DE102021203088A1

DE102021203088A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102021203088A1
Application number: DE102021203088.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2022207287A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil (10) zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs (B) in den Brennraum (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem ersten, in einem Hochdruckraum (28) eines Düsenkörpers (14) hubbeweglich angeordneten Einspritzventilglied (20) zum Öffnen und Verschließen wenigstens einer ersten Einspritzöffnung (26), wobei der Hochdruckraum (28) über einen mit einer Hochdruckquelle (38) für den Brennstoff (B) verbindbaren Hochdruckkanal (36) mit dem Brennstoff (B) versorgbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs, insbesondere eines alternativen Brennstoffs, wie beispielsweise Ammoniak.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2015 219 380 A1 der Anmelderin ist ein Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil zeichnet sich durch wenigstens zwei Einspritzventilglieder aus, die voneinander unabhängig einen gleichen oder aber unterschiedliche Brennstoffe in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen können. Hierzu sind die wenigstens zwei Einspritzventilglieder in einem gemeinsamen Düsenkörper des Brennstoffeinspritzventils angeordnet und ggf. mit unterschiedlichen Brennstoffquellen verbunden. Ferner sind die wenigstens zwei Einspritzventilglieder mit jeweils einem eigenen Aktuator gekoppelt, um eine unabhängige Betätigung der Einspritzventilglieder erzielen zu können.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Brennstoffeinspritzventile, insbesondere für selbstzündende Brennkraftmaschinen, bekannt, bei denen die Hubbewegung eines Einspritzventilglieds über einen in einem Steuerraum herrschenden hydraulischen Druck steuerbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der zur Steuerung der Bewegung des ersten Einspritzventilglieds in einem Steuerraum vorhandene Brennstoff nicht in einen Kraftstoffrücklauf einspeist werden muss. Dies ist insbesondere bei der Verwendung alternativer Brennstoffe wie Ammoniak vorteilhaft, da eine derartige Kraftstoffrückführung in der Praxis mit relativ hohem konstruktivem Aufwand verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den in dem Steuerraum vorhandenen Brennstoff zusätzlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen bzw. einzublasen, ohne dass der Brennstoff hierzu über einen Kraftstoff- bzw. Brennstoffrücklauf geführt werden muss.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil vorgesehen, dass das (erste) Einspritzventilglied von einem in einem Steuerraum herrschenden Druck in seine die wenigstens eine (erste) Einspritzöffnung verschließende Position kraftbeaufschlagt ist, dass der Steuerraum zumindest mittelbar mit dem Hochdruckkanal verbunden ist, und dass zum Abströmen von Brennstoff aus dem Steuerraum zum Öffnen der wenigstens einen (ersten) Einspritzöffnung der Steuerraum über eine Verbindung mit dem Brennraum hydraulisch verbindbar ist.
Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Bevorzugt erfolgt die Steuerung der Zulaufmenge von Brennstoff in den Steuerraum über eine Zuströmdrossel. Dabei kann es in konstruktiv vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Hochdruckkanal über einen Abzweigkanal mit dem Steuerraum verbunden ist, und dass in dem Abzweigkanal die Zuströmdrossel angeordnet ist.
In bevorzugter und auf dem Prinzip der erwähnten DE 10 2015 219 380 A1 aufbauenden Konstruktion mit (wenigstens) zwei Einspritzventilgliedern ist es vorgesehen, dass ein zweites, in einem Druckraum des Düsenkörpers angeordnetes, vorzugsweise hubbeweglich angeordnetes Einspritzventilglied zum Öffnen und Verschließen wenigstens einer zweiten Einspritzöffnung vorgesehen ist und dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Brennraum einen Abströmkanal aufweist, so dass bei geöffnetem zweiten Einspritzventilglied der Druck zum Öffnen des ersten Einspritzventilglieds durch Abströmen von Brennstoff aus dem Steuerraum über die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung reduzierbar ist.
Wie bereits oben angeführt, wird die Bewegung des ersten Einspritzventilglieds über eine Beeinflussung des Drucks in dem Steuerraum beeinflusst. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das erste Einspritzventilglied keinen separaten Aktuator für dessen Bewegung erfordert. Vielmehr ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass (lediglich) das zweite Einspritzventilglied mit einem piezoelektrischen Aktuator oder einem magnetischen Aktuator gekoppelt ist. Derartige Aktuatoren sind beispielsweise in vielfältiger Art und Weise bei Kraftstoffinjektoren für selbstzündende oder aber für fremdgezündete Brennkraftmaschinen bekannt und typischerweise ohne grundlegende Modifikationen für das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil geeignet, da sie hinreichend schnelle Schaltzeiten und Schaltkräfte ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Brennstoffeinspritzventils sieht vor, dass die Abstrahlrichtung der wenigstens einen zweiten Einspritzöffnung mit der Abstrahlrichtung wenigstens einer ersten Einspritzöffnung für das erste Einspritzventilglied derart ausgerichtet ist, dass die über die beiden Einspritzöffnungen eingespritzten Brennstoffe vermischbar sind. Damit wird insbesondere ein vorteilhaftes Zünden bzw. Verbrennen des über die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung in den Brennraum eingebrachten zusätzlichen Brennstoffs ermöglicht.
In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des Brennstoffeinspritzventils ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das erste Einspritzventilglied nadel- bzw. stiftförmig ausgebildet ist, dass der Steuerraum von einem stirnseitigen Endabschnitt des ersten Einspritzventilglieds auf der der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung abgewandten Seite und einer den Endabschnitt radial umgebenden Steuerhülse begrenzt ist, und dass sich zwischen einer Stirnseite der Steuerhülse und dem ersten Einspritzventilglied eine Schließfeder axial abstützt, die das erste Einspritzventilglied in seine die wenigstens eine erste Einspritzöffnung verschließende Schließstellung kraftbeaufschlagt.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass entweder in dem Abströmkanal zum Druckraum für das zweite Einspritzventilglied eine Abströmdrossel angeordnet ist, oder dass die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung als Abströmdrossel ausgebildet ist.
Ein besonders kompakter Aufbau des Brennstoffeinspritzventils wird erzielt, wenn die beiden Einspritzventilglieder nadel- oder stiftförmig ausgebildet und parallel zueinander im Düsenkörper angeordnet sind.
Bevorzugt ist die Verwendung eines derartig soweit beschriebenen Brennstoffeinspritzventils alternative Brennstoffe, beispielsweise für Ammoniak.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
Figurenliste

Die 1 zeigt in einem vereinfachten Längsschnitt einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Brennstoffeinspritzventil 10 zum Einspritzen bzw. Einblasen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs B in den Brennraum 1 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 10 zum Einspritzen bzw. Einblasen alternativer Brennstoffe B, wie Ammoniak.
Das Brennstoffeinspritzventil 10 weist ein lediglich teilweise dargestelltes Gehäuse 12 auf, dessen dem Brennraum 1 zugewandtes Ende in Form eines Düsenkörpers 14 ausgebildet ist. Der Düsenkörper 14 weist eine zentral angeordnete erste Ausnehmung 16 auf, in der in Richtung einer Längsachse 18 ein hubbeweglich angeordnetes erstes Einspritzventilglied 20 vorgesehen ist. Das nadel- bzw. stiftförmig ausgebildete erste Einspritzventilglied 20 ist in der 1 in seiner Schließstellung gezeigt, bei der ein kegelförmiger Abschnitt 22 des ersten Einspritzventilglieds 20 unter Ausbildung eines Ventilsitzes 24 nahe dem Grund der ersten Ausnehmung 16 anliegt, um wenigstens eine, in dem Düsenkörper 14 ausgebildete erste Einspritzöffnung 26 zumindest mittelbar zu verschließen.
Auf der der ersten Einspritzöffnung 26 abgewandten Seite ist die erste Ausnehmung 16 im Durchmesser vergrößert und bildet einen Hochdruckraum 28 aus. Mehrere, an dem ersten Einspritzventilglied 20 ausgebildete Abflachungen 30 ermöglichen ein Strömen von in dem Hochdruckraum 28 befindlichem Brennstoff B in Richtung des Ventilsitzes 24 bzw. zu der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26. Die erste Ausnehmung 16 ist im Bereich der der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26 abgewandten Stirnseite 32 von einem lediglich bereichsweise dargestellten Gehäuseelement 34 verschlossen, das gleichzeitig den Hochdruckraum 28 begrenzt. Der Hochdruckraum 28 ist über einen Hochdruckkanal 36 mit einer Hochdruckquelle 38 für den Brennstoff B verbunden.
Ein der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26 abgewandter Endabschnitt 40 des ersten Einspritzventilglieds 20 ist radial von einer Steuerhülse 42 umgeben, innerhalb derer das erste Einspritzventilglied 20 mit seinem Endabschnitt 40 längsverschiebbar angeordnet ist. Zwischen der der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26 zugewandten Stirnseite der Steuerhülse 42 und einem Absatz 44 des ersten Einspritzventilglieds 20 stützt sich eine Schließfeder 46 in axialer Richtung ab, die das erste Einspritzventilglied 20 in Richtung des Ventilsitzes 24 bzw. seine Schließstellung kraftbeaufschlagt.
Die der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26 abgewandte Stirnfläche 48 des ersten Einspritzventilglieds 20 begrenzt zusammen mit der Steuerhülse 42 und dem Gehäuseelement 34 einen Steuerraum 50. Der Steuerraum 50 ist über einen von dem Hochdruckkanal 36 abgehenden Abzweig 52 mit integrierter Zuströmdrossel 54 ebenfalls mit dem unter Hochdruck stehenden Brennstoff B versorgbar.
Seitlich neben der ersten Ausnehmung 16 ist in dem Düsenkörper 14 eine zweite Ausnehmung 56 ausgebildet. In der zweiten Ausnehmung 56 ist entlang einer Längsachse 58 ein zweites, parallel zum ersten Einspritzventilglied 20 angeordnetes Einspritzventilglied 60 hubbeweglich geführt. Die zweite Ausnehmung 56 bildet einen das zweite Einspritzventilglied 60 radial umgebenden Druckraum 62 aus, der über einen Abströmkanal 64 mit optionaler integrierter Abströmdrossel 66 mit dem Steuerraum 50 verbunden ist.
Auf der dem Brennraum 1 zugewandten Seite weist die zweite Ausnehmung 56 darüber hinaus wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 68 zum Einspritzen bzw. Einblasen des Brennstoffs B auf. Die Abstrahlrichtung der wenigstens einen zweiten Einspritzöffnung 68 ist derart mit der Abstrahlrichtung der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung 26 ausgerichtet, dass über die beiden Einspritzöffnungen 26, 68 eingespritzter bzw. eingeblasener Brennstoff sich vermischen kann. Dies ist in der 1 durch die Sprühbilder des Brennstoffs B verdeutlicht, die sich bei geöffneten Einspritzventilgliedern 20, 60 ergeben.
In der 1 ist das nadel- bzw. stiftförmige zweite Einspritzventilglied 60, dessen Längsachse 58 parallel zur Längsachse 18 des ersten Einspritzventilglieds 20 verläuft, in seiner Schließstellung gezeigt, bei der nahe der wenigstens einen zweiten Einspritzöffnung 68 ein Ventilsitz 70 zwischen dem zweiten Einspritzventilglied 60 und der zweiten Ausnehmung 56 ausgebildet ist.
Das zweite Einspritzventilglied 60 ist mit einem lediglich symbolisch dargestellten Aktuator 72 verbunden. Der Aktuator 72 kann - in an sich bekannter Art und Weise - entweder als Piezoaktuator oder als Magnetaktuator ausgebildet sein und dient der Bewegung des zweiten Einspritzventilglieds 60 aus der dargestellten, die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 18 verschließenden Stellung in eine Öffnungsstellung, in der in dem Druckraum 62 befindlicher Brennstoff B über die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 68 in den Brennraum 1 abgegeben werden kann und umgekehrt.
Die Funktion des Brennstoffeinspritzventils 10 wird wie folgt erläutert: Über die wenigstens eine erste Einspritzöffnung 26 wird die Hauptmenge von Brennstoff B in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine abgegeben. Hierzu ist es erforderlich, das erste Einspritzventilglied 20 aus der in der 1 dargestellten Schließstellung in seine Öffnungsstellung zu bewegen. Dies erfolgt durch eine Betätigung des Aktuators 72, der das zweite Einspritzventilglied 60 aus seiner Schließstellung in seine Öffnungsstellung bewegt. Dadurch erfolgt ein Abströmen von Brennstoff B aus dem Steuerraum 50 über den Abströmkanal 64 in den Druckraum 62 und von dort über die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 68 in den Brennraum 1. Die Druckreduzierung in dem Steuerraum 50 bewirkt, dass die in Richtung des Ventilsitzes 24 wirkende Schließkraft auf das erste Einspritzventilglied 20 reduziert wird, wodurch ein Abheben des ersten Einspritzventilglieds 20 von seinem Ventilsitz 24 erfolgt. Dadurch kann Brennstoff B über den Hochdruckraum 28 über die wenigstens eine erste Einspritzöffnung 26 in den Brennraum 1 abgegeben werden.
Zur Beendigung des Abgebens von Brennstoff B über die wenigstens eine erste Einspritzöffnung 26 wird der Aktuator 72 des zweiten Einspritzventilglieds 60 deaktiviert. Dadurch wird das zweite Einspritzventilglied 60 beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Schließfeder in seine die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 68 verschließende Position verstellt. Dadurch, dass dann über den Druckraum 62 kein Brennstoff B mehr in den Brennraum 1 abgegeben wird, erfolgt eine Erhöhung des Drucks im Steuerraum 50 mit einer damit verbundenen Erhöhung der Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 24 auf das erste Einspritzventilglied 20, bis die wenigstens eine erste Einspritzöffnung 26 geschlossen ist.
Das soweit beschriebene Brennstoffeinspritzventil 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015219380 A1 [0002, 0009]

Claims

Brennstoffeinspritzventil (10) zum Einspritzen eines gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffs (B) in den Brennraum (1) einer Brennkraftmaschine, mit einem ersten, in einem Hochdruckraum (28) eines Düsenkörpers (14) hubbeweglich angeordneten Einspritzventilglied (20) zum Öffnen und Verschließen wenigstens einer ersten Einspritzöffnung (26), wobei der Hochdruckraum (28) über einen mit einer Hochdruckquelle (38) für den Brennstoff (B) verbindbaren Hochdruckkanal (36) mit dem Brennstoff (B) versorgbar ist, und wobei das erste Einspritzventilglied (20) von einem in einem Steuerraum (50) herrschenden Druck in seine die wenigstens eine erste Einspritzöffnung (26) verschließende Position kraftbeaufschlagt ist und der Steuerraum (50) zumindest mittelbar mit dem Hochdruckkanal (36) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abströmen von Brennstoff (B) aus dem Steuerraum (50) zum Öffnen der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung (26) der Steuerraum (50) über eine Verbindung mit dem Brennraum (1) hydraulisch verbindbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckkanal (36) und dem Steuerraum (50) eine Zuströmdrossel (54) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkanal (36) über einen Abzweig (52) mit dem Steuerraum (50) verbunden ist, und dass in dem Abzweig (52) die Zuströmdrossel (54) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites, in einem Druckraum (62) des Düsenkörpers (14) angeordnetes, vorzugsweise hubbeweglich angeordnetes Einspritzventilglied (60) zum Öffnen und Verschließen wenigstens einer zweiten Einspritzöffnung (68) vorgesehen ist, und dass die Verbindung zwischen dem Steuerraum (50) und dem Brennraum (1) einen Abströmkanal (64) aufweist, so dass bei geöffnetem zweiten Einspritzventilglied (60) der Druck zum Öffnen des ersten Einspritzventilglieds (20) durch Abströmen von Brennstoff (B) aus dem Steuerraum (50) über die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung (68) reduzierbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Einspritzventilglied (60) mit einem piezoelektrischen oder einem magnetischen Aktuator (72) gekoppelt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlrichtung der wenigstens einen zweiten Einspritzöffnung (68) mit der Abstrahlrichtung wenigstens einer ersten Einspritzöffnung (26) derart ausgerichtet ist, dass die über die beiden Einspritzöffnungen (26, 68) eingespritzten Brennstoffe (B) vermischbar sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspritzventilglied (20) nadel- bzw. stiftförmig ausgebildet ist, dass der Steuerraum (50) von einem stirnseitigen Endabschnitt (40) des ersten Einspritzventilglieds (20) auf der, der wenigstens einen ersten Einspritzöffnung (26) abgewandten Seite und einer den Endabschnitt (40) radial umgebenden Steuerhülse (42) begrenzt ist, und dass sich zwischen einer Stirnseite der Steuerhülse (42) und dem ersten Einspritzventilglied (20) eine Schließfeder (46) axial abstützt, die das erste Einspritzventilglied (20) in seine die wenigstens eine erste Einspritzöffnung (26) verschließende Schließstellung kraftbeaufschlagt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmkanal (64) eine Abströmdrossel (66) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung (68) als Abströmdrossel ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einspritzventilglieder (20, 60) stift- oder nadelförmig ausgebildet und parallel zueinander im Düsenkörper (14) angeordnet sind.