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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit einer Vorsatzdüse, welche in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors als letztes Bauteil des Gasinjektors angeordnet ist. Der Gasinjektor ist dabei insbesondere für eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.
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Gasinjektoren benötigen im Vergleich zu Injektoren für flüssige Kraftstoffe deutlich größere Querschnitte, beispielsweise am Dichtsitz (Ventilsitz). Der Schaftdurchmesser dieser Injektoren ist im Vergleich zu Injektoren für Flüssigkraftstoffe entsprechend größer. Andererseits sind die Zylinderköpfe der Motoren häufig ungeeignet für die großen Schaftdurchmesser der Gasinjektoren. Die Motoren sind ausgelegt auf den Einbau der kleineren Flüssigkraftstoffinjektoren. Bei einem zentralen Einbau zwischen Zündkerze und den beispielsweise vier Gaswechselventilen steht bei vielen Zylinderköpfen nicht ausreichend Bauraum für die Gasinjektoren mit großem Durchmesser zur Verfügung. Ein ähnliches Bauraumproblem ergibt sich bei dem seitlichen Einbau der Injektoren zwischen der Zylinderkopffläche und den Einlassventilen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Brennstoffs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Direkteinblasung des gasförmigen Mediums auch bei nur geringem Bauraum für den Gasinjektor an der Brennkraftmaschine möglich ist. Dies wird durch einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums erreicht, der ein Schließelement zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchgangsöffnung an einem Dichtsitz aufweist. Ferner ist ein Aktor, vorzugsweise ein Magnetaktor, vorgesehen, um das Schließelement zu betätigen. Der Gasinjektor umfasst weiterhin eine Vorsatzdüse, welche entlang der Längsachse des Gasinjektors in Durchströmungsrichtung nach der Durchgangsöffnung, also nach dem Dichtsitz, angeordnet ist. Die Vorsatzdüse ist insbesondere das letzte Bauteil des Gasinjektors an der Spitze des Gasinjektors in Richtung des Brennraums. Bei einer hier noch im Detail erläuterten Variante kann ein Verlängerungsabschnitt des Schließelementes über das Ende der Vorsatzdüse bis in den Brennraum ragen. Auf Höhe des Dichtsitzes ist am Gasinjektor ein erster Außendurchmesser definiert. Insbesondere ist der Dichtsitz durch ein Gehäuse des Gasinjektors gebildet, so dass in diesem Bereich der erste Außendurchmesser durch dieses Gehäuse gebildet ist. Vom Dichtsitz aus erstreckt sich die Vorsatzdüse in Richtung des brennraumseitigen Endes des Gasinjektors. Die Vorsatzdüse weist einen zweiten Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der erste Außendurchmesser. Die Außenseite der Vorsatzdüse, insbesondere im Bereich des zweiten Außendurchmessers, ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in eine Bohrung der Brennkraftmaschine, insbesondere Zylinderkopf, eingeführt zu werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vorsatzdüse entlang der Durchströmungsrichtung einen Übergangsabschnitt aufweist, der in einen Hauptabschnitt übergeht. Der Hauptabschnitt weist höchstens den zweiten Außendurchmesser auf, kann gegebenenfalls auch stellenweise kleiner ausgebildet sein als der zweite Außendurchmesser. Der Hauptabschnitt erstreckt sich entlang der Durchströmungsrichtung, also parallel zur Längsachse des Gasinjektors, vorzugsweise länger als der Übergangsabschnitt. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Hauptabschnitt der Vorsatzdüse parallel zur Längsachse über eine Hauptabschnittslänge erstreckt, die größer ist als der zweite Außendurchmesser.
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Der zweite Außendurchmesser beträgt vorzugsweise höchstens 80%, weiter vorzugsweise höchstens 70%, besonders vorzugsweise höchstens 60%, des ersten Außendurchmessers. Dadurch ist eine signifikante Verringerung des Durchmessers im Bereich der Vorsatzdüse gegeben, wodurch sich ein platzsparender Einbau des Gasinjektors ergibt.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei Verwendung der Vorsatzdüse vorteilhafterweise darauf zu achten ist, dass sich in der Vorsatzdüse stromab des Dichtsitzes keine Selbstentflammung des eingeblasenen Brenngases ergibt. Solch eine Selbstentflammung kann insbesondere bei Strömungsverwirbelungen und Druckstößen entstehen. Um solche Verwirbelungen und Druckstöße zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Vorsatzdüse lediglich ein Düsenloch zum Durchströmen mit dem Medium aufweist. Dieses eine Düsenloch erstreckt sich vom Ventilsitz bis zum brennraumseitigen Ende des Gasinjektors. So öffnet sich der gesamte Gasinjektor mit diesem einen Düsenloch in den Brennraum. Die Verwendung dieses einen Düsenlochs hat ergänzend den Vorteil, dass Druckverluste verringert werden und somit für die gewünschte Menge an Medium ein entsprechend geringer Gasversorgungsdruck nötig ist.
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Des Weiteren wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass zur Vermeidung von Druckstößen und Strömungsverwirbelungen der Durchströmungsquerschnitt des Gasinjektors vom Dichtsitz bis zum brennraumseitigen Ende vorteilhafterweise konstant ausgebildet ist oder sich nur stufenlos (auch: kontinuierlich) ändert. Bei dieser stufenlosen Änderung kann sich der Durchströmungsquerschnitt stufenlos aufweiten oder stufenlos verengen. Bei der Verengung wird das Medium mit höherer Geschwindigkeit in den Brennraum geblasen und kann sich somit dort bessert mit der Luft vermischen. Bei der Erweiterung des Durchströmungsquerschnitts kann der Durchsatz des Gasinjektors erhöht werden.
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Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung von Druckstößen und Strömungsverwirbelungen wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Stirnseite des Schließelements erreicht. Vorteilhafterweise weist das Schließelement stromab des Dichtsitzes eine konkave Stirnseite auf. Bei einem Schnitt parallel zur Längsachse weist das Schließelement durch diese konkave Stirnseite insbesondere eine Herzform auf. Durch die konkave Stirnseite kann insbesondere ein stufenloser Durchströmungsquerschnitt unmittelbar stromab des Dichtsitzes erreicht werden.
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Gemäß einer ersten Variante läuft die, insbesondere konkave, Stirnseite des Schließelements innerhalb der Vorsatzdüse zu einer Spitze zu und endet mit dieser Spitze innerhalb der Vorsatzdüse. So ergibt sich rund um die konkave Stirnseite des Schließelements ein ringförmiger Durchströmungsquerschnitt der stufenlos in den vollkreisförmigen Durchströmungsquerschnitt übergeht.
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Gemäß einer zweiten Variante läuft die, insbesondere konkave, Stirnseite des Schließelements in einen Verlängerungsabschnitt zu. Der Verlängerungsabschnitt erstreckt sich durch die gesamte Vorsatzdüse hindurch und geht brennraumseitig außerhalb der Vorsatzdüse in eine Aufweitung über. Diese Aufweitung ist beispielsweise kegelförmig gestaltet. Es gibt Motoren bzw. Zylinderköpfe mit Brennräumen, die eine kegelförmige Gaseinblasung erfordern, um eine gute Durchmischung des Brenngases mit der Luft zu erreichen. Deshalb hat in dieser Variante der Gasinjektor an der Stirnseite des Schließelements einen stiftförmigen Verlängerungsabschnitt mit einer Aufweitung. Die Schließelementkontur in diesem Bereich, also insbesondere im Übergang vom Verlängerungsabschnitt in die Aufweitung ist mit entsprechenden Radien ausgestaltet, so dass sich eine gleichmäßige Strömung ohne Verwirbelungen und ohne Druckstöße ergibt. Der Durchströmungsquerschnitt vom Dichtsitz bis in den Brennraum kann auch bei dieser Variante konstant sein. Es ist aber auch eine kontinuierliche Durchströmungsquerschnittsverengung oder eine kontinuierliche Durchströmungsquerschnittserweiterung realisierbar.
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Die Aufweitung am brennraumseitigen Ende des Verlängerungsabschnitts kann kegelförmig, aber auch z.B. dreieckig oder viereckig, ausgestaltet sein. Des Weiteren kann die Aufweitung eine rillenförmige Grundkontur zur Verbesserung der Brenngasvermischung aufweisen. Auch einseitig schaufelförmige Konturen an der Aufweitung können sinnvoll sein.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor ist insbesondere direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet, um gasförmiges Medium direkt in den Brennraum einzublasen. Insbesondere steckt dabei die Vorsatzdüse in einer Bohrung des Zylinderkopfes. Der Bereich des Dichtsitzes mit dem relativ großen ersten Außendurchmesser befindet sich vorzugsweise außerhalb dieser Bohrung.
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Das gasförmige Medium ist bevorzugt ein Brenngas, vorzugsweise Wasserstoff oder Erdgas oder Methan.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detailansicht zu 1, und
- 3 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors 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 und 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. 3 zeigt eine Ausgestaltung des Gasinjektors 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Gasinjektor 1 zum direkten Einblasen eines Brenngases, beispielsweise Wasserstoff, Erdgas oder Methan oder dgl., direkt in einen Brennraum 9 einer Brennkraftmaschine ausgebildet.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ein Schließelement 2, welches an einem Dichtsitz 3 eine Durchgangsöffnung freigibt und verschließt. Das Schließelement 2 kann auch als Ventilnadel bezeichnet werden. Der Dichtsitz 3 ist zwischen dem Schließelement 2 und einem Gehäuse 7 des Gasinjektors 1 ausgebildet.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Aktor 4, welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel als Magnetaktor ausgebildet ist. Ein Rückstellelement 8 in Form einer Feder stellt das Schließelement 2 nach einem Öffnen mittels des Aktors 4 wieder in den geschlossenen Zustand. 1 zeigt einen geschlossenen Zustand des Schließelements 2. 2 und 3 zeigen einen geöffneten Zustand.
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Der Gasinjektor 1 ist ein nach außen öffnender Injektor, da bei dem Öffnen des Gasinjektors 1 das Schließelement 2 in Richtung des Brennraums 9 bewegt wird.
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In beiden Ausführungsbeispielen, gemäß den Detaildarstellungen in den 2 und 3, schließt sich an das Gehäuse 7 des Gasinjektors 1 eine Vorsatzdüse 5 an. Die Vorsatzdüse 5 verlängert nach dem Dichtsitz 3 den Gasinjektor 1 entlang einer Längsachse 20 in Durchströmungsrichtung.
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Die Detaildarstellung in 2 zeigt, dass das Schließelement 2 eine Schließelementführung 10 aufweist, mit der das Schließelement 2 im Inneren des Gehäuses 7 geführt ist. Die Schließelementführung 10 weist Gasdurchlässe auf, so dass das Medium bis zum Dichtsitz 3 strömen kann.
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Des Weiteren verdeutlicht 2 die Ausgestaltung der Vorsatzdüse 5. Diese weist einen Übergangsabschnitt 13 auf, der entlang der Längsachse 20 in einen Hauptabschnitt 14 übergeht. Mit dem Übergangsabschnitt 13 ist die Vorsatzdüse 5 mit dem Gehäuse 7 verbunden. Die Vorsatzdüse 5 weist ein einziges Düsenloch 6 auf.
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Des Weiteren zeigt 2 einen ersten Außendurchmesser 11 des Gasinjektors 1, der im Bereich des Dichtsitzes 3 definiert ist. Ein zweiter Außendurchmesser 12 beschreibt die Größe der Vorsatzdüse 5, insbesondere im Bereich des Hauptabschnittes 14. Der zweite Außendurchmesser 12 ist wesentlich kleiner ausgestaltet als der erste Außendurchmesser 11.
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Darüber hinaus zeigt 2, dass sich die Vorsatzdüse 5 mit dem Hauptabschnitt 14 über eine Hauptabschnittslänge 18 erstreckt. Die Hauptabschnittslänge 18 ist länger als der zweite Außendurchmesser 12.
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Die grundsätzliche Ausgestaltung des Gasinjektors 1 und auch die Ausgestaltung der Vorsatzdüse 5 ist in beiden Ausführungsbeispielen gleich. Wie jedoch eine Zusammenschau der 2 und 3 zeigt, unterscheiden sich die beiden Ausführungsbeispiele in der Ausgestaltung des Schließelements 2 stromab des Dichtsitzes 3.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 2, weist das Schließelement 2 stromab des Dichtsitzes 3, eine konkave Stirnseite 15 auf, die noch innerhalb der Vorsatzdüse 5 in eine Spitze zusammenläuft. Durch diese konkave Stirnseite 15 und dem spitzförmigen Zulauf ergibt sich in der Darstellung nach 2 eine herzförmige Ausgestaltung des Schließelements 2.
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Die Innenkontur der Vorsatzdüse 5 leitet die kegelig ringförmige Strömung aus dem Dichtsitzbereich um den herzförmigen Bereich des Schließelementes 2 herum in den rohrförmigen Bereich der Vorsatzdüse 5. Alle Umlenkbereiche sind radienfömig gestaltet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchströmungsquerschnitte ausgehend vom Dichtsitz 3 an jeder Stelle in etwa gleich. Das Schließelement 2 und die Vorsatzdüse 5 sind so gestaltet, dass es keine abrupten Durchströmungsquerschnittsänderungen gibt. Somit gibt es in diesem Bereich auch keine Druckstöße oder Verwirbelungen der Strömung.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Schließelements 2. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert, gibt es Motoren bzw. Zylinderköpfe mit Brennräumen, die eine kegelförmige Gaseinblasung erfordern.
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Hierzu geht, wie in 3 gezeigt, die konkave Stirnseite 15 des Schließelements in einen Verlängerungsabschnitt 16 über, der sich durch die gesamte Vorsatzdüse 5 bis in den Brennraum 9 erstreckt. Im Brennraum 9 geht der Verlängerungsabschnitt 16 in eine Aufweitung 17 über, die beispielsweise kegelförmig ist.
