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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff, mit einer verbesserten Spraygeometrie sowie eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Injektor.
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Injektoren zum Einspritzen von Fluid sind beispielsweise als Kraftstoffinjektoren aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit gibt es bei Brennkraftmaschinen die Tendenz, einen Einspritzdruck des einzuspritzenden Kraftstoffs zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies insbesondere auch zu einem Einspritzstrahl führen kann, welcher tiefer in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eindringt. Hierdurch kann ein Benetzen von Wandbereichen eines Zylinders oder eines Kolbens auftreten. Dies kann jedoch zu verschlechterten Abgasemissionen der Brennkraftmaschine führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einspritzen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei höheren Fluiddrücken, insbesondere größer als 20 MPa, z.B. eine Benetzung von Wandbereichen eines Zylinders und/oder eines Kolbens einer Brennkraftmaschine vermieden werden kann. Weiterhin kann eine einfachere und verbesserte Möglichkeit einer Auslegung von Spritzlöchern entsprechend von Kundenwünschen von Brennkraftmaschinen-Herstellern realisiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor eine erste Spritzlochanordnung mit einer Vielzahl von ersten Spritzlöchern aufweist. Wenigstens ein erstes Spritzloch weist dabei eine Seitenbohrung auf. Die Seitenbohrung ist dabei derart angeordnet, dass die Seitenbohrung von einem inneren Fluidraum des Injektors ausgeht und in das erste Spritzloch selbst mündet. Hinsichtlich des Begriffs „Seitenbohrung“ sei angemerkt, dass die Seitenbohrung hier mittels spanabhebenden Verfahren hergestellt werden kann, beispielsweise mittels Bohren, jedoch unter „Seitenbohrung“ auch ein beispielsweise mittels eines Lasers gefertigtes Loch oder ein mittels eines dreidimensional-aufbauenden Verfahrens hergestelltes Loch verstanden wird. Das erste Spritzloch ist dabei als Durchgangsöffnung in einem Gehäusebauteil des Injektors ausgebildet und führt von dem inneren Fluidraum zu einer Außenseite des Gehäusebauteils. Die Seitenbohrung ist dabei derart angeordnet, dass kein Schnittpunkt zwischen einer Mittelachse des ersten Spritzlochs und einer Mittelachse der Seitenbohrung vorhanden ist. Somit schneidet die Mittelachse der Seitenbohrung nicht die Mittelachse des ersten Spritzlochs. Dadurch ergibt sich für das aus der Seitenbohrung in das erste Spritzloch austretende Fluid eine spiralförmige Strömung entlang des Wandbereichs des ersten Spritzlochs. Diese spiralförmige Strömung bleibt auch bevorzugt in dem aus einer Austrittsöffnung des Spritzlochs austretenden Sprays erhalten, wodurch eine reduzierte Eindringtiefe des Sprays in einen Raum, insbesondere einen Brennraum, erreicht wird. Auch wird hierdurch eine verbesserte Atomisierung des austretenden Fluids erreicht. Somit wird das einzuspritzende Fluid nach dem Ausströmen des Fluids aus der Seitenbohrung in das erste Spritzloch dem einzuspritzenden Fluid ein zusätzlicher spiralförmiger Drall aufgeprägt, welcher sich in einer verbesserten Spraygeometrie und einer Reduzierung der Größe der Spraytröpfchen des erzeugten Sprays niederschlägt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt weist das erste Spritzloch, welches die Seitenbohrung aufweist, einen konstanten Querschnitt, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt, auf. Alternativ ist das erste Spritzloch als gestufte Bohrung oder als eine sich in Durchströmungsrichtung kontinuierlich erweiternde Bohrung, insbesondere sich konisch erweiternde Bohrung oder eine sich kontinuierlich verjüngende Bohrung, ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Seitenbohrung einen konstanten Querschnitt, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt, auf oder einen sich in Durchströmungsrichtung kontinuierlich, insbesondere konisch, erweiternden Querschnitt auf, oder einen sich in Durchströmungsrichtung kontinuierlichen, insbesondere konisch reduzierenden Querschnitt auf.
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Weiter bevorzugt ist eine Querschnittsfläche der Seitenbohrung kleiner als eine Querschnittsfläche des ersten Spritzlochs. Besonders bevorzugt ist jede Querschnittsfläche der Seitenbohrung immer kleiner als ein kleinster Querschnitt des ersten Spritzlochs.
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Besonders bevorzugt ist der Injektor derart ausgebildet, dass alle ersten Spritzlöcher jeweils eine eigene Seitenbohrung aufweisen. Die Seitenbohrung jedes ersten Spritzlochs ist dabei besonders bevorzugt ausgehend von einer Mittelachse des ersten Spritzlochs radial innerhalb eines den Mittelpunkt umfassenden Kreises um eine Injektormittelachse X-X angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Injektor eine zweite Spritzlochanordnung mit einer Vielzahl von zweiten Spritzlöchern, wobei die zweiten Spritzlöcher ausgehend von der Injektormittelachse radial weiter außen als die ersten Spritzlöcher der ersten Spritzlochanordnung liegen. Vorzugsweise liegen die erste und/oder zweite Spritzlochanordnung jeweils auf einem Kreis konzentrisch um die Injektormittelachse X-X.
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Besonders bevorzugt weisen die zweiten Spritzlöcher der zweiten Spritzlochanordnung alle keine Seitenbohrungen auf.
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Weiter bevorzugt weist die erste Spritzlochanordnung ein erstes Spritzloch auf, welches eine Seitenbohrung aufweist, die innerhalb eines Kreises, auf welchem die Mittelpunkte der ersten Spritzlöcher der Spritzlochanordnung liegen, liegt und ein weiteres erstes Spritzloch mit einer Seitenbohrung auf, wobei die Seitenbohrung außerhalb des Kreises liegt. Bevorzugt liegen alle Seitenbohrungen der ersten Spritzlöcher innerhalb des Kreises, auf welchem die Mittelpunkte der ersten Spritzlöcher liegen.
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Vorzugsweise sind das Spritzloch und die Seitenbohrung zylindrisch und das Spritzloch weist einen ersten Durchmesser D1 auf und die Seitenbohrung einen zweiten Durchmesser D2 auf. Dabei ist der erste Durchmesser D1 derart gewählt, dass der erste Durchmesser D1 in einem Bereich von 2 x D2 bis 3 x D2 liegt.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor, insbesondere einem Kraftstoffinjektor.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Spraylochgeometrie des Injektors von 1,
- 3 eine schematische, vergrößerte seitliche Schnittansicht eines Spritzlochs von 2 mit Seitenbohrung, und
- 4 eine schematische, vergrößerte seitliche Schnittansicht eines Spritzlochs eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Der Injektor dieses Ausführungsbeispiels ist ein Kraftstoffinjektor.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Schließelement 2, welches in 1 nur teilweise gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schließelement eine Kugel.
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Der Injektor 1 umfasst ferner ein Gehäuse 3, wobei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Schließelement 2 ein Dichtsitz 4 vorhanden ist. 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Injektors.
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Im Gehäuse 3 des Injektors 1 ist ferner eine erste Spritzlochanordnung 5 und eine zweite Spritzlochanordnung 6 vorgesehen. Die beiden Spritzlochanordnungen 5, 6 sind im Detail aus 2 ersichtlich. Die erste Spritzlochanordnung 5 liegt dabei auf einem ersten Kreis 52, der konzentrisch um eine Injektormittelachse X-X des Injektors angeordnet ist. Die zweite Spritzlochanordnung 6 liegt auf einem zweiten Kreis 62, welcher ebenfalls konzentrisch um die Injektormittelachse X-X angeordnet ist.
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Wie im Detail aus den 1 und 3 ersichtlich ist, umfasst die erste Spritzlochanordnung 5 eine Vielzahl von ersten Spritzlöchern 50. Jedem ersten Spritzloch 50 ist dabei eine Seitenbohrung 51 zugeordnet. Die Seitenbohrung verbindet dabei einen Fluidraum 10 im Inneren des Injektors mit dem ersten Spritzloch 50. Wie aus 3 ersichtlich ist, mündet die Seitenbohrung 51 dabei im ersten Spritzloch 50. Dadurch tritt an einem Austrittsbereich 50a des ersten Spritzlochs 50 Kraftstoff aus, welcher sowohl durch das erste Spritzloch 50 als auch die Seitenbohrung 51 zugeführt ist. Dies ist in 3 durch die Pfeile angedeutet. In 3 ist ferner schematisch auch ein Spraykegel 7 eingezeichnet.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die erste Spritzlochanordnung 5 in diesem Ausführungsbeispiel vier erste Spritzlöcher 50, welche jeweils eine Seitenbohrung 51 aufweisen.
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Wie in 3 dargestellt, ist ein erster Durchmesser D1 des Spritzlochs 50 größer als ein zweiter Durchmesser D2 der Seitenbohrung 51.
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Die zweite Spritzlochanordnung 6 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel acht Spritzlöcher 60, wobei keines der Spritzlöcher 60 eine Seitenbohrung aufweist.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, sind die Seitenbohrungen 51 der ersten Spritzlöcher 50 dabei derart angeordnet, dass keine Seitenbohrung 51 außerhalb des ersten Kreises 52 liegt.
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Ferner sind an allen vier ersten Spritzlöchern 50 die Seitenbohrungen 51 derart angeordnet, dass kein Schnittpunkt zwischen einer Mittelachse 8 des ersten Spritzlochs 50 und einer Mittelachse 9 der Seitenbohrung 51 vorhanden ist.
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Hierdurch mündet die Seitenbohrung 51 außermittig im ersten Spritzloch 50. Dadurch ergibt sich ein spiralförmiger Drall 53 des aus der Seitenbohrung 51 austretenden Fluids, welcher sich im austrittsnahen Bereich entlang eines Wandbereichs des ersten Spritzlochs 50 bildet. Ein Hauptteil des durch das erste Spritzloch 50 zugeführten Fluids wird dabei im Inneren des spiralförmigen Dralls 53 zum Austrittsbereich 50a geführt (Pfeil 54). Durch den spiralförmigen Drall 53 ergibt sich jedoch eine erhöhte Turbulenz im austrittsnahen Bereich des Spritzlochs 50, wodurch die Spraygeometrie des Spraykegels 7 ein sehr großes Volumen aufweist. Ferner bleibt der auf das Fluid aufgeprägte Drall durch das Fluid aus der Seitenbohrung 51 zumindest teilweise auch im Spraykegel 7 erhalten.
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Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme reduziert sich eine Tiefe einer Penetration des Fluids in den Brennraum, so dass eine Benetzung von Bauteilen des Brennraums, insbesondere des Kolbens und/oder Zylinderwänden, vermieden werden kann. Weiterhin reduziert sich eine Größe der Tröpfchen des Sprays im Spraykegel 7, was sich vorteilhaft auf die Verbrennung und den Verbrauch einer Brennkraftmaschine auswirkt.
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Es sei angemerkt, dass sich die geometrische Form des Spraykegels 7 durch eine Änderung eines Eintrittswinkels a der Seitenbohrung 51 in das erste Spritzloch 50 verändern kann. Ebenfalls kann durch eine Wahl unterschiedlicher Querschnitte der Seitenbohrung 51 einen Einfluss auf den Spraykegel 7 genommen werden. Darüber hinaus hat ebenfalls ein Einfluss, an welcher Position die Seitenbohrung 51 in das erste Spritzloch 50 mündet. Im in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel tritt die Mittelachse 9 der Seitenbohrung 51 in einen Bereich von in Durchströmungsrichtung ungefähr 70% einer Länge L des ersten Spritzlochs 50 in das erste Spritzloch 50 ein. Hierdurch verbleiben noch ca. 30% der Länge L des ersten Spritzlochs 50, um eine Turbulenz im ersten Spritzloch 50 zu erzeugen und somit einen möglichst breit gefächerten Spraykegel 7 zu erhalten.
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Da die Seitenbohrung 51 nur an einer Seite des ersten Spritzlochs 50 eintritt, ergibt sich insbesondere ein asymmetrischer Spraykegel 7.
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Damit ferner ausreichend Material des Gehäuses 3 zwischen der Seitenbohrung 51 und dem ersten Spritzloch 50 verbleibt, ist der Winkel a, in welchem die Seitenbohrung 51 das erste Spritzloch 50 schneidet, in einem Bereich von 30° bis 45°.
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Um möglichst keine große Schwächung des Bereichs um die Injektormittelachse X-X durch die Seitenbohrungen 51 hervorzurufen, ist ein Durchmesser der Seitenbohrung 51 in jeder Querschnittsebene deutlich kleiner als ein Durchmesser der ersten Spritzlöcher 50. Vorzugsweise ist eine Querschnittsfläche der Seitenbohrung 51 dabei um mindestens die Hälfte kleiner als eine Querschnittsfläche der ersten Spritzlöcher 50. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein erster Durchmesser D1 des Spritzlochs 50 doppelt so groß wie ein zweiter Durchmesser D2 der Seitenbohrung 51.
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Durch das asymmetrische Vorsehen der Seitenbohrung 51 an einem ersten Spritzloch 50 kollidiert der Kraftstoffstrahl aus der Seitenbohrung 51 somit nur teilweise mit dem Kraftstoffstrahl im ersten Spritzloch 50, da der Hauptteil des Kraftstoffstrahls aus der Seitenbohrung 51 als spiralförmiger Drall 53 entlang des austrittsnahen Bereichs des ersten Spritzlochs 50 entlang der Wand geführt wird. Hierdurch ergeben sich ausreichend verstärkte Turbulenzen, so dass ein aus dem ersten Spritzloch 50 in einen Brennraum austretender Spraykegel 7 eine größere Verteilungsfläche einnimmt. Ferner wird durch das nur teilweise Auftreffen des Kraftstoffstrahls aus der Seitenbohrung 51 auf den Kraftstoffstrahl im ersten Spritzloch 50 und den spiralförmigen Drall 53 eine Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs aus dem ersten Spritzloch 50 in den Brennraum signifikant reduziert, so dass auch bei höheren Drücken ein zu tiefes Eindringen des Kraftstoffs in den Brennraum vermieden werden kann. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass auch bei Verwendung von sehr hohen Einspritzdrücken über 20 MPa eine Benetzung von Wandbereichen im Brennraum mit Kraftstoff auftritt.
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4 zeigt einen Injektor mit einer ersten Spritzlochanordnung 5 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie schematisch in 4 dargestellt, weist das erste Spritzloch 50 des zweiten Ausführungsbeispiels eine sich in Durchströmungsrichtung verjüngende kegelstumpfförmige Form auf. Die Seitenbohrung 51 mündet dabei im kegelförmigen ersten Spritzloch 50 in einen Bereich von ungefähr der Hälfte der Länge L des kegelförmigen ersten Spritzlochs 50 in dessen axialer Richtung. Dabei ist die Seitenbohrung 51 seitlich versetzt zur Mittelachse 8 des ersten Spritzlochs 50, so dass sich die Mittelachse 8 und die Mittelachse 9 der Seitenbohrung 51 nicht schneiden. Dadurch ergibt sich für das über die Seitenbohrung 51 zugeführte Fluid beim Eintritt in das erste Spritzloch 50 der spiralförmige Drall 53, welcher entlang des Wandbereichs des ersten Spritzlochs 50 in Richtung zum Austrittsbereich 50a spiralförmig verläuft. Durch die sich verjüngende konische Ausgestaltung des ersten Spritzlochs 50 ergibt sich in Durchströmungsrichtung eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Fluids im ersten Spritzloch 50 und insbesondere auch eine erhöhte Drallgeschwindigkeit des durch die Seitenbohrung 51 zugeführten Fluids, was zu einer verbesserten Zerstäubung des Fluids führt. Trotzdem ist insgesamt die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids am Austrittsquerschnitt 50a aus dem ersten Spritzloch 50 reduziert, so dass eine Penetrationstiefe des Fluids in den Brennraum weiter reduziert werden kann. Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Zum zweiten Ausführungsbeispiel sei ferner angemerkt, dass es auch möglich ist, dass sowohl das Spritzloch 50 als auch die Seitenbohrung 51 sich verjüngen, insbesondere sich konisch verjüngend ausgebildet sind. Vorzugsweise verjüngen sich das Spritzloch und die Seitenbohrung in die gleiche Richtung, insbesondere in Durchströmungsrichtung. Alternativ erweitern sich das Spritzloch 50 und die Seitenbohrung in Durchströmungsrichtung, insbesondere konisch.
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Weiterhin sei angemerkt, dass die Spritzlöcher 50, 60 der beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne Vorstufe gezeigt sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Spritzlöcher 50, 60 jeweils eine Vorstufe aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich, dass Spritzlöcher gemischt werden können, d.h. es können Spritzlöcher ohne Vorstufe und mit Vorstufe in jeder Spritzlochanordnung 5, 6 vorgesehen werden. Beim Vorsehen von Spritzlöchern mit Vorstufe münden die Seitenbohrungen vorzugsweise nicht in der Vorstufe, sondern immer im Spritzloch.
