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Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff, wie er beispielsweise Verwendung findet, um solchen Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Injektoren bekannt, mit denen gasförmiger Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden kann. Darüber hinaus sind Injektoren bekannt, mit denen sich auch flüssiger Kraftstoff in einen Brennraum eindosiert lässt, wobei der flüssige Kraftstoff entweder gleichzeitig oder abwechselnd mit dem gasförmigen Kraftstoff ausgedüst wird. Insbesondere ist es auch bekannt, den flüssigen Kraftstoff zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs zu verwenden, dergestalt, dass zuerst eine Zündmenge flüssiger Kraftstoff in den Brennraum eingebracht wird. Nach der Zündung dieser Kraftstoffmenge wird der gasförmige Kraftstoff eindosiert und verbrennt, ohne dass eine weitere Zündvorrichtung notwendig ist. Ein solcher Injektor ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 225 167 A1 bekannt und umfasst einen Injektorkörper, in dem eine kolbenförmige Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel weist eine Dichtfläche auf, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Der durch den Strömungsquerschnitt fließende gasförmige Kraftstoff strömt aus Eindüsöffnungen aus und gelangt so in einen Brennraum einer entsprechenden Brennkraftmaschine. Die Düsennadel ist an ihrem brennraumseitigen Ende in einer im Injektorkörper ausgebildeten Bohrung geführt und ragt über das brennraumseitige Ende des Injektorkörpers hinaus. Zum Einspritzen des flüssigen Kraftstoffs sind in diesem Ende der Düsennadel Einspritzöffnungen ausgebildet, die durch eine in einer Längsbohrung der Düsennadel angeordnete innere Düsennadel geöffnet und geschlossen werden.
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Die Führung der Düsennadel an ihrem brennraumseitigen Ende in einer Bohrung des Injektorkörpers bedingt einen Ringspalt zwischen der Düsennadel und der Bohrung, der aufgrund der notwendigen Beweglichkeit der Düsennadel in der Bohrung nicht vermeidbar ist. Hierbei muss die Führung der Düsennadel innerhalb der Bohrung möglichst eng sein, um ein Ausströmen von gasförmigem Kraftstoff durch diesen Ringspalt weitgehend zu unterbinden, da dieser gasförmige Kraftstoff zusätzlich und unkontrolliert in den Brennraum gelangt. Dieser zusätzliche gasförmige Kraftstoff strömt nur gedrosselt in den Brennraum und verbrennt deshalb weitgehend injektornah, was sich negativ auf die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine auswirkt. Soll der Ringspalt jedoch sehr klein sein, so müssen die Komponenten sehr präzise gefertigt werden, was entsprechend aufwendig und kostenintensiv ist. Ein zu enger Ringspalt kann jedoch auch negative Folgen haben, da insbesondere bei hoher Temperaturbelastung die Gefahr zunimmt, dass sich Belag innerhalb des Spaltes bildet und sich damit die Fressneigung der Düsennadel innerhalb der Bohrung erhöht, was letztendlich zu einem Nadelklemmen führen kann.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zum einen die Verschleißneigung der Düsennadel innerhalb des Injektorkörpers minimiert ist und zum anderen keine Eintragung von gasförmigem Kraftstoff in andere als die dafür vorgesehenen Bereiche des Brennraums erfolgt. Dazu weist der Injektor einen Injektorkörper auf, in dem eine kolbenförmige, eine Längsachse aufweisende Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer an der Außenseite der Düsennadel ausgebildeten Dichtfläche mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Durch den Strömungsquerschnitt kann gasförmiger Kraftstoff aus einem im Injektorkörper ausgebildeten Druckraum in einen Ringraum einströmen, der zwischen der Düsennadel und einer Bohrung im Injektorkörper ausgebildet ist, wobei von dem Ringraum wenigstens eine Eindüsöffnung ausgeht, durch die gasförmiger Kraftstoff ausströmen kann. Zwischen der Düsennadel und der Bohrung ist ein Ringspalt ausgebildet, der sich dem Düsensitz abgewandt an den Ringraum anschließt und der an seinem Ende eine Ausströmöffnung bildet. An der Düsennadel ist ein Umlenkkörper mit einer Umlenkfläche angeordnet, die der Ausströmöffnung des Ringspalts gegenüberliegt, so dass zumindest ein Teil des aus dem Ringspalt ausströmenden, gasförmigen Kraftstoffs auf die Umlenkfläche trifft und dadurch bezüglich der Längsachse der Düsennadel radial nach außen abgelenkt wird.
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Durch die Ausbildung des Umlenkkörpers braucht der Ringspalt, der zwischen der Düsennadel und der Bohrung verbleibt, nicht minimiert zu werden, sondern es kann bewusst ein relativ großer Ringspalt ausgebildet sein, durch den eine bestimmte Menge gasförmiger Kraftstoff austritt, zusätzlich zu dem gasförmigen Kraftstoff, der durch die Eindüsöffnungen ausströmt und der die Hauptmenge des gasförmigen Kraftstoffs bildet. Der durch den Ringspalt ausströmende Kraftstoff wird durch den Umlenkkörper nach außen und damit in die gleiche Richtung wie der übrige gasförmige Kraftstoff gelenkt, so dass der gesamte gasförmige Kraftstoff in den gleichen Raumbereich des Brennraums gelangt und die Verbrennung insgesamt ebenso abläuft, als wenn der gesamte gasförmige Kraftstoff durch die Eindüsöffnungen nach außen gelangen würde.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umlenkkörper einen zylindrischen Abschnitt auf, der das brennraumseitige Ende der Düsennadel umgibt. Dadurch lässt sich der Umlenkkörper leicht auf der Düsennadel positionieren. Insbesondere ist es dadurch möglich, den Umlenkkörper mit einem Innengewinde zu versehen, der auf ein entsprechendes Außengewinde an der Düsennadel aufgeschraubt wird und dadurch in einfacher Weise auf der Düsennadel fixiert wird, was auch gleichzeitig eine Abdichtung zwischen dem Umlenkkörper und der Düsennadel bewirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umlenkkörper einen kegelstumpfförmigen Abschnitt auf, der zumindest mittelbar mit dem zylindrischen Abschnitt verbunden ist und an dem die Umlenkfläche ausgebildet ist. Der aus dem Ringspalt austretende gasförmige Kraftstoff trifft auf die kegelstumpfförmige Umlenkfläche und kann so gezielt in den gewünschten Raumbereich des Brennraums gelenkt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Umlenkkörper auf der Düsennadel durch eine Schweißverbindung fixiert, wodurch auch eine gasdichte Verbindung zwischen dem Umlenkkörper und der Düsennadel erreicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Umlenkfläche des Umlenkkörpers so gestaltet, dass der gasförmige Kraftstoff in einem solchen Winkel radial nach außen abgelenkt wird, dass die Strömungsrichtung dieses gasförmigen Kraftstoffs zumindest im Wesentlichen den gleichen Winkel bezüglich der Längsachse der Düsennadel aufweist wie das aus den Eindüsöffnungen austretende Gas. Dadurch kann erreicht werden, dass der gasförmige Kraftstoff, egal ob er über die Eindüsöffnungen oder über den Ringspalt austritt, in denselben Raumbereich des Brennraums gelangt und damit die Verbrennung optimal stattfinden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dicke des Ringspalts zwischen 25 µm und 100 µm, wobei die Dicke hier die Differenz der Radien von Bohrung und Düsennadel ist. Ein solcher Ringspalt ist mit relativ wenig Aufwand zu fertigen, ohne dass die Gasmenge, die durch diesen Ringspalt ausströmt, die durch die Eindüsöffnungen strömende Gasmenge wesentlich reduziert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Düsennadel eine Längsbohrung auf, in der eine innere Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, wobei die Längsbohrung mit einem flüssigen Kraftstoff befüllbar ist. Die innere Düsennadel wirkt mit einem in der Düsennadel ausgebildeten inneren Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer in der Düsennadel ausgebildeten Einspritzöffnung zusammen. Auf diese Weise kann der Injektor auch zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff verwendet werden, wobei der flüssige Kraftstoff unabhängig vom gasförmigen Kraftstoff eingespritzt werden kann, so dass dieser gleichzeitig oder zeitlich versetzt zu dem gasförmigen Kraftstoff in einen Brennraum eingebracht werden kann.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasinjektors dargestellt. Es zeigen:
- 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Gasinjektor im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors und
- 3 eine vergrößerte Darstellung des in 1 gezeigten Injektors, wobei hier nur die linke Hälfte gezeichnet ist.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieser Injektor eignet sich auch, um gleichzeitig oder zeitlich versetzt zum gasförmigen Kraftstoff flüssigen Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen. Der Injektor weist einen Injektorkörper 1 auf, in dem eine Düsennadel 2 längsverschiebbar angeordnet ist, die im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet ist. Die Düsennadel 2 weist dabei eine Längsachse 4 auf und ist in einem Druckraum 5 angeordnet, der innerhalb des Injektorkörpers 1 ausgebildet ist und der mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar ist. Die Düsennadel 2 bildet an ihrer äußeren Umfangsfläche eine konische Dichtfläche 6 aus, mit der die Düsennadel 2 mit einem ebenfalls konischen Düsensitz 7 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 5 ausströmen kann.
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Die Düsennadel 2 weist eine Längsbohrung 25 auf, in der eine innere Düsennadel 27 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Längsbohrung 25 ist mit flüssigem Kraftstoff befüllbar, wobei die innere Düsennadel 27 mit einem innerhalb der Düsennadel 2 ausgebildeten inneren Düsensitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, so dass flüssiger Kraftstoff aus der Längsbohrung 25 zu Einspritzöffnungen 30 strömen kann, die ebenfalls in der Düsennadel 2 ausgebildet sind. Somit kann durch eine Längsbewegung der inneren Düsennadel 27 flüssiger Kraftstoff unabhängig vom gasförmigen Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 30 ausgespritzt werden, wobei der austretende flüssige Kraftstoff einen Flüssigkeitsstrahl 35 bildet, der bei entsprechend hohem Druck beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 30 fein vernebelt wird. Dieser flüssige Kraftstoff kann beispielsweise dazu dienen, eine Zündmenge in den Brennraum einzubringen, um dadurch den gasförmigen Kraftstoff leichter zu zünden, der in der Regel weniger zündwillig ist als flüssiger Kraftstoff.
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Die Düsennadel 2 ist an ihrem brennraumseitigen Ende in einer im Injektorkörper 1 ausgebildet Bohrung 8 geführt, wobei zwischen der Düsennadel 2 und der Bohrung 8 ein Ringraum 10 ausgebildet ist. Der Ringraum 10 schließt sich unmittelbar an den Düsensitz 7 an, so dass gasförmiger Kraftstoff, der durch den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 7 strömt, in den Ringraum 10 gelangt. Vom Ringraum 10 gehen eine oder mehrere Eindüsöffnungen 11 aus, die nach außen von der Längsachse 3 weggerichtet sind, so dass der durch die Eindüsöffnungen 11 ausströmende, gasförmige Kraftstoff schräg nach unten ausgedüst wird und dort einen Gasstrahl 33 bildet, der mit der Längsachse 3 der Düsennadel 2 einen Winkel α einschließt.
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An den Ringraum 10 schließt sich dem Brennraum zugewandt ein Ringspalt 13 an, der zwischen der Düsennadel 2 und der Bohrung 10 ausgebildet ist. Der Ringspalt 13 bildet an seinem brennraumseitigen Ende eine Ausströmöffnung 14, so dass ein Teil des gasförmigen Kraftstoffs, der in den Ringraum 10 gelangt, in den Ringspalt 13 gelangt und durch die Ausströmöffnung 14 austritt, wenn die Düsennadel 2 den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 7 aufgesteuert hat. Dieser gasförmige Kraftstoff gelangt in Form eines Ringspaltstrahls ebenfalls in den Brennraum, jedoch in einen anderen Raumbereich des Brennraums wie der gasförmige Kraftstoff, der über die Eindüsöffnungen 11 austritt. Da dieser Ringspaltstrahl in zentraler Richtung auf den Kolbenboden gerichtet ist, der den Brennraum begrenzt, kommt es bei entsprechender Eindringtiefe - insbesondere bei hohem Eindüsdruck und relativ großem Ringspalt - dort zu einer unvollständigen Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs und lokal erhöhten Temperaturbelastungen des Kolbens, was dessen Festigkeit auf lange Sicht beeinträchtigt. Darüber hinaus ergibt sich bei einem kleineren Ringspalt 13 das Problem, dass dieser Ringspaltstrahl, da er über den relativ engen Ringspalt 13 stark gedrosselt ist, düsennah verbrennt und eine geringe Eindringtiefe hat. Damit erhöht sich die Kuppentemperatur am Injektorkörper 1, was eine zusätzliche thermische Belastung für das Material darstellt und sich ebenfalls auf längere Sicht negativ auf die Haltbarkeit der Düse auswirken kann.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Gleiche Bauteile sind in der 2 mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 versehen und deren Form und Funktion ist identisch zu dem in 1 gezeigten Injektor. Erfindungsgemäß ist hier am brennraumseitigen Ende der Düsennadel 2 ein Umlenkkörper 15 angeordnet. Der Umlenkkörper 15 weist einen zylindrischen Abschnitt 17 auf, der einen ebenfalls zylindrischen Abschnitt der Düsennadel 2 umgibt. Dabei besteht eine gasdichte Verbindung zwischen dem Umlenkkörper 15 und der Düsennadel 2, so dass der gasförmige Kraftstoff ausschließlich durch den Ringspalt 13, der zwischen dem Umlenkkörper 15 und der Bohrung 8 verbleibt, hindurch strömen kann. Der Ringspalt 13 ist gegenüber dem Ringspalt in der 1 deutlich vergrößert und beträgt vorzugsweise 25 µm bis 100 µm. In 3 ist dazu in vergrößerter Darstellung ein Ausschnitt aus 2 gezeigt, wobei nur die linke Hälfte des Injektors dargestellt ist. Die Dicke d bezeichnet hier die Differenz der Radien der kreisförmigen Bohrung 13 und des zylindrischen Abschnitts 17 an dessen Außenfläche.
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Der Umlenkkörper 15 weist weiterhin einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 18 auf, der radial nach außen gerichtet ist und bildet an seiner dem Injektorkörper 1 zugewandten Seite eine Umlenkfläche 16. Die Umlenkfläche 16 liegt der Ausströmöffnung 14 gegenüber, so dass der gasförmige Kraftstoff, der durch den Ringspalt 13 strömt und durch die ringscheibenförmige Austrittsöffnung 14 austritt, auf die Umlenkfläche 16 trifft. Dieser gasförmige Kraftstoff bildet dadurch einen zweiten, kegelstumpfförmigen Gasstrahl 34, der aufgrund der Umlenkung an der Umlenkfläche 16 nach außen gerichtet ist. Dabei bildet die Strömungsrichtung des zweiten Gasstrahls 34 mit der Längsachse 3 zumindest näherungsweise den gleichen Winkel α wie der Gasstrahl 33, der aus den Anströmöffnungen 11 austritt. Dadurch ist sichergestellt, dass zum einen kein gasförmiger Kraftstoff düsennah verbrennt und zum anderen in andere Raumbereiche des Brennraums gelangt, wo er nicht oder nur unvollständig verbrannt wird.
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Zur Befestigung des Umlenkkörpers 15 auf der Düsennadel 2 ist in einer ersten Ausgestaltung, die 3 zeigt, an der Innenseite des zylindrischen Abschnitts 17 ein Innengewinde 19 ausgebildet. Mit diesem Innengewinde 19 greift der Umlenkkörper 15 in ein entsprechendes Außengewinde 20 ein, das an der Außenseite der Düsennadel 2 ausgebildet ist. Wird der Umlenkkörper 15 so mit Düsennadel 2 verschraubt, wird er gegenüber der Düsennadel 2 ortsfest fixiert und es ergibt sich eine gasdichte Verbindung zwischen dem Umlenkkörper 15 und der Düsennadel 2. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, den Umlenkkörper 15 auf der Düsennadel 2 durch eine Schweißverbindung 22 zu fixieren, die in 3 ebenfalls gezeigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225167 A1 [0002]
