EP4575218A1 - Kraftstoffinjektor einer brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoffinjektor einer brennkraftmaschine und brennkraftmaschine Download PDF

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EP4575218A1
EP4575218A1 EP24218034.7A EP24218034A EP4575218A1 EP 4575218 A1 EP4575218 A1 EP 4575218A1 EP 24218034 A EP24218034 A EP 24218034A EP 4575218 A1 EP4575218 A1 EP 4575218A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel
injection openings
fuel injection
cone angle
combustion chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP24218034.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kunkel
Thomas Klaua
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Everllence SE
Original Assignee
MAN Energy Solutions SE
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
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    • F02M45/086—Having more than one injection-valve controlling discharge orifices
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/44—Valves, e.g. injectors, with valve bodies arranged side-by-side

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector of an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with at least one fuel injector.
  • the present invention relates in particular to the field of so-called large engines or large internal combustion engines, whose cylinders have piston diameters of at least 140 mm, in particular of at least 175 mm.
  • large internal combustion engines include, for example, marine engines.
  • Dual-fuel internal combustion engines are already known as marine engines. Dual-fuel internal combustion engines known from practice can be operated in a first operating mode, in which they burn a first fuel, in particular a relatively unignitable fuel, and in a second operating mode, in which they burn a second fuel, in particular a relatively ignitable fuel.
  • the first, relatively unignitable fuel can be, for example, methanol, ethanol, or ammonia.
  • the second, relatively ignitable fuel can be, for example, diesel fuel.
  • the first, relatively unignitable fuel, in particular methanol, ethanol, or ammonia can be ignited by the second, relatively ignitable fuel, in particular diesel fuel.
  • DE 10 2013 000 048 B3 discloses a fuel injector by means of which, in the first operating mode of a dual-fuel internal combustion engine, both the first, relatively unignitable fuel and the second, relatively readily ignitable fuel can be introduced into the combustion chamber of a cylinder.
  • the fuel injector disclosed therein has two nozzle needles that are movably guided in corresponding needle guides. First fuel injection openings interacting with a first nozzle needle and second fuel injection openings interacting with a second nozzle needle are each arranged along a circular contour.
  • the present invention is based on the object of creating a novel fuel injector and an internal combustion engine with such a fuel injector. This object is achieved by a fuel injector according to claim 1 and an internal combustion engine according to claim 10.
  • the fuel injector has a first nozzle needle movably guided in a first needle guide, which interacts with first fuel injection openings such that, depending on its position, the first nozzle needle either allows or blocks a fuel flow of the first, relatively unignitable fuel through the first fuel injection openings.
  • the fuel injector further has a second nozzle needle movably guided in a second needle guide, which interacts with second fuel injection openings and with third fuel injection openings such that, depending on its position, the second nozzle needle either blocks a fuel flow of a second, relatively ignitable fuel through both the second fuel injection openings and the third fuel injection openings, or allows it through the second fuel injection openings and blocks it through the third fuel injection openings, or allows it through both the second fuel injection openings and the third fuel injection openings.
  • the first fuel injection openings are configured to inject the first fuel into the combustion chamber in a first spray cone with a first cone angle.
  • the second fuel injection openings are configured to inject the second fuel into the combustion chamber in a second spray cone with a second cone angle.
  • the third fuel injection openings are configured to inject the second fuel into the combustion chamber in a third spray cone with a third cone angle.
  • both the first, relatively unignitable fuel and the second, relatively ignitable fuel can be optimally introduced into the combustion chamber of a cylinder. If, for example, in a first operating mode the first, relatively unignitable fuel is to be combusted with the ignition of the second, relatively ignitable fuel, the first, relatively unignitable fuel can be injected into the combustion chamber of the cylinder via the first fuel injection openings and, to ignite the first, the second, relatively ignitable fuel can be injected into the combustion chamber of the cylinder via the second fuel injection openings.
  • the third fuel injection openings are preferably permanently closed.
  • the second cone angle is smaller than the third cone angle. If the second cone angle is smaller than the third cone angle, the second, relatively ignitable fuel used to ignite the first, relatively unignitable fuel can be injected particularly advantageously into the combustion chamber of a cylinder in the first operating mode.
  • the first cone angle is preferably smaller than the second cone angle.
  • the first cone angle is larger than the second cone angle and smaller than the third cone angle, or alternatively, even larger than the third cone angle.
  • the second and/or third fuel injection openings preferably extend deeper or further into a combustion chamber of the cylinder than the first fuel injection openings. This allows the second fuel to be introduced into the combustion chamber of the respective cylinder particularly advantageously, particularly in the second operating mode, in which only the second, relatively ignitable fuel is to be burned.
  • the second fuel injection openings and the third fuel injection openings are at least partially offset from one another in the circumferential direction. This also serves to optimally introduce fuel into the Combustion chamber of a cylinder, in particular in the second operating mode, in which only the second, relatively ignitable fuel is introduced into the combustion chamber of the respective cylinder, namely via the second and third fuel injection openings.
  • the invention relates to a fuel injector of an internal combustion engine.
  • a fuel injector is designed to supply fuel to a combustion chamber of a cylinder of the internal combustion engine.
  • the fuel injector according to the invention serves to supply different fuels to an internal combustion engine, in particular designed as a dual-fuel internal combustion engine, for example, in a first operating mode, the introduction of a first, relatively unignitable fuel, as well as a second, relatively ignitable fuel, in order to ignite the first, relatively unignitable fuel via the second, relatively ignitable fuel in the first operating mode. Furthermore, in a second operating mode, in which exclusively the second, relatively ignitable fuel is combusted, the fuel injector is to inject the same into the combustion chamber of the cylinder.
  • the first, relatively unignitable fuel can be methanol, Ethanol or ammonia.
  • the second, relatively flammable fuel is diesel fuel.
  • Fig. 1 to 3 show different views of a fuel injector 10 according to the invention.
  • the fuel injector 10 has a base body 11 that provides two needle guides 12, 13.
  • a first nozzle needle 14 is movably guided in a first needle guide 12, and a second nozzle needle 15 is movably guided in a second needle guide 13.
  • First fuel injection openings 16 interact with the first nozzle needle 14 in such a way that the first nozzle needle 14, depending on its position in the first needle guide 12, either releases or blocks a fuel flow of a first, relatively unignitable fuel through the first fuel injection openings 16.
  • Second fuel injection openings 17a and third fuel injection openings 17b interact with the second nozzle needle 15.
  • the second nozzle needle 15 blocks the fuel flow of the second, relatively ignitable fuel through both the second fuel injection openings 17a and the third fuel injection openings 17b.
  • the second nozzle needle releases the fuel flow of the second, relatively ignitable fuel through the second fuel injection openings 17a, but blocks the fuel flow through the third fuel injection openings 17b.
  • the first fuel injection openings 16, which serve to introduce the first, relatively unignitable fuel into the combustion chamber of a cylinder, are configured to inject the first fuel into the combustion chamber of a respective cylinder in a first spray cone with a first cone angle ⁇ .
  • the second fuel injection openings 17a are configured to inject the second, relatively ignitable fuel into the combustion chamber of the respective cylinder in a second spray cone with a second cone angle ⁇ 1.
  • the third fuel injection openings 17b are configured to inject the second, relatively ignitable fuel into the combustion chamber of the respective cylinder in a third spray cone with a third cone angle ⁇ 2.
  • These cone angles ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ are, according to the Fig. 1 to 4 each by an angle which a lateral surface of the respective spray cone encloses with a longitudinal central axis of the respective spray cone.
  • the second nozzle needle 15 which interacts with both the second fuel injection openings 17a and the third fuel injection openings 17b, to introduce the second, relatively ignitable fuel. If an internal combustion engine with such a fuel injector is operated in the first operating mode, in which a first, relatively unignitable fuel is to be combusted and ignited via the second, relatively ignitable fuel, the first, relatively unignitable fuel is introduced into the combustion chamber of the respective cylinder via the first fuel injection openings 16, and the second, relatively ignitable fuel is preferably introduced exclusively via the second fuel injection openings 17a. In the first operating mode, the third fuel injection openings 17b are then not used.
  • the first fuel injection openings 16 are permanently closed and the second, relatively ignitable fuel is introduced into the combustion chamber of the respective cylinder via both the second fuel injection openings 17a and the third fuel injection openings 17b.
  • the second cone angle ⁇ 1 is preferably smaller than the third cone angle ⁇ 2.
  • the second cone angle ⁇ 1, with which the second fuel injection openings 17a inject the second, relatively ignitable fuel into the combustion chamber of a respective cylinder, is therefore smaller than the third cone angle ⁇ 2 of the third spray cone, via which the third fuel injection openings 17b inject the second, relatively ignitable fuel into the combustion chamber of the respective cylinder.
  • the third cone angle ⁇ 2 is between 66° and 88°, preferably between 68° and 86°.
  • the second cone angle ⁇ 1 is smaller than the third cone angle ⁇ 2.
  • the second cone angle ⁇ 1 is smaller than 68°, more preferably smaller than 66°.
  • the first cone angle ⁇ is preferably smaller than the second cone angle ⁇ 1.
  • the first cone angle ⁇ is larger than the second cone angle ⁇ 1 and smaller than the third cone angle ⁇ 2.
  • the first cone angle ⁇ is larger than the third cone angle ⁇ 2.
  • the first fuel injection openings 16, which serve to inject the first, relatively unignitable fuel, are preferably arranged along a pitch circle contour.
  • This pitch circle contour, on which the first fuel injection openings 16 are arranged extends over an angular range of 360°- ⁇ , where ⁇ defines a remaining pitch circle contour on which no first fuel injection openings 16 are arranged.
  • the center point of this pitch circle contour is arranged on a longitudinal center axis of the first needle guide 12, which coincides with a longitudinal center axis of the first nozzle needle 14 and the longitudinal center axis of the first spray cone of the first fuel injection openings 16.
  • the second fuel injection openings 17a and the third fuel injection openings 17b are both arranged along a circular contour, specifically the second fuel injection openings 17a along a first circular contour and the third fuel injection openings 17b along a second circular contour.
  • the center point of the first circular contour and the center point of the second circular contour are both arranged on a longitudinal center axis of the second needle guide 13, which coincides with a longitudinal center axis of the second nozzle needle 15 and with the longitudinal center axis of the second spray cone of the second fuel injection openings 17a and the longitudinal center axis of the third spray cone of the third fuel injection openings 17b.
  • the first circular contour and the second circular contour are therefore arranged concentrically to one another in the projection along the longitudinal center axis of the second needle guide 13 and thus in the projection along the longitudinal center axis of the second nozzle needle 15.
  • a distance x between the longitudinal center axis of the first needle guide 12 and the longitudinal center axis of the second needle guide 13 is greater than the sum of the radius r3 of the pitch circle contour and the radius r1 of the first circle contour and further greater than the sum of the radius r3 of the pitch circle contour and the radius r2 of the second pitch circle contour.
  • the remaining pitch circle contour defined by the angle ⁇ , on which no first fuel injection openings 16 are arranged, faces the first circular contour and the second circular contour.
  • the second fuel injection openings 17a are the fuel injection openings for the second, relatively ignitable fuel that open before the third fuel injection openings 17b in the second operating mode, in which only the second, relatively ignitable fuel is combusted.
  • the second fuel injection openings 17a preferably have a smaller cross-sectional opening than the third fuel injection openings 17b.
  • the second and/or third fuel injection openings 17a, 17b are arranged deeper or further into a combustion chamber of the cylinder or protrude deeper or further into the combustion chamber of the respective cylinder than the first fuel injection openings 16.
  • both the second and third fuel injection openings 17a and 17b protrude deeper or further into the combustion chamber than the first fuel injection openings 16.
  • Figs. 3 and 4 differ in the relative position of the second fuel injection openings 17a and the third fuel injection openings 17b in relation to the penetration depth of the same into the combustion chamber of the respective cylinder.
  • the second fuel injection holes 17a are arranged deeper in the combustion chamber than the third fuel injection holes 17b.
  • the third fuel injection openings 17b are deeper or further in the combustion chamber arranged as the second fuel injection ports 17a. While in Fig. 3 the nozzle needle 15 is both flowed around by the second fuel and flowed through by the second fuel, is in Fig. 4 the nozzle needle 15 is exclusively surrounded by the second fuel.
  • the third fuel injection openings 17b have a larger flow cross-section than the second fuel injection openings 17a.
  • the number of third fuel injection openings 17b can also be greater than the number of second fuel injection openings 17a.
  • the number of second fuel injection openings 17a can also correspond to the number of third fuel injection openings 17b.
  • at least some of the, particularly preferably all, second and third fuel injection openings are offset from one another in the circumferential direction, specifically on concentric circular paths as seen in the projection along the longitudinal center axis of the second needle guide 13 and thus in the projection along the longitudinal center axis of the second nozzle needle 15.
  • the invention allows a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine to be optimally filled with fuel, both when a first, relatively unignitable fuel is to be combusted by ignition with the aid of a second, relatively ignitable fuel, and when only the second, relatively ignitable fuel is to be combusted. This can increase efficiency and reduce NOx emissions.

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Abstract

Kraftstoffinjektor (10) einer Brennkraftmaschine, der ausgebildet ist, einer Brennkammer Kraftstoff zuzuführen, mit einer in einer ersten Nadelführung (12) geführten ersten Düsennadel (14), die mit ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) derart zusammenwirkt, dass dieselbe abhängig von ihrer Position eine Strömung eines ersten, zündunwilligen Kraftstoffs durch die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt oder versperrt, und mit einer in einer zweiten Nadelführung (13) geführten zweiten Düsennadel (15), die mit zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a, 17b) derart zusammenwirkt, dass dieselbe abhängig von ihrer Position eine Strömung eines zweiten, zündwilligen Kraftstoffs durch die zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen versperrt, oder durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt und durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen versperrt, oder durch die zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt, wobei die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) eingerichtet sind, den ersten Kraftstoff in einem ersten Sprühkegel mit einem ersten Kegelwinkel (β) einzuspritzen, wobei die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) eingerichtet sind, den zweiten Kraftstoff in einem zweiten Sprühkegel mit einem zweiten Kegelwinkel (α1) einzuspritzen, wobei die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) eingerichtet sind, den zweiten Kraftstoff in einem dritten Sprühkegel mit einem dritten Kegelwinkel (α2) einzu-spritzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kraftstoffinjektor.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich sogenannter Großmotoren bzw. Großbrennkraftmaschinen, deren Zylinder Kolbendurchmesser von mindestens 140 mm, insbesondere von mindestens 175 mm, aufweisen. Bei solchen Großbrennkraftmaschinen handelt es sich zum Beispiel um Schiffsmotoren.
  • Als Schiffsmotoren sind bereits Dual-Fuel Brennkraftmaschinen bekannt. Aus der Praxis bekannte Dual-Fuel Brennkraftmaschinen können in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden, in welchem dieselben einen ersten Kraftstoff, insbesondere einen relativ zündunwilligen Kraftstoff, verbrennen, sowie in einem zweiten Betriebsmodus, in welchem dieselben einen zweiten Kraftstoff, insbesondere relativ zündwilligen Kraftstoff verbrennen.
  • Beim ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoff kann es sich zum Beispiel um Methanol, Ethanol oder Ammoniak handeln. Bei dem zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff kann es sich zum Beispiel um einen Dieselkraftstoff handeln. Im ersten Betriebsmodus kann der erste, relativ zündunwilligen Kraftstoff, insbesondere das Methanol, Ethanol oder Ammoniak, kann über den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff, insbesondere den Dieselkraftstoff, gezündet werden.
  • DE 10 2013 000 048 B3 offenbart einen Kraftstoffinjektor, mithilfe dessen im ersten Betriebsmodus einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine sowohl der erste, relativ zündunwillige Kraftstoff als auch der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff in die Brennkammer eines Zylinders eingebracht werden können. Der dort offenbarte Kraftstoffinjektor verfügt über zwei Düsennadeln, die in entsprechenden Nadelführungen bewegbar geführt sind. Mit einer ersten Düsennadel zusammenwirkende erste Kraftstoffeinspritzöffnungen und mit einer zweiten Düsennadel zusammenwirkende zweite Kraftstoffeinspritzöffnungen sind jeweils entlang einer Kreiskontur angeordnet. Es bestehen deutliche Einschränkungen beim Einspritzen der Kraftstoffe in die Brennkammer eines Zylinders, sodass der Brennraum der Brennkammer nicht optimal genutzt werden kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Kraftstoffinjektor und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kraftstoffinjektor zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 und eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 gelöst.
  • Der Kraftstoffinjektor weist eine in einer ersten Nadelführung bewegbar geführte erste Düsennadel auf, die mit ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen derart zusammenwirkt, dass die erste Düsennadel abhängig von ihrer Position entweder eine Kraftstoffströmung des ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs durch die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt oder versperrt. Der Kraftstoffinjektor weist ferner eine in einer zweiten Nadelführung bewegbar geführten zweiten Düsennadel auf, die mit zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen und mit dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen derart zusammenwirkt, dass die zweite Düsennadel abhängig von ihrer Position entweder eine Kraftstoffströmung eines zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen versperrt oder durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt und durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen versperrt oder sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen freigibt.
  • Die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen sind eingerichtet, den ersten Kraftstoff in einem ersten Sprühkegel mit einem ersten Kegelwinkel in den Brennraum einzuspritzen. Die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen sind eingerichtet, den zweiten Kraftstoff in einem zweiten Sprühkegel mit einem zweiten Kegelwinkel in den Brennraum einzuspritzen. Die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen sind eingerichtet, den zweiten Kraftstoff in einem dritten Sprühkegel mit einem dritten Kegelwinkel in den Brennraum einzuspritzen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor kann sowohl der erste, relativ zündunwillige Kraftstoff als auch der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff optimal in den Brennraum eines Zylinders eingebracht werden. Soll zum Beispiel in einem ersten Betriebsmodus der erste, relativ zündunwillige Kraftstoff unter Zündung mithilfe des zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs verbrannt werden, so kann über die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen der erste, relativ zündunwillige Kraftstoff und zum Zünden desselben über die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders eingespritzt werden. In diesem ersten Betriebsmodus sind die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen vorzugsweise permanent verschlossen. Im zweiten Betriebsmodus, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt werden soll, sind die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen permanent verschlossen, der zweite Kraftstoff wird dann über die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen und die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht. Der Brennraum einer Brennkammer kann so optimal in beiden Betriebsmodi genutzt werden.
  • Vorzugsweise ist der zweite Kegelwinkel kleiner als der dritte Kegelwinkel. Dann, wenn der zweite Kegelwinkel kleiner als der dritte Kegelwinkel ist, kann im ersten Betriebsmodus der zur Zündung des ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs genutzt zweite, relativ zündwillige Kraftstoff besonders vorteilhaft in den Brennraum eines Zylinders eingespritzt werden.
  • Der erste Kegelwinkel ist vorzugsweise kleiner als der zweite Kegelwinkel. Alternativ ist der erste Kegelwinkel größer als der zweite Kegelwinkel und kleiner als der dritte Kegelwinkel oder alternativ auch größer als der dritte Kegelwinkel.
  • Vorzugsweise sind die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen entlang einer Teilkreiskontur, die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen entlang einer ersten Kreiskontur und die die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen entlang einer zweiten Kreiskontur angeordnet, wobei der Mittelpunkt der Teilkreiskontur auf einer Längsmittelachse der ersten Nadelführung angeordnet ist, wobei die erste Kreiskontur und die zweite Kreiskontur in der Projektion entlang einer Längsmittelachse der zweiten Nadelführung gesehen konzentrisch zueinander angeordnet sind, derart, dass der Mittelpunkt der ersten Kreiskontur und der Mittelpunkt der zweiten Kreiskontur beide auf der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen der Längsmittelachse der ersten Nadelführung und der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung größer ist als die Summe des Radius der Teilkreiskontur und des Radius der ersten Kreiskontur und größer ist als die Summe des Radius der Teilkreiskontur und des Radius der zweiten Kreiskontur. Diese Anordnung der ersten, zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen ist für eine optimale Nutzung des Brennraums einer Brennkammer eines Zylinders besonders bevorzugt.
  • Vorzugsweise ragen im eingebauten Zustand des Kraftstoffinjektors die zweiten und/oder dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen tiefer oder weiter in eine Brennkammer des Zylinders hinein als die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen. Hiermit kann insbesondere im zweiten Betriebsmodus, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt werden soll, der zweite Kraftstoff besonders vorteilhaft in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eingebracht werden.
  • Vorzugsweise sind die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen und die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen in Umfangsrichtung gesehen zumindest teilweise zueinander versetzt. Auch dies dient der optimalen Einbringung von Kraftstoff in die Brennkammer eines Zylinders, insbesondere im zweiten Betriebsmodus, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eingebracht wird, nämlich über die zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    eine schematisierte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
    Fig. 2
    einen ersten schematisierten, ausschnittsweisen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor der Fig. 1;
    Fig. 3
    einen zweiten schematisierten, ausschnittsweisen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor der Fig. 1,
    Fig. 4
    eine Alternative zur Fig. 3.
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine. Ein solcher Kraftstoffinjektor ist dazu ausgebildet, einer Brennkammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzuführen. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor dient dabei dazu, einer insbesondere als Dual-Fuel-Brennkraftmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine unterschiedliche Kraftstoffe zuzuführen, so in einem ersten Betriebsmodus dem Einbringen eines ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs, sowie eines zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs, um über den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff im ersten Betriebsmodus den ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoff zu zünden. Ferner soll in einem zweiten Betriebsmodus, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt wird, über den Kraftstoffinjektor derselbe in die Brennkammer des Zylinders eingespritzt werden. Beim ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoff kann es sich um Methanol, Ethanol oder Ammoniak handeln. Beim zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff handelt es sich insbesondere um einen Dieselkraftstoff.
  • Fig. 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10. Der Kraftstoffinjektor 10 verfügt über einen Grundkörper 11, der zwei Nadelführungen 12, 13 bereitstellt. In einer ersten Nadelführung 12 ist eine erste Düsennadel 14 und in einer zweiten Nadelführung 13 eine zweite Düsennadel 15 bewegbar geführt.
  • Mit der ersten Düsennadel 14 wirken erste Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 derart zusammen, dass die erste Düsennadel 14 abhängig von ihrer Position in der ersten Nadelführung 12 entweder eine Kraftstoffströmung eines ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs durch die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 freigibt oder versperrt.
  • Mit der zweiten Düsennadel 15 wirken zweite Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a und dritte Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b zusammen.
  • Die zweite Düsennadel 15 versperrt in einer ersten Relativposition derselben in der zweiten Nadelführung 13 die Kraftstoffströmung des zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b.
  • In einer zweiten Relativposition der zweiten Düsennadel 15 in der zweiten Nadelführung 13 gibt dieselbe die Kraftstoffströmung des zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a frei, versperrt jedoch die Kraftstoffströmung durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b.
  • In einer dritten Relativposition der zweiten Düsennadel 15 in der zweiten Nadelführung 13 gibt dieselbe die Kraftstoffströmung des zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b frei.
  • Die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16, die dem Einbringen des ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs in die Brennkammer eines Zylinders dienen, sind eingerichtet den ersten Kraftstoff in einem ersten Sprühkegel mit einem ersten Kegelwinkel β in den Brennraum eines jeweiligen Zylinders einzuspritzen. Die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a sind eingerichtet, den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff in einem zweiten Sprühkegel mit einem zweiten Kegelwinkel α1 in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einzuspritzen. Die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b sind eingerichtet, den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff in einem dritten Sprühkegel mit einem dritten Kegelwinkel α2 in den Brennraum des jeweiligen Zylinders einzuspritzen. Bei diesen Kegelwinkeln α1, α2 und β handelt es sich gemäß den Fig. 1 bis 4 jeweils um einen Winkel, den eine Mantelfläche des jeweiligen Sprühkegels mit einer Längsmittelachse des jeweiligen Sprühkegels einschließt.
  • Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, für das Einbringen des zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs die zweite Düsennadel 15 zu nutzen, die sowohl mit den zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a als auch mit den dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b zusammenwirkt. Wird eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kraftstoffinjektor im ersten Betriebsmodus betrieben, in welchem ein erster, relativ zündunwilliger Kraftstoff verbrannt und über den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff gezündet werden soll, so wird der erste, relativ zündunwillige Kraftstoff über die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht, der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff vorzugsweise ausschließlich über die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a. Im ersten Betriebsmodus werden dann die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b nicht genutzt. Soll hingegen eine derartige Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt wird, so sind die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 permanent verschlossen und der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff wird sowohl über die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a als auch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eingebracht.
  • Der zweite Kegelwinkel α1 ist vorzugsweise kleiner als der dritte Kegelwinkel α2. Der zweite Kegelwinkel α1, mit welchem die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff in die Brennkammer eines jeweiligen Zylinders einspritzen, ist demnach kleiner als der dritte Kegelwinkel α2 des dritten Sprühkegels, über welchen die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders einspritzen. Der dritte Kegelwinkel α2 beträgt zwischen 66° und 88°, vorzugsweise zwischen 68° und 86°. Der zweite Kegelwinkel α1 ist kleiner als der dritte Kegelwinkel α2. Vorzugsweise ist der zweite Kegelwinkel α1 kleiner als 68°, bevorzugt kleiner als 66°.
  • Der erste Kegelwinkel β ist vorzugsweise kleiner als der zweite Kegelwinkel α1. Alternativ ist der erste Kegelwinkel β größer als der zweite Kegelwinkel α1 und kleiner als der dritte Kegelwinkel α2. Alternativ ist der erste Kegelwinkel β größer als der dritte Kegelwinkel α2.
  • Die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16, die dem Einspritzen des ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs dienen, sind vorzugsweise entlang einer Teilkreiskontur angeordnet. Diese Teilkreiskontur, auf welcher die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 angeordnet sind, erstreckt sich über einen Winkelbereich von 360°-δ, wobei δ eine Restteilkreiskontur definiert, auf welcher keine ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 angeordnet sind. Der Mittelpunkt dieser Teilkreiskontur ist auf einer Längsmittelachse der ersten Nadelführung 12 angeordnet, die mit einer Längsmittelachse der ersten Düsennadel 14 und der Längsmittelachse des ersten Sprühkegels der ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 zusammenfällt.
  • Die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a und die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b sind beide entlang einer Kreiskontur angeordnet, und zwar die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a entlang einer ersten Kreiskontur und die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b entlang einer zweiten Kreiskontur. Der Mittelpunkt der ersten Kreiskontur und der Mittelpunkt der zweiten Kreiskontur sind beide auf einer Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 angeordnet, die mit einer Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 und mit der Längsmittelachse des zweiten Sprühkegels der zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a sowie der Längsmittelachse des dritten Sprühkegels der dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b zusammenfällt.
  • Die erste Kreiskontur und die zweite Kreiskontur sind demnach in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 und damit in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt der ersten Kreiskontur, auf welcher die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a angeordnet sind, und der Mittelpunkt der zweiten Kreiskontur, auf welcher die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b angeordnet sind, beide auf der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 und damit auf der Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 angeordnet sind, jedoch in Richtung der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 und damit in Richtung der Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 zueinander versetzt sind.
  • Ein Abstand x zwischen der Längsmittelachse der ersten Nadelführung 12 und der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 ist größer als die Summe des Radius r3 der Teilkreiskontur und des Radius r1 der ersten Kreiskontur und ferner größer als die Summe des Radius r3 der Teilkreiskontur und des Radius r2 der zweiten Teilkreiskontur.
  • Weder die erste Kreiskontur, auf welcher die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a angeordnet sind, noch die zweite Kreiskontur, auf welcher die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b angeordnet sind, die in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 und damit in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 gesehen konzentrisch zueinander angeordnet sind, schneiden demnach die Teilkreiskontur, auf welcher die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 positioniert sind.
  • Die durch den Winkel δ definierte Restteilkreiskontur, auf welcher keine ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 angeordnet sind, ist der ersten Kreiskontur und der zweiten Kreiskontur zugewandt.
  • Bei den zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a handelt es sich um diejenigen Kraftstoffeinspritzöffnungen für den zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoff, die im zweiten Betriebsmodus, in welchem ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt wird, vor den dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b öffnen. Die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a weisen vorzugsweise eine kleinere Querschnittöffnung als die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b auf.
  • Im eingebauten Zustand des Kraftstoffinjektors sind die zweiten und/oder dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a, 17b tiefer oder weiter in einer Brennkammer des Zylinders angeordnet bzw. ragen tiefer oder weiter in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders als die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16 hinein. Vorzugsweise ragen sowohl die zweiten als auch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a und 17b tiefer oder weiter in die Brennkammer hinein als die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen 16.
  • Fig. 3 und 4 unterscheiden sich durch die Relativposition der zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a und der dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b bezogen auf die Eindringtiefe derselben in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders. So sind in Fig. 3 die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a tiefer in der Brennkammer angeordnet als die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b. In Fig. 4 hingegen sind die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b tiefer bzw. weiter in der Brennkammer angeordnet als die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a. Während in Fig. 3 der Düsennadel 15 sowohl vom zweiten Kraftstoff umströmt als auch vom zweiten Kraftstoff durchströmt ist, ist in Fig. 4 die Düsennadel 15 ausschließlich vom zweiten Kraftstoff umströmt.
  • Wie oben bereits ausgeführt, weisen die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b einen größeren Strömungsquerschnitt auf als die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a. Dabei kann auch die Anzahl der dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b größer als die Anzahl der zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a sein. Die Anzahl der zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17a kann jedoch auch der Anzahl der dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen 17b entsprechen. Vorzugsweise sind zumindest einige der, besonders bevorzugt alle, zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen in Umfangsrichtung zueinander versetzt, und zwar auf in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung 13 und damit in der Projektion entlang der Längsmittelachse der zweiten Düsennadel 15 gesehen konzentrischen Kreisbahnen.
  • Mit der Erfindung kann eine Brennkammer eines Zylinders einer Brennkraftmaschine optimal mit Kraftstoff befüllt werden, und zwar sowohl dann, wenn erster, relativ zündunwilliger Kraftstoff über Zündung mithilfe eines zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs verbrannt werden soll, als auch dann, wenn ausschließlich der zweite, relativ zündwillige Kraftstoff verbrannt werden soll. Hierdurch kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Ferner können NOx-Emissionen gesenkt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kraftstoffinjektor
    11
    Grundkörper
    12
    erste Nadelführung
    13
    zweite Nadelführung
    14
    erste Düsennadel
    15
    zweite Düsennadel
    16
    erste Kraftstoffeinspritzöffnung
    17a
    zweite Kraftstoffeinspritzöffnung
    17b
    dritte Kraftstoffeinspritzöffnung

Claims (10)

  1. Kraftstoffinjektor (10) einer Brennkraftmaschine, der ausgebildet ist, einer Brennkammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzuführen,
    mit einer in einer ersten Nadelführung (12) bewegbar geführten ersten Düsennadel (14), die mit ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) derart zusammenwirkt, dass die erste Düsennadel (14) abhängig von ihrer Position entweder eine Kraftstoffströmung eines ersten, relativ zündunwilligen Kraftstoffs durch die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) freigibt oder versperrt,
    mit einer in einer zweiten Nadelführung (13) bewegbar geführten zweiten Düsennadel (15), die mit zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) und mit dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) derart zusammenwirkt, dass die zweite Düsennadel (15) abhängig von ihrer Position entweder eine Kraftstoffströmung eines zweiten, relativ zündwilligen Kraftstoffs sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) versperrt oder durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) freigibt und durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) versperrt oder sowohl durch die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) als auch durch die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) freigibt,
    wobei die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) eingerichtet sind, den ersten Kraftstoff in einem ersten Sprühkegel mit einem ersten Kegelwinkel (β) in den Brennraum einzuspritzen,
    wobei die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) eingerichtet sind, den zweiten Kraftstoff in einem zweiten Sprühkegel mit einem zweite Kegelwinkel (α1) in den Brennraum einzuspritzen,
    wobei die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) eingerichtet sind, den zweiten Kraftstoff in einem dritten Sprühkegel mit einem dritten Kegelwinkel (α2) in den Brennraum einzuspritzen.
  2. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1,
    wobei der zweite Kegelwinkel (α1) kleiner als der dritte Kegelwinkel (α2) ist.
  3. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der erste Kegelwinkel (β) kleiner als der zweite Kegelwinkel (α1) ist.
  4. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der erste Kegelwinkel (β) größer als der zweite Kegelwinkel (α1) und kleiner als der dritte Kegelwinkel (α2) ist.
  5. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    wobei die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) entlang einer Teilkreiskontur angeordnet sind, deren Mittelpunkt auf einer Längsmittelachse der ersten Nadelführung (12) angeordnet ist,
    wobei die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) entlang einer ersten Kreiskontur angeordnet sind,
    wobei die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) entlang einer zweiten Kreiskontur angeordnet sind,
    wobei die erste Kreiskontur und die zweite Kreiskontur in der Projektion entlang einer Längsmittelachse der zweiten Nadelführung (13) konzentrisch zueinander angeordnet sind, derart, dass der Mittelpunkt der ersten Kreiskontur und der Mittelpunkt der zweiten Kreiskontur beide auf der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung (13) angeordnet sind,
    wobei dass ein Abstand (x) zwischen der Längsmittelachse der ersten Nadelführung (12) und der Längsmittelachse der zweiten Nadelführung (13) größer ist als die Summe des Radius (r3) der Teilkreiskontur und des Radius (r1) der ersten Kreiskontur und größer ist als die Summe des Radius (r3) der Teilkreiskontur und des Radius (r2) der zweiten Kreiskontur.
  6. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 5,
    wobei im eingebauten Zustand des Kraftstoffinjektors die zweiten und/oder dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a, 17b) tiefer oder weiter in eine Brennkammer des Zylinders hineinragen als die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16).
  7. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 5 oder 6,
    wobei die zweiten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a) und die dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17b) in Umfangsrichtung gesehen zumindest teilweise zueinander versetzt sind.
  8. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 5, 6, oder 7,
    wobei die erste und zweite Kreiskontur, auf welcher die zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzöffnungen (17a, 17b) angeordnet sind, jeweils einen Winkelbereich von 360° abdecken.
  9. Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8,
    wobei die Teilkreiskontur, auf welcher die ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) angeordnet sind, einen Winkelbereich von 360°-δ abdeckt, wobei die durch δ definierte Restteilkreiskontur, auf welcher keine ersten Kraftstoffeinspritzöffnungen (16) angeordnet sind, der ersten und zweiten Kreiskontur zugewandt ist.
  10. Brennkraftmaschine,
    mit Zylindern, die eingerichtet sind, mit Hilfe eines zweiten Kraftstoffs einen ersten Kraftstoff zur Verbrennung desselben in den Zylindern zu zünden,
    wobei jeder Zylinder einen Kraftstoffinjektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102013000048B3 (de) 2013-01-07 2014-06-12 L'orange Gmbh Doppelnadelinjektor
EP2805041B1 (de) * 2012-01-19 2016-06-08 Wärtsilä Finland Oy Kraftstoffeinspritzsystem
EP3743615B1 (de) * 2018-01-23 2023-01-11 Wärtsilä Finland Oy Kraftstoffeinspritzanordnung und verfahren zum betrieb eines kolbenmotors

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