EP4295028B1

EP4295028B1 - Einblasleitung für einen injektor zum einblasen von kraftstoff

Info

Publication number: EP4295028B1
Application number: EP22723581.9A
Authority: EP
Inventors: Martin Seidl; Richard Pirkl; Razvan-Sorin STINGHE; Martin Schmidt; Lydia KAPUSTA
Original assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Current assignee: Liebherr Components Deggendorf GmbH
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2025-12-10
Anticipated expiration: 2042-04-19
Also published as: WO2022228932A2; DE102021110884A1; WO2022228932A3; EP4295028A2

Description

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, DI = 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 CO2-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 Gattungsgemäß ist aus der DE 10 2018 131 831 A1 eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei der eine Einblasleitung in einem Venturiförmigen Hauptkanal mündet. Über diese Einblasleitung wird gasförmiger Kraftstoff eingebracht, wobei zusätzlich mindestens eine Zuführöffnung vorgesehen ist, durch welche ein Fluid, wie beispielsweise Luft oder Kraftstoff, in die Einblasleitung eingesagt werden kann. Die konkrete Innenkontur der Einblasleitung, insbesondere die Gestaltung des Austrittsquerschnitts und strömungsführender Strukturen, bleiben unbestimmt.

Diesel Wasserstoff (bei 25 °C)

Heizwert in MJ/kg 43.0 120.0

Heizwert in MJ/m³ 35'819 9.8 bei 1 bar

287.7 bei 30 bar

2464.4 bei 300 bar
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. 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 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 der vorliegenden Erfindung weist die Innenkontur der Einblasleitung hin zur Austrittsöffnung mindestens eine in Strömungsrichtung des einzublasenden Kraftstoffs angeordnete Rampe auf, 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.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, 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.
Nach der Erfindung ist zudem vorgesehen, 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 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-Gemisches.
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.
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.
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.
Der Injektor wird derart betrieben, 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, 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 Hauptströmungsrichtung 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 Hindernis 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 Hauptströmungsrichtung 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 der Fig. 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 t ₀ 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 ₁ 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 t ₂ 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 t ₃ 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 Höhe 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 t ₄). 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 t ₅); 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 t ₆). Damit sinkt der Druck im Ventilraum F7. Wenn die Druckdifferenz vom Ventilraum F7 zum Einblasraum F8 einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 20 in gleicher Höhe 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 t ₆ - t ₇). Der Einblasvorgang ist damit abgeschlossen. Während der weiteren Kompressionsphase des Brennraums 16 bis zum oberen Totpunkt (OT) im Zeitraum t ₇ - t ₈ wird das Luft-Brennstoffgemisch im Einblasraum komprimiert, während es in der anschließenden Expansionsphase entspannt (Zeitraum t ₈ - t ₉), 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 t ₉), 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 t ₉ - t ₁₀).
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 Höhe der Austrittsöffnung und Fig. 5 (c) zeigt den engsten Querschnitt der Einblasleitung auf Höhe 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 (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, wobei

eine Innenkontur (52) eines Austrittsquerschnitts (53) der mindestens einen Austrittsöffnung (51) sowohl mindestens einen konvexen (x) als auch mindestens einen konkaven (v) Abschnitt aufweist,

zwischen der Austrittsöffnung (51) und einer Einlassöffnung zum Einführen des einzublasenden Kraftstoffs mindestens eine Zuführöffnung (56) vorgesehen ist, um ein Fluid, bspw. Luft und/oder Kraftstoff, in die Einblasleitung (50) einzusaugen,

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, und

die mindestens eine Zuführöffnung (56) stromaufwärts der mindestens einen Rampe (54) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

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.
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.
Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Rampe (54) hin bis zur Austrittsöffnung (51) erstreckt.
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.
Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Zuführöffnung (56) quer zu einer Hauptströmungsrichtung der Einblaskappe orientiert ist.
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.
Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einblasleitung (50) zu einer zu ihrer Längsrichtung parallel verlaufenden Drehachse drehsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch ist.
Einblasleitung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenkontur (52) des Austrittsquerschnitts (53) stetig differenzierbar ist.
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.