in each case a schematic longitudinal section through the pressure boosting device of the single-substance injector of1 , -
3rd a schematic representation of a single-substance injector according to the invention according to a second preferred embodiment, -
4th a schematic representation of a single-substance injector according to the invention according to a third preferred embodiment, -
5 a schematic representation of a single-substance injector according to the invention according to a fourth preferred embodiment and -
6th a schematic representation of a single-substance injector according to the invention according to a fifth preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der schematischen Darstellung der
In Abhängigkeit von der Art des einzuspritzenden Kraftstoffs, kann dieser in einem oder mehreren Tanks
Unter I. sind beispielhaft mehrere Tanks
Unter II. ist ein Tieftemperatur-Tank
Unter III. ist ein Hochdruck-Tank
Über den Zulaufpfad
Die Funktionsweise der Druckverstärkungseinrichtung
In der
Zum Verdichten von Kraftstoff, der über den Zulaufpfad
Wird anschließend, wie in der
Der Kolben
Der
Eine Abwandlung der Ausführungsform der
Eine Weiterbildung der Ausführungsform der
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- Erdgas (engl.: „Natural Gas“, NG) handeln, das in flüssiger Form (engl.: „Liquefied Natural Gas“, LNG) oder als Gas (engl.: „Compressed Natural Gas“, CNG) [0003]Trade natural gas, which is in liquid form (Liquefied Natural Gas, LNG) or as gas ("Compressed Natural Gas", CNG) [0003]
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