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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Injektoranordnung mit einem Gasinjektor mit signifikant reduzierter Wärmeproblematik.
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Insbesondere aufgrund von Kostenvorteilen werden in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe für Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Fahrzeugen, verwendet. Hierbei wird insbesondere die sog. Direkteinblasung bevorzugt, bei der gasförmiger Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen wird. Hierdurch entsteht jedoch eine große Wärmebelastung der Gasinjektoren. Aufgrund der hohen abzudichtenden Drücke bei gasförmigen Kraftstoffen wäre eine Verwendung von Elastomerdichtstoffen hierbei zielführend. Allerdings sind die Elastomerdichtstoffe bei den hohen Temperaturen wenig geeignet bzw. sind sehr teuere Elastomer-Spezialwerkstoffe notwendig, welche die Gasinjektoren signifikant verteuern. Da bei Gasinjektoren eine Wandbenetzung nicht zu Ablagerungen und Rußbildung führt, können theoretisch verschiedenste Ventilsitzgeometrien vorgesehen werden. Je nach Geometrieausgestaltung ist es hierbei jedoch auch möglich, dass zusätzliche Wärme aus dem Brennraum am Gasinjektor aufgenommen wird. Es wäre daher wünschenswert, ein einfaches und kostengünstiges Kühlkonzept für Gasinjektoren zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Injektoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Temperatur an einem Gasinjektor während des Betriebes signifikant reduziert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Ventilsitz und ein Ventilglied umfasst, welches einen Durchlass am Ventilsitz freigibt und verschließt. Das Ventilglied ist beispielsweise eine Ventilnadel. Weiterhin ist ein Strahlformungselement vorgesehen, welches in Durchströmungsrichtung des Durchlasses am Ventilsitz nach dem Ventilsitz angeordnet ist. Dabei ist das Strahlformungselement geometrisch derart ausgebildet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kraftstoffs erhöht ist. Durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sinkt der Druck des gasförmigen Kraftstoffs nach dem freigegebenen Durchlass und insbesondere sinkt auch die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs. Dadurch wird eine exzellente Kühlungswirkung während des Betriebes des Gasinjektors erreicht. Somit kann erfindungsgemäß der Gasinjektor effektiv und brennraumnah gekühlt werden. Somit wird erfindungsgemäß durch das Strahlformungselement neben der Funktion einer Strahlformung des gasförmigen Kraftstoffs auch eine Kühlungswirkung erreicht. Dabei kann die Temperatur im Bereich der zum Brennraum ragenden Spitze des Gasinjektors derart weit heruntergekühlt werden, dass auch die Verwendung von elastomeren Dichtstoffen möglich ist. Somit kann eine besonders effektive und sichere Abdichtung des Gasinjektors ermöglicht werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist der Strahlformungsbereich einen sich in Durchströmungsrichtung verjüngenden Bereich, insbesondere kegelförmigen Bereich, auf. Durch diese geometrische Ausgestaltung kann gezielt ein Temperaturverlauf an den Bauteilen des Gasinjektors, an welchem das Gas vorbeiströmt, beeinflusst werden.
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Weiter bevorzugt weist das Strahlformungselement einen sich erweiternden Bereich auf, welcher sich insbesondere konisch erweitert. Der sich erweiternde Bereich ist dabei in Durchströmungsrichtung dem sich verjüngenden Bereich nachgeschaltet. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausbildung des Strahlformungselements in Form einer Lavaldüse. Hierbei wird das hindurchgeführte Gas bevorzugt auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und eine besonders gute Kühlung des Gases erreicht. Ferner ergeben sich hierdurch Vorteile beim Einblasvorgang und der der Erzeugung eines Einblasstrahls in einen Brennraum oder dgl.
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Weiter bevorzugt weist das Strahlformungselement einen Umlenkbereich mit einem Winkel von 90° oder mehr auf. Durch diese Umlenkung wird ebenfalls eine Beschleunigung des Gases erreicht und damit eine Druckreduzierung und eine Temperaturreduzierung des Gases, so dass eine Kühlung von benachbarten Bauteilen des Gasinjektors möglich ist. Das Strahlformungselement kann dabei ausschließlich aus dem Umlenkbereich bestehen oder zusätzlich neben dem sich verjüngenden und sich erweiternden Bereich einen Umlenkbereich aufweisen.
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Für eine definierte Strahlformung ist dem Umlenkbereich des Strahlformungselements vorzugsweise ein Ringbereich nachgeschaltet.
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Weiter bevorzugt umfasst das Strahlformungselement einen Wärmeleitring. Der Wärmeleitring dient zur Ableitung von Wärme vom Strahlformungselement. Der Wärmeleitring ist vorzugsweise ein Teflonring und besonders bevorzugt an einem Außenumfang des Strahlformungselements angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist das Strahlformungselement geometrisch derart ausgebildet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit im Strahlformungselement größer oder gleich einer Schallgeschwindigkeit ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Strahlformungselement eine Vielzahl von Düsen, insbesondere mit kleinem Durchmesser. Die kleinen Düsen sind dabei bevorzugt in einem Bodenbereich des Strahlformungselements angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Vielzahl von kleinen Düsen jeweils auf Kreisringen im Boden angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist das Strahlformungselement ein separates Bauteil, welches am Gasinjektor fixiert ist. Hierdurch kann eine individuelle Herstellung von Strahlformungselementen für verschiedene Hersteller von Brennkraftmaschinen bereitgestellt werden. Dabei kann insbesondere ein standardisierter Gasinjektor verwendet werden und jeweils nur das separate Strahlformungselement ausgetauscht werden.
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Alternativ ist das Strahlformungselement einteilig mit einem Bauteil des Gasinjektors, z.B. einem Gehäuse des Gasinjektors, ausgebildet. Dadurch kann eine Teileanzahl des Gasinjektors reduziert werden.
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Besonders bevorzugt kann aufgrund der Temperaturabsenkung im Bereich der Spitze des Gasinjektors ein Ventilsitz mit wenigstens einem Elastomerbauteil zur Abdichtung abgeordnet werden. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Abdichtung der hohen Drücke des gasförmigen Kraftstoffs möglich.
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Weiter bevorzugt umfasst die Injektoranordnung ferner einen Flüssigkeitsinjektor, welcher einen flüssigen Kraftstoff, insbesondere Benzin oder Ethanol, einspritzt.
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Der Gasinjektor ist weiter bevorzugt ein nach außen öffnender Injektor. Alternativ ist der Gasinjektor ein nach innen öffnender Injektor.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Injektoranordnung. Die Injektoranordnung ist vorzugsweise unmittelbar an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Somit ist die Injektoranordnung eine direkteinblasende Injektoranordnung.
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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 ist:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Injektoranordnung,
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2 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors der Injektoranordnung von 1 im geschlossenen Zustand,
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3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors einer Injektoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand,
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4 eine schematische Teilschnittdarstellung des Gasinjektors von 3 im geöffneten Zustand, und
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5 eine perspektivische, schematische Ansicht einer Injektoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Brennkraftmaschine 101 mit einer erfindungsgemäßen Injektoranordnung 1 im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 101 einen Gasinjektor 2 und einen Kraftstoffinjektor 11 für flüssigen Kraftstoff. Der Gasinjektor 2 und der Kraftstoffinjektor 11 sind in einem Zylinderkopf 13 der Brennkraftmaschine angeordnet. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet dabei einen Brennraum. Der Gasinjektor 2 und der Kraftstoffinjektor 11 sind dabei direkt am Brennraum 12 angeordnet und spritzen bzw. blasen den Kraftstoff direkt in den Brennraum 12 ein.
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2 zeigt im Detail den Gasinjektor 2. Der Gasinjektor 2 umfasst einen Ventilsitz 3 an einem Ventilkörper 14 und ein Ventilglied 4 in Form einer Ventilnadel. Das Ventilglied 4 ist dabei ein nach außen öffnendes Ventilglied. 2 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasinjektors.
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Das Ventilglied 4 wird mittels eines nicht gezeigten Aktors betätigt, um einen Durchlass 5 zwischen dem Ventilglied 4 und dem Ventilsitz 3 freizugeben. Dadurch kann gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum 12 eingeblasen werden.
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Der Gasinjektor 2 umfasst ferner ein Strahlformungselement 6, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein separates Bauteil ist. Das Strahlformungselement 6 ist im Wesentlichen hülsenförmig und weist einen sich verjüngenden Bereich 60 und einen sich erweiternden Bereich 61 auf. Dabei ist der sich erweiternde Bereich 61 in Durchströmungsrichtung A nach dem sich verjüngenden Bereich 60 angeordnet. Das Strahlformungselement 6 des ersten Ausführungsbeispiels weist somit die Form einer Lavaldüse auf.
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Zur besseren Wärmeübertragung vom Strahlformungselement 6 auf den Zylinderkopf 13 ist ferner noch ein Wärmeleitring 7 am Außenumfang des Strahlformungselements 6 angeordnet.
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Im Betrieb wird beim Öffnen das Gasinjektors 2 das durch den Durchlass 5 strömende Gas am sich verjüngenden Bereich 60 beschleunigt. Dadurch sinkt der Druck und insbesondere sinkt auch die Temperatur des Gases. Durch die Ausbildung des Strahlformungselements 6 in Form einer Lavaldüse, bei der eine Querschnittsfläche an jeder Stelle in Axialrichtung X-X kreisförmig ist, wird der gasförmige Kraftstoff auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Somit kann eine Temperatur des Strahlformungselements 6, welche den heißen Gasen im Brennraum 12 direkt ausgesetzt ist, reduziert werden. Die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs während des Einblasevorgangs kann dabei erheblich abgesenkt werden. Da das Strahlformungselement 6 auch mit dem Ventilkörper 14 in Kontakt steht, wird auch der Ventilkörper 14 gekühlt sowie auch die weiteren Bauteile des Gasinjektors 2, und insbesondere am Ventilsitz 3.
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Erfindungsgemäß ist somit im Betrieb des Gasinjektors 2 eine effektive und brennraumnahe Kühlung von Bauteilen des Gasinjektors 2, welche den Brenngasen aus dem Brennraum 12 direkt ausgesetzt sind oder in nächster Nähe zum Brennraum angeordnet sind, möglich.
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Als Brennstoff der Brennkraftmaschine 101 kann dabei Erdgas oder Wasserstoff verwendet werden. Der Ventilsitz 3 dieses Ausführungsbeispiels ist ein metallischer Ventilsitz. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr bzw. Kühlung durch den sich beschleunigenden gasförmigen Kraftstoff wäre es jedoch auch möglich, dass eine Elastomerdichtung verwendet wird.
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Die 3 und 4 zeigen eine Injektoranordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus dem in 3 dargestellten geschlossenen Zustand ersichtlich ist, ist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein Elastomerbauteil 10 als Dichtelement am Ventilglied 4 angeordnet. Das Elastomerbauteil 10 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Dichtring mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt, welcher am Ventilkörper 14 fixiert ist.
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Das Strahlformungselement 6 des zweiten Ausführungsbeispiels ist eine Hülse, welche am Außenumfang des Ventilkörpers 14 fixiert ist. Das Ventilglied 4 ist im Schnitt im Wesentlichen T-förmig ausgebildet, wobei das Ventilglied 4 im Wesentlichen einen flachen Ventilteller 40 aufweist. Hierbei bilden die Randbereiche des Ventiltellers 4 einen Umlenkbereich 62.
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Wie aus der in 4 gezeigten geöffneten Stellung des Gasinjektors 2 ersichtlich ist, strömt das Gas durch den freigegebenen Durchlass 5 gegen die Innenwandung des hülsenförmigen Strahlformungselements 6 und wird dort um 90° umgelenkt. Ausgehend von diesem Umlenkbereich strömt das Gas dann durch einen Ringbereich 63 zwischen dem Seitenbereich des Ventiltellers 40 und dem hülsenförmigen Strahlformungselement 6 in den Brennraum 12. Dabei ergibt sich im Ringbereich 63 ein Überschallgebiet 15, so dass die Temperatur insbesondere im Bereich des Ventiltellers 40 des Ventilglieds 4 und am Strahlformungselement 6 signifikant reduziert werden kann. Diese Temperaturabsenkung durch Beschleunigung des gasförmigen Kraftstoffs ermöglicht es auch, dass das Elastomerbauteil 10 zur Abdichtung verwendet wird.
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5 zeigt einen Gasinjektor 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gasinjektor 2 des dritten Ausführungsbeispiels weist ein im Wesentlichen topfförmiges Strahlformungselement 6 auf. In einem Bodenbereich 64 des Strahlformungselements 6 sind eine Vielzahl von Spritzlöchern 65 angeordnet. Wie aus 5 ersichtlich ist, sind die Spritzlöcher 65 in diesem Ausführungsbeispiel auf drei Spritzlochkreisen angeordnet, welche konzentrisch zur Mittelachse X-X vorgesehen sind. Durch diese Vielzahl von kleinen Spritzlöchern 65 kann eine deutlich größere Durchtrittsoberfläche als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erhalten werden. Hierdurch kann eine verbesserte Kühlung des Strahlformungselements 6 und der mit dem Strahlformungselement 6 verbundenen Bauteile des Gasinjektors 2, insbesondere im zum Brennraum 12 gerichteten Bereich des Gasinjektors 2 erreicht werden. Ein weiterer Vorteil des topfförmigen Strahlformungselements 6 liegt darin, dass keine heißen Brennraumgase direkt an den Ventilsitz und das Ventilglied gelangen können. Somit sind diese Bauteile des Gasinjektors thermisch besser vor den heißen Brennraumgasen geschützt. Die Spritzlöcher 65 sind vorzugsweise ebenfalls mit einem sich verjüngenden Bereichen und einem sich erweiternden Bereich entsprechend einer Lavaldüse vorgesehen. Dabei weist der Bodenbereich 64 eine relativ große Dicke auf, so dass lange Spritzlöcher 65 vorhanden sind, in denen eine ausreichende Kühlung möglich ist.
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Weiter bevorzugt sind auf dem Bodenbereich 64 an der zum Brennraum gerichteten Seite ferner eine thermische Schutzschicht vorgesehen, wodurch ein Wärmeeintrag in den Gasinjektor 2 weiter minimiert werden kann.
