Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. in einen Brennraum, der neben einem reduzierten Verschleiß eine vorteilhafte Fertigung einer Ventilnadel ermöglicht.

Stand der Technik

Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei derartigen Gasinjektoren liegt prinzipbedingt darin, dass aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums keine Schmierung durch das Medium möglich ist, wie dies beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren möglich ist, die Benzin oder Diesel einspritzen. Aus diesem Grund ist es aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 200 689 A1 der Anmelderin bekannt, den Anker eines Magnetaktuators in einem mit Schmiermittel befüllten Schmiermittelraum anzuordnen.

Ein weiterer Problemkreis derartiger Gasinjektoren besteht in der Fertigung der Ventilnadeln, welche einen Einlass zum Einblasen des Gases in beispielsweise den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigeben. Ebenfalls prinzipbedingt weisen derartige Ventilnadeln eine relativ große Baulänge auf. Derartige, eine relativ große Baulänge aufweisende Ventilnadeln sind jedoch nur mit hohem Aufwand zu fertigen, insbesondere mit Blick auf die gewünschte Koaxialität der Ventilnadeln zu einer oberen und unteren Nadelführung. Problematisch ist hierbei beispielsweise bei einer Wärmebehandlung oder einem Schleifvorgang nach der Wärmebehandlung ein sich dabei potentiell ergebender Verzug der Ventilnadel. Aus diesem Grund weist die aus der oben erwähnten DE 102021 200689 A1 bekannte Ventilnadel zwei in Axialrichtung gefügte Elemente auf, die die Ventilnadel ausbilden, wobei die Ventilnadel an einem Ankerbolzen axial anliegt, der mit dem Magnetanker verbunden ist. Die beiden Elemente der Ventilnadel sind beispielsweise über einen Pressverband miteinander verbunden. Nachteilig hierbei sind die hohen Fügekräfte, welche zu Spanbildung beim Pressvorgang führen kann. Außerdem müssen die Durchmesser der Elemente der Ventilnadel relativ groß ausgebildet werden, um ausreichend hohe Presskräfte zu ermöglichen. Dies wiederum führt zu relativ schweren Ventilnadeln.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass er eine relativ einfache Fertigung der Ventilnadel bei gleichzeitig geringem Gewicht der Ventilnadel ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die beiden Elemente der Ventilnadel über eine Schraubverbindung miteinander zu verbinden. Dadurch werden insbesondere keine hohen Presskräfte zwischen den Elementen der Ventilnadel und dadurch auch keine großen Durchmesser der Elemente der Ventilnadel benötigt.

Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen umfasst daher ein erfindungsgemäßer Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs einen Magnetaktuator zum Betätigen eines Ankers, wobei der Anker zumindest mittelbar mit einem Schließelement gekoppelt ist, das einen Gaspfad an einem Ventilsitz freigibt und verschließt, wobei der Anker in einem abgeschlossenen Schmiermittelraum angeordnet ist, der mit einem Schmiermittel gefüllt ist, wobei das Schmiermittel die Schmierung des Ankers sicherstellt, wobei das Schließelement Teil einer Ventilnadel ist, die wenigstens zwei, in Richtung einer Längsachse der Ventilnadel sich erstreckende und aneinander anschließende Elemente aufweist, und wobei die wenigstens zwei Elemente durch eine Schraubverbindung in Richtung der Längsachse miteinander verbunden sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gasinjektors zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Schraubverbindung weist bevorzugt ein Innengewinde an dem Schließelement als erstes Element und ein Außengewinde an dem mit dem Schließelement verbundenen zweiten Element der Ventilnadel auf. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass das Schließelement typischerweise einen größeren Durchmesser aufweist als das mit dem Schließelement verbundene (zweite) Element der Ventilnadel, das zur Kraftübertragung vom Ankerbolzen auf das Schließelement dient.

Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die wenigstens zwei Elemente der Ventilnadel von einem vorzugsweise rohrförmigen Spannkörper Zusammenwirken, der das zweite Element radial umgibt, wobei der Spannkörper dazu ausgebildet ist, die Schraubverbindung in Richtung der Längsachse mit einer in Richtung zum Schließelement wirkenden Druckkraft zu beaufschlagen. Eine derartige Ausgestaltung der Schraubverbindung bzw. der Ventilnadel ermöglicht eine besonders steife Ventilnadel, da der Spannkörper, der mit den beiden Elementen der Ventilnadel gekoppelt ist, die beiden Elemente radial umgibt und somit auch den Durchmesser der Ventilnadel vergrößert. Darüber hinaus wird durch den Spannkörper sichergestellt, dass die Schraubverbindung zwischen den beiden Elementen der Ventilnadel sich über die Lebensdauer des Gasinjektors gesehen nicht lösen kann.

In bevorzugter Ausgestaltung eines derartigen Spannkörpers ist dieser zumindest mittelbar mittels einer Gewindeverbindung auf dem Schließelement abgewandten Seite mit der Ventilnadel in axialer Richtung fixiert.

Neben der eigentlichen Verbindung zwischen den beiden Elementen der Ventilnadel ist es darüber hinaus auch wesentlich, dass die Längsachsen der beiden Elemente der Ventilnadel zueinander ausgerichtet sind bzw. insgesamt gesehen eine gemeinsame Längsachse ausbilden. Hierzu ist es bevorzugt vorgesehen, dass an dem Spannkörper und dem Schließelement Zentriermittel zur Ausrichtung der beiden Elemente der Ventilnadel in Richtung der Längsachse ausgebildet sind. In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung derartiger Zentriermittel ist es vorgesehen, dass die Zentriermittel einen an dem Spannkörper oder dem Schließelement ausgebildeten, kugelabschnittsförmigen ersten Bereich aufweisen, der mit einem gegengleich ausgebildeten zweiten Bereich am Schließelement oder am Spannkörper zusammenwirkt.

Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Zentriermittel eine axiale Führung und einen Kegelsitz und eine mit dem Kegelsitz zusammenwirkende Dichtkante zwischen dem Spannkörper und dem Schließelement umfassen.

Um einen gegenüber dem Gaspfad abgedichteten bzw. abgeschlossenen Schmiermittelraum im Gasinjektor auszubilden, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Spannkörper mit einem balgförmigen Element verbunden ist, das den Spannkörper radial auf einem Teilbereich seiner Länge umgibt, und das mit einem gehäusefestigen Element verbunden ist, wobei das balgförmige Element den Schmiermittelraum begrenzt und abdichtet.

Zur Betätigung der Ventilnadel ist es vorgesehen, dass der Anker einen Ankerbolzen aufweist bzw. mit einem Ankerbolzen verbunden ist, dessen eine Stirnfläche an der zugewandten Stirnseite der Ventilnadel anliegt.

Weiterhin ist es zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens beim Betrieb der Ventilnadel von Vorteil, wenn der Anker mit einer Dämpfungseinrichtung zusammenwirkt, die auf der der Ventilnadel abgewandten Seite angeordnet ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Gasinjektor zum

Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum und Fig. 2 einen Teilbereich des Gasinjektors gemäß Fig. 1 bei einer modifizierten Verbindung zweier Elemente einer Ventilnadel, ebenfalls im Längsschnitt.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Der in der Fig. 1 dargestellte Gasinjektor 10 dient zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. in den nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Gasinjektor 10 weist ein mehrteilig ausgebildetes Gehäuse 12 mit einem Ventilkörper 14 auf.

Der Ventilkörper 14 ist über eine Einbauhülse 16 und eine weitere Hülse 18 mit einem oberen Abschlussstück 20 des Gehäuses 12 verbunden. Die Verbindung zwischen der Einbauhülse 16 und der Hülse 18 sowie zwischen der Hülse 18 und dem Abschlussstück 20 erfolgt in bekannter Art und Weise über im Einzelnen nicht dargestellte Spannmutterverbindungen.

Die Zuführung des gasförmigen Brennstoffes erfolgt über eine in der Einbauhülse 16 ausgebildete Zuführbohrung 22, die in einen Ringraum 23 zwischen dem Ventilkörper 14 und der Einbauhülse 16 mündet. Über schräg verlaufende Bohrungen 24 gelangt der gasförmige Brennstoff in einen Druckraum 25 im Ventilkörper 14. Der Druckraum 25 ist über axiale Bohrungen 26 mit einem Ventilraum 28 verbunden, welcher auf der dem Abschlussstück 20 abgewandten Stirnseite des Gasinjektors 10 einen Ventilsitz 29 ausbildet. Die Zuführbohrung 22, der Ringraum 23, die Bohrungen 24 und der Druckraum 25 bilden zusammen mit den Bohrungen 26 und dem Ventilraum 30 einen Gaspfad 35 zur Zuführung des gasförmigen Brennstoffs von der Zuführbohrung 22 in den Brennraum aus.

Der Ventilsitz 29 wirkt mit einer mehrteilig ausgebildeten Ventilnadel 30 zusammen, welche entlang einer Längsachse 32 hubbeweglich angeordnet ist. In der in der Fig. 1 dargestellten, angehobenen Stellung verschließt die Ventilnadel 30 den Ventilsitz 29 mit einem Schließelement 34 der Ventilnadel 30. Die Ventilnadel 30, die aus dem Schließelement 34 als erstem Element 36 besteht, weist darüber hinaus ein zweites Element 37 auf, das im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet ist und das fluchtend zum ersten Element 36, d.h. fluchtend zur Längsachse 32, angeordnet ist. Die Verbindung der beiden Elemente 36, 37 der Ventilnadel 30 erfolgt über eine Schraubbindung 40. Die Schraubverbindung 40 umfasst ein an dem ersten Element 36 bzw. dem Schließelement 34 ausgebildetes Innengewinde 42, das mit einem am zweiten Element 37 ausgebildeten Außengewinde 43 zusammenwirkt.

Die beiden Elemente 36, 37 der Ventilnadel 30 sind radial von einem rohrförmigen Spannkörper 44 umgeben, der aus zwei Elementen, einem Anschlussteil 45 und einem Führungsteil 46 besteht, die in axialer Richtung bzw. in Richtung der Längsachse 32 betrachtet aneinander anschließen. Das Anschlussteil 45 weist auf der dem ersten Element 36 bzw. dem Schließelement 34 zugewandten Seite einen kugelabschnittsförmigen Bereich 48 auf, der mit einem gegengleich geformten Bereich 49 am Schließelement 34 bzw. am ersten Element 36 zusammenwirkt. Die beiden Bereiche 48, 49 sind Bestandteil von Zentriermitteln 50, wobei die Zentriermittel 50 dazu dienen, eine koaxiale bzw. fluchtende Anordnung der beiden Elemente 36, 37 der Ventilnadel 30 zu gewährleisten. Dazu ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Anschlussteil 45 in Richtung des ersten Elements 36 bzw. des Schließelements 34 mit einer Axialkraft beaufschlagt wird, welche über den Spannkörper 44 erzeugt wird. Dazu ist das Führungsteil 46 mittels einer Spannmutter 51 als Teil einer Gewindeverbindung und einem an dem zweiten Element 37 der Ventilnadel 30 ausgebildeten Außengewinde 52 mit dem zweiten Element 37 verbunden bzw. verspannt. Auch weist das erste Element 36 der Ventilnadel 30 einen im Durchmesser reduzierten Abschnitt 54 auf, der in Art einer Dehnschraube wirkt, d.h. eine größere Elastizität aufweist als die anderen Abschnitte des ersten Elements 37.

Das Anschlussteil 45 ist radial von einem gehäusefesten Anschlussring 56 umgeben, der der radialen Führung des Anschlussteils 45 dient. Das Anschlussteil 45 weist darüber hinaus auf der dem ersten Element 36 zugewandten unteren Stirnseite einen Bund 57 auf, an dem ein das Anschlussteil 45 radial umgebender metallischer Balg 58 befestigt ist. Der Balg 58 ist wiederum an einem Durchmesser reduzierten Abschnitt mit dem oberen Anschlussring 56 verbunden. Der Balg 58 begrenzt und dichtet einen Schmiermittelraum 60 zum Gaspfad 35 hin ab, wobei in dem Schmiermittelraum 60 ein nicht dargestelltes Schmiermittel wie Schmieröl angeordnet ist.

Das Führungsteil 46 ist radial von einem Dichtring 62 umgeben. Zwischen dem Dichtring 62 und dem Führungsteil 46 stützt sich eine Ventilschließfeder 64 ab, die die Ventilnadel 30 in die in der Fig. 1 dargestellte Schließstellung mit Federkraft beaufschlagt.

Das zweite Element 37 der Ventilnadel 30 endet in Richtung der Längsachse 32 betrachtet knapp oberhalb der Spannmutter 51. Dort liegt die Ventilnadel 32 mit ihrer oberen Stirnfläche an der unteren Stirnfläche eines Ankerbolzens 65 an. Der Ankerbolzen 65 ist mit einem Anker 66 verbunden, der Bestandteil eines Magnetkreises mit einem Magnetaktuator 68 ist.

Der im Bereich der Hülse 18 angeordnete Magnetaktuator 68 umfasst neben dem Anker 66 einen der Führung des Ankerbolzens 65 dienenden Innenpol 69, eine Magnetspule 70 und einen Außenpol 72. Die Magnetspule 70 ist über ein Anschlusskabel 74 mit Strom versorgbar. Bei einer Bestromung der Magnetspule 70 wird auf den Anker 66 eine in Richtung der Ventilnadel 30 wirkende Öffnungskraft ausgeübt, die die Ventilnadel 30 zum Einblasen des gasförmigen Brennstoffs aus der in der Fig. 1 dargestellten Schließstellung in ihre Öffnungsstellung bewegt.

Der Anker 66 weist auf der dem Ankerbolzen 65 gegenüberliegenden Seite eine stiftförmige Verlängerung 75 auf, die mit einem Hubanschlag 76 zusammenwirkt, der ortsfest in dem Anschlussstück 20 in einer Sacklochbohrung angeordnet ist. Eine Rückführfeder 77 stützt sich wiederum zwischen dem Hubanschlag 76 bzw. dem Anschlussstück 20 und der oberen Stirnfläche des Ankers 66 ab und drückt den Anker 66 in Richtung des Innenpols 69. Die Rückführfeder 77 ist Bestandteil einer Dämpfungseinrichtung 80 für den Anker 66. Der Bereich, in dem der Anker 66 ebenso wie die Dämpfungseinrichtung 80 angeordnet sind, ist innerhalb des Schmiermittelraums 60 angeordnet, sodass das im Schmiermittelraum 60 angeordnete Schmiermittel der Ankerführung bzw. der Schmierung des Ankers 66 dient und damit auch den Verschleiß des Ankers 66 verringert bzw. verhindert. Um eine Versorgung des Ankerraums 81 mit dem Schmiermittel zu gewährleisten, weisen der Anker 66, der Innenpol 69, der Dichtring 62 und der Anschlussring 56 in Richtung der Längsachse 32 verlaufende Bohrungen bzw. Durchlässe 82 bis 85 auf. In der Fig. 2 ist eine modifizierte Befestigung bzw. Anordnung zwischen den beiden Elementen 36a, 37a der Ventilnadel 30a gezeigt. Hierbei ist an dem Spannkörper 44 bzw. dem Anschlussstück 45a ein Kegelsitz 86 ausgebildet, der mit einer Dichtkante 88 am ersten Element 36a zusammenwirkt. Weiterhin ragt das erste Element 36a mit einem rohrförmigen Fortsatz 90 in die Innenbohrung 92 des Anschlussstücks 45a hinein, sodass die Zentriermittel 50a eine axiale

Führung zwischen dem ersten Element 36a und dem Anschlussstück 45a ausbilden.

Der soweit beschriebene Gasinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.