EP4295028A2 - Einblasleitung für einen injektor zum einblasen von kraftstoff - Google Patents

Einblasleitung für einen injektor zum einblasen von kraftstoff

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EP4295028A2
EP4295028A2 EP22723581.9A EP22723581A EP4295028A2 EP 4295028 A2 EP4295028 A2 EP 4295028A2 EP 22723581 A EP22723581 A EP 22723581A EP 4295028 A2 EP4295028 A2 EP 4295028A2
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EP
European Patent Office
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injection line
fuel
injector
injection
section
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EP22723581.9A
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English (en)
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Martin Seidl
Richard Pirkl
Razvan-Sorin STINGHE
Martin Schmidt
Lydia KAPUSTA
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Liebherr Components Deggendorf GmbH
Original Assignee
Liebherr Components Deggendorf GmbH
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Publication date
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    • F02M61/184—Discharge orifices having non circular sections

Definitions

  • the present invention relates to an injection line for an injector for injecting a fuel, preferably for injecting a gaseous fuel such as hydrogen, into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a fuel preferably for injecting a gaseous fuel such as hydrogen
  • the environmental requirements for internal combustion engines are constantly increasing.
  • the goal is low-emission or even zero-emission drive technologies that also meet the strictest emission limits and make a significant contribution to achieving climate protection goals.
  • these goals can only be achieved if climate-neutral, regeneratively produced fuels are used that do not cause any emissions along the entire value chain (so-called "zero emissions' fuels).
  • With current conventional petrol, diesel and Gas engines are those
  • the injection line should ensure good mixing of fuel and air in order to enable combustion that is as homogeneous as possible in a combustion chamber.
  • the injection line makes a contribution to better controllability of the mass flow to be introduced into the combustion chamber, since more precise and more efficient combustion is then possible.
  • the device according to the invention and the method according to the invention should enable an improved combustion process in a hydrogen internal combustion engine.
  • the injection line according to the invention for an injector for injecting fuel, in particular gaseous fuel, preferably hydrogen, has at least one outlet opening through which the fuel to be injected flows, and is therefore characterized in that an inner contour of an outlet cross section of the at least one outlet opening has both at least one convex and at least one concave section. It can be provided that the inner contour of the outlet cross section has both at least one convex section and at least one concave section opposite a center or midpoint of the outlet cross section.
  • convex or concave sections in the outlet cross-section of the injection line it can be checked, for example, whether a straight line connecting any two points of the outlet cross-section results in whether the actual inner contour is on the side of the connecting straight line that is inclined towards the center of the contour or not (if so: concave; if not: convex).
  • the points defining the connecting straight line can be chosen arbitrarily along the inner contour.
  • concave and convex sections in the inner contour of the outlet cross-section can result in a diameter variation of the outlet cross-section and/or a sequence of convex and concave sections of the inner contour, seen in the circumferential direction of the inner contour, which can lead to advantageous turbulence of the fluid (e.g. fuel or fuel -air mixture) leads/lead.
  • This swirl is advantageous because good fuel mixing in a combustion chamber often requires sufficient swirl and entails efficient combustion of a fuel-air mixture.
  • the injection line is designed to receive fuel to be injected and to discharge it again via the outlet opening.
  • the injection line can typically be provided at the distal end of an injector and can either be arranged entirely in a combustion chamber be or extends at least with the outlet cross-section into the combustion chamber.
  • the injection line represents the end piece or also the injection cap of an injector from which the fuel or a fuel-air mixture that is typically fed into a combustion chamber originates. Accordingly, the fuel or the fuel-air mixture is introduced into an inlet opening of the injection line and led out of the outlet opening of the injection line.
  • the inner contour of the injection line towards the outlet opening has at least one ramp arranged in the direction of flow of the fuel to be injected, which is inclined towards the outer peripheral side of the injection line or away from it, the ramp preferably sloping up to extends to the outlet opening.
  • the ramp is followed by a ramp of opposite design in the circumferential direction perpendicular to the flow direction and/or a web is provided which continues the initial level of the ramp in the flow direction, preferably with the ramp being inclined away from the outer circumferential side .
  • a partition wall is formed in the transition area between two ramps or a ramp and a web along its length and at its end, for example at the outlet cross section, areas of turbulence are created, since there are different fast flow areas meet. This also ensures good mixing of the fluid flowing through the injection line.
  • the outlet cross section lies in one plane or is located in different, discretely or continuously distributed outlet planes along a main flow direction of the fuel to be injected.
  • the outlet cross section it is therefore not necessary for the outlet cross section to be arranged in a single sectional plane, but it can also be located over a number of planes that are offset in the main direction of flow.
  • the invention can also provide for at least one further opening, in particular a feed opening, to be provided between the outlet opening and an inlet opening for introducing the fuel to be blown in, in order to suck in or discharge a fluid, e.g. air and/or fuel, into the injection line ,
  • the at least one opening, in particular a feed opening preferably being oriented transversely to a main flow direction of the inflation cap.
  • the injection line (e.g. by a corresponding variation of the cross-sectional area in the main flow direction) is designed in such a way that it forms a venturi nozzle in combination with the at least one further supply opening in order to suck in a fluid via the supply opening.
  • an injector is designed, for example, in such a way that only pure fuel is introduced into the injection opening of the injection line, the admixture of air from the combustion chamber can take place via the at least one supply opening, so that the injection line then has a fuel/air mixture at its outlet opening. mix.
  • the invention also includes the case that any fluid can be mixed in through the feed opening, for example a fuel-air mixture, which is located in the combustion chamber.
  • the at least one further opening in particular a feed opening, is arranged upstream of the at least one ramp.
  • the ramp downstream of the at least one supply opening Since the provision of the ramp downstream of the at least one supply opening has the effect of causing the fluid flowing through the injection line to be mixed, arranging the ramp downstream of the at least one supply opening results in the fluid supplied mixing with the fluid introduced into the injection opening the injection line is mixed.
  • the ramp arranged downstream leads to thorough mixing of the fuel-air mixture.
  • the minimum cross section of the injection line is formed by the outlet cross section or an inlet cross section or lies along the injection line between the inlet cross section and the outlet cross section.
  • the injection line is rotationally symmetrical, preferably rotationally symmetrical, with respect to an axis of rotation running parallel to its longitudinal direction. Provision can thus be made for the injection line to essentially have the shape of a tube.
  • the invention can also include the fact that the injection line is designed not in a straight line but in a curved manner.
  • the inner contour of the outlet cross section can be continuously differentiated.
  • the inner contour can also be provided with abrupt changes, so that a non-continuous course is also possible. A non-steady progression is advantageous since particularly strong vortices are generated in the flow in the area of the discontinuous edges.
  • the invention further relates to an injector for blowing in fuel with an injection line, preferably an injector according to one of the previously discussed variants, preferably wherein the injection line is the end piece of the injector on the combustion chamber side.
  • the injector can be designed to output a gaseous fuel, for example hydrogen.
  • the invention also relates to a method for operating an injector in an engine, preferably for operating an injector according to the variant discussed above, wherein when fuel is injected into a combustion chamber, the injector injects the fuel to be injected during an injection phase with such a pressure into the injection line introduces the fact that the fuel flow makes a sound transition from subsonic to supersonic at an inlet cross section, an outlet cross section and/or at least one point between an inlet cross section and an outlet cross section of the injection line.
  • the method can be developed in such a way that when the fuel is injected, the injector carries out an opening phase, a subsequent plateau phase and a subsequent closing phase, with the quantity of fuel to be injected initially increasing, remaining at a high level and then decreasing again, and the injector introduces the fuel to be injected into the injection line during the plateau phase at such a pressure that over more than two thirds of the duration of the plateau phase, preferably over the entire duration of the plateau phase, the fuel flow in the injection cap and/or at its inlet cross section/its outlet cross section has a sound passage from subsonic to supersonic, with the passage of sound preferably already occurring in parts of the opening phase and/or the closing phase.
  • the injector is operated in such a way that the fuel flow flowing through the injector is a supersonic flow at the at least one outlet opening of the injection line.
  • the injector in combination with convex and concave sections in the inner contour of the outlet opening, a particularly good Swirling/mixing of the fluid discharged through the injection line.
  • the at least one ramp arranged in the flow direction of the fuel to be injected extends from the outer peripheral side of the injection line away towards the interior and the injector is operated in such a way that the fuel flow at the beginning of the at least one ramp is supersonic and due to the ramp sloping towards the inside, a compression shock forms at the beginning of the ramp, and/or the at least one ramp arranged in the direction of flow of the fuel to be blown in extends from the outer peripheral side of the Injection line extends outwards away from the interior and the injector is operated in such a way that the fuel flow is supersonic at the end of the at least one ramp and due to a surface no longer sloping, preferably then again running parallel to the direction of flow forms a compression shock at the end of the ramp.
  • a compression shock describes a discontinuous change in the flow condition, in which a supersonic flow occurs on a flint and has to avoid it. Since the information about the pressure disturbances propagates at the speed of sound, there is no upstream information transmission in the supersonic range, so that there is an abrupt adaptation of the flow condition in the shock wave. This sudden change of state becomes the
  • the invention can also include an internal combustion engine with a gas
  • Direct injection in particular a hydrogen direct injection, which includes an injector according to one of the above variants. Further features, details and advantages of the invention can be seen from the following description of the figures. It shows: Fig. 1: a longitudinal sectional view through an injector according to the invention,
  • Fig. 2 a representation of different states of components and pressures in an injector
  • Fig. 3 a graphic representation of the exiting mass flow from an injector over an opening cycle
  • FIG. 5 several illustrations for the arrangement of a narrowest cross-sectional area in the injection line together with a resulting speed of the flow
  • FIG. 6 views of differently shaped injection lines according to the present invention
  • FIG. 12 a detailed view of an injection line according to the invention with alternately arranged webs and ramps in the account section
  • FIG. 13 several detailed views of different variants of webs and ramps in the inner contour area of the outlet opening of an injection line according to the invention
  • Fig. 16 several detailed views in the area of an inner contour of the injection line according to the invention, with a flow rate in the supersonic range in the range of
  • FIG. 1 Ramps forming shock waves are graphically highlighted.
  • the following detailed description of the figures of FIG. 1 refers to an injector for injecting hydrogen, but it will be clear to a person skilled in the art that the invention also encompasses an injector for injecting gas or another fuel.
  • the injector 1 shows a longitudinal section of the injector 1 according to the invention for blowing hydrogen into a combustion chamber 16.
  • the injector 1 has an injector housing 2 in which different components of the injector 1 are located.
  • a gas connection 11 for introducing hydrogen into the injector 1 is provided on the connection side.
  • the hydrogen or another combustible fluid is fed through a hole in a cover 29 running approximately centrally in the injector housing 2 and then through a fluid channel in an armature counterpart 27, a through-opening 10 in the armature 5 and the hollow interior 12 of a hollow needle 3 to the the end of the hollow needle 3 remote from the connection side 11 .
  • the injection openings 4 penetrating the valve plate 9 are closed or opened.
  • the injection openings 4 are closed by the hollow needle 3 being pressed against the valve plate 9 , since the end face of the hollow needle 3 covers the opening contours of the injection openings 4 .
  • sealing elements 30 can be provided, which run around the opening contours of the injection openings 4 and contact the end face of the hollow needle 3 when the hollow needle 3 is in a sealed state. If the injection openings 4 are closed by the end face of the hollow needle 3, the fluid flow of the hydrogen is stopped at this point of the injector 1 and there is no downstream flow of hydrogen beyond the valve plate 9.
  • the hydrogen introduced with a certain pressure into the injector 1 flows out of the interior 12 of the Hollow needle 3 out and emerges through the plurality of injection openings 4 on the side of the valve plate 9 spaced apart from the hollow needle 3 .
  • the pressurized hydrogen flows through the injection line 50 (sometime also called injection cap), which has at least one outlet opening 51.
  • the hydrogen emitted by the injector 1 is then typically located outside the injector 1 in a combustion chamber 16. Air can be admixed there or through supply openings 54 provided in the injection line.
  • the hydrogen-air mixture is compressed in the combustion chamber 16 and is then ignited or ignited.
  • the check valve 20, 21, 23 has a valve tappet 20, a valve guide 21 and a valve spring 23, which urges the valve tappet in a closing direction, so that an outflow of hydrogen via the opening contour 19 of the check valve 20, 21, 23 only occurs when when there is a pressure on the side of the check valve 20, 21, 23 facing the valve plate 9 which is at least the restoring force of the valve tappet 20 exerted by the valve spring 23 greater than that on the pressure from the check valve 20, 21, 23 to the valve plate 9 opposite side prevailing pressure.
  • the valve needle 3 designed as a hollow needle 3 can be moved back and forth in the longitudinal direction of the injector 1 .
  • valve needle 3 The movement of the valve needle 3 is controlled via a valve 5, 6, which is a solenoid valve in the present representation of FIG.
  • the hollow needle 3 is firmly connected to an anchor element 5 which in turn reacts to the magnetic force generated by a coil 6 .
  • Current can optionally flow through the coil 6 in such a way that the resulting magnetic force moves the armature element 5 in the direction of the gas connection 11 .
  • This movement also moves the hollow needle 3 , which is firmly connected to the anchor element 5 , so that the hollow needle 3 is lifted relative to the valve plate 9 . This opens up the injection openings 4 in the valve plate 9 so that hydrogen can flow through the valve plate 9 .
  • a needle guide 14 is provided which encloses an outer side of the hollow needle 3 on the peripheral side. Sliding friction occurs in the contact area between the needle guide 14 and the outside of the hollow needle 3, so that it can be advantageous if one of the two contact surfaces or both contact surfaces has a special coating, in particular a coating with carbon. It has been shown that such a carbon-containing coating is advantageous with regard to the tribological requirements of the two sliding components.
  • the needle guide 14 can be designed so that it extends starting from the valve plate 9 and protrudes inwards at a certain distance from it, only to have a certain distance from the valve plate 9 with the Outside of the hollow needle 3 to come into contact. Irrespective of the specific configuration of the needle guide 14, the hollow needle 3 pierces the needle guide 14 in such a way that the end of the valve needle 3 facing the valve plate 9 is still guided completely through the needle guide 14 even when it is lifted from the valve plate 9.
  • the needle guide can be designed to be rotationally symmetrical or rotationally symmetrical to the axis of rotation X of the injector 1 .
  • a flange-like projection is provided on the end of the hollow needle 3 facing the valve plate 9 , which makes it easier to cover the at least one injection opening 4 in the valve plate 9 .
  • the hollow needle 3 can also have further flow channels 7 running obliquely or perpendicularly to its longitudinal direction, through which a hydrogen introduced into the hollow needle 3 can flow out.
  • the advantage of this is that the hydrogen introduced into the injector 1 flows around the side of the hollow needle 3 facing the injection openings 4 on both sides, ie from the inside and from the outside.
  • the stroke of the valve needle 3 or of the armature element 5 can thus be minimized and the required flow of hydrogen can nevertheless be realized. This is because the flow can be divided into an external flow and an internal flow through the exit hole of the hollow needle 3 facing the valve plate 9 .
  • the flange-like projection 8, also called plate, is therefore flowed around on both sides.
  • An air gap 24 is provided between the needle guide 14 and the anchor element 5 , which allows a certain movement of the needle guide in the longitudinal direction of the injector 1 .
  • the needle guide 14 fulfills its primary task independently of its exact arrangement position, so that even the slight play in the longitudinal direction of the injector 1 does not change anything here. In particular, however, when injector housing 2 is compressed, for example caused by attachment of injector 1 to an engine or thermal expansion or contraction, this air gap 24 serves as a reserve, so that a change in length of injector housing 2 in the longitudinal direction can be compensated for without a force to initiate the needle guide 14.
  • an anchor counterpart 27 is provided, in which an elastic spring element 13 in the form of a spiral spring is arranged, which urges the anchor element 5 in the direction of the valve plate 9 . Without the valve 5, 6 being actuated, the hollow needle 3 is pushed in the direction of the valve plate 9 and closes the at least one injection opening 4. Similar to the anchor element five, the anchor counterpart 27 also has a through opening, the center of which is arranged in the longitudinal center axis X of the injector 1 can be. A simple way of introducing the elastic spring element 13 into the armature counterpart 27 is to change the diameter of the passage opening of the armature counterpart 27.
  • the resulting step is used as a stop surface for the elastic spring element 13, so that further structural changes are not necessary.
  • the passage opening through the anchor counterpart 27 can be realized by two bores with different diameters, which have the same bore center axis. Furthermore, it can be provided that the center axis of the drilling is identical to the center axis of the anchor element 5 .
  • the outside of the coil 6 can be surrounded by an iron yoke 25, in which the magnetic field can propagate particularly well.
  • the situation is similar with the housing components directly surrounding the armature element 5 and the armature counterpart 27, which also preferably consists of a magnetizable material. So it can be advantageous if the pole tube 28, which is a part of the injector housing 2, is also made of iron or another ferromagnetic material. The same also applies to the armature counterpart 27, which advantageously also consists of a magnetizable material.
  • a visualized representation of the magnetic field lines is illustrated by reference number 15 . These have a direction which is counter-clockwise when viewed in FIG. This pulls the anchor element 5 towards the anchor counterpart 27 and the hollow needle 3 from the valve plate 9 or from the injection openings 4 breaking through the valve plate 9, so that hydrogen can flow towards the check valve, from where hydrogen is finally introduced into the combustion chamber 16 via the injection cap 18.
  • valve needle 3 and valve tappet 20 are pressed by prestressed needle spring 13 or valve spring 23 into their respective stop on the sealing element of valve plate 30 or in the seat of valve guide 21 and close the throttle points 4 or 19, which connect the needle chamber to the valve chamber or the valve chamber to the injection chamber when valve needle 3 or valve tappet 20 is in the open state.
  • the pressure in the injector 1 corresponds to the pressure in the supply line
  • the pressure in the combustion chamber 16 and in the injection chamber corresponds to the charging pressure during the intake phase of the cylinder piston, in which fresh air is sucked into the combustion chamber 16 via the intake valves.
  • the pressure in the valve chamber corresponds approximately to the combustion chamber pressure and depends, among other things, on the valve spring 23, the pressure in the combustion chamber 16 during the phase in which the hot combustion gases are expelled via the outlet valves of the combustion chamber 16 and any preceding injections.
  • the functional representation is simplified below and does not take into account the gas exchange by opening and closing the inlet and outlet valves of combustion chamber 16.
  • a voltage signal is applied by the control device via the electrical contacts to the coil 26 of the actuator, so that the current F1 in the electrical circuit rises to a defined end level.
  • the current-carrying coil 26 induces a magnetic field in the actuator, the magnetic field lines 15 of which propagate in a toroidal shape around the coil (see FIG. 1).
  • the magnetic field builds up a magnetic force F2 in the air gap between armature 5 and armature counterpart 27, whereby at time t 2 the armature 5 is attracted to the armature counterpart 27 as soon as the magnetic force F2 exceeds the closing force (sum of the pretensioning force of the needle spring 13 and the pressure forces on the needle 3 and exceeds the anchor 5).
  • the build-up of the magnetic field and thus the magnetic force F2 is delayed by eddy currents in the iron parts of the magnetic circuit.
  • the armature 5 is fixedly connected to the valve needle 3 or is a one-piece armature-valve-needle component, so that the valve needle 3 moves uniformly with the armature 5 along a needle stroke F3.
  • elastic sealing element 30 on the sealing plate 9 is no longer in contact with the end face of the valve needle 3 at time t 3 , the connection between the needle chamber and the valve chamber is released, so that the fuel flows from the needle chamber into the valve chamber. This increases the pressure in the valve chamber.
  • the passive valve opens, i.e. the valve tappet 20 moves away from the seat along a valve tappet stroke F4 and releases the connection between the valve chamber and the injection chamber. so that fuel flows from the valve chamber into the injection chamber. This leads to an increase in pressure in the injection space (cf. F8 pressure in the injection space).
  • the fuel continues to flow downstream through the opening(s) 51 in the injection line 50 into the combustion chamber 16.
  • the injection line 50 (or injection cap) is designed in such a way that the flow is in a defined state (jet orientation, entry impulse, jet pattern, etc. ) is introduced into the combustion chamber 16.
  • the open state of needle 3 and valve tappet 20 is maintained throughout the rest of the energization phase.
  • the current level can be reduced (e.g. by a PWM voltage signal) as soon as the valve needle 3 is fully open and possible bouncing does not lead to the valve needle 3 closing.
  • the engine cylinder is in the compression phase, so that the combustion chamber pressure F5 increases steadily.
  • the power supply is terminated by the control unit, so that the current F1 through the coil 26 is reduced to zero (time t 4 ). Due to the eddy currents, the magnetic force F2 also decreases with a time delay. As soon as the magnetic force F2 is less than the sum of the closing force of the needle spring 13 and the hydraulic forces on the needle 3 and the armature 5, the needle 3 and the armature 5 begin to close uniformly (time t5 ); see also F3, F4. If the end face of the needle 3 hits the sealing element 30 of the valve plate 9, the connection between the needle chamber and the valve chamber is broken and the flow of fuel from the needle chamber into the valve chamber is interrupted (time t 6 ). This reduces the pressure in valve chamber F7.
  • valve tappet 20 moves back into its closed position on the valve seat 21 and is counteracted by the increasing pressure F5 in the combustion chamber 16 and thus in the injection chamber the seat 21 is pressed, so that the fuel connection between the valve chamber and the injection chamber (possibly after a phase in which the tappet bounces on the valve seat 21) is interrupted (times t 6 -t 7 ). This completes the blowing-in process.
  • the respective mass flow of the fuel via the injection openings 4, the opening contour 19 and the at least one outlet opening 51 is given as F9, F10 or F11.
  • FIG. 3 shows a simplified graphical representation of an opening cycle of the injector 1, in which the time is plotted on the abscissa and the mass flow output by the injector 1 is plotted on the ordinate.
  • the opening cycle of the injector 1 can be divided into three different phases, with the opening phase being at the beginning, in which the mass flow to be emitted rises from zero to its maximum level. In the plateau phase, this becomes maximum Level maintained for a certain period of time before the closing of the injector 1 in the closing phase leads to a sharp drop in the mass flow to zero.
  • the plateau phase can be omitted or lasted only for a very short time.
  • FIG. 4 is a schematic representation of an equivalent image for a flow path along a streamline from the injector 1 to the combustion chamber 16.
  • Such an equivalent image can be viewed as a series connection of n (n>1) throttle points.
  • throttle point 1 and throttle point n two throttle points connected in series (throttle point 1 and throttle point n) in which a sound passage from subsonic to supersonic takes place along the flow path in the plateau phase.
  • the narrowest cross section along the flow path during operation of the injector is dimensioned in such a way that at least one sound passage along the flow path up to the maximum engine back pressure during the injection phase is achieved over at least two thirds of the entire plateau phase, preferably over the entire plateau phase .
  • the flow is adjusted from supersonic to subsonic via compression shocks at throttle points.
  • FIG. 5 shows several options for arranging the narrowest cross section of the injection line at different points.
  • Fig. 5(a) shows the narrowest cross section of the injection duct in a region between the inlet and outlet openings
  • Fig. 5 (b) shows the narrowest cross section of the injection duct at the fleas of the outlet opening
  • Fig. 5 (c) shows the narrowest cross section the injection line for fleas of the inlet port.
  • n throttles arranged in series which represent the flow path along a streamline from the injector to the combustion chamber, are coordinated and placed in such a way that a supersonic flow (at least during a plateau phase of the injector). This is advantageous with regard to impact-induced turbulence or mixing of fuel and air.
  • Figure 6 shows two different shaped configurations of an injection duct 50.
  • Figure 6(a) shows an injection duct 50 which is generally in the form of a straight pipe.
  • the black arrow symbolizes the direction of flow of the fluid that is guided through the injection line 50 and is discharged at the outlet opening 51 .
  • 6 (b) shows a curved design of the injection line 50, as a result of which the injection angle of the fluid jet leaving the outlet opening 51 can be influenced.
  • the geometric exit angle does not correspond to the exit angle of the flow, especially when the length of the injection line is relatively short and the flow direction of the jet can only be influenced to a limited extent as a result.
  • FIG. 7 shows different representations of injection lines whose outlet cross section lies in one plane (FIG. 7 (a)) or in different, discretely or continuously distributed outlet planes (cf. FIGS. 7 (b) to (d)).
  • the representations in FIG. 7 (a) each have an exit cross section which is arranged in a single plane.
  • FIG. 7(c) and FIG. 7(d) show a further possibility for an outlet opening 51 which is not arranged in a single plane.
  • the inner contour 52 of the injection line 50 is provided with rectangular crenellations in the direction of flow of the fluid to be dispensed, which run in the circumferential direction of the injection line 50 .
  • there are different exit planes of the flow guided through the injection line 50 which are offset from one another in the direction of flow.
  • 7(d) shows the exit from the injection line 50 in an unrolled form.
  • Fig. 8 shows further advantageous modifications of the injection line 50, in which at least one further opening 56 is provided in the area between the inlet opening and the outlet opening 51, which is used to feed a fluid into the injection line and/or to discharge a fluid from the injection line 50 can be used.
  • FIG. 8(a) shows an injection line 50 whose outlet opening 51 is arranged in a combustion chamber 16 and in whose inlet opening fuel is supplied by the injector 1 .
  • the injection line 50 has in the area between the
  • the at least one further supply opening 56 can be embodied as a Venturi nozzle. In this case, cross-sectional changes along the main flow direction of the injection line 50 are used to bring about a suction effect through the at least one feed opening 56 .
  • FIG. 8(b) shows how the opening 56 arranged between the inlet opening and the outlet opening 51 is used for discharging fuel flowing in the injection pipe 50.
  • FIG. The at least one further opening 56 is therefore used here to deliver the fuel to be delivered through the injection line 50 into the combustion chamber 16 .
  • the outlet opening 51 at the end of the injection line 50 is used, but also the at least one further opening 56 for dispensing fuel.
  • Appropriate dimensioning of the cross-sectional profile along the main flow direction of the injection line 50 allows the fuel to exit from the injection line 50 through the at least one further opening 56 .
  • FIG. 9 shows injection lines 50 of different configurations, from which it can be seen that an injection line 50 can also have a plurality of outlet openings 51 .
  • FIG. 9(a) shows an injection line 50 with only one outlet opening 51
  • FIG. 9(b) shows a plurality of outlet openings 51 which (as shown) can lie in a common plane.
  • FIG. 10 shows different representations of inner contours 52 of the injection line 50, in which it can be seen that they each have at least one convex and at least one concave section in the inner contour 52.
  • FIG. 10 (a) shows an injection line in a perspective view, in which the specific configuration of the inner contour 52 in the outlet opening 51 can already be seen.
  • the sectional plane AA is shown in FIG. 10(b), so that the inner contour 52 of the outlet opening 51 is also shown.
  • FIG. 10(b) one can see the inner contours 52, which are designed with convex and concave sections arranged alternately to one another.
  • Figure 10(c) shows inner contours 52 that are purely convex and have no concave portions.
  • the circular or elliptical inner contour shown as an example is a purely convex inner contour 52 which has no concave sections and therefore causes less thorough mixing when the fluid guided through the injection line 50 emerges.
  • Fig. 10 (d) shows three different inner contours 52 of the outlet opening 51 according to the invention.
  • crenellated elements extending towards the center in the circumferential direction, which contribute to the formation of the convex sections.
  • the wall thickness is not constant in the circumferential direction, but can change continuously or suddenly, so that when a fluid is passed through the injection line 50 and discharged from the outlet opening 51, the specific shape of the inner contours 52 results in good mixing due to the occurring turbulence contributes.
  • Convex areas are marked with an x and concave areas with a v.
  • the connecting line runs through a convex section if the actual course of the inner contour 52 runs on the side of the straight connecting line facing away from the center of the outlet opening 51 and a concave section if the actual course of the inner contour 52 runs on the side of the straight connecting line facing towards the center of the outlet opening.
  • FIGS. 11(b) and 11(c) each show an inner contour 52 that has both concave and convex sections. It can be provided that the inner contour at the outlet opening 51 can be continuously differentiated or has kinks.
  • FIG. 12 shows a further detailed view of a (unrolled) inner contour of the outlet opening 51.
  • the inner contour has webs 55 and ramps 54 along the direction of flow.
  • the arrangement of ramps 54 and lands 55 leads to strong differences in velocity between the adjacent flow paths and in the boundary layer on the walls of the lands 55, which are illustrated in FIG. 12 by arrows of different brightness.
  • Strong vortices form at the edges of the inner contour 52 and at the outlet of the injection line 50, which leads to good turbulent mixing of fuel and air. This mixing is shown in FIG. 12 by the arrows surrounding the dashed lines.
  • FIG. 13 shows an illustration of three differently designed inner contours, each of which is provided with webs 55 and ramps 54 in the area of the outlet opening or the outlet cross section 53 .
  • FIG. 13(a) shows several ramps 54 sloping away from the interior, between which a web 55 is arranged, which represents a constant continuation of the inner contour.
  • this leads to a pinnacle-like configuration, with the pinnacles running rectangular here being directed towards the interior of the injection line.
  • Fig. 13(b) shows a different embodiment in the area of the outlet opening, in which case ramps 54 are provided which incline towards the interior of the injection duct.
  • the ramps 54 are each separated from one another by a web 55 running in a straight line, so that the outlet cross section 53 also has a crenellated configuration here, in which the crenellations are directed toward the interior of the injection line.
  • 13(c) shows a further embodiment in which ramps 54 inclined in different directions are arranged in alternation with one another. Again one can see that the darker arrows flow with higher speed than the lighter arrows, so that turbulences arise between the different fast flows and at the outlet, which lead to a good mixing.
  • ramps 54 and webs 55 in the area of the outlet opening of the injection line 50, in which the outlets (with or without ramps) lie in offset planes.
  • the ramps 54 begin at different positions along the flow direction and have different gradients.
  • ramps 54 all of which are inclined away from the interior of the injection line, but can have a different gradient. It can thus be seen that the ramp 54 arranged centrally in FIG. 15 has a greater inclination than the ramps 54 adjacent thereto. In addition, the ramps 54 are also offset from one another in the direction of flow. 16 shows two detailed views of the injection line in the area of the outlet opening, ramps 54 and webs 55 being provided there and the flow prevailing there being a supersonic flow (Ma>1). If the injection line If the flow is now operated in such a way that the flow is supersonic at the beginning or end of the ramps 54, a compression shock occurring towards the flow center occurs at the points at which the flow is deflected away from the outside towards the center of the flow. The formation of the compression shock creates shock-induced vortices that lead to better mixing of fuel and air.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einblasleitung für einen Injektor zum Einblasen von Kraftstoff, insbesondere von gasförmigem Kraftstoff, bevorzugterweise von Wasserstoff, die mindestens eine Austrittsöffnung durch welche der einzublasende Kraftstoff hindurchströmt umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Innenkontur eines Austrittsquerschnitts der mindestens einen Austrittsöffnung sowohl mindestens einen konvexen als auch mindestens einen konkaven Abschnitt aufweist.

Description

Einblasleitung für einen Injektor zum Einblasen von Kraftstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einblasleitung für einen Injektor zum Einblasen eines Kraftstoffs, vorzugsweise zum Einlasen eines gasförmigen Kraftstoffs wie Wasserstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Im Zuge von weltweit immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten und ambitionierten Klimaschutzzielen steigen die umwelttechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen stetig an. Das Ziel sind in absehbarer Zukunft emissionsarme oder gar emissionsfreie Antriebstechnologien, die auch strengste Abgasgrenzwerte erfüllen und einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele liefern. Bei Technologien, die mit einer Verbrennung arbeiten sind diese Ziele nur bei einer Verwendung von klimaneutralen, regenerativ produzierten Kraftstoffen erreichbar, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette keinerlei Emissionen verursachen (sogenannte "zero emissions'-Kraftstoffe). Mit derzeitigen konventionellen Benzin-, Diesel- und Gasmotoren sind die
Anforderungen an eine emissionsfreie Verbrennung - selbst unter Verwendung sogenannter E-Fuels, bspw. eines synthetisch erzeugten OME-Kraftstoffs, zu dessen Herstellung lediglich regenerative Energie benötigt wird - nicht erreichbar, da sich der Ausstoß an schädlichen Abgasen wie Stickstoffoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.
In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren bisher aber fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstrator mit geringem Reifegrad. Ein durch regenerative Energien erzeugter Wasserstoff würde alle Erfordernisse von“ zero emission“ erfüllen, da dieser emissionsfrei verbrennbar ist. So finden sich im Pkw-Bereich bspw. Wasserstoff-Motoren mit äußerer Gemischbildung (PFI = port fuel injection), bei denen der Kraftstoff schon vor Eintritt in den Brennraum mit Luft in ausreichender Zeit gut durchmischt wird. Wasserstoff- Motoren mit direkter Einblasung des Kraftstoffs in den Brennraum (innere Gemischbildung, Dl = direct injection) spielen heutzutage praktisch keine Rolle, weisen jedoch gegenüber dem PFI-Konzept u.a. eine höhere Effizienz, stabilere Verbrennung sowie eine Eliminierung der Gefahr einer Rückzündung in den Ansaugtrakt auf.
Bei direkt einspritzenden Wasserstoffmotoren wird typischerweise noch hinsichtlich des maximalen Einspritzdrucks im Injektor (< 60 bar: Niederdruck, > 60 bar: Hochdruck) unterschieden, wobei die Grenzen nicht eindeutig festgelegt und die Übergänge fließend sind. Höhere Drücke bieten das Potential einer verkürzten Einblasdauer in einer späteren Phase der Kompression bei höheren Brennraumdrücken, was eine erhöhte Effizienz und verbesserte Verbrennungsstabilität zur Folge hat. Allerdings sinkt die Gesamteffizienz, falls zuvor eine Komprimierung des Wasserstoffs nötig ist.
Wird der Wasserstoff zu 100 % aus regenerativen Energien gewonnen, kann mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ein nahezu klimaneutraler Betrieb realisiert werden. Darüber hinaus bieten sich zahlreiche weitere Vorteile: • Verwendung bekannter Technologien mit hohem Reifegrad und bestehender Produktionsanlagen
• unbegrenzte Verfügbarkeit des Wasserstoffs durch Elektrolyse von Wasser
• Nutzung des bestehenden Tankstellensystems möglich (nach entsprechender Umrüstung) mit schnellen Tankzeiten
• (fast) emissionsfreie Umwandlung des Wasserstoffs in der Verbrennung möglich, da C02-neutral, nur minimale CO, UHC-, Partikel- und Ruß- Emissionen (lediglich verursacht durch Schmierstoffe im Zulaufsystem, unterhalb der Messgrenze) und nur minimale NOx-Emissionen durch geeignetes Verbrennungsverfahren (ggf. mit Abgasrückführung, SCR- Katalysator)
• deutlich geringere Anforderung an Reinheit des Wasserstoffs im Vergleich zu Brennstoffzellen-Antrieben
• kein Bedarf an Platin zur Herstellung wie bei Brennstoffzellen
Neben diesen zahlreichen Vorteilen gegenüber anderen Antriebskonzepten existieren jedoch auch einige Herausforderungen, die es bei der Entwicklung von
Wasserstoff-Verbrennungsmaschinen zu bewältigen gibt:
• geringes Molekulargewicht von Wasserstoff, dadurch eine geringe Dichte einhergehend mit einer geringen volumetrischen Energiedichte (bei hoher massenspezifischer Energiedichte); siehe Tabelle 1
• Bereitstellung eines demzufolge hohen Volumenstroms bei der Einblasung von Wasserstoff
• entsprechende Bereitstellung von großen Strömungsquerschnitten im Injektor und damit benötigter deutlich größerer Hübe des Aktuators als bei konventionellen Antriebsarten
• Gemischaufbereitung im Brennraum / Beeinflussung des Einblasstrahls / Zündverhalten bei Kleinstmengeneinblasung
Tabelle 1: Massen- und volumenspezifischer Heizwert von Diesel und Wasserstoff
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend teilweise aufgeführten Herausforderungen und Nachteile zu überwinden oder abzumildern und eine entsprechend fortgebildete Einblasleitung (auch: Einblaskappe) für einen Injektor zum Einblasen von Gas wie Wasserstoff vorzusehen bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer solchen Einblasleitung versehenen Injektors vorzuschlagen. Insbesondere soll dabei die Einblasleitung für eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft sorgen, um eine möglichst homogene Verbrennung in einem Brennraum zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die Einblasleitung einen Beitrag zur besseren Steuerbarkeit des in den Brennraum einzuführenden Massenstroms liefert, da dann eine exaktere und effizientere Verbrennung möglich ist. Insgesamt soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein verbesserter Verbrennungsvorgang in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor ermöglicht werden.
Dies gelingt mit einer Einblasleitung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist Die erfindungsgemäße Einblasleitung für einen Injektor zum Einblasen von Kraftstoff, insbesondere von gasförmigem Kraftstoff, bevorzugterweise von Wasserstoff, weist dabei mindestens eine Austrittsöffnung, durch welche der einzublasende Kraftstoff hindurchströmt, auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenkontur eines Austrittsquerschnitts der mindestens einen Austrittsöffnung sowohl mindestens einen konvexen als auch mindestens einen konkaven Abschnitt aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur des Austrittsquerschnitts gegenüber einer Mitte oder einem Mittelpunkt des Austrittsquerschnitts sowohl mindestens einen konvexen als auch mindestens einen konkaven Abschnitt aufweist. Zur Definition von konvexen oder konkaven Abschnitten in dem Austrittsquerschnitt der Einblasleitung kann beispielsweise geprüft werden, ob eine geradlinige Verbindungsstrecke zweier beliebiger Punkte des Austrittsquerschnitts dazu führt, ob die tatsächliche Innenkontur auf der der Mitte der Kontur zugeneigten Seite der Verbindungsgerade liegt oder nicht (wenn ja: konkav; wenn nein: konvex). Die die Verbindungsgerade definierenden Punkte können dabei beliebig entlang der Innenkontur gewählt werden.
Zum selben Ergebnis kommt man aber auch, wenn man die Innenkontur des Austrittsquerschnitts abrollt und dann die mathematischen Voraussetzungen für das Vorliegen einer konkaven oder konvexen Funktion heranzieht, wobei als Funktion der Verlauf der Innenkontur angesehen wird.
Durch das Vorliegen von konkaven und konvexen Abschnitten in der Innenkontur des Austrittsquerschnitts kann sich in Umfangsrichtung der Innenkontur gesehen eine Durchmesservariation des Austrittsquerschnitts und/oder eine Abfolge von konvexen und konkaven Abschnitten der Innenkontur ergeben, die zu einer vorteilhaften Verwirbelung des Fluids (beispielsweise Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) führt/führen. Diese Verwirbelung ist von Vorteil, da eine gute Durchmischung des Kraftstoffs in einem Brennraum oftmals eine ausreichende Verwirbelung erfordert und eine effiziente Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches mit sich bringt.
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Einblasleitung dazu ausgelegt ist, einen einzublasenden Kraftstoff aufzunehmen und ihn über die Austrittsöffnung wieder auszugeben.
Die Einblasleitung kann dabei typischerweise an dem distalen Ende eines Injektors vorgesehen sein und kann entweder vollständig in einem Brennraum angeordnet sein oder erstreckt sich zumindest mit dem Austrittsquerschnitt in den Brennraum hinein.
So kann also vorgesehen sein, dass die Einblasleitung das Endstück oder auch die Einblaskappe eines Injektors darstellt, von dem der typischerweise in einen Brennraum einzugebende Kraftstoff oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch stammt. Demnach wird der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch in eine Einlassöffnung der Einblasleitung eingeführt und aus der Austrittsöffnung der Einblasleitung herausgeführt.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur der Einblasleitung hin zur Austrittsöffnung mindestens eine in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete Rampe aufweist, die zur Außenumfangsseite der Einblasleitung hin oder von dieser weg geneigt ist, wobei sich vorzugsweise die Rampe hin bis zur Austrittsöffnung erstreckt.
Das Vorsehen einer solchen Rampe, die sich entweder zum Inneren der Einblasleitung hin neigt oder dazu entgegengesetzt, zum Äußeren hin verläuft, kann zu einer Verringerung oder zu einer Beschleunigung der Geschwindigkeit eines über eine solche Rampe strömenden Strömungspfads führen, sodass sich Wirbel im Grenzbereich zu einer Strömung ausbilden, deren Geschwindigkeit nicht oder entgegengesetzt verändert worden ist. Auch so ausgebildete Wirbel führen zu einer turbulenten Durchmischung des durch die Einblasleitung strömenden Fluids, was erneut für eine effektive Verbrennung eines durch die Einblasleitung hindurchströmenden Kraftstoffs bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisches von Vorteil ist.
Ferner kann hierbei vorgesehen sein, dass sich an die Rampe in der zur Strömungsrichtung senkrecht verlaufenden Umfangsrichtung eine konträr ausgebildete Rampe anschließt und/oder ein Steg vorgesehen ist, der das Ausgangsniveau der Rampe in Strömungsrichtung fortführt, vorzugsweise wobei die Rampe von der Außenumfangsseite weg geneigt ist. Schließen sich seitlich an eine solche Rampe ein Steg oder eine konträr ausgebildete Rampe an, so bildet sich im Übergangsbereich zwischen zwei Rampen oder einer Rampe und einem Steg eine Trennwand entlang deren Länge und an deren Ende, beispielsweise am Austrittsquerschnitt, Verwirbelungsbereiche entstehen, da hier unterschiedlich schnelle Strömungsbereiche aufeinandertreffen. Auch dies sorgt für eine gute Durchmischung des durch die Einblasleitung strömenden Fluids.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Austrittsquerschnitt in einer Ebene liegt oder sich in verschiedenen, diskret oder kontinuierlich verteilten Austrittsebenen entlang einer Hauptströmungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs befindet.
Nach der Erfindung ist es also nicht erforderlich, dass der Austrittsquerschnitt in einer einzelnen Schnittebene angeordnet ist, sondern dieser kann sich auch über mehrere in der Hauptströmungsrichtung versetzten Ebenen befinden.
Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung zudem vorgesehen sein, dass zwischen der Austrittsöffnung und einer Einlassöffnung zum Einführen des einzublasenden Kraftstoffs mindestens eine weitere Öffnung, insbesondere eine Zuführöffnung vorgesehen ist, um ein Fluid, bspw. Luft und/oder Kraftstoff, in die Einblasleitung einzusaugen oder abzugeben, wobei vorzugsweise die mindestens eine Öffnung, insbesondere eine Zuführöffnung quer zu einer Hauptströmungsrichtung der Einblaskappe orientiert ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Einblasleitung (beispielsweise durch eine entsprechende Variation der Querschnittsfläche in Hauptströmungsrichtung) so ausgebildet ist, dass diese in Kombination mit der mindestens einen weiteren Zuführöffnung eine Venturi-Düse bildet, um ein Fluid über die Zuführöffnung anzusaugen. Ist ein Injektor beispielsweise so ausgestaltet, dass lediglich reiner Kraftstoff in die Einblasöffnung der Einblasleitung eingeführt wird, kann das Beimischen von Luft aus den Brennraum über die mindestens eine Zuführöffnung erfolgen, sodass die Einblasleitung dann an ihrer Austrittsöffnung eine Kraftstoff-Luft- Mischung ausgibt. Selbstverständlich ist von der Erfindung auch der Fall umfasst, dass durch die Zuführöffnung ein beliebiges Fluid beigemischt werden kann, beispielsweise auch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches sich in den Brennraum befindet.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass, sofern die Einblasleitung mit einer Rampe versehen ist, die mindestens eine weitere Öffnung, insbesondere eine Zuführöffnung stromaufwärts der mindestens einen Rampe angeordnet ist.
Da das Vorsehen der Rampe stromabwärts zu der mindestens einen Zuführöffnung den Effekt hat, eine Durchmischung des durch die Einblasleitung strömenden Fluids zu bewirken, führt das Anordnen der Rampe stromabwärts zu der mindestens einen Zuführöffnung dazu, dass das zugeführte Fluid mit dem in die Einblasöffnung eingeführten Fluid der Einblasleitung durchmischt wird. Insbesondere dann, wenn in die Einblasöffnung der Einblasleitung Kraftstoff und durch die mindestens eine Zuführöffnung Luft oder einem Brennraum Vorherrschendes Fluid eingeführt wird, führt die stromabwärtig angeordnete Rampe zu einer guten Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gem isches.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der minimale Querschnitt der Einblasleitung durch den Austrittsquerschnitt oder einen Eintrittsquerschnitt gebildet ist oder entlang der Einblasleitung zwischen Eintrittsquerschnitt und Austrittsquerschnitt liegt.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Einblasleitung zu einer zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufenden Drehachse drehsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch ist. So kann vorgesehen sein, dass die Einblasleitung im Wesentlichen die Form eines Rohres aufweist.
Von Erfindung kann aber auch umfasst sein, dass die Einblasleitung nicht geradlinig sondern gebogen ausgeführt ist. Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur des Austrittsquerschnitts stetig differenzierbar ist. Jedoch kann die Innenkontur auch mit sprunghaften Veränderungen versehen sein, sodass auch ein nicht stetiger Verlauf möglich ist. Ein nicht stetiger Verlauf ist von Vorteil, da hierbei im Bereich der unstetigen Kanten besonders starke Wirbel in der Strömung erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft zudem ferner einen Injektor zum Einblasen von Kraftstoff mit einer Einblasleitung, vorzugsweise einem Injektor nach einer der vorhergehend diskutierten Varianten, bevorzugterweise wobei die Einblasleitung das brennraumseitige Endstück des Injektors ist. Der Injektor kann dabei dazu ausgelegt sein, einen gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff auszugeben.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors in einem Motor, vorzugsweise zum Betreiben eines Injektors nach der vorstehend diskutierten Variante, wobei bei einem Einblasen eines Kraftstoffs in einen Brennraum der Injektor den einzublasenden Kraftstoff während einer Einblasphase mit einem solchen Druck in die Einblasleitung einführt, dass die Kraftstoffströmung bei einem Eintrittsquerschnitt, einem Austrittsquerschnitt und/oder an mindestens einer Stelle zwischen einem Eintrittsquerschnitt und einem Austrittsquerschnitt der Einblasleitung einen Schalldurchgang von Unterschall auf Überschall vollzieht.
Da entlang des Strömungspfads der Einblasleitung während eines Ausgebens von Kraftstoff bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus der Einblasleitung ein Schalldurchgang von Unter- in den Überschall stattfindet ist es möglich, eine Entkopplung des Massenstroms vom Brennraumgegendruck zu erreichen. Dem Fachmann ist klar, dass das Erreichen des Schalldurchgangs vom Unter- in den Überschall von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, beispielsweise der exakten Geometrie der Einblasleitung, den Drücken im Injektor und den Brennraum und der Fluidtemperatur im Injektor. Auch kann während einer Einblasphase der Brennraumdruck variieren, da sich der Kolben beispielsweise bereits hin zum oberen Totpunkt des Zylinders bewegen kann, um eine Kompression durchzuführen.
Das Verfahren kann dabei so fortgebildet sein, dass bei einem Einblasen des Kraftstoffs der Injektor eine Öffnungsphase, eine sich hieran anschließende Plateauphase sowie eine darauffolgende Schließphase durchführt, wobei die einzublasende Menge an Kraftstoff zunächst ansteigt, auf einem hohen Niveau verharrt und danach wieder absinkt, und der Injektor den einzublasenden Kraftstoff während der Plateauphase mit einem solchen Druck in die Einblasleitung einführt, dass über mehr als zwei Drittel der Plateauphasendauer, vorzugsweise über die gesamte Dauer der Plateauphase, die Kraftstoffströmung in der Einblaskappe und/oder an deren Eintrittsquerschnitt / deren Austrittsquerschnitt einen Schalldurchgang von Unterschall auf Überschall vollzieht, wobei bevorzugterweise der Schalldurchgang bereits in Teilen der Öffnungsphase und/oder der Schließphase auftritt.
Durch das Beibehalten des Schalldurchgangs über einen längeren Zeitraum der Einblasung, kann sichergestellt werden, dass die bessere Steuerbarkeit des Massenstroms über einen längeren Zeitraum der Einblasung andauert. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn bereits während einer Öffnungsphase bzw. einer Schließphase des Injektors, bei der noch nicht bzw. nicht mehr die maximale Menge an Kraftstoff durch den Injektor ausgegeben wird, ein Schalldurchgang erreicht wird, da damit sichergestellt werden kann, dass zumindest während der gesamten Plateauphase, bei der ein Großteil des Kraftstoffs abgegeben wird, eine Entkopplung vom Motorgegendruck und damit eine bessere Steuerbarkeit des Massenstroms vorliegt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass der Injektor derart betrieben wird, dass die durch den Injektor strömende Kraftstoffströmung an der mindestens einen Austrittsöffnung der Einblasleitung eine Überschallströmung ist. In Kombination mit konvexen und konkaven Abschnitten in der Innenkontur der Austrittsöffnung erfolgt hierbei eine besonders gute Verwirbelung/Durchmischung von dem durch die Einblasleitung ausgegebenen Fluid.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass mit einer Einblasleitung, die mindestens eine Rampe aufweist, nach einer Fortbildung des Verfahrens vorgesehen ist, dass die in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete mindestens eine Rampe sich von der Außenumfangsseite der Einblasleitung weg hin zum Inneren erstreckt und der Injektor derart betrieben wird, dass die Kraftstoffströmung am Beginn der mindestens einen Rampe im Überschall ist und aufgrund der sich zum Inneren neigenden Rampe am Beginn der Rampe einen Verdichtungsstoß ausbildet, und/oder die in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete mindestens eine Rampe sich von der Außenumfangsseite der Einblasleitung hin nach außen, weg vom Inneren erstreckt und der Injektor derart betrieben wird, dass die Kraftstoffströmung am Ende der mindestens einen Rampe im Überschall ist und aufgrund einer sich nicht mehr neigenden, vorzugsweise dann wieder parallel zur Flauptströmungsrichtung verlaufenden Fläche am Ende der Rampe einen Verdichtungsstoß ausbildet.
Ein Verdichtungsstoß beschreibt dabei in der Strömungslehre eine unstetige Änderung des Strömungszustands, bei der eine Überschallströmung auf ein Flindernis auftritt und diesem ausweichen muss. Da sich die Informationen über die Druckstörungen mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten, erfolgt dabei keine stromaufwärtige Informationsübermittlung in den Überschallbereich, sodass es im Verdichtungsstoß zu einer schlagartigen Anpassung des Strömungszustands kommt. Diese schlagartige Zustandsänderung wird in der Einblasleitung zur
Durchmischung mehrerer Fluide genutzt, beispielsweise von Kraftstoff und Luft, sodass ein nachgelagerter Verbrennungsvorgang des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit hoher Effektivität und hoher Effizienz abläuft. Die Erfindung kann zudem eine Brennkraftmaschine mit einer Gas-
Direkteinspritzung, insbesondere einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, die einen Injektor nach einer der vorstehenden Varianten umfasst, betreffen. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt: Fig. 1: eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
Fig. 2: eine Darstellung verschiedener Zustände von Bauteilen und Drücken in einem Injektor, Fig. 3: eine grafische Darstellung des austretenden Massenstroms aus einem Injektor über einen Öffnungszyklus,
Fig. 4: eine Darstellung für ein Ersatzschaltbild eine Strömungspfads verwirklicht durch eine Reihenschaltung von mindestens einer Drosselstelle,
Fig. 5: mehrere Darstellungen zum Anordnen eines engsten Querschnittsbereichs in der Einblasleitung zusammen mit einer dadurch resultierenden Geschwindigkeit der Strömung, Fig. 6: Ansichten unterschiedlich ausgeformter Einblasleitungen nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7: Ansichten unterschiedlich ausgeformter Einblasleitungen nach der vorliegenden Erfindung mit einer Austrittsöffnungen einer oder mehreren Ebenen,
Fig. 8: mehrere Darstellungen einer erfindungsgemäßen Einblasleitung mit einer zwischen Einblasöffnung und Austrittsöffnung angeordneten weiteren Öffnung zum Zuführen eines Fluids in die Einblasleitung oder Abgeben eines in der Einblasleitung strömenden Fluids, Fig. 9: mehrere Darstellungen einer erfindungsgemäßen Einblasleitung mit einer oder mehrere Austrittsöffnungen,
Fig. 10: mehrere Darstellungen einer Innenkontur der Austrittsöffnung der erfindungsgemäßen Einblasleitung zum Erläutern eines konvexen und eines konkaven Abschnitts in der Innenkontur,
Fig. 11: mehrere Darstellungen einer Innenkontur der Austrittsöffnung der erfindungsgemäßen Einblasleitung zum Erläutern eines konvexen und eines konkaven Abschnitts in der Innenkontur,
Fig. 12: eine Detailansicht eines in den Kontoabschnitts eine erfindungsgemäßen Einblasleitung mit alternierend angeordneten Stegen und Rampen, Fig. 13: mehrere Detailansichten unterschiedlicher Varianten von Stegen und Rampen im Innenkonturbereich der Austrittsöffnung einer erfindungsgemäßen Einblasleitung,
Fig. 14: eine weitere Detailansicht im Bereich einer Innenkontur der erfindungsgemäßen Einblasleitung, wobei der Austrittsquerschnitt in verschiedenen Ebenen liegt,
Fig. 15: eine weitere Detailansicht im Bereich einer Innenkontur der erfindungsgemäßen Einblasleitung, wobei benachbarte Rampen in der Flauptströmungsrichtung zueinander versetzt und/oder mit unterschiedlichen Neigungen versehen sind, und
Fig. 16: mehrere Detailansichten im Bereich einer Innenkontur der erfindungsgemäßen Einblasleitung, wobei bei einer Strömungsgeschwindigkeit im Überschallbereich die sich im Bereich von
Rampen ausbildenden Verdichtungsstöße grafisch hervorgehoben sind. Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung derFig. 1 nimmt auf einen Injektor zum Einblasen von Wasserstoff Bezug, wobei dem Fachmann aber klar ist, dass von der Erfindung ebenfalls ein Injektor zum Einblasen von Gas bzw. einem anderen Kraftstoff umfasst ist.
Fig. 1 zeigt dabei einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Injektors 1 zum Einblasen von Wasserstoff in einen Brennraum 16. Der Injektor 1 besitzt dabei ein Injektorgehäuse 2, in dem sich unterschiedliche Komponenten des Injektors 1 befinden. Anschlussseitig ist ein Gasanschluss 11 zum Einführen eines Wasserstoffs in den Injektor 1 vorgesehen. Zunächst wird dabei der Wasserstoff oder ein anderes brennbares Fluid durch eine etwa zentral im Injektorgehäuse 2 verlaufende Bohrung eines Deckels 29 und im Anschluss daran durch einen Fluidkanal eines Ankergegenstücks 27, einer Durchgangsöffnung 10 des Ankers 5 und dem hohlen Inneren 12 einer Hohlnadel 3 zu dem von der Anschlussseite 11 entfernten Ende der Hohlnadel 3 geleitet.
Abhängig von der Stellung der Hohlnadel 3 gegenüber der Ventilplatte 9 sind die die Ventilplatte 9 durchstoßenden Einblasöffnungen 4 verschlossen oder freigegeben. In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand sind die Einblasöffnungen 4 durch das Anpressen der Hohlnadel 3 gegen die Ventilplatte 9 verschlossen, da die Stirnseite der Hohlnadel 3 die Öffnungskonturen der Einblasöffnungen 4 abdeckt. Zum Verbessern der Dichtheit können Dichtelemente 30 vorgesehen sein, die um die Öffnungskonturen der Einblasöffnungen 4 herum verlaufen und in einem abdichtenden Zustand der Hohlnadel 3 die Stirnseite der Hohlnadel 3 kontaktieren. Sind die Einblasöffnungen 4 durch die Stirnseite der Hohlnadel 3 verschlossen, wird die Fluidströmung des Wasserstoffs an dieser Stelle des Injektors 1 aufgehalten und es kommt zu keiner stromabwärtigen Strömung von Wasserstoff jenseits der Ventilplatte 9. Sind die Einblasöffnungen 4 hingegen freigegeben, was durch ein Abheben der Hohlnadel 3 weg von der Ventilplatte 9 umgesetzt wird, strömt der mit einem gewissen Druck in den Injektor 1 eingeführte Wasserstoff aus dem Inneren 12 der Hohlnadel 3 heraus und tritt über die mehreren Einblasöffnungen 4 auf der von der Hohlnadel 3 beabstandeten Seite der Ventilplatte 9 aus. Nach Durchströmen eines Rückschlagventils 20, 21 , 23, das in dem Injektor 1 vorgesehen sein kann, strömt der unter Druck stehende Wasserstoff durch die Einblasleitung 50 (die manchmal auch Einblaskappe genannt wird), welche über mindestens eine Austrittsöffnung 51 verfügt. Nach einem Durchströmen dieser Einblasleitung 50 befindet sich dann der durch den Injektor 1 abgegebene Wasserstoff typischerweise außerhalb des Injektors 1 in einem Brennraum 16. Eine Beimischung von Luft kann dort oder durch in der Einblasleitung vorgesehene Zuführöffnungen 54 erfolgen. Zudem findet in dem Brennraum 16 eine Komprimierung des Wasserstoff-Luft-Gemisches statt, welches sich dann entzündet bzw. entzündet wird.
Das Rückschlagventil 20, 21 , 23, das auf der zur Hohlnadel 3 abgewandten Seite der Ventilplatte 9 liegt, dient dazu, einen im Brennraum herrschenden sehr hohen Druck von der mindestens einen Einblasöffnung 4 fernzuhalten. Anderenfalls könnte es passieren, dass der sehr hohe im Brennraum 16 herrschenden Druck über die mindestens eine Einblasöffnung 4 auf die Stirnseite der die Einblasöffnung 4 verschließenden Hohlnadel 3 wirkt und diese aus ihrer die mindestens eine Einblasöffnung 4 schließenden Position wegbewegt. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt des Injektors 1 würde dann nicht mehr der zum Verbrennen erforderliche Wasserstoff in den Brennraum 16 eingeleitet werden, sondern ein bereits zumindest teilweise verbranntes Gemisch, was zu einem Unterbrechen des Verbrennvorgangs oder bestenfalls zu einer geringeren Leistung des Verbrennvorgangs führen kann.
Das Rückschlagventil 20, 21 , 23 weist dabei einen Ventilstößel 20, eine Ventilführung 21 und eine Ventilfeder 23 auf, die den Ventilstößel in eine Schließrichtung drängt, sodass ein Ausströmen von Wasserstoff über die Öffnungskontur 19 des Rückschlagventils 20, 21, 23 nur dann auftritt, wenn auf der zur Ventilplatte 9 zugewandten Seite des Rückschlagventils 20, 21, 23 ein Druck herrscht, der mindestens um die von der Ventilfeder 23 ausgeübte Rückstellkraft des Ventilstößel 20 größer ist als der auf der von dem Rückschlagventil 20, 21 , 23 zur Ventilplatte 9 abgewandten Seite herrschende Druck. Ein Einströmen eines Fluids von der zum Brennraum 16 zugewandten Seite des in dem Einblasrohr 22 angeordneten Rückschlagventils 20, 21, 23 wird dadurch verhindert. Die als Hohlnadel 3 ausgebildete Ventilnadel 3 ist in der Längsrichtung des Injektors 1 hin- und herbewegbar. Die Bewegung der Ventilnadel 3 wird dabei über ein Ventil 5, 6 gesteuert, das in der vorliegenden Darstellung der Fig. 1 ein Magnetventil ist. Die Hohlnadel 3 ist dabei fest mit einem Ankerelement 5 verbunden, das wiederum auf die von einer Spule 6 erzeugte Magnetkraft reagiert. Die Spule 6 kann dabei wahlweise so von Strom durchflossen sein, dass die dabei entstehende magnetische Kraft das Ankerelement 5 in Richtung des Gasanschlusses 11 bewegt. Durch diese Bewegung wird auch die fest mit dem Ankerelement 5 in Verbindung stehende Hohlnadel 3 mitbewegt, sodass es zu einem Anheben der Hohlnadel 3 gegenüber der Ventilplatte 9 kommt. Dadurch werden die Einblasöffnungen 4 in der Ventilplatte 9 freigegeben, sodass die Ventilplatte 9 von Wasserstoff durchströmt werden kann.
Als mögliche Befestigung der Hohlnadel 3 mit dem Ankerelement 5 sind beispielsweise das Verpressen, eine Einschraubverbindung in das Ankerelement 5, ein Verkleben oder andere sachdienliche Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Für eine präzise Führung der Hohlnadel 3 entlang der Längsachse bzw. Drehachse X des Injektors bzw. der Hohlnadel 3 selbst ist eine Nadelführung 14 vorgesehen, die eine Außenseite der Hohlnadel 3 umfangsseitig umschließt. Im Kontaktbereich zwischen der Nadelführung 14 und der Außenseite der Hohlnadel 3 kommt es zu einer Gleitreibung, sodass es von Vorteil sein kann, wenn eine der beiden Kontaktflächen oder auch beide Kontaktflächen über eine spezielle Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung mit Kohlenstoff verfügt. Es hat sich gezeigt, dass eine solche kohlenstoffhaltige Beschichtung in Bezug auf die tribologischen Anforderungen der beiden Gleitkomponenten von Vorteil ist. Die Nadelführung 14 kann dabei so ausgestaltet sein, dass sie sich ausgehend von der Ventilplatte 9 erstreckt und mit gewissen Abstand von dieser nach innen ausgekragt, um erst mit dem gewissen Abstand von der Ventilplatte 9 mit der Außenseite der Hohlnadel 3 in Berührung zu kommen. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Nadelführung 14 durchstößt die Hohlnadel 3 die Nadelführung 14 derart, dass das der Ventilplatte 9 zugewandte Ende der Ventilnadel 3 auch in einem von der Ventilplatte 9 abgehobene Zustand noch vollständig durch die Nadelführung 14 hindurchgeführt ist. Die Nadelführung kann dabei genau wie das Ankerelement 5 und die Hohlnadel 3 rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch zur Drehachse X des Injektors 1 ausgestaltet sein.
An dem zur Ventilplatte 9 zugewandten Ende der Hohlnadel 3 ist eine flanschartige Auskragung vorgesehen, die ein Abdecken der mindestens einen Einblasöffnung 4 in der Ventilplatte 9 erleichtert. Darüber hinaus kann die Hohlnadel 3 auch weitere schräg oder senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Strömungskanäle 7 aufweisen, durch die ein in die Hohlnadel 3 eingeführter Wasserstoff Ausströmen kann. Der Vorteil hieran ist, dass die den Einblasöffnungen 4 zugewandte Seite der Hohlnadel 3 beidseitig, also von innen und von außen von dem in den Injektor 1 eingeführten Wasserstoff umströmt wird. Somit kann der Hub der Ventilnadel 3 bzw. des Ankerelements 5 minimiert und dennoch der erforderliche Durchfluss an Wasserstoff realisiert werden. Dies deswegen, da sich die Strömung in eine Außenströmung und eine Innenströmung durch das der Ventilplatte 9 zugewandte Ausgangsloch der Hohlnadel 3 aufteilen kann. Die flanschartige Auskragung 8, auch Teller genannt, wird daher beidseitig umströmt.
Zwischen der Nadelführung 14 und dem Ankerelement 5 ist ein Luftspalt 24 vorgesehen, der eine gewisse Bewegung der Nadelführung in Längsrichtung des Injektors 1 erlaubt. Die Nadelführung 14 kommt ihrer primären Aufgabe unabhängig von ihrer exakten Anordnungsposition nach, sodass auch das geringe Spiel in Längsrichtung des Injektors 1 hieran nichts ändert. Insbesondere aber bei einer Komprimierung des Injektorgehäuses 2, beispielsweise hervorgerufen durch ein Befestigen des Injektors 1 an einem Motor oder einem thermischen Ausdehnen bzw. Zusammenziehen, dient dieser Luftspalt 24 als Reserve, sodass eine Längenveränderung des Injektorgehäuses 2 in Längsrichtung kompensiert werden kann ohne dabei eine Kraft auf die Nadelführung 14 einzuleiten. Auf der von der Hohlnadel 3 abgewandten Seite des Ankerelements 5 ist ein Ankergegenstück 27 vorgesehen, in dem ein elastisches Federelement 13 in Form einer Spiralfeder angeordnet ist, welche das Ankerelement 5 in Richtung Ventilplatte 9 drängt. Ohne das Betätigen des Ventils 5, 6 wird also die Hohlnadel 3 in Richtung Ventilplatte 9 gedrängt und verschließt die mindestens eine Einblasöffnung 4. Ähnlich wie das Ankerelement fünf weist auch das Ankergegenstück 27 eine Durchgangsöffnung auf, deren Mitte in der Längsmittelachse X des Injektors 1 angeordnet sein kann. Eine einfache Umsetzung zum Einbringen des elastischen Federelements 13 in das Ankergegenstück 27 ist hierbei die Durchmesseränderung der Durchgangsöffnung des Ankergegenstücks 27. Die so entstehende Stufe wird dabei als Anschlagfläche für das elastische Federelement 13 verwendet, sodass darüber hinausgehende konstruktionstechnische Änderungen nicht vonnöten sind. Die Durchgangsöffnung durch das Ankergegenstück 27 kann dabei durch zwei in ihrem Durchmesser unterschiedliche Bohrungen verwirklicht sein, die über dieselbe Bohrmittelachse verfügen. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Bohrmittelachse zu der Mittelachse des Ankerelements 5 identisch ist.
Um den magnetischen Fluss bei einer Umsetzung des Ventils 5, 6 als Magnetventil zu verbessern, kann die Spule 6 an ihrer Außenseite von einem Eisenrückschluss 25 umgeben sein, in dem sich das Magnetfeld besonders gut ausbreiten kann. Ähnlich verhält es sich mit dem direkt das Ankerelement 5 und das Ankergegenstück 27 umgebenden Gehäusebestandteile, das ebenfalls vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material besteht. So kann es von Vorteil sein, wenn das Polrohr 28, das ein Bestandteil des Injektorgehäuses 2 darstellt, ebenfalls aus Eisen oder einen anderen ferromagnetischen Material ist. Selbiges gilt auch für das Ankergegenstück 27, das Vorteilhafterweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht.
Eine visualisierte Darstellung der magnetischen Feldlinien ist durch das Bezugszeichen 15 illustriert. Diese weisen eine Richtung auf, die bei Betrachtung der Fig. 1 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn verläuft. Dadurch wird das Ankerelement 5 hin zum Ankergegenstück 27 gezogen und die Hohlnadel 3 von der Ventilplatte 9 bzw. von den die Ventilplatte 9 durchbrechenden Einblasöffnungen 4 abgehoben, sodass es zu einem Einströmen von Wasserstoff hin zum Rückschlagventil kommen kann, von wo aus Wasserstoff schlussendlich über die Einblaskappe 18 in den Brennraum 16 eingeleitet wird.
Fig. 2 zeigt das prinzipielle Verhalten des Injektors 1 während einer Einblasung. In Ausgangsstellung zum Zeitpunkt tQ am unteren Totpunkt (UT) des Zylinderkolbens werden Ventilnadel 3 und Ventilstößel 20 durch die vorgespannte Nadelfeder 13 bzw. Ventilfeder 23 in ihrem jeweiligen Anschlag am Dichtelement der Ventilplatte 30 bzw. im Sitz der Ventilführung 21 gedrückt und verschließen die Drosselstellen 4 bzw. 19, welche den Nadelraum mit dem Ventilraum bzw. den Ventilraum mit dem Einblasraum im geöffneten Zustand von Ventilnadel 3 bzw. Ventilstößel 20 verbinden. Der Druck im Injektor 1 entspricht dem Druck in der Zuleitung, der Druck im Brennraum 16 sowie im Einblasraum entspricht dem Ladedruck während der Ansaugphase des Zylinderkolbens, in der Frischluft über die Einlassventile in den Brennraum 16 angesaugt wird. Der Druck im Ventilraum entspricht in etwa dem Brennraumdruck und hängt u.a. von der Ventilfeder 23, dem Druck im Brennraum 16 während der Phase des Ausstoßens der heißen Verbrennungsgase über die Auslassventile des Brennraums 16 und ggf. vorangehender Einblasungen ab. Die Funktionsdarstellung folgt im Folgenden vereinfacht und ohne Berücksichtigung des Ladungswechsels durch Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile des Brennraums 16.
Zum Zeitpunkt t± wird vom Ansteuergerät ein Spannungssignal über die elektrischen Kontakte an die Spule 26 des Aktuators angelegt, so dass der Strom F1 im elektrischen Kreis bis auf ein definiertes Endniveau ansteigt. Die stromdurchflossene Spule 26 induziert ein magnetisches Feld im Aktuator, dessen Magnetfeldlinien 15 sich torusförmig um die Spule herum ausbreiten (siehe Fig. 1). Durch das magnetische Feld wird eine Magnetkraft F2 im Luftspalt zwischen Anker 5 und Ankergegenstück 27 aufgebaut, wodurch zum Zeitpunkt t2 der Anker 5 zum Ankergegenstück 27 angezogen wird, sobald die Magnetkraft F2 die Schließkraft (Summe aus Vorspannkraft der Nadelfeder 13 und Druckkräften auf die Nadel 3 und den Anker 5) übertrifft. Der Aufbau des Magnetfeldes und damit der Magnetkraft F2 wird dabei durch Wirbelströme in den Eisenteilen des Magnetkreises verzögert. Der Anker 5 ist fix mit der Ventilnadel 3 verbunden oder ein einteiliges Anker-Ventilnadel- Bauteil, so dass sich die Ventilnadel 3 gleichförmig mit dem Anker 5 entlang eines Nadelhubs F3 bewegt. Sobald das zuvor komprimierte, elastische Dichtelement 30 auf der Dichtplatte 9 zum Zeitpunkt t3 nicht mehr in Kontakt mit der Stirnfläche der Ventilnadel 3 ist, wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum freigegeben, so dass der Kraftstoff vom Nadelraum in den Ventilraum strömt. Dadurch erhöht sich der Druck im Ventilraum. Sobald die Druckdifferenz von Ventilraum zu Einblasraum einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 20 in gleicher Flöhe wie der Vorspannkraft der Ventilfeder 23 entspricht, öffnet das Passivventil, d. h. der Ventilstößel 20 bewegt sich entlang eines Ventilstößelhubs F4vom Sitz weg und gibt die Verbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum frei, so dass Kraftstoff vom Ventilraum in den Einblasraum strömt. Dadurch kommt es zu einem Druckanstieg im Einblasraum (vgl. F8 Druck im Einblasraum). Der Kraftstoff strömt stromab weiter durch die Öffnung(en) 51 in der Einblasleitung 50 in die Brennkammer 16. Die Einblasleitung 50 (bzw. Einblaskappe) ist dabei so gestaltet, dass die Strömung in einem definierten Zustand (Strahlorientierung, Eintrittsimpuls, Strahlbild, etc.) in den Brennraum 16 eingebracht wird. Der geöffnete Zustand von Nadel 3 und Ventilstößel 20 wird während der gesamten restlichen Bestromungsphase beibehalten. Das Stromniveau kann (z. B. durch ein PWM-Spannungssignal) reduziert werden, sobald die Ventilnadel 3 vollständig geöffnet ist und ein mögliches Prellen nicht zu einem Schließen der Ventilnadel 3 führt. Während der Einblasung befindet sich der Zylinder des Motors in der Kompressionsphase, so dass der Brennraumdruck F5 stetig ansteigt.
Um den Einblasvorgang zu beenden wird die Spannungsversorgung durch das Steuergerät beendet, so dass der Strom F1 durch die Spule 26 bis auf Null reduziert wird (Zeitpunkt t4). Aufgrund der Wirbelströme zeitlich verzögert baut sich auch die Magnetkraft F2ab. Sobald die Magnetkraft F2 geringer ist als die Summe aus der Schließkraft der Nadelfeder 13 und den hydraulischen Kräften auf die Nadel 3 und den Anker 5, beginnen sich Nadel 3 und Anker 5 gleichförmig zu schließen (Zeitpunkt t5); vgl. auch F3, F4. Trifft die Stirnseite der Nadel 3 auf das Dichtelement 30 der Ventilplatte 9, so wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum getrennt und der Kraftstofffluss vom Nadelraum in den Ventilraum unterbrochen (Zeitpunkt t6). Damit sinkt der Druck im Ventilraum F7. Wenn die Druckdifferenz vom Ventilraum F7 zum Einblasraum F8 einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 20 in gleicher Flöhe wie der Ventilfederkraft entspricht, bewegt sich der Ventilstößel 20 zurück in seine Schließposition am Ventilsitz 21 und wird durch den zunehmenden Druck F5 im Brennraum 16 und damit im Einblasraum gegen den Sitz 21 gedrückt, so dass die Kraftstoffverbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum (ggf. nach einer Phase des Prellens des Stößels am Ventilsitz 21) unterbrochen wird (Zeitpunkte t6 - t7). Der Einblasvorgang ist damit abgeschlossen. Während der weiteren Kompressionsphase des Brennraums 16 bis zum oberen Totpunkt (OT) im Zeitraum t7 - t8 wird das Luft-Brennstoffgemisch im Einblasraum komprimiert, während es in der anschließenden Expansionsphase entspannt (Zeitraum t8 - 19), wobei der weitere zwischenzeitliche Anstieg des Brennraumdrucks F5 aufgrund von Verbrennung der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist. Sinkt der Druck im Brennraum 16 so weit ab, dass die Differenz aus Druckkräften auf den Ventilstößel 20 der Vorspannkraft der Ventilfeder 23 entspricht (Zeitpunkt t9), so öffnet sich der Ventilstößel 20 kurzzeitig erneut, so dass ein Teil des im Ventilraum vorhandenen Kraftstoffs in den Brennraum 16 entweicht. Dieser Vorgang ist abhängig von der Federkraft und kann in wiederholtem Male auftreten (Zeitraum t9 - 110).
Der jeweilige Massenstrom des Kraftstoffs über die Einblasöffnungen 4, die Öffnungskontur 19 und die mindestens eine Austrittsöffnungen 51 ist dabei mit F9, F10 bzw. F11 angegeben.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte grafische Darstellung eines Öffnungszyklus des Injektors 1 , bei der über die Abszisse die Zeit und über die Ordinate der durch den Injektor 1 ausgegebene Massenstrom aufgetragen ist. Man erkennt, dass sich der Öffnungszyklus des Injektors 1 in drei unterschiedliche Phasen unterteilen lässt, wobei zu Beginn die Öffnungsphase steht, bei der der auszugebende Massenstrom von null auf sein Maximalniveau ansteigt. In der Plateauphase wird dieses maximale Niveau über einen gewissen Zeitraum gehalten, bevor das Schließen des Injektors 1 in der Schließphase zu einem starken Absinken des Massenstroms auf null führt.
Bei einer kurzen Einspritzdauern (beispielsweise einer Vor- bzw. Nacheinspritzung) kann die Plateauphase entfallen bzw. nur sehr kurz gehalten werden.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Ersatzbilds für einen Strömungspfad entlang einer Stromlinie vom Injektor 1 zum Brennraum 16. Ein solches Ersatzbild kann als eine Reihenschaltung von n (n > 1) Drosselstellen angesehen werden.
In Fig. 4 sind dabei exemplarisch zwei zueinander in Reihe geschaltete Drosselstellen (Drosselstelle 1 und Drosselstelle n) dargestellt, bei denen entlang des Strömungspfads in der Plateauphase jeweils ein Schalldurchgang von Unter- in den Überschall stattfindet. Zur besseren Visualisierung dieses Umstands ist für jede Drosselstelle eine Grafik für den Geschwindigkeitsverlauf angegeben, sodass man erkennen kann, dass vorliegend der Schalldurchgang von Unterschall in den Überschall jeweils im Bereich des kleinsten Strömungsquerschnitts stattfindet.
Durch den Schalldurchgang wird eine Entkopplung des Massenstroms vom Brennraumgegendruck erreicht. Ob sich während des Betriebs des Injektors bzw. während der Benutzung der Einblasleitung ein Schalldurchgang entlang des Strömungspfads einstellt, hängt von den Querschnitten der Drosseln, der exakten Geometrie, den im Injektor und im Brennraum vorherrschenden Drücken sowie der Fluidtemperatur im Injektor ab. Der Druck im Brennraum 16 variiert während der Einlassphase abhängig von der Bewegung des Zylinderkolbens bei der Kompression (vgl. Fig. 2).
Es ist von Vorteil, wenn der engste Querschnitt entlang des Strömungspfads beim Betrieb des Injektors dabei so dimensioniert ist, dass zumindest über zwei Drittel der gesamten Plateauphase, vorzugsweise über die gesamte Plateauphase mindestens ein Schalldurchgang entlang des Strömungspfads bis zum maximalen Motorgegendruck während der Einspritzphase erzielt wird. Zwischen den einzelnen Drosselstellen erfolgt gegebenenfalls eine Anpassung der Strömung von Über- in den Unterschall über Verdichtungsstöße.
Fig. 5 zeigt dabei mehrere Möglichkeiten zum Anordnen des engsten Querschnitts der Einblasleitung an unterschiedlichen Stellen. Fig. 5(a) zeigt den engsten Querschnitt der Einblasleitung in einem Bereich zwischen der Eintritts- und der Austrittsöffnung, Fig. 5 (b) zeigt den engsten Querschnitt der Einblasleitung auf Flöhe der Austrittsöffnung und Fig. 5 (c) zeigt den engsten Querschnitt der Einblasleitung auf Flöhe der Einlassöffnung.
Insgesamt ist es dabei für die Einblasleitung bzw. den Injektor von Vorteil, wenn die in Reihe angeordneten n Drosseln, welche den Strömungspfad entlang einer Stromlinie vom Injektor zum Brennraum darstellen, so aufeinander abgestimmt und platziert sind, dass am Austritt der Einblasleitung eine Überschallströmung (zumindest während einer Plateauphase des Injektors) vorliegt. Dies ist in Bezug auf eine stoßinduzierte Verwirbelung bzw. Durchmischung von Kraftstoff und Luft von Vorteil.
Fig. 6 zeigt zwei unterschiedliche geformte Ausführungen einer Einblasleitung 50. Fig. 6 (a) zeigt eine Einblasleitung 50, die im Wesentlichen die Form eines gerade verlaufenden Rohres besitzt. Der in schwarz gehaltene Pfeil symbolisiert dabei die Strömungsrichtung des durch die Einblasleitung 50 geführten Fluids, welches an der Austrittsöffnung 51 ausgegeben wird. Fig. 6 (b) zeigt hingegen eine gekrümmte Ausführung der Einblasleitung 50, wodurch der Einblaswinkel des die Austrittsöffnung 51 verlassenden Fluidstrahls beeinflusst werden kann. In der Regel entspricht der geometrische Austrittswinkel nicht dem Austrittswinkel der Strömung, insbesondere dann nicht, wenn die Länge der Einblasleitung relativ kurz ist und dadurch die Strömungsrichtung des Strahls nur begrenzt beeinflusst werden kann. Fig. 7 zeigt unterschiedliche Darstellungen von Einblasleitungen, deren Austrittsquerschnitt in einer Ebene liegt (Fig. 7 (a)) oder in verschiedenen, diskret oder kontinuierlich verteilten Austrittsebenen (vgl. Fig. 7 (b) bis (d)). Die Darstellungen bei Fig. 7 (a) weisen dabei jeweils einen Austrittsquerschnitt auf, der in einer einzelnen Ebene angeordnet ist.
Fig. 7 (b) zeigt hingegen eine Austrittsöffnung 51, die nicht in einer Ebene liegt sondern sich entlang der Strömungsrichtung erstreckt.
Fig. 7 (c) und Fig. 7 (d) zeigen dabei eine weitere Möglichkeit für eine Austrittsöffnung 51, die nicht in einer einzelnen Ebene angeordnet ist. Beispielhaft wird hierbei die Innenkontur 52 der Einblasleitung 50 in der Strömungsrichtung des auszugebenden Fluids mit rechteckförmigen Zinnen versehen, die in Umfangsrichtung der Einblasleitung 50 verlaufen. Auch hierbei kommt es zu unterschiedlichen Austrittsebenen der in der Einblasleitung 50 hindurchgeführten Strömung, die in der Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Fig. 7 (d) zeigt dabei den Austritt aus der Einblasleitung 50 in einer abgerollten Form. Hier kann man besonders einfach die rechteckigen Zinnen erkennen, die die mehreren Austrittsebenen definieren.
Fig. 8 zeigt weitere vorteilhafte Modifikationen der Einblasleitung 50, bei der im Bereich zwischen der Einlassöffnung und der Austrittsöffnung 51 mindestens eine weitere Öffnung 56 vorgesehen ist, die zum Zuführen eines Fluids in die Einblasleitung hinaus und/oder zum Ausgeben eines Fluids aus der Einblasleitung 50 genutzt werden kann.
Fig. 8 (a) zeigt dabei eine Einblasleitung 50, deren Austrittsöffnung 51 in einem Brennraum 16 angeordnet ist und in deren Einlassöffnung Kraftstoff von dem Injektor 1 zugeführt wird. Die Einblasleitung 50 weist dabei im Bereich zwischen der
Einblasöffnung und der Austrittsöffnung 51 mehrere Zuführöffnungen 56 auf, um Luft aus dem Brennraum 16 in das Innere der Einblasleitung 50 einzusaugen. So kann es dann dort zu einem Durchmischen von Kraftstoff und Luft kommen, sodass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Austrittsöffnung 51 in den Brennraum 16 ausgegeben wird. Um das Ansaugen der Brennraumluft bei einer Strömung entlang der Hauptströmungsrichtung durch die Einblasleitung 50 auf einfache Art und Weise umzusetzen, kann die mindestens eine weitere Zuführöffnung 56 als Venturi-Düse ausgeführt sein. Dabei werden Querschnittsveränderungen entlang der Hauptströmungsrichtung der Einblasleitung 50 genutzt, um eine Saugwirkung durch die mindestens eine Zuführöffnung 56 zu bewirken. Fig. 8 (b) zeigt hingegen eine Nutzung der zwischen der Einlassöffnung und der Austrittsöffnung 51 angeordneten Öffnung 56 zum Ausgeben von in der Einblasleitung 50 strömenden Kraftstoff. Hier wird also die mindestens eine weitere Öffnung 56 dazu genutzt, den durch die Einblasleitung 50 in dem Brennraum 16 auszugebenden Kraftstoff auszugeben. Es wird dabei also nicht nur über die Austrittsöffnung 51 am Ende der Einblasleitung 50, sondern darüber hinaus bereits die mindestens eine weitere Öffnung 56 zum Ausgeben von Kraftstoff verwendet. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnittsverlaufs entlang der Hauptströmungsrichtung der Einblasleitung 50 kann ein Austreten des Kraftstoffs aus der Einblasleitung 50 durch die mindestens eine weitere Öffnung 56 bewerkstelligt werden.
Fig. 9 zeigt unterschiedlich ausgestaltete Einblasleitungen 50, bei denen ersichtlich ist, dass eine Einblasleitung 50 auch mehrere Austrittsöffnungen 51 aufweisen kann. So zeigt Fig. 9 (a) eine Einblasleitung 50 mit nur einer Austrittsöffnung 51, wohingegen Fig. 9 (b) mehrere Austrittsöffnungen 51 zeigt, die (wie dargestellt) in einer gemeinsamen Ebene liegen können.
Fig. 10 zeigt unterschiedliche Darstellungen von Innenkonturen 52 der Einblasleitung 50, bei denen ersichtlich wird, dass diese jeweils mindestens einen konvexen und mindestens einen konkaven Abschnitt in der Innenkontur 52 besitzen. Fig. 10 (a) zeigt dabei eine Einblasleitung in einer perspektivischen Darstellung, bei der man bereits die spezifische Ausgestaltung der Innenkontur 52 in der Austrittsöffnung 51 erkennen kann. Die Schnittebene A-A ist dabei in Fig. 10 (b) dargestellt, sodass die Innenkontur 52 der Austrittsöffnung 51 ebenfalls dargestellt ist.
In der Fig. 10 (b) erkennt man die Innenkonturen 52, die mit alternierend zueinander angeordneten konvexen und konkaven Abschnitten ausgestaltet ist. Fig. 10 (c) zeigt Innenkonturen 52, die rein konvex sind und über keine konkaven Abschnitte verfügen. So ist der beispielhaft dargestellte kreisförmige bzw. ellipsenförmige Innenkonturverlauf eine rein konvexe Innenkontur 52, die keine konkaven Abschnitte aufweist und demnach eine weniger gute Durchmischung beim Austreten des durch die Einblasleitung 50 geleiteten Fluids bewirkt.
Fig. 10 (d) zeigt drei unterschiedliche erfindungsgemäße Innenkonturen 52 der Austrittsöffnung 51.
Dabei gibt es in Umfangsrichtung jeweils sich zur Mitte hin erstreckende zinnenartige Elemente, die zum Bilden der konvexen Abschnitte beitragen. So ist in dieser Querschnittsansicht die Wanddicke in Umfangsrichtung nicht konstant sondern kann sich stetig oder sprunghaft ändern, sodass bei einem Durchleiten eines Fluids durch die Einblasleitung 50 und einen Ausgeben aus der Austrittsöffnung 51 die spezifische Form der Innenkonturen 52 zu einer guten Durchmischung aufgrund der dabei auftretenden Verwirbelungen beiträgt.
Fig. 11 zeigt eine Möglichkeit zum Bestimmen von konvexen und/oder konkaven Innenkonturabschnitten. Dabei sind konvexe Bereiche mit einem x und konkave Bereiche mit einem v gekennzeichnet.
Wird eine beliebig positionierbare Verbindungsgerade der Innenkontur 52 betrachtet, verläuft die Verbindungsgerade durch einen konvexen Abschnitt, wenn der tatsächliche Verlauf der Innenkontur 52 auf der zur Mitte der Austrittsöffnung 51 abgewandten Seite der Verbindungsgeraden verläuft und einen konkaven Abschnitt, wenn der tatsächliche Verlauf der Innenkonturen 52 auf der zur Mitte der Austrittsöffnung zugewandten Seite der Verbindungsgeraden verläuft.
Fig. 11 (a) zeigt dabei eine rein konvexe Innenkontur, wohingegen Fig. 11 (b) und Fig. 11 (c) jeweils eine Innenkontur 52 zeigen, die sowohl konkave als auch konvexe Abschnitte aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur an der Austrittsöffnung 51 stetig differenzierbar ist oder Knickstellen aufweist.
Fig. 12 zeigt eine weitere Detailansicht einer (abgerollten) Innenkontur der Austrittsöffnung 51. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur entlang der Strömungsrichtung Stege 55 und Rampen 54 aufweist. Die Anordnung von Rampen 54 und Stegen 55 führt zu starken Geschwindigkeitsunterschieden zwischen den benachbarten Strömungspfaden und in der Grenzschicht an den Wänden der Stege 55, die in Fig. 12 durch Pfeile unterschiedlicher Helligkeit dargestellt sind. Es bilden sich starke Wirbel an den Kanten der Innenkontur 52 und am Austritt der Einblasleitung 50, was zu einer guten turbulenten Durchmischung von Kraftstoff und Luft führt. Diese Durchmischung ist in der Fig. 12 durch die um die gestrichelten Linien herum verlaufenden Pfeile dargestellt.
Fig. 13 zeigt dabei eine Darstellung von drei unterschiedlich ausgebildeten Innenkonturen, die jeweils mit Stege 55 und Rampen 54 im Bereich der Austrittsöffnung bzw. des Austrittsquerschnitts 53 versehen sind.
Fig. 13 (a) zeigt dabei mehrere sich von dem Inneren weg neigenden Rampen 54, zwischen denen jeweils ein Steg 55 angeordnet ist, der eine gleichbleibende Fortführung der Innenkontur darstellt. Im Austrittsquerschnitt 53 führt dies zu einer zinnenartigen Ausgestaltung, wobei die hier rechteckig verlaufenden Zinnen hin zum Inneren der Einblasleitung gerichtet sind. Fig. 13 (b) zeigt eine andere Ausführung im Bereich der Austrittsöffnung, wobei hier Rampen 54 vorgesehen sind, die sich hin zum Inneren der Einblasleitung neigen. Die Rampen 54 sind dabei jeweils durch einen geradlinig verlaufenden Steg 55 voneinander getrennt, sodass der Austrittsquerschnitt 53 auch hier eine zinnenartige Ausgestaltung besitzt, bei der die Zinnen hin zum Inneren der Einblasleitung gerichtet sind.
Fig. 13 (c) zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in unterschiedliche Richtungen geneigte Rampen 54 alternierend zueinander angeordnet sind. Erneut erkennt man, dass die dunkleren Pfeile mit höherer Geschwindigkeit als die helleren Pfeile strömen, sodass zwischen den verschiedenen schnellen Strömungen sowie am Auslass Verwirbelungen entstehen, die zu einer guten Durchmischung führen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in den Figuren dargestellten Kombinationen von Rampen 54 und Stegen 55 beschränkt, da hierin lediglich besonders vorteilhafte Ausführungen näher betrachtet werden.
Fig. 14 zeigt eine weitere Variante von Rampen 54 und Stegen 55 im Bereich der Auslassöffnung der Einblasleitung 50, bei der die Austritte (mit oder ohne Rampen) in versetzten Ebenen liegen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Rampen 54 entlang der Strömungsrichtung an verschiedenen Positionen beginnen und unterschiedliche Steigungen aufweisen.
Fig. 15 zeigt hierbei Rampen 54, die allesamt weg vom Inneren der Einblasleitung geneigt sind, jedoch eine unterschiedliche Steigung aufweisen können. So erkennt man, dass die in Fig. 15 mittig angeordnete Rampe 54 eine stärkere Neigung als die dazu benachbarten Rampen 54 aufweist. Zudem sind die Rampen 54 dazu auch in der Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Fig. 16 zeigt zwei Detailansichten der Einblasleitung im Bereich der Austrittsöffnung, wobei dort jeweils Rampen 54 und Stege 55 vorgesehen sind und die dort herrschende Strömung eine Überschallströmung (Ma>1 ) ist. Wenn die Einblasleitung nun so betrieben wird, dass die Strömung am Beginn bzw. Ende der Rampen 54 im Überschall ist, kommt es an den Stellen, an denen die Strömung von der Außenseite weg in Richtung Mitte der Strömung umgelenkt wird, zu einem zur Strömungsmitte hin verlaufenden Verdichtungsstoß. Durch das Ausbilden des Verdichtungsstoßes bilden sich stoßinduzierte Wirbel, die zu einer besseren Durchmischung von Kraftstoff und Luft führen.
Insgesamt ist mit der Erfindung gemessen Einblasleitung demnach eine bessere Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen, wobei bei einem Betrieb der Einblasleitung mit einer Überschallströmung zudem auch noch eine Entkopplung des Massenstroms vom Motorgegendruck möglich ist.

Claims

Einblasleitung für einen Injektor zum Einblasen von Kraftstoff Ansprüche
1. Einblasleitung (50) für einen Injektor (1) zum Einblasen von Kraftstoff, insbesondere von gasförmigem Kraftstoff, bevorzugterweise von Wasserstoff, umfassend: mindestens eine Austrittsöffnung (51) durch welche der einzublasende Kraftstoff hindurchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenkontur (52) eines Austrittsquerschnitts (53) der mindestens einen Austrittsöffnung (51) sowohl mindestens einen konvexen (x) als auch mindestens einen konkaven (v) Abschnitt aufweist.
2. Einblasleitung (50) nach dem vorhergehenden Anspruch 1, wobei die Einblasleitung (50) dazu ausgelegt ist, einen einzublasenden Kraftstoff aufzunehmen und ihn über die Austrittsöffnung (51 ) wieder auszugeben.
3. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Innenkontur (52) der Einblasleitung (50) hin zur Austrittsöffnung (51 ) mindestens eine in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete Rampe (54) aufweist, die zur Außenumfangsseite hin oder von dieser weg geneigt ist, wobei sich vorzugsweise die Rampe (54) hin bis zur Austrittsöffnung (51) erstreckt.
4. Einblasleitung (50) nach dem vorhergehenden Anspruch 3, wobei sich an die Rampe (54) in der senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Umfangsrichtung eine konträr ausgebildete Rampe (54) anschließt und/oder ein Steg (55) vorgesehen ist, der das Ausgangsniveau der Rampe (54) in Strömungsrichtung fortführt, vorzugsweise wobei die Rampe (54) von der Außenumfangsseite weg geneigt ist.
5. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Austrittsquerschnitt (53) in einer Ebene liegt oder sich in verschiedenen, diskret oder kontinuierlich verteilten Austrittsebenen entlang einer Hauptströmungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs befindet.
6. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Austrittsöffnung (51) und einer Einlassöffnung zum Einführen des einzublasenden Kraftstoffs mindestens eine weitere Öffnung (56), vorzugsweise eine Zuführöffnung (56) vorgesehen ist, um ein Fluid, bspw. Luft und/oder Kraftstoff, in die Einblasleitung (50) einzusaugen, wobei vorzugsweise die mindestens eine Zuführöffnung (56) quer zu einer Hauptströmungsrichtung der Einblaskappe orientiert ist.
7. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, fortgebildet mit den Merkmalen des Anspruchs 3, wobei die mindestens eine weitere Zuführöffnung (56) stromaufwärts der mindestens einen Rampe (54) angeordnet ist.
8. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der minimale Querschnitt der Einblasleitung (50) durch den Austrittsquerschnitt (53) oder einen Eintrittsquerschnitt oder entlang der Einblasleitung (50) zwischen Eintrittsquerschnitt und Austrittsquerschnitt (53) vorliegt.
9. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Einblasleitung (50) zu einer zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufenden Drehachse drehsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch ist.
10. Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenkontur (52) des Austrittsquerschnitts (53) stetig differenzierbar ist.
11. Injektor (1) zum Einblasen von Kraftstoff mit einer Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vorzugsweise wobei die Einblasleitung (50) das brennraumseitige Endstück des Injektors (1) ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Injektors (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 11 , wobei bei einem Einblasen eines Kraftstoffs in einen Brennraum: der Injektor (1) den einzublasenden Kraftstoff während einer Einblasphase mit einem solchen Druck in die Einblasleitung (50) einführt, dass die Kraftstoffströmung bei einem Eintrittsquerschnitt, einem Austrittsquerschnitt (53) und/oder an mindestens einer Stelle zwischen einem Eintrittsquerschnitt und einem Austrittsquerschnitt (53) der Einblasleitung (50) einen Schalldurchgang von Unterschall auf Überschall vollzieht.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 12, wobei bei einem Einblasen des Kraftstoffs durch den Injektor (1) der Injektor (1) eine Öffnungsphase, eine sich hieran anschließende Plateauphase sowie eine darauffolgende Schließphase durchführt, in der die einzublasende Menge an Kraftstoff zunächst ansteigt, auf einem hohen Niveau verharrt und danach wieder absinkt, und der Injektor (1) den einzublasenden Kraftstoff während der Plateauphase mit einem solchen Druck in die Einblasleitung (50) einführt, das über mehr als zwei Drittel der Plateauphasendauer, vorzugsweise über die gesamte Dauer der Plateauphase die Kraftstoffströmung in der Einblaskappe und/oder an deren Eintrittsquerschnitt bzw. deren Austrittsquerschnitt (53) einen Schalldurchgang von Unterschall auf Überschall vollzieht, wobei bevorzugterweise der Schalldurchgang bereits in Teilen der Öffnungsphase und/oder der Schließphase auftritt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei der Injektor (1) derart betrieben wird, dass die durch den Injektor (1) strömende Kraftstoffströmung an der mindestens einen Austrittsöffnung (51) der Einblasleitung (50) eine Überschallströmung ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14 mit einer Einblasleitung (50), die mit den Merkmalen des Anspruchs 3 fortgebildet ist, wobei die in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete mindestens eine Rampe (54) sich von der Außenumfangsseite der Einblasleitung (50) weg hin zum Inneren erstreckt und der Injektor (1) derart betrieben wird, dass die Kraftstoffströmung am Beginn der mindestens einen Rampe (54) im Überschall ist und aufgrund der sich zum Inneren neigenden Rampe (54) am Beginn der Rampe (54) einen Verdichtungsstoß ausbildet, und/oder die in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete mindestens eine Rampe (54) sich von der Außenumfangsseite der Einblasleitung (50) hin nach außen weg vom Inneren erstreckt und der Injektor (1) derart betrieben wird, dass die Kraftstoffströmung am Ende der mindestens einen Rampe (54) im Überschall ist und aufgrund der sich dann wieder parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Fläche am Ende der Rampe (54) einen Verdichtungsstoß ausbildet.
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