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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, 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. Die Dämpfungseinrichtung ist mit einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit wie Öl oder dgl., gefüllt. Erfindungsgemäß weist der Gasinjektor ein Schließelement auf, 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. Ferner 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. Der Gasinjektor umfasst ferner ein thermisches Ausgleichselement, welches in das Schließelement integriert ist. Somit umfasst das Schließelement ein thermisches Ausgleichselement, um temperaturbedingte Längenänderungen von weiteren Bauteilen des Gasinjektors in Axialrichtung X-X auszugleichen. Das thermische Ausgleichselement ist somit in das Schließelement integriert und benötigt keinen eigenen, zusätzlichen Bauraum. Somit können erfindungsgemäß thermische Längenänderungen, welche im Betrieb des Gasinjektors an unterschiedlichen Bauteilen des Gasinjektors auftreten können, ausgeglichen werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt weist das thermische Ausgleichselement eine kleinere spezifische Wärmeausdehnung auf, als ein Gehäusebauteil des Gasinjektors oder alle Gehäusebauteile des Gasinjektors. Das Gehäusebauteil kann dabei ein Außengehäuse des Gasinjektors sein oder auch Gehäuse eines Stellmoduls, in welchem der Aktor des Gasinjektors angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das Schließelement als Ventilnadel ausgebildet, wobei die Ventilnadel einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst und das thermische Ausgleichselement in die Ventilnadel integriert ist. Dies ermöglicht einen einfachen und sehr kostengünstigen Aufbau. Auch kann das thermische Ausgleichselement auf einfache Weise in das Schließelement integriert werden, indem das thermische Ausgleichselement den ersten und zweiten Teil der Ventilnadel miteinander verbindet.
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Vorzugsweise ist das thermische Ausgleichselement zwischen dem Aktor und der hydraulischen Dämpfungseinrichtung angeordnet. Da das Schließelement mit der hydraulischen Dämpfungseinrichtung in Wirkverbindung steht, kann das thermische Ausgleichselement am Schließelement auch thermisch bedingte Ausdehnungen der hydraulischen Dämpfungseinrichtung ausgleichen. Insbesondere kann sich im Betrieb des Gasinjektors das in der Dämpfungseinrichtung befindliche Fluid erwärmen und damit ausdehnen, was ohne einen thermischen Ausgleich in Extremfällen zu einem unerwünschten Öffnen des Schließelements am Dichtsitz führen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das thermische Ausgleichselement und der Aktor in einem geschlossenen Aktorraum angeordnet. Dadurch ist das thermische Ausgleichselement nicht in Kontakt mit dem einzublasenden gasförmigen Medium und muss somit nicht besonders geschützt werden, falls das gasförmige Medium das thermische Ausgleichselement angreifen würde. Der Aktorraum wird vorzugsweise durch das Stellmodulgehäuse vom gasförmigen Medium geschützt, wobei weiter bevorzugt auch die Dämpfungseinrichtung im Aktorraum angeordnet ist. Das Stellmodulgehäuse ist vorzugsweise ein hohlzylindrisches Bauteil, welches an einem freien Ende durch ein flexibles Element, insbesondere eine Metallmembran, abgedichtet ist.
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Vorzugsweise ist das thermische Ausgleichselement aus einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt. Hierbei liegt ein Nickelanteil der Eisen-Nickel-Legierung vorzugsweise in einem Bereich von 30 Gew.-% bis 40 Gew.-% und beträgt insbesondere 36 Gew.-% Nickel.
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Das thermische Ausgleichselement ist weiter bevorzugt ein Zylinder mit einer ersten und einen zweiten vollkommen planen Stirnfläche. Die erste und zweite plane Stirnfläche ist dabei senkrecht zur Axialrichtung X-X des Gasinjektors angeordnet. Hierdurch ist eine Anbindung des thermischen Ausgleichselements auf einfache Weise möglich. Wenn das Schließelement eine Ventilnadel ist, kann das thermische Ausgleichselement beispielsweise mittels einer Schweißverbindung oder einer Lötverbindung an den planen Stirnflächen mit den beiden Teilen der Ventilnadel verbunden werden.
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Alternativ ist das thermische Ausgleichselement als Zylinder mit einem ersten Ringflansch an der ersten Stirnfläche und einem zweiten Ringflansch an der zweiten Stirnfläche ausgebildet. Dadurch kann insbesondere eine Pressverbindung mit den Bauteilen des Schließelements, insbesondere zwei Ventilnadelteilen, ermöglicht werden. Die freien Enden der beiden Teile der Ventilnadel können dabei am ersten Ringflansch bzw. am zweiten Ringflansch durch eine Pressverbindung gehalten werden.
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Vorzugsweise ist bei Vorsehen einer Pressverbindung zwischen dem thermischen Ausgleichselement und dem Schließelement das thermische Ausgleichselement aus einem keramischen Material hergestellt.
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Die hydraulische Dämpfungseinrichtung umfasst bevorzugt einen Grundkörper mit einer zentralen Öffnung in Axialrichtung des Gasinjektors. In der zentralen Öffnung ist ein in Axialrichtung beweglich angeordneter Zentrierbolzen positioniert. Der Zentrierbolzen umfasst eine Bohrungsanordnung zur Befüllung des Hydraulikraums, wobei die Bohrungsanordnung mittels eines Verschlussbauteils verschlossen ist. Dadurch kann eine schnelle und einfache Befüllung aller Bereiche der hydraulischen Dämpfungseinrichtung ermöglicht werden und nach der Befüllung ein fluiddichter Verschluss mittels des Verschlussbauteils durchgeführt werden.
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Weiter bevorzugt 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. 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.
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Weiter bevorzugt weist die hydraulische Dämpfungseinrichtung einen ersten und einen zweiten Steuerraum auf, welche über einen Drosselspalt miteinander in Verbindung stehen. Durch Wahl einer Spalthöhe kann dabei die Dämpfungseigenschaft der Dämpfungseinrichtung eingestellt werden. Der Drosselspalt ist vorzugsweise zwischen dem Grundkörper der Dämpfungseinrichtung und einem mit dem Zentrierbolzen verbundenen Zylinderring ausgebildet.
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Dies ermöglicht einen sehr kostengünstig und kleinbauenden Aufbau der Dämpfungseinrichtung. Weiterhin ergibt sich durch die hydraulische Dämpfung mittels der Dämpfungseinrichtung ein deutlich verbessertes Geräuschverhalten beim Öffnungs- und Schließvorgang des Gasinjektors.
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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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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 vorzugsweise einen Drosselspalt. Der Drosselspalt ist vorzugsweise zwischen einem Steuerzylinder, welcher den ersten vom zweiten Steuerraum trennt, und dem Grundkörper der Dämpfungseinrichtung angeordnet. Über den Drosselspalt erfolgt eine Dämpfung des Schließelements beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang durch Volumenänderung im ersten und zweiten Steuerraum.
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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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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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Bevorzugt ist die voranstehend beschriebene Dichtscheibe mittels einer als Federscheibe ausgebildeten eingepressten Scheibe gegen den Grundkörper der hydraulischen Dämpfungseinrichtung gedrückt. Dadurch kann eine sehr gute Abdichtung, insbesondere am Kontaktbereich zwischen der Dichtscheibe und dem Grundkörper erreicht werden. Die Dichtscheibe führt dabei zusammen mit dem ersten flexiblen Element, insbesondere einer Metallmembran, den Zentrierbolzen. Vorzugsweise ist am inneren Umfang der Dichtscheibe ein Radius ausgebildet. Dadurch kann der Radialspalt R1 sehr klein ausgestaltet werden, so dass eine Leckage über den Radialspalt R1 vom Hydraulikraum in den zweiten Steuerraum minimiert werden kann. Die eingepresste Scheibe ist dabei durch eine Pressverbindung mit dem Grundkörper verbunden.
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Vorzugsweise ist am radial äußeren Umfang der Dichtscheibe ein mit Flüssigkeit gefüllter Ausgleichsraum vorhanden.
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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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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 Teil-Schnittansicht eines thermischen Ausgleichselements und einer Freiweg-Anordnung des Gasinjektors von 1 im geschlossenen Zustand des Gasinjektors, und
- 3 eine schematische Teil-Schnittansicht eines thermischen Ausgleichselements des Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 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 und einem Stellmodulgehäuse 100 gegenüber dem gasförmigen Medium abgedichtet. Die Metallmembran 9 ist dabei mittels einer Schweißverbindung mit dem Schließelement 2 einerseits und dem Stellmodulgehäuse 100 andererseits 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 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 1 ersichtlich ist, ist im Grundkörper 17 ein Steuerzylinder 13 angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des Steuerzylinders 13 und dem Grundkörper 17 ist ein Drosselspalt 14 ausgebildet, welcher den ersten Steuerraum 80 mit dem zweiten Steuerraum 88 verbindet. Durch Wahl einer Spaltstärke des Drosselspaltes 14 ist eine Stärke der Dämpfung beim Öffnungs- und Schließvorgang einstellbar.
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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 1 ersichtlich ist, wird der abgeschlossene Hydraulikraum 8 durch Hohlräume im Grundkörper 17 sowie das erste und zweite flexible Element 11, 12 gebildet. Hierbei ist das erste flexible Element 11 mit einer mittigen Öffnung versehen, durch welche ein 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.
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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.
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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 22, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Steuerscheibe ist, und ein Anschlagelement 23. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Anschlagelement 23 fest mit dem Freiweg-Gehäuse 21 z.B. mittels einer Schweißverbindung verbunden, und der Zentrierbolzen 18 mit dem Steuerelement 22 verbunden. Das Steuerelement 22 ist an einem vom Brennraum 30 abgewandten Seite des Schließelements 2 angeordnet. Hierbei ist eine feste Verbindung zwischen dem Freiweg-Gehäuse 21 und dem Ende des Schließelements 2 vorgesehen. Dies kann beispielsweise eine Schweißverbindung 103 oder eine Pressverbindung oder eine beliebige andere feste mechanische Verbindung sein.
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Der Gasinjektor 1 umfasst ferner das topfförmige Stellmodulgehäuse 100, in welchem die Freiweg-Anordnung 20 und die Dämpfungseinrichtung 7 angeordnet ist. Das Stellmodulgehäuse 100 ist dabei mit einer Schweißverbindung 104 mit einem Außenumfang des Grundkörpers 17 der Dämpfungseinrichtung 7 verbunden.
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Weiter umfasst der Gasinjektor ein thermisches Ausgleichselement 16. Das thermische Ausgleichselement 16 ist eingerichtet, Längenänderungen von Bauteilen in Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 auszugleichen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das thermische Ausgleichselement 16 in diesem Ausführungsbeispiel ein Zylinder mit einer ersten vollkommen planen Stirnfläche 16a und einer zweiten vollkommen planen Stirnfläche 16b.
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Das thermische Ausgleichselement 16 unterteilt die Ventilnadel des Schließelements in einen ersten Teil 2a und einen zweiten Teil 2b. Zwischen dem ersten Teil 2a des Schließelements 2 und dem thermischen Ausgleichselement 16 ist eine erste Schweißverbindung 101 vorgesehen, um das thermische Ausgleichselement 16 am ersten Teil 2a des Schließelements 2 zu fixieren. Zwischen dem thermischen Ausgleichselement 16 und dem zweiten Teil 2b des Schließelements 2 ist eine zweite Schweißverbindung 102 ausgebildet. Ein Durchmesser des thermischen Ausgleichselement 16 entspricht dabei dem Durchmesser der Ventilnadel des Schließelements 2.
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Das Freiweg-Gehäuse 21 ist mit einer weiteren Schweißverbindung 103 mit dem zweiten Teil 2b des Schließelements 2 verbunden. Das thermische Ausgleichselement 16 ist aus einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt, wobei ein Nickel-Anteil ca. 36 Gew.-% beträgt. Das thermische Ausgleichselement 16 weist dabei eine kleinere spezifische Wärmeausdehnung auf als alle Gehäusebauteile des Gasinjektors. Insbesondere ist die spezifische Wärmeausdehnung des thermischen Ausgleichselement 16 kleiner als eine spezifische Wärmeausdehnung des Stellmodulgehäuses 100. Weiterhin ist die spezifische Wärmeausdehnung des thermischen Ausgleichselements 16 auch kleiner als eine spezifische Wärmeausdehnung des hohlzylindrischen Gehäuses 10, welches das Außengehäuse des Gasinjektors ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das thermische Ausgleichselement 16 dabei wie auch die Freiweg-Anordnung 20 und die Dämpfungseinrichtung 7 im Aktorraum angeordnet und kommt somit nicht mit dem einzublasenden Gas in Kontakt. Dadurch können Probleme, wie z.B. Korrosion oder dgl., vermieden werden, da das thermische Ausgleichselement 16 im Stellmodulgehäuse 100 angeordnet ist und keinen Kontakt mit dem gasförmigen Medium hat.
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Das thermische Ausgleichselement 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Aktor 5 und der Freiweg-Anordnung 20 angeordnet. Das thermische Ausgleichselement 16 weist dabei eine Länge L in Axialrichtung auf, welche ca. 1/10 einer Gesamtlänge der Ventilnadel beträgt.
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Sollten im Betrieb nun thermische Längenänderungen von Bauteilen, insbesondere des Stellmodulgehäuses 100 und des Gehäuses 10 oder anderer Bauteile, beispielsweise des Schließelements, auftreten oder eine Ausdehnung der Flüssigkeit in der Dämpfungseinrichtung 7 vorkommen, dehnt sich das thermische Ausgleichselement 16 in Axialrichtung X-X nicht aus, da aufgrund der thermischen Eigenschaften der Eisen-Nickel-Legierung das thermische Ausgleichselement 16 bei einem Wärmeanstieg keine oder maximal eine sehr kleine Ausdehnung in Axialrichtung aufweist. Dadurch kann verhindert werden, dass aufgrund der thermischen Längenänderung anderer Bauteile möglicherweise Undichtigkeiten im geschlossenen Zustand des Gasinjektors auftreten oder Schaltzeiten aufgrund thermischer Längenänderungen von Bauteilen sich ändern und somit die Zumessmengen nicht mehr stimmen.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Gasinjektors 1 mit wegoptimierter Dämpfungsfunktion ist dabei wie folgt. Ausgehend von der in 1 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 abhebt und die Durchgangsöffnung 4 freigibt. Dabei wird das Rückstellelement 6 vorgespannt.
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In 2 ist der Öffnungsvorgang für das Schließelement 2 durch den Pfeil C angedeutet. Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors existiert zwischen dem Anschlagelement 23 und dem Steuerelement 22 in Axialrichtung ein Freiweg S1. Da das Freiweg-Gehäuse 21 mit dem Schließelement 2 verbunden ist, wird während des Öffnungsvorgangs dieser Freiweg S1 zurückgelegt, bis das Steuerelement 22 am Anschlagelement 23 anschlägt.
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Bis zu diesem Anschlagen erfolgt keinerlei Dämpfung durch die Dämpfungseinrichtung 7 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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Da, wie in 2 durch den Pfeil C angedeutet, das Schließelement 2 weiter in Öffnungsrichtung bewegt wird, wird durch den Kontakt zwischen dem Steuerelement 22 und dem Anschlagelement 23 auch der Zentrierbolzen 18 in Richtung des Pfeils C bewegt. Dies ist in 2 durch den Pfeil D am Zentrierbolzen 18 angedeutet. 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 den Drosselspalt 14 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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In 1 ist hierbei ein Dämpfungsweg S2, welcher durch den Steuerzylinder 13 zurückgelegt wird, eingezeichnet. Somit beträgt der maximale Öffnungshub des Schließelements 2 die Addition des Freiwegs S1 und des Dämpfungswegs S2. Die Dämpfungsstärke kann hierbei auf einfache Weise durch Wahl der Größe des Drosselspalts 14 eingestellt werden.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ändert sich auch das Volumen des ersten Unterraums 81 und des zweiten Unterraums 82, da das erste flexible Element 11 direkt mit dem sich in Axialrichtung X-X bewegenden Zentrierbolzen 18 verbunden ist. Genauer wird das Volumen des ersten Unterraums 81 größer und das Volumen des zweiten Unterraums 82 reduziert sich in entsprechender Weise (vgl. 1).
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Im Betrieb des Gasinjektors können dabei thermische Längenänderungen von Bauteilen auftreten und/oder die in der Dämpfungseinrichtung 7 enthaltene Flüssigkeit dehnt sich aufgrund von Wärmeaufnahme aus. Diese möglicherweise auftretenden thermischen Längenänderungen können jedoch durch das thermische Ausgleichselement 16 eliminiert werden, so dass in allen Betriebszuständen des Gasinjektors ein sicheres Verschließen am Dichtsitz 3 möglich ist.
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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. Das mit dem Schließelement 2 verbundene Freiweg-Gehäuse 21 legt zuerst den Freiweg S1 zurück, bis das Steuerelement 22 an einem Absatz 21 a des Freiweg-Gehäuses 21 anliegt. Bis zu diesem Zeitpunkt während des Rückstellvorgangs bleibt die hydraulische Dämpfungseinrichtung 7 ohne Dämpfungswirkung.
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Sobald das Steuerelement 22 am Absatz 21 a des Freiweg-Gehäuses 21 anliegt, wird durch die weiter vorhandene Rückstellbewegung des Rückstellelements 6 auch das Freiweg-Gehäuse 21 und dadurch auch der Zentrierbolzen 18 zurückbewegt. Dadurch wird auch der Steuerzylinder 13 in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückbewegt.
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Sobald somit das Steuerelement 22 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 1 gezeigte Ausgangsstellung angleichen. Somit wird nur die letzte Bewegung bei der Rückstellung des Gasinjektors gedämpft.
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Somit kann 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 am Zentrierbolzen 18 kann dabei die Beweglichkeit des Zentrierbolzens 18 sichergestellt werden. Hierbei ist durch Wahl der Spalthöhe der Radialspalte am Zentrierbolzen 18 auch eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Dämpfungswirkung gegeben.
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Somit kann 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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3 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 das thermische Ausgleichselement 16 unterschiedlich aufgebaut. Wie in 3 gezeigt, weist das thermische Ausgleichselement 16 einen ersten Ringflansch 16c an der ersten Stirnfläche 16a auf und einen zweiten Ringflansch 16d an der zweiten Stirnfläche 16b auf. Hierbei ist zwischen dem ersten Ringflansch 16c und dem ersten Teil 2a der Ventilnadel eine Pressverbindung 19 ausgebildet. In gleicher Weise ist zwischen dem zweiten Ringflansch 16d und dem zweiten Teil 2b der Ventilnadel eine Pressverbindung 19 ausgebildet. Somit kann das thermische Ausgleichselement 16 ohne thermische Verbindung wie Schweißen oder Löten mit den beiden Teilen der Ventilnadel verbunden werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei der Fixierung des thermischen Ausgleichselements 16 keine thermischen Schäden durch Schweißen am Schließelement 2 auftreten. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
