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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs und insbesondere einen direkteinblasenden Gasinjektor, welcher den gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbläst.
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In jüngster Zeit werden im Kraftfahrzeugbereich neben den üblicherweise verwendeten flüssigen Kraftstoffen zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, 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. Weiterhin liegt bei Injektoren für flüssige Kraftstoffe eine gewisse hydraulische Anschlagdämpfung zwischen einem Anker und einem Polstück des Injektors automatisch vor. Um ein sog. hydraulisches Kleben zwischen Anker und Polstück zu vermeiden, sind die vorgesehenen Anschlagflächen geometrisch begrenzt. Bei gasförmigen Kraftstoffen ist jedoch die oben beschriebene Anschlagdämpfung, wie bei flüssigen Kraftstoffen, nicht gegeben. Somit ist bei gasförmigen Kraftstoffen eine verstärkte Anschlagneigung zwischen Anker und Polstück vorhanden, was zu einem unerwünschten Verschleiß führen kann, welcher z.B. auch mittels Verschleißschutzschichten nur bedingt beherrschbar ist. Da Gasinjektoren größere Querschnitte und damit auch Hübe erfordern, wird dieser Problemkreis durch entsprechend größere Auftreffgeschwindigkeiten noch verstärkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz der Verwendung eines gasförmigen Mediums eine Dämpfung und somit eine Reduzierung eines Anschlagimpulses möglich ist. Auch ist es möglich, dass erfindungsgemäß größere Flächen als Anschlagflächen vorgesehen werden können, so dass bei einem Anschlag gegebenenfalls eine Anschlagkraft auf eine größere Fläche verteilbar ist, woraus reduzierte Verschleißerscheinungen am Injektor resultieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor eine Gasdämpfungseinrichtung mit einem gasgefüllten Dämpfungsraum umfasst. Der gasgefüllte Dämpfungsraum wird dabei zumindest teilweise von einem bewegbaren Injektorbauteil begrenzt. Weiterhin ist ein erster Verbindungspfad vorgesehen, welcher den gasgefüllten Dämpfungsraum mit einem Injektorraum des Gasinjektors verbindet. Als Injektorraum wird dabei ein Raum im Gasinjektor verstanden, durch welchen das einzublasende Gas durch den Injektor hindurchgeführt ist. Erfindungsgemäß kann somit der gasgefüllte Dämpfungsraum, der an ein bewegbares Injektorbauteil, wie z.B. ein Anker, angrenzt, zur Dämpfung benutzt werden. Dabei kann erfindungsgemäß mittels des gasgefüllten Dämpfungsraums auch ein tatsächlicher Anschlag des bewegbaren Injektorbauteils an einem anderen Bauteil verhindert werden. Durch den ersten Verbindungspfad ist im gasgefüllten Dämpfungsraum der gasförmige Kraftstoff vorhanden, so dass kein separates Gas vorgesehen werden muss, welches im Dämpfungsraum angeordnet sein muss.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ferner einen magnetischen Aktor mit einer Spule, einem Polstück und einem Anker, wobei der Anker ein das den gasgefüllten Dämpfungsraum begrenzendes Injektorbauteil ist. Alternativ ist das den Dämpfungsraum begrenzende Injektorbauteil ein mit dem Anker und/oder einem Schließelement, wie z.B. einer Ventilnadel, verbundenes Bauteil.
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Weiter bevorzugt weist der gasgefüllte Dämpfungsraum eine Ringzylinderform auf. Hierdurch kann eine große Dämpfungsfläche um eine Ventilnadel oder dgl. bereitgestellt werden.
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Bevorzugt ist der gasgefüllte Dämpfungsraum auch durch ein ortsfestes Injektorbauteil, z.B. ein Polstück, begrenzt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der gasgefüllte Dämpfungsraum dabei zwischen einem Polstück und einem Anker eines magnetischen Aktors angeordnet. Hierdurch kann ein schon vorhandener Arbeitsluftspalt des magnetischen Aktors zusätzlich auch als Dämpfungsraum verwendet werden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Anker des magnetischen Aktors einen zylindrischen Fortsatz auf, welcher am Polstück an einem Führungsbereich geführt ist. Hierdurch kann eine einfache Realisierung des Verbindungspfads zwischen dem gasgefüllten Dämpfungsraum und dem Injektorraum bereitgestellt werden.
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Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn vorzugsweise der zylindrische Fortsatz des Ankers eine Queröffnung, z.B. eine Querbohrung, aufweist und am Polstück eine Steuerkante ausgebildet ist. Der erste Verbindungspfad führt dabei durch die Queröffnung des Ankers, wobei bei einer Bewegung des Ankers ein Verbindungsquerschnitt zwischen der Queröffnung und dem gasgefüllten Dämpfungsraum durch Überfahren der Queröffnung an der Steuerkante veränderbar ist. Eine Auslegung des gasgefüllten Dämpfungsraums kann dabei derart sein, dass in einer ersten Position die Queröffnung vollständig frei zum gasgefüllten Dämpfungsraum liegt und in einer zweiten Position die Queröffnung nicht mehr mit dem gasgefüllten Dämpfungsraum verbunden ist. Besonders bevorzugt ist die Auslegung derart, dass bei vollständig geöffnetem Gasinjektor der Verbindungspfad über die Queröffnung unterbrochen ist, so dass ein Gaspolster im Dämpfungsraum vorhanden ist und ein Anschlagen des Ankers am Polstück verhindert wird.
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Besonders bevorzugt ist die Steuerkante an einer am Polstück vorgesehenen Fase vorgesehen. Hierbei kann durch Wahl der Neigung der Fase eine bestimmte Steuercharakteristik vorgegeben werden. Hierdurch ist es auch möglich, dass beispielsweise für unterschiedliche Motorenhersteller unterschiedliche Gasinjektoren mit verschiedenen Dämpfungseigenschaften bereitgestellt werden können. Dies kann dann einfach durch Änderung der Anordnung der Fase am Polstück erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ferner einen Verbindungskanal, welcher durch das Polstück verläuft und einen zweiten Verbindungspfad zwischen dem gasgefüllten Dämpfungsraum und dem Injektorraum definiert. Im Verbindungskanal ist dabei ein Ventilelement angeordnet. Das Ventilelement ist vorzugsweise ohne Rückstellelement vorgesehen und kann somit sehr einfach aufgebaut sein. Besonders bevorzugt ist das Ventilelement ein loses Ventilblättchen, welches in einer ersten Stellung den Verbindungskanal freigibt und in einer zweiten Stellung den Verbindungskanal verschließt.
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Vorzugsweise ist der Gasinjektor als nach außen öffnender Injektor ausgebildet.
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Weiter bevorzugt betrifft die Erfindung ferner eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor ist dabei bevorzugt unmittelbar am Brennraum zur direkten Einblasung von Kraftstoff in den Brennraum angeordnet.
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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 jeweils 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 Teil-Schnittansicht eines Dämpfungsraums des Gasinjektors von 1, bei welchem ein erster Verbindungspfad zwischen dem Dämpfungsraum und einem Injektorraum offen ist,
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3 eine schematische Teil-Schnittansicht des Dämpfungsraums, ähnlich zu 2, bei dem der erste Verbindungspfad unterbrochen ist, und
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4 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt schematisch den Aufbau des Gasinjektors 1, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein direkt in einen Brennraum 100 einblasender Gasinjektor ist. Der Gasinjektor 1 umfasst eine nach außen öffnende Ventilnadel 6 sowie einen magnetischen Aktor 101 mit einer Spule 2, einem Anker 3 und einem Polstück 4. Das Polstück 4 weist dabei eine zylindrische Polstückverlängerung 5 auf, welche vom Polstück 4 durch einen magnetischen Trennungsbereich 13 getrennt ist.
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Der Anker 3 ist mittels einer ersten Hülse 9 und einer zweiten Hülse 10 an der Ventilnadel 6 fixiert.
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Die Ventilnadel 6 dichtet in bekannter Weise an einem Ventilsitz 60 ab. 1 zeigt dabei den vollständig geöffneten Zustand des Gasinjektors 1.
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Im Anker 3 sind ferner mehrere Durchgangsöffnungen 11 vorgesehen, über welchen ein gasförmiger Kraftstoff, wie durch den Pfeil A angedeutet, in einem Injektorraum 14 strömen kann (Pfeile B) und aus dem Injektorraum 14 dann direkt in den Brennraum 100 (Pfeile C).
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Anker 3 einen zylindrischen Fortsatz 30, welcher vom Anker aus in Richtung des Ventilsitzes 60 ausgebildet ist. Der zylindrische Fortsatz 30 wird dabei durch einen Führungsbereich 41 des Polstücks 4 geführt. Im zylindrischen Fortsatz 30 ist ferner eine Querbohrung 7 ausgebildet. Die Querbohrung 7 ist dabei senkrecht zu einer Mittelachse X-X des Gasinjektors. Weiterhin weist das Polstück 4 eine Anschlagfläche 40 auf, welche in Richtung zum Anker 3 gerichtet ist.
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Erfindungsgemäß ist nun eine Gasdämpfungseinrichtung 20 vorgesehen, welche einen gasgefüllten Dämpfungsraum 12 umfasst. Der gasgefüllte Dämpfungsraum 12 liegt dabei zwischen der Anschlagfläche 40 des Polstücks und dem Anker 3 (vgl. 1). Die Gasdämpfungseinrichtung 20 umfasst ferner einen ersten Verbindungspfad 21, welcher den Dämpfungsraum 12 mit dem Injektorraum 14 verbindet. Hierbei ist die Querbohrung 7 ein Teil des ersten Verbindungspfads 21.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist am Polstück 4 eine Fase 8 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine Steuerkante 80, welche zwischen der Fase 8 und dem Führungsbereich 41 des Polstücks 4 liegt.
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2 zeigt den geöffneten ersten Verbindungspfad 21, so dass aus dem gasgefüllten Dämpfungsraum 12 Gas, wie in 2 durch den Pfeil D angedeutet, über den ersten Verbindungspfad, d.h., vorbei an der Fase 8 und durch die Querbohrung 7 hindurch, zum Injektorraum 14 strömen kann. Der Dämpfungsraum 12 ist dabei mit dem einzublasenden Gas gefüllt.
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Wenn nun der Gasinjektor 1 geöffnet werden soll, wird der Anker 3 betätigt, so dass dieser, wie in 2 durch den Pfeil E angedeutet, in Richtung auf das Polstück 4 bewegt wird. Dadurch entsteht die in 2 angezeigte Strömung aus dem Dämpfungsraum 12 in den Injektorraum 14 (Pfeil D).
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Wie ein Vergleich der 2 und 3 zeigt, wird, je länger der Anker 3 in Richtung des Pfeils E bewegt wird, die Querbohrung 7 an der Steuerkante 80 vorbeigeführt. 3 zeigt dabei den Zustand, in welchem der erste Verbindungspfad 21 unterbrochen ist, da die Querbohrung 7 vollständig an der Steuerkante 80 vorbeigeführt wurde. In dieser Position befindet sich jedoch noch Gas im Dämpfungsraum 12, so dass eine weitere Bewegung des Ankers 3 in Richtung des Pfeils E erschwert wird bzw. aufgrund der weiteren Verdichtung des Gases im Dämpfungsraum der Ankerbewegung entgegenwirkt und einen harten Anschlag verhindert.
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Somit weist die vorliegende Erfindung eine Gasdämpfungseinrichtung 20 auf, welche ohne Verwendung zusätzlichen Gases arbeitet. Der Aufbau des Gasinjektors 1 kann dabei trotzdem relativ einfach und kostengünstig bleiben. Weiterhin kann durch die geometrische Ausbildung der Fase 8 am Polstück 4 ein Zeitpunkt der Unterbrechung des ersten Verbindungspfads in Abhängigkeit einer Axialbewegung des Ankers 3 definiert werden. Hierdurch können beispielsweise unterschiedliche Dämpfungsverhalten eingestellt werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da häufig verschiedene Fahrzeughersteller bzw. Motorenhersteller unterschiedliche Anforderungen haben. Alternativ könnte selbstverständlich auch die Position der Querbohrung 7 in axialer Richtung am zylindrischen Fortsatz 30 des Ankers 3 verschoben werden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine im Teillastbereich. Bei Teillastmengen wird der Gasinjektor 1 nur über einen vorbestimmten Teilhub geöffnet und öffnet somit nicht vollständig. Beim Teilhub baut nun das im Dämpfungsraum 12 befindliche Gas gegen Ende der Bewegung des Ankers allmählich einen steigenden Gegendruck auf. Dies wirkt der stark ansteigenden Magnetkraft, welche aufgrund der Verringerung des Spalts (Abstand) zwischen dem Anker 3 und dem Polstück 4 ansteigt, entgegen und unterstützt somit die Teilhubfähigkeit des Gasinjektors. Bei Volllastbetrieb und somit einem Vollhub des Ankers 3 wirkt, wie vorhergehend beschrieben, eine starke Bremswirkung durch den erfindungsgemäßen Dämpfungsraum 12 und die Anschlagflächen werden gegen Verschleiß geschützt.
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4 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein zweiter Verbindungspfad 17 vorgesehen. Der zweite Verbindungspfad 17 führt ebenfalls vom Dämpfungsraum 12 zum Injektorraum 14. Der erste Verbindungspfad 21 über die Querbohrung 7, vorbei an der Fase 8, ist ebenfalls vorhanden.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, ist im zweiten Verbindungspfad 17 ein Ventilelement 16 in Form eines Plättchenventils angeordnet. Im Vergleich zum Dämpfungsraum 12 bildet das Plättchenventil nur ein kleines Totvolumen 15 (vgl. 4), um den gewünschten Druckanstieg in Dämpfungsraum 12 nicht zu reduzieren.
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Das Ventilelement 16 umfasst einen plättchenartigen Kopf 64, einen länglichen Körper 61 und einen Anschlag 62. Im Totvolumen 15 ist ferner eine Hülse 63 vorgesehen. Alle Bauteile können beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein.
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Das Ventilelement 16 ist dabei lose in der Kunststoffhülse 63 angeordnet und kann sich über einen vorbestimmten, kurzen Weg bewegen.
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Bei einem Öffnen des Gasinjektors baut sich im Dämpfungsraum 12 ein Druck auf, welcher das Ventilelement 16 schließt, indem der Kopf 64 auf die Kunststoffhülse 63 gedrückt wird. Dadurch behindert das Ventilelement 16 nicht den Druckanstieg im Dämpfungsraum 12 und damit die gewünschte Dämpfungswirkung.
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Bei nachfolgenden Schließen des Gasinjektors 1 belüftet der zweite Verbindungspfad 17 den Dämpfungsraum 12. Dadurch kann eine hochdynamische Bewegung des Ankers 3 sichergestellt werden, beispielsweise, wenn mehrere Einblasvorgänge während eines Zyklus ausgeführt werden müssen.
