-
Die Erfindung betrifft einen Injektor, wie er zur dosierten Abgabe von beispielsweise gasförmigem oder flüssigem Brennstoff Verwendung findet, insbesondere zur Eindosierung des Brennstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
-
Stand der Technik
-
Bei Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben werden, wird der Brennstoff entweder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine oder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eindosiert. Bei der direkten Eindosierung in den Brennraum kommen Injektoren zum Einsatz, die mit dem verdichteten und damit unter einem Einspritzdruck stehenden Brennstoff versorgt werden und diesen elektrisch gesteuert zum gewünschten Zeitpunkt in der benötigten Menge abgeben. Die Injektoren weisen dazu ein bewegliches Ventilelement auf, das über einen Elektromagneten oder einen anderen elektrischen Aktor bewegbar ist, wobei durch die Bewegung des Ventilelements eine Dosieröffnung aufgesteuert oder geschlossen wird. Ein solcher Injektor ist beispielsweise aus der
DE 10 2021 200 689 A1 bekannt und weist eine kolbenförmige Ventilnadel als Ventilelement auf, die längsverschiebbar im Gehäuse des Injektors angeordnet ist. Die Ventilnadel ist von einem Schmiermittelraum umgeben, der durch einen Wellbalg gegen einen Brennstoffraum abgedichtet ist, durch den der Brennstoff zu den Eindüsöffnungen strömt. Das mit einer Schließfeder gegen einen Ventilsitz vorgespannte Ventilelement ist mit einem Magnetanker verbunden, so dass das Ventilelement mit Hilfe eines Elektromagneten gegen die Kraft der Schließfeder in einer Öffnungsrichtung bewegt werden kann. Zur Minderung der Geräusche und der mechanischen Kräfte auf das Gehäuse des Injektors bei der Schließbewegung des Ventilelements ist ein Dämpfungskolben vorhanden, der den Endanschlag bei der Schließbewegung des Ventilelements dämpft.
-
Um den Brennstoff in der erforderlichen Menge zum richtigen Zeitpunkt in den Brennraum zu dosieren, muss eine Eindüsöffnung rasch aufgesteuert werden. Entsprechend wird der Strom durch den Elektromagneten - oder auch einen anderen elektrisch gesteuerten Aktuator - sehr rasch erhöht, um große Magnetkräfte auf das Ventilelement zu erzeugen. Eine hohe Hubgeschwindigkeit des Ventilelements bedeutet jedoch auch eine hohe mechanische Belastung der Injektorbauteile, was längerfristig zu Schäden und Verformungen an den Bauteilen führen kann.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der erfindungsgemäße Injektor zur dosierten Abgabe eines Brennstoffs weist den Vorteil auf, dass die mechanische Belastung der Bauteile innerhalb des Injektors verringert wird, indem die Hubgeschwindigkeit der Düsennadel, die die Düsenöffnung aufsteuert, begrenzt wird. Dies erhöht die Lebensdauer des Injektors und vermindert die Geräuschentwicklung, was insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen vorteilhaft ist. Dazu weist der Injektor ein Gehäuse auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen einer Düsenöffnung zusammenwirkt. Die Düsennadel wird mit Hilfe eines elektrischen Aktuators gegen die Kraft einer Schließfeder in einer Öffnungsrichtung zum Freigeben der Düsenöffnung bewegt. Weiter ist im Gehäuse ein Dämpfungsraum ausgebildet, der durch die Düsennadel oder ein mit der Düsennadel fest verbundenes Dämpfungselement begrenzt ist, wobei der Dämpfungsraum mit einem Schmiermittel befüllt ist. Das Schmiermittel wird bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel aus dem Dämpfungsraum über eine Dämpfungsdrossel verdrängt.
-
Bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel wird der Schmiermittel über eine Dämpfungsdrossel aus dem Dämpfungsraum verdrängt, so dass die Bewegung des Ventilelements gedämpft wird. Die so ausgebildete Bremseinrichtung begrenzt die maximale Hubgeschwindigkeit der Düsennadel. Über die Größe des Dämpfungsraums und den Durchflusswiderstand der Dämpfungsdrossel kann die Wirkung gezielt eingestellt und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
-
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist ein weiterer Dämpfungsraum vorhanden, den das Dämpfungselement begrenzt und der ebenfalls mit dem Schmiermittel befüllt ist. Der weitere Dämpfungsraum ist auf der dem Dämpfungsraum abgewandten Seite des Dämpfungselements angeordnet, so dass das Schmiermittel auch bei der Schließbewegung der Düsennadel aus dem weiteren Dämpfungsraum verdrängt wird. Auf diese Weise wird auch die Schließbewegung der Düsennadel gedämpft, was zusätzlich zu der Funktion des bereits bekannten Endanschlagskolbens die maximale Geschwindigkeit bei der Schließbewegung dämpft.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dämpfungselement ein mit der Düsennadel fest verbundener Magnetanker, der mit dem als Elektromagneten ausgebildeten elektrischen Aktuator zusammenwirkt. Dies vereinfacht den Aufbau, da kein separater Dämpfungskolben benötigt wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Magnetanker eine Ankerdrossel ausgebildet, die den Dämpfungsraum und den weiteren Dämpfungsraum verbindet. Durch diesen Aufbau wird das Schmiermittel bei der Öffnungsbewegung aus dem Dämpfungsraum in den weiteren Dämpfungsraum verdrängt und bei der Schließbewegung umgekehrt aus dem weiteren Dämpfungsraum in den Dämpfungsraum. Dadurch müssen keine zusätzlichen Dämpfungsdrosseln im Gehäuse ausgebildet werden, und über einen entsprechend ausgestalteten Magnetanker lässt sich die komplette Dämpfungsanordnung realisieren.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der weitere Dämpfungsraum über eine weitere Dämpfungsdrossel mit einem Schmiermittelraum verbunden, der mit einem Schmiermittel befüllt ist und der gegen den Brennstoff abgedichtet ist. Der Schmiermittel, beispielsweise ein Schmieröl, sorgt für eine reibungsarme Bewegung der Ventilnadel und darf sich nicht mit dem Brennstoff vermischen. Die weitere Dämpfungsdrossel ermöglicht größere Freiheiten in der Konstruktion des Injektors, so dass der Dämpfungsraum und die Dämpfungsanordnung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Schmiermittelraums angeordnet werden können.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel fest mit einer Dämpfungshülse verbunden, die mit einer Stirnseite den Dämpfungsraum begrenzt. Dieser Dämpfungsraum wird bei der Bewegung der Düsennadel und damit auch der Dämpfungshülse verkleinert, so dass der Schmiermittel daraus verdrängt wird und ein entsprechender Dämpfungseffekt einsetzt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Dämpfungshülse oder die Düsennadel mit einem Drosselelement verbunden sind, das eine Dämpfungsdrossel aufweist, durch die der Schmiermittel in den Dämpfungsraum fließt oder aus diesem verdrängt wird. Damit kann die Dämpfungswirkung eingestellt werden, indem die Dämpfungshülse und die Ausbildung der Dämpfungsdrossel entsprechend angepasst werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel zumindest abschnittsweise von einem Wellbalg umgeben, der den Schmiermittelraum vom Brennstoffraum trennt. Damit ist die Beweglichkeit der Düsennadel sichergestellt und weiterhin eine Abdichtung des Schmiermittelraums gegenüber dem Brennstoffraum sichergestellt. Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung zur Begrenzung der Hubgeschwindigkeit der Düsennadel hat darüber hinaus den Vorteil, dass die mechanische Belastung des Wellbalgs vermindert wird, was die Lebensdauer des Wellbalgs und damit des Injektors erhöht.
-
Zeichnung
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
- 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts der 1,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung,
- 4 und 5 jeweils weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtungen.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor zur dosierten Abgabe eines Brennstoffs im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das einen Anschlusskörper 3, ein Mantelrohr 4, ein Ventilgehäuse 5 und einen Düsenkörper 6 umfasst, die gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Im Anschlusskörper 3 ist ein Brennstoffeinlass 8 ausgebildet, über den der Brennstoff zur dosierten Abgabe durch den Injektor 1 in einen im Gehäuse 2 ausgebildeten Brennstoffraum 10 eingeleitet werden kann. Zur Durchleitung des Brennstoffs im Brennstoffraums 10 sind innerhalb des Gehäuses 2 Strömungskanäle 11 ausgebildet, durch die der Brennstoff strömt. Dabei passiert der Brennstoff einen Filter 13 und gelangt über Durchlassöffnungen 12 schließlich in den Düsenkörper 6. Der Düsenkörper 6 bildet dabei das brennraumseitige Ende des Gehäuses 2, in dem eine Düsenöffnung 18 ausgebildet ist, durch die der Brennstoff aus dem Injektor 1 austritt. Zur Steuerung des Gasaustritts ist im Ventilkörper 14 eine kolbenförmige Düsennadel 15 angeordnet, die in einem innerhalb des Düsenkörpers 6 angeordneten Ventilkörper 14 geführt ist. Die Düsennadel 15 weist an ihrem brennraumseitigen Ende einen aus dem Gehäuse 1 hinausragenden Schließteller 16 auf, der mit einem am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 6 ausgebildeten Düsensitz 17 zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung 18 zusammenwirkt. Zwischen dem Ventilkörper 14 und einem mit der Düsennadel 15 fest verbundenen Stützelement 21 ist eine Schließfeder 20 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Düsennadel 15 in das Gehäuse 1 hinein mit einer Schließkraft beaufschlagt. Die Düsennadel 15 ist von einem ersten Wellbalg 31 umgeben, der einen die Düsennadel 15 umgebenden Schmiermittelraum 30 vom Brennstoffraum 10 trennt, so dass es zu keiner Vermischung des Schmiermittels - beispielsweise einem Schmieröl - mit dem Brennstoff kommt.
-
Die Düsennadel 15 ist an ihrem dem Düsensitz 17 abgewandten Ende mit einem Magnetanker 25 verbunden. Der Magnetanker 25 wirkt mit einem im Gehäuse 2 angeordneten Elektromagneten 26 zusammen, der über einen elektrischen Anschluss 28 mit einem Steuerstrom versorgt wird und die Düsennadel 15 umgibt. Das Magnetfeld des Elektromagneten 26 wird durch einen Innenpol 27 am Magnetanker 25 konzentriert, um die Magnetkraft zu optimieren. Zwischen der Düsennadel 15 und dem Brennstoffeinlass 8 ist ein Führungskörper 32 angeordnet, der in einer Aufnahme im Anschlusskörper 3 angeordnet ist. Der Schmiermittelraum 30 erstreckt sich vom Düsenkörper 6, die Düsennadel 15 umgebend, über den Magnetanker 25 und die Durchgangsbohrungen 34 bis in die Umgebung des Führungskörpers 32 und wird durch einen den Führungskörper 32 umgebenden, zweiten Wellbalg 33 gegen den Brennstoffraum 10 abgedichtet. Dabei sind im Führungskörper 32 Durchgangsbohrungen 34 ausgebildet, um einen ungehinderten Fluss des Schmiermittels im Schmiermittelraum 30 zu ermöglichen. Der Schmiermittelraum 30 ist dabei vollständig mit Schmiermittel befüllt, um eine reibungsarme Bewegung der Düsennadel 15 innerhalb des Gehäuses 2 sicherzustellen. Durch die beiden längselastischen Wellbalge 31, 32 weist der Schmiermittelraum 30 ein variables Volumen auf, so dass die Bewegung der Düsennadel 15 nicht behindert wird. Die flexiblen Wellbalge 31, 33 ermöglichen ein variables Volumen des Schmiermittelraums 30, ohne dass die Schmierung der Düsennadelführungen beeinträchtigt wird.
-
Zur Dämpfung des Endanschlags der Ventilnadel 15 ist ein Endanschlagskolben 35 im Führungskörper 32 angeordnet, der längsbeweglich in einer Aufnahme im Führungskörper 32 angeordnet ist und einen Endraum begrenzt, der über eine Drossel 36 mit dem Schmiermittelraum 30 verbunden ist. Durch das Anschlagen der Düsennadel 15 am Endanschlagskolben 35 wird der Aufprall der Düsennadel 15 bzw. des Schließtellers 16 auf dem Düsensitz 17 gedämpft und die mechanische Belastung dort gemindert wird.
-
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der 1. Der Magnetanker 25 wirkt auch als Dämpfungselement 24 und begrenzt einen Dämpfungsraum 40, der durch die dem Düsensitz 17 zugewandte Fläche des Magnetankers 25 und den Innenpol 27 begrenzt wird. Der Dämpfungsraum 40 ist über eine Dämpfungsdrossel 41 mit dem Schmiermittelraum 30 verbunden. Im Magnetanker 25 ist darüber hinaus eine Ankerdrossel 43 ausgebildet, die ebenfalls eine Dämpfungsdrossel bildet und den Dämpfungsraum 40 mit einem weiteren Dämpfungsraum 42 verbindet, der auf der gegenüberliegenden Seite des Magnetankers 25 ausgebildet ist. Der weitere Dämpfungsraum 42 ist über eine weitere Dämpfungsdrossel 44 mit dem Schmiermittelraum 30 verbunden.
-
Die Funktionsweise des Injektors 1 ist wie folgt: Soll Brennstoff abgegeben werden, so wird der Elektromagnet 26 bestromt und der Magnetanker 25 wird gegen die Kraft der Schließfeder 20 in Richtung des Düsensitzes 17 gezogen. Dadurch taucht die Düsennadel 15 aus dem Gehäuse 2 aus, so dass der Schließteller 16 vom Düsensitz 17 abhebt und eine ringspaltförmige Düsenöffnung 18 freigibt, durch die ein kegelförmiger Gasstrahl 19 aus dem Brennstoffraum 10 austritt. Dabei strömt der Brennstoff aus dem Brennstoffraum 10 aus, der über den Brennstoffeinlass 8 nachgefüllt wird. Der Magnetanker 25 bewegt sich dabei in den Dämpfungsraum 40 und verdrängt den dort befindlichen Schmiermittel über die Dämpfungsdrossel 41 und die Ankerdrossel 43 in den Schmiermittelraum 30 bzw. den weiteren Dämpfungsraum 42. Dies dämpft die Bewegung der Düsennadel 15 und begrenzt deren maximale Geschwindigkeit. Die Dämpfungswirkung wird durch die Größe des Dämpfungsraums 40 und den Durchflusswiderstand der Dämpfungsdrossel 41 bzw. der Ankerdrossel 43 festgelegt. Zur Beendigung der Gaseindüsung wird die Bestromung des Elektromagneten 26 unterbrochen, worauf die Schließfeder 20 die Düsennadel 15 zurück in ihre Schließstellung drückt, so dass der Schließteller 16 die Düsenöffnung 18 wieder verschließt. Bei dieser Bewegung verdrängt der Magnetanker 25 den Schmiermittel im weiteren Dämpfungsraum 42, und der dort befindliche Schmiermittel wird über die Ankerdrossel 43 in den Dämpfungsraum 40 und über die weitere Dämpfungsdrossel 44 herausgedrückt. Die weitere Dämpfungsdrossel 44 dient auch dazu, stets die Befüllung der Dämpfungsräume 40, 42 mit Schmiermittel sicherzustellen. Durch diese Wirkung des weiteren Dämpfungsraums 42 wird die maximale Schließgeschwindigkeit der Düsennadel gedämpft. Zusätzlich wird der Endanschlag der Düsennadel durch den Endanschlagkolben 35 gebremst, der durch die Düsennadel 15 vom Düsensitz 17 wegbewegt wird und dabei den Schmiermittel durch die Drossel 36 drückt.
-
Die Dimensionierung der Dämpfungsdrossel 41 und der weiteren Dämpfungsdrossel 44 kann so ausgestaltet werden, dass über diese Dämpfungsdrosseln 41, 44 ein Volumenausgleich durch die Hubbewegung zwischen dem im ersten Wellbalg 31 und im zweiten Wellbalg 33 eingeschlossenen Schmiermittel stattfinden kann, während die eigentliche Dämpfungswirkung nahezu ausschließlich über die Ankerdrossel 43 erfolgt. Es ist aber auch möglich, die Ankerdrossel 43 wegzulassen und stattdessen die Dämpfungswirkung ausschließlich über die Dämpfungsdrossel 41 und die weitere Dämpfungsdrossel 44 zu erreichen. Die oberhalb und unterhalb des Magnetankers 25 befindlichen Teile des Schmiermittelraums 30 sind durch die Wellbalge 31, 33 im Volumen variabel, so dass der durch den Magnetanker 25 verdrängte Schmiermittel problemlos von einem Teil des Schmiermittelraums 30 in den anderen gelangen kann.
-
In 3 ist in ähnlicher Darstellung wie 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung für den Injektor 1 dargestellt, wobei hier nur eine Seite der rotationssymmetrischen Vorrichtung gezeigt ist. Die Düsennadel 15 ist hier in einer Dämpfungshülse 45 aufgenommen, mit der sie fest über einen Presssitz 48 verbunden ist, so dass sich beide Bauteile stets synchron bewegen. Über ein kugelförmiges Auswahlteil 52 ist dabei ein Längenausgleich der Düsennadel 15 sichergestellt, so dass der Schließteller 16 am Düsensitz 17 sicher dichtet. Die Dämpfungshülse 45 begrenzt zusammen mit einem Nadelführungskörper 50 einen ringförmigen Dämpfungsraum 40', aus dem bei der Öffnungsbewegung der Düsennadeln 15 der darin befindliche Schmiermittel verdrängt wird. Zur Verstärkung der Dämpfungswirkung ist die Dämpfungshülse 45 von einem hülsenförmigen Drosselelement 46 umgeben, das über einen Presssitz 47 mit der Dämpfungshülse 45 fest verbunden ist und in dem eine Dämpfungsdrossel 41' ausgebildet ist. Der Schmiermittel wird durch die Dämpfungsdrossel 41 ` bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel 15 aus dem Dämpfungsraum 40' herausgedrängt, so dass sich die gewünschte Verminderung der Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 15 ergibt. Die Schließfeder 20' ist hier zwischen der Dämpfungshülse 45 und dem Nadelführungskörper 50 unter Druckvorspannung angeordnet, wodurch die Schließfeder im Düsenkörper 6 entfallen kann.
-
In 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung in der gleichen Darstellung wie 3. Die Düsennadel 15 ist hier an ihrem dem Düsensitz 17 abgewandten Ende mit einem Bremskolben 54 verbunden, wobei die Verbindung fest über einem Presssitz 47' ausgeführt ist. Darüber hinaus ist die Düsennadel 15 über einen Presssitz 48' mit dem Magnetanker 25 verbunden, der mit dem Elektromagnet 26 zusammenwirkt. Der Bremskolben 54 begrenzt einen Dämpfungsraum 40 und einen weiteren Dämpfungsraum 42, wobei der Dämpfungsraum 40 über eine Dämpfungsdrossel 41 ` und der weitere Dämpfungsraum 42 über eine weitere Dämpfungsdrossel 44 mit dem Schmiermittelraum 30 verbunden ist. Damit ergibt sich wie beim Magnetanker 25 gemäß 1 und 2 eine Dämpfung sowohl der Schließ- als auch der Öffnungsbewegung der Düsennadel 15.
-
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung wie 3 und 4 gezeigt. An die Dämpfungshülse 45 schließt sich hier der Bremskolben 54 an, der über eine äußere Anformung den Dämpfungsraum 40 und den weiteren Dämpfungsraum 42 begrenzt, die wiederum über eine Dämpfungsdrossel 41 und eine weitere Dämpfungsdrossel 44 mit dem Schmiermittelraum 30 verbunden sind. Damit ergibt sich auch hier eine Dämpfung sowohl der Öffnungs- als auch der Schließbewegung der Düsennadel 15.
-
Statt des in den Ausführungsbeispielen gezeigten Elektromagneten 26 kann es auch vorgesehen sein, einen anderen elektrisch gesteuerten Aktuator zu verwenden, etwa einen Piezoaktor oder einen magnetostriktiven Aktuator.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102021200689 A1 [0002]
