EP4587694A1 - Gasinjektor mit reduzierten temperaturen am dichtsitz - Google Patents

Gasinjektor mit reduzierten temperaturen am dichtsitz

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EP4587694A1
EP4587694A1 EP23735759.5A EP23735759A EP4587694A1 EP 4587694 A1 EP4587694 A1 EP 4587694A1 EP 23735759 A EP23735759 A EP 23735759A EP 4587694 A1 EP4587694 A1 EP 4587694A1
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EP
European Patent Office
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gas injector
valve plate
combustion chamber
cooling fins
additional component
Prior art date
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Pending
Application number
EP23735759.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Suenderhauf
Andreas Koeninger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the gas injector according to the invention for blowing in a gaseous medium, in particular for blowing in gaseous hydrogen, with the features of claim 1 has the advantage that heat input from combustion gases onto the components can be reduced by a Lowering the temperature of the fuel gas itself is used during the injection process. Due to the cooling effect due to expansion, which is particularly present in the case of supersonic outflow from the gas injector, there is a large potential for temperature reduction, which can be used according to the invention. This results in reduced seat wear on the sealing seat, so that the necessary tightness requirements can be met both during operation and when at a standstill over the service life of the gas injector. When stationary, for example, there may be a risk of explosion if fuel gas gets into the exhaust tract or the intake tract of the internal combustion engine.
  • the cooling fins are preferably formed on the valve plate.
  • the cooling fins are preferably arranged on an outer circumference of the valve plate and protrude radially.
  • the gas injector When the gas injector is open, the fuel gas flows through the intermediate areas between the cooling fins and in particular cools the cooling fins, which in turn cool the valve plate. Since part of the sealing seat of the gas injector is located on the valve plate, the sealing seat is also cooled accordingly.
  • Cooling fins are further preferably arranged on the valve body of the gas injector. Since a second part of the sealing seat of the gas injector is located on the valve body, there is also a cooling effect here, which reduces wear on the components of the sealing seat of the gas injector.
  • Cooling fins are preferably formed on both the valve plate and the valve body, so that both components, between which the sealing seat is formed, can be cooled in the area of the sealing seat at the same time.
  • the additional component comprises a core area.
  • the core area can be hollow and have a vacuum or be filled with nitrogen or a gas or alternatively the core area has an insert.
  • the additional component is a component with high porosity. Due to the high porosity, a surface area of the additional component can be increased so that, in conjunction with the cooling fins, a very large area is available which can cool the valve plate and/or the valve body.
  • the additional component is preferably a sintered component.
  • an insulation layer is provided on the valve plate and/or on the valve body.
  • the layer is preferably completely formed on the valve plate on the side of the valve plate facing the combustion chamber.
  • the insulation layer is preferably arranged in the areas of the gas injector where no cooling fins are formed.
  • the insulation layer is preferably also provided on the cooling fins.
  • the insulation layer is also provided on the valve body.
  • the insulation layer is preferably applied by material bonding, for example by welding or flame spraying or the like.
  • a phase change material is also used, which can absorb a relatively large amount of heat during the highest temperature ranges in the combustion chamber of the internal combustion engine through phase transition.
  • the additional component can also be attached to the valve plate and/or the valve body by means of a non-positive connection.
  • the additional component comprises a shielding element which is arranged on the side of the valve plate facing the combustion chamber.
  • the shielding element protects the valve plate against heat from the combustion chamber.
  • the shielding element is preferably connected to the valve plate by means of a cohesive connection, for example a weld. Insulating layers or hollow areas or the like, as described above, can also be provided on the shielding element.
  • the gas injector comprises a jet shaping cap, which is arranged on the valve plate in order to shape and define an injection jet of the fuel gas into the combustion chamber.
  • the jet shaping cap can thus specify a preferred jet shape in the combustion chamber in order to support optimal ignition in the combustion chamber.
  • the jet shaping cap also has the advantage that the injection jet can be individually adapted for different internal combustion engines, for example internal combustion engines from different manufacturers. This has the advantage that the gas injector can be manufactured as a mass-produced component and the injection jet can then be customized using the jet shaping cap.
  • the cooling fins preferably run parallel to a central axis of the gas injector. The spaces between adjacent cooling fins are preferably open towards the combustion chamber.
  • the gas injector is preferably an injector that opens to the outside, in which the temperature problem is of great importance due to the proximity to the combustion chamber in a direct injection.
  • the gas injector preferably also has a first and a second needle guide for the closing element.
  • the first needle guide is further away from the sealing seat in the axial direction than the second needle guide.
  • the second needle guide is thus arranged close to the valve plate and can also be protected from high combustion chamber temperatures by the invention.
  • valve plate and the valve needle of the closing element are formed in one piece. This has the particular advantage that the valve plate does not have to be connected to the valve needle by a welded connection or the like, which, if the welded connection is set incorrectly, can possibly lead to a distortion of the valve plate and thus to a leak in the sealing seat.
  • the present invention further relates to an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine of a vehicle, with a gas injector according to the invention.
  • the actuator 5 is a magnetic actuator and comprises an armature 50, which is movable in the axial direction X-X of the gas injector in order to bring the closing element 2 from the closed position shown in Figure 1 to the open position shown in Figure 2.
  • a spring plate 23 is also arranged on the closing element 2, on which there is a restoring element 8 for restoring the closing element 2 into the closed position.
  • the restoring element 8 is a cylinder spring which is supported on the valve body 6 between the spring plate 23 and a shoulder 80.
  • the gas injector 1 further comprises a plurality of cooling fins 7, which are arranged after the sealing seat 4 in the direction of flow through the gas injector.
  • the cooling fins 7 are only arranged on the closing element 2. More specifically, the cooling fins 7 are arranged on the valve plate 21 along the outer circumference of the valve plate 21. The cooling fins are formed in one piece with the valve plate 21 and are open towards the combustion chamber 10. A gas flow can flow between the cooling fins 7 when the gas injector is open, as indicated in Figure 2.
  • the gas injector 1 during operation of the gas injector 1, a temperature reduction at the sealing seat 4 can be achieved, which significantly reduces the temperature load on the components at the sealing seat 4.
  • This makes it possible for the gas injector to be arranged as close as possible to the combustion chamber 10 of the internal combustion engine, thereby allowing the gaseous fuel to be injected directly into the combustion chamber.
  • the gas supply through the gas injector 1 is indicated by the arrows A.
  • the arrows B show schematically the outflow of the fuel gas from the gas injector, with a hollow cone-shaped spray being created due to the shape of the valve plate 21, which is blown into the combustion chamber 10.
  • FIGS. 4 and 5 show a gas injector 1 according to a second preferred embodiment of the invention.
  • the same or functionally identical parts are designated with the same reference numbers as in the first exemplary embodiment.
  • cooling fins 71 are only arranged on the valve body 6 in the second exemplary embodiment.
  • the valve plate 21 has no cooling fins.
  • the cooling fins 71 on the valve body 6 are arranged in such a way that they enable a passage from the inside to the outside of the valve body 6 at the end of the valve body 6 on the combustion chamber side.
  • a top view (FIG. 5) of the valve body 6 thus results in a crenellated structure, with the cooling fins 71 being relatively thin in order to provide the largest possible opening cross section through the spaces between the cooling fins 71.
  • This exemplary embodiment is particularly suitable for injecting large quantities of gas. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the first exemplary embodiment, so that reference can be made to the description given there.
  • FIGS. 6 and 7 show a gas injector according to a third exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are again designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • cooling fins 72 are arranged on an additional component 11 in the third exemplary embodiment.
  • the additional component 11 is fixed to the valve body 6 by means of a welded connection 12.
  • the additional component 11 has a core area 11a and a peripheral area 11b.
  • the cooling fins 72 are formed between the core area 11a and the peripheral area 11b.
  • the additional component 11 is preferably formed in one piece.
  • the additional component 11 thus reduces a temperature when the gaseous fuel emerges at the end of the gas injector on the combustion chamber side. In this case, the valve body 6 in particular is cooled better, since it is directly connected to the additional component 11.
  • the additional component 11 of this exemplary embodiment is a disk. However, it should be noted that a geometric shape of the additional component 11 can also be designed differently. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiments, so that reference can be made to the description given there.
  • Figure 8 shows a gas injector 1 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • the fifth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment, with cooling fins 71 being arranged on the valve body 6.
  • an additional component 11 is provided on the closing element 2 on the valve plate 21.
  • the additional component 11 includes a cup-shaped housing 13, which is welded to the end of the valve plate 21 on the combustion chamber side.
  • a cavity 14 is provided between the cup-shaped housing 13 and the valve plate 21.
  • the cavity 14 serves for insulation and can, for example, be designed as a vacuum or filled with a gas, for example nitrogen or air. Alternatively, it is also possible for the cavity 14 to be filled with a porous material or another material with good insulating properties.
  • cooling of the valve body 6 is achieved on the one hand by the cooling fins 71 and, on the other hand, excessive heat input into the closing element 2 is prevented by the additional component 11 with cavity 14.
  • this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiments, so that reference can be made to the description given there.
  • FIG. 9 shows a gas injector 1 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • an additional component 15 is arranged on the closing element 2 on the valve plate 21, which is made of a material with high porosity.
  • the additional component 15 is, for example, a sintered metal.
  • the additional component 15 covers the entire surface of the valve plate 21, which is directed in the direction of the combustion chamber 10. A heat conduction resistance on the side of the valve plate 21 facing the combustion chamber is thus increased. This reduces the heat load on the valve plate 21 in the area of the sealing seat 4.
  • Cooling fins 71 are provided on the valve body 6, similar to the exemplary embodiments of FIGS. 5 and 8.
  • Figure 10 shows a gas injector 1 according to a sixth exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • the gas injector 1 of the eighth exemplary embodiment has cooling fins 7 on the valve plate 21 and cooling fins 71 on the valve body 6.
  • a temperature reduction can occur simultaneously both on the valve plate 21 and on the valve body 6 by the expanding gaseous fuel gas.
  • Particularly good temperature protection of the sealing seat 4 between the valve plate 21 and the valve body 6 is thus achieved.
  • an insulating layer 9 is provided on the side of the valve plate 21 facing the combustion chamber 10. The insulating layer 9 insulates the valve plate 21 from the hot fuel gases from the combustion chamber 10.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend ein Schließelement (2), welches eine Durchgangsöffnung (3) an einem Dichtsitz (4) eines Ventilkörpers (6) freigibt und verschließt, wobei das Schließelement (2) eine Ventilnadel (20) und einen Ventilteller (21) umfasst, einen Aktor (5) zur Betätigung des Schließelements (2), und eine Vielzahl von Kühlrippen (7; 71; 72), welche in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors nach dem Dichtsitz (4) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Gasinjektor mit reduzierten Temperaturen am Dichtsitz
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, z.B. Wasserstoff oder Methan oder dergleichen, direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit temperatursenkenden Maßnahmen am Dichtsitz des Gasinjektors.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe sind die technischen Anforderungen an Gasinjektoren deutlich unterschiedlich. Problematisch ist hierbei insbesondere neben einer fehlenden Schmierung durch einen flüssigen Kraftstoff auch ein deutlich größeres Volumen des gasförmigen Mediums. Hierdurch können sich Probleme bei der exakten Zumessung für einen Einblasvorgang ergeben. Weiterhin entstehen im Betrieb hohe Temperaturen, insbesondere im Bereich eines Dichtbereichs zwischen einem Schließelement und einem Ventilsitz des Gasinjektors. Durch die Verbrennungsgase im Betrieb, welche bis zum Dichtbereich zwischen Schließelement und Ventilsitz reichen, können sich erhöhte Temperaturen am Dichtbereich ergeben, was zu einem erhöhten Verschleiß und einem möglichen erhöhten Verzug der Bauteile führt. Hierdurch können sich insbesondere Undichtheiten am Sitzbereich ergeben.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von gasförmigem Wasserstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Wärmeeintrag durch Verbrennungsgase auf die Bauteile reduziert werden kann, indem eine Temperaturabsenkung des Brenngases selbst während des Einblasvorgangs genutzt wird. Aufgrund des Abkühlungseffekts durch Expansion, welcher insbesondere bei Überschallausströmung aus dem Gasinjektor in großem Umfang vorhanden ist, ergibt sich ein großes Temperaturabsenkungspotential, welches erfindungsgemäß genutzt werden kann. Hierdurch ergibt sich ein reduzierter Sitzverschleiß am Dichtsitz, so dass über die Lebensdauer des Gasinjektors die notwendigen Dichtheitsanforderungen sowohl im Betrieb als auch im Stillstand erfüllt werden können. Im Stillstand kann beispielsweise eine Explosionsgefahr vorhanden sein, wenn Brenngas in den Abgastrakt bzw. den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gelangt. Weiterhin kann insbesondere an einem Ventilteller ein Verschleiß aufgrund von hohen Temperaturbelastungen reduziert werden, wodurch der Dichtsitz über die Lebensdauer des Gasinjektors sicher abdichtet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Schließelement umfasst, welches eine Durchgangsöffnung an einem Dichtsitz eines Ventilkörpers freigibt und verschließt. Das Schließelement umfasst dabei eine Ventilnadel und einen Ventilteller, wobei der Ventilteller am Dichtsitz abdichtet. Ferner ist ein Aktor zur Betätigung des Schließelements vorgesehen. Ferner umfasst der Gasinjektor eine Vielzahl von Kühlrippen, welche in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors nach dem Dichtsitz angeordnet sind. Die Kühlrippen ermöglichen die Nutzung der Temperaturabsenkung des Brenngases aufgrund der Expansion des Brenngases, da sich der Strömungsquerschnitt nach dem Dichtsitz des Gasinjektors deutlich vergrößert. Dadurch erfolgt eine effektive Kühlung der zum Brennraum gerichteten Bereiche des Gasinjektors.
Bei einer Gaszuströmtemperatur von ca. 30° können sich lokal sehr niedrige Gastemperaturen bis ca. -150° ergeben. Dieses Kühlpotential kann durch die Verwendung der Kühlrippen am Gasinjektor, die bevorzugt an den kühlsten Ausströmbereichen des Brenngases angeordnet sind, konvektiv genutzt werden. Hierdurch reduzieren sich die Temperaturen an den Bauteilen des Gasinjektors, welche in Richtung zum Brennraum gerichtet sind und direkt den heißen Brennraumgasen ausgesetzt sind, insbesondere dem Ventilteller und einem Ventilkörper.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise sind die Kühlrippen am Ventilteller ausgebildet. Die Kühlrippen sind bevorzugt an einem Außenumfang des Ventiltellers angeordnet und stehen radial vor. Das Brenngas strömt somit bei geöffnetem Gasinjektor in den Zwischenbereichen zwischen den Kühlrippen hindurch und kühlt insbesondere die Kühlrippen, welche dann ihrerseits den Ventilteller kühlen. Da am Ventilteller ein Teil des Dichtsitzes des Gasinjektors liegt, wird auch der Dichtsitz entsprechend gekühlt.
Weiter bevorzugt sind Kühlrippen am Ventilkörper des Gasinjektors angeordnet. Da am Ventilkörper ein zweiter Teil des Dichtsitzes des Gasinjektors liegt, ergibt sich auch hier ein Kühleffekt, wodurch sich ein Verschleiß der Bauteile des Dichtsitzes des Gasinjektors reduziert.
Vorzugsweise sind sowohl am Ventilteller als auch am Ventilkörper Kühlrippen ausgebildet, so dass gleichzeitig beide Bauteile, zwischen welchen der Dichtsitz ausgebildet ist, im Bereich des Dichtsitzes gekühlt werden können.
Vorzugsweise sind die Kühlrippen an einem Zusatzbauteil angeordnet. Hierdurch können die den Dichtsitz bildenden Bauteile des Ventiltellers und des Ventilkörpers optimal für eine sichere Abdichtung geometrisch ausgelegt werden und die Kühlung kann mittels des Zusatzbauteils erfolgen. Das Zusatzbauteil ist vorzugsweise am Ventilteller und/oder am Ventilkörper angeordnet.
Weiter bevorzugt umfasst das Zusatzbauteil einen Kernbereich. Der Kernbereich kann hohl sein und ein Vakuum aufweisen oder mit Stickstoff oder einem Gas gefüllt sein oder alternativ weist der Kernbereich ein Einlegeteil auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zusatzbauteil ein Bauteil mit hoher Porosität. Aufgrund der hohen Porosität kann eine Oberfläche des Zusatzbauteils erhöht werden, so dass in Verbindung mit den Kühlrippen eine sehr große Fläche bereitsteht, welche den Ventilteller und/oder den Ventilkörper kühlen kann. Das Zusatzbauteil ist bevorzugt ein Sinterbauteil.
Weiter bevorzugt ist am Ventilteller und/oder am Ventilkörper eine Isolationsschicht vorgesehen. Die Schicht ist dabei vorzugsweise am Ventilteller an der zum Brennraum gerichteten Seite des Ventiltellers vollständig ausgebildet. Die Isolationsschicht ist vorzugsweise an den Bereichen des Gasinjektors angeordnet, an denen keine Kühlrippen gebildet sind.
Vorzugsweise ist die Isolationsschicht auch an den Kühlrippen vorgesehen.
Weiter bevorzugt ist die Isolationsschicht auch am Ventilkörper vorgesehen. Die Isolationsschicht wird vorzugsweise durch Stoffschluss, beispielsweise mittels Schweißung oder Flammspritzen oder dergleichen aufgebracht. Vorzugsweise wird auch ein Phasenübergangsmaterial eingesetzt, welches durch Phasenübergang eine relativ große Wärmemenge während den höchsten Temperaturbereichen im Brennraum der Brennkraftmaschine aufnehmen kann.
Statt einer stoffschlüssigen Verbindung kann das Zusatzbauteil auch mittels einer kraftschlüssigen Verbindung am Ventilteller und/oder am Ventilkörper befestigt werden.
Weiter bevorzugt umfasst das Zusatzbauteil ein Abschirmelement, welches an der zum Brennraum gerichteten Seite des Ventiltellers angeordnet ist. Das Abschirmelement schützt den Ventilteller gegenüber Wärme aus dem Brennraum. Das Abschirmelement ist vorzugsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Ventilteller, beispielsweise einer Schweißung, verbunden. Am Abschirmelement können ebenfalls Isolationsschichten oder Hohlbereiche oder dergleichen, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen werden.
Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine Strahlformungskappe, welche am Ventilteller angeordnet ist, um einen Einblasstrahl des Brenngases in den Brennraum zu formen und zu definieren. Die Strahlformungskappe kann somit eine bevorzugte Strahlform im Brennraum vorgeben, um eine optimale Entflammung im Brennraum zu unterstützen. Die Strahlformungskappe hat weiterhin den Vorteil, dass der Einblasstrahl individuell für unterschiedliche Brennkraftmaschinen, beispielsweise Brennkraftmaschinen unterschiedlicher Hersteller, angepasst werden kann. Dies ergibt den Vorteil, dass der Gasinjektor als Massenbauteil gefertigt werden kann und der Einblasstrahl dann kundenspezifisch durch die Strahlformungskappe angepasst werden kann. Bevorzugt verlaufen die Kühlrippen parallel zu einer Mittelachse des Gasinjektors. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Kühlrippen sind vorzugsweise in Richtung zum Brennraum offen.
Der Gasinjektor ist vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor, bei dem das Temperaturproblem aufgrund der Nähe zum Brennraum bei einer Direkteinblasung von großer Bedeutung ist.
Vorzugsweise weist der Gasinjektor ferner eine erste und eine zweite Nadelführung für das Schließelement auf. Die erste Nadelführung ist dabei vom Dichtsitz in Axialrichtung weiter entfernt als die zweite Nadelführung. Die zweite Nadelführung ist somit nahe dem Ventilteller angeordnet und kann durch die Erfindung ebenfalls vor hohen Brennraumtemperaturen geschützt werden. Dadurch ist das Führungsverhalten des Gasinjektors beim Öffnungs- und Schließvorgang über seine Lebensdauer sehr gut, so dass insbesondere die geplanten Einblasmengen immer sicher erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Ventilteller und die Ventilnadel des Schließelements einteilig ausgebildet. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Ventilteller nicht durch eine Schweißverbindung oder dgl. mit der Ventilnadel verbunden werden muss, was bei einem falschen Setzen der Schweißverbindung gegebenenfalls zu einem Verzug am Ventilteller und damit zu einer Undichtheit am Dichtsitz führen kann.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, mit einem erfindungsgemäßen Gasinjektor.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele 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 bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand, Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Dichtsitzes des
Gasinjektors von Figur 1 im geöffneten Zustand,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht des brennraumseitigen
Endes des Gasinjektors von Figur 2 entlang der Linie lll-lll,
Figur 4 eine schematische T eilschnittansicht eines brennraumseitigen
Endes eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie V-V von
Figur 4,
Figur 6 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines
Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 7 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Vll-Vll von
Figur 6,
Figur 8 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines
Gasinjektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 9 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines
Gasinjektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 10 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 11 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 12 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie Xll-Xll von Figur 11, und
Figur 13 eine schematische, brennraumseitige Teilschnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere gasförmigem Wasserstoff, ein Schließelement 2 und einen Aktor 5.
Das Schließelement 2 gibt eine Durchgangsöffnung 3 an einem Dichtsitz 4 frei und verschließt diese. Ein Rückstellelement 8 stellt das Schließelement 2 in eine geschlossene Ausgangsstellung zurück. Figur 1 zeigt dabei die geschlossene Ausgangsstellung, aus welcher ein Öffnungsvorgang des Gasinjektors 1 erfolgt.
Das Schließelement 2 umfasst eine Ventilnadel 20 und einen Ventilteller 21. Die Ventilnadel 20 verläuft dabei in Axialrichtung X-X durch Gasinjektor 1.
Der Dichtsitz 4 ist zwischen dem Ventilteller 21 und einem Ventilkörper 6 ausgebildet. Das Schließelement 2 ist dabei ein nach außen öffnendes Schließelement. Das Schließelement 2 umfasst ferner zwei Nadelführungen 22, welche das Schließelement im Ventilkörper 6 führen.
Der Aktor 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Magnetaktor und umfasst einen Anker 50, welcher in Axialrichtung X-X des Gasinjektors bewegbar ist, um das Schließelement 2 von der in Figur 1 gezeigten geschlossenen Position in die in Figur 2 gezeigte geöffnete Position zu bringen.
Am Schließelement 2 ist ferner noch ein Federteller 23 angeordnet, an welchem sich ein Rückstellelement 8 zur Rückstellung des Schließelements 2 in die geschlossene Position abstützt. Das Rückstellelement 8 ist eine Zylinderfeder, welche sich zwischen dem Federteller 23 und einem Absatz 80 am Ventilkörper 6 abstützt.
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner eine Vielzahl von Kühlrippen 7, welche in Durchströmungsrichtung durch den Gasinjektor nach dem Dichtsitz 4 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kühlrippen 7 nur am Schließelement 2 angeordnet. Genauer sind die Kühlrippen 7 am Ventilteller 21 entlang des äußeren Umfangs des Ventiltellers 21 angeordnet. Die Kühlrippen sind dabei einstückig mit dem Ventilteller 21 ausgebildet und in Richtung zum Brennraum 10 offen. Eine Gasströmung kann dabei zwischen den Kühlrippen 7 bei geöffnetem Gasinjektor, wie in Figur 2 angedeutet, hindurchströmen.
Aus der Schnittansicht von Figur 3 ist ersichtlich, dass die Kühlrippen 7 gleichmäßig entlang des äußeren Umfangs des Ventiltellers 21 am brennraumseitigen Ende des Ventiltellers 21 ausgebildet sind. Die Kühlrippen 7 reichen dabei von einem Kegelteil des Ventiltellers 21 bis zum brennraumseitigen Ende des Ventiltellers 21.
Durch die sich ergebende Volumenvergrößerung aufgrund der Zwischenbereiche 7a zwischen den Kühlrippen 7 ergibt sich somit eine Expansion des Brenngases in erheblichem Umfang schon im Bereich des Ventiltellers 21. Aufgrund der Expansion des Brenngases ergibt sich ein Abkühlungseffekt des Brenngases, welcher durch Konvektion auf die umliegenden Bauteile und insbesondere auf die Kühlrippen 7 und Zwischenbereiche 7a übertragen werden. Dadurch ergibt sich eine Temperaturabsenkung des Ventiltellers 21 insbesondere auch im Bereich des Dichtsitzes 4, wodurch im Betrieb des Gasinjektors ein übermäßiger Verschleiß am Dichtsitz vermieden werden kann.
Somit kann beim Betrieb des Gasinjektors 1 eine Temperaturabsenkung am Dichtsitz 4 erreicht werden, was eine Temperaturbelastung der Bauteile am Dichtsitz 4 signifikant reduziert. Dadurch ist es möglich, dass der Gasinjektor möglichst nahe am Brennraum 10 der Brennkraftmaschine angeordnet werden kann, wodurch eine direkte Einblasung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum möglich ist. ln Figur 1 ist die Gaszuführung durch den Gasinjektor 1 durch die Pfeile A angedeutet. Die Pfeile B zeigen schematisch das Ausströmen des Brenngases aus dem Gasinjektor, wobei aufgrund der Form des Ventiltellers 21 ein hohlkegelförmiges Spray entsteht, welches in den Brennraum 10 eingeblasen wird.
Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Wie aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel Kühlrippen 71 nur am Ventilkörper 6 angeordnet. Der Ventilteller 21 weist keine Kühlrippen auf. Die Kühlrippen 71 am Ventilkörper 6 sind dabei derart angeordnet, dass diese am brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers 6 einen Durchlass von innen nach außen am Ventilkörper 6 ermöglichen. Somit ergibt sich bei Draufsicht (Figur 5) auf den Ventilkörper 6 ein zinnenartiger Aufbau, wobei die Kühlrippen 71 relativ dünn ausgebildet sind, um einen möglichst großen Öffnungsquerschnitt durch die Zwischenräume zwischen den Kühlrippen 71 bereitzustellen. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für die Einblasung großer Gasmengen geeignet. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Figuren 6 und 7 zeigen einen Gasinjektor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, sind beim dritten Ausführungsbeispiel Kühlrippen 72 an einem Zusatzbauteil 11 angeordnet. Das Zusatzbauteil 11 ist mittels einer Schweißverbindung 12 am Ventilkörper 6 fixiert. Das Zusatzbauteil 11 weist einen Kernbereich 11a und einen Umfangsbereich 11b auf. Zwischen dem Kernbereich 11a und dem Umfangsbereich 11b sind die Kühlrippen 72 ausgebildet. Das Zusatzbauteil 11 ist dabei vorzugsweise einstückig ausgebildet. Das Zusatzbauteil 11 reduziert somit eine Temperatur beim Austreten des gasförmigen Brennstoffs am brennraumseitigen Ende des Gasinjektors. Hierbei wird insbesondere der Ventilkörper 6 verbessert gekühlt, da dieser direkt mit dem Zusatzbauteil 11 in Verbindung steht. Das Zusatzbauteil 11 dieses Ausführungsbeispiels ist eine Scheibe. Es sei jedoch angemerkt, dass eine geometrische Form des Zusatzbauteils 11 auch anders ausgestaltet werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 8 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus Figur 8 ersichtlich ist, entspricht das fünfte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei Kühlrippen 71 am Ventilkörper 6 angeordnet sind. Ferner ist am Schließelement 2 am Ventilteller 21 ein Zusatzbauteil 11 vorgesehen. Das Zusatzbauteil 11 umfasst ein topfförmiges Gehäuse 13, welches am brennraumseitigen Ende des Ventiltellers 21 angeschweißt ist. Zwischen dem topfförmigen Gehäuse 13 und dem Ventilteller 21 ist ein Hohlraum 14 vorgesehen. Der Hohlraum 14 dient zur Isolation und kann beispielsweise als Vakuum ausgebildet sein oder mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff oder Luft, gefüllt sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Hohlraum 14 mit einem porösen Material oder einem anderen Material mit guten isolierenden Eigenschaften aufgefüllt ist. Somit wird beim fünften Ausführungsbeispiel eine Kühlung einerseits des Ventilkörpers 6 durch die Kühlrippen 71 erreicht und andererseits ein zu großer Wärmeeintrag in das Schließelement 2 durch das Zusatzbauteil 11 mit Hohlraum 14 verhindert. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 9 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, ist am Schließelement 2 am Ventilteller 21 ein Zusatzbauteil 15 angeordnet, welches aus einem Material mit hoher Porosität hergestellt ist. Das Zusatzbauteil 15 ist beispielsweise ein Sintermetall. Das Zusatzbauteil 15 bedeckt die gesamte Fläche des Ventiltellers 21, welche in Richtung des Brennraums 10 gerichtet ist. Somit wird ein Wärmeleitwiderstand an der zum Brennraum gerichteten Seite des Ventiltellers 21 erhöht. Dadurch wird die Wärmebelastung des Ventiltellers 21 im Bereich des Dichtsitzes 4 reduziert. Am Ventilkörper 6 sind ähnlich wie in den Ausführungsbeispielen von Figur 5 und 8 Kühlrippen 71 vorgesehen. Da das Zusatzbauteil 15 wie die Kühlrippen 71 ebenfalls im Expansionsbereich des einzublasenden gasförmigen Brennstoffs liegt, ergibt sich auch ein Kühleffekt am Zusatzbauteil 15 sowie dem Ventilteller 21. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 10 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus Figur 10 ersichtlich ist, weist der Gasinjektor des sechsten Ausführungsbeispiels als Zusatzbauteil ein Abschirmelement 16 auf, welches an der zum Brennraum gerichteten Seite des Ventiltellers 21 fixiert ist. Die Fixierung des Abschirmelements 16 erfolgt mittels einer Schweißverbindung 17 am Ventilteller 21. Das Abschirmelement 16 schützt den Ventilteller 21 vor sehr hohen Temperaturen aus dem Brennraum 10. Am Ventilkörper 6 sind wie in den Ausführungsbeispielen der Figur 5, 8 und 9 Kühlrippen 71 am Ventilkörper 6 ausgebildet. Das Abschirmelement 16 ist pilzförmig mit einem flächigen Schirm, dessen Durchmesser dem maximalen Durchmesser des Ventiltellers 21 entspricht, und einem Fuß zur Verbindung mit dem Ventilteller 21 ausgebildet. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Figuren 11 und 12 zeigen einen Gasinjektor 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet. Wie aus Figur 11 ersichtlich ist, weist der Gasinjektor des siebten Ausführungsbeispiels ein Zusatzbauteil 18 mit einem offenen Hohlbereich 18a auf. Der Hohlbereich 18a ist an vier Seiten zum Brennraum 10 offen (vgl. Figur 12). Der Hohlbereich 18a weist somit die Form eines Kreuzes auf. Das Zusatzbauteil 18 mit Hohlbereich dient dabei ebenfalls zur Abschirmung des Ventiltellers 21 , um die Temperatur des Ventiltellers 21 im Betrieb zu reduzieren. Das Zusatzbauteil 18 überdeckt dabei vollständig die zum Brennraum gerichtete Fläche des Ventiltellers 21. Diese Maßnahme zur Temperatursenkung am Ventilteller 21 weist insbesondere den Vorteil auf, dass diese einfach und kostengünstig realisierbar ist. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 13 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus Figur 13 ersichtlich ist, weist der Gasinjektor 1 des achten Ausführungsbeispiels Kühlrippen 7 am Ventilteller 21 und Kühlrippen 71 am Ventilkörper 6 auf. Somit kann eine Temperaturreduzierung gleichzeitig sowohl am Ventilteller 21 als auch am Ventilkörper 6 durch das expandierende gasförmige Brenngas erfolgen. Somit wird ein besonders guter Temperaturschutz des Dichtsitzes 4 zwischen dem Ventilteller 21 und dem Ventilkörper 6 erreicht. Zusätzlich ist an der zum Brennraum 10 gerichteten Seite des Ventiltellers 21 noch eine Isolierschicht 9 vorgesehen. Die Isolierschicht 9 isoliert den Ventilteller 21 gegen die heißen Brenngase aus dem Brennraum 10.
Es sei angemerkt, dass bei allen voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine derartige Isolierschicht 9 am Ventilteller 21 oder dem Zusatzbauteil ebenfalls vorgesehen werden kann.
Somit kann beim achten Ausführungsbeispiel durch die zweifache Anordnung von Kühlrippen am Ventilteller 21 und am Ventilkörper 6 eine deutlich verbesserte Temperaturbeständigkeit der zum Brennraum gerichteten Bauteile des Gasinjektors erreicht werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass beliebige Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Merkmale möglich sind. Insbesondere kann eine Isolationsschicht immer am Ventilteller 21 und/oder am Ventilkörper 6 oder, falls vorhanden, an einem Zusatzbauteil vorgesehen sein, um eine Isolation gegenüber dem Brennraum zu ermöglichen. Ferner kann am Ventilteller 21 oder einem Zusatzbauteil in allen Ausführungsbeispielen auch ein Abschirmelement angeordnet werden. Das Abschirmelement kann hierbei auch einen Hohlbereich aufweisen, der abgeschlossen ist und mit Vakuum oder einem Gas gefüllt ist oder mit einem festen Material, insbesondere einem Sintermaterial, gefüllt ist. Kühlrippen können bei allen Ausführungsbeispielen entweder nur am Ventilteller 21 oder am Ventilkörper 6 oder an beiden Bauteilen vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1. Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend: ein Schließelement (2), welches eine Durchgangsöffnung (3) an einem Dichtsitz (4) eines Ventilkörpers (6) freigibt und verschließt, wobei das Schließelement (2) eine Ventilnadel (20) und einen Ventilteller (21) umfasst, einen Aktor (5) zur Betätigung des Schließelements (2), und eine Vielzahl von Kühlrippen (7; 71; 72), welche in Durchströmungsrichtung des Gasinjektors nach dem Dichtsitz (4) angeordnet sind.
2. Gasinjektor nach Anspruch 1 , wobei die Kühlrippen (7; 71; 72) am Ventilteller (21) und/oder am Ventilkörper (6) angeordnet sind.
3. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlrippen (72) an einem Zusatzbauteil (11) angeordnet sind, wobei das Zusatzbauteil (11) am Ventilkörper (6) und/oder am Ventilteller (21) angeordnet ist.
4. Gasinjektor nach Anspruch 3, wobei das Zusatzbauteil einen Kernbereich (11a) aufweist, welcher hohl ausgebildet ist und mit Vakuum oder einem Gas gefüllt ist oder welcher mit einem Einlegeteil aufgefüllt ist.
5. Gasinjektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Zusatzbauteil eine hohe Porosität aufweist und insbesondere ein Sinterbauteil ist.
6. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Ventilteller (21) und/oder am Ventilkörper (6) eine Isolationsschicht (9) angeordnet ist, welche zum Brennraum (10) gerichtet ist.
7. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Zusatzbauteil ein Abschirmelement (16) umfasst, welches an einer zum Brennraum (10) gerichteten Seite des Ventiltellers (21) angeordnet ist und den Ventilteller gegenüber Wärme aus dem Brennraum (10) abschirmt.
8. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Strahlformungskappe, welche am Ventilteller (21) angeordnet ist, um einen Einblasstrahl (B) in den Brennraum (10) zu formen.
9. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Schließelement ein nach außen öffnendes Schließelement ist.
10. Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlrippen parallel zu einer Mittelachse (X-X) des Gasinjektors verlaufen.
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