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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere Kraftstoff, mit einer verbesserten Spray-Geometrie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Injektor.
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Injektoren zum Einspritzen von Fluid sind beispielsweise als Kraftstoffinjektoren aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit gibt es bei Brennkraftmaschinen die Tendenz, einen Einspritzdruck des einzuspritzenden Kraftstoffs zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies insbesondere auch zu einem Einspritzstrahl führen kann, welcher tiefer in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eindringt. Hierdurch kann eine Benetzung von Wandbereichen eines Zylinders oder eines Kolbens der Brennkraftmaschine auftreten. Dies kann jedoch zu verschlechterten Abgasemissionen der Brennkraftmaschine führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einspritzen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine verbesserte Spray-Geometrie, insbesondere mit einer reduzierten Eindringtiefe, und eine verbesserte Atomisierung des eingespritzten Fluids möglich ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Kraftstoffeinspritzung. Hierdurch kann insbesondere ein Einspritzdruck für den Injektor signifikant erhöht werden, welcher ohne gegensteuernde Maßnahmen zu einer verstärkten Eindringtiefe des Fluids, beispielweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit entsprechenden Problemen bei einer Benetzung von Wänden der Brennkammer führt. Erfindungsgemäß wird eine reduzierte Eindringtiefe dadurch erreicht, dass der Injektor eine Spritzlochanordnung mit einem Spritzloch und einer Seitenbohrung aufweist, wobei die Seitenbohrung ausgehend vom Spritzloch zu einer Außenseite des Injektors führt. Hierbei sei angemerkt, dass hinsichtlich des Begriffs „Seitenbohrung“ die Seitenbohrung hier mittels spanabhebender Verfahren hergestellt werden kann, beispielsweise mittels Bohrung, jedoch unter „Seitenbohrung“ auch ein beispielsweise mittels eines Lasers gefertigtes Loch oder ein mittels eines dreidimensional-aufbauenden Verfahrens hergestelltes Loch verstanden wird.
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Durch die zusätzliche Seitenbohrung kann gemäß der Erfindung somit der Fluidstrahl innerhalb einer Wand des Injektors geteilt werden, indem ein Teil in die Seitenbohrung und der restliche Teil durch das normale Spritzloch in einen Einspritzraum zugeführt wird. Somit tritt Fluid in Form von zwei Spraykegeln aus dem Injektor aus. Durch die vom Spritzloch abzweigende Seitenbohrung kann somit auch eine verbesserte Verwirbelung und eine Reduzierung einer Austrittsgeschwindigkeit ermöglicht werden, wodurch die Eindringtiefe weiter reduziert werden kann.
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Dadurch stellt die Erfindung einen Injektor bereit, welcher eine verbesserte Atomisierung und insbesondere auch eine Vermeidung von Wandbenetzung bei einer Einspritzung von Kraftstoff, auch bei sehr hohen Kraftstoffdrücken, vermeiden kann. Dies führt zu besonders vorteilhaften Emissionsverhalten hinsichtlich von Abgasen und ferner auch zu einer möglichen Kraftstoffei nsparung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist ein erster Durchmesser des Spritzlochs größer als ein zweiter Durchmesser der Seitenbohrung. Die Seitenbohrung weist dabei einen Querschnitt auf, welcher in einem Bereich von 50% bis 70% des Querschnitts des Spritzlochs liegt. Somit ist sichergestellt, dass der Hauptfluidstrahl immer noch durch das Spritzloch hindurchgeführt wird und nicht durch die Seitenbohrung.
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Die Seitenbohrung ist vorzugsweise an einer Seite des Spritzlochs vorgesehen, welche zu einer Injektormittelachse gerichtet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass insbesondere bei sehr großen Winkeln zwischen einer Mittelachse des Spritzlochs und der Injektormittelachse Fluid in einen Bereich näher zur Injektormittelachse eingespritzt wird. Der Winkel zwischen der Injektormittelachse und der Mittelachse des Spritzlochs kann hierbei bis zu 70° betragen.
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Besonders bevorzugt ist die Seitenbohrung zylindrisch ausgebildet. Dadurch kann die Seitenbohrung sehr einfach und kostengünstig vorgesehen werden. Alternativ ist die Seitenbohrung sich verjüngend ausgebildet, insbesondere sich in Durchströmungsrichtung verjüngend ausgebildet. Durch diese Variation in der Seitenbohrung ist eine Anpassung der Spritzlochanordnung an unterschiedliche Kundenwünsche möglich.
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Besonders bevorzugt weist das Spritzloch eine Vorstufe auf. Hierdurch kann gezielt ein breiter Spraykegel erzeugt werden. Die Vorstufe ist vorzugsweise zylindrisch. Alternativ ist die Vorstufe als sich in Durchströmungsrichtung erweiternde Vorstufe, insbesondere konisch erweiternd, ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beginnt die Seitenbohrung unmittelbar an einem Eintrittsquerschnitt des Spritzlochs. Somit ergibt sich eine größere Variabilität eines Winkels β einer Mittelachse der Seitenbohrung zu einer Mittelachse des Spritzlochs. Der Winkel β ist hierbei vorzugsweise in einem Bereich von 5° bis 90°, insbesondere 15° bis 45°. Falls am Spritzloch eine Vorstufe vorgesehen ist, ist darauf zu achten, dass noch genügend Material zwischen der Seitenbohrung und der Vorstufe vorhanden ist, insbesondere bei einer Einspritzung von Kraftstoff verwendeten hohen Drücken von größer als 20 MPa.
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Ein besonderes gutes Spraybild wird erreicht, wenn sich die Mittelachse der Seitenbohrung und die Mittelachse des Spritzlochs schneiden.
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Um eine besonders gute Atomisierung des Sprays in dem Einspritzraum zu erreichen und eine Eindringtiefe des Sprays in den Einspritzraum weiter zu reduzieren, werden vorzugsweise ein durch das Spritzloch erzeugtes erstes Spray und ein durch die Seitenbohrung erzeugtes zweites Spray derart erzeugt, dass sich das erste Spray und das zweite Spray teilweise überdecken. Somit trifft das Spray des Spritzlochs teilweise auf das Spray der Seitenbohrung, was zu einer verstärkten Atomisierung führt.
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Vorzugsweise ist ein Winkel α zwischen der Injektormittelachse und der Mittelachse des Spritzlochs in einem Bereich von 0° < α ≤ 70° und insbesondere in einem Bereich von 30° bis 70° und besonders bevorzugt in einem Bereich von 50° bis 70°. Vorzugsweise ist ein Winkel β zwischen der Mittelachse des Spritzlochs und der Mittelachse der Seitenbohrung in einem Bereich von 15° bis 35° und vorzugsweise zwischen 20° und 40°.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor, insbesondere einem Kraftstoffinjektor. Dem erfindungsgemäßen Injektor ist es insbesondere möglich, dass der Injektor an der Brennkraftmaschine in einem speziellen Winkel zu einer Kolbenmittelachse angeordnet werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische vergrößerte Schnittansicht einer Spritzlochanordnung von 1, und
- 3 eine schematische, vergrößerte Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Der Injektor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Schließelement 2, welches in 1 nur teilweise gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schließelement 2 eine Kugel.
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Der Injektor 1 umfasst ferner ein Gehäuse 3, wobei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Schließelement 2 ein Dichtsitz 4 vorhanden ist. 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Injektors.
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Im Gehäuse 3 des Injektors sind ferner mehrere Spritzlochanordnungen 5 angeordnet. Eine der Spritzlochanordnungen 5 ist im Detail aus 2 ersichtlich.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Spritzlochanordnung 5 ein Spritzloch 6 sowie eine Seitenbohrung 7. Das Spritzloch 6 umfasst ferner eine Vorstufe 8, aus welcher das Fluid in einen Einspritzraum 10 austritt.
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Wie aus 2 deutlich wird, zweigt die Seitenbohrung 7 vom Spritzloch 6 im Bereich des Gehäuses 3 des Injektors ab und führt zu einer Außenseite des Injektors. Dabei ist der Abzweigpunkt der Seitenbohrung 7 am Spritzloch 6 derart gewählt, dass die Seitenbohrung 7 unmittelbar an einem Eintrittsquerschnitt 61 des Spritzlochs 6 beginnt, an welchem das Fluid aus einem inneren Fluidraum 11 des Injektors in das Spritzloch 6 eintritt.
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Das Spritzloch 6 dieses Ausführungsbeispiels ist zylindrisch. Ebenfalls ist die Vorstufe 8 zylindrisch ausgebildet. Ferner ist auch die Seitenbohrung 7 zylindrisch ausgebildet.
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Allerdings ist ein erster Durchmesser D1 des Spritzlochs 6 größer als ein zweiter Durchmesser D2 der Seitenbohrung 7. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Durchmesser D2 ungefähr 50% des ersten Durchmessers D1.
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Wie in 2 schematisch gezeigt, erzeugt das erste Spritzloch 6 ein erstes Spray 63 und die Seitenbohrung 7 erzeugt ein zweites Spray 73. Hierbei ergibt sich im Einspritzraum 10 eine Sprayüberschneidung 13.
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Die Sprayüberschneidung 13 kann durch eine Wahl eines Winkels β zwischen einer Mittelachse 60 des Spritzlochs 6 und einer Mittelachse 70 der Seitenbohrung 7 eingestellt werden. Hierbei ist zu beachten, dass immer ausreichend Material des Gehäuses 3 zwischen der Seitenbohrung 7 und der Vorstufe 8 vorhanden ist.
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Der Winkel β ist hierbei ungefähr 30° und ist kleiner als ein Winkel α zwischen einer Injektormittelachse X-X und der Mittelachse 60 des Spritzlochs 6. Dadurch ist es möglich, dass der Winkel α zwischen der Mittelachse 60 des Spritzlochs 6 und der Injektormittelachse X-X sehr groß gewählt wird, insbesondere in einem Bereich von 60° bis 70°. Trotzdem kann eine Wandbenetzung beispielsweise in einem Zylinder durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spritzlochanordnung 5 vermieden werden, da eine Eindringtiefe durch Vorsehen der Seitenbohrung 7 signifikant reduziert wird. Im Stand der Technik wird bei sehr großen Winkeln α zwischen der Mittelachse des Spritzlochs und der Injektormittelachse häufig eine Wandbenetzung auftreten.
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Für eine möglichst große Sprayverteilung ist vorzugsweise der Winkel β so groß wie möglich zu wählen. Der Winkel β sollte jedoch nur so groß gewählt werden, dass immer noch eine Sprayüberschneidung 13 zwischen den beiden Sprays 63 und 73 der Spritzlochanordnung erzeugt wird.
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Somit wird erfindungsgemäß eine Spritzlochanordnung 5 vorgesehen, welche nur einen Eintrittsquerschnitt 61 hat, jedoch zwei Austrittsöffnungen aufweist, aus welchen Fluid in den Einspritzraum 10 austritt, nämlich in den Austrittsquerschnitt 62 an der Vorstufe 8 und den Austrittsquerschnitt 72 an der Seitenbohrung 7.
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Es sei ferner angemerkt, dass bei mehreren Spritzlochanordnungen benachbarte Sprays einer benachbarten Spritzlochanordnung so vorgesehen sein können, dass sich auch Sprays benachbarter Spritzlochanordnungen treffen und eine zusätzliche Atomisierung und Verwirbelung bereitstellen.
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3 zeigt einen Injektor mit einer Spritzlochanordnung 5 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel die Seitenbohrung 7 nicht unmittelbar am Eintrittsquerschnitt 61 des Spritzlochs 6 beginnt. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist hier ein Abstand 9 vom Eintrittsquerschnitt 61 zum Beginn eines Eintrittsquerschnitts 71 der Seitenbohrung 7 am Spritzloch 6 vorgesehen. Der Abstand 9 sollte möglichst klein gewählt werden, damit eine ausreichend lange Strömungsstrecke in der Seitenbohrung 7 vorhanden ist. Ferner ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel die Seitenbohrung 7 in Durchströmungsrichtung konisch verjüngend ausgebildet. Dadurch kann insbesondere ein größerer Abstand zwischen der Seitenbohrung 7 und dem Spritzloch 6, insbesondere im Bereich der Vorstufe 8, erreicht werden.