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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2013 017 853 A1 ist ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bekannt, welcher für einen Betrieb mit Flüssigkraftstoff und Brenngas bereitgestellt ist und bei welchem sowohl die Flüssigkraftstoff-Düsennadel als auch die Gas-Düsennadeln via den Flüssigkraftstoff hydraulisch gesteuert werden. Durch die Entlastung eines Steuerraums oberhalb der jeweiligen Gas-Düsennadel überwiegt eine hydraulische Kraft auf die Druckstufe der Düsennadel und drangt diese in Öffnungsrichtung. Mittels der hydraulischen Kraft muss also das Steuermedium aus dem Steuerraum verdrängt werden, daneben die jeweilige Gas-Düsennadel beschleunigt werden. Bei Injektoren nach diesem Prinzip kann es jedoch vorkommen, dass bei einer kleinen Druckstufe und lediglich geringen Drücken des Einspritzmediums, zum Beispiel bei Brenngas mit Druckniveaus von ca. 350 bar, die Gas-Düsennadel zu langsam öffnet, so dass die Verwendung eines solchen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors mit einem schnell laufenden Motor unter Umständen nicht möglich ist.
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Wird nun der Steuerraumdruck bzw. Steuerfluiddruck geringer gewählt, kann die Düsennadel zwar schneller öffnen, der Schließvorgang wird jedoch im Gegenzug langsamer. Ein langsames Nadelschließen wirkt sich auf die Steilheit der Injektorkennlinie im ballistischen Bereich negativ aus und kann im Hinblick auf die Emissionen nachteilig sein. Insoweit ist es wünschenswert, einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitstellen zu können, bei welchem ein oder auch eine Vielzahl von Gas-Düsenventilgliedern hydraulisch mit der beabsichtigten Hubgeschwindigkeit gesteuert werden können und wobei weiterhin eine unaufwändige Fertigung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Zweistoff- bzw. Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor, insbesondere zur Verwendung mit einem Flüssigkraftstoff, zum Beispiel Dieselkraftstoff, Biokraftstoff oder Schweröl und weiterhin mit einem gasförmigem Kraftstoff bzw. Brenngas, zum Beispiel Erdgas. Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor kann im Rahmen einer Brenngas-Betriebsart insbesondere für einen Zündstrahlbetrieb vorgesehen sein (Flüssigkraftstoff-Zündstrahl zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs), daneben im Rahmen einer Flüssigkraftstoff-Betriebsart insbesondere für einen reinen Flüssigkraftstoffbetrieb. Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor ist z. B. mit einem Großmotor verwendbar, insbesondere einem Schnellläufer, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug wie etwa einem Schiff oder einem Nutzfahrzeug, oder zum Beispiel für eine stationäre Einrichtung vorgesehen, z. B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat, z. B. auch für Industrieanwendungen.
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Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor weist wenigstens ein axial hubverschiebliches Gas-Düsenventilglied auf, welches in einer Aufnahme eines Düsenkörpers des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors aufgenommen und geführt ist. Das Gas-Düsenventilglied ist bevorzugt als Gas-Düsennadel bereitgestellt, insbesondere einteilig, kann daneben zum Beispiel auch mehrteilig gebildet sein, zum Beispiel mittels einer (Gas-)Düsennadel und einer mit dieser zusammenwirkenden Steuerstange. Die Aufnahme kann bevorzugt als (Axial-)Bohrung im Düsenkörper gebildet sein (zur Vermeidung von Leckage insbesondere mit bloß geringem Radialspiel), wobei der Düsenkörper weiterhin bevorzugt auch eine Gas-Düsenanordnung aufweist, welche einem Ventilsitz für das Düsenventilglied strömungsmäßig nachgeordnet ist.
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Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor weist weiterhin ein axial hubverschiebliches Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied auf, zum Beispiel in Form einer (Flüssigkraftstoff-)Düsennadel oder zum Beispiel mehrteilig gebildet mittels einer Steuerstange und einer Düsennadel. Das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied ist mittels eines Steuerraums des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors hubsteuerbar, insbesondere hydraulisch und weiterhin bevorzugt nach dem an sich bekannten Prinzip Aktuator-Pilotventil-Steuerraum. Das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied wirkt bevorzugt gegen einen Ventilsitz, welcher einer Flüssigkraftstoff-Düsenanordnung am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor vorgelagert ist. Die Flüssigkraftstoff-Düsenanordnung kann ebenfalls am Düsenkörper gebildet sein, das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied weiterhin auch im Düsenkörper aufgenommen sein. Der Steuerraum ist bevorzugt an einem düsenfernen Ende des Düsenventilglieds am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitgestellt, bevorzugt an einem düsenfernen Ende des Düsenkörpers gebildet.
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Insbesondere um die eingangs erwähnten Nachteile einer zu langsamen Hubsteuerung des Gas-Düsenventilglieds zu überwinden, ist das Gas-Düsenventilglied in die Erfindung kennzeichnender Weise über eine am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gebildete, eingehäuste (in einer Einhäusung gebildete bzw. aufgenommene) hydraulische Kolbensteuervorrichtung, welche hierzu mit einem Endabschnitt des Gas-Düsenventilglieds zusammenwirkt, axial hubverschiebbar, insbesondere gesteuert axial hubverschiebbar (und weiterhin insbesondere hydraulisch). Via die Kolbensteuervorrichtung wird es vorteilhaft möglich, die Hubgeschwindigkeit des damit zusammenwirkenden Gas-Düsenventilglieds in beabsichtigter Weise einzustellen, insbesondere zu steigern, d. h. durch Ausbildung geeignet dimensionierter Wirk- bzw. Kolbenflächen an der Kolbensteuervorrichtung, welche hydraulisch druckbeaufschlagbar sind. Bei Dual-Fuel-Kraftstoffinjektoren, welche im Rahmen der Erfindung eine Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern vorsehen, z. B. 2 bis 6 Gas-Düsenventilglieder, kann insbesondere einem jeweiligen Gas-Düsenventilglied eine solche Kolbensteuervorrichtung zugeordnet sein.
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Insbesondere, um die Fertigung bzw. Herstellung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors hierbei vorteilhaft noch weiter zu erleichtern, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, dass die Kolbensteuervorrichtung für einen Versatzausgleich bzw. Deaxierungsausgleich (in radialer Richtung) zwischen der Aufnahme (des Gas-Düsenventilglieds) und der Einhäusung durch mechanische Querentkopplung des Endabschnitts des Gas-Düsenventilglieds von der Einhäusung eingerichtet ist. Durch die Entkopplung kann ein Radialspiel zwischen dem Endabschnitt und der Einhäusung etabliert bzw. bewirkt werden, so dass Toleranzen im Hinblick auf einen Versatz von Einhäusung und Aufnahme nunmehr vorteilhaft groß gewählt werden können und so dass die Anzahl an Passungen verringert werden kann. Die jeweilige Einhäusung ist bevorzugt mittels einer jeweiligen Sackbohrung gebildet.
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Bevorzugt ist in Weiterbildung der Erfindung die Kolbensteuervorrichtung düsenferner als der Steuerraum am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gebildet (in axialer Richtung betrachtet), insbesondere bevorzugt außerhalb des Düsenkörpers angeordnet. Vorzugsweise wird die Kolbensteuervorrichtung im Rahmen der Erfindung an einem Zwischenelement eines Injektorgehäuses gebildet, z. B. an einer Zwischenplatte oder -scheibe. Ein solches Zwischenelement ist einfach handhab- und bearbeitbar und ist bevorzugt zu dem düsenfernen Ende des Düsenkörpers benachbart angeordnet, wobei der Düsenkörper eine die Einhäusung bildende Bohrung vorteilhaft einfach deckeln bzw. die Einhäusung komplettieren kann. Bei derartigen Lösungen, bei welchen insoweit die jeweiligen Kolbensteuervorrichtungen in einer (sich radial erstreckenden) Ebene oberhalb des Steuerraums des Flüssigkraftstoff-Düsenventilglieds liegen (düsenferner als der Steuerraum), bevorzugt dabei in einer gemeinsamen Ebene liegen, können die Abmessungen des Düsenkörpers vorteilhaft klein gehalten werden, insbesondere im Hinblick auf dessen Durchmesser, da die Kolbensteuervorrichtungen ja vorteilhaft außerhalb desselben platziert sind, d. h. bevorzugt am Zwischenelement. Ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor dieser Ausgestaltung kann z. B. eine Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern aufweisen, welche je im Düsenkörper aufgenommen und um ein zentrales Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied herum verteilt angeordnet sind, d. h. um eine gute 360°-Abdeckung bei Brennstoffausbringung im Brennraum zu erzielen.
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Allgemein ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Kolbensteuervorrichtung ein Kolbenelement aufweist (welches mit dem Gas-Düsenventilglied bzw. dessen Endabschnitt zusammenwirkt). Mittels des Kolbenelements wird hierbei wenigstens eine Wirkfläche bzw. Druckfläche geschaffen bzw. bereitgestellt, welche für die beabsichtigte Ausprägung der axialen Hubgeschwindigkeit des Gas-Düsenventilglieds in Öffnungs- und/oder Schließrichtung geeignet ist. Innerhalb der Kolbensteuervorrichtung ist das Kolbenelement bzw. dessen wenigstens eine Druckfläche hierbei insbesondere mit einem Hydraulikdruck beaufschlagbar, insbesondere einem Flüssigkraftstoff-Druck am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor (aufgebracht via Systemdruck).
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Um das Gas-Düsenventilglied über die Kolbensteuervorrichtung geeignet hubzusteuern, kann mittels des Kolbenelements weiterhin ein erster, düsennäherer und ein zweiter, düsenfernerer Wirkraum innerhalb der Einhäusung abgeteilt sein, welche je insbesondere hydraulisch belastbar und hydraulisch entlastbar sind, das heißt über Leitungswege am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung kann gemäß einer Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors vorgesehen sein, dass die Kolbensteuervorrichtung ein Kolbenelement aufweist, welches an der Einhäusung (axial) hubverschieblich geführt ist, insbesondere im Wesentlichen ohne Radialspiel, wobei der Endabschnitt in dem Kolbenelement eingetaucht bzw. aufgenommen ist (und bevorzugt in axialer Richtung gegen das Kolbenelement auch abgestützt ist). Das Kolbenelement kann hierbei zum Beispiel topfförmig gebildet sein bzw. im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen, weiterhin zum Beispiel mittels eines (axial belastenden) Federelements der Kolbensteuervorrichtung gegen den Endabschnitt gedrängt sein.
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Für die beabsichtigte mechanische Querentkopplung kann der Endabschnitt bei einer solchen Ausgestaltung mit wenigstens einem elastischen Andruckelement radial gegen das Kolbenelement abgestützt sein oder in radialer Richtung gar keine Abstützung am Kolbenelement erfahren.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung kann demgegenüber zum Beispiel vorsehen, dass die Kolbensteuervorrichtung ein Buchsenelement aufweist, welches in der Einhäusung aufgenommen ist, wobei der Endabschnitt das Kolbenelement aufweist bzw. ausbildet, welches mit dem Buchsenelement zusammenwirkt und hierzu in dem Buchsenelement aufgenommen und radial daran geführt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird bevorzugt, dass das Buchsenelement für die mechanische Querentkopplung hierbei ohne radialen Kontakt zur Einhäusung bzw. schwimmend in derselben angeordnet ist. Mittels des Kolbenelements können auch hierbei ein erster, düsennäherer und ein zweiter, düsenfernerer Wirkraum im Buchsenelement abgeteilt werden, welche im Rahmen der Kolbensteuervorrichtung insbesondere je hydraulisch belastbar und entlastbar sind. Bevorzugt wird bei dieser Ausgestaltung, dass das Buchsenelement axial elastisch gegen die Einhäusung abgestützt ist oder das Buchsenelement axial dichtend gegen die Einhäusung abgestützt ist. Hierzu können Stützringe und/oder Dichtringe an Stirnseiten des Buchsenelements vorgesehen sein (welche jedoch ein Wandern des Buchsenelements in radialer bzw. Querrichtung ermöglichen, d. h. für die mechanische Querentkopplung).
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Für eine Schließkraftunterstützung kann zum Beispiel ein Federelement der Kolbensteuervorrichtung gegen das Gas-Düsenventilglied wirken, welches insbesondere ebenfalls in der Einhäusung angeordnet sein kann.
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Vorgeschlagen wird schließlich auch ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere Dual-Fuel-Kraftstoffeinspritzsystem, welches einen wie vorstehend erörterten Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor aufweist, bevorzugt einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor mit einer Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern, welchen je eine damit zusammenwirkende, wie vorstehend erörterte Kolbensteuervorrichtung am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor zugeordnet ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann bevorzugt Bestandteil einer Brennkraftmaschine sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung in einer abgebrochenen und teilgeschnitteten Ansicht.
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2 exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform der Erfindung in einer abgebrochenen und teilgeschnittenen Ansicht, welche auf die Kolbensteuervorrichtung fokussiert ist.
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3 exemplarisch und schematisch eine Ansicht, welche einen Kolben und den Endabschnitt eines Gas-Düsenventilglieds einer Kolbensteuervorrichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors zeigt.
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4 exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung in einer abgebrochenen und teilgeschnittenen Ansicht.
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5 exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in einer abgebrochenen und teilgeschnittenen Ansicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 für ein Dual-Fuel-Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere zur Verwendung mit einem Flüssigkraftstoff sowie mit Brenngas. Bevorzugt wird der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 mit einem Common-Rail-Einspritzsystem, zum Beispiel mit Brenngas-Druckniveaus von ca. 350 bar und Flüssigkraftstoff-Druckniveaus von 2000 bar bis z. B. 2500 bar, verwendet.
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Der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 umfasst ein axial hubverschiebliches Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3, insbesondere in Form einer Flüssigkraftstoff-Düsennadel. Das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3 ist in einer (Aufnahme-)Bohrung 5 im Injektorgehäuse 7, insbesondere einem Düsenkörper 9 desselben, aufgenommen und mit einer Schließfeder 11 in Schließrichtung A belastet. An einem düsenseitigen Ende 13 wirkt das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3 gegen einen Ventilsitz 15, wobei stromabwärts desselben eine Flüssigkraftstoff-Düsenanordnung 17 am Injektor 1 gebildet ist. Über die Flüssigkraftstoff-Düsenanordnung 17 kann Flüssigkraftstoff, zum Beispiel Dieselkraftstoff oder Schweröl, welcher über einen Hochdruck(HD)kanal 19 an die Aufnahmebohrung 5 (welche hierbei auch einen Düsenraum ausbildet) zugeführt wird, in Abhängigkeit der Hubstellung des Flüssigkraftstoff-Düsenventilglieds 3 selektiv ausgedüst werden.
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Ein düsenferner bzw. oberer Endabschnitt des Flüssigkraftstoff-Düsenventilglieds 3 ist in einer Führungshülse 21 aufgenommen (welche in der Aufnahmebohrung 5 angeordnet ist) und definiert zusammen mit dieser und einem (die Führungshülse 21 abstützenden) Zwischenelement 23 des Injektorgehäuses 7, insbesondere in Form eines Zwischenkörpers oder einer Zwischenscheibe, einen Steuerraum 25. Mittels des Steuerraums 25 ist das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3 durch selektive hydraulische Entlastung und Belastung des Steuerraums 25 hubsteuerbar. Zur Belastung des Steuerraums 25 – ausgehend von einer Hochdruckseite (HD) am Injektor 1 (Systemdruck) – dient ein Zulauf-Strömungsweg 27 mit einer Zulaufdrossel, zur Entlastung – hin zu einer Niederdruckseite (ND) am Injektor 1 – ein Ablauf-Strömungsweg 29 mit einer Ablaufdrossel. Als Hydraulikmedium bzw. Steuerfluid dient hierbei der hochdruckbeaufschlagte Flüssigkraftstoff.
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Wie 1 weiterhin veranschaulicht, weist der Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 ein axial verschiebliches Gas-Düsenventilglied 31 auf, welches in einer Aufnahme 33 des Düsenkörpers 9 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 aufgenommen und geführt ist. Das Gas-Düsenventilglied 31 ist einteilig als Gas-Düsennadel bereitgestellt, kann jedoch auch mehrteilig gebildet sein, zum Beispiel mittels einer Gas-Düsennadel und einer düsenferner daran angeordneten Steuerstange.
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An einem düsenseitigen bzw. unteren Ende 35 wirkt das stangenförmige Gas-Düsenventilglied 31 gegen einen Ventilsitz 37, wobei stromabwärts desselben eine (Brenn-)Gas-Düsenanordnung 39 am Injektor 1 gebildet ist. Über die Gas-Düsenanordnung 39 kann der gasförmige Kraftstoff bzw. das Brenngas, zum Beispiel Erdgas, Biogas, Sondergas, Deponiegas oder Wasserstoff, welcher bzw. welches über einen Gas-Hochdruckkanal 41 an einen Gas-Düsenraum 43 am düsenseitigen Ende der Aufnahme 33 zugeführt wird, in Abhängigkeit der Hubstellung des Gas-Düsenventilglieds 31 selektiv ausgedüst werden (in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine).
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Die Aufnahme 33 ist als Axialbohrung im Düsenkörper 9 bereitgestellt, insbesondere mit möglichst geringem (radialen) Führungsspalt 45 zwischen dem Gas-Düsenventilglied 31 und der Aufnahme 33. Insoweit ist der Durchmesser der Aufnahme 33 auf den Durchmesser des Gas-Düsenventilglieds 31 relativ eng gepasst. Aufgrund dieser Passung Gas-Düsenventilglied 31 und Aufnahme 33 und dem somit eng bemessenen Führungsspalt 45 kann weitgehend vermieden werden, dass Gas-Leckage in unbeabsichtigter Weise aus dem Gas-Düsenraum 43 über den Führungsspalt 45 entweicht. Gegebenenfalls könnten entlang des Führungsspalts 45 zusätzlich auch geeignete Leckagebehandlungs-Mechanismen vorgesehen werden, zum Beispiel Abstreifelemente, ein Sammelraum, eine Sperrdruck-Beaufschlagung oder z. B. eine Absaugung.
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Wie 1 weiter veranschaulicht, taucht das düsenferne Ende bzw. der Endabschnitt 47 des Gas-Düsenventilglieds 31 aus dem Düsenkörper 9 an dessen düsenfernem Ende 49 aus. Hierbei wirkt der Endabschnitt 47 mit einer eingehäusten hydraulischen Kolbensteuervorrichtung 51 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 zusammen, über welche das Gas-Düsenventilglied 31 axial hubverschiebbar ist bzw. (hydraulisch) gesteuert axial hubverschiebbar ist.
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Die eingehäuste Kolbensteuervorrichtung 51 ist im Zwischenelement 23 benachbart zum Düsenkörper 9 angeordnet, insoweit düsenferner als der Steuerraum 25 des Flüssigkraftstoff-Düsenventilglieds 3 angeordnet. Durch eine solche Anordnung der Kolbensteuervorrichtung 51 außerhalb des Düsenkörpers 9 und zudem in einer (radialen) Ebene, welche sich oberhalb bzw. düsenferner als der Steuerraum 25 erstreckt, kann vorteilhaft der Bauraumbedarf des Düsenkörpers 9 klein gehalten werden (so dass die Anbringung des Injektors 1 an bauraumbeengten Einbauumgebungen an einer Brennkraftmaschine erleichtert ist).
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Die Einhäusung 53 der Kolbensteuervorrichtung 51 ist, s. 1, mittels einer als Sacklochbohrung ausgeführten Stufenbohrung 55 im Zwischenelement 23 gebildet. Ein düsenferner Abschnitt 55a der Einhäusung 53 weist hierbei einen relativ kleineren Durchmesser auf, ein düsennäherer Abschnitt 55b der Einhäusung 53 einen relativ größeren Durchmesser. An der Wandung der Einhäusung 53 ist ein Kolbenelement 57 bzw. ein Steuerkolben der Kolbensteuervorrichtung 51 axial verschieblich geführt, das heißt nahezu ohne Radialspiel. Das Kolbenelement 57 ist über einen ersten Kolbenring 59 hierbei gegen die Wandung gedichtet.
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In Schließrichtung A des Gas-Düsenventilglieds 31 belastet ist das Kolbenelement 57, welches im Wesentlichen topfförmige Form bzw. U-förmigen Querschnitt aufweist, über eine Schließfeder 61, welche düsenfern gegen die Einhäusung 53 abgestützt ist und andernends gegen das Kolbenelement 57.
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Mittels der Schließfeder (Druckfeder) 61 wird das Kolbenelement 57 gegen den Endabschnitt 47 des Gas-Düsenventilglieds 31 gedrängt (in Schließrichtung A), welcher in das Innere bzw. ein Sackloch 63 des Kolbenelements 57 (seitens des geöffneten Endes der Topform bzw. desselben) eingetaucht ist, mithin daran in axialer Richtung abgestützt.
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Mittels des Kolbenelements 57 wird weiterhin ein erster, düsennäherer Wirkraum 65 und ein zweiter, düsenfernerer Wirkraum 67 in der Einhäusung 53 abgeteilt. Der erste, untere Wirkraum 65 ist – unter Formung einer Ringschulter 69 – mittels einer seitens der geöffneten, düsennäheren Stirnseite eingebrachten ringförmigen Vertiefung 71 am Kolbenelement 57 gebildet, ausgehend von welcher sich die Sackbohrung 63, innerhalb welcher der Endabschnitt 47 aufgenommen ist, mit verringertem Querschnitt, jedoch größerem Querschnitt als der Endabschnitt 47, fortsetzt. Begrenzt ist der erste Wirkraum 65 weiterhin durch ein Andruckelement in Form eines (Kolben-)Rings 73, welcher den Endabschnitt 47 dichtend umgibt und weiterhin gegen die Wandung der Sackbohrung 63 im Kolbenelement 57 dichtet. Der erste Wirkraum 65 ist insoweit durch das Kolbenelement 57, den Kolbenring 73 und die Einhäusung 53 umgrenzt.
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Der zweite, obere Wirkraum 67 ist weiterhin umgrenzt mittels der düsenfernen Stirnseite des Kolbenelements 57 sowie der Einhäusung 53.
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Hydraulisch belastbar und entlastbar sind der erste 65 und der zweite 67 Wirkraum je über geeignet bereitgestellte Leitungswege am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1. Der erste Wirkraum 65 kann über einen Strömungsweg 75 mit Drosselvorrichtung sowie einen Ringkanal 77 am Kolbenelement (welcher über die gesamte vorgesehene Hubhöhe mit dem Strömungsweg 75 kommuniziert), sowie mittels Stichleitungen 79 vom Ringkanal 77 hin zum ersten Wirkraum 65 wahlweise belastet werden, das heißt mit Steuerdruck (bevorzugt etwa 500bar) beaufschlagt werden (an die Hochdruckseite HD geschaltet) oder entlastet werden, d. h. mit Leckagegegendruck (bevorzugt etwa 2bar) beaufschlagt werden (an die Niederdruckseite ND geschaltet werden).
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Der zweite Wirkraum 67 kann über einen weiteren Strömungsweg 81 mit Drosselvorrichtung ebenfalls wahlweise belastet werden, das heißt mit Steuerdruck beaufschlagt werden (an die Hochdruckseite geschaltet) oder entlastet werden, das heißt mit Leckagegegendruck beaufschlagt werden (an die Niederdruckseite geschaltet).
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Allgemein ist in diesem Zusammenhang vorgesehen (nicht dargestellt), dass zur geeigneten, insbesondere wechselweisen Druckbeaufschlagung des ersten 65 und zweiten 67 Wirkraums zwei 3/2-Wegeventile in Verschaltung oder ein 4/2-Wegeventil des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 verwendet werden, welche geeignet in die jeweiligen Strömungswege 75 bzw. 81 geschaltet sind.
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Nunmehr wird nachfolgend auf das Wirkprinzip der Steuerung des Gas-Düsenventilglieds 31 mittels der erfindungsgemäßen Kolbensteuervorrichtung 51 im Rahmen eines Einspritzvorgangs eingegangen.
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Das Gas-Düsenventilglied 31 wird in der dargestellten Schließstellung durch die auf das Kolbenelement 57 wirkende Schließfeder 61 und gegebenenfalls durch einen im oberen Wirkraum 67 anliegenden Steuerdruck (Belastung) gegen den im Düsensackloch wirkenden Brennraumdruck und gegen eine Kraft in Öffnungsrichtung B, welche seitens des Düsenraums 43 an einer Druckstufe 83 des Gas-Düsenventilglieds 31 eingeleitet wird (D1–D2), in Schließrichtung A gedrängt.
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Für die Steuerung eines Öffnungshubs des Gas-Düsenventilglieds 31 wird der obere Wirkraum 67 entlastet und gleichzeitig der untere Wirkraum 65 belastet. In der Folge wird das Gas-Düsenventilglied 31 durch die Druckkraft an der Druckstufe 83 und den Brennraumdruck an der Gas-Düsenventilgliedspitze (sowie im fortgeschrittenen Hubverlauf durch den gegen die Gas-Düsenventilgliedspitze wirkenden Druck) geöffnet. Da das Kolbenelement 57 durch den Druck im unteren Wirkraum 65 hierbei beschleunigt wird, behindert dieses die Öffnungshubbewegung des Gas-Düsenventilglieds 31 nicht weiter. Das Gas-Düsenventilglied 31 braucht folglich vorteilhaft keine Verdrängerarbeit leisten.
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Eine Drossel 85 im Kolbenelement 57 bewirkt hierbei einen Druckausgleich zum unbelasteten oberen Wirkraum 67, wobei die Drossel 85 auch entfallen kann, i. e. wenn sichergestellt ist, dass sich der Zwischenraum im Sackloch 63 oberhalb des Rings 73 während einer Einspritzung nur unwesentlich mit Hydraulikmedium des unteren Wirkraumes 65 füllt und dieses während der Einspritzpause wieder vollständig am Kolbenring 73 vorbei zurückgedrängt werden kann.
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Nunmehr wird auf den Schließvorgang eingegangen. Für einen Schließhub wird eine aktive Schließkraft mittels der Kolbensteuervorrichtung 51 auf den Endabschnitt 47 des Gas-Düsenventilglieds 31 ausgeübt, wobei die Schließfeder 61 – zuvorderst zur Geringhaltung des Bauraums – lediglich für die Einhaltung der Schließstellung des Gas-Düsenventilglieds 31 gegen den maximalen Brennraumdruck (zum Beispiel im reinen Dieselbetrieb) ausgelegt ist. Für die Schließhubsteuerung mittels der Kolbensteuervorrichtung 51 wird der obere Wirkraum 67 belastet, während der untere Wirkraum 65 entlastet wird. Das am oberen bzw. düsenfernen Ende flächenmäßig größere Kolbenelement 57 schiebt nunmehr das Gas-Düsenventilglied 31 sehr schnell in Schließstellung (wobei das Kolbenelement 57 im Hinblick auf die obere Kolbenfläche ersichtlich unaufwändig entsprechend der beabsichtigten Schließgeschwindigkeit bemessen werden kann).
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In vorteilhaft die Fertigung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 erleichternder Weise ist die Kolbensteuervorrichtung 51 gemäß der Erfindung weiterhin für einen, insbesondere radialen, Versatzausgleich bzw. Desaxierungsausgleich (Fluchtungsfehlerausgleich) zwischen der Aufnahme 33 des Gas-Düsenventilglieds 31 und der Einhäusung 53 (im Hinblick auf deren axiale Achsen) durch mechanische Querentkopplung des Endabschnitts 47 des Gas-Düsenventilglieds 31 von der Einhäusung 53 eingerichtet. Durch diese Ausgestaltung bedarf es vorteilhaft lediglich einer einzigen Passung für das Gas-Düsenventilglied 31 im Düsenkörper 9, während das Zwischenelement 23 mit größeren Positionstoleranzen gefertigt werden kann, vorteilhaft weiterhin aus einem Werkstoff ohne Härteverzug.
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Für den (Radial-)Versatz- bzw. Fluchtungsfehlerausgleich ist bei der vorgeschlagenen Lösung nach 1 der den Endabschnitt 47 umgebende Kolbenring 73 die mechanische Entkopplung bewirkend elastisch ausgeführt. Insoweit sitzt das Kolbenelement 57 radialspielbehaftet auf dem Endabschnitt 47. Hierbei beträgt das Spiel des Endabschnitts 47 im Kolbenelement 57 (in dem Sackloch 63) etwa das 2- bis dreifache eines fertigungsbedingten Versatzes zwischen der Aufnahme 33 und der Einhäusung 53 bzw. deren Umfangswandung im Zwischenelement 23.
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Angemerkt sei, dass bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 das Gas-Düsenventilglied 31 vom Kolbenelement 57 somit lediglich in Hubrichtung geführt wird (wobei der Kolbenhub s1 geringer sein muss als die Länge des freien Endabschnitts über dem elastischen Kolbenring 73 (s1 < s2)).
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Anhand von 2 wird kursorisch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 erläutert, wobei die Kolbensteuervorrichtung 51 im Unterschied zur Ausgestaltung nach 1 eine zylindrische Einhäusung 53 aufweist, welche als (Sack-)Bohrung in das Zwischenelement 23 eingebracht ist, i. e. wie vor seitens der düsennahen Stirnseite desselben.
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An der Umfangswandung der Einhäusung 53 ist wiederum ein Kolbenelement 57 der Kolbensteuervorrichtung 51 geführt, welches topfförmig gebildet ist und mit außen liegenden Führungsflächen gegen die Umfangswandung zur Führung im Rahmen einer axialen Verschiebung zusammenwirkt. Das Kolbenelement 57, welches wiederum durch eine Schließfeder 61 in Schließrichtung A belastet ist, teilt auch bei dieser Ausgestaltung einen ersten, unteren 65 und einen zweiten, oberen Wirkraum 67 in der Einhäusung 53 ab, welche je hydraulisch belastbar und hydraulisch entlastbar sind.
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Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform ist jedoch in einem zentralen Bereich des Kolbenelements 57 eine Durchgangsöffnung 87 gebildet, durch welche hindurch sich das Gas-Düsenventilglied 31 endseitig erstreckt. Hierbei ist der Durchmesser der Durchgangsöffnung 87 größer gewählt als jener Durchmesser des die Durchgangsöffnung 87 durchtretenden Teils des Endabschnitts 47, so dass die mechanische Querentkopplung für den (Radial-)Versatzausgleich bzw. Fluchtungfehlerausgleich zwischen Aufnahme 33 und Einhäusung 53 auch hierbei vorteilhaft unaufwändig erzielt wird.
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Bei der in 2 veranschaulichten Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 weist der Endabschnitt 47 weiterhin im Unterschied zur Ausgestaltung nach 1 ferner ein Mitnehmerelement 89 auf, welches axial gegen das Kolbenelement 57 gedrängt ist, das heißt gegen eine düsennahe Stirnseite des Kolbenelements 57.
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Auch bei dieser Ausgestaltung kann das Gas-Düsenventilglied 31 – wie bei der Ausgestaltung nach der 1 – via geeignet eingestellten Steuerdruck (z. B. 500bar) und Leckagegegendruck (z. B. 2bar) mittels der Kolbensteuervorrichtung 51 hydraulisch hubgesteuert werden, wobei mit einem Schließhub der erste Wirkraum 65 entlastet und der zweite Wirkraum 67 belastet werden, und wobei mit einem Öffnungshub der erste Wirkraum 65 belastet und der zweite Wirkraum 67 entlastet wird. Durch die Schließfeder 61 kann weiterhin ein dauerhafter Kontakt zwischen dem tellerförmigen Mitnehmerelement 89 und dem Kolbenelement 57 sichergestellt werden, wobei ein oberer Anschlag zum Beispiel über das Ende des Gas-Düsenventilglieds 31 oder über das Kolbenelement 57 selbst erfolgen kann.
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3 zeigt nunmehr eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 mit Fokus auf die Kolbensteuervorrichtung 51, insbesondere in weitgehender Übereinstimmung mit der Ausgestaltung nach 2, wobei der Endabschnitt 47 jedoch federbelastet mit dem Kolbenelement 57 verbunden ist. Das Federelement (Druckfeder) 91 ist hierbei einerseits am Kolbenelement 57 an dessen düsenferner Seite abgestützt und weiterhin zum Beispiel an einer Schraubmutter 93, welche düsenfern am Endabschnitt 47 angeordnet ist, das heißt derart, dass das Federelement 91 zwischen dem Kolbenelement 57 und der Mutter 93 gefangen ist. In der Folge wird hierbei das Mitnehmerelement 89 gegen das Kolbenelement 57 gedrängt, so dass einem Kontaktverlust von Kolbenelement 57 und Endabschnitt 47 vorteilhaft wirksam vorgebeugt ist.
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Um insbesondere ein Verkanten des Kolbenelements 57 gegenüber der Einhäusung 53 zu vermeiden, mithin einen Kontaktverlust des Mitnehmerelements 89 und des Kolbenelements 57, ist bei der gezeigten Ausgestaltung nach 3 das Kolbenelement 57 außenumfangseitig weiterhin ballig ausgeführt, zum Beispiel mit einer balligen Form von wenigen Hundertstel Millimeter auf der Außenkontur, die von einem gegenüberliegenden Eckpunkt des Mitnehmertellers 89 mit dem Radius R gebildet wird.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 werden nachfolgend anhand von 4 und 5 näher erörtert, wobei jedoch jeweilige Flüssigkraftstoff-Düsenventilglieder (samt Steuerteil) nicht dargestellt sind.
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4 zeigt exemplarisch und schematisch einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 in einer abgebrochenen und teilgeschnittenen Ansicht, wobei die eingehäuste Kolbensteuervorrichtung 51 analog den vorhergehenden Ausführungsformen mittels einer (Sack-)Bohrung gebildet ist, d. h. zur Bereitstellung der Einhäusung 53. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausgestaltungen weist die Kolbensteuervorrichtung 51 bei dieser Ausführungsform nunmehr jedoch ein Buchsenelement 95 auf, welches in der Einhäusung 53 aufgenommen ist.
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Das Buchsenelement 95 ist im wesentlichen rohrabschnittsförmig gebildet und mit seiner Durchgangsöffnung 97 axial ausgerichtet in der Einhäusung 53 aufgenommen. An einem düsenfernen und einem düsennahen stirnseitigen Ende des Buchsenelements 95 ist jeweils ein Ringüberstand bzw. eine Ringschulter 99a bzw. 99b gebildet, innerhalb derer ein elastisches Ringdichtungselement 101a, b je die Mündung der Durchgangsöffnung 97 umfangend angeordnet ist. Mittels der Ringdichtungselemente 101a, b ist das Buchsenelement 95 dichtend gegen die düsennahe und die düsenferne, stirnseitige Begrenzungswand der Einhäusung 53 gedrängt (der jeweilige Ringüberstand 99a, b bleibt gegenüber der Ringdichtungselemente 101a, b in seiner Axialabmessung insoweit vorzugsweise je geringfügig zurück).
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In dem Buchsenelement 95 ist zur beabsichtigten Hubsteuerung des Gas-Düsenventilglieds 31 wiederum ein erster, unterer Wirkraum 65 und ein zweiter, oberer Wirkraum 67 abgeteilt, das heißt mittels eines im Buchsenelement 95 aufgenommenen und umfangsseitig geführten Kolbenelements 57, welches in dem Buchsenelement 95 insoweit eng gepasst ist. Aufgrund der Abdichtung mittels der Ringdichtungen 101a, b sind die Wirkräume 65, 67 in der Einhäusung 53 hierbei strömungsmäßig auch voneinander separiert.
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Die jeweiligen Wirkräume 65, 67 sind wie bei den vorstehenden Ausgestaltungen je hydraulisch belastbar und hydraulisch entlastbar, das heißt über geeignete Strömungswege 75, 81 des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1.
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Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 weist der Endabschnitt 47 bei dieser Ausführungsform jedoch das Kolbenelement 57 auf, z. B. integral damit gebildet, welches zur hydraulischen Hubsteuerung des Gas-Düsenventilglieds 31 mit dem Buchsenelement 95 zusammenwirkt. Belastet ist das Kolbenelement 57, welches über außenumfangseitige Führungsflächen an der Innenumfangswand des Buchsenelements 95 axial verschieblich geführt ist, wiederum über eine in der Einhäusung aufgenommene Schließfeder 61. Die Schließfeder 61 ist hierbei einerseits gegen die düsenferne Stirnseite der Einhäusung 53 und andernends gegen die düsenferne Stirnseite des Kolbenelements 57 abgestützt.
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Bei der in 4 vorgestellten Ausführungsform ist das Buchsenelement 95 für die mechanische Querentkopplung (für den (Radial-)Versatz- bzw. Fluchtungsfehlerausgleich) ohne radialen Kontakt zur Einhäusung 53 bzw. schwimmend in derselben angeordnet, wozu ein Abstand zwischen der Außenumfangswand des Buchsenelements 95 und der Innenumfangwand der Einhäusung 53 gewahrt wird (bzw. ein Zwischenraum/Ringraum 76 um das Buchsenelement 95 herum gebildet ist (welcher z. B. mit der Niederdruckseite (Leckage) verbunden ist, z. B. mit einem Undichtigkeitsleckagesystem (nicht dargestellt))). Weiterhin ist dem Buchsenelement 95 via die elastischen Ringdichtungen 101a, b ein großzügiges Axialspiel im Einbauraum bzw. der Einhäusung 53 zugestanden, so dass sich das Buchsenelement 95 insbesondere im drucklosen Zustand mühelos an der Position des Kolbenelements 57 ausrichten kann, mithin einen Versatzfehler zwischen der Aufnahme 33 und der Einhäusung 53 (im Hinblick auf deren axiale Achsen) ausgleichen kann.
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Bei dem Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 nach 4 ist das Gas-Düsenventilglied 31 auch aktiv anhebbar, das heißt aktiv offensteuerbar (im Rahmen eines Öffnungshubs). Eine Druckstufe an dem Düsenventilglied 31 ist somit nicht erforderlich, so dass der Ventilsitz 37, mithin der Durchströmquerschnitt vor der Gas-Düsenanordnung 39, aufgrund der Entbehrlichkeit einer Verjüngung des Gas-Düsenventilglieds 31 größtmöglich gewählt werden kann, i. e. D1 = D2.
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5 veranschaulicht eine Ausführungsform des Dual-Fuel-Kraftstoffinjektors 1 analog zu 4, wobei die Strömungswege 75, 81 an dem ersten 65 und zweiten 67 Wirkraum jedoch sämtlich im Zwischenelement 23 gebildet sind, so dass eine Bearbeitung des Düsenkörpers 9 nicht erforderlich ist. Ein Abschnitt des Strömungswegs 75 ist hierbei mittels des das Buchsenelement 95 umgebenden Zwischenraumes 76 gebildet (welcher bei dieser Ausgestaltung insoweit selektiv mit der Niederdruckseite verbindbar ist), von welchem ausgehend wenigstens ein Anstich 75a (einen weiteren Abschnitt des Strömungswegs 75 bildend) abzweigt, welcher in den ersten Wirkraum 65 mündet. Bevorzugt werden hierbei Stützringe 103a, b vorgesehen, insbesondere um einem Verkippen bzw. Verkanten des Buchsenelements 95 im Zuge der Hydrauliksteuerung aufgrund einer Unsymmetrie der Leitungswege sowie einem Einfallen des Dichtrings 101b bei plötzlicher Druckbeaufschlagung des Zwischenraums 76 vorzubeugen.
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Obwohl der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Gas-Düsenventilglied 31 samt der erfindungsgemäßen Einbauumgebung dargestellt ist, können im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch eine Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern 31 am Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 vorgesehen sein, welche zum Beispiel in einer Ringanordnung um das Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3 herum angeordnet sind (in der Art einer Trommelmagazinierung). Insoweit können die obigen Ausführungen jeweils auch für einen Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor 1 mit einer Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern 31 gelten.
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Mit der Erfindung wird es vorteilhaft möglich, eine Mehrzahl von Gas-Düsenventilgliedern 31 und ein Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied 3 räumlich näher zusammenzulegen, insbesondere wenn Schließfedern 61 aufgrund eines größeren Sitzdurchmessers größer ausfallen. Weiterhin vorteilhaft müssen die Bohrungen für die Steuerfluidversorgung der Gas-Düsenventilglieder 31 nicht notwendigerweise im ohnehin beengten Düsenkörper 9 angeordnet werden. Weiterhin vorteilhaft brauchen Kolbenelement 57 und Zwischenelement 23 nunmehr nicht mehr mit der bisher notwendigen, kostenintensiven Präzision gefertigt werden und brauchen zu den Gas-Düsenventilgliedern 31 ferner nicht länger gepaart werden. Weiterhin vorteilhaft können der Druckmesser bzw. die Wirkflächen des Kolbenelements 57 zum Zwecke verschiedener Abstimmungen bezüglich Einspritzdruck und Gas-Düsenventilglied-Geschwindigkeit weitgehend frei gestaltet werden, insbesondere ohne dabei die Gas-Düsenventilglieder 31 oder den Düsenkörper 9 verändern zu müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor
- 3
- Flüssigkraftstoff-Düsenventilglied
- 5
- (Aufnahme-)Bohrung
- 7
- Injektorgehäuse
- 9
- Düsenkörper
- 11
- Schließfeder
- 13
- Ende
- 15
- Sitz
- 17
- Flüssigkraftstoff-Düsenanordnung
- 19
- Hochdruckkanal
- 21
- Führungshülse
- 23
- Zwischenelement
- 25
- Steuerraum
- 27
- Zulauf-Strömungsweg
- 29
- Ablauf-Strömungsweg
- 31
- Gas-Düsenventilglied
- 33
- Aufnahme
- 35
- düsennahes Ende
- 37
- Ventilsitz
- 39
- Gas-Düsenanordnung
- 41
- Gas-Hochdruckkanal
- 43
- Gas-Düsenraum
- 45
- Führungsspalt
- 47
- (düsenferner) Endabschnitt
- 49
- düsenfernes Ende
- 51
- Kolbensteuervorrichtung
- 53
- Einhäusung
- 55
- Stufenbohrung
- 55a, b
- Abschnitt
- 57
- Kolbenelement
- 59
- Kolbenring
- 61
- Schließfeder
- 63
- Sackloch
- 65
- erster Wirkraum (düsennäher)
- 67
- zweiter Wirkraum (düsenferner)
- 69
- Ringschulter
- 71
- Vertiefung
- 73
- (Kolben-)Ring
- 75
- Strömungsweg
- 76
- Ringraum
- 77
- Ringkanal
- 79
- Stichleitungen
- 81
- Strömungsweg
- 83
- Druckstufe
- 85
- Drossel
- 87
- Durchgangsöffnung
- 89
- Mitnehmerelement
- 91
- Federelement
- 93
- Mutter
- 95
- Buchsenelement
- 97
- Durchgangsöffnung
- 99a, b
- Ringüberstand
- 101a, b
- Ringdichtung
- 103a, b
- Stützring
- A
- Schließrichtung
- B
- Öffnungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013017853 A1 [0002]