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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein direkteinblasendes Gasventil zum direkten Einblasen eines gasförmigen Mediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie eine derartige Brennkraftmaschine.
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Bei Brennkraftmaschinen 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. Derzeit wird bei modernen Gasmotoren der gasförmige Kraftstoff mittels eines Injektors in ein Saugrohr eingeblasen. Da im Saugrohr niedrige Temperaturen herrschen, kann bei derartigen Injektoren zum Abdichten des Gases ein Elastomer-Dichtsitz verwendet werden. Hierdurch kann insbesondere eine hohe Dichtigkeit des Gasinjektors sichergestellt werden. Um eine Wirtschaftlichkeit und einen Kraftstoffverbrauch derartiger Gasmotoren zu verbessern, wäre es wünschenswert, auch eine Direkteinblasung des Gases in einen Brennraum des Gasmotors zu ermöglichen. Aufgrund der Nähe des Gasinjektors zum Brennraum ist hier jedoch die Verwendung von Elastomer-Dichtsitzen nicht möglich, da diese aufgrund der Wärmeentwicklung im Brennraum zerstört werden würden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Direkteinblasen von gasförmigem Medium in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Dichtungskonzept ohne Elastomerdichtungen möglich ist und der Gasinjektor unmittelbar am Brennraum für eine Direkteinblasung angeordnet werden kann. Dabei weist der erfindungsgemäße Gasinjektor eine hohe Temperaturbeständigkeit auf und ermöglicht es auch, große Querschnitte während eines Einblasvorgangs freizugeben, so dass auch kurze Einblaszyklen oder mehrere Einblaszyklen während eines Taktes möglich sind. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Gasinjektor relativ kleinbauend und weist einen kompakten und einfach zu fertigenden Aufbau auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein verstellbares Ventilglied und eine ortsfeste Dichthülse mit einem ersten Dichtsitz umfasst. Ferner ist ein bewegbares Dichtelement mit einem zweiten Dichtsitz vorgesehen sowie ein Rückstellelement vorgesehen, um das Dichtelement und das Ventilglied wieder in eine Ausgangsposition zurückzustellen. Die ersten und zweiten Dichtsitze bilden dabei einen Ventilsitz des Gasventils und das Ventilglied ist in der Dichthülse angeordnet. Für einen besonders einfachen und fertigungstechnisch sehr kostengünstig herstellbaren Aufbau sind das Ventilglied und das Dichtelement bevorzugt nur lose angeordnet. Diese zweiteilige Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass eine Selbstausrichtung während des Schließvorgangs des Gasinjektors möglich ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist das Rückstellelement in Durchströmungsrichtung des gasförmigen Mediums durch den Gasinjektor nach dem Ventilsitz angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakt bauender Gasinjektor bereitgestellt werden. Ferner kann dadurch sichergestellt werden, dass der Ventilsitz etwas Abstand vom heißen Brennraum hat, so dass insbesondere hinsichtlich einer Materialauswahl für die Materialien des Ventilsitzes ein kostengünstigeres, nicht höchsten Wärmebeanspruchungen standhaltendes Material gewählt werden kann.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ferner ein Ventilgehäuse mit einem Wandbereich und einem Bodenbereich. Zwischen dem Ventilsitz und dem Bodenbereich ist dabei eine Vorkammer ausgebildet, in welcher das Rückstellelement angeordnet ist. Das Rückstellelement stützt sich dabei vorzugsweise am Bodenbereich ab. Im Bodenbereich sind Öffnungen vorgesehen, über welche das gasförmige Medium in den Brennraum austreten kann. Der Bodenbereich schützt dabei den Gasinjektor vor zu starker Wärmebelastung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Ventilglied einen hohlzylindrischen Körper mit einer Vielzahl von seitlichen Durchgangsöffnungen auf. Somit kann eine Gasströmung durch das Innere des hohlzylindrischen Körpers erfolgen und das Gas kann über die Durchgangsöffnungen zu einem Außenumfang des hohlzylindrischen Körpers geführt werden. Weiter bevorzugt sind die Durchgangsöffnungen dabei auf einer horizontalen Umfangslinie des hohlzylindrischen Körpers angeordnet. Ferner bevorzugt ist am äußeren Umfang des hohlzylindrischen Körpers eine umlaufende Vertiefung ausgebildet, an welcher die Durchgangsöffnungen münden.
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Bevorzugt ist zwischen dem Ventilglied und der Dichthülse eine Drossel vorgesehen, wobei sich ein Öffnungsquerschnitt der Drossel bei Bewegung des Ventilglieds verändert. Vorzugsweise wird der Öffnungsquerschnitt der Drossel bei Bewegung des Ventilglieds in Öffnungsrichtung größer, damit eine möglichst große Gasmenge eingeblasen werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement eine Dichtscheibe und zwischen der Dichtscheibe und der Dichthülse ist ein Flachsitz ausgebildet. Hierdurch kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Ventilsitz realisiert werden. Beispielsweise kann die Dichtscheibe plangeschliffen werden und der Flachsitz an der Dichthülse kann ebenfalls plangeschliffen werden. Durch die Flachsitzanordnung kann somit eine metallische Abdichtung ermöglicht werden. Besonders bevorzugt ist der Dichtsitz an der Dichthülse dabei an einer Stirnseite der Dichthülse vorgesehen, wodurch der Ventilsitz zwischen der Dichthülse und der Dichtscheibe eine ringflächige Ausdehnung aufweist. Durch Wahl der abdichtenden Innen- und Außendurchmesser kann somit eine vorbestimmte Dichtringfläche bereitgestellt werden.
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Weiter bevorzugt weist die Dichtscheibe an einem Außenumfang eine Vielzahl von vorstehenden Nasen auf. Die Nasen sind einerseits dazu vorgesehen, ein Verkippen der Dichtscheibe zu verhindern und eine radiale Führung im Ventilgehäuse bereitzustellen. Andererseits ist zwischen den Nasen jeweils ein ausreichender Freiraum vorhanden, so dass das einzublasende gasförmige Medium zwischen den Nasen an der Dichtscheibe vorbeiströmen kann. Die Dichtscheibe kann dadurch auch kostengünstig hergestellt werden, da keinerlei Öffnungen in der Dichtscheibe vorgesehen werden müssen, sondern die Gasströmung am äußeren Umfang an den Zwischenbereichen zwischen den Nasen erfolgen kann.
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Bevorzugt ist zwischen den Nasen der Dichtscheibe und dem Ventilgehäuse ein vorbestimmtes kleines Spiel im µm-Bereich vorgesehen. Dadurch kann eine Ausrichtung der Dichtscheibe während des Schließvorgangs ermöglicht werden.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement eine Teilkugel oder eine Vollkugel. Weiter bevorzugt weist die Dichthülse eine Dichtkante oder eine Kegelfläche auf, welche mit einem Kugelflächenabschnitt des kugelförmigen Dichtelements in Kontakt kommt. Durch Verwendung der Dichtkante kann eine Linienabdichtung auf einfache und kostengünstige Weise sichergestellt werden, welche eine hohe Dichtheit bereitstellt. Wenn eine Kegelfläche verwendet wird, kann eine automatische Zentrierung des kugelförmigen Dichtelements beim Schließvorgang erreicht werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasventil, welches unmittelbar an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine wird dabei besonders bevorzugt in Verbindung mit 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 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines als Dichtscheibe ausgebildeten Dichtelements,
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3 eine schematische Seitenansicht eines Ventilglieds von 1,
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4 ein Diagramm, welches einen Öffnungsquerschnitt am Ventilsitz über einem Hub des Ventilglieds darstellt,
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5 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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6 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Der Gasinjektor 1 zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum 11 einer Brennkraftmaschine umfasst ein verstellbares Ventilglied 2 und eine ortsfeste Dichthülse 3. Ferner umfasst der Gasinjektor ein bewegbares Dichtelement 4 und ein Rückstellelement 5, um das Dichtelement 4 und das Ventilglied 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurückzustellen. 1 zeigt hierbei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors.
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Zwischen dem Dichtelement 4 und der ortsfesten Dichthülse 3 ist ein Ventilsitz 9 vorgesehen. Hierbei umfasst die ortsfeste Dichthülse 3 einen ersten Dichtsitz 30 und das bewegbare Dichtelement 4 einen zweiten Dichtsitz 40. Der erste Dichtsitz 30 an der Dichthülse ist an einem stirnseitigen Ende der Dichthülse vorgesehen und kann beispielsweise durch Planschleifen der Dichthülse 3 hergestellt werden. Das Dichtelement 4 des ersten Ausführungsbeispiels ist eine Dichtscheibe, wobei der zweite Dichtsitz 40 an einer zum Ventilglied 2 gerichteten Seite der Dichtscheibe vorgesehen ist. Diese Seite der Dichtscheibe wird vorzugsweise ebenfalls plangeschliffen. Somit ergibt sich als Ventilsitz eine ringförmige Fläche zwischen dem ersten und zweiten Dichtsitz 30, 40.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist an einem inneren Umfang der Dichthülse 30 ein umlaufender Rücksprung 31 benachbart zum ersten Dichtsitz 30 vorgesehen. Hierdurch soll ein möglichst großer Strömungsquerschnitt zwischen der Dichthülse 3 und dem Ventilglied 2 sichergestellt werden.
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Das Dichtelement 4 in Form der Dichtscheibe ist in 2 im Detail dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Dichtscheibe einen scheibenförmigen Körper 43 aus Vollmaterial, an dessen äußerem Umfang eine Vielzahl von Nasen 41 angeordnet sind. Die Nasen 41 stehen dabei radial vom Umfang des scheibenförmigen Körpers 43 vor. Zwischen jeweils benachbarten Nasen 41 sind Durchlassbereiche 42 ausgebildet. Die Breite der Durchlassbereiche 42 ist dabei deutlich größer als die Breite der Nasen 41 in Umfangsrichtung. Dadurch kann gasförmiges Medium bei geöffnetem Gasinjektor durch die Durchlassbereiche 42 hindurchströmen.
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Das Ventilglied 2 ist im Detail aus 3 ersichtlich. Das Ventilglied 2 umfasst einen zylindrischen Körper 20 und eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 21. Die Durchgangsöffnungen 21 verlaufen dabei in Radialrichtung des Ventilglieds 2. Die Durchgangsöffnungen 21 münden in einer umlaufenden Vertiefung 22, welche an einem äußeren Umfang des Körpers 20 ausgebildet ist. An einem Endbereich des Körpers 20 ist ferner ein Flansch 23 vorgesehen, dessen Außenumfang etwas kleiner ist als ein Außenumfang des Körpers 20. Hierdurch kann gasförmiges Medium, welches vom Inneren des Körpers 20 über die Durchgangsöffnungen 21 zur äußeren Umfangsseite des Ventilglieds 2 strömt, am Flansch 23 vorbeigeführt werden (vergleiche 1).
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein hülsenförmiges Ventilgehäuse 6, welches einen Wandbereich 60 und einen Bodenbereich 61 aufweist. Im Bodenbereich 61 sind eine Vielzahl von Auslassöffnungen 62 gebildet.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Anschlag 7, welcher sich am Bodenbereich 61 des Ventilgehäuses 6 abstützt. Der Anschlag 7 dient zur Begrenzung eines maximalen Hubes H (vergleiche 1) des Dichtelements 4. Ferner dient der Anschlag 7, welcher sich am Bodenbereich 61 abstützt, auch zur Stabilisierung des Rückstellelements 5. Das Rückstellelement 5 dieses Ausführungsbeispiels ist als zylindrische Schraubenfeder ausgebildet.
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Der Anschlag 7 und das Rückstellelement 5 sind dabei in einer Vorkammer 10 angeordnet, welche am Endbereich des zur Brennkammer gerichteten Endes des Ventilgehäuses gebildet ist. Die Vorkammer 10 stellt dabei einen gewissen Abstand des Ventilsitzes 9 von der Brennkammer 11 bereit, so dass die Temperaturen im Bereich des Ventilsitzes 9 nicht so hoch wie unmittelbar am Wandbereich der Brennkammer 11 sind.
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Weiterhin ist eine Drossel 8 vorgesehen, welche zwischen der Dichthülse 3 und dem Ventilglied 2 vorgesehen ist. Die Drossel 8 weist dabei einen Öffnungsquerschnitt auf, welcher sich mit Öffnen des Gasinjektors vergrößert. Die geometrische Form der Drossel 8 ist dabei derart gewählt, dass, wie aus 4 ersichtlich ist, mit einem kleinen Hubwerg H1 eine kleine Gasmenge über den freigegebenen kleinen Querschnitt A1 hindurchgelassen wird und erst nach Zurücklegen eines vorbestimmten Hubes H2 der Öffnungsquerschnitt und die Gasmenge linear ansteigt. Erst wenn der Hub des Dichtelements 4 durch Anschlagen am Anschlag 7 beschränkt wird (Hmax), kann bei maximalem Öffnungsquerschnitt Amax die maximale Gasmenge durchgelassen werden. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Gasinjektor auch auf einfache Weise ein Einblasen von Kleinstmengen bei nicht vollständig geöffnetem Gasinjektor (im Bereich zwischen H1 und H2) ermöglicht werden.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Gasinjektors ist dabei wie folgt. Mittels eines nicht gezeigten Aktors, z.B. eines Magnetaktors oder eines Piezoaktors, wird das Ventilglied 2 in Richtung des Pfeils A bewegt. Das Dichtelement 4 liegt dabei an der Stirnseite am Flanschbereich 23 des Ventilglieds 2 an und wird gemeinsam mit dem Ventilglied 2 gegen die Federkraft des Rückstellelements 5 bewegt. Dadurch wird der Ventilsitz 9 geöffnet. Somit kann gasförmiges Medium im inneren Bereich des hohlzylindrischen Ventilgliedes 2 zu den Durchgangsöffnungen 21 und durch diese hindurch (Pfeil B) über die Drossel 8 in den Vorraum 10 und von dort (Pfeile C) in den Brennraum 11 strömen.
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Nach erfolgter Einblasung wird der Aktor deaktiviert, so dass das Rückstellelement 5 das Dichtelement 4 und das Ventilglied 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurückstellen kann. Dabei ist das Dichtelement 4 mit einem Radialspiel im µm-Bereich gegenüber dem Ventilgehäuse 6 im Ventilgehäuse 6 angeordnet, so dass auch eine leichte Verkippung des Dichtelements 4 möglich ist. Somit kann während des Rückstellvorgangs des Dichtelements 4 dieses kleine Ausgleichsbewegungen ausführen, so dass beim Anschlagen des Dichtelements 4 am ersten Dichtsitz 30 der Dichthülse 3 eine Ausrichtung erfolgen kann und ein planes Anlegen des zweiten Dichtsitzes 40 des Dichtelements 4 am ersten Dichtsitz 30 der Dichthülse 3 ermöglicht wird.
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Somit ist beim ersten Ausführungsbeispiel zwischen dem Dichtelement 4 und der Dichthülse 3 ein Flach-Dichtsitz ausgebildet, welcher beispielsweise durch einfaches und kostengünstiges Planschleifen des Dichtelements 4 einerseits und des stirnseitigen Dichtsitzes 30 an der Dichthülse 3 andererseits erreicht werden kann. In Abhängigkeit der Tiefe des Rücksprungs 31 an der Dichthülse 3 kann dabei auch eine Dichtfläche des Ventilsitzes 9 bestimmt werden, so dass für verschiedene Anwendungsfälle unterschiedlich tiefe Rücksprünge 31 an der Dichthülse 3 vorgesehen werden können. Weiterhin kann durch die geometrische Ausgestaltung des Rücksprungs 31 auch die Drosselwirkung der Drossel 8 bestimmt werden.
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Weiterhin ist eine Einhaltung von Koaxialitäten und Rundheitstoleranzen für die Abdichtung nicht mehr relevant. Die planen Dichtsitze 30, 31 können relativ einfach gefertigt werden. Durch die große Durchschlagsfläche ergeben sich weiterhin eine größere Verschleißfestigkeit sowie eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber dem im Brennraum herrschenden hohen Druck.
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5 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist als Dichtelement 4 eine Vollkugel vorgesehen. Dabei dichtet die Vollkugel an einer am inneren Umfang umlaufenden Ringkante 32 der Dichthülse 3 ab. Dadurch muss die Dichthülse 3 nicht plangeschliffen werden. Hierdurch kann eine besonders sichere Abdichtung auch gegenüber hohen Gasdrücken erreicht werden.
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Das in 6 gezeigte dritten Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut und weist als Dichtelement 4 eine Halbkugel auf. Die Halbkugel weist noch einen Zapfen 44 zur Zentrierung des Rückstellelements 5 auf.
