DE102022123193A1

DE102022123193A1 - Kraftstoffinjektor mit variablem Ventilhub

Info

Publication number: DE102022123193A1
Application number: DE102022123193.3A
Authority: DE
Inventors: Dirk Queck; Jens Zanger
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Die Offenbarung betrifft einen Kraftstoffinjektor (100) zum Einspritzen eines Kraftstoffes, bevorzugt von Wasserstoff, in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors zur Bildung eines brennbaren Gasgemisches. Der Kraftstoffinjektor umfasst einen Ventilkörper (230) zur Freigabe und Unterbrechung des Kraftstoffflusses, der verschiebbar angeordnet ist zwischen einer vollständig geöffneten Position (VÖ) und einer vollständig geschlossenen Position (VG), in der der Kraftstofffluss unterbrochen wird. Der Kraftstoffinjektor (100) umfasst einen Aktuator (210) und eine elastische Rückstellvorrichtung (220) zum Verschieben des Ventilkörpers (230). Zur Erzeugung kleiner Injektionsmengen wird der Aktuator (210) in kürzeren Aktuationsdauern bestromt, wobei es vorkommen kann, dass der Aktuator zu kurz bestromt wird, als dass der Ventilkörper (230) die vollständig geöffnete Position (VÖ) erreicht. Die offenbarungsgemäße elastische Rückstellvorrichtung (220) weist eine Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik auf, bei der zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) eine Rückstell-Anschlagsposition (RA) vorliegt, an der der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient und/oder die elastische Rückstellkraft sprunghaft zunimmt. So kann der Ventilkörper an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) eine stabile Lage einnehmen.Die zur Veröffentlichung mit der Zusammenfassung vorgesehene Figur ist Figur 2a.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffes, insbesondere eines brennbaren Gases, bevorzugt von Wasserstoff, vorzugsweise in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors zur Bildung eines brennbaren Gasgemisches in der Brennkammer.
Exemplarisch beschreibt die vorliegende Offenbarung das Einspritzen von Wasserstoff. Alle Ausführungen betreffend Wasserstoff sind auf jegliche Kraftstoffe, insbesondere brennbare Gase, übertragbar. Ein brennbares Gas kann (genau) eine Komponente enthalten oder ein brennbares Gasgemisch mit mehreren Komponenten sein. Der offenbarungsgemäße Gegenstand kann die Einspritzung jeglicher brennbaren Gase, beispielsweise umfassend Wasserstoff und/oder Methan, betreffen. Der offenbarungsgemäße Gegenstand kann weiterhin die Einspritzung jeglicher Kraftstoffe, beispielsweise von Benzin oder Diesel, betreffen.
Aus dem Stand der Technik ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, mit einer Kraftstoffzuführpassage zum Zuführen des Kraftstoffes in den Kraftstoffinjektor, mit einem Injektorschaltventil zur Steuerung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor und mit einer Düse zur Abgabe des Kraftstoffs in die Brennkammer, umfassend eine Düsenöffnung, durch die der Kraftstoff in die Brennkammer eindringen kann.
Das Injektorschaltventil umfasst einen Ventilkörper, zur Freigabe und Unterbrechung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor.
Der Ventilköper ist verschiebbar angeordnet zwischen einer vollständig geöffneten Position (VÖ), in der der Kraftstofffluss vollständig freigegeben wird, und einer vollständig geschlossenen Position (VG), in der und der Kraftstofffluss vollständig unterbrochen wird.
Das Injektorschaltventil umfasst weiterhin einen Aktuator und eine elastische Rückstellvorrichtung zum Verschieben des Ventilkörpers zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG). Der Aktuator übt abhängig von einer angelegten Aktuationsstromstärke I eine Aktuationskraft auf den Ventilkörper aus. Beispielsweise kann der Aktuator eine elektromagnetische Kraft auf den Ventilkörper ausüben. Alternativ kann der Aktuator eine beliebige Art von Kraft auf den Ventilkörper ausüben. Beispielsweise können hydraulisch gekoppelte Schaltventile bzw. Aktuatoren verwendet werden. Bei diesen kann das Bewegungsverhalten des Ventilkörpers über eine Druckdifferenz zwischen einem Druck in einer Steuerkammer am dorsalen Ende des Ventilkörpers und einem Druck in einer Injektionskammer am distalen Ende gesteuert werden. Die elastische Rückstellvorrichtung ist dehnbar und übt abhängig von der Dehnung der elastischen Rückstellvorrichtung eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper aus. Die Richtung der Kraftwirkung des Aktuators und der elastischen Rückstellvorrichtung auf den Ventilkörper ist entgegengesetzt.
Aus dem Stand der Technik ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftstoffinjektors bekannt, wobei der Aktuator

- mit einer ersten Aktuationsstromstärke (I_VÖ) betrieben werden kann, so dass sich der Ventilkörper in die vollständig geöffnete Position (VÖ) verschiebt, und
- mit einer zweiten Aktuationsstromstärke (I_VG) betrieben werden kann, so dass sich der Ventilkörper (230) in die vollständig geschlossene Position (VG) verschiebt,

Bei einem selbstschließenden Kraftstoffinjektor kann die zweite Aktuationsstromstärke (I_VG) gleich Null sein, da die elastische Rückstellvorrichtung eine elastische Rückstellkraft in Richtung der vollständig geschlossenen Position (VG) ausübt. Bei einem selbstöffnenden Kraftstoffinjektor kann die erste Aktuationsstromstärke (I_VÖ) gleich Null sein, da die elastische Rückstellvorrichtung eine elastische Rückstellkraft in Richtung der vollständig geöffneten Position (VÖ) ausübt.
In einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors unter hoher Last kann es erforderlich sein hohe Injektionsmengen des Kraftstoffs einzuspritzen. Hierzu wird der Aktuator in längeren Aktuationsdauern bestromt. Daneben kann es in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors unter geringer Last erforderlich sein geringe Injektionsmengen des Kraftstoffs einzuspritzen. Hierzu wird der Aktuator in kürzeren Aktuationsdauern bestromt. Bei kürzeren Aktuationsdauern kann es sein, dass der Aktuator zu kurz bestromt wird, als dass der Ventilkörper die vollständig geöffnete Position (VÖ) erreichen kann. Die Injektion erfolgt während sich der Ventilkörper in einer Position zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position befindet. Um bei hoher Last hohe Injektionsmengen zu realisieren, ist der Abstand zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG) vorzugsweise groß. Je größer der Abstand zwischen VÖ und VG ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass bei der Erzeugung geringer Injektionsmengen unter geringer Last der Aktuator zu kurz bestromt wird, als dass der Ventilkörper die vollständig geöffnete Position erreicht (VÖ). Die Dosierung hoher Injektionsmengen steht im Zielkonflikt mit der Dosierung von geringen Injektionsmengen.
Bei einem Kraftstoffinjektor gemäß Stand der Technik ist es nicht möglich in einer Position des Ventilkörpers zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG) stabile Injektonsbedingungen zu gewährleisten. Insbesondere existiert zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG) keine Position, an der der Ventilkörper eine stabile Position einnimmt. Bereits geringe Schwankungen in der Bestromung des Aktuators und/oder anderer Betriebsparameter des Kraftstoffinjektors (z.B. Kraftstoffdruck, etc) führen zu hohen Schwankung in der Position des Ventilkörpers während der Injektion und damit zu hohen Schwankungen in der Injektionsmenge. Je geringer die Aktuationsdauer, desto länger befindet sich der Ventilkörper während der Injektion anteilig in einer Position zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ). Je kürzer die Aktuationsdauer ist, desto größer ist die Schwankung der Injektionsmenge.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung einen Kraftstoffinjektor und ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffinjektors bereitzustellen, mit einer erhöhten Betriebsstabilität.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kraftstoffinjektors gemäß Anspruch 1 und mit den Merkmalen des Verfahrens zum Betreiben des Kraftstoffinjektors gemäß Anspruch 10.
Gegenüber dem Stand der Technik weist der offenbarungsgemäße Kraftstoffinjektor zur Lösung der Aufgabe eine elastische Rückstellvorrichtung mit einer Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik auf, bei der zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers eine Rückstell-Anschlagsposition (RA) vorliegt, an der der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient und/oder die elastische Rückstellkraft sprunghaft zunimmt. „Sprunghaft“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass die Zunahme diskontinuierlich ist. Alternativ kann „sprunghaft“ bedeuten, dass die Zunahme nicht linear ist. Folglich kann gemäß dem offenbarungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffinjektors der Aktuator mit einer dritten Aktuationsstromstärke (I_RA) mit einer Größe zwischen der ersten Aktuationsstromstärke (I_VÖ) und der zweiten Aktuationsstromstärke (I_VG) betrieben werden, bei der der Aktuator auf den Ventilkörper eine derartige Aktuationskraft ausübt, so dass sich der Ventilkörper an die Rückstell-Anschlagsposition (RA) verschiebt. Die erzeugte Aktuationskraft reicht dabei nicht aus, um die durch die elastische Rückstellvorrichtung erzeugte elastische Rückstellkraft an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) zu überwinden. Folglich bleibt der Ventilkörper an der Rückstell-Anschlagsposition (RA). Aufgrund der sprunghaften Zunahme des Rückstellkraft-Dehnungs-Gradienten und/oder der elastischen Rückstellkraft kann der Ventilkörper eine stabilere Position einnehmen. Die Rückstell-Anschlagsposition dient als definierter (Kraft-)Anschlag. Schwankungen in der Bestromung des Aktuators und/oder weitere Schwankungen in den Betriebsparametern des Kraftstoffinjektors führen zu deutlich geringeren Schwankungen in der Position des Ventilkörpers während der Injektion und damit zu deutlich geringeren Schwankungen in der Injektionsmenge. Der Kraftstoffinjektor kann unter konstanten und vorhersehbaren Bedingungen betrieben werden.
Insbesondere zur Einspritzung geringer Injektionsmengen bei kleinen Aktuationsdauern kann es vorteilhaft sein, den Aktuator mit der dritten Aktuationsstromstärke (I_RA) zu betreiben. Selbst bei kleinen Aktuationsdauern hat der Ventilkörper ausreichend Zeit, um die Rückstell-Anschlagsposition (RA) zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) zu erreichen. Folglich können kleinere Injektionsmengen unter stabilen und konstanten Bedingungen mit geringen Schwankungen realisiert werden.
Die vorgenannten Aspekte können jeweils in Alleinstellung oder in Kombination zur Lösung der Aufgabe genutzt werden. In den weiteren Unteransprüchen sind zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen des offenbarungsgemäßen Kraftstoffinjektors offenbart.
Die Offenbarung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
Liste der Figuren:

1 a bis 1 b: Kraftstoffinjektor gemäß Stand der Technik in vollständig geschlossener Position (VG) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
1c bis 1d: Schematische Darstellung des Kraftstoffinjektors gemäß Stand der Technik in vollständig geschlossener Position (VG) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
2a bis c: Kraftstoffinjektor gemäß einer offenbarungsgemäßen ersten Ausführungsform in vollständig geschlossener Position (VG), Rückstell-Anschlagsposition (RA) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
2d bis f: Schematische Darstellung des Kraftstoffinjektors gemäß einer offenbarungsgemäßen ersten Ausführungsform in vollständig geschlossener Position (VG), Rückstell-Anschlagsposition (RA) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
2g: Rückstellkraft-Dehnung-Charakteristik des Kraftstoffinjektors gemäß der offenbarungsgemäßen ersten Ausführungsform
3a bis c: Schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors gemäß einer offenbarungsgemäßen zweiten Ausführungsform in vollständig geschlossener Position (VG), Rückstell-Anschlagsposition (RA) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
3d: Rückstellkraft-Dehnung-Charakteristik des Kraftstoffinjektors gemäß der offenbarungsgemäßen zweiten Ausführungsform
4a bis c: Schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors gemäß einer offenbarungsgemäßen dritten Ausführungsform in vollständig geschlossener Position (VG), Rückstell-Anschlagsposition (RA) und vollständig geöffneter Position (VÖ)
4d: Rückstellkraft-Dehnung-Charakteristik des Kraftstoffinjektors gemäß einer offenbarungsgemäßen dritten Ausführungsform

In den 1a und 1b ist beispielhaft ein Kraftstoffinjektor (100) zum Einspritzen eines Kraftstoffes, insbesondere eines brennbaren Gases, bevorzugt von Wasserstoff, vorzugsweise in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors zur Bildung eines brennbaren Gasgemisches in der Brennkammer gemäß Stand der Technik dargestellt. Der Kraftstoffinjektor (100) umfasst eine Kraftstoffzuführpassage (110) zum Zuführen des Kraftstoffes in den Kraftstoffinjektor (100). Im Falle von Wasserstoff erfolgt die Zuführung bei einem Druck von circa 20 bis 30 Bar. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor (100) ein Injektorschaltventil (200) zur Steuerung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor (100) und eine Düse (120) zur Abgabe des Kraftstoffs in die Brennkammer, umfassend eine Düsenöffnung (121), durch die der Kraftstoff in die Brennkammer eindringen kann. In den 1c und 1d ist der Kraftstoffinjektor (100) aus den 1a und 1b in einer schematischen Darstellung gezeigt.
Das Injektorschaltventil (200) gemäß Stand der Technik umfasst einen Ventilkörper (230), zur Freigabe und Unterbrechung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor (100). Der Ventilköper (230) ist verschiebbar angeordnet zwischen einer vollständig geöffneten Position (VÖ), in der der Kraftstofffluss vollständig freigegeben wird, und einer vollständig geschlossenen Position (VG), in der der Kraftstofffluss vollständig unterbrochen wird.
Wie in den 1a und 1b dargestellt, kann der Ventilkörper (230) ein Ventilsitzelement (231) umfassen. Der Ventilkörper (230), insbesondere das Ventilsitzelement (231) kann dazu ausgebildet sein, eine Ventilsitzöffnung (232) zu öffnen und zu verschließen. Alternativ kann der Ventilkörper (230) dazu ausgebildet sein, die Düsenöffnung (121) zu öffnen und zu verschließen.
Wie in den 1a bis 1d gezeigt, liegt der Ventilkörper (230) vorzugsweise an der vollständig geöffneten Position (VÖ) an einem ersten mechanischen Anschlag und an der vollständig geschlossenen Position (VG) an einem zweiten mechanischen Anschlag auf. Folglich kann der Ventilkörper (230) an diesen beiden Positionen eine stabile Position einnehmen. Insbesondere an der vollständig geöffneten Position können so stabile Injektionsbedingungen gewährleistet werden.
Beispielhaft ist das in den 1a bis d und in den weiteren offenbarungsgemäßen Figuren gezeigte Injektorschaltventil (200) ein nach innen öffnendes Schaltventil. D.h. dass der Ventilkörper (230) zum Öffnen des Injektorschaltventils (200) entgegen der Durchflussrichtung des Kraftstoffs bewegt wird. Der offenbarungsgemäße Gegenstand kann daneben auch ein Injektorschaltventil (200) betreffen, dass als nach außen öffnendes Schaltventil ausgebildet ist. D.h. dass der Ventilkörper (230) zum Öffnen des Injektorschaltventils (200) in Richtung der Durchflussrichtung des Kraftstoffs bewegt wird. Ferner ist das in den 1a bis d und in den weiteren offenbarungsgemäßen Figuren gezeigte Injektorschaltventil als selbstschließendes Schaltventil ausgebildet. Der offenbarungsgemäße Gegenstand kann daneben auch ein Injektorschaltventil (200) betreffen, dass als selbstöffnendes Schaltventil ausgebildet ist.
Ferner umfasst das in den 1a bis 1d gezeigte Injektorschaltventil einen Aktuator (210) und eine elastische Rückstellvorrichtung (220) zum Verschieben des Ventilkörpers (230) zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG). Der Ventilkörper kann kontinuierlich zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG) verschoben werden. Wie in 1d dargestellt, ergibt sich an der vollständig geöffneten Position des Ventilkörpers (230) ein (erster) Ventilhub (D_VÖ), der dem kürzesten Abstand zwischen dem Ventilkörper (230) und der Düsenöffnung (121) oder der Ventilsitzöffnung (232) entspricht (je nachdem ob der Ventilkörper (230) die Düsenöffnung (121) oder die Ventilsitzöffnung (232) verschließt). Wie in 1c dargestellt, ist der Ventilhub in der vollständig geschlossenen Position (VG) des Ventilkörpers gleich Null. Der Ventilkörper (230) liegt auf der Düsenöffnung (121) oder der Ventilsitzöffnung (232) auf.
Der Aktuator (210) übt abhängig von einer angelegten Aktuationsstromstärke (I) eine Aktuationskraft auf den Ventilkörper (230) aus. Der Aktuator (210) kann beispielsweise eine Zylinderspule (Solenoid) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes umfassen. Der Ventilkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das durch die erzeugte (elektromagnetische) Aktuationskraft angezogen oder abgestoßen wird.
Die elastische Rückstellvorrichtung (220) ist dehnbar. Abhängig von der Dehnung der elastischen Rückstellvorrichtung (220) wird eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper (230) ausgeübt.
Die Richtung der Kraftwirkung des Aktuators (210) und der elastischen Rückstellvorrichtung (220) auf den Ventilkörper (230) ist entgegengesetzt.
Die 2a bis g betreffen einen Kraftstoffinjektor (100) gemäß einer ersten Ausführungsform. Die 3a bis d betreffen einen Kraftstoffinjektor (100) gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die 4 betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß einer dritten Ausführungsform.
Alle drei gezeigten Ausführungsformen realisieren beispielhaft, dass die elastische Rückstellvorrichtung (220) eine Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik aufweist, bei der zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) eine Rückstell-Anschlagsposition (RA) vorliegt, an der der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient und/oder die elastische Rückstellkraft sprunghaft zunimmt.
Beispielhaft umfasst die elastische Rückstellvorrichtung (220) gemäß Ausführungsform 1, 2 und 3 zumindest ein (erstes) elastisches Rückstellelement (221). Bei dem elastischen Rückstellelement (221) kann es sich um eine Feder handeln, insbesondere um eine Druckfeder oder um eine Zugfeder. Alternativ können jegliche andere elastische Vorrichtungen verwendet werden, wie z.B. elastische Zugbänder.
Die in den 2a bis g offenbarte erste Ausführungsform und die in den 3a bis d offenbarte zweite Ausführungsform betreffen beispielhaft eine elastische Rückstellvorrichtung (220) mit einem zweiten elastischen Rückstellelement (221 `). Das zweite elastische Rückstellelement (221') kann analog zum ersten elastischen Rückstellelement (221) ausgebildet sein.
Wie in den 2a bis g gezeigt, können das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') parallel geschaltet sein. Beispielsweise kann das zweite elastische Rückstellelement (221') innerhalb des ersten elastischen Rückstellelements (221) angeordnet sein. Im Falle von (Zylinder-)Federn kann das zweite elastische Rückstellelement (221') einen äußeren Durchmesser kleiner dem inneren Durchmesser des ersten elastischen Rückstellelements (221) aufweisen. Folglich kann das zweite Rückstellelement (221') innerhalb des ersten Rückstellelements (221) angeordnet sein. Alternativ können das zweite elastische Rückstellelement (221') und das erste elastischen Rückstellelement (221) nebeneinander angeordnet sein.
Wie in den 2a und 2d gezeigt, kann zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) das zweite elastische Rückstellelement (221') gegenüber dem ersten elastischen Rückstellelement (221) in Richtung des Ventilkörpers (230) hinausragen. Bevorzugt weisen das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') hierzu eine unterschiedliche Länge auf. Daneben können die Positionen der elastischen Rückstellelemente jeweils mittels Distanzscheiben variiert werden. Zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) ist ausschließlich das zweite elastische Rückstellelement (221') (kraftschlüssig) in Kontakt mit dem Ventilkörper (230). Zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) übt ausschließlich das zweite Rückstellelement (221') eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper (230) aus. Das erste elastische Rückstellelement (221) kann mit einem Ende durch ein Haltelement an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) positioniert sein. Beispielsweise kann das erste elastische Rückstellelement (221) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) auf einem Anschlag aufliegen. Wie in den 2b, 2c, 2e und 2f dargestellt, ist zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position zusätzlich das erste elastische Rückstellelement (221) (kraftschlüssig) in Kontakt mit dem Ventilkörper (230). Zwischen der Rückstell-Anschlagposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) üben das erste Rückstellelement (221) und das zweite Rückstellelement (221') jeweils eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilköper (230) aus, wobei sich die elastischen Rückstellkräfte addieren.
In 2g ist die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik für die erste offenbarungsgemäße Ausführungsform beispielhaft in den Darstellungen (i) bis (vii) gezeigt. In Darstellung (i) sind das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') schematisch dargestellt als parallel geschaltet. Das zweite elastische Rückstellelement (221') ragt zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) gegenüber dem ersten elastischen Rückstellelement (221) um die Wegdifferenz zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) hinaus. Die Darstellung (ii) zeigt die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik des zweiten Rückstellelements (221') separat betrachtet. Die elastische Rückstellkraft (F) erzeugt durch das zweite elastische Rückstellelement (221') ist dabei abhängig von der Ventilkörperposition (x) dargestellt. Die Rückstellkraft (F) nimmt zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) linear zu. In Darstellung (iii) ist die Federhärte (k) gezeigt, die dem Rückstellkraft-Dehnungs-Gradienten entspricht (k = DF/dx). Die Federhärte k2 des zweiten elastischen Rückstellelements (221') ist konstant. Die Darstellung (iv) zeigt die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik des ersten Rückstellelements (221) separat betrachtet. Die Rückstellkraft (F) nimmt zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) linear zu. Die Federhärte k1 ist zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) konstant. Die Dartstellungen (vi) und (vii) zeigen die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik und die Federhärte des ersten elastischen Rückstellelements (221) und des zweiten elastischen Rückstellelements (221') überlagert (Parallelschaltung). Für den vorliegenden Fall der Parallelschaltung addieren sich die elastischen Rückstellkräfte bzw. die Federhärten. Wie in Darstellung (vii) gezeigt entspricht die Federhärte (und damit der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient) zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) der Federhärte des zweiten elastischen Rückstellelements (221'), während die Federhärte zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) der Summe der Federhärten des ersten elastischen Rückstellelements (221) und des zweiten elastischen Rückstellelements (221') entspricht. Der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte) nimmt an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) sprunghaft zu, vorzugsweise diskontinuierlich. Die elastische Rückstellkraft nimmt an der Rückstell-Anschlagsposition sprunghaft zu, vorzugsweise nicht linear. In einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte daneben das erste elastische Rückstellelement (221) vorgespannt sein, so dass an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) die in Darstellung (vi) gezeigte (Gesamt-) Rückstellkraft selbst diskontinuierlich zunimmt.
Wie in den 2b und 2e dargestellt, kann der Ventilkörper an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) positioniert werden. Wie in 2e dargestellt, ergibt sich an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) ein zweiter Ventilhub (D_RA), der dem kürzesten Abstand zwischen dem Ventilkörper (230) und der Düsenöffnung (121) oder der Ventilsitzöffnung (232) entspricht (je nachdem ob der Ventilkörper (230) die Düsenöffnung (121) oder die Ventilsitzöffnung (232) verschließt). Der zweite Ventilhub (D_RA) ist kleiner als der erste Ventilhub (D_VÖ). Folglich hat der Kraftstoffinjektor (100) einen variablen Ventilhub.
Wie in der zweiten offenbarungsgemäßen Ausführungsform gezeigt (siehe 3a bis d), können das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') in Serie geschaltet sein. D.h. dass sie hintereinander (in einer Reihe) miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
In 3d ist die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik für die erste offenbarungsgemäße Ausführungsform beispielhaft in den Darstellungen (i) bis (iii) gezeigt.
Die Gesamtfederhärte k_ges dieser Serienschaltung von elastischer Rückstellelemente ergibt sich aus der Formel: $k_{ges} = \frac{k 1 * k 2}{k 1 + k 2} < k 1 b z w . k 2$
Die Gesamtfederhärte k_ges dieser Serienschaltung des ersten elastischen Rückstellelements (221) und des zweiten elastischen Rückstellelements (221') ist stets kleiner als die Federhärte k1 des ersten elastischen Rückstellelements (221), bzw. kleiner als die Federhärte k2 des zweiten elastischen Rückstellelements (221').
Vorzugsweise ist der Rückstellungskraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte k2) des zweiten elastischen Rückstellelements (221') kleiner als der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte k1) des ersten elastischen Rückstellelements (221). Folglich wird durch ein Verschieben des Ventilkörpers (230) aus der vollständig geschlossenen Position (VG) in Richtung der vollständig geöffneten Position (VÖ) das zweite elastische Rückstellelement (221') stärker verformt, als das erste elastische Element (221).
Mehr bevorzugt ist der Rückstellungskraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte k2) des zweiten elastischen Rückstellelements (221') wesentlich kleiner als der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte k1) des ersten elastischen Rückstellelements (221). Die Gesamtfederhärte k_ges dieser Serienschaltung entspricht angenähert: $k_ges = \frac{k 1 * k 2}{k 1 + k 2} \approx k 2 f \ddot{u} r k 2 < < k 1$
Die Gesamtfederhärte k_ges dieser Serienschaltung des ersten elastischen Rückstellelements (221) und des zweiten elastischen Rückstellelements (221') entspricht also annähernd der Federhärte k2 des zweiten elastischen Rückstellelements (221'). Da die Federhärte k1 des ersten elastischen Rückstellelements (221) wesentlich größer ist als die Federhärte k2 des zweiten elastischen Rückstellelements (221'), wird durch ein Verschieben des Ventilkörpers (230) aus der vollständig geschlossenen Position (VG) in Richtung der vollständig geöffneten Position (VÖ) zunächst im Wesentlichen das zweite elastische Rückstellelement (221') verformt, während das erste elastische Element (221) sich im Wesentlichen nicht verformt (siehe 3a und 3b).
Wie in den 3a, 3b und 3c gezeigt, ist zwischen dem ersten elastischen Rückstellelement (221) und dem zweiten elastischen Rückstellelement (221') ein Verbindungsteller (222) angeordnet. Der Verbindungsteller (222) verbindet das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') kraftschlüssig in Serie. Der Verbindungsteller (222) ist nicht verformbar, insbesondere nicht elastisch verformbar. Der Verbindungstelle (222) ist verschiebbar entlang der Verschieberichtung des Ventilkörpers (230). Der Verbindungsteller (222) umfasst einen mechanischen Verbindungstelleranschlag (223) und ein Verbindungstellerhohlvolumen (224). Das zweite elastische Rückstellelement (221') ist derart in dem Verbindungsteller (222) angeordnet, dass das zweite elastische Rückstellelement (221') ausschließlich zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) in seiner Ausdehnung veränderbar ist. Sobald der Ventilkörper die Rückstell-Anschlagsposition (RA) erreicht, liegt er auf dem mechanischen Anschlag des Verbindungstellers (222) auf (siehe 3b). Folglich wird zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) ausschließlich das erste Rückstellelement (221) in seiner Ausdehnung verändert (siehe 3b und 3c).
Wie in 3d (iii) gezeigt, entspricht die Gesamtfederhärte k_ges der elastischen Rückstellvorrichtung (220) gemäß der zweiten offenbarungsgemäßen Ausführungsform zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilköroers: $k_{ges} = \frac{k 1 * k 2}{k 1 + k 2} < k 1 bzw . k2$
insbesondere: $k_ges = \frac{k 1 * k 2}{k 1 + k 2} \approx k 2 f \ddot{u} r k 2 < < k 1$
und zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ): $k_ges = k 1$
Für k2 < k1, insbesondere für k2 << k1 nimmt die Gesamtfederhärte k_ges (entspricht dem Rückstellkraft-Dehnungs-Gradienten) zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) sprunghaft zu, vorzugsweise diskontinuierlich.
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann der aus der zweiten Ausführungsform bekannte Kraftstoffinjektor (100) ohne Verbindungsteller (222) ausgebildet sein. Das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastische Rückstellelement (221') können unmittelbar kraftschlüssig in Serie miteinander verbunden sein. Der Rückstellungskraft-Dehnungs-Gradient des zweiten elastischen Rückstellelements (221') ist kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, als der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient des ersten elastischen Rückstellelements (221). Folglich wird durch ein Verschieben des Ventilkörpers (230) aus der vollständig geschlossenen Position (VG) in Richtung der vollständig geöffneten Position (VÖ) das zweite elastische Rückstellelement (221') stärker verformt, als das erste elastische Element (221). Bevorzugt wird durch ein Verschieben des Ventilkörpers (230) aus der vollständig geschlossenen Position (VG) in Richtung der vollständig geöffneten Position (VÖ) zunächst im Wesentlichen das zweite elastische Rückstellelement (221') verformt, während das erste elastische Element (221) sich im Wesentlichen nicht verformt. Das zweite elastische Rückstellelement (221') kann eine maximale Verformung aufweisen, bis zu der es verformbar ist. Beispielsweise kann eine Druckfeder nicht beliebig komprimiert werden, sondern bis zu einer minimalen geometrischen Ausdehnung. Das zweite elastische Rückstellelement (221') kann derart ausgebildet sein, dass es zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) in seiner Ausdehnung veränderbar ist. Mit Erreichen der Rückstell-Anschlagsposition erreicht das zweite elastische Rückstellelement (221') die maximale Verformung. Folglich ist zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) ausschließlich das erste Rückstellelement (221) in seiner Ausdehnung veränderbar. Der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient (Federhärte) nimmt zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) sprunghaft zu.
Wie in den 4 a bis 4d gezeigt, umfasst bei der dritten offenbarungsgemäßen Ausführungsform des Kraftstoffinjektors (100) die elastische Rückstellvorrichtung (220) genau ein elastisches Rückstellelement (221), das als progressives elastisches Rückstellelement, insbesondere als progressive Feder, ausgebildet ist. Während die in den ersten beiden Ausführungsformen gezeigten elastischen Rückstellelemente dem Hookschen Gesetz folgen und eine lineare Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik aufweisen, bedeutet „progressiv“ in diesem Zusammenhang, dass die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik eines progressiven elastischen Rückstellelements nicht linear ist. Beispielsweise können progressive (Zylinder-)Federn durch eine uneinheitliche Drahtdicke, einen uneinheitlichen Wicklungsabstand oder eine ungleichmäßige Steigung der Wicklung realisiert werden. Wie in den 4d (ii) und (iii) in einer ersten Variante gezeigt, kann das progressive elastische Rückstellelement (221) beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Federhärte zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) mit einer ersten Steigung zunimmt, und zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) mit einer zweiten höheren Steigung zunimmt. Der Rückstellkraft-Dehnung-Gradient nimmt zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) sprunghaft zu, vorzugsweise nicht linear. Wie in den 4d (iv) und (v) in einer zweiten beispielhaften Variante gezeigt, kann das progressive elastische Rückstellelement (221) derart ausgebildet sein, dass die Federhärte zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) einer ersten konstanten Federhärte entspricht, und zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) einer zweiten höheren Federhärte entspricht. Der Rückstellkraft-Dehnung-Gradient nimmt zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) sprunghaft zu, vorzugsweise diskontinuierlich.
Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Beispielsweise kann die Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik der elastischen Rückstellvorrichtung (220) mehrere Rückstell-Anschlagspunkte aufweisen. Die kann beispielsweise durch weitere elastische Rückstellelemente realisiert werden. Die zu den jeweiligen Ausführungsbeispielen gezeigten, beschriebenen oder beanspruchten Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
Bezugszeichen

100: Kraftstoffinjektor
110: Kraftstoffzuführpassage
120: Düse
121: Düsenöffnung
200: Injektorschaltventil
210: Aktuator
220: Elastische Rückstellvorrichtung
221: (Erstes) elastisches Rückstellelement
221': Zweites elastisches Rückstellelement
222: Verbindungsteller
223: Mechanischer Verbindungstelleranschlag
224: Verbindungstellerhohlraum
230: Ventilkörper
231: Ventilsitzelement
232: Ventilsitzöffnung
VÖ: Vollständig geöffnete Position
VG: Vollständig geschlossene Position
RA: Rückstell-Anschlagsposition
I: Aktuationsstromstärke
I_VÖ: Erste Aktuationsstromstärke (VÖ)
I_VG: Zweite Aktuationsstromstärke (VG)
I_RA: Dritte Aktuationsstromstärke (RA)
D: Durchflussfläche
D_VÖ: Erster Ventilhub (VÖ)
D_RA: Zweiter Ventilhub (RA)
F: Elastische Rückstellkraft
x: Ventilkörperposition
k: Federhärte
k1: Federhärte erstes elastisches Rückstellelement
k2: Federhärte zweites elastisches Rückstellelement

Claims

Kraftstoffinjektor (100) zum Einspritzen eines Kraftstoffes, insbesondere eines brennbaren Gases, bevorzugt von Wasserstoff, vorzugsweise in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors zur Bildung eines brennbaren Gasgemisches in der Brennkammer, umfassend: - eine Kraftstoffzuführpassage (110) zum Zuführen des Kraftstoffes in den Kraftstoffinjektor (100); - ein Injektorschaltventil (200) zur Steuerung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor (100); - eine Düse (120) zur Abgabe des Kraftstoffs in die Brennkammer, umfassend eine Düsenöffnung (121), durch die der Kraftstoff in die Brennkammer eindringen kann; wobei das Injektorschaltventil (200) umfasst: - einen Ventilkörper (230), zur Freigabe und Unterbrechung des Kraftstoffflusses durch den Kraftstoffinjektor (100), wobei der Ventilköper (230) verschiebbar angeordnet ist zwischen einer vollständig geöffneten Position (VÖ), in der der Kraftstofffluss vollständig freigegeben wird, und einer vollständig geschlossenen Position (VG), in der der Kraftstofffluss vollständig unterbrochen wird, - einen Aktuator (210) und eine elastische Rückstellvorrichtung (220) zum Verschieben des Ventilkörpers (230) zwischen der vollständig geöffneten Position (VÖ) und der vollständig geschlossenen Position (VG), ▪ wobei der Aktuator (210) abhängig von einer angelegten Aktuationsstromstärke (I) eine Aktuationskraft auf den Ventilkörper (230) ausübt, und ▪ wobei die elastische Rückstellvorrichtung (220) dehnbar ist und abhängig von der Dehnung der elastischen Rückstellvorrichtung (220) eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper (230) ausübt, und ▪ wobei die Richtung der Kraftwirkung des Aktuators (210) und der elastischen Rückstellvorrichtung (220) auf den Ventilkörper (230) entgegengesetzt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Rückstellvorrichtung (220) eine Rückstellkraft-Dehnungs-Charakteristik aufweist, bei der zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) eine Rückstell-Anschlagsposition (RA) vorliegt, an der der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient und/oder die elastische Rückstellkraft sprunghaft zunimmt.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 1, wobei die elastische Rückstellvorrichtung (220) ein elastisches Rückstellelement (221), insbesondere eine Feder, umfasst.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 2, wobei die elastische Rückstellvorrichtung (220) ein zweites elastisches Rückstellelement (221'), insbesondere eine Feder, umfasst.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 3, wobei das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastisches Rückstellelement (221') parallel geschaltet sind.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 4, wobei zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) das zweite elastische Rückstellelement (221') gegenüber dem ersten elastischen Rückstellelement (221) in Richtung des Ventilkörpers (230) hinausragt, so dass zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) ausschließlich das zweite Rückstellelement (221') eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper (230) ausübt, und so dass zwischen der Rückstell-Anschlagposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) das erste Rückstellelement (221) eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilkörper (230) ausübt und das zweite Rückstellelement (221') eine elastische Rückstellkraft auf den Ventilköper (230) ausübt, wobei sich die elastischen Rückstellkräfte addieren.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 3, wobei das erste elastische Rückstellelement (221) und das zweite elastisches Rückstellelement (221') in Serie geschaltet sind
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 6, - wobei der Rückstellungskraft-Dehnungs-Gradient des zweiten elastischen Rückstellelements (221') kleiner, insbesondere wesentlich kleiner, ist als der Rückstellkraft-Dehnungs-Gradient des ersten elastischen Rückstellelements (221).
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 7, - wobei zwischen dem ersten elastischen Rückstellelement (221) und dem zweiten elastischen Rückstellelement (221') ein Verbindungsteller (222) angeordnet ist, wobei der Verbindungsteller (222) einen mechanischen Verbindungstelleranschlag (223) und ein Verbindungstellerhohlvolumen (224) umfasst, in dem das zweite elastische Rückstellelement (221') derart angeordnet ist, dass das zweite elastische Rückstellelement (221') ausschließlich zwischen der vollständig geschlossenen Position (VG) und der Rückstell-Anschlagsposition (RA) des Ventilkörpers (230) in seiner Ausdehnung veränderbar ist, wobei mit Erreichen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) der Ventilkörper (230) auf dem mechanischen Anschlag des Verbindungstellers (222) aufliegt, so dass zwischen der Rückstell-Anschlagsposition (RA) und der vollständig geöffneten Position (VÖ) des Ventilkörpers (230) ausschließlich das erste Rückstellelement (221) in seiner Ausdehnung verändert wird.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste elastische Rückstellelement (221) und/oder das zweite elastische Rückstellelement (221') ein progressives elastisches Rückstellelement ist, insbesondere eine progressive Feder.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Aktuator (210): - mit einer ersten Aktuationsstromstärke (I_VÖ) betrieben werden kann, so dass sich der Ventilkörper in die vollständig geöffnete Position (VÖ) verschiebt, - mit einer zweiten Aktuationsstromstärke (I_VG) betrieben werden kann, so dass sich der Ventilkörper (230) in die vollständig geschlossene Position (VG) verschiebt, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (210) mit einer dritten Aktuationsstromstärke (I_RA) mit einer Größe zwischen der ersten Aktuationsstromstärke (I_VÖ) und der zweiten Aktuationsstromstärke (I_VG) betrieben werden kann, bei der der Aktuator (210) auf den Ventilkörper (230) eine derartige Aktuationskraft ausübt, so dass sich der Ventilkörper (230) an die Rückstell-Anschlagsposition (RA) verschiebt, wobei die erzeugte Aktuationskraft nicht ausreicht, um die durch die elastische Rückstellvorrichtung (220) erzeugte elastische Rückstellkraft an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) zu überwinden, so dass der Ventilkörper (230) an der Rückstell-Anschlagsposition (RA) bleibt.