EP0247447B1 - Vorrichtung zum dosierten Zuführen eines Brennstoffen, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum dosierten Zuführen eines Brennstoffen, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0247447B1
EP0247447B1 EP87106999A EP87106999A EP0247447B1 EP 0247447 B1 EP0247447 B1 EP 0247447B1 EP 87106999 A EP87106999 A EP 87106999A EP 87106999 A EP87106999 A EP 87106999A EP 0247447 B1 EP0247447 B1 EP 0247447B1
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EP
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fuel
shank
valve
valve body
connection
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Walter Peschka
Gottfried Schneider
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Bayerische Motoren Werke AG
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
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    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S239/00—Fluid sprinkling, spraying, and diffusing
    • Y10S239/19—Nozzle materials

Definitions

  • the invention is based on the preamble of the independent claim from DE-C 733 319.
  • This known device is an inlet valve for internal combustion engines provided with a fuel injection nozzle.
  • This known device is intended for dispensing liquid or powdered fuel, compressed air being additionally added to the respective fuel.
  • the fuel injector has a separate connection for each medium. Furthermore, since the fuel injection nozzle is arranged in an inlet valve which is relatively well cooled by the inflowing intake air, a fuel upstream of the outlet opening in the hollow shaft as a storage chamber remains relatively cool.
  • DE-A 3 432 663 discloses a fuel injector which can be arranged separately in the combustion chamber of a diesel engine and in which the injection jet has an intrinsic rotation about the jet axis for better mixture formation.
  • This intrinsic rotation or the swirl of the injection jet is brought about by channels arranged at an angle to the valve axis, via which the fuel is supplied to the outlet opening from a chamber formed in the valve body when the valve is open.
  • the channel is arranged helically on the outer circumference of a cylindrical collar adjacent to the valve cone, the channel being connected to an annular chamber which stores the fuel.
  • the annular chamber is delimited on the one hand by the stem of the valve and on the other hand by the bore in the valve body receiving the valve collar.
  • the chamber storing the fuel is designed as an annular chamber radially spaced from the valve in the valve body, from which the fuel is supplied to the outlet opening via the tangentially arranged channels when the valve is open.
  • a relatively unimpeded flow of heat to the fuel in the respective storage chamber of the device applies to both examples.
  • the invention is based on the object of designing the generic device as a fuel injection nozzle arranged separately in the combustion chamber in such a way that the essential part of the fuel stored in the device during operation, in particular cryogenic fuel, can absorb little heat.
  • the fuel is supplied via a single connection both to the storage chamber arranged in the hollow shaft and to the gap formed between the valve shaft and the valve body.
  • the fuel in this gap With the fuel in this gap, the flow of heat from the valve body to the fuel in the hollow stem of the valve is interrupted.
  • the fuel in this gap is in a fuel-carrying connection at the latest when the shaft is moved to control the outlet opening with the adjacent overflow chamber, there is a fuel flow in the bypass, especially when the valve is open.
  • This has the advantage that the fuel has only a short dwell time in the gap or in the bypass and thus on the one hand absorbs little heat and on the other hand additionally cools the hollow shaft of the valve from the outside.
  • the device according to the invention is preferably used when using a cryogenic, gaseous fuel, in particular hydrogen.
  • Claim 3 describes a further embodiment of the device, in which the valve is intermittently controlled via the stem by a separate stroke actuating device.
  • the shaft is made hollow up to the coupling with the lifting actuating device according to a partial feature of claim 6.
  • a cold cushion is thus implemented between the supply and the actuating device in the hollow shaft of the valve at approximately half the length of the shaft to the storage chamber.
  • a device 1 for the dosed supply of cryogenic, gaseous hydrogen into the combustion chamber of an internal combustion engine comprises, in a valve body 2, a valve 4 guided over a shaft 3 and which intermittently controls an outlet opening 5 arranged in the valve body 2.
  • the intermittent control of the valve 4 is effected by a separate stroke actuating device 6, which acts on the stem 3 of the valve 4.
  • the stem 3 is guided through a bushing 7 in an end region facing away from the valve 4.
  • this can be formed from teflon graphite or teflon bronze.
  • the shaft 3 between the valve 4 and the coupling point with the stroke actuating device 6 is hollow.
  • the hollow shaft 3 serves in the device 1 as a storage chamber 8 for the cryogenic hydrogen which is to be introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine via the outlet opening 5.
  • the socket 7 is arranged adjacent to the valve side in the valve body 2, an inlet chamber 10 connected to a fuel connection 9.
  • the inlet chamber 10 is provided with openings 11 in the shaft 3 the storage chamber 8 in a fuel-carrying connection.
  • channels 12 are arranged close to the valve 4 in the shaft 3.
  • the channels 12 connect the storage chamber 8 with an overflow chamber 13 which is concentric in the valve body 2 with the stem 3.
  • the overflow chamber 13 connects directly to the outlet opening 5 or the valve seat 14.
  • the channels 12 are arranged obliquely and / or approximately tangentially in the circumferential direction of the shaft 3 in order to achieve an injection jet with swirl.
  • the inlet chamber 10 is connected to the overflow chamber 13 in a fuel-carrying connection via a gap 16 formed between the stem 3 and the valve body 2.
  • the stem 3 On the side facing away from the socket 7 from the valve 4, the stem 3 is extended beyond the valve body 2 for connection to the separate stroke actuating device 6. As can also be seen from the drawing, the stem 3 is approximately up to the coupling point with the stroke Actuator 6 designed hollow. Furthermore, a connecting flange 17 which is axially spaced apart from the valve body 2 is arranged fuel-tight on the shaft 3 in its end region facing the stroke actuating device 6. In order to achieve a fuel-tight arrangement, an axially flexible bellows 18 is arranged between the connecting flange 17 and the free end of the valve body 2 and is in a fuel-tight connection at both ends with the respective component.
  • the stroke actuating device 6 comprises a stroke drive 10 which moves the valve 4 via the shaft 3 in the opening direction and a closing spring 20.
  • the closing spring 20 is arranged in a housing 21 which is connected on the one hand to the valve body 2 and on the other hand carries the stroke drive 19 and at one end against the housing 21 supported.
  • the closing spring 20 is supported on a radially outwardly directed flange 22 of a hat-shaped bush 23 arranged on the shaft 3 via the connecting flange 17.
  • the stroke actuating device 6 forms a structural unit with the valve body 2 via the housing 21.
  • the cryogenic hydrogen supplied with pressure via the fuel connection 9 enters the storage space 8 formed in the hollow shaft 3 via openings 11.
  • the valve 4 opens, the hydrogen enters the overflow chamber 13 with swirl from the storage chamber 8 via the channels 12 and from there via the outlet opening 5 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the gap 16 between the stem 3 and the valve body 2 generally causes an interruption of the heat flow to the cryogenic fuel located in the hollow stem 3 or in the storage space 8.
  • the gap 16 causes fuel to be transported from the inlet chamber 10 to the overflow chamber 13 with the effect of cooling the shaft 3 over a large area on its outer surface.

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Description

  • Die Erfindung geht gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches von der DE-C 733 319 aus.
  • Diese bekannte Vorrichtung ist ein mit einer Brennstoffeinspritzdüse versehenes Einlaßventil für Brennkraftmaschinen. Diese bekannte Vorrichtung ist zum Ausbringen von flüssigem oder pulverförmigem Brennstoff vorgesehen, wobei dem jeweiligen Brennstoff zusätzlich Druckluft zugegeben wird. Die Brennstoffeinspritzdüse umfaßt für das jeweilige Medium jeweils einen gesonderten Anschluß. Da ferner die Brennstoffeinspritzdüse in einem von der einströmenden Ansaugluft relativ gut gekühlten Einlaßventil angeordnet ist, bleibt ein der Austrittsöffnung im hohlen Schaft als Vorratskammer vorgelagerter Brennstoff relativ kühl.
  • Weiter ist aus der DE-A 3 432 663 eine im Brennraum eines Dieselmotors gesondert anordbare Brennstoffeinspritzdüse bekannt, bei der dem Einspritzstrahl zur besseren Gemischbildung eine Eigendrehung um die Strahlachse aufgeprägt ist. Diese Eigendrehung bzw. der Drall des Einspritzstrahles wird durch zur Ventilachse geneigt angeordnete Kanäle bewirkt, über die der Brennstoff bei geöffnetem Ventil aus einer im Ventilkörper ausgebildeten Kammer der Austrittsöffnung zugeführt wird. In einem ersten Beispiel ist der Kanal am Außenumfang eines dem Ventilkegel benachbarten zylindrischen Bundes schraubenlinienartig angeordnet, wobei der Kanal mit einer den Brennstoff bevorratenden Ringkammer in Verbindung steht. Die Ringkammer ist einerseits vom Schaft des Ventiles und andererseits von der den Ventil-Bund aufnehmenden Bohrung im Ventilkörper begrenzt. In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die den Brennstoff bevorratende Kammer als eine vom Ventil im Ventilkörper radial beabstandete Ringkammer ausgebildet, von der aus der Brennstoff bei geöffnetem Ventil über tangential angeordnete Kanäle der Austrittsöffnung zugeführt wird. Für beide Beispiele gilt ein relativ ungehinderter Wärmezufluß zum Brennstoff in der jeweiligen Vorratskammer der Vorrichtung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung als eine im Brennraum gesondert angeordnete Brennstoffeinspritzdüse derart auszubilden, daß der wesentliche Teil des in der Vorrichtung bei Betrieb bevorrateten Brennstoffes, insbesondere kryogenen Brennstoffes, wenig Wärme aufnehmen kann.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Mit der Erfindung wird der Brennstoff über einen einzigen Anschluß sowohl der im hohlen Schaft angeordneten Vorratskammer als auch dem zwischen Ventil-Schaft und Ventilkörper gebildeten Spalt zugeführt. Mit dem Brennstoff in diesem Spalt ist eine Unterbrechung des Wärmeflusses vom Ventilkörper zu dem im hohlen Schaft des Ventils bevorratenden Brennstoff erreicht. Da ferner der Brennstoff in diesem Spalt spätestens bei bewegtem Schaft zur Steuerung der Austrittsöffnung mit der benachbarten Überströmkammer in brennstoffführender Verbindung steht, ergibt sich vor allem bei geöffnetem Ventil ein Brennstoff-Fließen im Bypass. Dies hat den Vorteil, daß der Brennstoff im Spalt bzw. im Bypass nur eine kurze Verweilzeit aufweist und somit einerseits wenig Wärme aufnimmt und andererseits den hohlen Schaft des Ventiles von außen zusätzlich kühlt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet vorzugsweise Verwendung bei Einsatz eines kryogenen, gasförmigen Brennstoffes, inbesondere Wasserstoff.
  • Anspruch 3 beschreibt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der das Ventil über den Schaft durch eine gesonderte Hub-Betätigungseinrichtung intermittierend gesteuert wird. Um den durch die große Masse der Betätigungseinrichtung begünstigten Wärmezufluß zu dem hinter dem Ventil im hohlen Schaft befindlichen Brennstoffvorrat gering zu halten, wird der Schaft nach einem Teilmerkmal des Anspruches 6 etwa bis zur Kupplung mit der Hub-Betätigungseinrichtung hohl gestaltet. Damit ist bei radialer Brennstoffzuführung auf etwa der halben Länge des Schaftes zur Vorratskammer im hohlen Schaft des Ventiles zwischen der Zuführung und der Betätigungseinrichtung ein Kältepolster verwirklicht. Mit der im Anspruch 4 beschriebenen Anordnung für den über den Ventilkörper hinaus zur Kupplung mit der Hub-Betätigungseinrichtung verlängerten Schaft ist eine hermetische Abdichtung nach außen zur Umgebung erreicht und damit eine bei kryogenen Brennstoffen schwierig zu beherrschende Gleitdichtung vermieden. Im Anspruch 5 ist schließlich eine Betätigungseinrichtung beschrieben, die im Durchmesser in vorteilhafter Weise klein baut und den für die hermetische Abdichtung vorgesehenen Balg vor Beschädigungen schützt.
  • Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung in einem halben Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Eine Vorrichtung 1 zum dossierten Zuführen von kryogenem, gasförmigem Wasserstoff in den Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine umfaßt in einem Ventilkörper 2 ein über einen Schaft 3 geführtes Ventil 4, das eine im Ventilkörper 2 angeordnete Austrittsöffnung 5 intermittierend steuert. Die intermittierende Steuerung des Ventiles 4 wird durch eine gesonderte Hub-Betätigungseinrichtung 6 bewirkt, die am Schaft 3 des Ventiles 4 angreift. Im Ventilkörper 2 ist der Schaft 3 in einem dem Ventil 4 abgewandten Endbereich durch eine Buchse 7 geführt. Im Hinblick auf den kryogenen Brennstoff kann diese aus Teflongraphit oder Teflonbronze gebildet sein.
  • Wie aus der Fig. hervorgeht, ist der Schaft 3 zwischen dem Ventil 4 und der Kupplungsstelle mit der Hub-Betätigungseinrichtung 6 hohl gestaltet. Der hohle Schaft 3 dient in der Vorrichtung 1 als Vorratskammer 8 für den kryogenen Wasserstoff, der über die Austrittsöffnung 5 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingeführt werden soll. Für die Zuführung des kryogenen Wasserstoffes ist der Buchse 7 ventilseitig benachbart im Ventilkörper 2 eine mit einem Brennstoffanschluß 9 in Verbindung stehende Zulaufkammer 10 angeordnet. Die Zulaufkammer 10 steht über Öffnungen 11 im Schaft 3 mit der Vorratskammer 8 in brennstofführender Verbindung. Weiter sind im Schaft 3 dem Ventil 4 nahe benachbart Kanäle 12 angeordnet. Die Kanäle 12 verbinden die Vorratskammer 8 mit einer im Ventilkörper 2 zum Schaft 3 konzentrischen Überströmkammer 13. Die Überströmkammer 13 schließt unmittelbar an die Austrittsöffnung 5 bzw. den Ventilsitz 14 an. Die Kanäle 12 sind zur Erzielung eines mit Drall behafteten Einspritzstrahles zur Ventilachse 15 schräg und/oder in Umfangsrichtung des Schaftes 3 etwa tangential angeordnet. Weiter steht die Zulaufkammer 10 über einen zwischen Schaft 3 und Ventilkörper 2 gebildeten Spalt 16 mit der Überströmkammer 13 in brennstofführender Verbindung.
  • Auf der von der Buchse 7 vom Ventil 4 abgewandten Seite ist der Schaft 3 über den Ventilkörper 2 hinaus verlängert zur Verbindung mit der gesonderten Hub-Betätigungseinrichtung 6. Wie aus der Zeichnung weiter hervorgeht, ist der Schaft 3 etwa bis zur Kupplungstelle mit der Hub-Betätigungseinrichtung 6 hohl gestaltet. Weiter ist am Schaft 3 in seinem der Hub-Betätigungseinrichtung 6 zugewandten Endbereich ein vom Ventilkörper 2 axial beabstandeter Verbindungsflansch 17 brennstoffdicht angeordnet. Zur Erzielung einer brennstoffdichten Anordnung ist zwischen dem Verbindungsflansch 17 und dem freien Ende des Ventilkörpers 2 ein axial nachgiebiger Balg 18 angeordnet, der an beiden Enden mit dem jeweiligen Bauteil in brennstoffdichter Verbindung steht.
  • Die Hub-Betätigungseinrichtung 6 umfaßt einen das Ventil 4 über den Schaft 3 in Öffnungsrichtung bewegenden Hubantrieb 10 sowie eine Schließfeder 20. Die Schließfeder 20 ist in einem einerseits mit dem Ventilkörper 2 verbundenen und andererseits den Hubantrieb 19 tragenden Gehäuse 21 angeordnet und einenends gegen das Gehäuse 21 abgestützt. Andernends stützt sich die Schließfeder 20 auf einem radial auswärts gerichteten Flansch 22 einer über den Verbindungsflansch 17 am Schaft 3 angeordneten, hutförmigen Büchse 23 ab. Über das Gehäuse 21 bildet die Hub-Betätigungseinrichtung 6 mit dem Ventilkörper 2 eine Baueinheit.
  • Beim Betrieb der Brennkraftmaschine tritt der mit Druck über den Brennstoffanschluß 9 zugeführte kryogene Wasserstoff über Öffnungen 11 dem im hohlen Schaft 3 gebildeten Vorratsraum 8 zu. Bei öffnendem Ventil 4 tritt der Wasserstoff aus der Vorratskammer 8 über die Kanäle 12 mit Drall in die Überströmkammer 13 ein und von ihr über die Austrittsöffnung 5 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Spalt 16 zwischen dem Schaft 3 und dem Ventilkörper 2 bewirkt zum einen ganz allgemein eine Unterbrechung des Wärmeflusses zu dem im hohlen Schaft 3 bzw. im Vorratsraum 8 befindlichen kryogenen Brennstoff. Zum anderen bewirkt der Spalt 16 einen Brennstofftransport von der Zulaufkammer 10 zur Überströmkammer 13 mit dem Effekt einer großflächigen Kühlung des Schaftes 3 an seiner Außenfläche. Der aus der Vorratskammer 8 über die Kanäle 12 und die Überströmkammer 13 der Austrittsöffnung 5 zuströmende Wasserstoff übt eine Sogwirkung auf den im Spalt 16 befindlichen Wasserstoff aus, so daß der zur Vorratskammer 8 durch den Spalt 16 im Bypass befindliche Wasserstoff rasch erneuert wird und damit eine gute Kühlung des Schaftes 3 bewirkt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum dosierten Zuführen eines Brennstoffes, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine,
- umfassend einen Ventilkörper (2) mit einer stromab eines Ventilsitzes (14) angeordneten Austrittsöffnung (5), die intermittierend von einem Ventil (4) gesteuert ist,
- das über einen im Ventilkörper (2) von der Austrittsöffnung (5) entfernt geführten (Buchse 7) Schaft (3) betätigt ist,
- wobei der hohl gestaltete Schaft (3) eine Brennstoff-Vorratskammer (8) bildet,
- die einerseits über im Schaft (3) ventilseitig angeordnete Kanäle (12) mit einer stromauf des Ventilsitzes (14) benachbarten Überströmkammer (13) und andererseits mit einem Anschluß in Verbindung steht,
- daß ferner ein Brennstoffanschluß (9) mit einer der Führung (Buchse 7) ventilseitig benachbarten Zulaufkammer (10) in Verbindung steht,
- an die sich in Richtung der Überströmkammer (13) ein zwischen Schaft (3) und Ventilkörper (2) gebildeter Spalt (16) anschließt,
- der zumindest bei bewegtem Schaft (3) bzw. Ventil (4) mit der Überströmkammer (13) in brennstofführender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Anschluß für die im hohlen Schaft (3) angeordnete Vorratskammer (8) mittels radial gerichteter Öffnungen (11) im Schaft (3) gebildet ist,
- die im Bereich der Zulaufkammer (10) des Brennstoffanschlusses (9) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung für einen kryogenen, gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Schaft (3) über den Ventilkörper (2) hinaus verlängert ist zur Verbindung mit einer gesonderten Hub-Betätigungseinrichtung (6),
- die mit dem Ventilkörper (2) eine Baueinheit bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- daß am Schaft (3) in seinem der Hub-Betätigungseinrichtung (6) zugewandten Endbereich ein vom Ventilkörper (2) axial beabstandeter Verbindungsflansch (17) brennstoffdicht angeordnet ist,
- der weiter mit dem Ventilkörper über einen axial nachgiebigen Balg (18) in brennstoffdichter Verbindung steht.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Hub-Betätigungseinrichtung (6) einen das Ventil (4) über den Schaft (3) in Offnungsrichtung bewegenden Hubantrieb (19) und eine Schließfeder (20) umfaßt,
- die in einem einerseits mit dem Ventilkörper (2) verbundenen und andererseits den Hubantrieb tragenden Gehäuse (21) angeordnet ist, und
- auf einen radial auswärts gerichteten Flansch (22) einer über den Verbindungsflansch (17) am Schaft (3) angeordneten, hutförmigen Büchse (23) einwirkt.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Schaft (3) im Ventilkörper (2) über eine Buchse (7) aus Teflongraphit oder Teflonbronze geführt und
- etwa bis zur Kupplungsstelle mit dem Hubantrieb (19) hohl gestaltet ist.
EP87106999A 1986-05-22 1987-05-14 Vorrichtung zum dosierten Zuführen eines Brennstoffen, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0247447B1 (de)

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EP87106999A Expired - Lifetime EP0247447B1 (de) 1986-05-22 1987-05-14 Vorrichtung zum dosierten Zuführen eines Brennstoffen, insbesondere in den Brennraum einer Brennkraftmaschine

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