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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer solchen Düsenbaugruppe. Mit Hilfe des Kraftstoffinjektors sind ein gasförmiger Hauptkraftstoff sowie ein flüssiger Zündkraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzbar.
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Bei dem gasförmigen Hauptkraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (englisch: „Natural Gas“, abgekürzt „NG“) handeln. Bei dem flüssigen Zündkraftstoff kann es sich insbesondere um Dieselkraftstoff handeln.
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Stand der Technik
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Beim sogenannten NGDI-Einspritzverfahren (englisch: „Natural Gas Direct Injection“) wird Erdgas direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen, mittels einer zuvor abgesetzten Dieselpiloteinspritzung gezündet und anschließend diffusiv verbrannt. Die Verbrennung von Erdgas weist gegenüber der konventionellen Dieselverbrennung insbesondere den Vorteil auf, dass die CO2-Emissionen um bis zu 25% reduziert werden können. Dabei weist Erdgas eine dieselähnliche Verbrennungs- und damit Drehmomentscharakteristik auf, so dass der Integrationsgrad in bestehende Dieselantriebssysteme hoch ist. Das heißt, dass in der Regel nur geringe Änderungen an Brennkraftmaschine, Kühlsystem und/oder Abgasnachbehandlungssystem erforderlich sind. Das NGDI-Einspritzverfahren gelangt beispielsweise bei Nutzfahrzeugen, insbesondere bei Heavy-Duty-Nutzfahrzeugen, zum Einsatz. Als Zündkraftstoff dient üblicherweise Dieselkraftstoff, wobei die Systeme in der Regel so ausgelegt sind, dass die Brennkraftmaschine bei Bedarf auch nur mit Dieselkraftstoff betrieben werden kann („Diesel-Only“ Betrieb).
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Zum Einspritzen unterschiedlicher Kraftstoffe in den Brennraum der Brennkraftmaschine sind sogenannte Dual-Fuel-Injektoren bekannt, die zwei koaxial angeordnete, ineinander geführte Düsennadeln aufweisen, die unterschiedliche Spritzlöcher steuern. Die äußere Düsennadel steuert erste Spritzlöcher, über die der gasförmige Hauptkraftstoff einspritzbar ist. Die innere Düsennadel steuert zweite Spritzlöcher, über die der flüssige Zündkraftstoff einspritzbar ist. Ein bekannter Dual-Fuel-Injektor ist beispielhaft in der
DE 10 2014 225 167 A1 offenbart.
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Zur Optimierung der Verbrennung des gasförmigen Hauptkraftstoffs, muss dieser vollständig gezündet und verbrannt werden. Um dies sicherzustellen, sind bereits viele Versuche unternommen worden, die Ausrichtung der Spritzlöcher für den Hauptkraftstoff und den Zündkraftstoff zueinander zu optimieren. Ein weiteres Ziel dabei ist, die Zündmenge zu minimieren, um den gesetzlich geforderten GER-Wert einzuhalten. Der GER-Wert bzw. das Gas-Energie-Verhältnis (GER, „Gas-Energy-Ratio“) gibt das Verhältnis des Energiegehalts des gasförmigen Hauptkraftstoffs zum Gesamtenergiegehalt beider Kraftstoffe wieder.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe anzugeben, die eine Optimierung der Verbrennung bei zugleich reduzierter Zündmenge ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines gasförmigen Hauptkraftstoffs und eines flüssigen Zündkraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst zwei koaxial angeordnete Düsennadeln, die in einem Düsenkörper hubbeweglich aufgenommen sind. Im Düsenkörper sind dabei kreisförmig angeordnete erste Spritzlöcher zur Formung von Gasstrahlen und kreisförmig angeordnete zweite Spritzlöcher zur Formung von Zündstrahlen ausgebildet. Erfindungsgemäß ist die Anzahl der ersten Spritzlöcher größer als die Anzahl der zweiten Spritzlöcher und beträgt mindestens 11, vorzugsweise mindestens 15, weiterhin vorzugsweise mindestens 20. Die ersten Spritzlöcher oder Gruppen von ersten Spritzlöchern sind dabei gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers verteilt angeordnet.
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Durch die vergleichsweise hohe Anzahl an ersten Spritzlöchern, die - einzeln oder in Gruppen - über den Umfang des Düsenkörpers gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wird ein Strahlkegelschirm aus dicht beieinanderliegenden Strahlkegeln erreicht, der weitgehend homogen ist. Auf die exakte Ausrichtung der Gasstrahlen und Zündstrahlen zueinander, insbesondere hinsichtlich ihrer Winkellage, kommt es demnach nicht mehr an. Ferner können mehrere Gasstrahlen mit Hilfe eines Zündstrahls gezündet werden, da durch den Zündstrahl direkt gezündete Gasstrahlen zum indirekten Zünden benachbarter Zündstrahlen genutzt werden können. Das heißt, dass die Zündmenge deutlich reduziert werden kann, was sich wiederum positiv auf den GER-Wert auswirkt.
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Bei einer deutlich erhöhten Anzahl an ersten Spritzlöchern können diese in Gruppen zusammengefasst werden, wobei vorzugsweise jede Gruppe die gleiche Anzahl an Spritzlöchern umfasst, die weiterhin vorzugsweise innerhalb der Gruppe in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Jeder Gruppe, die beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Spritzlöchern umfassen kann, ist dabei mindestens ein zweites Spritzloch zur Formung eines Zündstrahls zugeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Anzahl der ersten Spritzlöcher dem n-fachen der Anzahl der zweiten Spritzlöcher. Das heißt, dass die Anzahl der ersten Spritzlöcher ein Vielfaches der Anzahl der zweiten Spritzlöcher ist, so dass die eingespritzte Gasmenge deutlich über der eingespritzten Zündmenge liegt. Die Einhaltung des gesetzlich geforderten GER-Werts ist somit sicher gegeben. Vorzugsweise ist „n“ eine ganze Zahl, und zwar eine Zahl zwischen 2 bis 9. Dies erleichtert eine Aufteilung der ersten Spritzlöcher in Gruppen, die gleich viele Spritzlöcher aufweisen. Jeder Gruppe aus ersten Spritzlöchern ist folglich auch mindestens ein zweites Spritzloch zuteilbar.
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Um die hohe Anzahl an ersten Spritzlöchern einfach zu realisieren, wird vorgeschlagen, dass die ersten Spritzlöcher in mehreren Kreisen angeordnet sind und mehrere übereinanderliegende Spritzlochkreise ausbilden. Auf diese Weise kann die Anzahl der ersten Spritzlöcher nochmals deutlich angehoben werden. Zudem wird die Brennraumausnutzung verbessert. Die übereinander angeordneten Spritzkreise können je nach Bedarf gleich viele oder unterschiedlich viele Spritzlöcher umfassen. Vorzugsweise sind die Spritzlöcher eines ersten Spritzlochkreises in ihrer Winkellage versetzt gegenüber den Spritzlöchern eines weiteren Spritzlochkreises angeordnet. Auf diese Weise können die Spritzlöcher dichter gepackt werden, so dass die hierüber abgegebenen Gasstrahlen noch dichter beieinanderliegen. Dadurch ist sichergestellt, dass alle Gasstrahlen - wenn nicht direkt, dann doch zumindest indirekt - gezündet werden.
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Die ersten Spritzlöcher sind vorteilhafterweise zylindrisch oder konisch geformt. Bei einer konischen Form ist der Konus derart orientiert, dass er sich zum Brennraum hin weitet. Der Konus besitzt in diesem Fall die Wirkung eines Diffusors, so dass sich die Strahlkegel der Gasstrahlen weiten. Mit Hilfe der weiten Strahlkegel lässt sich noch einfacher ein zumindest annähernd homogener Strahlkegelschirm realisieren. Je höher die Anzahl der ersten Spritzlöcher ist, kann auch eine Zylinderform gewählt werden, die einfacher und damit kostengünstiger herstellbar ist.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zweiten Spritzlöcher zur Formung der Zündstrahlen in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Der mit Hilfe der ersten Spritzlöcher geformte Strahlkegelschirm kann somit gleichmäßig gezündet werden.
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Bevorzugt sind die zweiten Spritzlöcher näher an einer Spitze des Düsenkörpers angeordnet als die ersten Spritzlöcher. Da sich der Durchmesser des Düsenkörpers zur Spitze hin verringert, können hier die wenigen zweiten Spritzlöcher angeordnet werden, während die ersten Spritzlöcher auf einem größeren Durchmesser angeordnet werden.
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Ferner bevorzugt weisen die ersten Spritzlöcher Längsachsen AS1 auf, die gemeinsam mit einer Längsachse AD des Düsenkörpers einen Winkel α1 umschließen, der in Abhängigkeit von der Lage des ersten Spritzlochs variiert. Beispielsweise können die Spritzlöcher eines ersten Spritzlochkreises einen ersten Winkel α1 und ein darüber liegender zweiter Spritzlochkreis einen zweiten Winkel α1 , der größer oder kleiner ist als der Winkel α1 des ersten Spritzlochkreises. Auf diese Weise kann die Ausdehnung bzw. Ausbreitung des Strahlkegelschirms in axialer Richtung (bezogen auf die Längsachse AD des Düsenkörpers) beeinflusst werden. Insbesondere kann eine Auffächerung in axialer Richtung bewirkt werden. Hierzu ist der Winkel α1 derart zu variieren, dass er mit zunehmendem Abstand eines ersten Spritzlochs von der Spitze des Düsenkörpers größer wird. Durch Auffächern des Strahlkegelschirms in axialer Richtung wird der Brennraum optimal ausgenutzt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweiten Spritzlöcher Längsachsen AS2 aufweisen, die gemeinsam mit der Längsachse AD des Düsenkörpers einen Winkel α2 umschließen, wobei der Winkel α2 größer als der Winkel α1 der unmittelbar benachbarten ersten Spritzlöcher ist. Die Längsachsen AS1 und AS2 laufen somit nicht parallel, was zur Folge hat, dass sich diese kreuzen. Das heißt, dass die Zündstrahlen die Gasstrahlen durchdringen, so dass diese sicher gezündet werden. Der Zündort kann ferner weiter in die Mitte eines Gasstrahls bzw. einer Gruppe von Gasstrahlen gelenkt werden, so dass die Gasstrahlen effizienter gezündet werden.
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Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines gasförmigen Hauptkraftstoffs und eines flüssigen Zündkraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe umfasst. Mit Hilfe des Kraftstoffinjektors lassen sich dieselben, zuvor in Zusammenhang mit der Düsenbaugruppe beschriebenen Vorteile erzielen. Insbesondere kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors die Verbrennung des gasförmigen Hauptkraftstoffs verbessert werden, und zwar ohne die Zündmenge anzuheben. Ferner ist sichergestellt, dass der gesetzlich geforderte GER-Wert bei der Verbrennung des gasförmigen Hauptkraftstoffs eingehalten wird.
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Zum Einspritzen eines gasförmigen Hauptkraftstoffs und eines flüssigen Zündkraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist vorzugsweise der Kraftstoffinjektor als Dual-Fuel-Injektor, weiterhin vorzugsweise als NGDI-Injektor, ausgebildet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Spritzlöcher,
- 2 eine schematische Darstellung des Spritzbilds der Düsenbaugruppe der 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines Spritzbilds einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Spritzlöcher,
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Spritzlöcher,
- 6 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Spritzlöcher, und
- 7 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich der Spritzlöcher.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Düsenbaugruppe 1 gehört einem Kraftstoffinjektor, mit dessen Hilfe ein gasförmiger Hauptkraftstoff und ein flüssiger Zündkraftstoff in einen Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine einspritzbar sind. Er umfasst hierzu zwei koaxial angeordnete Düsennadeln 3, 4, die in einem Düsenkörper 5 hubbeweglich aufgenommen sind. Der Düsenkörper 5 bildet erste Spritzlöcher 6 für den gasförmigen Hauptkraftstoff sowie zweite Spritzlöcher 7 für den flüssigen Zündkraftstoff aus, wobei die ersten und zweiten Spritzlöcher 6, 7 - in einem axialen Abstand zueinander - jeweils kreisförmig angeordnet sind. Die ersten Spritzlöcher 6 sind in axialer Richtung weiter entfernt von einer Spitze 11 des Düsenkörpers 5 angeordnet und mit Hilfe der hubbeweglichen äußeren Düsennadel 3 steuerbar. Die zweiten Spritzlöcher 7 werden über die innere Düsennadel 4 gesteuert. Mit Hilfe der ersten Spritzlöcher 6 sind kegelförmige Gasstrahlen 8 formbar. Mit Hilfe der zweiten Spritzlöcher 7 sind kegelförmige Zündstrahlen 9 formbar, mittels welcher die Gasstrahlen 8 an einem Zündort 13 gezündet werden können.
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Das Spritzbild der Düsenbaugruppe 1 der 1 ist in der 2 dargestellt. Es weist eine Vielzahl von Gasstrahlen 8 auf, die in acht Gruppen von jeweils drei Gasstrahlen 8 aufgeteilt sind. Das heißt, dass über den Umfang verteilt 24 Gasstrahlen abgegeben werden. Die drei Gasstrahlen 8 einer Gruppe liegen jeweils dicht beieinander. Zwischen den Gruppen ist der Winkelabstand größer als innerhalb der Gruppen. Unterhalb des mittleren Gasstrahls 8 einer Gruppe ist jeweils ein Zündstrahl 9 angeordnet. Dieser zündet den mittleren Gasstrahl 8, so dass dieser entflammt und die beiden benachbarten Gasstrahlen 8 zündet. Die beiden außenliegenden Gasstrahlen 8 einer Gruppe werden demnach indirekt gezündet. Somit ist es möglich, 24 Gasstrahlen 8 mit Hilfe von lediglich acht Zündstrahlen 9 zu zünden.
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Die 24 Gasstrahlen 8führen zur Ausbildung eines Strahlkegelschirms, der eine verbesserte Brennraum- und damit Luftausnutzung ermöglicht. Zugleich ist ein sicheres Zünden der Gasstrahlen 8 gewährleistet, da diese so dicht gepackt sind, dass nur wenige Gasstrahlen 8 direkt gezündet werden müssen. Die übrigen Gasstrahlen 8 werden indirekt über die bereits entflammten Gasstrahlen 8 gezündet.
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Oberhalb des Spritzbilds ist in der 2 die Ansicht einer Gruppe 12 von ersten Spritzlöchern 6 dargestellt, die der Düsenbaugruppe 1 der 1 gehören und zu dem Spritzbild der 2 führen. Alternativ zur dargestellten gereihten Anordnung können die drei Spritzlöcher 6 einer Gruppe auch in der Form einer umgekehrten Pyramide angeordnet werden, das heißt in zwei Reihen, wobei die untere Reihe aus einem einzigen Spritzloch 6 und die obere Reihe aus zwei Spritzlöchern 6 gebildet werden und wobei die Spritzlöcher 6 der oberen Reihe in ihrer Winkellage versetzt zu dem Spritzloch 6 der unteren Reihe angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht die Ausbildung von Gasstrahlen 8, die noch dichter beieinanderliegen und demzufolge noch leichter mit nur einem Zündstrahl 9 gezündet werden können.
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Ein weiteres vorteilhaftes Spritzbild, das von einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe 1 erzeugt werden kann, ist der 3 zu entnehmen. Hier wurde die Anzahl der ersten Spritzlöcher 6 nochmals erhöht, und zwar auf 13 Spritzlöcher 6 je Gruppe. Innerhalb der Gruppe werden eine obere und eine untere Reihe mit jeweils vier Spritzlöchern 6 ausgebildet, dazwischen liegt eine Reihe mit fünf Spritzlöchern 6, und zwar versetzt zu den Spritzlöchern der oberen und unteren Reihe (siehe kleines Bild oberhalb des Spritzbilds). Acht Gruppen von jeweils 13 Spritzlöchern 6 führen zu einer Gesamtzahl von 104 Spritzlöchern 6 bzw. Gasstrahlen 8, die dicht an dicht liegen, so dass diese mit Hilfe eines einzigen Zündstrahls 9 gezündet werden können (siehe Spritzbild).
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Wie beispielhaft in der 4 dargestellt können die ersten Spritzlöcher 6 eine zylindrische Form aufweisen. Diese ist vergleichsweise einfach und damit kostengünstig herzustellen. Um den aus den Gasstrahlen 8 gebildeten Strahlkegelschirm zu optimieren, können die ersten Spritzlöcher 6 aber auch eine konische Form aufweisen, wie beispielhaft in der 5 dargestellt. Das Spritzloch 6 wirkt in diesem Fall wie ein Diffusor, so dass sich der Strahlkegel der Gasstrahlen 8 aufweitet. Der Einlauf der ersten Spritzlöcher 6 kann - wie beispielhaft in der 4 dargestellt - eine Einlaufverrundung 10 aufweisen oder - wie beispielhaft in der 5 dargestellt - scharfkantig ausgebildet sein. Die scharfkantige Ausführung verbessert die Ablösung des Gasstrahls 8 und führt zu einer Entspannung am Austritt des Spritzlochs 6. Mit Hilfe der Einlaufverrundung 10 kann eine Anlagerung des Gasstrahls 8 bewirkt werden, so dass dieser stabiler wird.
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Dem Längsschnitt der 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Düsenbaugruppe 1 zu entnehmen. Diese weist 72 erste Spritzlöcher 6 zur Formung von Gasstrahlen 8 auf, die auf acht Gruppen 12 mit je neun Spritzlöchern 6 verteilt sind. Die Spritzlöcher 6 einer Gruppe 12 weisen jeweils die gleiche Ausrichtung auf. Das heißt, dass ihre Längsachsen AS1 jeweils mit der Längsachse AD des Düsenkörpers 5 einen Winkel α1 umschließen, der für alle Spritzlöcher 6 gleich ist (siehe auch 1).
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Eine demgegenüber modifizierte Düsenbaugruppe 1 ist der 7 zu entnehmen. Hier weisen die neun Spritzlöcher 6 einer Gruppe 12 eine unterschiedliche Ausrichtung auf. Der Winkel α1 wird mit zunehmendem Abstand eines Spritzlochs 6 von der Spitze 11 des Düsenkörpers 5 immer größer. Dies hat eine fächerartige Anordnung der Spritzlöcher 6 in axialer Richtung zur Folge, so dass hierüber abgegebene Gasstrahlen 8 gleichermaßen aufgefächert werden. Entsprechend führt diese Ausführungsform einer noch besseren Raum- und Luftausnutzung im Brennraum 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225167 A1 [0004]
