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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einem elastomerfreien Dichtsitz. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor, insbesondere zur Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Insbesondere aufgrund von Kostenvorteilen werden in jüngster Zeit gasförmige Kraftstoffe, insbesondere für Fahrzeuge, immer beliebter. Aus Verbrauchs- und Abgasgründen ist hierbei ebenfalls vorteilhaft eine sogenannte Direkteinblasung vorzusehen, bei dem ein Gasinjektor unmittelbar an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist der Gasinjektor jedoch sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass eine Abdichtung des Gasinjektors am Dichtsitz im geschlossenen Zustand mittels üblichen Elastomeren nicht möglich ist. Von daher werden aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit am Dichtsitz Metall-Metall-Dichtsitze vorgeschlagen. Um hierbei eine sehr gute Abdichtung derartiger Metall-Metall-Dichtsitze zu erreichen, müssen hohe geometrische Anforderungen erfüllt werden und ferner muss eine hohe Dichtkraft aufgebracht werden. Diese hohe Dichtkraft muss jedoch beim Öffnen des Gasinjektors zusätzlich zu ggf. noch wirkenden Druckkräften des gasförmigen Mediums überwunden werden, bevor der Gasinjektor öffnet. Hierdurch werden jedoch große Aktoren bzw. Aktoren mit teuren Materialien notwendig. Die hohen Dichtkräfte bewirken auch eine starke Beschleunigung von Ventilnadeln oder dergleichen, was zu einem starken Verschleiß am Dichtsitz und zu einer hohen Geräuschentwicklung sowie einem Prellen der Ventilnadel führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Gasinjektor höchste Dichtheit in geschlossenem Zustand bereitstellt und unmittelbar an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann und trotzdem den hohen Temperaturen, welche am Brennraum herrschen, widerstehen kann. Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Gasinjektors liegt darin, dass eine notwendige Schließkraft zum Schließen eines Ventilglieds, wie z. B. einer Ventilnadel, reduziert werden kann. Dabei ergeben sich ferner erfindungsgemäß reduzierte Schließgeräusche und ein Prellen, d. h. nochmaliges kurzes Öffnen des Gasinjektors nach einem Kontakt des Ventilglieds mit dem Ventilsitz, kann vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Dichtsitz zwischen einem Ventilglied, z. B. einer Ventilnadel, und einem Dichtelement aufweist. Das Dichtelement ist dabei elastomerfrei und das Ventilglied liegt im geschlossenen Zustand des Gasinjektors an einem ersten Anschlag an. Somit erfolgt die Abdichtung des Dichtsitzes mittels des elastomerfreien Dichtelements und nicht mehr an einem Anschlag zwischen zwei Metall-Flächen des Ventilglieds und des Dichtsitzes. Das elastomerfreie Dichtelement kann dabei hohen Temperaturen ausgesetzt werden, sodass der Gasinjektor insbesondere für eine Direkteinblasung von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum geeignet ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst die Vorspanneinrichtung einen Elastomerring. Der Elastomerring stellt dabei die notwendigen axialen Vorspannkräfte auf das Dichtelement bereit. Dabei wird durch das elastomerfreie Dichtelement verhindert, dass der Elastomerring zu stark mit hohen Temperaturen beaufschlagt wird und beschädigt wird. Die hohen Temperaturen werden vom temperaturfesten Dichtelement abgeschirmt und über einen Kontakt mit einem Gehäuse oder dergleichen abgeleitet. Auch erfolgt ein Öffnen und Schließen des Gasinjektors, d. h. ein Berührungsvorgang und ein Trennungsvorgang des Dichtelements vom Ventilglied erfolgt, nicht am Elastomerring sondern am temperaturfesten und verschleißfesten Dichtelement.
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Zur Aufbringung einer zusätzlichen Kraft zur Beaufschlagung des Dichtelements umfasst die Vorspanneinrichtung weiter bevorzugt ein Federelement. Das Federelement kann eine Federkraft auf den Elastomerring ausüben oder alternativ parallel zum Elastomerring direkt auf das Dichtelement ausüben. Der Elastomerring dient dann lediglich zur Abdichtung an einem Gehäuse oder dergleichen. Alternativ ist das Federelement ohne Elastomerring vorgesehen.
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Das elastomerfreie Dichtelement umfasst vorzugsweise Teflon und ist insbesondere als Teflonring vorgesehen. Alternativ umfasst das elastomerfreie Dichtelement einen Duroplast und ist als Duroplastring vorgesehen.
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Für eine besonders gute Abdichtung ist vorzugsweise eine Flachdichtsitz zwischen dem Dichtelement und dem Ventilglied vorgesehen.
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Weiter bevorzugt ist das Dichtelement relativ zu anderen Bauteilen des Gasinjektors frei beweglich angeordnet. Mit anderen Worten ist das Dichtelement nicht an einem anderen Bauteil des Gasinjektors fixiert, sondern lose in den Gasinjektor eingesetzt. Dadurch kann insbesondere eine kardanische Abdichtung des Dichtsitzes ermöglicht werden, wobei das Dichtelement Ausgleichsbewegungen ausführen kann, sodass eine sichere Abdichtung am Dichtsitz möglich ist. Insbesondere kann das frei angeordnete Dichtelement dabei herstellungsbedingte Maßabweichungen oder temperaturbedingte Längenänderungen ausgleichen.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor einen zweiten Anschlag, welcher im geöffneten Zustand des Gasinjektors eine Bewegung des Dichtelements begrenzt. Dadurch wird sichergestellt, dass ein ausreichend schnelles Öffnen des Gasinjektors möglich ist.
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Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Anschlag an einem Ringbereich vorgesehen, wobei der erste Anschlag an einer in eine erste Axialrichtung gerichteten Seite des Ringbereichs und der zweite Anschlag an einer in eine zweite Axialrichtung gerichteten Seite des Ringbereichs vorgesehen sind. Der Ringbereich ist vorzugsweise ein Teil des Gehäuses.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor ist besonders bevorzugt unmittelbar an einem Brennraum der Brennkraftmaschine für eine Direkteinblasung von gasförmigem Kraftstoff vorgesehen.
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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. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung des Gasinjektors von 1 und
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3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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 einen Aktor 2, welcher lediglich schematisch dargestellt ist. Der Aktor 2 ist mit einem Ventilglied 3, in diesem Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel mit einem Ventilteller 30, verbunden.
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Das Ventilglied 3 ist ferner mittels eines Führungselements 16 geführt.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Dichtsitz 4, welcher zwischen einem beweglichen Dichtelement 5 und dem Ventilteller 30 vorgesehen ist. Der Dichtsitz 4 ist ein Flachdichtsitz und ist möglichst weit am äußeren Umfang des Ventiltellers 30 vorgesehen. Ferner ist ein erster Anschlag 11 an einem Ringbereich 13 einer Gehäusehülse 10 vorgesehen. Der erste Anschlag 11 ist ein metallischer Anschlag zwischen dem Ventilteller 30 und dem Ringbereich 13. Der erste Anschlag 11 liegt dabei radial außerhalb des Dichtsitzes 4. Ein zweiter Anschlag 12 begrenzt im geöffneten Zustand des Gasinjektors eine axiale Bewegung des Dichtelements 5. Das Dichtelement 5 ist elastomerfrei und beispielsweise ein Teflonring oder ein Ring aus Duroplast.
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Das elastomerfreie Dichtelement 5 wird mittels einer Vorspanneinrichtung 8 in Axialrichtung X-X des Gasinjektors in Richtung zum Dichtsitz 4 vorgespannt. Die Vorspanneinrichtung 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Elastomerring 80. Der Elastomerring 80 stützt sich an einem Ventilkörper 9 ab.
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1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasinjektors. Hierbei befindet sich das elastomerfreie Dichtelement 5 mit dem Ventilteller 30 im Bereich des Dichtsitzes 4 in Kontakt und dichtet den Gasinjektor sicher gegenüber dem Brennraum 15 ab.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist im geschlossenen Zustand ein Spalt 14 zwischen dem elastomerfreien Dichtelement 5 und dem Ringbereich 13 vorgesehen. Die Größe des Spaltes 14 wird dabei durch den ersten Anschlag 11 bestimmt. Der Spalt 14 sollte möglichst klein gewählt werden. Dadurch kann das frei bewegliche Dichtelement 5 Ausgleichsbewegungen zum Ausgleich von Maßabweichungen oder temperaturbedingten Längenänderungen oder dergleichen ausführen. Trotzdem wird das elastomerfreie Dichtelement 5 mit einer gewissen Vorspannkraft F durch den Elastomerring 80 gegen den Ventilteller 30 am Dichtsitz 4 gedrückt, sodass eine sichere Abdichtung möglich ist.
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Erfindungsgemäß kann nun sichergestellt werden, dass eine notwendige Schließkraft des Ventilglieds 3 reduziert werden kann. Erfindungsgemäß liegt im geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1 der Ventilteller 30 am ersten Anschlag 11 an. Dabei dient der erste Anschlag 11 nicht primär zur Abdichtung, sondern als Wärmeabschirmung für den in Axialrichtung ausgehend vom Brennraum 15 dahinter liegenden Elastomerring 80. Die eigentliche Abdichtung des Gasinjektors erfolgt mittels des freien Dichtelements 5, welches kein Elastomer enthält. Somit kann verhindert werden, dass der Elastomerring 80 mit zu hohen Temperaturen beaufschlagt wird. Die hohen Brennraumtemperaturen werden über den Ventilteller 30 und das Dichtelement 5 in die Gehäusehülse 10 und von dort in einen angrenzenden Zylinderkopf 17 oder dergleichen übertragen. Somit kann die Vorspanneinrichtung 8 mit einem Elastomerring 80 ausgestattet werden, wodurch insbesondere eine sehr gute Abdichtung am Ventilkörper 9 vorhanden ist. Somit kann insgesamt ein Gasinjektor mit einer verbesserten Abdichtung bereitgestellt werden.
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Beim Öffnen des Gasinjektors 1 wird aufgrund der vorhandenen Kraft des Elastomerrings 80 das elastomerfreie Dichtelement 5 in Axialrichtung X-X in Richtung des Brennraums 15 bewegt, bis der Spalt 14 überwunden ist. Hierbei bildet die zweite Seite des Ringbereichs 13, welche vom Brennraum 15 abgewandt ist, den zweiten Anschlag 12 für das Dichtelement 5. Durch das Vorsehen des Spalts 14 wird die kardanische Beweglichkeit des Dichtelements 5 sichergestellt.
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Durch das frei angeordnete elastomerfreie Dichtelement 5 kann somit die kardanische Beweglichkeit des Dichtelements 5 sichergestellt werden, wodurch über einen möglichen Toleranzausgleich eine bessere Abdichtung erreicht wird.
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Der Gasinjektor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein nach außen öffnender Injektor. Es sei jedoch angemerkt, dass die Erfindung auch bei nach innen öffnenden Gasinjektoren verwendet werden kann.
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Somit können die Anforderungen an den Aktor 2 hinsichtlich einer notwendigen Aktorkraft zum Öffnen des Gasinjektors reduziert werden, da eine geringere Öffnungskraft notwendig ist. Dadurch können insbesondere günstigere Magnetkreiskonzepte realisiert werden, wenn der Aktor ein Magnetaktor ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch geringere beschleunigte Schließkräfte außerdem mechanische Belastungen der Bauteile sowie eine Geräuschentwicklung und ein Verschleiß insbesondere am Dichtsitz 4 signifikant reduziert werden kann.
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3 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Vorspanneinrichtung 8 vorgesehen, welche neben dem Elastomerring 80 zusätzlich noch ein Federelement 81 aufweist. Das Federelement 81 übt eine Kraft F2 in Richtung auf das elastomerfreie Dichtelement 5 zusätzlich zur Kraft F1 des Elastomerrings 80 aus. Somit kann eine höhere in Axialrichtung X-X gerichtete Vorspannkraft auf das elastomerfreie Dichtelement 5 ausgeübt werden. Das Federelement 81 dieses Ausführungsbeispiels ist eine Tellerfeder. Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere Federelemente, beispielsweise eine zylindrische Schraubenfeder oder dergleichen, als Federelement verwendet werden kann.
