EP4658895A1 - Strömungsoptimierter gasinjektor - Google Patents

Strömungsoptimierter gasinjektor

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Publication number
EP4658895A1
EP4658895A1 EP23793349.4A EP23793349A EP4658895A1 EP 4658895 A1 EP4658895 A1 EP 4658895A1 EP 23793349 A EP23793349 A EP 23793349A EP 4658895 A1 EP4658895 A1 EP 4658895A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
closing element
gas injector
blow
gas
underside
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23793349.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Lippisch
Torsten BUROCK
Oezguer Tuerker
Gerhard Suenderhauf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4658895A1 publication Critical patent/EP4658895A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0257—Details of the valve closing elements, e.g. valve seats, stems or arrangement of flow passages
    • F02M21/026—Lift valves, i.e. stem operated valves
    • F02M21/0269—Outwardly opening valves, e.g. poppet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0257—Details of the valve closing elements, e.g. valve seats, stems or arrangement of flow passages
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a gas injector for injecting a gaseous medium, in particular a gaseous fuel such as hydrogen or CNG.
  • a gaseous fuel such as hydrogen or CNG.
  • Gas injectors are known from the state of the art in various designs. Due to cost advantages and improved environmental compatibility, gaseous fuels have recently become increasingly popular. The problem here, compared to injectors for liquid fuels, is that the amount of gas to be injected takes up a much larger volume than an equivalent amount of liquid fuel. This results in an increased stroke requirement for a closing element, which is usually operated by a magnetic actuator.
  • the magnetic circuit design with standard materials is very difficult or sometimes impossible due to the limited installation space. Materials with higher magnetic force are very expensive and sometimes harmful to health (e.g. FeCo).
  • the inventive gas injector for blowing in a gaseous medium, in particular a gaseous fuel, with the features of claim 1 has the advantage that a gas flow in the gas injector is designed by geometric design in such a way that the forces acting on a closing element are reduced to a minimum. This reduces the magnetic force of an actuator, which must be selected to keep the injector open, and thus enables the use of cost-effective materials in the magnetic circuit of the actuator.
  • the gas injector has a closing element for opening and closing at least one through-opening on a sealing seat.
  • the closing element is preferably a nozzle needle.
  • an actuator is provided for actuating the closing element.
  • the actuator is preferably a magnetic actuator, but can also be a mechanically or electrically operated actuator, for example.
  • the actuator is further preferably designed to actively open the closing element by means of a lifting movement and to keep it open, while the closing element is closed by a spring force.
  • a blow cap is arranged on an inlet-side end of the gas injector and has an outlet opening. The outlet opening is designed to blow the gas from the gas injector into a combustion chamber, for example.
  • the closing element has an upper side which is designed to close the through-opening, and a lower side which is oriented in the direction of the inlet-side end of the gas injector.
  • the blow cap has a diversion surface which is designed to divert a gas flow in an opening state of the gas injector such that the gas flow is at least partially directed in the direction of the underside of the closing element.
  • the diversion surface helps prevent boundary layer separation on the underside of the closing element.
  • a force can be generated on the underside of the closing element which assists the actuator in keeping the injector open.
  • the force generated is preferably a compressive force which points against the closing direction.
  • the actuator therefore requires less force to hold the closing element open, which means that the actuator can be made smaller and more cost-effective.
  • the reduced actuator force required enables greater metering accuracy for the gaseous medium to be blown in and a lower holding current requirement.
  • the force generated against the closing direction reduces the final speed when the seat is impacted at the end of the closing process and thus the seat closure.
  • a cross-section of a flow channel between the blow cap and the underside of the closing element is tapered in the flow direction of the gas flow. Due to the cross-section becoming smaller in the flow direction, the The speed of the gas flow at the bottom of the closing element and the static pressure in the flow channel decrease. The reduced pressure results in a force which points from the closing element towards its bottom and supports the closing element in keeping it open, thus reducing the required actuator force.
  • the closing element is also preferably designed to be rotationally symmetrical.
  • the rotationally symmetrical shape means that the closing element and the sealing seat can be manufactured easily and inexpensively, for example on a lathe. Furthermore, the rotationally symmetrical shape seals the closing element evenly and ensures a homogeneous flow around the closing element.
  • the closing element and the blow cap are preferably arranged coaxially to one another.
  • the coaxiality refers to a central axis or a rotation axis of the blow cap and the closing element.
  • the closing element is thus arranged centrally to the blow cap, which allows the gas to flow evenly from the closing element into the blow flap.
  • the diversion surface on the blow cap is designed perpendicular to a central axis X-X of the closing element.
  • the straight shape of the diversion surface makes it easy to manufacture.
  • the diversion surface enables simple and efficient diversion of an axial gas flow in a radial direction to the underside of the closing element.
  • the diversion surface is preferably concave.
  • the curved shape ensures that the gas flow is continuously diverted and turbulence is avoided, which can increase the flow resistance along the flow path.
  • the concave diversion surface allows precise diversion of the gas flow at low as well as high flow velocities.
  • the diversion surface and the underside of the closing element are designed such that an average flow velocity of the gas flow in the open state is higher at the underside of the closing element than at the blow-in end of the gas injector.
  • the static pressure at the underside of the closing element is lower than the static pressure at the top of the closing element. The resulting pressure force acts against the Closing direction of the closing element, so that the force required by the actuator to keep the closing element open is reduced by the inventive design of the flow channel and the through opening.
  • the underside of the closing element has at least one concave surface.
  • the concave surface can be designed to redirect the gas flow in the direction of the injection-side end of the gas injector and thus enable efficient injection of the gas and reduce the flow resistance along the flow path. The redirection also prevents flow paths from opposite ends of the closing element from meeting at the underside of the closing element and forming turbulence.
  • the underside of the closing element has at least one convex surface.
  • the convex surface can be designed to taper the cross-sectional area of the flow channel between the underside of the closing element and the diversion surface along the flow direction and thus reduce the static pressure on the underside of the closing element.
  • the underside of the closing element has both concave and convex surface elements which are designed to create defined flow conditions on the underside of the closing element and to generate a force in the direction of the opening direction of the closing element.
  • the defined flow conditions on the underside of the closing element reduce periodic pressure oscillations which arise from pressure waves between the blow cap and the closing element. This also makes it easier to control the gas injector.
  • the blow cap has several outlet openings. This allows the gas injector to blow in gas in a targeted manner. Furthermore, the gas can escape from the blow cap with little resistance, which reduces the counterpressure in the blow cap and requires less force to keep the closing element open.
  • At least one outlet opening extends at an acute angle from the axial end of the blow cap.
  • the outlet opening is arranged coaxially at the blow-in end of the gas injector in the blow cap.
  • the underside of the closing element prefferably be designed to direct the gas flow in the direction of the blow-in end of the gas injector.
  • the gas flow is thus directed directly in the direction of the outlet opening, whereby the pressure in the blow cap can be reduced and the relative force on the closing element in the opening direction increases.
  • the invention relates to an internal combustion engine with a gas injector according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a gas injector according to a first preferred embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 3 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 4 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 5 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 6 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 7 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • Figure 8 is a schematic enlarged partial sectional view of the
  • a gas injector 1 according to a first preferred embodiment of the invention is described in detail below with reference to Figure 1.
  • the gas injector 1 comprises an elongated housing 7 in a socket 8.
  • the socket 8 can be part of a cylinder head or an intake manifold, for example.
  • a blow cap 6 is arranged coaxially to the housing 7 of the gas injector 1.
  • the blow cap 6 can be connected to the housing of the gas injector 1, for example, via a screw connection or a welded connection.
  • An elongated closing element 3 for opening and closing a through-opening 4 is arranged within the housing 7 and the blow cap 6.
  • the closing element 3 is actuated by an actuator 5, which is arranged at an axial end which is opposite the blow-in side axial end 11.
  • the actuator 5 is designed to move the closing element 3 along its central axis X- X.
  • the actuator 5 preferably comprises an electromagnetic stator which is designed to exert an electromagnetic force on an armature which is mechanically coupled to the closing element 3.
  • the actuator 5 preferably actively opens the closing element 3.
  • the closing element 3 closes automatically, for example based on a spring force. To open, the actuator 5 must overcome the spring force.
  • the closing element 3 opens the through-opening 4 and enables a gas flow 21 through the housing 7 of the gas injector 1 to an outlet opening 61 in the blow cap 6 and through the outlet opening 61 out of the gas injector 1.
  • the flow velocity of the gas flow 21 can exceed the speed of sound in the region of the through-opening 4.
  • the through opening 4 is formed by a gap between an upper side 32 of the closing element 3 and a sealing seat 31 on the housing 7.
  • the upper side 32 of the closing element 3 rests against the sealing seat 31 of the valve body and prevents the gaseous medium 2 from escaping from the gas injector 1.
  • the contact surfaces between the upper side 32 of the closing element 3 and the sealing seat 31 are preferably flat and complementary to one another.
  • the closing element 3 comprises an elongated shaft region which is connected to the actuator 5.
  • the blow-in side axial end of the closing element 3 is radially widened and thus forms the upper side 32 and a lower side 33 which is oriented in a direction opposite to the upper side 32.
  • the gas flow 21 After the gas flow 21 has flowed radially outward through the through-opening 4, it hits the blow cap 6 and a diverting surface 62, which is integrated into the blow cap 6.
  • the diverting surface 62 is designed to direct the gas flow 21 radially inward, in the direction of the underside 33.
  • the diverting surface 62 is concave for this purpose.
  • the diverting surface 62 in the first embodiment has an end region 63, the geometric extension of which is at an acute angle a to the central axis X-X of the closing element 3 in the open state.
  • an outer side 34 is arranged at a radially outer end of the closing element 3, which connects the top side 32 and the bottom side 33.
  • the outer side 34 is a cylindrical outer surface which is aligned parallel to the central axis XX of the closing element 3.
  • the outer side 34 merges into the underside 33 via a rounded portion 34a, which is aligned in the direction of the blow-out end 11.
  • the underside 33 has a concavely curved surface 33a outside the central axis XX.
  • the concavely curved surface 33a forms a central mandrel 35. Due to the concave shape of the underside 33, the gas flow 21 is guided axially to the central axis XX in the direction of the blow-out end 11.
  • the outlet opening 61 is integrated into the blow cap 6, through which the gaseous medium 2 can escape from the gas injector 1.
  • the outlet opening 61 is arranged to the side of the central axis X-X and is aligned at an acute angle ß to the central axis X-X.
  • the gas flow 21 can thus be blown out of the gas injector 1 in a sideways direction.
  • the cross section between the diverting surface 62 and the underside 33 is tapered in the direction of the gas flow 21.
  • the speed of the gas flow 21 increases due to the cross-sectional tapering and the static pressure decreases. This results in a pressure force F in the direction of the blow-in end 11 and thus in the opening direction of the closing element 3.
  • the actuator 5 therefore has to apply less force to open and keep the closing element 3 open, which means that it can be made smaller and/or cheaper materials can be used.
  • Figure 2 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the second embodiment of the invention.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in the shape of the diversion surface 62, the shape of the underside 33 of the closing element 3 and in the position and orientation of the outlet opening 61.
  • the diversion surface 62 is a flat surface which is aligned perpendicular to the central axis XX of the closing element 3. Thus, it directs the gas flow directly radially inwards, in the direction of the central axis XX.
  • the end region 63 is designed as a right-angled edge.
  • the underside 33 of the rotationally symmetrical closing element has a conical surface in the radially outer region of the central axis X-X, adjacent to the outer side 34.
  • This conical surface changes in the direction of the central axis X-X first into a concavely curved surface 33a and then into a convexly curved surface 33b.
  • the convexly curved surface 33b ends perpendicular to the central axis X-X and forms a mandrel 35.
  • the outlet opening 61 is arranged coaxially to the central axis X-X of the closing element 3 in the center of the blow cap 6.
  • Figure 3 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the third embodiment of the invention.
  • the third embodiment differs in the shape of the underside 33 of the closing element 3 and in the position, number and orientation of the outlet opening 61 from the first embodiment.
  • the underside 33 of the closing element 3 is a flat surface which is arranged perpendicular to the central axis X-X.
  • the underside 33 of the closing element 3 is therefore easy to manufacture.
  • the diversion surface 62 is concavely curved as in the first embodiment, so that the flow cross section of the gas flow 21 tapers between the diversion surface 62 and the underside 33.
  • a central outlet opening 61 is arranged coaxially to the central axis X-X.
  • the two further outlet openings 61 are arranged on both sides, at an acute angle ß to the central axis X-X, next to the central outlet opening 61 in the blow cap.
  • Figure 4 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the fourth embodiment of the invention.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment only in the shape of the underside 33 of the closing element 3.
  • the underside 33 of the closing element 3 has a single concavely curved surface 33a.
  • the underside 33 intersects the center line XX perpendicularly.
  • the radius of curvature of the underside 33 is larger than the radius of curvature of the diverting surface 62, so that the flow cross-section between the underside 33 and the diverting surface 62 tapers and the static pressure on the underside 33 is reduced.
  • the locking element 3 in the fourth embodiment does not have a mandrel, it requires little material and is lightweight. Due to the low weight of the locking element 3 in the fourth embodiment, opening and closing movements can be carried out more dynamically.
  • Figure 5 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the fifth embodiment of the invention.
  • the fifth embodiment differs from the first embodiment only in the shape of the underside 33 of the closing element 3.
  • the underside 33 of the closing element 3 has a single convexly curved surface 33a. Due to the convex curvature, the flow cross-section between the diverting surface 62 and the underside 33 tapers more than, for example, in the fourth embodiment.
  • the convexly curved surface 33b in the fifth embodiment advantageously directs the gas flow 21 in the direction of the blow-in end 11.
  • Figure 6 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the sixth embodiment of the invention.
  • the sixth embodiment comprises a closing element 3 according to the first embodiment.
  • the diversion surface is flat and aligned perpendicular to the central axis X-X.
  • the outlet opening 61 is arranged coaxially to the central axis X-X.
  • Figure 7 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the seventh embodiment of the invention.
  • the seventh embodiment comprises a closing element 3 according to the third embodiment.
  • the diversion surface is flat and aligned perpendicular to the central axis XX.
  • the seventh embodiment has only one outlet opening 61 coaxial to the central axis XX.
  • Figure 8 shows a detailed view of the blow cap 6 and the closing element 3 of a gas injector 1 according to the eighth embodiment of the invention.
  • the eighth embodiment comprises a closing element 3 according to the fourth embodiment.
  • the diversion surface is flat and aligned perpendicular to the central axis X-X.
  • the outlet opening 61 is arranged coaxially to the central axis X-X.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Gasinjektor (1) zum Einblasen eines gasförmigen Mediums (2), insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs. Der Gasinjektor (1) umfasst ein Schließelement (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchgangsöffnung (4) an einem Dichtsitz (31), ein Aktor (5) zur Betätigung des Schließelements (3) und eine Blaskappe (6) mit einer Auslassöffnung (61). Dabei ist die Blaskappe (6) an einem einblasseitigen Ende (11) des Gasinjektors (1) angeordnet. Das Schließelement (3) weist eine Oberseite (32) auf, welche eingerichtet ist, die Durchgangsöffnung (4) zu verschließen. Des Weiteren weist das Schließelement (3) eine Unterseite (33) aufweist, welche in Richtung des einblasseitigen Endes (11) des Gasinjektors (1) ausgerichtet ist. Dabei weist die Blaskappe (6) eine Umleitfläche (62) auf, welche eingerichtet ist, in einem Öffnungszustand des Gasinjektors (1) eine Umleitung einer Gasströmung (21) derart auszuführen, dass die Gasströmung (21) zumindest teilweise in Richtung der Unterseite (33) des Schließelements (3) geleitet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Strömungsoptimierter Gasinjektor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Brennstoffs, wie Wasserstoff oder CNG.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von Kostenvorteilen und verbesserter Umweltverträglichkeit werden gasförmigen Kraftstoffe in jüngster Zeit kontinuierlich beliebter. Problematisch ist hierbei im Vergleich mit Injektoren für flüssige Kraftstoffe, dass die einzublasende Gasmenge ein viel größeres Volumen als eine gleichwertige Menge flüssigen Kraftstoffs einnimmt. Dies resultiert in einem erhöhten Hubbedarf eines Schließelements, welches üblicherweise durch einen magnetischen Aktor betätigt wird. Die Magnetkreisauslegung mit Standardwerkstoffen ist aufgrund des begrenzten Bauraums sehr schwierig bzw. teilweise unmöglich. Werkstoffe mit höherer Magnetkraft sind sehr teuer und zum Teil gesundheitsschädlich (z.B. FeCo).
Offenbarung der Erfindung
Der erfinderische Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Gasströmung im Gasinjektor durch geometrische Auslegung so gestaltet ist, dass die auf ein Schließelement wirkenden Kräfte auf ein Minimum reduziert werden. Dadurch reduziert sich die Magnetkraft eines Aktors, welche zum Offenhalten des Injektors gewählt werden muss und ermöglicht somit die Verwendung kostengünstiger Werkstoffe im Magnetkreislauf des Aktors. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Schließelement zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchgangsöffnung an einem Dichtsitz aufweist. Das Schließelement ist vorzugsweise eine Düsennadel. Ferner ist ein Aktor zur Betätigung des Schließelements vorgesehen. Der Aktor ist vorzugsweise ein Magnetaktor, kann aber beispielsweise auch ein mechanisch oder elektrisch betriebener Aktor sein. Weiter bevorzugt ist der Aktor eingerichtet, das Schließelement aktiv durch eine Hubbewegung zu öffnen und offen zu halten, während das Schließelement durch eine Federkraft geschlossen wird. Eine Blaskappe ist an einem einblasseitigen Ende des Gasinjektors angeordnet und weist eine Auslassöffnung auf. Die Auslassöffnung ist eingerichtet, das Gas aus dem Gasinjektor beispielsweise in eine Brennkammer einzublasen. Das Schließelement weist eine Oberseite auf, welche eingerichtet ist, die Durchgangsöffnung zu verschließen, und eine Unterseite, welche in Richtung des einblasseitigen Endes des Gasinjektors ausgerichtet ist. Dabei weist die Blaskappe eine Umleitfläche auf, welche eingerichtet ist in einem Öffnungszustand des Gasinjektors eine Umleitung einer Gasströmung derart auszuführen, dass die Gasströmung zumindest teilweise in Richtung der Unterseite des Schließelements geleitet wird.
Somit wird mit Hilfe der Umleitfläche eine Grenzschichtablösung an der Unterseite des Schließelements vermieden. Durch eine geschickte Strömungsführung an der Unterseite des Schließelements kann eine Kraft an der Unterseite des Schließelements erzeugt werden, welche den Aktor beim Offenhalten des Injektors unterstützt. Die erzeugte Kraft ist vorzugsweise eine Druckkraft, welche entgegen einer Schließrichtung zeigt. Somit benötigt der Aktor eine geringere Kraft zum Offenhalten des Schließelements, wodurch der Aktor kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden kann. Des Weiteren ermöglicht die reduzierte notwendige Aktorkraft eine höhere Zumessgenauigkeit des einzublasenden gasförmigen Mediums und einen geringeren Haltestrombedarf. Ferner reduziert die erzeugte Kraft entgegen der Schließrichtung die Endgeschwindigkeit beim Sitzeinschlag am Ende des Schließvorgangs und somit den Sitzverschließ.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist in einem Öffnungszustand des Gasinjektors ein Querschnitt eines Strömungskanals zwischen der Blaskappe und der Unterseite des Schließelements in Strömungsrichtung der Gasströmung verjüngt. Durch den in Strömungsrichtung kleiner werdenden Querschnitts erhöht sich die Geschwindigkeit der Gasströmung an der Unterseite des Schließelements und der statische Druck im Strömungskanal nimmt ab. Der verringerte Druck resultiert in einer Kraft, welche vom Schließelement in Richtung dessen Unterseite zeigt und das Offenhalten des Schließelements unterstützt und somit die benötigte Aktorkraft reduziert.
Weiter bevorzugt ist das Schließelement rotationssymmetrisch ausgelegt. Durch die rotationssymmetrische Form kann das Schließelement und der Dichtsitz einfach und kostengünstig, beispielsweise auf einer Drehmaschine, gefertigt werden. Des Weiteren dichtet die rotationssymmetrische Form das Schließelement gleichmäßig ab und sorgt für eine homogene Umströmung des Schließelements.
Das Schließelement und die Blaskappe sind vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet. Die Koaxialität bezieht sich dabei auf eine Mittelachse oder eine Rotationsachse der Blaskappe und des Schließelements. Somit ist das Schließelement mittig zur Blaskappe angeordnet, wodurch das Gas gleichmäßig vom Schließelement in die Blasklappe strömen kann.
Vorzugsweise ist die Umleitfläche an der Blaskappe senkrecht zu einer Mittelachse X-X des Schließelements ausgeführt. Durch die gerade Form der Umleitfläche ist diese einfach zu fertigen. Des Weiteren ermöglicht die Umleitfläche eine einfache und effiziente Umleitung einer axialen Gasströmung in radiale Richtung zur Unterseite des Schließelements.
Alternativ ist die Umleitfläche vorzugsweise konkav. Durch die gekrümmte Form wird die Gasströmung stetig umgeleitet und es werden Turbulenzen vermieden, welche den Strömungswiderstand entlang des Strömungswegs erhöhen können. Des Weiteren erlaubt die konkave Umleitfläche eine präzise Umleitung des Gasstroms bei geringen sowie hohen Strömungsgeschwindigkeiten.
Weiter vorzugsweise ist die Umleitfläche und die Unterseite des Schließelements so ausgelegt, dass eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung im Öffnungszustand an der Unterseite des Schließelements höher ist als am einblasseitigen Ende des Gasinjektors. Somit ist der statische Druck an der Unterseite des Schließelements geringer als der statische Druck an der Oberseite des Schließelements. Die resultierende Druckkraft wirkt entgegen der Schließrichtung des Schließelements, so dass die benötigte Kraft des Aktors zum Offenhalten des Schließelements durch die erfindungsgemäße Auslegung des Strömungskanals und der Durchgangsöffnung reduziert wird.
Vorteilhaft weist die Unterseite des Schließelements zumindest eine konkave Fläche auf. Die konkave Fläche kann eingerichtet sein, die Gasströmung in Richtung des einblasseitigen Endes des Gasinjektors umzuleiten und somit eine effiziente Einblasung des Gases zu ermöglichen und den Strömungswiderstand entlang des Strömungswegs zu reduzieren. Die Umleitung verhindert ebenfalls, dass sich Strömungspfade von entgegengesetzten Enden des Schließelements an der Unterseite des Schließelements treffen und Verwirbelungen bilden.
Weiter vorteilhaft weist die Unterseite des Schließelements zumindest eine konvexe Fläche auf. Die konvexe Fläche kann eingerichtet sein die Querschnittsfläche des Strömungskanals zwischen Unterseite des Schließelements und Umleitfläche entlang der Strömungsrichtung zu verjüngen und somit den statischen Druck an der Unterseite des Schließelements zu reduzieren.
Besonders bevorzugt weist die Unterseite des Schließelements sowohl konkave, als auf konvex Flächenelemente auf, welche eingerichtet sind, definierte Strömungsverhältnisse auf der Unterseite des Schließelements zu schaffen und eine Kraft in Richtung der Öffnungsrichtung des Schließelements zu erzeugen. Die definierten Strömungsverhältnisse auf der Unterseite des Schließelements reduzieren periodische Druckschwingungen, welche durch Druckwellen zwischen der Blaskappe und dem Schließelement entstehen. Somit erleichtert sich zusätzlich der Steuerungsaufwand des Gasinjektors.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Blaskappe mehrere Auslassöffnungen auf. Somit kann der Gasinjektor gezielt Gas einblasen. Des Weiteren kann das Gas mit einem geringen Widerstand aus der Blaskappe entweichen, wodurch sich der Gegendruck in der Blaskappe reduziert und eine geringere Kraft zum Offenhalten des Schließelements benötigt wird.
Vorzugsweise verläuft wenigstens eine Auslassöffnung in einem spitzen Winkel vom axialen Ende der Blaskappe weg. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Auslassöffnung koaxial am einblasseitigen Ende des Gasinjektors in der Blaskappe angebracht.
Weiter vorteilhaft ist die Unterseite des Schließelements eingerichtet, den Gasstrom in Richtung des einblasseitigen Endes des Gasinjektors zu leiten. Somit wird der Gasstrom direkt in Richtung der Auslassöffnung geleitet, wodurch der Druck in der Blaskappe reduziert werden kann und die relative Kraft auf das Schließelement in Öffnungsrichtung steigt.
Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich einer Blaskappe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem fünften Ausführungsbeispiel, Figur 6 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem sechsten Ausführungsbeispiel,
Figur 7 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem siebten Ausführungsbeispiel, und
Figur 8 eine schematische vergrößerte Teilschnittansicht des
Gasinjektors im Bereich der Blaskappe nach einem achten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich umfasst der Gasinjektor 1 ein längliches Gehäuse 7 in einer Fassung 8. Die Fassung 8 kann beispielsweise Teil eines Zylinderkopfs oder eines Saugrohrs sein. An einem einblasseitigen Ende 11 des Gasinjektors 1 ist eine Blaskappe 6 koaxial zum Gehäuse 7 des Gasinjektors 1 angeordnet. Die Blaskappe 6 kann beispielsweise über eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung mit dem Gehäuse des Gasinjektors 1 verbunden sein.
Innerhalb des Gehäuses 7 und der Blaskappe 6 ist ein längliches Schließelement 3 zum Freigeben und Verschließen einer Durchgangsöffnung 4 angeordnet. Das Schließelement 3 wird durch einen Aktor 5 betätigt, welcher an einem axialen Ende, welches dem einblasseitigen axialen Ende 11 gegenüberliegt, angeordnet ist.
Der Aktor 5 ist eingerichtet, das Schließelement 3 entlang dessen Mittelachse X- X zu bewegen. Dazu umfasst der Aktor 5 vorzugsweise einen elektromagnetischen Stator, welcher eingerichtet ist, eine elektromagnetische Kraft auf einen Anker auszuüben, welcher mit dem Schließelement 3 mechanisch gekoppelt ist. Dabei öffnet der Aktor 5 vorzugsweise aktiv das Schließelement 3. Durch deaktivieren des Aktors 5 schließt sich das Schließelement 3 automatisch, beispielsweise auf Basis einer Federkraft. Zum Öffnen muss der Aktor 5 die Federkraft überwinden.
Durch eine Hubbewegung in Richtung des einblasseitigen Endes 11 öffnet das Schließelement 3 die Durchgangsöffnung 4 und ermöglicht eine Gasströmung 21 durch das Gehäuse 7 des Gasinjektors 1 zu einer Auslassöffnung 61 in der Blaskappe 6 und durch die Auslassöffnung 61 aus dem Gasinjektor 1 hinaus. Die Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung 21 kann im Bereich der Durchgangsöffnung 4 die Schallgeschwindigkeit überschreiten.
Die Durchgangsöffnung 4 bildet sich im geöffneten Zustand durch einen Spalt zwischen einer Oberseite 32 des Schließelements 3 und einem Dichtsitz 31 am Gehäuse 7. Im geschlossenen Zustand liegt die Oberseite 32 des Schließelements 3 am Dichtsitz 31 des Ventilkörpers an und verhindert das Austreten des gasförmigen Mediums 2 aus dem Gasinjektor 1. Die Kontaktflächen zwischen Oberseite 32 des Schließelements 3 und dem Dichtsitz 31 sind vorzugsweise eben und komplementär zueinander.
Das Schließelement 3 umfasst einen länglichen Schaftbereich, welcher mit dem Aktor 5 verbunden ist. Das einblasseitige axiale Ende des Schließelements 3 ist radial geweitet und bildet somit die Oberseite 32 und eine Unterseite 33, welche in eine der Oberseite 32 entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist.
Nachdem die Gasströmung 21 durch die Durchgangsöffnung 4 radial nach außen geströmt ist trifft sie auf die Blaskappe 6 und eine Umleitfläche 62, welche in die Blaskappe 6 integriert ist. Die Umleitfläche 62 ist eingerichtet, die Gasströmung 21 radial nach innen, in Richtung der Unterseite 33, zu richten. Die Umleitfläche 62 ist dazu konkav ausgebildet. Des Weiteren weist die Umleitfläche 62 im ersten Ausführungsbeispiel einen Endbereich 63 auf, dessen geometrische Verlängerung in einem spitzen Winkel a zur Mittelachse X-X des Schließelements 3 im geöffneten Zustand steht.
Zwischen Oberseite 32 und Unterseite 33 ist an einem radial äußeren Ende des Schließelements 3 eine Außenseite 34 angeordnet, welche die Oberseite 32 und die Unterseite 33 verbindet. Die Außenseite 34 ist im ersten Ausführungsbeispiel eine zylinderförmige Mantelfläche, welche parallel zur Mittelachse X-X des Schließelements 3 ausgerichtet ist. Über eine Abrundung 34a geht die Außenseite 34 in die Unterseite 33 über, welche in Richtung des ausblasseitigen Endes 11 ausgerichtet ist. Die Unterseite 33 weist außerhalb der Mittelachse X-X eine konkav gekrümmte Fläche 33a auf. Die konkav gekrümmte Fläche 33a bildet einen mittleren Dorn 35 aus. Durch die konkave Form der Unterseite 33 wird die Gasströmung 21 axial zur Mittelachse X-X in Richtung des ausblasseitigen Endes 11 geleitet.
Am ausblasseitigen Ende 11 ist die Auslassöffnung 61 in die Blaskappe 6 integriert, durch welche das gasförmige Medium 2 aus dem Gasinjektor 1 entweichen kann. Die Auslassöffnung 61 ist seitlich der Mittelachse X-X angebracht und in einem spitzen Winkel ß zur Mittelachse X-X ausgerichtet. Somit kann der Gasstrom 21 seitlich gerichtet aus dem Gasinjektor 1 geblasen werden.
Durch die stärkere Krümmung der Umleitfläche 62 im axialen Überlappungsbereich zwischen Umleitfläche 62 und Unterseite 33 des Schließelements und der Ausrichtung der Umleitfläche 62 in Richtung der Unterseite 33 ist der Querschnitt zwischen Umleitfläche 62 und Unterseite 33 in Richtung der Gasströmung 21 verjüngt. Auf Basis der Bernoulli-Gleichung steigt die Geschwindigkeit der Gasströmung 21 durch die Querschnittsverjüngung an und der statische Druck nimmt ab. Dies resultiert in einer Druckkraft F in Richtung des einblasseitigen Endes 11 und somit in Öffnungsrichtung des Schließelements 3. Somit muss der Aktor 5 eine geringere Kraft zum Öffnen und Offenhalten des Schließelements 3 aufbringen, wodurch dieser kleiner ausgeführt werden kann und/oder günstigere Materialien verbaut werden können.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich in der Form der Umleitfläche 62, der Form der Unterseite 33 des Schließelements 3 und in der Position und Orientierung der Auslassöffnung 61 vom ersten Ausführungsbeispiel.
Die Umleitfläche 62 ist im zweiten Ausführungsbeispiel eine ebene Fläche, welche senkrecht zur Mittelachse X-X des Schließelements 3 ausgerichtet ist. Somit leitet sie die Gasströmung direkt radial nach innen, in Richtung der Mittelachse X-X. Der Endbereich 63 ist als rechtwinklige Kante ausgebildet.
Die Unterseite 33 des rotationssymmetrischen Schließelements weist im von der Mittelachse X-X radial äußeren Bereich, an die Außenseite 34 angrenzend, eine konische Fläche auf. Diese konische Fläche geht in Richtung der Mittelachse X-X in zuerst in eine konkav gekrümmte Fläche 33a und anschließend in eine konvex gekrümmte Fläche 33b über. Die konvex gekrümmte Fläche 33b endet senkrecht zur Mittelachse X-X und bilden einen Dorn 35.
Die Auslassöffnung 61 ist koaxial zur Mittelachse X-X des Schließelements 3 mittig in der Blaskappe 6 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich in der Form der Unterseite 33 des Schließelements 3 und in der Position, Anzahl und Orientierung der Auslassöffnung 61 vom ersten Ausführungsbeispiel.
Die Unterseite 33 des Schließelements 3 ist eine ebene Fläche, welche senkrecht zur Mittelachse X-X angeordnet ist. Somit ist die Unterseite 33 des Schließelements 3 einfach zu fertigen. Die Umleitfläche 62 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel konkav gekrümmt, so dass sich der Strömungsquerschnitt der Gasströmung 21 zwischen Umleitfläche 62 und Unterseite 33 verjüngt.
Am einblasseitigen Ende 11 des Gasinjektors 1 sind in der Schnittdarstellung drei Auslassöffnungen 61 dargestellt. Eine mittige Auslassöffnung 61 ist koaxial zur Mittelachse X-X angeordnet. Die zwei weiteren Auslassöffnungen 61 sind beidseitig, in einem spitzen Winkel ß zur Mittelsachse X-X, neben der mittleren Auslassöffnung 61 in der Blaskappe angeordnet.
Figur 4 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in der Form der Unterseite 33 des Schließelements 3 vom ersten Ausführungsbeispiel. Die Unterseite 33 des Schließelements 3 weist im vierten Ausführungsbeispiel eine einzige konkav gekrümmte Fläche 33a auf. Dabei schneidet die Unterseite 33 senkrecht die Mittellinie X-X. Der Krümmungsradius der Unterseite 33 größer als der Krümmungsradius der Umleitfläche 62, so dass sich der Strömungsquerschnitt zwischen Unterseite 33 und Umleitfläche 62 verjüngt und sich der statische Druck an der Unterseite 33 reduziert.
Da das Schließelement 3 im vierten Ausführungsbeispiel keinen Dorn aufweist hat es einen geringen Materialbedarf und ist leicht. Durch das geringe Gewicht des Schließelements 3 im vierten Ausführungsbeispiel können Öffnungs- und Schließbewegungen dynamischer durchgeführt werden.
Figur 5 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in der Form der Unterseite 33 des Schließelements 3 vom ersten Ausführungsbeispiel.
Die Unterseite 33 des Schließelements 3 weist im fünften Ausführungsbeispiel eine einzige konvex gekrümmte Fläche 33a auf. Durch die konvexe Krümmung verjüngt sich der Strömungsquerschnitt zwischen Umleitfläche 62 und Unterseite 33 stärker als beispielsweise im vierten Ausführungsbeispiel. Die konvex gekrümmte Fläche 33b im fünften Ausführungsbeispiel leitet die Gasströmung 21 vorteilhafterweise bereits in Richtung des einblasseitigen Endes 11.
Figur 6 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das sechste Ausführungsbeispiel umfasst ein Schließelement 3 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Umleitfläche eben und senkrecht zur Mittelachse X-X ausgerichtet. Des Weiteren ist die Auslassöffnung 61 koaxial zur Mittelachse X-X angeordnet.
Figur 7 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das siebte Ausführungsbeispiel umfasst ein Schließelement 3 nach dem dritten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel ist die Umleitfläche eben und senkrecht zur Mittelachse X-X ausgerichtet. Des Weiteren weist das siebte Ausführungsbeispiel lediglich eine Auslassöffnung 61 koaxial zur Mittelachse X-X auf.
Figur 8 zeigt eine Detailansicht der Blaskappe 6 und des Schließelements 3 eines Gasinjektors 1 nach dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das achte Ausführungsbeispiel umfasst ein Schließelement 3 nach dem vierten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum vierten Ausführungsbeispiel ist die Umleitfläche eben und senkrecht zur Mittelachse X-X ausgerichtet. Des Weiteren ist die Auslassöffnung 61 koaxial zur Mittelachse X-X angeordnet.

Claims

Ansprüche
1. Gasinjektor (1) zum Einblasen eines gasförmigen Mediums (2), insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, umfassend
• ein Schließelement (3) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchgangsöffnung (4) an einem Dichtsitz (31),
• ein Aktor (5) zur Betätigung des Schließelements (3), und
• eine Blaskappe (6) mit einer Auslassöffnung (61),
• wobei die Blaskappe (6) an einem einblasseitigen Ende (11) des Gasinjektors (1) angeordnet ist,
• wobei das Schließelement (3) eine Oberseite (32) aufweist, welche eingerichtet ist, die Durchgangsöffnung (4) zu verschließen,
• wobei das Schließelement (3) eine Unterseite (33) aufweist, welche in Richtung des einblasseitigen Endes (11) des Gasinjektors (1) ausgerichtet ist, und
• wobei die Blaskappe (6) eine Umleitfläche (62) aufweist, welche eingerichtet ist, in einem Öffnungszustand des Gasinjektors (1) eine Umleitung einer Gasströmung (21) derart auszuführen, dass die Gasströmung (21) zumindest teilweise in Richtung der Unterseite (33) des Schließelements (3) geleitet wird.
2. Gasinjektor (1) nach Anspruch 1, wobei in einem Öffnungszustand des Gasinjektors (1) ein Querschnitt eines Strömungskanals zwischen der Blaskappe (6) und der Unterseite (33) des Schließelements (3) in Strömungsrichtung der Gasströmung (21) verjüngt ist.
3. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schließelement (3) rotationssymmetrisch ist.
4. Gasinjektor (1) nach Anspruch 3, wobei das Schließelement (3) und die Blaskappe (6) koaxial zueinander angeordnet sind.
5. Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die Umleitfläche (62) senkrecht zu einer Mittelachse (X-X) des Schließelements (3) ausgeführt ist.
6. Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Umleitfläche (62) konkav ist.
7. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung (21) im Öffnungszustand an der Unterseite (33) des Schließelements (3) höher ist als am einblasseitigen Ende (11) des Gasinjektors (1).
8. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Unterseite (33) des Schließelements (3) zumindest eine konkav gekrümmte Fläche (33a) aufweist.
9. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Unterseite des Schließelements (3) zumindest eine konvex gekrümmte Fläche (33b) aufweist.
10. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Blaskappe (6) mehrere Auslassöffnungen (61) aufweist.
11. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eine Auslassöffnung (61) in einem spitzen Winkel a vom axialen Ende der Blaskappe (6) weg verläuft.
12. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Auslassöffnung (61) koaxial am einblasseitigen Ende (11) des Gasinjektors (1) an der Blaskappe (6) angebracht ist.
13. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Unterseite (33) des Schließelements (3) eingerichtet ist, den Gasstrom in Richtung des einblasseitigen Endes (11) des Gasinjektors (1) zu leiten.
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