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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff, welcher zwei Dichtbereiche aufweist.
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Neben flüssigen Kraftstoffen werden in jüngster Zeit zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, zum Betrieb von Fahrzeugen verwendet. Für diese gasförmigen Kraftstoffe sind jedoch die bekannten Injektoren für flüssige Kraftstoffe nur bedingt geeignet, da gasförmige Kraftstoffe andere Energiedichten und Volumina als flüssige Kraftstoffe aufweisen. Damit derart betriebene Brennkraftmaschinen keinen übermäßigen Verbrauch aufweisen, müssen möglichst exakte Gasmengen pro Einblasvorgang eingeblasen werden. Hierbei müssen auch ein oder mehrere Einblasvorgänge pro Verbrennungszyklus möglich sein. Weiterhin muss neben der Anforderung, eine bestimmte Maximalmenge innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer einblasen zu können, auch die Möglichkeit gegeben sein, definierte Kleinstgasmengen genau zu dosieren. Hierbei sollte auch ein möglichst geringer Systemdruck herrschen, damit ein Inhalt eines Gastanks möglichst vollständig genutzt werden kann. Zwischen den Einblasvorgängen muss der Injektor ferner das Gas gegenüber dem Brennraum abdichten. 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines bekannten Gasinjektors 1, bei dem eine nach außen öffnende Ventilnadel 3 auf einem Ventilsitz 2 an einem Gehäuse 5 sitzt. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Injektors. Beim Öffnen dieses Injektors wird ein effektiver Gesamtöffnungsquerschnitt über dem Hub zuerst linear größer, solange eine frei gegebene Ringquerschnittsfläche an der Ventilnadel den kleinsten Querschnitt darstellt. Sobald der Ringspalt zwischen der Ventilnadel 3 mit dem Radius R1 und dem Gehäuse 5 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die durch den Hub freigegebene Querschnittsfläche zwischen dem Ventilsitz 2 und dem Gehäuse 5, ist eine Einblasmenge konstant.
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Bei der Auslegung von Gasinjektoren besteht ein Zielkonflikt zwischen dem notwendigen Massenstrom während einer Einblasung und der Forderung nach einem möglichst geringen Systemdruck des Gases. Dies führt dazu, dass Gasinjektoren möglichst große Strömungsquerschnitte aufweisen müssen. Da ein Bauraum jedoch üblicherweise limitiert ist, können die großen Strömungsquerschnitte häufig nicht durch eine einfachere Hochskalierung der Abmessungen der Injektoren, insbesondere bei nach außen öffnenden Injektoren, realisiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Strömungsquerschnitt im Dichtsitzbereich des Injektors derart erhöht werden kann, dass auch bei geringen Systemdrücken eine ausreichende Gasmenge bei einer vorbestimmten Zeit eingeblasen werden kann. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Gasinjektor einen sehr kleinen Bauraum auf, so dass insbesondere kein zusätzlicher Bauraum für den Gasinjektor an der Brennkraftmaschine vorgesehen werden muss. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Ventilkörper mit zwei Ventilsitzen und ein Schließelement mit zwei Dichtbereichen, welche an den beiden Ventilsitzen abdichten, aufweist. Das Schließelement umfasst ferner einen Hohlbereich mit einem Boden und einem Wandbereich sowie einer im Boden ausgebildeten Auslassöffnung. Im Wandbereich des Schließelements ist wenigstens eine Durchgangsöffnung ausgebildet, so dass gasförmiger Kraftstoff sowohl im Hohlbereich des Schließelements als auch an dessen äußerem Umfang vorhanden ist. Somit kann gasförmiger Kraftstoff sowohl über die am Hohlbereich gebildete Auslassöffnung als auch am äußeren Umfang des Schließelements vorbeigeführt werden und beispielsweise direkt in einen Brennraum eingeblasen werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst der Ventilkörper ein äußeres Bauteil und ein inneres Bauteil. Das innere Bauteil ist dabei im äußeren Bauteil angeordnet. Weiter bevorzugt ist der erste Ventilsitz am äußeren Bauteil und der zweite Ventilsitz am inneren Bauteil vorgesehen. Dabei ist ferner das innere Bauteil im Hohlbereich des Schließelements angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau des Gasinjektors bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das innere Bauteil in Axialrichtung verschiebbar. Dies wird besonders bevorzugt durch ein Vorspannelement, beispielsweise eine Vorspannfeder, realisiert, welche das innere Bauteil vorspannt. Durch diese Variante kann auf einfache Weise ein gestuftes Öffnen des Gasinjektors durch Freigeben zuerst des ersten Dichtsitzes und anschließend des zweiten Dichtsitzes realisiert werden. Das innere Bauteil ist dabei besonders bevorzugt nach außen (in Öffnungsrichtung des Schließelements) vorgespannt. Weiter bevorzugt ist das Schließelement am inneren Bauteil geführt. Alternativ ist das Schließelement am äußeren Bauteil geführt.
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Das innere Bauteil ist besonders bevorzugt ein Zylinder. Das äußere Bauteil ist weiter bevorzugt ein Hohlzylinder.
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Weiter bevorzugt ist ein durch das Vorspannelement ermöglichter maximaler Hub des inneren Bauteils in Axialrichtung kleiner als ein Maximalhub des Schließelements. Besonders bevorzugt ist dabei der durch das Vorspannelement maximal mögliche Hub kleiner als die Hälfte eines Maximalhubs des Schließelements. Somit können auf einfache Weise auch Kleinstmengen in mehreren Einblasvorgängen eingeblasen werden. Besonders bevorzugt ist die Vorspannkraft durch das Vorspannelement einstellbar, so dass der maximal mögliche Hub des inneren Bauteils verstellbar ist.
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Vorzugsweise umfasst der Ventilkörper einen Ventilkörperboden mit wenigstens einer Einblasöffnung, wobei das Schließelement durch die Einlassöffnung hindurchgeführt ist.
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Das Schließelement ist weiter bevorzugt ein nach außen öffnendes Schließelement. Somit kann auf einfache Weise ein nach außen öffnender Gasinjektor bereitgestellt werden.
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Besonders bevorzugt wird der Gasinjektor bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinblasung verwendet. D.h., der Gasinjektor ist unmittelbar an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Gasinjektor. Die Brennkraftmaschine wird dabei besonders bevorzugt in einem Fahrzeug verwendet.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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4 bis 6 schematische Schnittansichten eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Schließ- bzw. Öffnungszuständen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 einen Ventilkörper 2 und ein Schließelement 3. Der Ventilkörper 2 ist, wie in 2 gezeigt, im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und umfasst einen ersten Ventilsitz 21 und einen zweiten Ventilsitz 22. Die beiden Ventilsitze 21, 22 sind an einem Ventilkörperboden 23 ausgebildet. Im Ventilkörperboden 23 sind ferner mehrere Einblasöffnungen 24 ausgebildet. Die Einblasöffnungen können beispielsweise zwei nierenförmige Öffnungen umfassen.
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Das Schließelement 3 ist teilweise im Ventilkörper 2 angeordnet und umfasst einen Boden 34 und eine hohlzylindrische Wand 35. Dadurch ist ein Hohlbereich 33 im Schließelement 3 gebildet. Die Wand 35 weist mehrere Durchgangsöffnungen 37 auf. Im Boden 34 ist ferner eine zentrale Auslassöffnung 36 vorgesehen. Weiterhin sind am Boden 34 ein erster Dichtbereich 31 und ein zweiter Dichtbereich 32 vorgesehen.
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Der erste Dichtbereich 31 dichtet zusammen mit dem ersten Ventilsitz 21 ab und der zweite Dichtbereich 32 dichtet gemeinsam mit dem zweiten Ventilsitz 22 ab. Die Abdichtung erfolgt dabei an einer Außenseite des Ventilbodens 23. Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist am Schließelement 3 noch ein gasgefüllter Außenbereich 38 vorgesehen, welcher ringförmig zwischen dem Schließelement 3 und dem Ventilkörper 2 vorgesehen ist. Das Schließelement 3 ist dabei mit Teilbereichen der Wand 35 durch die Einblasöffnungen 24 im Ventilkörperboden 23 geführt (vgl. 2). Zur Montage ist das Schließelement 3 dabei zweiteilig ausgeführt. Somit ist das Schließelement 3 ein nach außen öffnendes Schließelement, so dass der Gasinjektor 1 des Ausführungsbeispiels ein nach außen öffnender Gasinjektor ist.
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Weiterhin weist das Schließelement 3 einen Führungsbereich 39 auf, welcher an einer Innenwand des Ventilkörpers 2 geführt ist.
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2 zeigt den vollständig geöffneten Zustand des Gasinjektors 1. Die Pfeile in 2 deuten dabei den Strömungsverlauf des einzublasenden Gases an. Das Gas wird durch das hohle Schließelement 3 zugeführt (Pfeil B) und ein Teil des Gases kann dann über die Durchgangsöffnungen 37 in der Wand 35 zum Außenbereich 38 am Schließelement 3 strömen. Der andere Teil des Gases strömt bis zum Ventilkörperboden 23 und kann durch die Einblasöffnungen 24 und die Auslassöffnung 36 im Schließelement 3 in den Brennraum eingeblasen werden.
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Somit kann ein Gasinjektor 1 mit einem sehr kompakten Aufbau bereitgestellt werden, welcher zwei konzentrische Ventilsitze 21, 22 aufweist. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann Gas auch durch die Mitte des Gasinjektors 1 ausgeblasen werden, so dass bei einer vergleichbaren Öffnungszeitspanne eine eingeblasene Gasmenge erhöht werden kann. Hierdurch ist es möglich, dass ein Druckniveau des einzublasenden Gases im Vergleich mit dem Stand der Technik gesenkt werden kann bzw. mehr Gas in einem Einblaszyklus eingeblasen werden kann.
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3 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist der der Ventilkörper 2 zweiteilig und umfasst ein äußeres Bauteil 20 und ein inneres Bauteil 25. Das äußere Bauteil 20 ist als Hohlzylinder ausgebildet und das innere Bauteil 25 ist im Inneren des äußeren Bauteils 20 angeordnet. Das innere Bauteil 25 ist ein Vollzylinder, und, wie aus 3 ersichtlich ist, ist ein Schließelement 3 zwischen dem äußeren Bauteil 20 und dem inneren Bauteil 25 angeordnet. Das Schließelement 3 ist ähnlich wie das Schließelement des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet und umfasst einen Hohlbereich 33, einen Boden 34 und eine zylindrische Wand 35. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist ein Führungsbereich 39 des Schließelements dabei am inneren Umfang gebildet, so dass eine Führung am inneren Bauteil 25 erfolgt (vgl. 3). Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das Gas am äußeren Umfang des Schließelements 3 zugeführt wird (Pfeil B), wie in 3 durch die Pfeile angedeutet. Das Gas kann dann durch die in der Wand 35 vorgesehenen Durchgangsöffnungen 37 in den Hohlbereich 33 strömen.
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3 zeigt wiederum den voll geöffneten Zustand, wobei das Schließelement 3 wiederum in Axialrichtung X-X nach außen geöffnet wird. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist der erste Ventilsitz 21 am äußeren Bauteil 20 ausgebildet und der zweite Ventilsitz 22 ist am inneren Bauteil 25 ausgebildet. Nach Öffnen des Schließelements 3 strömt Gas somit sowohl am ersten, als auch am zweiten Ventilsitz 21, 22 vorbei in einen Brennraum. Da, anders als beim ersten Ausführungsbeispiel, der Ventilkörper 2 keinen Boden aufweist, sind somit die Öffnungsquerschnitte beim Gasinjektor des zweiten Ausführungsbeispiels größer als beim ersten Ausführungsbeispiel. Auch ist insbesondere die Herstellung des Ventilkörpers 2 aus den beiden Bauteilen 20, 25 einfacher und kostengünstiger zu realisieren.
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Die 4 bis 6 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 4 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors, 5 zeigt einen teilgeöffneten Zustand des Gasinjektors und 6 zeigt den vollständig geöffneten Zustand des Gasinjektors. Der Gasinjektor 1 des dritten Ausführungsbeispiels ist ähnlich dem des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet, wobei im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel das innere Bauteil 25 in Axialrichtung X-X beweglich angeordnet ist. Weiterhin ist das innere Bauteil 25 mittels eines Vorspannelements 4 in Axialrichtung X-X vorgespannt. Das einzublasende Gas wird wiederum an einem Außenumfang des Schließelements 3 zugeführt (Pfeil B).
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Im geschlossenen Zustand, welcher in 4 gezeigt ist, spannt das Vorspannelement 4 das innere Bauteil 25 in axialer Richtung X-X zum Brennraum vor. Das Schließelement 3 dichtet am ersten und zweiten Dichtbereich 31, 32 am ersten und zweiten Ventilsitz 22 ab. Es sei angemerkt, dass eine Vorspannkraft des Vorspannelements 4 dabei derart gewählt ist, dass diese im geschlossenen Zustand nicht größer als eine Schließkraft eines nicht gezeigten Rückstellelements des Gasinjektors ist, welches das Schließelement 3 in die geschlossene Position zurückstellt und in der geschlossenen Position hält.
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Wenn eine Einblasung gewünscht wird, wird ein nicht gezeigter Aktor aktiviert, so dass das Schließelement 3 in Richtung des Pfeils A bewegt wird (5). Aufgrund des Vorspannelements 4 wird das axial bewegliche innere Bauteil 25 in Richtung des Pfeils C bewegt, so dass der zweite Ventilsitz 22 weiterhin geschlossen bleibt, während der erste Ventilsitz 21 geöffnet wird. Dieser Zustand ist in 5 gezeigt.
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Wenn der Hub des Schließelements 3 weiter größer wird, wird eine weitere Axialbewegung des inneren Bauteils 25 verhindert, so dass auch der zweite Ventilsitz 22 freigegeben wird. Dieser Zustand ist in 6 dargestellt. Hierbei kann dann das einzublasende Gas sowohl am äußeren Umfang des Schließelements 3 als auch durch die Auslassöffnung 36 in den Brennraum eingeblasen werden. In den 5 und 6 ist dabei ein Hub H1, bis zu welchem das Vorspannelement 4 das innere Bauteil 25 am zweiten Dichtbereich 32 des Schließelements 3 hält, eingezeichnet bzw. in 6 ist der vollständige maximale Hub H2 zum Vergleich dargestellt.
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Erfindungsgemäß kann somit bei allen Ausführungsbeispielen ein Gasinjektor 1 bereitgestellt werden, welcher ein nach außen öffnendes Schließelement 3 aufweist. Durch die geometrische Ausgestaltung des Gasinjektors 1 können auch größere Gasmengen während eines Einblaszyklus in einen Brennraum eingeblasen werden. Dabei kann der Gasinjektor 1 direkt am Brennraum angeordnet sein. Zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass das Schließelement 3 jeweils beispielsweise durch einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor betätigt werden kann. Eine Rückstellung des Schließelements 3 kann dabei jeweils mittels eines Rückstellelements, z.B. einer Feder, erfolgen.
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Ein weiterer großer Vorteil bei allen erfindungsgemäßen Gasinjektoren ist, dass zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Schließelement 3 jeweils flache Dichtbereiche ausgebildet sind. Hierdurch können insbesondere einfach aufgebaute Dichtungen zum Abdichten des gasförmigen Kraftstoffs verwendet werden.
