EP4402358A1 - Injektor zum einblasen von gas - Google Patents

Injektor zum einblasen von gas

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Publication number
EP4402358A1
EP4402358A1 EP22813521.6A EP22813521A EP4402358A1 EP 4402358 A1 EP4402358 A1 EP 4402358A1 EP 22813521 A EP22813521 A EP 22813521A EP 4402358 A1 EP4402358 A1 EP 4402358A1
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EP
European Patent Office
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valve
valve needle
injector
passive
needle
Prior art date
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Pending
Application number
EP22813521.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Seidl
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Liebherr Components Deggendorf GmbH
Original Assignee
Liebherr Components Deggendorf GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an injector for injecting a gas such as hydrogen, preferably for direct injection of hydrogen.
  • battery-powered drives meet the zero-emissions directive during operation and are v. a. on the rise in the passenger car sector. If, on the other hand, the entire value chain is considered, the production of (lithium) batteries is very expensive in terms of energy and problematic from an environmental point of view, since the mining of raw materials causes severe environmental damage and the mining of the raw materials required for the batteries cannot be carried out sustainably. In addition, with the power-to-weight ratio that can be achieved today, use in machines with a high (peak) power requirement is not possible.
  • Fuel cell-powered drives powered by regeneratively produced hydrogen meet the specified climate protection goals and are already in use to a very limited extent. However, this concept also has some disadvantages, e.g. a low peak power compared to today's diesel drives and low economic efficiency.
  • the object of the present invention to provide an injector for blowing gas such as hydrogen, which is simple in structure and fail-safe.
  • the injector according to the invention should also be able to inject a gas, for example hydrogen, directly into a combustion chamber that interacts with the injector. Similar to fuel injectors for diesel and gasoline, it is necessary for gas to be blown into a combustion chamber in a clocked manner in a certain quantity and a certain concentration.
  • the injector for blowing in gas preferably for blowing in hydrogen directly, a fuel supply line for introducing a gaseous fuel under high pressure, an actively switchable active valve, preferably an active solenoid valve, which is designed to have a closing or assume a releasing state to selectively allow or interrupt a flow connection from the fuel supply line to an area downstream of the active valve, and comprises a passive valve, which is arranged downstream of the active valve and is passively connected to an occluding or releasing state by different pressure ratios upstream and downstream is switchable and/or can be brought into a closing or releasing state by contact with a movable part of the active valve.
  • the injector according to the invention is preferably developed in that in a closed state of the active valve at least one sealing surface of the active valve is sealed by an elastic sealing element, preferably an elastomer, preferably by means of a metal-elastomer seal.
  • the present invention uses at least one sealing connection with a soft-elastic part (e.g. metal-elastomer seal), which can adapt to the surface of the counterpart due to its deformability, and thus provides a safe and reliable possibility of (almost) 100% sealing (only a minimal, practically irrelevant leakage cannot be prevented).
  • a soft-elastic part e.g. metal-elastomer seal
  • the invention provides for a passive valve located downstream to be used in the injector, which keeps the hot exhaust gases/gases away from the active valve.
  • a sealing surface of the passive valve is sealed by a rigid sealing element, preferably a metal, preferably in a metal-to-metal seal.
  • the passive valve is located downstream of the active valve and is therefore closer to the combustion chamber.
  • the passive valve creates a seal using a non-elastic sealing element, for example using a metal sealing element that can be part of a metal-to-metal seal.
  • a rigid sealing element for example implemented by a metal, is more resistant to the adverse conditions.
  • the active valve comprises an armature that can be moved in the longitudinal direction of the injector and that can be moved out of its rest position as a function of a magnetizable coil in order to force a valve needle out of its closed position, with the The injector further includes a valve spring for urging the valve needle toward its closed position.
  • the armature In a rest position, the armature is arranged in such a way that the valve needle of the active valve closes a passage of the valve. If, on the other hand, the armature is moved out of its rest position, this leads to the valve needle being lifted out of its closing position, so that the active valve is opened.
  • a magnetizable coil is typically used, which generates a magnetic field when current is flowing through it, which moves the armature out of its rest position. Movement of the armature then lifts the valve needle from its closed position, thereby fluidly communicating regions upstream and downstream of the active valve.
  • a valve spring can be provided to move the valve needle into its to urge closed position. It can also be provided that the restoring force emanating from the valve spring is used to move the armature into its initial position.
  • the injector also comprises a valve needle counterpart rigidly arranged in the injector, which is used for selectively placing a valve needle in order to close at least one opening present in the valve needle counterpart, the valve needle preferably being in a fitted state at least one elastic sealing element which seals the at least one opening is arranged in the space between the valve needle counterpart and the valve needle.
  • valve needle in interaction with a valve needle counterpart, selectively closes or opens a passage for the flow of gaseous fuel.
  • This seal is improved by the provision of at least one elastic sealing element between the contact surfaces of the valve needle and the valve needle counterpart, so that this leads to improved tightness of the active valve.
  • valve needle counterpart is arranged upstream of the movable valve needle, with a component of the armature element of the active valve, in particular a rod-like armature part, preferably extending through an opening in the valve needle counterpart in order to contact the valve needle arranged on the downstream side of the valve needle counterpart and especially to push into a releasing position.
  • a component of the armature element of the active valve in particular a rod-like armature part, preferably extending through an opening in the valve needle counterpart in order to contact the valve needle arranged on the downstream side of the valve needle counterpart and especially to push into a releasing position.
  • the arrangement of the valve needle and the valve needle counterpart is exactly the other way around, but this requires a larger installation space for the injector.
  • a more compact design can be achieved with the present arrangement, in which the movable valve needle is arranged downstream relative to the valve needle counterpart, that is to say is arranged closer to the combustion chamber than the valve needle counterpart.
  • the armature has at least one rod-like element that pushes through an opening in the valve needle counterpart that is fixed in the injector, so that the valve needle moves into an open position against the closing force applied by the valve spring to force a position.
  • a further advantage of this arrangement with a valve needle arranged downstream of the valve needle counterpart is the lower actuator force that has to be applied by the armature to open the valve needle from its closed position.
  • the gaseous fuel which is under high pressure and is introduced into the injector from the fuel supply line, acts in the opening direction of the valve needle, so that overall a lower force is sufficient to open the valve needle.
  • a valve spring for urging the valve needle into its closed position is arranged on the side of the valve needle facing away from the valve needle counterpart and is preferably arranged downstream of the valve needle.
  • valve needle opening outwards ie towards the combustion chamber
  • valve spring arranged in an area downstream of the valve needle
  • the passive valve is arranged downstream of the valve needle, which has a passive valve spring element in the direction of the valve needle in its occluding position is pushed.
  • An insert of the passive valve is designed in such a way that a high pressure originating from the combustion chamber presses the insert of the passive valve into its closing position.
  • a passive valve spring which also urges the insert to its closed position.
  • the opening movement of the valve needle exerts a mechanical force on the passive valve to move it into the open position, preferably by means of a on the valve needle, on a passive valve insert or on a rod-like element arranged between the valve needle (9) and the passive valve insert (15).
  • the movement of the valve needle of the active valve can also be used for a mechanical force acting on the passive valve in the opening direction.
  • the passive valve or its insert is not opened exclusively due to an existing pressure difference, but due to a combination of the existing pressure difference together with a mechanical force acting on the insert of the passive valve.
  • the movement of the valve needle can be utilized in order to lift the insert of the passive valve, which is to be urged into the open position in the same direction, out of its closed position.
  • a rod-like element can be provided for the mechanical transmission of force, which transmits the movement of the valve needle to the use of the passive valve. This rod-like element can be fixed to the insert of the passive valve, fixed to the valve needle or freely movable between the valve needle and the insert of the passive valve.
  • a gap is formed between the side of the valve needle facing the passive valve and the side of the passive valve facing the valve needle, with this gap being dimensioned in this way is that it is closed when the active valve is actuated, which causes the valve needle to move into the open position, so that after this gap has been closed by continuing the opening movement of the valve needle, a mechanical force is applied to the passive valve to move it into the open position .
  • the movement of the valve needle is used in order to transmit a corresponding force to the use of the passive valve or to the rod-like element transmitting the force transmission, but the valve needle is not in its closed position with the use of the passive valve or the rod-like element connected, but there is a gap between them.
  • This gap is preferably dimensioned so that he at a complete transition of the valve needle is closed in its open position in order to transmit a mechanical force to open the passive valve before reaching the maximum open position of the valve needle.
  • an elastic intermediate piece is arranged in the gap in order to dampen the force acting on the passive valve.
  • this intermediate piece also has a positive effect when the passive valve insert is returned to the closed position, since bouncing is also dampened.
  • the armature pushing the valve needle out of its closed position is spaced from the valve needle, preferably in order to absorb a certain acceleration during an opening process before the valve needle comes into contact.
  • a gap can also be provided between the armature and the valve needle.
  • the armature or the rod-shaped element accelerated as a result can pick up sufficient speed to then force the valve needle suddenly out of its closed position with a high level of energy.
  • the high impact impulse helps to overcome a high closing force, which is advantageous for safe operation of the injector.
  • valve needle counterpart is arranged in a stationary manner in the injector and/or has at least one opening for the passage of the gaseous fuel.
  • valve needle is arranged to be movable in the longitudinal direction of the injector and/or has at least one opening for the gaseous fuel to pass through.
  • Both the valve needle and the valve needle counterpart can essentially have the shape of a plate that has at least one passage that connects the two flat sides of the plate-like shape to one another.
  • the basic shape of the valve needle or the valve needle counterpart is circular, so that they can be introduced into a cylindrical injector housing and terminate with their outer peripheral side flush with the inside of the injector housing or are attached thereto.
  • valve needle and/or the valve needle counterpart has at least one elastic sealing element on the side facing the valve needle counterpart or the valve needle in order to close at least one opening (duct) of the valve needle counterpart when pressed against one another for conducting the gaseous fuel from the at least one opening (duct) of the valve needle for conducting the gaseous fuel.
  • the coil which is provided for actuating the armature of the active valve, is arranged outside of an injector housing.
  • the coil is completely outside the housing and is therefore not in contact with the gaseous fuel, especially hydrogen, which prevents it from penetrating the copper wire and damaging it over its lifetime.
  • the active valve is advantageously designed so that a valve spring an unintentional opening of the valve needle and thus a Escape of fuel / penetration of air/exhaust gas/combustion gas into the injector, for example due to the high pressure in the combustion chamber, is prevented in any case. Due to the fact that the passive valve is sealed against the combustion chamber pressure, the valve spring cannot be made as strong in certain versions, which means that less magnetic force is required to open the valve needle.
  • the gaseous fuel can advantageously be guided through the entire injector in such a way that the flow always runs inside or outside of compression springs. This means that the flow does not run through the windings of the compression springs.
  • the invention also relates to a method for operating an injector, in particular for operating an injector according to one of the preceding variants, with an injection causing sound to pass through at least one point in the injector in order to achieve decoupling from the combustion chamber to the injector, so that the injection rate is independent of the combustion chamber back pressure, preferably wherein the sound passage occurs at the at least one opening in the valve needle counterpart and/or at the at least one opening in the valve needle which constitutes throttle areas limiting the flow of the gaseous fuel.
  • line sections in the injector that restrict the cross section are very much larger than the cross section of the at least one opening of the valve needle or the valve needle counterpart.
  • the cross-section of the other openings is more than 50%, preferably more than 100%, larger than the at least one opening in the valve needle or the at least one opening in the valve needle counterpart.
  • the invention also relates to an internal combustion engine with gas direct injection, in particular with hydrogen direct injection, comprising an injector according to one of the variants described above or an internal combustion engine that is operated with the above method.
  • FIG. 1A a schematic sectional view through an injector according to the invention
  • Fig. 1 B Diagrams of the basic behavior of the injector during injection
  • FIG. 11 a schematic sectional view of the injector according to the invention according to a further embodiment, in which tolerance compensation is achieved by an elastic intermediate piece between the insert of the passive valve and the valve needle,
  • 13 a schematic sectional view of the injector according to the invention according to a further embodiment, in which elastic damping elements are provided to reduce or prevent bouncing
  • 14 a schematic sectional view of the injector according to a further embodiment in which the armature has no contact with the valve needle when the active valve is in a closed position
  • FIG. 1A shows a schematic sectional view through an injector according to the invention, from which the structure of the injector 1 can be clearly seen.
  • the injector 1 comprises a fuel supply line 2, through which the fuel is supplied to the injector 1, an actuator unit (example having coil 8 with electrical connection, armature 7, armature rod 13 (optional), armature counterpart 26, housing 20, non-magnetic bypass ring 22 and Iron yoke 25) for active actuation of a valve spring 10 biased, guided Valve needle 9 (designed as a plate in FIG.
  • a passive valve 4 downstream from active valve 3 comprising a passive valve insert 15, a passive valve rod 16 (optional), a passive valve guide 31 and a passive valve spring 14), which has a throttle cross section (defined by openings 34) blocks or releases it, and an injection cap 23 with a throttle cross section (defined by openings 33), which deflects the fuel jet during injection with a defined orientation into the combustion chamber.
  • Anchor rod 13 and anchor 7 can be designed as a one-piece or two-piece or multi-piece assembly.
  • the components can be connected to each other (e.g. by force fit, form fit), but do not have to be connected to each other (see Fig. 6).
  • FIG 1B shows several diagrams of the basic behavior of the injector 1 during an injection.
  • 1B shows the basic behavior of the injector 1 during an injection. The exact course differs depending on the design of the active and passive valve.
  • valve needle 9 and passive valve insert 15 are pushed by the preloaded valve spring 10 or passive valve spring 14 into their respective upper stop 27 on the sealing element of the Valve needle 9 or the sealing edge of the passive valve 29 is pressed and closes the throttle points 12 and 19 or 34, which connect the needle chamber with the valve chamber or the valve chamber with the injection chamber in the open state of valve needle 9 or passive valve insert 15 connect.
  • the pressure in the injector 1 up to the sealing element 5 corresponds to the pressure in the fuel supply line 2, the pressure in the combustion chamber and in the injection chamber corresponds to the boost pressure during the intake phase of the cylinder piston, in which fresh air is sucked into the combustion chamber via the intake valves.
  • the pressure in the valve chamber corresponds approximately to the combustion chamber pressure and depends, among other things, on the design of the passive valve spring 14, the pressure in the combustion chamber during the phase in which the hot combustion gases are ejected via the exhaust valves of the combustion chamber and any preceding injections.
  • the functional representation is simplified below and does not take into account the gas exchange by opening and closing the intake and exhaust valves of the combustion chamber.
  • a voltage signal is applied to coil 8 of the actuator via the electrical contacts, so that the current in the electrical circuit increases to a defined end level.
  • the current-carrying coil 8 induces a magnetic field in the actuator, the magnetic field lines 35 of which propagate in a toroidal shape around the coil 8 (see FIGS. 1 and 3).
  • Magnetic field 35 builds up a magnetic force in working air gap 23 between armature 7 and armature counterpart 26, whereby at time t_2 armature 7 with armature rod 13 is attracted to armature counterpart 26 in the opening direction as soon as the magnetic force exceeds the closing force (signed sum of the prestressing force of valve spring 10 and pressure forces on armature 7 and valve needle 9).
  • the build-up of the magnetic field and thus the magnetic force is delayed by eddy currents in the iron parts of the magnetic circuit.
  • the armature 7 is in constant contact with the valve needle 9 via the armature rod 13 during the initial opening phase due to the preload of the valve spring 10, so that the valve needle 9 moves uniformly with the armature 7 or the armature rod 13.
  • This purely passive switching behavior of the passive valve 4 occurs when, for example, the passive valve rod 16 is not available (see Fig. 5) or is shortened in length in such a way that the passive valve 4 opens due to the pressure conditions before the valve needle 9 the passive valve insert 15 comes into contact.
  • the length of the passive valve rod 16 can be designed such that the switching of the passive valve 4 is not (purely) pneumatic/hydraulic, but (also) mechanical, in that the valve needle 9 comes into contact with the passive valve rod 16 and the passive valve -Insert 15 is moved in the opening direction before the pressure forces would lead to the opening of the passive valve 4, or comes into temporal contact in such a way that a combined mechanical/pneumatic opening takes place (see Fig. 3).
  • the length of the passive valve rod 16 can be chosen such that there is a small valve gap 17 between the valve spring 9 and the passive valve rod 16 when both valves 3, 4 are closed (see FIG. 1A). In this case, the passive valve 4 is switched to a mixed passive/active state.
  • armature rod 13, passive valve rod 16, passive valve insert 15 and valve needle 9 are not firmly connected to one another (e.g. positive or non-positive connection), they continue to move due to inertia as soon as the armature 7 hits its lower stop 24, namely until until the valve needle 9 or the passive valve insert 15 hits its respective lower stop 28, 30 (see FIGS. 1A and 4).
  • the valve needle 9 and the passive valve insert 15 as well as the passive valve rod 16 can then bounce and spring back until a mean stationary balance of mechanical and pneumatic/hydraulic forces is established and the forces caused by the lifting resulting gaps (see Fig. 4) between the components are closed again by contact of the components.
  • the opening of the passive valve 4 leads to an increase in pressure in the injection chamber.
  • the fuel continues to flow downstream through the orifice(s) 33 in the injection cap 32 into the combustion chamber (see Figures 3 and 4).
  • the injection cap 32 is designed in such a way that the flow is introduced into the combustion chamber in a defined state (jet orientation, inlet impulse, jet pattern, etc.).
  • the open state of valve needle 9 and passive valve insert 15 is retained throughout the rest of the energization phase.
  • the current level can be reduced (e.g. by a PWM voltage signal) as soon as the valve needle 9 is fully open and possible bouncing does not lead to the valve needle 9 closing.
  • the engine's cylinder is in the compression phase, so that the combustion chamber pressure rises steadily.
  • the power supply is terminated by the control unit, so that the current through coil 8 is reduced to zero at time t_4 (see FIG. 1B). Due to the eddy currents, the magnetic force also decreases with a time delay. As soon as the magnetic force is less than the sum of the closing force of valve spring 10 and the pneumatic/hydraulic forces on valve needle 9 and armature 7, needle 9 and armature 7 begin to close uniformly (time t_5).
  • valve needle 9 If the upstream end of the valve needle 9 approaches the valve needle counterpart 11 so closely that the sealing element 5/the sealing elements 5 come into contact again simultaneously with the valve needle 9 and the valve needle counterpart 11, the connection between the needle chamber and the valve chamber is broken again and the flow of fuel from the needle space into the valve space is interrupted (time t_6). This reduces the pressure in the valve chamber.
  • the passive valve insert 15 moves back into its closed position on the sealing edge at the upper passive valve stop 29 and is pressed against the sealing edge by the increasing pressure in the combustion chamber and thus in the injection chamber, so that the fuel connection between the valve chamber and the injection chamber ( possibly after a bouncing phase of the passive valve insert 15 on the sealing edge) is interrupted (times t_6 - t_7). This completes the blowing-in process (see FIG. 2).
  • the passive valve insert 15 is firmly connected to the valve needle 9 (see Fig. 7), the forces on the valve needle 9 (e.g. valve spring 10, compressive forces) also determine the closing of the passive valve insert 15. In this case, the passive valve Spring 14 not necessary.
  • the forces on the valve needle 9 e.g. valve spring 10, compressive forces
  • the passive valve insert 15 opens again briefly, so that part of the Valve chamber existing fuel escapes into the combustion chamber. This process depends on the spring force of the passive valve spring 14 and may not occur at all or may occur repeatedly (time period t_9 - 1_10).
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention in an initial state with closed valves 3, 4. It can be seen that both the active valve 3 and the passive valve 4 are in a closed state and there is no flow connection from the fuel supply line 2 to the injection cap.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention in an open state with open valves 3, 4.
  • the flow 36 of the gaseous fuel through the injector 1 is shown by means of two continuous lines. It can be seen that the active valve 3 and the passive valve 4 are each in the open position and there is a flow connection from the fuel supply line 2 to the injection cap 32 .
  • Fig. 4 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention in an open state with open valves 3, 4 and a respective gap between valve needle 9 and armature rod 13 and between valve needle 9 and insert 15 of passive valve 4.
  • both the Valve needle 11 and the insert 15 of the passive valve 4 are withdrawn so far that there is no longer any contact between the valve needle 11 and the armature rod 13 or between the valve needle 11 and the passive valve rod 16 .
  • the pressure differences or the flow of the gaseous fuel forces the valve needle 11 or the passive valve insert 15 into its maximum open position.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to a further embodiment without a passive valve rod 16.
  • the passive valve 4 is opened exclusively via a pressure difference upstream and downstream of the passive valve insert 15.
  • the passive valve 4 switches through alone the attacking compressive forces after opening the valve needle 9. Closing is still controlled purely passively.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to a further embodiment in which the armature 7 is connected directly to the valve needle 9 via the armature rod 13 .
  • the lower stop can take place either via the armature 7 or the valve needle 9.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to a further embodiment in which the valve needle 9 is connected directly to the insert 15 of the passive valve 4 via a rod-like element 16 . Accordingly, the passive valve 4 can also be switched to be active and no longer in a combined active-passive manner as shown in the previous embodiments.
  • FIG 8 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to a further embodiment in which the valve needle 9 is connected both to the insert 15 of the passive valve 4 and to the armature rod 13 .
  • the passive valve 4 is thus switched to be active and no longer combined active-passively or only passively.
  • FIG. 9 shows two schematic sectional views of the injector 1 according to the invention arranged side by side according to a respective further embodiment in which the rod-like elements 13, 16 are connected (left illustration) or not connected (right illustration).
  • the anchor 7 is firmly connected to the rod-like element 13 or is even formed in one piece.
  • the passive valve insert 15 is also firmly connected to the rod-like element 16 or is formed in one piece.
  • the respective rod-like element 13, 16 is not firmly connected to the armature 7 or the passive valve insert 15.
  • the passive valve rod 16 is in the longitudinal direction of the injector 1 movably arranged and is guided laterally. The lateral guidance of the anchor rod 13 is achieved by passing through the opening of the valve needle counterpart.
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment, in which tolerance compensation is achieved by an elastic stop 38 of the armature 7 . Provision can be made here for the passive valve insert 15 to bear against the valve needle 9 with the passive valve rod 16 in the initial state by means of the tolerance compensation of an elastic upper stop 38 of the armature 7 .
  • FIG 11 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment in which tolerance compensation is achieved by an elastic intermediate piece 18 between the insert 15 of the passive valve 4 and the valve needle 9 .
  • the passive valve insert 15 can be in contact with the passive valve rod 16 on the valve needle 9 in the initial state due to the tolerance compensation of an elastic intermediate piece 18 between the passive valve insert 15 and the valve needle 9 .
  • the power transmission from the valve needle 9 to the passive valve insert 15 takes place less abruptly at the beginning.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment, in which elastic damping elements 39 are provided to reduce or prevent bouncing.
  • elastic damping elements 39 are provided to reduce or prevent bouncing.
  • FIG. 13 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment, in which elastic damping elements are provided to reduce or prevent bouncing.
  • elastic damping elements are provided to reduce or prevent bouncing.
  • bouncing of the armature 7, valve needle 9 and passive valve insert 15 during opening and closing can be reduced or even prevented.
  • 14 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment, in which the armature 7 has no contact with the valve needle 9 when the active valve 3 is in a closed position.
  • the armature 7 In the closed state, the armature 7 is not in contact with the valve needle 9 (e.g. via a restoring force of another armature spring 40). The armature 7 is pressure-balanced at the beginning of the energization. The armature 7 can therefore initially accelerate strongly and hit the valve needle 9 with a high impact impulse in order to open it quickly or to overcome high closing forces.
  • FIG. 15 shows a schematic sectional view of the injector 1 according to the invention according to a further embodiment with an opening movement of the valve needle, which is directed against the direction of flow of the gaseous fuel.
  • Valve needle 9 and armature 7 are connected to each other (e.g. form fit, force fit).
  • the armature 7 together with the valve needle 9 is pulled upwards in the direction of the armature counterpart 26 when the injector 1 is activated and the magnetic field is formed, so that the cross section 12′ is released.
  • the passive valve 4 opens as a result of the pressure build-up in the valve chamber.
  • the armature-valve-needle assembly closes again and blocks the cross-section 12'.
  • the passive valve 4 closes again after the pressure has equalized between the valve chamber and injection chamber due to the passive valve spring 14. Exactly as in all other embodiments, a seal is created between the valve needle 9 and the valve needle counterpart 11 using an elastic sealing element 5 .
  • FIG. 16 shows a perspective view of a sealing point of the active valve 3 according to a first embodiment. It is clear to a person skilled in the art that the specific design of the sealing point of the active valve 3 (exemplified in FIGS. 16-20) can be used with any injector configuration. For example, it is irrelevant whether the passive valve 4 arranged downstream is brought out of its closed position only by means of a pressure difference or also by the action of mechanical force.
  • the passage surfaces 12 through the valve needle counterpart 11 lie outside the sealing islands 51 on the valve needle 9, although a reversed embodiment is also possible.
  • the openings 12 in the valve needle counterpart 11 are therefore arranged radially further outwards than the openings 19 in the valve needle 9. This means that when the two contact surfaces are in contact with one another, the respective opening cross sections do not overlap and can be sealed from one another with the aid of appropriately arranged sealing elements 5 .
  • respective inner sealing elements 51 are provided for the openings 19 of the valve needle 9 , which surround each cross-section of an opening 19 on the peripheral side, so that a seal occurs when it is placed on the valve needle counterpart 19 .
  • the openings 12 of the valve needle counterpart 11 are sealed with the aid of a single elastic outer sealing element 52, in whose area defined by the inner circumference all the openings 12 of the valve needle counterpart 11 are arranged.
  • the inner sealing elements 51 prevent flow through the throttle surfaces 19 in the closed state, whereas the outer sealing element 52 prevents flow around the valve needle in the closed state. Without that Otherwise, an undesired leakage through a gap between the valve needle and the housing could occur on the outer sealing element 52 .
  • through-throttle areas can be designed as bores, slots, etc. and the shape can be freely selected. It is also possible that the sealing elements 51, 52 (inside and outside) can be designed individually or connected to one another.
  • the sealing elements 51 , 52 simultaneously have a dampening effect against bouncing, which is also advantageous when the active valve 3 is actuated. Provision can also be made for the armature rod 7 to be guided closely in the central bore 45 of the valve needle counterpart 11 .
  • valve needle and valve needle counterpart Provision can also be made for the end faces of the valve needle and valve needle counterpart to be planar or curved or shaped in some other way. Of course, a correspondingly coordinated shape of the valve needle 9 and the valve needle counterpart 11 is advantageous.
  • FIG. 17 shows a perspective view of a sealing point of the active valve according to a further embodiment.
  • the outer sealing elements 52 for sealing the openings in the valve needle counterpart 11 are arranged directly on the valve needle counterpart, e.g. via respective sealing islands around corresponding through bores 12.
  • a single, large seal (similar to FIG. 16) on the valve needle counterpart 11, in the inner circumference of which all the openings 12 of the valve needle counterpart 11 are arranged.
  • each opening 12, 19 in the valve needle counterpart 11, as well as in the valve needle 9 has a respective elastic seal and there is also a further elastic seal with an enlarged diameter on the valve needle 9, in the inner circumference of which all openings 12, 19 are in a closed state.
  • this outer sealing element on the valve needle 9 can also act as an additional damping element.
  • FIG. 19 shows a perspective view of a sealing point of the active valve according to a further embodiment, in which the individual sealing elements 51, 52 are connected to one another via webs 53 and thereby form a one-piece “large” sealing element.
  • FIG. 20 shows a perspective view of a sealing point of the active valve according to a further embodiment, which can be used, for example, for the embodiment shown in FIG.
  • the lower part is fixed in the injector housing so that its passages 12' can be selectively closed or opened by the movable valve needle 9 shown above.
  • the outer large sealing ring 52 is not absolutely necessary, but increases the durability of the seal and provides a further positive damping effect which reduces bouncing.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen von Gas, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, umfassend eine Kraftstoffzuleitung zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs, ein aktiv schaltbares Aktivventilvorzugsweise ein Aktiv-Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, einen verschließenden oder einen freigebenden Zustand einzunehmen, um wahlweise eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung zu einem Bereich stromabwärts des Aktivventils zu ermöglichen oder zu unterbrechen, und ein Passivventil, das stromabwärts des Aktivventils angeordnet ist und durch stromauf und stromab anliegende unterschiedliche Druckverhältnisse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand passiv schaltbar ist und/oder durch Kontakt mit einem bewegbaren Teil des Aktivventils in einen verschließenden oder freigebenden Zustand bringbar ist. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Zustand des Aktivventils mindestens eine Dichtfläche des Aktivventils durch ein elastisches Dichtelemen, vorzugsweise ein Elastomer, abgedichtet ist, bevorzugterweise mittels einer Metall-Elastomer-Dichtung.

Description

Injektor zum Einblasen von Gas
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen eines Gases wie Wasserstoff, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff.
Im Zuge von weltweit immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten und ambitionierten Klimaschutzzielen steigen die umwelttechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen stetig an. Das Ziel sind in absehbarer Zukunft emissionsarme oder gar emissionsfreie Antriebstechnologien, die auch strengste Abgasgrenzwerte erfüllen und einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele liefern. Bei Technologien, die mit einer Verbrennung arbeiten sind diese Ziele nur bei einer Verwendung von klimaneutralen, regenerativ produzierten Kraftstoffen erreichbar, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette keinerlei Emissionen verursachen (sogenannte "zero emissions' -Kraftstoffe).
Mit derzeitigen konventionellen Benzin-, Diesel- und Gasmotoren sind die Anforderungen an eine emissionsfreie Verbrennung - selbst unter Verwendung sogenannter E-Fuels, bspw. eines synthetisch erzeugten OME-Kraftstoffs, zu dessen Herstellung lediglich regenerative Energie benötigt wird - nicht erreichbar, da sich der Ausstoß an schädlichen Abgasen wie Stickstoffoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.
Prinzipiell erfüllen batteriebetriebene Antriebe die Zero-Emissions-Richtlinie während des Betriebs und sind v. a. im Pkw-Bereich auf dem Vormarsch. Wird hingegen die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet, so ist jedoch die Produktion der (Lithium-)Akkus energetisch sehr kostspielig und unter umwelttechnischen Gesichtspunkten problematisch, da insbesondere starke Umweltschäden beim Rohstoffabbau auftreten und der Abbau der für die Batterien erforderlichen Rohstoffe nicht nachhaltig durchführbar ist. Zudem ist mit dem heute erzielbaren Leistungsgewicht der Batterien ein Einsatz in Maschinen mit hohem (Spitzen-) Leistungsbedarf nicht möglich.
Brennstoffzellenbetriebene Antriebe mit Versorgung aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff erfüllen die vorgegebenen Klimaschutzziele und sind schon heute in sehr begrenztem Maße im Einsatz. Allerdings weist auch dieses Konzept einige Nachteile auf, bspw. eine im Vergleich zu heutigen Dieselantrieben geringe Spitzenleistung und eine geringe Wirtschaftlichkeit.
In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren aber bis dato fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstratoren mit geringem Reifegrad. Ein durch regenerative Energien erzeugter Wasserstoff würde alle Erfordernisse von“ zero emission“ erfüllen, da dieser emissionsfrei verbrennbar ist.
So finden sich im Pkw-Bereich bspw. Wasserstoff-Motoren mit äußerer Gemischbildung (PFI = port fuel injection), bei denen der Kraftstoff schon vor Eintritt in den Brennraum mit Luft in ausreichender Zeit gut durchmischt wird. Wasserstoff- Motoren mit direkter Einblasung des Kraftstoffs in den Brennraum (innere Gemischbildung, DI = direct injection) spielen heutzutage praktisch keine Rolle, weisen jedoch gegenüber dem PFI-Konzept u.a. eine höhere Effizienz, stabilere Verbrennung sowie eine Eliminierung der Gefahr einer Rückzündung in den Ansaugtrakt auf.
Bei direkt einspritzenden Wasserstoffmotoren wird typischerweise noch hinsichtlich des maximalen Einspritzdrucks im Injektor (< 60 bar: Niederdruck, > 60 bar: Hochdruck) unterschieden, wobei die Grenzen nicht eindeutig festgelegt und die Übergänge fließend sind. Höhere Drücke bieten das Potential einer verkürzten Einblasdauer in einer späteren Phase der Kompression bei höheren Brennraumdrücken, was eine erhöhte Effizienz und verbesserte Verbrennungsstabilität zur Folge hat. Allerdings sinkt die Gesamteffizienz, falls zuvor eine Komprimierung des Wasserstoffs nötig ist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Injektor zum Einblasen von Gas wie Wasserstoff vorzusehen, der in seiner Struktur einfach und fehlerrobust aufgebaut ist. Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße Injektor auch dazu in der Lage sein, ein Gas, bspw. Wasserstoff, direkt in einen mit dem Injektor zusammenwirkenden Brennraum einzublasen. Dabei ist es, ähnlich wie bei Kraftstoffinjektoren für Diesel und Benzin, notwendig, dass Gas in einer bestimmten Menge und einer bestimmten Konzentration getaktet in einen Brennraum eingeblasen wird.
Wird der Wasserstoff zu 100 % aus regenerativen Energien gewonnen, kann mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ein nahezu klimaneutraler Betrieb realisiert werden. Darüber hinaus bieten sich zahlreiche weitere Vorteile:
• Verwendung bekannter Technologien mit hohem Reifegrad und bestehender Produktionsanlagen
• unbegrenzte Verfügbarkeit des Wasserstoffs durch Elektrolyse von Wasser
• Nutzung des bestehenden Tankstellensystems möglich (nach entsprechender Umrüstung) mit schnellen Tankzeiten
• (fast) emissionsfreie Umwandlung des Wasserstoffs in der Verbrennung möglich, da CO2-neutral, nur minimale CO, UHC-, Partikel- und Ruß- Emissionen (lediglich verursacht durch Schmierstoffe im Zulaufsystem, unterhalb der Messgrenze) und nur minimale NOx-Emissionen durch geeignetes Verbrennungsverfahren (ggf. mit Abgasrückführung, SCR- Katalysator)
• deutlich geringere Anforderung an Reinheit des Wasserstoffs im Vergleich zu Brennstoffzellen-Antrieben
• kein Bedarf an Platin zur Herstellung wie bei Brennstoffzellen
Neben diesen zahlreichen Vorteilen gegenüber anderen Antriebskonzepten existieren jedoch auch einige Herausforderungen, die es bei der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmaschinen zu bewältigen gibt:
• geringes Molekulargewicht von Wasserstoff, dadurch eine geringe Dichte einhergehend mit einer geringen volumetrischen Energiedichte (bei hoher massenspezifischer Energiedichte); siehe Tabelle 1
• Bereitstellung eines demzufolge hohen Volumenstroms bei der Einblasung von Wasserstoff
• entsprechende Bereitstellung von großen Strömungsquerschnitten im Injektor und damit benötigter deutlich größerer Hübe des Aktuators als bei konventionellen Antriebsarten
• Dichtheit des Gesamtsystems / Verhinderung von externen Leckagen, v. a. im Hinblick auf Sicherheitsaspekte (Brand- und Explosionsgefahr aufgrund aus dem System austretenden Wasserstoff)
• erhöhte Verschleißgefahr an Führungen bewegter Bauteile aufgrund der praktisch nicht vorhandenen Schmierwirkung von Wasserstoff
• deutlich stärkere Neigung bewegter Bauteile zum Prellen an mechanischen Anschlägen in Gasinjektoren im Vergleich zu Injektoren mit Flüssigkraftstoffen durch geringe Dämpfwirkung bei der Gaskompression
• Materialbeständigkeit gegenüber Wasserstoff nötig im Hinblick auf die Gefahr einer Wasserstoffversprödung in mechanisch beanspruchten / druckbeaufschlagten Bauteilen (reduzierte Festigkeit) oder durch chemische Reaktion des Wasserstoffs mit in der Kupferspule des Aktuators vorhandenem Sauerstoff (Wasserstoffkrankheit des Kupfers) Gemischaufbereitung im Brennraum / Beeinflussung des Einblasstrahls / Zündverhalten bei Kleinstmengeneinblasung
Tabelle 1 : Massen- und volumenspezifischer Heizwert von Diesel und Wasserstoff
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden oder abzumildern. Dies gelingt mit einem Injektor zum Einblasen von Gas, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Injektor zum Einblasen von Gas, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, eine Kraftstoffzuleitung zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs, ein aktiv schaltbares Aktivventil, vorzugsweise ein Aktiv-Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, einen verschließenden oder einen freigebenden Zustand einzunehmen, um wahlweise eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung zu einem Bereich stromabwärts des Aktivventils zu ermöglichen oder zu unterbrechen, und ein Passivventil umfasst, das stromabwärts des Aktivventils angeordnet ist und durch stromauf und stromab anliegende unterschiedliche Druckverhältnisse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand passiv schaltbar ist und/oder durch Kontakt mit einem bewegbaren Teil des Aktivventils in einen verschließenden oder freigebenden Zustand bringbar ist. Der erfindungsgemäße Injektor ist vorzugsweise dadurch fortgebildet, dass in einem geschlossenen Zustand des Aktivventils mindestens eine Dichtfläche des Aktivventils durch ein elastisches Dichtelement, vorzugsweise ein Elastomer, abgedichtet ist, bevorzugterweise mittels einer Metall- Elastomer-Dichtung.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Injektoren ist eine möglichst 100%-ige Dichtheit des Injektors gegen den Austritt von Wasserstoff (in den Brennraum) mit einer typischerweise verwendeten reinen Metall-Metall-Dichtung nicht zu gewährleisten. Die vorliegende Erfindung hingegen verwendet mindestens eine Dichtverbindung mit einem weichelastischen Part (z.B. Metall-Elastomer-Dichtung), welcher sich durch seine Verformbarkeit der Oberfläche des Gegenparts angleichen kann, und stellt so eine sichere und zuverlässige Möglichkeit der (fast) 100%-igen Abdichtung dar (lediglich eine minimale, praktisch nicht relevante Leckage lässt sich nicht verhindern).
Die Verwendung eines elastischen Dichtelements war bis dato jedoch nicht in einem Injektor möglich, da elastische Dichtelemente, insbesondere Elastomerverbindungen, nur bis zu Temperaturen von ca. 200 °C dauerhaft belastbar sind und deshalb aufgrund der deutlich höheren Temperaturbelastung ausgehend vom Brennraum Schaden nehmen und die Dichtfunktion nicht mehr erfüllen können. Um die Dichtstelle des Aktivventils mit dem Elastomer vor zu hoher Temperaturbeanspruchung zu schützen, ist nach der Erfindung vorgesehen, ein stromab gelegenes Passivventil im Injektor zu verwenden, welches die heißen Abgase/Gase vom Aktivventil fernhält.
Die gleichzeitige Verwendung des Passivventils zusammen mit einem elastischen Dichtelement in dem Aktivventil erzeugt einen synergetischen Effekt, der den Injektor signifikant verbessert. Schließlich ist es mit dem erfindungsgemäßen Injektor möglich, eine vormals nicht verwendbare elastische Dichtung, insbesondere ein Elastomer, zum Abdichten eines Ventils in dem Injektor zu nutzen, das eine hervorragende Standfestigkeit aufweist, womit der Injektor in Bezug auf die Dichtheit eines gasförmigen Kraftstoffs deutlich verbessert ist. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Dichtfläche des Passivventils durch ein starres Dichtelement, vorzugsweise ein Metall, abgedichtet ist, bevorzugterweise in einer Metall-Metall-Dichtung. Das Passivventil ist stromabwärts zu dem Aktivventil angeordnet und liegt damit dem Brennraum näher. Daraus ergibt sich, dass es widrigeren Bedingungen standhalten muss und unter anderem den heißen Abgasen, die bei einer Verbrennung im Brennraum entstehen, ausgesetzt ist. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn das Passivventil eine Dichtung durch ein nichtelastisches Dichtelement erzeugt, beispielsweise also durch ein aus Metall bestehendes Dichtelement, das Teil einer Metall-Metall-Dichtung sein kann. Ein starres Dichtelement, beispielsweise umgesetzt durch ein Metall, ist gegenüber den widrigen Bedingungen widerstandsfähiger.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Aktivventil einen in Längsrichtung des Injektors bewegbaren Anker umfasst, der in Abhängigkeit einer magnetisierbaren Spule aus seiner Ruhestellung herausbewegbar ist, um so eine Ventilnadel aus ihrer geschlossenen Position zu drängen, wobei vorzugsweise der Injektor ferner eine Ventilfeder zum Drängen der Ventilnadel in ihre geschlossene Position umfasst.
In einer Ruheposition ist der Anker so angeordnet, dass die Ventilnadel des Aktivventils einen Durchgang des Ventils verschließt. Wird hingegen der Anker aus seine Ruheposition bewegt, führt dies zu einem Abheben der Ventilnadel aus seiner verschließenden Position, so dass das Aktivventil geöffnet ist. Zum Bewegen des Ankers wird typischerweise auf eine magnetisierbare Spule zurückgegriffen, die in einem von Strom durchflossenen Zustand ein Magnetfeld erzeugt, das den Anker aus seiner Ruheposition bewegt. Die Bewegung des Ankers führt dann zu einem Abheben der Ventilnadel aus ihrer geschlossenen Position, so dass es zu einer Strömungsverbindung von Bereichen stromauf und stromab des Aktivventils kommt. Um nach einem Deaktivieren des Aktuators, der beispielsweise in Form der Spule umgesetzt sein kann, das Aktivventil wieder in seine geschlossene Position zu überführen, kann eine Ventilfeder vorgesehen sein, um die Ventilnadel in ihre geschlossene Position zu drängen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die von der Ventilfeder ausgehende Rückstellkraft dazu genutzt wird, den Anker in seine Ausgangsposition zu bewegen.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ferner ein starr im Injektor angeordnetes Ventilnadelgegenstück umfasst, das zum wahlweisen Auflegen einer Ventilnadel dient, um mindestens eine im Ventilnadelgegenstück vorhandene Öffnung zu verschließen, wobei vorzugsweise in einem aufgesetzten Zustand der Ventilnadel im Zwischenraum von Ventilnadelgegenstück und Ventilnadel mindestens ein elastisches Dichtelement angeordnet ist, das die mindestens eine Öffnung abdichtet.
Es kann demnach also vorgesehen sein, dass die Ventilnadel im Zusammenspiel mit einem Ventilnadelgegenstück eine Passage zum Strömen von gasförmigem Kraftstoff wahlweise verschließt oder öffnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass sowohl die Ventilnadel wie auch das Ventilnadelgegenstück sich in Strömungsrichtung erstreckende Durchbrüche oder Öffnungen aufweist, wobei eine Strömungsverbindung von Öffnungen der Ventilnadel zu Öffnungen des Ventilnadelgegenstücks bei einem Aufsetzen von Ventilnadel auf dem Ventilnadelgegenstück unterbrochen ist. Diese Abdichtung wird durch das Vorsehen von mindestens einem elastischen Dichtelement zwischen den Kontaktflächen der Ventilnadel und dem Ventilnadelgegenstück verbessert, so dass dies zu einer verbesserten Dichtheit des Aktivventils führt.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass das Ventilnadelgegenstück stromaufwärts zur bewegbaren Ventilnadel angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein Bestandteil des Ankerelements des Aktivventils, insbesondere ein stabartiger Ankerteil, sich durch eine Öffnung des Ventilnadelgegenstücks hindurcherstreckt, um die an der stromabwärtigen Seite des Ventilnadelgegenstücks angeordnete Ventilnadel zu kontaktieren und insbesondere in eine freigebende Position zu drängen. Typischerweise ist die Anordnung der Ventilnadel und des Ventilnadelgegenstücks genau andersherum, erfordert aber dabei einen größeren Bauraum des Injektors.
Mit der vorliegenden Anordnung, bei der die bewegbare Ventilnadel stromabwärts gegenüber dem Ventilnadelgegenstück angeordnet ist, also näher an dem Brennraum angeordnet ist als das Ventilnadelgegenstück, lässt sich eine kompaktere Bauform erreichen. Um dabei eine Bewegung des Ankers auf die Ventilnadel zu übertragen, kann vorgesehen sein, dass der Anker mindestens ein stabartiges Element aufweist, das durch eine Öffnung des im Injektor fest angeordneten Ventilnadelgegenstücks hindurchstößt, umso die Ventilnadel entgegen der von der Ventilfeder eingeprägten Schließkraft in eine offene Stellung zu drängen.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung mit einer zum Ventilnadelgegenstück stromabwärtig angeordneten Ventilnadel ist die geringere Aktuatorkraft, die durch den Anker zum Öffnen der Ventilnadel aus seiner geschlossenen Position aufgebracht werden muss. So wirkt der unter hohem Druck stehende gasförmige Kraftstoff, der von der Kraftstoffzuleitung in den Injektor eingeführt wird, in Öffnungsrichtung der Ventilnadel, so dass insgesamt eine geringere Kraft zum Öffnen der Ventilnadel ausreicht.
Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Ventilfeder zum Drängen der Ventilnadel in ihre geschlossene Position an der zum Ventilnadelgegenstück abgewandten Seite der Ventilnadel angeordnet ist und vorzugsweise stromabwärts zur Ventilnadel angeordnet ist.
Das Konzept einer nach außen öffnenden Ventilnadel, also zum Brennraum hin, ermöglicht also auch das Anordnen der Ventilfeder in einem Bereich stromabwärts zur Ventilnadel.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass stromabwärts zur Ventilnadel das Passivventil angeordnet ist, das über ein Passivventil-Federelement in Richtung der Ventilnadel in seine verschließende Position gedrängt ist. Ein Einsatz des Passivventils ist dabei so ausgebildet, dass ein hoher vom Brennraum herrührender Druck den Einsatz des Passivventils in seine schließende Position drückt. Ferner dazu ist eine Passivventil- Ventilfeder vorgesehen, die den Einsatz ebenfalls in seine schließende Position drängt. Zum Öffnen des Passivventils bzw. zum Ausheben des Einsatzes des Passivventils aus seiner schließenden Position kann es ausreichend sein, wenn der unter hohem Druck stehende über die Kraftstoffzuleitung eingeführte gasförmige Kraftstoff über das geöffnete Aktivventil an dem Einsatz des Passivventils wirkt. Dabei können solche Druckverhältnisse auftreten, dass der Einsatz des Passivventils bei gleichzeitiger Stauchung der Passivventil-Feder aus seiner geschlossenen Position gedrängt wird, so dass es zu einem Ausströmen von gasförmigem Kraftstoff aus dem Injektor kommt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einem Betätigen des Aktivventils, das zu einem Bewegen der Ventilnadel in die Offenstellung führt, die Öffnungsbewegung der Ventilnadel eine mechanische Krafteinwirkung auf das Passivventil zum Überführen in die Offenstellung ausübt, vorzugsweise mittels einem an der Ventilnadel, einem an einem Passivventil-Einsatz oder einem zwischen Ventilnadel (9) und Passivventil- Einsatz (15) angeordneten stabartigen Element.
Neben einem „passiven“ Öffnen des Passivventils, dass allein mittels anliegender Druckunterschiede an dem Passivventil erfolgt, kann auch die Bewegung der Ventilnadel des Aktivventils für eine mechanische in Öffnungsrichtung wirkende Krafteinwirkung auf das Passivventil genutzt werden. Im Ergebnis wird dann das Passivventil bzw. dessen Einsatz nicht ausschließlich aufgrund eines anliegenden Druckunterschieds geöffnet, sondern aufgrund einer Kombination des anliegenden Druckunterschiedes zusammen mit einer mechanischen Krafteinwirkung auf den Einsatz des Passivventils. Dabei kann beispielsweise die Bewegung der Ventilnadel ausgenutzt werden, um den in gleicher Richtung in die Öffnungsposition zu drängenden Einsatz des Passivventils aus seiner Schließposition zu heben. Für die mechanische Kraftweitergabe kann dabei ein stabartiges Element vorgesehen sein, das die Bewegung der Ventilnadel auf den Einsatz des Passivventils weitergibt. Dieses stabartige Element kann dabei fest mit dem Einsatz des Passivventils, fest mit der Ventilnadel oder zwischen der Ventilnadel und dem Einsatz des Passivventils frei bewegbar angeordnet sein.
Bei einem rein passiven Betrieb des Passivventils, welches anfangs geschlossen ist, sorgt der initiale Druckaufbau stromaufwärts des Passivventils (im Ventilraum) für eine sehr starke Beschleunigung des Passivventil-Einsatzes. Dies kann zu Verschleiß und Bauteilbeschädigungen aufgrund der hohen mechanischen Belastung führen. Durch eine kombinierte aktive-passive Ansteuerung, bei der sowohl ein Druckunterschied wie auch eine mechanische Krafteinwirkung auf den Passivventil-Einsatz wirken, öffnet sich das Passivventil bereits, bevor ein das Passivventil öffnender Überdruck im Ventilraum entsteht. Dadurch kann die Beschleunigung des Passivventil-Einsatzes und damit die mechanische Belastung deutlich reduziert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einer geschlossenen Position von dem Aktivventil wie auch dem Passivventil ein Spalt zwischen der zum Passivventil gewandten Seite der Ventilnadel und der zur Ventilnadel gewandten Seite des Passivventils ausgebildet ist, wobei dieser Spalt so dimensioniert ist, dass er bei einem Betätigen des Aktivventils, das zu einem Bewegen der Ventilnadel in die Offenstellung führt, geschlossen wird, so dass nach einem Schließen dieses Spalts durch das Fortführen der Öffnungsbewegung der Ventilnadel eine mechanische Krafteinwirkung auf das Passivventil zum Überführen in die Offenstellung erfolgt.
Vorliegend wird zwar die Bewegung der Ventilnadel genutzt, um auch eine entsprechende Krafteinwirkung auf den Einsatz des Passivventils bzw. auf das die Kraftübertragung weitergebende stabartige Element zu übertragen, die Ventilnadel steht aber in ihrer geschlossenen Position nicht mit dem Einsatz des Passivventils bzw. dem stabartigen Element in Verbindung, sondern es existiert dazwischen ein Spalt. Dieser Spalt ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass er bei einem vollständigen Übergang der Ventilnadel in ihre offene Stellung geschlossen wird, um vor Erreichen der maximal geöffneten Stellung der Ventilnadel noch eine mechanische Kraft zum Öffnen des Passivventils zu übertragen. Ein Vorteil hierbei ist, dass die Ventilnadel so ausreichend Schwung aufnehmen kann, um den Einsatz des Passivventils mit hoher Kraft aus seiner geschlossenen Position zu drängen, was für einen (vorteilhaften) steileren Anstieg in der Ausströmungsrate des gasförmigen Kraftstoffs aus dem Injektor sorgt. Das maximale Ausströmungsvolumen des Injektors steht somit schneller zur Verfügung.
Ferner kann dabei vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass in dem Spalt ein elastisches Zwischenstück angeordnet ist, um die einwirkende Kraft auf das Passivventil zu dämpfen. Darüber hinaus wirkt dieses Zwischenstück auch positiv bei einem Zurückführen des Passivventil-Einsatzes in die geschlossene Position, da ein Prellen ebenfalls gedämpft wird.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass in einer geschlossenen Stellung des Aktivventils der die Ventilnadel aus ihrer geschlossenen Position herausdrängende Anker von der Ventilnadel beabstandet ist, vorzugsweise um bei einem Öffnungsvorgang eine gewisse Beschleunigung vor einem Kontaktieren der Ventilnadel aufzunehmen.
Ähnlich wie bei dem Spalt zwischen dem stabartigen Element bzw. dem Einsatz des Passivventils und der Ventilnadel kann auch ein Spalt zwischen dem Anker und der Ventilnadel vorgesehen sein. So kann der Anker bzw. das dadurch beschleunigte stabförmige Element ausreichend Geschwindigkeit aufnehmen, um dann mit einer hohen Energie die Ventilnadel ruckartig aus ihrer geschlossenen Position zu drängen. Der hohe Einschlagimpuls hilft dabei eine hohe Schließkraft zu überwinden, die für einen sicheren Betrieb des Injektors von Vorteil ist.
Ferner kann es nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Ventilnadelgegenstück ortsfest in dem Injektor angeordnet ist und/oder mindestens eine Öffnung zum Durchführen des gasförmigen Kraftstoffs aufweist. Darüber hinaus kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Ventilnadel in Längsrichtung des Injektors bewegbar angeordnet ist und/oder mindestens eine Öffnung zum Durchführen des gasförmigen Kraftstoffs aufweist.
Sowohl die Ventilnadel wie auch das Ventilnadelgegenstück können dabei im Wesentlichen die Form einer Platte aufweisen, dass über mindestens eine Durchführung verfügt, welche die beiden flächigen Seiten der plattenartigen Form miteinander verbindet. Vorteilhafterweise ist dabei die Grundform der Ventilnadel bzw. des Ventilnadelgegenstücks kreisförmig ausgestaltet, so dass diese in ein zylinderförmiges Injektorgehäuse einbringbar sind und mit ihrer Außenumfangsseite bündig mit der Innenseite des Injektorgehäuses abschließen bzw. daran befestigt sind.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Ventilnadel und/oder das Ventilnadelgegenstück an der dem Ventilnadelgegenstück bzw. der Ventilnadel zugewandten Seite mindestens ein elastisches Dichtelement aufweist, um in einem aneinandergedrängten Zustand mindestens eine Öffnung (Durchführung) des Ventilnadelgegenstücks zum Durchleiten des gasförmigen Kraftstoffs von der mindestens einen Öffnung (Durchführung) der Ventilnadel zum Durchleiten des gasförmigen Kraftstoffs abzudichten.
Weiter kann es nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Spule, die zum Betätigen des Ankers des Aktivventils vorgesehen ist, außerhalb eines Injektorgehäuses angeordnet ist. Die Spule befindet vollständig außerhalb des Gehäuses und hat damit keinen Kontakt zum gasförmigen Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, was ein Eindringen in den Kupferdraht und damit dessen Beschädigung über die Lebenszeit verhindert.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass das Aktivventil vorteilhafterweise so ausgelegt ist, dass eine Ventilfeder ein ungewolltes Öffnen der Ventilnadel und damit ein Ausdringen von Kraftstoff / Eindringen von Luft/Abgas/Brenngas in den Injektor z.B. aufgrund des hohen Brennraumdrucks in jedem Fall verhindert. Durch das Abdichten des Passivventils gegen den Brennraumdruck kann in bestimmten Ausführungen die Ventilfeder nicht so stark ausgeführt werden, wodurch weniger Magnetkraft zum Öffnen der Ventilnadel benötigt wird.
Vorteilhaft kann der gasförmige Kraftstoff so durch den gesamten Injektor geführt werden, dass die Strömung stets innerhalb oder außerhalb von Druckfedern verläuft. Damit verläuft die Strömung nicht durch die Windungen der Druckfedern.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors, insbesondere zum Betreiben eines Injektors nach einem der vorhergehenden Varianten, wobei es bei einer Einspritzung an mindestens einer Stelle im Injektor zu einem Schalldurchgang kommt, um eine Entkopplung vom Brennraum zum Injektor zu erreichen, so dass die Einspritzrate unabhängig vom Brennraumgegendruck ist, wobei vorzugsweise der Schalldurchgang an der mindestens einen Öffnung in dem Ventilnadelgegenstück und/oder an der mindestens einen Öffnung in der Ventilnadel auftritt, welche die Strömung des gasförmigen Kraftstoffs begrenzende Drosselflächen darstellt/en.
Andere den Querschnitt einschränkende Leitungsabschnitte in dem Injektor sind dabei sehr viel größer als der Querschnitt der mindestens einen Öffnung der Ventilnadel bzw. des Ventilnadelgegenstücks. Vorteilhafterweise sind die anderen Öffnungen in ihrem Querschnitt mehr als 50 %, bevorzugterweise mehr als 100 % größer als die mindestens eine Öffnung in der Ventilnadel bzw. die mindestens eine Öffnung in dem Ventilnadelgegenstück.
Durch das Erreichen des Überschalls in dem Injektor kommt es zu einer Entkopplung vom Brennraum zum Injektor, wodurch die Einspritzrate unabhängig vom Brennraumgegendruck ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Gas- Direkteinspritzung, insbesondere mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor nach einem der vorstehend beschriebenen Varianten oder eine Brennkraftmaschine, die mit dem vorstehenden Verfahren betrieben wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
Fig. 1A: eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
Fig. 1 B: Diagramme zum prinzipiellen Verhalten des Injektors während einer Einblasung,
Fig. 2: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors in einem Ausgangszustand mit geschlossenen Ventilen,
Fig. 3: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors in einem offenen Zustand mit geöffneten Ventilen,
Fig. 4: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors in einem offenen Zustand mit geöffneten Ventilen und einem jeweiligen Spalt zwischen Ventilnadel und Ankerstange sowie zwischen Ventilnadel und Einsatz des Passivventils,
Fig. 5: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform ohne Passivventil-Stange,
Fig. 6: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der der Anker über die Ankerstange direkt mit der Ventilnadel verbunden ist, Fig. 7: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ventilnadel direkt mit dem Einsatz des Passivventils über ein stangenartiges Element verbunden ist,
Fig. 8: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ventilnadel sowohl mit dem Einsatz des Passivventils wie auch der Ankerstange verbunden ist,
Fig. 9: zwei nebeneinander angeordnete schematische Schnittansichten des erfindungsgemäßen Injektors nach einer jeweiligen weiteren Ausführungsform, bei der die stabartigen Elemente verbunden bzw. nicht verbunden sind,
Fig. 10: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Toleranzausgleich durch einen elastischen Anschlag des Ankers erreicht wird,
Fig. 11 : eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Toleranzausgleich durch ein elastisches Zwischenstück zwischen dem Einsatz des Passivventils und der Ventilnadel erreicht wird,
Fig. 12: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der elastische Dämpferelemente zum Verringern oder Verhindern von Prellen vorgesehen sind,
Fig. 13: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der elastische Dämpferelemente zum Verringern oder Verhindern von Prellen vorgesehen sind, Fig. 14: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform, bei der der Anker in einer Schließstellung des Aktivventils keinen Kontakt zur Ventilnadel hat,
Fig. 15: eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors nach einer weiteren Ausführungsform mit einer Öffnungsbewegung der Ventilnadel, die entgegen der Strömungsrichtung des gasförmigen Kraftstoffs gerichtet ist,
Fig. 16: eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer ersten
Ausführungsform,
Fig. 17: eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 18: eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 19: eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform, und
Fig. 20: eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 1A zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Injektor, anhand der der Aufbau des Injektors 1 gut zu erkennen ist.
Der Injektor 1 umfasst eine Kraftstoffzuleitung 2, durch die der Kraftstoff dem Injektor 1 zugeführt wird, eine Aktuatoreinheit (beispielhaft aufweisend Spule 8 mit elektrischem Anschluss, Anker 7, Ankerstange 13 (optional), Ankergegenstück 26, Gehäuse 20, unmagnetischer Bypass-Ring 22 sowie Eisenrückschluss 25) zur aktiven Betätigung einer über eine Ventilfeder 10 vorgespannten, geführten Ventilnadel 9 (in Fig. 1 als Platte ausgeführt), welche einen Drosselquerschnitt der Öffnungen 12 in einem Ventilnadelgegenstück 11 und einen Drosselquerschnitt (der Öffnungen 19) in der Ventilnadel 9 über ein oder mehrere Dichtelemente 5 zwischen Ventilnadelgegenstück 11 und Ventilnadel 9 blockiert oder freigibt (mittels Aktivventil 3), einem stromab vom Aktivventil 3 gelegenen Passivventil 4 (aufweisend ein Passivventil-Einsatz 15, eine Passivventil-Stange 16 (optional), eine Passivventil- Führung 31 und eine Passivventil-Feder 14), welches einen Drosselquerschnitt (definiert durch Öffnungen 34) blockiert oder freigibt, und einer Einblaskappe 23 mit einem Drosselquerschnitt (definiert durch Öffnungen 33), welche den Kraftstoffstrahl während der Einblasung mit definierter Ausrichtung in den Brennraum ablenkt.
Ankerstange 13 und Anker 7 können als einteilige oder zwei- bzw. mehrteilige Baugruppe ausgeführt sein. Die Bauteile können miteinander verbunden sein (z.B. durch Kraftschluss, Formschluss), müssen aber nicht miteinander verbunden sein (vgl. Fig. 6). Gleiches gilt für den Passivventil-Einsatz 15 und die mit dem Passivventil-Einsatz zusammenwirkende Stange 16 (vgl. Fig. 7).
Fig. 1 B zeigt mehrere Diagramme zum prinzipiellen Verhalten des Injektors 1 während einer Einblasung.
Öffnungsphase:
Fig. 1 B zeigt das prinzipielle Verhalten des Injektors 1 während einer Einblasung. Der exakte Verlauf unterscheidet sich je nach Ausführungsform von Aktiv- und Passivventil.
In Ausgangsstellung (siehe Fig. 1 B und 2) zum Zeitpunkt t_0 am unteren Totpunkt (UT) des Zylinderkolbens werden Ventilnadel 9 und Passivventil-Einsatz 15 durch die vorgespannte Ventilfeder 10 bzw. Passivventil-Feder 14 in ihren jeweiligen oberen Anschlag 27 am Dichtelement der Ventilnadel 9 bzw. der Dichtkante des Passivventils 29 gedrückt und verschließen die Drosselstellen 12 und 19 bzw. 34, welche den Nadelraum mit dem Ventilraum bzw. den Ventilraum mit dem Einblasraum im geöffneten Zustand von Ventilnadel 9 bzw. Passivventil-Einsatz 15 verbinden. Der Druck im Injektor 1 bis zum Dichtelement 5 entspricht dem Druck in der Kraftstoffzuleitung 2, der Druck im Brennraum sowie im Einblasraum entspricht dem Ladedruck während der Ansaugphase des Zylinderkolbens, in der Frischluft über die Einlassventile in den Brennraum angesaugt wird. Der Druck im Ventilraum entspricht in etwa dem Brennraumdruck und hängt u.a. von der Auslegung der Passivventilfeder 14, dem Druck im Brennraum während der Phase des Ausstoßens der heißen Verbrennungsgase über die Auslassventile des Brennraums und ggf. vorangehender Einblasungen ab. Die Funktionsdarstellung folgt im Folgenden vereinfacht und ohne Berücksichtigung des Ladungswechsels durch Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile des Brennraums.
Zum Zeitpunkt t_1 (siehe Fig. 1 B) wird ein Spannungssignal über die elektrischen Kontakte an die Spule 8 des Aktuators angelegt, so dass der Strom im elektrischen Kreis bis auf ein definiertes Endniveau ansteigt. Die stromdurchflossene Spule 8 induziert ein magnetisches Feld im Aktuator, dessen Magnetfeldlinien 35 sich torusförmig um die Spule 8 herum ausbreiten (siehe Fig. 1 und 3). Durch das magnetische Feld 35 wird eine Magnetkraft im Arbeitsluftspalt 23 zwischen Anker 7 und Ankergegenstück 26 aufgebaut, wodurch zum Zeitpunkt t_2 der Anker 7 mit Ankerstange 13 in Öffnungsrichtung zum Ankergegenstück 26 angezogen wird, sobald die Magnetkraft die Schließkraft (vorzeichenbehaftete Summe aus Vorspannkraft der Ventilfeder 10 und Druckkräften auf Anker 7 und Ventilnadel 9) übertrifft. Der Aufbau des Magnetfeldes und damit der Magnetkraft wird dabei durch Wirbelströme in den Eisenteilen des Magnetkreises verzögert. Der Anker 7 ist über die Ankerstange 13 während der initialen Öffnungsphase aufgrund der Vorspannung der Ventilfeder 10 in ständigem Kontakt mit der Ventilnadel 9, so dass sich die Ventilnadel 9 gleichförmig mit dem Anker 7 bzw. der Ankerstange 13 bewegt.
Sobald das zuvor komprimierte, elastische Dichtelement 5 zwischen Ventilnadel 9 und Ventilnadelgegenstück 11 zum Zeitpunkt t_3 nicht mehr in gleichzeitigem Kontakt mit den Stirnflächen der Ventilnadel 9 und des Ventilnadelgegenstücks 11 ist, wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum freigegeben, so dass der Kraftstoff durch die Querschnitte 12 und 19 vom Nadelraum in den Ventilraum strömt. Dadurch erhöht sich der Druck im Ventilraum. Sobald die Druckdifferenz von Ventilraum zum Einblasraum einer Kraftdifferenz auf den Passivventil-Einsatz 15 in gleicher Höhe wie der Vorspannkraft der Passivventil-Feder 14 entspricht, öffnet das Passivventil 4, d. h. der Passivventil-Einsatz 15 bewegt sich von der Dichtkante 34 weg und gibt die Verbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum frei, so dass Kraftstoff vom Ventilraum in den Einblasraum strömt (siehe Fig. 3). Dieses rein passive Schaltverhalten des Passivventils 4 tritt auf, wenn bspw. die Passivventil- Stange 16 nicht vorhanden ist (siehe Fig. 5) bzw. in der Länge derart gekürzt ist, dass das Passivventil 4 aufgrund der Druckverhältnisse öffnet, bevor die Ventilnadel 9 mit dem Passivventil-Einsatz 15 in Kontakt kommt.
Die Länge der Passivventil-Stange 16 kann jedoch so ausgeführt sein, dass das Schalten des Passivventils 4 nicht (rein) pneumatisch/hydraulisch, sondern (auch) mechanisch erfolgt, indem die Ventilnadel 9 mit der Passivventil-Stange 16 in Kontakt kommt und den Passivventil-Einsatz 15 in Öffnungsrichtung bewegt, bevor die Druckkräfte zum Öffnen des Passivventils 4 führen würden, bzw. so zeitlich in Kontakt kommt, dass ein kombiniertes mechanisch/pneumatisches Öffnen erfolgt (siehe Fig. 3). Um eine geometrische Überbestimmtheit zu vermeiden, kann die Länge der Passivventil-Stange 16 so gewählt werden, dass ein kleiner Ventilspalt 17 zwischen Ventilfeder 9 und Passivventil-Stange 16 im geschlossenen Zustand beider Ventile 3, 4 vorliegt (siehe Fig. 1A). In diesem Fall wird das Passivventil 4 gemischt passiv/aktiv geschaltet.
Sind Ankerstange 13, Passivventilstange 16, Passivventil-Einsatz 15 und Ventilnadel 9 nicht miteinander fest verbunden (z.B. Formschluss, Kraftschluss), so bewegen sich diese aufgrund von Trägheit weiter, sobald der Anker 7 auf seinen unteren Anschlag 24 trifft, und zwar so lange, bis die Ventilnadel 9 bzw. der Passivventil- Einsatz 15 auf ihren jeweils eigenen unteren Anschlag 28, 30 treffen (siehe Fig. 1A und 4). Im Anschluss kann es zu einem Prellen und Rückfedern von Ventilnadel 9 und Passivventil-Einsatz 15 sowie Passivventil-Stange 16 kommen, bis sich ein im Mittel stationäres Gleichgewicht aus mechanischen und pneumatischen/hydraulischen Kräften einstellt und die durch das Abheben entstehenden Spalte (siehe Fig. 4) zwischen den Bauteilen wieder durch Kontakt der Bauteile geschlossen werden.
Durch das Öffnen des Passivventils 4 kommt es zu einem Druckanstieg im Einblasraum. Der Kraftstoff strömt stromab weiter durch die Öffnung(en) 33 in der Einblaskappe 32 in die Brennkammer (siehe Fig. 3 und 4). Die Einblaskappe 32 ist dabei so gestaltet, dass die Strömung in einem definierten Zustand (Strahlorientierung, Eintrittsimpuls, Strahlbild, etc.) in den Brennraum eingebracht wird. Der geöffnete Zustand von Ventilnadel 9 und Passivventil-Einsatz 15 wird während der gesamten restlichen Bestromungsphase beibehalten. Das Stromniveau kann (z. B. durch ein PWM-Spannungssignal) reduziert werden, sobald die Ventilnadel 9 vollständig geöffnet ist und ein mögliches Prellen nicht zu einem Schließen der Ventilnadel 9 führt. Während der Einblasung befindet sich der Zylinder des Motors in der Kompressionsphase, so dass der Brennraumdruck stetig ansteigt.
Schließphase:
Um den Einblasvorgang zu beenden, wird die Spannungsversorgung durch das Steuergerät beendet, so dass der Strom durch die Spule 8 zum Zeitpunkt t_4 bis auf null reduziert wird (siehe Fig. 1 B). Aufgrund der Wirbelströme zeitlich verzögert baut sich auch die Magnetkraft ab. Sobald die Magnetkraft geringer ist als die Summe aus der Schließkraft der Ventilfeder 10 und den pneumatischen/ hydraulischen Kräften auf die Ventilnadel 9 und den Anker 7, beginnen sich Nadel 9 und Anker 7 gleichförmig zu schließen (Zeitpunkt t_5). Nähert sich die stromauf gelegene Stirnseite der Ventilnadel 9 dem Ventilnadelgegenstück 11 so nah an, dass das Dichtelement 5 / die Dichtelemente 5 wieder gleichzeitig in Kontakt mit der Ventilnadel 9 und dem Ventilnadelgegenstück 11 kommt/kommen, so wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum wieder getrennt und der Kraftstofffluss vom Nadelraum in den Ventilraum unterbrochen (Zeitpunkt t_6). Damit sinkt der Druck im Ventilraum.
Wenn die Druckdifferenz vom Ventilraum zum Einblasraum einer Kraftdifferenz auf den Passivventil-Einsatz 15 in gleicher Höhe wie der Federkraft der Passivventil- Feder 14 entspricht, bewegt sich der Passivventil-Einsatz 15 zurück in seine Schließposition an der Dichtkante am oberen Passivventil-Anschlag 29 und wird durch den zunehmenden Druck im Brennraum und damit im Einblasraum gegen die Dichtkante gedrückt, so dass die Kraftstoffverbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum (ggf. nach einer Phase des Prellens des Passivventil-Einsatzes 15 an der Dichtkante) unterbrochen wird (Zeitpunkte t_6 - t_7). Der Einblasvorgang ist damit abgeschlossen (siehe Fig. 2).
Ist der Passivventil-Einsatz 15 fest mit der Ventilnadel 9 verbunden (siehe Fig. 7), so bestimmen zusätzlich die Kräfte auf die Ventilnadel 9 (z.B. Ventilfeder 10, Druckkräfte) das Schließen des Passivventil-Einsatzes 15. In diesem Fall ist die Passivventil-Feder 14 nicht notwendig.
Während der weiteren Kompressionsphase (siehe Fig. 1 B) des Brennraums bis zum oberen Totpunkt (OT) im Zeitraum t_7 - t_8 wird das Luft-Brennstoffgemisch im Einblasraum komprimiert, während es in der anschließenden Expansionsphase entspannt (Zeitraum t_8 - t_9). (Der weitere zwischenzeitliche Anstieg des Brennraumdrucks aufgrund von Verbrennung ist hier vereinfacht nicht dargestellt.)
Sinkt der Druck im Brennraum so weit ab, dass die Differenz aus Druckkräften auf den Passivventil-Einsatz 15 der Vorspannkraft der Passivventil-Feder 14 entspricht (Zeitpunkt t_9), so öffnet sich der Passivventil-Einsatz 15 kurzzeitig erneut, so dass ein Teil des im Ventilraum vorhandenen Kraftstoffs in den Brennraum entweicht. Dieser Vorgang ist abhängig von der Federkraft der Passivventil-Feder 14 und kann auch gar nicht oder in wiederholtem Male auftreten (Zeitraum t_9 - 1_10).
Bei alternativen Ausführungen, z.B. bei mit der Ventilfeder fest verbundenem Passivventil-Einsatz (siehe Fig. 7), hängt dieses Verhalten entsprechend wieder auch von den angreifenden Kräften auf die Ventilnadel 9 ab. Im Folgenden werden in den nachfolgenden Figuren lediglich die Bestandteile mit einem Bezugszeichen hervorgehoben, die für die jeweilige Figur von besonderem Interesse sind.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 in einem Ausgangszustand mit geschlossenen Ventilen 3, 4. Man erkennt, dass sowohl das Aktivventil 3 wie auch das Passivventil 4 in einem geschlossenen Zustand sind und keine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung 2 zur Einblaskappe besteht.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 in einem offenen Zustand mit geöffneten Ventilen 3, 4. Zudem ist die Strömung 36 des gasförmigen Kraftstoffs durch den Injektor 1 mittels zwei durchgehender Linien dargestellt. Man erkennt, dass das Aktivventil 3, wie auch das Passivventil 4 jeweils in der geöffneten Position ist und eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuführung 2 hin zur Einblaskappe 32 vorliegt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 in einem offenen Zustand mit geöffneten Ventilen 3, 4 und einem jeweiligen Spalt zwischen Ventilnadel 9 und Ankerstange 13 sowie zwischen Ventilnadel 9 und Einsatz 15 des Passivventils 4. In der maximal geöffneten Stellung ist sowohl die Ventilnadel 11 wie auch der Einsatz 15 des Passivventils 4 so weit zurückgezogen, dass keine Kontaktierung mehr zwischen der Ventilnadel 11 und der Ankerstange 13 sowie der Ventilnadel 11 und der Passivventil-Stange 16 vorhanden ist. Die Druckunterschiede bzw. die Strömung des gasförmigen Kraftstoffs drängt dabei die Ventilnadel 11 bzw. den Passivventil-Einsatz 15 in ihre maximal geöffnete Position.
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform ohne Passivventil-Stange 16. Die Öffnung des Passivventils 4 erfolgt dabei ausschließlich über einen Druckunterschied stromauf und stromab des Passivventil-Einsatzes 15. Das Passivventil 4 schaltet allein durch die angreifenden Druckkräfte nach dem Öffnen der Ventilnadel 9. Auch das Schließen ist weiterhin rein passiv gesteuert.
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der der Anker 7 über die Ankerstange 13 direkt mit der Ventilnadel 9 verbunden ist. Der untere Anschlag kann entweder über den Anker 7 oder die Ventilnadel 9 erfolgen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ventilnadel 9 direkt mit dem Einsatz 15 des Passivventils 4 über ein stangenartiges Element 16 verbunden ist. Das Passivventil 4 kann demnach auch aktiv geschaltet werden und nicht mehr kombiniert aktiv-passiv wie in vorhergehenden Ausführungsformen dargestellt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ventilnadel 9 sowohl mit dem Einsatz 15 des Passivventils 4 wie auch der Ankerstange 13 verbunden ist. Auch hier wird das Passivventil 4 somit aktiv geschaltet und nicht mehr kombiniert aktiv-passiv oder nur passiv.
Fig. 9 zeigt zwei nebeneinander angeordnete schematische Schnittansichten des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer jeweiligen weiteren Ausführungsform, bei der die stabartigen Elemente 13, 16 verbunden (linke Darstellung) bzw. nicht verbunden (rechte Darstellung) sind.
In der linken Darstellung ist der Anker 7 mit dem stabartigen Element 13 fest verbunden oder sogar einteilig ausgebildet. Auch der Passivventil-Einsatz 15 ist mit dem stabartigen Element 16 fest verbunden oder einteilig ausgebildet.
In der rechten Darstellung ist das jeweilige stabartige Element 13, 16 nicht fest mit dem Anker 7 bzw. dem Passivventil-Einsatz 15 verbunden. Wie man der Fig. 9 entnehmen kann, ist der Passivventil-Stab 16 in Längsrichtung des Injektors 1 bewegbar angeordnet und ist seitlich geführt. Die seitliche Führung des Ankerstabs 13 wird durch das Hindurchtreten durch die Öffnung des Ventilnadelgegenstücks erreicht.
Fig. 10 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Toleranzausgleich durch einen elastischen Anschlag 38 des Ankers 7 erreicht wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Passivventil-Einsatz 15 durch den Toleranzausgleich eines elastischen oberen Anschlags 38 des Ankers 7 im Ausgangszustand mit der Passivventil-Stange 16 an der Ventilnadel 9 anliegt.
Fig. 11 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Toleranzausgleich durch ein elastisches Zwischenstück 18 zwischen dem Einsatz 15 des Passivventils 4 und der Ventilnadel 9 erreicht wird. Der Passivventil-Einsatz 15 kann durch den Toleranzausgleich eines elastischen Zwischenstücks 18 zwischen Passivventil- Einsatz 15 und Ventilnadel 9 im Ausgangszustand mit der Passivventil-Stange 16 an der Ventilnadel 9 anliegen. Die Kraftübertragung von Ventilnadel 9 auf den Passivventil-Einsatz 15 erfolgt dabei zu Beginn weniger abrupt.
Fig. 12 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der elastische Dämpferelemente 39 zum Verringern oder Verhindern von Prellen vorgesehen sind. So kann unter anderem ein Prellen von Anker 7, Ventilnadel 9 und Passivventil-Einsatz 15 beim Öffnen und Schließen verringert oder gar verhindert werden.
Fig. 13 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der elastische Dämpferelemente zum Verringern oder Verhindern von Prellen vorgesehen sind. So kann unter anderem ein Prellen von Anker 7, Ventilnadel 9 und Passivventil-Einsatz 15 beim Öffnen und Schließen verringert oder gar verhindert werden. Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der der Anker 7 in einer Schließstellung des Aktivventils 3 keinen Kontakt zur Ventilnadel 9 hat.
Im geschlossenen Zustand ist der Anker 7 ohne Kontakt zur Ventilnadel 9 (z.B. über eine Rückstellkraft einer weiteren Ankerfeder 40). Der Anker 7 ist zu Beginn der Bestromung druckausgeglichen. Der Anker 7 kann deshalb zunächst stark beschleunigen und trifft mit hohem Einschlagimpuls auf die Ventilnadel 9, um diese schnell zu Öffnen bzw. um hohe Schließkräfte zu überwinden.
Fig. 15 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Injektors 1 nach einer weiteren Ausführungsform mit einer Öffnungsbewegung der Ventilnadel, die entgegen der Strömungsrichtung des gasförmigen Kraftstoffs gerichtet ist.
Alle bisher dargestellten Ausführungen beinhalten ein nach außen öffnendes Aktivventil 3 und ein nach außen öffnendes Passivventil 4. Die Ausführung auf Fig. 15 stellt eine Variante mit nach innen öffnendem Aktivventil 3 dar. Das Passivventil 4 schaltet vollkommen passiv bedingt durch die angreifenden Druckkräfte und die eingestellte Federkraft der Passivventil-Feder 14.
Es gibt keine Ankerstange und keine Passivventil-Stange. Ventilnadel 9 und Anker 7 sind miteinander verbunden (z.B. Formschluss, Kraftschluss). Die vormaligen Strömungsquerschnitte in dem Ventilnadelgegenstück und der Ventilnadel 12 und 19 verschmelzen zu einem Querschnitt 12' in dem Ventilnadelgegenstück 11.
Der Anker 7 wird samt der Ventilnadel 9 bei Aktivierung des Injektors 1 und Ausbildung des Magnetfeldes nach oben Richtung Ankergegenstück 26 gezogen, so dass der Querschnitt 12' freigegeben wird. Durch den Druckaufbau im Ventilraum öffnet das Passivventil 4. Beim Abschalten schließt die Anker-Ventilnadel-Baugruppe wieder und blockiert den Querschnitt 12‘. Das Passivventil 4 schließt wieder nach Druckausgleich zwischen Ventilraum und Einblasraum aufgrund der Passivventil- Feder 14. Genau wie in allen anderen Ausführungsformen ist aber auch hier zwischen der Ventilnadel 9 und dem Ventilnadelgegenstück 11 eine Dichtung mithilfe eines elastischen Dichtelements 5 erzeugt.
Fig. 16 zeigt eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils 3 nach einer ersten Ausführungsform. Dem Fachmann ist klar, dass die spezifische Ausgestaltung der Dichtstelle des Aktivventils 3 (beispielhaft dargestellt in den Figuren 16-20) mit einer jeden Injektorkonfiguration verwendet werden kann. So ist es beispielsweise unerheblich, ob das stromabwärtig angeordnete Passivventil 4 nur mithilfe eines Druckunterschieds oder zusätzlich auch durch mechanische Krafteinwirkung aus seiner geschlossenen Position gebracht wird.
Nach der in Fig. 16 dargestellten Umsetzung liegen die Durchgangsflächen 12 durch das Ventilnadelgegenstück 11 außerhalb der Dichtinseln 51 auf der Ventilnadel 9, wobei aber auch eine umgekehrte Ausführung möglich ist. Die Öffnungen 12 im Ventilnadelgegenstück 11 sind demnach radial weiter außen angeordnet als die Öffnungen 19 in der Ventilnadel 9. Dies führt dazu, dass bei einem Anliegen der beiden Anlageflächen aneinander sich die jeweiligen Öffnungsquerschnitte nicht überdecken und mithilfe von entsprechend angeordneten Dichtelementen 5 voneinander abgedichtet werden können. So sind für die Öffnungen 19 der Ventilnadel 9 jeweilige innere Dichtelementen 51 vorgesehen, die einen jeden Querschnitt einer Öffnung 19 umfangsseitig umgeben, so dass bei einem Auflegen auf das Ventilnadelgegenstück 19 eine Abdichtung erfolgt. Die Öffnungen 12 des Ventilnadelgegenstücks 11 werden mithilfe eines einzelnen elastischen äußeren Dichtelements 52 abgedichtet, in dessen durch den Innenumfang definierten Bereich sämtliche Öffnungen 12 des Ventilnadelgegenstücks 11 angeordnet sind.
Die inneren Dichtelemente 51 verhindern im geschlossenen Zustand ein Strömen durch die Drosselflächen 19, wohingegen das äußere Dichtelement 52 im geschlossenen Zustand ein Strömen um die Ventilnadel herum verhindert. Ohne das äußere Dichtelement 52 könnte sich ansonsten eine unerwünschte Leckage durch einen Spalt zwischen Ventilnadel und Gehäuse einstellen.
Vorliegend ist dem Fachmann klar, dass Durchgangsdrosselflächen als Bohrungen, Schlitze etc. ausgeführt sein können und die Form frei wählbar ist. Ferner ist möglich, dass die Dichtelemente 51 , 52 (innen und außen) einzeln oder miteinander verbunden ausgeführt sein können.
Die Dichtelemente 51 , 52 haben aufgrund ihrer elastischen Formgebung gleichzeitig eine dämpfende Wirkung gegen Prellen, was weiter vorteilhaft beim Betätigen des Aktivventils 3 ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ankerstange 7 in der zentralen Bohrung 45 des Ventilnadelgegenstücks 11 eng geführt ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Stirnflächen von Ventilnadel und Ventilnadelgegenstück planar oder gewölbt oder anderweitig geformt sind. Von Vorteil ist selbstverständlich eine entsprechend aufeinander abgestimmte Formgebung von Ventilnadel 9 und Ventilnadelgegenstück 11 .
Fig. 17 zeigt eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform. Die äußeren Dichtelemente 52 zum Abdichten der Öffnungen in dem Ventilnadelgegenstück 11 werden direkt an dem Ventilnadelgegenstück angeordnet, z.B. über jeweilige Dichtinseln um entsprechende Durchgangsbohrungen 12 herum. Es ist aber ebenso gut möglich, einen einzelnen, großen Dichtung (analog zu Figur 16) an dem Ventilnadelgegenstück 11 anzuordnen, in dessen Innenumfang sämtliche Öffnungen 12 des Ventilnadelgegenstücks 11 angeordnet sind.
Fig. 18 zeigt eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform. Vorliegend besitzt jede Öffnung 12, 19 in dem Ventilnadelgegenstück 11 , wie auch in der Ventilnadel 9 einen jeweiligen elastischen Dichtung und es ist zusätzlich ein weiterer in seinem Durchmesser vergrößerter elastischer Dichtung an der Ventilnadel 9 vorgesehen, in dessen Innenumfang sich in einem geschlossenen Zustand sämtliche Öffnungen 12, 19 befinden. Dieses äußere Dichtelement an der Ventilnadel 9 kann neben seiner Funktion als Abdichtelemente auch als zusätzliches Dämpfelement wirken.
Fig. 19 zeigt eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform, bei der die einzelnen Dichtelemente 51 , 52 über Stege 53 miteinander verbunden sind und dadurch ein einteiliges „großes“ Dichtelement bilden.
Fig. 20 zeigt eine Perspektivansicht einer Dichtstelle des Aktivventils nach einer weiteren Ausführungsform, das beispielsweise für die in Figur 15 dargestellte Ausführungsform Verwendung finden kann. Anders als in den vorhergehenden Figuren ist dabei der untere Teil in dem Injektorgehäuse fixiert, so dass dessen Durchgänge 12' durch die oben dargestellte bewegbare Ventilnadel 9 wahlweise verschlossen oder freigegeben werden können. Der äußere große Dichtring 52 ist dabei nicht unbedingt erforderlich, steigert aber die Dauerfestigkeit der Abdichtung und sorgt für einen weiteren positiven Dämpfeffekt, der das Prellen vermindert.
1 Injektor
2 Kraftstoffzuleitung
3 Aktivventil
4 Passivventil
5 elastisches Dichtelement
6 Dichtfläche des Passivventils
7 Anker
8 Spule
9 Ventilnadel
10 Ventilfeder
11 Ventilnadelgegenstück
12 Öffnung im Ventilnadelgegenstück
12' Öffnung im Ventilnadelgegenstück
13 stabartiger Ankerteil des Ankers 7
14 Passivventil-Federelement
15 Passivventil-Einsatz
16 stabartiges Element
17 Spalt zwischen Ventilnadel und Passivventil
18 elastisches Zwischenstück
19 Öffnung in der Ventilnadel
20 Gehäuse
21 oberer Ankeranschlag
22 unmagnetischer Bypass
23 Arbeits(luft)spalt
24 unterer Ankeranschlag
25 Eisenrückschluss
26 Ankergegenstück
27 Anschlagfläche
28 unterer Ventilnadelanschlag
29 oberer Passivventilanschlag 30 unterer Passivventilanschlag
31 Passivventil-Führung
32 Einblaskappe
33 Öffnung in der Einblaskappe
34 Öffnung des Passivventils
35 Verlauf der magnetischen Feldlinien
36 Strömung
37 Spalt
38 elastischer Anschlag
39 elastisches Dämpfelement
40 Ankerfeder
41 Beschleunigungsweg
42 Ventilnadelführung
43 Einblasrohr
44 Gehäuse-Deckel
45 Durchgang für Ankerstange
51 inneres elastisches Dichtelement
52 äußeres elastisches Dichtelement
53 Verbindungssteg eines elastischen Dichtelements

Claims

32 Ansprüche
1 . Injektor (1 ) zum Einblasen von Gas, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, umfassend: eine Kraftstoffzuleitung (2) zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden gasförmigen Kraftstoffs, ein aktiv schaltbares Aktivventil (3), vorzugsweise ein Aktiv-Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, einen verschließenden oder einen freigebenden Zustand einzunehmen, um wahlweise eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung (2) zu einem Bereich stromabwärts des Aktivventils (3) zu ermöglichen oder zu unterbrechen, und ein Passivventil (4), das stromabwärts des Aktivventils (3) angeordnet ist und durch stromauf und stromab anliegende unterschiedliche Druckverhältnisse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand passiv schaltbar ist und/oder durch Kontakt mit einem bewegbaren Teil des Aktivventils (3) in einen verschließenden oder freigebenden Zustand bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Zustand des Aktivventils (3) mindestens eine Dichtfläche des Aktivventils (3) durch ein elastisches Dichtelement (5), vorzugsweise ein Elastomer, abgedichtet ist, bevorzugterweise mittels einer Metall-Elastomer- Dichtung. 33
2. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 1 , wobei in einem geschlossenen Zustand des Passivventils (4) eine Dichtfläche (6) des Passivventils (4) durch ein starres Dichtelement, vorzugsweise ein Metall, abgedichtet ist, bevorzugterweise mittels einer Metall-Metall-Dichtung.
3. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aktivventil (3) einen in Längsrichtung des Injektors (1 ) bewegbaren Anker (7) umfasst, der in Abhängigkeit einer magnetisierbaren Spule (8) aus seiner Ruhestellung herausbewegbar ist, um so eine Ventilnadel (9) aus ihrer geschlossenen Position zu drängen, vorzugsweise wobei der Injektor (1 ) ferner eine Ventilfeder (10) zum Drängen der Ventilnadel (9) in ihre geschlossene Position umfasst.
4. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein starr im Injektor (1 ) angeordnetes Ventilnadelgegenstück (11 ), das zum wahlweisen Auflegen einer Ventilnadel (9) dient, um mindestens eine im Ventilnadelgegenstück (11 ) vorhandene Öffnung (12) zu verschließen, wobei vorzugsweise in einem aufgesetzten Zustand der Ventilnadel (9) im Zwischenraum von Ventilnadelgegenstück (11 ) und Ventilnadel (9) mindestens ein elastisches Dichtelement (5) angeordnet ist, das die mindestens eine Öffnung (12) abdichtet.
5. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 4, wobei das Ventilnadelgegenstück (11 ) stromaufwärts zur Ventilnadel (9) angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein Bestandteil des Ankerelements des Aktivventils (3), insbesondere ein stabartiger Ankerteil (13), sich durch eine Öffnung (12) des Ventilnadelgegenstücks (11 ) hindurchstreckt, um die an der stromabwärtigen Seite des Ventilnadelgegenstücks (11 ) angeordnete Ventilnadel (9) bei einer Öffnungsbewegung des Aktivventils (3) zu kontaktieren und insbesondere in eine freigebende Position zu drängen.
6. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ventilfeder (10) zum Drängen der Ventilnadel (9) in ihre geschlossene Position an der zum Ventilnadelgegenstück (11 ) abgewandten Seite der Ventilnadel (9) angeordnet ist und vorzugsweise stromabwärts zur Ventilnadel (9) liegt.
7. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromabwärts zur Ventilnadel (9) das Passivventil (4) angeordnet ist, das über ein Passivventil- Federelement (14) in Richtung der Ventilnadel (9) in seine verschließende Position gedrängt ist.
8. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Betätigen des Aktivventils (3), das zu einem Bewegen der Ventilnadel (9) in die Offenstellung führt, die Öffnungsbewegung der Ventilnadel (9) eine mechanische Krafteinwirkung auf das Passivventil (4) zum Überführen in die Offenstellung ausübt, vorzugsweise mittels einem an der Ventilnadel (9), einem an einem Passivventil- Einsatz (15) oder einem zwischen Ventilnadel (9) und Passivventil-Einsatz (15) angeordneten stabartigen Element (16).
9. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer geschlossenen Position von dem Aktivventil (3) wie auch dem Passivventil (4) ein Spalt (17) zwischen der zum Passivventil (4) gewandten Seite der Ventilnadel (9) und der zur Ventilnadel (9) gewandten Seite des Passivventils (4) ausgebildet ist, vorzugsweise wobei dieser Spalt (17) so dimensioniert ist, dass er bei einem Betätigen des Aktivventils (3), das zu einem Bewegen der Ventilnadel (9) in die Offenstellung führt, geschlossen wird, so dass nach einem Schließen dieses Spalts (17) durch das Fortführen der Öffnungsbewegung der Ventilnadel (9) eine mechanische Krafteinwirkung auf das Passivventil (4) zum Überführen in die Offenstellung erfolgt.
10. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 9, wobei in dem Spalt (17) ein elastisches Zwischenstück (18) angeordnet ist, um die einwirkende Kraft auf das Passivventil (4) zu dämpfen.
11. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer geschlossenen Stellung des Aktivventils (3) der die Ventilnadel (9) aus ihrer geschlossenen Position herausdrängende Anker (7) von der Ventilnadel (9) beabstandet ist, vorzugsweise um bei einem Öffnungsvorgang eine gewisse Beschleunigung vor einem Kontaktieren der Ventilnadel (9) aufzunehmen.
12. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventilnadelgegenstück (11 ) ortsfest in dem Injektor (1 ) angeordnet ist und/oder mindestens eine Öffnung (12) zum Durchführen des gasförmigen Kraftstoffs aufweist, wobei der gasförmige Kraftstoff vorzugsweise durch den gesamten Injektor so geführt wird, dass die Strömung stets innerhalb oder außerhalb von Druckfedern verläuft.
13. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilnadel (9) und/oder das Ventilnadelgegenstück (11 ) an der dem Ventilnadelgegenstück (11 ) bzw. der Ventilnadel (9) zugewandten Seite mindestens ein elastisches Dichtelement (5) aufweist, um in einem aneinandergedrängten Zustand mindestens eine Öffnung (12) des Ventilnadelgegenstücks (11 ) zum Durchleiten des gasförmigen Kraftstoffs von der mindestens einen Öffnung (19) der Ventilnadel (9) zum Durchleiten des gasförmigen Kraftstoffs abzudichten.
14. Verfahren zum Betreiben eines Injektors (1 ), insbesondere eines Injektors (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es bei einer Einspritzung an mindestens einer Stelle im Injektor (1 ) zu einem Schalldurchgang kommt, um eine Entkopplung vom Brennraum zum Injektor (1 ) zu erreichen, so dass die Einspritzrate unabhängig vom Brennraumgegendruck ist, vorzugsweise wobei der Schalldurchgang an der mindestens einen Öffnung (12) in dem Ventilnadelgegenstück (11 ) und/oder an der mindestens einen Öffnung (19) in der Ventilnadel (9) auftritt, welche die Strömung des gasförmigen Kraftstoffs begrenzende Drosselflächen darstellt/en. 36
15. Brennkraftmaschine mit einer Gas-Direkteinspritzung, insbesondere mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-13 oder die mit dem Verfahren nach Anspruch 14 betrieben wird.
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