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Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff zu betreibende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Injektor weist ein Düsengehäuse, eine Düsennadel und einen Düsensitz auf, wobei die Düsennadel einen endseitig angeordneten Düsenkopf aufweist, der eine umlaufende Dichtfläche besitzt, welche mit dem Düsensitz dichtend zur Anlage bringbar ist.
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Brennkraftmaschinen dienen dazu, die in einem Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Hierzu weisen Brennkraftmaschinen wenigstens einen Brennraum auf, in dem der jeweilige Kraftstoff verbrannt wird. Die bei der Verbrennung entstehende Volumenausdehnung wird anschließend in eine rotatorische Drehbewegung übersetzt. Neben den in flüssiger Form vorliegenden Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, Diesel, Flüssiggas (= Autogas, LPG) oder Flüssigerdgas (LNG) finden auch andere als Gas vorliegende Kraftstoffe Verwendung, beispielsweise in Form von verdichtetem Erdgas (CNG) oder von Wasserstoff (H2). Um ein zündfähiges und effizientes Gemisch für den Verbrennungsvorgang zu erhalten, wird der jeweilige Kraftstoff vor seiner Verbrennung mit Umgebungsluft, insbesondere mit dem darin enthaltenen Sauerstoff (O2) vermischt.
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War es insbesondere bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen bis vor einiger Zeit noch üblich, das gewünschte Gemisch mittels eines Vergasers außerhalb des Brennraums bereitzustellen, herrschen heute moderne Einspritzsysteme vor, welche den Kraftstoff direkt in den bereits mit Luft befüllten Brennraum einbringen. Auf diese Weise findet die Gemischbildung nunmehr nahezu ausschließlich innerhalb des Brennraums statt. Insofern unterscheiden sich die Brennkraftmaschinen heutiger Kraftfahrzeuge im Wesentlichen nur noch in Fremdzünder und Selbstzünder. Dabei gelten Ottomotoren als Fremdzünder. Bei ihnen wird das im Brennraum befindliche Gemisch zunächst verdichtet und anschließend fremd gezündet, beispielsweise über eine Zündkerze. Demgegenüber werden Dieselmotoren als Selbstzünder bezeichnet. Bei ihnen konzentriert sich die Verdichtung auf die dem Brennraum zugeführte Luft, welche hierdurch einen raschen Temperaturanstieg erfährt. Die dabei erzeugte Temperatur ist ausreichend, um den anschließend in die komprimierte Luft einzuspritzenden Diesel-Kraftstoff selbst zu entzünden.
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Um bei als Hubkolbenmotor arbeitenden Brennkraftmaschinen einen möglichst raschen intermittierenden Ladungswechsel innerhalb des Brennraums zwischen bei der Verbrennung entstehendem Abgas und frischem zündfähigen Gemisch zu erhalten, muss der Brennraum in geeigneter Weise abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. In diesem Zusammenhang hat sich die Anordnung von federbelasteten Tellerventilen etabliert, welche einen ausreichenden Öffnungsquerschnitt für die erforderlichen Ein- oder Auslässe zur Verfügung stellen. Hierzu weist der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine wenigstens einen Einlasskanal für das Frischgas und einen Auslasskanal für das Abgas auf, welche jeweils fluidleitend mit der zugehörigen Brennkammer verbunden sind. Deren Öffnungen werden durch je ein Tellerventil verschlossen, welches hierfür einen Ventilschaft mit einem endseitig an diesem angeordneten Ventilkopf besitzt.
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Die
JP S61-229908 A offenbart beispielsweise einen Motor, der in jedem Zylinder zwei Einlassventile aufweist. Jedes Einlassventil weist einen jeweils unabhängigen Einlasspfad und an seinem Kopfbereich mehrere Rippen auf.
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Die direkte Einspritzung von gasförmigen Kraftstoffen ist dabei wichtig, um den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs zu senken und die Abgasemissionen zu reduzieren. Dabei ist die Herstellung einer geeigneten Mischung aus Luft und gasförmigen Kraftstoff wie CNG oder einem anderen Gas im Brennraum jedoch schwierig, da der hohe Impuls eines Flüssigkeitsstrahls fehlt. Eine schnelle und gute Durchmischung ist aber wichtig für eine optimale Verbrennung.
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Injektoren bzw. Einspritzdüsen für eine direkte Einspritzung von gasförmigen Kraftstoffen sind oftmals als nach außen weisende Öffnungsventile ausgestaltet. Dabei erzeugt eine übliche Ausgestaltung von nach außen öffnenden Injektoren zunächst einen kegelförmigen Gasstrom, welcher sich durch den ringförmigen Ringspalt zwischen einem kegelstumpfförmigem Düsenkopf und dem Düsensitz ausbildet. Aufgrund der Impulsübertragung des Gasstroms auf die Verbrennungsluft kommt es zu einem lokalen Abfall des statischen Drucks, wodurch sich die Geometrie des Gasstroms nachteilig verändern kann. Hierdurch fällt der Gasstrom unterhalb des Düsenkopfes entweder zu einem einwärts gezogenen, geraden Strom zusammen, oder wird so weit aufgefächert, dass dieser an der Zylinderwand des Brennraums entlang streicht. Das jeweilige Verhalten des Gasstroms hinsichtlich seiner Geometrie ist abhängig von der Ausgestaltung des Düsenkopfes des Injektors. Insbesondere der Kegelwinkel des den Düsenkopf umgebenden Randbereichs ist hierbei ausschlaggebend, wobei der Gasstrom bei großem Kegelwinkel nach außen bricht, während er bei einem kleinen Kegelwinkel nach innen kollabiert. Zwischen dem jeweiligen Verhalten des Gasstroms gibt es einen Übergangswert für den Kegelwinkel des Randbereichs.
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Die optimale Ausrichtung des Kraftstoffstrahls ist kritisch, da der Strahl einerseits nicht in Kontakt mit der Wand der Brennkammer kommen soll und andererseits aber auch nicht im Zentrum kollabieren soll. Dabei wird der Strahl beeinflusst durch Kammerdruck, Einlassdruck, Temperatur, die genaue Nadelposition, etc. In bekannten Ausführungsformen wird beispielsweise ein relativ schmaler Strahl erzeugt, um sicher zu gehen, dass dieser in sich zusammenfällt, da eine Wandberührung wesentliche kritischer ist als ein kollabierender Strahl. Eine solche Kraftstoffahne ist in 2 dargestellt. Bei vielen Ausgestaltungen von solchen Injektoren ist der Düsensitz mit einer „Schulter“ ausgeführt, um den gasförmigen Kraftstoffstrahl nach außen gerichtet in die Brennkammer zu leiten. Diese Schulter und der Injektor können achsensymmetrisch ausgeführt sein.
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Aus der
US 2007/0240696 A1 geht beispielsweise ein Tellerventil hervor, welches trotz gleicher Abmessungen einen gegenüber konventionellen Ausgestaltungen größeren effektiven Öffnungsquerschnitt für das ein- oder ausströmende Gas aufweist. Hierzu ist dessen Ventilkopf zweigeteilt, wobei dieser ein äußeres Kopfteil und ein innerhalb des äußeren Kopfteils drehbar gelagerten inneren Kopfteil besitzt. Beide Kopfteile weisen Ventilöffnungen auf, welche durch Verdrehen der beiden Kopfteile relativ zueinander zumindest bereichsweise zueinander fluchtend ausrichtbar sind. Auf diese Weise können die Ventilöffnungen fluidleitend verbunden werden, wobei sie einen gemeinsamen Durchgang durch den Ventilkopf hindurch bilden. So kann der beim linearen Verlagern des Tellerventils aus dem Ventilsitz heraus entstehende Ringspalt in seiner Öffnungsfläche vergrößert werden, indem die lineare Verlagerung mit einer entsprechenden relativen Verdrehung der beiden Kopfteile zueinander einhergeht.
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Die
DE 10 2012 216 141 A1 beschreibt eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine mit einem Düsenkörper, der eine Öffnung aufweist, innerhalb der eine Düsennadel beweglich ist. Bewegt sich die Düsennadel in Richtung des Brennraums, ergibt sich ein Ringspalt zwischen Düsenkörper und Düsennadel. Um entlang des Ringspalts unterschiedliche Einspritzbedingungen zu realisieren, ist auf den zum Kraftstoff hinweisenden Oberflächen des Düsenkörpers und/oder der Düsennadel wenigstens ein Leitelement vorgesehen, welches von der jeweiligen Oberfläche absteht.
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Es sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen eine Schulter am Ventilsitz und/oder ein Ventil nicht achsensymmetrisch bezüglich der Längsachse der Einspritzdüse ausgeführt sind. Beispielsweise offenbart die
US 8,950,694 B2 eine Einspritzdüse mit einem Ventil, wobei die Einspritzdüse einen Düsenkörper mit einer axialen Bohrung aufweist, in der sich das Ventil hin und her bewegt. Diese axiale Bohrung ist durch eine Verengung in zwei getrennte Kraftstoffkammern aufgeteilt. Ein Kraftstoff/Luft-Gemisch wird durch die zwei Kraftstoffkammern geführt und verlässt die Bohrung an ihrem offenen Ende, wobei diese Öffnung zur gezielten Ausformung eines Strahls eine Schulter aufweist. Der Öffnungswinkel dieser Schulter kann über den Umfang der Bohrungsöffnung variieren, so dass ein Kraftstoffstrahl entsteht, der nicht achsensymmetrisch ist. Dabei kann der Öffnungswinkel beispielsweise zwischen 0° und 90° variieren, und die Fläche der Schulter kann gerade oder gewölbt sein. Auch eine über den Umfang der Öffnung gewellt verlaufende Oberfläche kann gewählt werden.
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Aus der
DE 10 2015 208 070 B3 ist ferner ein Tellerventil für einen mit komprimiertem Erdgas zu betreibenden Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Dichtfläche des Ventilkopfes einen Randbereich mit einzelnen Teilflächen aufweist, die von dem restlichen Randbereich abweichend ausgebildet sind. Insbesondere variiert dabei die Neigung der Teilflächen, die vom Kegelwinkel der restlichen Fläche des Randbereiches abweicht. Dabei ist der Neigungswinkel kleiner als der Kegelwinkel der restlichen Fläche des Randbereiches. Hierdurch werden beim Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff Teile dieses Gasstroms an den geneigten Teilflächen weiter unterhalb des Ventilkopfes geleitet, während die den Kegelwinkel des restlichen Randbereiches passierenden Teile des Gasstroms weiter nach außen gelenkt werden. Auf diese Weise kann eine Art welliger Verlauf des Gasstroms erzeugt werden, um dessen Stabilität zu erhöhen.
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Die
WO 2002/033248 A2 offenbart eine Einspritzdüse mit einer Ventilnadel, die einen Ventilschließkörper aufweist, der an einer Ventilsitzfläche in dichtender Anlage gehalten wird. Die Ventilnadel weist an ihrem unteren Ende einen sich aufweitenden Fortsatz auf. Hebt sich der Ventilschließkörper für ein Öffnen der Düse von dem Ventilsitz ab, strömt Kraftstoff an dem Ventilschließkörper vorbei zu einer Öffnung. Am unteren Ende der Ventilnadel sind mehrere Drallkanäle vorgesehen, durch welche der Kraftstoff durch die Öffnung hindurch versprüht wird. Diese Drallkanäle verlaufen in einem Winkel von 90° zur Längsachse der Ventilnadel und können als Bohrungen oder Schlitze eingebracht sein. Ergänzend können strömungsführende Elemente in einer Anlagefläche des trichterförmigen Ventilsitzes vorgesehen sein.
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Aus der
US 8,919,677 B2 ist eine Einspritzdüse mit einer Ventilnadel bekannt, deren Ventilkopf an einem inneren Ventilsitz zur Anlage kommt, der sich am unteren Ende eines Sacklochs befindet, in dem sich die Ventilnadel hin und her bewegt. In diesem trichterförmigen Ende des Sacklochs sind mehrere seitwärts gerichtete Bohrungen vorgesehen, durch welche der Kraftstoff ausgesprüht wird, wenn sich der Ventilkopf von dem Ventilsitz abhebt. Auch die
JP 06147057 A offenbart eine solche Einspritzdüse mit mehreren Bohrungen im Ventilsitz zum seitlichen Aussprühen des Kraftstoffs. Dabei verlaufen einige Bohrungen radial durch die Längsachse der Ventilnadel, während die Längsachsen anderer Bohrungen nicht durch die Längsachse der Ventilnadel verlaufen. Die
EP 1 124 057 A2 offenbart eine ähnlich aufgebaute Einspritzdüse, wobei im unteren Ende eines Sacklochs jedoch nur eine Bohrung vorgesehen ist, deren Längsachse leicht schräg in einem Winkel zur Längsachse der Ventilnadel verläuft.
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Die
US 6,799,733 B1 offenbart eine Einspritzdüse für komprimiertes Erdgas (CNG), die eine Ventilnadel in einem trichterförmigen Ventilsitz aufweist. In der Oberfläche dieses Ventilsitzes sind mehrere Kanäle vorgesehen, die in verschiedenen Abständen zur Ventilöffnung liegen können. Die Kanäle verlaufen schräg in einem Winkel zur Längsachse der Ventilnadel, wobei sich die Längsachsen der Kanäle vorzugsweise in einem Punkt auf der Längsachse der Ventilnadel schneiden. Die Anzahl der Kanäle, der Querschnitt der Kanäle, der Winkel und der Abstand der Kanäle bezüglich der Längsachse der Ventilnadel können variiert werden.
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Die
US 6,029,913 A offenbart ebenfalls Einspritzdüsen für die Zuführung von Kraftstoff zu einem Zylinder eines Verbrennungsmotors. Auch diese Einspritzdüse weist eine Ventilnadel in einem trichterförmigen Ventilsitz auf. In dem Ventilsitz sind mehrere gekrümmte Kanäle ausgebildet, um den Kraftstoff zu verwirbeln.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Ausgestaltung von Injektoren Verbrennungsmotoren jedoch noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, der eine für die Verbrennung von gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffen besser geeignete Kraftstofffahne erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich. Ferner wird die Erfindung im Folgenden insbesondere anhand von Injektoren in Form von Einspritzdüsen beschrieben. Die Erfindung könnte jedoch beispielsweise auch bei Tellerventilen eingesetzt werden, so dass die Beschreibung der Merkmale der Erfindung analog auch auf Tellerventile bezogen werden kann. Unter einen Injektor im Sinne der Erfindung können also sowohl Einspritzdüsen als auch Tellerventile fallen.
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Der erfindungsgemäße Injektor für eine mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoff zu betreibende Brennkraftmaschine weist ein Düsengehäuse, eine Düsennadel und einen Düsensitz auf, wobei die Düsennadel einen endseitig angeordneten Düsenkopf aufweist, der eine umlaufende Dichtfläche besitzt. Diese Dichtfläche ist mit dem Ventilsitz dichtend zur Anlage bringbar. Durch eine Hin- und Herbewegung der Düsennadel schließt und öffnet sich der Injektor, indem die Dichtfläche des Düsenkopfes abwechselnd an den Düsensitz gedrückt und wieder von ihm gelöst wird, um temporär einen Spalt zum Austritt von Kraftstoff zu erzeugen.
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Das Düsengehäuse kann hierzu insbesondere eine Aufnahme aufweisen, in der sich die Düsennadel hin und her bewegt, wobei der Düsensitz an einer Auslassöffnung dieser Aufnahme angeordnet ist, und sich der äußere Randbereich des Düsensitzes zu dieser Auslassöffnung hin nach außen aufweitet.
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Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich beispielsweise um einen mit Erdgas (z.B. verdichtetes Erdgas CNG) betriebenen Ottomotor. Das erfindungsgemäße Tellerventil kann jedoch auch für andere Kraftstoffarten wie beispielsweise Flüssiggas (Autogas, LPG) oder Flüssigerdgas (LNG) eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß weitet sich ein äußerer Randbereich des Düsensitzes zu einer Auslassöffnung des Injektors hin nach außen auf, wobei die Oberfläche dieses Randbereiches in einem Aufweitungswinkel α zur Längsachse der Düsennadel verläuft, der über den Umfang des Randbereiches variiert. Der Aufweitungswinkel α kann dabei in verschiedenen Bereichen variieren. Beispielsweise kann er zwischen 0° und 90° variieren. Bei entsprechender Ausführung könnten jedoch auch Winkel <0° und >90° realisiert werden. Der jeweils bevorzugte Winkel hängt dabei im Wesentlichen von verschiedenen Randbedingungen ab. Hierzu zählt insbesondere die Geometrie der Brennkammer. Der Aufweitungswinkel α ist somit an verschiedenen Positionen auf dem Umfang des Randbereiches unterschiedlich. Auf diese Weise werden in einem Randbereich des Düsensitzes verschiedene Teilbereiche mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt, die den Kraftstoff ungleichmäßig aus dem Injektor entweichen lassen, da der Ringspalt zum Austritt des Kraftstoffs dadurch eine variierende Spaltbreite hat.
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Durch die Variation des Aufweitungswinkels α über den Umfang des Randbereiches des Düsensitzes ist dabei wenigstens ein lokal definiertes Leitelement ausgeformt, dessen Mittelachse die Längsachse der Düsennadel nicht schneidet. Somit verläuft wenigstens ein Leitelement nicht nur schräg in Bezug zu der Längsachse der Düsennadel, um den Kraftstoff nach außen aus dem Injektor austreten zu lassen, sondern wenigstens ein solches Leitelement verläuft auch schräg innerhalb des Randbereiches.
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Vorzugsweise ist der äußere Randbereich gegenüber dem Düsensitz nach außen oder innen abgewinkelt, wodurch sich eine Schulter ausbildet. Wenigstens ein lokal definiertes Leitelement verläuft schräg unter einem Neigungswinkel zu dieser Schulter, wobei der Winkel zwischen wenigstens einer Mittelachse eines lokal definierten Leitelementes und der Schulter im Bereich von 1-89°, und insbesondere von 30-85° liegt. Durch den Injektor strömender Kraftstoff wird dann im Bereich seiner Auslassöffnung nicht nur unter verschiedenen Aufweitungswinkeln α nach außen gelenkt, sondern auch seitwärts geführt, um so eine Rotation im Kraftstoff zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Erzeugung einer unregelmäßigen Kraftstofffahne unterstützt werden. Der Strahl wird am Austritt der Einspritzdüse instabil, was jedoch zu einer relativ stabilen konischen Kraftstofffahne unterhalb der Einspritzdüse führt. Hierdurch kann eine konische Kraftstofffahne erzeugt werden, die weder in sich kollabiert, noch an der Brennkammerwand anhaftet. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt ferner eine einfache und preiswerte Herstellung eines Injektors und verhindert effektiv Kraftstoffleckagen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, eine konische Kraftstofffahne auf eine nicht-achsensymmetrische Weise erzeugen zu können. Insbesondere kann eine Kraftstofffahne so verändert werden, dass eine Kraftstofffahne keinen runden Querschnitt hat. Die konische Kraftstofffahne ist dabei stabil.
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Die Funktion des Aufweitungswinkels α in Abhängigkeit vom Umfangswinkel β (α = f (β)) kann jegliche Formen und Verläufe des Randbereiches des Düsensitzes ausbilden. Beispielsweise können sinusförmige Verläufe, Schlitze, Vorsprünge und runde oder eckige Kerben erzeugt werden. Material kann entfernt oder hinzugefügt werden, wobei verschiedene Frequenzen und Abstände realisiert werden können. Der Querschnitt wenigstens eines Leitelementes kann beispielsweise rechteckig, rund oder oval sein.
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Beispielsweise können so wenigstens zwei lokal definierte Leitelemente in einem gleichmäßigen Winkelmaß voneinander beabstandet auf dem Randbereich des Düsensitzes herum angeordnet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung wird dabei wenigstens ein Leitelement durch zwei sprunghafte Änderungen des Aufweitungswinkels α erzeugt. Hierdurch kann ein lokal klar definierter Kanal oder Vorsprung ausgebildet werden.
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Die schräg verlaufenden Leitelemente zur Erzeugung einer Rotation im Kraftstoff können in die gleiche Richtung oder in unterschiedliche Richtungen verlaufen. Dabei können alle Leitelemente in die gleiche Richtung weisen, oder einzelne Leitelemente weisen in unterschiedliche Richtungen, um so die Turbulenzen zu erhöhen. In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Mittelachsen von wenigstens zwei lokal definierten Leitelementen daher in die gleiche Richtung, während die Mittelachsen von wenigstens zwei lokal definierten Leitelementen in einer anderen Ausführungsform der Erfindung in entgegen gesetzte Richtungen verlaufen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer schmalen Kraftstofffahne innerhalb einer Brennkammer. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1A einen schematischen Ausschnitt aus einer Brennkammer mit einer ersten Ausführungsform eines Injektors,
- 1B einen schematischen Ausschnitt aus einer Brennkammer mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Injektors,
- 3A einen schematischen Ausschnitt aus der Auslassöffnung eines Injektors mit einem sich aufweitenden Randbereich,
- 3B einen schematischen Querschnitt durch einen Injektor gemäß 3A,
- 4A einen sinusförmigen Verlauf des Aufweitungswinkels α eines Randbereiches eines Düsensitzes,
- 4B und 4C Verläufe des Aufweitungswinkels α eines Randbereiches eines Düsensitzes mit sprunghaften Übergängen zwischen Teilbereichen mit unterschiedlichem Aufweitungswinkel α,
- 4D einen Verlauf des Aufweitungswinkels α eines Randbereiches eines Düsensitzes als Kombination aus kontinuierlichen und sprunghaften Übergängen zwischen Teilbereichen mit unterschiedlichem Aufweitungswinkeln α,
- 5A einen Querschnitt durch einen Injektor mit Leitelementen in Form von Kanälen mit rechteckigem Querschnitt,
- 5B einen Querschnitt durch einen Injektor mit Leitelementen in Form von Vorsprüngen mit rechteckigem Querschnitt,
- 5C einen Querschnitt durch einen Injektor mit Leitelementen in Form von plattenförmigen Vorsprüngen,
- 5D einen Querschnitt durch einen Injektor mit Leitelementen in Form von Stäben mit rundem Querschnitt,
- 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Injektors mit geneigten Leitelementen,
- 7 einen schematischen Querschnitt durch einen Injektor gemäß 6,
- 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Injektors mit geneigten Leitelementen,
- 9 einen schematischen Querschnitt durch einen Injektor gemäß 8,
- 10 Kraftstofffahnen mit konischer und elliptischer Form, und
- 11 eine Kraftstofffahne mit unregelmäßiger Ausbildung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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In 1A ist schematisch ein Ausschnitt einer Auslassöffnung eines ersten Injektors gezeigt, wobei ein Teil einer Brennkammer 40 eines Verbrennungsmotors dargestellt ist, in welche mit dem Injektor in Form einer Einspritzdüse gasförmiger oder flüssiger Kraftstoff eingebracht wird. Bei dieser Brennkammer 40 handelt es sich um einen Zylinder eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors, wobei die Form des Zylinders 40 lediglich beispielhaft zu verstehen ist.
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Wie zu erkennen, stellt 1A eine angedeutete Einbausituation des Injektors in einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine dar, wobei lediglich eine Seitenwand 41 und eine Oberseite 42 der Brennkammer 40 angedeutet sind. Auch der Injektor im oberen Bereich der Brennkammer 40 ist nur teilweise dargestellt, wobei ein Ausschnitt aus einem linken Bereich gezeigt ist. Der Injektor weist ein Düsengehäuse 10 und eine Düsennadel 20 auf, die innerhalb des Düsengehäuses 10 hin und her bewegbar ist. Die Längsachse 30 der Düsennadel 20 ist mit der Bezugsziffer 30 gekennzeichnet und 1A zeigt einen Ausschnitt links dieser Längsachse 30. Die Düsennadel 20 bewegt sich innerhalb einer Aufnahme bzw. einer Bohrung 50, welche an ihrem unteren Ende, d. h. innerhalb der Brennkammer 40 eine Düsenöffnung 11 aufweist. Gasförmiger Kraftstoff kann von der gegenüber liegenden Seite in den Injektor eingebracht (nicht dargestellt) und durch die untere Düsenöffnung 11 in die Brennkammer 40 eingespritzt werden.
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Bei dem Injektor kann es sich um einen federbelastetens Injektor handeln. Die Düsennadel 20 des Injektors weist einen Düsenschaft 21 auf, der endseitig mit einem kegelförmigen Düsenkopf 22 versehen ist. Die Aufnahme 50 im Düsengehäuse 10 weitet sich im Bereich des Düsenkopfes 22 nach außen auf, wodurch in der dargestellten Ausführungsform eines Injektors ein Düsensitz 12 entsteht, an welchem eine Dichtfläche 24 des Düsenkopfes 22 zur Anlage bringbar ist. Im geschlossenen Zustand stützt sich der Düsenkopf 22 des federbelasteten Injektors über seine zumeist ringförmige Dichtfläche 24 an dem um die Auslassöffnung 51 herum angeordneten Düsensitz 12 ab. Da die bei der Verbrennung im Brennraum 40 entstehende Volumenausdehnung auch auf einen dem Brennraum 40 zugewandten Flächenbereich (Düsenteller 23) des Düsenkopfes 22 trifft, wird der Düsenkopf 22 - zusätzlich zu der auf ihn wirkenden Federkraft - gegen den Düsensitz 12 gepresst. Auf diese Weise wirkt der Injektor selbstschließend, so dass keine weiteren Kräfte notwendig sind, um dieses während der Verbrennung geschlossen zu halten. Demgegenüber erfolgt das Öffnen des Injektors entsprechend gegen die Federkraft.
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1A zeigt den Injektor in einer geöffneten Stellung, in der Kraftstoff durch die Auslassöffnung 51 zwischen Düsensitz 12 und Düsenkopf 22 in die Brennkammer 40 gesprüht werden kann. Durch die kegelförmige Tellerform des Düsenkopfes 22 wird der Kraftstoff dabei nach außen gesprüht. Beispielhaft ist ein Kraftstoffstrahl 60 dargestellt, dessen Verlauf sich im Wesentlichen durch den Winkel der Auslassöffnung 51 bezüglich der Längsachse 30 des Injektors bzw. der Düsennadel 20 ergibt. Dabei ist im Bereich der Düsenöffnung 11 ein Randbereich 13 vorgesehen, der sich noch stärker nach außen aufweitet als der eigentliche Düsensitz 12. Hierdurch ergibt sich eine Art Schulter 14 und der Aufweitungswinkel des Randbereiches 13 ist größer als der Aufweitungswinkel des Düsensitzes 12.
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1B zeigt eine weitere Ausführungsform eines Injektors, welches grundsätzlich wie der Injektor der 1A ausgebildet ist. Die Geometrien der Auslassöffnung 11 und des Düsenkopfes 22 unterscheiden sich jedoch, wobei insbesondere der Aufweitungswinkel α eines Randbereiches 13 in wenigstens einem Teilbereich des Randbereiches 12 kleiner ist als bei dem Injektor der 1A. Dabei variiert der Aufweitungswinkel α des Randbereiches erfindungsgemäß über den Umfang des Randbereiches 12, so dass sich lokal definierte Leitelemente ergeben, durch welche ein Kraftstoffstrahl beim Austritt aus der Düsenöffnung 11 in eine bestimmte Richtung geleitet wird. 1B zeigt einen schematischen Schnitt im Bereich eines solchen Leitelements 70.
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Im Bereich dieses Leitelements 70 wird ein Kraftstoffstrahl 61 weiter zur Mitte der Brennkammer 40 hin geleitet, während andere Kraftstoffstrahlen 60 weiter nach außen geleitet werden. Auch Kraftstoffstrahlen mit dem mit der Bezugsziffer 62 gekennzeichneten Verlauf können erzeugt werden.
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3A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Injektors und den Aufweitungswinkel α zwischen der Oberfläche eines Randbereiches 13 und der Längsachse 30 der Düsennadel 20. 3B zeigt den Injektor in einem Querschnitt A-A, der durch die Schulter 14 verläuft und den Düsenkopf 22 und das Düsengehäuse 10 schneidet. Dabei variiert der Aufweitungswinkel α mit dem Umfangswinkel β über den Umfang des Randbereiches 13.
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In den 4A-4D sind mögliche Variationen von α = f(β) in vier Diagrammen gezeigt. Dabei ist der Aufweitungswinkel α in allen Diagrammen in Abhängigkeit vom Umfangswinkel β aufgetragen, wobei β zwischen 0 und 2π verläuft. 4A zeigt einen sinusförmigen Verlauf des Aufweitungswinkels α über den Umfang β. 4B zeigt einen Verlauf, bei dem durch die Variation des Aufweitungswinkels α über den Umfang des Randbereiches 13 vier Leitelemente in Form von Kanälen entstehen, in deren Bereich sich der Umfang des Randbereiches 13 lokal aufweitet. Eine solche Ausführungsform ist dem Schnitt der 5A zu entnehmen, in der vier Leitelemente 70 in Form von Leitkanälen dargestellt sind. Im Bereich dieser Leitkanäle wird Kraftstoff aus der Auslassöffnung 51 weiter nach außen in Richtung der Seitenwand einer Brennkammer gelenkt als im restlichen Bereich des Randbereiches 13.
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4C zeigt hingegen einen Verlauf, bei dem durch die Variation des Aufweitungswinkels α über den Umfang des Randbereiches 13 vier Leitelemente in Form von Vorsprüngen entstehen, in deren Bereich sich der Umfang des Randbereiches 13 lokal verengt bzw. zwischen diesen Vorsprüngen 71 entstehen breite Leitkanäle. Eine solche Ausführungsform ist dem Schnitt der 5B zu entnehmen, in der vier Leitelemente 71 in Form von Vorsprüngen dargestellt sind. Im Bereich dieser Vorsprünge wird Kraftstoff aus der Auslassöffnung 51 weiter nach innen von der Seitenwand einer Brennkammer weg gelenkt als im restlichen Bereich des Randbereiches 13.
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Die Variation des Aufweitungswinkels α in Abhängigkeit vom Umfangswinkel β gemäß der 4B und 4C erzeugt durch abrupte Durchmessersprünge lokal definierte Leitelemente mit geraden Seitenwänden. 4D zeigt eine andere Ausführungsform einer Variation des Aufweitungswinkels α, bei dem zusätzlich zu solchen lokal definierten Leitelementen durch kontinuierliche Durchmesseränderungen auch eine Art wellenförmiger Randbereich erzeugt wird. Die 5C und 5D zeigen weitere mögliche Designs und Anordnungen von Leitelementen. Diese können ebenfalls durch eine Variation des Aufweitungswinkels α erzeugt werden. Es wäre jedoch auch möglich, sie als separate Leitelemente zu fertigen und anschließend an dem Innendurchmesser des Düsengehäuses 10 anzubringen.
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Bei der Ausführungsform der 5C sind beispielsweise zwei bezüglich der Längsachse der Düsennadel 22 gegenüber liegende Leitelemente 72 vorgesehen, deren Breite größer ist als bei den Leitelementen der 5A und 5B. Solche Leitelemente 72 können jedoch auch versetzt zueinander angeordnet sein, d. h. sie liegen sich bezüglich der Längsachse der Düsennadel 22 nicht in einem Winkel von 180° gegenüber. Auch eine andere Anzahl solcher breiten Leitelemente 72 ist möglich, wobei auch diese gleichmäßig oder ungleichmäßig über den Innendurchmesser des Düsengehäuses 10 verteilt sein können.
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Die 5D zeigt eine Ausführungsform mit mehreren Leitelementen 73. Diese haben einen abgerundeten bzw. ovalen Querschnitt und sind bezüglich der Längsachse der Düsennadel 22 in unterschiedlichen Winkeln versetzt zueinander angeordnet. Beispielsweise befinden sich vier Leitelemente relativ nahe nebeneinander auf einer Seite, während ein weiteres Leitelement schräg gegenüber liegend angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß weist ein Injektor wenigstens ein Leitelement auf, das durch eine Variation des Aufweitungswinkels α über den Umfang des Randbereiches des Düsensitzes ausgeformt ist, wobei dessen Mittelachse die Längsachse der Düsennadel nicht schneidet. Dies wird anhand der 6 und 7 erläutert.
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6 zeigt beispielsweise eine vergrößerte Ansicht eines Düsensitzes 12 und den Übergang zu einem Randbereich 13 über eine Schulter 14. Es ist keine Düsennadel gezeigt, so dass die innere Oberfläche des Randbereiches sichtbar ist. Dabei ist ein Viertel des Innenumfangs des Randbereiches 13 dargestellt. Auf diesem Bereich des Randbereiches 13 ist wenigstens ein lokal definiertes Leitelement angeordnet. Insbesondere sind drei lokal definierte Leitelemente 70, 70' und 70" angeordnet, bei denen es sich um Leitkanäle handelt, d. h. der Randbereich 13 weitet sich in diesen Bereichen auf, so dass der Aufweitungswinkel α hier größer ist als im restlichen Randbereich. Neben den drei Leitkanälen 70, 70' und 70" können weitere Leitelemente gleicher oder anderer Form vorhanden sein. Die erfindungsgemäße Ausformung der Leitelemente wird somit lediglich beispielhaft anhand dieser Leitelemente beschrieben.
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Dabei verlaufen die Mittelachsen 31 der Leitelemente 70, 70', 70" nicht durch die Längsachse 30 der Düsennadel, sondern schneiden diese nicht. Somit verlaufen die Leitkanäle 70, 70', 70" schräg auf der Oberfläche des Randbereiches 13, wie es insbesondere auch die 7 in einer schematischen Aufsicht zeigt. Die Seitenwände der Leitkanäle 70, 70', 70" stehen in einem Winkel zu der umlaufenden Schulter 14, der ungleich 90° ist. Die verlängerten Mittelachsen der Leitelemente laufen dann an der Längsachse 30 der Düsennadel vorbei. In der 7 ist zur Verdeutlichung ein Leitelement 70 mit einer Mittelachse 31 gekennzeichnet.
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Dabei verdeutlicht in 6 der Pfeil 62 den Kraftstoffverlauf in den Bereichen neben den Leitelementen 70, 70', 70". Durch die Schrägstellung der Leitelemente 70, 70', 70" ergibt sich innerhalb dieser Kanäle ein Kraftstoffverlauf 63, der zu einer Rotation des Kraftstoffs führt. Die resultierende Kraftstoffrotation ist mit dem Pfeil 64 gekennzeichnet. 7 zeigt einen seitwärts austretenden Kraftstoffstrahl 63.
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Die Mittelachsen 31 der Leitelemente 70, 70', 70" können dabei alle in die gleiche Richtung verlaufen, wie es das Ausführungsbeispiel der 6 und 7 vorsieht. Die Mittelachsen 31' können jedoch auch in unterschiedliche Richtungen verlaufen, wie es das Ausführungsbeispiel der 8 und 9 vorsieht. In der 9 ist zur Verdeutlichung ein erster Leitkanal 70 mit einer Mittelachse 31 und ein zweiter Leitkanal 70' mit einer Mittelachse 31' gekennzeichnet. Die Mittelachse 31 des Leitkanals 70 zeigt dabei beispielsweise in eine andere Richtung als die Mittelachse 31' des Leitkanals 70'. Auf diese Weise können noch größere Turbulenzen in der resultierenden Kraftstofffahne erzeugt werden. 9 zeigt zwei seitwärts austretende Kraftstoffstrahle 63 und 63'.
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In 10 oben ist eine Ansicht auf eine Kraftstofffahne 74 und 74a zum einen von unten und zum anderen als Schnitt dargestellt, wobei noch einmal jeweils der Injektor angedeutet ist. Die Kraftstofffahne 74 ist erkennbar regelmäßig konisch ausgeführt, die weder in sich kollabiert, noch an der Brennkammerwand anhaftet. Die konische Kraftstofffahne 74a ist auf eine nicht-achsensymmetrische Weise erzeugt, so dass die Kraftstofffahne 74a keinen runden Querschnitt, sondern beispielhaft ellipsoid ist hat. In 11 ist ein vollkommen unregelmäßige Kraftstofffahne 74b in einer Ansicht von unten dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Düsengehäuse
- 11
- Düsenöffnung
- 12
- Düsensitz
- 13
- Randbereich
- 14
- Schulter
- 20
- Düsennadel
- 21
- Düsenschaft
- 22
- Düsenkopf
- 23
- Düsenteller
- 24
- Dichtfläche
- 30
- Längsachse der Düsennadel
- 31, 31'
- Mittellachse eines Leitelements
- 40
- Brennkammer, Zylinder
- 41
- Seitenwand
- 42
- Oberseite
- 50
- Aufnahme, Bohrung
- 51
- Auslassöffnung
- 60
- Kraftstoffstrahl
- 61
- Kraftstoffstrahl
- 62
- Normaler Kraftstoffverlauf
- 63, 63'
- Kraftstoffverlauf in Leitelement
- 64
- Kraftstoffrotation
- 70, 70', 70"
- Leitelement, Leitkanal
- 71
- Leitelement, Vorsprung
- 72, 73
- Leitelement
- 74, 74a, 74b
- Kraftstofffahne
- α
- Aufweitungswinkel
- β
- Umfangswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 61229908 A [0005]
- US 2007/0240696 A1 [0009]
- DE 102012216141 A1 [0010]
- US 8950694 B2 [0011]
- DE 102015208070 B3 [0012]
- WO 2002/033248 A2 [0013]
- US 8919677 B2 [0014]
- JP 06147057 A [0014]
- EP 1124057 A2 [0014]
- US 6799733 B1 [0015]
- US 6029913 A [0016]
