DE102021212897A1

DE102021212897A1 - Injektor für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021212897A1
Application number: DE102021212897.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Aichele; Andreas Koeninger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor (10; 10a) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ventilkörper (12), in dem in einer Bohrung (14) eine Ventilnadel (22; 22a) entlang einer Längsachse (16) hubbeweglich angeordnet ist, wobei die Ventilnadel (22; 22a) an einem brennraumseitigen Ende eine im Wesentlichen konische Ventildichtfläche (39) aufweist, die mit einer Dichtfläche (40) des Ventilkörpers (12) zusammenwirkt, um dadurch wenigstens eine brennraumseitige Öffnung zu steuern, wobei die Ventilnadel (22; 22a) in wenigstens einem ersten Führungsbereich (41) im Ventilkörper (12) radial geführt ist, und wobei die Ventilnadel (22; 22a) nach dem ersten Führungsbereich (41) in Richtung zur Ventildichtfläche (39) betrachtet wenigstens einen Hohlraum (45) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine Brennkraftmaschine, wobei der Injektor dazu dient, ein gasförmiges, unter Druck stehendes Medium, wie Wasserstoff, in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzublasen.
Stand der Technik
Aus der DE 102 37 003 A1 der Anmelderin ist es im Zusammenhang bei einem Injektor zum Einspritzen eines zerstäubten Kraftstoffs in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, einen Injektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass dieser in dem Bereich zwischen einem ersten Führungsbereich der Ventilnadel in dem Ventilkörper und einer brennraumseitigen Ventildichtfläche mehrere, in einem schrägen Winkel zur Längsachse verlaufende Durchgangsbohrungen aufweist. Die Durchgangsbohrungen bilden Hohlräume aus, die von dem Kraftstoff durchströmbar sind. Durch die Hohlräume wird bei dem bekannten Injektor der Vorteil erzielt, dass dieser eine geringere Längssteifigkeit und eine geringere Masse gegenüber einem Injektor aufweist, der keine derartige Durchgangsbohrungen bzw. Hohlräume aufweist. Dies begünstigt beispielsweise auch die Dynamik beim Betrieb des Injektors positiv.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Injektoren zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, die eine in Längsrichtung der Ventilnadel verlaufende Bohrung aufweisen, über die der Brennstoff in Richtung einer Ventildichtfläche der Ventilnadel zuführbar ist. Ventilnadeln mit derartig ausgebildeten Hohlräumen weisen gegenüber Ventilnadeln, die als Vollkörper ausgebildet sind, den Vorteil eines möglichen erhöhten Durchsatzes an Gas und somit eines vergrößerten Motorleistungsbereichs auf.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Injektor für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass er bei relativ einfacher Herstellbarkeit besonders günstige strömungstechnische sowie mechanische Eigenschaften aufweist. Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Injektor, auf relativ einfache Art und Weise eine Maximierung des möglichen Durchflusses von Brennstoff (Gas) durch den Injektor bei gleichzeitig einfach einstellbarer, reduzierter Steifigkeit in Längsrichtung und bzgl. seiner Biegesteifigkeit zu erzielen.
Hierzu ist es bei einem erfindungsgemäßen Injektor für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, dass der Hohlraum als ein um die Längsachse der Ventilnadel zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrischer Hohlraum mit einer radial um die Längsachse umlaufenden Wand ausgebildet ist, der von Brennstoff in Richtung der brennraumseitigen Öffnung durchströmbar ist, dass der Hohlraum auf der der Ventildichtfläche abgewandten Seite über den ersten Führungsbereich der Ventilnadel hinaus, vorzugsweise bis zu einer Stirnseite der Ventilnadel, verlängert ausgebildet ist, wobei die Ventilnadel auf der der Ventildichtfläche abgewandten Seite des ersten Führungsbereichs in Richtung der Längsachse betrachtet einen ersten Abschnitt und zwischen dem ersten Führungsbereich und der Ventildichtfläche einen zweiten Abschnitt aufweist, und wobei der zweite Abschnitt gegenüber dem ersten Abschnitt zumindest bereichsweise eine geringere Biege- und/oder Axialsteifigkeit aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Injektors für eine Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung zur relativ einfachen Beeinflussung bzw. Einstellbarkeit der Steifigkeit der Ventilnadel in Längsrichtung ist es vorgesehen, dass die Wand der Ventilnadel im Bereich des Hohlraums im zweiten Abschnitt bereichsweise Öffnungen bzw. Löcher aufweist. Derartige Öffnungen bzw. Löcher können in Art von Perforationen beispielsweise mittels einer Laserstrahleinrichtung o.ä. ausgebildet werden. Vorzugsweise verlaufen die Öffnungen bzw. Löcher dabei in radialer Richtung in Bezug zur Längsachse der Ventilnadel. Über die Anzahl, die Größe und die Anordnung der Löcher bzw. Öffnungen, welche nicht regelmäßig angeordnet sein müssen, lässt sich die gewünschte Biegesteifigkeit der Ventilnadel somit besonders einfach beeinflussen.
Eine alternative Ausgestaltung zu dem zuletzt gemachten Vorschlag sieht vor, dass die Wand der Ventilnadel im Bereich des Hohlraums im zweiten Abschnitt bereichsweise in Form eines Metallbalgs ausgebildet ist. Eine derartiger Metallbalg weist zwar keine Öffnungen bzw. Löcher auf, ist jedoch aufgrund seiner Formgebung in Richtung der Längsachse der Ventilnadel betrachtet besonders biegeweich bzw. ermöglicht eine Anpassung der gewünschten Biegesteifigkeit und Axialsteifigkeit der Ventilnadel an den jeweiligen Anwendungsfall.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Hohlraum der Ventilnadel im Bereich der Öffnungen bzw. Löcher oder im Bereich des Metallbalgs zylindrisch ausgebildet ist. Dies bedeutet einen konstanten Durchflussquerschnitt für den Brennstoff und eine relativ einfache Herstellbarkeit des entsprechenden zweiten Abschnitts der Ventilnadel.
Eine weitere Verbesserung der Führung der Ventilnadel lässt sich erzielen, wenn der Ventilkörper auf der der Ventildichtfläche der Ventilnadel zugewandten Seite des ersten Führungsbereichs einen zweiten Führungsbereich zur radialen Führung der Ventilnadel aufweist, wobei der Hohlraum der Ventilnadel im Bereich des zweiten Führungsbereichs mit einer geschlossenen Wand ausgebildet ist.
Eine Vereinfachung der Herstellung einer die unterschiedlichen Abschnitte aufweisenden Ventilnadel wird dadurch erzielt, dass der zweite Abschnitt der Ventilnadel aus einem separaten Bauteil gebildet ist, das in Richtung der Längsachse betrachtet mit dem ersten Abschnitt verbunden ist.
Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Injektors mit Blick auf dessen Eignung mit dem Einblasen von gasförmigen Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine sieht vor, dass die Wand der Ventilnadel zwischen dem zweiten Führungsbereich und einer aus Vollmaterial ausgebildeten, die Ventildichtfläche aufweisenden Ventilspitze wenigstens eine Durchlassöffnung aufweist, die radial oder in einem schrägen Winkel zur Längsachse der Ventilnadel verläuft.
Zur Steuerung der Bewegung der Ventilnadel sowie zu einer vorteilhaften Zuführung des Brennstoffs ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung des Injektors vorgesehen, dass die Ventilnadel auf der der Brennraumseite abgewandten Seite mit einem Ankerelement verbunden ist, das zur Hubsteuerung der Ventilnadel mit einer Magnetspulenanordnung zusammenwirkt, und dass das Ankerelement eine fluchtend zur Längsachse angeordnete Durchgangsbohrung für Brennstoff aufweist, die in dem Hohlraum mündet.
Eine weitere konstruktiv bevorzugte Ausgestaltung der Ventilnadel sieht vor, dass diese als eine nach außen hin öffnende Ventilnadel ausgebildet ist.
Insbesondere ist der Injektor zum Einblasen eines Gases in den Brennraum der Brennkraftmaschine ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt den einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandten axialen Endbereich eines Injektors in einem Längsschnitt,
2 eine Ventilnadel des Injektors ähnlich der Ventilnadel gemäß der 1 in einer Seitenansicht und
3 einen gegenüber 1 abgewandelten Injektor unter Verwendung eines Metallbalgs im Bereich der Ventilnadel, ebenfalls in einem Längsschnitt.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein erster Injektor 10 zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, in den nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine gezeigt. Dabei ist der Injektor 10 lediglich in dem, dem Brennraum zugewandten axialen Endbereich dargestellt.
Der Injektor 10 weist einen Ventilkörper 12 auf, der eine mehrfach abgestufte Bohrung 14 hat, die konzentrisch zu einer Längsachse 16 verläuft. Der Ventilkörper 12 ist im Bereich einer Durchmesserstufe von einem Ventilgehäuse 18 radial umfasst, das u.a. der Aufnahme einer Magnetspulenanordnung 20 dient. Innerhalb der Bohrung 14 des Ventilkörpers 12 ist entlang der Längsachse 16 eine Ventilnadel 22 hubbeweglich geführt. Die Ventilnadel 22 ist auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Seite stirnseitig mit einem Magnetanker 24 verbunden, der zum Anheben der Ventilnadel 22 aus einer in der 1 gezeigten Schließstellung mit der Magnetspulenanordnung 20 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 22 ist als sogenannte Hohlnadel ausgebildet und weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenform auf. Auf der dem Magnetanker 24 zugewandten Seite weist die Ventilnadel 22 einen ersten Abschnitt 26 auf, in dessen Bereich eine Wand 27 der Ventilnadel 22 geschlossen ausgebildet ist. An den ersten Abschnitt 26 schließt sich in Richtung der Längsachse 16 betrachtet ein zweiter Abschnitt 28 an, der eine Wand 29 hat, die Öffnungen 30 in Form von Löchern, Perforationen oder dgl. aufweist. Die Öffnungen 30 verlaufen dabei vorzugsweise in radialer Richtung in Bezug zur Längsachse 16. Typischerweise können die Öffnungen 30 mittels einer Laserstrahleinrichtung o.ä. Einrichtungen, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, gefertigt sein. An den zweiten Abschnitt 28 schließt sich ein dritter Abschnitt 31 an, in dessen Bereich die Wand 32 der Ventilnadel 22 ebenfalls als geschlossene Wand 32, d.h. ohne Öffnungen oder dgl. ausgebildet ist. An den dritten Abschnitt 31 schließt sich ein vierter Abschnitt 34 an, welcher eine sacklochförmige Bohrung 35 aufweist, an die sich eine aus Vollmaterial bestehende Ventilspitze 36 anschließt. Im Bereich der Sacklochbohrung 35 weist die Ventilnadel 22 mehrere, in der Darstellung der 1 auf gegenüberliegenden Seiten der Längsachse 16 angeordnete Durchlassbohrungen 38 auf. Die Ventilspitze 36 ist auf der der Bohrung 14 des Ventilkörpers 12 zugewandten Seite konisch ausgebildet und bildet eine Ventildichtfläche 39 aus. Die Ventildichtfläche 39 wirkt in einer geschlossenen Stellung der Ventilnadel 22 mit einer gegengleich ausgebildeten Dichtfläche 40 an der Innenseite der Bohrung 14 des Ventilkörpers 12 zusammen. In der in der 1 dargestellten Stellung der Ventilnadel 22 weist diese ihre geschlossene Stellung auf. Zum Einblasen von Gas in den Brennraum der Brennkraftmaschine ist es erforderlich, die Ventilnadel 22 aus der in der 1 gezeigten Stellung nach unten herauszubewegen, sodass im Bereich der Dichtfläche 40 eine Öffnung in Richtung zum Brennraum freigegeben wird.
Die einzelnen Abschnitte 26, 28, 31, 34 der Ventilnadel 22 sowie deren Ventilspitze 36 können jeweils als separate Bauteile bzw. Elemente gefertigt sein, oder aber zumindest teilweise als gemeinsame Bauteile. Diese Bauteile werden in Längsrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse 16 betrachtet, durch geeignete Maßnahmen, insbesondere durch Laserstrahlschweißnähte, miteinander verbunden.
Weiterhin ist die Ventilnadel 22 im Bereich des ersten Abschnitts 26 im Bereich eines ersten Führungsbereichs 41 des Ventilkörpers 12 radial geführt. Darüber hinaus ist der vierte Abschnitt 34 der Ventilnadel 22 in einem weiteren, zweiten Führungsbereich 44 des Ventilkörpers 12 radial geführt.
Die Abschnitte 26, 28, 31 und 34 bilden insgesamt einen rotationssymmetrisch zur Längsachse 16 verlaufenden, zylindrischen Hohlraum 45 in der Ventilnadel 22 aus, die bis zur Stirnseite 46 der Ventilnadel 22 reicht, in deren Bereich die Ventilnadel 22 mit dem Magnetanker 24 verbunden ist.
Mittels einer Druckfeder 48, die sich einerseits gegen einen radial um die Längsachse 16 umlaufenden Bund 49 der Ventilnadel 22, und andererseits am Grund einer Durchmesserstufe der Bohrung 14 im Ventilkörper 12 abstützt, wird die Ventilnadel 22 in ihre Schließstellung kraftbeaufschlagt. Die Zuführung von Brennstoff (Gas) in den Hohlraum 45 der Ventilnadel 22 erfolgt über eine konzentrisch zur Längsachse 16 in dem Magnetanker 24 angeordnete Durchgangsbohrung 50.
Bei einer in ihrer Öffnungsstellung befindlichen Ventilnadel 22 gelangt der Brennstoff über die Durchgangsbohrung 50 im Magnetanker 24 in den Hohlraum 45, von wo er über die Bohrungen 35 in den Brennraum der Brennkraftmaschine einströmen kann.
Wesentlich ist, dass es durch die konstruktive Gestaltung des zweiten Abschnitts 28 der Ventilnadel 22 ermöglicht wird, die Ventilnadel 22 in Richtung der Längsachse 16 betrachtet mit einer höheren Elastizität sowie einer geringeren Biegesteifigkeit im Vergleich zum ersten Abschnitt 26 der Ventilnadel 22 auszubilden. Der zweite Abschnitt 28 bildet somit ein Koppelelement aus. Gleichzeitig wird die Masse der Ventilnadel 22 verringert, was deren Dynamikeigenschaften verbessert.
In der 3 ist ein Injektor 10a dargestellt, dessen Ventilnadel 22a einen zweiten Abschnitt 28a aufweist, dessen Wand 29 durch einen Metallbalg 52 gebildet ist. Der Metallbalg 52 ist in diesem Fall vorzugsweise in Form eines separaten Bauteils bzw. Elements ausgebildet, das mit den anderen Bauteilen bzw. Elementen der Ventilnadel 22a verbunden ist. Auch in diesem Fall bildet der Metallbalg 52 ein Koppelelement aus, das eine biegeweichere und axial weichere Ventilnadel 22a in Bezug zur Richtung der Längsachse 16 ermöglicht.
Der soweit beschriebene Injektor 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10237003 A1 [0002]

Claims

Injektor (10; 10a) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ventilkörper (12), in dem in einer Bohrung (14) eine Ventilnadel (22; 22a) entlang einer Längsachse (16) hubbeweglich angeordnet ist, wobei die Ventilnadel (22; 22a) an einem brennraumseitigen Ende eine im Wesentlichen konische Ventildichtfläche (39) aufweist, die mit einer Dichtfläche (40) des Ventilkörpers (12) zusammenwirkt, um dadurch wenigstens eine brennraumseitige Öffnung zu steuern, wobei die Ventilnadel (22; 22a) in wenigstens einem ersten Führungsbereich (41) im Ventilkörper (12) radial geführt ist und wobei die Ventilnadel (22; 22a) nach dem ersten Führungsbereich (41) in Richtung zur Ventildichtfläche (39) betrachtet wenigstens einen Hohlraum (45) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (45) als ein um die Längsachse (16) zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrischer Hohlraum (45) mit einer radial um die Längsachse (16) umlaufenden Wand (27, 29, 32) ausgebildet ist, der von Brennstoff in Richtung der brennraumseitigen Öffnung durchströmbar ist, dass der Hohlraum (45) auf der der Ventildichtfläche (39) abgewandten Seite über den ersten Führungsbereich (41) der Ventilnadel (22; 22a) hinaus verlängert ausgebildet ist, wobei die Ventilnadel (22; 22a) auf der der Ventildichtfläche (39) abgewandten Seite des ersten Führungsbereichs (41) in Richtung der Längsachse (16) betrachtet einen ersten Abschnitt (26) und zwischen dem ersten Führungsbereich (41) und der Ventildichtfläche (39) einen zweiten Abschnitt (28; 28a) aufweist, und wobei der zweite Abschnitt (28; 28a) gegenüber dem ersten Abschnitt (26) zumindest bereichsweise eine geringere Biege- und/oder Axialsteifigkeit aufweist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (29) der Ventilnadel (22) im Bereich des Hohlraums (45) im zweiten Abschnitt (28) bereichsweise Öffnungen (30), Löcher, Perforationen oder dergleichen aufweist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (29) der Ventilnadel (22a) im Bereich des Hohlraums (45) im zweiten Abschnitt (28a) bereichsweise in Form eines Metallbalgs (52) ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (45) der Ventilnadel (22; 22a) im Bereich der Öffnungen (30), Löcher, Perforationen oder dergleichen, oder im Bereich des Metallbalgs (52) zylindrisch ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (12) auf der der Ventildichtfläche (39) der Ventilnadel (22; 22a) zugewandten Seite des ersten Führungsbereichs (41) einen zweiten Führungsbereich (44) zur radialen Führung der Ventilnadel (22; 22a) aufweist, und dass der Hohlraum (45) der Ventilnadel (22, 22a) im Bereich des zweiten Führungsbereichs (44) von einer geschlossenen Wand (32) begrenzt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (28; 28a) der Ventilnadel (22; 22a) aus einem separaten Bauteil gebildet ist, das in Richtung der Längsachse (16) betrachtet mit dem ersten Abschnitt (26) verbunden ist.
Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (45) zwischen dem zweiten Führungsbereich (44) und einer aus Vollmaterial ausgebildeten, die Ventildichtfläche (39) aufweisenden Ventilspitze (36) wenigstens eine Durchlassöffnung (38) aufweist, die radial oder in einem schrägen Winkel zur Längsachse (16) verläuft.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (22, 22a) auf der der brennraumseitigen Seite abgewandten Seite mit einem Ankerelement (24) verbunden ist, das zur Hubsteuerung der Ventilnadel (22; 22a) mit einer Magnetspulenanordnung (20) zusammenwirkt, und dass das Ankerelement (24) eine fluchtend zur Längsachse (16) angeordnete Durchgangsbohrung (50) für Brennstoff aufweist, die in den Hohlraum (45) mündet.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (22; 22a) in Bezug auf den Ventilkörper (12) als eine nach außen öffnende Ventilnadel (22; 22a) ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Injektor (10; 10a) zum Einblasen eines Gases in einen Brennraum ausgebildet ist.