DE102014224343A1 - Gas injector with improved thermal properties - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum (9) einer Brennkraftmaschine, welcher ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben oder Verschließen einer Durchlassöffnung (37), einen Ventilkörper (3), und einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilkörper (3) und dem Ventilschließelement (2) umfasst, wobei der Ventilkörper (3) an einem brennraumseitigen Ende (30) des Ventilkörpers (3) eine thermische Schutzeinrichtung (31) umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Injektoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche einen erfindungsgemäßen Gasinjektor oder ein erfindungsgemäße Injektoranordnung umfasst.The present invention relates to a gas injector for injecting a gaseous fuel directly into a combustion chamber (9) of an internal combustion engine, comprising a valve closing element (2) for releasing or closing a passage opening (37), a valve body (3), and a sealing seat (4) between the valve body (3) and the valve closing element (2), wherein the valve body (3) at a combustion chamber end (30) of the valve body (3) comprises a thermal protection device (31). Furthermore, the present invention relates to an injector arrangement with a gas injector according to the invention. Another aspect of the present invention relates to an internal combustion engine which comprises a gas injector or an injector arrangement according to the invention.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Injektoranordnung mit einem Gasinjektor. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche einen Gasinjektor oder eine derartige Injektoranordnung umfasst.The present invention relates to a gas injector for injecting a gaseous fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine. Furthermore, the present invention relates to an injector with a gas injector. Another aspect of the present invention relates to an internal combustion engine that includes a gas injector or injector assembly.
Neben flüssigen Kraftstoffen werden im Kraftfahrzeugbereich in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Bei bekannten direkteinblasenden Gasinjektoren ist ein Problemkreis die hohe thermische Belastung des Gasinjektors, insbesondere dessen Ventilkörpers. Aufgrund der hohen thermischen Belastung kann dabei beispielsweise ein Elastomer mit seiner begrenzten Temperaturbeständigkeit als Dichtungsmaterial nicht verwendet werden. Neben den guten Abdichtungseigenschaften des Elastomers sind auch seine hervorragenden Dämpfungseigenschaften während des Schließvorgangs vorteilhaft. Letzteres ist besonders wichtig bei Gasinjektoren wegen des Entfalls eines belastungsreduzierenden Effekts einer Flüssigkeitsdämpfung.In addition to liquid fuels, gaseous fuels, such as e.g. Natural gas or hydrogen, used. In known Direktinblasenden Gasinjektoren is a problem area, the high thermal load of the gas injector, in particular its valve body. Due to the high thermal load, for example, an elastomer with its limited temperature resistance can not be used as a sealing material. In addition to the good sealing properties of the elastomer and its excellent damping properties during the closing process are advantageous. The latter is particularly important in gas injectors because of the elimination of a load-reducing effect of fluid damping.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der erfindungsgemäße direkteinblasende Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Temperatur am brennraumseitigen Bereich des Gasinjektors signifikant reduziert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch eine thermische Schutzeinrichtung am Ventilkörper erreicht. Somit wird eine Wärmebelastung anderer Bauteile des Gasinjektors, insbesondere des Dichtsitzes und des Ventilschließelements, signifikant reduziert. Weiterhin wird durch die thermische Schutzeinrichtung vermieden, dass an zu heißen Bereichen des Gasinjektors eine unerwünschte Glühzündung vorkommt. Hierzu umfasst der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum ein Ventilschließelement zum Freigeben oder Verschließen einer Durchlassöffnung, einen Ventilkörper und einen Dichtsitz zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilschließelement. Erfindungsgemäß umfasst der Ventilkörper an einem brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers die thermische Schutzeinrichtung. Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit, den Dichtsitz aus einem weichen Material, z.B. aus einem Elastomer, insbesondere bei nach außen öffnenden Gasinjektoren, herzustellen. Aufgrund der hohen elastischen Nachgiebigkeit eines solchen Materials bei geringen elastischen Verformungskräften kann eine Gasdichtheit des Gasinjektors auch bei geometrischen Imperfektionen über eine Lebensdauer ermöglicht werden. The direct injection gas injector according to the invention for injecting a gaseous fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine with the features of
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die thermische Schutzeinrichtung eine Wärmeableitungskappe mit einem ersten Wärmeleitungskoeffizienten auf, welcher größer als ein Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers ist. Somit wird die in den brennseitigen Bereich des Gasinjektors eingebrachte Wärme effizient z.B. in einen Zylinderkopf abgeleitet. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitungskappe aus einem Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt. Dadurch ist ein leichter Aufbau möglich. Weiterhin kann bevorzugt die Wärmeleitungskappe durch eine Schweißverbindung oder eine Verstemmverbindung am Ventilkörper befestigt sein. Durch das Vorhandensein der Wärmeableitungskappe sowie deren Form kann ferner eine Strömungsführung und eine Gasmischung kundenindividuell angepasst werden.According to a preferred embodiment of the present invention, the thermal protector has a heat dissipation cap having a first heat conduction coefficient which is larger than a heat conduction coefficient of the valve body. Thus, the heat introduced into the combustion side region of the gas injector is efficiently removed, e.g. derived in a cylinder head. Particularly preferably, the heat-conducting cap is made of a metal, in particular aluminum. This makes a light construction possible. Furthermore, the heat conduction cap may preferably be fastened to the valve body by means of a welded connection or a caulking connection. Due to the presence of the heat dissipation cap and its shape, a flow guide and a gas mixture can furthermore be adapted to the customer's individual needs.
Alternativ oder zusätzlich weist die thermische Schutzeinrichtung eine erste thermische Schutzschicht mit einem zweiten Wärmeleitungskoeffizienten auf, welcher kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers und/oder kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe ist. Dies dient dazu, den Wärmeübertrag vom Brennraum auf den Ventilkörper und/oder die Wärmeableitungskappe zu reduzieren bzw. eliminieren. Wenn Wärme doch übertragen wird, kann diese von der Wärmeleitungskappe abgeleitet werden. Somit wird eine thermische Belastung des Ventilkörpers reduziert. Alternatively or additionally, the thermal protection device has a first thermal protection layer with a second coefficient of thermal conduction, which is smaller than the heat conduction coefficient of the valve body and / or smaller than the first heat conduction coefficient of the heat dissipation cap. This serves to reduce or eliminate the heat transfer from the combustion chamber to the valve body and / or the heat dissipation cap. When heat is transferred, it can be dissipated from the heat pipe cap. Thus, a thermal load of the valve body is reduced.
Besonders bevorzugt ist die erste thermische Schutzschicht aus Keramik hergestellt. Particularly preferably, the first thermal protective layer is made of ceramic.
Vorteilhafterweise ist die erste thermische Schutzschicht auf der Wärmeableitungskappe angeordnet. Insbesondere kann die erste thermische Schutzschicht an einer zum Brennraum gerichteten Stirnseite angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Innenseite der Durchlassöffnung entlang der Strömungsführung mit der ersten thermischen Schutzschicht versehen sein.Advantageously, the first thermal protection layer is disposed on the heat dissipation cap. In particular, the first thermal protective layer can be arranged on a front side directed toward the combustion chamber. Alternatively or additionally, an inner side of the passage opening along the flow guide may be provided with the first thermal protection layer.
Weiter bevorzugt weist die Wärmeableitungskappe einen plattenförmigen Bereich, oder einen plattenförmigen Basisbereich und einen am plattenförmigen Basisbereich angeordneten Wandbereich auf. Somit kann beispielsweise die Wärmeleitungskappe an unterschiedliche Ventilkörperformen angepasst werden. Ferner wird die Wärmeleitungsstrecke je nach Anwendung angepasst. More preferably, the heat dissipation cap on a plate-shaped region, or a plate-shaped base region and a plate-shaped base region disposed on the wall region. Thus, for example, the heat pipe cap can be adapted to different valve body shapes. Furthermore, the heat pipe is adjusted depending on the application.
Um eine gute thermische Anbindung der Wärmeableitungskappe an einen Zylinderkopf sicherzustellen, weist vorzugsweise die Wärmeableitungskappe an einer Kontaktfläche eine Oberflächenstrukturierung auf, wobei die Kontaktfläche eingerichtet für einen Kontakt zwischen der Wärmeableitungskappe und einem Zylinderkopf ist und auf der Wärmeableitungskappe angeordnet ist. In order to ensure a good thermal connection of the heat dissipation cap to a cylinder head, the heat dissipation cap preferably has a surface structuring on a contact surface, wherein the contact surface is arranged for a contact between the heat dissipation cap and a cylinder head and is arranged on the heat dissipation cap.
Besonders bevorzugt umfasst die Oberflächenstrukturierung eine Rändelung. Dadurch wird auch eine Fügekraft zum Einbauen des Injektors in den Zylinderkopf reduziert.Particularly preferably, the surface structuring comprises a knurling. This also reduces a joining force for installing the injector in the cylinder head.
Ferner bevorzugt umfasst die Wärmeableitungskappe eine Wärmeleiterpaste, welche an einer Oberfläche der Wärmeableitungskappe aufgebracht ist. Insbesondere ist die Wärmeleiterpaste in Vertiefungen der Rändelung der Wärmeableitungskappe eingebracht. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen der Wärmeableitungskappe und dem Zylinderkopf verstärkt. Further preferably, the heat dissipation cap comprises a heat conductor paste applied to a surface of the heat dissipation cap. In particular, the heat conductor paste is introduced into recesses of the knurling of the heat dissipation cap. This enhances heat transfer between the heat dissipation cap and the cylinder head.
Durch eine Reduzierung eines Spalts und/oder einen metallischen Kontakt zwischen der Wärmeableitungskappe und dem Zylinderkopf wird in vorteilhafter Weise eine thermische Anbindung der Wärmeableitungskappe an einen Zylinderkopf ermöglicht. By reducing a gap and / or a metallic contact between the heat dissipation cap and the cylinder head, a thermal connection of the heat dissipation cap to a cylinder head is made possible in an advantageous manner.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Ventilschließelement eine zweite thermische Schutzschicht mit einem dritten Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, welcher kleiner als der Wärmeleitungskoeffizient des Ventilkörpers und/oder kleiner als der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe ist. Somit kann ein Wärmeeintrag in den brennseitigen Raum des Gasinjektors, insbesondere in das Ventilschließelement, eliminiert bzw. reduziert werden.In addition, it may be advantageous if the valve closing element has a second thermal protection layer with a third coefficient of thermal conduction which is smaller than the heat conduction coefficient of the valve body and / or smaller than the first coefficient of heat conduction of the heat dissipation cap. Thus, a heat input into the combustion-side space of the gas injector, in particular into the valve closing element, can be eliminated or reduced.
Besonders bevorzugt sind die erste Schutzschicht und die zweite thermische Schutzschicht aus demselben Material ausgebildet. Somit ist eine gleichmäßige thermische Schutzschicht an einem brennseitigen Ende des Gasinjektors möglich. Dadurch ergibt sich ferner ein kostengünstiges Fertigungsverfahren.Particularly preferably, the first protective layer and the second thermal protective layer are formed from the same material. Thus, a uniform thermal protection layer at a combustion end of the gas injector is possible. This also results in a cost-effective manufacturing process.
In vorteilhafter Weise ist bei einem maximalen Hub des Ventilschließelements ein Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilschließelement kleiner als ein Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilschließelement und dem Dichtsitz. Da das Ventilschließelement als auch der Ventilkörper sehr präzise gefertigt werden können, können die Strömungsquerschnitte genau ausgebildet werden. Im Gegensatz zu einer mengenbestimmenden Drosselung am Dichtsitz, wobei sich eine gesamte Toleranzkette (mehrere Geometrietoleranzen, Hubeinstelltoleranz, Hubänderung durch Temperaturdehnung) auf die eingeblasene Kraftstoffmenge auswirkt, spielen erfindungsgemäß nur die Durchmesserfertigungstoleranzen des Ventilkörpers und des Ventilschließelements eine Rolle. Ferner wird durch das Verlegen der durchflussbestimmenden Drosselstelle vom Dichtsitz in einen Innenraum des Gasinjektors die Drosselstelle nicht mechanisch durch Anschläge oder Führungen belastet und somit ist sie verschleißfrei. Dadurch ergibt sich keine Volumenstromänderung über Lebensdauer. Weiterhin wirken sich thermische Dehnungen und eine durch eine Wärmedehnung verursachte Hubänderung auf den Volumenstrom nicht oder nur gering aus. Eine detaillierte Geometrie des Ventilkörpers und des Ventilschließelements vor und nach der Drosselstelle kann strömungsoptimal für eine Gas-Überschallströmung ausgelegt werden.Advantageously, with a maximum lift of the valve closing element, a flow cross section between the valve body and the valve closing element is smaller than a flow cross section between the valve closing element and the sealing seat. Since the valve closing element as well as the valve body can be made very precisely, the flow cross sections can be accurately formed. In contrast to a quantitative throttling at the sealing seat, wherein an entire tolerance chain (several geometry tolerances, Hubeinstelloleranz, stroke change by temperature expansion) affects the injected fuel quantity, play according to the invention only the diameter manufacturing tolerances of the valve body and the valve closing element a role. Furthermore, by placing the flow-determining throttle point from the sealing seat into an interior of the gas injector, the throttle point is not mechanically loaded by stops or guides and thus it is wear-free. This results in no change in volume flow over life. Furthermore, thermal expansions and a change in the stroke caused by a thermal expansion do not affect the volume flow or only a slight effect. A detailed geometry of the valve body and the valve closing element before and after the throttle point can be designed to be optimal for a gas supersonic flow.
Außerdem ist vorteilhaft, wenn der Dichtsitz von einem Anschlagbereich des Ventilkörpers mit einem vorbestimmten Abstand am Ventilkörper angeordnet ist. Somit wird der mechanisch hochbelastete Anschlagbereich des Ventilkörpers geometrisch von der Dichtstelle getrennt. Dadurch wird ein kleiner Verschleiß beim Anschlagbereich zulässig, ohne dass der Gasinjektor durch eine Leckage versagt. Das Material des Anschlagbereichs ist vorzugsweise gehärtet und/oder beschichtet, um die hohen mechanischen Belastungen auszuhalten. It is also advantageous if the sealing seat is arranged by a stop region of the valve body with a predetermined distance on the valve body. Thus, the mechanically highly loaded stop area of the valve body is geometrically separated from the sealing point. This allows a small wear on the stop area without the gas injector failing due to leakage. The material of the stop region is preferably hardened and / or coated in order to withstand the high mechanical loads.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Injektoranordnung, welche einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum und einen Zylinderkopf mit einer Zylinderkopföffnung umfasst, in welcher der Gasinjektor angeordnet ist, wobei ein zum Brennraum gerichtetes Ende des Gasinjektors von einem brennraumseitigen Ende der Zylinderkopföffnung mit vorbestimmtem Abstand in Axialrichtung des Gasinjektors angeordnet ist. Dieser Abstand kann bis maximal den dreifachen Durchmesser der Zylinderkopföffnung betragen. Durch das Versetzen des Gasinjektors in eine der Einblasrichtung entgegengesetzte Richtung entsteht ein Totvolumen, in welchem eine Strömungsgeschwindigkeit klein ist. Somit wird der Wärmeübertrag von den heißen Verbrennungsgasen auf den Ventilkörper und den Dichtsitz minimiert. Im Totvolumen findet vorzugsweise auch eine Verbrennung statt, so dass sich keine nicht verbrannten Kraftstoffanteile sammeln, welche dann im Abgas zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen führen könnten. Furthermore, the present invention relates to an injector assembly comprising a gas injector for injecting a gaseous fuel into a combustion chamber and a cylinder head with a cylinder head opening, in which the gas injector is arranged, wherein a directed toward the combustion chamber end of the gas injector from a combustion chamber side end of the cylinder head opening with predetermined Distance is arranged in the axial direction of the gas injector. This distance can amount to a maximum of three times the diameter of the cylinder head opening. By displacing the gas injector in a direction opposite to the blowing direction, a dead volume is created, in which a flow velocity is small. Thus, the heat transfer from the hot combustion gases to the valve body and the sealing seat is minimized. In the dead volume combustion preferably takes place, so that no unburned fuel components collect, which could then lead to increased hydrocarbon emissions in the exhaust gas.
Besonders bevorzugt weist die Injektoranordnung einen wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gasinjektor auf. Particularly preferably, the injector arrangement has a gas injector according to the invention as described above.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche einen Brennraum sowie einen erfindungsgemäßen direkteinblasenden Gasinjektor oder eine erfindungsgemäße Injektoranordnung umfasst. Damit sind die in Bezug auf den erfindungsgemäßen Gasinjektor und die erfindungsgemäße Injektoranordnung ausgeführten Vorteile verbunden.Another aspect of the present invention relates to an internal combustion engine, which has a combustion chamber and an inventive direct injection gas injector or injector assembly according to the invention. Thus, the advantages embodied in relation to the gas injector according to the invention and the injector arrangement according to the invention are associated.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or functionally identical parts are designated by the same reference numerals. In the drawing is:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Die Injektoranordnung
Weiterhin umfasst der Gasinjektor
Erfindungsgemäß weist der Ventilkörper
Insbesondere umfasst die thermische Schutzeinrichtung
Weiterhin ist das Ventilschließelement
Der erste Wärmeleitungskoeffizient der Wärmeableitungskappe
Somit wird in erster Linie eine Übertragung der im Brennraum entstehenden Wärme aufgrund der schlechten wärmeleitenden Eigenschaften der ersten thermischen Schutzschicht
Die Wärmeableitungskappe
Weiterhin ist der Dichtsitz
In
Durch den erfindungsgemäßen Gasinjektor
Der Gasinjektor
Es sei angemerkt, dass die vorhergehenden Ausführungsformen nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung dienen. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.It should be noted that the foregoing embodiments are for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
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