DE-102024210666-A1 - Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor (1) zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise Wasserstoff, in einen Brennraum (20) einer Brennkraftmaschine. Der Injektor (1) umfasst dabei u.a. ein axial bewegbares Ventilschließelement (5) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Öffnung an einem Dichtsitz (7), einen Aktor (21) zur Betätigung des Ventilschließelements (5) und eine dem Dichtsitz (7) strömungstechnisch nachgeordnete Strömungsbeeinflussungsgeometrie (10). Erfindungsgemäß ist die Strömungsbeeinflussungsgeometrie (10) derart ausgeführt, dass sie stromabwärts des Dichtsitzes (7) in einem Aufsatzkörper (8) ausgeformt ist, wobei der Aufsatzkörper (8) einen hohlzylindrischen Abschnitt im Bereich des Dichtsitzes (7) aufweist, an den sich ein Abströmbereich (16) mit wenigstens einer eine Innenkontur (9) aufweisenden Abströmöffnung (17) anschließt, die in einer dem Brennraum (20) zugewandten Endseite (25) mündet, wobei im Übergang vom hohlzylindrischen Abschnitt zur wenigstens einen Abströmöffnung (17) die Innenkontur (9) einen wannenartigen Abschnitt (22) besitzt, von dem ausgehend wenigstens eine Zusatzöffnung (24) mit der Außenkontur des Aufsatzkörpers (8) in Verbindung steht, um ein Ausspülverhalten aus der Abströmöffnung (17) zu verbessern.

Inventors

• Thomas Middel
• Thomas BURTSCHE
• Michael Lippisch
• Oezguer Tuerker
• Holger Kauss

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (13)

1. Injektor (1) zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, vorzugsweise Wasserstoff, in einen Brennraum (20) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein axial bewegbares Ventilschließelement (5) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Öffnung an einem Dichtsitz (7), einen Aktor (21) zur Betätigung des Ventilschließelements (5), und eine dem Dichtsitz (7) strömungstechnisch nachgeordnete Strömungsbeeinflussungsgeometrie (10), dadurch gekennzeichnet , dass die Strömungsbeeinflussungsgeometrie (10) stromabwärts des Dichtsitzes (7) in einem Aufsatzkörper (8) ausgeformt ist, wobei der Aufsatzkörper (8) einen hohlzylindrischen Abschnitt im Bereich des Dichtsitzes (7) aufweist, an den sich ein Abströmbereich (16) mit wenigstens einer eine Innenkontur (9) aufweisenden Abströmöffnung (17) anschließt, die in einer dem Brennraum (20) zugewandten Endseite (25) mündet, wobei im Übergang vom hohlzylindrischen Abschnitt zur wenigstens einen Abströmöffnung (17) die Innenkontur (9) einen wannenartigen Abschnitt (22) besitzt, von dem ausgehend wenigstens eine Zusatzöffnung (24) mit der Außenkontur des Aufsatzkörpers (8) in Verbindung steht, um ein Ausspülverhalten aus der Abströmöffnung (17) zu verbessern.
2. Injektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Außenkontur des Aufsatzkörpers (8) von einer radial äußeren Mantelseite (26) und der dem Brennraum (20) zugewandten Endseite (25) gebildet wird, wobei die wenigstens eine Zusatzöffnung (24) die Mantelseite (26) mit dem wannenartigen Abschnitt (22) der Innenkontur (9) verbindet.
3. Injektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Außenkontur des Aufsatzkörpers (8) von einer radial äußeren Mantelseite (26) und der dem Brennraum (20) zugewandten Endseite (25) gebildet wird, wobei die wenigstens eine Zusatzöffnung (24) die Endseite (25) mit dem wannenartigen Abschnitt (22) der Innenkontur (9) verbindet.
4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Zusatzöffnung (24) schräg geneigt gegenüber der Mittelachse des Injektors (1) verläuft, wobei der Neigungswinkel (α) zur Mittelachse des Injektors (1) vorzugsweise zwischen 25° und 60° beträgt.
5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass im Mündungsbereich der wenigstens einen Zusatzöffnung (24) am wannenartigen Abschnitt (22) der Innenkontur (9) mit diesem Abschnitt (22) ein Winkel (β) eingeschlossen wird, der zwischen 90° und 140° beträgt.
6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Zusatzöffnung (24) entweder zylindrisch oder konisch über ihre Länge ausgeführt ist, wobei bei einer konischen Ausführung der Durchmesser (d a ) an der Außenkontur größer ist als der Durchmesser (d i ) am wannenartigen Abschnitt (22).
7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für den Durchmesser (d a ) der wenigstens einen Zusatzöffnung (24) an der Außenkontur im Verhältnis zum Durchmesser (D) der Abströmöffnung (17) gilt: d a = 0,05...0,25 x D.
8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen zwei und acht Zusatzöffnungen (24) vorgesehen sind.
9. Injektor nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Zusatzöffnungen (24) gleichverteilt über den Umfang des Aufsatzkörpers (8) angeordnet sind.
10. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die dem Dichtsitz (7) strömungstechnisch nachgeordnete Strömungsbeeinflussungsgeometrie (10) in einer Blaskappe (8) realisiert ist.
11. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der kappenförmige Aufsatzkörper (8) an einem abspritzseitigen Ende des Injektors (1), insbesondere an einem Düsenkörper (2) anbringbar ist.
12. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Ventilschließelement (5) Teil einer axial bewegbaren Ventilnadel ist, wobei das Ventilschließelement (5) einen Endabschnitt (6) besitzt, der weitgehend tellerförmig ausgeführt ist.
13. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass dieser in einer Aufnahmebohrung (28) eines Zylinderkopfes (23) einbringbar ist, wobei der Aufsatzkörper (8) derart in den Brennraum (20) hineinsteht, dass die wenigstens eine Zusatzöffnung (24) an der Außenkontur des Aufsatzkörpers (8) entweder vom Brennraumgas frei anströmbar ist oder teilweise oder vollständig von der inneren Wandung der Aufnahmebohrung (28) des Zylinderkopfes (23) abgedeckt ist.

Description

Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor, mit dem Wasserstoff direkt in den Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine eingeblasen werden kann. Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von Kostenvorteilen und verbesserter Umweltverträglichkeit werden gasförmigen Kraftstoffe in jüngster Zeit kontinuierlich beliebter. Problematisch ist hierbei im Vergleich mit Injektoren für flüssige Kraftstoffe, dass die einzublasende Gasmenge ein viel größeres Volumen als eine gleichwertige Menge flüssigen Kraftstoffs einnimmt. Dies resultiert in einem erhöhten Hubbedarf eines Schließelements, welches üblicherweise durch einen magnetischen Aktor betätigt wird. Die Magnetkreisauslegung mit Standardwerkstoffen ist aufgrund des begrenzten Bauraums sehr schwierig bzw. teilweise unmöglich. Werkstoffe mit höherer Magnetkraft sind sehr teuer und zum Teil gesundheitsschädlich (z.B. FeCo). Aus der DE 10 2021 206 438 A1 ist bereits eine Gasdüse für ein Gasventil bekannt, die einen zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführten Düsenkörper, der einen Dichtsitz ausbildet, über den ein Gasströmungspfad führt, umfasst. Außerdem weist das Gasventil ein im Düsenkörper abschnittsweise aufgenommenes hubbewegliches Ventilschließelement mit einem Endabschnitt auf, der außerhalb des Düsenkörpers angeordnet ist und eine mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtkontur aufweist. Zudem besitzt das Gasventil eine den Düsenkörper und den Endabschnitt des Ventilschließelements umgebende Hülse, die den Gasströmungspfad stromabwärts des Dichtsitzes begrenzt, wobei der Gasströmungspfad stromabwärts des Dichtsitzes eine Querschnittsverengung zur Erzielung des Venturi-Effekts aufweist, in deren Bereich mindestens ein Ansaugkanal mündet. Die Hülse ist in der Form einer auf den Düsenkörper aufbringbaren Blaskappe ausgeführt. Ein weiterer Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums ist ebenfalls aus der WO 2023/001384 A1 bekannt. Die auf einen Düsenkörper aufsetzbare Blaskappe weist dabei einen hülsenförmigen Grundkörper mit einer umlaufenden Mantelfläche auf, die am stromabwärtigen Ende in einen Bodenbereich übergeht. Der Bodenbereich ist derart ausgeführt, dass wenigstens eine schräg bzw. asymmetrisch abblasende Austrittsöffnung vorgesehen ist, wobei im Bodenbereich des Weiteren ein nach innen, zum Ventilschließelement entgegen der Strömungsrichtung hin gerichteter Strömungsführungsabschnitt ausgebildet ist, der eine Strömungsablenkung des auszublasenden Gases vornimmt. Offenbarung der Erfindung Der erfindungsgemäße Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine optimierte Gasströmung im Injektor durch geometrische Auslegung einer dem Dichtsitz nachgeordneten Strömungsbeeinflussungsgeometrie ermöglicht ist, so dass über die Innenkontur des kappenförmigen Aufsatzkörpers die Innenströmung des gasförmigen Mediums möglichst verlustfrei gestaltet ist, so dass der unterhalb, also stromabwärts des Ventilschließelements befindliche Staudruck reduziert wird und zugleich der Strahl gezielt in den Brennraum eingebracht werden kann. Außerdem werden die auf das Ventilschließelement wirkenden Kräfte in besonderer Weise auf ein Minimum reduziert. Dadurch reduziert sich die Magnetkraft eines Aktors, welche zum Offenhalten des Injektors gewählt werden muss, und ermöglicht somit die Verwendung kostengünstiger Werkstoffe im Magnetkreislauf des Aktors. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein Ventilschließelement zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Öffnung an einem Dichtsitz aufweist. Das Ventilschließelement ist vorzugsweise eine axial bewegbare Ventilnadel mit einem tellerförmigen Endabschnitt. Ferner ist ein Aktor zur Betätigung des Ventilschließelements vorgesehen. Der Aktor ist vorzugsweise ein Magnetaktor, kann aber beispielsweise auch ein mechanisch oder (piezo-) elektrisch betriebener Aktor sein. Weiter bevorzugt ist der Aktor eingerichtet, das Ventilschließelement aktiv durch eine Hubbewegung zu öffnen und offen zu halten, während das Ventilschließelement durch eine Federkraft geschlossen wird. Die insbesondere in einem kappenförmigen Aufsatzkörper, kurz einer Blaskappe, untergebrachte Strömungsbeeinflussungsgeometrie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Aufsatzkörper einen hohlzylindrischen Abschnitt im Bereich des Dichtsitzes aufweist, an den sich ein Abströmbereich mit wenigstens einer eine Innenkontur aufweisenden Abströmöffnung anschließt, die in einer dem Brennraum zugewandten Endseite mündet, wobei im Übergang vom hohlzylindrischen Abschnitt zur w