DE20309001U1

DE20309001U1 - Einspritzventil für flüssige und gasförmige Kraftstoffe

Info

Publication number: DE20309001U1
Application number: DE20309001U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2003-06-07
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2013-06-08

Abstract

Einspritzventil für flüssige und gasförmige Kraftstoffe, vorzugsweise Dieselkraftstoff oder andere selbstzündende Kraftstoffe und Flüssiggas (LPG) oder Erdgas (CNG), in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, mit einem Injektorgehäuse das mindestens eine Zulaufbohrung 3 für die Zuführung von unter Hochdruck stehendem flüssigem Kraftstoff in das Einspritzventil 1 sowie Bohrungen 4 zum Einspritzen des flüssigen Kraftstöffes aus diesem Injektorgehäuse in die Brennkammer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Injektorgehäuse 2 ein zweiter, ringförmiger Injektor 5 druckdicht verschraubt ist, welcher in einer vorzugsweise ringförmigen Düsenspitze 6 mit Ausströmbohrungen 7 endet und in dessen ringförmigem Hohlraum 14 sowohl eine zweiteilige ringförmige Düsennadel 8, als auch ein ebenfalls ringförmiger Druckkolben 9 axial und voneinander unabhängig beweglich sind und dass, bei Injektoren, die nur phasenweise mit Hochdruck beaufschlagt sind, vom Hochdruckraum 13 des Injektorgehäuses 2 durch die ringförmige Düsennadel hindurch eine Verbindungsbohrung 22 zur Oberseite des Ringkolbens 9 existiert oder bei Injektoren die ständig unter Hochdruck stehen (Common-Rail)...

Description

Einspritzventil für flüssige und gasförmige Kraftstoffe für eine Brennkraftmaschine. Ein derartiger Injektor ist beispielsweise aus der WO 00/15956 oder der DE 10150 966 A1 bekannt.
Gasförmige Kraftstoffe wie LPG oder CNG versprechen bei Verwendung in einer Brennkraftmaschine, die nach dem Selbstzündungsverfahren betrieben wird, eine Reduzierung der Schadstoffrohemissionen bei niedrigen Kosten und ohne Verlust an Leistung. In der Literatur wird bei einer Zumischung von 73% Naturgas als Kraftstoff eine NOx-Reduktion von 24% festgestellt bei einer leicht verbesserten thermischen Effizienz gegenüber dem reinen Dieselkraftstoff.
Nachteilig bei den bekannten Injektoren für flüssige und gasförmige Kraftstoffe bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen ist, dass die gasförmigen Kraftstoffe von einer zusätzlichen Pumpe auf einen Druck von ca. 200 bar hochgepumpt werden müssen, damit sie gegen den Kompressionsdruck in den Brennraum eingeblasen werden können.
Der erfindungsgemäße Injektor für flüssige und gasförmige Kraftstoffe vermeidet durch die kennzeichnenden Merkmale der Schutzansprüche diesen Nachteil , indem er den Druck, den die Hochdruckpumpe für den flüssigen Kraftstoff erzeugt, mitnutzt. Das verbessert die Effizienz des Systems und vermeidet den Aufwand einer zweiten Hochdruckpumpe.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors für flüssige und gasförmige Kraftstoffe sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigt 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor 1, bei der die Verbindungsbohrung 22 aus dem
Hochdruckraum 13 für den flüssigen Kraftstoff in den Druckraum 21 über dem Ringkolben 9 führt. Diese Version ist bei allen Injektoren nutzbar, deren Hochdruckraum 13 mit wechselndem Druck beaufschlagt wird, wie beispielsweise die Einspritzsysteme mit einer Druckerzeugung nach dem Pumpe-Düse-Prinzip.
2 zeigt eine Modifikation des erfindungsgemäßen Injektors, bei der die Verbindungsbohrung 22 mit einer Kammer einer Hochdruckpumpe verbunden ist, wobei ein zwischengeschaltetes Ventil MV1 die Druckdauer im Druckraum 21 regelt. Diese Modifikation ist bei Einspritzsystemen notwendig, die nach dem Common-Rail-Prinzip funktionieren.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors 1 für flüssige und gasförmige Kraftstoffe in einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zur bivalenten Einspritzung von flüssigem Kraftstoff (in der Regel Dieselkraftstoff) und einem gasförmigen Kraftstoff (in der Regel Flüssiggas oder Erdgas) versorgt eine nicht dargestellte) dieseltypische Kraftstoffzuführungseinheit, vorzugsweise eine Verteilereinspritzpumpe oder ein Common-Rail-System oder ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem, alle mindestens eine Hochdruckpumpe und eine Einspritzregelung umfassend, den Injektor 2 für den Flüssigkraftstoff über die Zulaufbohrung 3 mit flüssigem Kraftstoff mit einem Druck zwischen 350 und 2050 bar. Der Aufbau einer solchen Einspritzdüse und der Ablauf der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes ist bekannt und wird deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
An seinem unteren Ende ist das Injektorgehäuse 2 mit einem weiteren ringförmigen Injektor 5 druckfest verschraubt, wodurch die Injektorengehäuse 2 und 5 miteinander einen Hohlraum 14 bilden, der nach unten hin von einer ringförmigen Düsenspitze 6 abgeschlossen wird, deren Ausströmbohrungen 7 in Richtung der Einspritzbohrungen 4 für den Flüssigkraftstoff weisen. In dem Hohlraum 14 sind, von oben nach unten, untergebracht:

a) eine Feder 12, die sich am oberen Ende gegen das Injektorgehäuse abstützt und am unteren Ende in einer Mulde des kolbenförmigen Oberteils 15 der ringförmigen Düsennadel 8. Sie hat die Aufgabe die ringförmige Düsennadel 8 in den Sitz der ringförmigen Düsenspitze 6 zu pressen und dadurch sicher gegen den Verbrennungsraum abzudichten, bis der Gegendruck, erzeugt durch den über die Verbindungsbohrung 22 aus dem Hochdruckraum 13 in den Druckraum 21 von der Hochdruckpumpe hineingepressten flüssigen Kraftstoff größer als ihre Federkraft wird und dadurch die Düsennadel 8 von ihrem Sitz abhebt und die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffes auslöst.
b) einer ringförmigen Düsennadel 8, die das verjüngte Ende des Injektorgehäuses 2 eng umschließt. Die Düsennadel 8 ist aus Montagegründen zweiteilig. Sie besteht aus einem ringkolbenförmigen Oberteil 15 einschließlich Schaft und einer ringförmigen Düsennadelspitze 24, die nach oben hin u-förmig ausgebildet ist. In dem ringkolbenförmigen Oberteil sind druckfeste Dichtungen eingelassen. Am Übergang vom Düsennadelschaft zum Düsennadelkolbenboden kann in der einen bevorzugten Ausführung der Schaft eine Einbuchtung aufweisen, die die Funktion hat, die positive Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite zu erzeugen, die für das Abheben der ringförmigen Düsennadel 8 notwendig ist. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist der Übergang ohne Einbuchtung. Stattdessen stützt sich der Ringkolben 9 hier auf einer Stufe 17 im ringförmigen Injektorgehäuse ab und nicht mehr auf dem uförmigen Schenkel der Düsennadelspitze 24. Dadurch steht für die Erzeugung des Öffnungsdruckes für die Brenngaseinblasung die gesamte Kolbenbodenfläche des kolbenförmigen Oberteils der ringförmigen Düsennadel 15 zur Verfügung. Die ringförmige Nut in der Düsennadelspitze dient der Aufnahme der Feder in zusammengepresstem Zustand, denn um den gasförmigen Kraftstoff in dem Hohlraum 14 auf den gewünschten Einblasdruck von 200 bar und mehr zu verdichten muss der Ringkolben 9 die Feder 10 erheblich zusammenpressen. Schließlich besitzt die ringförmige Düsennadel 8 noch in Höhe des Übergangs vom Düsennadelschaft zum Düsennadelkolbenboden eine Verbindungsbohrung 22, die die Verbindung zwischen dem Hochdruckraum 13 des Injektorgehäuses 2 für die Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes und dem Druckraum 21 herstellt. Außerdem besitzt der Schaft der Ringförmigen Düsennadel 8 in Höhe der Verbindungsbohrung 22 an der Innenseite zum Injektorgehäuse 2 hin eine Nut, die sicherstellt, dass auch bei abgehobener Düsennadel der Flüssigkeitsdruck aus dem Hochdruckraum 13 erhalten bleibt.
c) ein ebenfalls u-förmiger und mit druckfesten Dichtungen 23 zu den umgebenden Wänden hin abgedichteter Ringkolben 9. Er besitzt an der Mündungsstelle der Verbindungsbohrung 22 eine Aussparung, die es dem flüssigen Kraftstoff ermöglicht aus der Zulaufbohrung für den flüssigen Kraftstoff 3 in den Druckraum 21 einzufließen.
d) eine Feder 10, die den Ringkolben 9 bei Niederdruck gegen die Unterseite der ringförmigen Düsennadel 8 drückt und die Höhe des Einblasdruckes mit bestimmt.

An dem unteren Ende des Ringförmigen Injektorgehäuses 5 führt eine Zuleitung 18 den gasförmigen Kraftstoff in den Hohlraum 14 ein. Die Zuleitung muß so angebracht sein, dass sie der Ringkolben 9 auch in seiner tiefsten Position noch gegen den flüssigen Kraftstoff hin abdichtet. Ein Rückschlagventil 19 in der Mündung zu dem Hohlraum 14 schließt Rückströmung von gasförmigem Kraftstoff bei der Verdichtung aus und entlastet das stromabwärts gelegene (nicht gezeigte) Einblasventil von hohen Drücken.
Funktionsablauf: In der Phase des Saughubes der Hochdruckpumpe steht der Druckraum 21 nur unter geringem Druck, der höchstens den Druck erreicht, den die Vorförderpumpe für den flüssigen Kraftstoff erzeugt. In dieser Phase gibt das Steuerventil am Anfang der Zuführungsleitung für den gasförmigen Kraftstoff den Zulauf so lange frei, bis die von der Regelelektronik berechnete Kraftstoffmenge gasförmigen Kraftstoffes, mit einem Druck der über dem Druck der Vorförderpumpe für den flüssigen Kraftstoff liegt, in den Hohlraum 14 eingeströmt Wird als Kraftstoff Flüssiggas verwendet, so wird dieses flüssig in die Zuleitung eingespritzt. Es verdampft und die für diesen Prozeß notwendige Wärme wird der Umgebung entzogen und kühlt dadurch die thermisch hochbelasteten Injektorspitzen ab. Den Kraftstoff Flüssiggas flüssig einzuspritzen ist zum einen vom Bauaufwand her günstiger, weil keine zusätzlichen Bauteile zur Verdampfung des Flüssiggases benötigt werden und hat zugleich den hochwillkommenen Kühlungseffekt zur Folge.
Ist die Phase des Saughubes in der Hochdruckpumpe beendet, beginnt der Förderhub, der Druck im Hochdruckraum 13 und damit auch in der Verbindungsbohrung 22 (beim Pumpe-Düse-System) oder der Zuleitung für flüssigen Kraftstoff 22 (beim Common-Rail-System). Sobald der Druck des flüssigen Kraftstoffes in dem Druckraum 21 den Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffes in dem Hohlraum übersteigt, beginnt der Ringkolben 9 sich nach unten zu bewegen und presst dabei das Gas zusammen. Das Rückschlagventil 19 in der Mündung der Zuleitung 18 verhindert das Zurückströmen des gasförmigen Kraftstoffes und entlastet das (nicht gezeigte) Steuerventil am Anfang der Zuleitung 18. Die als Anschlag wirkende Stufe 17 im Ringförmigen Injektorgehäuse 5 garantiert, dass ein vorberechneter Höchstdruck nicht überschritten wird und dass die Zuleitung für den gasförmigen Kraftstoff nicht mit flüssigem Kraftstoff hohen Druckes beaufschlagt wird.
Durch geeignete Abstimmung der beteiligten Federn des Zuführungsteils für den gasförmigen Kraftstoff mit den Federn des Zuführungsteils für den flüssigen Kraftstoff und der Ausformung der Verbindungsleitung 22 als Drossel lassen sich gewünschte Öffnungs- und Schließzeitpunkte erzielen, vorzugsweise nach der oder den Piloteinspritzung(en) und der Einspritzung einer definierten geringen Menge von flüssigem Kraftstoff wird die ringförmige Düsennadel aktiviert und lässt den gasförmigen Kraftstoff einblasen. Damit wird sichergestellt, dass sich für den zündunwilligeren gasförmigen Kraftstoff schon eine vom flüssigen Kraftstoff initiierte Zündflamme ausgebildet hat, an der er sich entzünden kann.
Wird der Förderhub der Hochdruckpumpe zu dem von der Einspritzregelung bestimmten Zeitpunkt durch Öffnen oder Schließen eines Regelventils für den Hochdruck beendet, kehren die Ringförmige Düsennadel 8 und die Düsennadel des flüssigen Kraftstoffes in ihre Ausgangsposition zurück und verschließen Einspritzbohrungen 4 und 7.
Der erfindungsgemäße Injektor 1 in 2 unterscheidet sich von dem in 1 nur durch die Lage der Verbindungsbohrung 22 zum Druckraum 21. Da bei Common-Rail-Systemen der Hochdruckraum 13 des Injektors für den flüssigen Kraftstoff ständig unter Hochdruck steht, würde als Folge dessen der Ringkolben 9 ständig am unteren Anschlag verharren. Eine Befüllung des Hohlraums 14 mit gasförmigem Kraftstoff wäre dadurch nicht möglich. Das macht es nötig mit der Verbindung 22 zwischen dem Druckraum 21 und einem Hochdruckteil hinter die Rail zurück zu gehen bis zur Hochdruckpumpe, da erst hier wieder die notwendigen wechselnden Drücke abgenommen werden können.

Liste der Bezugszeichen

1: Einspritzventil
2: Injektorgehäuse
3: Zulaufbohrung für flüssigen Kraftstoff
4: Einspritzbohrungen
5: Ringförmiger Injektor
6: Ringförmige Düsenspitze
7: Einblasbohrungen für gasförmigen Kraftstoff
8: Ringförmige Düsennadel
9: Ringförmiger Kolben
10 – 12: Federn
13: Hochdruckraum
14: Hohlraum
15: Kolbenförmiges Oberteil der ringförmigen Düsennadel
16: Ringförmige Nut
17: Stufe
18: Zuleitung für gasförmigen Kraftstoff
19: Rückschlagventil
20: Einbuchtung
21: Druckraum
22: Verbindungsbohrung
23: Druckfeste Dichtungen
24: Ringförmige Düsennadelspitze
25: Common-Rail-Druckspeicher

Claims

Einspritzventil für flüssige und gasförmige Kraftstoffe, vorzugsweise Dieselkraftstoff oder andere selbstzündende Kraftstoffe und Flüssiggas (LPG) oder Erdgas (CNG), in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, mit einem Injektorgehäuse das mindestens eine Zulaufbohrung 3 für die Zuführung von unter Hochdruck stehendem flüssigem Kraftstoff in das Einspritzventil 1 sowie Bohrungen 4 zum Einspritzen des flüssigen Kraftstöffes aus diesem Injektorgehäuse in die Brennkammer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Injektorgehäuse 2 ein zweiter, ringförmiger Injektor 5 druckdicht verschraubt ist, welcher in einer vorzugsweise ringförmigen Düsenspitze 6 mit Ausströmbohrungen 7 endet und in dessen ringförmigem Hohlraum 14 sowohl eine zweiteilige ringförmige Düsennadel 8, als auch ein ebenfalls ringförmiger Druckkolben 9 axial und voneinander unabhängig beweglich sind und dass, bei Injektoren, die nur phasenweise mit Hochdruck beaufschlagt sind, vom Hochdruckraum 13 des Injektorgehäuses 2 durch die ringförmige Düsennadel hindurch eine Verbindungsbohrung 22 zur Oberseite des Ringkolbens 9 existiert oder bei Injektoren die ständig unter Hochdruck stehen (Common-Rail) eine Verbindungsleitung 22 von einer Druckkammer einer Mehrkammerhochdruckpumpe über ein Ventil durch die Außenwand des ringförmigen Injektorgehäuses 5 zur Oberseite des Ringkolbens 9 führt, durch die der unter Hochdruck gesetzte flüssige Kraftstoff einströmen kann.
Einspritzventil 1 für flüssige und gasförmige Kraftstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Düsennadel 8 gegenüber dem Ringkolben 9 und gegenüber dem Injektor 1 durch Federn 10, 11, 12 abgestützt ist.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Abstimmung der beteiligten Federn des Zuführungsteils für den gasförmigen Kraftstoff mit den Federn des Zuführungsteils für den flüssigen Kraftstoff und der Ausformung der Verbindungsleitung 22 als Drossel sich der gewünschte Öffnungs- und Schließzeitpunkt für den gasförmigen Kraftstoff erzielen lässt, in der Regel nach der Piloteinspritzung und der Einspritzung einer definierten geringen Menge von flüssigem Kraftstoff und vor Ende der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes
Einspritzventil 1 nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Düsennadel 8 und der ringförmige Kolben 9 durch Dichtungen 23 druckdicht abgedichtet sind.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Düsennadel 8 an ihrem oberen Ende ebenfalls als Ringkolben 15 ausgebildet ist und an der Innenseite ihres unteren Endes eine ringförmige Nut 16 besitzt, die die Feder 10 im zusammengepressten Zustand aufnimmt.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der ringförmige Injektor 5 am unteren Ende seines Hohlraumes 14 eine Stufe 17 besitzt oder die ringförmige Düsennadel 8 am Übergang vom Schaft zu dem Kolbenboden eine Einbuchtung aufweist.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine rohrförmige Leitung 18, durch die der gasförmige Kraftstoff in den Hohlraum 14 eingeblasen wird, so in den ringförmigen Injektor 5 mündet, dass sie, in der unteren Endstellung des Ringkolbens 9, von diesem gegen den darüber liegenden, mit flüssigem Kraftstoff gefüllten, Druckraum abgedichtet wird.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil 19 verhindert, dass gasförmiger Kraftstoff in die Zuleitung 18 zurückgedrückt wird.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, dass ein (hier nicht gezeigtes) Ventil, vorzugsweise ein elektrisch angesteuertes Magnetventil, die Zuströmung von gasförmigem Kraftstoff in den Hohlraum 14 des ringförmigen Injektors 5 regelt.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Ventils in das elektronische Motormanagement eingebunden ist.
Einspritzventil 1 nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Flüssiggas als gasförmiger Kraftstoff, das Flüssiggas flüssig in den Zuführungskanal 18 eingespritzt wird und auf dem Weg zu dem ringförmigen Hohlraum 14 oder in dem ringförmigen Hohlraum verdampft.