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Die Erfindung betrifft einen Injektor, wie er zur dosierten Abgabe von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff Verwendung findet, insbesondere, um Brennstoff direkt in einen Brennraum oder den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine abzugeben.
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Stand der Technik
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Zum Betreiben von Verbrennungsmotoren wird der benötigte gasförmige oder flüssige Brennstoff entweder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine oder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eindosiert. Bei der direkten Eindosierung in den Brennraum muss der Brennstoff durch einen Injektor sehr genau zum gewünschten Zeitpunkt und in der richtigen Menge abgeben werden. Der Injektor weist 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 ein kolbenförmiges Ventilelement auf, das längsverschiebbar im Gehäuse des Injektors angeordnet ist. Das Ventilelement ist von einem Schmierstoffraum umgeben, der durch einen Wellbalg gegen einen Brennstoffraum abgedichtet ist, durch den der Brennstoff zur Dosieröffnung strömt. Der Schmierstoff sichert eine reibungsarme Bewegung des Ventilelements und damit eine über Lebensdauer präzise Dosierung des Brennstoffs.
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Bei Injektoren mit einem nach außen öffnenden Ventilelement bewegt sich dieses bei der Öffnungshubbewegung aus dem Gehäuse hinaus, wobei der vom Wellbalg begrenzte Schmierstoffraum vergrößert wird. Bei der anschließenden Schließbewegung verkleinert sich der Schmierstoffraum entsprechend wieder. Diese Größenänderung wird durch den Wellbalg ermöglicht, der in Längsrichtung flexibel ist und mit einem Ende fest mit dem Ventilelement verbunden ist. Da der Schmierstoff flüssig und damit inkompressibel ist, muss jedoch ein Ausgleichsraum vorhanden sein, um den aus dem Schmiermittelraum verdrängten Schmierstoff aufzunehmen und anschließend wieder abzugeben.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zur Abgabe von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff weist den Vorteil auf, dass ein Ausgleichsraum in einfacher Weise ausgestaltet ist und damit die Funktion des Injektors über Lebensdauer sichergestellt ist. Dazu weist der Injektor ein Gehäuse auf, in dem ein mit dem Brennstoff befüllbarer Brennstoffraum ausgebildet ist und in dem ein kolbenförmiges Ventilelement angeordnet ist, das mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Dosieröffnung des Brennstoffraums zusammenwirkt. Dabei ist das Ventilelement durch einen Aktor gegen die Kraft einer Schließfeder in einer Öffnungsrichtung bewegbar und zumindest abschnittsweise von einem Wellbalg umgeben, der einen Schmierstoffraum begrenzt, in dem ein Schmierstoff zur Schmierung des Ventilelements vorhanden ist. Weiter ist im Gehäuse ein mit dem Schmierstoffraum verbundener Ausgleichsraum ausgebildet, wobei der Ausgleichsraum teilweise mit dem Schmierstoff und teilweise mit einem Gas befüllt ist.
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Bei der Öffnungsbewegung des Ventilelements in Längsrichtung wird der Wellbalg verlängert, da nur ein Ende des Wellbalgs mit dem Ventilelement verbunden ist, um die Beweglichkeit des Ventilelements zu ermöglichen und gleichzeitig die Abdichtung des Schmierstoffraums sicherzustellen. Dabei ändert sich das Volumen des Schmierstoffraums im Bereich des Wellbalgs. Da der Schmierstoff flüssig und deshalb weitgehend inkompressibel ist, muss Schmierstoff aus einem Ausgleichsraum nachfließen. Umgekehrt verkleinert sich das Volumen bei der Schließbewegung, und das Differenzvolumen muss aus diesem Teil des Schmierstoffraums in den Ausgleichsraum abfließen können. Der Ausgleichsraum muss also ein gewisses Volumen an Schmierstoff während der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilelements aufnehmen bzw. abgeben. Durch das Gas im Schmierstoffraum ist die dafür notwendige Elastizität hergestellt, da der in den Schmierstoffraum einfließende Schmierstoff das Gas komprimiert und sich das Gas bei abfließendem Schmierstoff wieder entsprechend ausdehnt, wobei auch ein durch die Kompression des Gases bedingter Druck auf den Schmierstoff ausgeübt wird. Auch Volumenänderungen des Schmierstoffs aufgrund von Temperaturänderungen können durch die Verbindung mit dem Ausgleichsraum kompensiert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verbindung zwischen dem Schmierstoffraum und dem Ausgleichsraum ein Verbindungsrohr, das in den Ausgleichsraum hineinragt. Dabei ist in vorteilhafter Weise stets so viel Schmierstoff im Ausgleichsraum vorhanden, dass die Rohröffnung des Verbindungsrohrs vom Schmierstoff bedeckt ist. Da das Gas der Schwerkraft folgend nach oben steigt, ist bei einem ausreichend befüllten Schmierstoffraum sichergestellt, dass kein Gas in das Verbindungsrohr und damit in den Bereich des Schmierstoffraums im Düsenkörper gelangt, unabhängig von der Orientierung des Injektors. Andernfalls könnte die Schmierung des Ventilelements beeinträchtigt werden und es in der Folge zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Ausgleichsraum eine Membran angeordnet, die den Ausgleichsraum in zwei gegeneinander abgedichtete Bereiche unterteilt, wobei in dem mit dem Schmierstoffraum verbundenen Bereich Schmierstoff und im anderen Bereich Gas vorhanden ist. Die Funktion ist identisch zu der Ausführungsform ohne Membran, jedoch wird schon durch die Membran eine Vermischung von Schmierstoff und Gas verhindert und damit ein Eindringen von Gas in den Schmierstoffraum. In vorteilhafter Weise kann die Membran dabei durch den Druck im Schmierstoffraum in das Gas vorgespannt sein, d.h., die Membran ragt konvex in das Gasvolumen hinein, um eine Vorspannung und damit einen gewissen Druck im Schmierstoff zu erzeugen und eine sichere Befüllung des Schmierstoffraums sicherzustellen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist im Ausgleichsraum nur Schmierstoff und Gas vorhanden. Weitere Medien, etwa zur Trennung dieser beiden Medien, sind nicht notwendig.
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Der Schmierstoff ist in vorteilhafter Weise flüssig. Insbesondere kann ein Schmieröl als Schmierstoff verwendet werden, das die notwendigen Schmiereigenschaften aufweist, um eine reibungsarme Bewegung des Ventilelements zu bewirken.
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Zeichnung
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor und
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Injektor nur im Bereich des Ausgleichsraums gezeigt ist gemäß dem Ausschnitt II in 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor im Längsschnitt dargestellt, wie er zur dosierten Abgabe von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff verwendbar ist. Der Injektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen mehrteiligen Ventilkörper 2, ein Mantelrohr 3 und einen Düsenkörper 4 umfasst. Der Ventilkörper 2 ist ebenfalls mehrteilig aufgebaut, wobei die einzelnen Teilkörper gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind, und erstreckt sich bin zum Düsenkörper 4, der das brennraumseitige Ende des Injektors bildet. Zwischen ist dem Mantelrohr 3, der den Ventilkörper 2 umgibt, ist ein Brennstoffraum 5 ausgebildet, der über einen im Ventilkörper 2 ausgebildeten Brennstoffeinlass 13 mit Brennstoff befüllt werden kann. Der Brennstoffraum 5 erstreckt sich bis in den Düsenkörper 4, in dem ein kolbenförmiges Ventilelement 6 längsverschiebbar angeordnet ist, das aus dem Düsenkörper 4 hinausragt und einen Ventilteller 106 mit einer Dichtfläche 8 aufweist. Die Dichtfläche 8 wirkt mit einem am Düsenkörper 4 ausgebildeten Ventilsitz 7 zum Öffnen und Schließen einer ringförmigen Dosieröffnung 9 zusammen, die durch die Längsbewegung des Ventilelements 6 zwischen dem Ventilsitz 7 und der Dichtfläche 8 aufgesteuert wird.
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Das dem Ventilsitz 7 abgewandte Ende des Ventilelements 6 ist in einer Führungshülse 15 aufgenommen, zwischen der und einem Stützteil 14 eine Schließfeder 16 unter Druckvorspannung eingespannt ist. Durch die Schließfeder 16 wird eine Schließkraft auf das Ventilelement 6 in Richtung der Schließstellung ausgeübt, in der die Dichtfläche 8 in Anlage am Ventilsitz 7 ist. An der Führungshülse 15 liegt dem Ventilelement 6 abgewandt ein Bolzen 17 an, der mit einem Magnetanker 21 verbunden ist und mit einem Dämpfungselement 18 zusammenwirkt, um das Aufsetzen der Dichtfläche 8 auf dem Ventilsitz 7 abzubremsen und damit die mechanische Belastung in diesem Bereich und auch die Geräuschentwicklung zu mindern. Auf Höhe des Bolzens 17 ist ein Aktor in Form eines Elektromagneten 20 im Ventilkörper 2 angeordnet, der bei Bestromung eine Längskraft auf den Magnetanker 21 ausübt und damit über den Bolzen 17 auch auf das Ventilelement 6, um dieses gegen die Kraft der Schließfeder 16 in Öffnungsrichtung aus dem Düsenkörper 4 heraus zu drücken und die Dosieröffnung 9 aufzusteuern. Dabei wird der Elektromagnet 20 durch einen elektrischen Anschluss 19 mit der notwendigen elektrischen Spannung von einer nicht dargestellten Stromquelle versorgt.
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Das Ventilelement 6 ist innerhalb des Düsenkörpers 4 von einem Wellbalg 11 umgeben, der an seinem ventilsitzseitigen Ende durch eine Schweißverbindung 12 flüssigkeitsdicht mit dem Ventilelement 6 und am anderen Ende mit dem Ventilkörper 2 verbunden ist. Der Wellbalg 11 begrenzt einen das Ventilelement 6 umgebenden Schmierstoffraum 10, der sich an der Führungshülse 15 und dem Bolzen 17 vorbei bis in einen Ausgleichsraum 23 im Ventilkörper 2 erstreckt. Dabei wird die Verbindung von Schmierstoffraum 10 zum Ausgleichsraum 23 durch ein Verbindungsrohr 26 gebildet, das in den Ausgleichsraum 23 hineinragt, in diesem Ausführungsbeispiel etwa bis zur Mitte des Ausgleichsraums 23. Um die Führung des Ventilelements 6 in der Führungshülse 15 und auch die anderen Stellen des Ventilelements 6, wo Reibung zwischen Bauteilen auftritt, weitgehend reibungsfrei zu halten, ist der Schmierstoffraum 10 mit einem Schmierstoff befüllt. Der Schmierstoff kann beispielsweise ein Schmieröl sein, etwa ein mineralisches Schmieröl mit relativ niedriger Viskosität. In den Schmierstoffraum 10 und den damit verbundenen Ausgleichsraum 23 wird soviel Schmierstoff 24 gefüllt, dass der Schmierstoffraum 10 zu einem großen Teil - aber nicht völlig - mit Schmierstoff befüllt ist und neben dem Schmierstoff noch Gas im Ausgleichsraum 23 vorhanden ist. Im fertig montierten Injektor ist der Schmierstoffraum 10 und Ausgleichsraum 23 nach außen abgedichtet, so dass sich der Schmierstoff nicht mit dem Brennstoff vermischt.
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Die Funktionsweise des Injektors ist wie folgt: Im Injektor ist der Brennstoffraum 5 mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff gefüllt, der dort unter Einspritzdruck anliegt. Zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist der Elektromagnet 20 stromlos, so dass die Schließfeder 16 das Ventilelement 6 mit dem Ventilteller 106 gegen den Ventilsitz 7 drückt und den Brennstoffraum 5 verschließt. Soll Brennstoff abgegeben werden, so wird der Elektromagnet 20 bestromt und seine Magnetkraft zieht den Magnetanker 21 gegen die Kraft der Schließfeder 16 in Richtung des Ventilsitzes 7, wodurch das Ventilelement 6 nach außen in seine Öffnungsposition gedrückt wird. Dabei wird die Dosieröffnung 9 zwischen dem Ventilsitz 7 und dem Ventilteller 106 aufgesteuert und Brennstoff tritt aus dem Brennstoffraum 5 aus, beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Bei der Öffnungsbewegung des Ventilelements 6 wird der Wellbalg 11 verlängert, was den Schmierstoffraum 10 vergrößert. Zum Ausgleich fließt Schmierstoff aus dem Ausgleichsraum 23 in den Schmierstoffraum 10, wobei sich das Gas 25 im Ausgleichsraum 23 entsprechend ausdehnt. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung des Elektromagneten 20 unterbrochen und die Schließfeder 16 drückt das Ventilelement 6 wieder zurück in seine Schließstellung. Der Wellbalg 11 verkürzt sich dabei wieder und verkleinert so den Schmierstoffraum 10, was die entsprechende Schmierstoffmenge zurück in den Ausgleichsraum 23 drückt, wobei das Gas dort komprimiert wird, um die zusätzliche Schmierstoffmenge auszugleichen.
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Durch die Position des Verbindungsrohrs in der Mitte des Ausgleichsraums 23 ist bei einer entsprechenden Befüllung mit Schmierstoff 24 sichergestellt, dass das Gas 25 nicht in das Verbindungsrohr 26 und damit nicht in den Schmierstoffraum 10 gelangt, unabhängig von der Lage des Injektors bezüglich der Schwerkraft. In der 1 ist das Gas 25 zur Illustration auf der linken Seite gezeigt, wo es sich bei einem seitlich um 90° gedrehten Injektor sammeln würde.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, der sich nur durch die Ausgestaltung des Ausgleichsraums 23 vom vorherigen Ausführungsbeispiel unterscheidet, weshalb nur dieser Bereich des Injektors im Längsschnitt gezeigt ist, der in 1 mit II bezeichnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Gas 25 und Schmierstoff 24 im Ausgleichsraum 23 durch eine Membran 30 getrennt, die aus einem flexiblen, brennstofffesten Material besteht. Die Funktion ist identisch zu dem in 1 dargestellten Injektor, jedoch drückt der in den Ausgleichsraum 23 strömende Schmierstoff hier die Membran 30 in das Gas 25, wobei sich die Membran 30 konvex verformt. Da die Membran 30 flexibel ist, kann sie zusätzlich zum Druck des Gases 25 einen gewissen Druck auf den Schmierstoff ausüben, um diesen stets im Schmierstoffraum 10 zu halten. Bei Verwendung der Membran 30 kann das Verbindungsrohr 26 entfallen, da hier unabhängig von der Schmierstoffmenge im Ausgleichsraum 23 eine Vermischung von Gas und Schmierstoff in jeder Lage des Injektors verhindert wird.
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Neben dem Ausgleich des Schmierstoffvolumens bei der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilelements 6 dient der Ausgleichsraum 23 auch dazu, Volumenänderungen des Schmierstoffs durch thermische Ausdehnung des Schmierstoffs oder der begrenzenden Bauteile auszugleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021200689 A1 [0002]
