Titel:

Gasventilanordnung Die Erfindung betrifft eine Gasventilanordnung mit einem Gasventil zur

Einblasung eines Brenngases direkt oder indirekt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei das Gasventil einen Düsenkörper mit zumindest einem in Richtung des Brennraums ausgerichteten und einen Gasstrahl führenden Auslasskanal aufweist.

Stand der Technik

Eine derartige Gasventilanordnung ist aus der WO 1996/28649 AI bekannt. Diese Gasventilanordnung umfasst ein an einer Brennkraftmaschine verbautes Gasventil, wobei die Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus Brenngas und

Brennluft betrieben wird, und wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen in einem Zylinder zur Erzeugung von Arbeitsleistung auf und ab bewegbaren Kolben aufweist. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine zumindest einen Einlasskanal für die Einleitung von der Brennluft in einen in dem Zylinder gebildeten Brennraum auf. Der Einlasskanal verfügt über ein Einlassventil und im

Endbereich des Einlasskanals ist außerhalb des Brennraums das Gasventil angeordnet. In dem Gasventil wird ein Gasstrahl gebildet, welcher mit hoher Geschwindigkeit direkt in den Brennraum eingeblasen wird. Der Gasstrahl wird intermittierend eingeblasen und ist mit der Öffnungsbewegung des Einlassventils koordiniert. Das Gasventil weist einen Auslasskanal oder mehrere Auslasskanäle für das Brenngas auf, wobei zumindest ein Auslasskanal auf eine Umfangswand in dem Brennraum ausgerichtet ist. Durch das Auftreffen des Gasstrahls auf die Umfangswand wird der Gasstrahl aufgefächert und aufgelöst. Die in dem

Gasstrahl enthaltene hohe kinetische Energie soll eine gute Vermischung des Gasstrahls mit der ebenfalls in den Brennraum eingelassenen Brennluft erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasventilanordnung

bereitzustellen, die eine verbesserte Betriebsmöglichkeit bietet.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Auslasskanal im Bereich des Ausgangs aus dem Düsenkörper zumindest eine Umlenkkante aufweist, die so ausgebildet ist, dass der Gasstrahl in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Brenngases in dem Auslasskanal bei der Einblasung in unterschiedliche

Strahlaustrittsrichtungen aus dem Auslasskanal gelenkt ist. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Betriebsmöglichkeit der

Gasventilanordnung, indem beispielsweise auf unterschiedliche Anforderungen beziehungsweise Optimierungen hinsichtlich der Einblasung eines Gasstrahls in Richtung eines Brennraums eingegangen werden kann. Hierdurch können beispielsweise unterschiedliche Betriebszustände des Systems oder der Brennkraftmaschine, die den Brennraum aufweist, besser bedient werden, indem beispielsweise bei unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedliche ausgerichtete Gasstrahlen in Richtung des Brennraums austretend aus dem Gasventil in Richtung des Brennraums gelenkt werden. Die Umlenkkante erzeugt in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der an der Umlenkkante vorbeiströmenden Gasstrahlen des Brenngases die unterschiedlichen Strahlaustrittsrichtungen. Dieser Umstand beruht grundsätzlich auf einer sogenannten Prandtl- Meyer- Expansion beziehungsweise einem Prandtl- Meyer- Fächer.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Geschwindigkeit eine Grenzgeschwindigkeit, unterhalb der das Brenngas in eine erste

Strahlaustrittsrichtung und oberhalb der das Brenngas in eine zweite

Strahlaustrittsrichtung gelenkt ist. Dabei ist die Geschwindigkeit wiederum in weiterer Ausgestaltung unterhalb der Grenzgeschwindigkeit eine

Unterschallgeschwindigkeit und oberhalb der Grenzgeschwindigkeit eine

Überschallgeschwindigkeit. Dies hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. In Weiterbildung der Erfindung ist die Geschwindigkeit zu Beginn der Einblasung eine Unterschallgeschwindigkeit, bei fortschreitender Einblasung eine

Überschallgeschwindigkeit und zum Ende der Einblasung wieder eine

Unterschallgeschwindigkeit. Bei diesen unterschiedlichen Geschwindigkeiten weisen die Gasstrahlen jeweils bei der Unterschallgeschwindigkeit eine erste Strahlaustrittsrichtung und bei der Überschallgeschwindigkeit eine zweite

Strahlaustrittsrichtung auf.

In Weiterbildung der Erfindung ist bei Unterschallgeschwindigkeit die

Strahlaustrittsrichtung in Richtung einer Hauptachse des Auslasskanals gerichtet. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen einer herkömmlichen

Gasventilanordnung, bei der der Gasstrahl konstant in eine Richtung entlang des Ausgangskanals des Gasventils gerichtet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei Überschallgeschwindigkeit die Stahlaustrittsrichtung in Richtung einer Ablenkachse des Auslasskanals gerichtet. Die Ablenkachse des Auslasskanals ist so ausgerichtet, dass bei einem ortsfesten Brennraum der Gasstrahl an einer anderen Stelle zu dem Auftreffpunkt entlang der Hauptachse in den Brennraum auftreten würde. Ist der Brennraum aber gegenüber dem feststehenden Gasventil insbesondere hinsichtlich des Abstandes bewegt, kann dadurch erreicht werden, dass der Gasstrahl bei unterschiedlichen Abständen zumindest ähnliche

Auftrittsabschnitte aufweist. Dies ist bei einem Brennraum vorteilhaft, der translatorisch axial in Richtung des Gasventils hin und her bewegt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslasskanal im Querschnitt schlitzförmig ausgebildet. Dies ist die bevorzugte Ausbildungsform des

Auslasskanals, wobei die Umlenkkante bei einem solcherart ausgebildeten Auslasskanal konstruktiv problemlos umsetzbar ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Auslasskanal mit einer anderen Ausgestaltung zu realisieren. Beispielsweise kann der Auslasskanal auch zylinderförmig ausgebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Umlenkkante parallel zu einer Längsseite des schlitzförmigen Auslasskanals angeordnet. Dadurch kann entlang der relativ langen Umlenkkante die Umlenkung des Gasstrahls exakt eingestellt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Auslasskanal stromabwärts der

Umlenkkante erweitert. Der Wert der Erweiterung beziehungsweise der Winkel a, den der erweiterte Auslasskanal stromabwärts der Umlenkkante zu der

Hauptachse des Auslasskanals einnimmt, bestimmt das Maß der Umlenkung.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Auslasskanal zu dem Außenumfang des Düsenkörpers hin erweitert. Dies ist die bevorzugte Ausgestaltungsform bei der sichergestellt ist, dass beispielsweise bei einer Anzahl von Auslasskanäle diese alle nach außen hin erweitert sind und somit keine gegenseitige Beeinträchtigung der aus den einzelnen Auslasskanälen austretenden Gasstrahlen auftreten können. Natürlich ist es aber im Rahmen der Erfindung auch möglich, andere Ausgestaltungen umzusetzen.

Die Gasventilanordnung ist, wie ausgeführt, an einer Brennkraftmaschine verbaut, und das Gas ist ein Brenngas zum Betrieb der Brennkraftmaschine. Wenn auch der Gegenstand der Erfindung bei einer beliebigen Maschine umgesetzt werden kann, ist die bevorzugte Anwendung bei einer

Brennkraftmaschine gegeben. Außerdem ist bei einer Brennkraftmaschine, die als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet ist, der zuvor beschriebene Umstand gegeben, dass ein Kolben, in dem der Brennraum angeordnet ist, beim Betrieb der Brennkraftmaschine kontinuierlich zu dem Gasventil hinbewegt und wieder von dem Gasventil wegbewegt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.

Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Zylindereinheit einer

Brennkraftmaschine mit einem auf einem Zylinder angeordneten Zylinderkopf mit einem in dem Zylinderkopf angeordneten

Gasventileinrichtung,

Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Gasventils mit einem Auslasskanal, der von einem Gasstrahl mit Unterschallgeschwindigkeit durchströmt wird,

Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Gasventils mit einem Auslasskanal, der von einem Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit durchströmt wird und

Figur 4 eine schematische Draufsicht auf die Auslassseite eines Gasventils mit der Darstellung der Anordnung von mehreren Auslasskanälen.

Der in Figur 1 dargestellte Ausschnitt einer Brennkraftmaschine zeigt einen Teilschnitt durch einen Einlassbereich 1 eines Zylinderkopfs 2, der auf einem Zylinder 3 der Brennkraftmaschine angeordnet und mit diesem unter Einfügung einer Zylinderkopfdichtung verbunden ist. In dem Zylinder 3 ist ein zumindest einen Kolbenring 5 aufweisender Kolben 4 angeordnet, der über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird der Kolben 4 entlang einer Längsachse 6 periodisch auf und ab bewegt. In den Kolben 4 ist eine einen Brennraum bildende

Brennraummulde 7 eingelassen, in der ein eingebrachtes Gemisch aus Brennluft und BrenngGas verbrennt und dabei die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 zur Erzeugung von Arbeitsleitung an der Kurbelwelle erzeugt. Oberhalb des Kolbens 4 befindet sich ein Zylinderraum 8, der von einem in dem Zylinderkopf 2 angeordneten Einlassventil 9 mit einem ebenfalls in dem Zylinderkopf 2 eingelassenen Einlasskanal 10 verbindbar ist. Das Einlassventil 9 wird von einer Nockenwelle gegebenenfalls unter Einbezug einer Stößelstange und eines Kipphebels betätigt, wobei die Nockenwelle synchron mit der Kurbelwelle dreht. In der dargestellten offenen Stellung des Einlassventils 9 ist der Einlasskanal 10 mit dem Zylinderraum 8 und somit auch der Brennraummulde 7

strömungsverbunden und durch den Einlasskanal 10 zugeführte Brennluft 11 strömt in den Zylinderraum 8 und weiter in die Brennraummulde 7. In den Zylinderraum 8 und insbesondere in den von der Brennraummulde 7 gebildeten Brennraum wird von einem Gasventil 12 als Teil einer

Gasventilanordnung direkt oder indirekt ein Brenngas, beispielsweise Erdgas oder ein sonstiges brennbares Gas, gesteuert eingebracht. Das Brenngas bildet mit der Brennluft 11 das brennbares Gemisch, das bei einer durch beispielsweise eine in den Zylinderraum 8 hineinragenden Zündkerze ausgelösten Entzündung verbrennt und den Kolben 4 bei dem dann geschlossenen Einlassventil 9 zur Erzeugung der Drehbewegung der Kurbelwelle entlang der Längsachse 6 nach unten bewegt. Nach der Verbrennung wird der Kolben 4 wieder nach oben bewegt und über ein ebenfalls in dem Zylinderkopf 2 angeordnetes Auslassventil wird das verbrannte Gemisch aus dem Zylinderraum 8 und der Brennraummulde 7 ausgeschoben.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gasventil 12 so in den

Zylinderkopf 2 eingebaut, dass es in Richtung zu der Längsachse 6 ausgerichtet ist. Das Gasventil 12 kann aber auch versetzt und/oder geneigt zu der

Längsachse 6 angeordnet sein und weist einen Düsenkörper 13 auf, in den bevorzugt mehrere Auslasskanäle 14 (Figur 4) eingelassen sind. Durch die Auslasskanäle 14 tritt bei einer Zudosierung von Brenngas durch das Gasventil 12 zumindest ein Gasstrahl in einer Hauptachse 15 und/oder einer Ablenkachse 16 des Auslasskanals 14 aus. Auf die entsprechenden Zusammenhänge wird nachfolgend noch genauer eingegangen.

Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung des Gasventils 12 erfolgt eine direkte Einblasung des Brenngases in den Zylinderraum 8 und insbesondere die Brennraummulde 7 des Kolbens 4. Alternativ kann das Gasventil 12

beispielsweise auch in Richtung der Achse 17 ebenfalls in dem Zylinderkopf 2 angeordnet sein, wobei dann aber der Austritt aus dem Gasventil 12 in den Einlasskanal 10 der Brennkraftmaschine einmündet. Bei dieser Anordnung des Gasventils 12 wird das Gas indirekt über den Einlasskanal 10 bei geöffnetem Einlassventil 9 in den Zylinderraum 8 und insbesondere den Brennraum der Brennraummulde 7 eingeblasen.

Das durch das Gasventil 12 eingeblasene Brenngas wird zum Beginn der Einblasung mit Unterschallgeschwindigkeit, bei fortschreitender Einblasung mit einer Überschallgeschwindigkeit und zum Ende der Einblasung wieder mit einer Unterschallgeschwindigkeit durch jeden der Auslasskanäle 14 (siehe auch Figuren 2 und 3) des Gasventils 12 bewegt. Bei einer Unterschallgeschwindigkeit ist die Stahlaustrittsrichtung des Gasstrahls in Richtung der Hauptachse 15 durch den Auslasskanal 14 ausgerichtet. Beim Erreichen der

Überschallgeschwindigkeit erfolgt eine Ablenkung der Stahlaustrittsrichtung des Gasstrahls innerhalb des Auslasskanals 14 in Richtung der in Figur 3

dargestellten Ablenkachse 16. Diese Ablenkung wird durch eine in den

Auslasskanal 14 eingelassene Umlenkkante 18 eingestellt. Diese Umlenkkante 18 bewirkt bei einer Grenzgeschwindigkeit des Gasstrahls zwischen der

Unterschallgeschwindigkeit zu der Überschallgeschwindigkeit den Übergang der Stahlaustrittsrichtung von der Hauptachse 15 zu der Ablenkachse 16. Dieser Effekt ist grundsätzlich unter dem Begriff Prandtl- Meyer- Expansion oder Prandtl- Meyer- Fächer bekannt.

Die Unterschallgeschwindigkeit, die Überschallgeschwindigkeit und die dadurch eingestellte Strahlaustrittsrichtung in Richtung der Hauptachse 15 und der Ablenkachse 16 sind so auf die Bewegung des Kolbens 4 zu dem in dem

Zylinderkopf 2 fest eingebauten Gasventil 12 abgestimmt, dass bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 von einem unteren Totpunkt in Richtung eines oberen Totpunkts zum Beginn der Einblasung des Brenngases, bei der der Kolben 4 sich noch in einer (in Figur 1 beispielhaft dargestellten) entfernten Position in Bezug zu einem oberen Totpunkt und somit auch in Bezug zu dem Gasventil 12 befindet, das Brenngas mit Unterschallgeschwindigkeit entlang der Hauptachse 15 in den von der Brennraummulde 7 gebildeten Brennraum eingeblasen wird. Bei zunehmender Annäherung des Kolbens 4 an den oberen Totpunkt, der beispielsweise in Höhe der Trennebene zwischen dem Zylinder 3 und dem Zylinderkopf 2 liegt, wird das Brenngas mit Überschallgeschwindigkeit durch den Auslasskanal 14 in die Brennraummulde 7 eingeblasen und es erfolgt die Ablenkung an der Umlenkkante 18 in Richtung der Ablenkachse 16. Dadurch wird aber im Ergebnis bezogen auf die Lageveränderung des Kolbens 4 in Bezug zu dem Gasventil 12 ein zumindest sehr ähnlicher Bereich der Brennraummulde 7 von dem eingeblasenen Brenngas erreicht. Dadurch kann eine optimale Vermischung und damit nachfolgende Verbrennung des Gemisches aus

Brenngas und Brennluft 11 eingestellt werden. Hierbei kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, die Umlenkkante 18 mehrteilig auszubilden, so dass sich bei zunehmender und abnehmender Einblasgeschwindigkeit ein kontinuierlicher Übergang der Strahlaustrittsrichtung von der Hauptachse 15 in Richtung der Ablenkachse 16 und umgekehrt ergibt.

Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, das sich der Auslasskanal 14

stromabwärts der Umlenkkante 18 zu dem Außenumfang 19 des Gasventils 12 hin erweitert. Der Winkel α der Erweiterung ist größer als 0° und kleiner als 90°. Das Maß des Winkels α und die damit einhergehende Erweiterung des

Auslasskanals 14 legt die Ablenkachse 16 fest. Dementsprechend kann bei unterschiedlichen Brennkraftmaschinen eine Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten beispielsweise hinsichtlich der Ausbildung der Brennraummulde 7 durch eine Anpassung des Winkels α und damit eine Neuausrichtung der Ablenkachse 16 erfolgen.

Aus der Draufsicht auf den Düsenkörper 13 des Gasventils 12 im Bereich des mündungsseitigen Endes der Auslasskanäle 14 ist ersichtlich, dass die

Auslasskanäle 14 im Querschnitt schlitzförmig ausgebildet sind. Die

Umlenkkante 18 ist parallel zu den Längsseiten 20 der Auslasskanäle 14 ausgerichtet. Die durch die Umlenkkante 18 definierte Erweiterung der

Auslasskanals 14 ist zu dem Außenumfang 19 des Düsenkörpers 13 hin ausgerichtet. Das Verhältnis der Längsseite 20 zu einer Querseite 21 des Auslasskanals 14 beträgt beispielsweise 1 zu 0,75 für die Längsseite 20 und 0,15 bis 0,2 für die Querseite 21 . Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Auslasskanäle 14 auf dem Umfang des Düsenkörpers 13 verteilt angeordnet.