CN107002596A - 具有行程去节流效应的气体喷射器 - Google Patents

具有行程去节流效应的气体喷射器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体喷射器，用于将气体形式燃料尤其直接喷入到内燃机的燃烧室(9)内，包括：阀关闭元件(2)、阀体(3)和在该阀体(3)和该阀关闭元件(2)之间的密封座(4)，所述阀关闭元件用于释放或者关闭通流开口(37)，其中，在该阀关闭元件(2)最大行程的情况下，在阀体(3)和阀关闭元件(2)之间的、在流动方向上在密封座(4)之前的流动横截面(6)小于在阀关闭元件(2)和密封座(4)之间的流动横截面(7)，并且小于在流动方向上在密封座(4)之后的流动横截面(7)。

Description

具有行程去节流效应的气体喷射器
技术领域
本发明涉及一种具有行程去节流效应的气体喷射器，用于将气体形式燃料喷入到内燃机的燃烧室内、尤其直接喷入到内燃机的燃烧室内，其中，气体形式燃料的节流与阀关闭元件的最大行程脱耦。此外，本发明涉及具有气体喷射器的喷射器组件。本发明的另一个方面涉及包括气体喷射器或者这类喷射器组件的内燃机。
背景技术
最近在机动车领域除了液体燃料也更多地使用气体形式燃料，例如天然气或者氢气。在已知的直接喷入式气体喷射器的情况下，主要问题是气体喷射器的、尤其其阀体的高的热负荷。在此，由于高的热负荷，不使用例如具有有限的温度稳定性的弹性体作为密封材料。除了弹性体的好的密封特性，它在关闭过程中的优秀的减振特性也是有利的。由于取消了液体减振的降低负荷效果，后者在气体喷射器中特别重要。在向外打开的气体喷射器中另一个主要问题在于，通过由针阀行程释放的横截面来确定燃料量。该流动横截面强烈地依赖于在制造和装配气体喷射器中的制作公差和调整公差以及也依赖于变化的运行条件和出现的磨损。
这些因素造成对气体喷射器的节流作用的复杂影响和因此对喷入的气体量的复杂影响。
发明内容
与之相对地，根据本发明的、用于将气体形式燃料尤其直接喷入到内燃机的燃烧室中的、具有权利要求1的特征的直接喷入式气体喷射器具有下述优点，喷入的气体量在高的使用寿命期间也能够保持恒定。这根据本发明由此实现，将构造成节流部位的、确定流量的横截面置入气体喷射器的内部。更准确地说，确定流量的横截面在气阀完全打开的情况下在该气体喷射器的通流方向上布置在密封座之前。由此，处于气体喷射器内部的节流部位确定气体形式燃料的流量并且与公差、温度影响、磨损等等无关。因为所述节流部位位于气体喷射器内部，因而确定所述确定流量的横截面的构件也仅仅少量地负荷高温，从而仅仅出现温度引起的最小几何形状变化。由此，在运行中有可能出现的阀关闭元件的行程过调也对要喷入的气体量不产生影响。此外，在所有运行条件下，气体喷射器的极不同的构件中的长的并且因此难以掌握的公差链也失去了其对气体喷射器完全打开的情况下的喷入气体量的负面影响。因为阀关闭元件和阀体能够被非常精确地制作，流动横截面能够被准确地构造。在确定流量的节流部处于密封座上的情况下，整个公差链(多个几何形状公差、行程调整公差、温度膨胀引起的行程变化)对喷入的燃料量发生影响，相反，根据本发明仅仅尤其阀体的和阀关闭元件的直径制造公差起作用。此外，通过将确定流量的节流部位从密封座移动到气体喷射器的内室，所述节流部位不由于止挡或者导向而承受机械负荷，并且因此所述节流部位不受到磨损。由此在使用寿命上不产生体积流变化。此外，热膨胀和由于热膨胀导致的行程变化对体积流量不产生影响或者仅仅产生小的影响。在节流部位之前和之后的阀体的和阀关闭元件的细节的几何形状能够针对在最窄横截面中的气体超声速流动而流动优化地设计。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
为了提供尽可能成本有利的并且借助简单的制造方法制造的节流部位，阀关闭元件优选地具有外柱形区域，所述外柱形区域在气体喷射器的内部限定确定流量的流动横截面。
此外优选地，阀体具有内柱形区域，所述内柱形区域同样在气体喷射器的内部限定确定流量的流动横截面。
替代地，气体喷射器在内部具有多个钻孔或者留空，所述钻孔或者留空通过流动横截面限制流量。此外替代地，设置四角几何形状或者具有椭圆外轮廓的几何形状或者任意的几何形状组合可能性。
根据本发明的另一种优选的构型，在阀体和阀关闭元件之间的流动横截面相对于所述气体喷射器的中轴线是不对称的。通过不对称性，尤其气体形式燃料的流动会先就造成预定的旋流或者类似现象，从而在喷入过程中得到优点。
根据本发明的气体喷射器特别优选地是向外打开的气体喷射器。因此，根据本发明第一次能够使向外打开的气体喷射器的组合与在最大行程中的气体形式燃料的节流的脱耦合并。
此外优选地，气体喷射器是直接喷入式气体喷射器，所述气体喷射器将气体形式燃料直接喷入到内燃机的燃烧室内。
为了显著地降低在气体喷射器的燃烧室侧的区域上的温度，优选地在阀体上设置热保护装置。因此，显著地降低了气体喷射器的其它构件的、尤其密封座的和阀关闭元件的热负荷。此外，通过所述热保护装置避免了，在气体喷射器的过热区域上发生不期望的炽热点火。由此也得到了下述可能性：尤其在向外打开的气体喷射器中，用软的材料、例如用弹性体制造密封座。由于这样的材料在弹性变形力小的情况下的高的弹性柔韧性，在几何形状不完美的情况下也能够在使用寿命上实现气体喷射器的气体密封性。
根据本发明的一种优选的构型，热保护装置具有带有第一导热系数的导热罩，该第一导热系数大于阀体的导热系数。因此，使引入到气体喷射器的燃烧侧区域中的热有效地导入到例如气缸盖中。特别优选地，导热罩由金属、尤其铝制造。由此实现轻便的结构。此外，优选地能够通过焊接或者楔紧连接使导热罩固定在阀体上。由于导热罩的存在以及其形状，还能够顾客个性化地适配流动导向和气体混合。
替代地或者附加地，热保护装置具有带有第二导热系数的第一热保护层，该第二导热系数小于所述阀体的导热系数和/或小于所述导热罩的第一导热系数。这用于，降低或者消除从燃烧室到阀体和/或导热罩的热传递。当热还是被传递时，所述热能够被导热罩导出。因此降低阀体的热负荷。
特别优选地，第一热保护层由陶瓷制造。
有利地，第一热保护层布置在所述导热罩上。第一热保护层尤其能够布置在指向燃烧室的端面上。替代地或者附加地，通流开口的内侧也能够沿着流动导向部设有第一热保护层。
此外优选地，所述导热罩具有板状区域，或者具有板状基础区域和布置在该板状基础区域上的壁区域。因此，能够例如使导热罩与不同的阀体形状相匹配。此外，根据应用来匹配导热路径。
为了确保导热罩在气缸盖上好的热附接，导热罩在接触面上优选地具有表面结构化，其中，所述接触面设置用于在导热罩和气缸盖之间的接触并且布置在该导热罩上。
尤其优选地，所述表面结构化包括滚花。由此也降低用于将气体喷射器安装到气缸盖中的接合力。
此外优选地，所述导热罩包括导热膏，该导热膏施加在导热罩的表面上。该导热膏尤其施加到导热罩的滚花的凹处。由此加强在导热罩和气缸盖之间的热传递。
通过导热罩和气缸盖之间的间隙减少和/或金属接触，能够以有利的方式实现导热罩到气缸盖上的热附接。
此外，能够有利的是，阀关闭元件具有带有第三导热系数的第二热保护层，该第三导热系数小于阀体的导热系数和/或小于导热罩的第一导热系数。因此，能够消除或者减少到气体喷射器的燃烧侧室内、尤其到阀关闭元件内的热输入。
特别优选地，第一保护层和第二热保护层由同样的材料构造。因此，在气体喷射器的燃烧侧端部上实现均匀的热保护层。由此也得到成本有利的制造方法。
此外有利的是，密封座以与阀体的止挡区域隔开预定的间距的方式布置在阀体上。因此，将阀体的高机械负荷的止挡区域在几何上与密封部位分离。由此，在止挡区域中允许小的磨损，而气体喷射器不由于泄漏而失效。所述止挡区域的材料优选地被硬化和/或被涂层，以便经受住高的机械负荷。
此外，本发明涉及一种喷射器组件，所述喷射器组件包括用于将气体形式燃料喷入到燃烧室内的气体喷射器和具有气缸盖开口的气缸盖，该气体喷射器布置在该气缸盖中，其中，该气体喷射器的指向该燃烧室的端部以与该气缸盖开口的燃烧室侧端部在气体喷射器的轴向方向上隔开预定间距的方式来布置。尤其所述间距小于5mm。所述间距可以直到气缸盖开口的直径的三倍。通过将气体喷射器向与喷入方向相反的方向上偏移而产生死点容积，在该死点容积中流动速度是小的。因此，使热的燃烧气体到阀体和密封座上的热传递最小化。在死点容积内优选地也发生燃烧，从而不聚集未燃烧的燃料部分，所述燃料部分在废气中会导致过高的碳氢化合物排放。
特别优选地，喷射器组件具有如上面说明的根据本发明的气体喷射器。
本发明的另一个方面涉及内燃机，所述内燃机包括燃烧室以及根据本发明的直接喷入式气体喷射器或者根据本发明的喷射器组件。由此，关于根据本发明的气体喷射器和根据本发明的喷射器组件所列举的优点相结合。
附图说明
下面参照附图详细地说明本发明的实施例，其中，同样的或者功能一样的部件分别用同样的附图标记来标示。在附图中：
图1具有根据本发明的第一实施例的在关闭状态下的气体喷射器的喷射器组件的示意性的、强烈简化的剖视图，
图2图1的根据本发明的喷射器组件的示意性的、强烈简化的剖视图，其中，根据本发明的气体喷射器处于打开的状态，和
图3具有根据本发明的第二实施例的在关闭状态下的气体喷射器的喷射器组件的示意性的、强烈简化的剖视图。
具体实施方式
下面参照图1和2详细地说明根据本发明的第一实施例的喷射器组件8。
喷射器组件8包括用于将气体形式燃料喷入到燃烧室9内的气体喷射器1和未示出的内燃机的具有气缸盖开口50的气缸盖5。气体喷射器1布置在气缸盖开口50中，其中，气体喷射器1的指向燃烧室9的端部10与气缸盖开口50的燃烧室侧端部51以预定的第一间距100布置。
此外，气体喷射器1包括阀关闭元件2、具有通流开口37的阀体3和密封座4，所述阀关闭元件2关闭或者打开所述通流开口，所述密封座布置在阀体3和阀关闭元件2之间。在图1中气体喷射器1处于关闭状态，其中，通流开口37通过阀关闭元件2关闭。在图2中示出了在完全打开状态中的、也就是在关闭元件2处于最大行程中的气体喷射器1。
此外，阀体3在阀体3的燃烧室侧端部30上具有热保护装置31。
热保护装置31尤其包括带有第一导热系数的导热罩32。此外，热保护装置31具有带有第二导热系数的第一热保护层33。此外，导热罩32包括板状区域34，所述板状区域通过焊接部38固定在阀体3上。
此外，阀关闭元件2设置有第二热保护层20，该第二热保护层具有第三导热系数。
导热罩32的第一导热系数大于阀体3的导热系数。此外，第一热保护层33的第二导热系数小于阀体3的导热系数并且小于导热罩32的第一导热系数。有利地，阀关闭元件2的第二热保护层20的第三导热系数等于所述第二导热系数。
因此，首先，由于第一热保护层33的和第二热保护层20的与阀体3相比较而言差的导热特性，阻止了在燃烧室中产生的热量传递到阀体3上。其次如果尽管有这些保护措施，部分热量还是通过第一热保护层33和第二热保护层20被传导，则所述热量通过导热罩32传导到气缸盖5。由此能够确保，阀体3和密封座4没有热负荷。
导热罩32在接触面36上具有未示出的表面结构化，其中，接触面36设置用于在导热罩32和气缸盖5之间的接触并且布置在导热罩32上。所述表面结构化尤其构造成滚花。所述滚花的未示出的凹处设有导热膏，从而提高在导热罩32和气缸盖5之间的热传递。
此外，密封座4以与阀体3的止挡区域11在气体喷射器1的轴向方向X-X上隔开预定的第二间距200的方式布置在阀体3上。由此实现在密封座4与阀体3的止挡区域11之间的结构分离。
在图2中示出在打开状态下的气体喷射器1，其中，通流开口37被阀关闭元件2完全释放。该状态相应于阀关闭元件2的最大行程。在此，根据本发明，在阀体3和阀关闭元件2之间的流动横截面6小于在阀关闭元件2和密封座4之间的流动横截面7。因此，通过流动横截面6而不是流动横截面7来确定喷入的燃料量。由于这种措施使得确定流量的横截面向气体喷射器1内部偏移。
如从图1和2可见的那样，处于所述气体喷射器内部的流动横截面6通过阀关闭元件2的柱形外轮廓和阀体3的柱形内轮廓来限定。阀关闭元件2的轮廓和阀体3的轮廓在此能够以小的公差通过简单的制造方法、尤其是切削制造方法产生。由此，能够使在现有技术中出现的对于喷入的燃料量来说的与强烈的温度变化、磨损和公差链的相关性最小化。在所述气体喷射器内部的流动横截面6在此也丝毫不受到磨损，例如在现有技术中的密封座，所述密封座通常确定流量。
另一个优点在于，在所述气体喷射器内部在流动横截面6中所述流动能够达到声速，由此在所述阀关闭元件行程进一步加大的情况下也确定稳定的流量。因此，非常精确地限定产生具有声速的将喷入气流的最小流动横截面。
在设计所述气体喷射器时这样大地选择最大行程，使得在该气体喷射器最大地打开的情况下，在该气体喷射器内部的、即在穿过该气体喷射器的流动方向上处于密封座4之前的流动横截面6小于处于密封座4之后的流动横截面7。在此，在该设计中除了公差链也能够考虑阀关闭元件2的可能出现的振动。也能够考虑基于不同的材料而由温度引起的长度变化。磨损对于通过流动横截面6限定的稳定流量也不起作用。因此，根据本发明的气体喷射器在其整个使用寿命上确保高的、均匀的流量。
通过根据本发明的气体喷射器1得到大量优点。尤其通过阀体3的热保护装置31以及阀关闭元件2的第二热保护层20能够降低主要在气体喷射器1的燃烧侧区域内的温度。因此，能够避免阀体3的和密封座4的热负荷。气体喷射器1在气缸盖开口50中的缩回也有利于减少阀体3的和密封座4的热负荷。这与密封座4的缩回一起造成：能够由软的材料构造密封座4。这是特别有利的，因为软的材料具有非常好的密封特性和减振特性。在根据本发明的气体喷射器1和根据本发明的喷射器组件中还实现了始终的功能分离。由此，通过气体喷射器1的不同的构件提供例如密封、静态流量的确定、机械负荷的接收、喷雾或者混合气体的形成以及热负荷的接收和导出。这产生了气体喷射器1的成本有利的结构和可靠的运行方式。
在图3中的第二实施例的气体喷射器1原理上与第一实施例的气体喷射器1区别在于，导热罩32具有板状基础区域34和布置在所述板状基础区域34上的壁区域35。由此，导热罩32和气缸盖5之间的接触面36更大地构造，从而提高到气缸盖的热传递。此外，导热罩32通过楔紧连接39固定在阀体3上。此外，在阀完全打开的情况下在阀关闭元件2和阀体3之间的内部流动横截面也小于在气体喷射器完全打开的情况下在通流方向上处于密封座之后的流动横截面7。
要注意的是，以上的实施方式仅仅用于解释说明，而不用于限制本发明。在本发明的框架内在没有脱离本发明以及其等效形式的情况下，不同的改变和修改是可行的。

Claims (15)

1.气体喷射器，用于将气体形式燃料喷入到内燃机的燃烧室(9)内、尤其直接喷入到内燃机的燃烧室内，包括：
-阀关闭元件(2)，用于释放或者关闭通流开口(37)，
-阀体(3)，和
-在所述阀体(3)和所述阀关闭元件(2)之间的密封座(4)，
-其中，在所述阀关闭元件(2)处于最大行程时，在所述阀体(3)和所述阀关闭元件(2)之间的、在流动方向上在所述密封座(4)之前的流动横截面(6)小于在所述阀关闭元件(2)和所述密封座(4)之间的流动横截面(7)并且小于在流动方向上在所述密封座(4)之后的流动横截面(7)。
2.根据权利要求1所述的气体喷射器，其特征在于，所述阀关闭元件(2)具有外柱形区域(102)，所述外柱形区域限定了限制流量的流动横截面(6)。
3.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，所述阀体(3)具有内柱形区域(103)，所述内柱形区域限定了限制流量的流动横截面(6)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，限制流量的流动横截面通过在流动方向上在所述密封座(4)之前的多个钻孔或者留空来限定，或者限制流量的流动横截面(6)通过四角几何形状来限定，或者限制流量的流动横截面通过椭圆的外轮廓和/或椭圆的内轮廓来限定。
5.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，在流动方向上在所述密封座(4)之前处于所述阀体(3)和所述阀关闭元件(2)之间的流动横截面(6)关于所述气体喷射器的中轴线(X-X)是不对称的。
6.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，所述气体喷射器是向外打开的气体喷射器。
7.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，在流动方向上在所述密封座(4)之前的所述流动横截面(6)上如此选择所述流动横截面，使得在气体喷射器打开的情况下在这个区域内至少出现声速。
8.根据以上权利要求中任一项所述的气体喷射器，其特征在于，所述阀体(3)在所述阀体(3)的燃烧室侧端部上包括热保护装置(31)。
9.根据权利要求8所述的气体喷射器，其中，所述热保护装置(31)具有带有第一导热系数的导热罩(32)，所述第一导热系数大于所述阀体(3)的导热系数。
10.根据权利要求9所述的气体喷射器，其中，所述热保护装置(31)具有带有第二导热系数的第一热保护层(33)，所述第二导热系数小于所述阀体(3)的导热系数和/或小于所述导热罩(32)的第一导热系数。
11.根据权利要求10所述的气体喷射器，其中，所述第一热保护层(33)布置在所述导热罩(32)上。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的气体喷射器，其中，所述导热罩(32)具有板状区域(34)，或者具有板状基础区域(34)和布置在所述板状基础区域(34)上的壁区域(35)。
13.喷射器组件，包括用于将气体形式燃料喷入到燃烧室(9)内的气体喷射器(1)和具有气缸盖开口(50)的气缸盖(5)，所述气体喷射器(1)布置在所述气缸盖开口中，其中，所述气体喷射器(1)的指向所述燃烧室(9)的端部(10)以在轴向方向(X-X)上与所述气缸盖开口(50)的燃烧室侧端部(51)隔开预定间距(100)的方式来布置。
14.根据权利要求13所述的喷射器组件，包括根据权利要求1至12中任一项所述的气体喷射器(1)。
15.内燃机，包括燃烧室(9)以及根据权利要求1至13中任一项所述的气体喷射器(1)或者根据权利要求13或14所述的喷射器组件(8)。
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