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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einblasvorrichtung für gasförmigen Kraftstoff zur Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Neben flüssigen Kraftstoffen werden bei Brennkraftmaschinen in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Insbesondere bei direkteinblasenden Gasinjektoren, welche den gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einblasen, ist ein Problemkreis die Abdichtung des Gasinjektors. Ein geeignetes Dichtungsmaterial am Dichtsitz wäre hierbei z.B. ein Elastomer, welches jedoch aufgrund seiner begrenzten Temperaturbeständigkeit aufgrund der Anordnung des Gasinjektors direkt am Brennraum nicht geeignet ist. Da die Kraftstoffdirekteinblasung jedoch große Vorteile aufweist, wäre es wünschenswert, hier neue Lösungen zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einblasvorrichtung zum Direkteinblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass ein Gasinjektor verwendet werden kann, welcher nicht den hohen Temperaturen im Brennraum ausgesetzt ist. Dadurch kann der Gasinjektor einfach und kostengünstig aufgebaut werden und insbesondere können auch elastomere Materialien zur Abdichtung verwendet werden, welche neben den guten Abdichtungseigenschaften des Elastomers auch hervorragende Dämpfungseigenschaften während eines Schließvorgangs aufweisen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor etwas beabstandet vom Brennraum angeordnet ist und über einen Kraftstoffleitungsabschnitt, welcher ein Kraftstoffzufuhrbereich ist, der in Strömungsrichtung nach dem Gasinjektor angeordnet ist, Kraftstoff zugeführt wird. Der Kraftstoffleitungsabschnitt mündet dabei benachbart zu einem Ventilsitz in Durchströmungsrichtung der Einblasvorrichtung vor dem Ventilsitz. Somit kann ein Einlassventil, welches am Ventilsitz abdichtet und üblicherweise im Stand der Technik bei direkteinblasenden Injektoren nur zum Freigeben und Verschließen eines Luftansaugkanals dient, auch dazu verwendet werden, den gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzublasen. Hierzu umfasst die Einblasvorrichtung eine am Einlassventil angeordnete Sperrvorrichtung, um den Luftansaugkanal am Einlassventil abzusperren. Somit kann erfindungsgemäß mittels der Sperrvorrichtung am Einlassventil der Luftansaugkanal gesperrt werden und gasförmiger Kraftstoff über das Einlassventil eingeblasen werden. Die Sperrvorrichtung kann dabei derart ausgelegt werden, dass ausschließlich eine separate Einblasung von gasförmigem Kraftstoff und Luft erfolgt oder auch in gewissen Zeitintervallen eine Überschneidung der Einblasung von gasförmigem Kraftstoff und Luft möglich ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst die Sperrvorrichtung ein separat bewegbares Sperrelement, welches besonders bevorzugt mittels eines zweiten Federelements vorspannbar ist. Dadurch kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Sperrvorrichtung ermöglicht werden. Besonders bevorzugt ist das Sperrelement dabei eine separat bewegbare Hülse.
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Die Hülse umfasst besonders bevorzugt einen Anschlag zur Begrenzung einer Bewegung in Axialrichtung des Einlassventils. Dadurch kann auf einfache Weise beim Öffnen den Einlassventils eine definierte Position der Hülse sichergestellt werden. Der Anschlag ist vorzugsweise ein nach außen gerichteter Flansch an der Hülse oder alternativ eine Stufe, welche durch eine Durchmesserreduzierung der Hülse realisiert ist.
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Weiter bevorzugt ist ein Dichtelement zwischen dem Sperrelement und einem Zylinderbauteil vorgesehen. Dadurch wird eine verbesserte Abdichtung des Sperrelements gegenüber dem Luftansaugkanal erreicht.
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Für einen besonders kompakten Aufbau ist vorzugsweise ein Dichtsitz des Sperrelements am Einlassventil angeordnet. Der Dichtsitz ist besonders bevorzugt an einem sich verjüngenden Bereich des Einlassventils, insbesondere eine Ventilteller o. dgl., vorgesehen. Vorzugsweise erfolgt eine Abdichtung in dem Fall, in welchem das Sperrelement eine Hülse ist derart, dass das freie Ende der Hülse abgeschrägt ist, entsprechend einer geometrischen Form des Ventiltellers.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Einblasvorrichtung ferner eine Druckkammer, welche im Kraftstoffleitungsabschnitt vorgesehen ist. Die Verwendung der Druckkammer ermöglicht dabei eine Zwischenspeicherung von gasförmigem Kraftstoff, so dass eine höhere Füllmenge während eines Einblasvorgangs möglich ist.
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Besonders bevorzugt ist die Druckkammer mittels des Sperrelements selbst abdichtbar. Dadurch kann eine Bauteileanzahl weiter reduziert werden und ein noch kompakterer Aufbau bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sperrvorrichtung unmittelbar am Einlassventil als Sperrbereich vorgesehen. Hierbei kann beispielsweise ein zylindrischer Bereich, z.B. am Schaft oder an einer Verlängerung des Ventiltellers, als Sperrvorrichtung am Einlassventil vorgesehen werden. Der Sperrbereich des Einlassventils dichtet dabei vorzugsweise an einem Zylinderbauteil ab, um eine Luftansaugung über den Luftansaugkanal zu sperren.
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Vorzugsweise umfasst die Einblasvorrichtung ferner einen Ringkanal, in welchen der Kraftstoffleitungsabschnitt mündet. Dadurch kann eine gute Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs über den Ringkanal vor einer Einblasung in den Brennraum erreicht werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Einblasvorrichtung.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Einblasvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung von 1 im geschlossenen Zustand,
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3 eine schematische Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung im vollständig geöffneten Zustand,
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4 eine schematische Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung von 1 im teilweise geöffneten Zustand,
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5 eine schematische Schnittansicht einer Einblasvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine schematische Schnittansicht einer Einblasvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 eine schematische Schnittansicht einer Einblasvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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8 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung von 7 im geschlossenen Zustand,
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9 eine schematische Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung von 7 im vollständig geöffneten Zustand, und
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10 eine schematische Teilschnittansicht der Einblasvorrichtung von 7 im teilweise geöffneten Zustand.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Einblasvorrichtung 1 eine Einblasvorrichtung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Einblasvorrichtung 1 einen Gasinjektor 2 und ein Einlassventil 3.
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Das Einlassventil 3 ist ein in bekannter Weise aufgebautes Einlassventil mit einem konusförmigen Ventilteller 30 und einem Schaft 31. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Luftansaugkanal. Ein erstes Federelement 6 stellt eine Federkraft bereit, um das Einlassventil 3 im geschlossenen Zustand zu halten. Ein Aktor 11 ist vorgesehen, um das Einlassventil 3 zu betätigen und vom in 1 gezeigten geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand (3) zu überführen. Der Aktor 11 kann ein Magnetaktor oder ein hydraulischer Aktor oder ein elektrischer Aktor oder auch eine Nockenwelle oder dgl. sein.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Gasinjektor 2 mit etwas Abstand von einem Brennraum 10 angeordnet. Der Gasinjektor 2 ist über einen Kraftstoffleitungsabschnitt 20 mit dem Bereich unmittelbar vor dem Einlassventil verbunden. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist hierbei ein Ringkanal 21 am Zylinderkopf 9 im Bereich des Einlassventils 3 gebildet, in welchen der Kraftstoffleitungsabschnitt 20 mündet. Die Mündung des Kraftstoffleitungsabschnitts 20 ist dabei direkt auf den konischen Bereich des Ventiltellers 30 gerichtet.
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Zwischen dem Einlassventil 3 und dem Zylinderkopf 9 ist ferner in bekannter Weise ein Ventilsitz 4 ausgebildet. Das Einlassventil 3 dieses Ausführungsbeispiels ist ein nach außen öffnendes Ventil, bei dem das Einlassventil 3 in Richtung zum Brennraum 10 geöffnet wird.
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Die erfindungsgemäße Einblasvorrichtung 1 umfasst ferner eine Sperrvorrichtung in Form eines Sperrelements 8. Das Sperrelement 8 ist eine Hülse mit einem nach außen gerichteten Flansch 80. Am Zylinderkopf 9 ist ein Anschlag 90 gebildet, welcher durch einen radial nach innen vorstehenden Absatz gebildet ist. Das hülsenförmige Sperrelement 8 ist separat bewegbar angeordnet und wird mittels eines zweiten Federelements 7 vorgespannt. Das zweite Federelement 7 stützt sich dabei an einer Stützscheibe 70 ab, welche über eine Einstellscheibe 71 und einen Springring 72 im Zylinderkopf 9 fixiert ist. Eine Vorspannung des zweiten Federelements 7 kann durch eine Wahl einer unterschiedlichen Dicke der Einstellscheibe 71 verändert werden.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, welche den geschlossenen Zustand der Einblasvorrichtung 1 zeigt, ist zwischen einem freien Ende 81 des Sperrelements 8 und dem Ventilteller 30 ein Dichtsitz 14 vorgesehen. Weiterhin ist an einem Außenumfang des hülsenförmigen Sperrelements 8 und dem Zylinderkopf 9 eine Abdichtung 13 vorgesehen. Die Abdichtung 13 wird durch ein kleines Radialspiel zwischen dem Sperrelement 8 und dem Zylinderkopf 9 erreicht.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung 1 ist dabei wie folgt: Ausgehend von dem in den 1 und 2 gezeigten geschlossenen Zustand wird in einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine das Einlassventil 3 vollständig geöffnet. Dieser Zustand ist in 3 gezeigt. Hierbei ist ein Vollhub H1 des Einlassventils 3 eingezeichnet. Der Gasinjektor 2 befindet sich im geschlossenen Zustand, so dass kein gasförmiger Kraftstoff über die Kraftstoffleitungsabschnitte 20 zugeführt wird. Lediglich Luft wird über den Luftansaugkanal 5, wie durch die Pfeile A angedeutet, in den Brennraum 10 zugeführt.
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Durch die Federkraft F2 des zweiten Federelements 7 wird das hülsenförmige Sperrelement 8, wie in 3 durch den Pfeil B angedeutet, in Richtung zum Brennraum bewegt. Hierbei kommt dann der radial nach außen gerichtete Flansch 80 mit dem Anschlag 90 in Kontakt, so dass keine weitere Bewegung des Sperrelements 8 in Richtung des Brennraums erfolgen kann. Die Luftzufuhr ist dabei durch das Sperrelement 8 nicht beeinträchtigt.
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Nach erfolgter Ansaugung wird das Einlassventil 3 wieder geschlossen. Dann wird in bekannter Weise im Brennraum 10 ein Druck aufgebaut. Um eine Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs zu ermöglichen, wird dann der Gasinjektor 2 geöffnet, so dass der gasförmige Kraftstoff über den Kraftstoffleitungsabschnitt 20 zum Einlassventil 3 strömen kann. Um hier eine Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs zu ermöglichen, wird das Einlassventil 3 um einen Spalt S geöffnet. Dieser Zustand ist in 4 gezeigt. Der Druck des gasförmigen Kraftstoffs beträgt dabei ungefähr 15×105 Pa und ist dabei größer als ein Druck im Brennraum 10. Das Sperrelement 8 sitzt dabei aufgrund der Federkraft F2 auf dem Ventilteller 30 auf und bildet am Dichtsitz 14 eine Abdichtung zwischen dem Kraftstoffleitungsabschnitt 20 und dem Luftansaugkanal 5. Dadurch wird verhindert, dass der unter hohem Druck stehende gasförmige Kraftstoff aus dem Kraftstoffleitungsabschnitt 20 in den Luftansaugkanal 5 strömt. In 4 ist die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs mit den Pfeilen C angedeutet.
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Wie weiter aus 4 ersichtlich ist, ist ferner zwischen dem Flansch 80 und dem Anschlag 90 ein Abstand T vorhanden.
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Nach der Einblasung von gasförmigem Kraftstoff wird das Einlassventil 3 wiederum geschlossen, so dass in üblicher Weise eine Zündung und Nutzung der Energie des gasförmigen Kraftstoffs ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß kann somit der Gasinjektor 2 mit großem Abstand zum Brennraum 10 angeordnet werden und ist somit nicht den hohen Temperaturen des Brennraums ausgesetzt. Trotzdem kann erfindungsgemäß eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs erfolgen, wobei der Gasinjektor 2 nicht unmittelbar am Brennraum angeordnet ist, sondern der gasförmige Kraftstoff über die Kraftstoffleitungsabschnitte 20 zum Einlassventil 3 zugeführt wird. Eine Einblasung erfolgt dann durch Öffnung des Einlassventils 3, welches im Stand der Technik üblicherweise nur zum Ansaugen von Luft oder zum Ansaugen eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bei Saugrohreinblasungen, verwendet wird. Somit kann für den Gasinjektor 2 eine kostengünstige Ausgestaltung ermöglicht werden und insbesondere die Verwendung von teuren hitzeempfindlichen Werkstoffen vermieden werden. Ferner kann auch zur Abdichtung des gasförmigen Kraftstoffs ein Elastomer verwendet werden, wodurch eine sichere Abdichtung auch im Stillstand der Brennkraftmaschine erreicht wird.
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Erfindungsgemäß kann somit ein zweistufiges Einlassventil 3 bereitgestellt werden, wobei in einer ersten Stufe beide Kanäle für die Zufuhr von Luft und gasförmigem Kraftstoff geöffnet sind. In einer zweiten Stufe wird dann der Luftansaugkanal 5 abgeschlossen und ermöglicht dadurch eine Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum mit einem hohen Druck, ca. 15×105 Pa, welcher höher ist als ein Druck im Brennraum und ein Druck der Luftzufuhr, welcher durch den Umgebungsluftdruck oder einen Turbolader bestimmt wird.
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In 5 ist eine Einblasvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Einblasvorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels im Bereich zwischen dem Sperrelement 8 und dem Zylinderkopf 9 eine zusätzliche Radialdichtung 12 auf. Somit erfolgt eine Abdichtung zwischen Sperrelement 8 und Zylinderkopf 9 nicht mehr nur durch den Radialspalt, sondern durch eine tatsächliche Radialdichtung 12. Dadurch kann verhindert werden, dass, wenn das Sperrelement 8 am Dichtsitz 14 aufliegt und den Bereich des gasförmigen Kraftstoffs vom Luftzufuhrbereich abdichtet, der unter hohem Druck stehende gasförmige Kraftstoff über den Spalt zwischen Sperrelement 8 und Zylinderkopf 9 in den Luftansaugtrakt gelangen kann.
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6 zeigt eine Einblasvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim dritten Ausführungsbeispiel weist das Einlassventil 3 einen Sperrbereich 32 auf, welcher mit dem Zylinderkopf 9 eine Abdichtung 13 des Luftzufuhrbereichs vom Kraftstoffzufuhrbereich bereitstellt. 6 zeigt dabei wieder den Zustand eines Teilhubes, in welchem der Spalt S geöffnet ist, so dass der gasförmige Kraftstoff aus dem Kraftstoffleitungsabschnitt 20 in den Brennraum 10 eingeblasen werden kann (Pfeil C). Der Sperrbereich 32 des Einlassventils liegt dabei am Abdichtbereich 91 des Zylinderkopfs 9 an, so dass eine Abdichtung 13 zwischen beiden Bauteilen erreicht wird. Dadurch wird verhindert, dass gasförmiger Kraftstoff in den Luftansaugkanal 5 gedrückt wird. Zwar kann grundsätzlich eine kleine Leckage hier nicht verhindert werden, jedoch ist diese unschädlich und wird mit dem nächsten vollständigen Öffnen des Einlassventils 3 zum Ansaugen der Luft aus dem Luftansaugkanal 5 einfach mit in den Brennraum angesaugt. Es sei angemerkt, dass zur Verbesserung der Dichtheit an der Abdichtung 13 wie im zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, eine zusätzliche Radialdichtung vorgesehen werden kann.
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Die 7 bis 10 zeigen eine Einblasvorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu ein Druckspeicher 22 im Kraftstoffleitungsabschnitt 20 angeordnet ist. Der Druckspeicher 22 bildet eine Druckkammer, in welcher gasförmiger Kraftstoff unter Druck gespeichert werden kann. Weiterhin ist das Sperrelement 8 etwas anders aufgebaut. Wie insbesondere aus den 8 bis 10 ersichtlich ist, ist das Sperrelement 8 wieder als Hülse vorgesehen, jedoch als abgestufte Hülse mit einer Stufe 82. Dadurch kann eine Flachdichtung 15 zwischen der Stufe 82 und dem Zylinderkopf 9 bereitgestellt werden, was in 9 gezeigt ist. 9 zeigt den vollständig geöffneten Zustand der Einblasvorrichtung 1, in welchem Luft aus dem Luftansaugkanal 5 in den Brennraum 10 eingebracht wird. Durch die Flachdichtung 15, welche ringförmig vorgesehen ist, ist der Kraftstoffleitungsabschnitt 20 mit dem darin befindlichen Druckspeicher 22 vom Luftzufuhrbereich abgedichtet. Dadurch kann der Gasinjektor 2 schon während des Ansaugtaktes, in welchem die Luft in den Brennraum 10 angesaugt wird, geöffnet werden, so dass der Druckspeicher 22 mit gasförmigem Kraftstoff gefüllt wird. Die Flachdichtung 15 verhindert dabei, dass der gasförmige Kraftstoff schon im Ansaugtakt mit in den Brennraum angesaugt wird. Das Sperrelement 8 wird dabei mittels der Federkraft F2 des zweiten Federelements 7 gegen den am Zylinderkopf 9 gebildeten Absatz gedrückt.
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Wenn nun der gasförmige Kraftstoff in den Brennraum eingeblasen werden soll, erfolgt wiederum eine Teilöffnung des Einlassventils 3, welche in 10 gezeigt ist. Der gasförmige Kraftstoff kann dann aus dem Druckspeicher 22 über den Kraftstoffleitungsabschnitt 20 in den Brennraum 10 eingeblasen werden. Das Sperrelement 8 dichtet wie im ersten Ausführungsbeispiel am Dichtsitz 14 am Ventilteller 30 ab. Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass die gasförmige Kraftstoffmenge über einen längeren Zeitraum und bei einem geringeren Druck zugeführt werden kann. Dadurch benötigt das Einlassventil 3 zum Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs einen kleineren Strömungsquerschnitt und somit einen kleineren Hub, was zur Kostenreduktion führt. Ferner kann auch ein kleinerer Dichtdurchmesser und ein kleinerer Bauraum sowie eine reduzierte Leckage erreicht werden.
