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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen direkteinblasenden Gasinjektor zum Einblasen von gasförmigen Kraftstoffen direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem wärmegeschützten Elastomerdichtelement.
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Neben flüssigen Kraftstoffen werden im Kraftfahrzeugbereich in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Ein Problemkreis bei derartigen Gasinjektoren ist die Abdichtung, insbesondere bei unmittelbar in den Brennraum direkteinblasenden Gasinjektoren. Ein geeignetes Dichtungsmaterial wäre hierbei beispielsweise ein Elastomer. Aufgrund seiner begrenzten Temperaturbeständigkeit und einer hohen Verschleißanfälligkeit ist dieser für direkteinblasende Gasinjektoren bisher jedoch noch nicht verwendet worden. Der Elastomer weist gute Abdichtungseigenschaften für gasförmige Medien auf und ferner auch hervorragende Dämpfungseigenschaften während eines Schließvorgangs. Es wäre daher wünschenswert, einen direkteinblasenden Gasinjektor zu haben, bei welchem auch Elastomerdichtungen verwendet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Verwendung eines Elastomerdichtelements an einem Dichtsitz möglich ist. Hierzu sind erfindungsgemäß zwei Dichtsitze vorgesehen, wobei ein erster Dichtsitz, insbesondere ein metallischer oder keramischer Dichtsitz, mit metallischen oder keramischen Dichtpartnern ist. Der zweite Dichtsitz umfasst wenigstens ein Elastomerdichtelement und stellt die eigentliche Abdichtung des Gasinjektors im geschlossenen Zustand bereit. Hierdurch muss der erste Dichtsitz, welcher der elastomerfreie Dichtsitz ist, nicht vollständig dicht sein, da der zweite Dichtsitz die vollständige Abdichtung im geschlossenen Zustand übernimmt. Dadurch kann eine Auslegung des ersten Dichtsitzes vereinfacht werden. Der elastomerfreie erste Dichtsitz ist somit als temperaturunempfindlicher Dichtsitz ausgebildet und liegt in Axialrichtung des Gasinjektors näher am Brennraum als der elastomerhaltige zweite Dichtsitz. Dadurch ist der elastomerhaltige zweite Dichtsitz weiter entfernt vom heißen Brennraum angeordnet. Somit übernimmt der elastomerfreie erste Dichtsitz die Funktion der Abschirmung des elastomerhaltigen zweiten Dichtsitzes von den heißen Brennraumgasen. Selbstverständlich dichtet der elastomerfreie erste Dichtsitz ebenfalls ab, muss jedoch nicht 100%ig gasdicht ausgelegt sein. Die Anordnung des elastomerhaltigen Dichtsitzes ist somit örtlich getrennt von der Position des elastomerfreien Dichtsitzes. Zum Schutz des elastomerhaltigen zweiten Dichtsitzes ist ferner ein erstes thermisches Isolationselement angeordnet. Das thermische Isolationselement weist dabei einen niedrigen Wärmeleitwert auf und schützt den elastomerhaltigen zweiten Dichtsitz vor zu hohen Temperaturen. Dadurch werden Beschädigungen am Elastomerdichtelement des zweiten Dichtsitzes aufgrund zu hoher Temperaturbelastung verhindert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist der erste elastomerfreie Dichtsitz zusätzlich auch ein Hubanschlag für den Gasinjektor. Dadurch übernimmt der erste, elastomerfreie Dichtsitz zusätzlich noch die Funktion eines Anschlags. Hierdurch kann eine Teilezahl des Gasinjektors weiter reduziert werden und insbesondere eine Beschädigung des Elastomerdichtelements während des Schließvorgangs durch zu starkes Komprimieren verhindert werden.
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Vorzugsweise ist das erste thermische Isolationselement direkt am Elastomerdichtelement angeordnet. Hierdurch wird ein besonders guter Schutz des Elastomerdichtelements erreicht. Besonders bevorzugt schützt das erste thermische Isolationselement dabei alle Flächen des Elastomerdichtelements, welche ansonsten mit heißen Bauteilen in Kontakt kommen würden.
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Besonders bevorzugt ist ein zweites thermisches Isolationselement vorgesehen, welches am zweiten Dichtsitz eine Dichtsitzfläche für das Elastomerdichtelement definiert. Somit dichtet das Elastomerdichtelement des zweiten Dichtsitzes am zweiten thermischen Isolationselement ab, so dass auch am Dichtsitz keine zu hohen Temperaturen am Elastomerdichtelement bei geschlossenem Dichtsitz auftreten.
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Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor ferner einen am Ventilschließelement angeordneten ersten Führungsbereich, welcher in Axialrichtung zwischen dem ersten und zweiten Dichtsitz angeordnet ist. Der erste Führungsbereich dient dabei zum Führen des Ventilschließelements während dessen Öffnungs- und Schließbewegung. Durch die Anordnung des Führungselements zwischen dem ersten und zweiten Dichtsitz kann somit ein gewisser Abstand des zweiten Dichtsitzes, welcher weiter entfernt vom Brennraum als der erste Dichtsitz angeordnet ist, erreicht werden, so dass die thermische Belastung am zweiten Dichtsitz deutlich reduziert ist.
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Über den ersten Führungsbereich kann ferner auch Wärme mittels Wärmeleitung vom Ventilschließelement auf ein ortsfestes Bauteil der Brennkraftmaschine, üblicherweise ein Motorblock oder ein Zwischenbauteil, übertragen werden.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ferner einen am Ventilschließelement angeordneten zweiten Führungsbereich. Der zweite Führungsbereich ist dabei derart angeordnet, dass der zweite Dichtsitz zwischen dem ersten und zweiten Führungsbereich vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist der zweite Führungsbereich weiter vom Brennraum entfernt als der erste Führungsbereich angeordnet. Hierdurch ergibt sich einerseits eine verbesserte Führung des Ventilschließelements und andererseits eine weitere Möglichkeit einer Wärmeübertragung über den zweiten Führungsbereich vom Ventilschließelement zum Motorblock.
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Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Führungsbereich des Ventilschließelements an einer gemeinsamen Führungsbuchse geführt, um eine gute Führung sicherzustellen. Die gemeinsame Führungsbuchse ist insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt, um einen hohen Wärmeleitwert aufzuweisen. Dadurch kann eines besonders gute Wärmeübertragung vom Ventilschließelement auf die Führungsbuchse ermöglicht werden und von der Führungsbuchse dann weiter zum Motorblock.
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Für einen besonders kompakten Aufbau ist der erste Dichtsitz vorzugsweise zwischen dem Ventilschließelement und der Führungsbuchse, insbesondere einem Ende der Führungsbuchse, welches in Richtung zum Brennraum gerichtet ist, ausgebildet.
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Vorzugsweise sind das erste und/oder zweite Isolationselement als Isolationsring ausgebildet. Durch das Vorsehen des Isolationselements in Ringform kann eine leichte und schnelle Montage sichergestellt werden.
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Alternativ ist das erste und/oder zweite Isolationselement eine Isolierschicht. Die Isolierschicht kann dabei auf dem dem Elastomerdichtelement entgegenliegenden Dichtsitz aufgebracht sein.
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor ist besonders bevorzugt ein nach außen öffnender Injektor. Alternativ ist der erfindungsgemäße Gasinjektor ein nach innen öffnender Injektor, wobei das Elastomerdichtelement bevorzugt am Schließelement angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der das Elastomerdichtelement umfassende zweite Dichtsitz ein Flachdichtsitz. Hierdurch kann eine flächige Abdichtung im geschlossenen Zustand des Gasinjektors am zweiten Dichtsitz durch das Elastomerdichtelement sichergestellt werden. Alternativ ist ein konischer Dichtsitz angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor ist dabei unmittelbar am Brennraum angeordnet, um gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand, und
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2 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors von 1 im geöffneten Zustand.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Gasinjektor 1 ein nach außen öffnender Injektor, was in 2 durch den Pfeil A angedeutet ist. Der Gasinjektor 1 umfasst ein Ventilschließelement 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Ventilnadel ist. Das Ventilschließelement 2 gibt eine Durchlassöffnung 3 frei und verschließt diese. Das Ventilschließelement 2 wird dabei mittels eines nicht gezeigten Aktors, z.B. eines Magnetaktors oder eines Piezoaktors, betätigt.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen elastomerfreien ersten Dichtsitz 4 und einen zweiten Dichtsitz 5, welcher wenigstens ein Elastomerdichtelement 6 umfasst. Der elastomerfreie erste Dichtsitz 4 ist beispielsweise ein metallischer Dichtsitz oder ein keramischer Dichtsitz. Auch eine Kombination eines metallischen mit einem keramischen Dichtelement ist möglich.
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Das Elastomerdichtelement 6 kann am Ventilschließelement 2 oder an einem ortsfesten Ventilbauteil (wie in den 1 und 2 dargestellt) angeordnet sein.
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Der zweite Dichtsitz 5 umfasst somit ein Elastomer als wenigstens einen Dichtpartner. Das Elastomerdichtelement 6 stellt somit sicher, dass mit relativ geringer Flächenpressung im geschlossenen Zustand im Dichtbereich eine ausreichende Dichtheit gegenüber gasförmigen Medien erreicht wird. Ferner können auch Formungenauigkeiten und Oberflächendefekte durch die elastomeren Eigenschaften des Elastomerdichtelements 6 ausgeglichen werden. Zusätzlich dämpft auch das Elastomerdichtelement 6 einen Schließvorgang, so dass unerwünschtes Prellverhalten des Ventilschließelements 2 während des Schließvorgangs, bei welchem das Ventilschließelement 2 nochmals kurzzeitig vom Dichtsitz aufgrund eines Rückschlagimpulses abhebt, vermieden wird.
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Damit das Elastomerdichtelement 6 aufgrund der hohen Temperaturen im Brennraum 10 nicht beschädigt wird, ist erfindungsgemäß der elastomerfreie erste Dichtsitz 4 in Axialrichtung X-X näher am Brennraum 10 angeordnet, als der elastomerhaltige zweite Dichtsitz 5 (vgl. 2). Hierdurch kann ein gewisser Abstand zwischen dem Elastomerdichtelement 6 und dem Brennraum 10 erhalten werden, so dass die Temperatur am zweiten Dichtsitz 5 deutlich geringer ist, als am ersten Dichtsitz 4. Durch die Trennung der beiden Dichtsitze kann abhängig von der Brennraumtemperatur und den geometrischen Verhältnissen der elastomerhaltige zweite Dichtsitz 5 so weit vom Brennraum 10 angeordnet werden, bis keine Gefahr einer Beschädigung des zweiten Dichtsitzes durch die hohen Temperaturen besteht.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß ein erstes thermisches Isolationselement 7 und ein zweites thermisches Isolationselement 8 vorgesehen. Das erste thermische Isolationselement 7 ist zwischen dem Elastomerdichtelement 6 und einem ortsfesten Bauteil, in diesem Ausführungsbeispiel einer Führungsbuchse 9, angeordnet. Die Führungsbuchse 9 dient dabei zur Führung des Ventilschließelements 2, welches einen ersten Führungsbereich 11 und einen zweiten Führungsbereich 12 aufweist.
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Das erste thermische Isolationselement 7 stellt somit sicher, dass auf das Elastomerdichtelement 6, ausgehend von einem Motorblock 13, keine Wärme übertragen wird.
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Das zweite thermische Isolationselement 6, bildet, wie aus den Figuren ersichtlich ist, einen Flachdichtsitz für den zweiten Dichtsitz 5. Mit anderen Worten dichtet das Elastomerdichtelement 6 am zweiten thermischen Isolationselement 8 ab. Das zweite thermische Isolationselement 8 verhindert dabei, dass Wärme, welche aus dem Brennraum 10 auf das Ventilschließglied 2 übertragen wird, über den zweiten Dichtsitz 5 auf das Elastomerdichtelement 6 übertragen wird. In 1 ist die Wärme durch die Pfeile Q angedeutet. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind dabei ein erster Wärmepfad Q1 vom Ventilschließelement 2 über den ersten Führungsbereich 11 und ein zweiter Wärmepfad Q2 über den zweiten Führungsbereich 12 vorgesehen. Somit kann im geschlossenen Zustand die auf das Ventilschließelement 2 aus dem Brennraum 10 übertragene Wärme über die beiden Wärmeleitpfade in den Motorblock 13 abgeleitet werden. Hierbei wird eine zu starke Erwärmung des Elastomerdichtelements 6 durch die beiden thermischen Isolationselemente 7, 8 verhindert.
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Im geöffneten Zustand erfolgt einerseits eine Kühlung des Elastomerdichtelements 6 durch die Gasströmung, welche in 2 durch die Pfeile 14 angedeutet ist. Das erste thermische Isolationselement 7 schützt dabei das Elastomerdichtelement 6 im geschlossenen Zustand sowie auch im offenen Zustand.
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Die beiden thermischen Isolationselemente 7, 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel als ringförmige Bauteile vorgesehen. Dadurch kann insbesondere eine Montage und Fixierung der thermischen Isolationselemente am Ventilschließelement 2 bzw. an der Führungsbuchse 9 ermöglicht werden.
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Ein zum Brennraum 10 gerichtetes Ende 90 der Führungsbuchse 9 ist auch ein Teil des elastomerfreien ersten Dichtsitzes 4, an welchem das Ventilschließelement 2 abdichtet (1).
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Im Bereich der ersten und zweiten Führungsbereiche 11, 12 sind Nuten oder Durchgangsöffnungen vorgesehen, durch welche das Brenngas hindurchströmen kann.
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Erfindungsgemäß kann somit auch bei einem längeren geschlossenen Einblasventil, z.B. bei einem Schubbetrieb eines Fahrzeugs oder dgl., eine ausreichende Wärmeabfuhr der Wärme, welche vom Brennraum 10 auf das Ventilschließelement 2 übertragen wird, sichergestellt werden. Die Wärme kann dabei zentral in das Ventilschließelement 2 in einen Schaft des Ventilschließelements 2 überführt werden sowie über die ersten und zweiten Führungsbereiche 7, 8, in einen üblicherweise wassergekühlten Motorblock 13 überführt werden (Wärmepfade Q1 und Q2). Somit überschreitet das Elastomerdichtelement 6, welches vom Ventilschließelement 2 durch das zweite thermische Isolationselement 8 thermisch getrennt ist, keine maximal zulässigen Temperaturen, bei welchen eine Beschädigung des Elastomerdichtelements 6 auftreten würde.
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Damit die Wärme gut vom Ventilschließelement 2 an den Motorblock 13 überführt werden kann, sollten möglichst Luftspalte zwischen dem Ventilkörper und der Bohrung im Motorblock möglichst vermieden werden. Hier kann zusätzlich eine thermische Anbindung über eine Hülse 15 zwischen der Führungsbuchse 9 und dem Motorblock 13 vorgesehen werden. Besonders bevorzugt ist die Hülse 15 dabei gleichzeitig auch als Dichtring ausgebildet.
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Der erste Wärmepfad Q1 und der zweite Wärmepfad Q2 sind derart vorgesehen, dass die Wärme Q, ausgehend von einer Spitze des Ventilschließelements 2 durch eine gezielte Umlenkung in einem Winkel von 90° über die Führungsbereiche 11, 12 auf die Führungsbuchse 9 und von der Führungsbuchse über die Hülse 15 auf den wassergekühlten Motorblock 13 übertragen wird. Aufgrund der Kühlung des Motorblocks 13 mit Kühlwasser weist dieser die geringste Temperatur auf, so dass hier eine effektive Abfuhr der Wärme ermöglicht wird. Somit werden zu hohe Temperaturen am Ventilschließelement 2 und damit auch in Bereichen nahe des zusätzlich durch das erste und zweite thermische Isolationselement 7 geschützte Elastomerdichtelement 6 vermieden.
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Es sei ferner angemerkt, dass alternativ statt den ringförmigen thermischen Isolationselementen 7, 8 auch eine entsprechende thermische Beschichtung oder dgl. vorgesehen werden kann.
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Weiterhin bildet der elastomerfreie erste Dichtsitz 4 auch einen Anschlag für das Ventilschließelement 2. Dadurch wird bei einer Rückstellung ein Weg des Ventilschließelements 2 durch den ersten Dichtsitz 4 begrenzt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass während der Rückstellbewegung zum Schließen des Gasinjektors 1 das Elastomerdichtelement 6 nicht durch den Schließvorgang aufgrund zu starker Flächenpressung oder dgl. beschädigt wird. Beim Schließvorgang wird zuerst Kontakt am zweiten Dichtsitz 5 (Elastomer) hergestellt, wodurch der weitere Schließvorgang gedämpft wird, bis der erste Dichtsitz 4 als Anschlag wirkt.
