DE102016204952A1 - Gas injector and its use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor (10; 10a) zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem wenigstens eine Auslassöffnung (15) für das Gas aufweisenden Injektorgehäuse (11), mit einem Ventilglied (18; 18a) zum Freigeben und Verschließen der wenigstens einen Auslassöffnung (15) in dem Injektorgehäuse (11), wobei das Ventilglied (18; 18a) zumindest mittelbar von einem Aktuator (50) betätigbar und in einem mit dem Gas beaufschlagbaren Druckraum (13) angeordnet ist.The invention relates to a gas injector (10; 10a) for injecting gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising an injector housing (11) having at least one outlet opening (15) for the gas, with a valve member (18; 18a) for releasing and closing the at least one outlet opening (15) in the injector housing (11), wherein the valve member (18; 18a) is at least indirectly operable by an actuator (50) and disposed in a pressure space (13) to be acted upon by the gas.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gasinjektors. The invention relates to a gas injector for injecting gaseous fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to the use of a gas injector according to the invention.
Ein Gasinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
Will man pro Verbrennungszyklus relativ große Massen an gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum einblasen, so wird dies durch einen relativ hohen (System-)Druck des gasförmigen Kraftstoffs unterstützt. Nachteilig dabei ist, dass bei konventionell ausgebildeten Gasinjektoren unter Verwendung einer einzigen Nadel zum Freigeben bzw. Verschließen einer Auslassöffnung und unter Verwendung eines einzelnen Aktuators die zum Öffnen der Nadel gegen den im Injektorgehäuse herrschenden hohen Systemdruck erforderliche Kraft relativ hoch ist. Es herrscht daher ein Zielkonflikt zwischen dem Wunsch nach relativ einfach bzw. preiswert ausbildbaren Aktuatoren zum Betätigen des Schließglieds bzw. der Nadel einerseits und dem Wunsch der Auslegung derartiger Gasinjektoren auf relativ hohe Systemdrücke. Unter einem hohen Gasdruck wird dabei beispielsweise ein Gasdruck von mehr als 100 bar verstanden, der die pro Einblasvorgang das Einblasen von relativ großen Gasmassen ermöglicht. If you want to inject relatively large masses of gaseous fuel into the combustion chamber per combustion cycle, this is supported by a relatively high (system) pressure of the gaseous fuel. The disadvantage here is that in conventional gas injectors using a single needle to enable or close an outlet and using a single actuator required to open the needle against the prevailing in the injector high system pressure force is relatively high. There is therefore a conflict of objectives between the desire for relatively simple or inexpensive formable actuators for actuating the closing member or the needle on the one hand and the desire to design such gas injectors to relatively high system pressures. Under a high gas pressure is understood, for example, a gas pressure of more than 100 bar, which allows the per blowing the injection of relatively large gas masses.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gasinjektor zum Einblasen von Gas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieser unter Verwendung von relativ einfach aufgebauten bzw. preiswert herstellbaren Aktuatoren zur Betätigung des Schließglieds bzw. der Nadel dazu geeignet ist, pro Verbrennungszyklus bzw. pro Hub des Schließglieds relativ große Gasmassen in den Brennraum einblasen zu können. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Gasinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die zum Öffnen bzw. Freigeben wenigstens einer Auslassöffnung erforderlichen Kräfte auf das Ventilglied (Nadel) reduziert sind. Based on the illustrated prior art, the invention has the object, a gas injector for injecting gas into a combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 such that this using relatively simple or inexpensive to produce actuators for actuating the Closing member or the needle is suitable to be able to inject relatively large gas masses into the combustion chamber per combustion cycle or per stroke of the closing member. In particular, it is an object of the invention to develop a gas injector according to the preamble of claim 1 such that the forces required to open or release at least one outlet opening are reduced to the valve member (needle).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gasinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved in a gas injector with the features of claim 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Ventilglied bzw. die Nadel durch den Aktuator nicht unmittelbar zu betätigen bzw. mit diesem zu verbinden, sondern dessen Öffnungs- und Schließbewegung über einen Steuerraum zu beeinflussen. Ein derartiger Steuerraum, der wiederum über ein Stellglied mit dem Aktuator zusammenwirkt, ermöglicht es die ansonsten zum unmittelbaren Bewegen des Ventilglieds erforderlichen Kräfte zu reduzieren. Dies wird insbesondere durch entsprechend ausgebildete Flächenverhältnisse am Ventilglied sowie am Stellglied ermöglicht. Konkret wird erfindungsgemäß bei der allgemeinen Verwirklichung der Lehre des Gasinjektors vorgeschlagen, dass das Ventilglied auf der der wenigstens einen Auslassöffnung am Injektorgehäuse abgewandten Seite einen Steuerraum begrenzt. Weiterhin weist das Ventilglied eine Durchgangsbohrung auf, die den Bereich des Steuerraums mit der der wenigstens einen Auslassöffnung zugewandten Seite des Ventilglieds verbindet. Die Durchgangsbohrung in dem Ventilglied bildet im Bereich des Steuerraums eine Dichtfläche aus, die mit einem mit dem Aktuator gekoppelten Stellglied zusammenwirkt. Dieses Stellglied wirkt bei nicht betätigtem Aktuator mit der Dichtfläche zusammen, wobei das Ventilglied in Richtung seiner die wenigstens eine Auslassöffnung verschließenden Stellung kraftbeaufschlagt ist. Zuletzt ist es erforderlich, dass der Steuerraum mittels einer Bohrung mit dem unter Gasdruck stehendem Druckraum verbunden ist, damit die über die Durchgangsbohrung abströmende Gasmenge sowie Leckageverluste aus dem Steuerraum ausgeglichen werden. The invention is based on the idea not to actuate the valve member or the needle directly by the actuator or to connect to this, but to influence its opening and closing movement via a control chamber. Such a control chamber, which in turn interacts with the actuator via an actuator, makes it possible to reduce the forces otherwise required for the immediate movement of the valve member. This is made possible, in particular, by correspondingly formed area ratios on the valve member and on the actuator. Specifically, according to the invention, in the general implementation of the teachings of the gas injector, it is proposed that the valve member delimits a control chamber on the side facing away from the at least one outlet opening on the injector housing. Furthermore, the valve member has a through hole which connects the region of the control chamber with the side of the valve member facing the at least one outlet opening. The through hole in the valve member forms in the region of the control chamber a sealing surface which cooperates with an actuator coupled to the actuator. When the actuator is not actuated, this actuator interacts with the sealing surface, the valve member being subjected to a force in the direction of its position closing the at least one outlet opening. Finally, it is necessary that the control chamber by means of a bore with the pressurized space under gas pressure is connected so that the gas flowing through the through hole and gas leakage losses are compensated from the control room.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gasinjektors zum Einblasen von Gas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Advantageous developments of the gas injector according to the invention for injecting gas into a combustion chamber of an internal combustion engine are listed in the subclaims.
Um die zum Öffnen des Ventilglieds erforderliche Kraft zu reduzieren bzw. das Abheben des Ventilglieds von einem am Injektorgehäuse ausgebildeten Dichtsitz zu beschleunigen, kann es vorgesehen sein, dass das Ventilglied mittels einer Druckfeder in eine die wenigstens eine Auslassöffnung am Injektorgehäuse freigebende Stellung kraftbeaufschlagt ist. Diese Kraft wirkt somit entgegen der Richtung der Schließkraft, die bei nicht betätigtem Aktuator auf das Ventilglied wirkt. Um zu verhindern, dass trotz der Federkraft der Druckfeder bei nicht betätigtem Aktuator das Ventilglied von seinem Dichtsitz am Injektorgehäuse abhebt und somit die wenigstens eine Auslassöffnung freigibt, ist es darüber hinaus wesentlich, dass die Federkraft der Druckfeder geringer ist als die bei nicht betätigtem Aktuator in Schließrichtung des Ventilglieds wirkende Kraft. In order to reduce the force required to open the valve member or to accelerate the lifting of the valve member from a sealing seat formed on the injector housing, it may be provided that the valve member is subjected to a force in a position releasing the at least one outlet opening on the injector housing by means of a compression spring. This force thus acts counter to the direction of the closing force, which acts on the valve member when the actuator is not actuated. In order to prevent that in spite of the spring force of the compression spring at not actuated actuator, the valve member lifts from its sealing seat on the injector and thus releases the at least one outlet, it is also essential that the spring force of the compression spring is less than that when not actuated actuator Closing direction of the valve member acting force.
Um bereits bei einem geringfügigen Freigeben der Durchgangsbohrung im Ventilglied durch Abheben des Stellglieds vom Dichtsitz ein Abströmen von Gas in Richtung der wenigstens einen Auslassöffnung zu ermöglichen, ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Durchgangsbohrung im Ventilglied auf der der wenigstens einen Auslassöffnung zugewandten Seite in der Schließstellung des Ventilglieds Verbindung mit der wenigstens einen Auslassöffnung hat. Dadurch wird selbst für den Fall, dass das Ventilglied an dem Dichtsitz im Injektorgehäuse dichtend anliegt die Möglichkeit geschaffen, bei von der Durchgangsbohrung abgehobenem Stellglied Gas über die Durchgangsbohrung und die Auslassöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzublasen. In order to allow gas to escape in the direction of the at least one outlet opening even with a slight release of the through hole in the valve member by lifting the actuator from the sealing seat, it is also provided in a further embodiment of the invention that the through hole in the valve member on the at least an outlet opening facing side in the closed position of the valve member has connection with the at least one outlet opening. Thereby, even if the valve member sealingly abuts against the sealing seat in the injector housing, it is possible to inject gas through the through-bore and the exhaust port into the combustion chamber of the internal combustion engine when the actuator is lifted from the through-bore.
Eine konstruktiv bevorzugte Ausgestaltung des Steuerraums zur radialen und axialen Führung sowohl des Ventilglieds als auch des Stellglieds sieht vor, dass das Ventilglied und das Stellglied radial von einer im Injektorgehäuse angeordneten Hülse umfasst und in der Hülse axial verschiebbar angeordnet sind, wobei die Hülse den Steuerraum zusammen mit dem Ventilglied und dem Stellglied begrenzt. A structurally preferred embodiment of the control chamber for radial and axial guidance of both the valve member and the actuator provides that the valve member and the actuator comprises radially from a sleeve arranged in the Injektorgehäuse and are arranged axially displaceably in the sleeve, wherein the sleeve together the control chamber limited with the valve member and the actuator.
In einer zweiten, sich von den oben beschriebenen Ausgestaltung unterscheidenden Ausführungsvariante des Gasinjektors ist es vorgesehen, dass das Ventilglied mit der dem Steuerraum abgewandten Seite der Durchgangsbohrung in der Schließstellung des Ventilglieds mit geringem radialen Spalt in einen Bodenabschnitt einer im Injektorgehäuse ausgebildeten Sacklochbohrung eintaucht, und dass die wenigstens eine Auslassöffnung außerhalb des Bodenabschnitts der Sacklochbohrung angeordnet ist. Bei einer derartigen konstruktiven Ausgestaltung bzw. Anordnung der Durchgangsbohrung wird bei einem Abheben des Stellglieds von der Durchgangsbohrung im Steuerraum ein Abströmen von Gas in Richtung des Bodenabschnitts der Sacklochbohrung ermöglicht. Dieses abströmende Gas wirkt über die Druckfläche an dem Ventilglied in Öffnungsrichtung des Ventilglieds, so dass die Öffnungsbewegung des Ventilglieds unterstützt bzw. beschleunigt wird. In a second, different from the above-described embodiment variant of the gas injector, it is provided that the valve member with the control chamber facing away from the side of the through hole in the closed position of the valve member with a small radial gap in a bottom portion of a formed in the Injektorgehäuse blind hole immersed, and that the at least one outlet opening is arranged outside the bottom section of the blind hole. In such a structural design or arrangement of the through hole, a discharge of gas in the direction of the bottom portion of the blind hole is made possible with a lifting of the actuator of the through hole in the control chamber. This outflowing gas acts via the pressure surface on the valve member in the opening direction of the valve member, so that the opening movement of the valve member is supported or accelerated.
Um einerseits eine gezielte Führung des Ventilglieds in dem Druckraum des Injektorgehäuses zu ermöglichen, und andererseits eine mechanische Mitnahme des Ventilglieds beim Öffnen bzw. bei der Bewegung des Stellglieds zu ermöglichen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das Ventilglied radial von einer den Steuerraum begrenzenden Mitnehmerhülse umfasst und an der Mitnehmerhülse festgelegt ist, wenn die Mitnehmerhülse axial verschiebbar in dem Druckraum angeordnet ist, und wenn das Stellglied in die Mitnehmerhülse eintaucht und dazu ausgebildet ist, bei einer Bewegung des Stellglieds in eine von der wenigstens einen Auslassöffnung abgewandten Richtung das Ventilglied in eine die wenigstens eine Auslassöffnung freigebende Position zu bewegen. On the one hand to allow a targeted guidance of the valve member in the pressure chamber of the injector, and on the other hand to allow a mechanical entrainment of the valve member during opening or during the movement of the actuator, it is also advantageous if the valve member radially from a control space limiting Cartridge comprises and is fixed to the driving sleeve when the driving sleeve is arranged axially displaceable in the pressure chamber, and when the actuator is immersed in the driving sleeve and is adapted to the valve member in a movement of the actuator in a direction away from the at least one outlet opening direction to move the at least one outlet opening releasing position.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es zur gezielten radialen Führung der Mitnehmerhülse vorgesehen, dass diese in einer den Druckraum ausbildenden Bohrung des Injektorgehäuses geführt ist. In a further development of the proposal made last, it is provided for targeted radial guidance of the driver sleeve, that this is performed in a pressure chamber forming the bore of the injector.
Durch die radiale Führung der Mitnehmerhülse in dem Druckraum sind ohne zusätzliche Maßnahmen die gegenüberliegenden Seiten der Mitnehmerhülse in dem Druckraum pneumatisch voneinander getrennt. Dadurch ist ein Zuströmen von Gas in den Bereich der wenigstens einen Auslassöffnung, außer über die Durchgangsbohrung in dem Ventilglied, nicht möglich. Um nichtsdestotrotz bei guter radialer Führung eine hinreichend gute Versorgung der wenigstens einen Auslassbohrung mit Gas unmittelbar über den Druckraum zu ermöglichen, ist es in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Mitnehmerhülse eine Verbindungsbohrung aufweist, die die zwei durch die Mitnehmerhülse in dem Injektorgehäuse axial voneinander getrennten Bereiche des Druckraums miteinander verbindet. Due to the radial guidance of the driver sleeve in the pressure chamber, the opposite sides of the driver sleeve are pneumatically separated from each other in the pressure chamber without additional measures. As a result, it is not possible for gas to flow into the region of the at least one outlet opening, except via the passage bore in the valve member. Nevertheless, in order to enable sufficiently good supply of the at least one outlet bore with gas directly above the pressure chamber with good radial guidance, it is provided in a development of the invention that the driver sleeve has a connection bore which axially separates the two axially from one another by the driver sleeve in the injector housing Areas of the pressure chamber connects to each other.
Wie eingangs bereits erläutert, ist es ein wesentliches Element der Erfindung, einen Gasinjektor derart auszubilden, dass dieser unter Verwendung einfacher bzw. relativ günstig herstellbarer Aktuatoren arbeitet. Daher ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn der Aktuator einen Magnetanker, insbesondere in Form eines sogenannten Tauchankers, aufweist. Ein derartiger Magnetanker bildet zusammen mit einer mit dem Magnetanker zusammenwirkenden Magnetspule eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Betätigung des Ventil- bzw. Stellglieds aus. As already explained, it is an essential element of the invention to design a gas injector such that it operates using simple or relatively inexpensive to produce actuators. Therefore, it is particularly preferred if the actuator is a magnet armature, in particular in the form of a so-called plunger armature. Such a magnet armature forms, together with a magnetic coil cooperating with the magnet armature, a simple and inexpensive way of actuating the valve or actuator.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Gasinjektors. Dieser lässt sich insbesondere aufgrund seines konstruktiven Aufbaus bei relativ hohen Gas- bzw. Systemdrücken verwenden. Gemeint sind hierbei Drücke von mehr als 100bar, vorzugsweise mehr als 300bar. Bei derartig hohen Drücken wird es ermöglicht, während des Bewegungszyklus eines Ventilglieds relativ hohe Massen an gasförmigem Kraftstoff über die wenigstens eine Auslassöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzublasen.The invention also relates to the use of a gas injector according to the invention described so far. This can be used in particular because of its structural design at relatively high gas or system pressures. Meanings here are pressures of more than 100 bar, preferably more than 300 bar. At such high pressures, it is possible during the movement cycle of a valve member to inject relatively high masses of gaseous fuel via the at least one outlet opening into the combustion chamber of the internal combustion engine.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Diese zeigt in: This shows in:
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen. The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.
Der in den
Der Gasinjektor
Innerhalb des Druckraums
Am Außenumfang des Ventilglieds
Innerhalb des Druckraums
Von der den Auslassöffnungen
Das Ventilglied
Der Mündungsbereich der Durchgangsöffnung
Das Stellglied
Die Funktionsweise des Gasinjektors
Bei einer Betätigung des Aktuators
Zum Schließen der Auslassöffnungen
Der in den
Das Ventilglied
Die Mitnehmerhülse
Die Funktionsweise des Gasinjektors
Der soweit beschriebene Gasinjektor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE102016204952.6A DE102016204952A1 (en) | 2016-03-24 | 2016-03-24 | Gas injector and its use |
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GB2617859A (en) * | 2022-04-22 | 2023-10-25 | Delphi Tech Ip Ltd | Fuel injector |
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DE102014205454A1 (en) | 2014-03-24 | 2015-09-24 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with double valve needle |
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- 2016-03-24 DE DE102016204952.6A patent/DE102016204952A1/en active Pending
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