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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Zumessen eines Fluids mit zwei Aktoren und insbesondere einen Gasinjektor.
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Injektoren, welche hohen Temperaturen und/oder hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, weisen häufig Metall-Metall-Dichtsitze auf. Zur Abdichtung derartiger metallischer Dichtsitze ist eine bestimmte Anpresskraft erforderlich, welche üblicherweise durch eine Schließfeder aufgebracht wird. Eine Schließfederkraft der Schließfeder muss durch einen Aktor zum Öffnen des Injektors überwunden werden. Beim Schließen des Injektors ist die Schließfeder zu großen Teilen für eine Beschleunigung der Ventilnadel und damit auch für einen Einschlagimpuls der Ventilnadel in den Dichtsitz mit den daraus resultierenden Folgen für Geräusch, Nadelprellen und Verschleiß verantwortlich. Bei Gasinjektoren ergeben sich aufgrund der geringeren Gasdichte im Vergleich mit Flüssigkeitsinjektoren erhöhte Dichtheitsanforderungen, da insbesondere die notwendigen Strömungsquerschnitte größer als bei Flüssigkeitsinjektoren sind. Dadurch werden auch die abzudichtenden Kontaktlinien im Dichtsitz größer. Daher benötigen Gasinjektoren ein um ein Vielfaches größere Schließkräfte, z.B. 80 N. Eine sehr gute Dichtheit könnte beispielsweise mit Elastomeren erhalten werden, welche jedoch häufig aufgrund der hohen Temperaturen, insbesondere bei Kraftstoffinjektoren mit Direkteinblasung, nicht verwendet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Zumessen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Schließkraft des Injektors einstellbar ist. Somit kann erfindungsgemäß eine resultierende Schließkraft den aktuellen Dichtheitsanforderungen entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann in einem Abstellfall mit einer nötigen hohen Dichtkraft ein Ventilsitz verschlossen werden. In einem Betriebsfall kann beispielsweise eine Schließkraft des Injektors reduziert werden, wodurch ein Kraftbedarf eines Aktors zum Öffnen des Injektors reduziert werden kann. Somit sind insbesondere kostengünstigere Konzepte für einen Aktor zum Öffnen und/oder Schließen des Injektors möglich. Alternativ kann auch bei einem gleich großen Aktor ein Sitzdurchmesser vergrößert werden und/oder ein Hub des Injektors für einen gleichen Öffnungsquerschnitt verkleinert werden und Anschläge des Injektors durch die reduzierte Schließkraft geschont werden. Dadurch kann insbesondere ein Verschleiß des Injektors signifikant reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor einen Ventilsitz und ein Ventilglied, insbesondere eine Ventilnadel, umfasst, wobei das Ventilglied wenigstens einen Durchlass am Ventilsitz freigibt und verschließt. Der Injektor umfasst einen ersten und einen zweiten Aktor. Der erste Aktor ist zur Betätigung des Ventilglieds eingerichtet. Der zweite Aktor übt eine zweite Aktorkraft auf das Ventilglied aus. Ferner ist eine Schließfeder vorgesehen, um das Ventilglied mit einer Schließkraft zu beaufschlagen. Der zweite Aktor umfasst ein Permanentmagnetelement. Das Permanentmagnetelement übt eine Magnetkraft auf das Ventilglied aus, welche in Schließrichtung des Ventilglieds wirkt. Der zweite Aktor ist dabei eingerichtet, bei einer Aktivierung, insbesondere Bestromung einer Spule, eine Gegenkraft entgegen der Permanentmagnetkraft des Permanentmagnetelements bereitzustellen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist der Injektor ferner einen Federstößel auf, welcher mit einem Anker des zweiten Aktors verbunden ist, wobei sich die Schließfeder am Federstößel abstützt. Durch Veränderung einer Axialposition des Federstößels kann somit eine Schließkraft der Schließfeder des Injektors eingestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst der zweite Aktor ein Federelement, welches eine Federkraft entgegen in Richtung der Schließkraft der Schließfeder aufbringt. Dabei kann das Federelement in Reihe zur Schließfeder angeordnet sein oder parallel zur Schließfeder.
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Das Federelement des zweiten Aktors ist vorzugsweise eine Schraubenfeder oder eine Tellerfeder.
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Weiter bevorzugt umfasst der Injektor eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, im Betriebsfall des Injektors den zweiten Aktor zu bestromen.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit dabei eingerichtet, den zweiten Aktor in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung einer Brennkraftmaschine zu bestromen. Dadurch kann eine Öffnungskraft entsprechend den Leistungsanforderungen der Brennkraftmaschine am Injektor eingestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den zweiten Aktor dauernd zu bestromen. Dies hat den Vorteil, dass in einem Abstellfall genau ein stromlos stabiler Zustand des Injektors erreicht wird. Besonders bevorzugt ist der Injektor ein Gasinjektor. Dies hat den Vorteil, dass im Abstellfall der Ventilsitz des Gasinjektors mit einer hohen Schließkraft beaufschlagt werden kann, so dass eine hohe Dichtsicherheit im Abstellfall des Injektors vorhanden ist. Dadurch ist es möglich, auf Elastomerelemente am Ventilsitz zu verzichten und trotzdem eine hohe Dichtheit am Ventilsitz im geschlossenen Zustand zu erreichen.
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Für einen besonders kompakten Aufbau sind vorzugsweise der erste Aktor und der zweite Aktor in Reihe in Axialrichtung des Injektors angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist der Ventilsitz des Injektors durch eine Werkstoffpaarung Metall-Metall hergestellt. Dadurch können hohe Dichtkräfte am Metall-Metall-Ventilsitz aufgebracht werden, ohne dass es zu Beschädigungen der Ventilsitze bzw. des Ventilglieds, kommt.
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Bevorzugt übt der zweite Aktor eine Aktorkraft direkt auf die Schließfeder aus.
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Der Injektor ist vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor. Alternativ ist der Injektor ein nach innen öffnender Injektor.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Injektor. Der Injektor ist besonders bevorzugt direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor, insbesondere Gasinjektor, welcher einen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht von 1,
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3 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Teil-Schnittansicht von 3,
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5 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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7 eine schematische Teil-Schnittansicht des Injektors von 6.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Ventilglied 3 in Form einer Ventilnadel, welche einen Durchlass 9 an einem Ventilsitz 2 freigibt und verschließt. Das Ventilglied 3 dieses Ausführungsbeispiels ist ein nach innen öffnendes Ventilglied.
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Das Ventilglied 3 ist mit einem ersten Aktor 4 betätigbar. Der erste Aktor 4 umfasst einen ersten Anker 40, welcher fest mit dem Ventilglied 3 verbunden ist und umfasst ferner eine erste Spule 41 und einen magnetischen Rückschluss 42.
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Bei Bestromung der ersten Spule 41 wird der erste Anker 40 gegen eine Schließkraft einer Schließfeder 5 in Axialrichtung X-X in Richtung zum magnetischen Rückschluss 42 bewegt, wodurch ein Öffnen des Injektors am Ventilsitz 2 erfolgt. Nach Beendigung der Bestromung stellt die Federkraft der Schließfeder 5 das Ventilglied 3 wieder in die in 1 gezeigte geschlossene Ausgangsposition zurück.
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Gemäß der Erfindung umfasst der Injektor 1 nun einen zweiten Aktor 6. Der zweite Aktor 6 betätigt einen Federstößel 7, an welchem ein zum zweiten Aktor gerichtetes Ende 5a der Schließfeder 5 gelagert ist. Dies ist im Detail aus 2 ersichtlich.
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Der zweite Aktor 6 umfasst einen zweiten Anker 60, welcher fest mit dem Federstößel 7 verbunden ist. Ferner umfasst der zweite Aktor 6 einen Permanentmagneten 62 und eine zweite Spule 61. Ein oberer Magnetkern 63 bildet einen oberen Anschlag für den zweiten Anker 60 und ein unterer Magnetkern 64 bildet einen zweiten Anschlag für den zweiten Anker 60. In 2 ist die Position des zweiten Aktors derart, dass der zweite Anker 60 am ersten Anschlag, d.h., am oberen Magnetkern 63 anliegt.
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Mittels des zweiten Aktors 6 kann nun eine Schließkraft der Schließfeder 5 eingestellt werden. Hierzu wird die zweite Spule 61 des zweiten Aktors 6 mittels einer Steuereinheit 100 bestromt, so dass eine Position in Axialrichtung X-X des zweiten Ankers 60 und damit eine Position des Federstößels 7, an welchem die Schließfeder 5 gelagert ist, verändert wird. Somit kann beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine eine Öffnungs- und/oder Schließkraft des Injektors 1 an jeweilige Bedingungen angepasst werden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik ist somit ein freies Ende 5a der Schließfeder 5 nicht mehr an einem Gehäusebauteil oder dgl. abgestützt, sondern am Federstößel 7.
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Um in einem Abstellfall des Injektors die Schließfeder 5 unter einer hohen Vorspannung stromlos halten zu können, weist der zweite Aktor 6 einen Permanentmagnet 62 auf. Der Permanentmagnet 62 ist dabei zwischen dem oberen Magnetkern 63 und dem unteren Magnetkern 64 angeordnet. Der Permanentmagnet 62 stellt eine Magnetkraft bereit, welche besonders bevorzugt gleich oder größer als eine Schließfederkraft der Schließfeder 5 ist.
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Wenn der Injektor 1 in einen Betriebsfall übergeht, wird zum Umschalten aus dem Abstellfall in den Betriebsfall die zweite Spule 61 kurz bestromt. Dadurch entsteht um die zweite Spule 61 ein zweites Magnetfeld, welches dem Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 62 überlagert wird. Hierdurch bewegt sich der zweite Anker 60 in die in 2 gezeigte obere Position, wodurch eine teilweise Entspannung der Schließfeder 5 erfolgt. Dadurch werden die Kräfte zum Öffnen gegen die Schließfederkraft der Schließfeder 5 geringer, so dass im Betriebsfall eine Ansteuerung des Injektors 1 über den ersten Aktor 4 mit geringeren Kräften möglich ist. Im Abstellfall wird der zweite Anker 60 gegen einen unteren Anschlag 65 am unteren Magnetkern 64 bewegt, so dass eine Schließfederkraft der Schließfeder 5 maximal ist. Dadurch kann eine hohe Dichtkraft am Ventilsitz 2 bereitgestellt werden und hohe Dichtheitsanforderungen auch mit Metall-Metall-Ventilsitz sichergestellt werden. Dadurch kann auf Elastomerelemente am Ventilsitz 2 verzichtet werden.
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Es sei angemerkt, dass der Injektor 1 auch als nach außen öffnender Injektor ausgebildet sein könnte. Hierbei wird dann der Magnetkreis des zweiten Aktors 6 in um 180° gedrehter Einbaulage verwendet, um den in umgekehrten Kräfteverhältnissen zu entsprechen.
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Damit eignet sich der erfindungsgemäße Injektor 1 insbesondere bei einer Ausgestaltung als Gasinjektor, in welchen beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff oder ein anderer gasförmiger Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen wird.
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Die 3 und 4 zeigen einen Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Injektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ebenfalls ein nach innen öffnender Injektor. Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, ist beim zweiten Injektor zusätzlich noch eine Konterfeder 15 vorgesehen. Die Konterfeder 15 stützt sich mit einem ersten Ende am zweiten Anker 60 des zweiten Aktors 6 ab und mit einem anderen Ende an einem Gehäusebauteil 80. Die Konterfeder 15 ist wie die Schließfeder 5 als Schraubenfeder vorgesehen.
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Durch das Vorsehen der Konterfeder 15 weist der zweite Aktor 6 nur noch einen stromlos stabilen Zustand auf, nämlich den für eine hohe Dichtkraft am Ventilsitz 2 im Abstellfall des Injektors. Somit ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ein nochmaliges gezieltes Bestromen des zweiten Aktors für den Abstellfall nicht mehr notwendig. Im Betriebsfall befindet sich der zweite Anker 60 in der in der in 4 gezeigten oberen Position und liegt am oberen Magnetkern 63 an. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vorspannung der Konterfeder 15, welche in Axialrichtung X-X in Richtung zum Ventilglied 3 gerichtet ist, größer als eine Summe der Schließfederkraft der Schließfeder 5 und der Permanentmagnetkraft des Permanentmagneten 62. Dadurch ist eine konstante Bestromung des zweiten Aktors 6 notwendig, um im Betriebsfall den zweiten Anker 60 sicher in dieser Position zu halten. Eine Überlagerung des elektromagnetischen Feldes des zweiten Aktors mit dem Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 62 senkt eine Kraft zwischen dem zweiten Anker 60 und dem unteren Magnetkern 64 und steigert eine Kraft zwischen dem zweiten Anker 60 und dem oberen Magnetkern 63. Durch diese Überlagerung genügt für das Halten des zweiten Ankers 60 des zweiten Aktors ein kleiner Reststrom im Betriebsfall.
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Wird die Bestromung der zweiten Spule 61 unterbrochen, geht der zweite Anker 60 aufgrund der nun zu geringen Haltekraft in den unteren Anschlag 65, d.h., kontaktiert den unteren Magnetkern 64. Da der zweite Anker 60 über den Federstößel 7 mit der Schließfeder 5 verbunden ist, wird die Schließfeder 5 weiter vorgespannt. Dadurch kann eine höhere Kraft am Ventilsitz 2 im Abstellfall des Injektors 1 bereitgestellt werden. Dabei wirkt zusätzlich auch noch die Permanentmagnetkraft des Permanentmagneten 62 in Schließrichtung des Ventilglieds 3. Somit wird der zweite Aktor 6 lediglich zwischen einer Abstellposition, in welcher der zweite Anker 60 den unteren Magnetkern 64 kontaktiert und einer Betriebsposition, in welcher der zweite Anker 60 den oberen Magnetkern 63 kontaktiert, wie in 4 dargestellt, hin und her geschaltet, wobei die Rückstellung in den Ausgangszustand mittels der Federkraft der Konterfeder 15 erfolgt.
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Alternativ zur im zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten zylindrischen Schraubenfeder als Konterfeder 15 kann, wie im in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel als Konterfeder auch eine Tellerfeder 16 verwendet werden. Zur Einsparung von Bauraum ist die Tellerfeder 16 in einer mittigen Ausnehmung 17 des oberen Magnetkerns 63 angeordnet. Somit kann Bauraum in Axialrichtung X-X eingespart werden.
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In den 6 und 7 ist ein Injektor 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel im Detail gezeigt. Der Injektor 1 des vierten Ausführungsbeispiels ist ein nach außen öffnender Injektor. Hierbei sind am zweiten Aktor 6 die Anschläge für den Abstellfall und den Betriebsfall vertauscht. Die am Federstößel 7 angreifende Schließfeder 5 wird im Betriebsfall stärker durch den zweiten Aktor 6 vorgespannt, um eine resultierende Schließkraft am Ventilsitz 2 zu reduzieren. Damit diese Position instabil ist, genügt es, die Permanentmagnetkraft des Permanentmagneten 62 am unteren Magnetkern 64 soweit zu reduzieren, dass kein Haltekraftüberschuss entsteht. Hierbei kann, wie insbesondere aus 7 ersichtlich ist, an einem magnetischen Rückschluss eine kleinere Polfläche 66 vorgesehen werden und ein Rückschlusselement 67 schlechtere magnetische Eigenschaften aufweisen als der obere Magnetkern 63.
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Wie aus der Beschreibung der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ersichtlich ist, kann erfindungsgemäß somit mittels des zweiten Aktors 6 eine Schließkraft des Injektors direkt oder indirekt über eine Vorspannung der Schließfeder 5 eingestellt werden. Hierdurch kann die Schließkraft der Schließfeder 5 aktuellen Dichtheitsanforderungen entsprechend angepasst werden, insbesondere für einen Abstellfall des Injektors oder einen Betriebsfall des Injektors. Im Abstellfall wird der Injektor mit einer sehr hohen Dichtkraft verschlossen und im Betriebsfall eine wirksame Schließkraft der Schließfeder 5 reduziert. Somit kann insbesondere ein Kraftbedarf am ersten Aktor 4 zum Öffnen des Injektors reduziert werden. Hierbei kann beispielsweise bei einem gleich gewählten Hauptmagnetkreis am ersten Aktor 4 ein Sitzdurchmesser am Ventilsitz 2 vergrößert werden und dadurch ein Hub des Ventilglieds 3 bei gleichem Öffnungsquerschnitt verkleinert werden. Darüber hinaus werden auch die Anschläge durch die reduzierte Öffnungskraft und Schließkraft im Betriebsfall geschont, so dass der Injektor 1 eine signifikant längere Lebensdauer aufweist. Auch sind durch die erhöhte Schließkraft am Ventilsitz 2 im Abstellfall des Injektors keine Elastomerelemente zur Abdichtung bei Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs notwendig.
