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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dergleichen mit einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung mit Freiweg und variabler Drosseleinrichtung, um eine Bewegung einer Ventilnadel, insbesondere sowohl bei einem Öffnungsvorgang als auch bei einem Schließvorgang, zu dämpfen.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund des gasförmigen Mediums, welches Gasinjektoren einblasen, müssen Gasinjektoren im Vergleich mit Injektoren für flüssige Medien, beispielsweise Kraftstoffinjektoren, einen sehr großen Hub ausführen. Dies kann bei Gasinjektoren jedoch zu einem großen Verschleiß an Bauteilen, insbesondere an einem Dichtsitz und einer Hubbegrenzung auftreten. Durch die notwendigen großen Schaltkräfte bei Gasinjektoren wird der Verschleiß im Betrieb an den Bauteilen noch verstärkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von Wasserstoff oder Erdgas, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz des großen Hubes aufgrund des großen einzublasenden Gasvolumens eine Dämpfungseinrichtung sehr kleinbauend und kostengünstig bereitgestellt werden kann. Die Dämpfungseinrichtung reduziert auch einen Verschleiß von Bauteilen des Gasinjektors. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Gasinjektor ein deutlich verbessertes Geräuschverhalten auf, insbesondere bei Auftreffen auf einen Endanschlag bei einem Öffnungsvorgang und beim Schließen eines Dichtsitzes bei einem Schließvorgang. Ferner kann durch eine variable Drosseleinrichtung eine Drosselwirkung individuell eingestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Schließelement aufweist, welches eine Durchgangsöffnung an einem Dichtsitz freigibt und verschließt. Ferner umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, welches das Schließelement aus dem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Ausgangszustand zurückstellt. Weiter ist ein Aktor vorgesehen, welcher das Schließelement betätigt sowie eine hydraulische Dämpfungseinrichtung. Die hydraulische Dämpfungseinrichtung ist zur Dämpfung einer Bewegung des Schließelements eingerichtet. Die Dämpfung erfolgt dabei mittels einer Flüssigkeit, welche in einem abgeschlossenen Hydraulikraum der Dämpfungseinrichtung einen Dämpfungsvorgang beim Öffnen und/oder Schließen des Schließelements durchführt. Ferner ist eine Freiweg-Anordnung vorgesehen, welche funktional zwischen dem Schließelement und der hydraulischen Dämpfungseinrichtung angeordnet ist. Die Freiweg-Anordnung ist eingerichtet, die Dämpfung der Bewegung des Schließelements sowohl beim Öffnungsvorgang als auch beim Schließvorgang erst nach Zurücklegen eines vorbestimmten Freiweges auszuführen. Dies ermöglicht einen sehr kostengünstig und kleinbauenden Aufbau der Dämpfungseinrichtung. Durch den Freiweg der Freiweg-Anordnung erfolgt somit ein Öffnungsvorgang und Schließvorgang zuerst ohne Dämpfung und erst nach Zurücklegen des Freiwegs greift die Dämpfungseinrichtung ein. Somit kann ein übermäßiger Verschleiß an den Kontaktbauteilen des Gasinjektors, insbesondere am Dichtsitz und/oder an einem Anschlag, welcher einen Öffnungshub des Gasinjektors begrenzt, vermieden werden. Für einen möglichst einfachen Aufbau weist die hydraulische Dämpfungseinrichtung einen ersten Steuerraum und einen zweiten Steuerraum auf, welche über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind. Dadurch sind zwei Steuerräume vorgesehen, wobei ein Steuerraum für die Dämpfung der Öffnungsbewegung des Schließelements und der andere Steuerraum für die Dämpfung der Schließbewegung des Schließelements verantwortlich ist.
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Die Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Steuerraum umfasst eine Drosseleinrichtung. Die Drosseleinrichtung ist in einem Steuerzylinder, welcher den ersten vom zweiten Steuerraum trennt, angeordnet. Über die Drosseleinrichtung erfolgt eine Dämpfung des Schließelements beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang durch Volumenänderung im ersten und zweiten Steuerraum. Die Drosseleinrichtung umfasst eine erste und eine zweite Drossel, wobei die erste Drossel in Öffnungsrichtung und Schließrichtung des Schließelements eine konstante Drosselung bereitstellt und die zweite Drossel in Öffnungsrichtung eine unterschiedliche Drosselung als in Schließrichtung aufweist. Somit kann mittels der zweiten Drossel ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten in Öffnungsrichtung und Schließrichtung erreicht werden. Die zweite Drossel ist somit eine variable Drossel, deren Drosselwirkung individuell in die beiden Bewegungsrichtungen des Schließelements eingestellt werden kann.
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Weiterhin ergibt sich durch die hydraulische Dämpfung mittels der Dämpfungseinrichtung ein deutlich verbessertes Geräuschverhalten beim Öffnungs- und Schließvorgang des Gasinjektors.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die erste Drossel in einem ersten Verbindungskanal im Steuerzylinder angeordnet. Weiter bevorzugt ist die zweite Drossel in einem zweiten Verbindungskanal im Steuerzylinder angeordnet oder die zweite Drossel ist als Drosselspalt an einer Außenseite des Steuerzylinders ausgebildet.
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Besonders bevorzugt umfasst die zweite variable Drossel eine zwischen einem ersten Kegelsitz und einem zweiten Kegelsitz bewegbare Kugel, welche am ersten und zweiten Kegelsitz jeweils in eine geschlossene Position bringbar ist. Während der variablen Drosselung bewegt sich die Kugel dabei zwischen dem ersten und zweiten Kegelsitz. Die Kugel ist vorzugsweise in Axialrichtung des Gasinjektors vorgespannt, insbesondere mit einem Federelement.
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Weiter bevorzugt umfasst die Drosseleinrichtung ferner eine dritte Drossel. Die dritte Drossel ist in Reihe mit der zweiten Drossel geschaltet. Vorzugsweise ist die dritte Drossel dabei im zweiten Verbindungskanal, in welchem auch die zweite Drossel angeordnet ist, positioniert.
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Besonders bevorzugt ist die Drosseleinrichtung derart eingerichtet, dass die variable Drosselung erst nach Zurücklegen des Freiwegs einsetzt. Somit beeinträchtigt die Drosseleinrichtung nicht die durch den Freiweg bereitgestellte, gewünschte Verzögerung der Dämpfungswirkung.
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Weiter bevorzugt umfasst ein vollständiger Öffnungshub des Schließelements den Freiweg der Freiweg-Anordnung und einen Dämpfungsweg der hydraulischen Dämpfungseinrichtung. Der Dämpfungsweg der hydraulischen Dämpfungseinrichtung ist dabei kleiner als der Freiweg. Somit wird beispielsweise beim Öffnungsvorgang ein sehr schnelles Öffnen mit entsprechend großen Einblasmengen erreicht, bevor durch die Dämpfungseinrichtung eine Dämpfung der Öffnungsbewegung nach Zurücklegen des Freiwegs eintritt, was den Öffnungsvorgang etwas verlangsamt. In gleicher Weise ist bei einer Schließbewegung des Schließelements zuerst durch Zurücklegen des Freiwegs ein Großteil des Schließweges des Schließelements zurückgelegt, bis dann die hydraulische Dämpfungseinrichtung eingreift und eine Dämpfung zur Verschleißvermeidung und Geräuschvermeidung beim Auftreffen des Schließelements auf den Dichtsitz ermöglicht.
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Ein Verhältnis des Dämpfungswegs zum Freiweg liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,06 bis 0,12, insbesondere in einem Bereich von 0,08 bis 0,10 und beträgt besonders bevorzugt 0,9.
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Weiter bevorzugt umfasst die Freiweg-Anordnung ein Freiweg-Gehäuse, ein im Freiweg-Gehäuse angeordnetes Steuerelement und ein am Freiweg-Gehäuse fixiertes Anschlagelement, insbesondere einen Anschlagring. Dabei ist der Freiweg zwischen dem Steuerelement und dem Anschlagelement ausgebildet oder alternativ zwischen dem Steuerelement und dem Freiweg-Gehäuse ausgebildet. Dadurch kann die Freiweg-Anordnung sehr kompakt und kleinbauend ausgebildet werden.
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Weiter bevorzugt ist das Freiweg-Gehäuse mit der hydraulischen Dämpfungseinrichtung verbunden und das Steuerelement mit dem Schließelement verbunden. Alternativ ist das Freiweg-Gehäuse mit dem Schließelement verbunden und das Steuerelement ist mit der hydraulischen Dämpfungseinrichtung verbunden. Somit ist die Freiweg-Anordnung zwischen das Schließelement und die hydraulische Dämpfungseinrichtung in Axialrichtung des Gasinjektors integriert.
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Weiter bevorzugt umfasst die hydraulische Dämpfungseinrichtung einen Grundkörper und einen im Grundkörper axial beweglich angeordneten Zentrierbolzen, welcher mit der Freiweg-Anordnung verbunden ist. Dadurch kann auf einfache Weise eine Verbindung zwischen der hydraulischen Dämpfungseinrichtung und der Freiweg-Anordnung über den Zentrierbolzen erreicht werden. Der Zentrierbolzen reicht vorzugsweise in die hydraulische Dämpfungseinrichtung hinein.
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Weiter bevorzugt sind der erste und zweite Steuerraum im Grundkörper ausgebildet, insbesondere in einer einseitig offenen Bohrung oder dergleichen, welche in einer Mittelachse des Gasinjektors liegt.
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Um einen möglichst kompakten Aufbau zu erreichen, weist die Dämpfungseinrichtung vorzugsweise einen Grundkörper, ein erstes flexibles Element und ein zweites flexibles Element auf. Dabei steht das Schließelement mit dem ersten flexiblen Element in Verbindung und das erste und zweite flexible Element bilden Gehäusebereiche des abgeschlossenen Hydraulikraums. Das erste flexible Element ermöglicht somit die Bewegung des Schließelements.
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Das erste und zweite flexible Element ist vorzugsweise eine Metallmembran. Alternativ sind das erste und zweite flexible Element metallische Faltenbalge.
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Weiter bevorzugt ist das erste flexible Element derart am Grundkörper der Dämpfungseinrichtung angeordnet, dass zwischen dem Grundkörper und dem ersten flexiblen Element ein erster Unterraum des Hydraulikraums ausgebildet ist. Ferner ist das zweite flexible Element derart am Grundkörper angeordnet, dass zwischen dem Grundkörper und dem zweiten flexiblen Element ein zweiter Unterraum des Hydraulikraums ausgebildet ist. Der erste und zweite Unterraum ist dabei über einen Verbindungsbereich, vorzugsweise eine Nut oder eine Bohrung oder dergleichen, miteinander in Fluidverbindung.
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Weiter bevorzugt sind der erste und zweite Steuerraum mittels einer Querbohrung mit dem Verbindungsbereich verbunden.
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Um möglichst einen geringen Temperatureinfluss im Betrieb auf die Dämpfungseinrichtung zu haben, ist die Dämpfungseinrichtung und die Freiweg-Anordnung vorzugsweise in Axialrichtung X-X des Gasinjektors an einer vom Dichtsitz abgewandten Seite des Aktors angeordnet. Somit schützt der Aktor die Dämpfungseinrichtung und die Freiweg-Anordnung vor möglichen thermischen Einflüssen, insbesondere wenn der Gasinjektor zur Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist.
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Der Gasinjektor ist weiter bevorzugt ein nach außen öffnender Gasinjektor. Der Gasinjektor ist vorzugsweise zur Direkteinblasung eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgebildet.
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Um eine möglichst kompakte, vormontierbare Einheit bereitzustellen, ist die hydraulische Dämpfungseinrichtung vorzugsweise mit der Freiweg-Anordnung als vormontierbares Modul ausgebildet. Das vormontierbare Modul ist vorzugsweise in einem Stellmodulgehäuse, durch welches das Schließelement hindurchgeführt ist, angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor bläst dabei vorzugsweise Wasserstoff oder Erdgas oder ein anderes Brenngas, insbesondere direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, ein.
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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 bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht einer Dämpfungseinrichtung und einer Freiweg-Anordnung des Gasinjektors von 1 im geschlossenen Zustand des Gasinjektors,
- 3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht einer variablen Drossel einer Drosseleinrichtung, die Teil der Dämpfungseinrichtung des Gasinjektors von 1 ist im geschlossenen Zustand des Gasinjektors,
- 4 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der variablen Drossel einer Drosseleinrichtung, die Teil der Dämpfungseinrichtung des Gasinjektors von 1 ist im teilweise geöffneten Zustand des Gasinjektors nach Zurücklegen des Freiwegs,
- 5 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der variablen Drossel einer Drosseleinrichtung, die Teil der Dämpfungseinrichtung des Gasinjektors von 1 ist im vollständig geöffneten Zustand des Gasinjektors,
- 6 eine schematische Teilschnittansicht einer Dämpfungseinrichtung und einer Freiweg-Anordnung eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand des Gasinjektors, und
- 7 eine schematische Teilschnittansicht einer Dämpfungseinrichtung und einer Freiweg-Anordnung eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand des Gasinjektors.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums in einen Brennraum 30 einer Brennkraftmaschine ein Schließelement 2 und einen Aktor 5 zur Betätigung des Schließelements 2. Das Schließelement 2 ist eine Ventilnadel. Der Aktor 5 ist ein magnetischer Aktor mit einem Innenpol 50 und einem mit dem Schließelement 2 verbundenen Anker 51. Am Innenpol 50 ist ein Anschlag 52 zur Begrenzung eines Öffnungshubes des Schließelements ausgebildet.
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Das Schließelement 2 gibt dabei eine Durchgangsöffnung 4 an einem Dichtsitz 3 frei und verschließt diese. Die Durchgangsöffnung 4 ist im geöffneten Zustand ein ringförmiger Durchlass, wobei der Gasinjektor 1 ein nach außen öffnender Injektor ist. D.h., das Schließelement 2 wird zum Öffnen in Richtung des Pfeils A nach außen in Richtung des Brennraums 30 bewegt.
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Am gegenüberliegenden Ende des Dichtsitzes 3 ist ein Gaszulauf 31 vorgesehen. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Gaszulauf 31 dabei in Linie mit dem Schließelement 2 auf einer Mittelachse, welche eine Axialrichtung X-X des Gasinjektors definiert, angeordnet.
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In 1 deuten die Pfeile B die Gasströmung durch den Gasinjektor 1 ausgehend vom Gaszulauf 31 bis zum Dichtsitz 3 an.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Aktor 5 mittels einer Metallmembran 9 gegenüber dem gasförmigen Medium abgedichtet. Die Metallmembran 9 ist dabei mittels einer Schweißverbindung mit dem Schließelement 2 verbunden. Die Metallmembran 9 weist hierbei eine mittige Öffnung auf, durch welche das Schließelement 2 hindurchgeführt ist.
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Ferner umfasst der Gasinjektor 1 ein Rückstellelement 6, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Schraubenfeder ist. Das Rückstellelement 6 stellt das Schließelement 2 aus dem offenen Zustand wieder in den geschlossenen Ausgangszustand zurück. Hierbei stützt sich das Rückstellelement 6 an einem Federteller 60 und einem Gehäusebauteil 10a ab.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner eine hydraulische Dämpfungseinrichtung 7, welche insbesondere im Detail unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben wird.
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Die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 ist zur Dämpfung einer Bewegung des Schließelements 2 eingerichtet. Hierbei werden Bewegungen während des Öffnungsvorgangs als auch während des Schließvorgangs gedämpft. Die hydraulische Dämpfungseinrichtung ist dabei eingerichtet, die Dämpfung mittels einer Flüssigkeit in einem abgeschlossenen Hydraulikraum 8 der Dämpfungseinrichtung 7 auszuführen.
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Die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 umfasst dabei einen ersten Steuerraum 80 und einen zweiten Steuerraum 88. Die beiden Steuerräume 80, 88 sind dabei in einem Grundkörper 17 der hydraulischen Dämpfungseinrichtung 7 angeordnet. Der erste Steuerraum 80 dient dabei zur Dämpfung einer Rückstellbewegung des Schließelements und der zweite Steuerraum 88 dient zur Dämpfung einer Öffnungsbewegung des Schließelements.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist an einem Zentrierbolzen 18 ein Steuerzylinder 13 angeordnet. Im Steuerzylinder 13 ist eine Drosseleinrichtung 110 mit drei Drosseln angeordnet. Der Steuerzylinder 13 weist eine Bohrung 13a mit einer ersten Drossel 101 auf, welche den ersten Steuerraum 80 mit dem zweiten Steuerraum 88 verbindet. Ferner weist der Steuerzylinder 13 eine zweite Bohrung 13b auf, in welcher eine variable zweite Drossel 102 angeordnet ist. Die variable Drossel 102 ist dabei eingerichtet, in Öffnungsrichtung des Schließelements eine andere Drosselwirkung zu erzeugen, als in Schließrichtung des Schließelements. Weiterhin ist in der zweiten Bohrung 13b eine dritte Drossel 103 angeordnet.
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Die variable zweite Drossel 102 ist im Detail aus den 3 bis 5 ersichtlich. Wie aus 3 ersichtlich ist, welche den Zustand der Drosseleinrichtung 110 im geschlossenen Zustand des Gasinjektors zeigt, umfasst die zweite variable Drossel eine Steuerkugel 111, einen ersten Kegelsitz 112 und einen zweiten Kegelsitz 113. Die Steuerkugel 111 ist mittels eines Vorspannelements
in Form einer Zylinderfeder 114 vorgespannt. Die Zylinderfeder 114 stützt sich in einem Zylindereinsatz 115 ab, der in der zweiten Bohrung 13b angeordnet ist und vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung mit dem Steuerzylinder 13 verbunden ist. Im Zylindereinsatz 115 ist auch die dritte Drossel 103 ausgebildet.
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Wie in 3 angedeutet, kann sich die Steuerkugel 111 in Axialrichtung X-X des Gasinjektors zwischen dem ersten Kegelsitz 112 und dem zweiten Kegelsitz 113 bewegen (Doppelpfeil Y).
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Weiterhin umfasst die Dämpfungseinrichtung 7 ein erstes flexibles Element 11 und ein zweites flexibles Element 12. Das erste und zweite flexible Element 11, 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Metallmembran. Wie aus 2 ersichtlich ist, wird der abgeschlossene Hydraulikraum 8 durch Hohlräume im Grundkörper 17 sowie das erste und zweite flexible Element 11, 12 gebildet.
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Hierbei ist das erste flexible Element 11 mit einer mittigen Öffnung versehen, durch welche der Zentrierbolzen 18 hindurchgeführt ist. Das erste flexible Element 11 ist dabei mittels einer Schweißverbindung mit dem Zentrierbolzen 18 verbunden.
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Der abgeschlossene Hydraulikraum 8 ist mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Öl, gefüllt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist hierbei der Zentrierbolzen 18 mit einer Durchgangsbohrung 18a ausgebildet, welche durch eine Kugel 86 verschlossen ist. Hierbei kann eine einfache Befüllung des abgeschlossenen Hydraulikraums 8 ermöglicht werden.
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Das zweite flexible Element 12 ist an der zum Gaszulauf 31 gerichteten Stirnfläche des Grundkörpers 17 fluiddicht an diesem angeordnet. Da das erste und zweite flexible Element 11, 12 vorzugsweise Metallmembranen sind, kann eine Fluiddichtheit mit dem Grundkörper 17 auf einfache Weise durch Schweißverbindungen hergestellt werden.
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Zwischen dem Grundkörper 17 und dem ersten flexiblen Element 11 ist ein erster Unterraum 81 des Hydraulikraums ausgebildet. Zwischen dem Grundkörper 17 und dem zweiten flexiblen Element 12 ist ein zweiter Unterraum 82 ausgebildet. Der erste und zweite Unterraum ist über einen Verbindungsbereich 83, welcher eine Verbindungsbohrung ist, miteinander in Fluidverbindung.
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Ferner umfasst der Gasinjektor 1 eine Freiweg-Anordnung 20. Die Freiweg-Anordnung 20 ist in Axialrichtung X-X zwischen der hydraulischen Dämpfungseinrichtung 7 und dem Aktor 5 angeordnet (vgl. 1).
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Die Freiweg-Anordnung 20 umfasst ein Freiweg-Gehäuse 21, ein Steuerelement 24, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein Steuerstift mit einem im Freiweg-Gehäuse 21 angeordneten Kopf 24a und einem mit dem Zentrierbolzen 18 verbundenen Schaft 24b ist, und ein Anschlagelement 23. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Anschlagelement 23 fest mit dem Freiweg-Gehäuse 21 mittels einer Schweißverbindung verbunden. Das Steuerelement 24 ist an einem vom Brennraum 30 abgewandten Seite des Schließelements 2 angeordnet. Hierbei ist eine feste Verbindung zwischen dem Steuergehäuse 21 und dem Ende des Schließelements 2 vorgesehen. Dies kann beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Pressverbindung oder eine beliebige andere feste mechanische Verbindung sein.
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Das Freiweg-Gehäuse 21 ist direkt mit dem Schließelement 2 verbunden.
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Zur Verbindung des Zentrierbolzens 18 mit dem Steuerstift 24 ist eine Hülse 28 vorgesehen. Weiterhin ist der Steuerzylinder 13 einteilig mit dem Zentrierbolzen 18 ausgebildet.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein topfförmiges Stellmodulgehäuse 100, in welchem die Freiweg-Anordnung 20 und teilweise die Dämpfungseinrichtung 7 angeordnet ist. Das Stellmodulgehäuse ist dabei mit einer Schweißverbindung mit einem Außenumfang des Grundkörpers 17 der Dämpfungseinrichtung 7 verbunden.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Gasinjektors 1 mit wegoptimierter Dämpfungsfunktion ist dabei wie folgt. Ausgehend von der in 1 und 2 gezeigten geschlossenen Stellung des Gasinjektors 1 wird der Aktor 5 betätigt. Dadurch wird der Anker 51 in Richtung des Innenpols 50 angezogen, so dass das Schließelement 2 vom Dichtsitz 3 nach außen abhebt und die Durchgangsöffnung 4 freigibt (Öffnungsrichtung A). Dabei wird das Rückstellelement 6 vorgespannt.
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Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors existiert zwischen dem Anschlagelement 23 und dem Steuerelement 24 in Axialrichtung ein Freiweg S1 (vgl. 2). Da das Freiweg-Gehäuse 21 mit dem Schließelement 2 verbunden ist, wird während des Öffnungsvorgangs dieser Freiweg S1 zurückgelegt, bis das Steuerelement 24 am Anschlagelement 23 anschlägt.
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Bis zu dem Zustand des Kontakts zwischen dem Kopf 24a und dem Anschlagelement 23 erfolgt keinerlei Dämpfung während des Öffnungsvorgangs des Gasinjektors. Der Gasinjektor ist jedoch noch nicht vollständig geöffnet. Für den restlichen Öffnungsweg des Gasinjektors erfolgt nun eine Dämpfung durch die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7.
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Wenn das Schließelement 2 weiter in Öffnungsrichtung bewegt wird, wird durch den Kontakt zwischen dem Kopf 24a und dem Anschlagelement 23 auch der Steuerstift 24 und dadurch auch der Zentrierbolzen 18 in Öffnungsrichtung A bewegt. Da der Steuerzylinder 13 fest mit dem Zentrierbolzen 18 verbunden ist, wird dieser ebenfalls in Öffnungsrichtung bewegt. Hierdurch ändert sich jedoch das Volumen des ersten Steuerraums 80 und des zweiten Steuerraums 88. Genauer wird das Volumen des ersten Steuerraums 80 größer und das Volumen des zweiten Steuerraums 88 verringert sich. Da die beiden Steuerräume 80, 88 über die Drosseleinrichtung 110 miteinander in Fluidverbindung stehen, ergibt sich dadurch eine Dämpfung der Bewegung des Schließelements, bis letztendlich der Anker 51 am Innenpol 50 anschlägt.
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Die variable Dämpfung durch die zweite Drossel 102 während des Öffnungsvorgangs ist im Detail in den 3 bis 5 dargestellt. 3 zeigt noch den geschlossenen Zustand des Gasinjektors, bei dem die Steuerkugel 111 am ersten Kegelsitz 112 anliegt. Da während des Öffnungsvorgangs auch der Zentrierbolzen 18 bis zum Zurücklegen des ersten Freiwegs S1 bleibt, bleibt auch die zweite Drossel unverändert geschlossen. Nach Zurücklegen des ersten Freiwegs S1 wird auch der Zentrierbolzen 18, wie in 4 durch den Pfeil angedeutet, in Öffnungsrichtung A bewegt. Dadurch wird auch der Steuerzylinder 13 in Richtung des Pfeils A bewegt, wodurch die Steuerkugel 111 vom ersten Kegelsitz 112 abhebt. Diese Position ist in 4 dargestellt. Somit ist die zweite Drossel 102 neben der in jedem Zustand des Gasinjektors offenen ersten Drossel 101 ebenfalls geöffnet. Abhängig von der Axialposition der Kugel zwischen dem ersten und zweiten Kegelsitz erfolgt somit eine variable zusätzliche Dämpfung durch die zweite Drossel 102.
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Wenn der Gasinjektor 1 vollständig geöffnet ist, ist die variable Drossel 102 wieder geschlossen, allerdings liegt dann die Steuerkugel 111 an dem zweiten Kegelsitz 113 an. Dieser Zustand ist in 5 gezeigt. Das Vorspannelement 114 ist durch die Steuerkugel 111 vorgespannt. Wie ein Vergleich zwischen den 3 und 5 zeigt, ist Fluid aus dem zweiten Steuerraum 88 in den ersten Steuerraum 80 über die drei Drosseln 101, 102 und 103 eingeströmt.
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In 2 ist hierbei ein Dämpfungsweg S2, welcher durch den Steuerzylinder 13 während des Öffnungshubes zurückgelegt wird, eingezeichnet. Somit beträgt der maximale Öffnungshub des Schließelements 2 die Addition des Freiwegs S1 und des Dämpfungswegs S2.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ändert sich auch während des Öffnungshubs das Volumen des ersten Unterraums 81 und des zweiten Unterraums 82, da das erste flexible Element 11 mit der sich in Axialrichtung X-X bewegenden Hülse 28 verbunden ist. Genauer wird das Volumen des ersten Unterraums 81 größer und das Volumen des zweiten Unterraums 82 reduziert sich in entsprechender Weise.
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Für den Schließvorgang des Gasinjektors wird die Bestromung des Aktors 5 beendet, so dass durch das vorgespannte Rückstellelement 6 eine Rückstellkraft auf das Schließelement 2 ausgeübt wird. Ein erster Bewegungsweg für den Rückstellvorgang wird durch das mit dem Schließelement 2 verbundene Freiweg-Gehäuse 21 in Form des Freiwegs S1 zurücklegt, bis es mit einem Absatz 21a am Kopf 24a des Steuerstiftes 24 anliegt. Bis zu diesem Zeitpunkt während des Rückstellvorgangs bleibt die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 ohne Dämpfungswirkung.
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Sobald das Freiweg-Gehäuse 21 am Steuerstift 24 des Freiweg-Gehäuses 21 anliegt, wird durch die weiter vorhandene Rückstellbewegung des Rückstellelements 6 das Freiweg-Gehäuse 21 und dadurch auch der mit dem Freiweg-Gehäuse 21 über den Steuerstift 24 verbundene Zentrierbolzen 18 zurückbewegt. Dadurch wird auch der Steuerzylinder 13 in die in 2 gezeigte Ausgangsstellung zurückbewegt.
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Sobald somit der Steuerstift 24 am Freiweg-Gehäuse 21 anliegt, erfolgt nun durch die Bewegung des Zentrierbolzens 18 eine Dämpfung mittels der hydraulischen Dämpfungseinrichtung 7, da sich die Volumina im ersten Steuerraum 80 und zweiten Steuerraum 88 wieder an die in 2 gezeigte Ausgangsstellung angleichen. Somit wird nur die letzte Bewegung bei der Rückstellung des Gasinjektors gedämpft, wobei die variable Drossel 102 neben der ersten Drossel 101 und der dritten Drossel 103 eine zusätzliche variable Dämpfung bereitstellt.
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Erfindungsgemäß kann somit durch das geschickte Vorsehen des Freiwegs S1 mittels der Freiweg-Anordnung 20 eine Dämpfung während des Öffnungsvorgangs erst auf den letzten Öffnungsweg des Schließelements begrenzt werden. In gleicher Weise ist beim Schließvorgang eine Dämpfungswirkung durch die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 auf den letzten axial zurückgelegten Weg des Schließelements 2 (Dämpfungsweg S2) begrenzt. Dadurch ist es möglich, dass die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 sehr kleinbauend und besonders kostengünstig mit jeweils nur einem flexiblen Element 11, 12 an jedem Ende des Grundkörpers ausgebildet werden. Weiterhin ist ein Innen- und Außendurchmesser des ersten und zweiten Steuerraums 80, 88 gleich. Dadurch kann insbesondere der Grundkörper 17 sehr einfach aufgebaut sein. Durch entsprechend ausgebildete Radialspalte zwischen dem Zentrierbolzen 18 und dem Grundkörper 17 bzw. dem Steuerelement 22 und dem Grundkörper 17 kann dabei die Beweglichkeit des Zentrierbolzens 18 sichergestellt werden. Hierbei ist durch Wahl der Spalthöhe der Radialspalte am Zentrierbolzen 18 bzw. dem Steuerelement 22 auch eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Dämpfungswirkung gegeben.
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Somit kann erfindungsgemäß die Dämpfung auf den jeweils letzten Wegabschnitt bei der Öffnung und beim Schließen des Gasinjektors begrenzt werden. Der Freiweg S1 ist dabei größer als der Dämpfungsweg S2. Dadurch können schnelle Schaltzeiten erreicht werden und weiterhin kann durch die erste ungedämpfte Bewegung des Schließelements beim Öffnen schnell eine Gaseinblasung in größerem Umfang erfolgen. Gleiches gilt entsprechend für den Schließvorgang, welcher in großem Umfang durch den ersten ungedämpften Schließweg möglich ist.
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6 zeigt schematisch eine Teil-Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die erste Drossel 101 durch eine vorbestimmte Größe eines Drosselspalts an einem äußeren Umfang des Steuerzylinders 13 vorgesehen. Die zweite Drossel 102 und die dritte Drossel 103 sind gleich wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Dadurch muss nur eine Bohrung in den Steuerzylinder 13 eingebracht werden, in welcher die zweite Drossel 102 und die dritte Drossel 103 angeordnet sind. Die erste Drossel 101 kann am Außenumfang des Steuerzylinders besonders einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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7 zeigt eine Teil-Schnittansicht eines Gasinjektors 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei statt einer Steuerkugel ein Zylinderstift 114 in der variablen zweiten Drossel 102 verwendet wird. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
