DE102014200757A1

DE102014200757A1 - Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum

Info

Publication number: DE102014200757A1
Application number: DE102014200757.7A
Authority: DE
Inventors: Joerg SCHOEFER; Olaf Ohlhafer; Felix Jaegle; Robert Giezendanner-Thoben
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-23
Also published as: US9683519B2; CN104791139B; CN104791139A; US20150204276A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ventilsitz (2), eine Ventilnadel (3) mit einem Dichtbereich (30), wobei die Ventilnadel (3) bei einem Hub am Ventilsitz (2) eine erste Querschnittsfläche freigibt, ein die Ventilnadel (3) umgebendes Bauteil (5), und einen Gassteuerbereich (4), welcher an der Ventilnadel (3) unmittelbar benachbart zum Dichtbereich (30) angeordnet ist, wobei der Gassteuerbereich (4) über eine Hublänge von einer ersten Hubposition (H1) zu einer zweiten Hubposition (H2) eine konstante Querschnittsfläche zwischen der Ventilnadel (3) und dem die Ventilnadel (3) umgebenden Bauteil (5) bereitstellt.

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 ein 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 in 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 freigegeben Ringquerschittsfläche an der Ventilnadel den kleinsten Querschnitt darstellt. Danach ergibt sich eine konstante, vom Hub H unabhängige Querschnittsfläche A_max, sobald der Ringspalt zwischen der Düsennadel 3 mit dem Radius R1 und der Außenkontur (Radius R3 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 H_max waagrecht.
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, große Volumina in kurzer Zeit eingeblasen werden. Dazu sollte ein Gasinjektor bei gegebenem Hub schnellstmöglich große Querschnitte freigeben können. Dabei 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 auch eine Mehrfacheinblasung von Kraftstoff während eines Einblaszyklus realisiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an einer Ventilnadel ein Gassteuerbereich vorgesehen ist, welcher an der Ventilnadel unmittelbar benachbart zu einem Dichtbereich angeordnet ist. Der Dichtbereich der Ventilnadel ist dabei der Bereich, welcher mit einem Ventilsitz des Gasinjektors bei geschlossenem Gasinjektor eine Abdichtung bereitstellt. Der Dichtbereich der Ventilnadel ist vorzugsweise ein kegelförmiger Bereich. Bei einem Öffnungsvorgang des Gasinjektors führt die Ventilnadel einen Hub aus, so dass am Ventilsitz eine erste Querschnittsfläche freigegeben wird. Über eine Hublänge von einer ersten Hubposition zu einer zweiten Hubposition stellt der Gassteuerbereich an der Ventilnadel dabei eine konstante erste Querschnittsfläche bereit. Die erste Querschnittsfläche wird dabei senkrecht zu einer Axialrichtung des Gasinjektors zwischen einer Ventilnadel und einem die Ventilnadel umgebenden Bauteil, insbesondere einem Gehäuse des Gasinjektors, bestimmt. Somit kann durch eine Wahl einer Geometrie am Gassteuerbereich, welcher unmittelbar benachbart zum Dichtbereich der Ventilnadel angeordnet ist, eine erste Querschnittsfläche definiert werden, durch welche der gasförmige Kraftstoff hindurchströmen muss. Dadurch können insbesondere kleine Gasmengen gesteuert werden. Die Hublänge zwischen der ersten und zweiten Hubposition ist dabei deutlich kleiner als ein Maximalhub der Ventilnadel, jedoch so gewählt, dass insbesondere Mehrfach-Einspritzungen möglich sind, wobei die Mehrfach-Einspritzungen vorzugsweise nur Hublängen aufweisen, welche im Bereich zwischen der ersten und zweiten Hubposition liegen. Somit können in einem Feinsteuerbereich Kleinstgasmengen unabhängig von einer Präzision einer Hubposition exakt dosiert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Um eine besondere einfache und kostengünstige Herstellbarkeit des Gasinjektors sicherzustellen, ist der Gassteuerbereich an der Ventilnadel vorzugsweise zylindrisch. Dadurch kann die erste Querschnittsfläche in Form eines Ringspalts auf einfache und kostengünstige Weise bereitgestellt werden.
Weiter bevorzugt weist der Gassteuerbereich an der Ventilnadel wenigstens einen, vorzugsweise mehrere abgeflachte Bereiche am Außenumfang auf. Besonders bevorzugt sind die abgeflachten Bereiche dabei einander gegenüberliegend entlang des Umfangs des Gassteuerbereichs angeordnet. Weiter bevorzugt sind insgesamt genau vier abgeflachte Bereiche vorgesehen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Gassteuerbereich an der Ventilnadel vorzugsweise mehrere in Axialrichtung verlaufende Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen weisen vorzugsweise einen eckigen Querschnitt auf.
Weiter bevorzugt weist der Gassteuerbereich an der Ventilnadel mehrere in Axialrichtung des Gasinjektors verlaufende Durchgangsöffnungen auf. Die Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise zylindrisch. Weiter bevorzugt ist auch die Anordnung der Durchgangsöffnungen symmetrisch entlang des Umfangs angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das die Ventilnadel umgebende Bauteil, mit welchem die Ventilnadel die erste Querschnittsfläche definiert, einen inneren Zylinderbereich auf.
Vorzugsweise beträgt eine Hublänge zwischen der ersten Hubposition und der zweiten Hubposition maximal ein Drittel eines Gesamthubes der Ventilnadel. Dadurch kann sichergestellt werden, dass trotz des Vorsehens des Gassteuerbereichs zu Beginn des Hubes der Ventilnadel trotzdem noch eine große maximale Gaseinblasung möglich ist.
Weiter bevorzugt weist die Ventilnadel am Gassteuerbereich einen Führungsbereich zur Führung der Ventilnadel auf. Dadurch kann der Gassteuerbereich noch eine zweite Funktion, nämlich eine Führungsfunktion für die Ventilnadel übernehmen. Die Führung erfolgt vorzugsweise mittels der zylindrischen Außenmantelfläche der Ventilnadel am Gassteuerbereich.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, umfassend einen 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:
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors nach dem Stand der Technik,
2 ein Diagramm, welches eine 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 der Erfindung 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 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie V-V von 3, und
6 bis 8 schematische Schnittansichten von alternativen Ausführungsbeispielen eines Gasinjektors.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Der in 3 schematisch dargestellte 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 unmittelbar benachbart zu einem an der Ventilnadel 3 vorgesehenen Dichtbereich 30 angeordnet ist. Der Dichtbereich 30 ist dabei kegelförmig ausgebildet und bildet zusammen mit dem Ventilsitz 2 im geschlossenen Zustand eine kreisförmige Linienabdichtung. Der Gassteuerbereich 4 umfasst einen zylindrischen Mantelbereich 41, welcher parallel zu einer Axialrichtung X-X des Gasinjektors verläuft. Der zylindrische Mantelbereich 41 hat dabei eine Höhe B in Axialrichtung, welche einem Hub zwischen einer ersten Hubposition H1 und einer zweiten Hubposition H2 entspricht.
Das Gehäuse 5 weist einen inneren Mantelbereich 51 auf, welcher ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist. Dadurch entsteht zwischen dem inneren Mantelbereich 51 des Gehäuses 5 und der zylindrischen Mantelfläche 41 am Gassteuerbereich 4 ein Ringspalt 42. Der Ringspalt 42 ist insbesondere aus 5 ersichtlich.
Bei einem Öffnungsvorgang hebt zuerst der kegelförmige Dichtbereich 30 der Ventilnadel 3 vom ringförmigen Ventilsitz 2 ab, wodurch eine kleine, vernachlässigbare Querschnittsfläche freigegeben wird. Bis zur Hubposition H1 vergrößert sich dabei die kleine Querschnittsfläche linear, was in 1 durch den Kurvenanteil zwischen dem Nullpunkt H0 und dem Hub H1 dargestellt ist. Im weiteren Hubverlauf bewegt sich die Ventilnadel 3 weiter in Richtung des Pfeils A, wobei jedoch dann die effektive Querschnittsfläche A durch den Ringspalt 42 definiert wird. Der Ringspalt 42 stellt dabei eine konstante erste Querschnittsfläche zwischen der ersten Hubposition H1 und der zweiten Hubposition H2 bereit. In 3 ist schematisch die axiale Höhe B der zylindrischen Mantelfläche 41 in Axialrichtung X-X eingezeichnet. Ferner ist schematisch die maximale Hubhöhe H_max eingezeichnet.
Sobald die Ventilnadel 3 die zweite Hubposition H2 passiert hat, wird die effektive Querschnittsfläche zur Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine wieder mit konstanter Steigung größer, bis eine dritte Hubposition H3 erreicht ist. Wie aus 4 ersichtlich ist, vergrößert sich ab der dritten Hubposition H3 der effektive Querschnitt A nicht mehr, da am geöffneten Injektoraustritt immer ein konstanter Querschnitt, definiert durch den Ventilsitz 2 sowie den dünneren Ventilnadelteil 31, mit dem Radius R1.
Durch das Vorsehen des Gassteuerbereichs 4 unmittelbar benachbart zum Dichtbereich 30 der Ventilnadel 3 kann, wie aus 3 unmittelbar ersichtlich ist, ein besonders einfacher Aufbau des Gasinjektors erreicht werden. Der Gasinjektor und insbesondere die Ventilnadel 3 können dabei besonders kostengünstig hergestellt werden. Durch das Vorsehen des Gassteuerbereichs 4 an der Ventilnadel 3 kann somit ein Feinsteuerbereich für Kleinstgasmengen bereitgestellt werden, welcher bis zu einer Hublänge H2 durch Bereitstellen eines konstanten, kleinen, effektiven Querschnitts A nur kleine Gasmengen in den Brennraum einbläst. Somit können Gasmengen auch bei kleinen Hüben, unabhängig von der Präzision der Hubposition, bis zu einer Hubposition H2 exakt dosiert werden, so dass insbesondere auch eine Mehrfacheinblasung mittels des erfindungsgemäßen Gasinjektors möglich ist. Trotzdem kann ab einer vorbestimmten Hublänge H2 eine für gasförmige Kraftstoffe notwendige große Einblasmenge bereitgestellt werden. Somit erfüllt der erfindungsgemäße Gasinjektor auch die Anforderung, möglichst schnell große Querschnitte freigeben zu können, um große Kraftstoffgasmengen in den Brennraum einblasen zu können.
Die 6 bis 8 zeigen alternative Ausgestaltungen des Gassteuerbereichs 4. Beispielsweise sind bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel vier plane Seitenflächen 44 vorgesehen, welche die Durchflussmenge im Bereich des Hubes zwischen den Hubpositionen H1 und H2 bestimmen. Jeweils zwei plane Seitenflächen 44 sind dabei einander gegenüberliegend am Umfang der Ventilnadel 3 angeordnet. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Führungsbereich der Ventilnadel.
Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von eckigen Ausnehmungen 45 am äußeren Umfang des Gassteuerbereichs 4 der Ventilnadel 3 vorgesehen. Die eckigen Ausnehmungen 45 verlaufen dabei in Axialrichtung X-X über die gesamte Länge des Gassteuerbereichs 4 und stellen die erste Querschnittsfläche bereit.
Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von zylindrischen, axialen Durchgangsöffnungen 46 am Gassteuerbereich 4 vorgesehen. Die Durchgangsöffnungen 46 stellen dabei den ersten Querschnitt bereit.
Zu den in den 6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass diese zusätzlich noch am äußeren Umfang der Ventilnadel im Gassteuerbereich 4 jeweils Führungsbereiche 6 aufweisen, an welchen die Ventilnadel 3 im Gehäuse 5 geführt sind. Hierdurch kann der Gassteuerbereich 4 neben der Definition der zweiten Querschnittsfläche auch noch eine Führungsfunktion der Ventilnadel 3 übernehmen.
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine mehrstufige Einblasung von gasförmigem Kraftstoff und insbesondere auch eine exakte Dosierung von Kleinstgasmengen für bestimmte Zustände der Brennkraftmaschine.

Claims

Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend: – einen Ventilsitz (2), – eine Ventilnadel (3) mit einem Dichtbereich (30), wobei die Ventilnadel (3) bei einem Hub am Ventilsitz (2) eine erste Querschnittsfläche freigibt, – ein die Ventilnadel (3) umgebendes Bauteil (5), und – einen Gassteuerbereich (4), welcher an der Ventilnadel (3) unmittelbar benachbart zum Dichtbereich (30) angeordnet ist, – wobei der Gassteuerbereich (4) über eine Hublänge von einer ersten Hubposition (H1) zu einer zweiten Hubposition (H2) eine konstante Querschnittsfläche zwischen der Ventilnadel (3) und dem die Ventilnadel (3) umgebenden Bauteil (5) bereitstellt.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) zylindrisch ist.
Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, abgeflachte Bereiche (44) am Außenumfang aufweist.
Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) mehrere, in Axialrichtung (X-X) verlaufende Ausnehmungen (45) aufweist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassteuerbereich (4) mehrere, in Axialrichtung (X-X) verlaufende Durchgangsöffnungen (46) umfasst.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Ventilnadel (3) umgebende Bauteil (5) einen inneren Zylinderbereich (51) aufweist und die Querschnittsfläche ein Ringspalt (42) ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge von der ersten Hubposition (H1) zur zweiten Hubposition (H2) maximal ein Drittel eines Gesamthubes (H_max) ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3) am Gassteuerbereich (4) einen Führungsbereich (6) umfasst.
Gasbetriebene Brennkraftmaschine, umfassend einen Gasinjektor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.