DE102022213511A1 - Gas injector with improved needle guide - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend ein betätigbares Schließelement (6), welches eine Durchgangsöffnung (20) an einem Dichtsitz (5) eines Ventilkörpers (21) freigibt und verschließt, wobei das Schließelement (6) als Teil einer Ventilnadel (4) ausgeführt ist. Die Ventilnadel (4) weist wenigstens ein Führungselement (25) zur Führung der Ventilnadel (4) in einem Ventilgehäuse (21) während ihrer Axialbewegung entlang einer Axialrichtung X-X auf. Erfindungsgemäß ist dem wenigstens einem Führungselement (25) ein Partikelabweiser (28, 29) strömungstechnisch vorgeschaltet, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche (26) des Führungselements (25) ferngehalten werden.The present invention relates to a gas injector for blowing in a gaseous medium, in particular hydrogen, comprising an actuatable closing element (6) which opens and closes a through-opening (20) on a sealing seat (5) of a valve body (21), wherein the closing element (6) is designed as part of a valve needle (4). The valve needle (4) has at least one guide element (25) for guiding the valve needle (4) in a valve housing (21) during its axial movement along an axial direction X-X. According to the invention, a particle deflector (28, 29) is fluidically connected upstream of the at least one guide element (25), which ensures that particles are kept away from the circumferential guide surface (26) of the guide element (25).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, z.B. Wasserstoff oder Methan oder dergleichen, direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer verbesserten Nadelführung.The present invention relates to a gas injector for injecting a gaseous fuel, e.g. hydrogen or methane or the like, directly into a combustion chamber of an internal combustion engine with an improved needle guide.

Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe sind die technischen Anforderungen an Gasinjektoren deutlich unterschiedlich. Problematisch ist hierbei insbesondere neben einer fehlenden Schmierung durch einen flüssigen Kraftstoff auch ein deutlich größeres Volumen des gasförmigen Mediums. Hierdurch können sich Probleme bei der exakten Zumessung für einen Einblasvorgang ergeben. Weiterhin entstehen im Betrieb hohe Temperaturen, insbesondere im Bereich eines Dichtbereichs zwischen einem Schließelement und einem Ventilsitz des Gasinjektors. Durch die Verbrennungsgase im Betrieb, welche bis zum Dichtbereich zwischen Schließelement und Ventilsitz reichen, können sich erhöhte Temperaturen am Dichtbereich ergeben, was zu einem erhöhten Verschleiß und einem möglichen erhöhten Verzug der Bauteile führt. Hierdurch können sich insbesondere Undichtheiten am Sitzbereich ergeben.Gas injectors are known from the state of the art in various designs. Compared to fuel injectors for liquid fuels, the technical requirements for gas injectors are significantly different. In addition to a lack of lubrication from a liquid fuel, a significantly larger volume of the gaseous medium is particularly problematic. This can lead to problems with the exact metering for an injection process. Furthermore, high temperatures arise during operation, particularly in the area of a sealing area between a closing element and a valve seat of the gas injector. The combustion gases during operation, which reach up to the sealing area between the closing element and the valve seat, can result in increased temperatures in the sealing area, which leads to increased wear and possible increased distortion of the components. This can lead to leaks in the seat area in particular.

Aus der DE 10 2020 201 973 A1 ist z.B. ein Gasdosierventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, das ein Gehäuse, in dem ein Gasraum ausgebildet ist, besitzt. Im Gasraum ist ein bewegliches Ventilelement angeordnet, das durch einen elektrischen Aktor entgegen der Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist und das mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt. Eine Ventilnadel, die zusammen mit einem Schließglied ausgeführt ist, besitzt wenigstens einen Führungsbereich. Die Ventilnadel öffnet mit dem Schließglied zum Brennraum hin, so dass es sich um ein nach außen öffnendes Gasdosierventil handelt.From the EN 10 2020 201 973 A1 For example, a gas metering valve for an internal combustion engine is known which has a housing in which a gas chamber is formed. A movable valve element is arranged in the gas chamber, which can be moved by an electric actuator against the force of a return spring and which interacts with a valve seat to open and close the valve. A valve needle, which is designed together with a closing member, has at least one guide area. The valve needle opens with the closing member towards the combustion chamber, so that it is an outward-opening gas metering valve.

Die Führungen der Ventilnadel sind aufgrund ihrer essenziellen Zentrierfunktion des Dichtsitzes als auch zur Vermeidung von Lagerverkippungen mit entsprechender Verschleißneigung grundsätzlich mit sehr kleinen Führungsspielen auszulegen. Für eine gute Zentrierung der Ventilnadel und eine möglichst große Anlagefläche zur Reduzierung des Verschleißes ist eine Führungsfläche üblicherweise umlaufend gestaltet.The valve needle guides are designed with very small guide clearances due to their essential centering function of the sealing seat and to avoid bearing tilting with the associated tendency to wear. To ensure good centering of the valve needle and the largest possible contact surface to reduce wear, a guide surface is usually designed to be circumferential.

Nachteilig bei einer derartigen Gestaltung der Nadelführung kann sein, dass durch die umlaufend geschlossene Führungsfläche Partikel im gasförmigen Brennstoff, die von stromaufwärts im Gasinjektor hin zum Führungsbereich gelangen, in den engen Führungsspalt gedrückt werden und eingeklemmt werden. Die Folge können mechanische Klemmer durch Verkanten und/oder adhäsive und abrasive Verschleißerscheinungsformen bis zur Fressneigung sein. Insbesondere bei trocken laufenden Führungen ist dies besonders kritisch.A disadvantage of this type of needle guide design can be that the circumferentially closed guide surface forces particles in the gaseous fuel that reach the guide area from upstream in the gas injector into the narrow guide gap and become jammed. The result can be mechanical jamming due to tilting and/or adhesive and abrasive wear phenomena up to the tendency to seize. This is particularly critical in dry-running guides.

Unterbrochene Führungen, bei denen Flächenanschliffe oder Aussparungen im Führungsbereich die Durchströmung realisieren, sind alternativ zu geschlossenen Führungen bekannt. Diese Art der Führungsgestaltung bietet zwar die Möglichkeit, dass Partikel im Gas durch aufgrund der Anschliffe gebildete Strömungstaschen hindurchströmen, weshalb hier ein Klemmen weitgehend ausgeschlossen ist. Nachteilig ist allerdings bei einer solchen Lösung, dass die Mantelfläche, die zur Darstellung der Führungseigenschaften bleibt, deutlich verkleinert wird und Verkippungen auftreten können.Interrupted guides, in which surface grindings or recesses in the guide area create the flow, are known as an alternative to closed guides. This type of guide design does offer the possibility of particles in the gas flowing through flow pockets formed by the grindings, which is why jamming is largely ruled out. The disadvantage of such a solution, however, is that the surface area that remains to represent the guide properties is significantly reduced and tilting can occur.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von gasförmigem Wasserstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei einer großen umlaufenden Führungsfläche trotzdem zugleich ein Abtransport von Partikeln im Gas ermöglicht ist. Die Führungsfläche ist in vorteilhafter Weise vor Partikeln in der Fluidströmung geschützt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass dem wenigstens einem Führungselement an der Ventilnadel ein Partikelabweiser strömungstechnisch vorgeschaltet ist, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche des Führungselements ferngehalten werden.The gas injector according to the invention for blowing in a gaseous medium, in particular for blowing in gaseous hydrogen, with the features of claim 1 has the advantage that, despite a large circumferential guide surface, it is still possible to transport particles in the gas away. The guide surface is advantageously protected from particles in the fluid flow. This is achieved according to the invention in that a particle deflector is fluidically connected upstream of the at least one guide element on the valve needle, which ensures that particles are kept away from the circumferential guide surface of the guide element.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung auf.The subclaims show preferred developments of the invention.

Besonders vorteilhaft ist es, dass der Partikelabweiser eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend in Strömungsrichtung verläuft. Auf diese Weise wird die Fluidströmung zur Ventilachse nach radial innen hin geleitet und damit vom weiter radial außen liegenden Führungsbereich weg. Des Weiteren werden durch den Aufbau eines radialen Druckgefälles infolge der Beschleunigung des Fluids durch die düsenartige Verengung des Partikelabweisers die Partikel tendenziell in Richtung zu nadelseitigen Durchströmöffnungen des Führungselements ausgelenkt, da im Führungsbereich der Führungsfläche ein höherer statischer Druck vorherrscht als im Hauptströmungsfeld (Bernoulli-Effekt).It is particularly advantageous that the particle deflector has an inner opening for the flow of the gaseous fuel, which tapers conically in the direction of flow. In this way, the fluid flow is directed radially inwards towards the valve axis and thus away from the guide area which is further radially outwards. Furthermore, the build-up of a radial pressure gradient as a result of the acceleration of the fluid through the nozzle-like constriction of the particle deflector tends to deflect the particles in the direction of the needle-side flow openings of the guide element, since a higher static pressure prevails in the guide area of the guide surface than in the main flow field (Bernoulli effect).

Zur weiteren Verstärkung dieses Effektes ist es vorteilhaft, wenigstens einen sehr kleinen Druckausgleichspfad vorzusehen, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist. Dieser Druckausgleichspfad liegt dabei radial weiter außen als die innere Öffnung des Partikelabweisers. Der Druckausgleichspfad kann am Strömungsbeginn des Partikelabweisers den höheren statischen Druck oberhalb stromaufwärts des Partikelabweisers „anzapfen“. Im Bereich zwischen dem Partikelabweiser und dem Führungselement herrscht damit dann ein höherer Druck als im radial inneren Bereich des Übergangs der durchmesserverkleinerten Öffnung des Partikelabweisers zu den Durchströmöffnungen hin, so dass ein Abströmen von Partikeln nach radial außen zum Führungsbereich hin ausgeschlossen werden kann.To further enhance this effect, it is advantageous to provide at least one very small pressure equalization path that is smaller than the particles to be held back with their corresponding particle sizes. This pressure equalization path is located radially further out than the inner opening of the particle deflector. The pressure equalization path can "tap" the higher static pressure above upstream of the particle deflector at the start of the flow of the particle deflector. In the area between the particle deflector and the guide element, there is then a higher pressure than in the radially inner area of the transition from the reduced-diameter opening of the particle deflector to the flow openings, so that particles can flow radially outwards to the guide area can be excluded.

In vorteilhafter Weise können der Partikelabweiser und das Führungselement mit dünnwandigen Ringkragen bzw. Fortsätzen ausgeführt sein, die ineinander eintauchen, so dass eine Hubüberdeckung vorliegt, die in der Art einer Labyrinthdichtung den Führungsbereich besonders wirkungsvoll vor Partikeln der Gasströmung schützt.Advantageously, the particle deflector and the guide element can be designed with thin-walled ring collars or extensions that dip into each other so that there is a stroke overlap that, in the manner of a labyrinth seal, protects the guide area particularly effectively against particles of the gas flow.

Der Gasinjektor ist vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor.The gas injector is preferably an outward opening injector.

Zeichnungdrawing

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind:

  • 1 eine schematische Schnittansicht eines bekannten Gasinjektors im geschlossenen Zustand,
  • 2 eine schematische Schnittansicht des brennraumseitigen Endes des Gasinjektors von 1 im geöffneten Zustand,
  • 3 eine schematische Schnittansicht eines Führungselements der Ventilnadel mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil und
  • 4 eine schematische Schnittansicht eines Führungselements der Ventilnadel mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil.
Preferred embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing:
  • 1 a schematic sectional view of a known gas injector in the closed state,
  • 2 a schematic sectional view of the combustion chamber end of the gas injector of 1 in the open state,
  • 3 a schematic sectional view of a guide element of the valve needle with a particle deflector arranged upstream in terms of flow technology according to a first and second embodiment of the invention in a representation with the valve open and closed and
  • 4 a schematic sectional view of a guide element of the valve needle with a particle deflector arranged upstream in terms of flow according to a third and fourth embodiment of the invention in a representation with the valve open and closed.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 die Erfindung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben.The following is based on the 1 to 4 the invention is described in detail according to various embodiments.

1 zeigt beispielhaft und stark vereinfacht einen Gasinjektor 1 mit einem Magnetaktor 10. Der Magnetaktor 10 umfasst eine Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen axial beweglichen Anker 2, wobei der Magnetaktor 10 allgemein der Betätigung eines Schließelements 6 dient. Der Anker 2 ist mit einer Ventilnadel 4 wirkverbunden, also in jedem Fall in Kontakt bringbar. Die Ventilnadel 4 umfasst dabei an ihrem stromabwärtigen Ende das Schließelement 6, welches eine Durchgangsöffnung 20 an einem Dichtsitz 5 eines Ventilkörpers 21 freigibt und verschließt, wobei das Schließelement 6 beispielsweise als Ventilteller der Ventilnadel 4 ausgeführt ist. Am Dichtsitz 5 kann insofern ein Einblasquerschnitt freigegeben werden. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein als Schraubenfeder ausgebildetes Rückstellelement des Gasinjektors. Das Schließelement 6 ist z.B. mittels einer Ventilfeder 7 in der in 1 gezeigten, geschlossenen Position am Dichtsitz 5 gehalten. 1 shows, by way of example and in a highly simplified manner, a gas injector 1 with a magnetic actuator 10. The magnetic actuator 10 comprises a magnetic coil 3 for acting on an axially movable armature 2, whereby the magnetic actuator 10 generally serves to actuate a closing element 6. The armature 2 is operatively connected to a valve needle 4, i.e. can be brought into contact in any case. The valve needle 4 comprises the closing element 6 at its downstream end, which opens and closes a through-opening 20 on a sealing seat 5 of a valve body 21, whereby the closing element 6 is designed, for example, as a valve disk of the valve needle 4. An injection cross-section can thus be opened at the sealing seat 5. The reference number 8 designates a return element of the gas injector designed as a helical spring. The closing element 6 is, for example, by means of a valve spring 7 in the 1 shown, closed position on the sealing seat 5.

Wenn die Magnetspule 3 bestromt wird, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Schließelements 6 bewegt, was mit dem Pfeil 11 gekennzeichnet ist. Dabei gelangt ein z.B. mit dem Anker 2 verbundener Ankerbolzen 9 zur Anlage mit der Ventilnadel 4, so dass das Schließelement 6 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7 am Dichtsitz 5 abheben kann und die Durchgangsöffnung 20 geöffnet wird. Der Anker 2 wird dabei z.B. bis zu einem Hubanschlag 16 für den Anker 2 bewegt, was den vollständigen Öffnungszustand des Gasinjektors darstellt.When the magnetic coil 3 is energized, a magnetic field is formed, the magnetic force of which moves the armature 2 in the direction of the closing element 6, which is marked with the arrow 11. In this case, an armature bolt 9 connected to the armature 2, for example, comes into contact with the valve needle 4, so that the closing element 6 can lift off the sealing seat 5 against the spring force of the valve spring 7 and the through opening 20 is opened. The armature 2 is moved, for example, up to a stroke stop 16 for the armature 2, which represents the fully open state of the gas injector.

Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurückstellt. Gleichzeitig stellt auch die Ventilfeder 7 das Schließelement 6 in die in 1 gezeigte, geschlossene Position zurück. Bei diesem Ventiltyp handelt es sich insofern aufgrund der Bewegungsrichtung des Schließelements 6 um ein nach außen öffnendes Ventil.To close the gas injector 1, the current supply to the magnetic coil 3 is stopped so that the reset element 8 returns the armature 2 to the 1 At the same time, the valve spring 7 also returns the closing element 6 to the position shown in 1 shown, closed position. Due to the direction of movement of the closing element 6, this valve type is an outward opening valve.

Alternativ zu dem beschriebenen Magnetaktor 10 kann das Schließelement 6 auch mittels eines nicht gezeigten Piezoaktors betätigt werden. Die Ventilnadel 4 kann auch neben einer mechanischen Übersetzung hydraulisch übersetzt nach außen ihre Öffnungsbewegung vollziehen. Ebenso ist es denkbar, die Ventilnadel 4 rein hydraulisch über einen Druckanstieg des einzubringenden Mediums zu öffnen. Daneben sind auch Ausführungsformen mit indirekter Ansteuerung der Ventilnadel 4 über ein Servo-Prinzip realisierbar.As an alternative to the magnetic actuator 10 described, the closing element 6 can also be actuated by means of a piezo actuator (not shown). The valve needle 4 can also perform its opening movement outwards using a hydraulic transmission in addition to a mechanical transmission. It is also conceivable to open the valve needle 4 purely hydraulically via a pressure increase of the medium to be introduced. In addition, embodiments with Indirect control of the valve needle 4 via a servo principle can be realized.

Der Gasinjektor 1 wird mit einem einzublasenden gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, über eine schematisch angedeutete Gaszuleitung 12 versorgt. In der Gaszuleitung 12 ist z.B. ein Drucksensor 13 angeordnet, welcher mit einer Steuereinheit 14 verbunden ist. Mit den Pfeilen 15 ist die Gasströmungsrichtung angedeutet.The gas injector 1 is supplied with a gaseous fuel to be blown in, in particular hydrogen, via a schematically indicated gas supply line 12. In the gas supply line 12, for example, a pressure sensor 13 is arranged, which is connected to a control unit 14. The direction of gas flow is indicated by the arrows 15.

Zur Führung der Ventilnadel 4 in einem Ventilgehäuse, insbesondere auch in dem zum Ventilgehäuse gehörenden Ventilkörper 21, während ihrer Axialbewegung entlang der Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 weist die Ventilnadel 4 wenigstens ein Führungselement 25 auf. In der dargestellten vereinfachten Ausführung besitzt die Ventilnadel 4 zwei Führungselemente 25.To guide the valve needle 4 in a valve housing, in particular also in the valve body 21 belonging to the valve housing, during its axial movement along the axial direction X-X of the gas injector 1, the valve needle 4 has at least one guide element 25. In the simplified embodiment shown, the valve needle 4 has two guide elements 25.

In der 2 ist der stromabwärtige Endbereich des Gasinjektors 1 zum besseren Verständnis der Erfindung als Teilansicht vergrößert dargestellt. Dabei ist ein unteres, stromabwärtiges Führungselement 25 zu sehen, das entweder einteilig mit der Ventilnadel 4 ausgebildet ist oder auf deren Schaft sicher und fest angebracht ist. Die präzise Führung der Ventilnadel 4 im Ventilkörper 21 während ihrer Axialbewegung erfolgt über eine umfängliche Führungsfläche 26, die zur verklemmfreien Führung exakt gearbeitet ist. Im Führungselement 25 ist wenigstens eine Durchströmöffnung 27 vorgesehen; im Normalfall sind zwischen drei und zehn Durchströmöffnungen 27 ausgeformt.In the 2 the downstream end region of the gas injector 1 is shown enlarged as a partial view for a better understanding of the invention. A lower, downstream guide element 25 can be seen, which is either formed in one piece with the valve needle 4 or is securely and firmly attached to its shaft. The precise guidance of the valve needle 4 in the valve body 21 during its axial movement takes place via a circumferential guide surface 26, which is precisely machined for jam-free guidance. At least one flow opening 27 is provided in the guide element 25; normally between three and ten flow openings 27 are formed.

Die Führungen der Ventilnadel 4 sind aufgrund ihrer essenziellen Zentrierfunktion des Dichtsitzes 5 als auch zur Vermeidung von Lagerverkippungen mit entsprechender Verschleißneigung grundsätzlich mit sehr kleinen Führungsspielen auszulegen. Für eine gute Zentrierung der Ventilnadel 4 und eine möglichst große Anlagefläche zur Reduzierung des Verschleißes ist die Führungsfläche 26 üblicherweise umlaufend zu gestalten.The guides of the valve needle 4 are generally designed with very small guide clearances due to their essential centering function of the sealing seat 5 and to avoid bearing tilting with the corresponding tendency to wear. To ensure good centering of the valve needle 4 and the largest possible contact surface to reduce wear, the guide surface 26 is usually designed to be circumferential.

Nachteilig bei einer derartigen Gestaltung der Nadelführung kann sein, dass durch die umlaufend geschlossene Führungsfläche 26 Partikel im gasförmigen Brennstoff, die von stromaufwärts im Gasinjektor 1 hin zum Führungsbereich gelangen, in den engen Führungsspalt gedrückt werden und eingeklemmt werden. Die Folge können mechanische Klemmer durch Verkanten und/oder adhäsive und abrasive Verschleißerscheinungsformen bis zur Fressneigung sein. Insbesondere bei trocken laufenden Führungen ist dies besonders kritisch.A disadvantage of such a design of the needle guide can be that the circumferentially closed guide surface 26 forces particles in the gaseous fuel that reach the guide area from upstream in the gas injector 1 into the narrow guide gap and become jammed. The result can be mechanical jamming due to tilting and/or adhesive and abrasive wear phenomena up to the tendency to seize. This is particularly critical in the case of dry-running guides.

Unterbrochene Führungen, bei denen Flächenanschliffe oder Aussparungen im Führungsbereich die Durchströmung realisieren, sind alternativ zu geschlossenen Führungen bekannt. Diese Art der Führungsgestaltung bietet zwar die Möglichkeit, dass Partikel im Gas durch aufgrund der Anschliffe gebildete Strömungstaschen hindurchströmen, weshalb hier ein Klemmen weitgehend ausgeschlossen ist. Nachteilig ist allerdings bei einer solchen Lösung, dass die Mantelfläche, die zur Darstellung der Führungseigenschaften bleibt, deutlich verkleinert wird und Verkippungen auftreten können.Interrupted guides, in which surface grindings or recesses in the guide area create the flow, are known as an alternative to closed guides. This type of guide design does offer the possibility of particles in the gas flowing through flow pockets formed by the grindings, which is why jamming is largely ruled out. The disadvantage of such a solution, however, is that the surface area that remains to represent the guide properties is significantly reduced and tilting can occur.

Zur Vermeidung, dass Partikel in den Führungsbereich bei einer Führung mit umlaufend geschlossener Führungsfläche 26, wie sie in 2 dargestellt ist, gelangen, wird nun als Kern der Erfindung ein strömungsmechanisches Designelement vorgeschlagen, welches die Strömung von dem Führungskontaktbereich und damit auch die Partikel infolge ihrer Massenträgheit fernhält.To prevent particles from entering the guide area in a guide with a circumferentially closed guide surface 26, as in 2 shown, a fluid mechanical design element is now proposed as the core of the invention, which keeps the flow away from the guide contact area and thus also the particles due to their mass inertia.

Erfindungsgemäß wird deshalb eine Designlösung beschrieben, die eine große umlaufende Führungsfläche 26 besitzt und bei der trotzdem zugleich ein Abtransport von Partikeln ermöglicht ist. In besonders vorteilhafter Weise ist im Inneren des Gasinjektors 1 dem wenigstens einem Führungselement 25 ein Partikelabweiser 28, 29, 30, 31 strömungstechnisch vorgeschaltet, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche 26 des Führungselements 25 ferngehalten werden.According to the invention, a design solution is therefore described which has a large circumferential guide surface 26 and which nevertheless enables the removal of particles. In a particularly advantageous manner, a particle deflector 28, 29, 30, 31 is arranged fluidically upstream of the at least one guide element 25 inside the gas injector 1, which ensures that particles are kept away from the circumferential guide surface 26 of the guide element 25.

In der 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Führungselements 25 der Ventilnadel 4 mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser 28, 29 gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil gezeigt. Dabei zeigt die linke Seite der 3 den Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei geschlossenem Ventil, während auf der rechten Seite der 3 der Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei vollständig geöffnetem Ventil dargestellt ist. Mit dem Doppelpfeil 35 ist insofern das Maß für den gesamten Ventilnadelhub angezeigt.In the 3 is a schematic sectional view of a guide element 25 of the valve needle 4 with a particle deflector 28, 29 arranged upstream of the valve in accordance with a first and second embodiment of the invention in a representation with the valve open and closed. The left side of the 3 the state of the valve needle 4 with the guide element 25 when the valve is closed, while on the right side the 3 the state of the valve needle 4 with the guide element 25 is shown when the valve is completely open. The double arrow 35 shows the dimension for the entire valve needle stroke.

Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der 3 sind des Weiteren auch noch zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelabweisers dargestellt. Dabei zeigt die 3 auf der linken Seite eine Ausführungsform des Partikelabweisers 28, der einteilig zusammen mit dem Ventilkörper 21 oder einem anderen Abschnitt des Ventilgehäuses mit ausgeformt ist. Der Partikelabweiser 28 ist dabei ein Bauteilabschnitt, der z.B. mit einer Schräge nach innen zur Ventilachse X-X verlaufend eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend verläuft. Auf diese Weise wird die mit Pfeilen 32 gekennzeichnete Fluidströmung zur Ventilachse X-X und damit zu den Durchströmöffnungen 27 hin geleitet.In addition to the representation of the two maximum motion states of the valve needle 4 together in the 3 Furthermore, two different embodiments of the particle deflector according to the invention are shown. The 3 on the left side an embodiment of the particle deflector 28, which is formed in one piece together with the valve body 21 or another section of the valve housing. The particle deflector 28 is a component section which, for example, has an inner opening for the flow of the gaseous fuel with a slope running inwards towards the valve axis XX, which opening tapers conically. In this way, the fluid flow marked with arrows 32 is directed towards the valve axis XX and thus to the flow openings 27.

Des Weiteren werden durch den Aufbau eines radialen Druckgefälles infolge Beschleunigung durch die düsenartige Verengung des Partikelabweisers 28 die Partikel tendenziell in Richtung der nadelseitigen Durchströmöffnungen 27 ausgelenkt, da im Führungsbereich der Führungsfläche 26 ein höherer statischer Druck vorherrscht als im Hauptströmungsfeld (Bernoulli-Effekt). Zur weiteren Verstärkung dieses Effektes kann zusätzlich ein sehr kleiner Druckausgleichspfad 33, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist, integriert werden. Dieser Druckausgleichspfad 33 kann z.B. eine mittels Laser ausgeformte Nut sein. Der Druckausgleichspfad 33 kann am Strömungsbeginn des Partikelabweisers 28 den höheren statischen Druck oberhalb stromaufwärts des Partikelabweisers 28 „anzapfen“. Im Bereich zwischen dem Partikelabweiser 28 und dem Führungselement 25 herrscht damit ein höherer Druck als im radial inneren Bereich des Übergangs der durchmesserverkleinerten Öffnung des Partikelabweisers 28 zu den Durchströmöffnungen 27 hin, so dass ein Abströmen von Partikeln nach radial außen zum Führungsbereich hin ausgeschlossen werden kann. Alternativ zu einem einzigen Druckausgleichspfad 33 können auch mehrere Druckausgleichspfade 33 über den Umfang verteilt vorgesehen sein.Furthermore, the build-up of a radial pressure gradient as a result of acceleration through the nozzle-like constriction of the particle deflector 28 causes the particles to be deflected in the direction of the needle-side flow openings 27, since a higher static pressure prevails in the guide area of the guide surface 26 than in the main flow field (Bernoulli effect). To further enhance this effect, a very small pressure equalization path 33, which is smaller than the particles to be held back with their corresponding particle sizes, can also be integrated. This pressure equalization path 33 can, for example, be a groove formed by a laser. The pressure equalization path 33 can "tap" the higher static pressure above upstream of the particle deflector 28 at the start of the flow of the particle deflector 28. In the area between the particle deflector 28 and the guide element 25, there is therefore a higher pressure than in the radially inner area of the transition from the reduced-diameter opening of the particle deflector 28 to the flow openings 27, so that a flow of particles radially outward to the guide area can be excluded. As an alternative to a single pressure equalization path 33, several pressure equalization paths 33 can also be provided distributed over the circumference.

Wie in der 3 auf der rechten Seite gezeigt, kann der Partikelabweiser 29 auch ein eigenständiges Bauteil sein, das also optional in einem speziell dafür z.B. mit Aufnahmeschultern ausgestalteten Abschnitt des Ventilkörpers 21 einsetzbar und dort befestigbar ist und dabei die gleiche Funktionalität wie zuvor beschrieben besitzt.Like in the 3 As shown on the right-hand side, the particle deflector 29 can also be an independent component, which can therefore optionally be inserted and fastened in a section of the valve body 21 specially designed for this purpose, e.g. with receiving shoulders, and has the same functionality as previously described.

Der maximale Austrittsdurchmesser der inneren Öffnung des Partikelabweisers 28, 29 sollte nicht größer sein als die maximale radiale Ausdehnung der Durchströmöffnungen 27, so dass ein optimaler Strömungsübergang gewährleistet ist.The maximum outlet diameter of the inner opening of the particle deflector 28, 29 should not be larger than the maximum radial extent of the flow openings 27, so that an optimal flow transition is ensured.

In der 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Führungselements 25 der Ventilnadel 4 mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser 30, 31 gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil gezeigt. Dabei zeigt die linke Seite der 4 den Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei geschlossenem Ventil, während auf der rechten Seite der 4 der Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei vollständig geöffnetem Ventil dargestellt ist. Mit dem Doppelpfeil 35 ist insofern das Maß für den gesamten Ventilnadelhub angezeigt.In the 4 is a schematic sectional view of a guide element 25 of the valve needle 4 with a particle deflector 30, 31 arranged upstream of the valve in accordance with a third and fourth embodiment of the invention in a representation with the valve open and closed. The left side of the 4 the state of the valve needle 4 with the guide element 25 when the valve is closed, while on the right side the 4 the state of the valve needle 4 with the guide element 25 is shown when the valve is completely open. The double arrow 35 shows the dimension for the entire valve needle stroke.

Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der 4 sind des Weiteren auch noch zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelabweisers dargestellt. Dabei zeigt die 4 auf der linken Seite eine Ausführungsform des Partikelabweisers 30, der einteilig zusammen mit dem Ventilkörper 21 oder einem anderen Abschnitt des Ventilgehäuses mit ausgeformt ist. Der Partikelabweiser 30 ist dabei ein Bauteilabschnitt, der z.B. mit einer Schräge nach innen zur Ventilachse X-X verlaufend eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend verläuft. Auf diese Weise wird die mit Pfeilen 32 gekennzeichnete Fluidströmung zur Ventilachse X-X und damit zu den Durchströmöffnungen 27 hin geleitet. Der strömungsmechanische Effekt ergibt sich auch an den beiden in 4 dargestellten Ausführungsbeispielen wie zuvor zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen gemäß 3 beschrieben.In addition to the representation of the two maximum motion states of the valve needle 4 together in the 4 Furthermore, two different embodiments of the particle deflector according to the invention are shown. The 4 on the left side, an embodiment of the particle deflector 30, which is formed in one piece together with the valve body 21 or another section of the valve housing. The particle deflector 30 is a component section which, for example, has an inner opening for the flow of the gaseous fuel with a slope running inwards towards the valve axis XX, which tapers conically. In this way, the fluid flow marked with arrows 32 is directed towards the valve axis XX and thus towards the flow openings 27. The fluid mechanical effect also arises at the two in 4 illustrated embodiments as before to the first two embodiments according to 3 described.

Zur weiteren Verstärkung des aufgrund der geometrischen Auslegung erzielten Bernoulli-Effektes kann auch zusätzlich wieder ein sehr kleiner Druckausgleichspfad 33, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist, oder können mehrere derartige Druckausgleichspfade 33 integriert werden. Auf der linken Seite der 4 ist dies angedeutet.To further enhance the Bernoulli effect achieved due to the geometric design, a very small pressure equalization path 33, which is smaller than the particles to be held back with their corresponding particle sizes, or several such pressure equalization paths 33 can be integrated. On the left side of the 4 this is indicated.

Die beiden Ausführungsvarianten der 4 zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Partikelabweiser 30, 31 einen stromabwärtigen dünnwandigen Ringkragen 36 aufweist. Dieser zum Führungselement 25 hin gerichtete Ringkragen 36 stellt kreisringzylindrischen Hubüberdeckungsvorsatz dar, der in einen ebenfalls dünnwandigen, stromaufwärts gerichteten, ringkragenförmigen Fortsatz 37 des Führungselements 25 und damit der axial beweglichen Ventilnadel 4 eintaucht. Der Ringkragen 36 des Partikelabweisers 30, 31 und der Fortsatz 37 des Führungselements 25 weisen dabei eine große axiale Überdeckungslänge auf. Insbesondere bei großen Nadelhüben wird ein Eindringen der Partikel in den Führungsbereich damit sehr wirkungsvoll vermieden. Diese vorteilhafte Bauart besitzt insofern die Struktur einer Labyrinthdichtung.The two versions of the 4 are characterized in particular by the fact that the particle deflector 30, 31 has a downstream thin-walled ring collar 36. This ring collar 36, which is directed towards the guide element 25, represents a circular-cylindrical stroke overlap attachment which dips into a likewise thin-walled, upstream-directed, ring-collar-shaped extension 37 of the guide element 25 and thus the axially movable valve needle 4. The ring collar 36 of the particle deflector 30, 31 and the extension 37 of the guide element 25 have a large axial overlap length. In particular with large needle strokes, the penetration of particles into the guide area is thus very effectively prevented. This advantageous design has the structure of a labyrinth seal.

Wie in der 4 auf der rechten Seite gezeigt, kann der Partikelabweiser 31 auch ein eigenständiges Bauteil sein, das also optional in einem speziell dafür z.B. mit Aufnahmeschultern ausgestalteten Abschnitt des Ventilkörpers 21 einsetzbar und dort befestigbar ist und dabei die gleiche Funktionalität wie zuvor beschrieben besitzt.Like in the 4 As shown on the right-hand side, the particle deflector 31 can also be an independent component, which can therefore optionally be inserted and fastened in a section of the valve body 21 specially designed for this purpose, e.g. with receiving shoulders, and has the same functionality as previously described.

Der maximale Austrittsdurchmesser der inneren Öffnung des Partikelabweisers 30, 31 im Bereich des Ringkragens 36 sollte nicht größer sein als die maximale radiale Ausdehnung der Durchströmöffnungen 27, so dass ein optimaler Strömungsübergang gewährleistet ist.The maximum outlet diameter of the inner opening of the particle deflector 30, 31 in the area of the ring collar 36 should not be larger than the maximum radial extent of the flow openings 27 so that an optimal flow transition is ensured.

Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass beliebige Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Merkmale möglich sind.For all described embodiments, it should be noted that any combination of the features shown in the embodiments is possible.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102020201973 A1 [0003]DE 102020201973 A1 [0003]

Claims (11)

Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend: - ein betätigbares Schließelement (6), welches eine Durchgangsöffnung (20) an einem Dichtsitz (5) eines Ventilkörpers (21) freigibt und verschließt, wobei das Schließelement (6) als Teil einer Ventilnadel (4) ausgeführt ist, - wenigstens ein Führungselement (25) zur Führung der Ventilnadel (4) in einem Ventilgehäuse (21) während ihrer Axialbewegung entlang einer Axialrichtung X-X, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einem Führungselement (25) ein Partikelabweiser (28, 29, 30, 31) strömungstechnisch vorgeschaltet ist, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche (26) des Führungselements (25) ferngehalten werden.Gas injector for blowing in a gaseous medium, in particular hydrogen, comprising: - an actuatable closing element (6) which opens and closes a through-opening (20) on a sealing seat (5) of a valve body (21), wherein the closing element (6) is designed as part of a valve needle (4), - at least one guide element (25) for guiding the valve needle (4) in a valve housing (21) during its axial movement along an axial direction XX, characterized in that a particle deflector (28, 29, 30, 31) is fluidically connected upstream of the at least one guide element (25), which ensures that particles are kept away from the circumferential guide surface (26) of the guide element (25). Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabweiser (28, 30) einteilig zusammen mit dem Ventilgehäuse (21) mit ausgeformt ist.Gas injector according to Claim 1 , characterized in that the particle deflector (28, 30) is formed in one piece together with the valve housing (21). Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabweiser (29, 31) ein eigenständiges Bauteil darstellt und in einem dafür ausgestalteten Abschnitt des Ventilgehäuses (21) einsetzbar und dort befestigbar ist.Gas injector according to Claim 1 , characterized in that the particle deflector (29, 31) represents an independent component and can be inserted into a section of the valve housing (21) designed for this purpose and can be fastened there. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabweiser (28, 29, 30, 31) eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend in Strömungsrichtung verläuft.Gas injector according to one of the preceding claims, characterized in that the particle deflector (28, 29, 30, 31) has an inner opening for the flow of the gaseous fuel, which tapers conically in the direction of flow. Gasinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Druckausgleichspfad (33) vorgesehen ist, der radial auf einem größeren Durchmesser ausgeformt sind als die Öffnungsweite der inneren Öffnung des Partikelabweisers (28, 29, 30, 31).Gas injector according to Claim 4 , characterized in that at least one pressure equalization path (33) is provided, which is radially formed on a larger diameter than the opening width of the inner opening of the particle deflector (28, 29, 30, 31). Gasinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druckausgleichspfad (33) derart angeordnet ist, dass in einer Strömungsverbindung im Bereich zwischen dem Partikelabweiser (28) und dem Führungselement (25) ein höherer Fluiddruck herrscht als im Austrittsbereich der inneren Öffnung des Partikelabweisers (28, 29, 30, 31).Gas injector according to Claim 4 , characterized in that the at least one pressure equalization path (33) is arranged such that in a flow connection in the region between the particle deflector (28) and the guide element (25) a higher fluid pressure prevails than in the outlet region of the inner opening of the particle deflector (28, 29, 30, 31). Gasinjektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite der Druckausgleichspfade (33) kleiner ist als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen.Gas injector according to Claim 5 or 6 , characterized in that the opening width of the pressure equalization paths (33) is smaller than the particles to be kept out with their corresponding particle sizes. Gasinjektor nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druckausgleichspfad (33) eine mittels Laser ausgeformte Nut ist.Gas injector according to Claim 5 , 6 or 7 , characterized in that the at least one pressure equalization path (33) is a groove formed by means of a laser. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabweiser (30, 31) einen stromabwärtigen dünnwandigen Ringkragen (36) aufweist und das Führungselement (25) der Ventilnadel (4) einen dünnwandigen, stromaufwärts gerichteten, ringkragenförmigen Fortsatz (37) des Führungselements (25) besitzt, wobei der Ringkragen (36) radial innerhalb des Fortsatzes (37) eintaucht.Gas injector according to one of the preceding claims, characterized in that the particle deflector (30, 31) has a downstream thin-walled annular collar (36) and the guide element (25) of the valve needle (4) has a thin-walled, upstream-directed, annular collar-shaped extension (37) of the guide element (25), wherein the annular collar (36) dips radially inside the extension (37). Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch kennzeichnet, dass der maximale Austrittsdurchmesser einer inneren Öffnung des Partikelabweisers (28, 29, 30, 31) nicht größer ist als die maximale radiale Ausdehnung von Durchströmöffnungen (27), die im Führungselement (25) eingebracht sind.Gas injector according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum outlet diameter of an inner opening of the particle deflector (28, 29, 30, 31) is not greater than the maximum radial extent of flow openings (27) which are introduced into the guide element (25). Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch kennzeichnet, dass das Schließelement (6) ein nach außen öffnendes Schließelement (6) ist.Gas injector according to one of the preceding claims, characterized in that the closing element (6) is an outward-opening closing element (6).
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