Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
INJECTOR FOR GASEOUS FUELS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/030049
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an injector (1) for injecting gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a nozzle element (2) in which a pressure chamber (4) is formed, which can be filled with gaseous fuel at an injection pressure and which has an injection opening (12) leading out of same, through which the gaseous fuel can pass out. A deflection element (15) is arranged in front of the injection opening (12) such that at least one portion of the outgoing gas flow (14) comes into contact with the deflection element (15) and the outgoing gas flow (14) is split in this way.

Inventors:
WESSNER, Jochen (Katharinenstr. 63, Esslingen, 73728, DE)
KATZ, Martin (Otto-Herrmann-Weg 26, Stuttgart, 70469, DE)
Application Number:
EP2018/070710
Publication Date:
February 14, 2019
Filing Date:
July 31, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F02M21/02; F02M61/16; F16K47/08; F02M61/18
Foreign References:
DE102014016264A12016-05-04
EP1467087A12004-10-13
DE102015225216A12017-06-22
DE102006039973A12008-02-28
DE19948485A12000-11-16
DE102015224875A12017-06-14
DE102015219380A12017-04-13
Download PDF:
Claims:
Ansprüche

1. Injektor (1) zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit eine Düsenkörper (2), in dem ein Druckraum (4) ausgebildet ist, der mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist und von dem eine Eindüsöffnung (12) ausgeht, durch die der gasförmige Kraftstoff austreten kann,

dadurch gekennzeichnet, dass

vor der Eindüsöffnung (12) ein Umlenkkörper (15) so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des austretenden Gasstrahls (14) auf den Umlenkkörper (15) trifft und der austretende Gasstrahl (14) dadurch aufgefächert wird.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (15) einen Ringkörper (18) umfasst, an dem eine Kante (20) ausgebildet ist, die vom austretenden Gasstrahl (14) umströmt wird.

3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (20) zumindest näherungsweise in der Mitte des Gasstrahls (14) angeordnet ist.

4. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (18) über Stege (17) am Düsenkörper (2) befestigt ist.

5. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (18) im Querschnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet ist.

6. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (15) ein stabförmiges Element (22) beinhaltet.

7. Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Element (22) auf seiner der Eindüsöffnung (12) zugewandten Seite eine Umlenkkante (22') aufweist, auf die der Gasstrahl (14) beim Austritt aus der Eindüsöffnung (12) trifft.

8. Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Element (22) im Querschnitt betrachtet dreieckförmig, halbkreisförmig oder rombusförmig ausgebildet ist.

9. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (15) zwei Zylinderstäbe (24) umfasst, die parallel und mit einem Abstand (a) zueinander angeordnet sind.

10. Injektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Zylinderstäbe (24) zumindest näherungsweise dem Durchmesser (d) der Eindüsöffnung (12) entspricht, wobei der Gasstrahl (14) mit seiner Mittelachse (13) zwischen die beiden Zylinderstäbe (24) zielt.

11. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Eindüsöffnungen (12) im Düsenkörper (2) ausgebildet sind, wobei vor jeder Eindüsöffnung (12) ein Umlenkkörper (15) angeordnet ist.

Description:
Beschreibung Titel

Injektor für gasförmige Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft einen Injektor für gasförmige Kraftstoffe, wie er vorzugsweise Verwendung findet, um gasförmige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudüsen.

Stand der Technik

Injektoren für gasförmige Kraftstoffe sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So zeigt die DE 10 2015 219 380 AI einen Injektor für gasförmige Kraftstoffe, wobei dieser Injektor zusätzlich auch flüssige Kraftstoffe in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen kann. Die Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs geschieht über eine oder mehrere Eindüsöffnungen, die durch ein bewegliches Ventilelement auf- und zugesteuert werden. Der aus den Eindüsöffnungen austretende gasförmige Kraftstoff verteilt sich im Brennraum der Brennkraftmaschine und wird dort zur Zündung gebracht, entweder durch eine

Fremdzündung, beispielsweise mittels einer Zündkerze, oder durch das Einbringen eines flüssigen Kraftstoffs, etwa von Dieselkraftstoff, da der Dieselkraftstoff zündwilliger als der gasförmige Kraftstoff ist.

Für eine gute Verbrennung ist es unerlässlich, dass sich der gasförmige Kraftstoff möglichst gleichmäßig im Brennraum der Brennkraftmaschine verteilt, damit in jedem Bereich des Brennraums eine optimale Mischung aus gasförmigem Kraftstoff und der Ansaugluft besteht, denn nur beim richtigen Verhältnis aus Kraftstoff und Sauerstoff erfolgt eine optimale Verbrennung. Für eine bessere Verteilung ist es deshalb in der Regel vorgesehen, dass die Eindüsventile meh- rere Eindüsöffnungen aufweisen, die in verschiedene Raumwinkel des Brennraums zielen, so dass der gasförmige Kraftstoff weitgehend gleichmäßig verteilt wird. Beim Austritt aus den Eindüsöffnungen bildet der gasförmige Kraftstoff jedoch keulenförmige Gasstrahlen, die sich erst nach einer gewissen Zeit und unterstützt durch die Drallströmung innerhalb des Brennraums mit der darin befindlichen Luft und damit mit dem Sauerstoff vermischen. Es ist damit nicht unbedingt sichergestellt, dass die optimale Mischung bereits dann vorliegt, wenn die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum erfolgt. Damit können Bereiche vorhanden sein, in denen ein Übergewicht von Sauerstoff oder Kraftstoff vorhanden ist, was beides zu einer unvollkommenen Verbrennung führt und damit zu erhöhten Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine oder zu einer geringeren Leistung.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Injektor zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die austretenden Gasstrahlen direkt beim Austritt aus dem Injektor stark verwirbelt werden und sich dadurch leicht und schnell mit der Luft im Brennraum vermischen und ein optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch bilden, unabhängig von sonstigen Vorrichtungen im Brennraum und dessen Geometrie. Dazu weist der Injektor einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist, der mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist. Von dem Druckraum geht eine Eindüsöffnung aus, durch die der gasförmige Kraftstoff austreten kann. Vor der Eindüsöffnung ist ein Umlenkkörper so angeordnet, dass zumindest ein Teil des austretenden Gasstrahls auf den Umlenkkörper trifft und dadurch aufgefächert und verwirbelt wird. Durch den Umlenkkörper wird damit der Gasstrahl direkt bei seinem Austritt aus der Eindüsöffnung aufgefächert und damit die Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum erleichtert, ohne dass dafür die Geometrie des Brennraums angepasst werden muss. Damit kann eine bessere und schadstoffärmere Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs erreicht werden. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper einen Ringkörper, an dem eine Kante ausgebildet ist, die von dem austretenden Gasstrahl umströmt wird. Dabei trifft der Gasstrahl vorzugsweise mit seiner Mitte auf die Kante, so dass es zu einer starken Verwirbelung des Gasstrahls an der Kante kommt und damit zu der gewünschten Auffächerung. Dabei ist der Ringkörper in vorteilhafterweise über Stege am Düsenkörper befestigt, so dass er mit dem Düsenkörper eine Baueinheit bildet, die gemeinsam mit dem Injektor montiert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringkörper im Querschnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet. Damit wird in einfacher Weise die Kante ausgebildet, an der der Gasstrahl aufgebrochen wird, und der Ringkörper kann in einfacher Weise als Drehteil gefertigt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper ein stab- förmiges Element. Das stabförmige Element weist dabei auf seiner der Eindüsöffnung zugewandten Seite in vorteilhafter Weise eine Umlenkkante auf, auf die der Gasstrahl trifft. Auch das stabförmige Element kann über Stege am Düsenkörper befestigt sein. Das stabförmige Element ist dabei in vorteilhafter Weise im Querschnitt betrachtet dreieckförmig oder rombusförmig ausgebildet, wobei die rom- busförmige Ausgestaltung darüber hinaus den Vorteil hat, dass der Gasstrahl auch auf der den Eindüsöffnungen abgewandten Seite durch die rombusförmige Gestalt geführt wird, was den Energieverlust am Umlenkkörper gering hält. Auch andere Formen, wie beispielsweise ein Halbkreis, sind als Querschnitt des stab- förmigen Elements möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Umlenkkörper zwei Zylinderstäbe, die parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist der Gasstrahl so ausgerichtet, dass er - vorzugsweise mit seiner Mittelachse - zwischen die beiden Zylinderstäbe zielt. Der Abstand der Zylinderstäbe zueinander ist dabei zumindest näherungsweise in vorteilhafter Weise gleich dem Durchmesser der Eindüsöffnung, was die Verwirbelung des gasförmigen Kraftstoffs optimiert, ohne dass zu viel kinetische Energie des Gasstrahls durch die Umlenkung verloren geht. ln vorteilhafter Weise kann es vorgesehen sein, dass mehrere Eindüsöffnungen im Düsenkörper ausgebildet sind, wobei vor jeder Eindüsöffnung ein Umlenkkörper angeordnet ist. Diese Anordnung kann mit jedem der oben geschilderten Umlenkkörper realisiert werden, wobei der Umlenkkörper in Form eines Ringkörpers vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die Gasstrahlen sämtlicher Eindüsöffnungen dieselbe Kante am Ringkörper treffen und damit an dieser Stelle verwirbelt werden.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigen:

Figur la einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Injektor, wobei nur die wesentlichen Bauteile gezeigt sind,

Figur lb den gleichen Injektor wie Figur la im Querschnitt,

Figur 2a ein weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors schematisch im Längsschnitt, wobei Teile des Düsenkörpers hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden,

Figur 2b einen Querschnitt des Injektors nach Figur 2a,

Figur 3a ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Injektors in gleicher Darstellung wie Figur 2a und

Figur 3b wiederum einen Querschnitt durch einen Injektor nach Figur 3a. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur la ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt schematisch dargestellt. Der Injektor 1 umfasst einen Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 4 ausgebildet ist. Der Druckraum 4 kann über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit gasförmigen Kraftstoff unter einem bestimmten Eindüsdruck befüllt werden, wobei der Eindüsdruck vorzugsweise maximal 500 bar (50 MPa) beträgt. Der Druckraum 4 geht an seinem brennraumseitigen Ende in ein Sackloch 10 über, von dem mehrere Eindüsöffnungen 12 ausgehen, über die der gasförmige Kraftstoff ausströmen kann. Die Eindüsöffnungen 12 sind als im

Wesentlichen radial verlaufende Bohrungen im Düsenkörper 2 ausgebildet und weisen eine im Querschnitt betrachtet kreisrunde Form auf. Im Druckraum 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, deren Längsachse 7 mit der Längsachse des Düsenkörpers 2 zusammenfällt. Die Düsenna- del 5 kann durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte, vorzugsweise servo- hydraulische Vorrichtung oder durch einen direkt auf die Düsennadel 5 wirkenden Elektromagneten in ihrer Längsrichtung bewegt werden. An ihrem den Eindüsöffnungen 12 zugewandten Ende ist an der Düsennadel 5 eine konische Dichtfläche 6 ausgebildet, mit der die Düsennadel 5 mit einem ebenfalls koni- sehen Düsensitz 8 zusammenwirkt. Bei Anlage der Düsennadel 5 auf den Düsensitz 8 verschließt die Düsennadel 5 den Druckraum 4 gegenüber dem Sackloch 10, so dass in diesem Fall kein gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 4 in das Sackloch 10 strömen und weiter über die Eindüsöffnungen 12 austreten kann. Soll eine Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff geschehen, so wird die Düsennadel 5 in ihrer Längsrichtung vom Düsensitz 8 weg bewegt, so dass ein

Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 8 aufgesteuert wird, durch den gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum 4 in das Sackloch 10 und von dort in die Eindüsöffnungen 12 strömen kann. Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 ist ein Umlenkkörper 15 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Ringkörper 18 gebildet wird. Der Ringkörper 18 umgibt das brennraumseitige Ende des Düsenkörpers 2 und ist über Stege 17 mit dem Düsenkörper 2 verbunden, so dass er mit dem Düsenkörper 2 eine Einheit bildet. Der Ringkörper 18 weist im Querschnitt eine Trapezform auf, durch die eine Kante 20 mit spitzem Winkel am inneren Rand des Ringkörpers 18 gebildet wird. Die Kante 20 ist dabei so angeordnet, dass sie den Eindüsöffnungen 12 gegenüber liegt und der aus den Eindüsöffnungen 12 austretende Gasstrahl 14 zumindest mit einem Teil seiner im Wesentlichen keulenförmigen Gestalt auf die Kante 12 trifft. Vorzugsweise ist dabei die Mittelachse 13 der Eindüsöffnungen 12 so ausgerichtet, dass sie auf die Kante 20 zielt. In Figur lb ist dazu ein Querschnitt des in Figur la gezeigten Düsenkörpers bzw. Injektors 1 dargestellt, der die Anordnung der Eindüsöffnungen 12 verdeutlicht, die über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeordnet sind. Der aus der Eindüsöffnung 12 austretende Gasstrahl bricht sich an der Kante 20, so dass es zu einer Wirbelbildung in diesem Bereich kommt. Der gasförmige Kraftstoff wird dadurch stark mit der im Brennraum befindlichen Ladeluft vermischt, um rasch eine homogene Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen. In Figur 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors 1 dargestellt. Der Düsenkörper 2 ist in gleicher Weise aufgebaut wie der des Ausführungsbeispiels nach Figur la, jedoch ist der Umlenkkörper 15 hier als stabförmiges Element 22 ausgebildet. Das stabförmige Element 22 auch hier durch einen Steg 17 am Düsenkörper 2 gehalten und bildet so zusammen mit dem Düsenkörper 2 eine bauliche Einheit. Der Abstand b des Umlenkkörpers 15 zur Auslassöffnung der Eindüsöffnung 12 entspricht vorzugsweise etwa der Länge der Eindüsöffnung 12, wie in Figur 2b in einem Querschnitt durch den Figur 2a gezeigten Injektor dargestellt. Es kann aber auch ein etwas höherer oder niedrigerer Abstand gewählt werden, was vom Druck des gasförmigen Kraft- Stoffs, vom Durchmesser der Eindüsöffnung 12 und von der Größe und der Form des Brennraums abhängt. Figur 2b zeigt dazu auch die Anordnung des stabför- migen Elements 22 im Querschnitt. Der Querschnitt des stabförmigen Elements 22 kann dabei verschiedenen ausgestaltet sein. Zur Illustration ist in Figur 2b vor jeder Eindüsöffnung ein stabförmiges Element 22, 22', 22" mit jeweils verschie- denem Querschnitt gezeigt:

Das in der Zeichnung rechte stabförmige Element 22 zeigt einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt, durch den eine Umlenkkante 20' gebildet wird, die gegenüber der Eindüsöffnung 12 angeordnet ist, so dass der Gasstrahl 14 mit seiner Mittelachse 13 auf die Umlenkkante 20' trifft. Der aus der Eindüsöffnung 12 austretende Gasstrahl 14 wird somit in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und verwirbelt, so dass er sich leicht mit der Luft im Brennraum vermischt.

Im linken unteren Bereich der Figur 2b ist ein weiteres stabförmiges Element 22' gezeigt, das im Querschnitt rhombusförmig ausgebildet ist. Die dadurch gebildete Umlenkkante 20' führt auch hier zur Bildung von zwei Strahlhälften, die durch die Kante 20' voneinander getrennt werden und dadurch gleichzeitig die Stabilität des stabförmigen Elements 22' gewährleisten, da die Belastung am stabförmigen Element 22' symmetrisch erfolgt. Durch die Rhombusform ist sichergestellt, dass sich das in den Brennraum einströmende Gas mit der Luft im Windschatten des Strömungskörpers mischt, da die Strömung durch die der Eindüsöffnung 12 abgewandte Seite des stabförmige Elements 22' geführt wird.

Im linken oberen Bereich der Figur 2b ist ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem stabförmigen Element 22" gezeigt, das im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist. Auch dadurch wird der Gasstrahl 14, der aus der Eindüsöffnung 12 ausströmt, in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Durch die abgeflachte Seite des stabförmigen Elements 22" wird an der den Eindüsöffnungen 12 abgewandten Seite eine starke Verwirbelung hervorgerufen, was insbesondere bei relativ kleinen Brennräumen vorteilhaft sein kann.

Figur 3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors in derselben Darstellung wie Figur 2a. Der Umlenkkörper 15 umfasst hier zwei Zylinderstäbe 24, die ebenfalls über einen Steg 17 am Düsenkörper 2 befestigt sind. Die Zylinderstäbe 24 sind parallel zueinander und mit einem Abstand a zueinander angeordnet, wie in Figur 3b in einem Querschnitt durch den Injektor nach Figur 3a nochmals dargestellt ist. Die Mittelachse 13 der Eindüsöffnung 12 ist dabei so ausgerichtet, dass sie zwischen den Zylinderstäben 24 hindurchzielt. In vorteilhafter Weise kann dabei der Abstand a der Zylinderstäbe 24 zueinander gleich groß sein wie der Durchmesser d der Eindüsöffnung 12, um ein optimales Verhältnis zwischen Eindringtiefe und Verwirbelung zu erreichen. Die beiden Zylinderstäbe 24 führen zu einer starken Verwirbelung des Gasstrahls 14 und damit zu der gewünschten Vermischung mit der Luft im Brennraum.