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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff mit einem verbesserten Dämpfungsverhalten.
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In jüngster Zeit werden neben den bekannten flüssigen Kraftstoffen zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, in Brennkraftmaschinen verwendet. Insbesondere wird hierbei angestrebt, auch eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum umzusetzen. Im Vergleich mit flüssigen Kraftstoffen ergibt sich bei der Verwendung von gasförmigen Kraftstoffen beim Schließen des Injektors jedoch eine drastische Verringerung von Dämpfungseffekten durch Quetschspaltströmungen, welche bei Injektoren für flüssige Kraftstoffe effektiv zur Dämpfung der Einschlagenergie eines sich schließenden Schließelements führen. Hierdurch würde bei gasförmigen Kraftstoffen ein erhöhter Verschleiß am Dichtsitz auftreten, so dass die geforderten Dichtheitsanforderungen bei geschlossenem Injektor nicht mehr erfüllt werden können bzw. eine Lebensdauer derartiger Injektoren für gasförmige Kraftstoffe nur sehr gering wäre. Aufgrund der hohen Temperaturen in Brennraumnähe sind dabei elastomere Dichtelemente zur Abdichtung und Dämpfung des Schließvorgangs üblicherweise nicht geeignet. Die Verwendung von Metalldichtungen mit zwei metallischen Dichtpartnern hat bei der Verwendung von gasförmigen Kraftstoffen jedoch Probleme derart, dass die Dichtheitsanforderungen nur bei hoher Oberflächengüte der Dichtpartner erfüllt werden können. Hierbei darf nur ein minimaler Verschleiß über die Lebensdauer des Injektors auftreten, was aufgrund der fehlenden Dämpfung des gasförmigen Kraftstoffs beim Schließvorgang jedoch nicht gegeben ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, welche mit einem Schließelement des Injektors in Wirkverbindung steht, um bei einem Schließvorgang eine Dämpfung des Schließelements vor dem Auftreffen auf den anderen Dichtungspartner zu ermöglichen. Das Dämpfungselement ist somit eingerichtet, eine Bewegungsgeschwindigkeit des Schließelements kurz vor dem kompletten Schließen des Injektors abzubremsen und einen Teil der kinetischen Energie des Schließelements während des Schließvorgangs aufzunehmen. Hierdurch kann ein Verschleiß von Dichtsitzen reduziert werden und eine Oberflächengüte der jeweiligen Dichtpartner über die Lebensdauer des Injektors erhalten werden. Die Dämpfungseinrichtung umfasst eine Membran, welche durch Verformung die Dämpfungseigenschaften bereitstellt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Membran schließt vorzugsweise einen Dämpfungsraum ab, in welchem ein kompressibles Medium angeordnet ist. Durch die Verwendung des kompressiblen Mediums kann zusätzlich eine weitere Dämpfungswirkung der Dämpfungseinrichtung bereitgestellt werden. Alternativ kann der Dämpfungsraum mit der Umgebung in Verbindung stehen, so dass durch die im Dämpfungsraum vorhandene Luft die Dämpfungseigenschaft bereitgestellt wird.
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Besonders bevorzugt ist im Dämpfungsraum zusätzlich zu dem kompressiblen Medium noch ein inkompressibles Medium angeordnet. Das inkompressible Medium ist vorzugsweise eine Flüssigkeit. Hierdurch kann durch Wahl eines Volumenverhältnisses des kompressiblen Mediums zum inkompressiblen Medium die Weichheit bzw. Härte der Dämpfungseigenschaft eingestellt werden. Somit kann flexibel auf unterschiedliche Einsatzbedingungen des Injektors bzw. unterschiedliche Anforderungen von Herstellern von Brennkraftmaschinen reagiert werden.
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Besonders bevorzugt umfasst die Dämpfungseinrichtung einen Dämpfungsraum, welcher in einen ersten und zweiten Dämpfungsunterraum unterteilt ist, wobei die beiden Dämpfungsunterräume über eine Drosseleinrichtung miteinander verbunden sind. Die Drosseleinrichtung ist vorzugsweise ein Verbindungskanal mit kleinem Querschnitt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Dämpfungsraum gegenüber der Umgebung vollständig abgeschlossen.
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Für eine besonders gute Dämpfungswirkung weist die Membran vorzugsweise eine Sicke auf. Die Sicke ist vorzugsweise umlaufend, insbesondere kreisförmig umlaufend, vorgesehen. Die Sicke unterstützt dabei die elastische Verformung der Membran bzw. die Rückstellung der Membran in eine unbelastete Ausgangsposition.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Schließelement als Nadel ausgebildet. Ein Dichtbereich des Schließelements ist dabei an einem ersten Ende der Nadel, insbesondere an einer Nadelspitze, angeordnet und die Dämpfungseinrichtung ist an einem dem ersten Ende abgewandten zweiten Ende der Nadel angeordnet. Am zweiten Ende der Nadel ist weiter bevorzugt auch der Aktor zur Betätigung des Schließelements angeordnet.
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Vorzugsweise ist das Schließelement ein nach außen öffnendes Schließelement. Hierbei wird das Schließelement beim Öffnungsvorgang etwas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bewegt, um eine Einblasung in den Brennraum zu ermöglichen.
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Der Dichtbereich am Schießelement und der Dichtsitz sind vorzugsweise beide aus einem metallischen Material und bilden eine Metalldichtung. Hierdurch kann insbesondere ein direkt einblasender Injektor realisiert werden.
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Weiter bevorzugt wird die Membran zur Fixierung zwischen zwei Injektorbauteilen eingeklemmt. Zusätzlich kann noch eine Verschweißung oder eine andere Verbindungsart vorgesehen werden, um die Membran sicher zu fixieren.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum und einen erfindungsgemäßen Injektor. Der Injektor ist dabei bevorzugt unmittelbar am Brennraum zur direkten Einblasung von Kraftstoff in den Brennraum angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Injektor ein nach außen öffnender Injektor.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem geöffneten Zustand;
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2 eine schematische Darstellung des Injektors von 1 in geschlossenem Zustand;
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3 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem zweite Ausführungsbeispiel in geöffnetem Zustand; und
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4 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in geöffnetem Zustand.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau des Injektors 1, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein direkt in einen Brennraum 10 einblasender Injektor ist. Der Injektor 1 umfasst einen Aktor 2 sowie ein Schließelement 3, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Ventilnadel ist. Der Injektor 1 ist ein nach außen öffnender Injektor, da, wie aus 1 ersichtlich ist, das Schließelement 3 beim Öffnen des Injektors teilweise in den Brennraum 10 bewegt wird.
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Das Schließelement 3 weist einen Dichtbereich 30 auf, welcher an einem kegelförmigen Bereich des Schließelements gebildet ist. Der Dichtbereich 30 wirkt mit einem Dichtsitz 4 an einem Injektorbauteil 8 zusammen und verschließt im geschlossenen Zustand (2) eine Durchgangsöffnung 6 oder gibt die Durchgangsöffnung 6 im geöffneten Zustand frei (1).
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Der Aktor 2 ist beispielsweise ein Magnetaktor oder ein Piezoaktor. Die Membran 50 ist zwischen zwei Injektorbauteilen 81, 82 fixiert.
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Weiterhin umfasst der Injektor 1 eine Dämpfungseinrichtung 5, welche mit dem Schließelement 3 in Wirkverbindung steht. Die Dämpfungseinrichtung 5 umfasst eine Membran 50, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine Metallmembran mit elastischen Eigenschaften ist. Die Membran 50 ist dabei eingerichtet, bei einem Schließvorgang des Schließelements 3 ein Aufsetzen des Schließelements am Dichtsitz 4 zu dämpfen. Hierdurch können Beschädigungen am Dichtsitz 4 und am Dichtbereich 30 des Schließelements 3 vermieden werden. Dabei sind der Dichtsitz 4 und der Dichtbereich 30 des Schließelements 3 beide vorzugsweise aus einem metallischen Material hergestellt.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, ist der Dichtbereich 30 des Schließelements 3 an einem ersten Ende 31 der Nadel angeordnet und die Dämpfungseinrichtung 5 ist an einem, dem ersten Ende abgewandten zweiten Ende 32 der Nadel angeordnet. Dabei kommt das zweite Ende 32 der Nadel direkt mit der Membran 50 des Dichtelements 5 in Kontakt, wenn der Injektor sich in geschlossenem Zustand befindet. Im geöffneten Zustand ist vorzugsweise ein vorbestimmter Abstand D zwischen der Membran 50 und dem zweiten Ende 32 des Schließelements vorgesehen (vgl. 1) und die elastische Membran befindet sich in ihrer entspannten Ruhelage.
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Wie aus den 1 und 2 weiter ersichtlich ist, begrenzt die Membran 50 teilweise einen Dämpfungsraum 52, welcher sich an der vom Schließelement 3 abgewandten Seite der Membran 50 befindet. Im Dämpfungsraum 52 ist ein kompressibles Medium 51, in diesem Ausführungsbeispiel Luft, vorgesehen.
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Wenn der Injektor einen Einblasvorgang vornehmen soll, wird an einer nicht gezeigten Steuereinheit der Aktor 2 betätigt, so dass das Schließelement 30 in Richtung des Pfeils A in 1 bewegt und das Schließelement 3 vom Dichtsitz 4 abhebt. Dadurch kann eine Einblasung von Kraftstoff direkt in den Brennraum 10 erfolgen, was in 1 durch die Pfeile C angedeutet ist. Soll die Einblasung beendet werden, kann eine Rückstellung (Pfeil B) des Schließelements 3 beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Federelements erfolgen oder alternativ auch mittels eines zweiten Aktors (ebenfalls nicht dargestellt).
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Während der Rückstellung (Pfeil B in 2) kommt das zweite Ende 32 des Schließelements 3 kurz vor dem Aufsetzen des Dichtbereichs 30 des Schließelements 3 auf den Dichtsitz 4 mit der Membran 50 in Kontakt. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Membran 50, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus Metall hergestellt ist, wird eine Bewegung des Schließelements 3 abgebremst.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, weist die Membran 50 eine umlaufende Sicke 57 auf. Die Sicke 57 kann je nach Ausgestaltung die Dämpfungseigenschaften der Membran beeinflussen. Somit kann durch das Vorsehen unterschiedlicher Sicken, beispielsweise mit unterschiedlichem Querschnitt bzw. mehreren Sicken oder nur abschnittsweise vorgesehenen Sicken ein jeweiliges individuelles Dämpfungsverhalten der Membran 50, beispielsweise für verschiedene Hersteller von Brennkraftmaschinen, eingestellt werden. Hierdurch lassen sich in der Serienfertigung große Vorteile erreichen, da dadurch eine hohe Anzahl von Gleichteilen sichergestellt werden kann und jeweils nur die Membran 50 für den jeweiligen Hersteller ausgetauscht werden muss.
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Durch die Verformung der Membran 50 im geschlossenen Zustand des Injektors wird eine gewisse Vorspannung der Membran 50 erreicht, welche dann während eines Öffnungsvorgangs zur schnelleren und einfacheren Öffnung genutzt werden kann.
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Es sei ferner angemerkt, dass durch die Größe des Dämpfungsraums 52 die Dämpfungswirkung beeinflusst werden kann, beispielsweise, indem ein sehr großer Dämpfungsraum 52 vorgesehen wird, wird eine geringere Dämpfungswirkung erreicht, als bei Vorsehen eines kleineren Dämpfungsraums. Weiterhin sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass im Dämpfungsraum 52 zusätzlich Stützungsstrukturen an der Membran angeordnet werden können, wodurch die Dämpfungseigenschaft der Membran ebenfalls verändert wird. Weiterhin könnte der Dämpfungsraum auch abgeschlossen ausgebildet sein und zusätzlich ein inkompressibles Medium neben einem kompressiblen Medium aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann somit kurz vor dem Schließen des Schließelements 3 eine Dämpfungswirkung durch eine Dämpfungseinrichtung 5 mit einer Membran 50 erreicht werden. Dadurch wird eine Bewegung des Schließelements 3 in die Schließposition verzögert und die restliche kinetische Energie des Schließelements 3 im Moment des Kontakts zwischen dem Dichtbereich 30 und dem Dichtsitz 4 auf ein Minimum reduziert. Hierdurch kann ein Sitzverschleiß minimiert werden und eine Oberflächengüte der beiden metallischen Dichtpartner über die Lebensdauer des Injektors erhalten werden. Da das Schließelement 3 im geschlossenen Zustand nur lose an der Membran 50 angeordnet ist, kann bei einem Öffnungsvorgang das Schließelement frei von der Oberfläche der Membran 50 abheben, so dass während des Öffnungsvorgang keine eine Bewegung des Schließelements 3 in Öffnungsrichtung beschränkender Effekt auftritt, so dass eine hohe Dynamik des Öffnungsvorgangs beibehalten werden kann. Insbesondere kann ein hydraulisches Kleben des Schließelements, welches bei flüssigen Kraftstoffen auftreten kann, verhindert werden.
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3 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist der Dämpfungsraum 52 als vollständig abgeschlossener Raum vorgesehen. Im Dämpfungsraum 52 ist ein kompressibles Medium 51, beispielsweise ein Gas, z.B. Luft, vorgesehen. Durch eine Wahl eines Volumens des Dämpfungsraums 50 sowie eines Drucks im Dämpfungsraum 50 und einer Wahl des darin befindlichen kompressiblen Mediums können unterschiedliche Anforderungen von verschiedenen Herstellern realisiert werden.
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4 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel weist der Injektor 1 des dritten Ausführungsbeispiels wiederum einen abgeschlossenen Dämpfungsraum 52 auf. Der abgeschlossene Dämpfungsraum 52 ist beim dritten Ausführungsbeispiel jedoch in einen ersten Dämpfungsunterraum 54 und einen zweiten Dämpfungsunterraum 55 unterteilt. Der erste und zweite Dämpfungsunterraum 54, 55 sind über eine Drosseleinrichtung 56 miteinander verbunden. Die Drosseleinrichtung 56 in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Verbindungskanal mit kleinem Querschnitt. Im Dämpfungsraum 52 des dritten Ausführungsbeispiels ist sowohl ein kompressibles Medium 51, als auch ein inkompressibles Medium 53, z.B. eine Flüssigkeit, angeordnet. Bei einem Kontakt des zweiten Endes 32 des Schließelements 3 mit der Membran 50 wird somit das inkompressible Medium 53 aus dem ersten Dämpfungsunterraum 54 über die Drosseleinrichtung 56 in den zweiten Dämpfungsunterraum 55 verdrängt. Dabei wird das kompressible Medium 51 komprimiert. Beim Öffnungsvorgang unterstützt eine Entspannung des komprimierten kompressiblen Mediums 51 wiederum eine Bewegung des Schließelements 3, so dass keine Verzögerung während des Öffnungsvorgangs durch die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 5 vorhanden ist.
