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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für den Betrieb mit Brenngas gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Kraftstoffinjektor kann insbesondere als Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitgestellt sein.
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Gasförmige Kraftstoffe gewinnen im (Groß-)Motorensektor, insbesondere bei Stationärmotoren zur Stromerzeugung, zunehmend an Bedeutung. Erdgas z. B. eignet sich wegen seiner sehr guten Verfügbarkeit und seines günstigeren Emissionspotenzials gegenüber Dieselkraftstoff ausgezeichnet für einen wirtschaftlichen und umweltschonenden Motorbetrieb.
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Bei Kraftstoffinjektoren, welche als Mehrstoffinjektor oder Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gebildet sind und neben dem Gas-Injektorteil auch einen Flüssigkraftstoff-Injektorteil aufweisen, inbesondere für einen Zündstrahlbetrieb, sind die Gas-Düsenöffnungen des Kraftstoffinjektors oftmals nicht über den kompletten Umfang des Kraftstoffinjektors verteilt, s. z. B. die Druckschrift
US 2014/0091159 A1 . Gerade Injektoren, welche mehrere Gas-Düsennadeln aufweisen, zum Beispiel angeordnet um eine zentrale Flüssigkraftstoff-Düsennadel, ordnen oftmals einer Gas-Düsennadel eine Gas-Düsenanordnung zu, deren Gas-Düsenöffnungen radial nur einen Bereich aus 360° abdecken, bei vier Gas-Düsenhandeln z. B. je 90°.
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Mit solchen Kraftstoffinjektoren, deren Düsennadeln standardmäßig je in rotationssymmetrischen Bohrungen aufgenommen sind, geht jedoch der Nachteil einher, dass sich Brenngas-Strömungsverluste aufgrund einer asymmetrischen Strömung um den Nadelsitz herum einstellen.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welcher derartige Brenngas-Strömungsverluste zu minimieren hilft.
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Diese Aufgabe wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor für den Betrieb mit Brenngas, wobei der Kraftstoffinjektor bevorzugt als Mehrstoff-, insbesondere als Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitgestellt ist. Denkbar ist jedoch auch eine Ausgestaltung als Single-Fuel-Injektor. Vorzugsweise ist der Kraftstoffinjektor für einen Zündstrahlbetrieb vorgesehen (Flüssigkraftstoff-Zündstrahl (Piloteinspritzung) zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs), daneben insbesondere auch für einen reinen Flüssigkraftstoffbetrieb (ausschließlich mit Flüssigkraftstoff). Der Kraftstoffinjektor ist vorteilhaft mit einem Großmotor verwendbar, insbesondere mit einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug wie etwa einem Lastkraftwagen, einem davon verschiedenen Nutzfahrzeug, einem Schiff, einer Lok, woneben die Anordnung auch für eine stationäre Einrichtung vorgesehen werden kann, z. B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat, z. B. auch für Industrieanwendungen.
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Für den Betrieb mit Brenngas kann zum Beispiel Erdgas, Biogas, Deponiegas, Wasserstoff oder ein ähnliches Brenngas zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor vorgesehen sein.
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Der Kraftstoffinjektor weist an einem Düsenende eine Gas-Düsenanordnung mit wenigstens einer Gas-Düsenöffnung (Spritzloch) auf. Die Gas-Düsenanordnung kann zum Beispiel 1 bis 3 Gas-Düsenöffnungen aufweisen, oder eine davon verschiedene Anzahl. Der Gas-Düsenanordnung zugeordnet umfasst der Kraftstoffinjektor weiterhin wenigstens eine Düsennadel, welche in einer axialen Aufnahme (z. B. Bohrung) des Kraftstoffinjektors, bevorzugt gebildet in einem Düsenkörper desselben, hubsteuerbar aufgenommen ist, wobei eine jeweilige Gas-Düsenöffnung am Düsenende aus der Aufnahme mit radialer Richtungskomponente ausmündet, d. h. für das Ausbringen von Brenngas in einen Brennraum.
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In der Aufnahme ist weiterhin ein Nadelsitz stromaufwärts bzw. oberhalb (düsenferner) der jeweiligen Gas-Düsenöffnung gebildet, welcher bereitgestellt ist, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel einen Brenngas-Strömungsweg zu einer jeweiligen Gas-Düsenöffnung selektiv zu versperren. Bevorzugt ist der Nadelsitz als Kegelsitz bzw. Schrägsitz ausgebildet, das heißt mit ringförmiger, schräger bzw. konischer Sitzfläche. Zur selektiven Offensteuerung der Gas-Düsennadel kann der Injektor bevorzugt indirekt gesteuert sein, das heißt nach dem Prinzip Aktuator-Pilotventil-Steuerraum. Denkbar ist jedoch auch eine direkte Steuerung der Gas-Düsennadel.
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Bei dem Kraftstoffinjektor sind – entsprechend der eingangs geschilderten Ausgestaltung – die eine oder mehreren Gas-Düsenöffnungen in Umfangsrichtung der Gas-Düsennadel lediglich teilumfänglich verteilt angeordnet. Vorgesehen ist zum Beispiel eine Anordnung der Düsenöffnungen in einem Winkelbereich von betragsmäßig 90° in Umfangsrichtung.
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Bei einem Kraftstoffinjektor, welcher im Sinne der Erfindung ausgestaltet ist, kann mit vier derartigen 90°-Düsenanordnungen und jeweils zugeordneter Gas-Düsennadel somit ein 360°-Bereich im Rahmen einer Brenngas-Ausbringung abgedeckt werden, z. B. im Rahmen einer Anordnung um eine zentrale Flüssigkraftstoff-Düsennadel. Alternativ kann zum Beispiel die Anordnung von Düsenöffnungen der Düsenanordnung in einem teilumfänglichen Winkelbereich von betragsmäßig ca. 180° vorgesehen sein. Im Sinne der Erfindung ausgestaltet kann ein Kraftstoffinjektor für eine 360°-Brennraumabdeckung folglich zwei derartige 180°-Düsenanordnungen mit jeweiliger Gas-Düsennadel vorsehen, zum Beispiel je neben einer zentralen Flüssigkraftstoff-Düsennadel.
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Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor dadurch, dass die Aufnahme an den Nadelsitz angrenzend und sich axial davon in stromaufwärtiger Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu einer axialen Mittelachse durch die Gas-Düsennadel gebildet ist, wobei die Asymmetrie aus einer Querschnittserweiterung der Aufnahme an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung radial gegenüberliegenden Seite der Aufnahme resultiert, so dass mittels der Querschnitterweiterung ein größerer Brenngas-Massenstrom in der Aufnahme führbar ist als an der dazu – radial – entgegen gesetzten Gas-Düsenöffnungs-Seite. In kennzeichnender Weise ist die Aufnahme hierbei weiterhin ausgeformt, einem seitens der Querschnittserweiterung an den Nadelsitz geführten Brenngas-Strom mittels der Querschnittserweiterung bereits stromaufwärts des Nadelsitzes eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Düsenöffnung orientierte Strömungsrichtung aufzuprägen, i. e. insbesondere mittels eines geeignet geformten Auslaufendes der Querschnittserweiterung.
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Mit Vorteil gelingt es durch diese Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors – bei welcher die Aufnahme (Nadelführung) nicht rotationssymmetrisch ist – der Brenngas-Strömung gegenüber den Düsenöffnungen einerseits mehr Querschnitt zur Verfügung zu stellen und somit die Strömungsverluste signifikant zu reduzieren. Des Weiteren wird es mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Querschnittserweiterung auch ermöglicht, diesen relativ höheren Massenstrom aufgrund der aufgeprägten Strömungsrichtung strömungsgünstig an die gegenüberliegenden Düsenöffnungen zu führen. Resultierend kann somit bei gegebener Düsengröße und Einspritzdauer vorteilhaft mehr Gas in einen Brennraum eingetragen werden, mithin eine höhere Motorleistung erzielt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass die Aufnahme ausgeformt ist, einen seitens der Querschnittserweiterung an den Nadelsitz und darüber bis zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung geführten Brenngas-Strom entlang dieses Strömungswegabschnitts ohne Gefällestufen zu führen, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung und weiterhin bevorzugt mit weitgehend konstanter Steigung bzw. Neigung. So kann der Nadelsitz bevorzugt eine angeschrägte Sitzfläche ausbilden, welche die Querschnittserweiterung mit der aufgeprägten Strömungsrichtung fortsetzt und/oder eine an die Querschnittserweitung grenzende Einlauffläche des Nadelsitzes mit einer an den Nadelsitz grenzenden Auslauffläche der Querschnittserweiterung fluchten. Derart können Strömungsverluste noch weiter minimiert werden.
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Darüber hinaus ist es – wiederum mit dem Vorteil weiter verbesserter Strömungsführung einhergehend – vorgesehen, dass die Aufnahme ausgeformt ist, seitens der Querschnittserweiterung zugeführtes Brenngas, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung, tangential bzw. achsparallel zu deren Mittelachse an die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung zu führen, d. h insbesondere in ein Einlaufende derselben.
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Um die erfindungsgemäßen Wirkungen zu erzielen, ist insbesondere vorgesehen, die Querschnittserweiterung als Ausbauchung an der Aufnahme zu bilden, welche sich von stromaufwärts an den Ventilsitz erstreckt, insbesondere als schalenförmige Kavität. Denkbar sind auch Ausgestaltungen, bei welchen die Aufnahme wenigstens eine Schussrinne ausformt, insbesondere eine Schussrinne je Gas-Düsenöffnung, welche den Brenngas-Strom seitens der Querschnittsaufweitung an die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung führt, z. B. die Querschnittserweiterung auch mitdefiniert.
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Vorteilhaft sind weiterhin Ausgestaltungen des Kraftstoffinjektors, bei welchen ein düsenseitiger Endabschnitt der Gas-Düsennadel asymmetrisch mit Bezug auf die Mittelachse der Gas-Düsennadel geformt ist. Hierbei kann einem seitens der Querschnittserweitung an die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung geführtem Brenngasstrom mittels des asymmetrischen Endabschnitts zum einen eine Einlaufrichtung in die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung aufgezwungen werden, welche wiederum bevorzugt tangential zur Gas-Düsenöffnung orientiert ist, insbesondere tangential zu deren brennraumfernen bzw. oberem Ende. Dies hilft wiederum, Strömungsverluste noch weiter zu minimieren. Andererseits kann eine derart ausgestaltete Gas-Düsennadel bewirken, dass ein seitens der Querschnittserweiterung an die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung geführter Brenngasstrom erst unmittelbar vor dem Einlaufende der Gas-Düsenöffnung mit einem gas-düsenöffnungsseitig geführten Brenngasstrom zusammengeführt wird, mithin Strömungsverluste aufgrund nicht laminarer Strömung weiter reduzieren. Eine derart ausgestaltete Gas-Düsennadel kann benachbart zu der wenigstens einen Düsenöffnung eine größere axiale Länge aufweisen als an der radial dazu entgegen gesetzten Seite, und dazwischen eine Schrägfläche bilden, welche den Brenngasstrom insbesondere im Wesentlichen tangential an das Gas-Düsenöffnungs-Einlaufende führt.
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Weiter strömungsverbessernd wird auch vorgeschlagen, die Gas-Düsennadel bauchig zu gestalten. Die Gas-Düsennadel kann an der zu der wenigstens einen Düsenöffnung radial entgegen gesetzten Seite z. B. eine strömungsleitende Anformung und/oder Ausbauchung aufweisen, welche in der Querschnittserweiterung aufgenommen ist bzw. sich dort hinein erstreckt. Mittels der Anformung oder Ausbauchung kann der Brenngasstrom strömungsgünstig um das düsennahe Nadelende – und somit mit einer verbesserten Impulserhaltung – kanalisiert herumgeführt werden. Die Ausbauchung an der Nadel kann z. B. fluchtend in eine wie vorstehend erläuterte Schrägfläche an – der düsennahen Stirnseite – einer Gas-Düsennadel übergehen.
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Insbesondere mit Ausgestaltungen der Erfindung, bei welchen wie vorstehend erläutert auch die Gas-Düsennadel für eine verbesserte Brenngas-Strömungsführung asymmetrisch gebildet ist, ist vorgesehen, dass die Gas-Düsennadel verdrehgesichert in der Aufnahme aufgenommen ist. Denkbar sind hierzu zum Beispiel Nut-Feder-Sicherungskomponenten.
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Angemerkt sei noch, dass es allgemein mit der Erfindung bevorzugt wird, dass der Kraftstoffinjektor eingerichtet ist, mit Abheben der Gas-Düsennadel vom Nadelsitz – zumindest in einer Vollhubstellung der Gas-Düsennadel, bevorzugt bereits in einer Teilhubstellung – eine Sichtverbindung oder einen Sichtkanal vom Auslaufende der Querschnittserweiterung zu einem Einlaufquerschnitt der dazu radial entgegen gesetzt angeordneten wenigstens einen Gas-Düsenöffnung zu ermöglichen. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann eine Anströmung der Gas-Düsenöffnung seitens der Querschnittserweiterung ermöglicht werden, ohne dass eine strömungsstörende Umlenkung des Brenngasstroms um das Nadelende der Gas-Düsennadel herum erforderlich ist.
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Vorgeschlagen wird mit der Erfindung auch eine Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens einen wie vorstehend erläuterten Kraftstoffinjektor aufweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch einen düsenseitigen Endabschnitt eines Kraftstoffinjektors gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung in einer abgebrochenen Schnittansicht.
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2 exemplarisch und schematisch einen Kraftstoffinjektor gemäß 1 in einer Draufsicht auf den düsenseitigen Abschnitt im Schnitt, wobei im Rahmen von 2 eine Mehrzahl möglicher Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht ist.
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3–12 je exemplarisch und schematisch eine mögliche Ausgestaltung eines Kraftstoffinjektors mit einer Brenngas-Strömungsführung gemäß der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch einen düsenseitigen Endabschnitt 1 eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 3 für den Betrieb mit Brenngas, wobei der veranschaulichte Kraftstoffinjektor 3 als Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitgestellt ist, das heißt sowohl für einen Betrieb mit Flüssigkraftstoff als auch mit Brenngas. Als Flüssigkraftstoff zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor 3 kann Dieselkraftstoff, Bioöl, Schweröl oder ein davon verschiedener Flüssigkraftstoff vorgesehen sein, als Brenngas zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor 3 insbesondere Erdgas, z. B. auch Biogas, Deponiegas etc. Der derart bereitgestellte Kraftstoffinjektor 3 ist insbesondere für einen Zündstrahlbetrieb neben zum Beispiel einem reinen Flüssigkraftstoffbetrieb vorgesehen.
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Der Kraftstoffinjektor 3 weist ein Injektorgehäuse 5 auf, welches mit einem Düsenkörper 7 gebildet ist, vorliegend insbesondere mittels eines modular bzw. mehrteilig gebildeten Düsenkörpers 7. Wie 1 veranschaulicht, ist hierbei eine axial hubverschiebliche Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 in einem ersten Modul 11 bzw. Teil des Düsenkörpers 7 aufgenommen, das heißt in einer Axialbohrung 13 desselben. Die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 wirkt gegen einen Ventilsitz 15, welcher an einem düsenseitigen Ende der Axialbohrung 13 bereitgestellt ist. Aus dem ersten Modul 11 des Düsenkörpers 7 münden an dem düsenseitigen Ende weiterhin Spritzlöcher 17 für das Ausbringen von Flüssigkraftstoff (im Rahmen von Einspritzvorgängen) aus, wobei der Flüssigkraftstoff mit Abheben der Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 vom Ventilsitz 15 – ausgehend von einem stromaufwärtigen Abschnitt der Axialbohrung 13 – an die Spritzlöcher 17 versorgbar ist. Für den Einspritzbetrieb kann ein Flüssigkraftstoff-Druckniveau z. B. 2200 bar oder mehr betragen.
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Der Düsenkörper 7 umfasst weiterhin ein zweites Modul 19 bzw. einen zweiten Teil, welcher das erste Modul 11 unter Bildung des Düsenkörpers 7 über einen Abschnitt umgibt. Das zweite Modul 19 ist hierbei als Ringkörper gebildet und beherbergt eine Anzahl von Gas-Düsennadeln 21, vorliegend zum Beispiel vier Gas-Düsennadeln 21, welche in Umfangsrichtung A um die hierbei zentral angeordnete Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 bzw. das inmitten des Ringkörpers 19 angeordnete erste Modul 11 verteilt angeordnet sind.
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Alternativ zu einer solchen Anordnung, bei welcher die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 von „Satelliten”-Gas-Düsennadeln 21 umgeben ist, kann mit der Erfindung allerdings auch eine Injektorausgestaltung derart vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Gas-Düsennadeln 21 achsparallel mit der Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 in einer bzw. einer einzigen Ebene angeordnet sind, z. B. ein- oder beidseitig dazu benachbart.
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Einer jeden Gas-Düsennadel 21 ist mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 3 weiterhin je eine Gas-Düsenanordnung 23 an einem Düsenende 25 des Kraftstoffinjektors 3 bzw. des Düsenkörpers 7 zugeordnet, das heißt am zweiten Modul 19, wobei eine jede Gas-Düsenanordnung 23 wenigstens eine, vorliegend zum Beispiel drei Gas-Düsenöffnungen 27 aufweist. Die Gas-Düsenöffnungen 27 sind analog zu den Spritzlöchern 17 des ersten Moduls 11 bevorzugt je als Bohrkanal gebildet, insbesondere – zum Beispiel mittels Strömungsschleifen – einlassseitig verrundet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zum Beispiel vorgesehen, dass der Kraftstoffinjektor 3 korrespondierend mit den vier Gas-Düsennadeln 21 vier Gas-Düsenanordnungen 23 aufweist, welche je drei Gas-Düsenöffnungen 27 umfassen.
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Allgemein ist mit der Erfindung vorgesehen, dass die eine oder mehreren Gas-Düsenöffnungen 27 einer jeweiligen Düsenanordnung 23 in Umfangsrichtung A lediglich teilumfänglich verteilt angeordnet sind, d. h. nur über einen Ausschnitt aus 360°.
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2 veranschaulicht in einer Schnittansicht in der Draufsicht von oben – mit schematisch, dreieckförmig eingezeichneten Brenngas-Strahlen – exemplarisch einen Kraftstoffinjektor 3 gemäß der Erfindung, welcher wie vorstehend erörtert einen modular zusammengesetzten Düsenkörper 7 aufweist, wobei das erste Modul 11 samt Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 zentral im zweiten Modul 19 angeordnet ist. Beispielhaft gezeigt sind weiterhin vier Düsenanordnungen 23, wobei eine Düsenanordnung 23a exemplarisch veranschaulicht ist, welche beispielsweise lediglich eine Gas-Düsenöffnung 27 aufweist, exemplarisch aber auch Düsenanordnungen 23b, welche beispielsweise je drei Gas-Düsenöffnungen 27 aufweisen. Ersichtlich sind die Gas-Düsenöffnungen 27 einer jeweiligen Gas-Düsenanordnung 23 hierbei erfindungsgemäß je nur teilumfänglich um die zugehörige Gas-Düsennadel 21 angeordnet. Zum Beispiel und bevorzugt wird mit einem Kraftstoffinjektor 3, welcher vier Gas-Düsennadeln 21 aufweist und bei welchem die Gas-Düsennadeln 21 in Umfangsrichtung A des Düsenkörpers 7 bevorzugt mit einem Abstand von 90° angeordnet sind, eine Gas-Düsenanordnung 23 jeweils derart vorgesehen, dass drei Gas-Düsenöffnungen 27 über einen Bereich von betragsmäßig etwa 90° in Umfangsrichtung A gleichverteilt angeordnet sind. Mit einer Anordnung von vier Gas-Düsennadeln 21 ist somit ersichtlich, vergleiche z. B. 2, eine gute 360°-Abdeckung im Rahmen einer Brenngas-Ausbringung erzielbar.
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Nun insbesondere wieder mit Bezug auf 1 ist analog zu dem vorstehend beschriebenen Flüssigkraftstoff-Injektorteil auch eine jeweilige Gas-Düsennadel 21 in einer zugehörigen axialen Aufnahme 29 hubsteuerbar aufgenommen. Die axiale Aufnahme 29, welche die jeweilige Gas-Düsennadel 21 insbesondere auch führt, kann zumindest abschnittsweise als Axialbohrung gebildet sein, das heißt im Düsenkörper 7 gebildet bzw. im zweiten Modul 19. An einem jeweiligen Düsenende mündet eine jeweilige Gas-Düsenöffnung 27 aus der Aufnahme 29 mit radialer, insbesondere deutlich ausgeprägter radialer Richtungskomponente aus, z. B. geneigt gegenüber einer Mittelachse B in einem Winkel von 10° bis 30°.
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Wie für die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 ist auch für eine jeweilige Gas-Düsennadel 21 ein Nadelsitz 31 bzw. (Düsen-)Ventilsitz in der zugehörigen Aufnahme 29 gebildet, das heißt stromaufwärts bzw. über (düsenferner) der jeweiligen wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27. Der Nadelsitz 31, welcher im Rahmen der Erfindung bevorzugt angrenzend an oder unmittelbar benachbart zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 gebildet ist (stromaufwärts; in axialer Richtung betrachtet), ist bereitgestellt, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel 21 einen Brenngas-Strömungsweg zu der jeweiligen Gas-Düsenöffnung 27 selektiv zu versperren. Mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vom Nadelsitz 31 führt der Strömungsweg von einem – mit Bezug auf den Nadelsitz 31 – stromaufwärtigen Abschnitt der Aufnahme 29 über den Nadelsitz 31 zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27. In den stromaufwärtigen Abschnitt der Aufnahme 29 kann Brenngas hierbei – für das Ausbringen von Brenngas im Rahmen des Injektorbetriebs – über eine Hochdruck-Leitung des Kraftstoffinjektors 3 eingebracht werden (nicht dargestellt), zum Beispiel mit einem Druckniveau von 350 bar oder mehr.
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Für die Hubsteuerung der Kraftstoffinjektor-Düsennadeln 9, 21 während eines Injektorbetriebs, insbesondere sowohl der Gas-Düsennadeln 21 als auch der Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9, ist bevorzugt ein indirektes Steuerprinzip vorgesehen, wobei die Düsennadeln 9, 21 insbesondere hydraulisch gesteuert werden, d. h. insbesondere nach dem bekannten Prinzip Aktuator, Pilotventil, Steuerraum. Als Steuerfluid dient hierbei bevorzugt der an den Kraftstoffinjektor 3 versorgte Flüssigkraftstoff.
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Um die eingangs erwähnten Vorteile einer optimierten Strömungsführung von Brenngas an die in Umfangsrichtung A lediglich teilumfänglich verteilten Gas-Düsenöffnungen 27 zu erzielen, ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 3 weiterhin derart ausgebildet, dass eine jeweilige Aufnahme 29 an den Nadelsitz 31 angrenzend und sich axial davon in stromaufwärtiger Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu der axialen Mittelachse B durch die Gas-Düsennadel 21 gebildet ist, vergleiche zum Beispiel 1.
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Hierbei resultiert die Asymmetrie aus einer Querschnittserweiterung 33 der Aufnahme 29 an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 radial gegenüberliegenden Seite der Aufnahme 29 (welche Querschnittserweiterung 33 exemplarisch z. B. durch die gestrichelten Linien in 2 dargestellt ist, welche mögliche, z. B. eiförmige, Querschnitte der Querschnittserweiterung zeigen), so dass mittels der Querschnitterweiterung 33 ein größerer Brenngas-Massenstrom führbar ist als an der dazu entgegen gesetzten Gas-Düsenöffnungs-Seite 35. Mit der Querschnittserweiterung 33 ist zum Beispiel eine Massenstromaufteilung von 1/3 zu 2/3 zwischen der Gas-Düsenöffnungs-Seite 35 und der den Gas-Düsenöffnungen 27 radial gegenüberliegenden Seite der Querschnittserweiterung 33 erzielbar. Wie durch die Erfinder herausgefunden wurde, gelingt es mittels des mit der asymmetrischen Querschnittserweiterung 33 bereitgestellten Freiraums oberhalb des Nadelsitzes 31 vorteilhaft, Strömungsverluste signifikant zu reduzieren.
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Beachtlich ist im Rahmen der Erfindung weiterhin, dass die jeweilige Aufnahme 29 ausgeformt ist, einem seitens der Querschnittserweiterung 33 an den Nadelsitz 31 geführten Brenngas-Strom C mittels der Querschnittserweiterung 33 bereits stromaufwärts des Nadelsitzes 31 eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 orientierte Strömungsrichtung aufzuprägen, insbesondere mittels eines geeignet ausgeformten Auslaufendes 37 der Querschnittserweiterung 33. Für eine strömungsgünstige Brenngas-Führung an den Nadelsitz 31 und die Aufprägung der Strömungsrichtung ist die Querschnittserweiterung 33 ausströmseitig bzw. angrenzend an den Nadelsitz 31 bevorzugt bogen- oder schalenförmig gekrümmt gebildet, z. B. eine Parabelfläche ausbildend oder allgemein verrundet.
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Wie 2 mit Bezugszeichen 33a bezeichnet veranschaulicht, kann mit der Erfindung vorgesehen sein, dass eine jeweilige, zu einer Gas-Düsenöffnung 27 entgegengesetzt gebildete Querschnittserweiterung 33a mit einer dazu benachbarten Querschnittserweiterung 33a einer weiteren Gas-Düsenöffnung 27 zu einer gemeinsamen Querschnittserweiterung 33 zusammengeführt ist, insbesondere unter Aufspannen eines bogenförmigen, einhüllenden Querschnitts. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, s. Bz. 33b in 2, für eine jeweilige Gas-Düsenöffnung 27 eine als eigenständige Querschnittserweiterung 33b erkennbare Querschnittserweiterung 33 vorzusehen, welche z. B. gleichsam je einer Schussrinne hin zur korrespondierenden Gas-Düsenöffnung 27 gebildet sein können und je einen eigenen bogenförmigen Querschnitt aufspannen.
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Nachfolgend wird insbesondere mit Bezug auf die 3 mit 12 noch auf weitere Aspekte möglicher Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 3 eingegangen.
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3 veranschaulicht eine Teilansicht eines Kraftstoffinjektors 3, bei welchem eine Gas-Düsennadel 27 in einer erfindungsgemäß ausgestalteten, asymmetrischen Aufnahme 29 aufgenommen ist, wobei ein Düsenende der Aufnahme 29 ein Sackloch 39 ausbildet. Der Nadelsitz 31, gebildet mit einer angeschrägten Sitzfläche bzw. als Kegelsitz, ist unmittelbar über den Gas-Düsenöffnungen 27 gebildet, wobei mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 eine Sichtverbindung vom Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 zum Einlaufquerschnitt der radial entgegengesetzt angeordneten Gas-Düsenöffnung 27 ermöglicht ist. Einem über das Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 abströmenden Brenngasstrom C wird hierbei – mit der als Ausbauchung 41 an der Aufnahme 29 gebildeten Querschnitterweiterung 33 – eine Richtungskomponente aufgeprägt, welche geeignet ist, das Brenngas seitens der Querschnittserweiterung 33 möglichst tangential (mit Bezug auf die Einlaufrichtung der Gas-Düsenöffnung 27) bzw. achsparallel zur Mittelachse der Gas-Düsenöffnung 27 an bzw. in die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung 27 zu führen, insbesondere brennraumnah an das Einlaufende derselben, d. h. so dass ein störungsarmer Brenngaseinlauf ermöglicht ist. In 3 ist weiterhin ein Brenngasstrom D veranschaulicht, welcher an der Gas-Düsenöffnungs-Seite 35 an die Gas-Düsenöffnung 27 geführt ist.
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4 zeigt eine Ansicht eines analog zu 3 gebildeten Kraftstoffinjektors 3, wobei die Asymmetrie der Aufnahme 29 im Unterschied zu 3 nicht durch eine Querschnittserweiterung 33 in Form einer Ausbauchung 41 gebildet ist, sondern durch eine Querschnittserweiterung 33, welche sich ausgehend von der düsenseitigen Bogenform mit gleichbleibendem (Maximal-)Querschnitt 43 in Richtung zu einem düsenfernen Injektorende fortsetzt. Hierdurch wird das Volumen an der zu den Gas-Düsenöffnungen 27 entgegengesetzten Seite nochmals erhöht.
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5 zeigt eine Ausgestaltung eines Kraftstoffinjektors 3 mit weiter verbesserten Einlaufeigenschaften. Bei dieser Ausgestaltung, bei welcher der Kraftstoffinjektor 3 im Wesentlichen kein Sackloch aufweist, fluchtet eine an die Querschnittserweitung 33 grenzende Einlauffläche des Nadelsitzes 31 strömungsgünstig mit der an den Nadelsitz 31 grenzenden Auslauffläche 37 der Querschnittserweiterung 33. Hierbei bildet der Nadelsitz 31 eine angeschrägte Sitzfläche aus, welche die Querschnittserweiterung 33 im Wesentlichen mit der aufgeprägten Strömungsrichtung auch fortsetzt. Auch bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft eine wie vorstehend erörterte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vom Nadelsitz 31 etabliert, so dass eine strömungsungünstige Beeinflussung des von der Querschnittserweiterung 33 hin zu der radial entgegen gesetzt gebildeten wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 geführten Brenngasstroms durch Eintauchen der Gas-Düsennadel 21 dort hinein weitgehend vermieden ist.
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6 veranschaulicht einen Kraftstoffinjektor 3 gemäß 5, wobei die Querschnittserweiterung 33 wiederum nicht als Ausbauchung 41 sondern im Unterschied dazu mit abschnittsweise gleich bleibendem Querschnitt 43 analog zu 4 gebildet ist.
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7 veranschaulicht nunmehr einen Kraftstoffinjektor 3, bei welchem die Gas-Düsennadel 21 an einem Düsenende 45 gegenüber vorstehend erläuterten Ausgestaltungen nach 3 bis 6 abgeflacht ist, so dass die Strömungsstörung durch Umlenkung um das Ende 45 der Gas-Düsennadel 21 herum weiter minimiert ist. Mit Abflachung der Gas-Düsennadel 21 kann weiterhin eine strömungsgünstige, vom Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 an den Einlaufquerschnitt der radial dazu entgegen gesetzt gebildeten wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 führende Gefällestrecke 47 geschaffen werden, welche gleichbleibende Steigung bzw. Neigung aufweist und möglichst bzw. im Wesentlichen tangential an die Gas-Düsenöffnung 27 führt. Wie bei den Ausgestaltungen nach 5 bis 6 ist die Aufnahme 29 hierbei ausgeformt, einen seitens der Querschnittserweiterung 33 an den Nadelsitz 31 und darüber bis zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 geführten Brenngas-Strom entlang dieses Strömungswegabschnitts ohne Gefällestufen zu führen, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung.
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Auch hierbei ist die angestrebte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 gegeben.
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8 zeigt einen Kraftstoffinjektor 3 mit einer analog zu 4 oder 6 gebildeten Querschnittserweiterung 33.
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9 veranschaulicht nunmehr einen Kraftstoffinjektor 3, bei welchem auch die Gas-Düsennadel 21 an einem düsenseitigen Ende 45 asymmetrisch geformt ist. Hierbei ist die strömungsleitende Schrägfläche 49a an der Gas-Düsenöffnungs-Seite 35 der Gas-Düsennadel 21 gegenüber der entgegengesetzten strömungsleitenden Schrägfläche 49b, entlang welcher der Brenngasstrom C geführt wird, welcher seitens der Querschnittserweiterung 33 strömt, im Hinblick auf ihre radiale Erstreckung verkürzt. Derart wird der seitens der Querschnittserweiterung 33 abströmende Brenngasstrom C bis unmittelbar an den Einlaufquerschnitt der entgegengesetzt dazu gebildeten Gasdüsenöffnung 27 geführt und dabei erst unmittelbar vor dem Eintritt in die Gas-Düsenöffnung 27 mit dem weiteren Brenngasstrom D an der Gas-Düsenöffnungs-Seite 35 zusammengebracht, so dass eine Strömungsstörung aufgrund der sich vereinigenden Teilströme C, D weiter minimiert ist. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Verdrehsicherung 51 vorgesehen, welche beispielsweise mit einer Nut-Feder-Verbindung realisiert ist und die Gas-Düsennadel 21 in der vorgesehenen, gezeigten Rotationsstellung hält.
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10 zeigt eine Ausgestaltung gemäß 9 mit dem Unterschied, dass sich die Querschnittserweiterung 33 analog zu 4, 6 und 8 mit maximalem Querschnitt 43 über einen Abschnitt hin zum stromaufwärtigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 fortsetzt.
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11 veranschaulicht nunmehr eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors 3, welche insbesondere auf einer Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors nach 9 und 10 fußt und bei welcher die Gas-Düsennadel 21 an der zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 radial entgegen gesetzten Seite eine strömungsleitende Anformung 53 in Form einer Ausbauchung aufweist, welche in der Querschnittserweiterung 33 aufgenommen ist. Hierbei ist die Anformung 53, welche einen partiell verrundeten Endabschnitt an der Gas-Düsennadel 21 bereitstellt, insbesondere geeignet, den Brenngasstrom C strömungsgünstig um den querschnittserweiterungsseitigen Endabschnitt der Gas-Düsennadel 21 herumzuführen.
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12 zeigt wiederum eine Ausgestaltung gemäß 11 mit dem Unterschied, dass sich die Querschnittserweiterung 33 analog zu 4, 6, 8 und 10 mit maximalem Querschnitt 43 über einen Abschnitt hin zum stromaufwärtigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 fortsetzt.
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Angemerkt sei abschließend noch, dass ersichtlich auch die Ausgestaltungen nach den 9 bis 12 eine wie oben erörterte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vorsehen, wobei die Ausgestaltungen nach 11 und 12 äußerst strömungsgünstigste Lösungen darstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- düsenseitiger Endabschnitt
- 3
- Kraftstoffinjektor
- 5
- Injektorgehäuse
- 7
- Düsenkörper
- 9
- Flüssigkraftstoff-Düsennadel
- 11
- erstes Modul
- 13
- Axialbohrung
- 15
- Ventilsitz
- 17
- Spritzloch
- 19
- zweites Modul
- 21
- Gas-Düsennadel
- 23
- Gas-Düsenanordnung
- 23a
- Gas-Düsenanordnung
- 23b
- Gas-Düsenanordnung
- 25
- Düsenende
- 27
- Gas-Düsenöffnung
- 29
- Aufnahme
- 31
- Nadelsitz
- 33
- Querschnittserweiterung
- 33a
- Querschnittserweiterung
- 33b
- Querschnittserweiterung
- 35
- Gas-Düsenöffnungs-Seite
- 37
- Auslaufende
- 39
- Sackloch
- 41
- Ausbauchung
- 43
- Querschnitt
- 45
- Ende
- 47
- Gefällestrecke
- 49a
- Schrägfläche
- 49b
- Schrägfläche
- 51
- Verdrehsicherung
- 53
- Anformung
- A
- Umfangsrichtung
- B
- Mittelachse
- C
- Brenngasstrom mit aufgeprägter Strömungsrichtung
- D
- Brenngasstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0091159 A1 [0003]
