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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs mit einer Dichtfläche, welche eine geometrisch klar definierte Mikrostruktur aufweist.
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In jüngster Zeit wird die Verwendung von gasbetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise mit Erdgas oder Wasserstoff, immer verbreiteter. Im Unterschied zu flüssigen Kraftstoffe haben gasförmige Kraftstoffe jedoch unterschiedliche Anforderungen, so dass speziell entwickelte Injektoren notwendig sind. Insbesondere bei einer Gas-Direkteinblasung, bei der Gas direkt in einen Brennraum eingeblasen wird, müssen aufgrund der hohen Drücke und der fehlenden Schmierwirkung des Gases neue Wege gegangen werden. Durch die Anordnung des Gasinjektors direkt am Brennraum sind zur Abdichtung beispielsweise elastomere Dichtelemente aufgrund der hohen Temperaturen am Brennraum nicht verwendbar. Weiterhin müssen Gasinjektoren aufgrund der gegenüber flüssigen Kraftstoffen geringeren Dichte des Gases im geöffneten Zustand große Querschnitte freigeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verbesserte Dichtheit erreicht werden kann. Weiterhin kann die Dichtheit über die gesamte Lebensdauer des Gasinjektors erreicht werden. Die Dichtheit wird dabei auch dann sichergestellt, wenn beispielsweise kleinste Partikel vorhanden sind, welche durch Abrieb während des Betriebs des Gasinjektors auftreten können, und den Dichtsitz nicht derart beschädigen können, dass die Dichtheit im geschlossenen Zustand des Gasinjektors negativ beeinträchtigt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Ventilschließelement, z.B. eine Ventilnadel, zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchlassöffnung eine erste Dichtfläche aufweist und ein Ventilsitz eine zweite Dichtfläche aufweist, welche im Schließzustand des Gasinjektors die Durchlassöffnung verschließen. Dabei ist erfindungsgemäß an wenigstens einer der Dichtflächen eine Mikrostruktur mit definierter Geometrie vorgesehen. Die Mikrostruktur ist an der Oberfläche der Dichtfläche z.B. durch das Vorsehen von geometrisch definierten Ausnehmungen ausgebildet. Die Mikrostruktur hat dabei vorzugsweise eine Tiefe von ungefähr 10 µm. Durch das Vorsehen der definierten Mikrostruktur werden die sich im geschlossenen Zustand des Gasinjektors effektiv in Kontakt befindlichen Bereiche der Dichtflächen derart reduziert, dass eine hohe Flächenpressung realisiert werden kann, ohne dass die Notwendigkeit besteht, hierzu die Dichtkräfte in gleichem Maße zu vergrößern. Die definierten Geometrien der Mikrostrukturen stellen ferner sicher, dass eine sehr hohe Robustheit gegenüber dem nur schwer zu vermeidenden Partikelverschleiß vorhanden ist, da durch die Mikrostrukturen zwischen den Dichtflächen immer eine Vielzahl von geschlossenen Linien zwischen den beiden Dichtpartnern vorhanden ist, welche das Auftreten von Leckagepfaden im Schließzustand verhindern.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise sind die definierten Mikrostrukturen an der ersten und zweiten Dichtfläche vorgesehen. Durch das Vorsehen der Mikrostrukturen an beiden Dichtpartnern kann eine noch sicherere Abdichtung über die Lebensdauer des Gasinjektors erreicht werden.
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Weiter bevorzugt ist die Mikrostruktur auf einem ringförmig umlaufend geschlossenen Bereich an einer der Dichtflächen, vorzugsweise an beiden Dichtflächen, ausgebildet.
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Vorzugsweise ist eine Fläche der Mikrostruktur an einer der Dichtflächen kleiner als eine Kontaktfläche zwischen den beiden Dichtflächen im geschlossenen Zustand des Gasinjektors. Hierdurch können insbesondere die Herstellkosten relativ gering gehalten werden. Alternativ ist die Fläche der Mikrostruktur an einer der Dichtflächen größer als eine Kontaktfläche zwischen den beiden Dichtflächen. Hierdurch kann insbesondere bei einer über die Lebensdauer möglicherweise auftretenden Vergrößerung der Kontaktfläche an einem der beiden Dichtpartner immer noch eine sichere Abdichtung über die komplette Kontaktzone der beiden Dichtpartner sichergestellt werden, da die Kontaktzone immer durch die größere geometrische Mikrostruktur abgedeckt ist.
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Weiter bevorzugt sind wenigstens 50% einer Kontaktfläche der Dichtfläche mit der geometrischen Mikrostruktur versehen.
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Weiter bevorzugt ist der Ventilsitz des Gasinjektors ein Flachsitz oder ein Kegelsitz. Entsprechend ist dann die Dichtfläche des Ventilschließelements ausgebildet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die definierte Mikrostruktur eine Vielzahl von ringförmigen, an der Dichtfläche verlaufenden Vertiefungen (Nuten) auf. Die ringförmigen Vertiefungen sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet und ermöglichen somit in Durchströmungsrichtung eine mehrfach in Reihe geschaltete Abdichtung durch eine Vielzahl konzentrischer Dichtlinien. Bevorzugt sind die ringförmigen Vertiefungen durch Verbindungsstege unterbrochen. Dies hilft effektiv, um Leckagepfade über die ringförmigen Vertiefungen zu unterbinden.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die geometrische Mikrostruktur eine Vielzahl von ovalförmigen oder rechteckigen Vertiefungen.
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Die geometrisch definierte Mikrostruktur wird vorzugsweise mittels eines Lasers hergestellt. Auch andere geometrische Strukturen, wie z.B. Ellipsen, n-Ecke oder in Umfangsrichtung verlaufende kurze Nuten, sind denkbar.
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Weiter bevorzugt ist das Ventilschließelement ein nach innen öffnendes Schließelement oder ein nach außen öffnendes Schließelement. Hierbei sind besonders bevorzugt nach außen öffnende Ventilschließelemente vorgesehen, da dadurch insbesondere große Querschnitte mit geringen Hüben freigegeben werden können, so dass eine ausreichende Gasmenge in kurzer Einblaszeit eingeblasen werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einem erfindungsgemäßen Gasinjektor, wobei der Gasinjektor unmittelbar am Brennraum angeordnet ist, um eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs durchzuführen.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Teilschnittansicht von 1,
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3 eine schematische Draufsicht der geometrisch definierten Mikrostruktur der Dichtfläche von 1,
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4 eine Schnittansicht von 3,
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5 eine Ansicht wie in 3 mit vorhandenen Defekten in der geometrisch definierten Mikrostruktur,
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6 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 eine schematische Schnittansicht von 6,
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8 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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9 und 10 schematische Draufsichten auf weitere verschiedene bevorzugte geometrisch definierte Mikrostrukturen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Gasinjektor 1 zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum 10 im Detail beschrieben.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 ein Ventilschließelement 2 und einen Ventilsitz 4. Zwischen dem Ventilschließelement 2 und dem Ventilsitz 4 wird eine Durchlassöffnung 3 freigegeben oder verschlossen, wenn das Ventilschließelement 2, wie durch den Doppelpfeil A angedeutet, axial bewegt wird.
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Am Ventilschließelement 2 ist eine erste Dichtfläche 5 vorgesehen. Eine zweite Dichtfläche 6 ist am Ventilsitz 4 ausgebildet. Eine geometrisch definierte Mikrostruktur 7 ist an der ersten Dichtfläche 5 gebildet. Die Mikrostruktur 7 umfasst eine Vielzahl von Vertiefungen 70, welche beispielsweise mittels eines Lasers hergestellt werden. An der zweiten Dichtfläche 6 sind keine Mikrostrukturen gebildet. Die Dichtfläche 6 ist durch ein übliches Oberflächenbehandlungsverfahren, z.B. Schleifen oder dergleichen, hergestellt.
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Die geometrisch definierten Mikrostrukturen sind in den 3 bis 5 ersichtlich. Wie in 3 gezeigt, sind die Vertiefungen 70 der geometrisch definierten Mikrostruktur 7 im Wesentlichen ovalförmig. Die einzelnen Vertiefungen liegen dabei jeweils auf einer gemeinsamen Linie L. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in den 3 und 5 nur eine Linie L angedeutet. Die Linie L ist eine Ringlinie, da es sich bei dem Gasinjektor des ersten Ausführungsbeispiels um einen Gasinjektor mit Flachsitz handelt (vergleiche 1). Eine Vielzahl von Vertiefungen ist dabei an einer Vielzahl von konzentrisch zueinander verlaufenden Ringlinien L angeordnet. Wie aus 3 ersichtlich ist, sind die Vertiefungen 70 an jeweils benachbarten Ringlinien in Umfangsrichtung etwas versetzt. Die Vertiefungen 70 sind dabei alle identisch ausgebildet. Dies muss allerdings nicht so sein, sondern es wäre auch denkbar, dass verschiedene Ringlinien L unterschiedliche geometrisch definierte Formen aufweisen.
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5 zeigt beispielhaft die Möglichkeit einer Beschädigung 8 der Mikrostruktur 7, wenn beispielsweise ein Partikel oder dergleichen während eines Schließvorgangs zwischen den beiden Dichtflächen 5, 6 befindlich war.
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Hierdurch kann eine Verbindung zwischen benachbarten Vertiefungen 70 hergestellt werden, was durch die Doppelpfeile D angedeutet ist. Allerdings kann keine Verbindung im geschlossenen Zustand in Durchströmungsrichtung C zwischen der Brennraum-zugewandten Seite 11 und der Brennraumabgewandten Seite 12 auftreten, da durch die Vielzahl der Ringlinien mit Vertiefungen immer wenigstens eine geschlossene Dichtlinie zwischen den beiden Dichtflächen 5, 6 verbleibt.
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Wie unmittelbar aus den 3 bis 5 ersichtlich ist, kann durch die definierte Oberflächenstrukturierung mittels Mikrostrukturen eine effektiv aufliegende Fläche zwischen den beiden Dichtflächen reduziert werden. Es werden keine zusätzlichen Leckagepfade in Durchströmungsrichtung C geschaffen. Auch wird bei einer Häufung von Beschädigungen 8 durch Partikel oder dergleichen nicht unmittelbar ein Leckagepfad in Durchströmungsrichtung C gebildet. Durch das Vorsehen der Vielzahl von Vertiefungen 70 in versetzter Weise in Durchströmungsrichtung C ist es extrem unwahrscheinlich, dass über die Lebensdauer ein Leckagepfad geschaffen wird.
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Ferner ist in den 3 und 5 eine Kontaktzone 9 zwischen der ersten Dichtfläche 5 und der zweiten Dichtfläche 6 eingezeichnet, was durch die gestrichelten Linien 91 und 92 angedeutet ist. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktzone 9 dabei kleiner als die Fläche der Mikrostruktur 7. Hierdurch kann insbesondere mit steigender Lebensdauer auch eine eventuell auftretende Verformung des Ventilsitzes 4, welcher sich möglicherweise in Breitenrichtung vergrößert, durch die größere Fläche der Mikrostruktur 7 aufgefangen werden.
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6 und 7 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Kegelsitz versehen. Hier ist eine Kontaktzone 9 des zweiten Ausführungsbeispiels größer als eine Fläche der Mikrostruktur 7. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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8 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die erste Dichtfläche 5 eine im Schnitt bogenförmige Form aufweist. Die zweite Dichtfläche 6 ist ebenfalls im Schnitt entsprechend bogenförmig ausgebildet.
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Die 9 und 10 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von geometrisch definierten Mikrostrukturen 7 für die Dichtflächen. Die in 9 gezeigte Mikrostruktur 7 ist durch in Umfangsrichtung unterbrochene Nuten gebildet. Hierbei sind zusätzliche Stege 72 vorgesehen.
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10 zeigt eine Mikrostruktur 7, bei der ellipsenförmige Vertiefungen 70 ausgebildet sind. Die ellipsenförmigen Vertiefungen 70 sind ebenfalls wieder auf einer Vielzahl von parallelen Ringlinien L angeordnet.
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Somit können erfindungsgemäß durch das Einbringen von geometrisch definierten Mikrostrukturen auf wenigstens eine Dichtfläche der beiden Dichtpartner die effektiv in Kontakt befindlichen Dichtbereiche derart reduziert werden, dass hohe Flächenpressungen zwischen den Dichtpartnern realisiert werden können, ohne dass dadurch die notwendigen Dichtkräfte im gleichen Maß vergrößert werden müssen. Durch die spezielle Gestaltung der Mikrostrukturen 7 kann außerdem erreicht werden, dass der erfindungsgemäße Gasinjektor äußerst robust gegenüber einem durch Partikel hervorgerufenen Verschleiß ist, wie schematisch in 5 gezeigt.
