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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Injektor zum direkten Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, der durch eine Dralleinrichtung eine besonders gute Durchmischung des Gases beim Eindüsen in den Brennraum mit der dort befindlichen Luft und somit eine besonders gute und sichere Verbrennung ermöglicht. Insbesondere eignet sich der Injektor zum Eindüsen von typischerweise unter einem Druck zwischen 15bar und 200bar stehenden gasförmigem Wasserstoff.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 02/38939 A2 der Anmelderin ist es im Zusammenhang mit einem Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von flüssigem bzw. zerstäubtem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, im Auslassbereich des Injektors bzw. im Bereich von Einspritzöffnungen das den Einspritzöffnungen zugewandte Ende eines Ventilelements derart zu gestalten, dass dieses am Außenumfang in schräger Richtung verlaufende, als Drallkanäle wirkende Nuten aufweist, die zur Erzeugung eines Dralls des Kraftstoffs dienen. Hierzu ist es vorgesehen, dass der entsprechende Bereich des Ventilelements von einer Ringscheibe radial umfasst ist, die den Querschnitt der Nuten umfangsseitig begrenzt. Beim Abheben des Ventilelements von seinem Dichtsitz gelangt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff mit Drall in den Bereich einer Einspritzöffnung und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass er eine besonders effektive bzw. günstige Erzeugung eines Dralls des gasförmigen Brennstoffs/Luft-Gemisches ermöglicht, was wiederum einen optimalen und sicheren Brennverlauf des Brennstoffs im Zylinder der Brennkraftmaschine ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Injektor darüber hinaus, auf besonders einfache Art und Weise eine Dralleinrichtung vorzugschlagen, bei der mit hohem Freiheitsgrad gewünschte Drallelemente ausgebildet werden können, um eine spezifische, dem jeweiligen Anwendungsfall angepasste Drallströmung des gasförmigen Brennstoffs erzielen zu können.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es bei einem erfindungsgemäßen Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine daher vorgesehen, dass innerhalb des Ventilgehäuses des Injektors in einem Bereich vor der Auslassöffnung des Gases aus dem Injektor wenigstens eine Dralleinrichtung zur Erzeugung einer Drallströmung des Brennstoffs angeordnet ist, und dass die wenigstens eine Dralleinrichtung an einem von dem Ventilelement separaten und mit dem Ventilelement nicht verbundenen Bauteil ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Dralleinrichtung bzw. die Elemente der Dralleinrichtung völlig unabhängig von dem eigentlichen Ventilglied ausgebildet sein können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Injektors zum Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass die Dralleinrichtung ortsfest im Injektorgehäuse angeordnet ist und eine Durchgangsbohrung zur radialen Führung des Ventilelements hat. Somit erfüllt die Dralleinrichtung neben ihrer Funktion zur Erzeugung des Dralls in dem Gas die zusätzliche Aufgabe, das Ventilelement radial zu führen.
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Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausgestaltung der Dralleinrichtung sieht vor, dass diese an ihrem Außenumfang an einer Innenwand des Injektorgehäuses befestigt ist. Dies ermöglicht eine separate Fertigung der Dralleinrichtung und des Injektorgehäuses und eine nachträgliche Verbindung der Dralleinrichtung mit dem Injektorgehäuse, beispielsweise durch Einpressen der Dralleinrichtung in das Injektorgehäuse oder aber durch eine Laserstrahlschweißverbindung o.ä. geeignete Verbindungstechnik.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Dralleinrichtung eine Vielzahl von Drallelementen zur Erzeugung von Radialströmungskomponenten beim Durchströmen des Brennstoffs durch die Dralleinrichtung aufweist.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung derartiger Drallelemente ist es vorgesehen, dass diese als Durchgangsbohrungen zwischen zwei Stirnseiten der Dralleinrichtung ausgebildet sind, wobei die Drallelemente jeweils in einem schrägen Winkel in Bezug zu einer Längsachse des Ventilelements angeordnet sind.
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Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Drallelemente als vorzugsweise ebene Drallplatten ausgebildet sind, die jeweils in einem schrägen Winkel in Bezug zu einer Längsachse des Ventilelements angeordnet sind.
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Unabhängig davon, ob die Drallelemente als Durchgangsbohrungen oder als plattenförmige Elemente ausgebildet sind, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Drallelemente jeweils identisch ausgebildet und in gleichmäßigen Winkelabständen um die Längsachse des Ventilelements angeordnet sind. Dies ermöglicht die Erzeugung eines homogenen bzw. gleichmäßigen Dralls.
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Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei, vorzugsweise unterschiedliche Drallströmungen erzeugende Dralleinrichtungen vorgesehen sind, die mit axialem Abstand in dem Injektorgehäuse angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, die Strömungskomponenten des Dralls nochmals zu optimieren bzw. dem jeweiligen Anwendungszweck anzupassen.
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So kann beispielsweise ein durch eine erste Dralleinrichtung erzeugter Drall durch eine nachfolgende Dralleinrichtung in Drallrichtung verstärkt werden.
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Mit Blick auf das Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ist es insbesondere vorgesehen, dass das Ventilelement als ein nach außen öffnendes, einen Ventilteller aufweisendes Ventilelement ausgebildet ist. Insbesondere dient der Injektor dazu, gasförmigen Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen unteren Endbereich eines ersten Injektors zum Eindüsen von gasförmigem Brennstoff mit einer ersten Ausführungsform einer Dralleinrichtung,
- 2 die Dralleinrichtung des Injektors gemäß 1 in einer perspektivischen Darstellung,
- 3 eine perspektivische geschnittene Darstellung eines Teilbereichs eines zweiten Injektors mit einer zweiten Dralleinrichtung und
- 4 die Dralleinrichtung, wie sie bei dem Injektor gemäß 3 verwendet wird, in einer perspektivischen Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der in einem nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandte (untere) Endbereich eines ersten Injektors 10 zum Eindüsen von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine dargestellt. Der Injektor 10 eignet sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, zum Eindüsen bzw. zum Einblasen von Wasserstoff, der typischerweise mit einem Druck zwischen 15bar und 200bar in den Brennraum eingedüst wird.
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Der Injektor 10 weist im dargestellten Abschnitt ein in etwa hülsenförmiges Injektorgehäuse 12 auf, in dessen Innenraum 26 ein Ventilelement 14 entlang einer Längsachse 16 hubbeweglich angeordnet ist. Das Ventilelement 14 hat einen Ventilschaft 18, an dessen, dem Brennraum zugewandten Ende ein Ventilteller 20 angeordnet ist. Der Ventilteller 20 dient dem Öffnen bzw. Verschließen einer ringförmigen Auslassöffnung 22 an dem dem Brennraum zugewandten stirnseitigen Ende des Injektors 10.
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In der in der 1 dargestellten Stellung des Ventilelements 14 ist das Ventilelement 14 in seiner Schließstellung dargestellt, bei der dieses unter Ausbildung eines Dichtsitzes 24 an einer radial um die Längsachse 16 umlaufenden Dichtkante 25 des Injektorgehäuses 12 anliegt. Zum Freigeben der Auslassöffnung 22 wird das Ventilelement 14 mittels eines im Einzelnen nicht dargestellten Aktuators, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, aus der in der 1 dargestellten Position nach unten bewegt, d.h., dass das Ventilelement 14 in Bezug auf das Injektorgehäuse 12 ein nach außen öffnendes Ventilelement 14 ist. Bei nicht betätigtem Aktuator wird das Ventilelement 14, wie ebenfalls aus dem Stand der Technik an sich bekannt und daher nicht näher dargestellt, mittels einer Druckfeder in seine in der 1 Schließposition kraftbeaufschlagt.
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Zur Erzeugung einer optimierten Gemischbildung bzw. Aufbereitung des Gases beim Eindüsen in den Brennraum ist es vorgesehen, dass innerhalb des Innenraums 26 des Injektorgehäuses 12 wenigstens eine Dralleinrichtung 30 angeordnet ist. Die Dralleinrichtung 30 befindet sich knapp oberhalb der Auslassöffnung 22 am Injektorgehäuse 12. Die Dralleinrichtung 30 weist einen ringförmigen metallischen Körper 32 auf, der innerhalb des Injektorgehäuses 12 ortsfest angeordnet ist, beispielsweise durch eine entsprechend ausgebildete Presspassung oder aber zum Beispiel durch eine Laserstrahlverschweißung an der Innenwand des Injektorgehäuses 12. Konzentrisch zur Längsachse 16 weist die Dralleinrichtung 30 eine Durchgangsbohrung 34 auf, die dazu ausgebildet ist, das in diesem Bereich einen konstanten Durchmesser aufweisende Ventilelement 14 radial zu führen.
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Wie aus einer Zusammenschau der 1 und 2 darüber hinaus erkennbar ist, weist die Dralleinrichtung 30 in gleichmäßigen Winkelabständen um die Längsachse 16 eine Vielzahl von in Bezug zur Längsachse 16 schräg angeordneten Bohrungen 36 als Drallelemente 37 auf, wobei die Winkel der einzelnen Bohrungen 36 in Bezug zur Längsachse 16 konstant sind, und wobei sich die Bohrungen 36 zwischen den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Körpers 32 erstrecken.
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Beim Durchströmen des Gases durch das Injektorgehäuse 12 bei geöffnetem Ventilelement 14 wird durch die Dralleinrichtung 30 beim Durchströmen durch die Bohrungen 36 ein Drall in dem Gas erzeugt, der beim Verlassen des Injektorgehäuses 12 über die Auslassöffnung 22 zumindest im Wesentlichen aufrechterhalten bleibt. Der Drall bewirkt insbesondere eine radiale Expansion und eine Rezirkulation sowie eine verbesserte Durchmischung des Wasserstoffes und der Luft in dem Brennraum. Dies wiederum verbessert die Homogenisierung des Wasserstoff-Luftgemisches und somit eine optimierte Verbrennung.
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Dadurch, dass die Dralleinrichtung 30 unmittelbar vor dem Dichtsitz 24 angeordnet ist, wird die Ansammlung von Restgas nach dem Dichtsitz 24 vermieden. Wie bereits erläutert, ist es Aufgabe der Dralleinrichtung 30, das Gas innerhalb des Injektors 10 in Rotation zu versetzen, sodass am Austritt aus dem Injektorgehäuse 12 im Bereich des Dichtsitzes 24 ein ausreichender Drallanteil erreicht wird. Ziel ist es, eine Drallzahl zu erreichen, die ein Wirbelaufplatzen des Gases ermöglicht. Eine typische Drallzahl hierzu liegt zwischen 1,1 und 1,4.
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Zusätzlich wird erläutert, dass es auch denkbar ist, nicht nur eine einzige Dralleinrichtung 30, sondern mehrere Dralleinrichtungen 30 in Strömungsrichtung gesehen hintereinander innerhalb des Injektorgehäuses 12 (mit entsprechendem axialen Abstand zwischen den Dralleinrichtungen 30) anzuordnen. Dabei können die Bohrungen 36 in der jeweiligen Dralleinrichtung 30 unterschiedlich ausgebildet sein, d.h. unterschiedliche Winkel bzw. Durchmesser und eine unterschiedliche Anzahl aufweisen.
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In den 3 und 4 ist ein Injektor 10a dargestellt, der sich von dem Injektor 10 dadurch unterscheidet, dass dessen Dralleinrichtung 30a eine Vielzahl von ebenen, in Bezug zur Längsachse 16 schräg angeordneten Drallplatten 38 als Drallelemente 40 aufweisen. Die Drallplatten 38 sind, wie in der 3 erkennbar ist, mit der Innenwand des Injektorgehäuses 12 verbunden, wie oben erläutert beispielsweise durch eine entsprechende Presspassung oder aber durch Schweißverbindungen. Die Drallplatten 38 sind in Richtung der Längsachse 16 betrachtet an einer Führungshülse 42 befestigt, die wiederum der radialen Führung des Ventilschaftes 18 des Ventilelements 14 bei dessen Bewegung dient.
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Der soweit beschriebene Injektor 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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