EP3483420B1 - Brennstoffeinspritzdüse und brennstoffeinspritzverfahren für einen grossdieselmotor, sowie grossdieselmotor - Google Patents

Brennstoffeinspritzdüse und brennstoffeinspritzverfahren für einen grossdieselmotor, sowie grossdieselmotor Download PDF

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EP3483420B1
EP3483420B1 EP18200303.8A EP18200303A EP3483420B1 EP 3483420 B1 EP3483420 B1 EP 3483420B1 EP 18200303 A EP18200303 A EP 18200303A EP 3483420 B1 EP3483420 B1 EP 3483420B1
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EP
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fuel
valve
control valve
piston
fuel injection
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Turhan Yildirim
Andreas Schmid
David Imhasly
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Winterthur Gas and Diesel AG
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    • F02M63/0047—Four-way valves or valves with more than four ways

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector and a fuel injection method for a large diesel engine and a large diesel engine according to the preamble of the independent claim of the respective category.
  • MSAR Multiphase Superfine Atomized Residue
  • MSAR Multiphase Superfine Atomized Residue
  • These are essentially heavy hydrocarbon emulsions e.g. As bitumen, heavy oil or the like, and water, which are produced in special processes.
  • suspensions e.g. B. from coal dust and water, which are also used as fuel for large diesel engines.
  • a special type of multi-fuel engine is the engine commonly referred to as a "dual-fuel engine", which can be operated with two different fuels.
  • a gas e.g. a natural gas such as LNG (liquefied natural gas) burned
  • LNG liquefied natural gas
  • a suitable liquid fuel such as diesel or heavy oil
  • large diesel engine also refers to large multi-fuel engines, dual-fuel engines and such large engines which, in addition to diesel operation, which is characterized by the self-ignition of the fuel, also in a gasoline operation, which is caused by spark ignition of the fuel is marked, or can be operated in mixed forms from these two.
  • large diesel engine also includes those large engines which can alternatively be operated with at least two different fuels, at least one of the different fuels being suitable for operating the engine in a diesel mode.
  • Modern large diesel engines are usually controlled completely electronically and typically include a common rail system for fuel injection with a pressure accumulator for the fuel in order to supply the cylinders with the fuel, for example heavy oil or diesel oil.
  • a pressure accumulator for the fuel in order to supply the cylinders with the fuel, for example heavy oil or diesel oil.
  • At least one fuel injection nozzle is provided in the cylinder in order to inject the fuel into the combustion chamber of the respective cylinder.
  • several, for example two or three, fuel injection nozzles are provided for each cylinder.
  • Each fuel injection nozzle is connected to the pressure accumulator and comprises a nozzle body and a nozzle head, which typically projects into the combustion chamber of the cylinder.
  • the nozzle head which is also referred to as an atomizer, generally comprises a plurality of nozzle holes through which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • a movable valve body is provided in the fuel injection nozzle, which cooperates with a valve seat in such a way that the passage to the nozzle holes is opened or closed.
  • the valve body is lifted out of the valve seat against the force of a spring by a stroke, so that the fuel under the injection pressure can flow to the nozzle holes.
  • the valve body is brought into sealing contact with the valve seat, so that the passage to the nozzle holes is closed.
  • WO 93/23667 A1 and EP 0900932 A1 disclose fuel injectors.
  • This injection process is controlled electronically, for example by applying current to electromagnetic control valves, which then cause a corresponding lifting movement of the valve body of the fuel injector. After the end of the injection, the force of the spring pushes the valve body back into sealing contact with the valve seat.
  • a fuel injection nozzle for a large diesel engine with a nozzle head which has at least one nozzle hole through which a fuel can be introduced into a combustion chamber, with a fuel line, through which the fuel can be introduced into a pressure chamber, with a valve body, which with a spring is loaded, and which comprises a valve piston and a nozzle needle connected to the valve piston, with a valve seat which is designed to cooperate with the nozzle needle, such that, in an open state, a flow connection between the pressure chamber and the valve body is achieved by a stroke of the valve body Nozzle head is open, and that in a closed state the nozzle needle sealingly cooperates with the valve seat, so that the flow connection between the pressure chamber and the nozzle head is closed, an upper chamber being provided, which is delimited by an upper side of the valve piston, and a lower chamber, which is delimited by an underside of the valve piston, one a first supply line is provided which connects the upper chamber to the fuel line, a first discharge line which connects
  • Switching times mean both the opening time which the valve body needs to change from the closed state to an open state and the closing time which the valve body needs to change from the open state to the closed state.
  • the configuration according to the invention makes it possible to relieve the top of the valve piston of the pressure of the fuel and to apply pressure to the underside of the valve piston to change from the closed to an open state, so that a particularly short opening time results. Conversely, for the change from the open state to the closed state, the top of the valve piston can simultaneously with the Pressure of the fuel are applied, and the pressure on the underside of the valve piston is relieved, so that a particularly short closing time results.
  • the first control valve and the second control valve are each designed as a spring-loaded, electromagnetic valve, which changes from the closed position to the open position when current is applied against the force of a spring. It is preferred if the first and the second control valve are each designed as a monostable switching element. This means that the respective control valve only has a stable state, namely the closed position. The other state, namely the open position, is only maintained as long as the control valve is supplied with current. If current is no longer applied to the control valve, the control valve automatically returns to the stable state, namely the closed position, due to the spring load.
  • first control valve and the second control valve are each designed as a slide valve with a valve slide.
  • a third supply line is provided which connects the upper chamber to the fuel line, the second control valve closing the third supply line in the closed position and opening the third supply line in the open position.
  • the valve piston comprises an upper piston and a lower piston, which are hydraulically and / or mechanically connected to one another by means of a connecting element, the upper piston forming the upper side of the valve piston and the lower piston forming the lower side of the valve piston.
  • the lower piston is designed as a hollow piston and receives the spring which loads the valve piston.
  • This configuration as a hollow piston is of course not mandatory, for example it is also possible to design the lower piston as a full piston, that is to say without a cavity.
  • the spring, which loads the valve piston is preferably supported on the upper end face of the lower piston.
  • a compensating line for pressure compensation between the underside of the upper piston and the upper side of the lower piston is provided, through which fuel can be removed. If fuel gets into the area between the upper and lower pistons, the compensation line prevents pressure from building up in this area.
  • the stroke of the valve body is adjustable, so that the open flow cross section of the flow connection between the pressure chamber and the nozzle head can be changed.
  • the stroke of the valve body can be set to any value between zero (closed state) and a maximum stroke, the maximum stroke corresponding to a maximum open state in which the flow connection between the pressure chamber and the nozzle head along the valve seat has a maximum flow cross section having.
  • the stroke is preferably set by not actuating the first control valve with a single pulse, the length of which corresponds to the desired injection duration, but with a plurality of short pulses, each of which only opens the second connecting line and the first briefly during an injection process Cause discharge line. This can be supported by activating the second control valve several times at short notice.
  • the valve body can be kept floating or floating in an intermediate position during an injection process, which is between the closed state and the maximum open state.
  • the open flow cross-section of the flow connection between the pressure chamber and the nozzle head along the valve seat can be set to any value between zero and a maximum value.
  • the stroke of the valve body has a fixed value
  • variable stroke of the valve body is advantageous, for example, for the part-load operation of the large diesel engine. Since less fuel is typically required per injection process here than in full-load operation, it is possible to actuate the valve body with a smaller stroke, so that a smaller amount of fuel is injected or injected at a lower pressure per time interval. This also has the advantage that the opening time and the closing time can be shortened even further by a smaller stroke of the valve body.
  • variable stroke also makes it possible to change the stroke between two or more non-zero values during an injection process, for example during the injection process the valve body from a first to a second position (different from the first) or to the maximum open state to move.
  • variable stroke of the valve body now has another parameter in addition to the start of injection and the injection duration, namely the variable stroke of the valve body and thus a variable pressure of the injection, in order to optimally adapt the injection process to the respective operating conditions, e.g. B.
  • practically any injection profiles can be realized, which means the time course of the amount of fuel injected.
  • Pre-injection is also possible.
  • the variable stroke of the valve body thus enables optimal injection and thus particularly economical, efficient, low-pollution and wear-reducing operation of the large diesel engine.
  • the connecting lines and the discharge lines, through which the fuel under pressure is introduced into the lower or upper chamber, or through which the fuel can be removed from the lower or upper chamber are designed as throttle lines, which restrict the flow of fuel through the respective line.
  • the second feed line has a diameter which is at most 50%, preferably at most 25%, of the diameter of the fuel line.
  • the first feed line has a diameter that is smaller than the diameter of the second feed line.
  • the third feed line has a diameter that is substantially equal to the diameter of the second feed line.
  • the second discharge line has a diameter between the lower chamber and the second control valve that is smaller than the diameter of the second supply line.
  • the advantageous variable stroke of the valve body during the injection process can be realized by the multiple activation of the first control valve and optionally the second control valve.
  • the valve body is at least temporarily held in an intermediate position between the closed state and a maximum open state during the injection process.
  • the invention also proposes a large diesel engine, in particular a longitudinally flushed two-stroke large diesel engine, the large diesel engine comprising a fuel injector which is designed according to the invention or is operated using a fuel injection method according to the invention.
  • the large diesel engine can also be designed as a multi-fuel engine that can be operated with at least two different fuels, and specifically as a dual-fuel engine that can be operated with a liquid fuel, preferably heavy oil or a diesel oil, and with a gaseous fuel , wherein can be switched from liquid mode to gas mode and vice versa during operation.
  • a liquid fuel preferably heavy oil or a diesel oil
  • a gaseous fuel wherein can be switched from liquid mode to gas mode and vice versa during operation.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel injector according to the invention for a large diesel engine, which is generally designated by the reference numeral 1.
  • the fuel injector 1 is suitable for a longitudinally flushed two-stroke large diesel engine.
  • the fuel injector 1 is also for other large engines suitable, for example for four-stroke large diesel engines or for large engines that can be operated with another liquid fuel.
  • Fig. 1 represents the fuel injector 1 in its normal position of use.
  • a large diesel engine comprises, in a manner known per se, a plurality of cylinders, for example six to twelve cylinders or even more.
  • a piston is provided in each cylinder, which is arranged so as to be movable back and forth along a running surface of the cylinder between an upper and a lower dead center, and the upper side of which together with a cylinder cover has a combustion chamber 50 ( Fig. 1 ) limited.
  • a fuel for. B. heavy oil, injected.
  • the fuel injector 1 is part of an injection system that is designed, for example, as a common rail injection system.
  • the injection system comprises at least one, but usually several, e.g. B. two or three fuel injection nozzles 1 for injecting the fuel into the combustion chamber 50, which are usually arranged in the cylinder cover.
  • the structure and the individual components of the large diesel engine such as details of the injection system, the gas exchange system, the exhaust system or the turbocharger system for providing the purge or charge air, as well as the control and control system for the large diesel engine are well known to the person skilled in the art and therefore require them no further explanation here.
  • An engine control unit (not shown) controls and monitors all functions of the large diesel engine, for example the actuation of the outlet valves for the gas exchange or the injection process for the fuel.
  • the various functions are controlled or regulated by means of electrical or electronic signals with which the corresponding components of the motor are controlled.
  • the motor control unit receives information from various detectors, sensors or measuring devices.
  • the common rail injection system which supplies the combustion chamber 50 of each cylinder with fuel, for example heavy oil, typically includes one Pressure accumulator (not shown), which is also referred to as an accumulator.
  • the pressure accumulator contains the fuel under a high pressure, which essentially corresponds to the injection pressure with which the fuel is injected into the respective combustion chamber 50.
  • the pressure accumulator is usually designed as a tubular vessel that extends along all cylinders of the large diesel engine.
  • One or more fuel pumps supply the pressure accumulator with fuel under high pressure.
  • the pressure of the fuel in the pressure accumulator can be, for example, 700-900 bar, but it can also be higher or even lower.
  • a booster pump which is connected to a reservoir for the fuel, delivers the fuel to the fuel pump (s).
  • Each of the fuel injection nozzles 1 is connected to the pressure accumulator via a pressure line, so that the fuel under the injection pressure can reach the fuel injection nozzle 1 from the pressure accumulator.
  • a flow limiting valve can also be provided between each fuel injection nozzle 1 and the pressure accumulator in order to avoid unintentional continuous injection, for example due to a malfunction
  • Fig. 1 schematically illustrated embodiment of the fuel injector 1 according to the invention and its operation explained in more detail.
  • the fuel injection nozzle 1 extends in an axial direction A, which is defined by the longitudinal axis L of the fuel injection nozzle 1, and comprises a nozzle body 2 and a nozzle head 3, which is provided at the lower end of the fuel injection nozzle 1 and which is connected to the nozzle body 2.
  • the nozzle head 3 can be designed as a separate component which is connected to the nozzle body 2. Alternatively, the nozzle head 3 can also be an integral part of the nozzle body 2.
  • the nozzle head 3 has at least one nozzle hole 30, typically a plurality of nozzle holes 30, through which the fuel can be introduced into the combustion chamber 50 of the cylinder.
  • the fuel injection nozzle 1 is mounted, for example, on the cylinder cover of the cylinder, such that the nozzle head 3 projects into the combustion chamber 50 of the cylinder.
  • the fuel injection nozzle 1 also has a fuel line 4, which is preferably designed as a bore in the nozzle body 2.
  • the fuel line 4 can be connected to the pressure line (not shown) through which the fuel injection nozzle 1 is connected to the pressure accumulator (not shown) for the fuel, so that the fuel under the injection pressure can get into the fuel line 4.
  • the fuel line 4 extends up to a pressure chamber 5 in the nozzle body 2, so that the fuel under pressure can be introduced into the pressure chamber 5 through the fuel line 4.
  • the pressure chamber 5 is essentially ring-shaped.
  • the fuel injection nozzle 1 further comprises a valve body 6, which has a valve piston 61 and a nozzle needle 62 connected to the valve piston 61, the nozzle needle 62 being arranged in the axial direction A below the valve piston 61.
  • the nozzle needle 62 extends in the axial direction A into the pressure chamber 5.
  • the valve piston 6 comprises an upper piston 611, a lower piston 612 and a connecting element 613, which is arranged between the upper piston 611 and the lower piston 612, and mechanically and / or hydraulically connects or connects these two pistons 611, 612 to one another couples together.
  • the valve piston 61 has an upper side 614 and a lower side 615, which form the two axial end faces of the valve piston 61.
  • the upper piston 611 forms the upper side 614 of the valve piston 61
  • the lower piston 612 forms the lower side 615 of the valve piston 61.
  • the lower piston 612 is in the Fig. 1
  • the illustrated embodiment is designed as a hollow piston, ie with a central recess into which the connecting element 613 extends.
  • a spring 12 is arranged, which loads or prestresses the valve body 6.
  • the lower piston 612 is a full piston, that is to say without the central recess.
  • the spring 12 is then supported preferably with its lower end on the top of the lower piston 612.
  • the valve body 6 which comprises the valve piston 61 with the upper piston 611, the lower piston 612 and the connecting element 613 and the nozzle needle 62, consists for example of several parts.
  • the valve body 6 is arranged such that it can be moved back and forth with respect to the axial direction A.
  • the lower end of the nozzle needle 62 is designed to interact with a valve seat 11, which is arranged below the pressure chamber 5 and adjoins the pressure chamber 5.
  • the lower end of the nozzle needle 62 is preferably configured in the shape of a truncated cone or cone and the valve seat 11 is also configured in the shape of a truncated cone or cone, such that the nozzle needle 62 and the valve seat 11 can cooperate with one another in a sealing manner.
  • the nozzle needle 62 acts in a sealing manner with the valve seat 11, so that a flow connection between the pressure chamber 5 and the nozzle head 3 is closed, and no fuel can get from the pressure chamber 5 into the nozzle head 3.
  • the flow connection between the pressure chamber 5 and the nozzle head 3 is opened by a stroke of the valve body 6 in the axial direction A (upward as shown), so that the fuel from the pressure chamber 5 between the nozzle needle 62 and the valve seat 11 into the Nozzle head 3 and can flow to the nozzle holes 30.
  • the nozzle needle 62 has a taper 621 in the area which is arranged in the pressure chamber 5, so that the fuel located in the pressure chamber 5 and under the injection pressure can exert an upward force on the valve body 6.
  • an upper chamber 9 is provided in the nozzle body 2, which is arranged above the valve piston 61 and which through the top 614 of the Valve piston 61 is limited.
  • a lower chamber 10 is provided in the nozzle body 2, which is arranged below the valve piston 61 and which is delimited by the underside 615 of the valve piston 61.
  • the fuel injector 1 further comprises a first feed line 21, a second feed line 22, a first discharge line 31 and a second discharge line 32, each of these lines 21, 22, 31, 32 preferably being designed as a bore in the nozzle body 2.
  • the first supply line 21 connects the upper chamber 9 to the fuel line 4.
  • the second supply line 22 connects the lower chamber 10 to the fuel line 4.
  • the first discharge line 31 connects the upper chamber 9 to a first outlet 91, so that the fuel from the upper chamber 9 can flow to the first outlet 91.
  • the second discharge line 32 connects the lower chamber 10 to a second outlet 92, so that the fuel can flow out of the lower chamber 10 to the second outlet 92.
  • the first outlet 91 and the second outlet 92 are connected to the fuel supply, for example to the storage container for the fuel, via a return line (not shown), so that the fuel flowing out through the two outlets 91, 92 is returned to the fuel supply.
  • a third feed line 23 is also provided, which is preferably also designed as a bore in the nozzle body 2 and which connects the upper chamber 9 to the fuel line 4.
  • the third feed line 23 is different from the first feed line 21.
  • the fuel injector 1 comprises a first control valve 7 and a second control valve 8.
  • the two control valves 7, 8 are configured as electronically or electrically controllable switching valves, which each have an open position and a closed position.
  • the two control valves 7, 8 can be controlled or switched independently of one another. That is, when the first control valve 7 in the open position, the second control valve 8 can optionally be in the open position or in the closed position, and when the first control valve 7 is in the closed position, the second control valve 8 can also be optionally in the open position or in the closed position.
  • the two control valves 7, 8 can thus be actuated or switched independently of one another. Regardless of the position (open or closed position) of one of the two control valves 7 or 8, the other control valve 8 or 7 can be switched back and forth between its open position and its closed position.
  • the first control valve 7 and the second control valve 8 can thus be controlled or actuated completely independently of one another. Each of the two control valves 7 and 8 can therefore be switched separately.
  • both the second supply line 22 and the first discharge line 31 are closed, so that the fuel cannot flow through them. If the first control valve 7 is in its open position, both the second supply line 22 and the first discharge line 31 are open, so that the fuel can flow through these lines 22, 31 and flow to the first outlet 91.
  • the second discharge line 32 When the second control valve 8 is in its closed position, the second discharge line 32 is closed, so that the fuel cannot flow through it to the second outlet 92. If the second control valve 8 is in its open position, the second discharge line 32 is open, so that the fuel can flow through the second discharge line 32 to the second outlet 92.
  • the passage through the third feed line 23 is also controlled by means of the second control valve 8.
  • the second control valve 8 When the second control valve 8 is in its closed position, the second control valve 8 closes the third feed line 23, so that the fuel cannot flow from the fuel line 4 through the third feed line 23 into the upper chamber 9. If the second control valve 8 is in its open position, the third feed line 23 is open, so that the fuel can flow from the fuel line 4 through the third feed line 23 into the upper chamber 9.
  • the first control valve 7 and the second control valve 8 are each designed as a spring-loaded electromagnetic valve 7, 8, which at Current applied against the force of a spring 71, 81 changes from the closed position to the open position.
  • the first control valve 7 and the second control valve 8 are particularly preferably each designed as a monostable switching valve. That is, the respective first or second control valve 7 or 8 each has only a stable state, namely the closed position. The other state, namely the open position, is only maintained as long as the control valve 7 or 8 is supplied with current. If the control valve 7 or 8 is no longer supplied with current, the control valve 7 or 8 automatically returns to the stable state, namely the closed position, due to the spring load.
  • the first control valve 7 and the second control valve 8 are preferably designed as slide valves with a valve slide 72 or 82.
  • the respective valve slide 72 or 82 is biased by the spring 71 or 81 in the direction of the closed position, i.e. as long as the control valve 7 or 8 is not supplied with current, the respective spring 71 or 81 holds the respective control valve 7 or 8 in its closed position.
  • an electromagnet 73 or 83 is provided in each case, which attracts the respective valve slide 72 or 82 when current is applied and thereby the respective control valve 7 or 8 the closed position switches to the open position and holds in the open position until the current supply to the respective control valve 7 or 8 is ended.
  • the second supply line 22 extends from the fuel line 4 to an input of the first control valve 7 and then from an output of the first control valve 7 to the lower chamber 10.
  • the third supply line 23 extends from the fuel line 4 to an input of the second control valve 8 and then from an outlet of the second drive valve 8 to the upper chamber 9.
  • the first discharge line 31 extends from the upper chamber 9 to another inlet of the first drive valve 7 and then from another outlet of the first drive valve 7 to the first outlet 91.
  • the second discharge line 32 extends from the lower chamber 10 to another inlet of the second control valve 8 and then from another outlet of the second control valve 8 to the second outlet 92.
  • an equalizing line 41 is provided for pressure equalization between the underside of the upper piston 611 and the upper side of the lower piston 612.
  • This equalizing line firstly connects the space below the underside of the upper piston 611 with the space above the upper side of the lower piston 612.
  • the compensation line 41 is connected to a third outlet 93.
  • Fig. 1 shows the fuel injector 1 or the valve body 6 in the closed state, in which no injection takes place.
  • the first and the second control valve 7 and 8 are each in their closed position.
  • the upper chamber 9 is acted upon by the pressure of the fuel in the fuel line 4 via the first feed line 21.
  • the first discharge line 31 and the second feed line 22 are closed, so that neither fuel can flow out of the upper chamber 9 through the first discharge line 31, nor can fuel flow through the second feed line 22 into the lower chamber 10.
  • the pressure chamber 5 there is essentially the same pressure as in the fuel line 4, for example the injection pressure. Since the same pressure prevails in the upper chamber 9 as in the fuel line 4, the sum of the spring force by the spring 12 and the force which is exerted by the pressure in the upper chamber 9 on the upper side 614 of the valve piston 61 predominates. the sum of the force which is exerted by the pressure in the pressure chamber 5 on the nozzle needle 62 or on the taper 621 and the force which is exerted in the lower chamber on the underside 615 of the valve piston 61. Consequently, the nozzle needle 62 of the valve body 6 is pressed into a sealing contact with the valve seat 11, so that no fuel can get into the nozzle head 3 from the pressure chamber 5.
  • the engine control unit sends a signal by which the electromagnet 73 of the first control valve 7 is supplied with current.
  • the valve spool 72 of the first control valve 7 becomes counter to the force of the spring 71 dressed. Consequently, the first control valve 7 changes from its closed position to its open position.
  • the second control valve 8 is not activated, that is to say is not supplied with current, and remains in its closed position.
  • both the second supply line 22 is now open, so that the fuel under pressure can flow from the fuel line 4 through the second supply line 22 into the lower chamber 10, and the first discharge line 31 , so that at the same time the fuel can flow out of the upper chamber 9 through the first discharge line 31 to the first outlet 91, as a result of which the upper chamber 9 is relieved of pressure.
  • the current supply to the first control valve 7 is ended. Since the electromagnet 73 of the first control valve 7 is no longer supplied with current, the force of the spring 71 of the first control valve 7 moves the valve slide 72 back into its rest position, whereby the first control valve 7 moves out of its open position its closed position changes, thereby closing both the second feed line 22 and the first discharge line 31.
  • a signal to the second control valve 8 applies current to the electromagnet 83 of the second control valve 8, so that the second control valve 8 changes from its closed position to its open position.
  • the second control valve 8 opens both the second discharge line 32, through which the fuel can then flow out of the lower chamber 10 to the second outlet 92, and also the third supply line 23, so that the fuel under pressure is additionally supplied through the third supply line 23 can flow into the upper chamber 9 from the fuel line 4.
  • the second supply line 22 and the first discharge line 31 are closed by the first control valve 7, and the second discharge line 32 and the third supply line 23 are opened by the second control valve.
  • the top 614 of the valve piston 61 is pressurized very quickly because the fuel under pressure can flow from the fuel line 4 into the upper chamber 9 both through the first supply line 21 and through the third supply line 23.
  • valve body 6 changes from the open state to the closed state and the flow connection between the pressure chamber 5 and the nozzle head 3 is closed.
  • the result is a particularly short closing time, i.e. the change from the open state to the closed state caused by the valve body 6 advantageously takes place in a very short time short time.
  • the current supply to the second control valve 8 can be ended, so that it returns to its closed state, in which the second control valve 8 and both the second Discharge line 32 and the third feed line 23 are closed.
  • the second control valve 8 primarily serves to relieve the pressure in the lower chamber 10 as quickly as possible, thereby accelerating the change from the open state to the closed state, i.e. to shorten the closing time.
  • the second control valve 8 additionally serves to accelerate the pressure build-up in the upper chamber 9 when the change from the open state to the closed state takes place.
  • the fuel injector 1 is thus characterized by very short switching times, that is to say that both the change from the closed state to the open state and the change from the open state to the closed state take place very quickly. This enables a particularly economical, efficient, low-polluting and also low-wear operation of the large diesel engine.
  • the fuel nozzle 1 is also particularly suitable for a fuel injection method in which the fuel injection nozzle 1 is operated with a variable stroke of the valve body 6.
  • the injection process for an operating cycle of the cylinder can be carried out by a single actuation of the first actuation valve 7.
  • the first control valve 7 is controlled with a single signal or pulse, the start of the signal determining the start of injection and the length of the signal determining the injection duration.
  • the electromagnet 73 of the first control valve 7 is supplied with current, at the end of the signal also the current application of the electromagnet 73 of the first control valve 7 ends.
  • the change from the open to the closed state can be controlled by actuating the second control valve 8 are supported or accelerated.
  • the first control valve 7 it is also possible to control the first control valve 7 several times with one signal or pulse during an injection process, the individual signal having a length which is significantly shorter than the desired length of the injection. Such multiple actuation of the first actuation valve 7 has the result that the first actuation valve 7 switches repeatedly between its closed position and its open position during an injection process.
  • valve body 6 floating or floating during the entire injection process in a position between the closed state (nozzle needle 62 in sealing contact with valve seat 11) and the maximum possible stroke of the valve body 6 lies. This means that the valve body 6 can be held in an intermediate position between the closed state and the maximum open state during the injection process.
  • This method of operating the valve body 6 with a variable stroke opens up many possibilities for making the injection process as optimal as possible and for example adapting it to the current load with which the large diesel engine is operated or to the properties of the fuel, for just two examples to call.
  • the injection profile means the time course of the amount of fuel injected during the injection process.
  • valve body 6 it is also possible to implement a pre-injection or to increase the stroke of the valve body 6 in several steps during an injection process.
  • the different supply and discharge lines 21, 22, 23, 31, 32 which are preferably each as bores in the Nozzle bodies 2 are configured, each having a throttling effect, the strength of the throttling effect preferably being set via the diameter of the respective line 21, 22, 23, 31, 32.
  • the following measures in particular can be advantageous with regard to the throttling effect.
  • the second feed line 22 has a diameter which is at most 50%, preferably at most 25%, of the diameter of the fuel line 4.
  • the second supply line 22 has a diameter that corresponds to approximately 20% of the diameter of the fuel line 4.
  • the first feed line 21 has a diameter that is smaller than the diameter of the second feed line 22.
  • the first feed line 21 can for example, have a diameter that is at most 50% of the diameter of the second feed line 22.
  • the third feed line 23 has a diameter that is at least approximately the same size as the diameter of the second feed line 22.
  • the second discharge line 32 has a diameter which is smaller than the diameter of the second feed line 22.
  • the diameter of the second discharge line 32 in the mentioned area is, for example, approximately 80% of the diameter of the second Feed line 22.
  • the first discharge line 31 and the second discharge line 32 should have as little or no throttling effect in their respective areas downstream of the first or second control valve 7, 8 (that is, between the respective control valve 7, 8 and the first outlet 91 or second outlet 92) to have. In these areas, the first discharge line 31 or the second discharge line 32 can be configured, for example, with at least the same diameter as the fuel line 4.
  • the throttle line 42 should have a significantly stronger throttling effect than the second discharge line 32.
  • the throttle line 42 can have, for example, a diameter that is at most 50% of the diameter of the second discharge line 32 in the region between the lower chamber 10 and the second control valve 8.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse und ein Brennstoffeinspritzverfahren für einen Grossdieselmotor sowie einen Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs der jeweiligen Kategorie.
  • Grossdieselmotoren, wie beispielsweise längsgespülte Zweitakt-Grossdieselmotoren, werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit den Betriebsstoffen zentrale Kriterien.
  • Seit einigen Jahren ist auch mit zunehmender Bedeutung die Qualität der Abgase ein wesentlicher Aspekt. Das hat insbesondere bei Zweitakt-Grossdieselmotoren zur Folge, dass die Verbrennung des klassischen, mit Schadstoffen hoch belasteten Schweröls, aber auch die Verbrennung von Dieselöl oder anderen Brennstoffen problematischer wird, weil die Einhaltung der Abgasgrenzwerte immer schwieriger, technisch aufwändiger und damit teurer wird oder die Einhaltung der Grenzwerte wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll möglich ist.
  • In der Praxis besteht daher bereits seit langem das Bedürfnis nach Motoren, die mit mindestens zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden können. Dabei kann es sich beispielsweise um zwei verschiedene flüssige Brennstoffe handeln oder auch um einen flüssigen Brennstoff und einen gasförmigen Brennstoff. Solche Motoren werden üblicherweise als Multi-Fuel-Motoren bezeichnet und können während des Betriebs von einem Brennstoff auf einen anderen Brennstoff umgeschaltet werden. Bekannte flüssige oder gasförmige Brennstoffe, die alternativ in einem Multi-Fuel-Grossdieselmotor verbrannt werden können, umfassen neben Schweröl, Marinediesel und Diesel insbesondere Alkohole wie Methanol oder Ethanol, Erdgase wie LNG (liquified natural gas) oder Emulsionen oder Suspensionen.
  • Als ein Beispiel seien hier die als MSAR (Multiphase Superfine Atomised Residue) bezeichneten Emulsionen genannt. Dies sind im Wesentlichen Emulsionen aus einem schweren Kohlenwasserstoff, z. B. Bitumen, Schweröl oder ähnliches, und Wasser, die in speziellen Verfahren hergestellt werden. Ein weiteres Beispiel sind Suspensionen, z. B. aus Kohlenstaub und Wasser, die ebenfalls als Brennstoff für Grossdieselmotoren eingesetzt werden.
  • Ein spezieller Typ eines Multi-Fuel-Motors ist der üblicherweise als "Dual-Fuel Motor" bezeichnete Motor, der mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden können. In einem Gasmodus wird ein Gas, z.B. ein Erdgas wie LNG (liquefied natural gas), verbrannt, während in einem Flüssigmodus ein geeigneter flüssiger Brennstoff wie Diesel oder Schweröl in demselben Motor verbrannt werden kann.
  • Mit dem Begriff "Grossdieselmotor" sind im Rahmen dieser Anmeldung auch Multi-Fuel-Grossmotoren, Dual-Fuel Motoren und solche Grossmotoren gemeint, die ausser im Dieselbetrieb, der durch die Selbstzündung des Brennstoffs gekennzeichnet ist, auch in einem Ottobetrieb, der durch die Fremdzündung des Brennstoffs gekennzeichnet ist, oder in Mischformen aus diesen beiden betrieben werden kann. Der Begriff Grossdieselmotor umfasst auch solche Grossmotoren, die alternativ mit mindestens zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden können, wobei zumindest einer der verschiedenen Brennstoffe geeignet ist, um den Motor in einem Dieselbetrieb zu betreiben.
  • Moderne Grossdieselmotoren werden üblicherweise vollkommen elektronisch gesteuert und umfassen typischerweise für die Brennstoffeinspritzung ein Common-Rail-System mit einem Druckspeicher für den Brennstoff, um die Zylinder mit dem Brennstoff, also beispielsweise Schweröl oder Dieselöl, zu versorgen. Für jeden Zylinder ist mindestens eine Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen, um den Brennstoff in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einzuspritzen. Häufig sind für jeden Zylinder mehrere, beispielsweise zwei oder drei Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen. Jede Brennstoffeinspritzdüse ist mit dem Druckspeicher verbunden und umfasst einen Düsenkörper sowie einen Düsenkopf, welcher typischerweise in den Brennraum des Zylinders ragt. Der Düsenkopf, der auch als Zerstäuber bezeichnet wird, umfasst in der Regel mehrere Düsenlöcher, durch welche der Brennstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Um den Einspritzvorgang zu beginnen oder zu beenden, ist in der Brennstoffeinspritzdüse ein beweglicher Ventilkörper vorgesehen, welcher mit einem Ventilsitz derart zusammenwirkt, dass der Durchgang zu den Düsenlöchern geöffnet oder geschlossen wird. Um einen Einspritzvorgang zu beginnen, wird der Ventilkörper durch einen Hub gegen die Kraft einer Feder aus dem Ventilsitz abgehoben, sodass der unter dem Einspritzdruck stehende Brennstoff zu den Düsenlöchern strömen kann. Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird der Ventilkörper in dichtenden Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht, sodass der Durchgang zu den Düsenlöchern verschlossen wird.
  • WO 93/23667 A1 und EP 0900932 A1 offenbaren Brennstoffeinspritzdüsen.
  • Dieser Einspritzvorgang wird elektronisch gesteuert, beispielsweise durch Strombeaufschlagung elektromagnetischer Ansteuerventile, die dann eine entsprechende Hubbewegung des Ventilkörpers der Brennstoffeinspritzdüse verursachen. Nach Beendigung der Einspritzung drückt die Kraft der Feder den Ventilkörper wieder in einen dichtenden Kontakt mit dem Ventilsitz.
  • Obwohl sich derartige Einspritzsysteme für Grossdieselmotoren in der Praxis bewährt haben, besteht noch Verbesserungsbedarf. Eines der Probleme ist die Trägheit bzw. die Antwortzeit des Einspritzsystems. Zwar können die elektrischen oder elektronischen Signale, welche den Beginn bzw. das Ende des Einspritzvorgangs verursachen, als scharfe, wohldefinierte und zeitlich genau platzierte Signale generiert werden, aber die tatsächliche Einspritzung des Brennstoffs in den Zylinder weicht durch die physikalischen Eigenschaften des Einspritzsystems sowohl zeitlich als auch in der Steilheit der Flanken beim Öffnen und Schliessen des Durchlasses zwischen Ventilkörper und Ventilsitz von den elektronischen Signalen ab. Insbesondere ist es ein Problem, dass das Öffnen und Schliessen dieses Durchlasses zu langsam erfolgt, die Reaktionszeiten der Brennstoffeinspritzdüse also zu lange sind. Solche langen Reaktionszeiten können den wirtschaftlichen, effizienten und schadstoffarmen Betrieb des Grossdieselmotors negativ beeinflussen. Dies trifft insbesondere beim Kaltstart des Motors zu oder, wenn der Motor im unteren Lastbereich betrieben wird.
  • Zwar sind einige Massnahmen versucht worden, um diese Reaktionszeiten zu verkürzen, um also den Vorgang des Öffnens und des Schliessens des Durchlasses zwischen Ventilsitz und Ventilkörper zu verkürzen bzw. zu beschleunigen, aber diese Massnahmen stellen häufig nur einen Kompromiss dar. Da das durch die Ansteuerventile initiierte Öffnen bzw. Schliessen in der Regel über Drosseln, insbesondere Drosselleitungen, erfolgt, welche von dem Fluid, also beispielsweise von dem Brennstoff, durchströmt werden, ist es typischerweise so, dass eine Beschleunigung des Öffnens eine Verlangsamung des Schliessens zur Folge hat und umgekehrt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffeinspritzdüse für einen Grossdieselmotor vorzuschlagen, die besonders kurze Schaltzeiten aufweist, d.h. bei welcher der Wechsel vom geöffneten Zustand (Strömungsverbindung zum Düsenkopf geöffnet) zum geschlossenen Zustand (Strömungsverbindung zum Düsenkopf verschlossen) und umgekehrt jeweils in besonders kurzer Zeit erfolgt. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Brennstoffeinspritzverfahren sowie einen entsprechenden Grossdieselmotor vorzuschlagen.
  • Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
  • Erfindungsgemäss wird also eine Brennstoffeinspritzdüse für einen Grossdieselmotors vorgeschlagen, mit einem Düsenkopf, welcher mindestens ein Düsenloch aufweist, durch welches ein Brennstoff in einen Brennraum einbringbar ist, mit einer Brennstoffleitung, durch welche der Brennstoff in einen Druckraum einbringbar ist, mit einem Ventilkörper, welcher mit einer Feder belastet ist, und welcher einen Ventilkolben sowie eine mit dem Ventilkolben verbundene Düsennadel umfasst, mit einem Ventilsitz, welcher zum Zusammenwirken mit der Düsennadel ausgestaltet ist, derart, dass in einem geöffneten Zustand durch einen Hub des Ventilkörpers eine Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Düsenkopf geöffnet ist, und dass in einem geschlossenen Zustand die Düsennadel dichtend mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, sodass die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Düsenkopf geschlossen ist, wobei eine obere Kammer vorgesehen ist, welche durch eine Oberseite des Ventilkolbens begrenzt wird, sowie eine untere Kammer, welche durch eine Unterseite des Ventilkolbens begrenzt wird, wobei eine erste Zuführleitung vorgesehen ist, welche die obere Kammer mit der Brennstoffleitung verbindet, eine erste Abführleitung, welche die obere Kammer mit einem ersten Auslass für den Brennstoff verbindet, eine zweite Zuführleitung, welche die untere Kammer mit der Brennstoffleitung verbindet, sowie eine zweite Abführleitung, welche die untere Kammer mit einem zweiten Auslass verbindet, wobei ferner ein erstes Ansteuerventil vorgesehen ist, welches in einer Schliessstellung sowohl die zweite Zuführleitung als auch die erste Abführleitung verschliesst, und welches in einer Offenstellung sowohl die zweite Zuführleitung als auch die erste Abführleitung öffnet, wobei ein zweites Ansteuerventil vorgesehen ist, welches in einer Schliessstellung die zweite Abführleitung verschliesst, und welches in einer Offenstellung die zweite Abführleitung öffnet, und wobei das erste Ansteuerventil und das zweite Ansteuerventil unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
  • Durch diese Ausgestaltung mit der oberen Kammer, die oberhalb des Ventilkolbens vorgesehen ist, der unteren Kammer, die unterhalb des Ventilkolbens vorgesehen ist, und den beiden Ansteuerventilen, mit welchen der Zufluss in sowie der Abfluss aus der oberen und der unteren Kammer gesteuert werden kann, lassen sich besonders kurze Schaltzeiten realisieren.
  • Mit "Schaltzeiten" ist dabei sowohl die Öffnungszeit gemeint, welche der Ventilkörper benötigt, um vom geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand zu wechseln, als auch die Schliesszeit, welche der Ventilkörper benötigt, um von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand zu wechseln.
  • Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung ist es möglich, zum Wechsel vom geschlossenen in einen geöffneten Zustand gleichzeitig die Oberseite des Ventilkolbens vom Druck des Brennstoffs zu entlasten und die Unterseite des Ventilkolbens mit Druck zu beaufschlagen, sodass eine besonders kurze Öffnungszeit resultiert. Umgekehrt kann für den Wechsel vom geöffneten Zustand zum geschlossenen Zustand gleichzeitig die Oberseite des Ventilkolbens mit dem Druck des Brennstoffs beaufschlagt werden, und die Unterseite des Ventilkolbens vom Druck entlastet werden, sodass eine besonders kurze Schliesszeit resultiert.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung sind das erste Ansteuerventil und das zweite Ansteuerventil jeweils als federbelastetes, elektromagnetisches Ventil ausgestaltet, welches bei Strombeaufschlagung gegen die Kraft einer Feder aus der Schliessstellung in die Offenstellung wechselt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das erste und das zweite Ansteuerventil jeweils als monostabiles Schaltorgan ausgestaltet sind. D.h., das jeweilige Ansteuerventil hat nur einen stabilen Zustand, nämlich die Schliessstellung. Der andere Zustand, nämlich die Offenstellung, bleibt nur so lange aufrechterhalten, wie das Ansteuerventil mit Strom beaufschlagt wird. Wird das Ansteuerventil nicht mehr mit Strom beaufschlagt, kehrt das Ansteuerventil automatisch durch die Federbelastung in den stabilen Zustand, nämlich die Schliessstellung, zurück.
  • Aus praktischen Gründen ist es bevorzugt, dass das erste Ansteuerventil und das zweite Ansteuerventil jeweils als Schieberventil mit einem Ventilschieber ausgestaltet sind.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine dritte Zuführleitung vorgesehen, welche die obere Kammer mit der Brennstoffleitung verbindet, wobei das zweite Ansteuerventil in der Schliessstellung die dritte Zuführleitung verschliesst, und in der Offenstellung die dritte Zuführleitung öffnet. Dadurch wird beim Wechsel vom geöffneten in den geschlossenen Zustand durch das zweite Ansteuerventil nicht nur die zweite Abführleitung zur Druckentlastung der unteren Kammer geöffnet, die dritte Zuführleitung geöffnet, durch welche dann zusätzlich der unter Druck stehende Brennstoff aus der Brennstoffleitung in die obere Kammer einströmen kann, sodass in der oberen Kammer ein noch schnellerer Druckaufbau erfolgt. Hierdurch lässt sich die Schliesszeit noch weiter verkürzen.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Ventilkolben einen oberen Kolben und einen unteren Kolben, die mittels eines Verbindungselements hydraulisch und/oder mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der obere Kolben die Oberseite des Ventilkolbens bildet und der untere Kolben die Unterseite des Ventilkolbens.
  • Bei dieser Ausgestaltung des Ventilkolbens ist es aus konstruktiven Gründen vorteilhaft, wenn der untere Kolben als Hohlkolben ausgestaltet ist, und die Feder aufnimmt, welche den Ventilkolben belastet.
  • Diese Ausgestaltung als Hohlkolben ist natürlich nicht zwingend, es ist beispielsweise auch möglich, den unteren Kolben als Vollkolben, also ohne Hohlraum, auszugestalten. Bei einer solchen Ausgestaltung stützt sich die Feder, welche den Ventilkolben belastet, vorzugsweise auf der oberen Stirnfläche des unteren Kolbens ab.
  • Ferner ist es bei dieser Ausgestaltung des Ventilkolbens mit dem oberen und dem unteren Kolben bevorzugt, dass eine Ausgleichsleitung zum Druckausgleich zwischen der Unterseite des oberen Kolbens und der Oberseite des unteren Kolbens vorgesehen ist, durch welche Brennstoff abführbar ist. Wenn also Brennstoff in den Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Kolben gelangt, so verhindert es die Ausgleichsleitung, dass sich in diesem Bereich ein Druck aufbauen kann.
  • Gemäss einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Hub des Ventilkörpers einstellbar, sodass der im geöffneten Zustand offene Strömungsquerschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Düsenkopf veränderbar ist. Das heisst, der Hub des Ventilkörpers ist auf einen beliebigen Wert zwischen Null (geschlossener Zustand) und einem maximalen Hub einstellbar, wobei der maximale Hub einem maximalen geöffneten Zustand entspricht, in welchem die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Düsenkopf entlang des Ventilsitzes einen maximalen Strömungsquerschnitt aufweist. Die Einstellung des Hubs erfolgt dabei vorzugsweise, indem während eines Einspritzvorgangs das erste Ansteuerventil nicht mit einem einzigen Impuls angesteuert wird, dessen Länge der gewünschten Einspritzdauer entspricht, sondern mit einer Mehrzahl von kurzen Impulsen, die jeweils nur ein kurzfristiges Öffnen der zweiten Verbindungsleitung und der ersten Abführleitung bewirken. Dies kann unterstützt werden durch ein mehrfaches kurzfristiges Ansteuern des zweiten Ansteuerventils.
  • Durch dieses mehrfache, kurzfristige Ansteuern des ersten Ansteuerventils (und vorzugsweise auch des zweiten Ansteuerventils) kann also der Ventilkörper während eines Einspritzvorgangs schwebend oder schwimmend in einer Zwischenstellung gehalten werden, die zwischen dem geschlossenen Zustand und dem maximalen geöffneten Zustand liegt. Auf diese Weise kann der offene Strömungsquerschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Düsenkopf entlang des Ventilsitzes auf einen beliebigen Wert zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt werden. Im Unterschied zu bekannten Lösungen, bei welchen der Hub des Ventilkörpers einen fixen Wert hat, ist es bei der erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzdüse möglich, einen variablen Hub des Ventilkörpers zu realisieren, also verschiedene geöffnete Zustände zwischen dem geschlossenen Zustand und dem maximalen geöffneten Zustand einzustellen.
  • Diese Möglichkeit des variablen Hubs des Ventilkörpers ist beispielsweise für den Teillastbetrieb des Grossdieselmotors vorteilhaft. Da hier typischerweise weniger Brennstoff pro Einspritzvorgang benötigt wird als im Volllastbetrieb, ist es möglich, den Ventilkörper mit einem kleineren Hub zu betätigen, sodass pro Zeitintervall eine geringere Menge Brennstoff eingespritzt wird bzw. mit einem geringeren Druck eingespritzt wird. Dies hat zudem den Vorteil, dass durch einen kleineren Hub des Ventilkörpers die Öffnungszeit und die Schliesszeit noch weiter verkürzt werden können.
  • Auch ist es durch den variablen Hub möglich, während eines Einspritzvorgangs, den Hub zwischen zwei oder mehr von Null verschiedenen Werten zu verändern, also beispielsweise während des Einspritzvorgangs den Ventilkörpers aus einer ersten in eine (von der ersten verschiedene) zweite Zwischenstellung oder in den maximalen geöffneten Zustand zu bewegen.
  • Durch diese Möglichkeit des variablen Hubs des Ventilkörpers hat man nun neben dem Einspritzbeginn und der Einspritzdauer noch einen weiteren Parameter, nämlich den variablen Hub des Ventilkörpers und damit einen variablen Druck der Einspritzung, zur Verfügung, um den Einspritzvorgang optimal an die jeweiligen Betriebsbedingungen, z. B. Art und Eigenschaften des Brennstoffes oder Lastbereich, in welchem der Motor betrieben wird, anzupassen. Insbesondere lassen sich praktisch beliebige Einspritzprofile realisieren, womit der zeitliche Verlauf der eingespritzten Brennstoffmenge gemeint ist. Auch eine Voreinspritzung ist möglich. Insbesondere der variable Hub des Ventilkörpers ermöglicht somit eine optimale Einspritzung und damit einen besonders wirtschaftlichen, effizienten, schadstoffarmen und Verschleiss reduzierenden Betrieb des Grossdieselmotors.
  • Unter praktischen Aspekten ist es bevorzugt, wenn die Verbindungsleitungen und die Abführleitungen, durch welche der unter Druck stehende Brennstoff in die untere oder obere Kammer eingebracht wird, bzw. durch welche der Brennstoff aus der unteren oder oberen Kammer abführbar ist, als Drosselleitungen ausgestaltet sind, welche den Fluss des Brennstoffes durch die jeweilige Leitung drosseln. Insbesondere sind dazu die folgenden Massnahmen bevorzugt:
    Die zweite Zuführleitung weist einen Durchmesser auf, der höchstens 50%, vorzugsweise höchstens 25% des Durchmessers der Brennstoffleitung beträgt.
  • Die erste Zuführleitung weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung.
  • Die dritte Zuführleitung weist einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der zweiten Zuführleitung ist.
  • Die zweite Abführleitung weist zwischen der unteren Kammer und dem zweiten Ansteuerventil einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung.
  • Diese Massnahmen können entweder einzeln realisiert sein oder in einer beliebigen Kombination. Vorzugsweise sind alle genannten Massnahmen realisiert.
  • Durch die Erfindung wird ferner ein Brennstoffeinspritzverfahren für einen Grossdieselmotor vorgeschlagen, umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen einer Brennstoffeinspritzdüse, die erfindungsgemäss ausgestaltet ist,
    • Beginnen eines Einspritzvorgangs durch ein Ansteuern des ersten Ansteuerventils;
    • mehrfaches Ansteuern des ersten Ansteuerventils und optional des zweiten Ansteuerventils während des Einspritzvorgangs.
  • Wie dies bereits vorangehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzdüse erläutert wurde, lässt sich durch das mehrfache Ansteuern des ersten Ansteuerventils und optional des zweiten Ansteuerventils der vorteilhafte variable Hub des Ventilkörpers während des Einspritzvorgangs realisieren.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ventilkörper während des Einspritzvorgangs zumindest zeitweise in einer Zwischenstellung zwischen dem geschlossenen Zustand und einem maximalen geöffneten Zustand gehalten.
  • Durch die Erfindung wird ferner Grossdieselmotor, insbesondere ein längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor vorgeschlagen, wobei der Grossdieselmotor eine Brennstoffeinspritzdüse umfasst, welche erfindungsgemäss ausgestaltet ist, oder mit einem erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzverfahren betrieben wird.
  • Insbesondere kann der Grossdieselmotor auch als Multi-Fuel Motor ausgestaltet sein, der mit mindestens zwei unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar ist, und speziell als Dual-Fuel Motor, welcher mit einem flüssigen Brennstoff, vorzugsweise Schweröl oder ein Dieselöl, und mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden kann, wobei während des Betriebs von dem Flüssigmodus in den Gasmodus umgeschaltet werden kann und umgekehrt.
  • Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1:
    eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzdüse.
  • Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sind relative Lagebezeichnungen wie "unten", "oben", "unterhalb", "oberhalb", usw. so zu verstehen, dass sie sich jeweils auf die normale Gebrauchslage beziehen.
  • Fig. 1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzdüse für einen Grossdieselmotor, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Insbesondere ist die Brennstoffeinspritzdüse 1 für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor geeignet. Natürlich ist die Brennstoffeinspritzdüse 1 auch für andere Grossmotoren geeignet, beispielsweise für Viertakt-Grossdieselmotoren oder für Grossmotoren, die mit einem anderen flüssigen Brennstoff betreibbar sind.
  • Fig. 1 stellt die Brennstoffeinspritzdüse 1 in ihrer normalen Gebrauchslage dar.
  • Ein Grossdieselmotor umfasst in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Zylindern, beispielsweise sechs bis zwölf Zylinder oder noch mehr. In jedem Zylinder ist ein Kolben vorgesehen, der jeweils entlang einer Lauffläche des Zylinders zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt hin- und her bewegbar angeordnet ist, und dessen Oberseite gemeinsam mit einem Zylinderdeckel einen Brennraum 50 (Fig. 1) begrenzt. In den Brennraum 50 wird mittels der Brennstoffeinspritzdüse 1 ein Brennstoff, z. B. Schweröl, eingespritzt.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 ist Teil eines Einspritzsystems, das beispielsweise als Common-Rail Einspritzsystem ausgestaltet ist. Das Einspritzsystem umfasst für jeden Zylinder mindestens eine, üblicherweise aber mehrere, z. B. zwei oder drei Brennstoffeinspritzdüsen 1 zum Einspritzen des Brennstoffs in den Brennraum 50, welche üblicherweise im Zylinderdeckel angeordnet sind.
  • Der Aufbau und die einzelnen Komponenten des Grossdieselmotors, wie beispielsweise Einzelheiten des Einspritzsystems, das Gaswechselsystem, das Abgassystem oder das Turboladersystem für die Bereitstellung der Spül- bzw. Ladeluft, sowie das Kontroll- und Steuerungssystem für den Grossdieselmotor sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und bedürfen daher hier keiner weiteren Erläuterung.
  • Modernen Grossdieselmotoren werden heute vollkommen elektronisch gesteuert und kontrolliert. Eine Motorkontrolleinheit (nicht dargestellt) steuert und überwacht alle Funktionen des Grossdieselmotors, beispielsweise die Betätigung der Auslassventile für den Gaswechsel oder den Einspritzvorgang für den Brennstoff. Die Steuerung bzw. Regelung der verschiedenen Funktionen erfolgt dabei mittels elektrischer oder elektronischer Signale, mit welchen die entsprechenden Komponenten des Motors angesteuert werden. Zudem erhält die Motorkontrolleinheit Informationen von verschiedenen Detektoren, Sensoren oder Messvorrichtungen.
  • Das Common-Rail Einspritzsystem, welches den Brennraum 50 jedes Zylinders mit Brennstoff, beispielsweise Schweröl, versorgt, umfasst typischerweise einen Druckspeicher (nicht dargestellt), der auch als Akkumulator bezeichnet wird. Der Druckspeicher enthält den Brennstoff unter einem Hochdruck, der im Wesentlichen dem Einspritzdruck entspricht, mit welchem der Brennstoff in den jeweiligen Brennraum 50 eingespritzt wird. Üblicherweise ist der Druckspeicher als ein rohrförmiges Gefäss ausgestaltet, das sich entlang aller Zylinder des Grossdieselmotors erstreckt. Eine oder mehrere Brennstoffpumpen versorgen den Druckspeicher mit Brennstoff unter Hochdruck. Der Druck des Brennstoffs in dem Druckspeicher kann beispielsweise 700-900 bar betragen, aber auch noch höher oder aber auch tiefer sein. Eine Druckerhöhungspumpe (booster pump), die mit einem Vorratsbehälter für den Brennstoff verbunden ist, fördert den Brennstoff zu der oder den Brennstoffpumpe(n).
  • Jede der Brennstoffeinspritzdüsen 1 ist über eine Druckleitung mit dem Druckspeicher verbunden, sodass der unter dem Einspritzdruck stehende Brennstoff aus dem Druckspeicher zu der Brennstoffeinspritzdüse 1 gelangen kann. Zwischen jeder Brennstoffeinspritzdüse 1 und dem Druckspeicher kann zudem ein Flussbegrenzungsventil vorgesehen sein, um eine unbeabsichtigte Dauereinspritzung, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion, zu vermeiden
  • Im Folgenden wird nun das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzdüse 1 sowie sein Betrieb näher erläutert.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 erstreckt sich in einer axialen Richtung A, welche durch die Längsachse L der Brennstoffeinspritzdüse 1 festgelegt ist, und umfasst einen Düsenkörper 2 sowie einen Düsenkopf 3, der am unteren Ende der Brennstoffeinspritzdüse 1 vorgesehen ist und der mit dem Düsenkörper 2 verbunden ist. Der Düsenkopf 3 kann als separates Bauteil ausgestaltet sein, das mit dem Düsenkörper 2 verbunden wird. Alternativ kann der Düsenkopf 3 auch integraler Bestandteil des Düsenkörpers 2 sein. Der Düsenkopf 3 weist mindestens ein Düsenloch 30 auf, typischerweise eine Mehrzahl von Düsenlöchern 30, durch welche(s) der Brennstoff in den Brennraum 50 des Zylinders einbringbar ist. Die Brennstoffeinspritzdüse 1 ist beispielsweise am Zylinderdeckel des Zylinders montiert, derart dass der Düsenkopf 3 in den Brennraum 50 des Zylinders hineinragt.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 weist ferner eine Brennstoffleitung 4 auf, welche vorzugsweise als Bohrung im Düsenkörper 2 ausgestaltet ist. Die Brennstoffleitung 4 ist mit der Druckleitung (nicht dargestellt) verbindbar, durch welche die Brennstoffeinspritzdüse 1 mit dem Druckspeicher (nicht dargestellt) für den Brennstoff verbunden ist, sodass der unter dem Einspritzdruck stehende Brennstoff in die Brennstoffleitung 4 gelangen kann.
  • Die Brennstoffleitung 4 erstreckt sich bis zu einem Druckraum 5 im Düsenkörper 2, sodass der unter Druck stehende Brennstoff durch die Brennstoffleitung 4 in den Druckraum 5 einbringbar ist. Der Druckraum 5 ist im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 umfasst ferner einen Ventilkörper 6, welcher einen Ventilkolben 61 sowie eine mit dem Ventilkolben 61 verbundene Düsennadel 62 aufweist, wobei die Düsennadel 62 in axialer Richtung A unterhalb des Ventilkolbens 61 angeordnet ist. Die Düsennadel 62 erstreckt sich in axialer Richtung A bis in den Druckraum 5 hinein. Der Ventilkolben 6 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel einen oberen Kolben 611, einen unteren Kolben 612 sowie ein Verbindungselement 613, das zwischen dem oberen Kolben 611 und dem unteren Kolben 612 angeordnet ist, und diese beiden Kolben 611, 612 mechanisch und/oder hydraulisch miteinander verbindet bzw. aneinander koppelt.
  • Der Ventilkolben 61 hat eine Oberseite 614 sowie eine Unterseite 615, welche die beiden axialen Stirnflächen des Ventilkolbens 61 bilden. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet der obere Kolben 611 die Oberseite 614 des Ventilkolbens 61, und der untere Kolben 612 bildet die Unterseite 615 des Ventilkolbens 61.
  • Der untere Kolben 612 ist in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlkolben, d.h. mit einer zentralen Ausnehmung, ausgestaltet, in welche hinein sich das Verbindungselement 613 erstreckt. In dieser zentralen Ausnehmung des unteren Kolbens 612 ist eine Feder 12 angeordnet, welche den Ventilkörper 6 belastet bzw. vorspannt.
  • Alternativ ist es natürlich auch möglich, den unteren Kolben 612 als Vollkolben, das heisst ohne die zentrale Ausnehmung auszugestalten. Die Feder 12 stützt sich dann vorzugsweise mit ihrem unteren Ende auf der Oberseite des unteren Kolbens 612 ab.
  • Der Ventilkörper 6, welcher den Ventilkolben 61 mit dem oberen Kolben 611, dem unteren Kolben 612 und dem Verbindungselement 613 sowie die Düsennadel 62 umfasst, besteht beispielsweise aus mehreren Teilen. Der Ventilkörper 6 ist bezüglich der axialen Richtung A hin- und herbewegbar angeordnet.
  • Das untere Ende der Düsennadel 62 ist für das Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 11 ausgestaltet, welcher unterhalb des Druckraums 5 angeordnet ist, und sich an den Druckraum 5 anschliesst. Vorzugsweise ist das untere Ende der Düsennadel 62 kegel- oder kegelstumpfförmig ausgestaltet und der Ventilsitz 11 ist ebenfalls kegel- oder kegelstumpfförmig ausgestaltet, derart, dass die Düsennadel 62 und der Ventilsitz 11 dichtend miteinander zusammenwirken können.
  • In einem geschlossenen Zustand wirkt die Düsennadel 62 dichtend mit dem Ventilsitz 11 zusammen, sodass eine Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Düsenkopf 3 geschlossen ist, und kein Brennstoff aus dem Druckraum 5 in den Düsenkopf 3 gelangen kann. In einem geöffneten Zustand ist durch einen Hub des Ventilkörpers 6 in axialer Richtung A (darstellungsgemäss nach oben) die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Düsenkopf 3 geöffnet, sodass der Brennstoff aus dem Druckraum 5 zwischen der Düsennadel 62 und dem Ventilsitz 11 hindurch in den Düsenkopf 3 und zu den Düsenlöchern 30 strömen kann.
  • Die Düsennadel 62 weist in dem Bereich, der im Druckraum 5 angeordnet ist, eine Verjüngung 621 auf, sodass der im Druckraum 5 befindliche, unter dem Einspritzdruck stehende Brennstoff eine nach oben gerichtete Kraft auf den Ventilkörper 6 ausüben kann. Die Feder 12, welche von dem als Hohlkolben ausgestalteten unteren Kolben 612 des Ventilkörpers 6 aufgenommen wird, ist derart angeordnet, dass sie den Ventilkörper 6 in Richtung des Ventilsitzes 11 vorspannt. D. h. die Feder 12 übt eine nach unten gerichtete Kraft auf den Ventilkörper 6 aus, welche diesen in Richtung des Ventilsitzes 11 drückt.
  • Ferner ist in dem Düsenkörper 2 eine obere Kammer 9 vorgesehen, welche oberhalb des Ventilkolbens 61 angeordnet ist, und welche durch die Oberseite 614 des Ventilkolbens 61 begrenzt wird. Ferner ist in dem Düsenkörper 2 eine untere Kammer 10 vorgesehen, welche unterhalb des Ventilkolbens 61 angeordnet ist, und welche durch die Unterseite 615 des Ventilkolbens 61 begrenzt wird.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 umfasst ferner eine erste Zuführleitung 21, eine zweite Zuführleitung 22, eine erste Abführleitung 31 und eine zweite Abführleitung 32, wobei jede dieser Leitungen 21, 22, 31, 32 vorzugsweise jeweils als Bohrung in dem Düsenkörper 2 ausgestaltet ist.
  • Die erste Zuführleitung 21 verbindet die obere Kammer 9 mit der Brennstoffleitung 4. Die zweite Zuführleitung 22 verbindet die untere Kammer 10 mit der Brennstoffleitung 4. Die erste Abführleitung 31 verbindet die obere Kammer 9 mit einem ersten Auslass 91, sodass der Brennstoff aus der oberen Kammer 9 zu dem ersten Auslass 91 abströmen kann. Die zweite Abführleitung 32 verbindet die untere Kammer 10 mit einem zweiten Auslass 92, sodass der Brennstoff aus der unteren Kammer 10 zu dem zweiten Auslass 92 abströmen kann. Der erste Auslass 91 und der zweite Auslass 92 sind über eine Rückführung (nicht dargestellt) mit der Brennstoffversorgung, beispielsweise mit dem Vorratsbehälter für den Brennstoff, verbunden, sodass der durch die beiden Auslässe 91, 92 abströmende Brennstoff in die Brennstoffversorgung zurückgeführt wird.
  • Ferner ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel noch eine dritte Zuführleitung 23 vorgesehen, welche vorzugsweise auch als Bohrung in dem Düsenkörper 2 ausgestaltet ist, und welche die obere Kammer 9 mit der Brennstoffleitung 4 verbindet. Die dritte Zuführleitung 23 ist verschieden von der ersten Zuführleitung 21.
  • Um den Fluss des unter Druck stehenden Brennstoffs durch die verschiedenen Leitungen, 21, 22, 23, 31, 32 zu steuern bzw. zu regulieren, umfasst die Brennstoffeinspritzdüse 1 ein erstes Ansteuerventil 7 sowie ein zweites Ansteuerventil 8. Die beiden Ansteuerventile 7, 8 sind als elektronisch bzw. elektrisch ansteuerbare Schaltventile ausgestaltet, welche jeweils eine Offenstellung und eine Schliessstellung haben.
  • Die beiden Ansteuerventile 7, 8 sind unabhängig voneinander ansteuerbar bzw. unabhängig voneinander schaltbar. Das heisst, wenn das erste Ansteuerventil 7 in der Offenstellung ist, kann das zweite Ansteuerventil 8 wahlweise in der Offenstellung oder in der Schliessstellung sein, und wenn das erste Ansteuerventil 7 in der Schliessstellung ist, kann das zweite Ansteuerventil 8 auch wahlweise in der Offenstellung oder in der Schliessstellung sein. Die beiden Ansteuerventile 7, 8 sind also unabhängig voneinander betätigbar bzw. schaltbar. Unabhängig davon, in welcher Stellung (Offen- oder Schliessstellung) das eine der beiden Ansteuerventile 7 oder 8 ist, kann das jeweils andere Ansteuerventil 8 oder 7 beliebig zwischen seiner Offenstellung und seiner Schliessstellung hin und her geschaltet werden. Das erste Ansteuerventil 7 und das zweite Ansteuerventil 8 sind also vollständig unabhängig voneinander ansteuerbar bzw. betätigbar. Jedes der beiden Ansteuerventil 7 und 8 kann also jeweils separat geschaltet werden.
  • Wenn das erste Ansteuerventil 7 in seiner Schliessstellung ist, so ist sowohl die zweite Zuführleitung 22 als auch die erste Abführleitung 31 verschlossen, derart dass sie nicht von dem Brennstoff durchströmt werden können. Ist das erste Ansteuerventil 7 in seiner Offenstellung, so ist sowohl die zweite Zuführleitung 22 als auch die erste Abführleitung 31 offen, sodass der Brennstoff diese Leitungen 22, 31 durchströmen und zum ersten Auslass 91 strömen kann.
  • Wenn das zweite Ansteuerventil 8 in seiner Schliessstellung ist, so ist die zweite Abführleitung 32 verschlossen, derart dass sie nicht von dem Brennstoff zum zweiten Auslass 92 durchströmt werden kann. Ist das zweite Ansteuerventil 8 in seiner Offenstellung, so ist die zweite Abführleitung 32 offen, sodass der Brennstoff die zweite Abführleitung 32 zum zweiten Auslass 92 durchströmen kann.
  • Auch der Durchlass durch die dritte Zuführleitung 23 wird mittels des zweiten Ansteuerventils 8 gesteuert. Wenn sich das zweite Ansteuerventil 8 in seiner Schliessstellung befindet, so verschliesst das zweite Ansteuerventil 8 die dritte Zuführleitung 23, sodass der Brennstoff nicht aus der Brennstoffleitung 4 durch die dritte Zuführleitung 23 in die obere Kammer 9 strömen kann. Ist das zweite Ansteuerventil 8 in seiner Offenstellung, so ist die dritte Zuführleitung 23 geöffnet, sodass der Brennstoff aus der Brennstoffleitung 4 durch die dritte Zuführleitung 23 in die obere Kammer 9 einströmen kann.
  • Vorzugsweise sind das erste Ansteuerventil 7 und das zweite Ansteuerventil 8 jeweils als federbelastetes elektromagnetisches Ventil 7, 8 ausgestaltet, welches bei Strombeaufschlagung gegen die Kraft einer Feder 71, 81 aus der Schliessstellung in die Offenstellung wechselt. Besonders bevorzugt sind das erste Ansteuerventil 7 und das zweite Ansteuerventil 8 jeweils als monostabiles Schaltventil ausgestaltet. D.h., das jeweilige erste oder zweite Ansteuerventil 7 oder 8 hat jeweils nur einen stabilen Zustand, nämlich die Schliessstellung. Der andere Zustand, nämlich die Offenstellung, bleibt nur so lange aufrechterhalten, wie das Ansteuerventil 7 oder 8 mit Strom beaufschlagt wird. Wird das Ansteuerventil 7 oder 8 nicht mehr mit Strom beaufschlagt, kehrt das Ansteuerventil 7 oder 8 automatisch durch die Federbelastung in den stabilen Zustand, nämlich die Schliessstellung, zurück.
  • Dazu sind das erste Ansteuerventil 7 und das zweite Ansteuerventil 8 bevorzugt als Schieberventile mit einem Ventilschieber 72 bzw. 82 ausgestaltet. Der jeweilige Ventilschieber 72 bzw. 82 ist durch die Feder 71 bzw. 81 in Richtung der Schliessstellung vorgespannt, d.h. solange das Ansteuerventil 7 oder 8 nicht mit Strom beaufschlagt wird, hält die jeweilige Feder 71 bzw. 81 das jeweilige Ansteuerventil 7 oder 8 in seiner Schliessstellung. Um das jeweilige Ansteuerventil 7 bzw. 8 aus der Schliessstellung in die Offenstellung zu bewegen, ist jeweils ein Elektromagnet 73 bzw. 83 vorgesehen, welcher bei Beaufschlagung durch Strom den jeweiligen Ventilschieber 72 bzw. 82 anzieht und dadurch das jeweilige Ansteuerventil 7 bzw. 8 aus der Schliessstellung in die Offenstellung schaltet und in der Offenstellung hält bis die Strombeaufschlagung des jeweiligen Ansteuerventils 7 bzw. 8 beendet wird.
  • Die zweite Zuführleitung 22 erstreckt sich von der Brennstoffleitung 4 bis zu einem Eingang des ersten Ansteuerventils 7 und dann von einem Ausgang des ersten Ansteuerventils 7 bis zur unteren Kammer 10. Die dritte Zuführleitung 23 erstreckt sich von der Brennstoffleitung 4 bis zu einem Eingang des zweiten Ansteuerventils 8 und dann von einem Ausgang des zweiten Ansteuerventils 8 bis zur oberen Kammer 9. Die erste Abführleitung 31 erstreckt sich von der oberen Kammer 9 bis zu einem anderen Eingang des ersten Ansteuerventils 7 und dann von einem anderen Ausgang des ersten Ansteuerventils 7 zu dem ersten Auslass 91. Die zweite Abführleitung 32 erstreckt sich von der unteren Kammer 10 zu einem anderen Eingang des zweiten Ansteuerventils 8 und dann von einem anderen Ausgang des zweiten Ansteuerventils 8 bis zum zweiten Auslass 92.
  • Ferner ist noch eine Ausgleichsleitung 41 vorgesehen für einen Druckausgleich zwischen der Unterseite des oberen Kolbens 611 und der Oberseite des unteren Kolbens 612. Diese Ausgleichsleitung verbindet zum einen den Raum unterhalb der Unterseite des oberen Kolbens 611 mit dem Raum oberhalb der Oberseite des unteren Kolbens 612. Zum anderen ist die Ausgleichsleitung 41 mit einem dritten Auslass 93 verbunden. Folglich kann sich in dem Raum unterhalb der Unterseite des oberen Kolbens 611 und in dem Raum oberhalb des unteren Kolbens 612 kein Druck aufbauen und es kann sich auch keine Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen aufbauen.
  • Die Funktionsweise der Brennstoffeinspritzdüse ist wie folgt: Fig. 1 zeigt die Brennstoffeinspritzdüse 1 bzw. den Ventilkörper 6 im geschlossenen Zustand, in welchem keine Einspritzung erfolgt. Das erste und das zweite Ansteuerventil 7 bzw. 8 sind jeweils in ihrer Schliessstellung. Über die erste Zuführleitung 21 ist die obere Kammer 9 mit dem Druck des Brennstoffs in der Brennstoffleitung 4 beaufschlagt. Die erste Abführleitung 31 und die zweite Zuführleitung 22 sind verschlossen, sodass weder Brennstoff aus der oberen Kammer 9 durch die erste Abführleitung 31 abströmen kann, noch Brennstoff durch die zweite Zuführleitung 22 in die untere Kammer 10 einströmen kann.
  • In dem Druckraum 5 herrscht im Wesentlichen der gleiche Druck wie in der Brennstoffleitung 4, also beispielsweise der Einspritzdruck. Da in der oberen Kammer 9 auch der gleiche Druck herrscht wie in der Brennstoffleitung 4, überwiegt die Summe aus der Federkraft durch die Feder 12 und der Kraft, welche durch den Druck in der oberen Kammer 9 auf die Oberseite 614 des Ventilkolbens 61 ausgeübt wird, die Summe aus der Kraft, welche durch den Druck im Druckraum 5 auf die Düsennadel 62 bzw. auf die Verjüngung 621 ausgeübt wird, und der Kraft, welche in der unteren Kammer auf die Unterseite 615 des Ventilkolbens 61 ausgeübt wird. Folglich wird die Düsennadel 62 des Ventilkörpers 6 in einen dichtenden Kontakt mit dem Ventilsitz 11 gepresst, sodass kein Brennstoff aus dem Druckraum 5 in den Düsenkopf 3 gelangen kann.
  • Um einen Einspritzvorgang in den Brennraum 50 für den Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders zu beginnen, sendet die Motorkontrolleinheit ein Signal, durch welches der Elektromagnet 73 des ersten Ansteuerventils 7 mit Strom beaufschlagt wird. Dadurch wird der Ventilschieber 72 des ersten Ansteuerventils 7 gegen die Kraft der Feder 71 angezogen. Folglich wechselt das erste Ansteuerventil 7 aus seiner Schliessstellung in seine Offenstellung. Das zweite Ansteuerventil 8 wird nicht angesteuert, also nicht mit Strom beaufschlagt und verbleibt in seiner Schliessstellung.
  • Dadurch, dass das erste Ansteuerventil 7 in der Offenstellung ist, ist nun sowohl die zweite Zuführleitung 22 geöffnet, sodass der unter Druck stehende Brennstoff aus der Brennstoffleitung 4 durch die zweite Zuführleitung 22 in die untere Kammer 10 strömen kann, als auch die erste Abführleitung 31, sodass gleichzeitig der Brennstoff aus der oberen Kammer 9 durch die erste Abführleitung 31 zum ersten Auslass 91 abströmen kann, wodurch die obere Kammer 9 druckentlastet wird.
  • Da nun die untere Kammer 10 mit dem Druck des Brennstoffs aus der Brennstoffleitung 4 beaufschlagt ist und die obere Kammer 9 druckentlastet ist, überwiegt die Summe der Kraft, welche der Brennstoff in der unter Druck stehenden unteren Kammer 10 auf die Unterseite 615 des Ventilkolbens 61 ausübt, und der Kraft welche der Brennstoff in dem Druckraum 5 auf die Düsennadel 62 bzw. auf die Verjüngung 621 ausübt, diejenige Kraft, welche die Feder 12 auf den Ventilkolben 61 ausübt. Folglich wird der Ventilkörper 6 um einen Hub in axialer Richtung A angehoben, sodass auch die Düsennadel 62 aus dem Ventilsitz 11 abgehoben wird. In diesem geöffneten Zustand ist die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Düsenkopf 3 geöffnet, sodass der unter Druck stehende Brennstoff aus dem Druckraum 5 in den Düsenkopf 3 strömen kann und durch die Düsenlöcher 30 in den Brennraum 50 des Zylinders eingespritzt wird.
  • Da zum Beginnen der Einspritzung gleichzeitig die untere Kammer 10 mit Druck beaufschlagt wird und die obere Kammer 9 druckentlastet wird, resultiert eine besonders kurze Öffnungszeit, das heisst der durch den Hub des Ventilkörpers 6 verursachte Wechsel von dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand erfolgt vorteilhafterweise in einer sehr kurzen Zeit.
  • Zum Beendigen der Einspritzung in den Brennraum 50 wird die Strombeaufschlagung des ersten Ansteuerventils 7 beendet. Da der Elektromagnet 73 des ersten Ansteuerventils 7 nun nicht mehr mit Strom versorgt wird, bewegt die Kraft der Feder 71 des ersten Ansteuerventils 7 den Ventilschieber 72 zurück in seine Ruheposition, wodurch das erste Ansteuerventil 7 aus seiner Offenstellung in seine Schliessstellung wechselt, und dadurch sowohl die zweite Zuführleitung 22 als auch die erste Abführleitung 31 verschliesst.
  • Gleichzeitig wird durch ein Signal an das zweite Ansteuerventil 8 der Elektromagnet 83 des zweiten Ansteuerventils 8 mit Strom beaufschlagt, sodass das zweite Ansteuerventil 8 aus seiner Schliessstellung in seine Offenstellung wechselt. In seiner Offenstellung öffnet das zweite Ansteuerventil 8 sowohl die zweite Abführleitung 32, durch welche dann der Brennstoff aus der unteren Kammer 10 zum zweiten Auslass 92 abströmen kann, als auch die dritte Zuführleitung 23, sodass zusätzlich durch die dritte Zuführleitung 23 der unter Druck stehende Brennstoff aus der Brennstoffleitung 4 in die obere Kammer 9 einströmen kann.
  • Folglich sind durch das erste Ansteuerventil 7 die zweite Zuführleitung 22 und die erste Abführleitung 31 verschlossen, und durch das zweite Ansteuerventil sind die zweite Abführleitung 32 sowie die dritte Zuführleitung 23 geöffnet. Dadurch wird einerseits die Unterseite 615 des Ventilkolbens 61 sehr schnell vom Druck entlastet, weil der Brennstoff aus der unteren Kammer 10 durch die zweite Abführleitung 32 abströmen kann. Andererseits wird die Oberseite 614 des Ventilkolbens 61 sehr schnell mit Druck beaufschlagt, weil der unter Druck stehende Brennstoff sowohl durch die erste Zuführleitung 21 als auch durch die dritte Zuführleitung 23 aus der Brennstoffleitung 4 in die obere Kammer 9 einströmen kann.
  • Durch den Druckaufbau in der oberen Kammer 9 und den gleichzeitigen Druckabbau in der unteren Kammer 10 sowie die Wirkung der Feder 12 überwiegen nun wieder die Kräfte, welche die Düsennadel 62 in dichtenden Kontakt mit dem Ventilsitz 11 drücken. Der Ventilkörper 6 wechselt vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand und die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Düsenkopf 3 ist verschlossen.
  • Da zum Beendigen der Einspritzung gleichzeitig die untere Kammer 10 druckentlastet wird und die obere Kammer 9 mit Druck beaufschlagt wird, resultiert eine besonders kurze Schliesszeit, das heisst der durch den Ventilkörper 6 verursachte Wechsel von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand erfolgt vorteilhafterweise in einer sehr kurzen Zeit.
  • Nachdem die Einspritzung beendet ist, also sobald im geschlossenen Zustand die Düsennadel 62 wieder dichtend mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkt, kann die Strombeaufschlagung des zweiten Ansteuerventils 8 beendet werden, sodass dieses wieder in seinen geschlossenen Zustand zurückkehrt, in welchem das zweite Ansteuerventil 8 sowohl die zweite Abführleitung 32 als auch die dritte Zuführleitung 23 verschliesst. Das zweite Ansteuerventil 8 dient primär dazu, die untere Kammer 10 möglichst schnell vom Druck zu entlasten, um dadurch den Wechsel vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand zu beschleunigen, d.h. die Schliesszeit zu verkürzen. Optional, nämlich beim Vorhandensein der dritten Zuführleitung 23 dient das zweite Ansteuerventil 8 zusätzlich dazu, den Druckaufbau in der oberen Kammer 9 zu beschleunigen, wenn der Wechsel vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand erfolgt.
  • Die Brennstoffeinspritzdüse 1 zeichnet sich somit durch sehr kurze Schaltzeiten aus, das heisst sowohl der Wechsel vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand als auch der Wechsel vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand erfolgt jeweils sehr schnell. Dies ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen, effizienten, schadstoffarmen und auch verschleissarmen Betrieb des Grossdieselmotors.
  • Die Brennstoffdüse 1 eignet sich insbesondere auch für ein Brennstoffeinspritzverfahren, bei welchem die Brennstoffeinspritzdüse 1 mit einem variablen Hub des Ventilkörpers 6 betrieben wird.
  • Wie vorangehend beschrieben, kann der Einspritzvorgang für einen Arbeitszyklus des Zylinders durch ein einziges Ansteuern des ersten Ansteuerventils 7 erfolgen. Dazu wird das erste Ansteuerventil 7 mit einem einzigen Signal oder Impuls angesteuert, wobei der Beginn des Signals den Einspritzbeginn festlegt und die Länge des Signals die Einspritzdauer. Beim Beginn des Signals wird der Elektromagnet 73 des ersten Ansteuerventils 7 mit Strom beaufschlagt, beim Ende des Signals endet auch die Strombeaufschlagung des Elektromagneten 73 des ersten Ansteuerventils 7. Dabei kann wie bereits beschrieben, der Wechsel vom geöffneten in den geschlossenen Zustand durch ein Ansteuern des zweiten Ansteuerventils 8 unterstützt bzw. beschleunigt werden.
  • Es ist aber auch möglich, während eines Einspritzvorgangs das erste Ansteuerventil 7 mehrfach mit jeweils einem Signal oder Impuls anzusteuern, wobei das individuelle Signal eine Länge hat, die deutlich kürzer ist als die gewünschte Länge der Einspritzung. Ein solches mehrfaches Ansteuern des ersten Ansteuerventils 7 hat zur Folge, dass das erste Ansteuerventil 7 während eines Einspritzvorgangs mehrfach zwischen seiner Schliessstellung und seine Offenstellung hin- und herwechselt.
  • Durch eine solche mehrfache oder getaktete Ansteuerung ist es möglich, den Ventilkörper 6 während des gesamten Einspritzvorgangs schwimmend oder schwebend in einer Position zu halten, die zwischen dem geschlossenen Zustand (Düsennadel 62 in dichtendem Kontakt mit Ventilsitz 11) und dem maximal möglichen Hub des Ventilkörpers 6 liegt. Das heisst, der Ventilkörper 6 kann während des Einspritzvorgangs in einer Zwischenstellung zwischen dem geschlossenen Zustand und dem maximalen geöffneten Zustand gehalten werden.
  • Somit ist es durch das mehrfache Ansteuern des ersten Ansteuerventils 7 möglich, den Hub des Ventilkörpers 6 während des Einspritzvorgangs einzustellen und damit den offenen Strömungsquerschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Düsenkopf 3 entlang des Ventilsitzes 11 zu verändern.
  • Es versteht sich, dass dieses schwebende oder schwimmende Halten des Ventilkörpers 6 in einer Zwischenstellung zwischen dem geschlossenen Zustand und dem maximalen geöffneten Zustand durch ein geeignetes Ansteuern des zweiten Ansteuerventils 8 unterstützt werden kann.
  • Dieses Verfahren, den Ventilkörper 6 mit einem variablen Hub zu betreiben, eröffnet viele Möglichkeiten, den Einspritzvorgang möglichst optimal zu gestalten und ihn beispielsweise an die aktuelle Last anzupassen, mit welcher der Grossdieselmotor betrieben wird, oder an die Eigenschaften des Brennstoffs, um nur zwei Beispiels zu nennen.
  • So ist es beispielsweise möglich, den gesamten Einspritzvorgang, mit einem einzigen Hub des Ventilkörpers 6 durchzuführen, wobei dieser Hub einer Zwischenstellung zwischen dem geschlossenen Zustand und dem maximal geöffneten Zustand entspricht.
  • Auch ist es möglich, den Hub des Ventilkörpers während eines Einspritzvorgangs zu verändern, d.h. beim Beginn der Einspritzung zunächst einen ersten Hub des Ventilkörpers 6 einzustellen und dann im Verlauf des Einspritzvorgangs zu einem zweiten, von dem ersten verschieden Hub des Ventilkörpers 6 zu wechseln.
  • Mit dieser Möglichkeit, den Hub des Ventilkörpers durch die Ansteuerung des ersten Ansteuerventils 7 und optional des zweiten Ansteuerventils 8 zu variieren, können fast beliebige Einspritzprofile für den Einspritzvorgang realisiert werden. Mit dem Einspritzprofil ist dabei der zeitliche Verlauf der eingespritzten Brennstoffmenge während des Einspritzvorgangs gemeint.
  • So ist es beispielsweise auch möglich, eine Voreinspritzung zu realisieren, oder den Hub des Ventilkörpers 6 während eines Einspritzvorgangs in mehreren Schritten zu erhöhen.
  • Um ein gewünschtes Einspritzprofil zu realisieren oder um einen gewünschten Hub des Ventilkörpers 6 einzustellen, ist es möglich, die Länge der individuellen Signale und/oder den zeitlichen Abstand zwischen den individuellen Signalen, mit denen das erste Ansteuerventil 7 während des Einspritzvorgangs angesteuert wird, so einzustellen, dass das gewünschte Einspritzprofil resultiert.
  • Um ein besonders gutes und schnelles Wechseln der Brennstoffeinspritzdüse 1 vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand und umgekehrt zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die verschiedenen Zuführ- und Abführleitungen 21, 22, 23, 31, 32, die vorzugsweise jeweils als Bohrungen in dem Düsenkörper 2 ausgestaltet sind, jeweils eine Drosselwirkung haben, wobei die Stärke der Drosselwirkung vorzugsweise über den Durchmesser der jeweiligen Leitung 21, 22, 23, 31, 32 eingestellt wird. Insbesondere die folgenden Massnahmen können im Hinblick auf die Drosselwirkung vorteilhaft sein.
  • Die zweite Zuführleitung 22 weist einen Durchmesser auf, der höchstens 50%, vorzugsweise höchstens 25%, des Durchmessers der Brennstoffleitung 4 beträgt. Beispielsweise hat die zweite Zuführleitung 22 einen Durchmesser, der etwa 20% des Durchmessers der Brennstoffleitung 4 entspricht.
  • Die erste Zuführleitung 21 weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung 22. Die erste Zuführleitung 21 kann beispielsweise einen Durchmesser haben, der höchstens 50% des Durchmessers der zweiten Zuführleitung 22 beträgt.
  • Die dritte Zuführleitung 23 weist einen Durchmesser auf, der zumindest ungefähr gleich gross ist wie der Durchmesser der zweiten Zuführleitung 22.
  • Die zweite Abführleitung 32 hat in dem Bereich zwischen der unteren Kammer 10 und dem zweiten Ansteuerventil 8 einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung 22. Der Durchmesser der zweiten Abführleitung 32 in genanntem Bereich ist beispielsweise etwa 80% des Durchmessers der zweiten Zuführleitung 22.
  • Die erste Abführleitung 31 und die zweite Abführleitung 32 sollen in ihrem jeweiligen Bereich stromabwärts des ersten bzw. zweiten Ansteuerventils 7, 8 (also zwischen dem jeweiligen Ansteuerventil 7, 8 und dem ersten Auslass 91 bzw. zweiten Auslass 92) eine möglichst geringe oder keine Drosselwirkung haben. In diesen Bereichen können die erste Abführleitung 31 bzw. die zweite Abführleitung 32 beispielsweise mit mindestens dem gleichen Durchmesser ausgestaltet sein wie die Brennstoffleitung 4.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, die untere Kammer 10 über eine Drosselleitung 42 mit der Brennstoffleitung 4 zu verbinden. Dabei sollte die Drosselleitung 42 eine deutlich stärkere Drosselwirkung haben als die zweite Abführleitung 32. Dazu kann die Drosselleitung 42 beispielsweise einen Durchmesser aufweisen, der höchstens 50% des Durchmessers der zweiten Abführleitung 32 im Bereich zwischen der unteren Kammer 10 und dem zweiten Ansteuerventil 8 ist.

Claims (15)

  1. Brennstoffeinspritzdüse für einen Grossdieselmotor, mit einem Düsenkopf (3), welcher mindestens ein Düsenloch (30) aufweist, durch welches ein Brennstoff in einen Brennraum (50) einbringbar ist, mit einer Brennstoffleitung (4), durch welche der Brennstoff in einen Druckraum (5) einbringbar ist, mit einem Ventilkörper (6), welcher mit einer Feder (12) belastet ist, und welcher einen Ventilkolben (61) sowie eine mit dem Ventilkolben (61) verbundene Düsennadel (62) umfasst, mit einem Ventilsitz (11), welcher zum Zusammenwirken mit der Düsennadel (62) ausgestaltet ist, derart, dass in einem geöffneten Zustand durch einen Hub des Ventilkörpers (6) eine Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum (5) und dem Düsenkopf (3) geöffnet ist, und dass in einem geschlossenen Zustand die Düsennadel (62) dichtend mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkt, sodass die Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum (5) und dem Düsenkopf (3) geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Kammer (9) vorgesehen ist, welche durch eine Oberseite (614) des Ventilkolbens (61) begrenzt wird, sowie eine untere Kammer (10), welche durch eine Unterseite (615) des Ventilkolbens (6) begrenzt wird, wobei eine erste Zuführleitung (21) vorgesehen ist, welche die obere Kammer (9) mit der Brennstoffleitung (4) verbindet, eine erste Abführleitung (31), welche die obere Kammer (9) mit einem ersten Auslass (91) für den Brennstoff verbindet, eine zweite Zuführleitung (22), welche die untere Kammer (10) mit der Brennstoffleitung (4) verbindet, sowie eine zweite Abführleitung (32), welche die untere Kammer (10) mit einem zweiten Auslass (92) verbindet, wobei ferner ein erstes Ansteuerventil (7) vorgesehen ist, welches in einer Schliessstellung sowohl die zweite Zuführleitung (22) als auch die erste Abführleitung (31) verschliesst, und welches in einer Offenstellung sowohl die zweite Zuführleitung (22) als auch die erste Abführleitung (31) öffnet, wobei ein zweites Ansteuerventil (8) vorgesehen ist, welches in einer Schliessstellung die zweite Abführleitung (32) verschliesst, und welches in einer Offenstellung die zweite Abführleitung (32) öffnet, und wobei das erste Ansteuerventil (7) und das zweite Ansteuerventil (8) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
  2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, wobei das erste Ansteuerventil (7) und das zweite Ansteuerventil (8) jeweils als federbelastetes, elektromagnetisches Ventil ausgestaltet sind, welches bei Strombeaufschlagung gegen die Kraft einer Feder (71; 81) aus der Schliessstellung in die Offenstellung wechselt.
  3. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Ansteuerventil (7) und das zweite Ansteuerventil (8) jeweils als Schieberventil mit einem Ventilschieber (72; 82) ausgestaltet sind.
  4. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine dritte Zuführleitung (23) vorgesehen ist, welche die obere Kammer (9) mit der Brennstoffleitung (4) verbindet, wobei das zweite Ansteuerventil (8) in der Schliessstellung die dritte Zuführleitung (23) verschliesst, und in der Offenstellung die dritte Zuführleitung (23) öffnet.
  5. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Ventilkolben (61) einen oberen Kolben (611) und einen unteren Kolben (612) umfasst, die mittels eines Verbindungselements (613) hydraulisch und/oder mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der obere Kolben (611) die Oberseite (614) des Ventilkolbens (61) bildet und der untere Kolben (612) die Unterseite (615) des Ventilkolbens (61).
  6. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 5, bei welcher der untere Kolben (612) als Hohlkolben ausgestaltet ist, und die Feder (12) aufnimmt, welche den Ventilkolben (61) belastet.
  7. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 5-6, wobei eine Ausgleichsleitung (41) zum Druckausgleich zwischen der Unterseite des oberen Kolbens (611) und der Oberseite des unteren Kolbens (612) vorgesehen ist, durch welche Brennstoff abführbar ist.
  8. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hub des Ventilkörpers (6) einstellbar ist, sodass der im geöffneten Zustand offene Strömungsquerschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Druckraum (5) und dem Düsenkopf (3) veränderbar ist.
  9. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Zuführleitung (22) einen Durchmesser aufweist, der höchstens 50%, vorzugsweise höchstens 25% des Durchmessers der Brennstoffleitung (4) beträgt.
  10. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Zuführleitung (21) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung (22).
  11. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 4-10, wobei die dritte Zuführleitung (23) einen Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der zweiten Zuführleitung (22) ist.
  12. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Abführleitung (32) zwischen der unteren Kammer (10) und dem zweiten Ansteuerventil (8) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Zuführleitung (22).
  13. Brennstoffeinspritzverfahren für einen Grossdieselmotor, gekennzeichnet durch die Schritte:
    - Bereitstellen einer Brennstoffeinspritzdüse (1), die gemäss einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist,
    - Beginnen eines Einspritzvorgangs durch ein Ansteuern des ersten Ansteuerventils (7);
    - mehrfaches Ansteuern des ersten Ansteuerventils (7) und optional des zweiten Ansteuerventils (8) während des Einspritzvorgangs.
  14. Brennstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 13, wobei der Ventilkörper (6) während des Einspritzvorgangs zumindest zeitweise in einer Zwischenstellung zwischen dem geschlossenen Zustand und einem maximalen geöffneten Zustand gehalten wird.
  15. Grossdieselmotor, insbesondere längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Grossdieselmotor eine Brennstoffeinspritzdüse (1) umfasst, welche gemäss einer der Ansprüche 1-12 ausgestaltet ist, oder mit einem Brennstoffeinspritzverfahren gemäss einem der Ansprüche 13-14 betrieben wird.
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