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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von einem gasförmigen Kraftstoff, welcher eine Druckangleichsfunktion aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit wird verstärkt versucht, die bisher genutzte Technik des Einblasens des Kraftstoffs in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine durch eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu ersetzen. Hierbei ergeben sich jedoch insbesondere Abdichtungsprobleme aufgrund der hohen Drücke und der hohen Temperaturen. Ein weiteres Problem ergibt sich aufgrund der hohen Druckunterschiede zwischen dem Brennraum und dem einzublasenden Gas. Aufgrund der hohen Brennraumdrücke müssen große Aktoren eingesetzt werden, um einen Öffnungs- und/oder Schließvorgang des Gasinjektors zu ermöglichen. Häufig sind jedoch die Bauräume für Gasinjektoren direkt am Brennraum limitiert, so dass eine Verwendung von größeren Aktoren mit größeren Aktorkräften nicht möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zur Betätigung eines Ventilglieds geringere Aktorkräfte notwendig sind. Dadurch wird es möglich, dass der erfindungsgemäße Gasinjektor direkt an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann. Erfindungsgemäß ist dabei ein druckangegliches Ventilglied vorgesehen, welches mit einer geringen Aktorkraft schaltbar ist. Dadurch kann ein Aktor mit kleinen Abmessungen verwendet werden, so dass keine Bauraumproblematik beim Einbau des Gasinjektors direkt an einen Brennraum einer Brennkraftmaschine auftritt. Auch können die durch den Aktor bereitstellbaren Stellkräfte und somit eine Bestromungsleistung reduziert werden, so dass im Aktor eine kompaktere Spule verwendet werden kann und ein Steuergerät verkleinert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Ventilsitz mit einem ersten Durchmesser aufweist, an welchem das Ventilglied einen Durchlass freigibt und verschließt. Ein Aktor ist zur Betätigung des Ventilglieds mit einem Anker vorgesehen, wobei der Anker am Ventilglied angeordnet ist. Der Gasinjektor umfasst einen Zulaufbereich, in welchem gasförmiges Medium zuführbar ist sowie einen Rücklaufbereich, über welchen gasförmiges Medium abführbar ist. Ferner ist eine Durchgangsöffnung vorgesehen, welche den Zulaufbereich mit dem Rücklaufbereich verbindet, wobei das Ventilglied durch die Durchgangsöffnung hindurchgeführt ist. Ein zweiter Durchmesser der Durchgangsöffnung ist dabei gleich oder im Wesentlichen gleich wie der erste Durchmesser des Ventilsitzes. Hierbei wird unter dem Begriff „im Wesentlichen gleich“ eine Abweichung der Durchmesser von maximal ±10% verstanden. Durch die gleiche Wahl der Durchmesser wird ein druckangeglichenes Ventilglied erreicht, so dass eine Betätigung des Ventilglieds unabhängig von einem Druckniveau im Zulaufbereich möglich ist. Die Betätigung ist lediglich von der Druckdifferenz zwischen Niederdruck und Brennraum abhängig. Somit muss auch bei einem erhöhten Druckniveau des einzublasenden gasförmigen Mediums kein größerer Aktor verwendet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Durchgangsöffnung als Führungsöffnung zum Führen des Ventilglieds vorgesehen. Dadurch weist die Durchgangsöffnung eine zusätzliche Funktion für ein Führen des Ventilglieds auf. Die Führungsöffnung ist dabei derart vorgesehen, dass ein möglichst kleines Spiel zwischen dem Ventilglied und der Durchgangsöffnung vorhanden ist. Dadurch kann eine exakte Führung ermöglicht werden und insbesondere kann eine Leckage bei einem Öffnungs- und/oder Schließvorgang des Ventilglieds über die Durchgangsöffnung in den Rücklaufbereich sehr klein gehalten werden. Das Spiel zwischen dem Ventilglied und der Durchgangsöffnung ist vorzugsweise eine enge Spielpassung.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine erste Dichtung, welche zwischen dem Ventilglied und einer zum Zulaufbereich gerichteten ersten Mündung der Durchgangsöffnung vorgesehen ist, und eine zweite Dichtung, welche zwischen dem Ventilglied und einer zum Rücklaufbereich gerichteten zweiten Mündung der Durchgangsöffnung vorgesehen ist. Diese beiden Dichtungen stellen dabei sicher, dass im vollständig geöffneten Zustand und im vollständig geschlossenen Zustand jeweils eine Abdichtung der Durchgangsöffnung möglich ist, so dass keine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich und dem Rücklaufbereich vorhanden ist. Im Zwischenzustand zwischen dem vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Zustand ist die Durchgangsöffnung jedoch offen. Die beiden Dichtungen dichten vorzugsweise direkt an einem Randbereich der Durchgangsöffnung ab.
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Die erste und zweite Dichtung ist vorzugsweise als Elastomerdichtung ausgebildet. Alternativ sind die erste und/oder zweite Dichtung als Metall-Metall-Dichtung vorgesehen. Die Elastomerdichtung hat dabei den Vorteil eines integrierten Toleranzausgleiches, da die Elastomerdichtung elastisch ist. Insbesondere bei Gasinjektoren zur Einblasung von gasförmigem Kraftstoff, welche direkt am Brennraum angeordnet sind, ist es jedoch möglich, dass aufgrund von vorhandenen Druckverhältnissen und/oder Temperaturverhältnissen Elastomere als Dichtelemente nicht verwendet werden können. Dann sind die erste und zweite Dichtung beispielsweise als Metall-Metall-Dichtung ausgebildet. Um einen Toleranzausgleich auch bei einer Metall-Metall-Dichtung zu schaffen, sind vorzugsweise Toleranzausgleichselemente, z.B. Membranelemente oder ein Faltenbalg oder dgl., an wenigstens einem der Partner der Metall-Metall-Dichtung vorgesehen.
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Weiter bevorzugt ist der Anker des Aktors im Rücklaufbereich des Gasinjektors angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Der Anker ist vorzugsweise direkt mit dem Ventilglied verbunden. Das Ventilglied ist vorzugsweise eine Ventilnadel, so dass eine Durchführung durch die Durchgangsöffnung einfach möglich ist.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement zur Rückstellung des Ventilglieds. Das Rückstellelement ist vorzugsweise eine Schraubenfeder. Weiter bevorzugt ist das Rückstellelement im Zulaufbereich angeordnet. Das Rückstellelement stützt sich dabei besonders bevorzugt an einem tellerartigen Bauteil am Ventilglied und einem Wandbereich zwischen dem Rücklaufbereich und dem Zulaufbereich ab.
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Vorzugsweise ist der Ventilsitz, an welchem das Ventilglied den Durchlass des Gasinjektors freigibt und verschließt, ein Metall-Metall-Dichtsitz. Somit kann der erfindungsgemäße Injektor als Gaseinblasinjektor zur Einblasung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Weiter bevorzugt ist eine zweite Führung für das Ventilglied im Zulaufbereich vorgesehen. Dadurch wird es möglich, dass das Ventilglied zweifach geführt ist, nämlich an der Durchgangsöffnung und an der zweiten Führung.
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Der Aktor des Gasinjektors ist vorzugsweise ein Magnetaktor. Der Aktor umfasst vorzugsweise eine Spule und einen amagnetischen Dichtring, wobei der amagnetische Dichtring die Spule vom Rücklaufbereich des Gasinjektors abdichtet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Besonders bevorzugt ist der Gasinjektor direkt an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet, um gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum einzublasen.
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Kurze Beschreibung der 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 Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im geschlossenen Zustand,
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2 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors von 1 im geöffneten Zustand,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand, und
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4 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors von 3 im geöffneten Zustand.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 ein Ventilglied 2 in Form einer Ventilnadel. Das Ventilglied 2 dichtet an einem Ventilsitz 3 mindestens einen Durchlass 4 ab. Der Ventilsitz 3 ist ein Metall-Metall-Dichtsitz und weist einen abdichtenden ersten Durchmesser D1 auf. Der Gasinjektor 1 ist ein nach innen öffnender Injektor.
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Das Ventilglied 2 wird mittels eines magnetischen Aktors 5 betätigt. Der Aktor 5 umfasst einen Anker 50, eine Spule 51 und einen magnetischen Rückschluss 52. Ein amagnetisches Dichtelement 53 dichtet die Spule 51 gegenüber einem gasförmigen Medium, welches sich in einem Rücklaufbereich 7 des Gasinjektors befindet, ab.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Zulaufbereich 6, welchem ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium, insbesondere ein gasförmiger Kraftstoff, zugeführt wird. In einem Ventilkörper 14 ist eine Durchgangsöffnung 8 ausgebildet, welche den Zulaufbereich 6 mit dem Rücklaufbereich 7 verbindet.
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An der Durchgangsöffnung 8 ist eine erste Dichtung 11 vorgesehen, welche zwischen dem Ventilglied 2 und einer zum Zulaufbereich 6 gerichteten ersten Mündung 81 der Durchgangsöffnung 8 angeordnet ist. Hierbei ist am Ventilglied 2 ein nach innen gerichteter Absatz 20 vorgesehen, an welchem die erste Dichtung 11 angeordnet ist. Eine zweite Dichtung 12 ist zwischen dem Ventilglied 2 und einer zum Rücklaufbereich gerichteten zweiten Mündung 82 der Durchgangsöffnung 8 vorgesehen.
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Die Durchgangsöffnung 8 weist einen zweiten Durchmesser D2 auf, welcher gleich dem ersten Durchmesser D1 des Ventilsitzes 3 ist.
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Die erste und zweite Dichtung 11, 12 sind vorzugsweise Elastomerdichtungen und weisen einen gleichen Aufbau auf.
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Am Ventilglied 2 ist ferner noch ein Rückstellelement 9 in Form einer Schraubenfeder vorgesehen, welche sich an einem Ventilteller 21 abstützt.
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Durch das Vorsehen der gleichen Durchmesser D1 und D2 am Ventilsitz 3 und an der Durchgangsöffnung 8 kann somit ein druckangeglichenes Ventilglied 2 erreicht werden. Dadurch ist eine Stellkraft des Aktors 5 unabhängig von einem im Zulaufbereich 6 herrschenden Druck des gasförmigen Mediums. Bei dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand des Gasinjektors dichtet die zweite Dichtung 12 an der zum Rücklaufbereich 7 gerichteten zweiten Mündung 82 der Durchgangsöffnung 8 ab. Bei dem in 2 gezeigten geöffneten Zustand des Gasinjektors dichtet die erste Dichtung 11 an der zum Zulaufbereich 6 gerichteten ersten Mündung 81 der Durchgangsöffnung 8 ab.
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Die Durchgangsöffnung 8 ist dabei als erste Führung 80 für das Ventilglied 2 ausgebildet. Eine zweite Führung 10 ist an einer in Richtung zum Ventilsitz 3 liegenden Stelle des Ventilglieds 2 im Zulaufbereich 6 vorgesehen. Somit ist das Ventilglied 2 an zwei Stellen geführt, so dass eine besonders sichere und positionsgenaue Führung ermöglicht wird.
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Da die erste und zweite Dichtung 11 als Elastomerdichtungen ausgebildet sind, können auch Toleranzabweichungen durch die erste und zweite Dichtung zumindest teilweise ausgeglichen werden. Alternativ kann statt der Elastomerdichtung für die erste und zweite Dichtung 11, 12 auch eine Metall-Metall-Dichtung verwendet werden, wobei dann ein Toleranzausgleichselement z.B. in Form in Form einer Membran oder eines Faltenbalgs oder dgl. verwendet werden kann.
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Der Ventilsitz 3 ist ebenfalls als Metall-Metall-Dichtung ausgebildet, so dass der Gasinjektor 1 direkt an einem Brennraum 13 einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann und das gasförmige Medium direkt in den Brennraum 13 eingeblasen werden kann.
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Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1 von 1 verhindert somit die zweite Dichtung 12 eine Leckage von gasförmigem Medium aus dem Zulaufbereich 6 in den Rücklaufbereich 7. Im geöffneten Zustand, welcher in 2 dargestellt ist, verhindert die erste Dichtung 11 eine Leckage vom Zulaufbereich 6 zum Rücklaufbereich 7. Zwischen diesen beiden Endzuständen ist eine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 6 und dem Rücklaufbereich 7 vorhanden.
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Zur Einblasung des gasförmigen Mediums wird der Aktor 5 aktiviert, indem die Spule 51 bestromt wird. Dadurch wird der Anker 50 aus der in 1 gezeigten Position nach oben in die in 2 gezeigte Position gezogen, so dass eine Einblasung des Mediums möglich ist. Da die Durchgangsöffnung 8 derart gewählt ist, dass eine enge Spielpassung zwischen dem Ventilglied 2 und der Durchgangsöffnung 8 vorhanden ist, so dass die Führungsfunktion der Durchgangsöffnung 8 gewährleistet ist, ist eine Leckage während des Öffnungs- und/oder Schließvorgangs vom Zulaufbereich 6 in den Rücklaufbereich 7 relativ gering. Der Druck im Zulaufbereich 6 liegt üblicherweise zwischen 300 bis 500 × 105 Pa und der Druck im Rücklaufbereich 7 liegt zwischen 0 und 250 × 105 Pa und beträgt bevorzugt ungefähr 50 × 105 Pa. Wenn der Gasinjektor 1 vollständig geöffnet ist, dichtet die erste Dichtung 11 am Ventilkörper 14 ab, so dass keine Leckage mehr auftritt. Die Leckage kann dabei neben der Spaltbreite in der Durchgangsöffnung 8 auch durch Wahl eines Durchmessers der Durchgangsöffnung 8 und einer Wahl eines Druckunterschieds zwischen Zulaufbereich 6 und Rücklaufbereich 7 eingestellt werden.
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3 und 4 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ein nach außen öffnender Injektor. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass ein Brennraumdruck aus dem Brennraum 13 zum Schließen des Ventilglieds 2 beiträgt. Hierbei ist im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel eine Wirkrichtung des Aktors 5 ebenso wie eine Wirkrichtung des Rückstellelements 9 umgekehrt. Ansonsten bleibt die Funktionsweise wie im ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einem ersten Durchmesser D1 am Ventilsitz 3, welcher gleich einem zweiten Durchmesser D2 an der Durchgangsöffnung 8 ist.
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Somit kann mittels der in den beiden Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäßen Gasinjektoren 1 ein druckangeglichenes Ventilglied 2 bereitgestellt werden, so dass ein gewählter Druck des einzublasenden gasförmigen Mediums keinen Einfluss auf eine resultierende Kraft am Ventilglied 2 mehr hat. Dadurch kann ein Aktor 5 mit geringer Stellkraft verwendet werden und der Gasinjektor 1 kann mit kleinem Bauraum ausgelegt werden, so dass problemlos eine Anordnung direkt an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine möglich ist.
