DE102020215866A1 - Gas injector for injecting gaseous fuel - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, umfassend ein Hauptventil (2) mit einer ersten hohlen Ventilnadel (20), welche einen ersten Fluidpfad (22) an einem ersten Dichtsitz (21) freigibt und verschließt, ein Steuerventil (3) mit einer zweiten hohlen Ventilnadel (30), welche einen zweiten Fluidpfad (32) an einem zweiten Dichtsitz (31) freigibt und verschließt, wobei die erste Ventilnadel (20) und die zweite Ventilnadel (30) in Axialrichtung (X-X) des Gasinjektors beweglich angeordnet sind und der erste Dichtsitz (21) zwischen der ersten Ventilnadel (20) und der zweiten Ventilnadel (30) ausgebildet ist und der zweite Dichtsitz (31) zwischen der zweiten Ventilnadel (30) und einem Gehäuseteil (5) ausgebildet ist, einen Magnetaktor (4) mit einem Anker (40), wobei der Anker (40) fest mit der zweiten Ventilnadel (30) verbunden ist, um die zweite Ventilnadel (30) zu öffnen, und ein erstes Rückstellelement (6) zum Zurückstellen der ersten Ventilnadel (20) und ein zweites Rückstellelement (7) zum Zurückstellen der zweiten Ventilnadel (30), wobei das erste Rückstellelement (6) zwischen der ersten Ventilnadel (20) und der zweiten Ventilnadel (30) angeordnet ist und die erste Ventilnadel (20) gegen die zweite Ventilnadel (30) vorspannt.The present invention relates to a gas injector for blowing in a gaseous medium, comprising a main valve (2) with a first hollow valve needle (20) which opens and closes a first fluid path (22) at a first sealing seat (21), a control valve (3) with a second hollow valve needle (30) which opens and closes a second fluid path (32) at a second sealing seat (31), the first valve needle (20) and the second valve needle (30) being arranged so as to be movable in the axial direction (X-X) of the gas injector and the first sealing seat (21) is formed between the first valve needle (20) and the second valve needle (30) and the second sealing seat (31) is formed between the second valve needle (30) and a housing part (5), a magnetic actuator ( 4) having an armature (40), the armature (40) being fixedly connected to the second valve needle (30) in order to open the second valve needle (30), and a first restoring element (6) for restoring the first Ve valve needle (20) and a second restoring element (7) for restoring the second valve needle (30), the first restoring element (6) being arranged between the first valve needle (20) and the second valve needle (30) and the first valve needle (20) biases against the second valve needle (30).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einlasen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff, sowie eine Gasbrennkraftmaschine mit einem derartigen Gasinjektor.The present invention relates to a gas injector for injecting gaseous fuel, in particular natural gas or hydrogen, and a gas internal combustion engine with such a gas injector.
Gasinjektoren zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Unterschied zu Injektoren für flüssigen Kraftstoff liegt bei Gasinjektoren darin, dass große Öffnungsquerschnitte zum Einblasen großer Fluidmengen benötigt werden. Dies muss bei Gasinjektoren entsprechend durch große Öffnungsquerschnitte erreicht werden. Ein weiterer Unterschied zu flüssigen Kraftstoffen liegt ferner darin, dass gasförmige Kraftstoffe häufig unter sehr hohem Druck im Fahrzeug gespeichert werden. Aufgrund dieser hohen Gasdrücke müssen jedoch Aktoren zum Öffnen des Gasinjektors groß ausgelegt werden, was insbesondere bei Verwendung von Magnetaktoren zu einem sehr großen, Bauraum einnehmenden Aktor führen würde. Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Der erfindungsgemäße Gasinjektor, insbesondere zum Einblasen von Erdgas oder Wasserstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Öffnungskraft im Vergleich mit dem Stand der Technik weiter reduziert werden kann. Dadurch kann ein Magnetaktor, welcher zum Öffnen des Gasinjektors verwendet wird, hinsichtlich seines Bauraums weiter reduziert werden. Hierdurch kann insbesondere ein äußerer Durchmesser des Gasinjektors weiter reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Hauptventil und ein Steuerventil aufweist. Das Hauptventil umfasst eine erste hohle Ventilnadel, welche einen ersten Fluidpfad an einem ersten Dichtsitz freigibt und verschließt. Das Steuerventil umfasst eine zweite hohle Ventilnadel, welche einen zweiten Fluidpfad an einem zweiten Dichtsitz freigibt und verschließt. Die erste Ventilnadel ist dabei in der zweiten Ventilnadel in Axialrichtung beweglich angeordnet. Der erste Dichtsitz ist ferner zwischen der ersten und der zweiten Ventilnadel ausgebildet. Der zweite Dichtsitz ist zwischen der zweiten Ventilnadel und einem Gehäusebauteil ausgebildet. Ein Magnetaktor mit Anker ist als Aktor vorgesehen, wobei die zweite Ventilnadel mit dem Anker des Magnetaktors verbunden ist, um die zweite Ventilnadel zu öffnen. Ferner ist ein erstes und ein zweites Rückstellelement vorgesehen. Das erste Rückstellelement ist zur Rückstellung der ersten Ventilnadel eingerichtet und das zweite Rückstellelement ist zur Rückstellung der zweiten Ventilnadel eingerichtet. Ferner ist das erste Rückstellelement zwischen der ersten und zweiten Ventilnadel angeordnet und spannt die erste Ventilnadel gegen die zweite Ventilnadel vor.In contrast, the gas injector according to the invention, in particular for blowing in natural gas or hydrogen, with the features of
Das Hauptventil kann nun durch Öffnen des Steuerventils, welches nur einen kleinen Hub ausführen muss, geöffnet werden. Da das erste Rückstellelement die erste Ventilnadel gegenüber der zweiten Ventilnadel vorspannt, muss zum Öffnen des Steuerventils nur die Federkraft des zweiten Rückstellelements am Anker überwunden werden. Dadurch kann der Magnetaktor kleiner ausgelegt werden. Ferner ist ein kompakter und gewichtsreduzierter Aufbau des ersten Rückstellelements möglich.The main valve can now be opened by opening the control valve, which only has to perform a small stroke. Since the first restoring element pretensions the first valve needle in relation to the second valve needle, only the spring force of the second restoring element on the armature has to be overcome in order to open the control valve. As a result, the magnet actuator can be made smaller. Furthermore, a compact and weight-reduced construction of the first restoring element is possible.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Der Gasinjektor umfasst weiter bevorzugt eine Drosselscheibe mit einer Drosselstelle, welche in einer Durchgangsöffnung durch die Drosselscheibe liegt. Die Drosselscheibe ermöglicht dabei eine einfache Realisierung eines Steuerraums, um das Steuerventil zu öffnen.The gas injector further preferably comprises a throttle disk with a throttle point which lies in a through-opening through the throttle disk. The throttle disk allows a simple implementation of a control chamber to open the control valve.
Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine Halterung, welche fest mit der Drosselscheibe und fest mit der ersten Ventilnadel verbunden ist. Dadurch bewegen sich die erste Ventilnadel, die Halterung und das Drosselelement gemeinsam. Die Verbindung zwischen den Bauteilen kann beispielsweise über Schweißen oder Heften oder Klammern oder als Pressverbindung oder Krimpen oder Löten vorgesehen sein. Das erste Rückstellelement stützt sich dabei besonders bevorzugt zwischen der Halterung und der zweiten Ventilnadel ab. Durch diese Ausgestaltung kann bei der Rückstellung des Gasinjektors in eine geschlossene Ausgangsstellung ein sehr schnelles Schließen des ersten Dichtsitzes am Hauptventil ermöglicht werden.More preferably, the gas injector comprises a holder which is fixedly connected to the throttle disk and fixedly connected to the first valve needle. As a result, the first valve needle, the holder and the throttle element move together. The connection between the components can be provided, for example, via welding or tacking or clips or as a press connection or crimping or soldering. The first restoring element is particularly preferably supported between the holder and the second valve needle. This configuration allows the first sealing seat on the main valve to be closed very quickly when the gas injector is returned to a closed initial position.
Vorzugsweise definieren die erste Ventilnadel, die Halterung und die Drosselscheibe einen Federraum zur Aufnahme des ersten Rückstellelements. Die zweite Ventilnadel ist weiter bevorzugt gemeinsam axial beweglich mit der Drosselscheibe.The first valve needle, the holder and the throttle disk preferably define a spring space for accommodating the first restoring element. The second valve needle is more preferably axially movable together with the throttle disk.
Vorzugsweise ist die erste Ventilnadel zumindest teilweise in der zweiten Ventilnadel angeordnet. Dadurch kann ein sehr kompakter und platzsparender Aufbau realisiert werden. Weiterhin kann dadurch bei geöffnetem Gasinjektor das einzublasende Gas zentral durch die erste hohle Ventilnadel hindurchgeführt werden.The first valve needle is preferably arranged at least partially in the second valve needle. As a result, a very compact and space-saving design can be implemented. Furthermore can as a result, when the gas injector is open, the gas to be blown in can be passed centrally through the first hollow valve needle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ferner ein erstes und ein zweites Dichtelement an der Drosselscheibe. Das erste Dichtelement ist an einem Innenumfang der Drosselscheibe zur Abdichtung an der zweiten Ventilnadel angeordnet. Das zweite Dichtelement ist an einem Außenumfang der Drosselscheibe zur Abdichtung an einem Gehäusebauteil des Gasinjektors angeordnet.According to a further preferred embodiment of the invention, the gas injector also includes a first and a second sealing element on the throttle disk. The first sealing element is arranged on an inner circumference of the throttle disk for sealing on the second valve needle. The second sealing element is arranged on an outer circumference of the throttle disk for sealing on a housing component of the gas injector.
Weiter bevorzugt sind die erste und die zweite Ventilnadel jeweils nach außen öffnende Ventilnadeln. Dadurch kann der Öffnungsvorgang mittels des Steuerventils weiter vereinfacht werden.More preferably, the first and second valve needles are each outwardly opening valve needles. As a result, the opening process can be further simplified by means of the control valve.
Das erste Rückstellelement ist weiter bevorzugt eine Kegelfeder. Die Kegelfeder greift vorzugsweise an einem freien Ende der zweiten Ventilnadel an.The first restoring element is more preferably a conical spring. The conical spring preferably acts on a free end of the second valve needle.
Weiter bevorzugt weisen die erste Ventilnadel und die zweite Ventilnadel jeweils an ihren einspritzseitigen Enden ringförmige Flanschbereiche auf, zwischen welchen der erste Ventilsitz ausgebildet ist.More preferably, the first valve needle and the second valve needle each have annular flange areas on their injection-side ends, between which the first valve seat is formed.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasbrennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor.Furthermore, the present invention relates to a gas internal combustion engine with a gas injector according to the invention.
Figurenlistecharacter list
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im geschlossenen Zustand, -
2 bis5 schematische Schnittansichten des Gasinjektors von1 , welche einen Öffnungsvorgang und eine Schließvorgang des Gasinjektors darstellen, -
6 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors eines zweiten Ausführungsbeispiels im geschlossenen Zustand, -
7 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors eines dritten Ausführungsbeispiels im geschlossenen Zustand, und -
8 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors eines vierten Ausführungsbeispiels im geschlossenen Zustand.
-
1 a schematic sectional view of a gas injector according to a first embodiment of the present invention in the closed state, -
2 until5 schematic sectional views of the gas injector from1 , which represent an opening process and a closing process of the gas injector, -
6 a schematic sectional view of a gas injector of a second embodiment in the closed state, -
7 a schematic sectional view of a gas injector of a third embodiment in the closed state, and -
8th a schematic sectional view of a gas injector of a fourth embodiment in the closed state.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred Embodiments of the Invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Wie aus
Der Gasinjektor 1 umfasst dabei ein Hauptventil 2, ein Steuerventil 3 sowie einen Magnetaktor 4. Der Magnetaktor 4 umfasst einen Anker 40, eine Spule 41 und einen Innenpol 42. Das Bezugszeichen 43 bezeichnet einen magnetischen Rückschluss.The
Der Magnetaktor 4 betätigt dabei das Steuerventil 3, wodurch das Gasinjektor 1 dann vollständig durch Öffnen des Hauptventils 2 geöffnet werden kann.The
Das Hauptventil 2 schließt den Gasinjektor dabei an einem ersten Dichtsitz 21. Das Steuerventil 3 öffnet und schließt den Gasinjektor an einem zweiten Dichtsitz 31.The
Das Hauptventil 2 umfasst eine erste, hohle Ventilnadel 20, welche sich in Axialrichtung durch den Großteil des Gasinjektors erstreckt. An einem einspritzseitigen Ende der ersten Ventilnadel 20 ist ein nach außen gerichteter Flansch 25 vorgesehen.The
Das Steuerventil 3 umfasst eine zweite, hohle Ventilnadel 30 und einen zweiten Flansch 35.The
Die erste Ventilnadel 20 ist dabei axial verschiebbar in der zweiten Ventilnadel 30 angeordnet. Die zweite Ventilnadel 30 ist ebenfalls axial verschiebbar im Gasinjektor 1 angeordnet.The
Wie weiter aus
Ein erster Fluidpfad 22 für das einzublasende Fluid verläuft durch die erste hohle Ventilnadel 20 und definiert einen Hauptpfad für das Fluid. Ein zweiter Fluidpfad 32 verläuft von einem Steuerraum 10 durch einen Spalt 44 zwischen dem Anker 40 und der zweiten hohlen Ventilnadel 30 und führt entlang des Außenumfangs der zweiten Ventilnadel 30 bis zum Flansch 35 der zweiten Ventilnadel 30 am zweiten Dichtsitz 31.A first
Wie aus
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein erstes Rückstellelement 6 und ein zweites Rückstellelement 7. Das erste Rückstellelement 6 ist zur Rückstellung der ersten Ventilnadel 20 vorgesehen und das zweite Rückstellelement 7 stellt über den Anker 40 die zweite Ventilnadel 30 in den geschlossenen Ausgangszustand zurück. Wie aus
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner eine Drosselscheibe 8, welche eine Drossel 80 in einer Durchgangsöffnung 81 aufweist. Die Durchgangsöffnung 81 verbindet dabei einen Zulauf 13 des gasförmigen Mediums mit dem Steuerraum 10. Die Drosselscheibe 8 ist dabei relativ bewegbar zu einem Gehäusebauteil 15 des Gasinjektors angeordnet und auch relativ in Axialrichtung X-X bewegbar zur zweiten Ventilnadel 30 angeordnet.The
Wie weiter aus
Die Funktion des Gasinjektors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei wie folgt. Ausgehend vom geschlossenen Zustand in
Durch das Öffnen des Steuerventils 3 wird unter Druck stehendes gasförmiges Medium, welches sich im Steuerraum 10 befunden hat, über den zweiten Fluidpfad 32 in den Brennraum 12, in welchem ein geringerer Druck als der Druck im Steuerraum 10 herrscht, gedrängt. Dies ist in
Zum Öffnen des Steuerventils 3 muss somit nur die Federkraft des zweiten Rückstellelements 7 überwunden werden. Hierbei wird der Öffnungsvorgang des Steuerventils 3 auch durch den hohen Druck im Steuerraum 10, welcher sehr viel höher ist als der im Brennraum 12 gerade herrschende Druck unterstützt.To open the
Durch das Öffnen des Steuerventils sinkt nun jedoch der Druck im Steuerraum 10 auf ungefähr den Druck im Brennraum 12. Dadurch wird die Drosselscheibe 8, wie in
Um den Gasinjektor 1 zu schließen, wird nun der Magnetaktor 4 deaktiviert. Dadurch wird der Anker 40 durch die Rückstellkraft des zweiten Rückstellelements 7 wieder in seine Ausgangsposition gedrückt, was in
Da der Anker 40 fest mit der zweiten hohlen Ventilnadel 30 verbunden ist, wird diese ebenfalls in Axialrichtung in Richtung zum Zulauf 13 bewegt. Dadurch wird auch eine Kraft K auf das erste Rückstellelement 6 ausgeübt, welches dann eine Rückstellkraft über die Halterung 9 auf die Drosselscheibe 8 ausübt, welche ebenfalls fest miteinander verbunden sind (
Während des Öffnungsvorgangs tritt kontinuierlich auch ein Fluidstrom 82 durch die Drossel 80 in den Steuerraum 10 aus, so dass im Steuerraum 10 der Druck wieder langsam auf den Ausgangsdruck des gasförmigen Kraftstoffs ansteigt. Dadurch wird das Volumen des Steuerraums 10 wieder vergrößert, wodurch die Bewegung der Drosselscheibe 8 in Richtung zum Zulauf 13 weiter unterstützt wird.During the opening process, a
Durch diese Bewegung der Drosselscheibe 8 und die Rückstellkraft des ersten Rückstellelements 6 wird dann auch der erste Dichtsitz 21 über die Halterung 9 und die erste Ventilnadel 20 geschlossen, was in
Somit kann mittels einer relativ kleinen Magnetkraft durch den Magnetaktor 4 zuerst das Steuerventil 3 und anschließend das Hauptventil 2 geöffnet werden. Die zum Öffnen des Steuerventils 3 verwendete Menge an gasförmigem Medium wird in den Brennraum 12 eingeblasen, so dass auf eine Rückleitung dieses als Steuermedium benutzten gasförmigen Mediums verzichtet werden kann. Die Steuermenge zum Öffnen des Steuerventils 3 wird einfach in den Brennraum 12 eingeblasen.Thus, first the
Da der gasförmige Kraftstoff unter hohem Druck steht, welcher sowohl in der Ansaugphase als auch in der Kompressionsphase der Gasbrennkraftmaschine immer höher ist, als ein maximaler Druck im Brennraum 12, ist eine sehr lange Einblasdauer möglich. Dadurch wird sichergestellt, dass die benötigten Mengen an gasförmigen Medium in den Brennraum 12 gelangen.Since the gaseous fuel is under high pressure, which is always higher than a maximum pressure in the
Da das Hauptventil 2 und das Steuerventil 3 beide als nach außen öffnende Ventile ausgebildet sind, ist ein sehr einfacher und kompakter Aufbau möglich. Durch die reduzierte notwendige Öffnungskraft kann auch der Magnetaktor 4 sehr kleinbauend ausgelegt werden.Since the
Somit können durch die dargestellten Ausführungsbeispiele Gasinjektoren 1 mit reduzierten notwendigen Magnetankerkräften realisiert werden. Dabei ist ein Aufbau der Gasinjektoren 1 trotzdem relativ einfach möglich.Thus,
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