DE102017216540A1

DE102017216540A1 - Injektor zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs

Info

Publication number: DE102017216540A1
Application number: DE102017216540.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Wernau; Jochen Wessner; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Injektor (1) zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum (3) mit einer darin längsbeweglich angeordneten Düsennadel (5) ausgebildet ist, wobei die Düsennadel (5) mit einem im Injektorkörper (2) ausgebildeten äußeren Düsensitz (7) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für den gasförmigen Kraftstoff zusammenwirkt. An dem dem Düsensitz zugewandten Ende der Düsennadel (5) ist ein zylindrischer Abschnitt (10) mit einer Ausnehmung (11; 11') ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum (3) stromabwärts des äußeren Düsensitzes (7) einströmen kann, wobei der zylindrische Abschnitt (10) von einer Hülse (12) umgeben ist, in deren Seitenwand wenigstens eine Eindüsöffnung (14) ausgebildet ist, durch die die Ausnehmung (11; 11') mit der Außenseite (112) der Hülse (12) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs, wie er beispielsweise Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zu dosieren.
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Injektor zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs aus, wie er beispielsweise aus der DE 10 2015 218 257 A1 bekannt ist. Ein solcher Injektor weist einen Injektorkörper mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel auf, die einen Durchströmquerschnitt für gasförmigen Kraftstoff durch ihre Längsbewegung öffnet und schließt. Aus einem Druckraum, der den gasförmigen Kraftstoff beinhaltet, strömt der gasförmige Kraftstoff zwischen einer an der Düsennadel ausgebildeten Dichtfläche und einem Düsensitz hindurch in eine Ringnut, die am brennraumseitigen Ende der Düsennadel ausgebildet ist. Von der Ringnut gehen mehrere Eindüsöffnungen aus, über die der gasförmige Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Alle Funktionskomponenten zur Kraftstoffdosierung sind an der Düsennadel ausgebildet, also an einem einzigen Bauteil, insbesondere der Dichtsitz und die Eindüsöffnungen.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Injektor zum Eindosieren eines gasförmigen Kraftstoffs weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Injektor einfacher zu fertigen ist und bezüglich seiner Materialwahl leichter an die Anforderungen angepasst werden kann, wie sie in einzelnen Komponenten des Injektors optimal sind. 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. An dem dem Düsensitz zugewandten Ende der Düsennadel ist ein zylindrischer Abschnitt mit wenigstens einer Ausnehmung ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum stromabwärts des äußeren Düsensitzes einströmen kann, wobei der zylindrische Abschnitt von einer Hülse umgeben ist, in deren Seitenwand wenigstens eine Eindüsöffnung ausgebildet ist, die die Ausnehmung mit der Außenseite der Hülse verbindet.
Die Eindüsöffnungen des Injektors sind in einem separaten Bauteil in Form einer Hülse ausgebildet, die die Eindüsöffnungen enthält und die Abdichtung der wenigstens einen Ausnehmung zum Brennraum bildet. Die Ausbildung der wenigstens einen Ausnehmung in der Düsennadel vereinfacht sich dadurch, da sie für den Fertigungsprozess leichter zugänglich ist, und die Hülse kann in einfacher Art und Weise mit der Düsennadel verbunden werden. Da die Hülse als separates Bauteil ausgebildet ist, kann sie aus einem anderen Werkstoff als die Düsennadel gefertigt werden, der sich leichter bearbeiten lässt oder der härter und beständiger als der Werkstoff der Düsennadel ist.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung am zylindrischen Abschnitt als umlaufende Ringnut ausgebildet, in die der gasförmige Kraftstoff einströmen kann, so dass auch Strömungen in tangentialer Richtung ermöglicht werden. Damit ist eine gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs auf alle Eindüsöffnungen in einfacher Weise möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere taschenförmige Ausnehmungen im zylindrischen Abschnitt der Düsennadel 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. Durch einzelne taschenförmige Ausnehmungen lässt sich der Gasstrom gezielt zu den einzelnen Eindüsöffnungen lenken, so dass Umlenkverluste minimiert werden und damit eine optimale Eindringtiefe des gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum erreicht werden kann.
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 auf die Innenseite der Hülse strömen kann. Diese Einkerbungen lassen sich in einfacher Weise an der Hülse ausbilden und bilden einen großen Durchflussquerschnitt, durch den entweder die einzelnen taschenförmigen Ausnehmungen oder die ringnutförmige Ausnehmung drosselungsfrei mit dem Druckraum verbindbar sind bzw. ist.
Um die Hülse ortsfest am Ende der Düsennadel zu fixieren, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Hülse an ihrem dem Düsensitz abgewandten Ende einen nach innen weisenden Kragen aufweist, der mit der Düsennadel verschweißt ist. Eine solche Schweißverbindung lässt sich insbesondere mittels eines Lasers in einfacher Weise herstellen, auch bei relativ dünnwandigen Bauteilen, und bildet eine spannungsarme und ermüdungsfreie Verbindung der Bauteile. Es ist in vorteilhafter Weise auch möglich, dass die Hülse mit dem zylindrischen Abschnitt der Düsennadel einen Pressverband bildet, was insbesondere bei relativ dickwandigen Bauteilen vorteilhafter sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hülse an ihrem dem äußeren Düsensitz zugewandten Ende Rasthaken auf, die in Einbaulage in entsprechende Ausnehmungen am zylindrischen Abschnitt eingreifen, so dass die Hülse fixiert ist. Die Hülse kann bei dieser Ausgestaltung in einfacher Weise auf die Düsennadel aufgesteckt werden, so dass auf weitere Verbindungselemente verzichtet werden kann.
Figurenliste
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigt

1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor im Bereich der Eindüsöffnungen,
2 eine perspektivische Darstellung der Hülse,
3 eine ebenfalls perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Injektors und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in der gleichen Darstellung wie 1, wobei nur eine Hälfte des symmetrischen Injektors gezeigt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor 1 im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Komponenten im Bereich des brennraumseitigen Endes dargestellt sind. Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum 3 ausgebildet ist. Im Druckraum 3 ist eine Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, an der eine konische äußere Dichtfläche 8 ausgebildet ist, mit der die Düsennadel 5 mit einem ebenfalls konischen äußeren Düsensitz 7 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 3 ausströmen kann, wenn die Düsennadel 5 vom äußeren Düsensitz 7 abgehoben hat. Dieser Zustand ist in 1 dargestellt, d.h. zwischen dem äußeren Düsensitz 7 und der äußeren Dichtfläche 8 ist ein Strömungsquerschnitt aufgesteuert. Liegt die Düsennadel 5 hingegen in Anlage am äußeren Düsensitz 7, so wird dieser Strömungsquerschnitt verschlossen und der Druckraum 3 wird durch die Düsennadel 5 abgedichtet.
Am Ende der Düsennadel 5 ist ein zylindrischer Abschnitt 10 ausgebildet, in dem eine Ausnehmung 11 ausgebildet ist, die in diesem Ausführungsbeispiel als umlaufende Ringnut ausgebildet ist. Den zylindrischen Abschnitt 10 umgibt eine Hülse 12, die formschlüssig am zylindrischen Abschnitt 10 anliegt und in der mehrere Eindüsöffnungen 14 ausgebildet sind, über die die Ausnehmung 11 mit der Außenseite 112 der Hülse 12 verbunden ist.
An ihrem dem Düsensitz 7 abgewandten Ende weist die Hülse 12 einen nach innen weisenden Kragen 18 auf, mit dem die Hülse 12 an einer gleichartig gestalteten Fläche der Düsennadel 5 anliegt. Zur Fixierung der Hülse 12 am Ende der Düsennadel 5 ist eine Schweißverbindung 15 ausgebildet, die auch dafür sorgt, dass sich zwischen der Hülse 12 und der Düsennadel 5 kein Leckagestrom ausbildet, über den gasförmiger Kraftstoff unkontrolliert in den Brennraum gelangen könnte. An ihrem dem Düsensitz 7 zugewandten Ende weist die Hülse 12 mehrere Einkerbungen 16 auf, was insbesondere in der Darstellung der 2 deutlich zu sehen ist, die eine perspektivische Darstellung der Hülse 12 zeigt. Über die Einkerbungen 16 kann gasförmiger Kraftstoff, der im Druckraum 3 vorgehalten wird, in die Ausnehmung 11 einströmen, wenn die Düsennadel 5 den Strömungsquerschnitt am äußeren Düsensitz 7 freigibt.
In der Düsennadel 5 ist ein innerer Druckraum 20 ausgebildet, der mit einem flüssigen Kraftstoff unter Einspritzdruck befüllbar ist. Im inneren Druckraum 20 ist eine kolbenförmige innere Düsennadel 22 längsverschiebbar angeordnet, die mit einer im Wesentlichen konischen, an der inneren Düsennadel 22 ausgebildeten inneren Dichtfläche 26 mit einem Düsensitz 25 zusammenwirkt, der in der Düsennadel 5 ausgebildet ist. Zwischen der inneren Düsennadel 22 und dem Ende des inneren Druckraums 20 ist ein Sackloch 28 ausgebildet, das über den zwischen dem inneren Düsensitz 25 und der inneren Dichtfläche 26 aufsteuerbaren Strömungsquerschnitt mit dem inneren Druckraum 20 verbindbar ist. Vom Sackloch 28 gehen mehrere Einspritzöffnungen 30 aus, über die der flüssige Kraftstoff ausgespritzt werden kann.
Die Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 5 und der inneren Düsennadel 20 erfolgt beispielsweise servo-hydraulisch, das heißt, dass sowohl die Düsennadel 5 als auch die innere Düsennadel 20 durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum gegen den äußeren Düsensitz 7 bzw. den inneren Düsensitz 25 gedrückt werden. Soll eine Längsbewegung der inneren Düsennadel 20 bzw. der Düsennadel 5 stattfinden, so wird der Kraftstoffdruck in dem jeweiligen Steuerraum vermindert, was eine Reduzierung der hydraulischen Schließkraft auf die innere Düsennadel 20 bzw. die Düsennadel 5 bewirkt, so dass diese ein Längsbewegung weg vom äußeren Düsensitz 7 bzw. dem inneren Düsensitz 25 ausführen. Der in 1 dargestellte Injektor kann beispielsweise so angesteuert werden, dass die Längsbewegung der Düsennadel 5 und der inneren Düsennadel 20 unabhängig voneinander möglich ist, so dass beide Kraftstoffe beliebig in einen Brennraum eindosiert werden können. Insbesondere ist es möglich, die innere Düsennadel 22 zeitlich vor der Düsennadel 5 anzuheben, um so eine Zündmenge an flüssigem Kraftstoff in einen Brennraum einzubringen, und anschließend die Düsennadel 5 aufzusteuern und damit eine größere, die Hauptlast der Verbrennung beitragende Menge an gasförmigem Kraftstoff einzubringen.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors 1 dargestellt. Statt einer ringnutförmigen Ausnehmung 11, wie sie 1 zeigt, sind hier mehrere taschenförmige Ausnehmungen 11' an der Düsennadel 5 ausgebildet. Die taschenförmigen Ausnehmungen 11' sind dabei jeweils einer Eindüsöffnung 14 zugeordnet und über Einkerbungen 16 mit dem Druckraum 3 verbindbar. Der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum 3 strömt auch hier durch den Strömungsquerschnitt, der zwischen dem äußeren Düsensitz 7 und der äußeren Dichtfläche 8 aufgesteuert wird, und strömt durch die Einkerbungen 16 in die taschenförmigen Ausnehmungen 11' und von dort durch die Eindüsöffnungen 14 zur Außenseite 112 der Düse 12. Durch die taschenförmigen Ausnehmungen 11' lässt sich der Gasstrom gezielt in Richtung der Eindüsöffnungen 14 lenken, so dass die Umlenkverluste, also der Druckabfall infolge der Umlenkung des Gasstroms aus dem Druckraum 3 zu den Eindüsöffnungen 14, minimiert wird. Damit kann die Eindringtiefe des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum erhöht werden. Auch bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Hülse 12 über eine Schweißverbindung 15 mit der Düsennadel 5 fest verbunden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors gezeigt, wobei dieselbe Darstellung wie in 1 gewählt wurde, allerdings ist hier nur die rechte Hälfte des Einspritzventils dargestellt, das im übrigen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Hülse 12 ist hierbei nicht über eine Schweißverbindung mit der Düsennadel 5 verbunden, sondern die Hülse 12 weist mehrere Rasthaken 19 auf, die an der Innenseite der Hülse 12 ausgebildet sind und nach innen ragen. In der Düsennadel 5 sind entsprechende Ausnehmungen 17 ausgebildet, die dazu bestimmt sind, die Rasthaken 19 aufzunehmen. Damit kann die Hülse 12 durch einfaches Aufschieben auf die Düsennadel 5 montiert werden, d.h. die Hülse 12 wird in axialer Richtung auf die Düsennadel 5 aufgeschoben, bis die Rasthaken 19 in die entsprechenden Ausnehmungen 17 eingreifen und damit die Hülse 12 sowohl in axialer als auch tangentialer Richtung fixieren. Die Ausnehmung 11 kann hierbei als umlaufende Ringnut oder aber auch durch taschenförmige Ausnehmungen 11' gemäß 3 ausgebildet sein.
In 5 ist eine mit V 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 5a zeigt, eine zylindrische Bohrung. 5b 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. In 5c 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 Eindüsöffnungen 14, da die Bearbeitung von beiden Seiten der Hülse 12 erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015218257 A1 [0002]

Claims

Injektor (1) zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem Injektorkörper (2), in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum (3) mit einer darin längsbeweglich angeordneten Düsennadel (5) ausgebildet ist, wobei die Düsennadel (5) mit einem im Injektorkörper (2) ausgebildeten äußeren Düsensitz (7) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für den gasförmigen Kraftstoff zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Düsensitz zugewandten Ende der Düsennadel (5) ein zylindrischer Abschnitt (10) mit wenigstens einer Ausnehmung (11; 11') ausgebildet ist, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum (3) stromabwärts des äußeren Düsensitzes (7) einströmen kann, wobei der zylindrische Abschnitt (10) von einer Hülse (12) umgeben ist, in deren Seitenwand wenigstens eine Eindüsöffnung (14) ausgebildet ist, durch die die wenigstens eine Ausnehmung (11; 11') mit der Außenseite (112) der Hülse (12) verbunden ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (11) als am zylindrischen Abschnitt (10) umlaufende Ringnut ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere taschenförmige Ausnehmungen (11') im zylindrischen Abschnitt (10) ausgebildet sind, in die der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum (3) stromabwärts des äußeren Düsensitzes (7) strömen kann, wobei jede taschenförmige Ausnehmung (11') über eine Eindüsöffnung (14) mit der Außenseite (112) der Hülse (12) verbunden ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) an ihrem dem äußeren Düsensitz (7) zugewandten Randbereich mehrere Einkerbungen (16) aufweist, durch die gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum (3) auf die Innenseite der Hülse (12) strömen kann.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Düsennadel ein innerer Druckraum (20) ausgebildet ist, der mit flüssigem Kraftstoff unter einem Einspritzdruck befüllbar ist, wobei im inneren Druckraum (20) eine innere Düsennadel (22) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem in der Düsennadel (5) ausgebildeten inneren Düsensitz (25) zusammenwirkt und dadurch den inneren Druckraum (20) gegen Einspritzöffnungen (30) verschließt, die in der Düsennadel (5) ausgebildet sind.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) an ihrem dem äußeren Düsensitz (7) abgewandten Ende einen nach innen ragenden Kragen (18) aufweist, der mit der Düsennadel (5) verschweißt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) mit dem zylindrischen Abschnitt (10) einen Pressverband bildet.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) an ihrem dem äußeren Düsensitz (7) zugewandten Ende Rasthaken (19) aufweist, die in entsprechende Ausnehmungen (17) am zylindrischen Abschnitt (10) einrastbar sind, so dass die Hülse (12) so fixierbar ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsöffnungen (14) eine Eintrittsöffnung (114) aufweisen, die gerundet ausgeführt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eindüsöffnung (14) einen engsten Querschnitt (34) aufweist, der zwischen der Eintrittsöffnung (114) der Eindüsöffnung (14) und ihrer Austrittsöffnung (214) ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Eindüsöffnung (14) als Laval-Düse ausgebildet ist.