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
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 von1 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.
-
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 of1 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
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
Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in
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
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
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
In der
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
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
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
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
In der
Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der
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
Wie in der
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
In der
Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der
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
Die beiden Ausführungsvarianten der
Wie in der
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
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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