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 claim 1. The single-substance injector is used to inject a liquid or gaseous medium, for example fuel. However, it can also be used to inject other media, such as water or other operating and / or auxiliary materials. In this respect, the term “single-substance injector” is not restricted to use as a fuel injector. The invention also relates to an injection system with a single-substance injector according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Ein Einstoffinjektor der eingangs genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 226 070 A1 hervor. Er dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Einstoffinjektor umfasst hierzu eine in einem Düsenkörper hubbeweglich aufgenommene Düsennadel mit einem ersten Endabschnitt, der zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung mit einem Düsenkörpersitz zusammenwirkt, und mit einem zweiten Endabschnitt, der unter Ausbildung eines Steuerraums von einer hin und her beweglichen Schalthülse umgeben ist. Über den Steuerdruck im Steuerraum ist die Düsennadel mit einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt, wobei der Steuerdruck veränderbar ist. Denn in Abhängigkeit von der axialen Lage der Schalthülse wird der Steuerraum mit einem Steuermedium beaufschlagt oder entlastet. Die Schalthülse ist in Richtung eines gehäuseseitigen Dichtsitzes mittels der Federkraft einer im Steuerraum aufgenommenen Feder vorgespannt. Da die Feder andernends an der Düsennadel abgestützt ist, wird die Düsennadel mittels der Federkraft der Feder zugleich gegen den Düsenkörpersitz vorgespannt. Die Düsennadel öffnet somit gegen die hydraulische Schließkraft und die Federkraft der im Steuerraum aufgenommenen Feder.A single-substance injector of the type mentioned at the beginning is based on the laid-open specification as an example DE 10 2015 226 070 A1 emerged. It is used to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. For this purpose, the single-substance injector comprises a nozzle needle that is liftably received in a nozzle body and has a first end section that interacts with a nozzle body seat to open and close at least one injection opening, and with a second end section that is surrounded by a switching sleeve that can move back and forth to form a control chamber. A hydraulic closing force is applied to the nozzle needle via the control pressure in the control chamber, the control pressure being variable. Because depending on the axial position of the switching sleeve, the control chamber is acted upon or relieved of a control medium. The switching sleeve is pretensioned in the direction of a sealing seat on the housing side by means of the spring force of a spring accommodated in the control chamber. Since the spring is supported on the other end of the nozzle needle, the nozzle needle is at the same time pretensioned against the nozzle body seat by means of the spring force of the spring. The nozzle needle thus opens against the hydraulic closing force and the spring force of the spring accommodated in the control chamber.

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 Erdgas (engl.: „Natural Gas“, NG) handeln, das in flüssiger Form (engl.: „Liquefied Natural Gas“, LNG) oder als Gas (engl.: „Compressed Natural Gas“, CNG) an Bord eines Fahrzeugs in geeigneten Tanks mitgeführt wird. Der Tankdruck reicht in der Regel nicht aus, um den benötigten Einspritzdruck zu realisieren, so dass der Kraftstoff mit Hilfe eines in der Regel komplexen Hochdrucksystems erst verdichtet werden muss. Dabei anfallende Leckage- und/oder Steuermengen können häufig nicht in den Tank rückgeführt werden, so dass sie in die Umwelt abgelassen werden, was sich insbesondere dann als nachteilig erweist, wenn es sich dabei um ein Treibhausgas handelt.The injection of fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine requires a certain injection pressure in order to effect an atomization or distribution of the fuel in the combustion chamber that promotes combustion. The injection pressure depends, among other things, on the fuel and its physical state. For example, the fuel can be Trade natural gas, which is in liquid form (Liquefied Natural Gas, LNG) or as gas (Compressed Natural Gas, CNG) is carried on board a vehicle in suitable tanks. The tank pressure is usually not sufficient to achieve the required injection pressure, so that the fuel first has to be compressed with the aid of a usually complex high-pressure system. Leakage and / or control quantities occurring in this case often cannot be returned to the tank, so that they are discharged into the environment, which is particularly disadvantageous when it is a greenhouse gas.

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 claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, the injection system with the features of claim 10 is specified.

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) bis c) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch die Druckverstärkungseinrichtung des Einstoffinjektors der 1,
  • 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.
Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 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) to c ) in each case a schematic longitudinal section through the pressure boosting device of the single-substance injector of 1 ,
  • 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 1 ist ein erfindungsgemäßer Einstoffinjektor 1 zum Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs zu entnehmen, wobei es sich beispielsweise um Wasserstoff oder Erdgas handeln kann. Der Einstoffinjektor 1 weist eine hubbewegliche Düsennadel 1 auf, über deren Hubbewegungen mindestens eine Einspritzöffnung 3 freigebbar oder verschließbar ist. Die Hubbewegungen der Düsennadel 2 werden über einen veränderbaren Steuerdruck in einem Steuerraum 5 gesteuert, der oberhalb der Düsennadel 2 ausgebildet und mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist. Das Steuermedium wird mit Hilfe einer Hochdruckpumpe 23 einem Tank 22 entnommen, auf Hochdruck gefördert und einem Hochdruckspeicher 24 zugeführt. Über eine an den Hochdruckspeicher 24 angeschlossene Druckleitung 13 wird der Einstoffinjektor 1 mit dem Steuermedium versorgt, wobei der Zulauf in den Steuerraum 5 über eine Zulaufdrossel 25 erfolgt. Zum Absenken des Steuerdrucks im Steuerraum 5, ist ein Steuerventil 6 vorgesehen, mittels dessen der über eine Ablaufdrossel 26 führende Ablauf freigebbar ist, so dass der Steuerraum 5 entlastet wird. Die über das Steuerventil 6 abgeführte Steuermenge wird über einen Rücklauf 15 zurück in den Tank 22 geführt. Bei abgesenktem Steuerdruck im Steuerraum 5 vermag die Düsennadel 2 entgegen der Federkraft einer Feder 4 zu öffnen, so dass über die mindestens eine Einspritzöffnung 3 der gasförmige Kraftstoff eingespritzt wird.The schematic representation of the 1 is a single-substance injector according to the invention 1 for injecting a gaseous fuel, which can be hydrogen or natural gas, for example. The single fluid injector 1 has a lifting nozzle needle 1 on, through their stroke movements at least one injection opening 3rd is releasable or lockable. The stroke movements of the nozzle needle 2 are via a variable control pressure in a control room 5 controlled, the one above the nozzle needle 2 is formed and can be acted upon with a control medium. The control medium is with the help of a high pressure pump 23 a tank 22nd taken, promoted to high pressure and a high pressure storage 24 fed. Via one to the high pressure accumulator 24 connected pressure line 13th becomes the single fluid injector 1 supplied with the control medium, the inlet into the control room 5 via an inlet throttle 25th he follows. For lowering the control pressure in the control room 5 , is a control valve 6th provided, by means of which the via an outlet throttle 26th leading flow is releasable so that the control room 5 is relieved. The one via the control valve 6th Discharged tax amount is via a return 15th back in the tank 22nd guided. With reduced control pressure in the control room 5 the nozzle needle can do 2 against the spring force of a spring 4th to open so that via the at least one injection port 3rd the gaseous fuel is injected.

In Abhängigkeit von der Art des einzuspritzenden Kraftstoffs, kann dieser in einem oder mehreren Tanks 21 bevorratet und dem Einstoffinjektor 1 über einen Zulaufpfad 7 zugeführt werden.Depending on the type of fuel to be injected, this can be in one or more tanks 21 in stock and the Einstoffinjektor 1 via an inlet path 7th are fed.

Unter I. sind beispielhaft mehrere Tanks 21 dargestellt, die in einer Trägerflüssigkeit gebundenen Wasserstoff beinhalten (LOHC = „Liquid Organic Hydrogen Carrier“). In einer nachgeschalteten Dehydriereinheit 27 wird mit Hilfe von Wärme (W) der in der Trägerflüssigkeit gebundene Wasserstoff freigesetzt und mit Hilfe eines Niederdruckverdichters 28 auf ein Druckniveau von etwa 10 bis 50 bar gebracht, bevor der Wasserstoff in den Zulaufpfad 7 eingeleitet wird.Several tanks are exemplified under I. 21 shown, which contain hydrogen bound in a carrier liquid (LOHC = "Liquid Organic Hydrogen Carrier"). In a downstream dehydration unit 27 the hydrogen bound in the carrier liquid is released with the help of heat (W) and with the help of a low-pressure compressor 28 brought to a pressure level of about 10 to 50 bar before the hydrogen enters the feed path 7th is initiated.

Unter II. ist ein Tieftemperatur-Tank 21' zur Bevorratung von tiefkaltem Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Methan bzw. flüssiges Erdgas (LNG) dargestellt. Die Temperatur von Wasserstoff beträgt etwa -250°C, die von Methan etwa -160°C. Der Kraftstoff wird dem Tank 21' mit Hilfe einer Förderpumpe 29 entnommen und auf einen Förderdruck von etwa 200 bar gebracht. Mittels eines nachgeschalteten Wärmetauschers 30 wird der Kraftstoff zudem erwärmt bevor er in den Zulaufpfad 7 gelangt.Under II. Is a low temperature tank 21 ' for the storage of cryogenic fuel, for example hydrogen or methane or liquid natural gas (LNG). The temperature of hydrogen is around -250 ° C, that of methane around -160 ° C. The fuel goes to the tank 21 ' with the help of a feed pump 29 removed and brought to a delivery pressure of about 200 bar. By means of a downstream heat exchanger 30th the fuel is also heated before it enters the feed path 7th got.

Unter III. ist ein Hochdruck-Tank 21" dargestellt, in dem der Kraftstoff unter Druck bevorratet wird. Bei dem Kraftstoff kann es sich wiederum um Wasserstoff, Methan oder Erdgas (CNG) handeln. Der Betriebsdruck beträgt zwischen 200 und 300 bar.Under III. is a high pressure tank 21 " shown, in which the fuel is stored under pressure. The fuel can in turn be hydrogen, methane or natural gas (CNG). The operating pressure is between 200 and 300 bar.

Über den Zulaufpfad 7 gelangt der einzuspritzende Kraftstoff in einen Verstärkerraum 9 einer Druckverstärkereinrichtung 8, um den Druck im Zulaufpfad 7 anzuheben. Die Druckverstärkungseinrichtung 8 kann je nach Bauraumverhältnissen in den Einstoffinjektor 1 integriert sein oder außerhalb des Einstoffinjektors 1 angeordnet sein. Der Verstärkerraum 9 wird durch einen hin und her beweglichen Kolben 10 begrenzt, dessen Bewegungen hydraulisch steuerbar sind, wobei die Rückstellung mittels der Federkraft einer im Verstärkerraum 9 aufgenommenen Rückstellfeder 18 unterstützt wird. Andernends begrenzt der Kolben 10 einen Druckraum 11, der über ein Steuerventil 12 mit der Druckleitung 13 verbindbar ist.Via the inlet path 7th the fuel to be injected arrives in a booster room 9 a pressure booster device 8th to check the pressure in the supply path 7th to raise. The pressure booster 8th can be inserted into the single-fluid injector depending on the space available 1 be integrated or outside of the Einstoffinjektor 1 be arranged. The amplifier room 9 is made by a reciprocating piston 10 limited, the movements of which are hydraulically controllable, the resetting by means of the spring force in the booster chamber 9 recorded return spring 18th is supported. The piston limits the other end 10 a pressure room 11 that has a control valve 12th with the pressure line 13th is connectable.

Die Funktionsweise der Druckverstärkungseinrichtung 8 wird nachfolgend anhand der 2a) bis 2c) erläutert.The functioning of the pressure booster 8th is explained below using the 2a) to 2c ) explained.

In der 2a) befindet sich die Druckverstärkungseinrichtung 8 in einem Ruhezustand. Der Zulauf von Steuermedium in den Druckraum 11 ist durch das geschlossene Steuerventil 12 gesperrt. Die Rückstellfeder 18 drückt den Kolben 10 nach oben.In the 2a) the pressure booster is located 8th in an idle state. The inflow of control medium into the pressure chamber 11 is through the closed control valve 12th blocked. The return spring 18th pushes the piston 10 up.

Zum Verdichten von Kraftstoff, der über den Zulaufpfad 7 in den Verstärkerraum 9 der Druckverstärkungseinrichtung 8 gelangt, wird das Steuerventil 12 geöffnet, so dass unter hohem Druck stehendes Steuermedium aus der Druckleitung 13 in den Druckraum 11 strömt. Der Ablauf von Steuermedium aus dem Druckraum 11 wird durch eine Ablaufdrossel 14 behindert (siehe 1), so dass der Druck im Druckraum 11 steigt und eine Druckkraft erzeugt, die den Kolben 10 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 18 nach unten drückt. Dabei taucht der Kolben 10 in den Verstärkerraum 9 ein, so dass sich dessen Volumen verkleinert. In der Folge steigt der Druck im Verstärkerraum 9. Dieser Zustand ist in der 2b) dargestellt. Ein im Zulaufpfad 7 stromaufwärts der Druckverstärkereinrichtung 8 angeordnetes Rückschlagventil 19 ermöglicht den Druckaufbau im Verstärkerraum 9.For compressing fuel via the feed path 7th in the amplifier room 9 the pressure booster 8th reaches the control valve 12th opened, so that control medium under high pressure from the pressure line 13th in the printing room 11 flows. The flow of control medium from the pressure chamber 11 is controlled by an outlet throttle 14th disabled (see 1 ) so that the pressure in the pressure chamber 11 rises and creates a compressive force that pushes the piston 10 against the spring force of the return spring 18th pushes down. The piston plunges 10 in the amplifier room 9 so that its volume is reduced. As a result, the pressure in the booster room rises 9 . This state is in the 2 B) shown. One in the inlet path 7th upstream of the pressure booster device 8th arranged check valve 19th allows pressure to build up in the booster room 9 .

Wird anschließend, wie in der 2c) dargestellt, das Steuerventil 12 wieder geschlossen, sinkt der Druck im Druckraum 11 wieder, da Steuermedium abströmt, aber keine neues Steuermedium in den Druckraum 11 gelangt. Die Federkraft der Rückstellfeder 18 vermag nunmehr den Kolben 10 in seine Ausgangsstellung (siehe 2a)) zurückzustellen. Ein im Zulaufpfad 7 stromabwärts der Druckverstärkungseinrichtung 8 angeordnetes weiteres Rückschlagventil 20 verhindert dabei, dass bereits verdichteter Kraftstoff aus dem Zulaufpfad 7 rückgesaugt wird.Then, as in the 2c ), the control valve 12th closed again, the pressure in the pressure chamber drops 11 again, since control medium flows out, but no new control medium into the pressure chamber 11 got. The spring force of the return spring 18th can now use the piston 10 in its starting position (see 2a) ) to reset. One in the inlet path 7th downstream of the pressure booster 8th arranged further check valve 20th prevents already compressed fuel from leaving the feed path 7th is sucked back.

Der Kolben 10 der Druckverstärkungseinrichtung 8 ist vorliegend als Stufenkolben ausgeführt. Er bildet somit einen ringförmigen Absatz 16 aus, der einen Ringraum 17 begrenzt. Der Ringraum 17 ist ebenfalls an dem Rücklauf 15 abgeschlossen, so dass über den Ringraum 17 ein Druckausgleich bei einer Bewegung des Kolbens 10 herstellbar ist.The piston 10 the pressure booster 8th is designed here as a stepped piston. It thus forms an annular shoulder 16 from that an annulus 17th limited. The annulus 17th is also on the return 15th completed so that about the annulus 17th a pressure equalization when the piston moves 10 can be produced.

Der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Einstoffinjektors 1 mit einer Druckverstärkungseinrichtung 8 zu entnehmen. Das Steuerventil 12 ist hier nicht als 3/2-Wegeventil, sondern als 3/3-Wegeventil ausgeführt. Steuerventil 12 ist in der Weise ausgelegt, dass in der Grundstellung der Ablauf aus dem Druckraum 11 über die Ablaufdrossel 14 offen und der Zulauf in den Druckraum 11 geschlossen sind.The 3rd is a further preferred embodiment of a single-substance injector 1 with a pressure booster 8th refer to. The control valve 12th is not designed as a 3/2-way valve, but as a 3/3-way valve. Control valve 12th is designed in such a way that in the basic position the drain from the pressure chamber 11 via the outlet throttle 14th open and the inlet into the pressure chamber 11 are closed.

Eine Abwandlung der Ausführungsform der 3 ist in der 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ersetzt das Steuerventil 12 das Steuerventil 6, über welches eine Entlastung des Steuerraums 5 des Einstoffinjektors 1 bewirkbar ist. Auf diese Weise reduziert sich die Anzahl der Steuerventile. Die Druckverstärkungseinrichtung 8 ist in diesem Fall bevorzugt in den Einstoffinjektor 1 integriert, um den erforderlichen Leitungsaufwand zu reduzieren.A modification of the embodiment of 3rd is in the 4th shown. In this embodiment it replaces the control valve 12th the control valve 6th , via which a relief of the control room 5 of the single-substance injector 1 can be achieved. This reduces the number of control valves. The pressure booster 8th is in this case preferably in the single substance injector 1 integrated in order to reduce the amount of wiring required.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform der 4 ist in der 5 dargestellt. Hier bildet der Kolben 10 der Druckverstärkungseinrichtung 8 im Bereich des Absatzes 16 zugleich eine Steuerkante 31 aus, die in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens 10 einen Entlastungspfad 32 freigibt, der über die Ablaufdrossel 26 an den Steuerraum 5 des Einstoffinjektors 1 angeschlossen ist. Die Entlastung des Steuerraums 5 setzt demnach eine bestimmte axiale Lage des Kolbens 10 der Druckverstärkungseinrichtung 8 voraus.A further development of the embodiment of 4th is in the 5 shown. Here the piston forms 10 the pressure booster 8th in the area of the paragraph 16 at the same time a control edge 31 which depends on the axial position of the piston 10 a relief path 32 releases that via the outlet throttle 26th to the control room 5 of the single-substance injector 1 connected. The relief of the control room 5 therefore sets a certain axial position of the piston 10 the pressure booster 8th ahead.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der 6 dargestellt. Hier wird die Düsennadel 1 allein über den anliegenden Druck gesteuert. Die Düsennadel 1 öffnet entgegen der Federkraft einer weiteren Feder 4' und/oder entgegen einer hydraulischen Kraft, sobald ein entsprechender Druck im Steuerraum 5 aufgebaut ist. Im letztgenannten Fall müssen die an der Düsennadel 1 vorhandenen hydraulischen und pneumatischen Wirkflächen entsprechend dem Druckverhältnis aufeinander abgestimmt sein.Another preferred embodiment is in 6th shown. This is where the nozzle needle becomes 1 controlled solely by the applied pressure. The jet needle 1 opens one against the spring force another spring 4 ' and / or against a hydraulic force as soon as a corresponding pressure in the control room 5 is constructed. In the latter case, they must be on the nozzle needle 1 existing hydraulic and pneumatic active surfaces must be matched to one another according to the pressure ratio.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102015226070 A1 [0002]DE 102015226070 A1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • 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]

Claims (10)

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, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zulaufpfad (7) für das Medium eine Druckverstärkungseinrichtung (8) zur Anhebung des Drucks im Zulaufpfad (7) angeordnet ist.A fuel injector (1) for injecting a liquid or gaseous medium, comprising a stroke-movable nozzle needle (2) for releasing and closing at least one injection opening (3), the nozzle needle (2) opening against a spring (4) and / or one with a control medium loadable control chamber (5), 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), characterized in that in one Inlet path (7) for the medium, a pressure booster device (8) for increasing the pressure is arranged in the inlet path (7). Einstoffinjektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufpfad (7) für das Medium über einen Verstärkerraum (9) der Druckverstärkungseinrichtung (8) geführt ist, der von einem axial beweglichen Kolben (10) begrenzt ist, so dass über die axiale Lage des Kolbens (10) das Volumen des Verstärkerraums (9) veränderbar ist.Einstoffinjektor (1) according to Claim 1 , characterized in that the inlet path (7) for the medium is guided via a booster chamber (9) of the pressure booster device (8) which is delimited by an axially movable piston (10) so that the axial position of the piston (10) the volume of the amplifier room (9) can be changed. Einstoffinjektor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) an seinem dem Verstärkerraum (9) abgewandten Ende einen Druckraum (11) begrenzt, der über ein Steuerventil (6, 12) und/oder eine Zulaufdrossel mit einem Druckmittel, beispielsweise mit dem Steuermedium, beaufschlagbar ist und über ein Steuerventil (6, 12) und/oder eine Ablaufdrossel (14) mit einem Rücklauf (15) für das Druckmittel verbindbar ist.Einstoffinjektor (1) according to Claim 2 , characterized in that the piston (10) at its end facing away from the booster chamber (9) delimits a pressure chamber (11) which can be acted upon by a pressure medium, for example the control medium, via a control valve (6, 12) and / or an inlet throttle and can be connected to a return (15) for the pressure medium via a control valve (6, 12) and / or an outlet throttle (14). Einstoffinjektor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) als Stufenkolben ausgeführt ist und einen ringförmigen Absatz (16) ausbildet, der einen Ringraum (17) begrenzt.Einstoffinjektor (1) according to Claim 2 or 3rd , characterized in that the piston (10) is designed as a stepped piston and forms an annular shoulder (16) which delimits an annular space (17). Einstoffinjektor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (17) in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens (10) mit dem Steuerraum (5) verbindbar ist.Einstoffinjektor (1) according to Claim 4 , characterized in that the annular space (17) can be connected to the control space (5) as a function of the axial position of the piston (10). Einstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) an einer Rückstellfeder (18) abgestützt ist, die vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet und im Verstärkerraum (9) aufgenommen ist.Single-substance injector (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (10) is supported on a return spring (18), which is preferably designed as a compression spring and is received in the booster chamber (9). Einstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulaufpfad (7) für das Medium stromaufwärts der Druckverstärkungseinrichtung (8) ein Rückschlagventil (19) angeordnet ist, das entgegen der Zulaufrichtung sperrt.Single-substance injector (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a non-return valve (19) is arranged in the inlet path (7) for the medium upstream of the pressure booster (8) and blocks against the inlet direction. Einstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulaufpfad (7) für das Medium stromabwärts der Druckverstärkungseinrichtung (8) ein Rückschlagventil (20) angeordnet ist, das entgegen der Zulaufrichtung sperrt.Single-substance injector (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a non-return valve (20) is arranged in the inlet path (7) for the medium downstream of the pressure booster (8) which blocks against the inlet direction. Einstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverstärkungseinrichtung (8) in einem Abschnitt des Zulaufpfads (7) angeordnet ist, der innerhalb oder außerhalb des Injektors (1) verläuft.Single-substance injector (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure booster device (8) is arranged in a section of the feed path (7) which runs inside or outside the injector (1). Einspritzsystem zum Einspritzen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, umfassend mindestens einen Tank (21) für das Medium sowie einen Einstoffinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Injection system for injecting a liquid or gaseous medium, comprising at least one tank (21) for the medium and a single-substance injector (1) according to one of the preceding claims.
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