-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Elastomerdichtung sowie eine Brennkraftmaschine.
-
Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Bisherige Konzepte bevorzugten die Einblasung des gasförmigen Kraftstoffs in ein Saugrohr, wobei geringere Temperaturen herrschen, so dass hier Elastomerdichtungen verwendet werden können. Die hohen Temperaturen des Brennraums verhindern jedoch bisher die Verwendung von Elastomerdichtungen bei direkt in den Brennraum einblasenden Gasinjektoren. Aufgrund der guten Dichtwirkungen von Elastomerdichtungen wäre jedoch eine Verwendung derartiger Dichtungen wünschenswert, insbesondere da das Elastomermaterial auch eine zusätzliche Dämpfung bereitstellt und insbesondere auch das sog. „Prellverhalten“, d.h., nochmalige kurzzeitige Abheben eines Ventilschließelements nach dem Schließvorgang und das Verschleißverhalten positiv beeinflusst. Von daher wäre es wünschenswert, einen direkteinblasenden Gasinjektor bereitzustellen, welcher auch die Möglichkeit der Verwendung von Elastomerdichtungen bietet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Elastomerdichtung zur Abdichtung des direkteinblasenden Gasinjektors verwendet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Abschirmelement vorgesehen ist, welches ein brennraumseitiges Ende eines Ventilschließelements und damit auch einen Dichtsitz gegenüber dem Brennraum abschirmt. Dadurch wird verhindert, dass die im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen unmittelbar auf das Ventilschließelement und die Elastomerdichtung wirken. Somit wird erfindungsgemäß ein wirksamer Schutz gegenüber den hohen Temperaturen im Brennraum realisiert, so dass ein direkt einblasender Gasinjektor mit Elastomerdichtung verwirklicht werden kann. Die Verwendung der Elastomerdichtung hat ferner den Vorteil, dass eine zusätzliche Dämpfung beim Schließvorgang des Ventilschließelements erhalten werden kann, so dass das Prellverhalten minimiert werden kann. Ferner kann die Elastomerdichtung bei einer relativ geringen Flächenpressung im geschlossenen Zustand eine ausreichende Dichtheit auch für gasförmige Kraftstoffe bereitstellen. Darüber hinaus werden Formungenauigkeiten und Oberflächenstrukturen durch die Elastizität der Elastomerdichtung schon bei geringen Flächenpressungen ausgeglichen, was wiederum die Aktorkraft minimiert.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Die Elastomerdichtung ist vorzugsweise an einem Ventilschließelement oder an einem Ventilkörper angeordnet.
-
Besonders bevorzugt ist das Abschirmelement beweglich angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine gezielte Abschirmung des Ventilschließelements und insbesondere der Elastomerdichtung erreicht wird. Insbesondere kann eine vollständige Abschirmung mittels des Abschirmelements bei Auftreten von hohen Temperaturen im Brennraum erreicht werden, wenn das bewegliche Abschirmelement eine Verbindung zum Brennraum unterbricht.
-
Besonders bevorzugt ist das Abschirmelement in Axialrichtung versetzbar. Hierdurch kann ein schnelles und sicheres Abschirmen realisiert werden. Das Abschirmelement ist dabei besonders bevorzugt eine Scheibe.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ferner ein Federelement, welches das Abschirmelement vorspannt. Hierdurch weist das federvorgespannte Abschirmelement eine Funktion ähnlich einem Rückschlagventil auf, wobei das Federelement das Abschirmelement bei hohen Temperaturen im geschlossenen Zustand hält.
-
Vorzugsweise ist ein Federträger vorgesehen, an welchem sich das Federelement abstützt. Das Federelement ist besonders bevorzugt zwischen dem Federträger und dem Abschirmelement angeordnet.
-
Weiter bevorzugt ist ein Schutzraum vorgesehen, welcher insbesondere zwischen dem Abschirmelement und dem Federträger ausgebildet ist, und in welchem das Federelement angeordnet ist. Dadurch kann auch das Federelement vor zu hohen Temperaturen sicher geschützt werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Federträger brennraumnäher als das Abschirmelement angeordnet. Hierdurch wird auch ein zusätzlicher Schutz durch den Federträger erreicht. Mit anderen Worten schützt der Federträger, welcher näher zum Brennraum angeordnet ist, zusätzlich noch das Abschirmelement, so dass am Ventilschließelement und an der Elastomerdichtung noch geringere Temperaturen herrschen.
-
Das Abschirmelement ist besonders bevorzugt derart eingerichtet, dass ein Druck des gasförmigen Kraftstoffs ausreicht, um das Abschirmelement zu öffnen. Hierdurch kann insbesondere ein automatisches Öffnen des Abschirmelements in Abhängigkeit beispielsweise von einer Wahl einer Federkraft des Federelements realisiert werden. Insbesondere in einer Zyklusphase der Brennkraftmaschine, wenn der Brennraumdruck gering ist, insbesondere in der Saugphase oder kurz vor oder nach der Saugphase, öffnet das Ventilschließelement, so dass der Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs ausreicht, um auch das Abschirmelement gegen die Federkraft zu öffnen. Dadurch kann eine Einblasung des Kraftstoffs direkt in den Brennraum ermöglicht werden.
-
Weiter bevorzugt weist das Abschirmelement eine scheibenförmige Gestalt ohne Durchgangsöffnungen auf. Am Rand des scheibenförmigen Abschirmelements können Öffnungen und/oder Schlitze und/oder Nuten vorgesehen sein. Hierdurch kann ein besonders effektiver Schutz der Elastomerdichtung und des Ventilschließelements erreicht werden.
-
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Abschirmelement ortsfest angeordnet und weist wenigstens eine Durchgangsöffnung auf. Besonders bevorzugt sind mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen, um eine möglichst breite Streuung des eingeblasenen Kraftstoffs zu ermöglichen.
-
Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor als nach außen öffnender Gasinjektor vorgesehen, d.h., das Ventilschließelement wird in Richtung des Brennraums bewegt, um den Gasinjektor zu öffnen.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche einen Brennraum und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor umfasst, wobei der Gasinjektor unmittelbar am Brennraum angeordnet ist, um gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
2 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
4 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
5 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
-
6 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 ein Ventilschließelement 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Ventilnadel ist. Das Ventilschließelement 2 ist in einem Ventilkörper 8 angeordnet. Das Ventilschließelement 2 verschließt dabei eine Durchlassöffnung 3 an einem sich verjüngenden Dichtsitz 4. Der Gasinjektor ist ein nach außen öffnender Injektor.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist am Dichtsitz 4 eine Elastomerdichtung angeordnet. Die Elastomerdichtung 5 ist am Ventilkörper 8 angeordnet und dichtet mit einer Dichtfläche am Ventilschließelement 2 ab. 1 zeigt dabei den geöffneten Zustand des Gasinjektors. Die Pfeile in 1 verdeutlichen dabei den Strömungsweg des Gases in einen Brennraum 16.
-
Der Gasinjektor 1 ist ein direkteinblasender Gasinjektor, welcher den gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum 16 einbläst. Das Ventilschließelement 2 wird mittels eines Aktors 6, beispielsweise eines elektromagnetischen Aktors oder eines Piezoaktors, betätigt. Eine Rückstellung des Ventilschließelements 2 erfolgt in bekannter Weise mittels eines Federelements oder dgl.
-
Erfindungsgemäß ist nun ein Abschirmelement 7 vorgesehen, welches die Elastomerdichtung 5 gegenüber dem Brennraum 16 abschirmt. Dadurch wird vermieden, dass die im Brennraum auftretenden hohen Temperaturen Schäden an der Elastomerdichtung 5 verursachen.
-
Das Abschirmelement 7 ist ein scheibenförmiges Element, welches am Rand Öffnungen und/oder Schlitze und/oder Nuten aufweist, wobei die Scheibe am Außendurchmesser geführt wird. Das Abschirmelement 7 ist dabei mittels eines Federelements 9 vorgespannt. Das Federelement 9 ist an einem Federträger 10 gehalten. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Federträger 10 am Ventilkörper 8 fixiert, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung. Im Federträger 10 sind ferner ebenfalls Einblasöffnungen 14 vorgesehen. Die Einblasöffnungen 14 sind dabei derart angeordnet, um ein gewünschtes Einblasspray des gasförmigen Kraftstoffs zu erhalten.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, legt sich das Abschirmelement 7 im geschlossenen Zustand vor die Durchlassöffnung 3, so dass keine direkte Verbindung mehr zwischen dem Brennraum 16 und der Elastomerdichtung 5 sowie dem Ventilschließelement 2 vorhanden ist. Zwischen dem Abschirmelement 7 und dem Ventilschließelement 2 ist dabei ein Zwischenraum 15 vorgesehen.
-
Da das Abschirmelement 7 mittels des Federelements 9 vorgespannt ist, wobei das Federelement 9 eine Federkraft F in Richtung zum Ventilschließelement 2 aufbringt, um das Abschirmelement 7 möglichst immer in den geschlossenen Zustand zu bringen, verschließt das Abschirmelement tendenziell immer die Durchlassöffnung 3.
-
Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1 ist das Ventilschließelement gegen die Elastomerdichtung 5 gedrückt. Steigt ein Druck im Brennraum 16 an, so übersteigt der Brennraumdruck sowie die Federkraft F die im Zwischenraum 15 durch den Gasdruck des Kraftstoffs vorhandene Kraft. Dadurch legt sich das Abschirmelement 7 an den Ventilkörper 8 an und schützt die Elastomerdichtung 5 vor heißen Brennraumgasen.
-
Zum Öffnen des Ventils wird der Aktor 6 betätigt, so dass das Ventilschließelement 2 in die in 1 gezeigte Position gebracht wird. Dadurch strömt gasförmiger Kraftstoff in den Zwischenraum 15, wobei dann der Druck im Zwischenraum 15 steigt und deshalb das Abschirmelement 7 bewegt wird. Somit wird das Abschirmelement 7 gezielt über den Druckaufbau im Zwischenraum 15 gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Brennkraftmaschine im Ansaugmodus, so dass ein Druck im Brennraum 16 kleiner ist als der Gasdruck im Zwischenraum 15. Dadurch reicht der Gasdruck im Zwischenraum 15 aus, um das Abschirmelement 7 gegen die Kraft des Federelements 9 zu bewegen. Dadurch hebt das Abschirmelement 7 vom Ventilkörper 8 ab, so dass gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum 16 eingeblasen werden kann.
-
Somit ermöglicht das beweglich angeordnete Abschirmelement 7 insbesondere während der heißen Phase im Brennraum 16 eine sichere Abdichtung der Elastomerdichtung 5. Das Abschirmelement, welches in diesem Ausführungsbeispiel scheibenförmig ist, wird in Axialrichtung X-X versetzt, wenn der Druck im Zwischenraum 15 größer ist als die Summe des Drucks im Brennraum 16 und die Federkraft F des Federelements 9. Somit kann ein Gasinjektor unter Verwendung einer Elastomerdichtung 5 bereitgestellt werden, welcher eine Direkteinblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum 16 ermöglicht. Das Abschirmelement 7 wirkt dabei in ähnlicher Weise wie ein Rückschlagventil und öffnet abhängig von den unterschiedlichen Druckverhältnissen im Zwischenraum 15 und im Brennraum 16. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist selbst im geöffneten Zustand des Abschirmelements 7 eine gute Abschirmung des Elastomerelements möglich. Dies wird zusätzlich noch durch die Ausgestaltung des Ventilschließelements 2 mit einem im Wesentlichen A-förmigen Endbereich, an welchem die Abdichtung zur Elastomerdichtung 5 erfolgt.
-
2 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel zwischen dem Abschirmelement 7 und dem Federträger 10 ein ringförmiger Schutzraum 11 ausgebildet. Im Schutzraum 11 ist das Federelement 9 angeordnet. Dadurch wird ein Schutz des Federelements 9 möglich, welches dann nicht den heißen Brennraumgasen ausgesetzt ist. Ferner ist zwischen dem Abschirmelement 7 und dem Federträger 10 eine Führung 13 ausgebildet. Hierdurch wird eine gerichtete Bewegung des Abschirmelements 7 sichergestellt. Ferner dient der Federträger 10 auch als Hubanschlag 12 für das Abschirmelement 7.
-
3 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei ebenfalls ein Schutzraum 11 zur Aufnahme des Federelements 9 zwischen dem Abschirmelement 7 und dem Federträger 10 gebildet ist. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist beim dritten Ausführungsbeispiel der Schutzraum 11 durch eine ringförmige Ausnehmung 101 im Federträger 10 gebildet. Das Abschirmelement 7 ist als einfach herstellbare Scheibe ohne Durchlassöffnungen ausgebildet.
-
Das in 4 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel weist einen etwas anderen Aufbau auf. In Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 ist dabei das Abschirmelement 7 näher am Brennraum 16 angeordnet, als der Federträger 10. Ferner ist das Federelement 9 eine Tellerfeder. Weiterhin ist am Abschirmelement 7 eine Federauflage 70 vorgesehen, welche über ein Verbindungsbauteil 71 mit dem Abschirmelement 7 verbunden ist. Die Federauflage 70 begrenzt einen Hub des Abschirmelements 7. Der Federträger 10 ist einstückig mit dem Ventilkörper 8 gebildet.
-
5 zeigt eine weitere Alternative eines Gasinjektors 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Elastomerdichtung 5 als Flachsitz ausgebildet. Weiterhin ist das Ventilschließelement 2 mit einem hohlen Kanal 20 vorgesehen. Das Abschirmelement 7 dichtet dabei wieder am Ventilkörper 8 ab. Durch einen am Federträger 10 vorgesehenen, radial nach innen verlaufenden Flansch 102, wird auch das Federelement 9 vor den heißen Brennraumgasen geschützt. Trotzdem bleibt eine ausreichend große Öffnung 103 vorgesehen, um eine Einblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum 16 zu ermöglichen.
-
6 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, welche jeweils ein in Axialrichtung X-X bewegbares Abschirmelement 7 gezeigt haben, ist das sechste Ausführungsbeispiel mit einem feststehenden Abschirmelement 7 vorgesehen. Das Abschirmelement 7 weist dabei eine Vielzahl von Einblasöffnungen 73 auf. Das feststehende Abschirmelement 7 ist über ein Verbindungselement 17 mit einem Zylinderkopf 18 in leitender Weise verbunden, so dass Wärme direkt an den Zylinderkopf 18 abgegeben werden kann. Die Elastomerdichtung 5 ist dabei in einer im Ventilkörper 8 vorgesehenen Nut angeordnet. Die im Abschirmelement 7 vorgesehenen Einblasöffnungen 73 können dabei individuell für verschiedene Brennkraftmaschinen ausgelegt werden. Dadurch sind die strahlspezifischen Anpassungen in einem Bauteil konzentriert.
