WO2022111886A1 - Injektor zum einbringen, insbesondere zum direkten einblasen, von gasförmigem kraftstoff in einen brennraum einer verbrennungskraftmaschine, sowie gasmotor - Google Patents

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gaseous fuel
injector
area
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Alois Raab
Felix Christian ROSENTHAL
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Daimler Ag
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Definitions

  • Injector for introducing, in particular for blowing gaseous fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine, and gas engine
  • the invention relates to an injector for introducing, in particular for blowing gaseous fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a gas engine with at least one such injector.
  • DE 102017213737 A1 discloses an injector for injecting gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, with a nozzle body in which a pressure chamber is formed which can be filled with gaseous fuel under an injection pressure and from which an injection opening through which the gaseous fuel emerges can escape.
  • EP 1 195203 A2 discloses a device for atomizing a liquid medium as known.
  • Object of the present invention is to provide an injector for a
  • a first aspect of the invention relates to an injector for introducing, in particular for blowing gaseous fuel, in particular hydrogen, directly into a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle.
  • the internal combustion engine is in its fired operation by means of the gaseous Fuel operable, so that the internal combustion engine is a gas engine, in particular according to the Otto engine principle, or is also referred to as a gas engine.
  • the gaseous fuel is introduced into the combustion chamber, in particular blown directly, for example within a respective working cycle of the internal combustion engine by means of the injector.
  • the injector comprises a housing through which the gaseous fuel can flow.
  • the gaseous fuel in particular from outside the housing or the injector as a whole, can be or is introduced into the housing and thereby into the injector and can then be or is led out again from the housing and in particular out of the injector as a whole becomes.
  • the gaseous fuel is introduced into the injector, in particular into the housing, via at least one inlet opening.
  • the discharge of the gaseous fuel from the housing or from the injector as a whole is also referred to as removing the gaseous fuel from the housing or from the injector as a whole.
  • the housing has at least or exactly one outflow opening through which the gaseous fuel flowing through the housing can flow, or several outflow openings, via which the gaseous fuel can be discharged from the housing, in particular from the injector as a whole, and thus, for example, for introducing the gaseous fuel into the combustion chamber can be conducted into an environment of the housing, in particular of the injector as a whole.
  • the gaseous fuel initially introduced into the housing or into the injector as a whole is discharged from the housing and through the outflow opening, also known as the outlet opening from which, in particular, it is discharged or discharged as a whole and thereby conducted, that is to say blown, into the environment, in particular directly into the combustion chamber.
  • the gaseous fuel flowing through the outflow opening emerges from the housing and out of the injector as a whole, so that the injector ejects or blows out the gaseous fuel flowing through the outflow opening and thereby blows it directly into the combustion chamber, for example.
  • the injector in particular the housing, also has a valve seat which is formed, for example, in particular directly, by the housing, in particular by a housing element of the housing.
  • the injector has a valve element, also referred to simply as a valve, which moves along a direction of movement is movable relative to the housing and relative to the valve seat at least or exclusively translationally between a closed position and at least one open position.
  • the closed position is a first position of the valve element. In other words, the closed position is also referred to as the first position.
  • the open position is a second position of the valve member. In other words, the open position is also referred to as the second position.
  • the direction of movement preferably runs parallel to the direction of longitudinal extent of the valve element and/or the housing.
  • valve element can be moved along the direction of movement relative to the housing and relative to the valve seat between the positions.
  • valve element can be moved along the direction of movement relative to the housing and relative to the valve seat between the positions. and is movable.
  • valve element In the closed position, the valve element sits on the valve seat. In other words, the valve element is in the closed position in support contact with the valve seat, whereby in the closed position by means of the valve element a first housing region of the housing through which the gaseous fuel can flow and in the flow direction of the gaseous fuel flowing through the housing Fuel arranged downstream of the first housing portion, second housing portion of the housing is separated.
  • the second housing area includes the outflow opening.
  • the outflow opening opens directly into the combustion chamber at the other end, so that the gaseous fuel flowing through the outflow opening and thus outflowing from the injector is blown directly into the combustion chamber.
  • the valve seat extends, in particular in the circumferential direction of the housing or of the respective housing region running around the direction of movement and in particular completely circumferentially, around a transfer opening which is closed by the valve element in the closed position of the valve element and is thus blocked.
  • the housing areas are fluidically separated from one another by means of the valve element, as a result of which no gaseous fuel can flow from the first housing area into the second housing area.
  • no gaseous fuel flows through the outflow opening, so that in the closed position of the valve element the injector does not provide the gaseous fuel, ie does not blow it out.
  • the fact that in the closed position of the valve element the housing regions are fluidically separated from one another by means of the valve element means that the gaseous fuel does not flow out of the housing, in particular out of the injector as a whole, via the outflow opening. Since the housing areas are fluidically separated from one another in the closed position of the valve element by means of the valve element, the outflow opening is fluidically separated from the first housing area in the closed position of the valve element, in particular by means of the valve element. Thus, the gaseous fuel cannot flow from the first housing portion to the outflow opening and cannot flow through the outflow opening.
  • the valve element In the open position, the valve element is at a distance from the valve seat or is lifted, as a result of which the housing areas are fluidly connected to one another, in particular via the flow opening, and the gaseous fuel flowing through the housing areas can be discharged from the housing, in particular from the injector as a whole, via the outflow opening.
  • the valve element in order to introduce the gaseous fuel into the combustion chamber, in particular to blow it directly into the combustion chamber, the valve element is moved from the closed position into the open position.
  • the gaseous fuel can flow from the first housing area into the second housing area, flow through the second housing area and in particular the outflow opening, so that in the open position the injector can or blows out the gaseous fuel.
  • the valve element when it moves from the closed position to the open position, is at least partially in the second housing portion is movable. In other words, it is provided that the valve element moves at least partially into the second housing area during its movement from the closed position into the open position.
  • valve element in order to move the valve element from the closed position to the open position, the valve element is moved relative to the Housing and thus moved relative to the valve seat at least or exclusively in a translatory manner in an opening direction running parallel to the direction of movement, which points, in particular from the first housing area, to the second housing area. Since at least part of the valve element is moved into the second housing area when it is moved from the closed position to the open position, at least part of the valve element is moved out of the second housing area when it is moved from the open position to the closed position.
  • valve element moves into the second housing region during its movement from the closed position to the open position, the valve element is also referred to as an outwardly opening valve element, so that the injector is referred to as an outwardly opening injector or A-nozzle or A-injector.
  • the valve element has a valve body area which is arranged in both positions, i.e. both in the closed position and in the open position in the second housing area, and therefore extends into the second housing area, which at least in a partial area of the valve body area is in tapers in a direction pointing away from the valve seat, that is to say in particular in the aforementioned opening direction, in particular in the manner of a cone or truncated cone.
  • the valve body area is curved at least in the partial area.
  • the valve body area is thus a flow guiding element or a flow guiding geometry, by means of which the gaseous fuel flowing through the housing areas and the outflow opening in the open position of the valve element can be guided particularly advantageously, in particular in a particularly streamlined manner.
  • the gaseous fuel flowing through the housing areas and the outflow opening in the open position flows, for example, on its way from the first housing area to the second housing area and through the outflow opening at least onto the partial area of the valve body area and/or at least around the partial area of the valve body area and/or or along at least the partial area of the valve body area, so that the valve body area or at least the partial area of the valve body area influences the flowing, gaseous fuel with regard to its flow.
  • the valve body area is designed at least in the partial area in such a way that at least the partial area of the valve body area is tapered and/or curved, the valve body area influences the flowing, gaseous fuel, ie its flow, in a particularly advantageous manner.
  • the second housing area is at least partially, in particular at least predominantly or completely, delimited or formed, for example, directly by a housing part of the housing designed in one piece, the housing element being, for example, a so-called blow cap of the housing or a blow cap region of the housing.
  • the valve element moves from the closed position into the open position, it moves at least partially into the blowing cap or into the blowing cap area.
  • the bubble cap is mentioned below, this also includes the bubble cap area and vice versa, unless otherwise stated.
  • Hydrogen as a gaseous fuel has a lower density than air and therefore mixes poorly in the combustion chamber.
  • it is desirable or advantageous to selectively generate a swirl and/or tumble flow of the gaseous fuel flowing into the combustion chamber for example in the form of hydrogen, in particular using a Einblaseimpulses in combination with the interaction of a so-called Blasjets with the combustion chamber, in particular directly, delimiting combustion chamber walls of the internal combustion engine.
  • the aforementioned blow jet is to be understood in particular as follows: In the open position of the valve element, the injector blows out the gaseous fuel, forming at least or exactly one fuel jet, which is the aforementioned blow jet.
  • the injector blows out the gaseous fuel while forming a plurality of fuel jets, also referred to as blow jets, particularly when a plurality of outflow openings are provided.
  • a multi-hole blow cap arranged centrally in the combustion chamber, the impulse can be increased, which is also an advantage.
  • the gaseous fuel flowing through the outflow opening and thereby outflowing through the outflow opening out of the housing, in particular out of the injector as a whole forms the aforementioned blast jet, also referred to as jet or fuel jet.
  • a first of the combustion chamber walls mentioned above is, for example, a cylinder wall which, in particular directly, delimits a cylinder of the internal combustion engine.
  • the cylinder wall is formed, for example, by a cylinder housing of the internal combustion engine, designed in particular as a cylinder crankcase.
  • a second of the combustion chamber walls is formed, for example, by a piston, which is arranged in the cylinder in a translationally movable manner.
  • the second combustion chamber wall is a piston bowl of the piston.
  • the advantageous formation of the mixture can be realized by using a plurality of outflow openings, also referred to as blowholes, and thus uniform air intake. It is advantageous if the individual jet momentum is as high as possible in order to achieve a sufficiently large jet penetration depth. This is particularly ensured by the design of the valve body according to the invention, due to the reduced flow losses.
  • the blowing cap is a flow area which is arranged below the valve element, also referred to as the injection valve, in relation to the opening direction, and, in particular through the outflow opening, gives the gaseous fuel flowing through the outflow opening an advantageous flow, for example an advantageous swirl and/or tumble flow can impress.
  • the outwardly opening valve element is usually designed as a simple disk valve, the valve body area of which is designed as a simple valve disk.
  • the invention provides a particularly advantageous structural configuration of the valve element and in particular of the valve body area, with the design of the valve body area according to the invention making it possible to keep a so-called blow cap volume particularly low.
  • the blow cap volume is to be understood, for example, as the entire volume or internal volume of the second housing area, in particular with the exception of the outflow opening. Since the blow cap volume can be kept particularly small in the case of the invention, an undesirable dead volume can be reduced in comparison to conventional solutions, flow losses can be reduced and undesirable self-ignition in the blow cap, ie in the second housing area, can be prevented. In addition, a particularly advantageous jet direction of the blowing jet can be set by the invention.
  • valve element in principle, it is conceivable, particularly in the case of injectors for direct injection of hydrogen, to design the valve element as a valve element that opens inwards, and therefore as a needle that opens inwards. During its movement from the closed position to the open position, the valve element moves away from the second housing area and at least partially into the first housing area. The valve seat would then be at one end of the blow cap.
  • this due to thermal boundary conditions in the combustion chamber and in particular during the fired operation of the internal combustion engine, this can lead to sealing problems, which can be avoided by designing the valve element according to the invention as an outwardly opening valve element.
  • valve element as simple, outward-opening poppet valve
  • the second partial housing area is omitted, so that one end of the poppet valve on the combustion chamber side is then arranged directly in the combustion chamber and is not surrounded by the blower cap, generate the blower jet as an umbrella jet, which does not lead to the generation of an advantageous swirl and/or or tumble flow of the gaseous fuel forming the blow jet.
  • a simple poppet valve in a blowing cap causes flow losses, so that the direction of the jet direction is not guaranteed.
  • valve body area acts as an advantageous flow guidance geometry, which advantageously and flow-favorably guides the gaseous fuel flowing through the housing areas and thereby the outflow opening or advantageously influences its flow.
  • valve body area or the valve element can occupy a particularly large part of the inner volume of the blowing cap or the second housing area, particularly in its open position, whereby the blowing cap volume can be reduced in comparison to conventional solutions.
  • the risk of self-ignition can be reduced and the dead volume can be reduced.
  • the gaseous fuel flowing through the second partial area can advantageously be guided, in particular in the second housing area.
  • at least the partial area of the valve body area has a particularly advantageous shape, also referred to as a valve shape, by means of which the gaseous fuel or its flow can be advantageously guided in the second housing area.
  • a particularly advantageous shape also referred to as a valve shape
  • the flow losses of the blower cap, ie in the second housing area can be kept particularly low, and when using a plurality of overflow openings or overflow bores, an influence can be avoided.
  • the overflow opening or overflow bore is to be understood in particular as the outflow opening mentioned above.
  • the invention enables a defined inflow of the overflow opening or overflow bore, which leads to a particularly advantageous and defined jet direction of the gaseous fuel flowing out of the housing, in particular out of the injector as a whole.
  • An advantageous twist and/or tumble flow of the gaseous fuel flowing out of the housing or out of the injector as a whole into the combustion chamber can thus be implemented.
  • the mixture homogenization can be improved compared to conventional solutions, as a result of which a particularly high specific output of the internal combustion engine can be achieved.
  • particularly low-emission operation of the internal combustion engine can be implemented.
  • the valve body area occupies at least one third, in particular at least half, of the aforementioned and described interior volume of the second housing area, which occupies the interior volume through which the gaseous fuel can flow in the closed position of the valve element.
  • a further embodiment is characterized in that the valve body area is rotationally symmetrical in relation to a central axis of the valve body area running parallel to the direction of movement.
  • valve body area is convex at least in the partial area, in particular at least predominantly, and is therefore arched into the second housing area. This ensures that the gaseous fuel is guided in a particularly streamlined manner.
  • valve body area is designed in the shape of a spherical segment, at least in the partial area, in particular at least predominantly or completely.
  • valve body area is concavely arched at least in the partial area. This allows a particularly streamlined guidance of the gaseous fuel can be guaranteed, so that the latter can be introduced particularly well into the combustion chamber.
  • a further embodiment is characterized in that the tapering partial area of the valve body area ends at a wall of the valve body area which forms in particular an end face facing the combustion chamber and whose wall extends in a plane perpendicular to the direction of movement.
  • the valve body area is at least partially, in particular at least predominantly or completely, hollow.
  • the weight of the valve element can be kept sufficiently low so that the valve element can be moved back and forth between the closed position and the open position with high dynamics, that is to say particularly quickly.
  • the gaseous fuel can be introduced particularly well into the combustion chamber.
  • valve seat is circular.
  • the injector has an electrically operable actuator, ie an electric actuator, by means of which the valve element can be moved from at least one of the positions into the respective other position using electrical energy or electric current.
  • the actuator in order to use the actuator to move the valve element from one position to the other position, the actuator is supplied with electrical energy or with electrical current.
  • the gaseous fuel can be introduced into the combustion chamber as required.
  • One position is preferably the closed position, so that the other position is preferably the open position.
  • a second aspect of the invention relates to an internal combustion engine designed as a gas engine, which has at least one injector according to the first aspect of the invention.
  • Advantages and advantageous configurations of the first aspect of the invention are to be regarded as advantages and advantageous configurations of the second aspect of the invention and vice versa. Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing.
  • the features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.
  • FIG. 1 shows a detail of a schematic sectional view of an internal combustion engine designed as a gas engine with an injector according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a detail of a schematic sectional view of the injector according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a detail of a schematic sectional view of the injector according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a detail of a schematic sectional view of the injector according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows a detail, in a schematic sectional view, of an internal combustion engine 10 designed as a gas engine, which is designed as a reciprocating piston engine or as a reciprocating piston engine.
  • the internal combustion engine 10 is part of a motor vehicle.
  • the motor vehicle which is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or commercial vehicle, has the internal combustion engine in its fully manufactured state and can be driven by means of the internal combustion engine 10 .
  • Internal combustion engine 10 includes a cylinder housing 12, which is preferably embodied as a cylinder crankcase and has at least one cylinder 14 means forming or limited.
  • the cylinder housing 12 has a cylinder wall 16 as the first combustion chamber wall, with the cylinder 14 being directly delimited by the cylinder wall 16 and thus formed.
  • the internal combustion engine 10 includes a housing element 17 which is designed separately from the cylinder housing 12 and is designed, for example, as a cylinder head.
  • the case member 17 is connected to the cylinder case 12 .
  • the housing element 17 includes or forms a combustion chamber roof 18 which is assigned to the cylinder 14 .
  • the internal combustion engine 10 also includes a piston 20 which is accommodated in the cylinder 14 in a translationally movable manner.
  • the piston 20, the cylinder 14 and the combustion chamber roof 18 each partially delimit a combustion chamber 22 of the internal combustion engine 10, the piston 20, in particular its piston recess not shown in FIG. 1, having or forming a second combustion chamber wall partially delimiting the combustion chamber.
  • Combustion processes take place in combustion chamber 22 during fired operation of internal combustion engine 10 .
  • a fuel-air mixture also simply referred to as a mixture
  • the mixture includes a gaseous fuel that is introduced into combustion chamber 22 .
  • the internal combustion engine 10 is operated in its fired mode by means of the gaseous fuel.
  • the gaseous fuel is blown directly into the combustion chamber 22 within a respective working cycle of the internal combustion engine and is thereby introduced into the combustion chamber 22 .
  • the mixture also includes air, which is also referred to as fresh air and is introduced into combustion chamber 22 .
  • a spark plug is used to ignite the mixture.
  • the internal combustion engine is operated according to the Otto engine principle, ie by means of one or the Otto combustion process.
  • the internal combustion engine 10 also includes an injector 24 assigned to the combustion chamber 22, by means of which the gaseous fuel can be blown directly into the combustion chamber 22 and thereby introduced.
  • injector 24 assigned to the combustion chamber 22, by means of which the gaseous fuel can be blown directly into the combustion chamber 22 and thereby introduced.
  • the gaseous fuel is blown directly into combustion chamber 22 by means of injector 24, in particular with the formation of at least or precisely one, also referred to as a blowing jet, and through the fuel flowing out of injector 24 as a whole and thus into the Combustion chamber 22 inflowing, gaseous fuel formed fuel jet.
  • the internal combustion engine 10 is a hydrogen engine, so the gaseous fuel is hydrogen.
  • the injector 24 has a housing 26 through which the gaseous fuel (hydrogen) can flow, which in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the gaseous fuel can be or is discharged from the housing 26 via the outflow opening 28 for introducing the gaseous fuel, in particular for blowing the gaseous fuel directly into the combustion chamber 22 .
  • the outflow opening 28 is designed as a bore, so that the outflow opening 28 is also referred to as an outflow bore or overflow bore. It can be seen that the gaseous fuel flowing through the housing 26 can be discharged as a whole from the housing 26 and from the injector 24 via the outflow opening 28 and can thus be blown directly into the combustion chamber 22 .
  • the injector 24, in particular the housing 26, also has a valve seat 30. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, valve seat 30 is formed by housing 26 .
  • the valve seat 30 is formed by a first housing element 32 of the housing 26 , it being conceivable for the housing 26 to have a second housing element 34 which, for example, is formed separately from the housing element 32 and is connected to the housing element 32 .
  • the housing elements 32 and 34 are connected to one another in such a way that the housing elements 32 and 34 are fixed to one another, which means that relative movements between the housing elements 32 and 34 are avoided.
  • the housing 26, in particular the housing element 32 has a through-flow opening 36, also referred to as a through-opening, around which the valve seat 30 extends completely in the circumferential direction of the housing 26 and thus in the circumferential direction of the through-flow opening 36.
  • the valve seat 30 and thus the flow opening 36 are circular.
  • the injector 24 also has a valve element 38, simply referred to as a valve, which moves along a direction of movement illustrated in Fig. 1 by a double arrow 40 relative to the housing 26 and thus relative to the housing elements 32 and 34 and relative to the valve seat 30 between a closed position and at least or exactly one open position shown in FIG. 1 is at least or exclusively movable in translation.
  • the closed position is also referred to as the first position, with the open position being referred to as the second position.
  • the housing 26 has a first housing area 42 and a second housing area 44 , the housing areas 42 and 44 being able to be flowed through by the gaseous fuel flowing through the housing 26 .
  • housing area 42 is arranged beyond valve seat 30 or throughflow opening 36 , housing area 44 being arranged on this side of valve seat 30 or throughflow opening 36 .
  • the valve element 38 in particular a valve body 46 of the valve element 38, sits on the valve seat 30, as a result of which the flow opening 36 is fluidically blocked by means of the valve element 38, in particular by means of the valve body 46, whereby the housing regions 42 and 44 are fluidically separated from one another .
  • the housing area 44 has the outflow opening 28 .
  • the outflow opening 28 opens out on one side or at one end into or onto an area surrounding the injector 24 as a whole and thereby into the combustion chamber 22 .
  • the outflow opening 28 opens into the housing 26 and thereby into the housing area 44.
  • the gaseous fuel cannot flow from the housing region 42 into the housing region 44 and thus not through the outflow opening 28, so that in the closed position of the valve element 38 the gaseous fuel can flow out of the housing 26 and in particular out of the injector 24 omitted altogether.
  • the injector 24 does not introduce, in particular blow, the gaseous fuel into the combustion chamber 22.
  • valve element 38 releases the throughflow opening 36 so that in the open position of the valve element 38 the housing regions 42 and 44 are fluidically connected to one another via the throughflow opening 36 .
  • the gaseous fuel can flow through housing regions 42 and 44 and through outflow opening 28, so that when valve element 38 of injector 24 is in the open position, the gaseous fuel blows out or can blow out.
  • the gaseous fuel is blown directly into the combustion chamber 22 by means of the injector 24 .
  • the housing areas 42 and 44 gaseous fuel flowing through can be removed via the outflow opening 48 from the housing 26 and thereby from the injector 24 as a whole.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the injector 24.
  • the valve element 38 whose movement from the closed position to the open position can be moved at least partially into the second housing region 44 .
  • the valve element 38 is moved relative to the housing 26 and thus relative to the valve seat 30 at least or exclusively in a translatory manner in a direction parallel to the direction of movement and in Fig.
  • Valve element 38 is thus a valve element that opens outwards, although valve element 38, in particular its end region E on the combustion chamber side formed in particular by valve body 46, is arranged in both positions within housing 26 and thereby in second housing region 44. Furthermore, in the first embodiment, it is provided that the valve element 38 has a valve body region 50, which is arranged in both positions in the second housing region 44 and is formed by the valve body 46 more than half or fully arched. In the first embodiment, the valve body area 50 is convexly arched and thereby arched into the second housing area 44, with the valve body area 50 being designed in the shape of a spherical segment.
  • second housing region 44 In the closed position of valve element 38, second housing region 44 has an interior volume through which the gaseous fuel can flow, with valve body region 50 occupying at least a third, in particular at least half, of the interior volume of second housing region 44 in the closed position. As a result, a dead volume can be kept particularly low.
  • Injector concepts with inwardly opening or outwardly opening nozzle needles are known. In both injector concepts, however, a high closing force is applied by a hydraulic system in order to keep leakage as low as possible. Electrically controlled or operable injectors can do this not realize high closing forces, so that the valve seat 30 should be particularly protected against roughness and thermal distortion. This is possible because the valve seat 30 is located in the housing 26 .
  • the housing region 44 is at least partially, in particular at least predominantly and thus more than half and very preferably completely, delimited or formed, in particular directly, by a blow cap region 52 of the housing 26, also referred to as a blow cap.
  • the blow cap area 52 is formed or delimited by the housing element 34, which can be designed in one piece.
  • the blower cap, and therefore the blower cap area 52 is used to shape the jet, and therefore to form the aforementioned fuel jet (blast jet).
  • the blower cap has exactly one outflow opening 28 which can impress a shape on the gaseous fuel flowing through the outflow opening 28 or on the fuel jet formed by the gaseous fuel.
  • the injector 24, in particular the blowing cap has a plurality of outflow openings 28, for example designed as bores. Since the valve body area 50 is arranged in the housing area 44 in both positions, the valve body area 50 or the valve element 38 is set back in relation to the outflow opening 28 and in the housing 26 . In this way, an excessive, in particular thermal, load on the valve seat 30 can be avoided.
  • the injector 24 is preferably an electrically controlled and electrically operable injector. This means that an electrically operable actuator is preferably provided, by means of which the valve element 38 can be moved at least from one of the positions into the other position using electrical energy or electric current.
  • blowing cap space Due to the design, there is usually a relatively large blowing cap space, which is to be understood as meaning the aforementioned inner volume of the housing region 44 .
  • the blower cap space represents a volume which is separated or delimited from the actual combustion chamber 22 except for the outflow opening 28 or the outflow openings.
  • increases in a temperature in the blast cap space relative to combustion chamber 22 are possible. This presents the risk of self-ignition in the bubble cap space. While blowing in the Gaseous fuel results in large velocity gradients in the bubble cap space, which can sometimes lead to parasitic vortex structures.
  • the valve body region 50 is provided as a curved structure, in particular a convex structure.
  • the valve body area 50 thus functions as a jet-shaping cap, by means of which the gaseous fuel can be guided in a particularly advantageous and streamlined manner.
  • the gaseous fuel flows through the housing areas 42 and 44, the gaseous fuel flowing against the valve body area 50 and flowing around it. Due to the corresponding configuration of the valve body area 50, the gaseous fuel can be guided in a particularly streamlined manner.
  • valve element 38 is therefore not designed as a simple disk valve with a simple valve disk as the valve body 46, but the valve body 46 or its valve body region 50 is in the form of a spherical segment in the first embodiment and is therefore designed as a curved structure.
  • the valve body 46 or the valve body area 50 is a stream-shaping cap that is optimized in terms of flow, which significantly reduces the free volume in the blower cap space compared to conventional solutions and leads to an advantageously directed flow of gaseous fuel through the rest of the blower cap space.
  • valve element 38 is extended below a conventionally provided valve disk in order to optimize the flow into the blower cap, thus protruding into the housing area 44, in order to thereby define the gaseous fuel or its flow in the blower cap and at the same time to reduce the particular free blower cap volume.
  • the free blowing cap volume is to be understood in particular as the volume in which the valve element 38 is not arranged in the open position.
  • valve element 38 also referred to as an injection valve, sufficiently low and thus to be able to ensure sufficiently high dynamics of valve element 38
  • the valve body 46 has a cavity 54 in its interior.
  • the valve element 38 includes the valve body 46 and a stem 56. The stem 56 and the valve body 46 may be integrally formed with each other.
  • valve body 46 is of hollow design
  • shaft 56 and the valve body 46 are in the form of components which are designed separately from one another and are connected to one another.
  • the valve body 46 and thus the valve body region 50 is connected by welding, in particular by laser welding, to the shaft 56 or to an injection valve blank.
  • valve body area 50 is convex and thus arched away from the housing area 44, the valve body area 50 also being able to be designed in the shape of a spherical segment.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the injector 24.
  • the valve body area 50 is conical or frustoconical in shape, such that the valve body area 50 points away from the valve seat 30 and thus in the direction illustrated by the arrow 48 opening direction , in particular continuously or successively, tapers.
  • a partial area T of the valve body area 50 tapers in the opening direction, the partial area T of the valve body area 50 tapering in the opening direction ending at a wall 58 of the valve body area 50, the wall 58 of which runs in a plane that extends perpendicularly to the direction of movement.
  • the wall 58 is planar when viewed outwards or in the opening direction.
  • valve body region 50 is rotationally symmetrical in relation to a longitudinal center axis L running parallel to the direction of movement or coinciding with the direction of movement.
  • the gaseous fuel can be guided in a particularly streamlined manner.
  • FIG. 4 shows the injector 24 according to a fourth specific embodiment in a schematic sectional view.
  • the injector 24 has a plurality of outflow openings 28 , for example at least or exactly 10 or a different number.
  • an optimization of the dead water space in the blow cap space can be achieved.
  • combustion chamber roof 20 piston 22 combustion chamber 24 injector 26 housing 28 outflow opening 30 valve seat 32 housing element 34 housing element 36 flow opening 38 valve element 40 double arrow 42 first housing area 44 second housing area 46 valve body 48 arrow 50 valve body area 52 blow cap area 54 cavity 56 shaft 58 wall E end area L longitudinal center axis T partial area

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor (24) zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum (22), mit einem von dem Kraftstoff durchströmbaren Gehäuse (26), welches eine von dem Kraftstoff durchströmbare Ausströmöffnung (28) aufweist, über welche zum Einbringen des Kraftstoffes in den Brennraum (22) der Kraftstoff aus dem Gehäuse (26) abführbar ist, mit einem Ventilsitz (30), und mit einem Ventilelement (38), welches zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbar ist. In der Schließstellung sitzt das Ventilelement (38) auf dem Ventilsitz (30), wodurch ein von dem Kraftstoff durchströmbarer, erster Gehäusebereich (42) von einem von dem Kraftstoff durchströmbaren zweiten Gehäusebereich (44) getrennt ist. In der Offenstellung sind die Gehäusebereiche (42, 44) fluidisch miteinander verbunden, wodurch der die Gehäusebereiche (42, 44) durchströmende Kraftstoff über die Ausströmöffnung (28) aus dem Gehäuse (26) abführbar ist. Das Ventilelement (38) öffnet nach außen und umfasst einen in dem zweiten Gehäusebereich (44) angeordneten Ventilkörperbereich (50), welcher gewölbt ist und/oder verjüngt.

Description

Daimler AG
Injektor zum Einbringen, insbesondere zum direkten Einblasen, von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, sowie Gasmotor
Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Einbringen, insbesondere zum direkten Einblasen, von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch einen Gasmotor mit wenigstens einem solchen Injektor.
Die DE 102017213737 A1 offenbart einen Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Düsenkörper, in welchem ein Druckraum ausgebildet ist, der mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist und von dem eine Eindüsöffnung ausgeht, durch die der gasförmige Kraftstoff austreten kann. Des Weiteren ist der EP 1 195203 A2 eine Vorrichtung zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums als bekannt zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Injektor für eine
Verbrennungskraftmaschine sowie einen Gasmotor mit wenigstens einem solchen Injektor zu schaffen, sodass gasförmiger Kraftstoff mittels des Injektors besonders vorteilhaft in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Gasmotors eingebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Gasmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Injektor zum Einbringen, insbesondere zum direkten Einblasen, von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere von Wasserstoff, in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Somit ist die Verbrennungskraftmaschine in ihrem befeuerten Betrieb mittels des gasförmigen Kraftstoffes betreibbar, sodass die Verbrennungskraftmaschine ein Gasmotor, insbesondere nach dem Ottormotorprinzip, ist beziehungsweise auch als Gasmotor bezeichnet wird. Während des befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine mittels des Injektors der gasförmige Kraftstoff in den Brennraum eingebracht, insbesondere direkt eingeblasen. Hierzu umfasst der Injektor ein Gehäuse, welches von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbar ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der gasförmige Kraftstoff, insbesondere von außerhalb des Gehäuses beziehungsweise des Injektors insgesamt, in das Gehäuse und dabei in den Injektor einleitbar ist beziehungsweise eingeleitet wird und danach wieder aus dem Gehäuse und insbesondere aus dem Injektor insgesamt ausleitbar ist beziehungsweise ausgeleitet wird. Beispielsweise wird der gasförmige Kraftstoff über wenigstens eine Einleitöffnung in den Injektor, insbesondere in das Gehäuse eingeleitet. Das Ausleiten des gasförmigen Kraftstoffes aus dem Gehäuse beziehungsweise aus dem Injektor insgesamt wird auch als Abführen des gasförmigen Kraftstoffes aus dem Gehäuse beziehungsweise aus dem Injektor insgesamt bezeichnet. Hierzu weist das Gehäuse wenigstens oder genau eine von dem das Gehäuse durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff durchströmbare Ausströmöffnung oder mehrere Ausströmöffnungen auf, über welche zum Einbringen des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum der gasförmige Kraftstoff aus dem Gehäuse, insbesondere aus dem Injektor insgesamt, abführbar und somit beispielsweise in eine Umgebung des Gehäuses, insbesondere des Injektors insgesamt, leitbar ist. Mit anderen Worten, um den gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einzubringen, insbesondere um den gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen, wird der zunächst in das Gehäuse beziehungsweise in den Injektor insgesamt eingeleitete, gasförmige Kraftstoff über die auch als Austrittsöffnung bezeichnete Ausströmöffnung aus dem Gehäuse und aus dem insbesondere insgesamt ausgeleitet beziehungsweise abgeführt und dadurch in die Umgebung, insbesondere direkt in den Brennraum, geleitet, das heißt geblasen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt tritt der die Ausströmöffnung durchströmende, gasförmige Kraftstoff aus dem Gehäuse und aus dem Injektor insgesamt aus, sodass der Injektor den die Ausströmöffnung durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff aus sich ausspritzt beziehungsweise ausbläst und hierdurch beispielsweise direkt in den Brennraum einbläst.
Der Injektor, insbesondere das Gehäuse, weist außerdem einen Ventilsitz auf, welcher beispielsweise, insbesondere direkt, durch das Gehäuse, insbesondere durch ein Gehäuseelement des Gehäuses, gebildet ist. Des Weiteren weist der Injektor ein einfach auch als Ventil bezeichnete Ventilelement auf, welches entlang einer Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Ventilsitz zumindest oder ausschließlich translatorisch zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar ist. Die Schließstellung ist eine erste Stellung des Ventilelements. Mit anderen Worten wird die Schließstellung auch als erste Stellung bezeichnet. Die Offenstellung ist eine zweite Stellung des Ventilelements. Mit anderen Worten wird die Offenstellung auch als zweite Stellung bezeichnet. Die Bewegungsrichtung verläuft vorzugsweise parallel zur Längserstreckungsrichtung des Ventilelements und/oder des Gehäuses. Unter dem Merkmal, dass das Ventilelement entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Ventilsitz zwischen den Stellungen bewegbar ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Ventilelement entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse und relativ zu dem Ventilsitz zwischen den Stellungen hin- und her bewegbar ist.
In der Schließstellung sitzt das Ventilelement auf dem Ventilsitz. Mit anderen Worten befindet sich das Ventilelement in der Schließstellung in Stützanlage mit dem Ventilsitz, wodurch in der Schließstellung mittels des Ventilelements ein von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbarer, erster Gehäusebereich des Gehäuses von einem von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbaren und in Strömungsrichtung des das Gehäuse durchströmenden, gasförmigen Kraftstoffes stromab des ersten Gehäusebereiches angeordneten, zweiten Gehäusebereich des Gehäuses getrennt ist. Dabei umfasst der zweite Gehäusebereich die Ausströmöffnung. Dies bedeutet, dass der gasförmige Kraftstoff auf seinem Weg durch das Gehäuse und dabei beispielsweise von der Einleitöffnung zu der Ausströmöffnung und durch die Ausströmöffnung hindurch zunächst den ersten Gehäusebereich und daraufhin den zweiten Gehäusebereich und die Ausströmöffnung durchströmt, welche beispielsweise an sich einen Ends in dem zweiten Gehäusebereich und anderen Ends in beziehungsweise an die Umgebung des Gehäuses, insbesondere des Injektors insgesamt, mündet. In vollständig hergestelltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine mündet beispielsweise die Ausströmöffnung anderen Ends direkt in den Brennraum, sodass der die Ausströmöffnung durchströmende und somit aus dem Injektor ausströmende, gasförmige Kraftstoff direkt in den Brennraum eingeblasen wird.
Beispielsweise erstreckt sich der Ventilsitz, insbesondere in um die Bewegungsrichtung verlaufender Umfangsrichtung des Gehäuses beziehungsweise des jeweiligen Gehäusebereichs und ganz insbesondere vollständig umlaufend, um eine Übertrittsöffnung herum, die in der Schließstellung des Ventilelements mittels des Ventilelements verschlossen und somit versperrt ist. Hierdurch sind in der Schließstellung mittels des Ventilelements die Gehäusebereiche fluidisch voneinander getrennt, wodurch kein gasförmiger Kraftstoff aus dem ersten Gehäusebereich in den zweiten Gehäusebereich strömen kann. Somit strömt in der Schließstellung des Ventilelements kein gasförmiger Kraftstoff durch die Ausströmöffnung hindurch, sodass in der Schließstellung des Ventilelements der Injektor den gasförmigen Kraftstoff nicht bereitstellt, das heißt nicht ausbläst. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt unterbleibt dadurch, dass in der Schließstellung des Ventilelements mittels des Ventilelements die Gehäusebereiche fluidisch voneinander getrennt sind, ein Ausströmen des gasförmigen Kraftstoffes über die Ausströmöffnung aus dem Gehäuse, insbesondere aus dem Injektor insgesamt. Da in der Schließstellung des Ventilelements mittels des Ventilelements die Gehäusebereiche fluidisch voneinander getrennt sind, ist in der Schließstellung des Ventilelements die Ausströmöffnung, insbesondere mittels des Ventilelements, von dem ersten Gehäusebereich fluidisch getrennt. Somit kann der gasförmige Kraftstoff nicht von dem ersten Gehäusebereich zu der Ausströmöffnung und nicht durch die Ausströmöffnung hindurch strömen.
In der Offenstellung ist das Ventilelement von dem Ventilsitz beabstandet beziehungsweise abgehoben, wodurch die Gehäusebereiche, insbesondere über die Durchströmöffnung, fluidisch miteinander verbunden sind und der die Gehäusebereiche durchströmende, gasförmige Kraftstoff über die Ausströmöffnung aus dem Gehäuse, insbesondere aus dem Injektor insgesamt, abführbar ist. Mit anderen Worten, um den gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einzubringen, insbesondere direkt in den Brennraum einzublasen, wird das Ventilelement aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt. Hierdurch kann der gasförmige Kraftstoff aus dem ersten Gehäusebereich in den zweiten Gehäusebereich strömen, den zweiten Gehäusebereich und dabei insbesondere die Ausströmöffnung durchströmen, sodass in der Offenstellung der Injektor den gasförmigen Kraftstoff ausblasen kann beziehungsweise ausbläst.
Um nun mittels des Injektors den gasförmigen Kraftstoff besonders vorteilhaft, insbesondere besonders strömungsgünstig, bereitstellen, das heißt ausblasen und somit in den Brennraum einbringen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ventilelement bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung zumindest teilweise in den zweiten Gehäusebereich hineinbewegbar ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass sich das Ventilelement bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung zumindest teilweise in den zweiten Gehäusebereich hinein bewegt. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt, um das Ventilelement aus der Schließstellung in die Offenstellung zu bewegen, wird das Ventilelement relativ zu dem Gehäuse und damit relativ zu dem Ventilsitz zumindest oder ausschließlich translatorisch in eine parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende Öffnungsrichtung bewegt, die, insbesondere von dem ersten Gehäusebereich, zu dem zweiten Gehäusebereich hinweist. Da zumindest ein Teil des Ventilelements bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung in den zweiten Gehäusebereich hineinbewegt wird, wird zumindest der Teil des Ventilelements bei dessen Bewegung aus der Offenstellung in die Schließstellung aus dem zweiten Gehäusebereich herausbewegt. Da sich das Ventilelement bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung in den zweiten Gehäusebereich hinein bewegt, wird das Ventilelement auch als nach außen öffnendes Ventilelement bezeichnet, sodass der Injektor als nach außen öffnender Injektor oder A-Düse oder A-Injektor bezeichnet wird.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ventilelement einen in beiden Stellungen, das heißt sowohl in der Schließstellung als auch in der Offenstellung in dem zweiten Gehäusebereich angeordneten, mithin in den zweiten Gehäusebereich hineinrangen Ventilkörperbereich aufweist, welcher zumindest in einem Teilbereich des Ventilkörperbereiches sich in eine von dem Ventilsitz wegweisende Richtung, das heißt insbesondere in die zuvor genannte Öffnungsrichtung, insbesondere kegelartig oder kegelstumpfartig, verjüngt. Alternativ oder zusätzlich ist der Ventilkörperbereich zumindest in dem Teilbereich gewölbt. Der Ventilkörperbereich ist somit ein Strömungsführungselement oder eine Strömungsführungsgeometrie, mittels welchem beziehungsweise welcher der in der Offenstellung des Ventilelements die Gehäusebereiche und die Ausströmöffnung durchströmende, gasförmige Kraftstoff besonders vorteilhaft, insbesondere besonders strömungsgünstig, geführt werden kann. Der in der Offenstellung die Gehäusebereiche und dabei die Ausströmöffnung durchströmende, gasförmige Kraftstoff strömt beispielsweise auf seinem Weg von dem ersten Gehäusebereich zu dem zweiten Gehäusebereich und durch die Ausströmöffnung hindurch zumindest den Teilbereich des Ventilkörperbereichs an und/oder zumindest um den Teilbereich des Ventilkörperbereichs herum und/oder entlang zumindest des Teilbereichs des Ventilkörperbereichs, sodass der Ventilkörperbereich beziehungsweise zumindest der Teilbereich des Ventilkörperbereichs den strömenden, gasförmigen Kraftstoff im Hinblick auf dessen Strömung beeinflusst. Da nun der Ventilkörperbereich zumindest in dem Teilbereich derart ausgebildet ist, dass sich zumindest der Teilbereich des Ventilkörperbereichs verjüngt und/oder gewölbt ist, beeinflusst der Ventilkörperbereich den strömenden, gasförmigen Kraftstoff, das heißt dessen Strömung besonders vorteilhaft. Beispielsweise ist der zweite Gehäusebereich zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, durch ein beispielsweise einstückig ausgebildetes Gehäuseteil des Gehäuses, insbesondere direkt, begrenzt beziehungsweise gebildet, wobei das Gehäuseelement beispielsweise eine so genannte Blaskappe des Gehäuses oder ein Blaskappenbereich des Gehäuses ist. Somit bewegt sich das Ventilelement bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung zumindest teilweise in die Blaskappe beziehungsweise in den Blaskappenbereich hinein. Wenn im Folgenden von der Blaskappe die Rede ist, so ist darunter - falls nichts anderes angegeben ist - auch der Blaskappenbereich zu verstehen und umgekehrt. Dabei beruht die Erfindung insbesondere auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen:
Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff hat eine geringere Dichte als Luft und vermischt sich daher nur schlecht im Brennraum. Um insbesondere bei einer Direkteinblasung des Wasserstoffs in den Brennraum eine vorteilhafte Gemischbildung zu realisieren, ist u.a. eine gezielte Erzeugung einer Drall und/oder Tumble-Strömung des in den Brennraum einströmenden, beispielsweise als Wasserstoff ausgebildeten, gasförmigen Kraftstoffes wünschenswert beziehungsweise vorteilhaft, insbesondere unter Nutzung eines Einblaseimpulses in Kombination mit der Interaktion eines so genannten Blasjets mit den Brennraum, insbesondere direkt, begrenzenden Brennraumwänden der Verbrennungskraftmaschine. Unter dem zuvor genannten Blasjet ist insbesondere folgendes zu verstehen: In der Offenstellung des Ventilelements bläst der Injektor den gasförmigen Kraftstoff unter Bildung wenigstens oder genau eines Kraftstoffstrahls aus, welcher der zuvor genannte Blasjet ist. Insbesondere bläst in der Offenstellung des Ventilelements der Injektor den gasförmigen Kraftstoff unter Bildung mehrerer, auch als Blasjets bezeichneter Kraftstoffstrahlen aus, insbesondere dann, wenn mehrere Ausströmöffnungen vorgesehen sind. Auch bei einer zentral im Brennraum angeordneten Mehrlochblaskappe kann der Impuls erhöht werden was auch von Vorteil ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt bildet der die Ausströmöffnung durchströmende und dabei über die Ausströmöffnung aus dem Gehäuse, insbesondere aus dem Injektor insgesamt, ausströmende, gasförmige Kraftstoff den zuvor genannten, auch als Strahl oder Kraftstoffstrahl bezeichneten Blasjet. Eine erste der zuvor genannten Brennraumwände ist beispielsweise eine Zylinderwand, welche einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere direkt, begrenzt. Die Zylinderwand ist beispielsweise durch ein insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Zylindergehäuse der Verbrennungskraftmaschine gebildet. Eine zweite der Brennraumwände ist beispielsweise durch einen Kolben gebildet, welche translatorisch bewegbar in dem Zylinder angeordnet ist. Beispielsweise ist die zweite Brennraumwand eine Kolbenmulde des Kolbens. Des Weiteren kann die vorteilhafte Gemischbildung durch Verwendung mehrerer, auch als Blaslöcher bezeichneter Ausströmöffnungen und somit gleichmäßiger Lufterfassung realisiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Einzeljetimpuls möglichst hoch ist, um eine ausreichend große Jet-Eindringtiefe zu erzielen. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausführung des Ventilkörpers, aufgrund der reduzierten Strömungsverluste besonders gewährleistet.
Die Blaskappe ist ein Strömungsbereich, welches bezogen auf die Öffnungsrichtung unter dem auch als Einblaseventil bezeichneten Ventilelement angeordnet ist, und, insbesondere durch die Ausströmöffnung, dem die Ausströmöffnung durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff eine vorteilhafte Strömung, beispielsweise eine vorteilhafte Drall- und/oder Tumble-Strömung aufprägen kann. Üblicherweise ist das nach außen öffnende Ventilelement als ein einfaches Tellerventil ausgebildet, dessen Ventilkörperbereich als einfacher Ventilteller ausgebildet ist. Demgegenüber ist durch die Erfindung eine besonders vorteilhafte, konstruktive Beschaffenheit des Ventilelements und insbesondere des Ventilkörperbereichs vorgesehen, wobei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilkörperbereichs ein so genanntes Blaskappenvolumens besonders gering gehalten werden kann. Unter dem Blaskappenvolumen ist beispielsweise das gesamte Volumen beziehungsweise Innenvolumen des zweiten Gehäusebereichs, insbesondere mit Ausnahme der Ausströmöffnung, zu verstehen. Da das Blaskappenvolumen bei der Erfindung besonders gering gehalten werden kann, kann ein unerwünschtes Schadvolumen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert werden, Strömungsverluste können verringert werden und eine unerwünschte Selbstzündung in der Blaskappe, das heißt in dem zweiten Gehäusebereich, kann verhindert werden. Außerdem kann durch die Erfindung eine besonders vorteilhafte Strahlrichtung des Blasjets eingestellt werden.
Grundsätzlich ist es denkbar, insbesondere bei Injektoren zum direkten Einblasen von Wasserstoff das Ventilelement als nach innen öffnendes Ventilelement, mithin als nach innen öffnende Nadel auszugestalten. Dabei bewegt sich das Ventilelement bei seiner Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung von dem zweiten Gehäusebereich weg und dabei zumindest teilweise in den ersten Gehäusebereich hinein. Der Ventilsitz würde sich dann an einem Ende der Blaskappe befinden. Dies kann jedoch aufgrund von thermischen Randbedingungen im Brennraum und insbesondere während des befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zu Dichtheitsprobleme führen, was dadurch, dass das Ventilelement erfindungsgemäß als nach außen öffnendes Ventilelement ausgebildet ist, vermieden werden kann. Injektoren, bei denen das Ventilelement als einfaches, nach außen öffnendes Tellerventile ausgebildet ist und der zweite Teilgehäusebereich entfällt, sodass dann ein brennraumseitiges Ende des Tellerventils direkt im Brennraum angeordnet und nicht von der Blaskappe umgeben ist, erzeugen den Blasjet als ein Schirmstrahl, welcher nicht zur Erzeugung einer vorteilhaften Drall- und/oder Tumble-Strömung des den Blasjet bildenden, gasförmigen Kraftstoffes geeignet ist. Außerdem verursacht ein einfaches Tellerventil in einer Blaskappe Strömungsverluste, sodass eine Richtungstreue der Strahlrichtung nicht gewährleistet ist.
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun durch die Erfindung vermieden werden, da zumindest der Teilbereich des Ventilkörperbereichs als vorteilhafte Strömungsführungsgeometrie wirkt, welche den die Gehäusebereiche und dabei die Ausströmöffnung durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff vorteilhaft und Strömungsgünstig führt beziehungsweise im Hinblick auf dessen Strömung vorteilhaft beeinflusst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilkörperbereichs kann der Ventilkörperbereich beziehungsweise das Ventilelement insbesondere in dessen Offenstellung einen besonders großen Teil des Innenvolumens der Blaskappe beziehungsweise des zweiten Gehäusebereichs einnehmen, wodurch das Blaskappenvolumen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert werden kann. Dadurch kann die Gefahr zur Selbstzündung reduziert werden, und das Schadvolumen kann reduziert werden.
Mittels des Ventilkörperbereichs kann der den zweiten Teilbereich durchströmende, gasförmige Kraftstoff das heißt dessen Strömung, insbesondere in dem zweiten Gehäusebereich, vorteilhaft geleitet werden. Mit anderen Worten weist zumindest der Teilbereich des Ventilkörperbereichs eine besonders vorteilhafte, auch als Ventilform bezeichnete Form auf, mittels welcher der gasförmige Kraftstoff beziehungsweise dessen Strömung in dem zweiten Gehäusebereich vorteilhaft geleitet werden kann insbesondere können übermäßige Totwasserräume und eine übermäßige Wirbelentstehung verhindert werden. Dadurch können die Strömungsverluste der Blaskappe, das heißt in dem zweiten Gehäusebereich besonders gering gehalten werden, und bei Verwendung von mehreren Überströmöffnungen beziehungsweise Überströmbohrungen kann eine Beeinflussung vermieden werden. In der Folge kann ein besonders hoher Impuls des Kraftstoffstrahls realisiert werden, sodass eine besonders vorteilhafte Gemischbildung dargestellt werden kann. Unter der Überströmöffnung beziehungsweise Überströmbohrung ist insbesondere die zuvor genannte Ausströmöffnung zu verstehen. Ferner ermöglicht die Erfindung eine definierte Anströmung der Überströmöffnung beziehungsweise Überströmbohrung, was zu einer besonders vorteilhaften und definierten Strahlrichtung des aus dem Gehäuse, insbesondere aus dem Injektor insgesamt, ausströmenden, gasförmigen Kraftstoffes führt. Somit kann eine vorteilhafte Drall- und/oder Tumble-Strömung des aus dem Gehäuse beziehungsweise aus dem Injektor insgesamt ausströmenden, gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum realisiert werden. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Verbesserung der Gemischhomogenisierung realisiert werden, wodurch eine besonders hohe spezifische Leistung der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann. Außerdem kann ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt der Ventilkörperbereich in der Schließstellung des Ventilelements wenigstens ein Drittel, insbesondere wenigstens die Hälfte, des zuvor genannten und beschriebenen Innenvolumens des zweiten Gehäusebereiches ein, welches das von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbare Innenvolumen in der Schließstellung des Ventilelements einnimmt. Dadurch kann das Blaskappenvolumen, in welchem das Ventilelement in der Offenstellung nicht angeordnet ist, besonders gering gehalten werden, sodass das Schadvolumen in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilkörperbereich bezogen auf eine parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende Mittelachse des Ventilkörperbereiches rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch kann der die Gehäusebereiche durchströmende, gasförmige Kraftstoff besonders strömungsgünstig mittels des Ventilkörperbereichs geführt werden.
In weiterer, besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörperbereich zumindest in dem Teilbereich, insbesondere zumindest überwiegend, konvex und dadurch in den zweiten Gehäusebereich hineingewölbt. Dadurch kann eine besonders strömungsgünstige Führung des gasförmigen Kraftstoffes gewährleistet werden.
Um den gasförmigen Kraftstoff besonders vorteilhaft führen und somit in den Brennraum einbringen, insbesondere einblasen, zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Ventilkörperbereich zumindest in dem Teilbereich, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkörperbereich zumindest in dem Teilbereich konkav gewölbt. Hierdurch kann eine besonders strömungsgünstige Führung des gasförmigen Kraftstoffes gewährleistet werden, sodass letzterer besonders gut in den Brennraum eingebracht werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sich der verjüngende Teilbereich des Ventilkörperbereiches an einer insbesondere eine dem Brennraum zugewandte Stirnseite bildende Wandung des Ventilkörperbereiches endet, dessen Wandung sich in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Ebene erstreckt. Dadurch kann der gasförmige Kraftstoff besonders gezielt und definiert geführt werden, sodass er besonders vorteilhaft in den Brennraum eingebracht werden kann.
In weiterer, besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörperbereich zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, hohl. Dadurch kann das Gewicht des Ventilelements hinreichend gering gehalten werden, sodass das Ventilelement mit einer hohen Dynamik, das heißt besonders schnell zwischen der Schließstellung und der Offenstellung hin- und her bewegt werden kann. Dadurch kann der gasförmige Kraftstoff besonders gut in den Brennraum eingebracht werden.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Ventilsitz kreisrund ist. Dadurch kann eine besonders strömungsgünstige Führung des gasförmigen Kraftstoffes auf dessen Weg durch das Gehäuse gewährleistet werden.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Injektor einen elektrisch betreibbaren Aktor, das heißt einen elektrischen Aktor aufweist, mittels welchem das Ventilelement unter Nutzung von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom zumindest aus einer der Stellungen in die jeweils andere Stellung bewegbar ist. Mit anderen Worten, um mittels des Aktors das Ventilelement aus der einen Stellung in die andere Stellung zu bewegen, wird der Aktor mit elektrischer Energie beziehungsweise mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch kann der gasförmige Kraftstoff besonders bedarfsgerecht in den Brennraum eingebracht werden. Vorzugsweise ist die eine Stellung die Schließstellung, sodass die andere Stellung vorzugsweise die Offenstellung ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine als Gasmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, welche wenigstens einen Injektor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer als Gasmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Injektors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Injektors gemäß einer dritten Ausführungsform; und
Fig. 4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Injektors gemäß einer vierten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine als Gasmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10, welche als Hubkolbenmaschine beziehungsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein vorzugsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Zylindergehäuse 12, welches wenigstens einen Zylinder 14 aufweist, das heißt bildet beziehungsweise begrenzt. Hierzu weist das Zylindergehäuse 12 eine Zylinderwand 16 als erst Brennraumwand auf, wobei der Zylinder 14 durch die Zylinderwand 16 direkt begrenzt und somit gebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein separat von dem Zylindergehäuse 12 ausgebildetes Gehäuseelement 17, welches beispielsweise als ein Zylinderkopf ausgebildet ist. Das Gehäuseelement 17 ist mit dem Zylindergehäuse 12 verbunden. Das Gehäuseelement 17 umfasst oder bildet ein Brennraumdach 18, welches dem Zylinder 14 zugeordnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem einen Kolben 20, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder 14 aufgenommen ist. Der Kolben 20, der Zylinder 14 und das Brennraumdach 18 begrenzen jeweils teilweise einen Brennraum 22 der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei der Kolben 20, insbesondere dessen in Fig. 1 nicht dargestellte Kolbenmulde, eine zweite, den Brennraum teilweise begrenzende Brennraumwand aufweist beziehungsweise bildet.
Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 laufen in dem Brennraum 22 Verbrennungsvorgänge ab. Bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang wird ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt. Das Gemisch umfasst einen gasförmigen Kraftstoff, welcher in den Brennraum 22 eingebracht wird. Mittels des gasförmigen Kraftstoffes wird die Verbrennungskraftmaschine 10 in ihrem befeuerten Betrieb betrieben. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der gasförmige Kraftstoff innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, direkt in den Brennraum 22 eingeblasen und dadurch in den Brennraum 22 eingebracht. Außerdem umfasst das Gemisch Luft, welche auch als Frischluft bezeichnet und in den Brennraum 22 eingeleitet wird. Vorzugsweise wird eine Zündkerze zum Zünden des Gemischs verwendet. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine nach dem Ottomotorprinzip, das heißt mittels eines oder des Ottobrennverfahrens betrieben ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem einen dem Brennraum 22 zugeordneten Injektor 24, mittels welchem der gasförmige Kraftstoff direkt in den Brennraum 22 einblasbar und dadurch einbringbar ist. Dies bedeutet, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 der gasförmige Kraftstoff mittels des Injektors 24 direkt in den Brennraum 22 eingeblasen wird, insbesondere unter Bildung wenigstens oder genau eines auch als Blasjet bezeichneten und durch den aus dem Injektor 24 insgesamt ausströmenden und dadurch in den Brennraum 22 einströmenden, gasförmigen Kraftstoff gebildeten Kraftstoffstrahls. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 10 ein Wasserstoffmotor, sodass der gasförmige Kraftstoff Wasserstoff ist. Dabei weist der Injektor 24 ein von dem gasförmigen Kraftstoff (Wasserstoff) durchströmbares Gehäuse 26 auf, welches bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel genau eine von dem gasförmigen Kraftstoff durch ström bare und auch als Überströmöffnung oder Blasloch bezeichnete Ausströmöffnung 28 aufweist. Über die Ausströmöffnung 28 ist beziehungsweise wird zum Einbringen des gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere zum direkten Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs, in den Brennraum 22 der gasförmige Kraftstoff aus dem Gehäuse 26 abführbar beziehungsweise abgeführt. Beispielsweise ist die Ausströmöffnung 28 als eine Bohrung ausgebildet, sodass die Ausströmöffnung 28 auch als Ausströmbohrung oder Überströmbohrung bezeichnet wird. Es ist erkennbar, dass der das Gehäuse 26 durchströmende, gasförmige Kraftstoff über die Ausströmöffnung 28 aus dem Gehäuse 26 und aus dem Injektor 24 insgesamt abführbar und dadurch direkt in den Brennraum 22 einblasbar ist. Der Injektor 24, insbesondere das Gehäuse 26, weist auch einen Ventilsitz 30 auf. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ventilsitz 30 durch das Gehäuse 26 gebildet. Insbesondere ist der Ventilsitz 30 durch ein erstes Gehäuseelement 32 des Gehäuses 26 gebildet dabei ist es denkbar, dass das Gehäuse 26 ein zweites Gehäuseelement 34 aufweist, welches beispielsweise separat von dem Gehäuseelement 32 ausgebildet und mit dem Gehäuseelement 32 verbunden ist. Insbesondere sind die Gehäuseelemente 32 und 34 derart miteinander verbunden, dass die Gehäuseelemente 32 und 34 aneinander festgelegt sind, mithin dass Relativbewegungen zwischen den Gehäuseelementen 32 und 34 vermieden sind. Das Gehäuse 26, insbesondere das Gehäuseelement 32, weist eine auch als Durchtrittsöffnung bezeichnete Durchströmöffnung 36 auf, um welche sich der Ventilsitz 30 in Umfangsrichtung des Gehäuses 26 und somit in Umfangsrichtung der Durchströmöffnung 36 vollständig umlaufend herum erstreckt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Ventilsitz 30 und somit die Durchströmöffnung 36 kreisrund.
Der Injektor 24 weist auch ein einfach als Ventil bezeichnetes Ventilelement 38 auf, welches entlang einer in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil 40 veranschaulichten Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse 26 und somit relativ zu den Gehäuseelementen 32 und 34 und relativ zu dem Ventilsitz 30 zwischen einer Schließstellung und wenigstens oder genau einer in Fig. 1 gezeigten Offenstellung zumindest oder ausschließlich translatorisch bewegbar ist. Die Schließstellung wird auch als erste Stellung bezeichnet, wobei die Offenstellung als zweite Stellung bezeichnet wird. Es ist erkennbar, dass das Gehäuse 26 einen ersten Gehäusebereich 42 und einen zweiten Gehäusebereich 44 aufweist, wobei die Gehäusebereiche 42 und 44 von dem das Gehäuse 26 durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff durchströmbar sind. Bezogen auf die Bewegungsrichtung und von dem Brennraum 22 aus betrachtet ist der Gehäusebereich 42 jenseits des Ventilsitzes 30 beziehungsweise der Durchströmöffnung 36 angeordnet, wobei der Gehäusebereich 44 diesseits des Ventilsitzes 30 beziehungsweise der Durchströmöffnung 36 angeordnet ist. In der Schließstellung sitzt das Ventilelement 38, insbesondere ein Ventilkörper 46 des Ventilelements 38, auf dem Ventilsitz 30, wodurch mittels des Ventilelements 38, insbesondere mittels des Ventilkörpers 46, die Durchströmöffnung 36 fluidisch versperrt ist, wodurch die Gehäusebereiche 42 und 44 fluidisch voneinander getrennt sind. Dabei ist erkennbar, dass der Gehäusebereich 44 die Ausströmöffnung 28 aufweist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Ausströmöffnung 28 einerseits oder einen Ends in oder an eine Umgebung des Injektors 24 insgesamt und dabei in den Brennraum 22 mündet. Andererseits oder anderen Ends mündet die Ausströmöffnung 28 in das Gehäuse 26 und dabei in den Gehäusebereich 44. Somit ist in der Schließstellung des Ventilelements 38 mittels des Ventilelements 38 die Ausströmöffnung 28 von dem Gehäusebereich 42 fluidisch getrennt, wobei der Gehäusebereich 44 in Strömungsrichtung des das Gehäuse 26 und somit die Gehäusebereiche 42 und 44 durchströmenden, gasförmigen Kraftstoffes stromab des Gehäusebereichs 42 angeordnet ist. Somit kann in der Schließstellung des Ventilelements 38 des gasförmige Kraftstoff nicht von dem Gehäusebereich 42 in den Gehäusebereich 44 und somit nicht durch die Ausströmöffnung 28 hindurchströmen, sodass in der Schließstellung des Ventilelements 38 ein Ausströmen des gasförmigen Kraftstoffes aus dem Gehäuse 26 und insbesondere aus dem Injektor 24 insgesamt unterbleibt. Dadurch unterbleibt in der Schließstellung ein durch den Injektor 24 bewirktes Einbringen, insbesondere Einblasen des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum 22.
In der Offenstellung jedoch gibt das Ventilelement 38 die Durchströmöffnung 36 frei, sodass in der Offenstellung des Ventilelements 38 die Gehäusebereiche 42 und 44 über die Durchströmöffnung 36 fluidisch miteinander verbunden sind. Dadurch kann in der Offenstellung des Ventilelements 38 der gasförmige Kraftstoff durch die Gehäusebereiche 42 und 44 und durch die Ausströmöffnung 28 hindurchströmen, sodass in der Offenstellung des Ventilelements 38 des Injektor 24 den gasförmigen Kraftstoff ausbläst oder ausblasen kann. Hierdurch wird der gasförmige Kraftstoff mittels des Injektors 24 direkt in den Brennraum 22 eingeblasen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist in der Offenstellung des Ventilelements 38 der die Gehäusebereiche 42 und 44 durchströmende, gasförmige Kraftstoff über die Ausströmöffnung 48 aus dem Gehäuse 26 und dabei aus dem Injektor 24 insgesamt abführbar.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Injektors 24. Um den gasförmigen Kraftstoff insbesondere in der Offenstellung des Ventilelements 38 besonders strömungsgünstig führen und somit besonders vorteilhaft in den Brennraum 22 einbringen zu können, ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass das Ventilelement 38 bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung zumindest teilweise in den zweiten Gehäusebereich 44 hinein bewegbar ist. Mit anderen Worten, um das Ventilelement 38 aus der Schließstellung in die Offenstellung zu bewegen, wird das Ventilelement 38 relativ zu dem Gehäuse 26 und somit relativ zu dem Ventilsitz 30 zumindest oder ausschließlich translatorisch in eine parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende und in Fig. 1 durch einen Pfeil 48 veranschaulichte Öffnungsrichtung bewegt, wobei die Öffnungsrichtung, insbesondere von dem Gehäusebereich 42, hin zu dem Gehäusebereich 44 weist. Somit ist das Ventilelement 38 ein nach außen öffnendes Ventilelement, wobei jedoch das Ventilelement 38, insbesondere dessen insbesondere durch den Ventilkörper 46 gebildeter, brennraumseitiger Endbereich E, in beiden Stellungen innerhalb des Gehäuses 26 und dabei in dem zweiten Gehäusebereich 44 angeordnet ist. Des Weiteren ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass das Ventilelement 38 einen in beiden Stellungen in dem zweiten Gehäusebereich 44 angeordneten und durch den Ventilkörper 46 gebildeten Ventilkörperbereich 50 aufweist, welcher bei der zweiten Ausführungsform zumindest in einem Teilbereich, insbesondere zumindest überwiegend und somit zumindest zu mehr als zur Hälfte oder aber vollständig, gewölbt ist. Bei der ersten Ausführungsform ist der Ventilkörperbereich 50 konvex gewölbt und dadurch in den zweiten Gehäusebereich 44 hineingewölbt, wobei der Ventilkörperbereich 50 kugelsegmentförmig ausgebildet ist.
In der Schließstellung des Ventilelements 38 weist der zweite Gehäusebereich 44 ein von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbares Innenvolumen auf, wobei der Ventilkörperbereich 50 in der Schließstellung wenigstens ein Dritte, insbesondere wenigstens die Hälfte, des Innenvolumens des zweiten Gehäusebereichs 44 einnimmt. Dadurch kann ein Schadvolumen besonders gering gehalten werden.
Injektorkonzepte mit nach innen öffnender oder nach außen öffnender Düsennadel sind bekannt. Bei beiden Injektorkonzepten wird jedoch eine hohe Schließkraft durch ein hydraulisches System aufgebracht, um hierdurch eine Leckage möglichst gering zu halten. Elektrisch angesteuerte beziehungsweise betreibbare Injektoren können diese hohen Schließkräfte nicht realisieren, sodass der Ventilsitz 30 besonders gegen Rauigkeiten und Wärmeverzug geschützt werden sollte. Dies ist möglich, da der Ventilsitz 30 in dem Gehäuse 26 angeordnet ist. Der Gehäusebereich 44 ist zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend und somit zu mehr als zur Hälfte und ganz vorzugsweise vollständig, durch einen auch als Blaskappe bezeichneten Blaskappenbereich 52 des Gehäuses 26, insbesondere direkt, begrenzt beziehungsweise gebildet. Beispielsweise ist der Blaskappenbereich 52 durch das Gehäuseelement 34 gebildet beziehungsweise begrenzt, welches einstückig ausgebildet sein kann. Die Blaskappe, mithin der Blaskappenbereich 52, wird zur Strahlformung, mithin dazu genutzt, den zuvor genannten Kraftstoffstrahl (Blasjet) zu formen. Hierzu weist die Blaskappe die genau eine Ausströmöffnung 28 auf, die dem die Ausströmöffnung 28 durchströmenden, gasförmigen Kraftstoff beziehungsweise den durch den gasförmigen Kraftstoff gebildeten Kraftstoffstrahl eine Form aufprägen kann. Es ist denkbar, dass der Injektor 24, insbesondere die Blaskappe, mehrere, beispielsweise als Bohrungen ausgebildete Ausströmöffnungen 28 aufweist. Da der Ventilkörperbereich 50 in beiden Stellungen in dem Gehäusebereich 44 angeordnet ist, ist der Ventilkörperbereich 50 beziehungsweise das Ventilelement 38 gegenüber der Ausströmöffnung 28 und dabei in das Gehäuse 26 hin zurück versetzt. Hierdurch kann eine übermäßige, insbesondere thermische Belastung des Ventilsitzes 30 vermieden werden.
Vorzugsweise ist der Injektor 24 ein elektrisch angesteuerter und elektrisch betreibbarer Injektor. Dies bedeutet, dass vorzugsweise ein elektrisch betreibbarer Aktor vorgesehen ist, mittels welchem unter Nutzung von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom das Ventilelement 38 zumindest aus einer der Stellungen in die andere Stellung bewegbar ist.
Üblicherweise ergibt sich konstruktionsbedingt ein verhältnismäßiger großer Blaskappenraum, unter welchem das zuvor genannte Innenvolumen des Gehäusebereichs 44 zu verstehen ist. Der Blaskappenraum stellt ein Volumen dar, welcher bis auf die Ausströmöffnung 28 beziehungsweise auf die Ausströmöffnungen von dem eigentlichen Brennraum 22 abgetrennt beziehungsweise abgegrenzt ist. Üblicherweise besteht insbesondere dann, wenn die Ausströmöffnung 28 groß ausgestaltet ist, die Möglichkeit eines so genannten „Durchbrennens“ von Flammen aus dem Brennraum 22 in den Blaskappenraum (Gehäusebereich 44). Darüber hinaus sind aufgrund von exponierten Wände der Blaskappe im Brennraum 22 Erhöhungen einer Temperatur im Blaskappenraum relativ zum Brennraum 22 möglich. Dies bietet die Gefahr von Selbstzündung im Blaskappenraum. Während des Einblasens des gasförmigen Kraftstoffes ergeben sich große Geschwindigkeitsgradienten im Blaskappenraum, die teilweise zu parasitären Wirbelstrukturen führen können.
Um die zuvor genannten Nachteile und Probleme zu vermeiden, ist bei der ersten Ausführungsform der Ventilkörperbereich 50 als, insbesondere konvex, gewölbte Struktur vorgesehen. Der Ventilkörperbereich 50 fungiert somit als Strahlformungskappe, mittels welcher der gasförmige Kraftstoff besonders vorteilhaft und strömungsgünstig geführt werden kann. In der Offenstellung strömt der gasförmige Kraftstoff durch die Gehäusebereiche 42 und 44, wobei der gasförmige Kraftstoff den Ventilkörperbereich 50 anströmt und umströmt. Durch die entsprechende Ausgestaltung des Ventilkörperbereichs 50 kann hierbei der gasförmige Kraftstoff besonders strömungsgünstig geführt werden. Das Ventilelement 38 ist somit nicht als einfaches Tellerventil mit einem einfachen Ventilteller als Ventilkörper 46 ausgebildet, sondern der Ventilkörper 46 beziehungsweise dessen Ventilkörperbereich 50 ist bei der ersten Ausführungsform kugelsegmentförmig und somit als gewölbte Struktur ausgebildet. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ist der Ventilkörper 46 beziehungsweise der Ventilkörperbereich 50 somit eine strömungsförmig optimierte Strahlformungskappe, welche im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen das freie Volumen im Blaskappenraum deutlich reduziert und zu einer vorteilhaft gerichteten Durchströmung von gasförmigen Kraftstoffes durch den restlichen Blaskappenraum führt. Aufgrund eines gegenüber herkömmlichen Lösungen stark vergrößerten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen des Ventilkörperbereichs 50 werden auch als Hotspots bezeichnete, heiße Stellen im Blaskappenraum vermieden, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen die Gefahr von Selbstzündungen im Blaskappenraum reduziert wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ist das Ventilelement 38 unterhalb eines herkömmlicher Weise vorgesehenen Ventiltellers strömungsoptimal in die Blaskappe, mithin in den Gehäusebereich 44 ragend verlängert, um hierdurch den gasförmigen Kraftstoff beziehungsweise dessen Strömung in der Blaskappe zu definieren und gleichzeitig das insbesondere freie Blaskappenvolumen zu reduzieren. Unter dem freien Blaskappenvolumen ist insbesondere das Volumen zu verstehen, in welchem das Ventilelement 38 in der Offenstellung nicht angeordnet ist.
Die gerichtete Durchströmung des Blaskappenraums ermöglicht auch die Auslegung der Strahlrichtung in den Brennraum 22, insbesondere im Hinblick auf die Strahlrichtungstreue. Bei der Verwendung von mehreren Ausströmöffnungen werden Interaktionen zwischen den Ausströmöffnungen durch Wirbel reduziert oder vermieden, wodurch ein vorteilhaft gleichmäßigeres Strahlbild erzielt wird. Um das Gewicht des auch als Einblaseventil bezeichneten Ventilelements 38 hinreichend gering zu halten und somit eine hinreichend hohe Dynamik des Ventilelements 38 sicherstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Ventilkörperbereich 50 beziehungsweise der Ventilkörper 46 hohl ausgebildet ist. Somit weist bei der ersten Ausführungsform der Ventilkörper 46 in seinem inneren einen Hohlraum 54 auf. Das Ventilelement 38 umfasst den Ventilkörper 46 und einen Schaft 56. Der Schaft 56 und der Ventilkörper 46 können einstückig miteinander ausgebildet sein. Insbesondere dann, wenn der Ventilkörper 46 hohl ausgebildet ist, kann es vorteilhaft sein, wenn der Schaft 56 und der Ventilkörper 46 als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Komponenten ausgebildet sind. Beispielsweise ist der Ventilkörper 46 und somit der Ventilkörperbereich 50 durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen mit dem Schaft 56 beziehungsweise mit einem Einblaseventil-Rohteil verbunden.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Injektors 24. Bei der zweiten Ausführungsform ist der Ventilkörperbereich 50 konvex und somit von dem Gehäusebereich 44 weg gewölbt, wobei der Ventilkörperbereich 50 ebenfalls kugelsegmentförmig ausgebildet sein kann.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Injektors 24. Bei der dritten Ausführungsform ist der Ventilkörperbereich 50 kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet, derart, dass sich der Ventilkörperbereich 50 in eine von dem Ventilsitz 30 weg weisende Richtung und somit in die durch den Pfeil 48 veranschaulichte Öffnungsrichtung, insbesondere kontinuierlich beziehungsweise sukzessive, verjüngt. Dabei verjüngt sich ein Teilbereich T des Ventilkörperbereichs 50 in die Öffnungsrichtung, wobei der sich in die Öffnungsrichtung verjüngende Teilbereich T des Ventilkörperbereichs 50 an einer Wandung 58 des Ventilkörperbereichs 50 endet, dessen Wandung 58 in einer Ebene verläuft, die sich senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckt. Die Wandung 58 ist nach außen beziehungsweise in die Öffnungsrichtung betrachtet eben ausgebildet. Des Weiteren ist es bei allen drei Ausführungsformen vorgesehen, dass der Ventilkörperbereich 50 bezogen auf eine parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende oder mit der Bewegungsrichtung zusammenfallende Längsmittelachse L rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch kann der gasförmige Kraftstoff besonders strömungsgünstig geführt werden.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht den Injektor 24 gemäß einer vierten Ausführungsform. Der Injektor 24 weist dabei mehrere, beispielsweise mindestens oder genau 10 oder eine davon unterschiedliche Anzahl an Ausströmöffnungen 28 auf. Dies bedeutet, dass die folgenden und vorigen Ausführungen sowohl für Blaskappen mit genau einer, auch als Überströmöffnung bezeichneten Ausströmöffnungen 28 gelten und vorteilhaft sind, als auch für Blaskappen mit mehreren Überströmöffnungen. Hier kann eine Optimierung des Totwasserraums im Blaskappenraum erzielt werden.
Bezugszeichenliste
10 Verbrennungskraftmaschine
12 Zylindergehäuse
14 Zylinder
16 Zylinderwand
17 Gehäuseelement
18 Brennraumdach 20 Kolben 22 Brennraum 24 Injektor 26 Gehäuse 28 Ausströmöffnung 30 Ventilsitz 32 Gehäuseelement 34 Gehäuseelement 36 Durchströmöffnung 38 Ventilelement 40 Doppelpfeil 42 erster Gehäusebereich 44 zweiter Gehäusebereich 46 Ventilkörper 48 Pfeil 50 Ventilkörperbereich 52 Blaskappenbereich 54 Hohlraum 56 Schaft 58 Wandung E Endbereich L Längsmittelachse T Teilbereich

Claims

Patentansprüche
1. Injektor (24) zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbaren Gehäuse (26), welches wenigstens eine von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbare Ausströmöffnungen (28) aufweist, über welche zum Einbringen des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum (22) der gasförmige Kraftstoff aus dem Gehäuse (26) abführbar ist, mit einem Ventilsitz (30), und mit einem Ventilelement (38), welches entlang einer Bewegungsrichtung (40) relativ zu dem Gehäuse (26) und relativ zu dem Ventilsitz (30) zumindest translatorisch bewegbar zwischen:
- einer Schließstellung als erster Stellung, in welcher das Ventilelement (38) auf dem Ventilsitz (30) sitzt und dadurch einen von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbaren, ersten Gehäusebereich (42) des Gehäuses (26) von einem von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbaren, in Strömungsrichtung des das Gehäuse (26) durchströmenden, gasförmigen Kraftstoffes stromab des ersten Gehäusebereiches (42) angeordneten und den Ausströmöffnungen (28) aufweisenden, zweiten Gehäusebereich (44) des Gehäuses (26) trennt, wodurch ein Ausströmen des gasförmigen Kraftstoffes über die Ausströmöffnungen (28) aus dem Gehäuse (26) unterbleibt; und
- wenigstens einer Offenstellung als zweiter Stellung, in welcher das Ventilelement (38) von dem Ventilsitz (30) beabstandet ist, wodurch die Gehäusebereiche (42, 44) fluidisch miteinander verbunden sind und der die Gehäusebereiche (42, 44) durchströmende, gasförmige Kraftstoff über die Ausströmöffnung (28) aus dem Gehäuse (26) abführbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (38) bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung zumindest teilweise in den zweiten Gehäusebereich (44) hineinbewegbar ist und einen in beiden Stellungen in dem zweiten Gehäusebereich (44) angeordneten Ventilkörperbereich (50) aufweist, welcher zumindest in einem Teilbereich (T) des Ventilkörperbereiches (50) gewölbt ist und/oder sich in eine von dem Ventilsitz (30) wegweisende Richtung verjüngt.
2. Injektor (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schießstellung des Ventilelements (38) der zweite Gehäusebereich (44) ein von dem gasförmigen Kraftstoff durchströmbares Innenvolumen aufweist, wobei der Ventilkörperbereich (50) in der Schließstellung wenigstens ein Drittel des Innenvolumens des zweiten Gehäusebereiches (44) einnimmt.
3. Injektor (24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörperbereich (50) bezogen auf eine parallel zur Bewegungsrichtung (40) verlaufende Mittelachse (L) des Ventilkörperbereiches (50) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
4. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörperbereich (50) zumindest in dem Teilbereich (T), insbesondere zumindest überwiegend, konvex und dadurch in den zweiten Gehäusebereich (44) hineingewölbt ist.
5. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörperbereich (50) zumindest in dem Teilbereich (T), insbesondere zumindest überwiegend, kugelsegmentförmig ausgebildet ist.
6. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörperbereich (50) zumindest in dem Teilbereich (T) konkav gewölbt ist.
7. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Teilbereich (T) des Ventilkörperbereiches (50) an einer Wandung (56) des Ventilkörperbereiches (50) endet, dessen Wandung (56) sich in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung (40) verlaufenden Ebene erstreckt.
8. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörperbereich (50) zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, hohl ist.
9. Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (30) kreisrund ist.
10. Gasmotor (10), mit wenigstens einem Injektor (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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