WO2016082983A1 - GASINJEKTOR MIT NACH AUßEN ÖFFNENDEM VENTILSCHLIEßELEMENT - Google Patents

GASINJEKTOR MIT NACH AUßEN ÖFFNENDEM VENTILSCHLIEßELEMENT Download PDF

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flow guide
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combustion chamber
gas
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PCT/EP2015/072301
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Michael Knorpp
Olaf SCHOENROCK
Friedrich Moser
Guenther Hohl
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a direct-injection gas injector for directly injecting a gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine with an outwardly opening valve closure element and improved injection characteristics in a combustion chamber.
  • liquid fuel injectors In addition to liquid fuels, more recently gaseous fuels, such as e.g. Natural gas or hydrogen, used.
  • gaseous fuels such as e.g. Natural gas or hydrogen
  • outwardly opening valve closing elements are used which, for example, use sealing seat geometries, such as a cone, against a spherical cutout or the like.
  • a seat angle on the cone defines the angle of the jet emerging in the combustion chamber and thus the mixture formation. If a customer wants a different injection jet, this is usually made possible by a modification of the seat angle. For liquid fuels, however, make sure that the
  • the direct injection gas injector according to the invention for the direct injection of gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine with the features of claim 1 has the advantage that customer-specific solutions are possible without much effort.
  • Outwardly opening valve closing elements have the property that the
  • a desired shape of a gas jet in the combustion chamber can be designed individually for customers, regardless of a valve seat or other geometric conditions. Since the invention is limited to gas injectors, which use gaseous fuels, there is also no risk of wall wetting with the associated exhaust gas problems with liquid fuels.
  • the gas injector can also be arranged individually at any position on the combustion chamber,
  • Valve closing element for releasing and closing a passage opening.
  • the valve closing element is an outwardly opening
  • Valve closure element e.g. a valve needle, which in one
  • the gas injector comprises a sealing seat between the valve closing element and a valve body and a flow guide element.
  • the flow guide element is set up to form a gas jet to be injected into the combustion chamber.
  • the flow guide element is arranged on the valve body.
  • the flow guide element is in one piece with the
  • Valve body formed This can be a very simple and inexpensive Production can be achieved. For different forms of a gas jet can then only be replaced in each case only the valve body.
  • the flow guide element is arranged on the valve closing element.
  • the flow guide element is provided in one piece with the valve closing element. Also by this measure, a shaping of a gas jet to be blown into a combustion chamber can be achieved.
  • the flow guide element comprises both a
  • the flow guide element comprises a partial spherical surface as a flow guide.
  • a radius of the partial spherical surface By changing a radius of the partial spherical surface, in each case a different gas jet to be injected can be obtained.
  • the flow guide element comprises a conical surface.
  • a center axis of a gas jet to be injected intersects an axial axis of the gas injector at an angle ⁇ .
  • the Wnkel ⁇ is preferably in a range between 0 ° and 180 °.
  • the gas jet to be blown in can be customized for each customer.
  • the value ⁇ lies in a range from 0 to
  • the sealing seat between the valve closing element and valve body is a flat seat.
  • a gas injector for injecting a gaseous fuel is thus proposed for the first time, which as a sealing seat a
  • the flow guide element is formed asymmetrically.
  • very individual beam shapes can be obtained for blowing into the combustion chamber.
  • Cylinder head roof (Coanda effect) or a collapse of the gas jet to a concentrated central jet, can be achieved. This can
  • the gas jet are modulated in such a way that an optimal
  • the flow guide element is formed symmetrically. As a result, symmetrical forms of the gas jet can be achieved in the combustion chamber.
  • Valve closure element preferably has a conical sealing surface. As a result, an easily manufactured sealing seat can be provided between the valve closing element and the valve body.
  • the invention further relates to an internal combustion engine comprising a
  • Combustion chamber and a gas injector according to the invention wherein the gas injector is arranged directly on the combustion chamber to inject gaseous fuel directly into the combustion chamber.
  • the internal combustion engine further preferably comprises a cylinder head, wherein the gas injector according to the invention is arranged away from a directed to the combustion chamber end of the cylinder head by a predetermined distance.
  • the gas injector projects from the end of the cylinder head facing the combustion chamber by a predetermined distance. In other words, the gas injector protrudes partially into the combustion chamber. By both measures, different beam shapes of the gas jet can be obtained.
  • the gas injector is arranged in the internal combustion engine at a predetermined angle to a center axis of the combustion chamber.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a gas injector according to a first embodiment of the invention.
  • the gas injector 1 comprises a
  • Valve closure element 2 which is a valve needle in this embodiment.
  • the gas injector 1 is an outwardly opening gas injector, since the
  • Valve closure element 2 in the flow direction (arrow B) opens. That is, the valve closing member 2 lifts off from a valve seat 4 toward a combustion chamber 10.
  • Valve closing element 2 indicated by the arrow A.
  • the valve closing element 2 opens and closes a passage opening 8, which is formed in a valve body 3.
  • the valve body 3 also forms the housing of the gas injector 1.
  • the valve closure element 2 is opened by means of a magnetic actuator 7.
  • Magnetic actuator 7 in this case comprises an armature 70, which with the
  • Valve closure element 2 is directly connected. Further, a coil 71 and an inner pole 72 are provided. When energizing the coil 71, the armature is moved against a spring force of a return element 9 in the direction of the combustion chamber 10, whereby the valve closing element 2 lifts off from the sealing seat 4. As a result, the passage opening 8 is released, so that gaseous fuel is blown into the combustion chamber 10.
  • FIG. 1 diagrammatically shows in dashed lines a gas jet 6, which indicates the gaseous spray into the combustion chamber 10 in the open state of the gas injector 1.
  • the gas jet 6 has a conical
  • the invention is a
  • the flow guide element 5 is formed integrally with the valve body 3 and comprises a first guide surface 51 and second guide surface 52.
  • the first guide surface 51 is perpendicular to an axial axis XX of the gas injector 1.
  • the second guide surface 52 is provided, which is conical , As a result, the gas jet 6 receives the conical
  • An angle between the axial axis X-X and the flow guide element 5 is denoted by a / 2 and is about 25 °. This angle ⁇ can
  • a shaping of the gas jet 6 is separated from the sealing seat 4 or from an annular gap between the valve closing element 2 and the valve body 3 in the fully open state of the gas injector, which defines the maximum volume flow.
  • This can be a custom Design of the flow guide element 5 are made possible.
  • the sealing seat 4 can be optimized independently of further, in particular shaping influences for the gas jet 6, in order to optimally accommodate occurring flow forces and closing forces. this will
  • FIG. 2 shows a gas injector 1 according to a second exemplary embodiment of the invention. As can be seen from FIG. 1, this includes
  • Guide surface 52 and the sealing seat 4 provided guide surface formed in the second embodiment as an arcuate guide surface 53. In this way, a continuous transition from the arcuate guide surface 53 into the second conical guide surface 52 can be made possible.
  • FIG. 3 shows a gas injector 1 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the third embodiment the
  • Flow guide element 5 a as shown in Figure 2, the first arcuate guide surface 53 and a second arcuate guide surface 54. Between the two arcuate guide surfaces 53, 54 is one in a
  • FIG. 4 shows a gas injector according to a fourth exemplary embodiment of the invention, wherein in particular an installation position in a cylinder head 11 is shown. As can be seen from Figure 4, the gas injector 1 is set back slightly from the combustion chamber 10. More precisely is between a
  • the sealing seat 4 can be arranged somewhat further away from the hot combustion chamber 10, so that as a sealing element also a
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of the gas injector 1, which represents a different installation position than shown in FIG. At the fifth
  • the gas injector 1 is arranged projecting into the combustion chamber, wherein a combustion chamber-side end of the flow guide element 5 protrudes by a distance 13 into the combustion chamber 10 from the combustion chamber end of the cylinder 11.
  • FIG. 6 shows a gas injector 1 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the shape of the flow guide element 5 of the sixth embodiment corresponds to that of the third embodiment, so that the flow guide element 5 of the sixth embodiment, a first arcuate guide surface 53 and a second arcuate
  • Guide surface 54 includes, which are interconnected via a turning point W.
  • the valve closing element 2 is also formed with a flow guide region 20.
  • the flow guide element 5 on the valve body 3 is responsible for the shaping of the gas jet 6 on the outer jacket of the gas jet and the flow guide region 20, which is formed downstream of the sealing seat 4 on the valve closing element 2, is responsible for the shaping of an inner jacket region 60 of the gas jet 6.
  • the flow guide element 5 on the valve body 3 is still a
  • Flow guiding region 20 is provided on the valve closing element 2. This allows a very precise shaping of the gas jet 6 both at its external scope, as well as its internal extent.
  • the flow guide region 20 is formed such that a tapered inner mantle region is obtained on the inner periphery 60.
  • FIG. 7 shows a gas injector 1 according to a seventh exemplary embodiment of the invention.
  • the seventh embodiment substantially corresponds to the sixth embodiment, wherein for weight reduction on
  • Recess 61 is provided. This allows a faster movement of the
  • Valve closure member 2 can be ensured for opening and closing.
  • FIG. 8 shows a gas injector 1 according to an eighth embodiment of the invention.
  • the flow guide element 5 is formed in the eighth embodiment such that a radial outflow of the gas jet 6 from the valve body 3 is possible.
  • At the valve closing element 2 of the flow guide portion 20 is formed such that the radial outflow is supported.
  • Flow guide element 5 comprises an arcuate guide surface 53, so that radial outflow is achieved.
  • FIGS. 9 to 12 show a gas injector 1, which in each case has a flat sealing seat 4.
  • a sealing partner 30 on the valve body 3 comprises a surface which is perpendicular to the axial axis X-X.
  • the flow guide element 5 is provided with a surface 55 which is perpendicular to the axial axis X-X.
  • the flow guide member 5 includes a guide portion on the surface 55 which is perpendicular to the axial axis XX and a guide surface 51 which is tapered.
  • the eleventh exemplary embodiment of the gas injector 1 shown in FIG. 1 1 comprises a flow guide element 5 with an arcuate guide surface 53 in combination with a flat sealing seat 4. In this way, a substantially conically widening gas jet 6 can be achieved, with a flat seat being provided as the sealing seat.
  • Figure 12 shows a gas injector 1 according to a twelfth embodiment of the invention, wherein in addition to the flow guide element 5 on
  • Valve body 3 is still a flow guide portion 20 is provided on the valve closing element 2. This results in an annular gas jet 6, which widens in the combustion chamber.
  • An inner periphery 60 of the gas jet 6 is characterized by the shape of the flow guide region 10 on
  • FIG. 13 shows a gas injector 1 according to a thirteenth
  • a shape of the gas jet 6 corresponds to the embodiment shown in Figure 10 with a straight surface 55, which is perpendicular to the axial axis X-X and a conical guide surface 51.
  • the flow guide element 5 is provided as a separate component on the valve body 3 in the thirteenth embodiment.
  • the flow guide element 5 is connected, for example, by means of a weld 31 to the valve body 3.
  • Valve body 3 and the flow guide element 2 is provided as a two-part component, however, can be provided by the separate provision of the
  • Gas injectors 1 each had a symmetrical design of the
  • the fourteenth embodiment of the gas injector 1 shown in FIG. 14 shows an embodiment of the flow guiding element 5 in FIG.
  • FIG. 14 shows a first region 56 which can be divided by several
  • a gas jet 6 is achieved whose center axis Y-Y is at an angle ⁇ relative to the axial axis X-X.
  • a beam angle ⁇ can be defined relative to the axial axis X-X and adapted to respective customer requirements.
  • the gas jet 6 is provided cylindrically.
  • Figure 15 shows a fifteenth embodiment of the invention, in which the flow guide element 5 of the gas injector 1 is also formed asymmetrically. Due to the shape of the flow guide element 5, a conical gas jet 6 is achieved in this embodiment.
  • the sealing seat 4 can be designed independently of the irradiation process of the gas jet 6.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben und Verschließen einer Durchgangsöffnung (8), wobei das Ventilschließelement (2) in Richtung einer Durchströmungsrichtung (B) des Gasinjektors öffnet, einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilschließelement (2) und einem Ventilkörper (3), ein Strömungsführungselement (5; 20), welches in Durchströmungsrichtung (B) des Gasinjektors nach dem Dichtsitz (4) angeordnet ist und eingerichtet ist, einen in den Brennraum einzublasenden Gasstrahl (6) zu formen.

Description

Beschreibung
Titel
Gasinjektor mit nach außen öffnendem Ventilschließelement Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen direkteinblasenden Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem nach außen öffnenden Ventilschließelement und verbesserter Einblas-Charakteristik in einen Brennraum.
Neben flüssigen Kraftstoffen werden bei Brennkraftmaschinen in jüngster Zeit auch verstärkt gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Bei Injektoren für flüssige Kraftstoffe werden nach außen öffnende Ventilschließelemente verwendet, welche beispielsweise Dichtsitzgeometrien, wie einen Kegel, gegen einen Kugelausschnitt o.ä., verwenden. Hierbei definiert ein Sitzwinkel am Kegel den Wnkel des im Brennraum entstehenden Strahls und damit die Gemischbildung. Wenn ein Kunde einen anderen Einspritzstrahl wünscht, so wird dies in der Regel durch eine Modifikation des Sitzwinkels ermöglicht. Bei flüssigen Kraftstoffen ist jedoch darauf zu achten, dass der
Kraftstoff möglichst nicht eine Wand benetzt, da dies die Gefahr einer
Tröpfchenbildung birgt, was zu unzulässigen Partikelemissionen und zu
Abgasproblemen führen kann. Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße direkteinblasende Gasinjektor zum direkten Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass kundenspezifische Lösungen ohne großen Aufwand möglich sind.
Erfindungsgemäß wird zum ersten Mal bei einem nach außen öffnenden Injektor eine unabhängige Auslegung eines Ventilsitzes und einer Kraftstoffströmung im Brennraum bei Gasinjektoren möglich. Nach außen öffnende Ventilschließelemente weisen dabei die Eigenschaft auf, dass die
Bewegungsrichtung zum Öffnen in Richtung des Brennraums der
Brennkraftmaschine gerichtet ist. Somit kann individuell für Kunden eine gewünschte Form eines Gasstrahls im Brennraum ausgelegt werden, unabhängig von einem Ventilsitz oder anderen geometrischen Bedingungen. Da die Erfindung auf Gasinjektoren beschränkt ist, welche gasförmige Kraftstoffe verwenden, besteht auch nicht die bei flüssigen Kraftstoffen vorhandene Gefahr einer Wandbenetzung mit den damit verbundenen Abgasproblemen.
Erfindungsgemäß kann somit ein kostengünstiges Baukastenkonzept ermöglicht werden, um kundenindividuelle Strahlgestaltungen zu ermöglichen. Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Gasinjektor auch individuell an einer beliebigen Position am Brennraum angeordnet werden kann,
beispielsweise für einen zentralen Einbau im Zylinderkopf oder auch einen seitlichen oder geneigten Einbau zur Axialrichtung des Zylinders der
Brennkraftmaschine. Hierdurch können weitere Gestaltungsfreiräume gewonnen werden, welche aufgrund der Anstrengung zur Verkleinerung von
Brennkraftmaschinen sehr wichtig ist. Dabei können auch individuelle bauraum- optimierte Lösungen und Einbaupositionen des Gasinjektors ermöglicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein
Ventilschließelement zum Freigeben und Verschließen einer Durchlassöffnung aufweist. Das Ventilschließelement ist dabei ein nach außen öffnendes
Ventilschließelement, z.B. eine Ventilnadel, welches in einer
Durchströmungsrichtung des Gasinjektors öffnet. Ferner umfasst der Gasinjektor einen Dichtsitz zwischen dem Ventilschließelement und einem Ventilkörper sowie ein Strömungsführungselement. Das Strömungsführungselement ist dabei eingerichtet, einen in den Brennraum einzublasenden Gasstrahl zu formen. Somit kann durch geometrische Gestaltung des Strömungsführungselements individuell auf kundenspezifische Wünsche hinsichtlich eines einzublasenden Gasstrahls reagiert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist das Strömungsführungselement am Ventilkörper angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Strömungsführungselement dabei einteilig mit dem
Ventilkörper ausgebildet. Dadurch kann eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung erreicht werden. Für unterschiedliche Formen eines Gasstrahls kann dann einfach jeweils nur der Ventilkörper ausgetauscht werden.
Weiter bevorzugt ist das Strömungsführungselement am Ventilschließelement angeordnet. Vorzugsweise ist das Strömungsführungselement dabei einteilig mit dem Ventilschließelement vorgesehen. Auch durch diese Maßnahme kann eine Formgebung eines einzublasenden Gasstrahls in einen Brennraum erreicht werden. Besonders bevorzugt umfasst das Strömungsführungselement sowohl eine
Einrichtung zur Strömungsführung am Ventilschließelement, als auch eine Einrichtung zur Strömungsführung am Ventilkörper.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsführungselement eine Teilkugelfläche als Strömungsführung. Durch Änderung eines Radius der Teilkugelfläche kann dabei jeweils ein unterschiedlicher einzublasender Gasstrahl erhalten werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Strömungsführungselement eine Konusfläche.
Es ist auch möglich, verschiedene geometrische Formen miteinander zu kombinieren, beispielsweise in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors eine Teilkugelfläche an eine Konusfläche angrenzen oder anders herum. Auch sind weitere geometrische Flächen, z.B. zylindrische Flächen oder dgl. möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schneidet eine Mittelachse eines einzublasenden Gasstrahls eine Axialachse des Gasinjektors in einem Winkel γ. Der Wnkel γ liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0° und 180°. Dadurch kann der einzublasende Gasstrahl kundenindividuell geformt werden. Der Wnkel γ liegt in einem Bereich von 0 bis
60°, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 60°.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Dichtsitz zwischen Ventilschließelement und Ventilkörper ein Flachsitz.
Erfindungsgemäß wird somit zum ersten Mal ein Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs vorgeschlagen, welcher als Dichtsitz einen
Flachsitz aufweist und welcher als nach außen öffnender Injektor vorgesehen ist. Der große Vorteil eines Flachsitzes ist bei gasförmigen Kraftstoffen
insbesondere, dass auf relative einfache und kostengünstige Weise eine relativ breite Dichtfläche zwischen Ventilschließelement und Ventilkörper und damit eine sichere Abdichtung bereitgestellt werden kann.
Weiter bevorzugt ist das Strömungsführungselement asymmetrisch ausgebildet. Durch diese Maßnahme können sehr individuelle Strahlformen zum Einblasen in den Brennraum erhalten werden. Insbesondere können dadurch beispielsweise Strömungen erreicht werden, welche ein Anlegen des Gasstrahls an ein
Zylinderkopfdach (Coanda-Effekt) oder ein Zusammenklappen des Gasstrahls zu einem konzentrierten Zentralstrahl, erreicht werden. Hierdurch kann
insbesondere der Gasstrahl derart moduliert werden, dass eine optimale
Gemischbildung im Brennraum erreichbar ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Strömungsführungselement symmetrisch ausgebildet. Dadurch können symmetrische Formen des Gasstrahls im Brennraum erreicht werden.
Um einen besonders einfachen Aufbau zu ermöglichen, weist das
Ventilschließelement vorzugsweise eine kegelförmige Dichtfläche auf. Dadurch kann ein einfach herzustellender Dichtsitz zwischen Ventilschließelement und Ventilkörper bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, umfassend einen
Brennraum und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor, wobei der Gasinjektor unmittelbar am Brennraum angeordnet ist, um gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiter bevorzugt einen Zylinderkopf, wobei der erfindungsgemäße Gasinjektor von einem zum Brennraum gerichteten Ende des Zylinderkopfs um einen vorbestimmten Abstand entfernt angeordnet ist. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung steht der Gasinjektor vom zum Brennraum gerichteten Ende des Zylinderkopfs um einen vorbestimmten Abstand vor. Mit anderen Worten ragt der Gasinjektor teilweise in den Brennraum vor. Durch beide Maßnahmen können verschiedene Strahlformen des Gasstrahls erhalten werden. Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor in der Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten Winkel zu einer Mittelachse des Brennraums angeordnet.
Dadurch kann auch eine seitliche Montage des Gasinjektors am Brennraum ermöglicht werden, so dass eine hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich einer Positionierung des Gasinjektors am Brennraum erhalten wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da es ständig Bestrebungen gibt, die Baugrößen von Brennkraftmaschinen zur reduzieren bzw. deren Zylinderzahlen zu reduzieren, so dass ein immer kleiner werdender Bauraum an den Brennkraftmaschinen vorhanden ist.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 2-15 verschiedene weitere Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Gasinjektors.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele 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 ist, umfasst der Gasinjektor 1 ein
Ventilschließelement 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Ventilnadel ist. Der Gasinjektor 1 ist ein nach außen öffnender Gasinjektor, da das
Ventilschließelement 2 in Durchströmungsrichtung (Pfeil B) öffnet. D.h., das Ventilschließelement 2 hebt von einem Ventilsitz 4 in Richtung eines Brennraums 10 ab. In Figur 1 ist die Bewegungsrichtung zum Öffnen des
Ventilschließelements 2 durch den Pfeil A angedeutet. Das Ventilschließelement 2 öffnet und verschließt dabei eine Durchlassöffnung 8, welche in einem Ventilkörper 3 gebildet ist. Der Ventilkörper 3 bildet auch das Gehäuse des Gasinjektors 1. Das Ventilschließelement 2 wird mittels eines Magnetaktors 7 geöffnet. Der
Magnetaktor 7 umfasst dabei einen Anker 70, welcher mit dem
Ventilschließelement 2 direkt verbunden ist. Ferner ist eine Spule 71 und ein Innenpol 72 vorgesehen. Bei Bestromung der Spule 71 wird der Anker gegen eine Federkraft eines Rückstellelements 9 in Richtung zum Brennraum 10 bewegt, wodurch das Ventilschließelement 2 vom Dichtsitz 4 abhebt. Dadurch wird die Durchlassöffnung 8 freigegeben, so dass gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum 10 eingeblasen wird.
In Figur 1 ist schematisch in gestrichelten Linien ein Gasstrahl 6 eingezeichnet, welcher das gasförmige Spray in den Brennraum 10 im geöffneten Zustand des Gasinjektors 1 andeutet. Der Gasstrahl 6 weist dabei eine kegelförmige
Mantelfläche auf. Um diese zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein
Strömungsführungselement 5 vorgesehen. Das Strömungsführungselement 5 ist einteilig mit dem Ventilkörper 3 gebildet und umfasst eine erste Führungsfläche 51 und zweite Führungsfläche 52. Die erste Führungsfläche 51 ist dabei senkrecht zu einer Axialachse X-X des Gasinjektors 1. Unmittelbar daran anschließend ist die zweite Führungsfläche 52 vorgesehen, welche konisch ausgebildet ist. Dadurch erhält der Gasstrahl 6 den konischen
Außenmantelbereich.
Ein Winkel zwischen der Axialachse X-X und dem Strömungsführungselement 5 ist dabei mit a/2 bezeichnet und beträgt ca. 25°. Dieser Winkel α kann
entsprechend den Anforderungen des Brennverfahrens beliebig zwischen 0° und 180° eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist somit das Strömungsführungselement 5 in
Durchströmungsrichtung B des Gasinjektors 1 dem Dichtsitz 4 nachgeschaltet. Somit wird erfindungsgemäß eine Formgebung des Gasstrahls 6 getrennt vom Dichtsitz 4 bzw. von einem Ringspalt zwischen dem Ventilschließelement 2 und dem Ventilkörper 3 im vollständig geöffneten Zustand des Gasinjektors, welches den maximalen Volumenstrom festlegt. Dadurch kann eine kundenspezifische Auslegung des Strömungsführungselements 5 ermöglicht werden. Auch kann erfindungsgemäß der Dichtsitz 4 unabhängig von weiteren, insbesondere Formgebungseinflüssen für den Gasstrahl 6, optimiert werden, um auftretende Strömungskräfte und Schließkräfte optimal aufzunehmen. Dies wird
erfindungsgemäß in Kombination mit einem nach außen öffnenden Gasinjektor 1 erreicht. Somit wird ein sehr variabler Aufbau des Gasinjektors 1 erhalten, welcher sowohl für einen zentralen Einbau, wie in Figur 1 dargestellt, als auch einen seitliche Einbau in einem Zylinderkopf möglich wird. Somit kann durch die Anordnung des Strömungsführungselements 5 stromabwärts des Dichtsitzes 4 eine unabhängige Auslegung des Dichtsitzes 4 und der Kraftstoffströmung, d.h., des erzeugten Gasstrahls 6, im Brennraum 10 für einen nach außen öffnenden Gasinjektor 1 erhalten werden. Da erfindungsgemäß ein gasförmiger Kraftstoff vorgesehen ist, ergibt sich auch nicht das Problem bei flüssigen Kraftstoffen, dass sich eine Tröpfchenbildung am Strömungsführungselement 5 ergeben würde, welche nachteilige Auswirkungen auf die Abgasbildung hat.
Figur 2 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst das
Strömungsführungselement 5 wie im ersten Ausführungsbeispiel eine zweite, konische Führungsfläche 52. Allerdings ist die zwischen der zweiten
Führungsfläche 52 und dem Dichtsitz 4 vorgesehene Führungsfläche im zweiten Ausführungsbeispiel als bogenförmige Führungsfläche 53 ausgebildet. Hierdurch kann ein kontinuierlicher Übergang von der bogenförmigen Führungsfläche 53 in die zweite, konische Führungsfläche 52 ermöglicht werden.
Figur 3 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel umfasst das
Strömungsführungselement 5 eine, wie in Figur 2 gezeigt, erste bogenförmige Führungsfläche 53 und eine zweite bogenförmige Führungsfläche 54. Zwischen den beiden bogenförmigen Führungsflächen 53, 54 ist dabei ein in einer
Querschnittsebene erkennbarer Wendepunkt W im geometrischen Verlauf des Strömungsführungselements 5 vorgesehen. Hierdurch wird insbesondere ein sog. Zentralstrahl als Gasstrahl 6 erreicht, welcher im Wesentlichen
ringzylindrisch ist und somit parallel zur Axialachse X-X des Gasinjektors 1. Statt zylindrisch kann der Mantel des Gasstrahls 6 dabei auch leicht konisch sein. Figur 4 zeigt einen Gasinjektor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei insbesondere eine Einbauposition in einem Zylinderkopf 11 dargestellt ist. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist der Gasinjektor 1 etwas zurückversetzt vom Brennraum 10. Genauer ist zwischen einem
brennraumseitigen Ende des Zylinderkopfs 1 1 und einem brennraumseitigen Ende 50 des Strömungsführungselements 5 ein Abstand 12 vorgesehen.
Hierdurch kann insbesondere der Dichtsitz 4 etwas weiter entfernt vom heißen Brennraum 10 angeordnet werden, so dass als Dichtelement auch ein
Elastomerdichtelement in Frage kommt.
Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Gasinjektors 1 , welches eine andere Einbauposition als in Figur 4 gezeigt, darstellt. Beim fünften
Ausführungsbeispiel ist der Gasinjektor 1 in den Brennraum vorstehend angeordnet, wobei ein brennraumseitiges Ende des Strömungsführungselements 5 um einen Abstand 13 in den Brennraum 10 vom brennraumseitigen Ende des Zylinders 11 vorsteht.
Beim fünften Ausführungsbeispiel ergibt sich dabei ein kegelförmiger Gasstrahl 6, da das brennraumseitige Ende 50 des Strömungsführungselements 5 im Vergleich zu Figur 4 verkürzt ist.
Figur 6 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Formgebung des Strömungsführungselements 5 des sechsten Ausführungsbeispiels entspricht dabei dem des dritten Ausführungsbeispiels, so dass das Strömungsführungselement 5 des sechsten Ausführungsbeispiels eine erste bogenförmige Führungsfläche 53 und eine zweite bogenförmige
Führungsfläche 54 umfasst, welche über einen Wendepunkt W miteinander verbunden sind. Im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel ist allerdings das Ventilschließelement 2 ebenfalls mit einem Strömungsführungsbereich 20 ausgebildet. Hierbei ist das Strömungsführungselement 5 am Ventilkörper 3 für die Formgebung des Gasstrahls 6 am äußeren Mantel des Gasstrahls verantwortlich und der Strömungsführungsbereich 20, welcher stromabwärts des Dichtsitzes 4 am Ventilschließelement 2 gebildet ist, ist für die Formgebung eines inneren Mantelbereichs 60 des Gasstrahls 6 verantwortlich. Somit ist neben dem Strömungsführungselement 5 am Ventilkörper 3 noch ein
Strömungsführungsbereich 20 am Ventilschließelement 2 vorgesehen. Dadurch kann eine sehr exakte Formgebung des Gasstrahls 6 sowohl an dessen äußerem Umfang, als auch dessen innerem Umfang erhalten werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Strömungsführungsbereich 20 derart geformt, dass am inneren Umfang 60 ein sich verjüngender innerer M ante Ibereich erhalten wird.
Figur 7 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das siebte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem sechsten Ausführungsbeispiel, wobei zur Gewichtsreduzierung am
Ventilschließelement 2 im Bereich stromabwärts des Dichtsitzes 4 eine
Ausnehmung 61 vorgesehen ist. Hierdurch kann eine schnellere Bewegung des
Ventilschließelements 2 zum Öffnen und Schließen sichergestellt werden.
Figur 8 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist beim achten Ausführungsbeispiel das Strömungsführungselement 5 derart gebildet, dass eine radiale Abströmung des Gasstrahls 6 vom Ventilkörper 3 möglich ist. Am Ventilschließelement 2 ist dabei der Strömungsführungsbereich 20 derart gebildet, dass die radiale Abströmung unterstützt wird. Das
Strömungsführungselement 5 umfasst eine bogenförmige Führungsfläche 53, so dass radiale Abströmung erreicht wird.
In den Figuren 9 bis 12 ist ein Gasinjektor 1 dargestellt, welcher jeweils einen Flachdichtsitz 4 aufweist. Hierbei umfasst ein Dichtpartner 30 am Ventilkörper 3 eine Fläche, welche senkrecht zur Axialachse X-X ist.
Bei dem in Figur 9 gezeigten neunten Ausführungsbeispiel des Gasinjektors 1 ist wie in Figur 8 eine radiale Abströmung des Gasstrahls 6 realisiert. Hierbei ist das Strömungsführungselement 5 mit einer Fläche 55 vorgesehen, welche senkrecht zur Axialachse X-X ist.
Bei dem in Figur 10 gezeigten zehnten Ausführungsbeispiel des Gasinjektors 1 umfasst das Strömungsführungselement 5 einen Führungsbereich an der Fläche 55, welcher senkrecht zur Axialachse X-X ist und eine Führungsfläche 51 , welche konisch ist. Dadurch ergibt sich ein Gasstrahl 6, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel in Figur 1 , allerdings mit dem Unterschied, dass bei einem nach außen öffnenden Gasinjektor 1 nun ein Flachdichtsitz 4 realisiert ist. Das in Figur 1 1 gezeigte elfte Ausführungsbeispiel des Gasinjektors 1 umfasst ein Strömungsführungselement 5 mit einer bogenförmigen Führungsfläche 53 in Kombination mit einem Flachdichtsitz 4. Hierdurch kann ein im Wesentlichen sich konischer erweiternder Gasstrahl 6 erreicht werden, wobei als Dichtsitz ein Flachsitz vorgesehen ist.
Figur 12 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zusätzlich zum Strömungsführungselement 5 am
Ventilkörper 3 noch ein Strömungsführungsbereich 20 am Ventilschließelement 2 vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich ein ringförmiger Gasstrahl 6, welcher sich im Brennraum erweitert. Ein innerer Umfang 60 des Gasstrahls 6 wird dabei durch die Formgebung des Strömungsführungsbereichs 10 am
Ventilschließelement 2 definiert. Figur 13 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem dreizehnten
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Formgebung des Gasstrahls 6 entspricht dabei dem in Figur 10 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer geradlinigen Fläche 55, welche senkrecht zur Axialachse X-X ist und einer konischen Führungsfläche 51. Allerdings ist am Ventilkörper 3 im dreizehnten Ausführungsbeispiel das Strömungsführungselement 5 als separates Bauteil vorgesehen. Das Strömungsführungselement 5 ist beispielsweise mittels einer Schweißnaht 31 mit dem Ventilkörper 3 verbunden. Somit sind zwar der
Ventilkörper 3 und das Strömungsführungselement 2 als zweiteiliges Bauteil vorgesehen, allerdings kann durch das separate Vorsehen des
Strömungsführungselements 5 auf einfache Weise an unterschiedliche
Anforderungen von Brennkraftmaschinen-Herstellern reagiert werden, indem lediglich das Strömungsführungselement 5 ausgetauscht wird.
Die in den bisherigen Ausführungsbeispielen in den Figuren 1 bis 13
beschriebenen Gasinjektoren 1 hatten jeweils eine symmetrische Gestaltung des
Strömungsführungselements 5 sowie des Ventilschließelements 2 in Bezug auf die Axialachse X-X.
Das in Figur 14 gezeigte vierzehnte Ausführungsbeispiel des Gasinjektors 1 zeigt dagegen eine Ausgestaltung des Strömungsführungselements 5 in
asymmetrischer Form. Mit anderen Worten ist das Strömungsführungselement 5 relativ zur Axialachse X-X asymmetrisch ausgebildet. Hierbei ergibt sich, wie aus Figur 14 ersichtlich ist, ein erster Bereich 56, welcher durch mehrere
bogenförmige Flächen gebildet ist und ein zweiter Bereich 57, welcher eine Vertiefung aufweist. Dadurch wird ein Gasstrahl 6 erreicht, dessen Mittelachse Y- Y sich einem Winkel γ relativ zur Axialachse X-X befindet. Somit kann durch diese erfindungsgemäße Idee ein Strahlwinkel γ relativ zur Axialachse X-X definiert werden und an jeweilige Kundenwünsche angepasst werden. In dem Ausführungsbeispiel ist der Gasstrahl 6 zylindrisch vorgesehen.
Figur 15 zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Strömungsführungselement 5 des Gasinjektors 1 ebenfalls asymmetrisch ausgebildet ist. Durch die Formgebung des Strömungsführungselements 5 wird in diesem Ausführungsbeispiels ein kegelförmiger Gasstrahl 6 erreicht.
Erfindungsgemäß wird somit zum ersten Mal bei einem nach außen öffnenden Gasinjektor eine Trennung der Geometrie des Dichtsitzes von der Geometrie der Strahlbildung, welche mittels des Strömungsführungselements 5 am Ventilkörper 3 und/oder des Strömungsführungsbereichs 20 am Ventilschließelement 2 vorgegeben wird, erreicht. Dadurch sind individuelle Lösungen für Gasstrahlen 6, welche direkt in einen Brennraum 10 eingeblasen werden, möglich. Daher wird insbesondere die Tatsache ausgenutzt, dass aufgrund des gasförmigen
Kraftstoffs keine Wandbenetzung und Tröpfchenbildung des Kraftstoffs während des Einblasvorgangs auftritt. Auch kann somit der Dichtsitz 4 unabhängig vom Strahlgebungsvorgang des Gasstrahls 6 ausgelegt werden.

Claims
Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend:
ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben und Verschließen einer
Durchgangsöffnung (8),
wobei das Ventilschließelement (2) in Richtung einer
Durchströmungsrichtung (B) des Gasinjektors öffnet,
einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilschließelement (2) und einem Ventilkörper (3), und
ein Strömungsführungselement (5; 20), welches in
Durchströmungsrichtung (B) des Gasinjektors nach dem Dichtsitz (4) angeordnet ist und eingerichtet ist, einen in den Brennraum einzublasenden Gasstrahl
(6) zu formen.
Gasinjektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsführungselement (5) am Ventilkörper angeordnet ist.
Gasinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsführungselement (5) einteilig mit dem Ventilkörper (3) ausgebildet ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (20) am
Ventilschließelement (2) angeordnet ist.
Gasinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsführungselement (20) einteilig mit den Ventilschließelement (2) gebildet ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5) eine
Teilkugelfläche umfasst.
7. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsführungselement (5; 20) eine Konusfläche umfasst.
8. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5; 20) eine
Zylinderfläche umfasst.
9. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Mittelachse (Y-Y) des Gasstrahls (6) eine Axialachse (X-X) des Gasinjektors in einem Winkel (γ) schneidet.
10. Gasinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (γ) in einem Bereich von 0° bis 60°, insbesondere in einem Bereich von 10° bis
60° liegt.
1 1. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (4) ein Flachsitz ist.
12. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5) symmetrisch ausgebildet ist.
13. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5) derart eingerichtet ist, einen zylinderförmigen oder kegelförmigen oder ringförmigen Gasstrahl (6) zu erzeugen.
14. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (2) eine kegelförmige Dichtfläche am Dichtsitz (4) aufweist.
15. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5) eine erste und eine zweite bogenförmige Führungsfläche (53, 54) umfasst, welche durch einen in einer Querschnittsebene erkennbaren Wendepunkt (W) miteinander verbunden sind.
16. Brennkraftmaschine, umfassend einen Zylinderkopf (11) und eine
Gasinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasinjektor (1) unmittelbar an einem Brennraum (10) angeordnet ist.
17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasinjektor (1) in einem Zylinderkopf (1 1) derart angeordnet ist, dass ein brennraumseitiges Ende (50) des Strömungsführungselements (5) von einem brennraumseitigen Ende des Zylinderkopfs (11) um einen Abstand (12) beabstandet ist.
18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumseitige Ende (50) des Strömungsführungselements (5) in den Brennraum (10) vorsteht.
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