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WO2016119993A1 - Kraftstoffinjektor für den betrieb mit brenngas - Google Patents

Kraftstoffinjektor für den betrieb mit brenngas Download PDF

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WO2016119993A1
WO2016119993A1 PCT/EP2016/000018 EP2016000018W WO2016119993A1 WO 2016119993 A1 WO2016119993 A1 WO 2016119993A1 EP 2016000018 W EP2016000018 W EP 2016000018W WO 2016119993 A1 WO2016119993 A1 WO 2016119993A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas nozzle
gas
needle
cross
fuel injector
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2016/000018
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingmar Joachim Berger
Markus Kalenborn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LOrange GmbH
Original Assignee
LOrange GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LOrange GmbH filed Critical LOrange GmbH
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Priority to CN201680008142.XA priority patent/CN107208583B/zh
Priority to US15/545,452 priority patent/US10082108B2/en
Publication of WO2016119993A1 publication Critical patent/WO2016119993A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0257—Details of the valve closing elements, e.g. valve seats, stems or arrangement of flow passages
    • F02M21/026—Lift valves, i.e. stem operated valves
    • F02M21/0263—Inwardly opening single or multi nozzle valves, e.g. needle valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D19/0663—Details on the fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02D19/0686—Injectors
    • F02D19/0694—Injectors operating with a plurality of fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injector for operation with fuel gas according to the preamble of claim 1.
  • the fuel injector may be provided in particular as a dual-fuel fuel injector.
  • Gaseous fuels are becoming increasingly important in the (large) engine sector, especially in stationary engines for power generation. Natural gas e.g. Due to its very good availability and its lower emission potential compared to diesel fuel, it is excellently suited for economical and environmentally friendly engine operation.
  • the gas nozzle openings of the fuel injector are often not distributed over the entire circumference of the fuel injector, s , e.g. the
  • Straight injectors which have a plurality of gas nozzle needles, for example arranged around a central liquid fuel nozzle needle, often associate a gas nozzle arrangement with a gas nozzle arrangement whose gas nozzle openings radially cover only a 360 ° region, with four gas nozzle mandrels eg each 90 °.
  • the nozzle needles are included by default in each case in rotationally symmetrical bores, however, there is the disadvantage that set fuel gas flow losses due to an asymmetric flow around the needle seat around.
  • the present invention the object of a
  • a fuel injector for operation with fuel gas wherein the fuel injector is preferably provided as a multi-fuel, in particular as a dual-fuel fuel injector.
  • the fuel injector is preferably provided as a multi-fuel, in particular as a dual-fuel fuel injector.
  • the fuel injector for a Zündstrahlconce is provided (liquid fuel injection jet (pilot injection) for igniting the gaseous fuel), next to particular for a pure liquid fuel operation (only with liquid fuel).
  • the fuel injector is advantageously usable with a large engine, in particular with a common rail fuel injection system, for example in a motor vehicle such as a truck, a different commercial vehicle, a ship, a locomotive wonebenben the arrangement can also be provided for a stationary device , eg for a combined heat and power plant, an (emergency) generator, e.g. also for industrial applications.
  • fuel gas for example, natural gas, biogas, landfill gas, hydrogen or a similar fuel gas may be provided for use with the fuel injector.
  • the fuel injector has at a nozzle end a gas nozzle arrangement with at least one gas nozzle opening (spray hole).
  • the gas nozzle arrangement may, for example, have 1 to 3 gas nozzle openings, or a different number thereof.
  • the fuel injector furthermore comprises at least one nozzle needle which is lift-controllably received in an axial receptacle (eg bore) of the fuel injector, preferably formed in a nozzle body thereof, wherein a respective gas nozzle opening at the nozzle end from the receptacle with radial direction component terminates, ie for the discharge of fuel gas into a combustion chamber.
  • a needle seat is formed upstream of the respective gas nozzle opening, which is provided to selectively block a fuel gas flow path to a respective gas nozzle opening in cooperation with the gas nozzle needle.
  • the needle seat is designed as a conical seat or oblique seat, that is, with an annular, oblique or conical seat.
  • the injector may preferably be controlled indirectly, that is, according to the principle Actuator pilot valve control space. However, it is also conceivable direct control of the gas nozzle needle.
  • the one or more gas nozzle openings in the circumferential direction of the gas nozzle needle are distributed only partially distributed according to the embodiment described above.
  • an arrangement of the fuel injector the one or more gas nozzle openings in the circumferential direction of the gas nozzle needle are distributed only partially distributed according to the embodiment described above.
  • Nozzle openings in an angular range of magnitude 90 ° in the circumferential direction are provided.
  • a 360 ° - range can be covered in the context of a fuel gas application, e.g. in the context of an arrangement around a central liquid fuel nozzle needle.
  • the arrangement of nozzle openings of the nozzle arrangement may be provided in a partially circumferential angular range of approximately 180 °.
  • a fuel injector for a 360 ° combustion chamber cover can thus provide two such 180 ° nozzle arrangements with respective gas nozzle needle, for example each next to a central liquid fuel nozzle needle.
  • the receptacle is further shaped to impart a flow direction oriented toward the radially opposite at least one nozzle opening, by means of the cross-sectional enlargement, already upstream of the needle seat to a fuel gas flow guided on the needle seat by the cross-sectional widening, i. in particular by means of a suitably shaped outlet end of the cross-sectional widening.
  • Injection period advantageously more gas to be registered in a combustion chamber, thus a higher engine performance can be achieved.
  • the receptacle is shaped to guide a fuel gas flow passing through the cross-sectional widening to the needle seat and up to the at least one gas nozzle orifice along this flow path section without gradients, in particular with the impressed flow direction and further preferably with a largely constant slope or inclination.
  • the needle seat can preferably form a tapered seating surface which continues the cross-sectional widening with the impressed flow direction and / or an inlet surface of the needle seat adjacent to the cross-sectional widening with an outlet surface adjoining the needle seat
  • the receptacle forms at least one firing channel, in particular a firing channel per gas nozzle opening, which guides the fuel gas flow from the cross-sectional widening to the at least one gas nozzle opening, e.g. the cross-sectional widening also defined.
  • a nozzle-side end section of the gas nozzle needle is asymmetrical with respect to the central axis of the gas injector.
  • Nozzle needle is formed.
  • an inlet direction into the at least one gas nozzle opening which is in turn preferably oriented tangentially to the gas nozzle opening, can be forced onto the fuel gas flow guided by the cross-sectional widening to the at least one gas nozzle opening by means of the asymmetrical end section.
  • a gas nozzle needle designed in this way can cause a fuel gas flow guided on the part of the cross-sectional widening to be merged with a gas-gas nozzle flow guided only in front of the inlet end of the gas nozzle opening, thus further reducing flow losses due to non-laminar flow to reduce.
  • a gas nozzle needle configured in this way may have a greater axial length adjacent to the at least one nozzle orifice than at the radially opposite side thereof, and form therebetween an inclined surface which guides the fuel gas flow in particular substantially tangentially to the gas nozzle orifice inlet end.
  • the gas nozzle needle may be provided at the side which is radially opposite to the at least one nozzle orifice, e.g. have a flow-conducting Anformung and / or bulge, which is received in the cross-sectional widening or extends into it.
  • Anformung or bulge of the fuel gas flow can flow around the nozzle near the needle end - and thus with improved pulse conservation - channeled around.
  • the bulge at the needle may e.g. aligned in an inclined surface as explained above - on the nozzle near end face - a gas nozzle needle pass.
  • the gas nozzle needle is formed asymmetrically for an improved Brerm gas flow, it is provided that the gas nozzle needle is received in the receiving rotationally secured.
  • Fig. 1 by way of example and schematically a nozzle-side end portion of a
  • Fuel injector according to a possible embodiment of the invention in a broken sectional view.
  • FIG. 2 shows an example and schematically a Kxaftstoffinjektor according to FIG. 1 in a
  • Figures 3 - 12 each exemplary and schematically a possible embodiment of a
  • FIG. 1 shows by way of example and schematically a nozzle-side end section 1 of a fuel injector 3 according to the invention for operation with fuel gas, the illustrated fuel injector 3 being provided as a dual-fuel fuel injector, that is to say both for operation with liquid fuel and with fuel gas.
  • the liquid fuel for use with the fuel injector 3 diesel fuel, bio-oil, heavy oil or a different liquid fuel may be provided, as fuel gas for use with the fuel injector 3, especially natural gas, eg, biogas, landfill gas, etc.
  • the fuel injector 3 thus provided is particularly for spark ignition operation next to, for example, a pure one
  • the fuel injector 3 has an injector housing 5, which is formed with a nozzle body 7, in the present case in particular by means of a modular or multi-part formed
  • Nozzle body 7 As Fig. 1 illustrates, here is an axial hub displaceable
  • Liquid fuel nozzle needle 9 received in a first module 11 and part of the nozzle body 7, that is, in an axial bore 13 of the same.
  • the liquid fuel nozzle needle 9 acts against a valve seat 15 which is provided at a nozzle-side end of the axial bore 13.
  • From the first module 11 of the nozzle body 7 also open at the nozzle end end injection holes 17 for the discharge of liquid fuel (as part of injection operations), wherein the liquid fuel with lifting the liquid fuel nozzle needle 9 from the valve seat 15 - starting from an upstream portion of the axial bore 13 - can be supplied to the injection holes 17.
  • a liquid fuel pressure level may e.g. 2200 bar or more.
  • the nozzle body 7 further comprises a second module 19 or a second part, which surrounds the first module 11 to form the nozzle body 7 via a section.
  • the second module 19 is in this case formed as a ring body and accommodates a number of gas nozzle needles 21, in this case for example four gas nozzle needles 21, which in the circumferential direction A to the centrally arranged liquid fuel nozzle needle 9 and the middle of the ring body 19 arranged first Module 11 are distributed.
  • an injector configuration can also be provided with the invention such that one or more gas nozzle needles 21 are arranged axially parallel to the liquid fuel nozzle needle 9 in one or a single plane, for example, one or both sides adjacent thereto.
  • Each gas nozzle needle 21 is further associated with the fuel injector 3 according to the invention each a gas nozzle assembly 23 at a nozzle end 25 of the fuel injector 3 and the nozzle body 7, that is on the second module 19, wherein each gas nozzle assembly 23 at least one, in this case, for example, has three gas nozzle openings 27.
  • the gas nozzle openings 27 are preferably analogous to the spray holes 17 of the first module 11 each formed as a drilling channel, in particular - rounded, for example by means of flow loops - inlet side.
  • the fuel injector 3 has, corresponding to the four gas nozzle needles 21, four gas nozzle arrangements 23 which each comprise three gas nozzle openings 27.
  • the one or more gas nozzle openings 27 of a respective nozzle arrangement 23 are arranged distributed only partially in the circumferential direction A, i. only over a section of 360 °.
  • FIG. 2 illustrates in a sectional top view from above-with schematically, triangularly drawn fuel gas jets-exemplary a fuel injector 3 according to the invention, which, as discussed above, has a modular nozzle body 7, wherein the first module 11 together with liquid fuel nozzle needle 9 is arranged centrally in the second module 19.
  • four nozzle arrangements 23 are shown by way of example, which has, for example, only one gas nozzle opening 27, but by way of example also nozzle arrangements 23b which, for example, each have three gas nozzle openings 27.
  • the gas nozzle openings 27 of a respective gas nozzle arrangement 23 are each arranged only partially around the associated gas nozzle needle 21.
  • a gas nozzle assembly 23 is respectively provided such in that three gas nozzle openings 27 are arranged distributed uniformly over a range of approximately 90 ° in the circumferential direction A.
  • a respective gas nozzle needle 21 is also lift-controlled in an associated axial receptacle 29.
  • the axial receptacle 29, which leads the respective gas nozzle needle 21 in particular also, at least in sections as
  • Axial bore be formed, that is formed in the nozzle body 7 and in the second module 19.
  • a respective gas nozzle opening 27 from the receptacle 29 with a radial, in particular significantly pronounced radial direction component, e.g. inclined with respect to a central axis B at an angle of 10 ° to 30 °.
  • a needle seat 31 or (nozzle) valve seat is also formed in the associated receptacle 29 for a respective gas nozzle needle 21, ie upstream or above (nozzle distant) the respective at least one gas nozzle opening 27
  • the needle seat 31, which in the invention is preferably formed adjacent to or immediately adjacent to the at least one gas nozzle opening 27 (upstream, viewed in the axial direction), is provided, in cooperation with the gas nozzle needle 21, a fuel gas flow path to selectively block the respective gas nozzle opening 27.
  • the flow path leads from a - with respect to the needle seat 31 - upstream portion of the receptacle 29 via the needle seat 31 to the at least one gas nozzle opening 27.
  • the upstream portion of the receptacle 29 can fuel gas in this case - for the discharge of fuel gas in the course of the injector operation - are introduced via a high-pressure line of the fuel injector 3 (not shown), for example with a pressure level of 350 bar or more.
  • a high-pressure line of the fuel injector 3 for example with a pressure level of 350 bar or more.
  • an indirect control principle is preferably provided, wherein the nozzle needles 9, 21 are in particular hydraulically controlled, i. in particular according to the known principle actuator,
  • control fluid used here is preferably the liquid fuel supplied to the fuel injector 3.
  • the fuel injector 3 is further designed such that a respective Receiving 29 adjacent to the needle seat 31 and axially thereof in upstream
  • FIG. 1 shows that the asymmetry results from a cross-sectional widening 33 of the receptacle 29 on a side of the receptacle 29 which is radially opposite to the at least one gas nozzle orifice 27 and asymmetric with respect to the axial center axis B Image 29 (which cross-sectional enlargement 33 is shown by way of example by the dashed lines in Fig. 2, which possible, for example, egg-shaped, cross-sections of
  • the respective receptacle 29 is formed, one of the cross-sectional widening 33 to the needle seat 31 guided fuel gas stream C by means of the cross-sectional widening 33 already upstream of the needle seat 31 a to the radially opposite at least one gas nozzle opening
  • the cross-sectional widening 33 outflow or adjacent to the needle seat 31 is preferably formed arcuate or cup-shaped curved , eg forming a parabolic surface or generally rounded.
  • a respective cross-sectional widening 33a formed opposite to a gas nozzle opening 27 is merged with a cross-sectional widening 33a adjacent to another gas nozzle opening 27 to form a common cross-sectional widening 33 , in particular under clamping of an arcuate, enveloping cross-section.
  • a respective gas nozzle opening 27 a cross-sectional widening recognizable as an independent cross-sectional widening 33b.
  • each one of a tundish towards the corresponding gas nozzle opening 27 may be formed and each spanning its own arcuate cross-section.
  • FIG. 3 illustrates a partial view of a fuel injector 3, in which a gas nozzle needle 27 is accommodated in an asymmetric receptacle 29 configured according to the invention, wherein a nozzle end of receptacle 29 forms a blind hole 39.
  • a fuel gas stream C flowing off via the outlet end 37 of the cross-sectional widening 33 is hereby stamped with the crosscut widening 33 formed as a bulge 41 on the receptacle 29, which is suitable for tangentially directing the fuel gas on the part of the cross-sectional widening 33 (with reference to the intake direction) Gas nozzle opening 27) or axially parallel to the central axis of the gas Düsenöffhung 27 on or in the at least one gas nozzle opening 27 to drive, in particular near the combustion chamber at the inlet end thereof, ie so that a low-interference fuel gas inlet is possible.
  • a fuel gas stream D is further illustrated, which is guided on the gas nozzle opening side 35 to the gas nozzle opening 27.
  • Fig. 4 shows a view of an analogous to Fig. 3 formed Krafitstoffinjektors 3, wherein the asymmetry of the receptacle 29 is not formed in contrast to FIG. 3 by a cross-sectional widening 33 in the form of a bulge 41, but by a cross-sectional widening 33, which starting continues from the nozzle-side arch shape with a constant (maximum) cross-section 43 in the direction of a nozzle-remote injector. As a result, the volume is again increased at the opposite side to the gas nozzle openings 27 side.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a fuel injector 3 with further improved intake properties.
  • the fuel injector 3 substantially has no blind hole
  • an inlet surface of the needle seat 31 adjoining the cross-sectional widening 33 is aligned with the run-off surface 37 of the cross-sectional widening 33 adjoining the needle seat 31.
  • the needle seat 3 forms a slanted seat surface, which essentially encloses the cross-sectional enlargement 33 with the impressed flow. direction also continues.
  • FIG. 6 illustrates a fuel injector 3 according to FIG. 5, wherein the cross-sectional widening 33 in turn is not formed as a bulge 41 but in contrast thereto with a cross-sectionally constant cross-section 43 analogous to FIG. 7 now illustrates a fuel injector 3, in which the gas nozzle needle 21 is flattened at a nozzle end 45 with respect to embodiments of FIGS. 3 to 6 explained above, so that the flow disturbance continues by deflection about the end 45 of the gas nozzle needle 21 is minimized.
  • the receptacle 29 is in this case designed to guide a side of the cross-sectional enlargement 33 to the needle seat 31 and above to the at least one gas nozzle opening 27 guided fuel gas flow along this Strömungswegabitess without gradients, in particular with the impressed flow direction.
  • FIG. 8 shows a fuel injector 3 with a cross-sectional widening 33 formed analogously to FIG. 4 or FIG. 6.
  • Fig. 9 now illustrates a fuel injector 3, in which also the gas nozzle needle 21 is asymmetrically formed at a nozzle-side end 45.
  • the flow-guiding inclined surface 49a on the gas nozzle opening side 35 of the gas nozzle needle 21 is shortened with respect to its radial extent with respect to the opposite flow-conducting inclined surface 49b along which the fuel gas flow C flowing through the cross-sectional widening 33 is shortened.
  • FIG. 10 shows an embodiment according to FIG. 9, with the difference that the cross-sectional widening 33, analogous to FIGS. 4, 6 and 8, continues with a maximum cross-section 43 over a section towards the upstream end of the fuel injector 3.
  • FIG. 11 now illustrates a further preferred embodiment of the fuel injector 3, which is based in particular on an embodiment of the fuel injector according to FIGS. 9 and 10 and in which the gas nozzle needle 21 at the at least one gas nozzle opening 27 radially opposite side flow-conducting Anformung 53 in the form of a bulge, which is received in the cross-sectional widening 33.
  • the Anformung 53 which provides a partially rounded end portion of the gas nozzle needle 21, in particular suitable to the fuel gas stream C flow around the cross-section extension-side end portion of the gas nozzle needle 21 around.
  • FIG. 12 again shows an embodiment according to FIG. 11, with the difference that the cross-sectional widening 33, analogous to FIGS. 4, 6, 8 and 10, continues with a maximum cross-section 43 over a section towards the upstream end of the fuel injector 3.
  • FIGS. 9 to 12 also provide for a visual connection as discussed above with lifting off of the gas nozzle needle 21, the embodiments according to FIGS. 11 and 12 represent extremely streamlined solutions.

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Abstract

Kraftstoffinjektor (3) für den Betrieb mit Brenngas, - wobei der Kraftstoffinjektor (3) an einem Düsenende (25) eine Gas-Düsenanordnung (23) mit wenigstens einer Gas-Düsenöfmung (27) aufweist; - wobei der Kraftstoffinjektor (3) wenigstens eine Gas-Düsennadel (21) aufweist, welche der Gas-Düsenanordnung (23) zugeordnet und in einer axialen Aufnahme (29) hubsteuerbar aufgenommen ist, wobei eine jeweilige Gas-Düsenöffnung (27) am Düsenende (25) aus der Aufnahme (29) mit radialer Richtungskomponente ausmündet; - wobei der Kraftstoffinjektor (3) in der Aufnahme (29) einen Nadelsitz (31) stromaufwärts der jeweiligen Gas-Düsenöffnung (27) aufweist, welcher bereitgestellt ist, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel (21) einen Brenngas-Strömungsweg zu einer jeweiligen Gas-Düsenöffnung (27) selektiv zu versperren; - wobei die eine oder mehreren Gas-Düsenöffungen (27) in Umfangsrichtung (A) der Gas- Düsennadel (21) lediglich teilumfänglich verteilt angeordnet sind, wobei - die Aufnahme (29) an den Nadelsitz (31) angrenzend und sich axial davon in stromaufwärtiger Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu einer axialen Mittelachse (B) durch die Gas-Düsennadel (21) gebildet ist, wobei die Asymmetrie resultiert aus einer Querschnittserweiterung (33) der Aufnahme (29) an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung (27) radial gegenüberliegenden Seite der Aufnahme (29), so dass mittels der Querschnitterweiterung (33) ein größerer Brenngas-Massenstrom in der Aufnahme (29) führbar ist als an der dazu entgegen gesetzten Gas-Düsenöffhungs-Seite (35); - wobei die Aufnahme (29) weiterhin ausgeformt ist, einem seitens der Querschnittserweiterung (33) an den Nadelsitz (31) geführten Brenngas-Strom (C) mittels der Querschnittserweiterung (33) bereits stromaufwärts des Nadelsitzes (31) eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Gas-Düsenöffnung (27) orientierte Strömungsrichtung aufzuprägen.

Description

BESCHREIBUNG
Kraftstoffinjektor für den Betrieb mit Brenngas
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für den Betrieb mit Brenngas gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Kraftstoffinjektor kann insbesondere als Dual-Fuel- Kraftstoffinjektor bereitgestellt sein.
Gasförmige Kraftstoffe gewinnen im (Groß-)Motorensektor, insbesondere bei Stationärmotoren zur Stromerzeugung, zunehmend an Bedeutung. Erdgas z.B. eignet sich wegen seiner sehr guten Verfügbarkeit und seines günstigeren Emissionspotenzials gegenüber Dieselkraftstoff ausgezeichnet für einen wirtschaftlichen und umweltschonenden Motorbetrieb.
Bei Kraftstoffinjektoren, welche als Mehrstoffinjektor oder Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor gebildet sind und neben dem Gas-Injektorteil auch einen Flüssigkraftstoff- Injektorteil aufweisen, inbesondere für einen Zündstrahlbetrieb, sind die Gas-Düsenöffnungen des Kraftstoffinjektors oftmals nicht über den kompletten Umfang des Kraftstoffinjektors verteilt, s. z.B. die
Druckschrift US 2014/0091159 AI. Gerade Injektoren, welche mehrere Gas-Düsennadeln aufweisen, zum Beispiel angeordnet um eine zentrale Flüssigkraftstoff-Düsennadel, ordnen oftmals einer Gas-Düsennadel eine Gas-Düsenanordnung zu, deren Gas-Düsenöffnungen radial nur einen Bereich aus 360° abdecken, bei vier Gas-Düsennandeln z.B. je 90°. Mit solchen Kraftstoffinjektoren, deren Düsennadeln standardmäßig je in rotationssymmetrischen Bohrungen aufgenommen sind, geht jedoch der Nachteil einher, dass sich Brenngas- Strömungsverluste aufgrund einer asymmetrischen Strömung um den Nadelsitz herum einstellen.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen
Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welcher derartige Brenngas- Strömungsverluste zu minimieren hilft.
Diese Aufgabe wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor für den Betrieb mit Brenngas, wobei der Kraftstoffinjektor bevorzugt als Mehrstoff-, insbesondere als Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor bereitgestellt ist. Denkbar ist jedoch auch eine Ausgestaltung als Single-Fuel-Injektor.
Vorzugsweise ist der Kraftstoffinjektor für einen Zündstrahlbetrieb vorgesehen (Flüssigkraftstoff-Zündstrahl (Piloteinspritzung) zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs), daneben insbesondere auch für einen reinen Flüssigkraftstoffbetrieb (ausschließlich mit Flüssigkraftstoff). Der Kraftstoffinjektor ist vorteilhaft mit einem Großmotor verwendbar, insbesondere mit einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug wie etwa einem Lastkraftwagen, einem davon verschiedenen Nutzfahrzeug, einem Schiff, einer Lok, woneben die Anordnung auch für eine stationäre Einrichtung vorgesehen werden kann, z.B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat, z.B. auch für Industrieanwendungen.
Für den Betrieb mit Brenngas kann zum Beispiel Erdgas, Biogas, Deponiegas, Wasserstoff oder ein ähnliches Brenngas zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor vorgesehen sein.
Der Kraftstoffinjektor weist an einem Düsenende eine Gas-Düsenanordnung mit wenigstens einer Gas-Düsenöffnung (Spritzloch) auf. Die Gas-Düsenanordnung kann zum Beispiel 1 bis 3 Gas-Düsenöffnungen aufweisen, oder eine davon verschiedene Anzahl. Der Gas-Düsenanordnung zugeordnet umfasst der Kraftstoffinjektor weiterhin wenigstens eine Düsennadel, welche in einer axialen Aufnahme (z.B. Bohrung) des Kraftstoffinjektors, bevorzugt gebildet in einem Düsenkörper desselben, hubsteuerbar aufgenommen ist, wobei eine jeweilige Gas- Düsenöffnung am Düsenende aus der Aufnahme mit radialer Richtungskomponente ausmündet, d.h. für das Ausbringen von Brenngas in einen Brennraum.
In der Aufnahme ist weiterhin ein Nadelsitz stromaufwärts bzw. oberhalb (düsenferner) der jeweiligen Gas-Düsenöffnung gebildet, welcher bereitgestellt ist, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel einen Brenngas-Strömungsweg zu einer jeweiligen Gas-Düsenöffnung selektiv zu versperren. Bevorzugt ist der Nadelsitz als Kegelsitz bzw. Schrägsitz ausgebildet, das heißt mit ringförmiger, schräger bzw. konischer Sitzfläche. Zur selektiven Offensteuerung der Gas- Düsennadel kann der Injektor bevorzugt indirekt gesteuert sein, das heißt nach dem Prinzip Aktuator-Pilotventil-Steuerraum. Denkbar ist jedoch auch eine direkte Steuerung der Gas- Düsennadel.
Bei dem Kraftstoffinjektor sind - entsprechend der eingangs geschilderten Ausgestaltung - die eine oder mehreren Gas-Düsenöffungen in Umfangsrichtung der Gas-Düsennadel lediglich teilumfänglich verteilt angeordnet. Vorgesehen ist zum Beispiel eine Anordnung der
Düsenöffnungen in einem Winkelbereich von betragsmäßig 90° in Umfangsrichtung.
Bei einem Kraftstoffinjektor, welcher im Sinne der Erfindung ausgestaltet ist, kann mit vier derartigen 90°-Düsenanordnungen und jeweils zugeordneter Gas-Düsennadel somit ein 360°- Bereich im Rahmen einer Brenngas- Ausbringung abgedeckt werden, z.B. im Rahmen einer Anordnung um eine zentrale Flüssigkraftstoff- Düsennadel. Alternativ kann zum Beispiel die Anordnung von Düsenöffiiungen der Düsenanordnung in einem teilumfänglichen Winkelbereich von betragsmäßig ca. 180° vorgesehen sein. Im Sinne der Erfindung ausgestaltet kann ein Kraftstoffinjektor für eine 360°- Brennraumabdeckung folglich zwei derartige 180°-Düsen- anordnungen mit jeweiliger Gas-Düsennadel vorsehen, zum Beispiel je neben einer zentralen Flüssigkraftstoff-Düsennadel .
Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor dadurch, dass die Aufnahme an den Nadelsitz angrenzend und sich axial davon in stromaufwärtiger Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu einer axialen Mittelachse durch die Gas-Düsennadel gebildet ist, wobei die Asymmetrie aus einer Querschnittserweiterung der Aufnahme an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung radial gegenüberliegenden Seite der Aufnahme resultiert, so dass mittels der Querschnitterweiterung ein größerer Brenngas-Massenstrom in der Aufnahme führbar ist als an der dazu - radial - entgegen gesetzten Gas-Düsenöffhungs-Seite. In kennzeichnender Weise ist die Aufnahme hierbei weiterhin ausgeformt, einem seitens der Querschnittserweiterung an den Nadelsitz geführten Brenngas-Strom mittels der Querschnittserweiterung bereits stromaufwärts des Nadelsitzes eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Düsenöffnung orientierte Strömungsrichtung aufzuprägen, i.e. insbesondere mittels eines geeignet geformten Auslaufendes der Querschnittserweiterung.
Mit Vorteil gelingt es durch diese Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors - bei welcher die Aufnahme (Nadelführung) nicht rotationssymmetrisch ist - der Brenngas-Strömung gegenüber den Düsenöffiiungen einerseits mehr Querschnitt zur Verfügung zu stellen und somit die Strömungsverluste signifikant zu reduzieren. Des Weiteren wird es mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Querschnittserweiterung auch ermöglicht, diesen relativ höheren Massenstrom aufgrund der aufgeprägten Strömungsrichtung strömungsgünstig an die gegenüberliegenden Düsenöffnungen zu führen. Resultierend kann somit bei gegebener Düsengröße und
Einspritzdauer vorteilhaft mehr Gas in einen Brennraum eingetragen werden, mithin eine höhere Motorleistung erzielt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass die Aufnahme ausgeformt ist, einen seitens der Querschnittserweiterung an den Nadelsitz und darüber bis zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung geführten Brenngas-Strom entlang dieses Strömungswegabschnitts ohne Gefällestufen zu führen, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung und weiterhin bevorzugt mit weitgehend konstanter Steigung bzw. Neigung. So kann der Nadelsitz bevorzugt eine angeschrägte Sitzfläche ausbilden, welche die Querschnittserweiterung mit der aufgeprägten Strömungsrichtung fortsetzt und/oder eine an die Querschnittserweitung grenzende Einlauffläche des Nadelsitzes mit einer an den Nadelsitz grenzenden Auslauffläche der
Querschnittserweiterung fluchten. Derart können Strömungsverluste noch weiter minimiert werden.
Darüber hinaus ist es - wiederum mit dem Vorteil weiter verbesserter Strömungsführung einhergehend - vorgesehen, dass die Aufnahme ausgeformt ist, seitens der Querschnittserweiterung zugeführtes Brenngas, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung, tangential bzw. achsparallel zu deren Mittelachse an die wenigstens eine Gas-Düsenöffhung zu führen, d.h insbesondere in ein Einlaufende derselben. Um die erfindungsgemäßen Wirkungen zu erzielen, ist insbesondere vorgesehen, die Querschnittserweiterung als Ausbauchung an der Aufnahme zu bilden, welche sich von stromaufwärts an den Ventilsitz erstreckt, insbesondere als schalenförmige Kavität. Denkbar sind auch Ausgestaltungen, bei welchen die Aufnahme wenigstens eine Schussrinne ausformt, insbesondere eine Schussrinne je Gas-Düsenöffnung, welche den Brenngas-Strom seitens der Quer- schnittsaufweitung an die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung führt, z.B. die Querschnittserweiterung auch mitdefiniert.
Vorteilhaft sind weiterhin Ausgestaltungen des Kraf stoffinjektors, bei welchen ein düsenseitiger Endabschnitt der Gas-Düsennadel asymmetrisch mit Bezug auf die Mittelachse der Gas- Düsennadel geformt ist. Hierbei kann einem seitens der Querschnittserweitung an die wenigstens eine Gas-Düsenöffhung geführtem Brenngasstrom mittels des asymmetrischen Endabschnitts zum einen eine Einlaufrichtung in die wenigstens eine Gas-Düsenöffnung aufgezwungen werden, welche wiederum bevorzugt tangential zur Gas-Düsenöffnung orientiert ist,
insbesondere tangential zu deren brennraumfernen bzw. oberem Ende. Dies hilft wiederum, Strömungsverluste noch weiter zu minimieren. Andererseits kann eine derart ausgestaltete Gas- Düsennadel bewirken, dass ein seitens der Querschnittserweiterung an die wenigstens eine Gas- Düsenöffhung geführter Brenngasstrom erst unmittelbar vor dem Einlaufende der Gas- Düsenöffnung mit einem gas-düsenöffhungsseitig geführten Brenngasstrom zusammengeführt wird, mithin Strömungsverluste aufgrund nicht laminarer Strömung weiter reduzieren. Eine derart ausgestaltete Gas-Düsennadel kann benachbart zu der wenigstens einen Düsenöffhung eine größere axiale Länge aufweisen als an der radial dazu entgegen gesetzten Seite, und dazwischen eine Schrägfläche bilden, welche den Brenngasstrom insbesondere im Wesentlichen tangential an das Gas-Düsenöffhungs-Einlaufende fuhrt.
Weiter strömungsverbessernd wird auch vorgeschlagen, die Gas-Düsennadel bauchig zu gestalten. Die Gas-Düsennadel kann an der zu der wenigstens einen Düsenöffhung radial entgegen gesetzten Seite z.B. eine strömungsleitende Anformung und/oder Ausbauchung aufweisen, welche in der Querschnittserweiterung aufgenommen ist bzw. sich dort hinein erstreckt. Mittels der Anformung oder Ausbauchung kann der Brenngasstrom strömungsgünstig um das düsennahe Nadelende - und somit mit einer verbesserten Impulserhaltung - kanalisiert herumgeführt werden. Die Ausbauchung an der Nadel kann z.B. fluchtend in eine wie vorstehend erläuterte Schrägfläche an - der düsennahen Stirnseite - einer Gas-Düsennadel übergehen.
Insbesondere mit Ausgestaltungen der Erfindung, bei welchen wie vorstehend erläutert auch die Gas-Düsennadel für eine verbesserte Brermgas-Strömungsfuhrung asymmetrisch gebildet ist, ist vorgesehen, dass die Gas-Düsennadel verdrehgesichert in der Aufnahme aufgenommen ist.
Denkbar sind hierzu zum Beispiel Nut-Feder-Sicherungskomponenten.
Angemerkt sei noch, dass es allgemein mit der Erfindung bevorzugt wird, dass der Kraft- stoffinjektor eingerichtet ist, mit Abheben der Gas-Düsennadel vom Nadelsitz - zumindest in einer Vollhubstellung der Gas-Düsennadel, bevorzugt bereits in einer Teilhubstellung - eine Sichtverbindung oder einen Sichtkanal vom Auslaufende der Querschnittserweiterung zu einem Einlaufquerschnitt der dazu radial entgegen gesetzt angeordneten wenigstens einen Gas- Düsenöffhung zu ermöglichen. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann eine Anströmung der Gas-Düsenöffnung seitens der Querschnittserweiterung ermöglicht werden, ohne dass eine strömungsstörende Umlenkung des Brenngasstroms um das Nadelende der Gas-Düsennadel herum erforderlich ist.
Vorgeschlagen wird mit der Erfindung auch eine Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens einen wie vorstehend erläuterten Kraftstoffinjektor aufweist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 exemplarisch und schematisch einen düsenseitigen Endabschnitt eines
Kraftstoffinjektors gemäß einer möglichen Ausfuhrungsform der Erfindung in einer abgebrochenen Schnittansicht.
Fig. 2 exemplarisch und schematisch einen Kxaftstoffinjektor gemäß Fig. 1 in einer
Draufsicht auf den düsenseitigen Abschnitt im Schnitt, wobei im Rahmen von Fig. 2 eine Mehrzahl möglicher Ausführungsformen der Erfindung
veranschaulicht ist.
Figuren 3 - 12 je exemplarisch und schematisch eine mögliche Ausgestaltung eines
Kraftstoffinjektors mit einer Brenngas-Strömungsfuhrung gemäß der
Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion. Fig. 1 zeigt exemplarisch und schematisch einen düsenseitigen Endabschnitt 1 eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 3 für den Betrieb mit Brenngas, wobei der veranschaulichte Kraftstoffinjektor 3 als Dual-Fuel -Kraftstoffinjektor bereitgestellt ist, das heißt sowohl für einen Betrieb mit Flüssigkraftstoff als auch mit Brenngas. Als Flüssigkraftstoff zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor 3 kann Dieselkraftstoff, Bioöl, Schweröl oder ein davon verschiedener Flüssigkraftstoff vorgesehen sein, als Brenngas zur Verwendung mit dem Kraftstoffinjektor 3 insbesondere Erdgas, z.B. auch Biogas, Deponiegas etc. Der derart bereitgestellte Kraftstoffinjektor 3 ist insbesondere für einen Zündstrahlbetrieb neben zum Beispiel einem reinen
Flüssigkraftstoff betrieb vorgesehen.
Der Kraftstoffinjektor 3 weist ein Injektorgehäuse 5 auf, welches mit einem Düsenkörper 7 gebildet ist, vorliegend insbesondere mittels eines modular bzw. mehrteilig gebildeten
Düsenkörpers 7. Wie Fig. 1 veranschaulicht, ist hierbei eine axial hub verschiebliche
Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 in einem ersten Modul 11 bzw. Teil des Düsenkörpers 7 aufgenommen, das heißt in einer Axialbohrung 13 desselben. Die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 wirkt gegen einen Ventilsitz 15, welcher an einem düsenseitigen Ende der Axialbohrung 13 bereitgestellt ist. Aus dem ersten Modul 11 des Düsenkörpers 7 münden an dem düsenseitigen Ende weiterhin Spritzlöcher 17 für das Ausbringen von Flüssigkraftstoff (im Rahmen von Einspritzvorgängen) aus, wobei der Flüssigkraftstoff mit Abheben der Flüssigkraftstoff- Düsennadel 9 vom Ventilsitz 15 - ausgehend von einem stromaufwärtigen Abschnitt der Axialbohrung 13 - an die Spritzlöcher 17 versorgbar ist. Für den Einspritzbetrieb kann ein Flüssigkraftstoff-Druckniveau z.B. 2200 bar oder mehr betragen.
Der Düsenkörper 7 umfasst weiterhin ein zweites Modul 19 bzw. einen zweiten Teil, welcher das erste Modul 11 unter Bildung des Düsenkörpers 7 über einen Abschnitt umgibt. Das zweite Modul 19 ist hierbei als Ringkörper gebildet und beherbergt eine Anzahl von Gas-Düsennadeln 21, vorliegend zum Beispiel vier Gas-Düsennadeln 21, welche in Umfangsrichtung A um die hierbei zentral angeordnete Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 bzw. das inmitten des Ringkörpers 19 angeordnete erste Modul 11 verteilt angeordnet sind.
Alternativ zu einer solchen Anordnung, bei welcher die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 von „Satelliten"-Gas-Düsennadeln 21 umgeben ist, kann mit der Erfindung allerdings auch eine Injektorausgestaltung derart vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Gas-Düsennadeln 21 achsparallel mit der Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 in einer bzw. einer einzigen Ebene angeordnet sind, z.B. ein- oder beidseitig dazu benachbart.
Einer jeden Gas-Düsennadel 21 ist mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 3 weiterhin je eine Gas-Düsenanordnung 23 an einem Düsenende 25 des Kraftstoffinjektors 3 bzw. des Düsenkörpers 7 zugeordnet, das heißt am zweiten Modul 19, wobei eine jede Gas- Düsenanordnung 23 wenigstens eine, vorliegend zum Beispiel drei Gas-Düsenöffhungen 27 aufweist. Die Gas-Düsenöffnungen 27 sind analog zu den Spritzlöchern 17 des ersten Moduls 11 bevorzugt je als Bohrkanal gebildet, insbesondere - zum Beispiel mittels Strömungsschleifen - einlassseitig verrundet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zum Beispiel vorgesehen, dass der Kraftstoffinjektor 3 korrespondierend mit den vier Gas-Düsennadeln 21 vier Gas- Düsenanordnungen 23 aufweist, welche je drei Gas-Düsenöffnungen 27 umfassen.
Allgemein ist mit der Erfindung vorgesehen, dass die eine oder mehreren Gas-Düsenöffungen 27 einer jeweiligen Düsenanordnung 23 in Umfangsrichtung A lediglich teilumfänglich verteilt angeordnet sind, d.h. nur über einen Ausschnitt aus 360°.
Fig. 2 veranschaulicht in einer Schnittansicht in der Draufsicht von oben - mit schematisch, dreieckförmig eingezeichneten Brenngas-Strahlen - exemplarisch einen Kraftstoffinjektor 3 gemäß der Erfindung, welcher wie vorstehend erörtert einen modular zusammengesetzten Düsenkörper 7 aufweist, wobei das erste Modul 11 samt Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 zentral im zweiten Modul 19 angeordnet ist. Beispielhaft gezeigt sind weiterhin vier Düsenanordnungen 23, wobei eine Düsenanordnung 23a exemplarisch veranschaulicht ist, welche beispielsweise lediglich eine Gas-Düsenöffnung 27 aufweist, exemplarisch aber auch Düsenanordnungen 23b, welche beispielsweise je drei Gas-Düsenöffnungen 27 aufweisen. Ersichtlich sind die Gas- Düsenöffnungen 27 einer jeweiligen Gas-Düsenanordnung 23 hierbei erfindungsgemäß je nur teilumfänglich um die zugehörige Gas-Düsennadel 21 angeordnet. Zum Beispiel und bevorzugt wird mit einem Kraftstoffinjektor 3, welcher vier Gas-Düsennadeln 21 aufweist und bei welchem die Gas-Düsennadeln 21 in Umfangsrichtung A des Düsenkörpers 7 bevorzugt mit einem Abstand von 90° angeordnet sind, eine Gas-Düsenanordnung 23 jeweils derart vorgesehen, dass drei Gas-Düsenöffnungen 27 über einen Bereich von betragsmäßig etwa 90° in Umfangsrichtung A gleichverteilt angeordnet sind. Mit einer Anordnung von vier Gas-Düsennadeln 21 ist somit ersichtlich, vergleiche z.B. Fig. 2, eine gute 360°- Abdeckung im Rahmen einer Brenngas- Ausbringung erzielbar. Nun insbesondere wieder mit Bezug auf Fig. 1 ist analog zu dem vorstehend beschriebenen Flüssigkraftstoff- Injektorteil auch eine jeweilige Gas-Düsennadel 21 in einer zugehörigen axialen Aufnahme 29 hubsteuerbar aufgenommen. Die axiale Aufnahme 29, welche die jeweilige Gas-Düsennadel 21 insbesondere auch führt, kann zumindest abschnittsweise als
Axialbohrung gebildet sein, das heißt im Düsenkörper 7 gebildet bzw. im zweiten Modul 19. An einem jeweiligen Düsenende mündet eine jeweilige Gas-Düsenöffnung 27 aus der Aufnahme 29 mit radialer, insbesondere deutlich ausgeprägter radialer Richtungskomponente aus, z.B. geneigt gegenüber einer Mittelachse B in einem Winkel von 10° bis 30°.
Wie für die Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9 ist auch für eine jeweilige Gas-Düsennadel 21 ein Nadelsitz 31 bzw. (Düsen-) Ventilsitz in der zugehörigen Aufnahme 29 gebildet, das heißt stromaufwärts bzw. über (düsenferner) der jeweiligen wenigstens einen Gas-Düsenöffhung 27. Der Nadelsitz 31 , welcher im Rahmen der Erfindung bevorzugt angrenzend an oder unmittelbar benachbart zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 gebildet ist (stromaufwärts; in axialer Richtung betrachtet), ist bereitgestellt, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel 21 einen Brenngas-Strömungsweg zu der jeweiligen Gas-Düsenöffhung 27 selektiv zu versperren. Mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vom Nadelsitz 31 fuhrt der Strömungsweg von einem - mit Bezug auf den Nadelsitz 31 - stromaufwärtigen Abschnitt der Aufnahme 29 über den Nadelsitz 31 zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27. In den stromaufwärtigen Abschnitt der Aufnahme 29 kann Brenngas hierbei - für das Ausbringen von Brenngas im Rahmen des Injektorbetriebs - über eine Hochdruck-Leitung des Kraftstoffinjektors 3 eingebracht werden (nicht dargestellt), zum Beispiel mit einem Druckniveau von 350 bar oder mehr. Für die Hubsteuerung der Kraft stoffinjektor-Düsennadeln 9, 21 während eines Injektorbetriebs, insbesondere sowohl der Gas-Düsennadeln 21 als auch der Flüssigkraftstoff-Düsennadel 9, ist bevorzugt ein indirektes Steuerprinzip vorgesehen, wobei die Düsennadeln 9, 21 insbesondere hydraulisch gesteuert werden, d.h. insbesondere nach dem bekannten Prinzip Aktuator,
Pilotventil, Steuerraum. Als Steuerfluid dient hierbei bevorzugt der an den Kraftstoffinjektor 3 versorgte Flüssigkraftstoff.
Um die eingangs erwähnten Vorteile einer optimierten Strömungsführung von Brenngas an die in Umfangsrichtung A lediglich teilumfänglich verteilten Gas-Düsenöffhungen 27 zu erzielen, ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 3 weiterhin derart ausgebildet, dass eine jeweilige Aufnahme 29 an den Nadelsitz 31 angrenzend und sich axial davon in stromaufwärtiger
Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu der axialen Mittelachse B durch die Gas-Düsennadel 21 gebildet ist, vergleiche zum Beispiel Fig. 1. Hierbei resultiert die Asymmetrie aus einer Querschnittserweiterung 33 der Aufnahme 29 an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung 27 radial gegenüberliegenden Seite der Aufnahme 29 (welche Querschnittserweiterung 33 exemplarisch z.B. durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 dargestellt ist, welche mögliche, z.B. eiförmige, Querschnitte der
Querschnittserweiterung zeigen), so dass mittels der Querschnitterweiterung 33 ein größerer Brenngas-Massenstrom fuhrbar ist als an der dazu entgegen gesetzten Gas-Düsenöffnungs-Seite 35. Mit der Querschnittserweiterung 33 ist zum Beispiel eine Massenstromaufteilung von 1/3 zu 2/3 zwischen der Gas-Düsenöffhungs- Seite 35 und der den Gas-Düsenöffnungen 27 radial gegenüberliegenden Seite der Querschnittserweiterung 33 erzielbar. Wie durch die Erfinder herausgefunden wurde, gelingt es mittels des mit der asymmetrischen Querschnittserweiterung 33 bereitgestellten Freiraums oberhalb des Nadelsitzes 31 vorteilhaft, Strömungsverluste signifikant zu reduzieren.
Beachtlich ist im Rahmen der Erfindung weiterhin, dass die jeweilige Aufnahme 29 ausgeformt ist, einem seitens der Querschnittserweiterung 33 an den Nadelsitz 31 geführten Brenngas-Strom C mittels der Querschnittserweiterung 33 bereits stromaufwärts des Nadelsitzes 31 eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Gas-Düsenöffnung 27 orientierte Strömungsrichtung aufzuprägen, insbesondere mittels eines geeignet ausgeformten Auslaufendes 37 der Querschnittserweiterung 33. Für eine strömungsgünstige Brenngas-Führung an den Nadelsitz 31 und die Aufprägung der Strömungsrichtung ist die Querschnittserweiterung 33 ausströmseitig bzw. angrenzend an den Nadelsitz 31 bevorzugt bogen- oder schalenförmig gekrümmt gebildet, z.B. eine Parabelfläche ausbildend oder allgemein verrundet.
Wie Fig. 2 mit Bezugszeichen 33a bezeichnet veranschaulicht, kann mit der Erfindung vorgesehen sein, dass eine jeweilige, zu einer Gas-Düsenöffnung 27 entgegengesetzt gebildete Querschnittserweiterung 33a mit einer dazu benachbarten Querschnittserweiterung 33a einer weiteren Gas-Düsenöffnung 27 zu einer gemeinsamen Querschnittserweiterung 33 zusammengeführt ist, insbesondere unter Aufspannen eines bogenförmigen, einhüllenden Querschnitts. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, s. Bz. 33b in Fig. 2, für eine jeweilige Gas-Düsenöffhung 27 eine als eigenständige Querschnittserweiterung 33b erkennbare Querschnittserwei- terung 33 vorzusehen, welche z.B. gleichsam je einer Schussrinne hin zur korrespondierenden Gas-Düsenöffnung 27 gebildet sein können und je einen eigenen bogenförmigen Querschnitt aufspannen. Nachfolgend wird insbesondere mit Bezug auf die Figuren 3 mit 12 noch auf weitere Aspekte möglicher Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 3 eingegangen.
Fig. 3 veranschaulicht eine Teilansicht eines Kraftstoffinjektors 3, bei welchem eine Gas- Düsennadel 27 in einer erfindungsgemäß ausgestalteten, asymmetrischen Aufnahme 29 auf- genommen ist, wobei ein Düsenende der Aufnahme 29 ein Sackloch 39 ausbildet. Der Nadelsitz 31 , gebildet mit einer angeschrägten Sitzfläche bzw. als Kegelsitz, ist unmittelbar über den Gas- Düsenöffhungen 27 gebildet, wobei mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 eine Sichtverbindung vom Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 zum Einlaufquerschnitt der radial entgegengesetzt angeordneten Gas-Düsenöffnung 27 ermöglicht ist. Einem über das Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 abströmenden Brenngasstrom C wird hierbei - mit der als Ausbauchung 41 an der Aufnahme 29 gebildeten Querschnitterweiterung 33 - eine Richtungskomponente aufgeprägt, welche geeignet ist, das Brenngas seitens der Querschnittserweiterung 33 möglichst tangential (mit Bezug auf die Einlaufrichtung der Gas-Düsenöffhung 27) bzw. achsparallel zur Mittelachse der Gas-Düsenöffhung 27 an bzw. in die wenigstens eine Gas-Düsen- Öffnung 27 zu fuhren, insbesondere brennraumnah an das Einlaufende derselben, d.h. so dass ein störungsarmer Brenngaseinlauf ermöglicht ist. In Fig. 3 ist weiterhin ein Brenngasstrom D veranschaulicht, welcher an der Gas-Düsenöffnungs- Seite 35 an die Gas-Düsenöffnung 27 geführt ist. Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines analog zu Fig. 3 gebildeten Krafitstoffinjektors 3, wobei die Asymmetrie der Aufnahme 29 im Unterschied zu Fig. 3 nicht durch eine Querschnittserweiterung 33 in Form einer Ausbauchung 41 gebildet ist, sondern durch eine Querschnittserweiterung 33, welche sich ausgehend von der düsenseitigen Bogenform mit gleichbleibendem (Maximal-)Querschnitt 43 in Richtung zu einem düsenfernen Injektorende fortsetzt. Hierdurch wird das Volumen an der zu den Gas-Düsenöffnungen 27 entgegengesetzten Seite nochmals erhöht.
Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung eines Kraftstoffinjektors 3 mit weiter verbesserten Einlaufeigenschaften. Bei dieser Ausgestaltung, bei welcher der Kraftstoffinjektor 3 im Wesentlichen kein Sackloch aufweist, fluchtet eine an die Querschnittserweitung 33 grenzende Einlauffläche des Nadelsitzes 31 strömungsgünstig mit der an den Nadelsitz 31 grenzenden Auslauffläche 37 der Querschnittserweiterung 33. Hierbei bildet der Nadelsitz 3 leine angeschrägte Sitzfläche aus, welche die Querschnittserweiterung 33 im Wesentlichen mit der aufgeprägten Strömungs- richtung auch fortsetzt. Auch bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft eine wie vorstehend erörterte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vom Nadelsitz 31 etabliert, so dass eine strömungsungünstige Beeinflussung des von der Querschnittserweiterung 33 hin zu der radial entgegen gesetzt gebildeten wenigstens einen Gas-Düsenöffhung 27 geführten Brenngasstroms durch Eintauchen der Gas-Düsennadel 21 dort hinein weitgehend vermieden ist.
Fig. 6 veranschaulicht einen Kraftstoffinjektor 3 gemäß Fig. 5, wobei die Querschnittserweiterung 33 wiederum nicht als Ausbauchung 41 sondern im Unterschied dazu mit abschnittsweise gleich bleibendem Querschnitt 43 analog zu Fig. 4 gebildet ist. Fig. 7 veranschaulicht nunmehr einen Kraftstoffinjektor 3, bei welchem die Gas-Düsennadel 21 an einem Düsenende 45 gegenüber vorstehend erläuterten Ausgestaltungen nach Fig. 3 bis 6 abgeflacht ist, so dass die Strömungsstörung durch Umlenkung um das Ende 45 der Gas- Düsennadel 21 herum weiter minimiert ist. Mit Abflachung der Gas-Düsennadel 21 kann weiterhin eine strömungsgünstige, vom Auslaufende 37 der Querschnittserweiterung 33 an den Einlaufquerschnitt der radial dazu entgegen gesetzt gebildeten wenigstens einen Gas- Düsenöffhung 27 führende Gefallestrecke 47 geschaffen werden, welche gleichbleibende Steigung bzw. Neigung aufweist und möglichst bzw. im Wesentlichen tangential an die Gas- Düsenöffhung 27 führt. Wie bei den Ausgestaltungen nach Fig. 5 bis 6 ist die Aufnahme 29 hierbei ausgeformt, einen seitens der Querschnirtserweiterung 33 an den Nadelsitz 31 und darüber bis zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung 27 geführten Brenngas-Strom entlang dieses Strömungswegabschnitts ohne Gefällestufen zu führen, insbesondere mit der aufgeprägten Strömungsrichtung.
Auch hierbei ist die angestrebte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 gegeben.
Fig. 8 zeigt einen Kraftstoffinjektor 3 mit einer analog zu Fig. 4 oder Fig. 6 gebildeten Querschnittserweiterung 33. Fig. 9 veranschaulicht nunmehr einen Kraftstoffinjektor 3, bei welchem auch die Gas- Düsennadel 21 an einem düsenseitigen Ende 45 asymmetrisch geformt ist. Hierbei ist die strömungsleitende Schrägfläche 49a an der Gas-Düsenöffhungs-Seite 35 der Gas-Düsennadel 21 gegenüber der entgegengesetzten strömungsleitenden Schrägfläche 49b, entlang welcher der Brenngasstrom C geführt wird, welcher seitens der Querschnittserweiterung 33 strömt, im Hinblick auf ihre radiale Erstreckung verkürzt. Derart wird der seitens der Querschnittserweiterung 33 abströmende Brenngasstrom C bis unmittelbar an den Einlaufquerschnitt der entgegengesetzt dazu gebildeten Gasdüsenöffnung 27 geführt und dabei erst unmittelbar vor dem Eintritt in die Gas-Düsenöffnung 27 mit dem weiteren Brenngasstrom D an der Gas-Düsen- öffhungs-Seite 35 zusammengebracht, so dass eine Strömungsstörung aufgrund der sich vereinigenden Teilströme C, D weiter minimiert ist. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Verdrehsicherung 51 vorgesehen, welche beispielsweise mit einer Nut-Feder- Verbindung realisiert ist und die Gas-Düsennadel 21 in der vorgesehenen, gezeigten Rotationsstellung hält. Fig. 10 zeigt eine Ausgestaltung gemäß Fig. 9 mit dem Unterschied, dass sich die Querschnittserweiterung 33 analog zu Fig. 4, 6 und 8 mit maximalem Querschnitt 43 über einen Abschnitt hin zum stromaufwärtigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 fortsetzt.
Fig. 11 veranschaulicht nunmehr eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors 3, welche insbesondere auf einer Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors nach Fig. 9 und 10 fußt und bei welcher die Gas-Düsennadel 21 an der zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung 27 radial entgegen gesetzten Seite eine strömungsleitende Anformung 53 in Form einer Ausbauchung aufweist, welche in der Querschnittserweiterung 33 aufgenommen ist. Hierbei ist die Anformung 53, welche einen partiell verrundeten Endabschnitt an der Gas-Düsennadel 21 bereitstellt, insbesondere geeignet, den Brenngasstrom C strömungsgünstig um den quer- schnittserweiterungsseitigen Endabschnitt der Gas-Düsennadel 21 herumzuführen.
Fig. 12 zeigt wiederum eine Ausgestaltung gemäß Fig. 11 mit dem Unterschied, dass sich die Querschnittserweiterung 33 analog zu Fig. 4, 6, 8 und 10 mit maximalem Querschnitt 43 über einen Abschnitt hin zum stromaufwärtigen Ende des Kraftstoffinjektors 3 fortsetzt.
Angemerkt sei abschließend noch, dass ersichtlich auch die Ausgestaltungen nach den Figuren 9 bis 12 eine wie oben erörterte Sichtverbindung mit Abheben der Gas-Düsennadel 21 vorsehen, wobei die Ausgestaltungen nach Fig. 11 und 12 äußerst strömungsgünstigste Lösungen darstellen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 düsenseitiger Endabschnitt
3 Kraftstoffinj ektor
5 Injektorgehäuse
7 Düsenkörper
9 Flüssigkraftstoff-Düsennadel
11 erstes Modul
13 Axialbohrung
15 Ventilsitz
17 Spritzloch
19 zweites Modul
21 Gas-Düsennadel
23 Gas-Düsenanordnung
23a Gas-Düsenanordnung
23b Gas-Düsenanordnung
25 Düsenende
27 Gas-Düsenöff ung
29 Aufnahme
31 Nadelsitz
33 Querschnittserweiterung
33a Querschnittserweiterung
33b Querschnittserweiterung
35 Gas-Düsenöffhungs-Seite
37 Auslaufende
39 Sackloch
41 Ausbauchung
43 Querschnitt
45 Ende
47 Gefällestrecke
49a Schrägfläche
49b Schrägfläche
51 Verdrehsicherung
53 Anformung A Umfangsnchtung
B Mittelachse
C Brenngasstrom mit aufgeprägter Strömungsrichtung
D Brenngasstrom

Claims

ANSPRÜCHE
1. Kraft Stoffinjektor (3) für den Betrieb mit Brenngas,
- wobei der Kraftstoffinjektor (3) an einem Düsenende (25) eine Gas-Düsenanordnung (23) mit wenigstens einer Gas-Düsenöffhung (27) aufweist;
- wobei der Kraftstoffinjektor (3) wenigstens eine Gas-Düsennadel (21) aufweist, welche der Gas-Düsenanordnung (23) zugeordnet und in einer axialen Aufnahme (29) hubsteuerbar aufgenommen ist, wobei eine jeweilige Gas-Düsenöffhung (27) am Düsenende (25) aus der Aufnahme (29) mit radialer Richtungskomponente ausmündet;
- wobei der Kraft Stoffinjektor (3) in der Aufnahme (29) einen Nadelsitz (31) stromaufwärts der jeweiligen Gas-Düsenöffhung (27) aufweist, welcher bereitgestellt ist, im Zusammenwirken mit der Gas-Düsennadel (21) einen Brenngas-Strömungsweg zu einer jeweiligen Gas-Düsenöffnung (27) selektiv zu versperren;
- wobei die eine oder mehreren Gas-Düsenöffungen (27) in Umfangsrichtung (A) der Gas- Düsennadel (21) lediglich teilumfanglich verteilt angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufhahme (29) an den Nadelsitz (31) angrenzend und sich axial davon in
stromaufwärtiger Richtung weg erstreckend asymmetrisch zu einer axialen Mittelachse (B) durch die Gas-Düsennadel (21) gebildet ist, wobei
- die Asymmetrie resultiert aus einer Querschnittserweiterung (33) der Aufhahme (29) an einer zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung (27) radial gegenüberliegenden Seite der Aufhahme (29), so dass mittels der Querschnitterweiterung (33) ein größerer Brenngas-Massenstrom in der Aufhahme (29) fuhrbar ist als an der dazu entgegen gesetzten Gas-Düsenöffhungs-Seite (35);
- wobei die Aufhahme (29) weiterhin ausgeformt ist, einem seitens der Querschnittserweiterung (33) an den Nadelsitz (31) geführten Brenngas-Strom (C) mittels der Querschnittserweiterung (33) bereits stromaufwärts des Nadelsitzes (31) eine hin zu der radial gegenüberliegenden wenigstens einen Gas-Düsenöffhung (27) orientierte
Strömungsrichtung aufzuprägen.
2. Kraftstoffinjektor (3) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Nadelsitz (31) eine angeschrägte Sitzfläche ausbildet, welche die Querschnittserweiterung (33) mit der aufgeprägten Strömungsrichtung fortsetzt; und/oder - eine an die Querschnittserweitung (33) grenzende Einlauffläche des Nadelsitzes (31) mit einer an den Nadelsitz (31) grenzenden Auslauffläche (37) der Querschnittserweiterung (33) fluchtet.
3. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahme (29) ausgeformt ist, einen seitens der Querschnittserweiterung (33) an den Nadelsitz (31) und darüber bis zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffhung (27) geführten Brenngas-Strom (C) entlang dieses Strömungswegabschnitts ohne Gefällestufen zu fuhren, insbesondere kontinuierlich mit der aufgeprägten Strömungsrichtung.
4. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Aufnahme (29) weiterhin ausgeformt ist, Brenngas mit der aufgeprägten
Strömungsrichtung tangential an die wenigstens eine Gas-Düsenöffhung (27) zu fuhren, insbesondere in ein Einlaufende derselben.
5. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Querschnittsaufweitung (33) als Ausbauchung (41) an der Aufnahme (29) gebildet ist; und/oder
- die Aufnahme (29) wenigstens eine Schussrinne ausbildet, welche den Brenngas-Strom (C) seitens der Querschnittsaufweitung (33) an die wenigstens eine Gas-Düsenöffhung (27) führt.
6. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein düsenseitiger Endabschnitt (45) der Gas-Düsennadel (21) asymmetrisch mit Bezug auf die axiale Mittelachse (B) der Gas-Düsennadel (21) geformt ist, welcher Endabschnitt (45) bewirkt, dass ein seitens der Querschnittserweiterung (33) an die wenigstens eine Gas-Düsenöffhung (27) geführter Brenngasstrom (C) erst unmittelbar vor dem
Einlaufende der Gas-Düsenöffhung (27) mit einem gas-düsenöffhungsseitigen
Brenngasstrom (D) zusammengeführt wird und/oder tangential an die Gas-Düsenöffhung (27) gefuhrt wird; und/oder die Gas-Düsennadel (21) benachbart zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung (27) eine größere axiale Länge aufweist als an der radial dazu entgegen gesetzten Seite.
7. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gas-Düsennadel (21) an der zu der wenigstens einen Gas-Düsenöffnung (27) radial entgegen gesetzten Seite eine strömungsleitende Anformung (53) und/oder Ausbauchung aufweist, welche in der Querschnittserweiterung (33) aufgenommen ist, wobei die Anformung (53) geeignet ist, den seitens der Querschnittserweiterung (33) geführten Brenngasstrom strömungsgünstig um den Endabschnitt (45) der Gas-Düsennadel (21) herum zu führen.
8. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gas-Düsennadel (21) verdrehgesichert in der Aufnahme (29) aufgenommen ist.
9. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gas-Düsenanordnung (23) eine Mehrzahl von Gas-Düsenöffhungen (27) aufweist, wobei die Gas-Düsenöffnungen (27) in einem Winkelbereich von betragsmäßig 80° bis
100° in Umfangsrichtung (A) teilumfänglich verteilt sind oder in einem Winkelbereich von betragsmäßig 160° bis 200°.
10. Rraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kraftstoffinjektor (3) eingerichtet ist, mit Abheben der Gas-Düsennadel (21) vom Nadelsitz (31) eine Sichtverbindung vom Auslaufende (37) der Querschnittserweiterung (33) zu einem Einlaufquerschnitt, insbesondere einem unteren Ende des Einlaufquerschnitts, der dazu radial entgegen gesetzt angeordneten wenigstens einen Gas- Düsenöffnung (27) zu ermöglichen.
11. Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass - der Kraftstoffinjektor (3) ein Dual-Fuel-Kraftstoffinjektor ist, welcher insbesondere auch mit Flüssigkraftstoff betreibbar ist.
12. Brennkraftmaschine,
gekennzeichnet durch
- wenigstens einen Kraftstoffinjektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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