DE102021133213A1 - Injector for injecting fuel - Google Patents
Injector for injecting fuel Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021133213A1 DE102021133213A1 DE102021133213.3A DE102021133213A DE102021133213A1 DE 102021133213 A1 DE102021133213 A1 DE 102021133213A1 DE 102021133213 A DE102021133213 A DE 102021133213A DE 102021133213 A1 DE102021133213 A1 DE 102021133213A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- valve plate
- valve
- injector
- tappet
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
- F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
- F02M21/023—Valves; Pressure or flow regulators in the fuel supply or return system
- F02M21/0242—Shut-off valves; Check valves; Safety valves; Pressure relief valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
- F02M21/0248—Injectors
- F02M21/0257—Details of the valve closing elements, e.g. valve seats, stems or arrangement of flow passages
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
- F02M21/0248—Injectors
- F02M21/0257—Details of the valve closing elements, e.g. valve seats, stems or arrangement of flow passages
- F02M21/026—Lift valves, i.e. stem operated valves
- F02M21/0263—Inwardly opening single or multi nozzle valves, e.g. needle valves
- F02M21/0266—Hollow stem valves; Piston valves; Stems having a spherical tip
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
- F02M21/0248—Injectors
- F02M21/0275—Injectors for in-cylinder direct injection, e.g. injector combined with spark plug
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
- F02M21/0293—Safety devices; Fail-safe measures
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
- F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
- F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
- F02M61/1853—Orifice plates
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
- F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
- F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
- F02M61/1886—Details of valve seats not covered by groups F02M61/1866 - F02M61/188
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
- F02M63/0012—Valves
- F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
- F02M63/0054—Check valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K15/00—Check valves
- F16K15/18—Check valves with actuating mechanism; Combined check valves and actuated valves
- F16K15/184—Combined check valves and actuated valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
- F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
- F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
- F16K31/0644—One-way valve
- F16K31/0651—One-way valve the fluid passing through the solenoid coil
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
- F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
- F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
- F16K31/0644—One-way valve
- F16K31/0655—Lift valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
- F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
- F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
- F16K31/08—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet
- F16K31/084—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet the magnet being used only as a holding element to maintain the valve in a specific position, e.g. check valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
- F02M2200/30—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped
- F02M2200/306—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped using mechanical means
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, der eine Kraftstoffzuleitung zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs, ein Aktivventil, das aktiv schaltbar ist und dazu ausgelegt ist, wahlweise eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung zu einem Bereich stromabwärts der ersten Seite der Ventilplatte freizugeben oder zu unterbrechen, insbesondere indem mindestens ein Durchgang an einer ersten Seite einer Ventilplatte durch das Aktivventil freigegeben oder verschlossen wird, und ein Passivventil umfasst, das stromabwärts der Ventilplatte angeordnet ist und durch stromauf und stromab des Passivventils anliegende unterschiedliche Druckverhältnisse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand passiv schaltbar ist. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil einen Stößel aufweist, der mittels Magnetkraft in Schließrichtung des Passivventils gedrängt wird, und vorzugsweise wobei der mindestens eine Durchgang an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Ventilplatte mit dem Stößel verschließbar oder freigebbar ist.The present invention relates to an injector for injecting fuel, preferably for blowing in a gaseous fuel, in particular hydrogen, which has a fuel supply line for introducing a gaseous fuel under high pressure, an active valve which can be actively switched and is designed to optionally have a flow connection to release or interrupt from the fuel supply line to an area downstream of the first side of the valve plate, in particular by releasing or closing at least one passage on a first side of a valve plate through the active valve, and comprising a passive valve, which is arranged downstream of the valve plate and through upstream and different pressure conditions present downstream of the passive valve can be switched passively into a closing or releasing state. The injector is characterized in that the passive valve has a tappet which is urged by magnetic force in the closing direction of the passive valve, and preferably wherein the at least one passage on a second side of the valve plate facing away from the first side can be closed or opened with the tappet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere zum Einblasen eines Gases, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Injektor dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.The present invention relates to an injector for injecting fuel, in particular for blowing in a gas, preferably for blowing in hydrogen directly. It can be provided that the injector is designed to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
Im Zuge von weltweit immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten und ambitionierten Klimaschutzzielen steigen die umwelttechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen stetig an. Das Ziel sind in absehbarer Zukunft emissionsarme oder gar emissionsfreie Antriebstechnologien, die auch strengste Abgasgrenzwerte erfüllen und einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele liefern. Bei Technologien, die mit einer Verbrennung arbeiten sind diese Ziele nur bei einer Verwendung von klimaneutralen, regenerativ produzierten Kraftstoffen erreichbar, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette keinerlei Emissionen verursachen (sogenannte „zero emissions“-Kraftstoffe).In the course of ever more stringent emission limits and ambitious climate protection goals, the environmental requirements for internal combustion engines are constantly increasing. In the foreseeable future, the goal is low-emission or even zero-emission drive technologies that also meet the strictest emission limits and make a significant contribution to achieving climate protection goals. In the case of technologies that work with combustion, these goals can only be achieved if climate-neutral, regeneratively produced fuels are used that do not cause any emissions along the entire value chain (so-called "zero emissions" fuels).
Mit derzeitigen konventionellen Benzin-, Diesel- und Gasmotoren sind die Anforderungen an eine emissionsfreie Verbrennung - selbst unter Verwendung sogenannter E-Fuels, bspw. eines synthetisch erzeugten OME-Kraftstoffs, zu dessen Herstellung lediglich regenerative Energie benötigt wird - nicht erreichbar, da sich der Ausstoß an schädlichen Abgasen wie Stickstoffoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.With current conventional petrol, diesel and gas engines, the requirements for emission-free combustion - even when using so-called e-fuels, e.g. a synthetically produced OME fuel, for the production of which only regenerative energy is required - cannot be achieved, since the Emissions of harmful exhaust gases such as nitrogen oxides (NO x ), unburned hydrocarbons (UHC) and soot cannot be completely reduced with today's technologies.
Prinzipiell erfüllen batteriebetriebene Antriebe die Zero-Emissions-Richtlinie während des Betriebs und sind v. a. im Pkw-Bereich auf dem Vormarsch. Wird hingegen die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet, so ist jedoch die Produktion der (Lithium-)Akkus energetisch sehr kostspielig und unter umwelttechnischen Gesichtspunkten problematisch, da insbesondere starke Umweltschäden beim Rohstoffabbau auftreten und der Abbau der für die Batterien erforderlichen Rohstoffe nicht nachhaltig durchführbar ist. Zudem ist mit dem heute erzielbaren Leistungsgewicht der Batterien ein Einsatz in Maschinen mit hohem (Spitzen-) Leistungsbedarf nicht möglich.In principle, battery-powered drives meet the zero-emissions directive during operation and are v. a. on the rise in the passenger car sector. If, on the other hand, the entire value chain is considered, the production of (lithium) batteries is very expensive in terms of energy and problematic from an environmental point of view, since the mining of raw materials causes severe environmental damage and the mining of the raw materials required for the batteries cannot be carried out sustainably. In addition, with the power-to-weight ratio that can be achieved today, use in machines with a high (peak) power requirement is not possible.
Brennstoffzellenbetriebene Antriebe mit Versorgung aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff erfüllen die vorgegebenen Klimaschutzziele und sind schon heute in sehr begrenztem Maße im Einsatz. Allerdings weist auch dieses Konzept einige Nachteile auf, bspw. eine im Vergleich zu heutigen Dieselantrieben geringe Spitzenleistung und eine geringe Wirtschaftlichkeit.Fuel cell-powered drives powered by regeneratively produced hydrogen meet the specified climate protection goals and are already in use to a very limited extent. However, this concept also has some disadvantages, e.g. a low peak power compared to today's diesel drives and low economic efficiency.
In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren aber bis dato fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstratoren mit geringem Reifegrad. Ein durch regenerative Energien erzeugter Wasserstoff würde alle Erfordernisse von" zero emission" erfüllen, da dieser emissionsfrei verbrennbar ist.The focus has therefore shifted to hydrogen combustion engines, which represent a promising drive alternative. To date, however, these exist almost exclusively in very small numbers or as demonstrators with a low degree of maturity. Hydrogen produced by regenerative energies would meet all the requirements of "zero emissions" because it can be combusted without producing any emissions.
So finden sich im Pkw-Bereich bspw. Wasserstoff-Motoren mit äußerer Gemischbildung (PFI = port fuel injection), bei denen der Kraftstoff schon vor Eintritt in den Brennraum mit Luft in ausreichender Zeit gut durchmischt wird. Wasserstoff-Motoren mit direkter Einblasung des Kraftstoffs in den Brennraum (innere Gemischbildung, DI = direct injection) spielen heutzutage praktisch keine Rolle, weisen jedoch gegenüber dem PFI-Konzept u.a. eine höhere Effizienz, stabilere Verbrennung sowie eine Eliminierung der Gefahr einer Rückzündung in den Ansaugtrakt auf.In the passenger car sector, for example, there are hydrogen engines with external mixture formation (PFI = port fuel injection), in which the fuel is sufficiently mixed with air before it enters the combustion chamber. Hydrogen engines with direct injection of the fuel into the combustion chamber (internal mixture formation, DI = direct injection) play practically no role nowadays, but compared to the PFI concept they have higher efficiency, more stable combustion and elimination of the risk of backfire in the intake tract on.
Bei direkt einspritzenden Wasserstoffmotoren wird typischerweise noch hinsichtlich des maximalen Einspritzdrucks im Injektor (< 60 bar: Niederdruck, > 60 bar: Hochdruck) unterschieden, wobei die Grenzen nicht eindeutig festgelegt und die Übergänge fließend sind. Höhere Drücke bieten das Potential einer verkürzten Einblasdauer in einer späteren Phase der Kompression bei höheren Brennraumdrücken, was eine erhöhte Effizienz und verbesserte Verbrennungsstabilität zur Folge hat. Allerdings sinkt die Gesamteffizienz, falls zuvor eine Komprimierung des Wasserstoffs nötig ist.In the case of direct-injection hydrogen engines, a distinction is typically made with regard to the maximum injection pressure in the injector (< 60 bar: low pressure, > 60 bar: high pressure), although the limits are not clearly defined and the transitions are fluid. Higher pressures offer the potential for reduced injection duration late in compression at higher combustion chamber pressures, resulting in increased efficiency and improved combustion stability. However, the overall efficiency drops if the hydrogen has to be compressed beforehand.
Wird der Wasserstoff zu 100 % aus regenerativen Energien gewonnen, kann mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ein nahezu klimaneutraler Betrieb realisiert werden. Darüber hinaus bieten sich zahlreiche weitere Vorteile:
- • Verwendung bekannter Technologien mit hohem Reifegrad und bestehender Produktionsanlagen
- • unbegrenzte Verfügbarkeit des Wasserstoffs durch Elektrolyse von Wasser
- • Nutzung des bestehenden Tankstellensystems möglich (nach entsprechender Umrüstung) mit schnellen Tankzeiten
- • (fast) emissionsfreie Umwandlung des Wasserstoffs in der Verbrennung möglich, da CO2-neutral, nur minimale CO, UHC-, Partikel- und Ruß-Emissionen (lediglich verursacht durch Schmierstoffe im Zulaufsystem, unterhalb der Messgrenze) und nur minimale NOx-Emissionen durch geeignetes Verbrennungsverfahren (ggf. mit Abgasrückführung, SCR-Katalysator)
- • deutlich geringere Anforderung an Reinheit des Wasserstoffs im Vergleich zu Brennstoffzellen-Antrieben
- • kein Bedarf an Platin zur Herstellung wie bei Brennstoffzellen
- • Use of well-known technologies with a high level of maturity and existing production facilities
- • unlimited availability of hydrogen through electrolysis of water
- • Use of the existing filling station system possible (after appropriate conversion) with fast refueling times
- • (Almost) emission-free conversion of hydrogen during combustion possible, as CO2-neutral, only minimal CO, UHC, particle and soot emissions (caused solely by lubricants in the intake system, below the measurement limit) and only minimal NOx emissions through Suitable combustion process (possibly with exhaust gas recirculation, SCR catalytic converter)
- • Significantly lower hydrogen purity requirements compared to fuel cell drives
- • no need for platinum for production as with fuel cells
Neben diesen zahlreichen Vorteilen gegenüber anderen Antriebskonzepten existieren jedoch auch einige Herausforderungen, die es bei der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmaschinen zu bewältigen gibt:
- • geringes Molekulargewicht von Wasserstoff, dadurch eine geringe Dichte einhergehend mit einer geringen volumetrischen Energiedichte (bei hoher massenspezifischer Energiedichte); siehe Tabelle 1
- • Bereitstellung eines demzufolge hohen Volumenstroms bei der Einblasung von Wasserstoff
- • entsprechende Bereitstellung von großen Strömungsquerschnitten im Injektor und damit benötigter deutlich größerer Hübe des Aktuators als bei konventionellen Antriebsarten
- • einhergehende Entwicklung einer deutlich stärkeren Aktuatoreinheit bei gleichzeitig begrenztem Bauraum
- • Dichtheit des Gesamtsystems / Verhinderung von externen Leckagen, v. a. im Hinblick auf Sicherheitsaspekte (Brand- und Explosionsgefahr aufgrund aus dem System austretenden Wasserstoff)
- • erhöhte Verschleißgefahr an Führungen bewegter Bauteile aufgrund der praktisch nicht vorhandenen Schmierwirkung von Wasserstoff
- • deutlich stärkere Neigung bewegter Bauteile zum Prellen an mechanischen Anschlägen in Gasinjektoren im Vergleich zu Injektoren mit Flüssigkraftstoffen durch geringe Dämpfwirkung bei der Gaskompression
- • Materialbeständigkeit gegenüber Wasserstoff nötig im Hinblick auf die Gefahr einer Wasserstoffversprödung in mechanisch beanspruchten / druckbeaufschlagten Bauteilen (reduzierte Festigkeit) oder durch chemische Reaktion des Wasserstoffs mit in der Kupferspule des Aktuators vorhandenem Sauerstoff (Wasserstoffkrankheit des Kupfers)
- • Gemischaufbereitung im Brennraum / Beeinflussung des Einblasstrahls / Zündverhalten bei Kleinstmengeneinblasung
- • low molecular weight of hydrogen, resulting in a low density accompanied by a low volumetric energy density (with a high mass-specific energy density); see Table 1
- • Provision of a correspondingly high volume flow when blowing in hydrogen
- • Corresponding provision of large flow cross-sections in the injector and thus required significantly larger strokes of the actuator than with conventional types of drive
- • Associated development of a significantly stronger actuator unit with limited space at the same time
- • Tightness of the entire system / prevention of external leaks, especially with regard to safety aspects (risk of fire and explosion due to hydrogen escaping from the system)
- • Increased risk of wear on the guides of moving components due to the practically non-existent lubricating effect of hydrogen
- • Significantly greater tendency of moving components to bounce against mechanical stops in gas injectors compared to injectors with liquid fuels due to the low damping effect during gas compression
- • Material resistance to hydrogen necessary with regard to the risk of hydrogen embrittlement in mechanically stressed / pressurized components (reduced strength) or due to chemical reaction of the hydrogen with oxygen present in the copper coil of the actuator (hydrogen disease of the copper)
- • Mixture preparation in the combustion chamber / influencing the injection jet / ignition behavior with injection of very small quantities
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden oder abzumildern. Insbesondere soll dabei ein Kraftstoffinjektor geschaffen werden, der auch bei hoher thermischer Belastung einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht. Zudem ist es von Vorteil, wenn der Injektor nur einen geringen Bauraum in Anspruch nimmt und/oder eine geringe axiale Länge aufweist, sowie in seinem Aufbau wenige Teile aufweist. Ferner ist von Vorteil, wenn der Injektor gegen den Druck im Zylinder während dessen Kompressionsphase zuverlässig abgedichtet ist, da der hohe Zylinderdruck ansonsten das schaltbare Ventil in Offenstellung drücken würde. Ferner ist es von Vorteil, wenn mit dem Injektor ein schnelles und stabiles Öffnen möglich ist, bei dem keine Drosselung der Strömung erfolgt. Zumindest einige oder sämtliche der vorgenannten Ziele werden mit einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It is the object of the present invention to at least partially overcome or mitigate the disadvantages listed above. In particular, a fuel injector is to be created that enables reliable operation even under high thermal loads. In addition, it is advantageous if the injector takes up only a small installation space and/or has a small axial length and has few parts in its structure. It is also advantageous if the injector is reliably sealed against the pressure in the cylinder during its compression phase, since the high cylinder pressure would otherwise press the switchable valve into the open position. Furthermore, it is advantageous if rapid and stable opening is possible with the injector, in which case the flow is not throttled. At least some or all of the foregoing objectives are achieved with an injector for injecting fuel that includes all Having features of claim 1 achieved. Advantageous configurations of the injector are specified in the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, umfasst eine Kraftstoffzuleitung zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs, ein Aktivventil, das aktiv schaltbar ist und dazu ausgelegt ist, wahlweise eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung zu einem Bereich stromabwärts der ersten Seite der Ventilplatte freizugeben oder zu unterbrechen, insbesondere indem mindestens ein Durchgang an einer ersten Seite einer Ventilplatte durch das Aktivventil freigegeben oder verschlossen wird, und ein Passivventil, das stromabwärts der Ventilplatte angeordnet ist und durch stromauf und stromab des Passivventils anliegende unterschiedliche Druckverhältnisse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand passiv schaltbar ist. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil einen Stößel aufweist, der mittels Magnetkraft in Schließrichtung des Passivventils gedrängt wird, und vorzugsweise wobei der mindestens eine Durchgang an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Ventilplatte mit dem Stößel verschließbar oder freigebbar ist.An injector according to the invention for injecting fuel, preferably for blowing in a gaseous fuel, in particular hydrogen, comprises a fuel supply line for introducing a gaseous fuel under high pressure, an active valve which can be actively switched and is designed to optionally have a flow connection from the fuel supply line to an area downstream of the first side of the valve plate or to open, in particular by opening or closing at least one passage on a first side of a valve plate through the active valve, and a passive valve, which is arranged downstream of the valve plate and through upstream and downstream of the passive valve applied different pressure conditions can be switched passively into a closing or releasing state. The injector is characterized in that the passive valve has a tappet which is urged by magnetic force in the closing direction of the passive valve, and preferably wherein the at least one passage on a second side of the valve plate facing away from the first side can be closed or opened with the tappet.
Die Verwendung von Magnetkraft zum Erzeugen einer Rückstellkraft für den Stößel des Passivventils ermöglicht eine besonders raumsparende Umsetzung des Injektors, die wenig Bauraum einnimmt und insbesondere in Längsrichtung des Injektors eine Verringerung der Dimensionierung zulässt. Weiter kann dadurch eine Feder, die vormals für das Drängen des Stößels des Passivventils in Schließrichtung erforderlich war, vorteilhafterweise entfallen, so dass auch die Fehleranfälligkeit (Federbruch, etc.) des erfindungsgemäßen Injektors verbessert wird.The use of magnetic force to generate a restoring force for the plunger of the passive valve allows a particularly space-saving implementation of the injector, which takes up little space and allows a reduction in dimensioning, particularly in the longitudinal direction of the injector. Furthermore, a spring, which was previously required for urging the tappet of the passive valve in the closing direction, can advantageously be omitted, so that the susceptibility to faults (spring breakage, etc.) of the injector according to the invention is also improved.
Indem der Stößel des Passivventils nach einer bevorzugten Ausführung direkt an die die zweite Seite (beispielsweise die Unterseite) der Ventilplatte ansetzen kann, ergibt sich eine besonders platzsparende Konfiguration eines Injektors. Typischerweise wurde im Stand der Technik für die Umsetzung des Passivventils eine weitere Dichtfläche vorgesehen, die stromabwärts der Ventilplatte angeordnet ist, was zwangsläufig zu einer axialen Vergrößerung des Injektors führt. Indem nun nach der Erfindung die erste Seite der Ventilplatte durch den aktiv schaltbaren Anker und die davon abgewandten Seite der Ventilplatte durch den Stößel des Passivventils abdichtbar ist, ergibt sich eine besonders platzsparende Konfiguration eines Injektors, die Längsrichtung kompakt ist.Because the tappet of the passive valve, according to a preferred embodiment, can attach directly to the second side (for example the underside) of the valve plate, a particularly space-saving configuration of an injector results. Typically, in the prior art, a further sealing surface was provided for the implementation of the passive valve, which is arranged downstream of the valve plate, which inevitably leads to an axial enlargement of the injector. By now according to the invention the first side of the valve plate can be sealed by the actively switchable armature and the side of the valve plate facing away from it can be sealed by the plunger of the passive valve, resulting in a particularly space-saving configuration of an injector that is compact in the longitudinal direction.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass in einem geschlossenen Zustand des Passivventils der hin- und herbewegbare Stößel des Passivventils mit der zweiten Seite der Ventilplatte in Kontakt steht, um den mindestens einen Durchgang der Ventilplatte abzudichten. Der hin- und herbewegbare Stößel kontaktiert dabei in einer Schließstellung die zweite Seite (Unterseite) der Ventilplatte und dichtet so den mindestens einen die Ventilplatte durchstoßenden Durchgang ab.According to a further optional development of the invention, it can be provided that when the passive valve is in a closed state, the tappet of the passive valve that can be moved back and forth is in contact with the second side of the valve plate in order to seal the at least one passage of the valve plate. In a closed position, the ram that can be moved back and forth makes contact with the second side (underside) of the valve plate and thus seals off the at least one passage penetrating the valve plate.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem geschlossenen Zustand des Aktivventils ein in Längsrichtung hin- und her bewegbarer Anker des Aktivventils mit der ersten Seite der Ventilplatte in Kontakt steht, um den mindestens einen Durchgang der Ventilplatte abzudichten, vorzugsweise wobei der Injektor ferner eine Spule aufweist, die dazu ausgelegt ist, den Anker mittels Magnetkraft aus seiner Schließstellung zu bewegen.According to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that in a closed state of the active valve, an armature of the active valve that can be moved back and forth in the longitudinal direction is in contact with the first side of the valve plate in order to seal the at least one passage of the valve plate, preferably wherein the injector further includes a coil configured to move the armature from its closed position by magnetic force.
An der ersten Seite (beispielsweise einer Oberseite) der Ventilplatte wird dabei üblicherweise mithilfe eines über eine Spule aus einer Schließstellung anhebbaren Ankers der mindestens eine Durchgang wahlweise verschlossen oder freigegeben. In einer Schließstellung dichtet der Anker den mindestens einen Durchgang der Ventilplatte ab, so dass eine durch die Ventilplatte geführte Fluidströmung entlang der Ventilplatte unterbunden ist. Dabei kann optionaler Weise eine Spule vorgesehen sein, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das zu einem Anheben des Ankers führt, so dass der mindestens eine Durchgang freigegeben wird.On the first side (for example an upper side) of the valve plate, the at least one passage is usually selectively closed or opened with the aid of an armature that can be raised from a closed position via a coil. In a closed position, the armature seals the at least one passage of the valve plate, so that a fluid flow guided through the valve plate along the valve plate is prevented. In this case, a coil can optionally be provided which, when energized, generates a magnetic field which leads to the armature being raised, so that the at least one passage is released.
Vorteilhafterweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der die Ventilplatte kontaktierende Anschlag des Stößels als Flachdichtung, Kegeldichtung und/oder Kugeldichtung ausgebildet ist. Dem Fachmann ist klar, dass eine Vielzahl von möglichen Kontaktpaarungen zu einer gewünschten Dichtwirkung führen kann. Besonders vorteilhaft ist aber die Flachdichtung, da bei einem Öffnungsvorgang, in dem der Stößel aus einer schließenden Position von der Ventilplatte weggedrückt wird, die von der Kraftstoffzuführleitung herrührende Kraftstoffströmung direkt auf eine eben ausgeführte Platte auftrifft, so dass dadurch ein hoher Staudruck entsteht und große Druckkräfte wirken, welche den Stößel schnell und sicher öffnen.Advantageously, it can be provided according to the invention that the stop of the tappet contacting the valve plate is designed as a flat seal, conical seal and/or ball seal. It is clear to the person skilled in the art that a large number of possible contact pairings can lead to a desired sealing effect. However, the flat seal is particularly advantageous because during an opening process, in which the tappet is pushed away from the valve plate from a closing position, the fuel flow originating from the fuel supply line impinges directly on a flat plate, so that a high back pressure and large pressure forces arise act, which open the ram quickly and safely.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ferner eine Drängvorrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, den Stößel des Passivventils hin zur Ventilplatte in Schließstellung zu drängen. According to an optional development of the present invention, it can be provided that the injector also includes an urging device which is designed to urge the tappet of the passive valve towards the valve plate in the closed position.
Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei einem Auftreten von kritischen Druckspitzen, beispielsweise erzeugt während der Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs, das Passivventil bereits in seiner schließenden Stellung ist, so dass es nicht zu einem unerwünschten Ausheben des Ankers aus seiner schließenden Position kommen kann.This ensures that even if critical pressure peaks occur, for example generated during the combustion of the injected fuel, the passive valve is already in its closed position, so that the armature cannot be undesirably lifted out of its closed position.
Nach einer Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass die Drängvorrichtung ein Federelement umfasst, vorzugsweise wobei das Federelement eine Spiralfeder ist. Das Federelement stützt sich dabei typischerweise an einem stromabwärts zum Stößel angeordneten starren Anschlag ab und drängt den Stößel mit einer vorbestimmten Federkraft in Richtung Schließstellung.According to a development of the present invention, it can be provided that the urging device comprises a spring element, preferably with the spring element being a spiral spring. The spring element is typically supported on a rigid stop arranged downstream of the plunger and urges the plunger in the direction of the closed position with a predetermined spring force.
Nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drängvorrichtung mindestens einen Permanentmagneten aufweist, um den Stößel mittels Magnetkraft hin zur Ventilplatte in Schließstellung zu bewegen, vorzugsweise wobei der Permanentmagnet starr angeordnet ist.According to a further advantageous development of the present invention, it can be provided that the urging device has at least one permanent magnet in order to move the plunger towards the valve plate in the closed position by means of magnetic force, preferably with the permanent magnet being arranged rigidly.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Federelement kann also auch Magnetkraft genutzt werden, um den Stößel in seine Schließstellung zu drängen bzw. zu bewegen. Hierbei bietet sich ein Permanentmagnet an, der in Zusammenspiel mit ferromagnetischen Materialien und/oder einem weiteren Permanentmagneten dazu eingesetzt werden kann, den Stößel in die gewünschte Schließstellung zu bewegen bzw. zu drängen.Alternatively or in addition to a spring element, magnetic force can also be used to urge or move the plunger into its closed position. A permanent magnet is useful here, which can be used in conjunction with ferromagnetic materials and/or another permanent magnet to move or urge the plunger into the desired closed position.
Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der hin- und herbewegbare Stößel ein ferromagnetisches Material aufweist oder aus diesem ist und vorzugsweise die Ventilplatte als Permanentmagnet ausgebildet ist oder einen solchen umfasst, um den Stößel hin in seine Schließstellung zu drängen. Durch den Magnetismus wird sichergestellt, dass bei einem geschlossenen Anker auf der ersten Seite der Ventilplatte der Stößel aufgrund der anziehenden Magnetwirkung des Permanentmagneten, verkörpert in oder angeordnet an der Ventilplatte, in die gewünschte Schließstellung gezogen wird. Dabei ist die Stärke der wirkenden Magnetkraft so ausgelegt, dass bei einem Abheben des Ankers und einem Wirken einer Kraftstoffströmung auf den Stößel dieser aus seiner Schließstellung gehoben wird und ein Einspritzen von Kraftstoff erfolgen kann.For example, it can be provided that the ram that can be moved back and forth has or is made of a ferromagnetic material and preferably the valve plate is designed as a permanent magnet or includes one in order to urge the ram into its closed position. The magnetism ensures that when the armature is closed on the first side of the valve plate, the tappet is pulled into the desired closed position due to the magnetic effect of the permanent magnet embodied in or arranged on the valve plate. The strength of the acting magnetic force is designed such that when the armature lifts and a fuel flow acts on the tappet, the tappet is lifted out of its closed position and fuel can be injected.
Weiter kann nach der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Stößel als Permanentmagnet ausgebildet ist oder einen solchen umfasst und vorzugsweise die Ventilplatte ein ferromagnetisches Material umfasst oder hieraus besteht, um dadurch den Stößel hin in seine Schließstellung zu bewegen. Die stellt einfach eine Umkehrung der vorstehend beschriebenen Situation dar, so dass nun der Permanentmagnet an dem Stößel angeordnet oder durch diesen verkörpert ist und eine Magnetkraft in Kombination mit einer ferromagnetisch wirkenden Ventilplatte zu einem Drängen des Stößels in Schließstellung führt. Dem Fachmann ist klar, dass es zum Erreichen der identischen Wirkung möglich ist, Permanentmagnet und ferromagnetisches Material zu tauschen.Furthermore, it can also be provided according to the invention that the tappet is designed as a permanent magnet or includes one and preferably the valve plate includes or consists of a ferromagnetic material in order to thereby move the tappet towards its closed position. This simply represents a reversal of the situation described above, so that the permanent magnet is now arranged on or embodied by the tappet and a magnetic force in combination with a ferromagnetically acting valve plate results in the tappet being urged into the closed position. It is clear to a person skilled in the art that, in order to achieve the identical effect, it is possible to exchange the permanent magnet and the ferromagnetic material.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drängvorrichtung mindestens zwei Permanentmagneten aufweist, um den Stößel mittels Magnetkraft hin zur Ventilplatte in Schließstellung zu bewegen, wobei vorzugsweise neben einem ersten Permanentmagneten der Stößel als ein zweiter Permanentmagnet ausgebildet ist oder einen solchen umfasst.According to a further advantageous embodiment of the present invention, it can be provided that the urging device has at least two permanent magnets in order to move the tappet by means of magnetic force towards the valve plate in the closed position, with the tappet preferably being designed as a second permanent magnet or such a permanent magnet in addition to a first permanent magnet includes.
Durch das Vorsehen eines weiteren Permanentmagneten kann nun beispielsweise nicht nur die anziehende Wirkung des Magnetismus verwendet werden, sondern auch die abstoßende Wirkung, die sich ergibt, wenn Magnetpole gleicher Polarität in einem Nahfeld aufeinander ausgerichtet sind. Weiter lassen sich mit mehreren Permanentmagneten aber auch stärkere Magnetfelder erzeugen, beispielsweise dann, wenn Magnetpole unterschiedlicher Polarität aufeinander ausgerichtet werden.By providing a further permanent magnet, not only the attractive effect of magnetism can now be used, for example, but also the repulsive effect that results when magnetic poles of the same polarity are aligned with one another in a near field. However, stronger magnetic fields can also be generated with several permanent magnets, for example when magnetic poles of different polarity are aligned with one another.
Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass die Ventilplatte der erste Permanentmagnet ist oder diesen umfasst und vorzugsweise die Pole der beiden Permanentmagnete so zueinander ausgerichtet sind, dass sich diese gegenseitig anziehen.According to an optional development of the present invention, it can be provided that the valve plate is the first permanent magnet or includes it and the poles of the two permanent magnets are preferably aligned with one another in such a way that they attract one another.
Ist neben dem Stößel also die Ventilplatte ebenfalls ein Permanentmagnet, kann durch das entsprechende Ausrichten der Magnetpole der beiden Permanentmagnete erreicht werden, dass der Stößel in Richtung Ventilplatte gezogen wird. Dabei muss der Pol des einen Permanentmagneten mit einem anders orientierten Pol des anderen Permanentmagneten zueinander ausgerichtet sein.If, in addition to the tappet, the valve plate is also a permanent magnet, it can be achieved by appropriately aligning the magnetic poles of the two permanent magnets that the tappet is in Rich direction valve plate is pulled. In this case, the pole of one permanent magnet must be aligned with one another with a differently oriented pole of the other permanent magnet.
Ebenfalls kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, zusätzlich oder alternativ zum Vorgesagten, vorgesehen sein, dass ein Permanentmagnet als Anschlag für den Stößel dient, um einen maximalen Abstand des Stößels von der Ventilplatte zu festzulegen, wobei vorzugsweise die Pole der beiden Permanentmagnete so zueinander ausgerichtet sind, dass sich diese gegenseitig abstoßen.According to an advantageous embodiment of the present invention, it can also be provided, in addition or as an alternative to the above, that a permanent magnet serves as a stop for the tappet in order to define a maximum distance between the tappet and the valve plate, with the poles of the two permanent magnets preferably being in relation to one another aligned so that they repel each other.
Dem Fachmann ist dabei klar, dass in einem regulären Betrieb des Injektors kein Kontakt zwischen dem als Anschlag wirkenden Permanentmagnet und dem Stößel auftreten muss, da die einander abstoßende Wirkung der beiden Permanentmagnete dies verhindert. Zwar kann ein physischer Kontakt der beiden Permanentmagnete erfolgen, dies ist aber nicht zwingend.It is clear to a person skilled in the art that during regular operation of the injector, there does not have to be any contact between the permanent magnet acting as a stop and the tappet, since the mutually repelling effect of the two permanent magnets prevents this. Although there can be physical contact between the two permanent magnets, this is not mandatory.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass sowohl die Ventilplatte ein Permanentmagnet und auch ein stromab des Stößels angeordneter weiterer Permanentmagnet vorhanden ist, die gemeinsam auf den als Permanentmagnet ausgebildeten (oder einen diesen aufweisenden) Stößel einwirken. Dies führt zu dem Vorteil, dass der Magnetismus der einzelnen Permanentmagneten nicht so stark ausgeprägt sein muss, so dass kleinere oder kostengünstigere Bauteile Verwendung finden können.Of course, it is also possible for both the valve plate, a permanent magnet and also a further permanent magnet arranged downstream of the tappet to be present, which together act on the tappet designed as a permanent magnet (or on a tappet having the same). This leads to the advantage that the magnetism of the individual permanent magnets does not have to be so pronounced, so that smaller or less expensive components can be used.
Einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ventilplatte aus einem nicht-magnetisierbaren oder einem nur schwach magnetisierbaren Material ist.A further advantageous modification of the present invention can provide that the valve plate is made of a non-magnetizable material or a material that is only weakly magnetizable.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Stößel direkten Kontakt mit der Ventilplatte in der Schließstellung aufweist, um ein „Kleben“ durch magnetische Anziehung zwischen Ventilstößel und Ventilplatte zu verhindern.This is particularly advantageous when the tappet is in direct contact with the valve plate in the closed position, in order to prevent the valve tappet and valve plate from “sticking” due to magnetic attraction.
Weiter kann nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen der Ventilplatte und dem Stößel ein Distanzelement vorgesehen ist, um eine maximale Magnetkraft zwischen Ventilplatte und Stößel einzustellen, wobei vorzugsweise das Distanzelement eine Scheibe, eine Folie oder eine an Ventilplatte und/oder Stößel angebrachte Beschichtung ist, die aus einem unmagnetischen oder nur schwach magnetischen Material, insbesondere einem Kunststoff, bspw. Polymid, ist.Furthermore, according to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that a spacer element is provided between the valve plate and the tappet in order to set a maximum magnetic force between the valve plate and tappet, the spacer element preferably being a disk, a film or a valve plate and/or Plunger is attached coating, which is made of a non-magnetic or weakly magnetic material, in particular a plastic, for example. Polymide.
Zur einfacheren Einstellbarkeit der maximal gewünschten Magnetkraft zwischen Ventilplatte und dem Stößel kann bei einer Ausgestaltung der Ventilplatte als Permanentmagnet bzw. bei einer Gestaltung aus ferromagnetischem Material vorgesehen sein, dass ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Stößel und der magnetisierbaren bzw. magnetischen Ventilplatte durch Vorsehen eines Distanzelements verhindert wird. Als Distanzelement kommt dabei beispielsweise eine Beschichtung oder eine zwischen Ventilplatte und Stößel angeordnete nichtmagnetisierbare bzw. nur schwach magnetisierbaren Scheibe oder Schicht in Betracht, die den gewünschten, nicht unterschreitbaren, Abstand zwischen Ventilplatte und Stößel definiert. Als Material für das Distanzelement kann beispielsweise Kunststoff insbesondere Polymid Verwendung finden. Dabei kann auch der Stößel und/oder die Ventilplatte mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein.To make it easier to set the maximum desired magnetic force between the valve plate and the tappet, if the valve plate is designed as a permanent magnet or if it is made of ferromagnetic material, direct contact between the tappet and the magnetizable or magnetic valve plate can be prevented by providing a spacer element becomes. A coating or a non-magnetizable or only weakly magnetizable disk or layer arranged between the valve plate and the tappet can be considered as a spacer element, which defines the desired distance between the valve plate and the tappet that cannot be undercut. Plastic, in particular polyamide, can be used, for example, as the material for the spacer element. The tappet and/or the valve plate can also be provided with a corresponding coating.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit einer Gas-Direkteinspritzung, im Besonderen mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor nach einem der vorstehend diskutierten Varianten.The invention also relates to an internal combustion engine with a fuel injection, in particular with a gas direct injection, in particular with a hydrogen direct injection, comprising an injector according to one of the variants discussed above.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
-
1 : eine schematische Schnittansicht eines Injektors nach dem Stand der Technik, -
2 : eine Darstellung verschiedener Zustände von Bauteilen und Drücken in einem Injektor, -
3 : eine schematische Teilschnittansicht des Injektors mit Fokus auf die Ventilplatte, -
4a-b : eine schematische Schnittansicht des Injektors n in einem geschlossenen und einem offenen Zustand, -
5 : eine schematische Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer ersten Ausführungsform in einem geschlossenen Zustand, -
6 : eine schematische Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach der ersten Ausführungsform in einem offenen Zustand, -
7 : eine schematische Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer zweiten Ausführungsform, und -
8 : eine schematische Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer dritten Ausführungsform,
-
1 : a schematic sectional view of an injector according to the prior art, -
2 : a representation of different states of components and pressures in an injector, -
3 : a schematic partial sectional view of the injector with focus on the valve plate, -
4a-b : a schematic sectional view of the injector n in a closed and an open state, -
5 : a schematic partial sectional view of the injector according to a first embodiment in a closed state, -
6 : a schematic partial sectional view of the injector according to the invention according to the first embodiment in an open state, -
7 : a schematic partial sectional view of the injector according to the invention according to a second embodiment, and -
8th : a schematic partial sectional view of the injector according to the invention according to a third embodiment,
Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung der
Abhängig von der Stellung des Ankers 7 gegenüber der Ventilplatte 5 sind die die Ventilplatte 5 durchstoßenden Öffnungen A1 verschlossen oder freigegeben. In dem in
Sind die Durchgänge A1 hingegen freigegeben, was durch ein Abheben des Ankers 7 weg von der Ventilplatte 5 umgesetzt wird, strömt der mit einem gewissen Druck in den Injektor 1 eingeführte Kraftstoff aus und tritt über die mehreren Durchgänge A1 auf der von dem Anker 7 beabstandeten Seite der Ventilplatte 5 aus. Nach Durchströmen eines Passivventils 4, das in dem Injektor 1 vorgesehen ist, strömt der unter Druck stehende Kraftstoff durch die Einblaskappe 28 aus dem Injektor aus. Nach einem Durchströmen der Einblaskappe 28 befindet sich dann der durch den Injektor 1 abgegebene Kraftstoff typischerweise außerhalb des Injektors 1 in einem Brennraum. Zudem findet in dem Brennraum 16 typischerweise eine Komprimierung des Kraftstoffs statt, wo der Kraftstoff sich dann entzündet bzw. entzündet wird.On the other hand, when the passages A1 are opened, which is implemented by lifting the
Das Passivventil 4, das auf der vom Anker 7 abgewandten Seite der Ventilplatte 5 liegt, dient dazu, einen im Brennraum herrschenden sehr hohen Druck vom Anker 7 fernzuhalten. Anderenfalls könnte es passieren, dass der sehr hohe im Brennraum herrschende Druck auf den Anker 7 wirkt und diesen aus seiner den mindestens einen Durchgang A1 schließenden Position wegbewegt. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt des Injektors 1 würde dann nicht mehr der zum Verbrennen erforderliche Kraftstoff in den Brennraum eingeleitet werden, sondern ein bereits zumindest teilweise verbranntes Gemisch, was zu einem Unterbrechen des Verbrennvorgangs oder bestenfalls zu einer geringeren Leistung des Verbrennvorgangs führen kann.The
Das Passivventil 4 weist dabei einen Ventilstößel 6, eine Ventilführung 27 und eine Ventilfeder 10 auf, die den Ventilstößel 6 in eine Schließrichtung drängt, so dass ein Ausströmen von Kraftstoff über die Öffnungskontur A2 des Passivventils 4 nur dann auftritt, wenn auf der zur Ventilplatte 9 zugewandten Seite des Passivventils 4 ein Druck herrscht, der mindestens um die von der Ventilfeder 10 ausgeübte Rückstellkraft des Ventilstößel 6 größer ist als der auf der von dem Passivventil 4 zur Ventilplatte 5 abgewandten Seite herrschende Druck. Ein Einströmen eines Fluids von der zum Brennraum zugewandten Seite des Passivventils 4 wird dadurch verhindert.The
Der Anker 7 ist in der Längsrichtung des Injektors 1 hin- und herbewegbar. Die Bewegung des Ankers 7, der einstückig oder aus einer Ankerbasis 23 und einer Ankerspitze (auch Nadel oder Hohlnadel genannt) bestehen kann, wird dabei über ein Aktivventil 3 gesteuert, das in der vorliegenden Darstellung der
Für eine präzise Führung des Ankers 7 entlang der Längsachse des Injektors bzw. kann eine Ankerführung 24 vorgesehen sein, die eine Außenseite des Ankers 7 umfangsseitig umschließt.For a precise guidance of the
Zwischen dem Anker 7 und dem Ankergegenstück 19 ist ein Luftspalt 22 vorgesehen, der bei einer Bestromung der Spule 8 geschlossen bzw. verringert wird.An
Um den magnetischen Fluss bei einer Umsetzung des Aktivventils 3 als Magnetventil zu verbessern, kann die Spule 8 an ihrer umfangsseitigen Außenseite von einem Eisenrückschluss 21 umgeben sein, in dem sich das Magnetfeld besonders gut ausbreiten kann. Ähnlich verhält es sich mit dem direkt das Ankerelement 5 und das Ankergegenstück 27 umgebenden Gehäusebestandteil, das ebenfalls vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material besteht. So kann es von Vorteil sein, wenn das Polrohr 18, das ein Bestandteil des Injektorgehäuses 2 darstellt, ebenfalls aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material ist. Dasselbe gilt auch für das Ankergegenstück 19, das vorteilhafterweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht.In order to improve the magnetic flux when the
Eine visualisierte Darstellung der magnetischen Feldlinien ist jeweils durch die gepunktete, geschlossene Linie illustriert, die kreisförmig um die Spule herum verläuft. Durch die Magnetkraft wird das Ankerelement 7 (zusammen mit der Ankerbasis 23) hin zum Ankergegenstück 19 gezogen und so von der Ventilplatte 5 bzw. von den die Ventilplatte 5 durchbrechenden Durchgängen A1 abgehoben, so dass es zu einem Einströmen von Kraftstoff hin zum Passivventil kommen kann, von wo aus Kraftstoff schlussendlich über die Einblaskappe 28 in den Brennraum eingeleitet wird.A visualized representation of the magnetic field lines is illustrated by the dotted, closed line that runs in a circle around the coil. The magnetic force pulls the armature element 7 (together with the armature base 23) towards the
Zum Zeitpunkt t1 wird vom Ansteuergerät ein Spannungssignal über die elektrischen Kontakte an die Spule 8 des Aktuators angelegt, so dass der Strom F1 im elektrischen Kreis bis auf ein definiertes Endniveau ansteigt. Die stromdurchflossene Spule 8 induziert ein magnetisches Feld im Aktuator, dessen Magnetfeldlinien sich torusförmig um die Spule herum ausbreiten (siehe
Um den Einblasvorgang zu beenden, wird die Spannungsversorgung durch das Steuergerät beendet, so dass der Strom F1 durch die Spule 8 bis auf Null reduziert wird (Zeitpunkt t4). Aufgrund der Wirbelströme zeitlich verzögert baut sich auch die Magnetkraft F2 ab. Sobald die Magnetkraft F2 geringer ist als die Summe aus der Schließkraft der Ankerfeder 17 und den hydraulischen Kräften auf den Anker 7, beginnt sich der Anker 7 gleichförmig zu schließen (Zeitpunkt t5); vgl. auch F3, F4. Trifft die Stirnseite des Ankers 7 auf das Dichtelement 25 der Ventilplatte 5, so wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum getrennt und der Kraftstofffluss vom Nadelraum in den Ventilraum unterbrochen (Zeitpunkt t6). Damit sinkt der Druck im Ventilraum F7. Wenn die Druckdifferenz vom Ventilraum F7 zum Einblasraum F8 einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 6 in gleicher Höhe wie der Ventilfederkraft entspricht, bewegt sich der Ventilstößel 6 zurück in seine Schließposition am Ventilsitz 27 und wird durch den zunehmenden Druck F5 im Brennraum und damit im Einblasraum gegen den Sitz 27 gedrückt, so dass die Kraftstoffverbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum (ggf. nach einer Phase des Prellens des Stößels am Ventilsitz 27) unterbrochen wird (Zeitpunkte t6 - t7). Der Einblasvorgang ist damit abgeschlossen. Während der weiteren Kompressionsphase des Brennraums bis zum oberen Totpunkt (OT) im Zeitraum t7 - t8 wird das Luft-Brennstoffgemisch im Einblasraum komprimiert, während es in der anschließenden Expansionsphase entspannt (Zeitraum t8 - t9), wobei der weitere zwischenzeitliche Anstieg des Brennraumdrucks F5 aufgrund von Verbrennung der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist. Sinkt der Druck im Brennraum so weit ab, dass die Differenz aus Druckkräften auf den Ventilstößel 6 der Vorspannkraft der Ankerfeder 17 entspricht (Zeitpunkt t9), so öffnet sich der Ventilstößel 6 kurzzeitig erneut, so dass ein Teil des im Ventilraum vorhandenen Kraftstoffs in den Brennraum entweicht. Dieser Vorgang ist abhängig von der Federkraft und kann in wiederholtem Male auftreten (Zeitraum t9 - t10)In order to end the blowing-in process, the power supply is terminated by the control unit, so that the current F1 through the coil 8 is reduced to zero (time t 4 ). Due to the eddy currents, the magnetic force F2 also decreases with a time delay. As soon as the magnetic force F2 is less than the sum of the closing force of the
Der jeweilige Massenstrom des Kraftstoffs über die Durchgänge A1 der Ventilplatte 5, die Durchgänge A2 des Stößels 6 und die und die Durchgänge A3 der Einblaskappe 28 ist dabei mit F9, F10 bzw. F11 angegeben.The respective mass flow of the fuel via the passages A1 of the
Dabei wird der Stößel 6 durch ein Federelement 10 in seine Schließstellung gedrängt, wobei das Federelement 10 sich an einem stromabwärts angeordneten Anschlag abstützt. Zudem erkennt man, dass die durch den Stößel 6 verwirklichte Dichtung an der Unterseite der Ventilplatte 5 eine Flachdichtung bzw. ein Flachsitz ist. Die dargestellte Konfiguration mit einer direkten Abdichtung an der Unterseite der Ventilplatte 5 ist dabei sehr raumsparend und ermöglicht in Längsrichtung sehr kurze Injektoren 1.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Injektorinjector
- 22
- Kraftstoffzuleitungfuel line
- 33
- Aktivventilactive valve
- 44
- Passivventilpassive valve
- 55
- Ventilplattevalve plate
- 66
- Stößelpestle
- 77
- Ankeranchor
- 88th
- SpuleKitchen sink
- 99
- Drängvorrichtungurging device
- 1010
- Federelementspring element
- 1111
- (erster) Permanentmagnet(first) permanent magnet
- 1212
- (zweiter) Permanentmagnet(second) permanent magnet
- 1313
- magnetischer Südpolmagnetic south pole
- 1414
- magnetischer Nordpolmagnetic north pole
- 1515
- Distanzelementspacer element
- 1616
- Gehäusedeckelhousing cover
- 1717
- Ankerfederanchor spring
- 1818
- Polrohrpole tube
- 1919
- Ankergegenstückanchor counterpart
- 2020
- Bypassbypass
- 2121
- Eisenrückschlussiron inference
- 2222
- Luftspaltair gap
- 2323
- Ankerbasisanchor base
- 2424
- Ankerführung/NadelführungAnchor Guide/Needle Guide
- 2525
- Dichtelementsealing element
- 2626
- Einblasrohrblow pipe
- 2727
- Ventilführungvalve guide
- 2828
- Einblaskappeblow-in cap
- A1A1
- Durchgang der Ventilplattepassage of the valve plate
- A2A2
- Durchgang des Stößelspassage of the plunger
- A3A3
- Durchgang der EinblaskappePassage of the blowing cap
Claims (15)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021133213.3A DE102021133213A1 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Injector for injecting fuel |
PCT/EP2022/085578 WO2023110846A1 (en) | 2021-12-15 | 2022-12-13 | Injector for injecting fuel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021133213.3A DE102021133213A1 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Injector for injecting fuel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021133213A1 true DE102021133213A1 (en) | 2023-06-15 |
Family
ID=84820104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021133213.3A Pending DE102021133213A1 (en) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | Injector for injecting fuel |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021133213A1 (en) |
WO (1) | WO2023110846A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014224341A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomer seal |
DE102020003127B3 (en) | 2020-05-25 | 2021-09-16 | Daimler Ag | Injector for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an internal combustion engine for a motor vehicle |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4220586A1 (en) * | 1992-06-24 | 1994-01-13 | Schaeffler Waelzlager Kg | Non-return valve with stop and housing contg. valve seating - has valve seating consisting of permanent magnet, and stop of ferromagnetic material |
DE102013202605A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Robert Bosch Gmbh | Injection valve for injecting fuel into combustion chamber, has two-piece valve-seat carrier that is provided with insert which is received and is connected to base ring through connecting device |
CN107842453B (en) * | 2016-09-20 | 2022-04-12 | 罗伯特·博世有限公司 | Fuel injection module for port fuel injector |
-
2021
- 2021-12-15 DE DE102021133213.3A patent/DE102021133213A1/en active Pending
-
2022
- 2022-12-13 WO PCT/EP2022/085578 patent/WO2023110846A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014224341A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomer seal |
DE102020003127B3 (en) | 2020-05-25 | 2021-09-16 | Daimler Ag | Injector for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an internal combustion engine for a motor vehicle |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023110846A1 (en) | 2023-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102020201973A1 (en) | Gas metering valve for internal combustion engines | |
EP1370765A1 (en) | Fuel injection valve | |
DE10319285B3 (en) | Direct fuel injection valve for combustion chamber of internal combustion engine has high-pressure inlet and has armature moving between two magnetic coils and attached to valve needle | |
DE102021133213A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
WO2022228932A2 (en) | Injection conduit for an injector for fuel injection | |
DE102011089360A1 (en) | Fuel injection valve for internal combustion engines | |
DE102021133210A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
DE10345967B4 (en) | Fuel injector | |
WO2024104696A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
DE102021133250A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
DE10060290A1 (en) | Fuel injector | |
WO2023117947A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
WO2023079064A1 (en) | Injector for injecting gas | |
DE10038097A1 (en) | Fuel injector | |
WO2024115328A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
WO2017202542A1 (en) | Gas valve for dosing gaseous fuels | |
EP1481159B1 (en) | Fuel injection valve | |
DE102004051138B4 (en) | Pressure boosting fuel injector | |
DE102019121538A1 (en) | Seat plate for an injector and method for producing such a seat plate | |
DE112006003009T5 (en) | Construction of an injection nozzle of an injection system | |
DE102011076956A1 (en) | Fuel injector for internal combustion engine, has valve needle arranged in housing in longitudinally displaceable manner, where valve needle closes scum hole arranged in high-pressure space of housing | |
WO2023169868A1 (en) | Injector for injecting fuel | |
EP0304420A1 (en) | Electromagnetic switching device | |
DE102021118197A1 (en) | Valve plate for an injector for injecting fuel | |
DE102011089337A1 (en) | Fuel injection valve for internal combustion engines |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |