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Die Erfindung betrifft einen Injektor für gasförmige Kraftstoffe, wie er vorzugsweise Verwendung findet, um gasförmige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudüsen.
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Stand der Technik
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Injektoren für gasförmige Kraftstoffe sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So zeigt die
DE 10 2015 219 380 A1 einen Injektor für gasförmige Kraftstoffe, wobei dieser Injektor zusätzlich auch flüssige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen kann. Die Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs geschieht über eine oder mehrere Eindüsöffnungen, die durch ein bewegliches Ventilelement auf- und zugesteuert werden. Der aus den Eindüsöffnungen austretende gasförmige Kraftstoff verteilt sich im Brennraum der Brennkraftmaschine und wird dort zur Zündung gebracht, entweder durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels einer Zündkerze, oder durch das Einbringen eines flüssigen Kraftstoffs, etwa von Dieselkraftstoff, da der Dieselkraftstoff zündwilliger als der gasförmige Kraftstoff ist.
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Für eine gute Verbrennung ist es unerlässlich, dass sich der gasförmige Kraftstoff möglichst gleichmäßig im Brennraum der Brennkraftmaschine verteilt, damit in jedem Bereich des Brennraums eine optimale Mischung aus gasförmigem Kraftstoff und der Ansaugluft besteht, denn nur beim richtigen Verhältnis aus Kraftstoff und Sauerstoff erfolgt eine optimale Verbrennung. Für eine bessere Verteilung ist es deshalb in der Regel vorgesehen, dass die Eindüsventile mehrere Eindüsöffnungen aufweisen, die in verschiedene Raumwinkel des Brennraums zielen, so dass der gasförmige Kraftstoff weitgehend gleichmäßig verteilt wird. Beim Austritt aus den Eindüsöffnungen bildet der gasförmige Kraftstoff jedoch keulenförmige Gasstrahlen, die sich erst nach einer gewissen Zeit und unterstützt durch die Drallströmung innerhalb des Brennraums mit der darin befindlichen Luft und damit mit dem Sauerstoff vermischen. Es ist damit nicht unbedingt sichergestellt, dass die optimale Mischung bereits dann vorliegt, wenn die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum erfolgt. Damit können Bereiche vorhanden sein, in denen ein Übergewicht von Sauerstoff oder Kraftstoff vorhanden ist, was beides zu einer unvollkommenen Verbrennung führt und damit zu erhöhten Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine oder zu einer geringeren Leistung.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die austretenden Gasstrahlen direkt beim Austritt aus dem Injektor stark verwirbelt werden und sich dadurch leicht und schnell mit der Luft im Brennraum vermischen und ein optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch bilden, unabhängig von sonstigen Vorrichtungen im Brennraum und dessen Geometrie. Dazu weist der Injektor einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist, der mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist. Von dem Druckraum geht eine Eindüsöffnung aus, durch die der gasförmige Kraftstoff austreten kann. Vor der Eindüsöffnung ist ein Umlenkkörper so angeordnet, dass zumindest ein Teil des austretenden Gasstrahls auf den Umlenkkörper trifft und dadurch aufgefächert und verwirbelt wird. Durch den Umlenkkörper wird damit der Gasstrahl direkt bei seinem Austritt aus der Eindüsöffnung aufgefächert und damit die Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum erleichtert, ohne dass dafür die Geometrie des Brennraums angepasst werden muss. Damit kann eine bessere und schadstoffärmere Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs erreicht werden.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper einen Ringkörper, an dem eine Kante ausgebildet ist, die von dem austretenden Gasstrahl umströmt wird. Dabei trifft der Gasstrahl vorzugsweise mit seiner Mitte auf die Kante, so dass es zu einer starken Verwirbelung des Gasstrahls an der Kante kommt und damit zu der gewünschten Auffächerung. Dabei ist der Ringkörper in vorteilhafterweise über Stege am Düsenkörper befestigt, so dass er mit dem Düsenkörper eine Baueinheit bildet, die gemeinsam mit dem Injektor montiert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringkörper im Querschnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet. Damit wird in einfacher Weise die Kante ausgebildet, an der der Gasstrahl aufgebrochen wird, und der Ringkörper kann in einfacher Weise als Drehteil gefertigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper ein stabförmiges Element. Das stabförmige Element weist dabei auf seiner der Eindüsöffnung zugewandten Seite in vorteilhafter Weise eine Umlenkkante auf, auf die der Gasstrahl trifft. Auch das stabförmige Element kann über Stege am Düsenkörper befestigt sein. Das stabförmige Element ist dabei in vorteilhafter Weise im Querschnitt betrachtet dreieckförmig oder rombusförmig ausgebildet, wobei die rombusförmige Ausgestaltung darüber hinaus den Vorteil hat, dass der Gasstrahl auch auf der den Eindüsöffnungen abgewandten Seite durch die rombusförmige Gestalt geführt wird, was den Energieverlust am Umlenkkörper gering hält. Auch andere Formen, wie beispielsweise ein Halbkreis, sind als Querschnitt des stabförmigen Elements möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper zwei Zylinderstäbe, die parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist der Gasstrahl so ausgerichtet, dass er - vorzugsweise mit seiner Mittelachse - zwischen die beiden Zylinderstäbe zielt. Der Abstand der Zylinderstäbe zueinander ist dabei zumindest näherungsweise in vorteilhafter Weise gleich dem Durchmesser der Eindüsöffnung, was die Verwirbelung des gasförmigen Kraftstoffs optimiert, ohne dass zu viel kinetische Energie des Gasstrahls durch die Umlenkung verloren geht.
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In vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass mehrere Eindüsöffnungen im Düsenkörper ausgebildet sind, wobei vor jeder Eindüsöffnung ein Umlenkkörper angeordnet ist. Diese Anordnung kann mit jedem der oben geschilderten Umlenkkörper realisiert werden, wobei der Umlenkkörper in Form eines Ringkörpers vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die Gasstrahlen sämtlicher Eindüsöffnungen dieselbe Kante am Ringkörper treffen und damit an dieser Stelle verwirbelt werden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigen:
- 1a einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Injektor, wobei nur die wesentlichen Bauteile gezeigt sind,
- 1b den gleichen Injektor wie 1a im Querschnitt,
- 2a ein weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors schematisch im Längsschnitt, wobei Teile des Düsenkörpers hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden,
- 2b einen Querschnitt des Injektors nach 2a,
- 3a ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Injektors in gleicher Darstellung wie 2a und
- 3b wiederum einen Querschnitt durch einen Injektor nach 3a.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1a ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt schematisch dargestellt. Der Injektor 1 umfasst einen Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 4 ausgebildet ist. Der Druckraum 4 kann über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit gasförmigen Kraftstoff unter einem bestimmten Eindüsdruck befüllt werden, wobei der Eindüsdruck vorzugsweise maximal 500 bar (50 MPa) beträgt. Der Druckraum 4 geht an seinem brennraumseitigen Ende in ein Sackloch 10 über, von dem mehrere Eindüsöffnungen 12 ausgehen, über die der gasförmige Kraftstoff ausströmen kann. Die Eindüsöffnungen 12 sind als im Wesentlichen radial verlaufende Bohrungen im Düsenkörper 2 ausgebildet und weisen eine im Querschnitt betrachtet kreisrunde Form auf. Im Druckraum 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, deren Längsachse 7 mit der Längsachse des Düsenkörpers 2 zusammenfällt. Die Düsennadel 5 kann durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte, vorzugsweise servohydraulische Vorrichtung oder durch einen direkt auf die Düsennadel 5 wirkenden Elektromagneten in ihrer Längsrichtung bewegt werden. An ihrem den Eindüsöffnungen 12 zugewandten Ende ist an der Düsennadel 5 eine konische Dichtfläche 6 ausgebildet, mit der die Düsennadel 5 mit einem ebenfalls konischen Düsensitz 8 zusammenwirkt. Bei Anlage der Düsennadel 5 auf den Düsensitz 8 verschließt die Düsennadel 5 den Druckraum 4 gegenüber dem Sackloch 10, so dass in diesem Fall kein gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 4 in das Sackloch 10 strömen und weiter über die Eindüsöffnungen 12 austreten kann. Soll eine Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff geschehen, so wird die Düsennadel 5 in ihrer Längsrichtung vom Düsensitz 8 weg bewegt, so dass ein Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 8 aufgesteuert wird, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 4 in das Sackloch 10 und von dort in die Eindüsöffnungen 12 strömen kann.
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Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 ist ein Umlenkkörper 15 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Ringkörper 18 gebildet wird. Der Ringkörper 18 umgibt das brennraumseitige Ende des Düsenkörpers 2 und ist über Stege 17 mit dem Düsenkörper 2 verbunden, so dass er mit dem Düsenkörper 2 eine Einheit bildet. Der Ringkörper 18 weist im Querschnitt eine Trapezform auf, durch die eine Kante 20 mit spitzem Winkel am inneren Rand des Ringkörpers 18 gebildet wird. Die Kante 20 ist dabei so angeordnet, dass sie den Eindüsöffnungen 12 gegenüber liegt und der aus den Eindüsöffnungen 12 austretende Gasstrahl 14 zumindest mit einem Teil seiner im Wesentlichen keulenförmigen Gestalt auf die Kante 12 trifft. Vorzugsweise ist dabei die Mittelachse 13 der Eindüsöffnungen 12 so ausgerichtet, dass sie auf die Kante 20 zielt. In 1b ist dazu ein Querschnitt des in 1a gezeigten Düsenkörpers bzw. Injektors 1 dargestellt, der die Anordnung der Eindüsöffnungen 12 verdeutlicht, die über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeordnet sind. Der aus der Eindüsöffnung 12 austretende Gasstrahl bricht sich an der Kante 20, so dass es zu einer Wirbelbildung in diesem Bereich kommt. Der gasförmige Kraftstoff wird dadurch stark mit der im Brennraum befindlichen Ladeluft vermischt, um rasch eine homogene Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen.
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In 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors 1 dargestellt. Der Düsenkörper 2 ist in gleicher Weise aufgebaut wie der des Ausführungsbeispiels nach Figur la, jedoch ist der Umlenkkörper 15 hier als stabförmiges Element 22 ausgebildet. Das stabförmige Element 22 auch hier durch einen Steg 17 am Düsenkörper 2 gehalten und bildet so zusammen mit dem Düsenkörper 2 eine bauliche Einheit. Der Abstand b des Umlenkkörpers 15 zur Auslassöffnung der Eindüsöffnung 12 entspricht vorzugsweise etwa der Länge der Eindüsöffnung 12, wie in 2b in einem Querschnitt durch den 2a gezeigten Injektor dargestellt. Es kann aber auch ein etwas höherer oder niedrigerer Abstand gewählt werden, was vom Druck des gasförmigen Kraftstoffs, vom Durchmesser der Eindüsöffnung 12 und von der Größe und der Form des Brennraums abhängt. 2b zeigt dazu auch die Anordnung des stabförmigen Elements 22 im Querschnitt. Der Querschnitt des stabförmigen Elements 22 kann dabei verschiedenen ausgestaltet sein. Zur Illustration ist in 2b vor jeder Eindüsöffnung ein stabförmiges Element 22, 22', 22" mit jeweils verschiedenem Querschnitt gezeigt:
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Das in der Zeichnung rechte stabförmige Element 22 zeigt einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt, durch den eine Umlenkkante 20' gebildet wird, die gegenüber der Eindüsöffnung 12 angeordnet ist, so dass der Gasstrahl 14 mit seiner Mittelachse 13 auf die Umlenkkante 20' trifft. Der aus der Eindüsöffnung 12 austretende Gasstrahl 14 wird somit in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und verwirbelt, so dass er sich leicht mit der Luft im Brennraum vermischt.
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Im linken unteren Bereich der 2b ist ein weiteres stabförmiges Element 22' gezeigt, das im Querschnitt rhombusförmig ausgebildet ist. Die dadurch gebildete Umlenkkante 20' führt auch hier zur Bildung von zwei Strahlhälften, die durch die Kante 20' voneinander getrennt werden und dadurch gleichzeitig die Stabilität des stabförmigen Elements 22' gewährleisten, da die Belastung am stabförmigen Element 22' symmetrisch erfolgt. Durch die Rhombusform ist sichergestellt, dass sich das in den Brennraum einströmende Gas mit der Luft im Windschatten des Strömungskörpers mischt, da die Strömung durch die der Eindüsöffnung 12 abgewandte Seite des stabförmige Elements 22' geführt wird.
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Im linken oberen Bereich der 2b ist ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem stabförmigen Element 22" gezeigt, das im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist. Auch dadurch wird der Gasstrahl 14, der aus der Eindüsöffnung 12 ausströmt, in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Durch die abgeflachte Seite des stabförmigen Elements 22" wird an der den Eindüsöffnungen 12 abgewandten Seite eine starke Verwirbelung hervorgerufen, was insbesondere bei relativ kleinen Brennräumen vorteilhaft sein kann.
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3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in derselben Darstellung wie 2a. Der Umlenkkörper 15 umfasst hier zwei Zylinderstäbe 24, die ebenfalls über einen Steg 17 am Düsenkörper 2 befestigt sind. Die Zylinderstäbe 24 sind parallel zueinander und mit einem Abstand a zueinander angeordnet, wie in 3b in einem Querschnitt durch den Injektor nach 3a nochmals dargestellt ist. Die Mittelachse 13 der Eindüsöffnung 12 ist dabei so ausgerichtet, dass sie zwischen den Zylinderstäben 24 hindurchzielt. In vorteilhafter Weise kann dabei der Abstand a der Zylinderstäbe 24 zueinander gleich groß sein wie der Durchmesser d der Eindüsöffnung 12, um ein optimales Verhältnis zwischen Eindringtiefe und Verwirbelung zu erreichen. Die beiden Zylinderstäbe 24 führen zu einer starken Verwirbelung des Gasstrahls 14 und damit zu der gewünschten Vermischung mit der Luft im Brennraum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219380 A1 [0002]
