Titel

Gasinjektor mit Dämpfer

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. mit verbesserten Dämpfungseigenschaften und kurzer und kompakter axialer Bauweise. Der Gasinjektor ist insbesondere für eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.

Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren liegt prinzipbedingt darin, dass aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums keine Schmierung durch das Medium möglich ist, wie dies beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren, die Benzin oder Diesel einspritzen, möglich ist. Dies führt im Betrieb des Gasinjektors zu einem übermäßigen Verschleiß. Weiterhin ist es aufgrund zunehmender Verkleinerung von Brennkraftmaschinen notwendig, dass auch Gasinjektoren möglichst einen geringen Bauraum einnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist hingegen den Vorteil auf, dass eine verbesserte Funktion in Verbindung mit einer Schmierung von beweglichen Teilen des Gasinjektors möglich ist. Auch weist der erfindungsgemäße Gasinjektor insbesondere in Axialrichtung des Gasinjektors einen sehr kompakten und kurzen Aufbau auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker umfasst, welcher in Axialrichtung des Gasinjektors bewegbar ist. Der Anker ist mit einem Schließelement des Gasinjektors verbunden, welches eine Ventilnadel aufweist, um einen Gaspfad für den gasförmigen Brennstoff an einem Ventilsitz freizugeben und zu verschließen. Ferner ist ein abgeschlossener Schmiermittelraum vorgesehen, welcher mit einem flüssigen Schmiermittel gefüllt ist, wobei der axial bewegliche Anker im Schmiermittelraum angeordnet ist. Somit stellt das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers im Betrieb sicher, so dass am Anker kein Verschleiß auftritt. Der Schmiermittelraum umfasst wenigstens ein flexibles Dichtelement, insbesondere einen Faltenbalg, welcher den Schmiermittelraum gegenüber dem Gaspfad abdichtet. Das flexible Dichtelement stellt somit eine axiale Bewegbarkeit des Schließelements sicher und bildet ein Gehäuseteil des Schmiermittelraums. Weiterhin ist der Schmiermittelraum neben dem flüssigen Schmiermittel auch mit einem Gas gefüllt. Somit existiert ein definiertes Gasvolumen im Schmiermittelraum, welches es ermöglicht, dass bei einer Temperaturerhöhung, welche zu einer Ausdehnung des Volumens des flüssigen Schmiermittels führen kann, eine in den Schmiermittelraum integrierte Volumenausgleichseinheit vorhanden ist. Dadurch muss das flexible Dichtelement nur die Beweglichkeit des Schließelements in Axialrichtung sicherstellen und nicht noch zusätzlich eine temperaturbedingte Ausgleichsmöglichkeit zur Kompensation von temperaturbedingten Volumenänderungen des flüssigen Schmiermittels im Schmiermittelraum bereitstellen. Dies führt zu einem kompakten flexiblen Dichtelement, beispielsweise bei Verwendung eines Faltenbalgs zu einer deutlich reduzierten Axiallänge des Faltenbalgs.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Das flexible Dichtelement ist vorzugsweise ein Faltenbalg, insbesondere ein Metallfaltenbalg. Eine Axiallänge des Faltenbalgs kann aufgrund des im Schmiermittelraum vorhandenen Gasvolumens sehr klein gewählt werden, so dass der Faltenbalg ausschließlich die axiale Bewegbarkeit des Schließelements des Gasinjektors sicherstellen muss. Alternativ ist das flexible Dichtelement eine Metallmembran, welche aufgrund des Gasvolumens im Schmiermittelraum ebenfalls vereinfacht ausgebildet werden kann.

Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor ferner ein Rückstellelement, welches innerhalb des Schmiermittelraums angeordnet ist. Das Rückstellelement stellt das Schließelement in eine geschlossene Ausgangsstellung zurück. Somit kann am Schließelement durch Anordnung innerhalb des Schmiermittelraums ebenfalls im Betrieb ein reduzierter Verschleiß erreicht werden.

Weiter bevorzugt umfasst der Schmiermittelraum ein Tiefziehteil, welches als ein Gehäuseteil des Schmiermittelraums ausgebildet ist. Das Tiefziehteil ist vorzugsweise topfförmig ausgebildet und weist weiter bevorzugt eine zentrale, mit einer Verschlusseinheit verschlossene Befüllöffnung auf. Die Befüllöffnung liegt vorzugsweise in einer Mittelachse des Gasinjektors. Das Tiefziehteil ist weiter bevorzugt an einem vom Brennraum abgewandten Ende des Schmiermittelraums angeordnet.

Als Gas, welches im Schmiermittelraum angeordnet ist, wird vorzugsweise Luft oder CO2 oder ein Edelgas verwendet. Das Schmiermittel ist vorzugsweise ein Öl oder ein flüssiger Kraftstoff oder Perfluorpolyether (PFPE) oder ein Heptanisomer oder ein Nonan.

Ein Druck im Schmiermittelraum liegt bei einer Temperatur von 20°C vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 4 x 10 ⁵ Pa und beträgt insbesondere 3 x 10 ⁵ Pa. Der Druck im Schmiermittelraum bei 20°C ist weiter bevorzugt immer größer als ein Umgebungsdruck.

Ein Volumen des flüssigen Schmiermittels ist bei einer Temperatur von 20°C größer als ein Volumen des Gases im Schmiermittelraum. Das Volumen des flüssigen Schmiermittels ist bei 20°C weiter bevorzugt mindestens doppelt so groß wie das Volumen des Gases im Schmiermittelraum.

Weiter bevorzugt ist im Schmiermittelraum eine Dämpfungseinheit angeordnet. Die Dämpfungseinheit dämpft vorzugsweise eine Schließbewegung des Schließelements, um sog. Preller zu vermeiden, welche bei schnellen Schließvorgängen des Gasinjektors auftreten können, wenn das Schließelement an einem Anschlag anschlägt und kurzzeitig abprallt, was zu unerwünschten Öffnungen des Dichtsitzes führen kann.

Weiter bevorzugt ist das Schließelement ein nach außen öffnendes Schließelement. Vorzugsweise ist das flexible Dichtelement direkt mit dem Schließelement, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung, verbunden.

Zeichnungen

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 2 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum 10 einen Magnetaktor 2, welcher ein nach außen öffnendes Schließelement 3 von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand bewegt. Figur 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors.

Der Magnetaktor 2 umfasst einen Anker 20 und eine Spule 21 , wobei der Anker 20 mit dem Schließelement 3 verbunden ist. Das Schließelement 3 umfasst eine Ventilnadel 30 und einen Ventilteller 31, welcher an einem Dichtsitz 8 einen Durchlass zum Einblasen des gasförmigen Brennstoffs freigibt und verschließt. Der Dichtsitz 8 ist dabei zwischen dem Ventilteller 31 und einem Ventilkörper 9 ausgebildet.

Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Gasanschluss 91, durch welchen der gasförmige Brennstoff in den Gasinjektor zugeführt wird. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Gaspfad, welcher durch den Gasinjektor 1 verläuft. Der Ventilkörper 9 ist mit einer Gehäusehülse 90, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, verbunden. Der Gaspfad 11 verläuft ausgehend vom Gasanschluss 91 , welcher mittig in einer Mittelachse X-X des Gasinjektors liegt, radial nach außen und umströmt den Magnetaktor 2.

Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen abgeschlossenen Schmiermittelraum 4, welcher mehrere Bauteile des Gasinjektors 1 aufnimmt. Der Schmiermittelraum 4 ist mit einem flüssigen Schmiermittel 5 und einem Gas 6 gefüllt.

Ferner umfasst der Gasinjektor 1 ein Rückstellelement 7, welches das Schließelement 3 in die in Figur 1 gezeigte geschlossene Position zurückstellt. Das Rückstellelement 7 ist ebenfalls im Inneren des Schmiermittelraums 4 angeordnet.

Der Schmiermittelraum 4 umfasst ein flexibles Dichtelement 40, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein metallischer Faltenbalg ist. Ferner umfasst der Schmiermittelraum 4 eine Hülse 41 , welche ortsfest mit der Spule 21 verbunden ist. Im Inneren der Hülse 41 ist ein Absatz 41a vorgesehen, an dem sich ein erstes Ende des Rückstellelements 7 abstützt. Ein zweites Ende des Rückstellelements 7 stützt sich an einem Federteller 32, welcher fest mit der Ventilnadel 30 verbunden ist, ab.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, weist das Schließelement 3 ein Führungselement 33 auf, welches an der Ventilnadel 30 im Bereich des Ventilkörpers 9 ausgebildet ist. Das Führungselement 33 führt das Schließelement 3 dabei an einem Innenumfang des Ventilkörpers 9 und weist mehrere Durchbrüche für den Gaspfad 11 auf.

An einem vom Brennraum abgewandten Ende des Schmiermittelraums 4 ist ein Tiefziehteil 42 angeordnet, welches den Schmiermittelraum 4 abschließt. Das Tiefziehteil 42 ist aus einem dünnen Metallmaterial hergestellt und weist im Wesentlichen eine topfförmige Gestalt auf. Das Tiefziehteil 42 weist eine Befüllöffnung 43 auf, die mittels einer Verschlusseinheit 44 verschlossen ist. Die Verschlusseinheit 44 umfasst beispielsweise einen Dichtring 44a und einen Zylinderstift 44b.

Im Schmiermittelraum 4 ist ferner noch eine Dämpfungseinheit 12 angeordnet, welche bei einer Rückstellung des Schließelements 3 eine Dämpfung des Schließelements 3 vor einem Anschlägen an einem Anschlag ermöglicht. Die Dämpfereinheit 12 ist beispielsweise ein elastisches Material an einem vom Brennraum abgewandten Ende der Ventilnadel 30.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist ein Volumen des flüssigen Schmiermittels 5 deutlich größer als ein Volumen des Gases 6 im Schmiermittelraum 4. Das Gasvolumen im Schmiermittelraum 4 ermöglicht dabei, dass das Gasvolumen komprimiert wird, wenn bei einem Temperaturanstieg sich Volumen des flüssigen Schmiermittels 5 ausdehnt. Es wurde hierbei festgestellt, dass im Betrieb das flüssige Schmiermittel 5 sich um bis zu 20% aufgrund von Temperatursteigerungen ausdehnen kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist bei 20°C das Volumen des flüssigen Schmiermittels 5 doppelt so groß wie das Volumen des Gases 6.

Dadurch ist es möglich, dass das flexible Dichtelement 40 so ausgelegt wird, dass dieses ausschließlich für die axiale Bewegbarkeit des Schließelements 3 zum Öffnen und Schließen zuständig ist. Mit anderen Worten muss das flexible Dichtelement 40 keine temperaturbedingten Längenänderungen aufgrund von Ausdehnungen des flüssigen Schmiermittels kompensieren. Hierdurch kann eine axiale Baulänge des Gasinjektors signifikant reduziert werden.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist dabei wie folgt. Wenn der Magnetaktor 2 bestromt wird, wird der Anker in Richtung zum Brennraum 10 bewegt, wodurch das Schließelement 3, wie in Figur 1 durch den Pfeil A angedeutet, öffnet. Dadurch wird der Ventil 31 vom Dichtsitz 8 abgehoben und eine Einblasung des gasförmigen Brennstoffs erfolgt über den freigegebenen Durchlass am Dichtsitz 8. Dies ist in Figur 1 durch die Pfeile B angedeutet.

Zur Beendigung der Einblasung wird die Bestromung des Magnetaktors 2 beendet, so dass das Schließelement 3 mittels des Rückstellelements 7 wieder in die in Figur 1 gezeigte geschlossene Stellung zurückgestellt wird. Hierbei verhindert die Dämpfungseinheit 12 an vom Brennraum abgewandten Ende des Schließelements 3 sog. Preller, wenn das Schließelement 3 an einem Anschlag in seine Endposition kommt.

Die axiale Bewegung des Schließelements 3 wird dabei ausschließlich mittels des flexiblen Dichtelements 40 realisiert. Steigende Temperaturen im Betrieb, welche zu einer Ausdehnung des Volumens des flüssigen Schmiermittels 5 führen können, werden durch Komprimierung des Gases 6 im Schmiermittelraum 4 kompensiert. Hierdurch kann ein Druckanstieg im Schmiermittelraum 4 resultieren, welcher jedoch keine negativen Auswirkungen auf die Funktion des Gasinjektors beim Öffnen und/oder Schließen hat. Als flüssiges Schmiermittel wird vorzugsweise ein Öl verwendet, als Gas 6 bevorzugt Luft.

Da üblicherweise die Einbaulage des Gasinjektors 1 in einer Brennkraftmaschine derart ist, dass der Dichtsitz 8 nach unten gerichtet ist, ist das Gas 6, wie in Figur 1 angedeutet, im Wesentlichen im Tiefziehteil 42 befindlich. Grundsätzlich hat eine Einbaulage des Gasinjektors 1 in einer Brennkraftmaschine jedoch keine Auswirkungen auf die oben beschriebene Funktion des mit flüssigem Schmiermittel 5 und Gas 6 gefüllten Schmiermittelraums 4.

Somit sind eine Vielzahl von beweglichen Teilen des Gasinjektors im Inneren des Schmiermittelraums 4 angeordnet, so dass eine signifikante Reduzierung von Verschleiß an diesen beweglichen Bauteilen möglich ist. Dadurch kann eine Lebensdauer des Gasinjektors signifikant verlängert werden.

Das flexible Dichtelement 40 ist beispielsweise mittels einer Schweißverbindung mit der Ventilnadel 30 verbunden. Vorzugsweise ist auch eine Schweißverbindung zwischen dem flexiblen Dichtelement 40 und der Hülse 41 des Gehäuses des Schmiermittelraums 4 vorgesehen. Hierdurch kann der Schmiermittelraum vorgefertigt werden und dann eine Befüllung über die Befüllöffnung 43 vorgesehen werden, wobei eine Befüllung des Gases 6 auch unter Druck möglich ist. Nach der Befüllung wird dann der Schmiermittelraum 4 durch die Verschlusseinheit 44, beispielsweise ein Zylinderstift, verschlossen.

Figur 2 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels als flexibles Dichtelement 40 eine Membran aus Metall auf. Die Membran ist dabei über eine Hülse 45 mit der Ventilnadel 30 verbunden und mit einem radial äußeren Umfang an einem Grundkörper 12a der Dämpfungseinheit 12 verbunden. Die Dämpfungseinheit 12 ermöglicht dabei eine Fluidverbindung von einem ersten Raum 4a des Schmiermittelraums 4 zu einem zweiten Raum 4b. Die Dämpfereinheit 12 ermöglicht dabei eine Dämpfung sowohl bei einem Öffnungsvorgang des Schließelements 3 als auch bei einem Schließvorgang des Schließelements 3. Wie aus Figur 2 deutlich wird, ermöglicht die Verwendung der metallischen Membran als flexibles Dichtelement 40 eine weitere Reduzierung einer axialen Baulänge des Gasinjektors 1. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Die Verwendung eines Faltenbalgs ist nicht mehr notwendig. Der Schmiermittelraum 4 ist an einem vom Brennraum abgewandten Ende mit einem Topf 46 ausgebildet, welcher im Wesentlichen ein aufnehmbares Volumen des Schmiermittelraums 4 definiert.

Die Größe des Volumens des Schmiermittelraums 4 wird je nach Anwendungsfall gewählt. Eine Befüllung des Schmiermittelraums 4 kann ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel mittels einer Befüllöffnung im Topf 46 realisiert werden oder, wie in Figur 2 gezeigt, durch eine Befüllöffnung 43 an der Dämpfereinheit 12, welche mittels einer Verschlusskugel 13 verschlossen ist. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.