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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Einblasinjektor für gasförmigen Kraftstoff. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Injektor umfasst.
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Injektoren, insbesondere für Gase, sind hinlänglich bekannt. Um eine ausreichende Abdichtheit der Injektoren sicherzustellen, können z.B. Metall-Metall-Dichtungen aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit, Medienbeständigkeit und Verschleißfestigkeit benutzt werden. Zum Betätigen eines Ventilelements des Injektors wird ein Aktor benutzt. Dabei kann aber eine benötigte Anpresskraft des Ventilelements des Injektors auf einen Ventilsitz bzw. Sitzträger (Abdichtkraft) hoch sein. Nachteilig ist, dass diese benötigte hohe Anpresskraft durch den Aktor überwunden werden muss. Das schränkt die Ventilfunktion und vor allem den Lösungsraum für den Aktor stark ein. Dabei können selbst sehr aufwändige Aktoren z.B. mit magnetischen Sonderwerkstoffen oder piezoelektrischen Materialien an ihre Grenzen stoßen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die benötigte Dichtkraft von einer durch den Aktor aufzubringende Kraft entkoppelt werden kann. Somit kann insbesondere die durch den Aktor erzeugte Kraft reduziert werden. Dadurch können günstigere Konstruktionen für den Aktor bzw. den Injektor ermöglicht werden, wodurch eine große Kostenersparnis bei einer Massenproduktion ergeben kann. Ferner kann der Aufbau des Aktors bzw. des Injektors an unterschiedliche Anforderungen in unterschiedlichen Einsatzgebieten angepasst werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die benötigte Dichtkraft durch eine verspannte Anordnung des Ventilelements im Sitzträger des Injektors bereitgestellt wird. Hierbei umfasst der Injektor, insbesondere Einblasinjektor für gasförmigen Kraftstoff, einen Sitzträger mit wenigstens einer Öffnung, ein Ventilelement, ein Stellelement, welches eingerichtet ist, das Ventilelement von einer ersten Position in eine zweite Position zu bringen, und einen Aktor zum Betätigen des Stellelements. Erfindungsgemäß weist das Ventilelement ein Grundelement, ein Dichtelement und eine gelenkartige Verbindungseinrichtung auf, welche das Grundelement mit dem Dichtelement verbindet. Weiterhin ist erfindungsgemäß das Ventilelement im Sitzträger verspannt angeordnet. Ferner verschließt erfindungsgemäß das Dichtelement die Öffnung des Sitzträgers in der ersten Position und gibt die Öffnung in der zweiten Position frei. Der Aktor kann z.B. eine Magnetspule oder einen Piezo umfassen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise kann zwischen dem Ventilelement und dem Sitzträger eine Pressverbindung ausgebildet sein, um das Ventilelement im Sitzträger zu verspannen. Dadurch, dass das Ventilelement im Sitzträger eingepresst ist, kann das Ventilelement in einfacher Weise kraftschlüssig im Sitzträger verspannt angeordnet sein. Somit kann die benötigte Dichtkraft zum Abdichten der Öffnungen des Sitzträgers sichergestellt werden. Vorzugsweise kann die Pressverbindung durch eine Wärmeausdehnung bzw. Wärmekontraktion erfolgen.
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Weiter bevorzugt kann das Grundelement des Ventilelementes scheibenförmig ausgebildet sein. Somit kann das Grundelement einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Ventilelement einteilig ausgebildet sein und die Verbindungseinrichtung als Falz ausgebildet sein. Durch den einteiligen Aufbau des Ventilelementes kann eine potentielle Fehlerkette, die beim Montieren von mehreren Bauteilen auftauchen könnte, vermieden werden. Dadurch kann ferner die Funktion des Ventilelementes sichergestellt werden. Wenn die Verbindungseinrichtung als Falz ausgebildet ist, kann die Verbindungseinrichtung elastisch verformbar sein.
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Dadurch kann z.B. das Ventilelement von alleine von der zweiten Position in die erste Position, bzw. einem offenen Zustand zu einem geschlossenen Zustand des Injektors, gebracht werden, ohne dass der Aktor eine Kraft auf das Ventilelement ausüben muss. Der Falz kann z.B. mittels Prägens ausgebildet sein. Der Falz wirkt dabei als Knackfeder. Als Knackfeder ist eine metallische Feder zu verstehen, wobei das Metall so geprägt ist, dass es einen stabilen und einen metastabilen Zustand aufweist. Durch Krafteinwirkung wird das Metall verbogen, bis es plötzlich durch Beulen den metastabilen Zustand durchläuft, wobei ein Knackgeräusch entsteht.
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Vorzugsweise kann das Ventilelement genau eine erste und eine zweite Position aufweisen, wobei das Dichtelement die Öffnungen des Sitzträgers in der ersten Position verschließt und in der zweiten Position freigibt.
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Gemäß einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Ventilelement einteilig ausgebildet sein und die Verbindungseinrichtung als querschnittsreduzierter Bereich ausgebildet sein, insbesondere durch eine vorgesehene Nut oder zwei vorgesehene Nuten. Der Querschnittsbereich kann vorzugsweise durch eine oder zwei im Ventilelement ausgebildete, in Umfangsrichtung verlaufende Nuten erzeugt werden. Durch die Querschnittsverjüngung bzw. die Materialschwächung an der Stelle der Verbindungseinrichtung ist die Verbindungseinrichtung elastisch verformbar ausgebildet. Dadurch kann die Elastizität des querschnittsreduzierenden Bereichs genutzt werden, um das Ventilelement z.B. von der zweiten Position in die erste Position, bzw. einem offenen Zustand zu einem geschlossenen Zustand des Injektors, zu bringen, ohne dass der Aktor eine Kraft auf das Ventilelement ausüben muss.
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Ferner bevorzugt kann das Ventilelement ausschließlich aus einem Metall, insbesondere Federstahl, ausgebildet sein. Da metallische Bauteile temperaturbeständiger und verschleißfester im Vergleich zu anderen Materialien sind, kann somit das Ventilelement in einem anspruchsvollen Umfeld mit hohen Temperaturen und hohen auftretenden Kräften eingesetzt werden. Federstahl bietet zusätzlich den Vorteil, dass er eine deutliche höhere Festigkeit und Elastizitätsgrenze verglichen mit anderen Stahlen aufweist. Der Sitzträger kann vorzugsweise zumindest teilweise ebenso aus einem Metall, insbesondere Federstahl ausgebildet sein. Somit kann der Injektor eine gesamte geplante Lebensdauer z.B. einer Brennkraftmaschine überstehen.
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Des Weiteren kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verbindungseinrichtung ein Lager umfassen, welches das Dichtelement drehbar am Grundelement lagert. Somit kann die Öffnung des Sitzträgers durch eine Drehbewegung des Dichtelements in Bezug auf das Grundelement verschlossen oder freigegeben werden.
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Vorteilhafterweise kann das Stellelement linear bewegbar sein. Somit kann eine einfache Konstruktionslösung zum Betätigen des Ventilelements ermöglicht werden. Außerdem ist ein linear bewegbares Stellelement aufgrund der einfachen benötigten Führung und Lagerung von Vorteil.
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Vorzugsweise kann das Stellelement mit dem Ventilelement fest verbunden sein. Beispielsweise kann das Ventilelement mittels einer Schweißverbindung mit dem Ventilelement fest verbunden sein. Somit kann das Ventilelement schnell von der ersten Position, das heißt dem geschlossenen Zustand des Injektors, in die zweite Position, das heißt dem offenen Zustand des Injektors, gebracht werden. Insbesondere kann das Stellelement mit dem Grundelement des Ventilelements fest verbunden sein. Besonders bevorzugt können das Grundelement und das Stellelement auf einer gemeinsamen Mittellinie angeordnet sein. Somit kann die Kraft vom Stellelement auf das Grundelement übertragen werden, ohne dass Biegemomente im Grundelement verursacht werden.
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Alternativ kann vorzugsweise das Stellelement am Ventilelement lose anliegen. Somit kann das Bringen des Ventilelements von der ersten Position in die zweite Position lediglich auf einer Rückstellkraft aufgrund einer elastischen Verformung der Verbindungseinrichtung oder eines zusätzlichen vorgesehenen Rückstellelements erfolgen.
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Des Weiteren vorteilhaft ist wenn der Sitzträger einen Zylinderbereich aufweist, wobei die Öffnung des Sitzträgers an einem Außenumfang des Zylinderbereichs ausgebildet ist. Insbesondere kann der Sitzträger vollständig zylindrisch z.B. als Hülse ausgebildet sein. Vorzugsweise können mehrere Öffnungen des Sitzträgers in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Insbesondere kann der Sitzträger bevorzugt drei Öffnungen aufweisen. Entsprechend weist dann das Ventilelement drei Dichtelemente auf, welche in der ersten Position die drei Öffnungen des Sitzträgers verschließen. Die drei Öffnungen bzw. die drei Dichtelemente sind in einem Winkel von 120 Grad in Umfangsrichtung angeordnet. Durch das Vorsehen von drei Öffnungen im Sitzträger kann z.B. zum einen eine ausreichende Menge an Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt bzw. eingeblasen werden sowie eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum ermöglicht werden, und zum anderen eine Beeinträchtigung der strukturellen Integrität des Sitzträgers bzw. des Injektors wegen der hohen auftretenden Dichtkräfte vermieden werden.
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Ferner bevorzugt sind in Umfangsrichtung zwischen den Dichtelementen freie Pfade ausgebildet, über welche der Kraftstoff zu den Öffnungen des Sitzträgers in der zweiten Position des Ventilelements bzw. im offenen Zustand des Injektors zugeführt werden kann.
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Weiter bevorzugt ist das Dichtelement eingerichtet, eine Wälzbewegung bzw. eine Kippbewegung durchzuführen, wenn das Dichtelement von der ersten Position in die zweite Position bzw. von der zweiten Position in die erste Position gebracht wird.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Injektor gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben umfasst. Damit sind die oben mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Injektor genannten Vorteile verbunden.
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Weiter bevorzugt kann die Brennkraftmaschine einen Brennraum umfassen, an welchem der erfindungsgemäße Injektor direkt angeordnet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, vereinfachte perspektivische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich der Injektor im geschlossenen Zustand befindet,
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2 eine schematische, vereinfachte perspektivische Schnittansicht des in 1 gezeigten Injektors, wobei sich der Injektor im offenen Zustand befindet,
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3 eine schematische, vereinfachte Schnittansicht eines vergrößerten Bereichs des in 1 gezeigten Injektors,
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4 eine schematische, vereinfachte Schnittansicht eines vergrößerten Bereichs des in 2 gezeigten Injektors,
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5 eine schematische, vereinfachte perspektivische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich der Injektor im offenen Zustand befindet, und
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6 eine schematische vereinfachte Schnittansicht eines vergrößerten Bereichs des in 5 gezeigten Injektors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus den 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1, welcher ein Einblasinjektor für gasförmigen Kraftstoff ist, einen Sitzträger 2 mit einer Vielzahl von Öffnungen 20, ein Ventilelement 3, ein Stellelement 4 und einen nicht dargestellten Aktor in der Form einer Magnetspule.
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Der Sitzträger 2 ist als Hülse mit geschlossenem Boden ausgebildet und weist dementsprechend einen Zylinderbereich 21 auf, wobei die Öffnungen 20 an einem Außenumfang 22 des Zylinderbereichs 21 ausgebildet sind. Insbesondere sind drei Öffnungen 20 am Zylinderbereich 21 vorgesehen und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt.
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Ferner weist das Ventilelement 3 ein scheibenförmiges Grundelement 30, eine Vielzahl von Dichtelementen 31 und eine gelenkartige Verbindungseinrichtung 32 auf, wobei die gelenkartige Verbindungseinrichtung 32 das Grundelement 30 mit den Dichtelementen 31 verbindet. Das Ventilelement 3 ist ausschließlich aus Federstahl und einteilig ausgebildet. Ferner ist das Ventilelement 3 durch eine Pressverbindung 6 im Sitzträger 2 verspannt angeordnet. Des Weiteren ist die Verbindungseinrichtung 32 als querschnittsreduzierender Bereich ausgebildet, welcher durch eine erste Nut 33 und eine zweite Nut 34 im Ventilelement 3 erzeugt ist. Die Nuten 33, 34 sind jeweils auf einer flächigen Seite des Grundelements 30 in der Verbindungseinrichtung 32 ausgebildet.
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Das Stellelement 4 ist eingerichtet, das Ventilelement 3 von einer ersten Position A (1) in eine zweite Position B (2) zu bringen, wobei das Stellelement 4 über den Aktor betätigbar ist. Insbesondere ist das Stellelement 4 linear bewegbar. Ferner ist das Stellelement 4 mit dem Ventilelement 3 fest verbunden.
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Die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 sind über die Dichtelemente 31 in der ersten Position A verschlossen (geschlossener Zustand des Injektors), was in 1 und 3 gezeigt ist. In der zweiten Position B geben die Dichtelemente 31 des Ventilelements 3 die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 frei. So befindet sich der Injektor 1 in einem offenen Zustand (2 und 4).
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Nachfolgend wird kurz unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Injektors 1 beschrieben.
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Von der ersten Position A des Ventilelements 3 ausgehend, bei der die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 von den Dichtelementen 31 des Ventilelements 3 verschlossen sind bzw. bei der sich der Injektor 1 im geschlossenen Zustand befindet, wird der Aktor bestromt (1 und 3). Die Bestromung des Aktors verursacht eine in einer ersten Richtung R1 Bewegung des Stellelements 4, wobei die erste Richtung R1 parallel zu einer Längsachse X-X des Injektors 2 ist. Somit wird das Ventilelement 3 in die zweite Position B gebracht (2 und 4), wobei die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 geöffnet sind. Dabei wird die Verbindungseinrichtung 32 elastisch verformt.
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Kraftstoff, welcher in der Längsrichtung X-X des Injektors 1 zugeführt wird (Pfeil G), kann nun über die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 in einen Brennkraftraum 7 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine gelangen. Wird die Bestromung des Aktors beendet, kann das Ventilelement 3 durch eine Rückstellkraft der Verbindungseinrichtung 32 aufgrund ihrer elastischen Verformung in einer zweiten Richtung R2, entgegengesetzt zur ersten Richtung R1, bewegt und in die erste Position A zurückgebracht werden. Somit werden die Öffnungen 20 des Sitzträgers 2 durch die Dichtelemente 31 verschlossen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 ein Injektor 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel grundsätzlich dadurch, dass die Verbindungseinrichtung 32 des Ventilelements 3 als Falz mittels Prägens ausgebildet ist. Eine Falzlinie 35 des Falzes ist in 5 gezeigt. Hierbei fungiert das Ventilelement 3 als eine Knackfeder, wobei die Verbindungseinrichtung 32 elastisch verformt wird, wenn das Ventilelement 3 von der ersten Position A in die zweite Position B gebracht wird. Die Wirkungsweise des Injektors 1 in diesem Ausführungsspiel entspricht der des Injektors 1 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Durch den erfindungsgemäßen Injektor 1 kann ein kostengünstiger, platzsparender und nicht reparaturanfälliger Aufbau ermöglicht werden. Somit kann auch eine ausfallsichere Funktion einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden, wobei eine Kraftstoffmenge pro Einspritzvorgang bzw. Einblasvorgang exakt gehalten werden kann. Ferner können zusätzliche Bauteile wie z.B. ein Rückstellelement (Schließfeder) zum Verschließen des Injektors vermieden werden, wodurch eine hohe Bauraum- und Kostenersparnis ergeben kann.
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Es sei angemerkt, dass die vorhergehende Ausführungsform nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung dient. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
