DE60021578T2

DE60021578T2 - Gastreibstoff-Injektor

Info

Publication number: DE60021578T2
Application number: DE60021578T
Authority: DE
Inventors: Roman Pittsford Press
Original assignee: Quantum Fuel Systems LLC
Current assignee: Quantum Fuel Systems LLC
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: ATE300671T1; HK1047155A1; HK1047155B; DE60021578D1; ES2246216T3; EP1193387B1; EP1193387A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gastreibstoff-Injektoren für Antriebssysteme und insbesondere auf einen solchen Injektor mit einem elektromagnetischen Solenoid mit einem flachen Anker, der ein Ventil für den Injektor bildet.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Gastreibstoff-Einspritzsysteme werden üblicherweise für die Kraftstoffzufuhr für Motoren eingesetzt. Diese Systeme arbeiten im Allgemeinen mit einem Kugelventil, das an einem Zapfen angebracht ist, der sich im mittleren Teil des Elektromagneten oder Solenoids bewegt. Ein derartiger typischer Treibstoffinjektor nach dem Stand der Technik ist in US-Patent Nr. 5.775.599 beschrieben, das am 7. Juli 1998 an Smith et al. erteilt und an Impco Technologies Inc., den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, übertragen worden ist. Damit solche Systeme effektiv funktionieren können, muss der Treibstoff genügend Schmierwirkung besitzen, um ein Festfressen des Kolbens im Betrieb zu verhindern. Bei flüssigem Treibstoff ist diese Schmierung ohne weiteres gegeben, aber bei gasförmigem Treibstoff muss man sich auf Spuren von Verdichteröl verlassen. In Anbetracht der Forderung nach höherer Reinheit von gasförmigen Treibstoffen werden heute überwiegend Verdichter benutzt, die kein Öl als Schmiermittel verwendet, wodurch die Einbringung dieses Schmiermittels in den Treibstoff entfällt. Der Wegfall des Schmiermittels hat jedoch zu einer Verschlechterung der Leistung typischer Gastreibstoff-Injektoren nach dem Stand der Technik geführt.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Gastreibstoff-Injektor mit einem flachen Solenoid-Anker entwickelt worden, der direkt auf einem Sitzelement sitzt, um das Kraftstoffventil zu bilden. Diese Vorrichtung ist in US-Patent Nr. 5.348.233 vom 20.9.1994 von Roman Press et al. beschrieben, wobei Roman Press auch der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist. Diese frühere Erfindung löst zwar das Verschleißproblem des Ventilmechanismus, weist jedoch den Mangel auf, dass die Auslassdüse nicht mit dem Injektor integriert und deshalb nicht ohne weiteres für die Massenproduktion geeignet ist. Weiter ist die Vorrichtung nach dem Stand der Technik dazu eingerichtet, den Treibstoff in ihrem mittleren Bereich zuzuführen und nicht von oben, wie bei der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus ist die Vorrichtung nach der früheren Erfindung nicht für den Einbau zwischen einer Treibstoff-Verteilerleitung und einer Einspritzöffnung ähnlich wie ein Kraftstoff-Einspritzventil ausgelegt, wie es die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung überwindet die vorstehend genannten Mängel des bisherigen Stands der Technik durch Einsatz eines Gastreibstoff-Injektors nach Anspruch 1. Der Injektor ist dafür eingerichtet, Kraftstoff aus einer Kraftstoff-Verteilerleitung einer Injektoröffnung in derselben Weise wie ein Kraftstoff-Einspritzventil zuzuführen. Die Vorrichtung arbeitet mit einem in einem Gehäuse angeordneten Solenoid. Der Solenoid weist einen rechteckförmigen Anker mit einer flachen Fläche auf, der in seiner „normalen" oder geschlossenen Stellung gegen ein Sitzelement drückt, um ein Fluidventil zu bilden. Der Anker wird durch den Druckunterschied zwischen dem Gasdruck und dem atmosphärischen Druck in Verbindung mit der Kraft einer Feder in dieser geschlossenen Stellung gehalten. Wenn der Solenoid durch Einspritzsteuerimpulse aktiviert wird, wird das Ventil als Reaktion auf diese Impulse geöffnet, um das Ausstoßen von Gaspulsen aus dem Injektor zu ermöglichen. Der Anker weist in seinem mittleren Bereich eine Öffnung auf, um einen höheren Fluidstrom zu ermöglichen und die erforderliche Kraft zum Bewegen des Ankers zu verringern. Außerdem erlaubt die rechteckförmige Konfiguration des Ankers einen zusätzlichen Fluidstrom entlang der Seiten des Ankers. Der Treibstoff wird dem Injektor an einem Ende zugeführt und durch das andere Ende ausgestoßen. Wenn der Solenoid-Spule elektrische Impulse entsprechend der gewünschten Kraftstoffeinspritzung zugeführt werden, wird der Anker entsprechend betätigt, um den Treibstoff aus dem Injektor einzuspritzen.
Daher ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines verbesserten Gastreibstoff-Injektors, bei dem die Betriebslebensdauer der Komponenten wesentlich erhöht ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Betriebseffizienz eines Gastreibstoff-Injektors.
Andere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der mit 2-2 bezeichneten Ebene in 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der mit 3-3 bezeichneten Ebene in 1.
4 zeigt eine Querschnittsansicht mit dem Fluidventil nach der bevorzugten Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht mit dem Fluidventil nach der bevorzugten Ausführungsform in einer geöffneten Stellung.
6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des Fluidventils nach der bevorzugten Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Abbildungen wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Injektor weist ein Gehäuse 11 auf, in dem die Komponenten angeordnet sind. Ein elektromagnetischer Solenoid mit einer Antriebsspule 12 und einem Anker 13 ist in dem Gehäuse befestigt. Der Anker 13 weist, wie am besten in 3 und 6 zu sehen, eine im Allgemeinen rechteckförmige Konfiguration mit einer Mittelöffnung 13a auf. Die Öffnung 13a und die Seitenräume 10a und 10b zwischen den Seiten des Ankers und dem Distanzring 14 bilden Öffnungen für das Austreten von Gasen. Der Anker 13 ist an der Blattfeder 24 abgeschweißt, wie durch das rechte Paar gestrichelter Linien in 6 angedeutet. Dies gewährleistet eine wiederholbare Positionierung des Ankers im Verhältnis zu dem Distanzring 14 und dem Ventilsitz 15. Gasförmiger Treibstoff wird durch den Einlass 11a in eine Öffnung in dem mittleren Magnetstab 29 eingeführt und tritt durch den Auslass 11b aus dem Gehäuse aus. Radiale Schlitze, die in der Innengewindebohrung des Stabstücks 29 vorgesehen sind und über und unter der Schraube 22 verlaufen, bilden einen Gasweg an der Schraube 22 vorbei.
Die Feder 23 stößt gegen den Anker, wobei die Spannung der Feder mit Hilfe der Stellschraube 22 eingestellt werden kann. Elektrische Steuersignale zum Steuern des Solenoids und damit der Einspritzung werden über elektrische Anschlüsse 30 angelegt und von diesen Anschlüssen der Solenoid-Spule 12 zugeführt. Der mittlere zylindrische Magnetstab 29 weist eine darin vorgesehene Öffnung 21 auf, um einen zusätzlichen Kraftstoffaustritt zu ermöglichen. Die Schalldämpfung erfolgt mit Hilfe einer Resonanzkammer 18 und eines Kanals 16. Der Gasstrom aus dem Injektor kann mit dem Regelventil 17 eingestellt werden.
Die Höhe des Distanzrings 14 ist so gewählt, dass der gewünschte Arbeitsweg des Ankers durch Fixieren des Abstands zwischen dem mittleren Stab 29 und dem Ventilsitz 15 vorgesehen werden kann, wodurch der Kraftstoffstrom aus dem Injektor festgelegt wird.
Wird der Spule 12 ein Einspritz-Steuersignal zugeführt, wird der Anker nach oben gezogen, so dass er der Wirkung der Feder 23 und den Druckunterschieden an den gegenüberliegenden Seiten des Ankers und der Wirkung der Feder 24 entgegenwirkt. Der Anker wird gegen den Anschlag in dem Gehäuse gedrückt, um das Ventil zu öffnen, indem der Anker von dem Ventilsitz 15 weggezogen wird, wodurch das Gas durch den Injektor strömen kann, wie in 5 gezeigt.
Liegt kein Steuersignal an, bleibt das Ankerventil aufgrund der Wirkung der Schraubenfeder 23 und der Blattfeder 24 in seiner geschlossenen Stellung, wobei der Anker gegen den Ventilsitz 15 gedrückt wird, wie in 4 gezeigt.
Obwohl die Vorrichtung nach der Erfindung für die Zufuhr von Kraftstoff zu einem Motor beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass sie auch für andere Anwendungen benutzt werden kann, bei denen gasförmiger Treibstoff eingespritzt werden muss, zum Beispiel in Antriebssystemen mit Brennstoffzellen.
Auch wenn die Erfindung ausführlich beschrieben und gezeigt worden ist, gilt als vereinbart, dass dies lediglich der Illustration und als Beispiel dient und dass der Umfang der Erfindung nur durch die Ausführungen in den nachstehenden Ansprüchen eingeschränkt ist.

Claims

Gastreibstoff-Injektor zur Verwendung bei der Zufuhr von gasförmigem Treibstoff, aufweisend: ein Gehäuse (11), einen elektrisch gesteuerten Injektor mit, im Gehäuse befestigt, einer Solenoid-Spule (12) und einem Anker (13), ein einziges Ventilsitzelement (15), wobei der Anker (13) eine im wesentlichen flache Fläche aufweist, die dem Ventilsitzelement im wesentlichen parallel gegenüberliegt, eine Einrichtung (23, 24) um den Anker so zu drängen, daß seine flache Fläche in Anschlag gegen das Ventilsitzelement gebracht wird, um eine geschlossene Ventilstellung zu liefern, und einen Einlaß (11a) für gasförmigen Treibstoff an einem Ende des Gehäuses und eine einzige Auslaßleitung (11b) an dessen gegenüberliegenden Ende, wobei die Solenoid-Spule eingerichtet ist, den Anker vom Ventilsitzelement weg zu einer offenen Stellung zu bewegen und somit das dadurch gebildete Ventil zu öffnen, um gasförmigen Treibstoff vom Einlaß (11a) zur Auslaßleitung (11b) des Gehäuses hindurchzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker im wesentlichen rechteckförmig und innerhalb eines Distanzrings (14) angeordnet ist und zwischen Seitenkanten des Ankers und dem Distanzring (14) Seitenräume (10a, 10b) ausgebildet sind, durch die Treibstoff vom Einlaß (11a) zum Ventilsitzelement (15) strömen kann, wenn sich der Anker (13) in seiner offenen Stellung befindet.
Treibstoff-Injektor nach Anspruch 1, wobei der Anker gegenüber der dem Ventilsitzelement (15) gegenüberliegenden flachen Fläche eine zweite flache Fläche aufweist und an dieser eine Blattfeder (24) zur Positionierung des Ankers gegenüber dem Ventilsitzelement (15) und dem Distanzring (14) sowie zum elastischen Drängen des Ankers zum Ventilsitzelement hin angebracht ist.
Treibstoff-Injektor nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Resonanzkammer-Einrichtung (18) und einem Kanal (16) in Verbindung mit dem Auslaß (11b) zum Dämpfen von Schall.
Treibstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Distanzring (14) eine vorbestimmte Höhe aufweist, die den Bewegungsweg des Ankers (13) zwischen seiner offenen und seiner geschlossenen Stellung bestimmt.
Treibstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker eine darin ausgebildete Mittelöffnung (13a) für den Durchtritt von zusätzlichem Treibstoff, wenn er sich in seiner offenen Stellung befindet, aufweist.
Treibstoff-Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einstückig ausgebildet ist.
Treibstoff-Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse zwei von einem Distanzstück (14) getrennte Gehäuseteile (11, 15) aufweist und der Anker (13) zwischen den beiden Gehäuseteilen befestigt ist.
Treibstoff-Einspritzsystem, aufweisend: mindestens einen Treibstoff-Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, eine Einrichtung zur Zufuhr von gasförmigem Treibstoff zum Treibstoff-Einlaß (11a) des Injektors, eine Einrichtung zur Ableitung von gasförmigem Treibstoff von der Auslaßleitung (11b) des Injektors, und eine Steuereinrichtung zur Lieferung von Steuerimpulsen an die Solenoid-Spule (12), um den Anker (13) von seiner geschlossenen in seine offene Stellung zu bewegen.