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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs mit einem Rotationsaktor zur Betätigung eines Schließelements und einem Hub-Drehmodul, welcher die rotative Betätigung des Aktors in einen linearen Axialhub des Schließelements umsetzt.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren ist dabei, dass für den gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, große Öffnungsquerschnitte an einem Dichtsitz notwendig sind, was zu großen Hüben eines Schließelements des Gasinjektors führt. Als Aktoren zur Betätigung der Schließelemente werden üblicherweise Magnetaktoren verwendet, da Piezoaktoren nur sehr kleine Hübe erzeugen können. Bei Magnetaktoren ergibt sich jedoch das Problem, dass bei großen Hüben eines Ankers des Magnetaktors ein relativ großer Axialspalt zwischen einem Innenpol und dem Anker des Magnetaktors auftritt, wodurch große Verlustleistungen auftreten. Dadurch sind große Antriebseinheiten erforderlich, welche die Gasinjektoren zum einen verteuern und zum andern auch einen Bauraum des Gasinjektors vergrößern, was vermieden werden soll. Zur Betätigung des Gasinjektors sind üblicherweise auch hohe Schaltenergien notwendig. Weiterhin zeigt die
DE 199 60 340 A1 ein Brennstoffeinspritzventil für flüssige Kraftstoffe, bei dem zur Betätigung eines Schließelements ein Elektromotor verwendet wird, welcher das Schließelement durch Verdrehen öffnet und schließt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass kein Magnetantrieb zur Betätigung eines Schließelements verwendet werden muss. Erfindungsgemäß wird ein Rotationsaktor, welcher eine Drehbewegung ausführt, verwendet. Dadurch können die bei Gasinjektoren notwendigen großen Hübe ohne die oben erwähnten Nachteile bei Magnetaktoren realisiert werden. Ferner umfasst der Gasinjektor ein Hub-Dreh-Modul, welches die Drehbewegung des Aktors in eine lineare Hubbewegung des Schließelements umwandelt. Somit kann ein Aktor mit kleinen Schaltkräften verwendet werden, wodurch insbesondere eine Baugröße des Aktors und eine notwendige Energie zur Betätigung des Aktors reduziert werden können.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Aktor ist vorzugsweise ein Elektromotor. Der Elektromotor ist beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Servomotor. Der Elektromotor ist dabei bevorzugt in den Gasinjektor integriert.
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Weiter bevorzugt ist das Hub-Dreh-Modul in einem abgeschlossenen Schutzraum angeordnet. Dadurch kann eine zuverlässige Betätigung des Hub-Dreh-Moduls erreicht werden, insbesondere, da das einzublasende Gas nicht mit dem Hub-Dreh-Modul in Kontakt kommt.
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Das Hub-Dreh-Modul umfasst vorzugsweise ein flexibles Membranelement, welches mit dem Schließelement verbunden ist und im Betrieb eine axiale Beweglichkeit des Schließelements sicherstellt. Das Membranelement bildet dabei einen Teilbereich des abgeschlossenen Schutzraums. Das Membranelement umfasst vorzugsweise wenigstens eine Falte, wodurch die axiale Beweglichkeit sichergestellt ist. Das Membranelement ist vorzugsweise aus einem Metallmaterial hergestellt.
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Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau ist möglich, wenn das Hub-Dreh-Modul eine Antriebswelle, eine Hubscheibe und eine Gewindeverbindung zwischen der Antriebswelle und der Hubscheibe aufweist. Die Antriebswelle ist dabei mit dem Aktor verbunden und wird durch den Aktor in eine Drehbewegung versetzt. Die Gewindeverbindung wandelt dabei die Drehbewegung dann in eine lineare Axialbewegung der Hubscheibe. Die Hubscheibe ist mit dem Schließelement verbunden und bewegt dadurch das Schließelement geradlinig in Axialrichtung, wodurch der Gasinjektor geöffnet und geschlossen wird. Die Antriebswelle des Hub-Dreh-Moduls ist vorzugsweise eine Hohlwelle, wobei eine Ventilnadel des Schließelements in der Hohlwelle gelagert ist. Dadurch ist ein besonders einfacher und kompakter Aufbau mit minimierter Teileanzahl möglich.
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Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, welches vorzugsweise im Schutzraum angeordnet ist. Dadurch ist das Rückstellelement ebenfalls vor äußeren Einflüssen des einzublasenden Gases durch den Schutzraum geschützt.
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Das Rückstellelement ist vorzugsweise zwischen der Hubscheibe des Hub-Dreh-Moduls und einem an der Ventilnadel befestigten Federteller angeordnet. Dabei ist zwischen dem Federteller und der Hubscheibe eine Verdrehsicherung, beispielsweise Zylinderstifte, angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass sich die Hubscheibe bei Betätigung des Aktors mit der Antriebswelle des Hub-Dreh-Moduls mitdreht.
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Das Gewinde der Gewinde der Gewindeverbindung zwischen der Hubscheibe und der Antriebswelle ist vorzugsweise selbsthemmend ausgeführt. Dadurch kann beispielsweise bei einer längeren Einblasung der Gasinjektor ohne zusätzliche Kräfte offengehalten werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ferner einen Anschlag, welcher an der Ventilnadel befestigt ist. Im unbetätigten Zustand ist dabei ein erster Spalt zwischen dem Anschlag und der Hubscheibe vorhanden. D.h., dass vor einem Öffnen des Gasinjektors zuerst der erste Spalt durch die Hubscheibe überwunden werden muss, bis die Hubscheibe den Anschlag kontaktiert, um dann über den Anschlag eine Öffnungskraft auf die Ventilnadel zum Öffnen eines Dichtsitzes auszuüben.
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Der Dichtsitz ist vorzugsweise kardanisch ausgebildet, besonders bevorzugt durch eine Kugelfläche und eine konische Fläche, welche sich in geschlossenem Zustand an einer Kontaktlinie berühren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor ferner eine Ausgleichsfeder, welche zwischen der Antriebswelle des Hub-Dreh-Moduls und der Ventilnadel des Schließelements angeordnet ist. Eine Federkraft der Ausgleichsfeder ist dabei vorzugsweise kleiner oder gleich einer durch das einzublasende Gas auf die flexible Membran wirkende Druckkraft.
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Der Gasinjektor ist besonders bevorzugt ein nach außen öffnender Gasinjektor. Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor für eine Direkteinblasung des gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingerichtet. Der einzublasende Brennstoff ist vorzugsweise Erdgas oder Wasserstoff.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors von 1 zu Beginn eines Öffnungsvorgangs,
- 3 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors von 1 im geöffneten Zustand,
- 4 eine schematische Draufsicht auf einen Aktor des Gasinjektors von 1, und
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich, welche einen geschlossenen Zustand des Gasinjektors zeigt, umfasst der Gasinjektor 1 ein Schließelement 2, welches eine Durchgangsöffnung 3 an einem Dichtsitz 4 freigibt und verschließt.
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Der Dichtsitz 4 ist ein kardanischer Dichtsitz, wobei eine der Dichtflächen konisch ausgebildet ist und die andere der Dichtflächen gewölbt, insbesondere teilkugelförmig, ausgebildet ist.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Aktor 5 zur Betätigung des Schließelements 2. Der Aktor 5 ist dabei ein Elektromotor, welcher eine Drehbewegung zur Betätigung des Schließelements ausführt.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein Hub-Dreh-Modul 6, welches eingerichtet ist, die Drehbewegung des Aktors 5 in eine lineare Hubbewegung des Schließelements 2 umzuwandeln. Somit ist das Hub-Dreh-Modul 6 zwischen dem Aktor 5 und dem Schließelement 2 angeordnet und ermöglicht eine axiale geradlinige Bewegung des Schließelements 2 zum Öffnen und Schließen des Gasinjektors.
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Der Aktor 5 umfasst einen Stator 50 und einen Rotor 51. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Rotor 51 als Hohlwelle ausgebildet. Dabei ist eine Ventilnadel 20 des Schließelements 2 in der Hohlwelle des Aktors 5 gelagert.
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Ein elektrischer Anschluss 13 ist zur Versorgung des Aktors 5 vorgesehen.
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Das Hub-Dreh-Modul 6 ist in einem abgeschlossenen Schutzraum 7 angeordnet. Der Schutzraum 7 schützt dabei das Hub-Dreh-Modul 6 und die weiteren im Schutzraum 7 angeordneten Bauteile vor einem direkten Kontakt mit dem einzublasenden Gas. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist im Schutzraum 7 ferner noch ein Rückstellelement 8 angeordnet.
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Der Schutzraum 7 umfasst dabei ein topfförmiges Gehäuse 70 mit einer Durchgangsöffnung im Boden, durch welche die Ventilnadel 20 hindurchgeführt ist. Dabei ist das topfartige Gehäuse 70 mit der Ventilnadel 20 mittels einer Schweißverbindung 80 fest verbunden.
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Ferner umfasst der abgeschlossene Schutzraum 7 ein flexibles Membranelement 71. Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das flexible Membranelement 71 in diesem Ausführungsbeispiel zwei flexible Taschen 72, welche mittels eines Verbindungsstücks 73 miteinander verbunden sind. Die eine Tasche ist dabei mit dem Stator 50 des Aktors 5 verbunden und die andere Tasche ist mit dem topfartigen Gehäuse 70 verbunden. Der abgeschlossene Schutzraum 7 ist vorzugsweise mit Luft gefüllt.
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Das Hub-Dreh-Modul 6 umfasst dabei eine mit dem Rotor 51 verbundene Antriebswelle 60 mit einer daran befestigten Zwischenscheibe 63, eine Gewindeverbindung 61 und eine Hubscheibe 62. Dabei wird die rotative Bewegung der Antriebswelle 60 und der Zwischenscheibe 63 durch die Gewindeverbindung 61 in eine lineare Hubbewegung der Hubscheibe 60 in Axialrichtung X-X umgewandelt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist an der Ventilnadel 20 ferner ein Anschlag 22 im Schutzraum 7 angeordnet. Im unbetätigten Zustand des Gasinjektors ist dabei ein erster Spalt S1 der Hubscheibe 62 und dem Anschlag 22 in Axialrichtung X-X vorhanden.
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Die Gewindeverbindung 61 ist dabei selbsthemmend ausgebildet. Um zu verhindern, dass sich die Hubscheibe 62 mit der rotierenden Antriebswelle 60 gemeinsam dreht, ist eine Verdrehsicherung 10 an der Hubscheibe 62 angeordnet. Die Verdrehsicherung 10 umfasst dabei einen Zylinderstift, welcher an einem Federteller 9 fixiert ist. Der Federteller 9 ist an der Ventilnadel 20 befestigt und dient ebenfalls zur Abstützung des Rückstellelements 8. Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Hubscheibe neben der Durchgangsöffnung für die Ventilnadel 20 auch einen ausgesparten Bereich 62a zur Aufnahme des Rückstellelements 8, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderfeder ist, auf.
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In 1 ist ein Gaspfad 12 eingezeichnet, welcher bei geöffnetem Gasinjektor den Weg des einzublasenden Gases durch den Gasinjektor 1 darstellt. Wie aus 1 ersichtlich ist, verläuft der Gaspfad dabei am Außenumfang des Aktors 5 vorbei und wird über drei Durchflussflächen 52, welche in 4 dargestellt sind, zum Außenumfang am Schutzraum 7 geleitet. Das einzublasende Gas strömt dann, wie in 1 durch die Pfeile angedeutet, bis zum Dichtsitz 4 weiter.
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Der Öffnungsvorgang wird durch einen Vergleich in den 1 bis 3 ersichtlich. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasinjektors. Ausgehend vom geschlossenen Zustand wird der Aktor 5 betätigt, wodurch sich der Rotor 51 und entsprechend die Antriebswelle 60 drehen. Dies ist in 2 durch den Pfeil A angedeutet. Über die Gewindeverbindung 61 wird die Drehbewegung in eine axiale Hubbewegung der Hubscheibe 62 umgewandelt, was in 2 durch den Pfeil B angedeutet ist. 2 zeigt dabei einen Zwischenzustand beim Öffnungsvorgang des Gasinjektors, in welchem die Hubscheibe 62 am Anschlag 22 an der Ventilnadel 2 anliegt. Dabei ist der Gasinjektor 1 immer noch geschlossen. Wie in 2 ersichtlich ist, ergibt sich dadurch ein zweiter Spalt S2 zwischen einer Rückseite der Hubscheibe 62 und der Verdrehsicherung 10. Der in 1 gezeigte erste Spalt S1 ist somit geschlossen. Wenn die Rotation des Aktors 5 weitergeht, bewegt sich die Hubscheibe 62 weiter in Richtung zum Dichtsitz 4. Da sich die Hubscheibe 62 nun mit dem Anschlag 22 in Kontakt befindet und der Anschlag 22 an der Ventilnadel 20 angeschweißt ist, bewegt sich nun der Ventilsitz 21 an dem freien Ende der Ventilnadel 20 vom Dichtsitz 4 weg und der Gasinjektor 1 öffnet. Diese Stellung ist in 3 gezeigt, wobei die Einblasung von Gas durch die Pfeile C angedeutet ist.
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Da die Ventilnadel 20 auch mit dem topfförmigen Gehäuse 70 des abgeschlossenen Schutzraums 7 verbunden ist, wird durch die axiale Bewegung der Ventilnadel 20 auch eine Weitung der beiden Taschen 72 des flexiblen Membranelements 71 erreicht.
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Für eine Rückstellung wird der Aktor 5 in entgegengesetzter Richtung betrieben, da die Gewindeverbindung 61 selbsthemmend ausgeführt ist und keine automatische Rückstellung erfolgt. Dabei wird die Bewegung der Hubscheibe 62 durch das Rückstellelement 8 unterstützt, so dass die aufzuwendende Rückstellkraft durch den Aktor 5 reduziert ist. Die Taschen 72 sind aus einem Metallmaterial hergestellt, vorzugsweise Federstahl, so dass eine Rückstellung aufgrund der Eigenelastizität des Materials möglich ist und zusätzlich unterstützt wird.
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Somit kann der Gasinjektor durch einen Rotationsmotor und ein Hub-Dreh-Modul 6 geöffnet und geschlossen werden. Somit sind die Nachteile bei Verwendung von Magnetaktoren, insbesondere die vorhandene Spaltvergrößerung bei sehr großen Nadelhüben, wie sie bei Gasinjektoren notwendig sind, nicht vorhanden. Insbesondere kann der Aktor 5 kleiner bauend ausgelegt werden, so dass die gesamte Baugröße des Gasinjektors 1 reduziert werden kann.
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5 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch eine Ausgleichsfeder 11 vorgesehen. Die Ausgleichsfeder 11 ist an einem Bereich 20a der Ventilnadel 20 mit reduziertem Durchmesser angeordnet. Hierbei ist neben dem ersten Anschlag 22 für die Hubscheibe 62 an der Antriebswelle 60 ein zweiter Anschlag 14 im Inneren der hohlen Antriebswelle 60 befestigt. Dieser zweite Anschlag 14 dient zur Abstützung der Ausgleichsfeder 11 in Richtung zum Dichtsitz. Ein dritter Anschlag 15 ist am Bereich 20a der Ventilnadel 20 derart fixiert, dass die Ausgleichsfeder 11 zwischen dem zweiten Anschlag 14 und dem dritten Anschlag 15 liegt. Durch die Ausgleichsfeder 11 kann eine axiale Druckkraft F1, welche am flexiblen Membranelement 71 im Bereich der Taschen 72 durch den Gasdruck des einzublasenden Gases erzeugt wird, ausgeglichen werden. Die Ausgleichsfeder 11 stellt dabei eine Gegenkraft F2 bereit, welche für einen Kraftausgleich mit der Kraft F1 am flexiblen Membranelement 71 sorgt. Die erste und zweite Kraft F1, F2 sind dabei ungefähr gleich, so dass sich die Kräfte im Wesentlichen gegeneinander aufheben. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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