DE102014224356A1 - Gasinjektor mit Hubentdrosselung - Google Patents

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Michael Knorpp
Olaf Schoenrock
Sven Krissler
Friedrich Moser
Guenther Hohl
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere direkt in einen Brennraum (9) einer Brennkraftmaschine, umfassend: ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben oder Verschließen einer Durchlassöffnung (37), einen Ventilkörper (3), und einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2), wobei bei einem maximalen Hub des Ventilschließelements (2) ein Strömungsquerschnitt (6) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2) in Strömungsrichtung vor dem Dichtsitz (4) kleiner als ein Strömungsquerschnitt (7) zwischen dem Ventilschließelement (2) und dem Dichtsitz (4) ist und kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt (7) in Strömungsrichtung nach dem Dichtsitz (4).

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit Hubentdrosselung, wobei eine Drosselung des gasförmigen Kraftstoffs entkoppelt von einem maximalen Hub eines Ventilschließelements ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Injektoranordnung mit einem Gasinjektor. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche einen Gasinjektor oder eine derartige Injektoranordnung umfasst.
  • Neben flüssigen Kraftstoffen werden im Kraftfahrzeugbereich in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Bei bekannten direkteinblasenden Gasinjektoren ist ein Problemkreis die hohe thermische Belastung des Gasinjektors, insbesondere dessen Ventilkörpers. Aufgrund der hohen thermischen Belastung kann dabei beispielsweise ein Elastomer mit seiner begrenzten Temperaturbeständigkeit als Dichtungsmaterial nicht verwendet werden. Neben den guten Abdichtungseigenschaften des Elastomers sind auch seine hervorragenden Dämpfungseigenschaften während des Schließvorgangs vorteilhaft. Letzteres ist besonders wichtig bei Gasinjektoren wegen des Entfalls eines belastungsreduzierenden Effekts einer Flüssigkeitsdämpfung. Ein weiterer Problemkreis liegt bei nach außen öffnenden Gasinjektoren darin, dass eine Kraftstoffmenge durch einen von einem Nadelhub freigegebenen Querschnitt bestimmt wird. Dieser Strömungsquerschnitt ist stark abhängig von Fertigungs- und Einstelltoleranzen bei der Herstellung und Montage des Gasinjektors sowie auch von wechselnden Betriebsbedingungen und dem auftretenden Verschleiß.
  • Diese Faktoren bewirken einen komplexen Einfluss auf die Drosselwirkung des Gasinjektors und somit auf die eingeblasene Gasmenge.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße direkteinblasende Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine eingeblasene Gasmenge auch über eine hohe Betriebsdauer konstant gehalten werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein als Drosselstelle ausgebildeter, Durchfluss bestimmender Querschnitt ins Innere des Gasinjektors gelegt wird. Genauer ist der Durchfluss bestimmende Querschnitt in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors bei vollständig geöffnetem Gasventil vor einem Dichtsitz angeordnet. Dadurch bestimmt die im Inneren des Gasinjektors liegende Drosselstelle den Durchfluss des gasförmigen Kraftstoffs und ist unabhängig von Toleranzen, Temperatureinwirkungen, Verschleiß usw. Da die Drosselstelle im Inneren des Gasinjektors liegt, werden die den Durchfluss bestimmenden Querschnitt bestimmenden Bauteile auch nur in geringer Weise mit hohen Temperaturen belastet, sodass nur minimale Temperatur bedingte Geometrieänderungen auftreten. Auch haben dadurch die im Betrieb möglicherweise auftretenden Hubüberschwinger des Ventilschließelements keinen Einfluss auf die einzublasende Gasmenge. Weiterhin verlieren auch lange und damit schwer zu beherrschende Toleranzketten bei den verschiedensten Bauteilen des Gasinjektors bei allen Betriebsbedingungen ihren negativen Einfluss auf die eingeblasene Gasmenge bei vollständig geöffnetem Gasinjektor. Da das Ventilschließelement als auch der Ventilkörper sehr präzise gefertigt werden können, können die Strömungsquerschnitte genau ausgebildet werden. Im Gegensatz zu einer mengenbestimmenden Drosselung am Dichtsitz, wobei sich eine gesamte Toleranzkette (mehrere Geometrietoleranzen, Hubeinstelltoleranz, Hubänderung durch Temperaturdehnung) auf die eingeblasene Kraftstoffmenge auswirkt, spielen erfindungsgemäß nur insbesondere die Durchmesserfertigungstoleranzen des Ventilkörpers und des Ventilschließelements eine Rolle. Ferner wird durch das Verlegen der durchflussbestimmenden Drosselstelle vom Dichtsitz in einen Innenraum des Gasinjektors die Drosselstelle nicht mechanisch durch Anschläge oder Führungen belastet und somit ist sie verschleißfrei. Dadurch ergibt sich keine Volumenstromänderung über Lebensdauer. Weiterhin wirken sich thermische Dehnungen und eine durch eine Wärmedehnung verursachte Hubänderung auf den Volumenstrom nicht oder nur gering aus. Eine detaillierte Geometrie des Ventilkörpers und des Ventilschließelements vor und nach der Drosselstelle kann strömungsoptimal für eine Gas-Überschallströmung im engsten Querschnitt ausgelegt werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Um eine möglichst kostengünstige und mittels einfachen Fertigungsverfahren herzustellende Drosselstelle bereitzustellen, weist das Ventilschließelement vorzugsweise einen Außenzylinderbereich auf, welcher den Durchfluss bestimmenden Strömungsquerschnitt im Inneren des Gasinjektors definiert.
  • Weiter bevorzugt weist ein Ventilkörper einen Innenzylinderbereich auf, welcher ebenfalls den Durchfluss begrenzenden Strömungsquerschnitt im Inneren des Gasinjektors definiert.
  • Alternativ weist der Gasinjektor im Inneren mehrere Bohrungen oder Aussparungen auf, welche einen Durchfluss durch einen Strömungsquerschnitt begrenzen. Weiter alternativ sind vieleckige Geometrien oder eine Geometrie mit elliptischer Außenkontur oder beliebige geometrische Kombinationsmöglichkeiten vorgesehen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilschließelement asymmetrisch zu einer Mittelachse des Gasinjektors. Durch die Asymmetrie kann insbesondere der Strömung des gasförmigen Kraftstoffs schon ein vorbestimmter Drall oder dergleichen aufgeprägt werden, wodurch sich Vorteile beim Einblasvorgang ergeben.
  • Der erfindungsgemäße Gasinjektor ist besonders bevorzugt ein nach außen öffnender Gasinjektor. Somit lassen sich erfindungsgemäß zum ersten Mal eine Kombination eines nach außen öffnenden Gasinjektors mit einer Entkoppelung der Drosselung des gasförmigen Kraftstoffs bei einem maximalen Hub kombinieren.
  • Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor ein direkteinblasender Gasinjektor, welcher den gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbläst.
  • Um eine Temperatur am brennraumseitigen Bereich des Gasinjektors signifikant zu reduzieren, ist bevorzugt eine thermische Schutzeinrichtung am Ventilkörper vorgesehen. Somit wird eine Wärmebelastung anderer Bauteile des Gasinjektors, insbesondere des Dichtsitzes und des Ventilschließelements, signifikant reduziert. Weiterhin wird durch die thermische Schutzeinrichtung vermieden, dass an zu heißen Bereichen des Gasinjektors eine unerwünschte Glühzündung vorkommt. Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit, den Dichtsitz aus einem weichen Material, z.B. aus einem Elastomer, insbesondere bei nach außen öffnenden Gasinjektoren, herzustellen. Aufgrund der hohen elastischen Nachgiebigkeit eines solchen Materials bei geringen elastischen Verformungskräften kann eine Gasdichtheit des Gasinjektors auch bei geometrischen Imperfektionen über eine Lebensdauer ermöglicht werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die thermische Schutzeinrichtung eine Wärmeableitungskappe mit einem ersten Wärmeleitungskoeffizienten auf, welcher größer als ein Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers ist. Somit wird die in den brennseitigen Bereich des Gasinjektors eingebrachte Wärme effizient z.B. in einen Zylinderkopf abgeleitet. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitungskappe aus einem Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt. Dadurch ist ein leichter Aufbau möglich. Weiterhin kann bevorzugt die Wärmeleitungskappe durch eine Schweißverbindung oder eine Verstemmverbindung am Ventilkörper befestigt sein. Durch das Vorhandensein der Wärmeableitungskappe sowie deren Form kann ferner eine Strömungsführung und eine Gasmischung kundenindividuell angepasst werden.
  • Alternativ oder zusätzlich weist die thermische Schutzeinrichtung eine erste thermische Schutzschicht mit einem zweiten Wärmeleitungskoeffizienten auf, welcher kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers und/oder kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe ist. Dies dient dazu, den Wärmeübertrag vom Brennraum auf den Ventilkörper und/oder die Wärmeableitungskappe zu reduzieren bzw. eliminieren. Wenn Wärme doch übertragen wird, kann diese von der Wärmeleitungskappe abgeleitet werden. Somit wird eine thermische Belastung des Ventilkörpers reduziert.
  • Besonders bevorzugt ist die erste thermische Schutzschicht aus Keramik hergestellt.
  • Vorteilhafterweise ist die erste thermische Schutzschicht auf der Wärmeableitungskappe angeordnet. Insbesondere kann die erste thermische Schutzschicht an einer zum Brennraum gerichteten Stirnseite angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Innenseite der Durchlassöffnung entlang der Strömungsführung mit der ersten thermischen Schutzschicht versehen sein.
  • Weiter bevorzugt weist die Wärmeableitungskappe einen plattenförmigen Bereich, oder einen plattenförmigen Basisbereich und einen am plattenförmigen Basisbereich angeordneten Wandbereich auf. Somit kann beispielsweise die Wärmeleitungskappe an unterschiedliche Ventilkörperformen angepasst werden. Ferner wird die Wärmeleitungsstrecke je nach Anwendung angepasst.
  • Um eine gute thermische Anbindung der Wärmeableitungskappe an einen Zylinderkopf sicherzustellen, weist vorzugsweise die Wärmeableitungskappe an einer Kontaktfläche eine Oberflächenstrukturierung auf, wobei die Kontaktfläche eingerichtet für einen Kontakt zwischen der Wärmeableitungskappe und einem Zylinderkopf ist und auf der Wärmeableitungskappe angeordnet ist.
  • Besonders bevorzugt umfasst die Oberflächenstrukturierung eine Rändelung. Dadurch wird auch eine Fügekraft zum Einbauen des Gasinjektors in den Zylinderkopf reduziert.
  • Ferner bevorzugt umfasst die Wärmeableitungskappe eine Wärmeleiterpaste, welche an einer Oberfläche der Wärmeableitungskappe aufgebracht ist. Insbesondere ist die Wärmeleiterpaste in Vertiefungen der Rändelung der Wärmeableitungskappe eingebracht. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen der Wärmeableitungskappe und dem Zylinderkopf verstärkt.
  • Durch eine Reduzierung eines Spalts und/oder einen metallischen Kontakt zwischen der Wärmeableitungskappe und dem Zylinderkopf wird in vorteilhafter Weise eine thermische Anbindung der Wärmeableitungskappe an einen Zylinderkopf ermöglicht.
  • Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Ventilschließelement eine zweite thermische Schutzschicht mit einem dritten Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, welcher kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers und/oder kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe ist. Somit kann ein Wärmeeintrag in den brennseitigen Raum des Gasinjektors, insbesondere in das Ventilschließelement, eliminiert bzw. reduziert werden.
  • Besonders bevorzugt sind die erste Schutzschicht und die zweite thermische Schutzschicht aus demselben Material ausgebildet. Somit ist eine gleichmäßige thermische Schutzschicht an einem brennseitigen Ende des Gasinjektors möglich. Dadurch ergibt sich ferner ein kostengünstiges Fertigungsverfahren.
  • Außerdem ist vorteilhaft, wenn der Dichtsitz von einem Anschlagbereich des Ventilkörpers mit einem vorbestimmten Abstand am Ventilkörper angeordnet ist. Somit wird der mechanisch hochbelastete Anschlagbereich des Ventilkörpers geometrisch von der Dichtstelle getrennt. Dadurch wird ein kleiner Verschleiß beim Anschlagbereich zulässig, ohne dass der Gasinjektor durch eine Leckage versagt. Das Material des Anschlagbereichs ist vorzugsweise gehärtet und/oder beschichtet, um die hohen mechanischen Belastungen auszuhalten.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Injektoranordnung, welche einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum und einen Zylinderkopf mit einer Zylinderkopföffnung umfasst, in welcher der Gasinjektor angeordnet ist, wobei ein zum Brennraum gerichtetes Ende des Gasinjektors von einem brennraumseitigen Ende der Zylinderkopföffnung mit vorbestimmtem Abstand in Axialrichtung des Gasinjektors angeordnet ist. Insbesondere ist der Abstand kleiner als 5mm Der Abstand kann bis zum dreifachen des Durchmessers der Zylinderkopföffnung betragen Durch das Versetzen des Gasinjektors in eine der Einblasrichtung entgegengesetzte Richtung entsteht ein Totvolumen, in welchem eine Strömungsgeschwindigkeit klein ist. Somit wird der Wärmeübertrag von den heißen Verbrennungsgasen auf den Ventilkörper und den Dichtsitz minimiert. Im Totvolumen findet vorzugsweise auch eine Verbrennung statt, so dass sich keine nicht verbrannten Kraftstoffanteile sammeln, welche dann im Abgas zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen führen könnten.
  • Besonders bevorzugt weist die Injektoranordnung einen wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gasinjektor auf.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche einen Brennraum sowie einen erfindungsgemäßen direkteinblasenden Gasinjektor oder eine erfindungsgemäße Injektoranordnung umfasst. Damit sind die in Bezug auf den erfindungsgemäßen Gasinjektor und die erfindungsgemäße Injektoranordnung ausgeführten Vorteile verbunden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht einer Injektoranordnung mit einem Gasinjektor in einem geschlossenen Zustand gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht der erfindungsgemäßen Injektoranordnung der 1, wobei sich der erfindungsgemäße Gasinjektor in einem geöffneten Zustand befindet, und
  • 3 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht einer Injektoranordnung mit einem Gasinjektor in einem geschlossenen Zustand gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Injektoranordnung 8 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
  • Die Injektoranordnung 8 umfasst einen Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum 9 und einen Zylinderkopf 5 mit einer Zylinderkopföffnung 50 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine. In der Zylinderkopföffnung 50 ist der Gasinjektor 1 angeordnet, wobei ein zum Brennraum 9 gerichtetes Ende 10 des Gasinjektors 1 von einem brennraumseitigen Ende 51 der Zylinderkopföffnung 50 mit einem ersten vorbestimmten Abstand 100 angeordnet ist.
  • Weiterhin umfasst der Gasinjektor 1 ein Ventilschließelement 2, einen Ventilkörper 3 mit einer Durchlassöffnung 37, welche das Ventilschließelement 2 freigibt oder verschließt, und einen Dichtsitz 4, welcher zwischen dem Ventilkörper 3 und dem Ventilschließelement 2 angeordnet ist. In 1 befindet sich der Gasinjektor 1 in einem geschlossen Zustand, wobei die Durchlassöffnung 37 durch das Ventilschließelement 2 verschlossen ist. In 2 ist der Gasinjektor 1 in einem vollständig geöffneten Zustand, das heißt, bei einem maximalen Hub des Verschließelements 2, gezeigt.
  • Weiterhin weist der Ventilkörper 3 an einem brennraumseitigen Ende 30 des Ventilkörpers 3 eine thermische Schutzeinrichtung 31 auf.
  • Insbesondere umfasst die thermische Schutzeinrichtung 31 eine Wärmeableitungskappe 32 mit einem ersten Wärmeleitungskoeffizienten. Zusätzlich weist die thermische Schutzeinrichtung 31 eine erste thermische Schutzschicht 33 mit einem zweiten Wärmeleitungskoeffizienten auf. Des Weiteren umfasst die Wärmeableitungskappe 32 einen plattenförmigen Bereich 34, welcher am Ventilkörper 3 durch eine Schweißverbindung 38 befestigt ist.
  • Weiterhin ist das Ventilschließelement 2 mit einer zweiten thermischen Schutzschicht 20 versehen, welche einen dritten Wärmeleitungskoeffizienten aufweist.
  • Der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe 32 ist größer als ein Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers 3. Ferner ist der zweite Wärmeleitungskoeffizient der ersten thermischen Schutzschicht 33 kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers 3 und kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe 32. Vorteilhafterweise ist der dritte Wärmeleitungskoeffizient der zweiten thermischen Schutzschicht 20 des Ventilschließelements 2 gleich mit dem zweiten Wärmeleitungskoeffizienten.
  • Somit wird in erster Linie eine Übertragung der im Brennraum entstehenden Wärme aufgrund der schlechten wärmeleitenden Eigenschaften der ersten thermischen Schutzschicht 33 und der zweiten thermischen Schutzschicht 20 im Vergleich zum Ventilkörper 3 auf den Ventilkörper 3 verhindert. Wenn trotz dieser Schutzmaßnahmen ein Teil der Wärme durch die erste thermische Schutzschicht 33 und die zweite thermische Schutzschicht 20 geleitet wird, wird diese in zweiter Linie über die Wärmeableitungskappe 32 zum Zylinderkopf 5 abgeleitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Ventilkörper 3 und der Dichtsitz 4 nicht thermisch belastet werden.
  • Die Wärmeableitungskappe 32 weist an einer Kontaktfläche 36 eine nicht gezeigte Oberflächenstrukturierung auf, wobei die Kontaktfläche 36 eingerichtet für einen Kontakt zwischen der Wärmeableitungskappe 32 und einem Zylinderkopf 5 ist und auf der Wärmeableitungskappe 32 angeordnet ist. Insbesondere ist die Oberflächenstrukturierung als eine Rändelung ausgebildet. Nicht gezeigte Vertiefungen der Rändelung sind mit einer Wärmeleiterpaste versehen, wodurch die Wärmeübertragung zwischen der Wärmeableitungskappe 32 und dem Zylinderkopf 5 erhöht wird.
  • Weiterhin ist der Dichtsitz 4 von einem Anschlagbereich 11 des Ventilkörpers 3 mit einem zweiten vorbestimmten Abstand 200 in Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 am Ventilkörper 3 angeordnet. Dadurch erfolgt eine konstruktive Trennung zwischen des Dichtsitzes 4 vom Anschlagbereich 11 des Ventilkörpers 3.
  • In 2 ist der Gasinjektor 1 in einem geöffneten Zustand gezeigt, wobei die Durchlassöffnung 37 vom Ventilschließelement 2 vollständig freigegeben ist. Dieser Zustand entspricht einem maximalen Hub des Ventilschließelements 2. Hierbei ist erfindungsgemäß ein Strömungsquerschnitt 6 zwischen dem Ventilkörper 3 und dem Ventilschließelement 2 kleiner als ein Strömungsquerschnitt 7 zwischen dem Ventilschließelement 2 und dem Dichtsitz 4. Somit wird eine einblasende Kraftstoffmenge durch den Strömungsquerschnitt 6 und nicht den Strömungsquerschnitt 7 bestimmt. Durch diese Maßnahme wird ein Durchfluss bestimmender Querschnitt ins Innere des Gasinjektors 1 verlegt
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, ist der im Inneren des Gasinjektors liegende Strömungsquerschnitt 6 definiert durch eine zylindrische Außenkontur des Ventilschließelements 2 und eine zylindrische Innenkontur des Ventilkörpers 3 Die Konturen von Ventilschließelement 2 und Ventilkörper 3 können dabei mit geringen Toleranzen durch einfache Fertigungsverfahren, insbesondere spanabhebende Fertigungsverfahren, erzeugt werden Hierdurch kann die im Stand der Technik auftretende Abhängigkeit von starken Temperaturänderungen, von Verschleiß und von Toleranzketten für die eingeblasene Kraftstoffmenge minimiert werden. Der Strömungsquerschnitt 6 im Inneren des Gasinjektors ist dabei auch keinerlei Verschleiß ausgesetzt, wie bspw. der Dichtsitz im Stand der Technik, welcher üblicherweise den Durchfluss bestimmt.
  • Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass im Strömungsquerschnitt 6 im Inneren des Gasinjektors die Strömung Schallgeschwindigkeit erreichen kann und dadurch den stationären Durchfluss auch bei einem weiter vergrößerten Hub des Ventilschließelements bestimmt. Somit ist der die einzublasende Gasströmung mit Schallgeschwindigkeit erzeugende, minimale Strömungsquerschnitt sehr präzise definiert.
  • Bei einer Auslegung des Gasinjektors wird ein maximaler Hub so groß gewählt, dass ein im Inneren des Gasinjektors, d.h. in Strömungsrichtung durch den Gasinjektor vor dem Dichtsitz 4 liegender Strömungsquerschnitt 6 kleiner ist als ein nach dem Dichtsitz 4 liegender Strömungsquerschnitt 7 bei maximal geöffnetem Gasinjektor. Bei der Auslegung kann dabei neben der Toleranzkette auch ein möglicherweise auftretendes Schwingen des Ventilschließelements 2 berücksichtigt werden. Auch können temperaturbedingte Längenänderungen aufgrund von unterschiedlichen Werkstoffen berücksichtigt werden. Auch spielt ein Verschleiß für den durch den Strömungsquerschnitt 6 definierten statischen Durchfluss keine Rolle. Somit kann der erfindungsgemäße Gasinjektor über seine gesamte Lebensdauer eine hohe, gleichbleibende Durchflussmenge sicherstellen.
  • Durch den erfindungsgemäßen Gasinjektor 1 ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen. Insbesondere durch die thermische Schutzeinrichtung 31 des Ventilkörpers 3 sowie die zweite thermische Schutzschicht 20 des Ventilschließelements 2 kann eine Temperatur vor allem im brennseitigen Bereich des Gasinjektors 1 reduziert werden. Somit kann eine thermische Belastung des Ventilkörpers 3 und des Dichtsitzes 4 vermieden werden. Das Zurücksetzen des Gasinjektors 1 in der Zylinderkopföffnung 50 trägt ebenso zu der reduzierten thermischen Belastung des Ventilkörpers 3 und des Dichtsitzes 4 bei. Dies zusammen mit dem Zurücksetzen des Dichtsitzes 4 hat zur Folge, dass der Dichtsitz 4 aus einem weichen Material ausgebildet werden kann. Das ist besonders vorteilhaft, da ein weiches Material sehr gute Abdichtungseigenschaften und Dämpfungseigenschaften aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Gasinjektor 1 und der erfindungsgemäßen Injektoranordnung ist ferner eine konsequente Funktionstrennung ermöglicht. So sind z.B. das Abdichten, das Bestimmen der statischen Durchflussmenge, das Aufnehmen der mechanischen Lasten, die Spray- bzw. Gemischbildung sowie das Aufnehmen und das Ableiten der thermischen Lasten durch unterschiedliche Bauteile des Gasinjektors 1 bereitgestellt. Das bewirkt einen kostengünstigeren Aufbau und eine ausfallsichere Betriebsweise des Gasinjektors 1.
  • Der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels in 3 unterscheidet sich grundsätzlich vom Gasinjektor 1 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die Wärmeableitungskappe 32 einen plattenförmigen Basisbereich 34 und einen am plattenförmigen Basisbereich 34 angeordneten Wandbereich 35 aufweist. Somit ist die Kontaktfläche 36 zwischen der Wärmeableitungskappe 32 und dem Zylinderkopf 5 größer ausgebildet, wodurch ein Wärmeübergang zum Zylinderkopf erhöht wird. Ferner ist die Wärmeableitungskappe 32 durch eine Verstemmverbindung 39 am Ventilkörper 3 befestigt. Weiterhin ist auch der innere Strömungsquerschnitt zwischen Ventilschließelement 2 und Ventilkörper 3 bei vollständig geöffnetem Ventil kleiner als ein in durch Strömungsrichtung nach dem Dichtsitz liegender Strömungsquerschnitt 7 bei vollständig geöffnetem Gasinjektor.
  • Es sei angemerkt, dass die vorhergehenden Ausführungsformen nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung dienen. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims (15)

  1. Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere direkt in einen Brennraum (9) einer Brennkraftmaschine, umfassend: – ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben oder Verschließen einer Durchlassöffnung (37), – einen Ventilkörper (3), und – einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2), – wobei bei einem maximalen Hub des Ventilschließelements (2) ein Strömungsquerschnitt (6) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2) in Strömungsrichtung vor dem Dichtsitz (4) kleiner als ein Strömungsquerschnitt (7) zwischen dem Ventilschließelement (2) und dem Dichtsitz (4) ist und kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt (7) in Strömungsrichtung nach dem Dichtsitz (4).
  2. Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (2) einen Außenzylinderbereich (102) aufweist, welcher den Durchfluss begrenzenden Strömungsquerschnitt (6) definiert.
  3. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (3) einen Innenzylinderbereich (103) aufweist, welcher den Durchfluss begrenzenden Strömungsquerschnitt (6) definiert.
  4. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss begrenzender Strömungsquerschnitt durch mehrere Bohrungen oder Aussparungen in Strömungsrichtung vor dem Dichtsitz (4) definiert ist, oder dass ein Durchfluss begrenzender Strömungsquerschnitt (6) durch eine vieleckige Geometrie definiert ist, oder dass ein Durchfluss begrenzender Strömungsquerschnitt durch eine elliptische Außenkontur und/oder elliptische Innenkontur definiert ist.
  5. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt (6) in Strömungsrichtung vor dem Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2) asymmetrisch zu einer Mittelachse (X-X) des Gasinjektors ist.
  6. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasinjektor ein nach außen öffnender Gasinjektor ist.
  7. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Strömungsquerschnitt (6) in Strömungsrichtung vor dem Dichtsitz (4) der Strömungsquerschnitt derart gewählt ist, dass bei geöffnetem Gasinjektor mindestens Schallgeschwindigkeit in diesem Bereich auftritt.
  8. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilkörper (3) an einem brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers (3) eine thermische Schutzeinrichtung (31) umfasst.
  9. Gasinjektor nach Anspruch 8, wobei die thermische Schutzeinrichtung (31) eine Wärmeableitungskappe (32) mit einem ersten Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, welcher größer als ein Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers (3) ist.
  10. Gasinjektor nach Anspruch 9, wobei die thermische Schutzeinrichtung (31) eine erste thermische Schutzschicht (33) mit einem zweiten Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, welcher kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers (3) und/oder kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe (32) ist.
  11. Gasinjektor nach Anspruch 10, wobei die erste thermische Schutzschicht (33) auf der Wärmeableitungskappe (32) angeordnet ist.
  12. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Wärmeableitungskappe (32) einen plattenförmigen Bereich (34) aufweist, oder einen plattenförmigen Basisbereich (34) und einen am plattenförmigen Basisbereich (34) angeordneten Wandbereich (35) aufweist.
  13. Injektoranordnung, umfassend einen Gasinjektor (1) zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum (9) und einen Zylinderkopf (5) mit einer Zylinderkopföffnung (50), in welcher der Gasinjektor (1) angeordnet ist, wobei ein zum Brennraum (9) gerichtetes Ende (10) des Gasinjektors (1) von einem brennraumseitigen Ende (51) der Zylinderkopföffnung (50) in Axialrichtung (X-X) mit vorbestimmtem Abstand (100) angeordnet ist.
  14. Injektoranordnung nach Anspruch 13, umfassend einen Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  15. Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum (9) sowie einen Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder eine Injektoranordnung (8) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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