DE102019219441A1

DE102019219441A1 - Zweistoffinjektor

Info

Publication number: DE102019219441A1
Application number: DE102019219441.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kuegler; Dieter Blatterer; Roland Mitter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN111502879A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor zum Einspritzen zweier unterschiedlicher Medien, umfassend zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln (1, 2) zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen (3, 4), wobei jeder Düsennadel (1, 2) ein mit einem Steuermedium beaufschlagbarer Steuerraum (5, 6) zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils (7, 8) entlastbar ist, so dass ein an der Düsennadel (1, 2) anliegender Steuerdruck veränderbar ist, um die jeweilige Düsennadel (1, 2) zu betätigen. Erfindungsgemäß ist in einem Zulaufpfad (9) des ersten Mediums eine Druckverstärkungseinrichtung (10) angeordnet, so dass der Druck im Zulaufpfad (9) des ersten Mediums anhebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Mit Hilfe des Zweistoffinjektors lassen sich zwei unterschiedliche Medien, wie beispielsweise ein flüssiger und ein gasförmiger Kraftstoff oder Kraftstoff und Wasser, getrennt voneinander einspritzen. In den beispielhaft genannten Fällen erfolgt die Einspritzung in einen Brennraum oder in einen dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Der Zweistoffinjektor weist hierzu zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen auf.
Stand der Technik
Ein Zweistoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 221 543 A1 hervor. Der bekannte Injektor dient der Einspritzung eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Er umfasst ein in einer zentralen Bohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommenes erstes Ventilglied und ein in einer zentralen Bohrung des ersten Ventilglieds hubbeweglich aufgenommenes zweites Ventilglied. Jedem Ventilglied ist ein Steuerraum zugeordnet, der über eine Zulaufdrossel mit flüssigem Brennstoff beaufschlagbar und über ein Ventil entlastbar ist. Zur Vereinfachung des Aufbaus des Injektors sind beide Ventile hintereinander geschaltet und mittels eines gemeinsamen Aktors betätigbar. Der eine Aktor reduziert die Teilezahl und damit den Fertigungs- bzw. Montageaufwand. Durch das Hintereinanderschalten der beiden Ventile bleibt dabei weiterhin gewährleistet, dass beide Ventilglieder des Injektors zeitlich versetzt zueinander geöffnet werden können, um eine Piloteinspritzung mit flüssigem Brennstoff und eine nachfolgende Haupteinspritzung mit gasförmigem Brennstoff vornehmen zu können.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik soll ein Zweistoffinjektor für ein Medienversorgungssystem, insbesondere Kraftstoffversorgungssystem, angegeben werden, der eine Verringerung der Komplexität der Systemkonfiguration ermöglicht. Dies gilt insbesondere in Bezug auf ein Kraftstoffversorgungssystem, das der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff dient. Bei einem derartigen System hängt die Komplexität unter anderem vom Gasdruck ab, da ein hoher Gasdruck den Wärmehaushalt beeinflusst. Unter diesem Gesichtspunkt wäre demnach ein niedriger Gasdruck wünschenswert. Für die Einspritzung wird jedoch ein hoher Gasdruck benötigt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Zielkonflikt zu lösen.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Zweistoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Der zum Einspritzen zweier unterschiedlicher Medien vorgeschlagene Zweistoffinjektor umfasst zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen. Jeder Düsennadel ist dabei ein mit einem Steuermedium beaufschlagbarer Steuerraum zugeordnet, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils entlastbar ist, so dass ein an der Düsennadel anliegender Steuerdruck veränderbar ist, um die jeweilige Düsennadel zu betätigen. Erfindungsgemäß ist in einem Zulaufpfad des ersten Mediums eine Druckverstärkungseinrichtung angeordnet, so dass der Druck im Zulaufpfad des ersten Mediums anhebbar ist.
Durch die injektorinterne oder 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 Kraftstoffversorgungssystem für einen gasförmigen, beispielsweise Erdgas, und einen flüssigen Kraftstoff handelt. Zum Beispiel kann es sich bei dem System um ein NGDI-System handeln, wobei „NGDI“ für „Natural Gas Direct Injection“ steht.
Bei einem NGDI-System beträgt der Systemdruck bzw. der zum Einspritzen/Einblasen erforderliche Gasdruck in der Regel 500 bar. 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.
Wird in einem solchen System ein Zweistoffinjektor gemäß der Erfindung verwendet, 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 Kraftstoffversorgungssystems. Bei dem ersten Medium handelt es sich in diesem Fall um den gasförmigen Kraftstoff bzw. um Erdgas.
Der erfindungsgemäße Zweistoffinjektor ist jedoch nicht auf die Anwendung als NGDI-Injektor oder als Dual-Fuel-Injektor beschränkt. Er kann auch in anderen Versorgungsystemen zum Einsatz gelangen, die der Versorgung bzw. Einspritzung zweier unterschiedlicher Medien dienen. Als weiteres Anwendungsbeispiel kann beispielhaft die Einspritzung von Kraftstoff und Wasser genannt werden. Bei dem Kraftstoff, insbesondere gasförmigen Kraftstoff, kann es sich beispielsweise auch um Wasserstoff handeln.
Bevorzugt umfasst die Druckverstärkungseinrichtung des vorgeschlagenen Zweistoffinjektors einen im Zulaufpfad des ersten Mediums angeordneten Verstärkerraum und einen den Verstärkerraum begrenzenden Kolben, so dass über die axiale Lage des Kolbens das Volumen des Verstärkerraums veränderbar ist. Fährt der Kolben tiefer in den Verstärkerraum ein, verkleinert sich dessen Volumen, was einen Druckanstieg im Verstärkerraum zur Folge hat. Auf diese Weise kann der Druck im Zulaufpfad des ersten Mediums angehoben werden.
Der Zulaufpfad des ersten Mediums umfasst innerhalb und außerhalb des Injektors liegende Abschnitte, 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 auch außerhalb des Injektors angeordnet werden. Die Anordnung erfolgt in diesem Fall bevorzugt injektornah, um etwaige Druckverluste auf dem Weg zum Injektor zu vermeiden.
Bei injektorinterner Anordnung der Druckverstärkungseinrichtung ist vorteilhafterweise der Kolben in der Weise angeordnet, dass er sich parallel zu einer Längsachse A des Zweistoffinjektors, das heißt parallel zur Bewegungsrichtung der beiden Düsennadeln bewegt. Der Kolben kann beispielsweise koaxial in Bezug auf die beiden Düsennadeln angeordnet sein. Bei einer injektornahen Anordnung der Druckverstärkungseinrichtung außerhalb des Injektors kann der Kolben beliebig orientiert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung an seinem dem Verstärkerraum abgewandten Ende einen Druckraum begrenzt, der mit einem Druckmittel, vorzugsweise mit dem Steuermedium, beaufschlagbar ist. Der Druck im Druckraum ist somit veränderbar und kann zur Betätigung des Kolbens eingesetzt werden. In Abhängigkeit vom Druck im Druckraum ist demnach die axiale Lage des Kolbens veränderbar.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kolben als Stufenkolben ausgeführt ist. 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 die Druckverstärkung weiter erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Druckverstärkungseinrichtung steigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung einen den Verstärkerraum begrenzenden ersten Abschnitt und einen den Druckraum begrenzenden zweiten Abschnitt auf, der gegenüber dem ersten Abschnitt einen vergrößerten Durchmesser besitzt, so dass ein ringförmiger Absatz ausgebildet wird, der einen weiteren Druckraum begrenzt. Der Druck im weiteren Druckraum bewirkt eine den Kolben beaufschlagende Druckkraft, die entgegen der Stellkraft im ersten Druckraum wirkt. Über die Druckdifferenz in den beiden Druckräumen kann somit die Bewegung des Kolbens gesteuert bzw. die Druckverstärkungseinrichtung betätigt werden.
Bevorzugt ist der weitere Druckraum über eine Zulaufdrossel mit dem Steuermedium beaufschlagbar und über eine Ablaufdrossel in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils entlastbar. Die Drosselabstimmung ist vorzugsweise derart gewählt, dass über die ständig geöffnete Zulaufdrossel weniger Steuermedium in den weiteren Druckraum nachströmt, als über die Ablaufdrossel bei geöffnetem Steuerventil aus dem weiteren Druckraum abströmt. Der Druck im weiteren Druckraum fällt dann soweit ab, dass auf den Kolben eine resultierende Kraft wirkt, die den Kolben tiefer in den Verstärkerraum eintauchen lässt. Die Betätigung der Druckverstärkungseinrichtung kann somit in einfacher Weise über den jeweils beidseits am Kolben anliegenden Druck gesteuert werden.
Zur Beaufschlagung der beiden Druckräume mit dem Steuermedium sind beide Druckräume mit einem Zulauf für das Steuermedium verbunden. Bleibt das Steuerventil, das den Druck im weiteren Druckraum steuert, geschlossen, stellt sich in beiden Druckräumen der gleiche Druck ein. Der Kolben ist demnach bei geschlossenem Steuerventil im Wesentlichen druckausgeglichen.
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 druckausgeglichen ist. Die Rückstellfeder ist vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet und im weiteren Druckraum aufgenommen.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der weitere Druckraum der Druckverstärkungseinrichtung über einen Verbindungskanal mit dem Steuerraum zur Steuerung der Hubbewegung der ersten Düsennadel verbunden ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der Steuerdruck im Steuerraum über der ersten Düsennadel und der Druck im weiteren Druckraum der Druckverstärkungseinrichtung über ein gemeinsames Steuerventil gesteuert werden können. Entsprechend vereinfacht sich der Aufbau des Zweistoffinjektors.
Um bei einer Rückstellung des Kolbens der Druckverstärkungseinrichtung - und einer damit einhergehenden Volumenvergrößerung des Verstärkerraums - ein Rücksaugen von Medium aus dem weiter stromabwärts angeordneten Bereich des Zulaufpfads zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass im Zulaufpfad des ersten Mediums, und zwar stromaufwärts der Druckverstärkungseinrichtung, ein Rückschlagventil angeordnet ist, das entgegen der Zulaufrichtung sperrt.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung einen den Verstärkerraum begrenzenden ersten Abschnitt und einen den Druckraum begrenzenden zweiten Abschnitt auf, der gegenüber dem ersten Abschnitt einen verringerten Durchmesser besitzt, so dass ein ringförmiger Absatz ausgebildet wird, der einen weiteren Druckraum begrenzt. Entgegen der zuvor beschriebenen Ausführungsform wirkt der Druck im weiteren Druckraum der Stellkraft im ersten Druckraum nicht entgegen, sondern bildet ein Druckausgleichsvolumen aus. Der weitere Druckraum ist hierzu bevorzugt an einen Rücklauf für das Steuermedium angebunden, so dass im weiteren Druckraum Rücklaufdruck herrscht. Wird Dieselkraftstoff als Steuermedium verwendet, beträgt der Rücklaufdruck in der Regel nicht mehr als 10 bar. Die Betätigung des Kolbens wird demzufolge über den Druck im ersten Druckraum gesteuert bzw. über die Druckdifferenz zwischen dem Druck im ersten Druckraum und dem Druck im Verstärkerraum. Zum Verdichten des im Verstärkerraum vorhandenen ersten Mediums wird der Druck im ersten Druckraum angehoben, so dass der Kolben der Druckverstärkungseinrichtung tiefer in den Verstärkerraum eintaucht. Zur Druckanhebung im ersten Druckraum wird dieser mit einem Steuermedium beaufschlagt, vorzugsweise mit dem gleichen Steuermedium, das auch die Hubbewegungen der Düsennadeln steuert.
Der Zulauf in den ersten Druckraum wird vorzugsweise über ein Steuerventil und/oder eine Zulaufdrossel gesteuert. Die Entlastung des ersten Druckraums kann über eine Ablaufdrossel und/oder ein Steuerventil bewirkt werden. Dabei bedarf es nur eines Steuerventils, mit dessen Hilfe entweder der Zulauf in den ersten Druckraum oder der Ablauf aus dem ersten Druckraum gesperrt werden kann. Als Steuerventil eignet sich insbesondere ein 3/2- oder ein 3/3-Wegeventil. Das 3/2-Wegeventil ermöglicht eine Anordnung der Druckverstärkungseinrichtung außerhalb des Injektors. Das 3/3-Wegeventil weist den Vorteil auf, dass -je nach Verschaltung mit den im Injektor ausgebildeten Steuerräumen - die Anzahl der Steuerventile insgesamt reduziert werden kann.
Der am Kolben der Druckverstärkungseinrichtung ausgebildete Absatz kann zugleich eine Steuerkante ausbilden, die in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens einen Entlastungspfad freigibt oder verschließt. Der Entlastungspfad dient der Entlastung des der ersten Düsennadel zugeordneten Steuerraums, so dass dieser schneller entlastet wird und die erste Düsennadel schneller öffnet. Die Anbindung des Steuerraums an den Entlastungspfad erfolgt vorzugsweise über die dem Steuerraum zugeordnete Ablaufdrossel.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform in Kombination mit einem Einspritzsystem,
4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
5 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform,
6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform,
7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zweistoffinjektor gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform und
8 schematische Darstellung der Druck- und Nadelhubverläufe.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der schematischen Darstellung der 1 ist ein erfindungsgemäßer Zweistoffinjektor zu entnehmen, der beispielsweise als NGDI-Injektor einsetzbar ist. Der Zweistoffinjektor weist einen Düsenkörper 23 auf, in welchem zwei koaxial angeordnete und ineinander geführte Düsennadeln 1, 2 aufgenommen sind. Die äußere Düsennadel 1 steuert erste Einspritzöffnungen 3, über die ein erstes Medium, beispielsweise Erdgas, einspritzbar bzw. einblasbar ist. Die erste Düsennadel 1 ist als Hohlnadel ausgeführt. Die innere Düsennadel 2 steuert zweite Einspritzöffnungen 4, über die ein zweites Medium, beispielsweise Dieselkraftstoff, einspritzbar ist. Die innere Düsennadel 2 ist unter Ausbildung eines Zulaufpads 24 für das zweite Medium in der äußeren Düsennadel 1 aufgenommen. Die äußere Düsennadel 1 und der Düsenkörper 23 begrenzen gemeinsam einen Zulaufpfad 9 für das erste Medium.
Bei einem NGDI-Injektor öffnet zunächst die innere Düsennadel 2, um eine Dieselpiloteinspritzung über die Einspritzöffnungen 4 vorzunehmen, mittels welcher der nachfolgend über die Einspritzöffnungen 3 eingespritzte gasförmige Kraftstoff gezündet werden kann.
Zum Öffnen der inneren Düsennadel 2 wird mit Hilfe eines Steuerventils 8 der Steuerdruck in einem zylinderförmigen Steuerraum 6 oberhalb der inneren Düsennadel 2 abgesenkt, so dass mit sinkendem Steuerdruck im Steuerraum 6 die innere Düsennadel 2 zu öffnen vermag. Bei geöffnetem Steuerventil 8 strömt ein im Steuerraum 6 vorhandenes Steuermedium, wobei es sich vorliegend um das zweite Medium handelt, über eine Ablaufdrossel 22 ab, während über eine Zulaufdrossel 21 Medium nachströmt. Die zulaufende Menge ist jedoch geringer als die Menge die abströmt, so dass der Steuerdruck im Steuerraum 6 sinkt und sich die innere Düsennadel 2 nach oben bewegt.
Zum Öffnen der äußeren Düsennadel 1 wird mit Hilfe eines weiteren Steuerventils (nicht dargestellt) der Steuerdruck in einem ringförmigen Steuerraum 5 oberhalb der äußeren Düsennadel 1 abgesenkt. Mit sinkendem Steuerdruck im Steuerraum 5 vermag die äußere Düsennadel 1 zu öffnen.
Zum Schließen der beiden Düsennadeln 1, 2 wird der Steuerdruck in den jeweiligen Steuerräumen 5, 6 durch Schließen der Steuerventile wieder angehoben.
Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Zweistoffinjektor weist zur Verstärkung des Drucks des ersten Mediums eine Druckverstärkungseinrichtung 10 auf, die einen im Zulaufpfad 9 angeordneten Verstärkerraum 11 und einen den Verstärkerraum 11 begrenzenden Kolben 12 umfasst. Der Zulaufpfad 9 des ersten Mediums verläuft demnach über den Verstärkerraum 11. Der Kolben 12 ist vorliegend als Stufenkolben ausgeführt. Zur Begrenzung des Verstärkerraums 11 dient ein erster Abschnitt 12.1, der gegenüber einem zweiten Abschnitt 12.2 zur Begrenzung eines oberhalb des Kolbens 12 angeordneten Druckraums 13 einen verringerten Durchmesser bzw. eine verringerte Querschnittsfläche aufweist. Der Kolben 12 bildet somit einen ringförmigen Absatz 14 aus, der auf der dem Druckraum 13 abgewandten Seite des Abschnitts 12.2 einen weiteren Druckraum 15 begrenzt. Die beiden Druckräume 13, 15 sind jeweils an den Zulaufpfad 24 für das zweite Medium angeschlossen, das vorliegend zugleich als Steuermedium dient. Im Unterschied zum ersten Druckraum 13 erfolgt der Anschluss des Weiteren Druckraums 15 über eine Zulaufdrossel 16, so dass der Zulauf gedrosselt wird. Über eine Ablaufdrossel 17, die mittels eines Steuerventils 7 zu- und abschaltbar ist, kann der Steuerdruck im Weiteren Druckraum 15 derart verändert werden, dass auf den Kolben 12 eine resultierende Druckkraft wirkt, die den Kolben 12 nach unten bewegt, so dass dieser tiefer in den Verstärkerraum 11 eintaucht. Dabei verkleinert der Kolben 12 das Volumen des Verstärkerraums 11, so dass der Druck im Verstärkerraum 11 bzw. im Zulaufpfad 9 des ersten Mediums ansteigt. Auf diese Weise wird eine injektorinterne Druckverstärkung im Zulaufpfad 9 des ersten Mediums bewirkt. Der Zulaufdruck des ersten Mediums außerhalb des Injektors kann somit abgesenkt werden, was beispielsweise bei einem NGDI-Injektor den Vorteil hat, dass die Komplexität der Systemkonfiguration verringert wird. Die injektorinterne Druckverstärkung wirkt sich zudem positiv auf den Wärmehaushalt des Systems aus.
Die Bewegung des Kolbens 12 wird entgegen der Federkraft einer als Rückstellfeder 18 dienenden Druckfeder bewirkt. Die Druckfeder unterstützt somit die Rückstellung des Kolbens 12, wenn das Steuerventil 7 geschlossen wird und der Druck im Weiteren Druckraum 15 wieder ansteigt. Denn mit Schließen des Steuerventils 7 kann kein Steuermedium mehr über die Ablaufdrossel 22 aus dem weiteren Druckraum 15 abströmen, sondern nur noch über die Zulaufdrossel 21 zuströmen. In der Folge bewegt sich der Kolben 12 wieder nach oben, wobei er sich aus dem Verstärkerraum 11 zurückzieht, so dass sich das Volumen des Verstärkerraums 11 wieder vergrößert. Um zu verhindern, dass hierbei ein Teil des im Zulaufpfad 9 vorhandenen ersten Mediums rückgesaugt wird, ist stromaufwärts des Verstärkerraums 11 ein Rückschlagventil 20 im Zulaufpfad 9 angeordnet.
Der 2 ist eine Weiterbildung des Zweistoffinjektors der 1 zu entnehmen. Dadurch, dass der Zweistoffinjektor der 2 zusätzlich einen Verbindungskanal 19 aufweist, der den weiteren Druckraum 15 der Druckverstärkungseinrichtung 10 mit dem ringförmigen Steuerraum 5 oberhalb der äußeren Düsennadel 1 verbindet, kann das Steuerventil 7 nicht nur zur Betätigung der Druckverstärkungseinrichtung, sondern ferner zur Steuerung der Hubbewegungen der äußeren Düsennadel 1 eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Komplexität des Zweistoffinjektors verringert werden.
In der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zweistoffinjektors in Kombination mit einem Einspritzsystem dargestellt. Mit Hilfe des dargestellten Zweitstoffinjektors kann ein erstes Medium, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, und ein zweites Medium, beispielsweise Dieselkraftstoff, eingespritzt werden. Das zweite Medium dient vorliegend zugleich als Steuermedium, das die Hubbewegungen der beiden ineinander geführten Düsennadeln des Zweistoffinjektors steuert.
Das erste Medium wird in mindestens einem Tank 25 bevorratet und dem Zweistoffinjektor über einen Zulaufpfad 9 zugeführt. Der Zulaufpfad 9 führt über den Verstärkerraum 11 der in der 3 injektornah (nicht injektorintern) angeordneten Druckverstärkungseinrichtung 10. In Abhängigkeit von der Art des Mediums und/oder der Art der Bevorratung werden an den Tank 25 unterschiedliche Anforderungen gestellt.
Unter I. sind Tanks 25 dargestellt, die in einer Trägerflüssigkeit gebundenen Wasserstoff beinhalten (LOHC = „Liquid Organic Hydrogen Carrier“). In einer nachgeschalteten Dehydriereinheit 26 wird mit Hilfe von Wärme (W) der in der Trägerflüssigkeit gebundene Wasserstoff freigesetzt und mit Hilfe eines Niederdruckverdichters 27 auf ein Druckniveau von etwa 10 bis 50 bar gebracht, bevor der Wasserstoff in den Zulaufpfad 9 eingeleitet wird.
Unter II. ist ein Tieftemperatur-Tank 25' zur Bevorratung von tiefkaltem Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Methan bzw. flüssiges Erdgas (LNG = „Liquefied Natural Gas“), dargestellt. Die Temperatur von Wasserstoff beträgt etwa -250°C, die von Methan etwa -160°C. Der Kraftstoff wird dem Tank 25' mit Hilfe einer Förderpumpe 28 entnommen und auf einen Förderdruck von etwa 200 bar gebracht. Mittels eines nachgeschalteten Wärmetauschers 29 wird der Kraftstoff zudem erwärmt bevor er in den Zulaufpfad 9 gelangt.
Unter III. ist ein Hochdruck-Tank 25" dargestellt, in dem der Kraftstoff unter Druck bevorratet wird. Bei dem Kraftstoff kann es sich wiederum um Wasserstoff, Methan oder Erdgas (CNG = „Compressed Natural Gas“) handeln. Der Betriebsdruck beträgt zwischen 200 und 300 bar.
Das zweite Medium, vorliegend Dieselkraftstoff, wird in einem Tank 30 bevorratet und mittels einer Hochdruckpumpe 31 verdichtet und einem Hochdruckspeicher 32 bzw. Rail zugeführt. Über den Hochdruckspeicher 32 wird der Zweistoffinjektor mit Dieselkraftstoff versorgt. Neben dem dargestellten Zweistoffinjektor können - wie in der 3 angedeutet - weitere Zweistoffinjektoren an den Hochdruckspeicher 32 angeschlossen sein.
Der dem Zweistoffinjektor zugeführte Dieselkraftstoff dient als Zündkraftstoff und als Steuermedium. Die beiden Steuerräume 5, 6 des Zweistoffkraftstoffs sind demnach mit Dieselkraftstoff beaufschlagbar. Der Zulauf erfolgt jeweils über eine Zulaufdrossel 21, 33. Die Entlastung der Steuerräume 5, 6 wird - in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Steuerventile 7, 8 - jeweils über eine Ablaufdrossel 22, 34 bewirkt. Darüber hinaus dient der Dieselkraftstoff der Steuerung der Druckverstärkungseinrichtung 10. Der stirnseitig in Bezug auf den Kolben 12 angeordnete Druckraum 13 wird hierzu in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines weiteren Steuerventils 35 mit Dieselkraftstoff beaufschlagt, so dass auf dem Kolben 12 der Dieseldruck lastet. Dieser ist höher als der Druck im Verstärkerraum 11, so dass auf den Kolben 12 eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Kolben 12 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 18 nach unten drückt. Der Kolben 12 taucht dabei tiefer in den Verstärkerraum 11 ein, so dass sich dessen Volumen verkleinert und das hierin aufgenommene erste Medium verdichtet wird. Ein stromaufwärts der Druckverstärkungseinrichtung 10 im Zulaufpfad 9 angeordnetes erstes Rückschlagventil 20 ermöglicht den Druckaufbau im Verstärkerraum 11. Das verdichtete Medium wird anschließend über ein stromabwärts der Druckverstärkungseinrichtung 10 im Zulaufpfad 9 angeordnetes zweites Rückschlagventil 36 dem Zweistoffinjektor zugeführt. Zur Entlastung des Druckraum 13 ist eine Ablaufdrossel 17 vorgesehen, über welche der Druckraum 13 an einen Rücklauf 37 angebunden ist, der zurück in den Tank 30 führt.
Der Kolben 12 der Druckverstärkungseinrichtung 10 der 3 ist als Stufenkolben ausgeführt, so dass der Kolben 12 einen ersten Kolbenabschnitt 12.1 und einen zweiten Kolbenabschnitt 12.2 aufweist. In der 3 ist der Durchmesser des zweiten Kolbenabschnitts 12.2 kleiner als der des ersten Kolbenabschnitts 12.1 gewählt. Über einen am Kolben 12 ausgebildeten Absatz 14 wird ein weiterer Druckraum 15 begrenzt, der ebenfalls an den Rücklauf 37 angeschlossen ist, so dass im Druckraum 15 Rücklaufdruck herrscht.
Der 4 ist eine Abwandlung der in der 3 dargestellten Ausführungsform zu entnehmen. Das Steuerventil 35 ist hier nicht als 3/2-Wegeventil, sondern als 3/3-Wegeventil ausgeführt. Dadurch kann das Steuerventil 8, das der Entlastung des Steuerraums 6 über der inneren Düsennadel 2 dient, entfallen. Das Steuerventil 35 ist in der Weise ausgelegt, dass in der Grundstellung der Ablauf aus dem Druckraum 13 über die Ablaufdrossel 17 offen und der Zulauf in den Druckraum 13 geschlossen sind. Die äußere Düsennadel 1 wird weiterhin über das Steuerventil 7 betätigt.
Eine weitere Abwandlung ist in der 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform ersetzt das Steuerventil 35 beide Steuerventile 7, 8, so dass die Anzahl der Ventile weiter reduziert wird. Dies erfordert jedoch eine injektorinterne Anordnung der Druckverstärkungseinrichtung 10, da sonst eine zusätzliche Druckleitung benötigt würde.
Eine Abwandlung der Ausführungsform der 5 ist in der 6 dargestellt. Hier bildet der Kolben 12 der Druckverstärkungseinrichtung 10 im Bereich des Absatzes 14 zugleich eine Steuerkante 38 aus, die in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens 12 einen Entlastungspfad 39 freigibt, der über die Ablaufdrossel 34 an den Steuerraum 5 angeschlossen ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der 7 dargestellt. Hier wird die äußere Düsennadel 1 allein über den anliegenden Druck gesteuert. Die Düsennadel 1 öffnet entgegen der Federkraft einer Feder 40 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.
In der 8 sind beispielhaft die Druck- und Nadelhubverläufe für die Ausführungsform gemäß der 4 dargestellt. Das oberste Diagramm zeigt die Druckverläufe in der Druckverstärkungseinrichtung 10, wobei die Kurve K1 den Druck p über die Zeit t im Druckraum 13 und die Kurve K2 den Druck p über die Zeit t im Verstärkerraum 11 wiedergibt.
Die Kurve K3 in den darunter liegenden Diagramm gibt den Zulaufdruck des Dieselkraftstoffs und die Kurve K4 gibt den Zulaufdruck des ersten Mediums im Zulaufpfad 9 wieder. Der Hub h der beiden Düsennadeln 1, 2 ist in dem Diagramm darunter dargestellt, wobei die Kurve K5 den Hub h der inneren Düsennadel 2 und die Kurve 6 den zeitlich versetzten Hub h der äußeren Düsennadel 1 beschreibt. Die Kurven K7 bis K9 geben die Ventilhübe der Steuerventile 7, 8 und 35 wieder.
Das unterste Diagramm zeigt die Eispritzraten, wobei die Kurve K10 die Dieseleinspritzrate und die Kurve K11 die Einspritzrate des ersten Mediums bzw. des Hauptkraftstoffs wiedergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016221543 A1 [0002]

Claims

Zweistoffinjektor zum Einspritzen zweier unterschiedlicher Medien, umfassend zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln (1, 2) zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen (3, 4), wobei jeder Düsennadel (1, 2) ein mit einem Steuermedium beaufschlagbarer Steuerraum (5, 6) zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils (7, 8) entlastbar ist, so dass ein an der Düsennadel (1, 2) anliegender Steuerdruck veränderbar ist, um die jeweilige Düsennadel (1, 2) zu betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zulaufpfad (9) des ersten Mediums eine Druckverstärkungseinrichtung (10) angeordnet ist, so dass der Druck im Zulaufpfad (9) des ersten Mediums anhebbar ist.
Zweistoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverstärkungseinrichtung (10) einen im Zulaufpfad (9) angeordneten Verstärkerraum (11) und einen den Verstärkerraum (11) begrenzenden Kolben (12) umfasst, so dass über die axiale Lage des Kolbens (12) das Volumen des Verstärkerraums (11) veränderbar ist.
Zweistoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) an seinem dem Verstärkerraum (11) abgewandten Ende einen Druckraum (13) begrenzt, der mit einem Druckmittel, vorzugsweise mit dem Steuermedium, beaufschlagbar ist.
Zweistoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) als Stufenkolben ausgeführt ist.
Zweistoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) einen den Verstärkerraum (11) begrenzenden ersten Abschnitt (12.1) und einen den Druckraum (13) begrenzenden zweiten Abschnitt (12.2) aufweist, der gegenüber dem ersten Abschnitt (12.1) einen vergrößerten Durchmesser besitzt, so dass ein ringförmiger Absatz (14) ausgebildet wird, der einen weiteren Druckraum (15) begrenzt.
Zweistoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Druckraum (15) über eine Zulaufdrossel (16) mit dem Steuermedium beaufschlagbar und über eine Ablaufdrossel (17) in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Steuerventils (7) entlastbar ist.
Zweistoffinjektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) bei geschlossenem Steuerventil (7) im Wesentlichen druckausgeglichen ist.
Zweistoffinjektor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) an einer Rückstellfeder (18) abgestützt ist, die vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet und im weiteren Druckraum (15) aufgenommen ist.
Zweistoffinjektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Druckraum (15) über einen Verbindungskanal (19) mit dem Steuerraum (5) zur Steuerung der Hubbewegung der ersten Düsennadel (1) verbunden ist.
Zweistoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulaufpfad (9) des ersten Mediums stromaufwärts der Druckverstärkungseinrichtung (10) ein Rückschlagventil (20) angeordnet ist, das entgegen der Zulaufrichtung sperrt.