DE102022209616A1 - Gas injector with armature damper - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, umfassend ein Schließelement (2), welches eine Durchgangsöffnung (4) an einem Dichtsitz (3) freigibt und verschließt, ein Rückstellelement (6), welches das Schließelement (2) in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt, einen Magnetaktor (5) mit einem Anker, welcher einen maximalen Ankerhub (S0) aufweist, wobei der Magnetaktor (5) das Schließelement (2) betätigt, und einen Ankerdämpfer (7), welcher eingerichtet ist, bei einem Öffnungsvorgang des Gasinjektors eine Geschwindigkeit des Ankers (51) vor einem Auftreffen des Ankers (51) auf einen Ankeranschlag (53) zu reduzieren.The present invention relates to a gas injector for blowing in a gaseous medium, comprising a closing element (2), which opens and closes a through opening (4) on a sealing seat (3), and a restoring element (6), which closes the closing element (2). resets the starting position, a magnetic actuator (5) with an armature, which has a maximum armature stroke (S0), the magnetic actuator (5) actuating the closing element (2), and an armature damper (7), which is set up during an opening process of the gas injector to reduce a speed of the anchor (51) before the anchor (51) hits an anchor stop (53).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas oder dergleichen direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Ankerdämpfer.The present invention relates to a gas injector for blowing a gaseous medium, for example hydrogen or natural gas or the like, directly into a combustion chamber of an internal combustion engine with an armature damper.
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.Gas injectors are known from the prior art in different designs. Due to the gaseous medium that gas injectors blow in, gas injectors must perform a very large stroke compared to injectors for liquid media, for example fuel injectors. However, in gas injectors this can lead to significant wear on components, particularly on a sealing seat and a stroke limiter. The large switching forces required for gas injectors increase the wear on the components during operation.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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 ein Bauteilverschleiß signifikant reduziert werden kann. Insbesondere kann ein Verschleiß an einem Anker deutlich reduziert werden. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Gasinjektor ein deutlich verbessertes Geräuschverhalten auf. 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 in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt. Weiterhin umfasst der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker, wobei der Magnetaktor das Schließelement betätigt und wobei der Anker einen maximalen Ankerhub S0 aufweist. Ferner ist ein Ankerdämpfer vorgesehen, welcher eingerichtet ist, bei einem Öffnungsvorgang des Gasinjektors eine Geschwindigkeit des Ankers vor einem Auftreffen des Ankers an einem Ankeranschlag, insbesondere einem Innenpol des Magnetaktors, zu reduzieren. Somit kann ein deutlich reduzierter Verschleiß am Anker und am Ankeranschlag erreicht werden und ein übermäßiger Verschleiß an den Kontaktstellen zwischen Anker und Ankeranschlag beim Öffnungshub des Gasinjektors kann verhindert werden.The gas injector according to the invention for blowing in a gaseous medium, in particular for blowing in hydrogen or natural gas, with the features of
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.
Vorzugsweise ist der Ankerdämpfer an einer vom Dichtsitz abgewandten Seite des Ankers angeordnet. Dadurch wird die Funktionalität und Performance des Magnetaktors nicht eingeschränkt und der Anker kann den maximal geplanten Ankerhub S0 bis zum Ankeranschlag ausführen, ohne dass in diesem Bereich eine Störung durch einen Ankerdämpfer vorliegt.The anchor damper is preferably arranged on a side of the anchor facing away from the sealing seat. This means that the functionality and performance of the magnetic actuator is not restricted and the armature can carry out the maximum planned armature stroke S0 up to the armature stop without any interference from an armature damper in this area.
Der Ankerdämpfer umfasst vorzugsweise ein Federelement, welches an der vom Dichtsitz abgewandten Seite des Ankers angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Federelement an einer Rückseite des Ankers angeordnet. Dadurch ergeben sich viele Freiheitsgrade hinsichtlich der Ausgestaltung des Federelements. Auch kann ein sehr kompakter Aufbau des Gasinjektors ermöglicht werden.The anchor damper preferably comprises a spring element which is arranged on the side of the anchor facing away from the sealing seat. In other words, the spring element is arranged on a rear side of the anchor. This results in many degrees of freedom with regard to the design of the spring element. A very compact design of the gas injector can also be made possible.
Weiter bevorzugt umfasst das Schließelement eine Ventilnadel und einen Ankerbolzen, wobei der Anker am Ankerbolzen fixiert ist. Der zweiteilige Aufbau des Schließelements erhöht ebenfalls die Freiheitsgrade hinsichtlich der Ausgestaltung der Bauteile des Gasinjektors.Further preferably, the closing element comprises a valve needle and an anchor bolt, the anchor being fixed to the anchor bolt. The two-part structure of the closing element also increases the degrees of freedom with regard to the design of the components of the gas injector.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Ankerdämpfer ein, vorzugsweise topfförmiges, Abstützelement, welches an einem Innengehäuse des Gasinjektors fixiert ist. Das Abstützelement dient zur Abstützung des Federelements. Bei topfförmiger Ausgestaltung des Abstützelements ist bei Verwendung einer Zylinderfeder als Federelement ferner auch eine radiale Positionierung des Federelements gesichert.According to a further preferred embodiment of the invention, the armature damper comprises a, preferably cup-shaped, support element which is fixed to an inner housing of the gas injector. The support element serves to support the spring element. With a cup-shaped design of the support element, a radial positioning of the spring element is also ensured when a cylinder spring is used as the spring element.
Weiter bevorzugt umfasst der Ankerdämpfer ferner eine Druckscheibe und eine erste Einstellscheibe. Das Federelement des Ankerdämpfers ist dabei zwischen der Druckscheibe und dem Abstützelement des Ankerdämpfers angeordnet. Weiterhin ist eine Position der Druckscheibe in Axialrichtung mittels der ersten Einstellscheibe definiert. Hierdurch ergibt sich eine einfach zu handhabende Einstellmöglichkeit für eine gewünschte Vorspannung des Federelements des Ankerdämpfers.More preferably, the armature damper further comprises a pressure washer and a first adjusting washer. The spring element of the anchor damper is arranged between the pressure washer and the support element of the anchor damper. Furthermore, a position of the pressure washer in the axial direction is defined by means of the first adjusting disk. This results in an easy-to-use adjustment option for a desired preload of the spring element of the anchor damper.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Ankerdämpfer ferner eine zweite Einstellscheibe, welche am Schließelement fixiert ist, wobei die zweite Einstellscheibe im geschlossenen Zustand des Gasinjektors einen Axialspalt S1 zwischen der Druckscheibe und der zweiten Einstellscheibe definiert. Der Axialspalt S1 ist dabei kleiner als der maximale Ankerhub S0. Vorzugsweise ist die zweite Einstellscheibe am Ankerbolzen fixiert.According to a further preferred embodiment of the invention, the armature damper further comprises a second adjusting disk which is fixed on the closing element, the second adjusting disk defining an axial gap S1 between the pressure disk and the second adjusting disk when the gas injector is closed. The axial gap S1 is smaller than the maximum armature stroke S0. The second adjusting disk is preferably fixed to the anchor bolt.
Weiter bevorzugt weist das Abstützelement an einem Innenumfang einen Führungsbereich für das Schließelement, insbesondere für den Ankerbolzen auf.More preferably, the support element has a guide area on an inner circumference the closing element, in particular for the anchor bolt.
Das Federelement des Ankerdämpfers ist weiter bevorzugt eine zylindrische Schraubenfeder oder eine Federscheibe. Die Federscheibe kann beispielsweise eine Wellfeder oder eine Tellerfeder oder dergleichen sein.The spring element of the armature damper is further preferably a cylindrical coil spring or a spring washer. The spring washer can be, for example, a wave spring or a plate spring or the like.
Der Gasinjektor umfasst weiter bevorzugt ferner einen hydraulischen Dämpfer, welcher an einer vom Dichtsitz abgewandten Seite des Schließelements angeordnet ist. Der hydraulische Dämpfer ist vorzugsweise eingerichtet, das Schließelement beim Öffnungsvorgang als auch beim Schließvorgang zu unterstützen. In Verbindung mit dem Ankerdämpfer erfolgt hierbei beim Öffnungsvorgang eine besonders gute Dämpfung des Ankers, so dass Verschleißerscheinungen am Anker und Ankerbolzen vermieden werden kann. Der hydraulische Dämpfer ermöglicht ferner auch einen Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen der Bauteile des Gasinjektors.The gas injector further preferably comprises a hydraulic damper, which is arranged on a side of the closing element facing away from the sealing seat. The hydraulic damper is preferably set up to support the closing element during the opening process as well as the closing process. In conjunction with the anchor damper, the anchor is particularly well dampened during the opening process, so that signs of wear on the anchor and anchor bolts can be avoided. The hydraulic damper also enables compensation for temperature-related changes in length of the components of the gas injector.
Weiter bevorzugt ist der Ankerdämpfer eingerichtet, mit einer zeitlichen Verzögerung nach einem Beginn eines Öffnungsvorgangs des Gasinjektors aktiviert zu werden, wobei der Axialspalt zwischen der Druckscheibe und der zweiten Einstellscheibe die zeitliche Verzögerung definiert.Further preferably, the armature damper is set up to be activated with a time delay after the start of an opening process of the gas injector, the axial gap between the pressure disk and the second adjusting disk defining the time delay.
Der Gasinjektor ist vorzugsweise ein nach außen öffnender Gasinjektor. Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor zur Direkteinblasung eines gasförmigen Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgebildet.The gas injector is preferably a gas injector that opens to the outside. Further preferably, the gas injector is designed to directly inject a gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor. Der Gasinjektor bläst dabei vorzugsweise Wasserstoff oder Erdgas oder ein anderes Brenngas direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ein.The present invention further relates to an internal combustion engine with a gas injector according to the invention. The gas injector preferably blows hydrogen or natural gas or another fuel gas directly into a combustion chamber of the internal combustion engine.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht des Gasinjektors von1 im geschlossenen Zustand, -
3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht des Gasinjektors von1 im teilweise geöffneten Zustand, -
4 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
5 eine schematische Darstellung eines Einzelteils des Ankerdämpfers des zweiten Ausführungsbeispiels des Gasinjektors von4 .
-
1 a schematic sectional view of a gas injector according to a first preferred embodiment of the invention, -
2 a schematic, enlarged partial sectional view of the gas injector from1 in the closed state, -
3 a schematic, enlarged partial sectional view of the gas injector from1 in the partially opened state, -
4 a schematic sectional view of a gas injector according to a second preferred embodiment of the invention, and -
5 a schematic representation of an individual part of the armature damper of the second exemplary embodiment of the gas injector4 .
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Wie aus
Der Magnetaktor 5 umfasst einen Innenpol 50, einen Anker 51 und eine Spule 52. Am Innenpol 50 ist ein Ankeranschlag 53 ausgebildet. Der Ankeranschlag 53 begrenzt dabei einen Öffnungshub des Schließelements 2.The
Das Schließelement 2 weist an der Ventilnadel 20 an der zum Brennraum 30 gerichteten Seite einen Ventilteller 20a auf, welcher an einem Dichtsitz 3 abdichtet. Das Schließelement 2 gibt beim Öffnungsvorgang dabei eine ringförmige Durchgangsöffnung 4 am Dichtsitz 3 frei und verschließt diese. Der Gasinjektor ist somit ein nach außen öffnender Injektor, wobei das Schließelement 2 in Richtung des Pfeils A (siehe
Die Einblasung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum 30 ist in
Am gegenüberliegenden Ende des Dichtsitzes 3 ist ein Gaszulauf 31 vorgesehen. Wie aus
In
Ein Rückstellelement 6 stellt den Gasinjektor 1 nach einem Öffnungsvorgang wieder in den in
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen Ankerdämpfer 7, welcher eingerichtet ist, bei einem Öffnungsvorgang des Gasinjektors 1 eine Geschwindigkeit des Ankers 51 vor einem Auftreffen auf den Ankeranschlag 53 abzubremsen und zu dämpfen.The
Der Ankerdämpfer 7 umfasst ein topfförmiges Abstützelement 70, ein Federelement 75 sowie ein Innengehäuse 71. Das Innengehäuse 71 ist hülsenförmig und am Innenpol 50 fixiert.The
Der Ankerdämpfer 7 umfasst ferner eine Druckscheibe 72, eine erste Einstellscheibe 73 und eine zweite Einstellscheibe 74. Wie aus
Die erste Einstellscheibe 73 ist an einem Innenumfang des Innengehäuses 71 fixiert.The
Am Innenumfang des Abstützelements 70 ist eine Führung 70a für den Ankerbolzen 21 vorgesehen.A
Die zweite Einstellscheibe 74 ist am Schließelement 2, genauer am Ankerbolzen 21 fixiert. Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors (
Die Druckscheibe 72 ist im Inneren des Innengehäuses 71 axial bewegbar angeordnet.The
Der Ankerbolzen 21 ist, wie in den
Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1 wird ein maximaler Öffnungshub des Schließelements 2 durch einen Ankerhub S0 definiert. Der Ankerhub S0 ist zwischen dem Anker 51 und dem Innenpol 50 ausgebildet. Der Ankerhub S0 ist dabei größer als der Axialspalt S1 zwischen der zweiten Einstellscheibe 74 und der Druckscheibe 72.When the
Durch das Vorsehen des Axialspalts S1 wird bei einem Öffnungsvorgang des Gasinjektors der Ankerdämpfer 7 somit mit zeitlicher Verzögerung aktiviert. Für einen Öffnungsvorgang des Gasinjektors wird die Spule 52 bestromt, wodurch der Anker 51 in Richtung des Pfeils D (vgl.
Dadurch kann die Einblasung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum 30 erfolgen (Pfeile C). Da die zweite Einstellscheibe 74 fest mit dem Ankerbolzen 21 verbunden ist, wird beim Öffnungsvorgang die zweite Einstellscheibe 74 ebenfalls in Axialrichtung X-X bewegt. Nach Zurücklegen des Axialspalts S1 liegt die zweite Einstellscheibe 74 dabei an der Druckscheibe 72 an. Dieser Zustand ist in
Wenn der Anker 51 aus der in
Beim Zurücklegen des Restaxialspalts S2 wird somit der Ankerdämpfer 7 aktiviert, so dass eine Anschlaggeschwindigkeit des Ankers 51 auf dem Innenpol 50 deutlich reduziert wird, wodurch ein Verschleiß an diesen Bauteilen reduziert wird. Weiterhin kann auch ein Aufschlaggeräusch des Ankers 51 auf den Innenpol 50 reduziert werden, wodurch das Geräuschverhalten des Gasinjektors 1 deutlich verbessert wird.When the remaining axial gap S2 is covered, the
Sobald die Einblasung beendet ist, wird die Bestromung der Spule 52 eingestellt, so dass das Rückstellelement 6 das Schließelement 2 wieder in die in
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner einen hydraulischen Dämpfer 8, welcher mit dem Schließelement 2 in Wirkverbindung steht. Der hydraulischem Dämpfer 8 ist eingerichtet, das Schließelement insbesondere bei einer Rückstellung aus dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand abzubremsen und zu dämpfen. Dadurch wird ein Verschleiß am Dichtsitz 3 des Gasinjektors gering gehalten. Durch das Vorsehen des Ankerdämpfers 7 kann der hydraulische Dämpfer 8 sehr einfach aufgebaut sein und insbesondere nur eingerichtet sein, das Schließelement 2 beim Rückstellvorgang zu dämpfen.The
Somit kann der Ankerdämpfer 7 optimal auf den Anker und eine Dämpfung beim Öffnungsvorgang ausgelegt werden und der hydraulische Dämpfer 8 optimal auf eine Dämpfung beim Schließen des Gasinjektors ausgelegt werden.Thus, the
Die
Wie insbesondere aus
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiment, so that reference can be made to the description given there.
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2023
- 2023-06-28 WO PCT/EP2023/067630 patent/WO2024056224A1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2024056224A1 (en) | 2024-03-21 |
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