DE102014200756A1 - Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum - Google Patents

Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ventilsitz (2), eine Ventilnadel (3), welche bei einem Hub (H) am Ventilsitz (2) eine erste Querschnittsfläche freigibt, und einen Gassteuerbereich (4), welcher an der Ventilnadel (3) angeordnet ist und welcher mit einem die Ventilnadel (3) umgebenden Bauteil (5) eine zweite Querschnittsfläche definiert, wobei bei einem Hub eine Änderung der ersten Querschnittsfläche am Ventilsitz (2) unterschiedlich zu einer Änderung der zweiten Querschnittsfläche am Gassteuerbereich (4) ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gas-Direkt-Injektor zum direkten Einblasen von gasförmigem Kraftstoff, z.B. Erdgas, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
  • Neben den häufig verwendeten flüssigen Kraftstoffen werden in jüngster Zeit zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Für diese gasförmigen Kraftstoffe sind jedoch die bekannten Injektoren für flüssige Kraftstoffe nur bedingt geeignet, da gasförmige Kraftstoffe andere Energiedichten und Volumina als flüssige Kraftstoffe aufweisen. Damit derart betriebene Brennkraftmaschinen keinen übermäßigen Verbrauch aufweisen, müssen möglichst exakte Gasmengen pro Einblasvorgang eingeblasen werden. Hierbei werden in Zukunft zur Kraftstoffeinsparung ebenfalls pro Verbrennungszyklus einer oder mehrere Einblasvorgänge gefordert sein. Ferner muss neben der Anforderung, eine bestimmte Maximalmenge innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer einblasen zu können, auch die Möglichkeit gegeben sein, definierte Kleinstgasmengen genau zu dosieren. Zwischen verschiedenen Einblasvorgängen muss dabei der Gasinjektor auch gegenüber dem Brennraum abdichten. 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines bekannten Gasinjektors, bei dem eine nach außen öffnende Ventilnadel 3 auf einem Ventilsitz 2 an einem Gehäuse 5 sitzt. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Injektors. 2 zeigt schematisch ein Diagramm eines Verlaufs des effektiven Gesamtöffnungsquerschnitts A über dem Hub H. Hierbei ergibt sich ein linearer Verlauf sowohl für kleine Hübe als auch für große Hübe H, solange die freigegebene Ringquerschnittsfläche an der Ventilnadel den kleinsten Querschnitt darstellt. Danach ergibt sich eine konstante, vom Hub H unabhängige Querschnittsfläche Amax, sobald der Ringspalt zwischen der Düsennadel 3 mit dem Radius R2 und der Außenkontur (Radius R1) am Ventilsitz 2 der Gaszuführung des Injektors den kleinsten Querschnitt darstellt. Deshalb ist die Kurve im Diagramm von 2 im Endbereich bis zum maximalen Hub Hmax waagerecht.
  • Bei der Auslegung von Gasinjektoren besteht ein Zielkonflikt zwischen einer Dosierung von Kleinstmengen und einer maximal geforderten Menge pro Einblaszyklus. Aufgrund der relativ geringen Dichte von gasförmigen Kraftstoffen müssen bei Bauraumanforderungen, welche mit einem Injektor für flüssige Kraftstoffe vergleichbar sind, hohe Volumina in kurzer Zeit eingeblasen werden. Dazu sollte ein Gasinjektor bei gegebenem Hub schnellstmöglich große Querschnitte freigeben können. Daher weist das in den 1 und 2 dargestellte Konzept des Gasinjektors einen möglichst steilen Querschnittsverlauf über dem Hub auf. Dies macht jedoch das Dosieren von Kleinstmengen schwierig und insbesondere eine Mehrfacheinblasung kann nicht realisiert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch eine Dosierung von Kleinstgasmengen problemlos möglich ist. Insbesondere kann dadurch eine Mehrfacheinblasung von Kraftstoff während eines Einblaszyklus' realisiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an einer Ventilnadel ein Gassteuerbereich ausgebildet ist, welcher mit einem die Ventilnadel umgebenden Bauteil eine zweite Querschnittsfläche definiert. Eine Änderung der zweiten Querschnittsfläche ist bei einem Hub dabei unterschiedlich zu einer Änderung einer ersten Querschnittsfläche an einem Ventilsitz während des Öffnungsvorgangs der Ventilnadel. Somit kann durch eine Wahl einer Geometrie eine zweite Querschnittsfläche definiert werden, durch welche der gasförmige Kraftstoff hindurchströmen muss, bis er zum eigentlichen Ventilsitz gelangt. Die zweite Querschnittsfläche verändert sich dabei über den Hub der Ventilnadel und stellt eine weitere Steuerkurve für die einzublasende Gasmenge bereit.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorzugsweise ist die zweite Querschnittsfläche am Gassteuerbereich zu Beginn eines Hubes der Ventilnadel bis zu einer vorbestimmten Hublänge konstant. Dadurch kann auf einfache Weise bei kleinen Hüben eine kleine Gasmenge eingeblasen werden, da die erste Querschnittsfläche an der Ventilnadel sich beim Beginn des Hubes kontinuierlich vergrößert.
  • Weiter bevorzugt weist der Gassteuerbereich eine Steuerkante auf, welche ringförmig ist. Dadurch kann eine besonders einfache Steuerung der Gasmenge geometrisch realisiert werden. Besonders bevorzugt weist die ringförmige Steuerkante einen größeren Durchmesser auf als ein Durchmesser des Ventilsitzes.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Gassteuerbereich eine Steuerkante auf, welche sternförmig oder blütenförmig mit einer Vielzahl von Zacken oder Wellen (Blütenblättern) ausgebildet sind. Hierdurch kann insbesondere eine lange Steuerkante realisiert werden, ohne die Querschnittsfläche oder den Radius des Gehäuses im entsprechenden Maß zu vergrößern. Die geometrische Ausgestaltung der Steuerkante mit sternförmigen Zacken ermöglicht dabei auch eine relativ einfache Anpassung an verschiedene Anforderungen von Injektoren, indem beispielsweise einzelne Zacken oder Zackenbereiche entfernt werden, wodurch sich die Querschnittsbedingungen am Gassteuerbereich schnell ändern lassen.
  • Weiter bevorzugt weist der Gassteuerbereich Durchgangsausnehmungen auf oder der Gassteuerbereich weist an seinem äußeren Umfang Ausnehmungen auf, z.B. entfernte Zacken, Ausbuchtungen oder dergleichen. Auch durch diese Maßnahme kann auf relativ einfache Weise eine individuelle Anpassung der zweiten Querschnittsfläche am Gassteuerbereich erreicht werden.
  • Besonders bevorzugt ist das die Ventilnadel umgebende Bauteil ein Gehäuse des Gasinjektors. Dadurch kann ein besonders kompakter und schlanker Aufbau realisiert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ein zusätzliches Dichtelement, welches am Gassteuerbereich angeordnet ist. Das Dichtelement kann dabei an der Steuerkante der Ventilnadel angeordnet sein oder an dem die Ventilnadel umgebenden Bauteil angeordnet sein. Durch die Verwendung des zusätzlichen Dichtelements kann am Gassteuerbereich ein Vorventil realisiert werden, so dass eine zusätzliche sicherere Abdichtung des Gasventils möglich ist. Da der eigentliche Ventilsitz, an welchem die Ventilnadel abdichtet bzw. die erste Querschnittsfläche freigibt, den relativ hohen Temperaturen am Brennraum ausgesetzt ist, ermöglicht die Verwendung des Dichtelements am Gassteuerbereich, dass hier beispielsweise auch Werkstoffe eingesetzt werden können, welche den hohen Temperaturen am Brennraum nicht standhalten würden. Besonders bevorzugt ist das Dichtelement ein Elastomer.
  • Vorzugsweise liegt ein eine Querschnittsfläche zum Gasausblasen am Ventilsitz des Gasventils in einem Bereich von 2 mm2 bis 6 mm2. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einem Ventilhub ausreichend große Gasmengen über die erste Querschnittsfläche in den Brennraum gelangen können. Weiter bevorzugt liegt ein Durchmesser der ringförmigen Steuerkante in einem Bereich von 7 mm2 bis 20 mm2.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein austretender Gasmassenstrom in einem Bereich von 5 bis 15 g/s.
  • Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor als Aktor einen Piezoaktor oder alternativ einen Magnetaktor. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung auch die Verwendung von Magnetaktoren, wobei trotz Verwendung von Magnetaktoren sehr kleine Hübe und damit sehr kleine Einspritzmengen realisierbar sind.
  • Die Ventilnadel ist besonders bevorzugt eine nach außen öffnende Ventilnadel. Der Gasinjektor wird besonders bevorzugt zum direkten Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum von Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen verwendet. Alternativ kann der Gasinjektor auch bei stationären Gasmotoren eingesetzt werden.
  • Weiterhin ist der erfindungsgemäße Gasinjektor relativ einfach und robust aufgebaut, so dass insbesondere auch hohe Gasdrücke, welche deutlich höher als beispielsweise Drücke bei flüssigen Kraftstoffeinspritzanlagen liegen, keine Beschädigungen am Injektor verursachen.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist/sind:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Diagramm, welches die sich öffnende effektive Querschnittsfläche A am Ventilsitz bei einem Hub H einer Ventilnadel des Gasinjektors nach dem Stand der Technik darstellt,
  • 3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im geschlossenen Zustand,
  • 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms, welches die effektive Öffnungsfläche A über einem Hub H der Ventilnadel beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
  • 5 und 6 verschiedene Offenstellungen des Gasinjektors von 3,
  • 7 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VII-VII von 3,
  • 8 bis 10 schematische Schnittansichten von alternativen Ausführungsbeispielen eines Gasinjektors,
  • 11 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 12 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie XII-XII von 11,
  • 13 und 14 schematische Schnittansichten von alternativen Ausführungsbeispielen, und
  • 15 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
  • Der schematisch gezeigt Gasinjektor 1 umfasst eine Ventilnadel 3, welche an einem an einem Gehäuse 5 gebildeten Ventilsitz 2 abdichtet. Der Ventilsitz 2 weist dabei einen Radius R3 auf.
  • Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen inneren Gassteuerbereich 4, welcher eine Steuerkante 40, die radial nach außen von einem Grundkörper der Ventilnadel 3 vorsteht, umfasst. Der innere Gassteuerbereich 4 weist eine zylindrische Mantelfläche 41 auf, welche parallel zu einer inneren Mantelfläche 51 des Gehäuses 5 ist. Dadurch wird zwischen dem Gehäuse 5 und dem inneren Gassteuerbereich 4 ein Ringspalt 42 bereitgestellt. Die Steuerkante 40 weist einen Radius R4 auf. Der Ringspalt 42 ist insbesondere aus 7 ersichtlich.
  • Wenn nun ein nicht dargestellter Aktor die Ventilnadel 3 in Richtung des Pfeils A bewegt, hebt die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 2 ab. Wie aus 4 ersichtlich ist, wird dabei über eine sehr kleine Hublänge H1 eine am Ventilsitz 2 sich mit konstanter Steigung vergrößernde erste Querschnittsfläche freigegeben. Diese Querschnittsfläche ist in 4 mit A1 bezeichnet und entspricht der durch den Ringspalt 42 bereitgestellten Querschnittsfläche. Diese Querschnittsfläche A1 bleibt dabei über den weiteren Hub H2, welcher der Höhe des Mantelbereichs 41 des inneren Gassteuerbereichs 4 entspricht, konstant, da sich zwar der erste Querschnittsbereich am Ventilsitz 2 mit zunehmendem Hub kontinuierlich vergrößert, jedoch der innere Gassteuerbereich 4 den konstanten Ringspaltquerschnitt beibehält.
  • Sobald die Ventilnadel die in 5 gezeigte Stellung erreicht, vergrößert sich der Querschnittsbereich am Gassteuerbereich 4 kontinuierlich. Dadurch ergibt sich im Diagramm von 4 in dem Bereich zwischen der Hublänge H2 und H3 eine ansteigende effektive Querschnittsfläche A so lange, bis die erste Querschnittsfläche am Ventilsitz gleich groß ist wie die zweite Querschnittsfläche am inneren Gassteuerbereich 4. Dieser Zustand ist in 6 dargestellt und in 4 bei der Hublänge H3 erreicht.
  • Bei einem weiteren Hub wird somit die weiter sich öffnende effektive Querschnittsfläche am Ventilsitz nicht mehr durch den inneren Gassteuerbereich 4 begrenzt, sondern nur noch durch die Geometrie am Ventilsitz 2. Dadurch entspricht die in 4 gezeigte Kurve ab der Hublänge H3 der in 2 gezeigten Kurve mit konstanter Steigung des Standes der Technik, so dass auch große Gasmengen eingeblasen werden können.
  • Der Gasinjektor 1 weist in Strömungsrichtung nach dem inneren Gassteuerbereich 4 einen relativ großen Raum 6 auf, welcher insbesondere einen großen Querschnitt aufweist, so dass, wenn am inneren Gassteuerbereich 4 ein vorbestimmter Hub zurückgelegt wurde, der innere Gassteuerbereich keinen Einfluss mehr auf die Gesamtquerschnittsfläche zum Einblasen von Kraftstoff aufweist.
  • Erfindungsgemäß kann somit die zusätzliche Steuerkante 40 am inneren Gassteuerbereich 4 einen Feinsteuerbereich für Kleinstgasmengen bereitstellen, welcher bis zu einem Hub etwas über die Hublänge H2 reicht (vergleiche 4). Erfindungsgemäß wird somit durch das Vorsehen des inneren Gassteuerbereichs 4 eine Beeinflussung der effektiven Querschnittsfläche A bereitgestellt, wodurch bei kleinen Hüben auch nur kleine Gasmengen bereitgestellt werden können. Ab einer bestimmten Hublänge, welche insbesondere größer als die Hublänge H3 ist, kann trotzdem eine für gasförmige Kraftstoffe notwendige große Einblasmenge bereitgestellt werden, da dann die effektive Querschnittsfläche A nur noch von der Geometrie am Ventilsitz 2 abhängt. Somit kann der erfindungsgemäße Gasinjektor auch die Anforderung erfüllen, dass bei einem gegebenen Hub möglichst schnell große Querschnitte freigegeben werden müssen, um große Kraftstoffgasmengen einblasen zu können. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da im Vergleich mit flüssigen Kraftstoffen gasförmige Kraftstoffe bei gleichem Volumen einen geringeren Energiegehalt aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner auch das Vorsehen einer mehrstufigen und mehrmaligen Einblasung, wobei insbesondere auch Kleinstmengen exakt dosiert werden können.
  • Die 8 bis 10 zeigen alternative Ausgestaltungen des inneren Gassteuerbereichs 4, wobei beispielsweise in 8 plane Seitenflächen 44 ausgebildet sind, welche den Durchfluss im Bereich des Hubes zwischen den Hublängen H1 und H2 bestimmen. Hierbei sind genau vier plane Seitenflächen 44 vorgesehen, wobei jeweils zwei plane Seitenflächen 44 einander gegenüberliegen.
  • In 9 sind eine Vielzahl von eckigen Ausnehmungen 45 am äußeren Umfang des Gassteuerbereichs 4 der Ventilnadel 3 vorgesehen, welche in Axialrichtung X-X verlaufen.
  • In 10 sind eine Vielzahl von zylindrischen, axialen Durchgangsausnehmungen 46 im Gassteuerbereich 4 der Ventilnadel 3 gebildet.
  • Wie diese Beispiele aus den 8 bis 10 deutlich machen, kann durch verschiedene Geometriewahl am Gassteuerbereich 4 somit eine Steuerfläche relativ einfach individuell ausgestaltet werden, so dass beispielsweise für verschiedene Fahrzeughersteller, basierend auf einem Grundkonzept, auf einfache Weise verschiedene Gasinjektoren bereitstellbar sind.
  • Die 11 und 12 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel der innere Gassteuerbereich 4 unterschiedlich gebildet. Wie aus 12 ersichtlich ist, ist der innere Gassteuerbereich 4 in Form eines Sterns vorgesehen, welcher eine Vielzahl von Zacken 47 aufweist. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist der Mantelbereich des inneren Gassteuerbereichs 4 wieder parallel zu einer Innenwandung 51 des Gehäuses 5, welches eine entsprechend gebildete sternförmige Ausnehmung für den inneren Gassteuerbereich 4 aufweist.
  • Wie in den 13 und 14 gezeigt, können hier auch wieder unterschiedliche Querschnittsflächen durch Abkappen der Spitzen der Zacken 47 (13) oder durch Vorsehen von Durchgangsöffnungen 46 (14) vorgesehen werden.
  • 15 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gasinjektor 1 des dritten Ausführungsbeispiels weist zusätzlich noch ein elastomeres Dichtelement 7 auf, welches am Gehäuse 5 angeordnet ist. Am Gehäuse ist hierzu ein Absatz 52 vorgesehen. Das Dichtelement 7 bildet zusammen mit einer Dichtfläche 8 am inneren Gassteuerbereich 4 ein Vorventil. 15 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Ventils, wobei sowohl das Vorventil geschlossen ist, als auch das Hauptventil am Ventilsitz 2 geschlossen ist. Hierdurch kann zur Abdichtung des Gasinjektors 1 ein elastomeres Dichtelement 7 verwendet werden, welches ansonsten bei Gas-Direkt-Injektoren aufgrund der unmittelbaren Anordnung am Brennraum zum direkten Einblasen des Gases in den Brennraum nicht verwendet werden könnte. Ferner weist durch die Verwendung des Dichtelements 7 der Gasinjektor 1 eine zusätzliche Sicherheit hinsichtlich einer Abdichtung auf. Die Querschnittsflächenänderungen bei einem Hub an der ersten und zweiten Querschnittsfläche entsprechen dabei denen des ersten Ausführungsbeispiels.

Claims (10)

  1. Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend – einen Ventilsitz (2), – eine Ventilnadel (3), welche bei einem Hub (H) am Ventilsitz (2) eine erste Querschnittsfläche freigibt, und – einen Gassteuerbereich (4), welcher an der Ventilnadel (3) angeordnet ist und welcher mit einem die Ventilnadel (3) umgebenden Bauteil (5) eine zweite Querschnittsfläche definiert, – wobei bei einem Hub eine Änderung der ersten Querschnittsfläche am Ventilsitz (2) unterschiedlich zu einer Änderung der zweiten Querschnittsfläche am Gassteuerbereich (4) ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittsfläche am Gassteuerbereich (4) zu Beginn eines Hubes der Ventilnadel (3) bis zu einer vorbestimmten Hublänge (H2) konstant ist.
  3. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) eine Steuerkante (40) aufweist, welche ringförmig ist.
  4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkante (40) einen größeren Durchmesser aufweist als ein Durchmesser des Ventilsitzes (2).
  5. Injektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) sternförmig oder blütenförmig mit einer Vielzahl von radial nach außen gerichteten Zacken (47) ausgebildet ist.
  6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) Durchgangsausnehmungen (46) aufweist oder dass an der Steuerkante (40) des Gassteuerbereichs (4) Teilbereiche (44; 45) entfernt sind.
  7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Ventilnadel (3) umgebende Bauteil ein Gehäuse (5) des Gasinjektors ist.
  8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Dichtelement (7), insbesondere ein Elastomer, welches am Gassteuerbereich (4) der Ventilnadel (3) angeordnet ist oder am die Ventilnadel (3) umgebenden Bauteil (5) angeordnet ist, um ein Vorventil zu bilden.
  9. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Querschnittsfläche zum Gasausblasen am Ventilsitz (2) in einem Bereich von 2 mm2 bis 6 mm2. liegt und/oder ein Durchmesser der ringförmigen Steuerkante (40) in einem Bereich von 7 mm2 bis 20 mm2 liegt.
  10. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein austretender Gasmassenstrom in dem Bereich von 5 g/s bis 15 g/s liegt.
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