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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs mit einer kardanischen Lagerung.
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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. Hierbei wird bisher üblicherweise eine Saugrohreinblasung ausgeführt. Es wäre jedoch wünschenswert, auch eine Direkteinblasung von gasförmigen Kraftstoffen direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine umzusetzen. Da bei der Direkteinblasung jedoch hohe Temperaturen herrschen, können zur Abdichtung des Injektors keine Elastomere verwendet werden, wie dies beispielsweise bei der Saugrohreinblasung möglich ist. Die Abdichtung des gasförmigen Kraftstoffs ohne Elastomere bereitet jedoch Schwierigkeiten. Eine Möglichkeit ist beispielsweise die Verwendung von Metall-Metall-Abdichtungen mit zwei metallischen Dichtpartnern, welche die geforderten Dichtheitsanforderungen für Gase jedoch nur bei hoher Oberflächengüte der Dichtpartner erfüllen können. Auch darf hierbei nur ein minimaler Verschleiß an den Dichtflächen über die Lebensdauer des Injektors auftreten, was insbesondere aufgrund der fehlenden Dämpfung des gasförmigen Kraftstoffs beim Schließvorgang im Vergleich mit flüssigen Kraftstoffen nicht gegeben ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass höchste Anforderungen an eine Dichtheit bei geschlossenem Gasinjektor sowie die Möglichkeit der Freigabe von großen Querschnitten zum Einblasen großer Gasmengen vorhanden ist. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Gasinjektor temperaturbeständig, so dass problemlos eine Anordnung unmittelbar an einem Brennraum für eine Direkteinblasung möglich ist. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Gasinjektor einen kompakten, einfachen und kostengünstigen Aufbau auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor eine mittels eines Aktors betätigbare Ventilnadel und ein Abdichtelement zur Abdichtung an einem ortsfesten Injektorbauteil umfasst. Wenigstens ein Dichtsitz mit einer ersten und zweiten Dichtfläche ist vorgesehen, wobei die erste Dichtfläche am Abdichtelement angeordnet ist und die zweite Dichtfläche am ortsfesten Injektorbauteil angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein kardanisches Lager vorgesehen, welches zwischen dem Abdichtelement und der Ventilnadel angeordnet ist. Das Abdichtelement ist dabei lose an der Ventilnadel angeordnet. Somit kann das Abdichtelement während des Schließvorgangs Ausrichtvorgänge relativ zum ortsfesten Injektorbauteil ausführen, so dass immer eine sichere Abdichtung des Dichtsitzes im geschlossenen Zustand des Injektors vorhanden ist. Durch das kardanische Lager zwischen Abdichtelement und Ventilnadel kann das Abdichtelement in jegliche Richtung bewegt werden, um Ausgleichsbewegungen durchzuführen. Die Bewegungen können dabei Drehungen um einen zentralen Punkt sein oder alternativ auch lineare Bewegungen des Abdichtelements relativ zur Ventilnadel, insbesondere in Radialrichtung der Ventilnadel.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist das kardanische Lager eine Teilkugelfläche auf. Hierdurch kann bei einer Bewegung bzw. Versetzung des Abdichtelements an der Teilkugelfläche in jeglicher Stellung eine sichere Kontaktierung zwischen dem Abdichtelement und der Ventilnadel ermöglicht werden.
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Das kardanische Lager ist vorzugsweise an einem einblasseitigen Ende der Ventilnadel angeordnet. Dabei wird das kardanische Lager selbst nicht als Dichtfläche verwendet.
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Besonders bevorzugt ist zwischen dem Abdichtelement und dem ortsfesten Injektorbauteil eine Vielzahl von Dichtsitzen angeordnet. Hierdurch ist es insbesondere möglich, dass mehrere Durchtrittsöffnungen im Abdichtelement vorgesehen werden können, so dass bei einem Öffnen des Injektors ein großer Gasstrom durch die Vielzahl von Durchtrittsöffnungen eingeblasen werden kann.
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Bevorzugt weist das Abdichtelement eine in Axialrichtung durch das Abdeckelement verlaufende Durchtrittsöffnung für den Kraftstoff auf.
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Besonders bevorzugt liegen alle Dichtflächen am Abdichtelement in einer Ebene.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Durchtrittsöffnung im Abdichtelement eine Vielzahl von Hüllsegmenten. Hierdurch ergibt sich eine nierenförmige Anordnung mehrerer Durchtrittsöffnungen.
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Weiter bevorzugt weist das Abdichtelement eine Durchgangsöffnung auf, durch welche die Ventilnadel hindurchgeführt ist und in welcher das kardanische Lager angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders kompakter und einfacher Aufbau realisiert werden.
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Der Gasinjektor umfasst dabei ferner bevorzugt ein Verschlusselement, welches die Durchgangsöffnung im Abdichtelement am einblasseitigen Ende fluiddicht verschließt. Das Verschlusselement kann beispielsweise eine Kappe oder dergleichen sein, welche am Abdichtelement verschweißt ist. Hierdurch kann insbesondere eine sichere, fluiddichte Abdichtung der Durchgangsöffnung erreicht werden.
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Das kardanische Lager umfasst bevorzugt eine Teilkugelfläche an der Ventilnadel. Alternativ ist die Teilkugelfläche am Abdichtelement vorgesehen. Weiter bevorzugt ist am Abdichtelement ein sich verjüngender Bereich, insbesondere konischer Bereich, vorgesehen, welcher im geschlossenen Zustand die Teilkugelfläche an der Ventilnadel kontaktiert. Alternativ kann auch eine verrundete Kante als Gegenstück zur Teilkugelfläche vorgesehen sein.
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Alternativ ist eine Teilkugelfläche an einem mit der Ventilnadel verbundenen Lagerbauteil vorgesehen. Hierdurch wird zwar die Teileanzahl erhöht, jedoch kann das zusätzliche Lagerbauteil individuell auf verschiedene Anforderungen hin angepasst werden, beispielsweise verschiedene Anforderungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinenhersteller. Das kardanische Lager ist dann zwischen dem Abdichtelement und dem zusätzlichen Lagerbauteil vorgesehen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung 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. Besonders bevorzugt ist der Gasinjektor ein nach außen öffnender Gasinjektor.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung 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 Injektors zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im geschlossenen Zustand,
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2 eine schematische Schnittansicht des Injektors von 1 im geöffneten Zustand,
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3 eine perspektivische Ansicht eines Abdichtelements des ersten Ausführungsbeispiels,
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4 eine schematische Teil-Schnittansicht eines kardanischen Lagers des ersten Ausführungsbeispiels,
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5 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geöffneten Zustand,
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6 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand, und
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7 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand.
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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 Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 eine Ventilnadel 3, welche mittels eines Aktors 4, z.B. eines Magnetaktors oder eines Piezoaktors, betätigbar ist. Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein Injektorbauteil 8 mit Durchlässen 80, durch welche der gasförmige Kraftstoff in Richtung des brennraumseitigen Injektorendes förderbar ist. Der Gasinjektor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein direkteinblasender Gasinjektor, welcher den gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum 11 einbläst.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein Abdichtelement 5, welches an dem zum Brennraum 11 gerichteten Ende des Injektors angeordnet ist. Das Abdichtelement 5 ist mittels der Ventilnadel 3 am Injektor gehalten, wobei das Abdichtelement 5 lose, aber verliersicher an der Ventilnadel 3 angeordnet ist.
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Zwischen dem Abdichtelement 5 und der Ventilnadel 3 ist ein kardanisches Lager 2 angeordnet. Das kardanische Lager 2 stellt dabei sicher, dass das lose an der Ventilnadel 3 angeordnete Abdichtelement 5 sich in alle Richtungen bewegen kann.
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Dies ist, wie in 4 gezeigt, dadurch gelöst, dass das kardanische Lager 2 eine Teilkugelfläche 20 aufweist, welche an einem wulstartigen Endbereich 30 der Ventilnadel 3 ausgebildet ist. Das Abdichtelement 5 umfasst eine sich verjüngende Fläche 50, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine konische Fläche ist, so dass das Abdichtelement 50, welches lose an der Ventilnadel 3 angeordnet ist, Ausgleichsbewegungen ausführen kann. Das Abdichtelement 50 kann dabei allseitig drehbare Ausgleichsbewegungen ausführen und somit eine sichere Abdichtung ermöglichen.
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Zur Abdichtung ist zwischen dem Abdichtelement 5 und dem ortsfesten Injektorbauteil 8 ein Dichtsitz 7 mit einer ersten Dichtfläche 71 und einer zweiten Dichtfläche 72 ausgebildet. Die beiden Dichtflächen 71, 72 sind jeweils in einer Ebene E, senkrecht zur Axialrichtung X-X des Injektors angeordnet. Die erste Dichtfläche 71 ist dabei am Abdichtelement 5 vorgesehen und die zweite Dichtfläche 72 ist am Injektorbauteil 8 vorgesehen.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst die erste Dichtfläche 71 drei konzentrische Ringkreisflächen 71a, 71b, 71c, wobei die Durchtrittsöffnungen 6 nierenförmig zwischen der innersten Ringkreisfläche 71a und der mittleren Ringkreisfläche 71b angeordnet sind.
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Die erste Dichtfläche 71 kann dabei einfach mittels eines polierenden Verfahrens oder Lappens hergestellt werden.
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In gleicher Weise kann auch die zweite Dichtfläche 72 am Injektorbauteil 8 vorgesehen werden, welche in diesem Ausführungsbeispiel nur als polierte Fläche vorgesehen ist.
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Das Abdichtelement 5 und das Injektorbauteil 8 sind vorzugsweise aus einem keramischen Material hergestellt.
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Im Abdichtelement 5 wird die Durchgangsöffnung 9 ferner mittels eines Verschlusselements 10 verschlossen. Das Verschlusselement 10 kann beispielsweise mittels einer Schweißverbindung mit dem Abdichtelement 5 verbunden sein.
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Weiterhin ist ein Federelement 12 vorgesehen, welches eine Federkraft F in Richtung des Abdichtelements 5 ausübt. Wird der Aktor 4 aktiviert, wird die Ventilnadel 3 in Richtung des Pfeils A bewegt (1) und durch die Federkraft F des Federelements 12 unterstützt. Dadurch bewegt sich das Abdichtelement 5 von dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand in den in 2 gezeigten geöffneten Zustand, so dass eine Einblasung von Kraftstoff erfolgen kann. Dies ist in 2 durch die Pfeile B angedeutet.
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Der gasförmige Kraftstoff strömt dabei durch die Durchtrittsöffnungen 6 sowie am äußeren Umfang des im Wesentlichen zylindrischen Abdichtelements 5 in den Brennraum 11 ein. Somit kann eine Direkteinblasung von gasförmigem Kraftstoff realisiert werden, ohne dass als Abdichtelemente Elastomere oder dergleichen notwendig sind, welche die hohen Temperaturbelastungen unmittelbar am Brennraum 11 nicht ohne Beschädigung überstehen.
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Zum Schließen wird die Aktivierung des Aktors 4 beendet, so dass ein nicht gezeigtes Rückstellelement die Ventilnadel 3 wieder in die in 1 gezeigte Position zurückstellt. Dies ist in 1 durch den Pfeil C angedeutet. Während des Rückstellvorgangs kommt, wie aus 4 erkennbar, die Teilkugelfläche 20 in Kontakt mit der sich verjüngenden Fläche 50 des Abdichtelements 5. Sobald das Abdichtelement 5 das Injektorbauteil 8 berührt, erfolgt automatisch eine Ausrichtung des Abdichtelements 5 an dem kardanischen Lager 2 (Pfeil D) zwischen Abdichtelement 5 und Ventilnadel 3. Hierdurch wird automatisch eine Nachstellung der Parallelität der beiden Dichtflächen 71, 72 erreicht. Hierdurch kann der als Flachsitz ausgebildete Dichtsitz 7 sicher abdichten.
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor hat dabei den Vorteil, dass nur ein geringer Ventilnadelhub ausgeführt werden muss, da aufgrund der Durchströmung und Umströmungsmöglichkeit des Abdichtelements 5 große Durchtrittsquerschnitte möglich sind, so dass große Gasmengen eingeblasen werden können. Die Dichtflächen 71, 72 können plangeschliffen werden, so dass eine geringe Linienlast vermieden werden kann. Auch werden Parallelitätsfehler durch das kardanische Lager 2 ausgeglichen. Da das Federelement 12 immer eine Federkraft F in Richtung des Abdichtelements 5 vorsieht, wird auch im geschlossenen Zustand ständig eine Vorspannung der kardanischen Lagerung erreicht.
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5 zeigt einen Injektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel der Aufbau des Abdichtelements 5 einfacher. Hierbei sind keine Durchtrittsöffnungen 6 im Abdichtelement 5 vorgesehen. 5 zeigt den geöffneten Zustand des Gasinjektors 1, was verdeutlicht, dass der gasförmige Kraftstoff nur am äußeren Umfang des Abdichtelements 5 austritt. Die zentrale Durchgangsöffnung 9 ist wiederum mittels eines Verschlusselements 10 verschlossen. Das kardanische Lager 2 zwischen der Ventilnadel 3 und dem Abdichtelement 5 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel gebildet. Es sei angemerkt, dass das kardanische Lager 2 aber auch beispielsweise durch Vorsehen von zwei Teilkugelflächen, eine am Abdichtelement 5 und eine an der Ventilnadel 3, vorgesehen werden kann.
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6 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist beim dritten Ausführungsbeispiel ein teilkugelförmiges Abdichtelement 15 vorgesehen. Das teilkugelförmige Abdichtelement 15 dichtet dabei am ersten Dichtsitz 7 an einer Dichtkante 16, welche an einem ortsfesten Injektorbauteil 8 vorgesehen ist, ab. Das Abdichtelement 15 umfasst ferner eine Durchgangsöffnung 9, durch welche die Ventilnadel 3 geführt ist. Die Ventilnadel 3 umfasst an ihrem brennraumseitigen Ende 11 eine Abdichtscheibe 30, welche an einer Unterseite des Abdichtelements 15 abdichtet. Wie durch die beiden Pfeile G angedeutet, ist das Abdichtelement 15 des dritten Ausführungsbeispiels in radialer Richtung, senkrecht zur Axialrichtung X-X bewegt. Dies wird durch ein vorbestimmtes Spiel 17 zwischen der Ventilnadel 3 und der Durchgangsöffnung 9 realisiert. Dadurch kann das Abdichtelement 15, welches lose an der Ventilnadel 3 angeordnet ist, Ausgleichsbewegungen ausführen und insbesondere ein Verkippen oder dergleichen der Ventilnadel 3 ausgleichen. Somit kann das kardanische Lager zwischen dem Abdichtelement 5 und dem Injektorbauteil 8 auch einen während des langjährigen Betriebs auftretenden Verschleiß kompensieren.
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7 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Injektor 1 ist im geschlossenen Zustand dargestellt. Das Abdichtelement 5 dieses Ausführungsbeispiels ist zweiteilig mit einem ersten Bauteil 53 und einem zweiten Bauteil 54 ausgebildet, welche mittels einer Radialschweißnaht 55 miteinander verbunden sind. Wie aus 7 ersichtlich ist, ergibt sich hierbei ein Hohlraum, in dem ein Ende der Ventilnadel 3 angeordnet ist. Im Innenbereich des zweiten Bauteils 54 ist eine Teilkugelfläche 20 ausgebildet. Die Teilkugelfläche 20 bildet dabei mit einer abgerundeten Kante 21 an der Ventilnadel 3 das kardanische Lager 2. Der Dichtsitz 7 ist zwischen einem ortsfesten Injektorbauteil 8 und dem ersten Bauteil 53 des Abdichtelements 5 vorgesehen. Es sei angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass die Teilkugelfläche an der Ventilnadel 3 ausgebildet ist und beispielsweise eine konische Fläche am zweiten Bauteil 54 vorgesehen ist, um das kardanische Lager 2 bereitzustellen.
