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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. Der Gasinjektor ist insbesondere für eine Saugrohreinblasung oder eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die Magnetaktoren der Gasinjektoren müssen, im Gegensatz zu Injektoren für flüssige Kraftstoffe, relativ hohe Schaltkräfte erzeugen können und entsprechend schnell schalten. Hierzu eignen sich hochleistungsfähige Magnetwerkstoffe mit entsprechend hoher Sättigungsinduktion und hohem spezifischen elektrischen Widerstand. Diese hochleistungsfähigen Magnetwerkstoffe haben jedoch eine relativ geringe Festigkeit und schlechte Schweißeigenschaften. Hinzu kommt eine erhöhte Porosität im Vergleich zu den Standardmagnetwerkstoffen. Aus diesem Grund können die Magnetbauteile aus hochleistungsfähigen Magnetwerkstoffen nicht zur Kanalisierung von gasförmigen Kraftstoffen eingesetzt werden. Ansonsten besteht das Risiko von ungewolltem Gasaustritt außerhalb des Gasinjektors, wenn z.B. das Gas durch die Porosität austritt oder Schweißungen rissig werden, brechen oder undicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass hohe Schaltkräfte und schnelle Schaltungen möglich sind. Gleichzeitig wird die Betriebssicherheit gewährleistet, da ein möglicher Gasaustritt im Bereich der hochleistungsfähigen Magnetwerkstoffe vermieden wird. Hierzu umfasst der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker, einem Innenpol und einer Spule. Der Anker ist mit einem Schließelement verbunden, so dass das Schließelement mit dem Magnetaktor bewegbar ist. Das Schließelement ist dazu angeordnet und ausgebildet, einen Gaspfad an einem Ventilsitz des Gasinjektors freizugeben und zu verschließen. Hierzu ist der Anker direkt oder indirekt mechanisch mit dem Schließelement verbunden und ermöglicht somit eine Bewegung zum Öffnen und/oder Schließen des Gasinjektors. Der Innenpol des Magnetaktors ist aus zumindest zwei magnetischen Polbauteilen zusammengesetzt. Ein ankernahes Polbauteil liegt unmittelbar dem Anker des Magnetaktors gegenüber und ist aus einem hochleistungsfähigen Magnetwerkstoff gefertigt. Ein ankerfernes Polbauteil liegt auf der dem Anker abgewandten Seite des ankernahen Polbauteils und ist aus einem Standardmagnetwerkstoff gefertigt. Insbesondere unterscheiden sich die Magnetwerkstoffe dieser beiden Polbauteile in ihrer maximalen magnetischen Flussdichte; so weist das ankernahe Polbauteil eine größere maximale magnetische Flussdichte auf als das ankerferne Polbauteil. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass auch der Anker aus dem hochleistungsfähigen Magnetwerkstoff gefertigt ist. Insbesondere sind das ankernahe Polbauteil und der Anker aus demselben Magnetwerkstoff gefertigt. Als Werkstoff für das ankernahe Polbauteil und/oder den Anker wird vorzugsweise Eisen mit 40 % bis 60 % Kobalt verwendet.
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Die Verwendung des ankernahen Polbauteils aus hochleistungsfähigem Magnetwerkstoff ermöglicht in dem ankernahen Bereich einen relativ geringen Querschnitt des Innenpols und somit eine bauraum- und gewichtsoptimierte Konstruktion. Da die hochleistungsfähigen Magnetmaterialien teurer als die Standardmagnetmaterialien sind, ergibt sich weiterhin ein Kostenvorteil bei dieser Konstruktion. Zudem haben einige hochleistungsfähige Magnetwerkstoffe gesundheitsgefährdende Stoffanteile, die besondere Maßnahmen bei der Verarbeitung erfordern. Aus Kostengründen ist es sinnvoll nur Teilbereiche des Magnetkreises aus diesen Werkstoffen herzustellen. Der restliche Innenpol und weitere Bestandteile des Magnetkreises, wie beispielsweise das Magnetgehäuse, können aus einem Standardmagnetwerkstoff gefertigt sein, der zwar geringere Sättigungsinduktionen aufweist, jedoch eine höhere mechanische Festigkeit und bessere Schweißeigenschaften hat. Durch entsprechende Gestaltung der Querschnitte bzw. Flächen im Magnetkreis können die nötigen Magnetflüsse wie am Arbeitsluftspalt (zwischen Anker und Innenpol) realisiert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das ankernahe Polbauteil in einem nichtmagnetischen Zwischenring angeordnet ist. Insbesondere ist das ankernahe Polbauteil formschlüssig in diesem nichtmagnetischen Zwischenring angeordnet. Der Zwischenring ist insbesondere zur Positionierung und Fixierung des ankernahen Polbauteils im Gasinjektor angeordnet und ausgebildet. Durch die Verwendung dieses Zwischenrings kann insbesondere auf eine Verschweißung des ankernahen Polbauteils mit weiteren Komponenten des Gasinjektors verzichtet werden.
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Der Magnetaktor weist vorzugsweise ein Magnetgehäuse auf, welches einen magnetischen Rückfluss des Magnetaktors sicherstellt. Der Zwischenring ist vorzugsweise zwischen dem Magnetgehäuse und dem ankerfernen Polbauteil angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist der Zwischenring mit dem Magnetgehäuse und/oder dem ankerfernen Polbauteil stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt oder verklebt. Für den Zwischenring kann ein nichtmagnetisches Metall verwendet werden. Insbesondere sind weder der Zwischenring noch das Magnetgehäuse oder das ankerferne Polbauteil aus dem hochleistungsfähigen Magnetwerkstoff gefertigt, so dass diese Bauteile ohne weiteres miteinander verschweißt werden können.
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Die Kombination aus ankerfernem Polbauteil, Zwischenring und Magnetgehäuse bildet eine „Kapsel“ um das ankernahe Polbauteil herum und ermöglicht somit eine dichte Ausgestaltung des Magnetaktors, ohne das ankernahe Polbauteil verschweißen zu müssen. Insbesondere befinden sich der Anker in einem Schmiermittelraum, der gegenüber dem außenliegenden Gaspfad abgedichtet ist. Durch die Anordnung des ankernahen Polbauteils radial innerhalb des Zwischenrings und durch die stoffschlüssige Verbindung des Zwischenrings mit dem ankerfernen Polbauteil und dem Magnetgehäuse befindet sich das ankernahe Polbauteil vollständig innerhalb des abdichteten Schmiermittelraums.
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Die beiden Polbauteile können miteinander stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise miteinander versintert, verschweißt oder verklebt werden, wenn die beiden Materialien der Polbauteile dies zulassen, um ein sicheres Anliegen der beiden Polbauteile aneinander zu gewährleisten. Allerdings kann dieses Anliegen der beiden Polbauteile auch dadurch gewährleistet werden, dass der Zwischenring mit einem entsprechenden Absatz die axiale Position des ankernahen Polbauteils vorgibt bzw. mit dem Absatz das ankernahe Polbauteil gegen das ankerferne Polbauteil drückt.
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Die Fläche, an der sich die beiden Polbauteile berühren, wird als gemeinsame „Übergangsfläche“ bezeichnet. Des Weiteren weist das ankernahe Polbauteil eine dem Anker zugewandte „Arbeitsfläche“ auf. Die Arbeitsfläche des ankernahen Polbauteils entspricht im Wesentlichen der gegenüberliegenden Fläche am Anker. Da das ankernahe Polbauteil eine größere maximale magnetische Flussdichte aufweist als das ankerferne Polbauteil kann die Arbeitsfläche kleiner sein als die Übergangsfläche. Dementsprechend weist vorzugsweise der Zwischenring zwei Bereiche mit unterschiedlichem Innendurchmesser auf. Am ersten Bereich mit kleinerem Innendurchmesser befindet sich die Arbeitsfläche. Am zweiten Bereich mit dem größeren Innendurchmesser befindet sich die Übergangsfläche. Insbesondere erstreckt sich der Zwischenring am zweiten Bereich über die Übergangsfläche hinaus, so dass sich der Zwischenring auch radial außerhalb an einem Abschnitt des ankerfernen Polbauteils erstreckt.
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Die Arbeitsfläche und somit der Querschnitt am ankernahen Polbauteil und am Anker selbst werden möglichst klein dimensioniert, um eine kompakte Baugröße des Gasinjektors zu erreichen. Hierzu wird der hochleistungsfähige Magnetwerkstoff eingesetzt. Um einen ausreichend großen Magnetfluss vom ankernahen Polbauteil in das ankerferne Polbauteil zu gewährleistet, wird insbesondere berücksichtigt, dass ein Verhältnis der Übergangsfläche U zur Arbeitsfläche A größer oder gleich einem Verhältnis der maximalen magnetischen Flussdichte B1 des ankernahen Polbauteils zur maximalen magnetischen Flussdichte B2 des ankerfernen Polbauteils ist.
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Dementsprechend gilt U/A ≥ B1/B2 mit der Übergangsfläche U, der Arbeitsfläche A, der maximalen magnetischen Flussdichte B1 des ankernahen Polbauteils und der maximalen magnetischen Flussdichte B2 des ankerfernen Polbauteils.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die beiden magnetischen Flussdichten B1 und B2 wesentlich voneinander unterscheiden. Insbesondere beträgt das Verhältnis B1/B2 zumindest 1,10, vorzugsweise zumindest 1,15.
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Bei entsprechendem Unterschied in den maximalen magnetischen Flussdichten und einer entsprechend kleinen Gestaltung der Arbeitsfläche sollte die Übergangsfläche zwischen den beiden Polbauteilen entsprechend groß sein. In einer einfachen Ausgestaltung erstreckt sich diese Übergangsfläche zwischen den beiden Polbauteilen senkrecht zur Längsachse des Gasinjektors. Um die Übergangsfläche jedoch, unter Berücksichtigung eines kompakten Designs, zu vergrößern, ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Übergangsfläche zumindest abschnittsweise nicht senkrecht zur Längsachse erstreckt. Beispielsweise kann die Übergangsfläche zumindest abschnittsweise gegenüber der Längsachse geneigt sein, wodurch sich ringförmige Kegelflächen an den beiden Polbauteilen ergeben. Zusätzlich oder alternativ zur Neigung der Übergangsfläche kann die Übergangsfläche zumindest abschnittsweise auch stufenförmig ausgebildet sein. Durch diese Varianten ist es möglich, die Übergangsfläche zwischen den beiden Polbauteilen signifikant zu vergrößern, ohne den Durchmesser des Innenpols zu verändern.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gasinjektors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Detailansicht aus 1;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Übergangsfläche zwischen zwei Polbauteilen; und
- 4 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Variante der Übergangsfläche zwischen den beiden Polbauteilen.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Gasinjektor 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Wie 1 und die Detailansicht in 2 zeigen, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs einen Magnetaktor 2, welcher ein Schließelement 3 bewegt. Das Schließelement 3 erstreckt sich entlang einer Längsachse 40 des Gasinjektors 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel öffnet das Schließelement 3 nach außen. In 1 ist hierzu der geschlossene Zustand dargestellt.
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Der Magnetaktor 2 umfasst einen Anker 20, welcher mittels eines Ankerbolzens 24 am Schließelement 3 anliegt. Ferner umfasst der Magnetaktor 2 einen Innenpol 21, eine Spule 22 und ein Magnetgehäuse 23, welches einen magnetischen Rückschluss des Magnetaktors 2 sicherstellt.
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Weiterhin umfasst der Gasinjektor einen Hauptkörper 7 mit einem seitlichen Anschluss, durch welchen der gasförmige Brennstoff zugeführt wird. Am Hauptkörper 7 ist ein Ventilgehäuse 8 fixiert. In dem Ventilgehäuse 8 befindet sich der Magnetaktor 2. An das Ventilgehäuse 8 schließt sich ein Ventilkörper 9 an, an dessen freiem Ende ein Ventilsitz 90 vorgesehen ist, in welchem das Schließelement 3 einen Durchlass für den gasförmigen Brennstoff freigibt und verschließt. An dem Ventilkörper 9 befindet sich ein Kopf 11 mit entsprechenden Auslassöffnungen für den gasförmigen Brennstoff.
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In dem Ventilkörper 9 befindet sich eine erste Hülse 12, an der der Innenpol 21 angeschweißt ist. Die erste Hülse 12 ist mit einem ersten flexiblen Dichtelement 51, insbesondere Faltenbalg, gegenüber dem Schließelement 3 abgedichtet. Das Magnetgehäuse 23 ist mit einem Innenkörper 13 verschweißt. Der Innenkörper 13 ist mit einem zweiten flexiblen Dichtelement 52, insbesondere Faltenbalg, gegenüber einem Endstück 15 abgedichtet. Die beiden flexiblen Dichtelemente 51, 52 dichten einen innenliegenden Schmiermittelraum ab, indem sich das Schließelement 3 und der Anker 20 bewegen.
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Im Inneren der Hülse 12 befindet sich ein Rückstellelement 10 für das Schließelement 3, um dieses nach dem Öffnungsvorgang wieder in den in 1 gezeigten geschlossenen Zustand zurückzustellen.
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In 1 ist schematisch ein Gaspfad 14 durch den Gasinjektor 1 dargestellt, der außerhalb des Schmiermittelraums verläuft. Dieser Gaspfad 14 beginnt seitlich am Hauptkörper 7 und verläuft durch das Ventilgehäuse 8 radial außerhalb des Magnetaktors 2 und führt über den Ventilkörper 9 zum Ventilsitz 90. Beim Öffnen des Gasinjektors strömt der gasförmige Brennstoff am Außenumfang des Magnetaktors 2 und am geöffneten Ventilsitz 90 vorbei in einen Brennraum oder in ein Saugrohr. Das Schließelement 3 gibt somit den Gaspfad 14 am Ventilsitz 90 frei und verschließt diesen.
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Der Gasinjektor 1 weist ferner eine Bremseinrichtung 6 auf. Die Bremseinrichtung 6 umfasst eine Bremsfeder 61 auf einem Bremsbolzen 60, der im Innenkörper 13 steckt. Ein Bremsführungselement 62 führt den Ankerbolzen 16, so dass der Ankerbolzen 16 mit dem Bremsbolzen 60 in Wirkverbindung treten kann. Die Bremseinrichtung 6 hat dabei die Aufgabe, bei einem Schließvorgang des Gasinjektors 1 das Schließelement 3 samt dem Anker 20 abzubremsen.
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Insbesondere die Detaildarstellung in 2 zeigt die Ausgestaltung des Magnetaktors 2. Wie hier zu sehen ist, weist der Innenpol 21 ein ankernahes Polbauteil 24 und ein ankerfernes Polbauteil 25 auf. Diese beiden Polbauteile 24, 25 liegen an einer Übergangsfläche 28 aneinander an.
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An der dem Anker 20 zugewandten Seite weist das ankernahe Polbauteil 24 eine Arbeitsfläche 27 auf.
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Das ankernahe Polbauteil 24 und der Anker 20 sind aus einem hochleistungsfähigen Magnetwerkstoff gefertigt. Das ankerferne Polbauteil 25 sowie das Magnetgehäuse 23 sind aus einem Standardmagnetwerkstoff gefertigt. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, unterscheiden sich diese Werkstoffe insbesondere in der maximalen magnetischen Flussdichte.
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Radial außerhalb des ankernahen Polbauteils 24 befindet sich ein Zwischenring 26 aus einem nichtmagnetischen, insbesondere metallischen, Werkstoff.
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Der Zwischenring 26 weist zwei Bereiche mit unterschiedlichem Innendurchmesser auf. Im Bereich des geringeren Innendurchmessers befindet sich die Arbeitsfläche 27. Im Bereich der Übergangsfläche 28 ist der größere Innendurchmesser am Zwischenring 26 vorgesehen. Durch die beiden unterschiedlichen Innendurchmesser weist der Zwischenring 26 einen Absatz 30 auf. Mit diesem Absatz 30 drückt der Zwischenring 26 das ankernahe Polbauteil 24 gegen das ankerferne Polbauteil 25, so dass diese beiden Polbauteile 24, 25 an der Übergangsfläche 28 ohne Luftspalt aneinander anliegen.
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Der Zwischenring 26 ist entsprechend der eingezeichneten Schweißnähte 29 sowohl mit dem ankerfernen Polbauteil 25 als auch mit dem Magnetgehäuse 23 verschweißt, wohingegen das ankernahe Polbauteil 24 lediglich formschlüssig durch den Zwischenring 26 positioniert und fixiert ist. Dadurch befindet sich das ankernahe Polbauteil 24 vollständig im Schmiermittelraum, muss nicht verschweißt werden und kommt nicht mit dem Brennstoff in Kontakt.
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In der Darstellung nach 1 und 2 erstreckt sich die Übergangsfläche 28 senkrecht zur Längsachse 40. 3 und 4 zeigen hier alternative Ausgestaltungen der Übergangsfläche 28, um diese Übergangsfläche 28 zu vergrößern.
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Gemäß 3 kann die Übergangsfläche 28 gegenüber der Längsachse 40 geneigt sein. In der Darstellung nach 3 ist die Übergangsfläche 28 vollständig geneigt ausgestaltet. Allerdings kann die Übergangsfläche 28 auch nur abschnittsweise geneigt sein.
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4 zeigt eine stufenförmige Ausgestaltung der Übergangsfläche 28. Hier ist es ebenso möglich, die Übergangsfläche 28 nur abschnittsweise stufenförmig auszugestalten.
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Die schematischen Darstellungen in den 3 und 4 verdeutlichen, dass die Übergangsfläche 28 nicht senkrecht zur Längsachse 40 ausgestaltet werden kann, um somit die Fläche zu vergrößern; die tatsächliche geometrische Ausgestaltung der Übergangsfläche 28 ist dabei nicht auf die konkreten Beispiele in den 3 und 4 beschränkt.
