EP4522853A1 - Gasinjektor mit robuster nadelführung - Google Patents

Gasinjektor mit robuster nadelführung

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EP4522853A1
EP4522853A1 EP23709338.0A EP23709338A EP4522853A1 EP 4522853 A1 EP4522853 A1 EP 4522853A1 EP 23709338 A EP23709338 A EP 23709338A EP 4522853 A1 EP4522853 A1 EP 4522853A1
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EP
European Patent Office
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needle guide
guide
needle
gas injector
lubricant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23709338.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Mueller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4522853A1 publication Critical patent/EP4522853A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a gas injector for blowing in a gaseous fuel, in particular hydrogen or natural gas or the like, with very robust and long-lasting guiding properties for guiding a long valve needle of a closing element of the gas injector.
  • the gas injector is designed in particular for direct injection into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Gas injectors are known from the prior art in different designs.
  • One problem area with gas injectors is, due to their principle, that due to the gaseous medium to be injected, no lubrication through the medium is possible, as is possible, for example, with fuel injectors that inject gasoline or diesel. This results in excessive wear during operation compared to fuel injectors for liquid fuels, particularly in an area for guiding a valve needle.
  • a compact design is often necessary.
  • tilting moments which can be exerted on the valve needle by a restoring element, for example, can be safely absorbed and do not lead to an inclined position of the valve needle on the sealing seat.
  • the gas injector is in all of them Operating situations on the sealing seat when closed.
  • the gas injector comprises a magnetic actuator with an armature, an inner pole and a coil.
  • the gas injector comprises a closing element with a valve needle, which opens and closes a gas path for the gaseous fuel at a sealing seat.
  • the anchor is connected to the closing element.
  • a closed lubricant space is provided, which is filled with lubricant and in which the movable anchor is arranged.
  • the lubricant ensures that the armature is lubricated so that no wear occurs on the armature during operation.
  • the lubricant space here comprises at least one flexible sealing element, in particular a bellows, which seals the lubricant space from the gas path and thus ensures the axial mobility of the closing element.
  • the gas injector comprises a restoring element, in particular a closing spring in the form of a cylinder spring, wherein the restoring element returns the closing element to a closed starting position.
  • the gas injector includes a first, second and third needle guide, which guide the valve needle during the opening and closing processes.
  • the first and second needle guides are arranged in the gas path and the third needle guide is arranged in the lubricant space.
  • the restoring element is also arranged in the lubricant space.
  • the first and second needle guides which are arranged in the gas path, are therefore located outside the lubricant space. If a tilting moment is exerted on the valve needle by the restoring element during operation, this tilting moment can be safely absorbed by the two first and second needle guides arranged in the gas path. This prevents the valve needle from bending, which could be caused by the tilting moment that may occur, through the first and second needle guides. As a result, the sealing seat remains closed in all operating situations and tilting of the valve needle on the sealing seat and thus an insufficient closing process can be prevented. The valve needle is therefore safely guided by a double guide outside the lubricant space and a guide in the lubricant space.
  • a first distance A1 between the first and second needle guides in the axial direction XX of the gas injector is smaller than a second distance A2 between the second and third needle guides in the axial direction XX.
  • the second distance A2 is preferably at least twice as large, more preferably at least three times as large, as the first distance A1.
  • first and/or second and/or third needle guide each have an annular guide region which is connected to the valve needle of the closing element via webs, such that openings for fluid passage are present between the webs.
  • first and second needle guides which are arranged in the gas guide area of the gas injector in order to allow the largest possible quantities of gas to flow through the first and second guide areas when the gas injector is open.
  • the annular guide area is preferably closed along the entire circumference. In order to keep friction as small as possible during the opening and closing process of the closing element, a width of the annular guide area is chosen to be as small as possible.
  • three webs are provided, which connect the valve needle to the annular guide area. The webs are preferably arranged at equal distances along the circumference.
  • the webs between the valve needle and the annular guide areas are arranged at an acute angle to the annular guide area. This makes it possible for a flow cross section to be increased in the area of the guides, which is particularly advantageous for the first and second needle guides, which are located in the gas guide area.
  • the webs are preferably arranged in the direction of flow through the openings after the guide area.
  • the webs between the valve needle and the annular guide area of the needle guides are arranged at a right angle to the valve needle.
  • the first and/or second and/or third needle guide are designed exclusively as webs which extend radially outwards from the valve needle and have guide areas at their free ends. Further alternatively, the first and/or second and/or third needle guide are designed as guide ribs, which have a greater extent in the axial direction than in the radial direction.
  • a plate is also arranged on the valve needle, to which the flexible sealing element is fixed. This makes it possible to achieve a simple connection between the closing element and the flexible sealing element, which seals the lubricant space.
  • the first and second needle guides are preferably guided on the same component.
  • the component is preferably a cylindrical valve body, on which the sealing seat is also arranged. This makes it possible for the guide surfaces for the first and second needle guides to be produced in one clamping, which offers great advantages in terms of manufacturing technology and further reduces manufacturing costs.
  • the third needle guide is preferably also set up to support the restoring element, which is arranged in the lubricant space.
  • the third needle guide can preferably be designed as a spring plate with openings for the lubricant during the opening and closing process of the closing element.
  • a third distance A3 between the first needle guide and the sealing seat is smaller than the first distance A1 between the first and second needle guides.
  • the third distance A3 is preferably smaller than half of the first distance A1 and particularly preferably smaller than a third of the first distance A1.
  • the closing element can be made in one piece or in several parts with the lower two needle guides and the disk for receiving the elastic element.
  • several disks, disks for guidance and the disk for receiving the elastic element can be welded to a pin.
  • the pin can also form a part with the seat plate to which the plates for the valve needle guides and for receiving the elastic element are welded.
  • the flexible sealing element is preferably a metal bellows.
  • the metal bellows provides very good mobility in order to enable the axial movements of the closing element and, on the other hand, the metal bellows can be arranged as close as possible to the hot combustion chamber of the internal combustion engine. This allows the axial length of the gas injector to be further reduced.
  • the flexible sealing element is a plastic bellows or a membrane or a rubber element.
  • the gas injector has a cone seat or ball-cone seat.
  • the closing element comprises a sealing disk at an end directed towards the combustion chamber, which exposes one or more through openings at a sealing seat.
  • the gas injector is preferably designed as an injector that opens to the outside. This makes it possible to provide a sealing seat which lies in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the gas injector.
  • the gas injector preferably comprises a braking device arranged in the lubricant space, which is set up to brake the closing element during a reset process of the gas injector from the open to the closed state.
  • the braking device comprises a brake bolt, a damping space that is in fluid communication with the lubricant space, and an elastic braking element, in particular a spring.
  • the brake bolt and the elastic brake element are in operative connection with the closing element and/or the armature, wherein the brake bolt is also set up during the restoring process to displace lubricant from the damping space in order to dampen a reset of the brake bolt.
  • the provision of the damping space can prevent the formation of vapor bubbles in the liquid lubricant when overcoming the hydraulic sticking, so that in particular wear due to cavitation can be prevented.
  • the braking process is additionally supported by the acceleration of the additional masses provided by the braking device. Furthermore, further braking is achieved by displacing the lubricant between the armature and the brake bolt. A return speed of the closing element can also be further reduced by friction of guide elements or the like with the brake bolt. All of this reduces the impact force of the anchor at the stop, so that the service life of the anchor can be further extended.
  • the brake bolt in particular comprises a main body with a contact surface, which is arranged on a side of the main body of the brake bolt directed towards the closing element and can be brought into operative connection with the closing element and serves as a stop surface.
  • the main body is preferably cylindrical. More preferably, an annular flange is arranged on the side of the main body facing the closing element. The ring flange preferably serves as a stop surface.
  • the elastic braking element of the braking device is arranged in the damping space.
  • the elastic braking element is preferably a compression spring, in particular a cylinder spring.
  • the damping chamber is in fluid communication with the lubricant chamber via a guide play of the brake bolt.
  • the gas injector further comprises a throttle which connects the damping space with the lubricant space.
  • the throttle ensures that the damping process can take place in a defined manner, since the lubricant from the damping chamber is then transferred into the lubricant chamber via the throttle.
  • the throttle is preferably a small connecting hole between Damping room and lubricant room. The damping behavior of the braking device can be adjusted by selecting geometric dimensions of the connecting hole, for example the diameter and/or length of the hole.
  • the gas injector further preferably comprises an anchor bolt which rests on the closing element, the anchor bolt being connected to the anchor.
  • An end of the anchor bolt facing away from a sealing seat of the gas injector is set up to come into contact with the brake bolt when the gas injector is closed.
  • An oil in particular a synthetic oil, is preferably used as the lubricant.
  • a liquid fuel in particular diesel or gasoline, is used.
  • a grease is used as a lubricant.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas injector according to a first exemplary embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic partial sectional view of the gas injector
  • Figure 3 is a schematic, perspective view of the first and second needle guides of the gas injector from Figure 1,
  • FIG. 4 shows a schematic, perspective view of a first and second needle guide of a gas injector according to a second exemplary embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a schematic, perspective view of a first and second needle guide of a gas injector according to a third exemplary embodiment of the invention
  • Figure 6 shows a schematic, perspective view of a first and second needle guide of a gas injector according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • a gas injector 1 according to a first preferred exemplary embodiment of the invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the gas injector 1 for introducing a gaseous fuel comprises a magnetic actuator 2, which moves an outwardly opening closing element 3 from a closed state to an open state.
  • Figure 1 shows the closed state of the gas injector.
  • the magnetic actuator 2 includes an armature 20, which is connected to the closing element 3 by means of an anchor bolt 24. Furthermore, the magnetic actuator 2 includes an inner pole 21, a coil 22 and a magnet housing 23, which ensures a magnetic inference of the magnetic actuator.
  • the gas injector 1 comprises a main body 7 with a gas inlet 70 through which the gaseous fuel is supplied.
  • a valve housing 8, in which the magnetic actuator 2 is arranged, is fixed to the main body 7.
  • the valve housing 8 is adjoined by a housing sleeve 19, at the free end of which a sealing seat 11 is provided on a valve seat component 93, on which the closing element 3 opens and closes a passage for the gaseous fuel.
  • FIG 1 shows schematically an electrical connection 13, which is guided through the main body 7 and the magnet housing 8 to the magnetic actuator 2.
  • the reference number 10 denotes a restoring element for the closing element 3 in order to return it to the closed state shown in FIG. 1 after an opening process.
  • 1 also shows a gas flow as a gas path 14 through the gas injector 1.
  • the gas flow begins at the gas inlet 70 and is then diverted into an annular space 80 between the valve housing 8 and the main body 7.
  • the gas flow 14 continues past an outer area of the magnetic actuator 2 through a filter 15 to the sealing seat 11.
  • Breakthroughs are provided in the respective components, not all of which are shown in Figure 1.
  • the closing element 3 comprises a valve needle 30 with a seat plate 30a, which is arranged at the end of the closing element directed towards the combustion chamber.
  • the sealing seat 11 is formed between the seat plate 30a and the valve seat component 93, which is a cylindrical tube.
  • the closing element 3 further comprises a first needle guide 31, a second needle guide 32 and a third needle guide 33.
  • the three needle guides 31, 32, 33 are formed in one piece or in several pieces with the valve needle 30.
  • the closing element 3 also includes a plate 34, which is arranged in the axial direction X-X between the second needle guide 32 and the third needle guide 33.
  • the gas injector 1 further comprises a closed lubricant space 4.
  • the closed lubricant space 4 is completely or partially filled with a liquid lubricant, for example oil.
  • the lubricant space 4 is defined by a first flexible sealing element 51, the inner pole 21, the magnet housing 23, a guide body 18 and a second flexible sealing element 52.
  • the first and second flexible sealing elements 51, 52 are each designed as bellows. It should be noted that instead of a bellows, a membrane or a hose or the like can also be used as flexible sealing elements 51, 52.
  • the second flexible sealing element 52 is fixed to a storage spring plate 41, for example by means of a welded connection. Furthermore, the gas injector 1 includes a storage pressure spring 40, which is supported on the main body 7 and biases the second flexible sealing element 52 via the storage spring plate 41. Connecting holes 18a are provided in the guide body 18, so that the lubricant located in the lubricant space 4 is also located in the area within the second flexible sealing element 52.
  • the first flexible sealing element 51 is fixed directly to the closing element 3 on the plate 34 and is connected to a guide sleeve 9 at the other end.
  • the third needle guide 33 is guided within the guide sleeve 9.
  • the lubricant chamber 4 thus has two flexible sealing elements 51, 52 and the storage pressure spring 40.
  • the storage pressure spring 40 exerts a certain preload, for example 1 x 10 5 Pa, on the lubricant located in the lubricant chamber 4. If displacement of the lubricant occurs during an opening process due to the stroke of the closing element 3 or also due to thermal expansion or cooling of the lubricant, any overpressure/negative pressure that may arise inside the lubricant space 4 can be caused by deflection on the second flexible sealing element 52 in conjunction with a contraction of the Storage pressure spring 40 can be balanced. Thus, the flexible sealing element 51 cannot exert any unwanted force on the closing element 3 acting via the bellows effective surface.
  • the anchor bolt 24 with the anchor 20 fixed to it is also arranged in the closed lubricant space 4. Since the lubricant space 4 is filled with a lubricant, for example an oil with a viscosity of gasoline or diesel or a grease or the like, the armature 20 is continuously lubricated. This makes it possible to compensate for the problem that occurs in the prior art with gaseous fuels, that there is a lack of lubrication of the moving parts.
  • the third needle guide 33 is also arranged in the lubricant space 4. As can be seen in particular from FIG. 2, the third needle guide 33 is guided inside the guide sleeve 9.
  • the restoring element 10 is also arranged, which is supported on a shoulder 9a of the guide sleeve 9 and the third needle guide 33.
  • the third needle guide 33 thus has two functions, namely guiding the valve needle 30 and supporting the restoring element 10.
  • Corresponding openings 33a are provided in the third needle guide 33 so that the lubricant located in the lubricant chamber 4 can pass through these openings.
  • the guide sleeve 9 is connected to the first flexible sealing element 51, for example by means of a welded connection.
  • the third needle guide 33 is arranged in the lubricant chamber 4, there is sufficient lubrication here in all operating situations of the gas injector, so that no wear occurs on the third needle guide during operation.
  • the first needle guide 31 and the second needle guide 32 are arranged in the gas path 14.
  • the first needle guide 31 and the second needle guide 32 are constructed the same.
  • the first needle guide 31 includes an annular guide region 31a, which is connected to the valve needle 30 via three webs 31b. Openings 33c are formed between the webs for fluid to pass between the webs.
  • the webs are designed to be as thin as possible in order to provide the largest possible passage cross section for the medium to be blown in.
  • the second needle guide 32 is designed in the same way as the first needle guide 31 with an annular guide area 32a, three webs 32b and corresponding openings 32c formed between the webs.
  • the annular guide areas 31a and 32a on the first and second needle guides make it possible to guide the closing element 3 particularly safely and precisely.
  • the restoring element 10 and, if necessary, also the bellows can be used first flexible sealing element 51 tilting moments are exerted on the closing element.
  • these can be accommodated by the first and second needle guide, so that the valve needle 30, which is designed with the smallest possible cross-section and has a certain overall length in the axial direction XX, can be flexible and can bend due to such tilting moments. Due to the flexibility of the valve needle, there are only small transverse forces on the needle guides during tilting moments from the closing element or the elastic element.
  • a first distance A 1 between the first needle guide 31 and the second needle guide 32 is smaller than a second distance A2 between the second needle guide and the third needle guide 33.
  • the gas injector can therefore be designed to be very slim and with a certain overall length, without unwanted transverse forces being exerted on the valve needle during operation due to tilting moments of the restoring element 10 or the first flexible sealing element 51, so that the gas injector can always seal in all operating situations can be safely returned to the closed, sealing state even after an opening process.
  • the wear on the valve needle guides is therefore negligible.
  • a third distance A3 between the first needle guide 31 and the sealing seat 11 is smaller than the first distance A1 between the first and second needle guides 31, 32. This additionally supports the closing process so that the sealing seat can always be closed correctly.
  • a braking device 6 is also arranged in the closed lubricant space 4.
  • the braking device 6 comprises a brake bolt 60, a brake spring 61 and a damping chamber 62.
  • the damping chamber 62 is in fluid communication with the lubricant chamber 4.
  • the brake bolt 60 and the elastic brake element 61 are in operative connection with the closing element 3 when the gas injector is reset to the closed starting position.
  • lubricant is displaced from the damping space 62 into the lubricant space 4 in order to provide additional damping when the gas injector is reset Brake bolt 60 in the closed state of the gas injector ( Figure 1).
  • the brake bolt 60 is guided in the guide body 18.
  • the damping space 62 is formed directly on the brake bolt 60 on a side of the brake bolt 60 facing away from the sealing seat 11.
  • the damping chamber 62 is connected to the connecting bores 18a and thus to the main area of the lubricant chamber 4 via a throttle 63, which is a small bore.
  • the brake spring 61 is arranged in a spring space 67.
  • the brake bolt 60 has a contact surface which is in contact with the anchor bolt 24.
  • the closed state which is shown in Figure 1, there is a first gap 101 between the brake bolt 60 and a stationary anchor bolt guide 25.
  • the anchor bolt guide 25 guides the anchor bolt 24 during an opening and closing process.
  • the brake spring 61 is arranged between the brake bolt 60 and the guide body 18.
  • the brake bolt 60 has a flange which is provided with play for the guide body 18.
  • the first gap 101 is still formed between the contact surface of the brake bolt 60 and the anchor bolt guide 25.
  • the gap 101 has a first width, which is smaller than a second width between the armature 20 and the inner pole 21 (see Figure 1) at a second gap 102. This ensures that a stroke of the brake bolt 60, which through the compression spring 61 is preloaded in the axial direction, is smaller than a stroke of the armature 20. This means that sufficient fluid can flow from the lubricant space 4 via the throttle 63 into the damping space 62 during the injection process.
  • the anchor bolt 24 hits the contact surface of the brake bolt 60.
  • the brake bolt 60 is pressed against the fluid located in the damping space 62. Due to the throttle 63, the fluid cannot be pressed out of the damping space 62 immediately, but rather slowly, so that a damping effect is made possible during the closing process.
  • the sealing seat 11 and the anchor 20 become too large Wear is prevented because the closing process is dampened by the resetting of the brake bolt 60.
  • the damping process is further supported by the brake spring 61 and a hydraulic bonding of the brake bolt 60 to the anchor bolt guide 25.
  • the damping space 62 can prevent cavitation during the closing process in this area between the anchor bolt guide 25 and the contact surface of the brake bolt 60. Friction of the brake bolt 60 in the guide body 18 also delays the resetting process as well as the masses of the moving components to be accelerated in the entire lubricant space 4, which leads to a displacement of the lubricant in the closed lubricant space 4 and thus to additional braking during the closing process.
  • the damping behavior can be adjusted individually for the respective gas injector.
  • a stop surface between the damping bolt 60 and the anchor bolt guide 25 can be wedge-shaped, i.e., not at right angles to a central axis X-X of the gas injector.
  • radial slots can be provided in the contact surface or the end face of the anchor bolt guide 25, which is directed towards the brake bolt 60, whereby a cavitation effect is further reduced and prevented.
  • the gas injector 1 shown in Figure 1 is balanced in terms of pressure force.
  • a so-called closing bounce in which an element hits hard on a sealing seat and is bounced back, can also be effectively prevented.
  • the sealing seat 11 is designed as a cone sealing seat.
  • the sealing seat 11 can also be designed as a flat sealing seat, so that the sealing surfaces on the seat plate 30a and the valve seat component 93 can be produced easily, for example by surface processing such as lapping.
  • the gas injector 1 can thus provide reduced wear on the moving parts, in particular on the sealing seat 11, anchor 20 and in the anchor bolt 24 and the three needle guides. In this case, tilting and bending of the valve needle 30 can be prevented, so that the opening and, in particular, closing processes can always be carried out without any problems. Furthermore, heat dissipation from the magnetic actuator 2 can be significantly improved by the closed lubricant space 4 with a liquid lubricant. Furthermore, the two flexible sealing elements 51, 52 can prevent unwanted forces from acting on the closing element 3.
  • Figure 4 shows a gas injector with a closing element according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the same or functionally identical parts are designated with the same reference numbers as in the first exemplary embodiment.
  • the first and second needle guides 31, 32 are designed differently from the first exemplary embodiment.
  • the first and second needle guides 31, 32 each have an annular guide region 31a, 32a, as in the first exemplary embodiment, but the webs arranged in such a way that a bowl-shaped needle guide is achieved.
  • the webs are arranged at an acute angle a to the valve needle 30 and extend in the direction of the sealing seat 11.
  • a passage cross section on the first and second needle guide 31, 32 can be significantly increased in comparison to the first exemplary embodiment. This allows larger quantities of gas to be passed through the first and second needle guides, which is an important aspect of gas injectors, since the largest possible quantities of gas must be blown into the combustion chamber for the injection process in the shortest possible time.
  • the angle a between the webs of the first and second needle guide and the valve needle 30 is preferably in a range of 30° to 60° and is particularly preferably 45°. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiment, so that reference can be made to the description given there.
  • Figure 5 shows a gas injector with a closing element according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • Identical or functionally identical parts are designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • the first and second needle guides exclusively have webs without the annular guide area, which are arranged perpendicular to the valve needle 30.
  • three webs are provided.
  • the guide regions 36 of the first and second needle guides 31, 32 are formed, which take over the guidance of the closing element 3 with the valve seat component 93.
  • Figure 6 shows a fourth exemplary embodiment of the invention, which is designed similarly to the third exemplary embodiment, with guide ribs being formed instead of the webs, which take over the guiding of the needle in the valve seat component 93.
  • a length L of the ribs in the axial direction is greater than a radial extent R, so that the elongated guide ribs are obtained on the valve needle 30.
  • this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiments, so that reference can be made to the description given there.
  • the third and fourth exemplary embodiments can be produced particularly cost-effectively by dispensing with the annular guide area.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, umfassend einen Magnetaktor (2) mit einem Anker (20), einem Innenpol (21) und einer Spule (22), ein Schließelement (3) mit einer Ventilnadel (30), wobei das Schließelement (3) einen Gaspfad (14) an einem Dichtsitz (11) freigibt und verschließt, wobei der Anker (20) mit dem Schließelement (3) verbunden ist, einen abgeschlossenen Schmiermittelraum (4), der mit einem Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der Anker (20) angeordnet ist, wobei das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers (20) sicherstellt, ein flexibles Dichtelement (51), welches den Schmiermittelraum (4) gegenüber dem Gaspfad (14) abdichtet, ein Rückstellelement (10), welches im Schmiermittelraum (4) angeordnet ist und welches das Schließelement (3) in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt, und eine erste Nadelführung (31), eine zweite Nadelführung (32) und eine dritte Nadelführung (33), welche zur Führung der Ventilnadel (30) eingerichtet sind, wobei die erste Nadelführung (31) und die zweite Nadelführung (32) im Gaspfad (14) angeordnet sind und die dritte Nadelführung (33) im Schmiermittelraum (4) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Gasinjektor mit robuster Nadelführung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dergleichen mit sehr robusten und langlebigen Führungseigenschaften zur Führung einer langen Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors. Der Gasinjektor ist insbesondere für eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren liegt prinzipbedingt darin, dass aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums keine Schmierung durch das Medium möglich ist, wie dies beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren, welche Benzin oder Diesel einspritzen, möglich ist. Daraus resultiert im Betrieb ein übermäßiger Verschleiß im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe insbesondere an einem Bereich zur Führung einer Ventilnadel. Weiterhin ist aufgrund zunehmender Verkleinerung von Brennkraftmaschinen häufig ein kompaktes Design notwendig.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist hingegen den Vorteil auf, dass der Gasinjektor besonders gute Führungseigenschaften für eine Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors aufweist. Insbesondere können Kippmomente, welche z.B. durch ein Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, sicher aufgenommen werden und führen nicht zu einer Schrägstellung der Ventilnadel am Dichtsitz. Damit ist der Gasinjektor in allen Betriebssituationen am Dichtsitz im geschlossenen Zustand dicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker, einen Innenpol und einer Spule umfasst. Weiterhin umfasst der Gasinjektor ein Schließelement mit einer Ventilnadel, welches einen Gaspfad für den gasförmigen Brennstoff an einem Dichtsitz freigibt und verschließt. Der Anker ist dabei mit dem Schließelement verbunden. Ferner ist ein abgeschlossener Schmiermittelraum vorgesehen, welcher mit Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der bewegliche Anker angeordnet ist. Dabei stellt das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers sicher, so dass am Anker kein Verschleiß im Betrieb auftritt. Der Schmiermittelraum umfasst hierbei wenigstens ein flexibles Dichtelement, insbesondere einen Faltenbalg, welches den Schmiermittelraum gegenüber dem Gaspfad abdichtet und somit die axiale Bewegbarkeit des Schließelements sicherstellt. Ferner umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, insbesondere eine Schließfeder in Form einer Zylinderfeder, wobei das Rückstellelement das Schließelement in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt. Ferner umfasst der Gasinjektor eine erste, zweite und dritte Nadelführung, welche die Ventilnadel beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang führen. Hierbei sind die erste und die zweite Nadelführung im Gaspfad angeordnet und die dritte Nadelführung ist im Schmiermittelraum angeordnet. Das Rückstellelement ist ebenfalls im Schmiermittelraum angeordnet. Somit erzeugen Bewegungen des Rückstellelements und der dritten Nadelführung, welche durch das Schmiermittel des Schmiermittelraums geschmiert sind, keinen oder höchstens einen minimalen, vernachlässigbaren Verschleiß. Die erste und die zweite Nadelführung, die im Gaspfad angeordnet sind, befinden sich somit außerhalb des Schmiermittelraums. Falls im Betrieb ein Kippmoment durch das Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt wird, kann dieses Kippmoment sicher durch die beiden im Gaspfad angeordnete erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden. Hierdurch wird ein Durchbiegen der Ventilnadel, welches durch das möglicherweise auftretende Kippmoment erzeugt werden könnte, durch die beiden ersten und zweiten Nadelführungen unterbunden. Dadurch bleibt der Dichtsitz in allen Betriebssituationen geschlossen bzw. ein Verkippen der Ventilnadel am Dichtsitz und damit ein unzureichender Schließvorgang kann verhindert werden. Somit ist die Ventilnadel durch eine Doppelführung außerhalb des Schmiermittelraums und eine Führung im Schmiermittelraum sicher geführt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist ein erster Abstand A1 zwischen der ersten und der zweiten Nadelführung in Axialrichtung X-X des Gasinjektors kleiner als ein zweiter Abstand A2 zwischen der zweiten und dritten Nadelführung in Axialrichtung X-X. Hierdurch ist eine besonders gute Aufnahme von möglicherweise auftretenden Kippmomenten durch die erste und zweite Nadelführung gegeben. Der zweite Abstand A2 ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß, weiter bevorzugt mindestens dreifach so groß, wie der erste Abstand A1.
Weiter bevorzugt weisen die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung jeweils einen ringförmigen Führungsbereich auf, welcher über Stege mit der Ventilnadel des Schließelements verbunden ist, derart, dass Durchbrüche für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen vorhanden ist. Dies ist insbesondere an der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft, welche im Gasführungsbereich des Gasinjektors angeordnet sind, um möglichst große Gasmengen durch den ersten und zweiten Führungsbereich bei geöffnetem Gasinjektor hindurchströmen lassen zu können. Der ringförmige Führungsbereich ist dabei vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs geschlossen. Um eine Reibung während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements möglichst klein zu halten, ist eine Breite des ringförmigen Führungsbereichs möglichst klein gewählt. Besonders bevorzugt sind hierbei drei Stege vorgesehen, welche die Ventilnadel mit dem ringförmigen Führungsbereich verbinden. Die Stege sind vorzugsweise in gleichem Abstand entlang des Umfangs angeordnet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Stege zwischen der Ventilnadel und den ringförmigen Führungsbereichen in einem spitzen Winkel zum ringförmigen Führungsbereich angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass ein Durchströmungsquerschnitt im Bereich der Führungen vergrößert wird, was insbesondere bei der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft ist, welche im Gasführungsbereich liegen. Vorzugsweise sind die Stege in Durchströmungsrichtung durch die Durchbrüche nach dem Führungsbereich angeordnet. Alternativ sind die Stege zwischen der Ventilnadel und dem ringförmigen Führungsbereich der Nadelführungen in einem rechten Winkel zur Ventilnadel angeordnet. Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung ausschließlich als Stege ausgebildet, welche von der Ventilnadel radial nach außen verlaufen und an ihren freien Enden Führungsbereiche aufweisen. Weiter alternativ sind die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung als Führungsrippen ausgebildet, welche in Axialrichtung eine größere Erstreckung aufweisen als in Radialrichtung.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an der Ventilnadel ferner auch ein Teller angeordnet, an welchem das flexible Dichtelement fixiert ist. Hierdurch kann eine einfache Verbindung zwischen Schließelement und flexiblem Dichtelement, welches den Schmiermittelraum abdichtet, erreicht werden.
Vorzugsweise sind die erste und zweite Nadelführung am gleichen Bauteil geführt. Das Bauteil ist vorzugsweise ein zylindrischer Ventilkörper, an welchem auch der Dichtsitz angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Führungsflächen für die erste und zweite Nadelführung in einer Aufspannung hergestellt werden können, was fertigungstechnisch große Vorteile bietet und weiterhin die Herstellungskosten reduziert.
Um eine Bauteileanzahl weiter zu reduzieren, ist vorzugsweise die dritte Nadelführung auch zur Abstützung des Rückstellelementes, welches im Schmiermittelraum angeordnet ist, eingerichtet. Die dritte Nadelführung kann hierbei vorzugsweise als Federteller mit Durchbrüchen für das Schmiermittel während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt ist ein dritter Abstand A3 zwischen der ersten Nadelführung und dem Dichtsitz kleiner als der erste Abstand A1 zwischen der ersten und zweiten Nadelführung. Der dritte Abstand A3 ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte des ersten Abstands A1 und besonders bevorzugt kleiner als ein Drittel des ersten Abstands A1. Das Schließelement kann mit den unteren beiden Nadelführungen und der Scheibe zur Aufnahme des elastischen Elements einteilig oder mehrteilig ausgebildet werden. Zum Beispiel können an einem Stift mehrere Scheiben, Scheiben zur Führung und die Scheibe zur Aufnahme des elastischen Elements, angeschweißt werden. Der Stift kann auch ein Teil mit dem Sitzteller bilden an den die Teller für die Ventilnadelführungen und zur Aufnahme des elastischen Elements angeschweißt werden.
Das flexible Dichtelement ist vorzugsweise ein Metall balg. Der Metallbalg stellt einerseits eine sehr gute Beweglichkeit bereit, um die Axialbewegungen des Schließelements zu ermöglichen und andererseits kann dadurch der Metallbalg möglichst nahe am heißen Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Dadurch kann eine axiale Länge des Gasinjektors weiter reduziert werden. Alternativ ist das flexible Dichtelement ein Kunststofffaltenbalg oder eine Membran oder ein Gummielement.
Weiter bevorzugt weist der Gasinjektor einen Kegelsitz oder Kugel-Kegelsitz auf. Vorzugsweise umfasst hierbei das Schließelement an einem zum Brennraum gerichteten Ende eine Dichtscheibe, welche an einem Dichtsitz eine oder mehrere Durchgangsöffnungen freigibt. Der Gasinjektor ist dabei vorzugsweise als ein nach außen öffnender Injektor ausgebildet. Dadurch kann ein Dichtsitz bereitgestellt werden, welcher senkrecht zur Längsrichtung des Gasinjektors in einer Ebene liegt.
Ferner bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine im Schmiermittelraum angeordnete Bremseinrichtung, welche eingerichtet ist, um das Schließelement bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors vom geöffneten in den geschlossenen Zustand abzubremsen. Die Bremseinrichtung umfasst einen Bremsbolzen, einen Dämpfungsraum, der mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung steht, und ein elastisches Bremselement, insbesondere eine Feder. Der Bremsbolzen und das elastische Bremselement sind beim Rückstellvorgang in Wirkverbindung mit dem Schließelement und/oder dem Anker, wobei der Bremsbolzen ferner beim Rückstellvorgang eingerichtet ist, Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum zu verdrängen, um eine Rückstellung des Bremsbolzens zu dämpfen. Da ein Teil des Abbremsvorgangs durch ein hydraulisches Kleben zwischen dem Bremsbolzen und einem Anschlagbauteil, an welchem der Bremsbolzen im geöffneten Zustand des Gasinjektors anliegt, bereitgestellt wird, kann durch das Vorsehen des Dämpfungsraums eine Dampfblasenbildung des flüssigen Schmiermittels beim Überwinden des hydraulischen Klebens verhindert werden, so dass insbesondere ein Verschleiß durch Kavitation verhindert werden kann.
Der Bremsvorgang wird zusätzlich noch durch die mit der Bremseinrichtung bereitgestellte Beschleunigung der zusätzlichen Massen unterstützt. Weiterhin wird über die Verdrängung des Schmierstoffs zwischen dem Anker und dem Bremsbolzen eine weitere Abbremsung realisiert. Auch kann durch Reibung von Führungselementen oder dergleichen mit dem Bremsbolzen eine Rückstellgeschwindigkeit des Schließelements weiter reduziert werden. Dies alles reduziert die Aufschlagkraft des Ankers am Anschlag, so dass auch eine Lebensdauer des Ankers weiter verlängert werden kann.
Weiter bevorzugt umfasst der Bremsbolzen insbesondere einen Hauptkörper mit einer Anlagefläche, welche an einer zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers des Bremsbolzens angeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Schließelement bringbar ist und als Anschlagfläche dient. Der Hauptkörper ist vorzugsweise zylindrisch. Weiter bevorzugt ist an der zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers ein Ringflansch angeordnet. Der Ringflansch dient vorzugsweise als Anschlagfläche.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastische Bremselement der Bremseinrichtung im Dämpfungsraum angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Das elastische Bremselement ist vorzugsweise eine Druckfeder, insbesondere eine Zylinderfeder.
Weiter bevorzugt steht der Dämpfungsraum über ein Führungsspiel des Bremsbolzens mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung.
Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor ferner eine Drossel, welche den Dämpfungsraum mit dem Schmiermittelraum verbindet. Die Drossel stellt sicher, dass der Dämpfungsvorgang definiert ablaufen kann, da das Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum über die Drossel dann in den Schmiermittelraum überführt wird. Die Drossel ist vorzugsweise eine kleine Verbindungsbohrung zwischen Dämpfungsraum und Schmiermittelraum. Durch Wahl geometrischer Abmessungen der Verbindungsbohrung beispielsweise Durchmesser und/oder Länge der Bohrung, kann das Dämpfungsverhalten der Bremseinrichtung eingestellt werden.
Der Gasinjektor umfasst weiter bevorzugt einen Ankerbolzen, welcher am Schließelement anliegt, wobei der Ankerbolzen mit dem Anker verbunden ist. Ein von einem Dichtsitz des Gasinjektors abgewandtes Ende des Ankerbolzens ist eingerichtet, um im geschlossenen Zustand des Gasinjektors mit dem Bremsbolzen in Kontakt zu treten.
Vorzugsweise wird als Schmiermittel ein Öl, insbesondere ein synthetisches Öl verwendet. Alternativ wird ein flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin verwendet. Weiter alternativ wird als Schmiermittel ein Fett verwendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine schematische T eilschnittansicht des Gasinjektors von
Figur 1 ,
Figur 3 eine schematische, perspektivische Ansicht der ersten und zweiten Nadelführung des Gasinjektors von Figur 1,
Figur 4 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 6 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs einen Magnetaktor 2, weicher ein nach außen öffnendes Schließelement 3 von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand bewegt. Die Figur 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors.
Der Magnetaktor 2 umfasst einen Anker 20, welcher mittels eines Ankerbolzens 24 mit dem Schließelement 3 verbunden ist. Ferner umfasst der Magnetaktor 2 einen Innenpol 21 , eine Spule 22 und ein Magnetgehäuse 23, welches einen magnetischen Rückschluss des Magnetaktors sicherstellt.
Weiterhin umfasst der Gasinjektor 1 einen Hauptkörper 7 mit einem Gaszulauf 70, durch welchen der gasförmige Brennstoff zugeführt wird. Am Hauptkörper 7 ist dabei ein Ventilgehäuse 8 fixiert, in welchem der Magnetaktor 2 angeordnet ist. An das Ventilgehäuse 8 schließt sich eine Gehäusehülse 19 an, an dessen freiem Ende an einem Ventilsitzbauteil 93 ein Dichtsitz 11 vorgesehen ist, an welchem das Schließelement 3 einen Durchlass für den gasförmigen Brennstoff freigibt und verschließt.
In Figur 1 ist schematisch ein elektrischer Anschluss 13, welcher durch den Hauptkörper 7 und das Magnetgehäuse 8 bis zum Magnetaktor 2 geführt ist, dargestellt.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Rückstellelement für das Schließelement 3, um dieses nach einem Öffnungsvorgang wieder in den in Figur 1 gezeigten geschlossenen Zustand zurückzustellen. ln Figur 1 ist ferner eine Gasströmung als Gaspfad 14 durch den Gasinjektor 1 dargestellt. Die Gasströmung beginnt dabei am Gaszulauf 70 und wird dann umgeleitet in einen Ringraum 80 zwischen dem Ventilgehäuse 8 und dem Hauptkörper 7. Die Gasströmung 14 geht dabei weiter an einem Außenbereich des Magnetaktors 2 vorbei durch einen Filter 15 bis vor zum Dichtsitz 11. Hierbei sind entsprechend Durchbrüche in den jeweiligen Bauteilen vorgesehen, welche in Figur 1 nicht alle gezeigt sind.
Beim Öffnen des Gasinjektors 1 strömt dann der gasförmige Brennstoff am Außenumfang des Magnetaktors 2 und am geöffneten Dichtsitz 11 vorbei in einen Brennraum 100 einer Brennkraftmaschine, was in Figur 1 durch die Pfeile A angedeutet ist.
Das Schließelement 3 umfasst eine Ventilnadel 30 mit einem Sitzteller 30a, welcher an dem zum Brennraum gerichteten Ende des Schließelements angeordnet ist. Der Dichtsitz 11 ist dabei zwischen dem Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93, welches ein zylindrisches Rohr ist, ausgebildet.
Das Schließelement 3 umfasst ferner eine erste Nadelführung 31, eine zweite Nadelführung 32 und eine dritte Nadelführung 33. Die drei Nadelführungen 31, 32, 33 sind einstückig oder mehrstückig mit der Ventilnadel 30 ausgebildet.
Das Schließelement 3 umfasst ferner auch einen Teller 34, welcher in Axialrichtung X-X zwischen der zweiten Nadelführung 32 und der dritten Nadelführung 33 angeordnet ist.
Weiter umfasst der Gasinjektor 1 einen abgeschlossenen Schmiermittelraum 4. Der abgeschlossene Schmiermittelraum 4 ist vollständig oder teilweise mit einem flüssigen Schmierstoff gefüllt, z.B. Öl.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, wird der Schmiermittelraum 4 durch ein erstes flexibles Dichtelement 51 , den Innenpol 21, das Magnetgehäuse 23, einen Führungskörper 18 und ein zweites flexibles Dichtelement 52 definiert. Das erste und zweite flexible Dichtelement 51 , 52 ist jeweils als Faltenbalg ausgebildet. Es sei angemerkt, dass als flexible Dichtelemente 51 , 52 anstatt eines Faltenbalges auch beispielsweise eine Membran oder ein Schlauch oder dgl. sein kann.
Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist das zweite flexible Dichtelement 52 an einem Speicherfederteller 41 beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, fixiert. Ferner umfasst der Gasinjektor 1 eine Speicherdruckfeder 40, welche sich am Hauptkörper 7 abstützt und das zweite flexible Dichtelement 52 über den Speicherfederteller 41 vorspannt. Im Führungskörper 18 sind Verbindungsbohrungen 18a vorgesehen, so dass das sich im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel auch in dem Bereich innerhalb des zweiten flexiblen Dichtelements 52 befindet.
Das erste flexible Dichtelement 51 ist direkt am Schließelement 3 am Teller 34 fixiert und am anderen Ende mit einer Führungshülse 9 verbunden. Die dritte Nadelführung 33 ist innerhalb der Führungshülse 9 geführt.
Somit weist der Schmiermittelraum 4 zwei flexible Dichtelemente 51 , 52 sowie die Speicherdruckfeder 40 auf. Die Speicherdruckfeder 40 übt eine gewisse Vorspannung, beispielsweise 1 x 105 Pa, auf das sich im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel auf. Wenn nun bei einem Öffnungsvorgang eine Verdrängung des Schmiermittels durch den Hub des Schließelements 3 oder auch durch Wärmeausdehnung oder Abkühlung des Schmiermittels auftritt, kann ein gegebenenfalls im Inneren des Schmiermittelraums 4 entstehender Überdruck/Unterdruck durch Auslenkung am zweiten flexiblen Dichtelement 52 in Verbindung mit einer Kontraktion der Speicherdruckfeder 40 ausgeglichen werden. Somit kann das flexible Dichtelement 51 keine ungewollte, über die Balgwirkfläche wirkende Kraft auf das Schließelement 3 ausüben.
Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist auch der Ankerbolzen 24 mit dem daran fixierten Anker 20 angeordnet. Da der Schmiermittelraum 4 mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem Öl mit einer Viskosität von Benzin oder Diesel oder einem Fett oder dergleichen gefüllt ist, ist eine kontinuierliche Schmierung des Ankers 20 gegeben. Dadurch kann das im Stand der Technik auftretende Problem bei gasförmigen Brennstoffen, dass eine fehlende Schmierung der bewegten Teile fehlt, kompensiert werden. Dabei ist auch die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet. Wie insbesondere auch aus Figur 2 ersichtlich ist, ist die dritte Nadelführung 33 im Inneren der Führungshülse 9 geführt. Im Inneren der Führungshülse 9 ist ferner auch das Rückstellelement 10 angeordnet, welches sich an einem Absatz 9a der Führungshülse 9 und der dritten Nadelführung 33 abstützt. Die dritte Nadelführung 33 weist somit zwei Funktionen, nämlich einmal die Führung der Ventilnadel 30 und die Abstützung des Rückstellelements 10 auf. In der dritten Nadelführung 33 sind hierbei entsprechend Durchbrüche 33a vorgesehen, damit das im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel durch diese Durchbrüche hindurchgehen kann.
Die Führungshülse 9 ist mit dem ersten flexiblen Dichtelement 51 verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung.
Da die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet ist, ist hier in allen Betriebssituationen des Gasinjektors eine ausreichende Schmierung vorhanden, so dass im Betrieb keinerlei Verschleiß an der dritten Nadelführung auftritt.
Die erste Nadelführung 31 und die zweite Nadelführung 32 sind hingegen im Gaspfad 14 angeordnet. Wie im Detail aus Figur 3 ersichtlich ist, sind die erste Nadelführung 31 und die zweite Nadelführung 32 gleich aufgebaut. Hierbei umfasst die erste Nadelführung 31 einen ringförmigen Führungsbereich 31a, welcher über drei Stege 31b mit der Ventilnadel 30 verbunden ist. Zwischen den Stegen sind Durchbrüche 33c für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen ausgebildet. Die Stege sind dabei möglichst dünn vorgesehen, um einen möglichst großen Durchlassquerschnitt für das einzublasende Medium bereitzustellen.
Die zweite Nadelführung 32 ist in gleicher Weise wie die erste Nadelführung 31 mit einem ringförmigen Führungsbereich 32a, drei Stegen 32b und entsprechend zwischen den Stegen gebildeten Durchbrüchen 32c ausgebildet.
Durch die ringförmigen Führungsbereiche 31a und 32a an der ersten und zweiten Nadelführung kann somit eine besonders sichere und genaue Führung des Schließelements 3 ermöglicht werden. Im Betrieb kann nun durch das Rückstellelement 10 und gegebenenfalls auch durch das als Balg ausgebildete erste flexible Dichtelement 51 Kippmomente auf das Schließelement ausgeübt werden. Diese können jedoch durch die erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden, so dass die Ventilnadel 30, welche mit einem möglichst kleinen Querschnitt ausgebildet ist und eine gewisse Baulänge in Axialrichtung X-X aufweist, durch derartige Kippmomente nachgiebig sein kann und sich verbiegen kann. Durch die Nachgiebigkeit der Ventilnadel gibt es bei Kippmomenten aus dem Schließelement oder dem elastischen Element nur geringe Querkräfte auf die Nadelführungen. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist ein erster Abstand A 1 zwischen der ersten Nadelführung 31 und der zweiten Nadelführung 32 kleiner als ein zweiter Abstand A2 zwischen der zweiten Nadelführung und der dritten Nadelführung 33.
Somit kann der Gasinjektor sehr schlank und mit einer gewissen Baulänge ausgeführt werden, ohne dass im Betrieb aufgrund von Kippmomenten des Rückstellelements 10 oder des ersten flexiblen Dichtelements 51 unerwünschte Querkräfte auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, so dass der Gasinjektor in allen Betriebssituationen immer abdichten kann und auch nach einem Öffnungsvorgang wieder sicher in den geschlossenen abdichtenden Zustand zurückgestellt werden kann. Der Verschleiß an den Ventilnadelführungen ist somit auch vernachlässigbar klein.
Weiterhin ist ein dritter Abstand A3 zwischen der ersten Nadelführung 31 und dem Dichtsitz 11 kleiner als der erste Abstand A1 zwischen der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32. Hierdurch wird der Schließvorgang zusätzlich unterstützt, so dass der Dichtsitz immer in richtiger Weise geschlossen werden kann.
Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist ferner eine Bremseinrichtung 6 angeordnet. Die Bremseinrichtung 6 umfasst einen Bremsbolzen 60, eine Bremsfeder 61 und einen Dämpfungsraum 62. Der Dämpfungsraum 62 steht mit dem Schmiermittelraum 4 in Fluidverbindung.
Der Bremsbolzen 60 und das elastische Bremselement 61 stehen bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors in die geschlossene Ausgangsposition in Wirkverbindung mit dem Schließelement 3. Beim Rückstellvorgang wird dabei Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum 62 in den Schmiermittelraum 4 verdrängt, um eine zusätzliche Dämpfung bei der Rückstellung des Bremsbolzens 60 in den geschlossenen Zustand des Gasinjektors (Figur 1) zu erreichen. Der Bremsbolzen 60 ist dabei im Führungskörper 18 geführt.
Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist der Dämpfungsraum 62 direkt am Bremsbolzen 60 an einer vom Dichtsitz 11 abgewandten Seite des Bremsbolzens 60 ausgebildet. Der Dämpfungsraum 62 ist über eine Drossel 63, welche eine kleine Bohrung ist, mit den Verbindungsbohrungen 18a und somit mit dem Hauptbereich des Schmiermittelraums 4 verbunden. Die Bremsfeder 61 ist in einem Federraum 67 angeordnet.
Der Bremsbolzen 60 weist eine Anlagefläche auf, welche sich mit dem Ankerbolzen 24 in Kontakt befindet. Im geschlossenen Zustand, welcher in Figur 1 gezeigt ist, befindet sich dabei ein erster Spalt 101 zwischen dem Bremsbolzen 60 und einer stationären Ankerbolzenführung 25. Die Ankerbolzenführung 25 führt den Ankerbolzen 24 bei einem Öffnungs- und Schließvorgang.
Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Bremsfeder 61 zwischen dem Bremsbolzen 60 und dem Führungskörper 18 angeordnet. Der Bremsbolzen 60 weist dabei einen Flansch auf, welcher mit Spiel zum Führungskörper 18 vorgesehen ist.
Im geschlossenen Zustand ist weiterhin zwischen der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 und der Ankerbolzenführung 25 der erste Spalt 101 ausgebildet. Der Spalt 101 weist dabei eine erste Breite auf, welche kleiner ist als eine zweite Breite zwischen dem Anker 20 und dem Innenpol 21 (vgl. Figur 1) an einem zweiten Spalt 102. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Hub des Bremsbolzens 60, welcher durch die Druckfeder 61 in Axialrichtung vorgespannt ist, kleiner ist als ein Hub des Ankers 20. Damit kann während des Einblasvorgangs ausreichend Fluid aus dem Schmiermittelraum 4 über die Drossel 63 in den Dämpfungsraum 62 strömen.
Beim Schließvorgang trifft der Ankerbolzen 24 auf die Anlagefläche des Bremsbolzens 60. Dadurch wird der Bremsbolzen 60 gegen das sich im Dämpfungsraum 62 befindliche Fluid gedrückt. Aufgrund der Drossel 63 kann das Fluid aus dem Dämpfungsraum 62 nicht unmittelbar, sondern langsam herausgedrückt werden, so dass beim Schließvorgang eine Dämpfungswirkung ermöglicht wird. Dadurch wird am Dichtsitz 11 und am Anker 20 ein zu großer Verschleiß verhindert, da der Schließvorgang durch die Rückstellung des Bremsbolzens 60 gedämpft ist.
Der Dämpfungsvorgang wird weiterhin durch die Bremsfeder 61 und ein hydraulisches Kleben des Bremsbolzens 60 an der Ankerbolzenführung 25 unterstützt. Durch den Dämpfungsraum 62 kann dabei eine Kavitation beim Schließvorgang in diesem Bereich zwischen der Ankerbolzenführung 25 und der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 verhindert werden. Auch verzögert eine Reibung des Bremsbolzens 60 im Führungskörper 18 den Rückstellvorgang sowie auch im gesamten Schmiermittelraum 4 die zu beschleunigenden Massen der bewegten Bauteile, welche zu einer Verdrängung des Schmierstoffs im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 und somit einer zusätzlichen Abbremsung beim Schließvorgang führen.
Durch Wahl eines Durchmessers und/oder einer Länge der Drossel 63 kann das Dämpfungsverhalten individuell für den jeweiligen Gasinjektor eingestellt werden.
Es sei angemerkt, dass vorzugsweise eine Anschlagfläche zwischen dem Dämpfungsbolzen 60 und der Ankerbolzenführung 25 keilförmig ausgebildet sein kann, d.h., nicht im rechten Winkel zu einer Mittelachse X-X des Gasinjektors. Alternativ oder zusätzlich können in der Anlagefläche oder der Stirnseite der Ankerbolzenführung 25, welche zum Bremsbolzen 60 gerichtet ist, radiale Schlitze vorgesehen sein, wodurch ein Kavitationseffekt weiter reduziert und verhindert wird.
Der in Figur 1 gezeigte Gasinjektor 1 ist dabei druckkraftausgeglichen. Das heißt, das Schließelement 3 ist über das erste flexible Dichtelement 51 mit der Führungshülse 9 verbunden, wobei das als Metallbalg ausgeführte erste flexible Dichtelement 51 einen mittleren Durchmesser aufweist, welcher gleich einem Durchmesser am Dichtsitz 11 ist, an welchem das Schließelement 3 abdichtet. Dadurch ergibt sich keine Druckkraft auf das Schließelement 3, sodass eine magnetische Kraft, welche zum Öffnen des Schließelements 3 notwendig ist, sehr klein gehalten werden kann und insbesondere unabhängig von einem Druck des gasförmigen Brennstoffs ist.
Somit kann mit der vorliegenden Erfindung, wenn das Schließelement 3 durch Betätigen des Magnetaktors 2 in den geöffneten Zustand (Bewegung des Schließelements 3 in Figur 1 nach links) gestellt wurde und eine Gaseinblasung ausgeführt wird, bei der Rückstellung des Schließelements 3 eine sichere Dämpfung kurz bevor das Schließelement in den Dichtsitz 11 gedrückt wird, ausgeführt werden. Der Bremsbolzen 60 wird dabei in Richtung zum Dämpfungsraum 62 durch den Ankerbolzen 24 gedrückt, und bewegt sich nur so langsam, wie das Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum 62 durch die Drossel 63 in den Schmiermittelraum 4 herausgedrückt wird. Somit wird eine Schließgeschwindigkeit des Schließelements 3 signifikant und wirksam vor dem Auftreffen des Schließelements in den Dichtsitzl 1 abgebremst. Somit kann ein Verschleiß am Dichtsitzl 1 und dem Schließelement 3 wirksam reduziert werden, wobei die Bremseinrichtung 6 den Betrieb des Gasinjektors weiterhin in leiserer Weise ermöglicht. Auch kann ein sog. Schließprellen, bei dem ein Element hart auf einem Dichtsitzauftritt und zurückgeprellt wird, wirksam verhindert werden.
Der Dichtsitz 11 ist als Kegeldichtsitz ausgebildet. Der Dichtsitz 11 kann auch als Flachdichtsitz ausgebildet werden, so dass die Dichtflächen am Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93 einfach, z.B. durch eine flächige Bearbeitung wie Läppen, hergestellt werden können.
Somit kann der Gasinjektor 1 einen reduzierten Verschleiß an den bewegten Teilen, insbesondere am Dichtsitz 11 , Anker 20 und im Ankerbolzen 24 und den drei Nadelführungen bereitstellen. Hierbei kann ein Verkippen und Durchbiegen der Ventilnadel 30 verhindert werden, so dass die Öffnungs- und insbesondere Schließvorgänge immer problemlos durchgeführt werden können. Weiterhin kann durch den abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 mit einem flüssigen Schmiermittel eine Wärmeableitung aus dem Magnetaktor 2 deutlich verbessert werden. Ferner kann durch die beiden flexiblen Dichtelemente 51 , 52 verhindert werden, dass ungewollte Kräfte auf das Schließelement 3 wirken.
Figur 4 zeigt einen Gasinjektor mit einem Schließelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Nadelführung 31 , 32 unterschiedlich zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die erste und zweite Nadelführung 31, 32 weisen dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Führungsbereich 31a, 32a auf, jedoch sind die Stege derart angeordnet, dass eine schüsselförmige Nadelführung erreicht wird. Dabei sind die Stege in einem spitzen Winkel a zur Ventilnadel 30 angeordnet und erstrecken sich in Richtung zum Dichtsitz 11. Dadurch kann ein Durchlassquerschnitt an der ersten und zweiten Nadelführung 31 , 32 im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel deutlich vergrößert werden. Hierdurch können größere Gasmengen durch die erste und zweite Nadelführung hindurchgeführt werden, was bei Gasinjektoren ein wichtiger Aspekt ist, da in möglichst kurzer Zeit möglichst große Gasmengen für den Einblasvorgang in den Brennraum eingeblasen werden müssen.
Der Winkel a zwischen den Stegen der ersten und zweiten Nadelführung und der Ventilnadel 30 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 60° und beträgt besonders bevorzugt 45°. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 5 zeigt einen Gasinjektor mit einem Schließelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet. Beim dritten Ausführungsbeispiel weist die erste und zweite Nadelführung ausschließlich Stege ohne den ringförmigen Führungsbereich auf, welche senkrecht zur Ventilnadel 30 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind hierbei drei Stege vorgesehen. An den freien Enden der Stege sind die Führungsbereiche 36 der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32 ausgebildet, welche mit dem Ventilsitzbauteil 93 die Führung des Schließelements 3 übernehmen.
Figur 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ähnlich wie das dritte Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, wobei statt der Stege Führungsrippen ausgebildet sind, welche das Führen der Nadel im Ventilsitzbauteil 93 übernehmen. Eine Länge L der Rippen in Axialrichtung ist dabei größer als eine radiale Erstreckung R, so dass die länglichen Führungsrippen an der Ventilnadel 30 erhalten werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann. Das dritte und vierte Ausführungsbeispiel ist durch Verzicht auf den ringförmigen Führungsbereich besonders kostengünstig herstellbar.

Claims

Ansprüche
1. Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, umfassend:
- einen Magnetaktor (2) mit einem Anker (20), einem Innenpol (21) und einer Spule (22),
- ein Schließelement (3) mit einer Ventilnadel (30), wobei das Schließelement (3) einen Gaspfad (14) an einem Dichtsitz (11) freigibt und verschließt, wobei der Anker (20) mit dem Schließelement (3) verbunden ist,
- einen abgeschlossenen Schmiermittelraum (4), der mit einem Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der Anker (20) angeordnet ist, wobei das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers (20) sicherstellt,
- ein flexibles Dichtelement (51), welches den Schmiermittelraum (4) gegenüber dem Gaspfad (14) abdichtet,
- ein Rückstellelement (10), welches im Schmiermittelraum (4) angeordnet ist und welches das Schließelement (3) in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt, und
- eine erste Nadelführung (31), eine zweite Nadelführung (32) und eine dritte Nadelführung (33), welche zur Führung der Ventilnadel (30) eingerichtet sind,
- wobei die erste Nadelführung (31) und die zweite Nadelführung (32) im Gaspfad (14) angeordnet sind und die dritte Nadelführung (33) im Schmiermittelraum (4) angeordnet ist.
2. Gasinjektor nach Anspruch 1 , wobei ein erster Abstand (A1) zwischen der ersten Nadelführung (31) und der zweiten Nadelführung (32) in Axialrichtung (X-X) kleiner als ein zweiter Abstand (A2) zwischen der zweiten Nadelführung (32) und der dritten Nadelführung (33) in Axialrichtung (X-X) ist.
3. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nadelführung (31) und/oder die zweite Nadelführung (32) und/oder die dritte Nadelführung (33) jeweils einen ringförmigen Führungsbereich (31a, 32a) aufweisen, welcher über Stege (31b, 32b) mit der Ventilnadel (30) derart verbunden ist, dass Durchbrüche (31c, 32c) für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen vorhanden sind. Gasinjektor nach Anspruch 3, wobei die Stege (31 b, 32b) in einem spitzen Winkel zum ringförmigen Führungsbereich (31a, 32a) verlaufen. Gasinjektor nach Anspruch 4, wobei die Stege in Durchströmungsrichtung nach dem Führungsbereich angeordnet sind. Gasinjektor nach Anspruch 3, wobei die Stege senkrecht zur Ventilnadel (30) angeordnet sind. Gasinjektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Nadelführung (31) und/oder die zweite Nadelführung (32) und/oder die dritte Nadelführung (33) ausschließlich Stege aufweisen, welche von der Ventilnadel (30) radial nach außen angeordnet sind, wobei an freien Enden der Stege Führungsbereiche ausgebildet sind, oder wobei die erste Nadelführung (31) und/oder die zweite Nadelführung (32) und/oder die dritte Nadelführung (33) als Führungsrippen ausgebildet sind, deren Längserstreckung (L) größer als eine Radialerstreckung (R) ist. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schließelement ferner einen Teller (34) umfasst, an welchem das flexible Dichtelement (51) angeordnet ist. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nadelführung (31) und die zweite Nadelführung (32) gemeinsam an einem Ventilsitzbauteil (93) geführt sind, an welchem auch der Dichtsitz (11) ausgebildet ist. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Nadelführung (33) auch zur Abstützung des Rückstellelements (10) eingerichtet ist. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Abstand (A3) zwischen der ersten Nadelführung (31) und dem Dichtsitz (11) kleiner ist als der erste Abstand (A1) zwischen der ersten Nadelführung (31) und der zweiten Nadelführung (32).
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