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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit einer verbesserten Gaszuführung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Gasbrennkraftmaschine mit einem derartigen Gasinjektor.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von Kostenvorteilen und hoher Verfügbarkeit von gasförmigen Kraftstoffen werden derartige gasförmige Kraftstoffe in jüngster Zeit verstärkt auch bei Gasbrennkraftmaschinen, insbesondere für Fahrzeuge, verwendet. Ein Problemkreis ergibt sich jedoch dadurch, dass aufgrund eines möglichen, sehr hohen Drucks in den Brennräumen der Gasbrennkraftmaschine eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum erschwert ist. Insbesondere werden dadurch hohe Schaltkräfte zum Öffnen und/oder Schließen des Gasinjektors benötigt. Ferner wird auch ein Bauraum bei Gasbrennkraftmaschinen kontinuierlich kleiner, so dass auch ein Gasinjektor möglichst kleinbauend ausgelegt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Direkteinblasen in einen Brennraum einer Gasbrennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verbesserte Gaszuführung mit reduzierten Verlusten möglich ist. Insbesondere kann ein vergrößerter Strömungsquerschnitt für das zuströmende Gas bei geöffnetem Gasinjektor erreicht werden, wodurch sich große Vorteile hinsichtlich einer Öffnungszeit eines Gasinjektors und insbesondere Vorteile bei Mehrfachgaseinblasungen ergeben. Weiterhin können die Kosten für eine Herstellung des Gasinjektors signifikant reduziert werden, da größere Toleranzen für die Bauteile möglich sind und insbesondere eine vereinfachte und genauere Herstellung von Dichtbereichen des Gasinjektors an dessen Dichtsitz möglich ist. Hierdurch wird dann in Folge ein reduzierter Verschleiß an einer möglichen Elastomerdichtung erreicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Schließelement aufweist, welches eine Durchgangsöffnung freigibt und verschließt. Ein Aktor ist zur Betätigung des Schließelements vorgesehen. Die Durchgangsöffnung ist in einer an einem Gehäusebauteil fixierten Ventilscheibe ausgebildet. Ein Dichtsitz des Gasinjektors ist dabei zwischen der Ventilscheibe und dem Schließelement ausgebildet. Ferner ist die Ventilscheibe mehrteilig mit einem Innenteil und einem Außenteil ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Ventilscheibe zweiteilig ausschließlich mit Innenteil und Außenteil ausgebildet. Die Durchgangsöffnung ist dabei zwischen dem Innenteil und dem Außenteil ausgebildet, wobei am Dichtsitz, d.h. am Austritt des Gases aus der Durchgangsöffnung, ein umlaufender Zuströmkanal vorhanden ist. Der umlaufende Zuströmkanal bildet dabei einen Teilbereich der Durchgangsöffnung und ermöglicht einen vergrößerten Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung. Der umlaufende Zuströmkanal ist somit zwischen dem Innenteil und dem Außenteil gebildet, wobei die Wandbereiche des Zuströmkanals teilweise am Innenteil und teilweise am Außenteil vorgesehen sind. Der umlaufende Zuströmkanal ist vorzugsweise kreisförmig umlaufend ausgebildet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst der Dichtsitz einen ersten Dichtbereich am Innenteil der Ventilscheibe und einen zweiten Dichtbereich am Außenteil der Ventilscheibe. Dabei sind der erste und zweite Dichtbereich benachbart zum umlaufenden Zuströmkanal angeordnet, so dass der umlaufende Zuströmkanal zwischen dem ersten und zweiten Dichtbereich angeordnet ist. Vorzugsweise sind der erste und zweite Dichtbereich jeweils als kreisförmig umlaufende Ringvorsprünge in Form von Dichtrippen ausgebildet. Diese ringförmigen Dichtrippen können sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden, da fertigungstechnisch eine Dichtrippe am Außenteil und eine Dichtrippe am Innenteil unabhängig voneinander hergestellt werden können.
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Weiter bevorzugt umfasst das Schließelement ein Elastomer, welches eingerichtet ist, am ersten und zweiten Dichtbereich abzudichten.
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Das Innenteil ist vorzugsweise an mehreren Fixierbereichen fest mit dem Außenteil verbunden. Hierbei kann zwischen dem Innenteil und dem Außenteil eine Presspassung ausgebildet sein oder alternativ eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung vorgesehen sein.
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Die Ventilscheibe ist besonders bevorzugt eine vormontierte Baugruppe. Dadurch wird eine Montage des Gasinjektors vereinfacht.
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Um einen möglichst großen Strömungsquerschnitt an der Ventilscheibe aufzuweisen, umfasst das Innenteil mehrere Abflachungen an einem Außendurchmesser, so dass zwischen den Abflachungen des Innenteils und dem Außenteil Einströmbereiche der Durchgangsöffnung in den umlaufenden Zuströmkanal gebildet sind. Die Abflachungen können als Geraden oder als konvexe Linien oder als konkave Linien ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt umfasst das Schließelement eine Hohlnadel, eine Dichtscheibe und einen Verbindungsstift, welcher die Hohlnadel mit der Dichtscheibe verbindet. Der Verbindungsstift ist dabei durch ein Loch in der Ventilscheibe hindurchgeführt. Dadurch ist das Schließelement ein nach außen öffnendes Ventil, wobei die Ventilscheibe vorzugsweise auch als Führungs- und Lagerungselement ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt ist dabei ein dritter Dichtbereich zwischen der Dichtscheibe und der feststehenden Ventilscheibe ausgebildet. Der dritte Dichtbereich ist vorzugsweise an der Ventilscheibe um das Loch, durch welches der Verbindungsstift hindurchgeführt ist, angeordnet. Die Ventilscheibe ist dabei vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung an einem Gehäusebauteil des Gasinjektors fixiert.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, welches das geöffnete Schließelement mittels einer Rückstellkraft schließt, wobei die Rückstellkraft des Rückstellelements an der Dichtscheibe des Schließelements angreift.
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Um eine Einblasung mit etwas Abstand zu einem Brennraum zu ermöglichen, umfasst der Gasinjektor weiter bevorzugt eine hohle Gasführungsspitze, welche an einem Gehäusebauteil des Gasinjektors angeordnet ist. Die hohle Gasführungsspitze weist dabei eine vorbestimmte Länge auf, so dass ein gewisser Abstand des heißen Brennraums, insbesondere zu den Bauteilen im Bereich des Dichtsitzes des Gasinjektors vorhanden ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasbrennkraftmaschine mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Gasinjektor, welcher ein gasförmiges Medium direkt in einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine einbläst.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Draufsicht einer Ventilscheibe des Gasinjektors von 1 in Durchströmungsrichtung,
- 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III von 2,
- 4 eine schematische Draufsicht der Ventilscheibe von 2 aus Brennraumsicht,
- 5 eine schematische Darstellung eines Innenteils der Ventilscheibe von 2,
- 6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VI-VI von 5,
- 7 eine schematische Draufsicht in Durchströmungsrichtung eines Außenteils der Ventilscheibe von 2,
- 8 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VIII-VIII von 7,
- 9 eine schematische Teilschnittansicht des Gasinjektors von 1 im Bereich der Durchgangsöffnung im geschlossenen Zustand und
- 10 eine schematische Teilschnittansicht des Gasinjektors von 1 im Bereich eines Durchgangs des Schließelements durch die Ventilscheibe.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 ein Gasinjektor 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 ein Schließelement 2, welches eine Durchgangsöffnung 3 an einem Dichtsitz 4 freigibt und verschließt.
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Der Gasinjektor 1 umfasst einen Magnetaktor 5 mit einem Anker 50, einem Innenpol 51 und einer Spule 52. Das Bezugszeichen 53 bezeichnet einen elektrischen Steckeranschluss für den Gasinjektor 1.
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Das Schließelement 2 umfasst eine Hohlnadel 20, eine Dichtscheibe 21 und einen Verbindungsstift 22. Der Verbindungsstift 22 ist mit der Hohlnadel 20 beispielsweise mittels einer Schweißverbindung 7 und mit der Dichtscheibe 21 beispielsweise mittels einer Pressverbindung oder einer Schweißverbindung fest verbunden. Die Hohlnadel 20 ist im Innenpol 51 in Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 geführt.
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Die Ventilscheibe 6 ist feststehend im Gasinjektor 1 angeordnet und mittels einer Schweißverbindung 7 mit einem Gehäusebauteil 8 des Gasinjektors 1 verbunden.
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1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1.
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Wie aus den 2 bis 8 ersichtlich ist, umfasst die Ventilscheibe 6 einen Innenteil 61 und ein Außenteil 62. Dabei ist ein Zuströmkanal 60 zwischen dem Innenteil 61 und dem Außenteil 62 ausgebildet, welcher vollständig umlaufend angeordnet ist. Der Zuströmkanal 60 bildet dabei einen Teil der Durchgangsöffnung 3. Der Zuströmkanal 60 wird somit teilweise durch das Innenteil 61 und teilweise durch das Außenteil 62 definiert.
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Wie insbesondere aus den 2, 4, 5 und 7 ersichtlich ist, umfasst die Durchgangsöffnung 3 noch mehrere Einströmbereiche 30, so dass bei geöffnetem Gasinjektor 1 das einzublasende Gas aus einem Raum 9 durch die Durchgangsöffnung 3 zu einer Gasführungsspitze 10 und von dort direkt in einen Brennraum zugeführt werden kann. Genauer strömt das Gas aus dem Raum 9 über die wie in 2 gezeigten vier Einströmbereiche 30 in den umlaufenden Zuströmkanal 60 und von dort entlang des äußeren Umfangs der Dichtscheibe 21 und durch Durchbrüche 23 zur Gasführungsspitze 10. Das Innenteil 61 weist vier Fixierbereiche 61a auf, welche für eine Verbindung mit dem Außenteil 62 eine Pressverbindung mit dem Außenteil 62 bereitstellen (vgl. 5).
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Der Dichtsitz 4 umfasst dabei einen ersten Dichtbereich 41, einen zweiten Dichtbereich 42 und einen dritten Dichtbereich 43. Wie aus 9 ersichtlich ist, sind der erste Dichtbereich 41 und der zweite Dichtbereich 42 vollständig ringförmig umlaufend um den Zuströmkanal 60 angeordnet. Der dritte Dichtbereich 43 ist am Innenteil 61 der Ventilscheibe 6 benachbart zu einem Loch 61b, durch welches der Verbindungsstift 22 geführt ist, ausgebildet.
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Die drei Dichtbereiche 41, 42, 43 sind somit jeweils ringförmig umlaufend vorgesehen und bilden somit jeweils einen Ringvorsprung an der Ventilscheibe 6. Genauer ist der erste Dichtbereich 41 am Außenteil 62 ausgebildet und der zweite Dichtbereich 42 ist am Innenteil 61 benachbart zum umlaufenden Zuströmkanal 60 ausgebildet.
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An der Dichtscheibe 21 ist ein erstes Elastomer 11 und ein zweites Elastomer 12 vorgesehen. Das erste Elastomer 11 dichtet gemeinsam mit dem ersten und zweiten Dichtbereich 41, 42 im geschlossenen Zustand den umlaufenden Zuströmkanal 60 ab. Das zweite Elastomer 12 dichtet mit dem Dichtbereich 43 am Innenteil 61 den Durchtrittsbereich des Verbindungsstifts 22 durch das zentrale Loch 61b in der Ventilscheibe 6 ab.
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Somit können die drei Dichtbereiche 41, 42, 43 auf einfache Weise am Innenteil 61 und am Außenteil 62 der Ventilscheibe 5 hergestellt werden. Insbesondere werden das Innenteil 61 und das Außenteil 62 als separate Bauteile hergestellt und anschließend zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefügt. Die 2 bis 4 zeigen die zusammengefügte Baugruppe, wohingegen die 5 bis 8 die Einzelteile des Innenteils 61 und des Außenteils 62 zeigen.
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Das Innenteil 61 und das Außenteil 62 können beispielsweise mittels einer Presspassung miteinander verbunden werden. Alternativ sind Schweißverbindungen oder Lötverbindungen oder Klebeverbindungen möglich.
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Durch die Abflachungen am Innenteil kann Gas somit bei geöffnetem Gasinjektor in ausreichender Menge zum umlaufenden Zuströmkanal 60 strömen und in einen Brennraum eingeblasen werden. Somit sind durch die erfindungsgemäße zweiteilige Ventilscheibe 6 vergrößerte Strömungsquerschnitte möglich. Insbesondere kann aufgrund der Zweiteilung der Ventilscheibe 6 eine genauere und einfachere Herstellung sowohl der Durchgangsöffnung 3 als auch des Dichtsitzes 4 mit den drei Dichtbereichen 41, 42, 43 ermöglicht werden.
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Weiter insbesondere können die Dichtbereiche beispielsweise durch Umlaufschleifen einfach und kostengünstig mit höchster Genauigkeit hergestellt werden. Durch die verbesserte Herstellung der Dichtbereiche 41, 42, 43 ergibt sich im Betrieb des Gasinjektors 1 auch ein reduzierter Verschleiß am ersten und zweiten Elastomer 11, 12. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da aufgrund der einfacheren und genaueren Herstellung eine optimale Dichtgeometrie der als Dichtrippen ausgebildeten drei Dichtbereiche 41, 42, 43 möglich ist. Der umlaufende Zuströmkanal 60 stellt dabei sicher, dass bei geöffnetem Gasinjektor 1 ein möglichst gleichmäßiger Austritt des Gases aus der Durchgangsöffnung 3 erfolgt und insbesondere auch eine gleichmäßige Kühlung der Bauteile des Gasinjektors 1 zur Vermeidung von heißen Wärmenestern möglich ist.
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Durch die zweiteilige Ausbildung der Ventilscheibe 6 ist es ferner möglich, kleinere Toleranzen bei der Herstellung zu erreichen und eine zusätzliche Belastung der beiden Elastomere 11, 12 aufgrund von Geometrieabweichungen der Dichtrippen vermieden werden. Die getrennte Herstellung des Innenteils 61 und des Außenteils 62 ermöglicht es ferner auch, dass der erste Dichtbereich 41 und der zweite Dichtbereich 42 möglichst nah am Zuströmkanal 60 hergestellt werden kann, wodurch insbesondere auch eine Breite des umlaufenden Zuströmkanals 60 vergrößert werden kann. Auch dadurch ist ein größerer Strömungsquerschnitt möglich.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einströmbereiche 30 durch geradlinige Abflachungen am Innenteil 61 hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Einströmbereiche 30 durch konkave oder konvexe oder eine Kombination von konkaven und konvexen Linien an den Einströmbereichen 30 bereitgestellt werden. Die drei Dichtbereiche 41, 42, 43 können beispielsweise durch Schleifen, Läppen und/oder Honen hinsichtlich einer genauen Rundbearbeitung bearbeitet werden. Somit kann insbesondere auf die im Stand der Technik bisher notwendigen aufwendigen, nierenförmigen Durchgangsöffnungen, welche hohe Herstellkosten erzeugen, verzichtet werden.
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Weiterhin ist der Anker 50 des Magnetaktors 5 mittels einer Pressverbindung direkt mit der Hohlnadel 20 des Schließelements 2 verbunden. Somit ist die Hohlnadel 20 direkt mit dem Magnetaktor 5 verbunden, so dass kein Schaltverzug oder dergleichen beim Öffnen des Gasinjektors 1 auftritt. Weiterhin kann das Schließelement 2 im Innenpol 51 des Magnetaktors 5 ausreichend lange geführt werden. Ein zweiter Führungsbereich des Schließelements 2 ist dabei im Loch 61b in der Ventilscheibe 6 ausgebildet, so dass eine sichere geradlinige Führung des Schließelements 2 sowohl beim Öffnungsvorgang als auch beim Schließvorgang möglich wird. Dadurch kann ein gleichmäßiges Öffnen und Schließen des Gasinjektors 1 erreicht werden, wodurch die Genauigkeit der eingeblasenen Gasmenge sehr exakt ist.
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Der Dichtsitz 4 des Gasinjektors 1 ist somit am brennraumseitigen Bereich zwischen der Ventilscheibe 6 und der Dichtscheibe 21 ausgebildet. Somit ist der Gasinjektor 1 ein nach außen öffnender Gasinjektor 1.
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Eine Rückstellung erfolgt über ein Rückstellelement 13, welches an der Dichtscheibe 21 angreift und sich an der Gasführungsspitze 10 abstützt (vgl. 1), wobei die Gasführungsspitze 10 fest mit dem Gehäusebauteil 8 verbunden ist. Das Gehäusebauteil 8 selbst ist dabei direkt am Magnetaktor 5 fixiert, so dass ein sehr kompakter und insbesondere gewichtsreduzierter Aufbau möglich ist.
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Ein weiteres Vorspannelement 14 ist am Anker 50 angeordnet, welches eine Vorspannkraft in Richtung auf den Anker 50 ausübt. Die Vorspannkraft des Vorspannelements 14 ist dabei kleiner als eine Rückstellkraft des Rückstellelements 13, so dass der Gasinjektor 1 im nicht betätigten Zustand sicher im geschlossenen Zustand verbleibt.
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Somit weist der Gasinjektor 1 einen sehr einfachen und robusten Aufbau auf und ist insbesondere für eine Gaseinblasung von Wasserstoff oder Erdgas geeignet. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Gasinjektor 1 für eine Einblasung von gasförmigem Kraftstoff bei Fahrzeugen geeignet.
