Titel

Injektor mit verbessertem Wärmeverhalten Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor einer Brennkraftmaschine mit einem verbesserten Wärmeverhalten, welcher einen zusätzlichen Wärmeleitring zur Abführung von Wärme vom Injektor umfasst, sowie eine Brennkraftmaschine mit einem Gasinjektor und einem Flüssigkeitsinjektor (Bi-Fuel).

Injektoren sind aus dem Stand der Technik beispielsweise zum Einspritzen von Kraftstoff bekannt. Bei der Kraftstoffeinspritzung direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ergeben sich jedoch hohe Temperaturbelastungen des Injektors, da dieser ständig mit den heißen Brenngasen in Kontakt steht. Eine gewisse Abkühlung des Injektors erfolgt dabei durch die kontinuierliche

Einspritzung des Kraftstoffes, welcher Wärme vom Injektor aufnimmt und durch die Einspritzung in den Brennraum abführt. In jüngster Zeit werden jedoch verstärkt Brennkraftmaschinen eingesetzt, welche neben flüssigem Kraftstoff auch mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Der gasförmige Kraftstoff kann dabei in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine eingeblasen werden oder ebenfalls direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Für eine abgasoptimierte und verbrauchsoptimierte Einblasung sind dabei für den flüssigen Kraftstoff und den gasförmigen Kraftstoff jeweils zwei separate Injektoren vorhanden. Wenn die Brennkraftmaschine nun ausschließlich mit dem gasförmigen Kraftstoff betrieben wird, steht der flüssige Kraftstoff im nicht benutzten Flüssigkeitsinjektor. Hierbei erfolgt keine Kühlung des

Flüssigkeitsinjektors mehr, da kein Kraftstoff mehr durch diesen in den

Brennraum eingespritzt wird. Hierdurch können die Temperaturen der

Flüssigkeitsinjektoren sehr hoch werden und Schäden an Bauteilen und

Dichtungen des Flüssigkeitsinjektors hervorrufen. Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Injektor einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Temperatur insbesondere im Bereich eines Dichtsitzes des Injektors signifikant reduziert werden kann, auch wenn durch den Injektor kein Medium eingebracht wird, sondern der Injektor im Stillstand ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein Ventilgehäuse mit einem einspritzseitigen Ende aufweist und einen Dichtring sowie einen separaten Wärmeleitring aufweist. Der Wärmeleitring ist dabei näher am einspritzseitigen Ende des Ventilgehäuses angeordnet als der Dichtring. Erfindungsgemäß wird dabei eine Trennung zwischen den Funktionen Abdichten des Injektors und einer Wärmeanbindung einer Ventilspitze am einspritzseitigen Ende vorgenommen. Erfindungsgemäß wird Wärme, welche in den Injektor, z. B. direkt aus einem Brennraum

eingetragen wird, über den Wärmeleitring an ein benachbartes Bauteil, z. B. einen Zylinderkopf, abgegeben. Der Wärmeleitring überbrückt somit einen isolierenden Luftspalt zwischen dem Injektor und dem Bauteil, in welches der Injektor eingebaut ist. Da der Zylinderkopf während des Betriebes der

Brennkraftmaschine kontinuierlich gekühlt wird, weist dieser eine tiefere

Temperatur als der Injektor auf. Somit wird erfindungsgemäß eine gute

Wärmeleitung vom Ventilgehäuse über den Wärmeleitring in ein benachbartes Bauteil, wie z. B. den Zylinderkopf, erreicht. Somit kann eine Wärmeleitung auf kürzestem Wege aus dem Ventilgehäuse ermöglicht werden und dabei muss nur ein geringer Wärmeleitungswiderstand überwunden werden. Weiter wird ferner verhindert, dass Wärme mit hohem Temperaturniveau einen Ventilsitz des

Injektors, an welchem ein Ventilglied einen Durchlass freigibt und verschließt, erreicht, sodass thermische Beschädigungen des Ventilsitzes und/oder des Ventilglieds, z. B. einer Ventilnadel, verhindert werden können. Weiterhin wird auch verhindert, dass Wärme mit hohem Temperaturniveau bis zum Dichtring des Injektors, der den Injektor gegenüber dem umgebenden Bauteil abdichtet, gelangt. Dadurch können Beschädigungen des Dichtringes, welcher nur noch eine Dichtfunktion aufweist und keine Wärmeleitfunktion übernehmen muss, vermieden werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist der Ventilsitz in Axialrichtung des Injektors zwischen dem Wärmeleitring und dem Dichtring angeordnet. Dadurch weist der Ventilsitz einen ausreichenden Abstand vom Wärmeleitring auf, sodass Wärme, z. B. welche unmittelbar aus einem Brennraum auf das Ventilgehäuse übertragen wird, über den Wärmeleitring abgeleitet werden kann und den Ventilsitz nicht bzw. nur in geringem Umfang erreicht. Der Ventilsitz ist vorzugsweise in Axialrichtung näher am Dichtring als am Wärmeleitring angeordnet.

Weiter bevorzugt weist der Wärmeleitring eine größere Elastizität als der

Dichtring auf. Besonders bevorzugt ist die Elastizität des Wärmeleitringes dabei mindestens doppelt so groß wie die des Dichtringes. Durch eine möglichst große Elastizität des Wärmeleitringes wird eine sehr gute Wärmeanbindung des Wärmeleitringes an das benachbarte Bauteil, wie z. B. den Zylinderkopf, auch bei möglichen Einbautoleranzen sichergestellt. Ferner kann dadurch eine Montage des Injektors in einer Bohrung oder dergleichen erleichtert werden.

Eine besonders gute Elastizität des Wärmeleitringes wird erreicht, wenn der Wärmeleitring vorzugsweise wellenförmig mit einer Vielzahl von Wellen ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Wärmeleitring mäanderförmig vorgesehen. Hierbei verlaufen die Wellen jeweils von einem inneren

Umfangsbereich zu einem äußeren Umfangsbereich und zurück und legen sich somit sowohl an den Injektor mit dem inneren Umfang als auch an das den Injektor umgebende Bauteil mit dem äußeren Umfang an. Somit wird eine Elastizität durch eine federnde Formgebung des Wärmeleitringes erreicht.

Eine Ausrichtung des wellenförmigen Wärmeleitringes ist vorzugsweise derart, dass die Wellen in Axialrichtung des Injektors verlaufen. Alternativ ist die

Ausrichtung der Wellen des wellenförmigen Wärmeleitringes derart, dass die Wellen in Radialrichtung des Injektors verlaufen. Bei einer Ausrichtung der Wellen in Axialrichtung des Injektors ist vorzugsweise am den Injektor

umgebenden Bauteil ein radialer Absatz vorgesehen, an welchem der

wellenförmige Wärmeleitring mit einem Teil der Wellen anliegt.

Weiter bevorzugt weist das Ventilgehäuse einen Radialvorsprung auf, an welchem der Wärmeleitring anliegt. Dabei kann der Wärmeleitring flächig am

Radialvorsprung anliegen oder mittels der an einer Seite des Wärmeleitrings liegenden Wellen. Der Wärmeleitring weist weiter bevorzugt einen ersten und zweiten

Flanschbereich auf, welche von einem Mittelbereich radial nach außen verlaufen. Der Mittelbereich umfasst ferner ein radial nach außen oder nach innen gewölbten, elastischen Zwischenbereich. Durch diese Ausgestaltung mit dem nach außen oder nach innen gewölbten Zwischenbereich wird erreicht, dass Wärme, welche vom ersten Flanschbereich auf den Wärmeleitring übertragen wurde, über den Mittelbereich ohne großen Kontakt mit dem Ventilgehäuse zum zweiten Flanschbereich und von dort an das den Injektor umgebenden Bauteil abgeleitet werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeleitring an einer mit dem Ventilgehäuse verbundenen Ventilkappe angeordnet. Die Ventilkappe ist dabei an einem Endbereich des Ventilgehäuses vorgesehen. Dadurch kann eine Vormontage des Wärmeleitringes an der Ventilkappe erfolgen. Weiterhin ist es durch Wahl unterschiedlicher Ventilkappen möglich, dass der Injektor auf einfache und kostengünstige Weise an unterschiedliche Einbausituationen, beispielsweise von unterschiedlichen Herstellern von

Brennkraftmaschinen, angepasst werden kann.

Der Wärmeleitring ist besonders bevorzugt aus Graphit hergestellt. Graphit weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf und ferner auch eine ausreichende

Elastizität, um im montierten Zustand Toleranzabweichungen zwischen Injektor und dem den Injektor umgebenden Bauteil, auszugleichen. Alternativ ist der Wärmeleitring aus einem Verbundmaterial umfassend Teflon und ein Metall hergestellt. Das Metall im Teflon erhöht dabei die Wärmeleitfähigkeit des

Verbundmaterials. Das Verbundmaterial ist vorzugsweise mittels Sintern aus einem Teflonpulver und einem Metallpulver hergestellt.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine umfassend wenigstens einen erfindungsgemäßen Injektor. Die Brennkraftmaschine ist dabei besonders bevorzugt derart vorgesehen, dass der Injektor direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Injektor ist besonders bevorzugt als Flüssigkeitsinjektor zum Einspritzen eines flüssigen Kraftstoffs ausgebildet und weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine vorzugsweise einen zweiten, als Gasinjektor ausgebildeten Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, welcher bevorzugt ebenfalls als erfindungsgemäßer Injektor ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3 eine Ansicht eines Injektors im eingebauten Zustand gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Injektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 5 eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines Injektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung und Figur 6 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Ventilglied 2 in Form einer Ventilnadel, welches an einem Ventilsitz 3 an einem Ventilgehäuse 5 abdichtet. Dabei wird ein Durchlass 4 am Ventilsitz 3 durch das Ventilglied 2 freigegeben und verschlossen. Der Injektor 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Kraftstoff! njektor zum

Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffes. In einer analogen Anordnung kann auch ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines flüssigen Kraftstoffs aufgebaut werden. Der Injektor 1 ist in einer Bohrung 8 in einem Zylinderkopf 9 angeordnet. Der Zylinderkopf 9 wird durch nicht gezeigte Kühlkanäle gekühlt.

Der Injektor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein nach außen öffnender Injektor, was in Figur 1 durch den Pfeil A angedeutet ist. Figur 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Injektors.

Der Injektor 1 umfasst ferner einen Dichtring 6 und einen Wärmeleitring 7. Der Dichtring 6 und der Wärmeleitring 7 sind an einem Außenumfang des

Ventilgehäuses 5 angeordnet.

Der Injektor 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist ein direkt einspritzender Injektor, welcher Kraftstoff direkt in einen Brennraum 1 1 einer

Brennkraftmaschine einspritzt.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist in Axialrichtung X-X des Injektors 1 der Wärmeleitring 7 näher am Brennraum 1 1 angeordnet, als der Dichtring 6.

Weiterhin ist der Ventilsitz 3 in Axialrichtung X-X des Injektors zwischen dem Wärmeleitring 7 und dem Dichtring 6 angeordnet. Der Dichtring 6 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 52 am Außenumfang des Ventilgehäuses 5 angeordnet. Der Wärmeleitring 7 ist benachbart zu einem einspritzseitigen Ende 50 des Ventilgehäuses angeordnet. Das einspritzseitige Ende 50 weist dabei einen Radialvorsprung 51 auf, welcher radial nach außen vom Ende 50 des Ventilgehäuses 5 vorsteht. Der Wärmeleitring 7 ist somit auch in einer

Ausnehmung 54 angeordnet.

Der Wärmeleitring 7 weist eine gewisse Elastizität in Radialrichtung auf, was in Figur 1 durch den Doppelpfeil F1 angedeutet ist. Dadurch wird ein enges Anliegen des Wärmeleitrings 7 sowohl am Ventilgehäuse 5 als auch am

Zylinderkopf 9 erreicht. Somit kann eine sehr gute Wärmeleitung von Wärme, welche aus dem Brennraum 11 auf das Ventilgehäuse 5 übertragen wird, auf den Wärmeleitring 7 übertragen werden und vom Wärmeleitring 7 auf den gekühlten Zylinderkopf 9 übertragen werden. Somit kann erfindungsgemäß das einspritzseitige Ende 50 des Ventilgehäuses 5 thermisch entlastet werden, sodass am Dichtring 6 keine allzu hohen

Temperaturen auftreten. Der Dichtring 6 dichtet, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, einen Spalt 10 zwischen dem Injektor 1 und dem Zylinderkopf 9 ab. Der Dichtring 6 muss somit nur noch Dichtungsaufgaben erfüllen und nicht zwingend auch

Wärmeleitungsaufgaben. Diese werden erfindungsgemäß vom separaten Wärmeleitring 7 übernommen. Somit kann auch eine Temperatur am Ventilsitz 3 signifikant reduziert werden, sodass thermische Beschädigungen am Ventilsitz 3 vermieden werden können.

Durch die elastische Ausgestaltung des Wärmeleitring 7 können ferner

Montagetoleranzen oder Bauteiltoleranzen oder dergleichen im Spalt 10 zwischen dem Ventilgehäuse 5 und dem Zylinderkopf 9 überbrückt werden. Der Wärmeleitring 7 weist somit eine Kombination einer hohen Wärmeleitfähigkeit mit einer hohen Elastizität auf. Die Elastizität des Wärmeleitringes 7 sichert dabei eine optimale Anbindung des Wärmeleitringes zwischen dem Ventilgehäuse 5 und dem Zylinderkopf 9.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wärmeleitring 7 ringzylindrisch vorgesehen und aus einem elastischen Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, wie z. B. aus Graphit oder aus Teflon mit metallischer Füllung hergestellt. Dadurch kann ein großflächiger Kontakt zwischen dem Ventilgehäuse 5 und dem Zylinderkopf 9 erreicht werden. Figur 2 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der

Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein Einbau des Wärmeleitrings 7 derart, dass auch ein in Axialrichtung X-X des Injektors ausgebildeter Kontakt zwischen dem

Ventilgehäuse 5 und dem Zylinderkopf 9 vorhanden ist. Dabei weist der

Wärmeleitring 7 eine erste Elastizität F1 in Radialrichtung auf und eine zweite

Elastizität F2 in Axialrichtung X-X auf. Am Zylinderkopf 9 ist dabei ein radial nach innen gerichteter Vorsprung 90 vorgesehen, sodass der Wärmeleitring 7 zwischen dem Vorsprung 90 und einem Radialvorsprung 53 am Ventilgehäuse 5 fixiert ist. Hierbei weist der Wärmeleitring 7 eine erste axiale Kontaktfläche 71 für einen Kontakt mit dem Vorsprung 90 auf und eine zweite axiale Kontaktfläche 72 für einen Kontakt mit dem Radialvorsprung 53 des Ventilgehäuses 5 auf. Somit weist der Wärmeleitring 7 sowohl eine in Radialrichtung als auch in Axialrichtung vorhandenen Fixierung auf. Dadurch kann eine Kontaktfläche zwischen dem Ventilgehäuse 5 und dem Zylinderkopf 9 vergrößert werden, sodass eine verbesserte Wärmeleitung zwischen diesen Bauteilen erreicht wird. Durch das in Axialrichtung X-X vorgesehene Verspannen können zusätzlich auch noch in Axialrichtung vorhandene Toleranzabweichungen durch den elastischen

Wärmeleitring 7 ausgeglichen werden. Ansonsten entspricht dieses

Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann. Figur 3 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der

Erfindung. Der Injektor des dritten Ausführungsbeispiels weist einen

wellenförmigen Wärmeleitring 7 auf. Der wellenförmige Wärmeleitring 7 weist erste, nach außen gerichtete Wellen 12 auf, welche den Außenumfang des Wärmeleitrings 7 definieren und zweite, nach innen gerichtete Wellen 13 auf, welche einen Innendurchmesser des Wärmeleitrings 7 definieren. Die ersten und zweiten Wellen sind abwechselnd vorgesehen, sodass der Wärmeleitring 7 eine meanderförmige Gestalt in Radialrichtung aufweist. Beim Wärmeleitring 7 dieses Ausführungsbeispiels wird somit eine Elastizität durch eine geometrische Formgebung des Wärmeleitrings 7 in Form von Wellen erreicht. Die Elastizität der Wellen stellt dabei einen guten Kontakt sowohl mit dem Ventilgehäuse 5 als auch mit dem Zylinderkopf 9 sicher. Durch die Ausbildung der Wellenform in Radialrichtung wird eine Vorspannung, wie in Figur 3 durch den Doppelpfeil F1 in Radialrichtung angedeutet, erhalten, die wiederum zur guten thermischen Anbindung innen und außen führt.

Figur 4 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch der Injektor des vierten Ausführungsbeispiels weist einen wellenförmigen Wärmeleitring 7 auf, allerdings sind beim Wärmeleitring 7 brennraumseitige Wellen 14 und brennraumabgewandte Wellen 15 abwechselnd vorgesehen. Somit verlaufen die Wellen des Wärmeleitrings 7 des vierten

Ausführungsbeispiels in Axialrichtung X-X des Injektors. Die brennraumseitigen Wellen 14 liegen dabei auf einem nicht gezeigten Vorsprung des Zylinderkopfes an. Die brennraumabgewandten Wellen 15 liegen am Radialvorsprung 53 des Ventilgehäuses 5 an.

Figur 5 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wärmeleitring 7 des fünften Ausführungsbeispiels weist einen ersten Flanschbereich 73, einen zweiten Flanschbereich 74 und einen

Mittelbereich 75 auf, welcher die beiden Flanschbereiche miteinander verbindet. Der Mittelbereich 75 umfasst einen nach außen gewölbten Zwischenbereich 76, welcher dadurch einen gewissen Abstand zum Ventilgehäuse 5 aufweist. Der gewölbte Zwischenbereich ist dabei kontinuierlich sich verjüngend gebildet. Der erste Flanschbereich 73 liegt in Axialrichtung X-X des Injektors an einem nicht gezeigten Vorsprung des Zylinderkopfes an. Der zweite Flanschbereich 74 liegt an einem Radialvorsprung 53 des Ventilgehäuses an. Der gewölbte

Zwischenbereich 76 stellt ferner eine Vorspannkraft in Axialrichtung X-X bereit, sodass ein sehr gutes Anliegen der ersten und zweiten Flanschbereiche 73, 74 und somit eine sehr gute Wärmeübertragung ermöglicht wird.

Figur 6 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das sechste Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich noch beim sechsten

Ausführungsbeispiel eine Ventilkappe 54 vorgesehen ist. Die Ventilkappe 54 ist an einem einspritzseitigen Ende 50 des Ventilgehäuses 5 angeordnet, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung. Der Dichtring 6 ist dabei am Ventilgehäuse 5 vorgesehen und der Wärmeleitring 7 ist an der Ventilkappe 54 vorgesehen. Durch das Vorsehen der Ventilkappe 54 können verschiedene

Endbereiche des Ventilgehäuses 5 auf einfache Weise realisiert werden.

Dadurch können insbesondere unterschiedliche Geometrien zum Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum 11 realisiert werden und ferner einer kostengünstige und einfache Anpassung an unterschiedliche Anforderungen, welche beispielsweise durch unterschiedliche Brennkraftmaschinenhersteller vorgegeben werden können, ermöglicht werden. We aus Figur 6 ersichtlich ist, weist die Endkappe 54 in diesem Ausführungsbeispiel einen sich nach innen verjüngenden Bereich 55 auf, sodass eine entsprechende Strahlbildung im Brennraum 11 erreichbar ist.

Wie aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ersichtlich ist, erfolgt erfindungsgemäß somit eine Trennung einer Dichtfunktion von einer

Wärmeleitfunktion. Die Dichtfunktion wird vom Dichtring 6 übernommen, die Wärmeleitfunktion vom Wärmeleitring 7. Somit kann auf sichere Weise der Injektor 1 in einen Brennraum 11 eingebaut werden und eine

Temperaturabsenkung der Ventilspitze durch das Vorsehen des Wärmeleitrings 7, welcher näher am Brennraum 11 als der Dichtring 6 ist, vorgenommen werden. Die Wärme kann sicher in den gekühlten Zylinderkopf 9 abgeleitet werden, sodass insbesondere Temperaturbelastungen am Ventilsitz 3 reduziert werden können. Durch die Anordnung des Wärmeleitrings 7 am einspritzseitigen Ende des Ventilgehäuses 5 beziehungsweise an einer Ventilkappe 54 kann somit eine Wärmeanbindung auf kürzestem Wege und damit mit minimalem

Wärmeleitungswiderstand erhalten werden. Der Wärmeleitring 7 kann dabei ausschließlich in Radialrichtung oder in Axialrichtung oder bevorzugt in beide Richtungen, d. h. sowohl in Axial- als auch in Radialrichtung, Wärme übertragen. Weiterhin weist der Wärmeleitring 7 eine Elastizität auf, sodass Toleranzen durch den Wärmeleitring 7 ausgeglichen werden können. Der Ausgleich kann dabei ebenfalls sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung erfolgen.