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Die Erfindung betrifft einen Injektor, mit dem ein gasförmiger und ein flüssiger Kraftstoff beispielsweise in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert werden können.
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Stand der Technik
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Injektoren zum Einbringen von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der
DE 10 2015 220 410 A1 bekannt. Ein derartiger Kraftstoffinjektor weist eine äußere und eine innere Düsennadel auf, wobei die innere Düsennadel in der äußeren Düsennadel geführt ist. Die äu-ßere Düsennadel wirkt mit einem äußeren Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für den gasförmigen Kraftstoff zusammen, während die innere Düsennadel mit einem inneren, in der äußeren Düsennadel ausgebildeten Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für den flüssigen Kraftstoff zusammenwirkt. Dabei tritt der gasförmige Kraftstoff über Eindüsöffnungen aus, gelangt so an die Außenseite des Injektors und damit bei entsprechender Einbaulage des Injektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Einspritzöffnungen über die der flüssige Kraftstoff ausgestoßen wird, sind dabei so angeordnet, dass sie koaxial mit den Eindüsöffnungen für den gasförmigen Kraftstoff ausgerichtet sind, das heißt, dass flüssiger Kraftstoff, der aus den Einspritzöffnungen austritt, durch die Eindüsöffnungen hindurchtritt und so ebenfalls in den Brennraum gelangt. Dies hat verschiedene Vorteile: Beispielsweise sind an der Außenseite des Injektors nur die Eindüsöffnungen für den gasförmigen Kraftstoff vorhanden und damit nur wenige Einspritzöffnungen, die von Ruß oder ähnlichen Stoffen im Brennraum möglicherweise zugesetzt werden können. Darüber hinaus bietet diese Anordnung den Vorteil, dass der flüssige Kraftstoff, der im Bereich der Eindüsöffnungen verbleibt, durch den gasförmigen Kraftstoff mitgerissen und ebenfalls in den Brennraum eingebracht wird, so dass dieser nicht unverbrannt im Bereich des Einspritzventils zurückbleibt und dort zu Verkokungen führen kann.
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Das aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventil weist dazu jedoch eine relativ kompliziert geformte Düsennadel auf, die die äußere Düsennadel des Einspritzventils bildet und in der sämtliche Einspritz- und Eindüsöffnungen ausgebildet sind. Dies macht diese Einspritzventile aufwendig und verlangt eine hohe Präzision bei der Fertigung, insbesondere der äußeren Düsennadel.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass er einfacher und mit geringeren Toleranzen fertigbar ist und somit eine kostengünstige Fertigung möglich ist bei ähnlicher Präzision. Dazu weist der Injektor einen Injektorkörper auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum mit einer darin längsbeweglich angeordneten Düsennadel ausgebildet ist, wobei die Düsennadel mit einem im Injektorkörper ausgebildeten äußeren Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für den gasförmigen Kraftstoff zusammenwirkt. In der äußeren Düsennadel ist ein innerer Druckraum ausgebildet, der mit flüssigem Kraftstoff unter einem Einspritzdruck befüllbar ist, wobei im inneren Druckraum eine innere Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem in der äußeren Düsennadel ausgebildeten inneren Düsensitz zusammenwirkt und dadurch den inneren Druckraum gegen die Einspritzöffnungen verschließt, die in der äußeren Düsennadel ausgebildet sind. An einem dem Druckraum abgewandten Ende der äußeren Düsennadel ist eine Hülse angeordnet, in deren Seitenwand Eindüsöffnungen ausgebildet sind, die bei geöffneten äußeren Düsensitz mit dem Druckraum verbunden sind, wobei jede Einspritzöffnung bezüglich einer Eindüsöffnung so ausgerichtet ist, dass ein aus der Einspritzöffnung austretender Kraftstoffstrahl die zugeordnete Eindüsöffnung durchdringt.
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Durch die Anordnung der Eindüsöffnungen in einer separaten Hülse, die an der äußeren Düsennadel angeordnet wird, lassen sich diese Eindüsöffnungen separat fertigen. Die Einspritzöffnungen sind somit bei der Fertigung leicht zugänglich und damit einfach und kostengünstig herstellbar. Die nachträgliche Montage der Hülse ergibt die gewünschte Anordnung bezüglich der Einspritzöffnungen und erlaubt so bei geringerem Aufwand die genannten Vorteile zu realisieren.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist am Ende der äußeren Düsennadel ein zylindrischer Abschnitt ausgebildet, den die Hülse umgibt. Dabei ist in dem zylindrischen Abschnitt in vorteilhafter Weise eine Ausnehmung ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum stromabwärts des äußeren Düsensitzes strömen kann und die über wenigstens eine Eindüsöffnung mit der Außenseite der Hülse verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Hülse einfach am Ende der Düsennadel positionieren und begrenzt und dichtet die Ausnehmung am zylindrischen Absatz ab, so dass der gasförmige Kraftstoff ausschließlich über die Eindüsöffnungen austritt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung am zylindrischen Abschnitt als umlaufende Ringnut ausgebildet, was bei der Anordnung von mehreren Eindüsöffnungen die gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs auf alle Eindüsöffnungen erleichtert und damit entsprechend eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung am zylindrischen Abschnitt durch taschenförmige Ausnehmungen ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum stromabwärts des äußeren Düsensitzes strömen kann, wobei jede taschenförmige Ausnehmung über eine Eindüsöffnung mit der Außenseite der Hülse verbunden ist. Die taschenförmigen Ausnehmungen erlauben es, den gasförmigen Kraftstoff gezielt in die Richtung der Eindüsöffnungen umzulenken, so dass die Umlenkverluste des gasförmigen Kraftstoffs und damit der Druckverlust, der mit einer geringeren Eindringtiefe in den Brennraum einhergeht, minimiert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hülse an ihrem dem äußeren Düsensitz zugewandten Randbereich mehrere Einkerbungen auf, durch die gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum in die Ausnehmung oder die taschenförmigen Ausnehmungen strömen kann. Damit wird ein großer Strömungsquerschnitt realisiert, der ein drosselfreies Strömen des gasförmigen Kraftstoffs erlaubt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hülse an ihrem brennraumseitigen Ende einen nach innen weisenden Kragen auf, der mit der äußeren Düsennadel stoffschlüssig verbunden ist, vorzugsweise verschweißt oder verklebt. In vorteilhafter Weise kann die Hülse auch einen Pressverband mit dem zylindrischen Abschnitt bilden oder an der Hülse sind Rasthaken ausgebildet, die in entsprechende Ausnehmungen am zylindrischen Abschnitt einrastbar sind. Je nach den spezifischen Anforderungen an den Injektor, beispielsweise die Temperaturbeständigkeit oder die Größe des Injektors, bietet eine oder mehrere dieser Befestigungsmöglichkeiten eine einfache und kostengünstige Montage der Hülse am Injektor, um die Hülse ortsfest in der entsprechenden Position zu halten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Eindüsöffnungen eine Eintrittsöffnung auf, die gerundet ausgeführt ist. Dies erlaubt ein verlustarmes Einströmen des gasförmigen Kraftstoffs und kann auch dahingehend weitergebildet werden, dass die Eindüsöffnungen eine Laval-Düse bilden. Die Ausbildung in der Hülse erlaubt eine Bearbeitung von beiden Enden der Eindüsöffnung her, so dass ein optimaler Einlaufradius mit minimalem Druckverlust innerhalb der Eindüsöffnung einfach realisiert werden kann.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä-ßen Injektors dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor im Bereich der Eindüsöffnungen,
- 2 eine perspektivische Darstellung des Injektorendes in einer teilgeschnittenen Darstellung,
- 3 eine vergrößerte Darstellung der Hülse,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in der gleichen Darstellung wie 1, wobei nur eine Seite des rotationssymmetrischen Injektors gezeigt ist,
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gleichen Darstellung wie 4,
- 6 eine perspektivische und teilgeschnittene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Injektors und
- 7 verschiedene Ausführungsbeispiele der Eindüsöffnungen im Querschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt schematisch dargestellt, wobei nur das Ende des Injektors gezeigt ist, in dem sich die Einspritz- bzw. Eindüsöffnungen befinden. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum 3 ausgebildet ist. Im Druckraum 3 ist längsverschiebbar eine äußere Düsennadel 5 angeordnet, an der eine konische äußere Dichtfläche 8 ausgebildet ist. Die Düsennadel 5 wirkt mit ihrer äußeren Dichtfläche 8 mit einem im Druckraum 3 ausgebildeten, ebenfalls konischen äußeren Düsensitz 7 zum Öffnen und Schließen eines Durchflussquerschnitts für den gasförmigen Kraftstoff aus dem Druckraum 3 zusammen. 1 zeigt dazu den Zustand des Injektors bei einem aufgesteuerten Durchflussquerschnitt, das heißt, dass der äußere Düsensitz 7 und die äußere Dichtfläche 8 beabstandet sind.
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Am brennraumseitigen Ende der äußeren Düsennadel 5, also an dem dem Druckraum 3 abgewandten Ende, bildet die äußere Düsennadel 5 einen zylindrischen Abschnitt 10 aus, in dem eine Ausnehmung 11 ausgebildet ist, die als umlaufende Ringnut im zylindrischen Abschnitt 10 ausgebildet ist. Bei geöffnetem Durchflussquerschnitt am äußeren Düsensitz 7 ist die Ausnehmung 11 mit dem Druckraum 3 über eine oder mehrere Einkerbungen 16 verbunden, die am Ende der Hülse 12, das dem Injektorkörper 2 zugewandt ist, ausgebildet sind. Die Hülse 12 bildet an ihrem dem Injektorkörper 2 abgewandten Ende einen nach innen weisenden Kragen 18 aus, der über eine Schweißverbindung 15 mit dem äußeren Düsennadel 5 fest verbunden ist, so dass die Hülse 12 in dem Mitte des Kragens 18 eine zentrale Öffnung 13 ausbildet. Statt einer Schweißverbindung kann auch eine Klebeverbindung oder eine andere, stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein. In der Hülse 12 sind mehrere Eindüsöffnungen 14 ausgebildet, über die die Ausnehmung 11 mit der Außenseite 112 der Hülse 12 verbunden ist, so dass gasförmiger Kraftstoff aus der Ausnehmung 11 über die Eindüsöffnungen 14 austreten kann.
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Im Inneren der äußeren Düsennadel 5 ist ein innerer Druckraum 20 ausgebildet, in dem eine innere Düsennadel 22 ebenfalls längsverschiebbar angeordnet ist. Die innere Düsennadel 22 bildet an ihrem der Hülse 12 zugewandten Ende eine innere Dichtfläche 26 aus, die im Wesentlichen konisch geformt ist und die mit einem im Inneren der äußeren Düsennadel 5 ausgebildeten inneren Düsensitz 25 zum Öffnen und Schließen eines Durchflussquerschnitts für dem flüssigen Kraftstoff im inneren Druckraum 20 zusammenwirkt. Zwischen der inneren Düsennadel 22 und dem Ende des inneren Druckraums 20 ist ein Sackloch 20 ausgebildet, von dem mehrere Einspritzöffnungen 30 ausgehen. Hierbei sind die Einspritzöffnungen 30, die eine Achse 24 aufweisen, so ausgerichtet, dass jeweils eine Einspritzöffnung 30 einer Eindüsöffnung 14 zugeordnet ist, dergestalt, dass beide dieselbe Achse 24 aufweisen. Dadurch tritt flüssiger Kraftstoff, der aus den Einspritzöffnungen 30 austritt, durch die Eindüsöffnungen 14 hindurch und gelangt so auf die Außenseite des Injektors 1.
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2 zeigt dazu den Injektor der 1 nochmal in einer perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung, die die Ausbildung der äußeren Düsennadel 5 verdeutlicht. Die Hülse 12 ist hier mit einem geschlossenen Ende ausgebildet und weist damit keine zentrale Öffnung 13 auf. Die Befestigung erfolgt in diesem Fall in anderer Weise wie weiter unten noch dargestellt.
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3 zeigt zur weiteren Verdeutlichung nur die Hülse 12 des Ausführungsbeispiels nach 1 in perspektivischer Darstellung. Deutlich dargestellt sind hier die Einkerbungen 16, die ringförmig um den oberen Rand der Hülse 12 verteilt ausgebildet sind und die die Verbindung der Ausnehmung 11 in dem Druckraum 3 sicherstellen, so dass an dieser Stelle keine des Gasstroms erfolgt. Die Eindüsöffnungen 14 sind über den Umfang der Hülse 12 verteilt ausgebildet, wobei die Anzahl der Einspritzöffnungen 14 nicht notwendigerweise der Anzahl der Einkerbungen 16 entsprechen muss.
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Die Funktion des Injektors 1 besteht darin, dass dieser sowohl flüssigen als auch gasförmigen Kraftstoff über die Eindüsöffnungen 14 ausbringen kann. Dazu sind sowohl die äußere Düsennadel 5 als auch die innere Düsennadel 20 vorzugsweise servo-hydraulisch in Längsrichtung bewegbar, das heißt, für jede der beiden Düsennadeln 5, 20 ist ein entsprechender, flüssigkeitsgefüllter Steuerraum vorhanden, über dessen Druck eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadeln 5, 20 in Richtung auf den jeweiligen Düsensitz 7, 25 ausgeübt wird. Durch Variation des Drucks in diesen Steuerräumen lässt sich eine Längsbewegung der Düsennadeln unabhängig voneinander steuern. Damit sind insbesondere Einspritzzyklen möglich, die zuerst die Einspritzung von flüssigem Kraftstoff vorsehen, um eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erreichen, da flüssiger Kraftstoff zündwilliger als gasförmiger Kraftstoff ist. Anschließend wird gasförmiger Kraftstoff eingeblasen, der die Hauptenergiemenge der Verbrennung beisteuert.
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Dazu wird zuerst die innere Ventilnadel 20 in Längsrichtung vom inneren Düsensitz 25 weg bewegt, so dass flüssiger Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 30 austritt und durch die Eindüsöffnungen 14 hindurch in den Brennraum gelangt. Nach dem Schließen der inneren Düsennadel 22 wird die äußere Düsennadel 5 vom äußeren Düsensitz 7 weg bewegt und gibt einen Durchströmquerschnitt für den gasförmigen Kraftstoff frei. Dieser strömt aus dem Druckraum 3 durch die Auskerbungen 16 in die Ausnehmung 11, wird dort umgelenkt und tritt schließlich über die Eindüsöffnungen 14 aus. Dabei wird auch eventuell noch an den Wänden der Eindüsöffnung 14 haftender flüssiger Kraftstoff mitgerissen, der damit ebenfalls in den Brennraum gelangt und dort verbrannt wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird die äußere Düsennadel 5 wieder in ihre Schließposition bewegt.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors 1 gezeigt in derselben Darstellung wie 1, wobei nur die rechte Seite des rotationssymmetrischen Injektors 1 gezeigt ist. Dieser unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 nur dadurch, dass die Hülse 12 nicht über eine Schweißverbindung, sondern über eine Pressverbindung auf dem zylindrischen Abschnitt 10 gehalten wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Hülse 12 an ihrem brennraumseitigen Ende geschlossen ist, so dass sich eine Schweißverbindung nicht oder nur schlecht realisieren lässt. Durch das Aufpressen ist eine sichere Verbindung auch ohne weitere Komponenten möglich.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung wie 4 gezeigt. Dieses unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Hülse 12 hier mittels mehrerer Rasthaken 19, die über den Umfang der Hülse 12 verteilt angeordnet sind, gehalten wird. In der äußeren Düsennadel 5 sind dazu entsprechende Ausnehmungen 17 ausgebildet, in die die Rasthaken 19 eingreifen können, um dadurch die Hülse 12 zu halten. Auch damit ist eine sichere und schnelle Verbindung zwischen der äußeren Düsennadel 5 und der Hülse 12 möglich.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors gezeigt, wobei die Darstellung weitgehend der Darstellung in 2 entspricht. Der Unterschied besteht darin, dass statt der ringnutförmigen Ausnehmung 11 mehrere taschenförmige Ausnehmungen 11' im zylindrischen Abschnitt 10 der äußeren Düsennadel 5 vorgesehen sind, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Dabei sind die taschenförmigen Ausnehmungen 11' jeweils über die Auskerbungen 16 mit dem Druckraum 3 verbindbar und so ausgerichtet, dass jeweils eine Eindüsöffnung 14 eine taschenförmige Ausnehmung 11 mit der Außenseite 112 der Hülse 12 verbindet. Dabei ist auch jeder taschenförmigen Ausnehmung 11 eine Einspritzöffnung 30 zugeordnet, die auch hier so gerichtet ist, dass der Einspritzstrahl die Eindüsöffnung 14 durchdringt. Durch die Ausbildung der taschenförmigen Ausnehmungen 11' lässt sich der gasförmige Kraftstoff zielgerichtet in die Eindüsöffnungen 14 umlenken, was die Umlenkverluste, also den Druckverlust beim Weg des gasförmigen Kraftstoffs aus dem Druckraum 3 zu den Eindüsöffnungen 14, vermindert. Diese taschenförmigen Ausnehmungen 11' lassen sich auch mit allen anderen Ausführungsvarianten der Hülse 12 kombinieren, die in den 4 und 5 dargestellt sind.
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In 7 ist eine mit VII bezeichnete Ausschnittsvergrößerung von 4 dargestellt im Bereich der Eindüsöffnung 14. Die Eindüsöffnung 14 weist eine Eintrittsöffnung 114 und eine Austrittsöffnung 214 auf und ist im einfachsten Fall, wie 7a zeigt, eine zylindrische Bohrung. 7b zeigt eine weitere Variante dieser Eindüsöffnung 14, bei der an der Eintrittsöffnung 114 der Eindüsöffnung 14 eine Rundung mit einem Radius R vorgesehen ist. Dadurch lassen sich die Umlenkverluste beim Einströmen des gasförmigen Kraftstoffs in die Eindüsöffnung 14 weiter reduzieren. Außerdem lassen sich so Partikel des Einspritzstrahls, der aus den Einspritzöffnungen 30 durch die Eindüsöffnung 14 hindurchtritt, leichter fokussieren. In 7c ist eine Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens gezeigt, wobei die Eindüsöffnung 14 hier eine engste Stelle 34 aufweist, die etwa in der Mitte zwischen der Eintrittsöffnung 114 und der Austrittsöffnung 214 liegt. Dadurch wird eine sogenannte Laval-Düse gebildet, die eine bessere Fokussierung des gasförmigen Kraftstoffs erlaubt. Die Anordnung der Eindüsöffnung in der Hülse 12 erleichtert die Fertigung dieser Eindüsöffnung 14, da die Bearbeitung von beiden Seiten erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015220410 A1 [0002]
