DE102022204538A1 - Gas injector with compact design - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, umfassend einen Magnetaktor (2) mit einem Anker (20), einem Innenpol (21) und einer Spule (22), ein Schließelement (3) mit einer Ventilnadel (30), wobei das Schließelement (3) einen Gaspfad (14) an einem an einem ersten Ende des Gasinjektors angeordneten Dichtsitz (11) freigibt und verschließt, wobei der Anker (20) mit dem Schließelement (3) verbunden ist, einen abgeschlossenen Schmiermittelraum (4), der mit einem Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der Anker (20) angeordnet ist, wobei das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers (20) sicherstellt, und ein Rückstellelement (10), welches im Schmiermittelraum (4) angeordnet ist und welches das Schließelement (3) in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt, wobei der Schmiermittelraum (4) ein erstes flexibles Dichtelement (51) und ein zweites flexibles Dichtelement (52) aufweist, wobei das erste flexible Dichtelement (51) am Schließelement (3) angeordnet ist und den Schmiermittelraum (4) gegenüber dem Gaspfad (14) abdichtet, und das zweite flexible Dichtelement (52) an einem vom Dichtsitz (11) entgegengesetzten zweiten Ende des Gasinjektors angeordnet ist, so dass ein Ausgleichsraum des Schmiermittelraums (4) an diesem zweiten Ende des Gasinjektors angeordnet ist.The present invention relates to a gas injector for injecting a gaseous fuel, comprising a magnetic actuator (2) with an armature (20), an inner pole (21) and a coil (22), a closing element (3) with a valve needle (30), wherein the closing element (3) releases and closes a gas path (14) on a sealing seat (11) arranged at a first end of the gas injector, the anchor (20) being connected to the closing element (3), a closed lubricant space (4), which is filled with a lubricant and in which the anchor (20) is arranged, the lubricant ensuring lubrication of the anchor (20), and a restoring element (10), which is arranged in the lubricant space (4) and which the closing element (3) returns to a closed starting position, the lubricant space (4) having a first flexible sealing element (51) and a second flexible sealing element (52), the first flexible sealing element (51) being arranged on the closing element (3) and the lubricant space (4) seals against the gas path (14), and the second flexible sealing element (52) is arranged at a second end of the gas injector opposite the sealing seat (11), so that a compensation space of the lubricant space (4) is arranged at this second end of the gas injector.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dergleichen mit einer kompakten Bauweise und sehr robusten und langlebigen Führungseigenschaften zur Führung einer langen Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors. Der Gasinjektor ist insbesondere für eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.The present invention relates to a gas injector for blowing in a gaseous fuel, in particular hydrogen or natural gas or the like, with a compact design and very robust and long-lasting guiding properties for guiding a long valve needle of a closing element of the gas injector. The gas injector is designed in particular for direct injection into a combustion chamber of an internal combustion engine.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren liegt prinzipbedingt darin, dass aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums keine Schmierung durch das Medium möglich ist, wie dies beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren, welche Benzin oder Diesel einspritzen, möglich ist. Daraus resultiert im Betrieb ein übermäßiger Verschleiß im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe insbesondere an einem Bereich zur Führung einer Ventilnadel. Weiterhin ist aufgrund zunehmender Verkleinerung von Brennkraftmaschinen häufig ein kompaktes Design notwendig.Gas injectors are known from the prior art in different designs. One problem area with gas injectors is, due to their principle, that due to the gaseous medium to be injected, no lubrication through the medium is possible, as is possible, for example, with fuel injectors that inject gasoline or diesel. This results in excessive wear during operation compared to fuel injectors for liquid fuels, particularly in an area for guiding a valve needle. Furthermore, due to the increasing downsizing of internal combustion engines, a compact design is often necessary.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist hingegen den Vorteil auf, dass der Gasinjektor in Axialrichtung sehr kurz und schlank ausgebildet werden kann. Somit kann eine Gesamtlänge des Gasinjektors in Axialrichtung erfindungsgemäß reduziert werden. Hierbei ergeben sich keinerlei Einschränkungen hinsichtlich einer hervorragenden Funktionalität des Gasinjektors. Insbesondere weist der Gasinjektor auch gute Führungseigenschaften für eine Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors auf.The gas injector according to the invention for blowing in a gaseous fuel with the features of claim 1, however, has the advantage that the gas injector can be made very short and slim in the axial direction. Thus, according to the invention, a total length of the gas injector in the axial direction can be reduced. There are no restrictions whatsoever with regard to the excellent functionality of the gas injector. In particular, the gas injector also has good guiding properties for a valve needle of a closing element of the gas injector.
Insbesondere können Kippmomente, welche z.B. durch ein Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, sicher aufgenommen werden und führen nicht zu einer Schrägstellung der Ventilnadel am Dichtsitz. Damit ist der Gasinjektor in allen Betriebssituationen am Dichtsitz im geschlossenen Zustand dicht.In particular, tilting moments, which can be exerted on the valve needle by a restoring element, for example, can be safely absorbed and do not lead to an inclined position of the valve needle on the sealing seat. This means that the gas injector is sealed at the sealing seat when closed in all operating situations.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker, einen Innenpol und einer Spule umfasst. Weiterhin umfasst der Gasinjektor ein Schließelement mit einer Ventilnadel, welches einen Gaspfad für den gasförmigen Brennstoff an einem Dichtsitz freigibt und verschließt. Der Dichtsitz ist an einem ersten Ende des Gasinjektors angeordnet und der Gasinjektor vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor. Der Anker ist dabei mit dem Schließelement verbunden. Ferner ist ein abgeschlossener Schmiermittelraum vorgesehen, welcher mit Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der bewegliche Anker angeordnet ist. Dabei stellt das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers sicher, so dass am Anker kein Verschleiß im Betrieb auftritt. Der Schmiermittelraum umfasst hierbei wenigstens ein erstes flexibles Dichtelement, insbesondere einen Faltenbalg, welches den Schmiermittelraum gegenüber dem Gaspfad abdichtet und somit die axiale Bewegbarkeit des Schließelements sicherstellt, sowie ein zweites flexibles Dichtelement welches einen Ausgleichsraum des Schmiermittelraums bereitstellt. Das zweite flexible Dichtelement ist dabei an einem zweiten Ende des Gasinjektors angeordnet, welches entgegengesetzt zum Dichtsitz liegt. Durch die Anordnung des zweiten flexiblen Dichtelements am zweiten Ende des Gasinjektors kann insbesondere eine axiale Ausdehnung des Ausgleichsraums, welcher durch das zweite flexible Dichtelement bereitgestellt wird, reduziert werden, da das Volumen des zweiten flexiblen Dichtelements in Radialrichtung problemlos vergrößert werden kann. Hierdurch kann eine axiale Länge des Gasinjektors insgesamt reduziert werden. Wenn beispielsweise das zweite flexible Dichtelement als Faltenbalg ausgebildet ist, kann der Faltenbalg einen sehr großen Durchmesser aufweisen und vorzugsweise nur wenige Falten aufweisen, so dass die axiale Erstreckung des Faltenbalgs sehr klein ist.This is achieved according to the invention in that the gas injector comprises a magnetic actuator with an armature, an inner pole and a coil. Furthermore, the gas injector comprises a closing element with a valve needle, which opens and closes a gas path for the gaseous fuel at a sealing seat. The sealing seat is arranged at a first end of the gas injector and the gas injector is preferably an injector that opens to the outside. The anchor is connected to the closing element. Furthermore, a closed lubricant space is provided, which is filled with lubricant and in which the movable anchor is arranged. The lubricant ensures that the armature is lubricated so that no wear occurs on the armature during operation. The lubricant space here comprises at least a first flexible sealing element, in particular a bellows, which seals the lubricant space from the gas path and thus ensures the axial mobility of the closing element, as well as a second flexible sealing element which provides a compensation space for the lubricant space. The second flexible sealing element is arranged at a second end of the gas injector, which is opposite to the sealing seat. By arranging the second flexible sealing element at the second end of the gas injector, in particular an axial expansion of the compensation space, which is provided by the second flexible sealing element, can be reduced, since the volume of the second flexible sealing element can be easily increased in the radial direction. As a result, an overall axial length of the gas injector can be reduced. For example, if the second flexible sealing element is designed as a bellows, the bellows can have a very large diameter and preferably only have a few folds, so that the axial extent of the bellows is very small.
Ferner umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, insbesondere eine Schließfeder in Form einer Zylinderfeder, wobei das Rückstellelement das Schließelement in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt.Furthermore, the gas injector comprises a restoring element, in particular a closing spring in the form of a cylinder spring, wherein the restoring element returns the closing element to a closed starting position.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.
Um eine axiale Baulänge des Gasinjektors weiter zu reduzieren, ist vorzugsweise ein elektrischer Anschluss des Gasinjektors und/oder ein Gaszulauf des Gasinjektors seitlich am Gasinjektor angeordnet. Besonders bevorzugt sind der elektrische Anschluss und der Gaszulauf am Gaszulauf am Gasinjektor einander um 180° entgegengesetzt angeordnet.In order to further reduce an axial length of the gas injector, an electrical connection of the gas injector and/or a gas inlet of the gas injector is preferably arranged laterally on the gas injector. Particularly preferably, the electrical connection and the gas inlet on the gas inlet on the gas injector are arranged opposite one another by 180°.
Zur Reduzierung der Axiallänge des Gasinjektors umfasst das zweite flexible Dichtelement vorzugsweise einen Dichtbalg, einen am Dichtbalg angeordneten Teller, ein außerhalb des Dichtbalgs angeordnetes Vorspannelement und eine Haltevorrichtung zum Halten des Vorspannelements. Das Vorspannelement übt eine axiale Vorspannkraft auf den Dichtbalg aus. Der Teller ist vorzugsweise topfförmig mit einem Ringflansch ausgebildet, wobei der Dichtbalg am Ringflansch fixiert ist und das Vorspannelement gegen den Boden des topfförmigen Tellers drückt. Dabei stützt sich das Vorspannelement an seinem anderen Ende an der Haltevorrichtung ab.To reduce the axial length of the gas injector, the second flexible sealing element preferably comprises a sealing bellows, a plate arranged on the sealing bellows, a biasing element arranged outside the sealing bellows and a holding device for holding the biasing element. The biasing element exerts an axial biasing force on the sealing bellows. The plate is preferably cup-shaped with an annular flange, whereby the Sealing bellows is fixed to the ring flange and the prestressing element presses against the bottom of the cup-shaped plate. The prestressing element is supported at its other end on the holding device.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das zweite flexible Dichtelement eine flexible Membran, ein außerhalb der Membran angeordnetes Vorspannelement und eine Haltevorrichtung zum Halten des Vorspannelements. Die Membran weist bevorzugt eine topfförmige Gestalt auf und hat einen wellenförmigen Membranboden. Das Vorspannelement ist vorzugsweise eine Zylinderfeder, welche mit einem Ende an einem vorstehenden Bereich des Membranbodens, der sich in einen hohlen Innenbereich der Zylinderfeder erstreckt, gehalten ist.According to an alternative embodiment of the invention, the second flexible sealing element comprises a flexible membrane, a biasing element arranged outside the membrane and a holding device for holding the biasing element. The membrane preferably has a cup-shaped shape and has a wave-shaped membrane base. The biasing element is preferably a cylinder spring, which is held at one end on a projecting region of the membrane base, which extends into a hollow inner region of the cylinder spring.
Gemäß einer weiteren bevorzugten alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite flexible Dichtelement wenigstens ein Aufnahmegehäuse und ein kompressibles Druckausgleichselement, welches im Aufnahmegehäuse angeordnet ist. Das kompressible Druckausgleichselement ist mit einem komprimierbaren Medium, vorzugsweis Luft, gefüllt, so dass bei einem Druckanstieg im Schmiermittelraum durch Zusammendrücken des Druckausgleichselements ein entsprechender Druckausgleich auftritt.According to a further preferred alternative embodiment of the present invention, the second flexible sealing element comprises at least one receiving housing and a compressible pressure compensation element which is arranged in the receiving housing. The compressible pressure compensation element is filled with a compressible medium, preferably air, so that when the pressure in the lubricant space increases by compressing the pressure compensation element, a corresponding pressure compensation occurs.
Das Druckausgleichselement umfasst vorzugsweise eine Membrandose, welche aus zwei schüsselförmigen oder topfförmigen Membranen hergestellt ist. Besonders bevorzugt sind eine Vielzahl von Membrandosen in Reihe angeordnet. Dadurch können auch große Druckunterschiede ausgeglichen werden. Da die Membrandosen am zweiten Ende des Gasinjektors angeordnet sind, können diese einen relativ großen Durchmesser und somit ein relativ großes Innenvolumen aufweisen.The pressure compensation element preferably comprises a membrane can, which is made from two bowl-shaped or cup-shaped membranes. A large number of membrane cans are particularly preferably arranged in a row. This means that even large pressure differences can be compensated for. Since the membrane cans are arranged at the second end of the gas injector, they can have a relatively large diameter and thus a relatively large internal volume.
Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine erste, zweite und dritte Nadelführung, welche die Ventilnadel beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang führen. Hierbei sind die erste und die zweite Nadelführung im Gaspfad angeordnet und die dritte Nadelführung ist im Schmiermittelraum angeordnet. Das Rückstellelement ist ebenfalls im Schmiermittelraum angeordnet. Somit erzeugen Bewegungen des Rückstellelements und der dritten Nadelführung, welche durch das Schmiermittel des Schmiermittelraums geschmiert sind, keinen oder höchstens einen minimalen, vernachlässigbaren Verschleiß. Die erste und die zweite Nadelführung, die im Gaspfad angeordnet sind, befinden sich somit außerhalb des Schmiermittelraums. Falls im Betrieb ein Kippmoment durch das Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt wird, kann dieses Kippmoment sicher durch die beiden im Gaspfad angeordnete erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden. Hierdurch wird ein Durchbiegen der Ventilnadel, welches durch das möglicherweise auftretende Kippmoment erzeugt werden könnte, durch die beiden ersten und zweiten Nadelführungen unterbunden. Dadurch bleibt der Dichtsitz in allen Betriebssituationen geschlossen bzw. ein Verkippen der Ventilnadel am Dichtsitz und damit ein unzureichender Schließvorgang kann verhindert werden. Somit ist die Ventilnadel durch eine Doppelführung außerhalb des Schmiermittelraums und eine Führung im Schmiermittelraum sicher geführt.Further preferably, the gas injector comprises a first, second and third needle guide, which guide the valve needle during the opening and closing processes. Here, the first and second needle guides are arranged in the gas path and the third needle guide is arranged in the lubricant space. The restoring element is also arranged in the lubricant space. Thus, movements of the restoring element and the third needle guide, which are lubricated by the lubricant of the lubricant space, produce no or at most minimal, negligible wear. The first and second needle guides, which are arranged in the gas path, are therefore located outside the lubricant space. If a tilting moment is exerted on the valve needle by the restoring element during operation, this tilting moment can be safely absorbed by the two first and second needle guides arranged in the gas path. This prevents the valve needle from bending, which could be caused by the tilting moment that may occur, through the first and second needle guides. As a result, the sealing seat remains closed in all operating situations and tilting of the valve needle on the sealing seat and thus an insufficient closing process can be prevented. The valve needle is therefore safely guided by a double guide outside the lubricant space and a guide in the lubricant space.
Vorzugsweise ist ein erster Abstand A1 zwischen der ersten und der zweiten Nadelführung in Axialrichtung X-X des Gasinjektors kleiner als ein zweiter Abstand A2 zwischen der zweiten und dritten Nadelführung in Axialrichtung X-X. Preferably, a first distance A1 between the first and second needle guides in the axial direction X-X of the gas injector is smaller than a second distance A2 between the second and third needle guides in the axial direction X-X.
Hierdurch ist eine besonders gute Aufnahme von möglicherweise auftretenden Kippmomenten durch die erste und zweite Nadelführung gegeben. Der zweite Abstand A2 ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß, weiter bevorzugt mindestens dreifach so groß, wie der erste Abstand A1.This ensures that possible tilting moments are absorbed particularly well by the first and second needle guides. The second distance A2 is preferably at least twice as large, more preferably at least three times as large, as the first distance A1.
Weiter bevorzugt weisen die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung jeweils einen ringförmigen Führungsbereich auf, welcher über Stege mit der Ventilnadel des Schließelements verbunden ist, derart, dass Durchbrüche für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen vorhanden ist. Dies ist insbesondere an der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft, welche im Gasführungsbereich des Gasinjektors angeordnet sind, um möglichst große Gasmengen durch den ersten und zweiten Führungsbereich bei geöffnetem Gasinjektor hindurchströmen lassen zu können. Der ringförmige Führungsbereich ist dabei vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs geschlossen. Um eine Reibung während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements möglichst klein zu halten, ist eine Breite des ringförmigen Führungsbereichs möglichst klein gewählt. Besonders bevorzugt sind hierbei drei Stege vorgesehen, welche die Ventilnadel mit dem ringförmigen Führungsbereich verbinden. Die Stege sind vorzugsweise in gleichem Abstand entlang des Umfangs angeordnet.Further preferably, the first and/or second and/or third needle guide each have an annular guide region which is connected to the valve needle of the closing element via webs, such that openings for fluid passage are present between the webs. This is particularly advantageous on the first and second needle guides, which are arranged in the gas guide area of the gas injector in order to allow the largest possible quantities of gas to flow through the first and second guide areas when the gas injector is open. The annular guide area is preferably closed along the entire circumference. In order to keep friction as small as possible during the opening and closing process of the closing element, a width of the annular guide area is chosen to be as small as possible. Particularly preferably, three webs are provided, which connect the valve needle to the annular guide area. The webs are preferably arranged at equal distances along the circumference.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Stege zwischen der Ventilnadel und den ringförmigen Führungsbereichen in einem spitzen Winkel zum ringförmigen Führungsbereich angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass ein Durchströmungsquerschnitt im Bereich der Führungen vergrößert wird, was insbesondere bei der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft ist, welche im Gasführungsbereich liegen. Vorzugsweise sind die Stege in Durchströmungsrichtung durch die Durchbrüche nach dem Führungsbereich angeordnet. Alternativ sind die Stege zwischen der Ventilnadel und dem ringförmigen Führungsbereich der Nadelführungen in einem rechten Winkel zur Ventilnadel angeordnet.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the webs between the valve needle and the annular guide areas are arranged at an acute angle to the annular guide area. This makes it possible for a flow cross section to be increased in the area of the guides, which is particularly advantageous for the first and second needle guides, which are located in the gas guide area. Preferably, the webs are in the direction of flow through the Breakthroughs arranged according to the leadership area. Alternatively, the webs between the valve needle and the annular guide area of the needle guides are arranged at a right angle to the valve needle.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an der Ventilnadel ferner auch ein Teller angeordnet, an welchem das erste flexible Dichtelement fixiert ist. Hierdurch kann eine einfache Verbindung zwischen Schließelement und erstem flexiblem Dichtelement, welches den Schmiermittelraum abdichtet, erreicht werden.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a plate is also arranged on the valve needle, to which the first flexible sealing element is fixed. This makes it possible to achieve a simple connection between the closing element and the first flexible sealing element, which seals the lubricant space.
Vorzugsweise sind die erste und zweite Nadelführung am gleichen Bauteil geführt. Das Bauteil ist vorzugsweise ein zylindrischer Ventilkörper, an welchem auch der Dichtsitz angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Führungsflächen für die erste und zweite Nadelführung in einer Aufspannung hergestellt werden können, was fertigungstechnisch große Vorteile bietet und weiterhin die Herstellungskosten reduziert.The first and second needle guides are preferably guided on the same component. The component is preferably a cylindrical valve body, on which the sealing seat is also arranged. This makes it possible for the guide surfaces for the first and second needle guides to be produced in one clamping, which offers great advantages in terms of manufacturing technology and further reduces manufacturing costs.
Um eine Bauteileanzahl weiter zu reduzieren, ist vorzugsweise die dritte Nadelführung auch zur Abstützung des Rückstellelementes, welches im Schmiermittelraum angeordnet ist, eingerichtet. Die dritte Nadelführung kann hierbei vorzugsweise als Teller mit Durchbrüchen für das Schmiermittel während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements ausgebildet sein.In order to further reduce the number of components, the third needle guide is preferably also set up to support the restoring element, which is arranged in the lubricant space. The third needle guide can preferably be designed as a plate with openings for the lubricant during the opening and closing process of the closing element.
Vorzugsweise ist das Schließelement mit den drei Nadelführungen als einteiliges Bauteil ausgebildet. Hierdurch können Schweißnähte oder dgl. vermieden werden, welche häufig eine Quelle von Verschmutzungen im Betrieb des Gasinjektors sind, welche dann zu Dichtigkeitsproblemen am Dichtsitz oder dgl. führen können.The closing element with the three needle guides is preferably designed as a one-piece component. In this way, weld seams or the like can be avoided, which are often a source of contamination during operation of the gas injector, which can then lead to tightness problems at the sealing seat or the like.
Das erste flexible Dichtelement ist vorzugsweise ein Metallbalg. Der Metallbalg stellt einerseits eine sehr gute Beweglichkeit bereit, um die Axialbewegungen des Schließelements zu ermöglichen und andererseits kann dadurch der Metallbalg möglichst nahe am heißen Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Dadurch kann eine axiale Länge des Gasinjektors weiter reduziert werden. Alternativ ist das erste flexible Dichtelement ein Kunststofffaltenbalg oder eine Membran oder ein Gummielement.The first flexible sealing element is preferably a metal bellows. On the one hand, the metal bellows provides very good mobility in order to enable the axial movements of the closing element and, on the other hand, the metal bellows can be arranged as close as possible to the hot combustion chamber of the internal combustion engine. This allows the axial length of the gas injector to be further reduced. Alternatively, the first flexible sealing element is a plastic bellows or a membrane or a rubber element.
Weiter bevorzugt weist der Gasinjektor einen Flachdichtsitz auf. Vorzugsweise umfasst hierbei das Schließelement an einem zum Brennraum gerichteten Ende eine Dichtscheibe, welche an einem Dichtsitz eine oder mehrere Durchgangsöffnungen freigibt. Der Gasinjektor ist dabei vorzugsweise als ein nach außen öffnender Injektor ausgebildet. Dadurch kann ein Dichtsitz bereitgestellt werden, welcher senkrecht zur Längsrichtung des Gasinjektors in einer Ebene liegt.The gas injector further preferably has a flat sealing seat. Preferably, the closing element comprises a sealing disk at an end directed towards the combustion chamber, which exposes one or more through openings at a sealing seat. The gas injector is preferably designed as an injector that opens to the outside. This makes it possible to provide a sealing seat which lies in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the gas injector.
Ferner bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine im Schmiermittelraum angeordnete Bremseinrichtung, welche eingerichtet ist, um das Schließelement bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors vom geöffneten in den geschlossenen Zustand abzubremsen. Die Bremseinrichtung umfasst einen Bremsbolzen, einen Dämpfungsraum, der mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung steht, und ein elastisches Bremselement, insbesondere eine Feder. Der Bremsbolzen und das elastische Bremselement sind beim Rückstellvorgang in Wirkverbindung mit dem Schließelement und/oder dem Anker, wobei der Bremsbolzen ferner beim Rückstellvorgang eingerichtet ist, Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum zu verdrängen, um eine Rückstellung des Bremsbolzens zu dämpfen. Da ein Teil des Abbremsvorgangs durch ein hydraulisches Kleben zwischen dem Bremsbolzen und einem Anschlagbauteil, an welchem der Bremsbolzen im geöffneten Zustand des Gasinjektors anliegt, bereitgestellt wird, kann durch das Vorsehen des Dämpfungsraums eine Dampfblasenbildung des flüssigen Schmiermittels beim Überwinden des hydraulischen Klebens verhindert werden, so dass insbesondere ein Verschleiß durch Kavitation verhindert werden kann.Furthermore, the gas injector preferably comprises a braking device arranged in the lubricant space, which is set up to brake the closing element during a reset process of the gas injector from the open to the closed state. The braking device comprises a brake bolt, a damping space that is in fluid communication with the lubricant space, and an elastic braking element, in particular a spring. During the restoring process, the brake bolt and the elastic brake element are in operative connection with the closing element and/or the armature, wherein the brake bolt is also set up during the restoring process to displace lubricant from the damping space in order to dampen a reset of the brake bolt. Since part of the braking process is provided by hydraulic bonding between the brake bolt and a stop component on which the brake bolt rests when the gas injector is open, the provision of the damping space can prevent the formation of vapor bubbles in the liquid lubricant when overcoming the hydraulic bonding that wear caused by cavitation in particular can be prevented.
Der Bremsvorgang wird zusätzlich noch durch die mit der Bremseinrichtung bereitgestellte Beschleunigung der zusätzlichen Massen unterstützt. Weiterhin wird über die Verdrängung des Schmierstoffs zwischen dem Anker und dem Bremsbolzen eine weitere Abbremsung realisiert. Auch kann durch Reibung von Führungselementen oder dergleichen mit dem Bremsbolzen eine Rückstellgeschwindigkeit des Schließelements weiter reduziert werden. Dies alles reduziert die Aufschlagkraft des Ankers am Anschlag, so dass auch eine Lebensdauer des Ankers weiter verlängert werden kann.The braking process is additionally supported by the acceleration of the additional masses provided by the braking device. Furthermore, further braking is achieved by displacing the lubricant between the armature and the brake bolt. A return speed of the closing element can also be further reduced by friction of guide elements or the like with the brake bolt. All of this reduces the impact force of the anchor at the stop, so that the service life of the anchor can be further extended.
Weiter bevorzugt umfasst der Bremsbolzen insbesondere einen Hauptkörper mit einer Anlagefläche, welche an einer zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers des Bremsbolzens angeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Schließelement bringbar ist und als Anschlagfläche dient. Der Hauptkörper ist vorzugsweise zylindrisch. Weiter bevorzugt ist an der zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers ein Ringflansch angeordnet. Der Ringflansch dient vorzugsweise als Anschlagfläche.Further preferably, the brake bolt in particular comprises a main body with a contact surface, which is arranged on a side of the main body of the brake bolt directed towards the closing element and can be brought into operative connection with the closing element and serves as a stop surface. The main body is preferably cylindrical. More preferably, an annular flange is arranged on the side of the main body facing the closing element. The ring flange preferably serves as a stop surface.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastische Bremselement der Bremseinrichtung im Dämpfungsraum angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Das elastische Bremselement ist vorzugsweise eine Druckfeder, insbesondere eine Zylinderfeder.According to a further preferred embodiment of the invention, the elastic braking element of the braking device is arranged in the damping space. This allows a particularly compact structure to be realized. The elastic brake element is preferably a compression spring, in particular a cylinder spring.
Weiter bevorzugt steht der Dämpfungsraum über ein Führungsspiel des Bremsbolzens mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung.More preferably, the damping chamber is in fluid communication with the lubricant chamber via a guide play of the brake bolt.
Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor ferner eine Drossel, welche den Dämpfungsraum mit dem Schmiermittelraum verbindet. Die Drossel stellt sicher, dass der Dämpfungsvorgang definiert ablaufen kann, da das Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum über die Drossel dann in den Schmiermittelraum überführt wird. Die Drossel ist vorzugsweise eine kleine Verbindungsbohrung zwischen Dämpfungsraum und Schmiermittelraum. Durch Wahl geometrischer Abmessungen der Verbindungsbohrung beispielsweise Durchmesser und/oder Länge der Bohrung, kann das Dämpfungsverhalten der Bremseinrichtung eingestellt werden.Preferably, the gas injector further comprises a throttle which connects the damping space with the lubricant space. The throttle ensures that the damping process can take place in a defined manner, since the lubricant from the damping chamber is then transferred into the lubricant chamber via the throttle. The throttle is preferably a small connecting hole between the damping chamber and the lubricant chamber. The damping behavior of the braking device can be adjusted by selecting geometric dimensions of the connecting hole, for example the diameter and/or length of the hole.
Der Gasinjektor umfasst weiter bevorzugt einen Ankerbolzen, welcher am Schließelement anliegt, wobei der Ankerbolzen mit dem Anker verbunden ist. Ein von einem Dichtsitz des Gasinjektors abgewandtes Ende des Ankerbolzens ist eingerichtet, um im geschlossenen Zustand des Gasinjektors mit dem Bremsbolzen in Kontakt zu treten.The gas injector further preferably comprises an anchor bolt which rests on the closing element, the anchor bolt being connected to the anchor. An end of the anchor bolt facing away from a sealing seat of the gas injector is set up to come into contact with the brake bolt when the gas injector is closed.
Vorzugsweise wird als Schmiermittel ein Öl, insbesondere Mineralöl verwendet. Alternativ wird ein flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin verwendet. Weiter alternativ wird als Schmiermittel ein Fett verwendet.An oil, in particular mineral oil, is preferably used as the lubricant. Alternatively, a liquid fuel, in particular diesel or gasoline, is used. Alternatively, a grease is used as a lubricant.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel 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, -
2 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic sectional view of a gas injector according to a first embodiment of the invention, -
2 a schematic sectional view of a gas injector according to a second embodiment of the invention, and -
3 a schematic sectional view of a gas injector according to a third embodiment of the invention.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf
Wie aus
Der Magnetaktor 2 umfasst einen Anker 20, welcher mittels eines Ankerbolzens 24 mit dem Schließelement 3 verbunden ist. Ferner umfasst der Magnetaktor 2 einen Innenpol 21, eine Spule 22 und ein Magnetgehäuse 23, welches einen magnetischen Rückschluss des Magnetaktors sicherstellt.The
Weiterhin umfasst der Gasinjektor 1 einen Hauptkörper 7 mit einem Gaszulauf 70, durch welchen der gasförmige Brennstoff zugeführt wird. Der Gaszulauf 70 ist hierbei seitlich am Hauptkörper 7 angeordnet. Der Hauptkörper 7 ist mit einem Ventilgehäuse 8 verbunden, in welchem der Magnetaktor 2 angeordnet ist.Furthermore, the gas injector 1 comprises a main body 7 with a
An das Ventilgehäuse 8 schließt sich eine Gehäusehülse 19 an, an dessen freiem Ende an einem Ventilsitzbauteil 93 ein Dichtsitz 11 vorgesehen ist, an welchem das Schließelement 3 einen Durchlass für den gasförmigen Brennstoff freigibt und verschließt.The
In
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Rückstellelement für das Schließelement 3, um dieses nach einem Öffnungsvorgang wieder in den in
In
Beim Öffnen des Gasinjektors 1 strömt dann der gasförmige Brennstoff am Außenumfang des Magnetaktors 2 und am geöffneten Dichtsitz 11 vorbei in einen Brennraum 100 einer Brennkraftmaschine, was in
Das Schließelement 3 umfasst eine Ventilnadel 30 mit einem Sitzteller 30a, welcher an dem zum Brennraum gerichteten Ende des Schließelements angeordnet ist. Der Dichtsitz 11 ist dabei zwischen dem Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93, welches ein zylindrisches Rohr ist, ausgebildet.The
Das Schließelement 3 umfasst ferner eine erste Nadelführung 31, eine zweite Nadelführung 32 und eine dritte Nadelführung 33. Die drei Nadelführungen 31, 32, 33 sind vorzugsweise einstückig mit der Ventilnadel 30 ausgebildet.The
Das Schließelement 3 umfasst ferner auch einen Teller 34, welcher in Axialrichtung X-X zwischen der zweiten Nadelführung 32 und der dritten Nadelführung 33 angeordnet ist.The
Weiter umfasst der Gasinjektor 1 einen abgeschlossenen Schmiermittelraum 4. Der abgeschlossene Schmiermittelraum 4 ist vollständig oder teilweise mit einem flüssigen Schmierstoff gefüllt, z.B. Öl.The gas injector 1 further comprises a
Wie aus
Im Hauptkörper 7 sind mehrere Verbindungsleitungen 77 ausgebildet, welche das zweite flexible Dichtelement 52 mit den anderen Bereichen des Schmiermittelraums 4 verbinden. Wie aus
Das zweite flexible Dichtelement 52 dient dabei als Ausgleichsraum für das im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel. Dadurch können Druckschwankungen im Schmiermittelraum 4 ausgeglichen werden.The second flexible sealing
Wie aus
Das erste flexible Dichtelement 51 ist ferner direkt am Schließelement 3 am Teller 34 fixiert und am anderen Ende mit einer Führungshülse 9 verbunden. Die dritte Nadelführung 33 ist innerhalb der Führungshülse 9 geführt.The first
Somit weist der Schmiermittelraum 4 zwei flexible Dichtelemente 51, 52 sowie die Speicherdruckfeder 40 auf. Die Speicherdruckfeder 40 übt eine gewisse Vorspannung, beispielsweise 1 × 105 Pa, auf das sich im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel auf. Wenn nun bei einem Öffnungsvorgang eine Verdrängung des Schmiermittels durch den Hub des Schließelements 3 oder auch durch Wärmeausdehnung oder Abkühlung des Schmiermittels auftritt, kann ein gegebenenfalls im Inneren des Schmiermittelraums 4 entstehender Überdruck/Unterdruck durch Auslenkung am zweiten flexiblen Dichtelement 52 in Verbindung mit einer Kontraktion der Speicherdruckfeder 40 ausgeglichen werden. Somit kann das erste flexible Dichtelement 51 keine ungewollte, über die Balgwirkfläche wirkende Kraft auf das Schließelement 3 ausüben.The
Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist auch der Ankerbolzen 24 mit dem daran fixierten Anker 20 angeordnet. Da der Schmiermittelraum 4 mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem flüssigen Kraftstoff wie Benzin oder Diesel oder einem Fett oder dergleichen gefüllt ist, ist eine kontinuierliche Schmierung des Ankers 20 gegeben. Dadurch kann das im Stand der Technik auftretende Problem bei gasförmigen Brennstoffen, dass eine fehlende Schmierung der bewegten Teile fehlt, kompensiert werden.The
Dabei ist auch die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet. Wie insbesondere auch aus
Die Führungshülse 9 ist mit dem ersten flexiblen Dichtelement 51 verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung.The
Da die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet ist, ist hier in allen Betriebssituationen des Gasinjektors eine ausreichende Schmierung vorhanden, so dass im Betrieb keinerlei Verschleiß an der dritten Nadelführung auftritt.Since the
Die erste Nadelführung 31 und die zweite Nadelführung 33 sind hingegen im Gaspfad 14 angeordnet. Wie im Detail aus
Die zweite Nadelführung 32 ist in gleicher Weise wie die erste Nadelführung 31 mit einem ringförmigen Führungsbereich 32a, drei Stegen 32b und entsprechend zwischen den Stegen gebildeten Durchbrüchen 32c ausgebildet.The
Durch die ringförmigen Führungsbereiche 31a und 32a an der ersten und zweiten Nadelführung kann somit eine besonders sichere und genaue Führung des Schließelements 3 ermöglicht werden. Im Betrieb kann nun durch das Rückstellelement 10 und gegebenenfalls auch durch das als Balg ausgebildete erste flexible Dichtelement 51 Kippmomente auf das Schließelement ausgeübt werden. Diese können jedoch durch die erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden, so dass die Ventilnadel 30, welche mit einem möglichst kleinen Querschnitt ausgebildet ist und eine gewisse Baulänge in Axialrichtung X-X aufweist, durch derartige Kippmomente nachgiebig sein kann und sich verbiegen könnte. Dies wird jedoch durch die erste und zweite Nadelführung verhindert. Wie aus
Somit kann der Gasinjektor 1 sehr schlank und mit kurzer Baulänge ausgeführt werden, ohne dass im Betrieb aufgrund von Kippmomenten des Rückstellelements 10 oder des ersten flexiblen Dichtelements 51 unerwünschte Querkräfte auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, so dass der Gasinjektor in allen Betriebssituationen immer abdichten kann und auch nach einem Öffnungsvorgang wieder sicher in den geschlossenen abdichtenden Zustand zurückgestellt werden kann.Thus, the gas injector 1 can be designed to be very slim and with a short overall length, without unwanted transverse forces being exerted on the valve needle during operation due to tilting moments of the restoring
Weiterhin ist ein dritter Abstand A3 zwischen der ersten Nadelführung 31 und dem Dichtsitz 11 kleiner als der erste Abstand A1 zwischen der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32. Hierdurch wird der Schließvorgang zusätzlich unterstützt, so dass der Dichtsitz immer in richtiger Weise geschlossen werden kann.Furthermore, a third distance A3 between the
Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist ferner eine Bremseinrichtung 6 angeordnet. Die Bremseinrichtung 6 umfasst einen Bremsbolzen 60, eine Bremsfeder 61 und einen Dämpfungsraum 62. Der Dämpfungsraum 62 steht mit dem Schmiermittelraum 4 in Fluidverbindung.A
Der Bremsbolzen 60 und das elastische Bremselement 61 stehen bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors in die geschlossene Ausgangsposition in Wirkverbindung mit dem Schließelement 3. Beim Rückstellvorgang wird dabei Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum 62 in den Schmiermittelraum 4 verdrängt, um eine zusätzliche Dämpfung bei der Rückstellung des Bremsbolzens 60 in den geschlossenen Zustand des Gasinjektors (
Wie weiter aus
Der Bremsbolzen 60 weist eine Anlagefläche auf, welche sich mit dem Ankerbolzen 24 in Kontakt befindet. Im geschlossenen Zustand, welcher in
Wie weiter aus
Im geschlossenen Zustand ist weiterhin zwischen der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 und der Ankerbolzenführung 25 der erste Spalt 101 ausgebildet. Der Spalt 101 weist dabei eine erste Breite auf, welche kleiner ist als eine zweite Breite zwischen dem Anker 20 und dem Innenpol 21 (vgl.
Beim Schließvorgang trifft der Ankerbolzen 24 auf die Anlagefläche des Bremsbolzens 60. Dadurch wird der Bremsbolzen 60 gegen das sich im Dämpfungsraum 62 befindliche Fluid gedrückt. Aufgrund der Drossel 63 kann das Fluid aus dem Dämpfungsraum 62 nicht unmittelbar, sondern langsam herausgedrückt werden, so dass beim Schließvorgang eine Dämpfungswirkung ermöglicht wird. Dadurch wird am Dichtsitz 11 und am Anker 20 ein zu großer Verschleiß verhindert, da der Schließvorgang durch die Rückstellung des Bremsbolzens 60 gedämpft ist.During the closing process, the
Der Dämpfungsvorgang wird weiterhin durch die Bremsfeder 61 und ein hydraulisches Kleben des Bremsbolzens 60 an der Ankerbolzenführung 25 unterstützt. Durch den Dämpfungsraum 62 kann dabei eine Kavitation beim Schließvorgang in diesem Bereich zwischen der Ankerbolzenführung 25 und der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 verhindert werden. Auch verzögert eine Reibung des Bremsbolzens 60 im Hauptkörper 7 den Rückstellvorgang sowie auch im gesamten Schmiermittelraum 4 die zu beschleunigenden Massen der bewegten Bauteile, welche zu einer Verdrängung des Schmierstoffs im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 und somit einer zusätzlichen Abbremsung beim Schließvorgang führen.The damping process is further supported by the
Durch Wahl eines Durchmessers und/oder einer Länge der Drossel 63 kann das Dämpfungsverhalten individuell für den jeweiligen Gasinjektor eingestellt werden. By selecting a diameter and/or a length of the
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise eine Anschlagfläche zwischen dem Dämpfungsbolzen 60 und der Ankerbolzenführung 25 keilförmig ausgebildet sein kann, d.h., nicht im rechten Winkel zu einer Mittelachse X-X des Gasinjektors. Alternativ oder zusätzlich können in der Anlagefläche oder der Stirnseite der Ankerbolzenführung 25, welche zum Bremsbolzen 60 gerichtet ist, radiale Schlitze vorgesehen sein, wodurch ein Kavitationseffekt weiter reduziert und verhindert wird.It should be noted that preferably a stop surface between the damping
Der in
Somit kann mit der vorliegenden Erfindung, wenn das Schließelement 3 durch Betätigen des Magnetaktors 2 in den geöffneten Zustand (Bewegung des Schließelements 3 in
Der Dichtsitz 11 ist als Kegeldichtsitz ausgebildet, so dass die Dichtflächen am Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93 einfach, z.B. durch eine kegelige Bearbeitung wie Schleifen, hergestellt werden können.The sealing
Somit kann der Gasinjektor 1 eine kurze Axiallänge und einen reduzierten Verschleiß an den bewegten Teilen, insbesondere am Dichtsitz 11, Anker 20 und im Ankerbolzen 24 und den drei Nadelführungen bereitstellen. Hierbei kann ein Verkippen und Durchbiegen der Ventilnadel 30 verhindert werden, so dass die Öffnungs- und insbesondere Schließvorgänge immer problemlos durchgeführt werden können. Weiterhin kann durch den abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 mit einem flüssigen Schmiermittel eine Wärmeableitung aus dem Magnetaktor 2 deutlich verbessert werden. Ferner kann durch die beiden flexiblen Dichtelemente 51, 52 verhindert werden, dass ungewollte Kräfte auf das Schließelement 3 wirken.The gas injector 1 can thus provide a short axial length and reduced wear on the moving parts, in particular on the sealing
Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das zweite flexible Dichtelement 52 unterschiedlich wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Wie aus
Claims (10)
Priority Applications (1)
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DE102022204538.6A DE102022204538A1 (en) | 2022-05-09 | 2022-05-09 | Gas injector with compact design |
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2022
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