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Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff, wie er insbesondere Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen können mit flüssigem oder mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden, der innerhalb eines Brennraums der Brennkraftmaschine gezündet wird und dadurch einen Kolben bewegt. Soll gasförmiger Kraftstoff verwendet werden, so muss ein entsprechender Injektor den gasförmigen Kraftstoff entsprechend den Erfordernissen der Brennkraftmaschine direkt in den Brennraum eindosieren. Ein solcher Injektor ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 214 242 A1 bekannt und umfasst einen Injektorkörper, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche auf, die mit einem Dichtsitz des Injektorkörpers zusammenwirkt und dadurch einen Strömungsquerschnitt öffnet und schließt. Bewegt sich die Düsennadel in Richtung des Brennraums, so hebt sie vom Düsensitz ab und gibt den Strömungsquerschnitt frei, so dass gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einströmt. Die Zündung des Gas-Luft-Gemisches erfolgt in der Regel durch eine externe Zündquelle, beispielsweise eine Zündkerze, wobei es insbesondere auf das für die Verbrennung optimale Mischungsverhältnis von Gas und Luft ankommt.
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Der bekannte Injektor öffnet nach außen, das heißt, die Düsennadel bewegt sich bei ihrer Öffnungsbewegung in Richtung des Brennraums und gibt so den Strömungsquerschnitt frei. Der Strömungsquerschnitt besteht deshalb aus einem Ringspalt, der zwischen dem Injektorkörper und der Düsennadel ausgebildet ist, so dass letztlich im Wesentlichen ein kegelförmiger Eindüsstrahl gebildet wird und das Gas nur in einen relativ kleinen Raumbereich des Brennraums eingebracht wird. Um eine homogene Durchmischung des gasförmigen Brennstoffs und der Luft zu erreichen, muss die Geometrie des Einlassventils möglichst genau an die Bedürfnisse des Brennraums angepasst werden, was eine bauliche Anpassung für jede Brennkraftmaschine bedeutet.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor für gasförmigen Kraftstoff weist den Vorteil auf, dass dessen nach außen öffnende Düse einfach an die Bedürfnisse der jeweiligen Brennkraftmaschine anpassbar ist. Dazu weist der Injektor zur Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einen Düsenkörper auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist. In dem Druckraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers ist eine Außenhülse angeordnet und darüber hinaus eine Innenhülse, die konzentrisch in der Außenhülse fixiert ist und die in ihrer Mantelfläche eine Ausnehmung aufweist, die stromabwärts des Strömungsquerschnitts angeordnet ist, so dass durch den Strömungsquerschnitt strömender Kraftstoff in die Ausnehmung der Innenhülse einströmt, wobei wenigstens ein Strömungskanal von der Ausnehmung bis an die Außenseite des Einblasventils führt und dort eine Eindüsöffnung bildet.
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Die Innenhülse, die auch das brennraumseitige Ende des Düsenkörpers bildet, nimmt die Gasmenge auf, die durch den Strömungsquerschnitt im Bereich der Düsennadel strömt, und leitet das Gas durch Strömungskanäle in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Strömungskanäle können dabei genau an die Bedürfnisse der Brennkraftmaschine angepasst werden, so dass eine optimale Durchmischung des gasförmigen Kraftstoffs mit der Luft im Brennraum erreicht wird. Soll der Injektor für eine andere Brennkraftmaschine bzw. einen anderen Brennraum angepasst werden, so kann in einfacher Art und Weise die Innenhülse ausgetauscht werden, ohne dass die übrigen Komponenten des Injektors angepasst werden müssen. Auf diese Weise lässt sich der Injektor leicht modifizieren und stellt so eine kostengünstige Lösung für eine Vielzahl von Motoren und Anwendungen dar.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Innenhülse eine oder mehrere Strömungskanäle in Form von Bohrungen ausgebildet, die an der Stirnseite der Innenhülse jeweils eine Eindüsöffnung ausbilden. Bohrungen können kostengünstig in eine Hülse eingebracht werden und können dabei auch eine Neigung zur Längsachse der Hülse aufweisen, um eine zielgerichtete Auslenkung in die Bereiche des Brennraums zu erreichen, in die der gasförmige Kraftstoff eingebracht werden soll. Durch schräg zur Längsachse der Innenhülse verlaufende Bohrungen kann auch eine Drallströmung innerhalb des Brennraums induziert werden, was die Durchmischung mit der dort befindlichen Luft weiter verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Innenhülse und der Außenhülse eine dritte Hülse angeordnet, die eine Ausnehmung in der Mantelfläche aufweist, die mit der Ausnehmung in der Innenhülse verbunden ist und die den Strömungskanal oder die Strömungskanäle bildet. Durch diese Anordnung kann die Innenhülse sehr dünn ausgebildet werden, so dass ausreichend Platz für die dritte Hülse vorhanden ist, die durch ihre Formgebung die Richtung der Gasstrahlen vorgibt. Dabei können insbesondere mehrere Ausnehmungen in der Mantelfläche der dritten Hülse ausgebildet sein, so dass eine gute räumliche Verteilung des Gases im Brennraum ermöglicht wird. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die dritte Hülse - bis auf den Durchmesser - baugleich mit der Innenhülse ausgebildet, wird jedoch mit entgegengesetzter Orientierung angeordnet. Durch dieses Gleichteileprinzip lassen sich die Hülsen kostengünstig herstellen und erlauben eine Anpassung allein durch deren Anordnung im Injektor.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere, vierte Hülse zwischen der dritten Hülse und der Außenhülse angeordnet, die - wieder bis auf den Durchmesser - baugleich mit dritten Hülse ist, wobei die vierte Hülse mit entgegengesetzter Orientierung gegenüber der dritten Hülse angeordnet ist, also gegenüber dieser um 180° um ihre Querachse gedreht ist. Die vierte Hülse bildet weitere Strömungskanäle, die den Gasstrom lenken. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann zwischen der vierten Hülse und der Außenhülse wenigstens eine weitere Hülse angeordnet sein, die gleich wie die dritte Hülse aufgebaut ist und die mit entgegengesetzter Orientierung zur benachbarten Hülse angeordnet ist. Die Hülsen werden konzentrisch zueinander angeordnet und fest miteinander verbunden, so dass sich eine Vielzahl von Eindüsöffnungen bilden lässt, die den gasförmigen Kraftstoff gut innerhalb des Brennraums verteilen. Dabei sind die Ausnehmungen in der dritten Hülse vorzugsweise in Form von Einschnitten ausgebildet, die von einer Stirnseite der dritten Hülse ausgehen und die parallel zueinander sind, was einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Stirnseite wenigstens einer der dritten, vierten oder fünften Hülse eine Anformung ausgebildet, die zumindest einen der aus den Eindüsöffnungen austretenden Gasstrahlen umlenkt. Dadurch kann ein weiterer Raumbereich des Brennraums mit gasförmigem Kraftstoff versorgt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei die Anformung in Form eines sich über den Umfang der Hülse erstreckenden Grates ausgebildet, über dessen Formgebung die genaue Richtung des Gasstrahls bzw. der Gasstrahlen eingestellt werden kann.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor im Bereich der Ausdüsöffnung, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind,
- 2a und 2b Detaildarstellungen eines Bauteils der 1,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Variante des in 1 gezeigten Injektors,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors, ebenfalls im Längsschnitt schematisch dargestellt, und
- 5 eine weitere Detaildarstellung eines Bauteils des in 4 gezeigten Injektors.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt schematisch dargestellt, wobei die 1 nur den brennraumseitigen Teil des Injektors darstellt. Der Injektor weist einen Düsenkörper 1 auf, in dem ein Druckraum 2 ausgebildet ist, in den gasförmiger Kraftstoff unter dem nötigen Eindüsdruck eingebracht werden kann. Im Druckraum 2 ist eine Düsennadel 4 längsverschiebbar angeordnet, die einen Schaftbereich 103 und einen im Durchmesser erweiterten Bereich aufweist, der einen Führungsabschnitt 9 bildet. An der Düsennadel 4 ist eine konische Dichtfläche 5 ausgebildet, die am Übergang zum Schaftbereich 103 eine Dichtkante 7 bildet. Mit der Dichtfläche 5 bzw. der Dichtkante 7 wirkt die Düsennadel 4 mit einem Düsensitz 6 zusammen, der als konische Fläche im Düsenkörper 1 ausgebildet ist. Ist die Düsennadel 4 in Anlage an der Dichtfläche 6, so wird der Druckraum 2 durch die Düsennadel 4 verschlossen. Wird die Düsennadel 3 durch einen im Injektor ausgebildeten Mechanismus in ihrer Längsrichtung in Richtung des Brennraums bewegt, so hebt die Dichtfläche 5 vom Düsensitz 6 ab und gibt einen Strömungsquerschnitt zwischen diesen beiden Flächen frei.
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Der Düsenkörper 1 bildet an seinem brennraumseitigen Ende einen Bund 13 aus, der im Durchmesser reduziert ist. Auf den Bund 13 ist eine Innenhülse 17 aufgeschoben und dort fixiert, die den Düsenkörper 1 überragt, wobei die Düsennadel 4 mit ihrem Führungsabschnitt 9 innerhalb der Innenhülse 17 geführt ist. Zwischen dem Führungsabschnitt 9 der Düsennadel 4 und der Innenhülse 17 ist unvermeidlich ein Spalt 14 ausgebildet, der jedoch so schmal bemessen ist, dass der gasförmige Kraftstoff nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß durch den Spalt 14 strömt. Die Innenhülse 17 ist ihrerseits von einer Außenhülse 15 umgeben, die als Hohlzylinder ausgeführt ist und die die Innenhülse 17 eng umgibt. Auch die Außenhülse 15 ist in dieser Lage am Düsenkörper 1 fixiert, beispielsweise mit Hilfe einer Schweißnaht 16, die in 1 am Übergang der Außenhülse 15 um Düsenkörper 1 gezeigt ist.
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Die Innenhülse 17 ist in 2a nochmals als separates Bauteil in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. In der Innenhülse 17 sind zwei Ausnehmungen 20 ausgebildet, die zwei Fenster innerhalb der Innenhülse 17 bilden. Von den Ausnehmungen 20 gehen jeweils mehrere Strömungskanäle 21 aus, die als Bohrungen innerhalb der Innenhülse 17 ausgebildet sind und die parallel zur Längsachse 11 des Düsenkörpers 1 bzw. der Düsennadel 4 verlaufen, wie in 2a näher zu sehen ist, wobei die Strömungskanäle 21 an ihrem abströmungsseitigen Ende jeweils eine Eindüsöffnung 23 bilden. In die durch die Ausnehmungen 20 gebildeten Fenster fließt der gasförmige Kraftstoff, der durch den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 5 und dem Düsensitz 6 hindurchströmt. Da die Außenhülse 15 die Ausnehmungen 20 nach außen abdichtet, fließt der gasförmige Kraftstoff aus den Ausnehmungen 20 weiter durch die Strömungskanäle 21. 2b zeigt dazu eine Ansicht der Innenhülse 17 von ihrer unteren, in Einbaulage dem Brennraum zugewandten Seite. In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Strömungskanäle 21 in der Innenhülse 17 vorhanden, wobei jeweils drei in eine Ausnehmung 20 münden. Dabei kann es alternativ zu der gezeigten Darstellung auch vorgesehen sein, dass die Strömungskanäle 21 nicht parallel zur Längsachse 11 verlaufen, sondern schräg dazu, so dass die Richtung des ausströmenden Gases, das in den Brennraum einströmt, eine tangentiale Komponente bezüglich der Längsachse 11 aufweist. Insbesondere kann durch eine schräge Stellung der Strömungskanäle 21 eine Drallströmung innerhalb des Brennraums erreicht und damit eine gute Durchmischung des gasförmigen Brennstoffs mit der Luft im Brennraum befördert werden.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel von dem in den 1, 2a und 2b gezeigten Injektor nur im Aufbau der Innenhülse 17 unterscheidet. Die Ausnehmung 20 dieser Innenhülse ist insoweit in Richtung des Brennraums angeordnet, dass der Führungsabschnitt 9 die Ausnehmung 20 verschließt, wenn sich die Düsennadel 4 in Anlage am Düsensitz 6 befindet. Erst durch den Öffnungshub der Düsennadel 4 verschiebt sich der Führungsabschnitt 9 soweit, dass dieser an der Ausnehmung 20 vorbeigleitet und dadurch einen Strömungsquerschnitt zur Ausnehmung 20 öffnet, so dass der gasförmige Kraftstoff - wie schon in 1 dargestellt und beschrieben - durch die Strömungskanäle 21 ausfließen kann.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, ebenfalls im Längsschnitt im Bereich des brennraumseitigen Endes des Injektors. Der Aufbau des Düsenkörpers 1 und der Düsennadel 4 ist identisch zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Jedoch sind anstelle der in 1 bzw. 2 dargestellten Innenhülse 17 insgesamt vier Hülsen ineinander geschachtelt, um die Strömungskanäle 21 zu bilden. Die Außenseite bildet nach wie vor die Außenhülse 15, die als durchgängiger Zylinder ausgebildet ist und die Abdichtung radial nach außen sicherstellt. Die Führung der Düsennadel 4 mit dem Führungsabschnitt 9 ist in der Innenhülse 17' ausgebildet, die beispielsweise durch eine Schweißverbindung oder auch durch Aufschrumpfen auf dem Bund 13 am Injektor fixiert ist. Die Innenhülse 17' ist in 5 nochmals vergrößert separat dargestellt.
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Die Innenhülse 17' umfasst einen zylindrischen Abschnitt und weist mehrere Ausnehmungen 20' auf, die als Einschnitte ausgebildet sind und von der hier oberen Stirnseite der Innenhülse 17' ausgehen. Durch die Ausnehmungen 20' werden Durchlässe für den gasförmigen Kraftstoff geschaffen, in die der gasförmige Kraftstoff, der durch den Strömungsquerschnitt zwischen dem Düsensitz 6 und der Dichtfläche 5 hindurchströmt, einfließen kann. Die Strömungskanäle 21' sind hier jedoch nicht in Form von Bohrungen ausgebildet, sondern werden durch eine dritte Hülse 25 gebildet, die die Mantelfläche der Innenhülse 17' spaltlos umfasst. Die dritte Hülse 25 weist dabei einen entsprechend größeren Durchmesser auf, ist ansonsten aber baugleich zur Innenhülse 17' ausgebildet. Sie ist in entgegengesetzter Orientierung montiert, d. h. ihr zylindrischer Abschnitt ist dem Brennraum abgewandt, während die in der dritten Hülse 25 ausgebildeten Ausnehmungen 20" brennraumzugewandt sind. Durch die Anordnung der Innenhülse 17' und der dritten Hülse 25 ergibt sich eine Verbindung zwischen den Ausnehmungen 20' und 20", so dass der gasförmige Kraftstoff vom Düsensitz 6 in die Ausnehmungen 20' einfließt, von dort in die Ausnehmungen 20" übergeht durch diese Ausnehmungen 20", die hier auch als Strömungskanäle dienen, in den Brennraum gelangt. Je nach Form und Anzahl der Ausnehmungen 20' bzw. 20" kann so eine Formgebung der Gasstrahlen stattfinden und auch deren Strömungsrichtung festgelegt werden, beispielsweise indem die Ausnehmungen 20" nicht parallel, sondern schräg zur Längsachse 11 verlaufen, ähnlich wie bei schräg verlaufenden Bohrungen, die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 die Strömungskanäle 21 bilden.
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Um einen größeren Strömungsquerschnitt zu schaffen und das Gas besser im Brennraum zu verteilen ist weiter eine vierte Hülse 27 vorgesehen, die sich radial außerhalb an die dritte Hülse 25 anschließt, und eine fünfte Hülse 29, die zwischen der Außenhülse 15 und der vierten Hülse 27 angeordnet ist. Beide Hülsen 27, 29 entsprechen dabei dem Aufbau der Innenhülse 17', sind jedoch mit in jeweils entgegengesetzter Orientierung angeordnet und weisen einen entsprechend größeren Durchmesser auf, so dass sie spaltlos aneinander anschließen. Dadurch wird durch die Ausnehmung 20"', die in der dritten Hülse ausgebildet ist, und die Ausnehmung 20"", die in der fünften Hülse 29 ausgebildet ist, ein weiterer Strömungskanal bzw. mehrere Strömungskanäle geschaffen, die parallel zu den Strömungskanälen durch die Ausnehmung 21" verläuft bzw. verlaufen. Um einen weiteren Raumbereich des Brennraums durch die Gasstrahlen abzudecken, ist an der vierten Hülse 27 eine Anformung 30 ausgebildet, auf die die aus der Ausnehmung 20"" austretenden Gasstrahlen trifft. Durch die Anformung 30 werden diese Gasstrahlen radial nach außen umgelenkt, so dass auch der weiter außen liegende Raumbereich des Brennraums mit gasförmigem Kraftstoff versorgt wird. Bis auf die Anformung 30 entspricht der Aufbau der vierten Hülse 27 und der fünften Hülse 29 dem Aufbau der Innenhülse 17', wobei jeweils benachbarte Hülsen entgegengesetzt orientiert sind, d. h. dass sie um 180° um eine Querachse der Hülse gedreht sind.
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Die Hülsen 17', 25, 27, 29 sind bei dem Ausführungsbeispiel der 4 in der gezeigten Lage fixiert, beispielsweise durch Aufschrumpfen aufeinander oder durch Schweißverbindungen. Neben dem hier gezeigten Aufbau kann es auch vorgesehen sein, weitere Hülsen radial außerhalb anzuordnen, um so weitere Strömungskanäle zu schaffen. Auch die Form der Anformung 30 kann variiert werden, um die Gasstrahlen in bestimmte Raumbereiche des Brennraums zu leiten, um so eine optimale Mischung zwischen der Brennraumluft und dem gasförmigen Kraftstoff zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214242 A1 [0002]
