DE102008059865A1 - Injektor für flüssige und/oder gasförmige Medien - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Injektor für flüssige und/oder gasförmige Medien mit einer in einem Gehäuse (1) geführten Düsennadel (2) und einem am äußersten Ende von Gehäuse und Düsennadel ausgebildeten Ventil (7) beschrieben, wobei durch Hubbewegungen der Düsennadel (7) relativ zum Gehäuse (1) das Ventil (7) betrieben wird und die Düsennadel als Hohlnadel (3) ausgebildet ist, worin ein Strom eines zu dosierenden flüssigen und/oder gasförmigen Mediums in Richtung auf das Ventil (7) geführt wird und dies im Bereich des Ventils (7) mittels mindestens eines schrägen Durchganges am Ventil bereitgestellt ist, wodurch der Bereich für die Ausbildung von Führungsflächen zwischen Nadel und Gehäuse wesentlich vergrößert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Injektor für flüssige und/oder gasförmige Medien mit in einem Gehäuse geführter Düsennadel, wobei an einem äußersten Ende des Gehäuses ein Ventil dargestellt ist.
  • Lange Zeit dominierte der Einsatz von flüssigen Brennstoffen als Energieträger zum Antrieb von Motoren. Da zunehmend mehr gasförmige Brennstoffe eingesetzt werden, besteht erhöhter Bedarf an entsprechenden Gaseinblassystemen, die in Anlehnung an bisherige Fluid-Injektionssysteme ausgeführt sind. Gaseinblasventile sind somit, in der Regel, ähnlich den Flüssigkeitsinjektoren lang gestreckt ausgebildet, weisen eine Gaszufuhr an der Rückseite auf und ein Dosierventil am äußersten Ende an der Vorderseite. Somit wird Gas über einen Gasinjektor, beispielsweise in einen Verbrennungsraum, eingeleitet.
  • Um einen bestimmten Massenstrom mit einem Gasinjektor, bestehend aus in einem Gehäuse geführter Düsennadel mit abschließendem Steuerventil, zu gewährleisten, müssen an der Düsennadel Kanäle mit entsprechend großem Querschnitt ausgefräst werden, um das Fluid durch den Injektor mit ausreichender Menge hindurchzuführen. Gleiches gilt somit auch für Flüssigkeiten. In die Betrachtungsweise integrierbar sind vor allem solche Flüssigkeiten, die keine schmierenden Eigenschaften aufweisen.
  • Da die Düsennadel im Gehäuse längs beweglich angeordnet ist, um die Funktion des Dosierventiles zu steuern, ist eine Führung der Nadel innerhalb des Gehäuses notwendig. Hierzu müssen entsprechende Führungsflächen an der Außenseite der Düsennadel und an der Innenseite des Gehäuses vorgesehen sein, die miteinander korrespondieren. Ein zwischen diesen Führungsflächen vorhandener Führungsspalt weist beispielsweise eine Stärke von 5 μm auf. Zur Optimierung der Ausbildung von Ausflussfläche und Führungsfläche sind in der Regel Versuche notwendig.
  • In den begleitenden 3 bis 5 ist der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wiedergegeben.
  • 3 zeigt ein Gehäuse mit einer eingeführten Düsennadel, wobei am äußeren Ende, in der Figur auf der rechten Seite, das Dosierventil realisiert ist. Die Funktion des Dosierventils wird durch entsprechende Hubbewegungen der Ventilnadel umgesetzt.
  • Entsprechend den 3 bis 5 geschieht die Fluidzufuhr von der linken Seite in Richtung auf das am rechten Ende eines Injektors angeordnete Dosierventil.
  • 4 zeigt den Injektor, bestehend aus Gehäuse und Düsennadel, in der Schnittdarstellung. Die zur Führung von Fluid an der Düsennadel am äußeren Umfang ausgefrästen Kanäle, sind im Stand der Technik mit einem relativ großen Querschnitt ausgebildet. Dies gilt für die Querschnittsbetrachtung senkrecht zur Düsenachse.
  • Zur Verdeutlichung ist in 5 die Düsennadel nochmals alleine dargestellt. Es sind deutlich die Ausnehmungen zur Bildung von Kanälen sichtbar sowie stehengebliebene Stege, die von Seiten der Düsennadel Führungsflächen bilden.
  • Zur Ausbildung der oben benannten Kanäle können auch korrespondierende Ausnehmungen an der Innenseite des Gehäuses vorhanden sein, die mit entsprechenden Ausnehmungen zur Bildung der Kanäle an der Düsennadel korrespondieren. Dies ist in 4 dargestellt.
  • Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei Düsennadeln mit entsprechenden ausgefrästen Aussparungen der Abrieb sehr hoch ist. Dies führt zur Beschädigungen während des Betriebes und unter Umständen zum völligen Ausfall, sodass keine Nadelbewe gung zur Ansteuerung des Dosierventils möglich ist. Ein wesentlicher Nachteil bei Fluid-Dosiereinheiten liegt darin, dass, anders wie bei üblichen flüssigen Kraftstoffen, die betrachteten Fluide keine Schmierwirkung aufweisen. Falls Gas oder eine nicht schmierende Flüssigkeit durch einen im Stand der Technik bekannten Injektor geschickt wird, kann sich somit keinerlei Schmierfilm in dem Gehäuse, bzw. an den Führungsflächen aufbauen. Somit sind die oben beschriebnen Probleme des Trockenlaufens und des damit verbundenen Verschleißes der Führungsflächen zu erwarten.
  • Bisherige Lösungen zur Sicherstellung einer Schmierung an Führungsflächen von Injektoren bestanden beispielsweise in dem Einsatz von Schmiermittelpackungen. Eine Schmiermittelpackung ist beispielsweise ein Reservoir von Schmiermittel, welches mittels Dichtungen ortsfest gehalten wird. Aus der Schmiermittelpackung wird dann ein gewisser Bereich der zu schmierenden Flächen benetzt.
  • Im vorliegenden Fall, in dem Kanäle zumindest langgestreckt mit großem Querschnitt am äußeren Umfang einer Düsennadel dargestellt sind, kann eine Lösung mit einer Schmiermittelpackung nicht zur Anwendung kommen. Dies begründet sich darauf, dass kein umlaufender Dichtspalt vorliegt und damit auch keine sichere Schmierung aus einer beispielsweise ringförmig ausgebildeten Schmiermittelpackung gewährleistet wäre. Das Schmiermittel würde sich somit an den Kanten abstreifen lassen und würde mit dem gasförmigen, zu dosierenden Medium, ausgeblasen werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor zu beschreiben, welcher sowohl eine hohe Durchsatzrate aufweist, als auch eine zuverlässige Führung mit entsprechender Schmierung der Düsennadel innerhalb eines Gehäuses. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zur Minimierung des Abriebes und des Verschleißes keine bisher üblichen Kanäle in dem Bereich zwischen äußerem Umfang der Düsennadel und innerem Umfang des Gehäuses angesiedelt werden. Dadurch wird ermöglicht, die Führungsflächen der Paarung Gehäuse/Düsennadel zu erhöhen. Als Folge ergibt sich eine geringere Kraft pro Fläche, was wiederum zu geringerem Verschleiß führt. Zur Führung des Fluides von der Rückseite eines Injektors zum vorne positionierten Ventil wird die Düsennadel als Hohlnadel ausgebildet. Damit wird das Fluid über einen wesentlichen Teil der Nadel im Inneren derselben geführt und über einen oder mehrere Durchgänge, die im Bereich des Ventils angeordnet sind, schräg nach außen geleitet.
  • Im Folgenden werden anhand der schematischen, begleitenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren, Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • 1 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Düsenanordnung mit Hohlnadel und Gehäuse,
  • 2 zeigt eine Hohlnadel im Viertelschnitt mit detaillierter Darstellung von Durchgang 6, beziehungsweise zentralem Durchgang 61,
  • 3 zeigt eine geschlossene Düsengruppe mit partiell sichtbarer Düsennadel 2, Gehäuse 1 und Ventil 7 nach dem Stand der Technik,
  • 4 zeigt eine Düsennadel 2, in einem Gehäuse 1, in der Schnittdarstellung nach dem Stand der Technik,
  • 5 zeigt eine Düsennadel 2 mit am Umfang verteilten, ausgefrästen Kanälen 4.
  • In den 3 bis 5 ist ein bekannter Injektor dargestellt, der Kanäle zur axialen Leitung von zu dosierendem Gas oder Flüssigkeit am äußeren Umfang der Düsennadel 2 aufweist.
  • 3 zeigt insbesondere ein geschlossenes Gehäuse 1, aus dem die Düsennadel 2 einerseits herausragt, um beispielsweise mit einer Huberzeugungseinheit gekoppelt zu werden, und andererseits mit einem Dichtsitz am Gehäuse das Ventil 7 bildet, welches durch Zusammenwirken von Dichtflächen dargestellt wird. Die Kanäle 4 im äußeren Bereich der Düsennadel 2 sind deutlich sichtbar.
  • 4 zeigt eine geschnittene Darstellung eines Injektors nach 3. In 4 ist genauer sichtbar, wie durch Zusammenwirken von Düsennadel 2 und Gehäuse 1, einerseits das Ventil 7 ausgebildet wird und andererseits die Kanäle 4 in der Düsennadel eingebracht sind. Darüber hinaus können, korrespondierend zu den Kanälen 4 im äußeren Bereich der Düsennadel 2 und an der Innenseite des Gehäuses Ausnehmungen angebracht sein.
  • In 4 ist deutlich zu erkennen, dass ein Kanal 4 im äußeren Umfang einer Düsennadel 2 langgestreckt und mit großem Querschnitt ausgebildet sein muss. Dies führt insbesondere dazu, dass umlaufende Schmierflächen bzw. Führungsflächen, nicht darstellbar sind.
  • 5 zeigt nochmals eine Düsennadel vereinzelt dargestellt, wobei wiederum sichtbar ist, dass Führungsflächen 5, die zur Führung dienen und geschmiert werden müssen, nicht umlaufend darstellbar sind, wenn Kanäle 4 am äußeren Umfang der Düsennadel eingebracht sind.
  • Entsprechend der Erfindung kann der Abrieb bzw. der Verschleiß an Führungsflächen eines Injektors durch den Einsatz einer Hohlnadel 3, anstelle einer Düsennadel 2, minimiert werden. Dabei wird die Führung des Fluids, welches am Ventil 7 zu dosieren ist, nicht in am äußeren Umfang einer Düsennadel angebrachten Kanälen 4 durchgeführt, sondern im Inneren der Hohlnadel 3 geleitet. Unmittelbare Folge daraus ist, dass der Umfang der Hohlnadel 3 über dessen wesentliche, im Gehäuse 1 geführte Länge, für umlaufende Schmierflächen zur Verfügung steht, die beispielsweise mit Schmiermittelpaketen ausgestattet werden können.
  • Dadurch wird insbesondere die Größe der Oberfläche von Führungsflächen, an denen sich Gehäuse und Nadel reiben, heraufgesetzt. Folge ist eine geringere Kraft pro Fläche, was wiederum zu geringerem Verschleiß führt.
  • Um nun das Fluid aus dem hauptsächlichen Hohlraum der Hohlnadel 3 nach außen zu leiten, werden mehrere Durchgänge 6, insbesondere Bohrungen, in die Hohlnadel eingebracht. Diese Bohrungen 6 sind in 1 und 2 angedeutet. Darüber hinaus ist der zentrale Hohlraum der Hohlnadel 3 mit dem Bezugszeichen 61 gekennzeichnet. Somit kann über die erfindungsgemäße Konstruktion ein Gas, insbesondere Brenngas, in dem Injektor vom Einlass zum Auslass befördert werden, beispielsweise in einen Verbrennungsraum geleitet werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die Hohlnadel 3 beispielsweise mit einem langen Loch durch ein Erodierverfahren dargestellt werden. Am unteren Ende der Hohlnadel wird der Fluidstrom mittels schräg zur Längsachse angeordneter Durchgänge nach außen geführt, was sowohl in 1 als auch in 2 sichtbar ist. Anschließend wird der Fluidstrom weiter zwischen Gehäuse 1 und Düsennadel 2, je nach Betriebszustand, in einen Verbrennungsraum geleitet.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Umgehung von Problemen hinsichtlich der Schmierung von Führungsflächen. Da einerseits keine Kanäle 4, wie im Stand der Technik bekannt, ausgefräst werden müssen, sind die beiden Führungsflächen, einerseits an dem äußeren Umfang der Hohlnadel und andererseits am inneren Umfang des Gehäuses, deutlich größer.
  • Ein Beschichten ist einfacher möglich und bewirkt somit durch die ebenfalls deutlich geringere Flächenpressung eine höhere Lebensdauer der Düsengruppe. Des Weitern stellt ein Erodierverfahren sicher, dass sämtliche Durchgänge bzw. Bohrungen eine spannungsärmere Bearbeitung bedeuten als ein Ausfräsprozess der genannten Kanäle 4.

Claims (4)

  1. Injektor für flüssige und/oder gasförmige Medien mit einer in einem Gehäuse (1) geführten Düsennadel (2) und einem am äußersten Ende von Gehäuse und Düsennadel ausgebildeten Ventil (7), wobei durch Hubbewegungen der Düsennadel (7) relativ zum Gehäuse (1) das Ventil (7) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel als Hohlnadel (3) ausgebildet ist, worin ein Strom eines zu dosierenden Fluids in Richtung auf das Ventil (7) geführt wird und im Bereich des Ventils (7) mittels mindestens eines schrägen Durchganges am Ventil bereitgestellt ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsflächen (5) zwischen Außenseite der Hohlnadel (3) und Innenseite des Gehäuses (1) umlaufend ausgebildet sind.
  3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (3) aus dem Gehäuse (1) gegenüberliegend zum Ventil (7) nach außen übersteht zur Ankopplung an ein Huberzeugungselement.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu führendes Fluid ein Brenngas und/oder ein Kühlgas ist.
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