EP4698768A1 - Gasinjektor mit magnetaktor - Google Patents

Gasinjektor mit magnetaktor

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EP4698768A1
EP4698768A1 EP24712005.8A EP24712005A EP4698768A1 EP 4698768 A1 EP4698768 A1 EP 4698768A1 EP 24712005 A EP24712005 A EP 24712005A EP 4698768 A1 EP4698768 A1 EP 4698768A1
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EP
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gas injector
armature
sleeve
pole disk
gas
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EP24712005.8A
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Niki Hawa
Arthur Eberhart
Claus Minixhofer
Andreas STIMMEDER
Roland Mitter
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor (1), umfassend einen Magnetaktor (2), welcher eine Spule (21) und einen Anker (22) umfasst, ein Schließelement (3), welches mechanisch mit dem Anker (22) verbunden ist und eingerichtet ist eine Durchgangsöffnung (4) freizugeben und zu verschließen, ein Rückstellelement (5) welches das Schließelement (4) nach einem Öffnungsvorgang in einen geschlossenen Zustand zurückstellt, und eine umfangseitig geschlossene Hülse (6), welche eingerichtet ist das Schließelement (3) mit dem Anker (22) und dem Rückstellelement (5) im inneren aufzunehmen. Dabei ist die Spule (21) radial außerhalb der Hülse (6) angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Gasinjektor mit Magnetaktor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor und insbesondere einen Gasinjektor, welcher für eine Direkteinblasung eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von Kostenvorteilen und hoher Verfügbarkeit von gasförmigen Kraftstoffen werden derartige gasförmige Kraftstoffe in jüngster Zeit kontinuierlich beliebter. Das gasförmige Medium erschwert jedoch die Abdichtung des Gasinjektors nach außen. Insbesondere die Verwendung von sehr flüchtigem Wasserstoff erschwert die Abdichtung des Gasinjektors. Des Weiteren kann Wasserstoff in Metalle diffundieren, wodurch diese verspröden, was in einer vorzeitigen Materialermüdung resultieren kann. Gleichzeitig erfordern Gasinjektoren hochdynamische Aktoren, welche es ermöglichen präzise große Volumen des gasförmigen Mediums einzublasen. Dies verlangt hohe magnetische Kräfte, welche auf einen Anker wirken. Die Ansteuerung des Gasinjektors kann jedoch durch eine leckagesichere Abdichtung signifikant verschlechtert werden.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass er eine zuverlässige Abdichtung vom einzublasenden Gas zur Umgebung ermöglicht. Gleichzeitig ermöglicht der Gasinjektor weiterhin schnelle und starke Öffnungs- und Schließvorgänge. Dies wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass der Gasinjektor einen Magnetaktor umfasst, welcher eine Spule und einen Anker aufweist. Ferner umfasst der Gasinjektor ein Schließelement, welches mechanisch mit dem Anker verbunden ist und eingerichtet ist eine Durchgangsöffnung freizugeben und zu verschließen. Dabei hält ein Rückstellelement, welches insbesondere eine Feder ist, das Schließelement durch eine Rückstellkraft im geschlossenen Zustand. Die Spule erzeugt ein magnetisches Feld, welches eine magnetische Kraft auf den Anker ausübt. Durch diese magnetische Kraft kann der Anker die Rückstellkraft überwinden und das Schließelement öffnen, wodurch das Gas durch die Durchgangsöffnung eingeblasen werden kann. Des Weiteren weist der Gasinjektor eine umfangseitig geschlossene Hülse auf. Dabei sind im Inneren der Hülse wenigstens das Schließelement, der Anker und das Rückstellelement angeordnet. Die Spule des Magnetaktors ist außerhalb der Hülse angebracht. Somit kann durch die Hülse eine einfache und zuverlässige Abdichtung des Gasinjektors gegen austretendes Gas erfolgen. Gleichzeitig ermöglicht eine dünne Hülse eine dynamische Ansteuerung des Schließelements durch die Spule des Magnetaktors. Des Weiteren können durch die Hülse Teile des Gasinjektors, wie beispielsweise die Spule, vor Wasserstoffversprödung geschützt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise erstreckt sich die Hülse über die gesamte axiale Länge des Gasinjektors. Dabei bildet insbesondere das eine axiale Ende des Gasinjektors ein einblasseitiges Ende und das andere Ende des Gasinjektors ein anschlussseitiges Ende. Somit strömt das Gas entlang der gesamten Länge des Gasinjektors innerhalb der umfangseitig geschlossenen Hülse, womit ein seitliches Austreten des Gases effektiv verhindert wird.
Weiter bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine erste und eine zweite ringförmige Polscheibe mit jeweils L-förmigem Querschnitt. Die Polscheiben sind durch einen Zwischenbereich und mit einem Abstand A voneinander getrennt koaxial zueinander angeordnet. Die Anordnung resultiert in einem Querschnitt der beiden Polscheiben, welcher eine radial nach außen offene U-Form beschreibt. Dabei weist die U-Form eine Lücke mit dem Abstand A auf. Innerhalb des U- förmigen Querschnitts verlaufen die Windungen der Spule. Die Polscheiben sind eingerichtet das magnetische Feld, welches von der Spule erzeugt wird, zu leiten und in der Lücke zwischen der ersten Polscheibe und der zweiten Polscheibe zu fokussieren. Die Hülse kann eine geringe magnetische Permeabilität aufweisen und die Durchlässigkeit des magnetischen Felds abschwächen, so dass die Feldstärke, welche auf den Anker wirkt, abnimmt. Alternativ kann die Hülse beispielsweise auch aus einem ferromagnetischen Material mit sehr hoher magnetischer Permeabilität sein, so dass die Feldlinien am Anker vorbei umgeleitet werden und die Feldstärke am Anker reduzieren. Durch die Fokussierung der Feldlinien mit Hilfe der Polscheiben ist es jedoch mögliche das magnetische Feld so zu leiten, dass trotz einer abdichtenden Hülse zwischen Spule und Anker eine ausreichend große magnetische Kraft auf den Anker wirkt und dieser den Gasinjektor dynamisch öffnen und schließen kann. Vorzugsweise weisen die erste und zweite Polscheibe einen identischen Innendurchmesser auf, welcher einem Außendurchmesser der Hülse entspricht.
Das axiale Ende der ersten Polscheibe und/oder der zweiten Polscheibe weisen vorzugsweise eine nach außen gerichtete Fase auf. Die Fase fokussiert das magnetische Feld zusätzlich in Richtung des abgeflachten Endes der Polscheibe und den Anker. Somit ist die magnetische Feldstärke, welche auf den Anker wirkt, weiter erhöht, was in einer verbesserten Schaltdynamik des Gasinjektors resultiert.
Weiter bevorzugt ist ein axiales Ende des Ankers in einem offenen und/oder geschlossenem Zustand im Zwischenbereich, zwischen der ersten Polscheibe und der zweiten Polscheibe, angeordnet. Wenn das obere oder untere axiale Ende des Ankers in dem Zwischenbereich liegt, übt das durch die Spule erzeugte und die Polscheiben fokussierte magnetische Feld eine erhöhte axiale Kraft auf den Anker aus, als wenn kein axiales Ende zwischen den Polscheiben liegt. Somit resultiert die Anordnung eines axialen Endes des Ankers in einer verbesserten Dynamik des Schließelements.
Vorzugsweise weist der Gasinjektor einen axialen Anschlag auf, welcher insbesondere aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität gefertigt ist und eine axiale Verlängerung des Ankers bildet. Dabei liegt zwischen dem Anker im geschlossenen Zustand und dem axialen Anschlag ein Spalt vor, dessen Höhe den maximalen Öffnungshub H des Ankers definiert. Der Spalt bildet einen erhöhten magnetischen Widerstand. Das magnetische Feld der Spule erzeugt somit eine Reluktanzkraft auf den Anker in Richtung des axialen Anschlags.
Bevorzugt ist der axiale Abstand A zwischen der ersten Polscheibe und der zweiten Polscheibe größer als der maximale Öffnungshub H des Ankers. Somit kann sichergestellt werden, dass sich das axiale Ende des Ankers immer im Zwischenbereich zwischen den Polscheiben befindet und vom Aktor eine maximale Öffnungskraft auf das Schließelement ausgeübt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Hülse im Zwischenbereich eine erste Wandstärke W1 auf, welche dünner ist als eine zweite Wandstärke W2 auf axialer Höhe der ersten und/oder zweiten Polscheibe. Somit ist die Hülse im Zwischenbereich dünner als im umgebenden Bereich. Durch die Verschmälerung der Hülse im Zwischenbereich hat die Hülse einen reduzierten abschirmenden Einfluss auf die magnetischen Feldlinien, welche im Zwischenbereich durch die Polscheiben konzentriert sind. Somit kann durch die lokale Reduktion der Wandstärke die Feldstärke im Bereich des Ankers erhöht werden, was in schnelleren und stärkeren Öffnungs- und Schließvorgängen resultiert.
Weiter bevorzugt ist die Hülse aus einem metallischen Werkstoff. Metallische Werkstoffe weisen eine geringe Permeabilität gegenüber Gasen auf, wodurch eine Hülse aus Metall bei geringem Materialbedarf eine zuverlässige Abdichtung von Gas zur Umgebung sicherstellt. Ferner sind metallische Werkstoffe einfach in der Verarbeitung und weisen gute mechanische und thermische Eigenschaften auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Hülse aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff. Ferromagnetische Werkstoffe weisen eine hohe magnetische Permeabilität auf, wodurch das magnetische Feld entlang der Hülse umgeleitet wird. Durch die Fokussierung des magnetischen Felds mit Hilfe der Polscheiben ist trotz der Umleitung des magnetischen Felds ein ausreichend starkes Feld im Bereich des Aktors vorhanden, um diesen dynamisch zu betätigen.
Bevorzugt ist der Anker ein rotationssymmetrischer Körper mit einer Durchgangsöffnung. Die Durchgangsöffnung ermöglicht eine effiziente Gasführung durch den Gasinjektor und einen geringen Druckverlust, so dass in einer geringen Zeit ein hohes Einblasvolumen ermöglicht wird. Durch die rotationssymmetrische Form mit Durchgangsöffnung befindet sich mehr Material radial außerhalb der Rotationsachse, in der Nähe der Spule, so dass das von der Spule erzeugte magnetische Feld direkt auf den Anker wirken kann und eine höhere Kraft erzeugt.
Weiter bevorzugt ist der Gasinjektor eingerichtet Wasserstoff einzublasen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasbrennkraftmaschine mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Gasinjektor, welcher gasförmiges Medium direkt in einen Brennraum der Gasbrennkraftmaschine einbläst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden 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 bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 2 eine schematische, vergrößerte T eilschnittansicht des
Gasinjektors von Figur 1.
Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 eine umfangseitig geschlossene Hülse 6, welche sich von einem einblasseitigen Ende 61 bis zu einem anschlussseitigen Ende 62 über die gesamte Länge des Gasinjektors erstreckt. Die Hülse ist rotationssymmetrisch um die Achse X- X.
Der Gasinjektor wird mittels eines Magnetaktors 2 betätigt. Dabei umfasst der Magnetaktor 2 eine Spule 21 und einen Anker 22. Mit dem Anker 22 ist ein Schließelement 3 verbunden, welches eingerichtet ist eine Durchgangsöffnung 4 freizugeben und zu verschließen. Der Anker 22 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität. Das Schließelement 3 wird freigegeben, indem die Spule 21 bestromt wird und ein magnetisches Feld erzeugt. Das magnetische Feld wirkt eine magnetische Kraft auf den Anker 22 aus, welcher mit dem Schließelement 3 in eine axiale Bewegung versetzt wird und die Durchgangsöffnung 4 freigibt. Bei freigegebener Durchgangsöffnung 4 strömt das Gas vom anschlussseitigen Ende 62 an dem Anker 22 und Schließelement 3 vorbei durch die Durchgangsöffnung 4 und in einen Brennraum 8.
Ein Rückstellelement 5 hält das Schließelement 3 in dem in Figur 1 gezeigten geschlossenen Zustand und stellt das Schließelement 3 nach einem Öffnungsvorgang wieder in den geschlossenen Zustand zurück.
Der Anker 22, das Schließelement 3 und das Rückstellelement 5 sind innerhalb der Hülse 6 angeordnet und werden von dem einzublasenden Gas umströmt. Außerhalb der Hülse 6 und damit vor dem Gas geschützt, ist die Spule 21 des Magnetaktors 2 angeordnet. Die Spule 21 ist dabei um die Hülse 6 gewickelt.
Der Anker 22 ist ein rotationssymmetrisches Bauteil mit einer Durchgangsöffnung, welches koaxial zur Hülse 6 in dieser angeordnet ist. Dabei entspricht der Außendurchmesser des Ankers 22 etwa dem Innendurchmesser der Hülse 6, wobei zwischen der Hülse 6 und dem Anker 22 eine Spielpassung vorliegt, so dass sich der Anker 22 möglichst ohne Widerstand innerhalb der Hülse 6 bewegen kann. In Richtung des ausblasseitigen Endes 61 verjüngt sich der Anker 22 und weist Löcher auf, so dass das Gas sowohl innerhalb des Ankers, als auch außerhalb des Ankers zum Schließelement strömen kann.
Zwischen der Spule 21 und der Hülse 6 ist eine erste Polscheibe 7a und eine zweite Polscheibe 7b angeordnet. Die erste Polscheibe 7a ist in Richtung des anschlussseitigen Endes 62 angeordnet und die zweite Polscheibe 7b in Richtung des einblasseitigen Endes 62. Dabei entspricht der Innendurchmesser der ersten Polscheibe 7a und der zweiten Polscheibe 7b dem Außendurchmesser der Hülse 6 im Überlappungsbereich.
Die Polscheiben 7a; 7b sind ringförmig um die Hülse 6 angeordnet und weisen jeweils einen L-förmigen Querschnitt auf. Dabei ist eine Seite parallel und die andere Seite senkrecht zur Hülse 6 angeordnet. Die Seiten der ersten und zweiten Polscheibe 7a; 7b, welche parallel zur Hülse 6 angeordnet sind, bilden an ihren Enden ein axiales Ende 73. Die axialen Enden 73 der ersten Polscheibe 7a und der zweiten Polscheibe 7b sind zueinander angeordnet. Ein Zwischenbereich 71 befindet sich zwischen der ersten Polscheibe 7a und der zweiten polscheibe 7b. Der Zwischenbereich 71 trennt die Polscheiben 7a; 7b mit einem konstanten Abstand A voneinander.
Figur 2 zeigt eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht des Gasinjektors 1 aus Figur 1. Die Teilschnittansicht zeigt den Zwischenbereich 71 mit Hülse 6, Anker 22, Rückstellelement 5, erster Polscheibe 7a, zweiter Polscheibe 7b und Spule 21.
Die erste Polscheibe 7a und die zweite Polscheibe 7b weisen an ihren axialen Enden 73 eine Fase 71 auf, welche radial nach außen gerichtet ist. Die Polscheiben sind vorzugsweise aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, wie beispielsweise Eisenlegierungen. Die Polscheiben 7a; 7b bündeln die Feldlinien des durch die Spule 21 erzeugten magnetischen Felds und fokussieren es zwischen den axialen Enden 73 im Zwischenbereich 72.
Zwischen den axialen Enden 73 der Polscheiben 7a; 7b weist die Hülse 6 eine reduzierte erste Wandstärke W1 im Vergleich zu einer dickeren zweiten Wandstärke W2 auf axialer Höhe der ersten und zweiten Polscheibe 7a; 7b auf. Die reduzierte erste Wandstärke W1 verbessert die Durchlässigkeit der Hülse 6 für das magnetische Feld, so dass im Bereich des Ankers 22 eine möglichst hohe magnetische Feldstärke vorliegt.
Figur 2 zeigt den Anker 22 des Gasinjektors 1 im geschlossenen Zustand. Der Anker 22 weist einen maximalen Öffnungshub H auf, welcher durch einen axialen Anschlag 9 begrenzt ist. Der axiale Anschlag 9 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität. Das anschlussseitige axiale Ende des Ankers 22 befindet sich im offenen, wie auch im geschlossenen Zustand, zwischen den axialen Enden 73 der Polscheiben 7a; 7b. Das magnetische Feld, welches von der Spule 21 erzeugt wird, fließt durch die zweite Polscheibe 7b, anschließend durch die Hülse 6 und den Anker 22. Anschließend überbrückt das magnetische Feld einen Spalt 10 zwischen Anker 22 und axialem Anschlag 9, um danach vom axialen Anschlag 9 durch die Hülse 6 zur ersten Polscheibe 7a zu fließen. Alternativ kann das magnetische Feld auch in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet sein.
Der magnetische Widerstand durch den Spalt 10 resultiert in einer Reluktanzkraft auf den Anker 22 in Richtung des axialen Anschlags 9, so dass der Spalt 10 geschlossen wird und sich der magnetische Widerstand verringert.
Durch die hohe Feldstärke des magnetischen Felds zwischen den Polscheiben 7a; 7b und die reduzierte erste Wandstärke W1 , ist es möglich eine Hülse 6 aus einem metallischen oder ferromagnetischen Material zu verwenden, welche die Durchlässigkeit des magnetischen Felds in den Innenraum der Hülse 6 deutlich verringern, da die magnetische Feldstärke immer noch groß genug ist den Anker 22 mit Schließelement 3 dynamisch zu betätigen.

Claims

Ansprüche
1. Gasinjektor (1), umfassend: einen Magnetaktor (2), welcher eine Spule (21) und einen Anker (22) umfasst, ein Schließelement (3), welches mechanisch mit dem Anker (22) verbunden ist und eingerichtet ist eine Durchgangsöffnung (4) freizugeben und zu verschließen, ein Rückstellelement (5) welches das Schließelement (4) nach einem Öffnungsvorgang in einen geschlossenen Zustand zurückstellt, und eine umfangseitig geschlossene Hülse (6), welche eingerichtet ist das Schließelement (3) mit dem Anker (22) und dem Rückstellelement (5) im inneren aufzunehmen,
- wobei die Spule (21) radial außerhalb der Hülse (6) angeordnet ist.
2. Gasinjektor (1) nach Anspruch 1, wobei sich die Hülse (6) über die gesamte axiale Länge des Gasinjektors (1) erstreckt.
3. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gasinjektor (1) eine erste ringförmige Polscheibe (7a) und eine zweite ringförmige Polscheibe (7b) mit jeweils L-förmigem Querschnitt aufweist, welche durch einen Zwischenbereich (72) getrennt, mit einem Abstand (A) koaxial zueinander angeordnet sind, so dass die zwei Polscheiben (7a; 7b) eine radial nach außen offene U-Form beschreiben.
4. Gasinjektor (1) nach Anspruch 3, wobei das axiale Ende (73) der ersten Polscheibe (7a) und/oder der zweiten Polscheibe (7b) eine radial nach außen gerichtete Fase (71) aufweist.
5. Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei ein axiales Ende des Ankers (22) in einem offenen und/oder geschlossenem Zustand im Zwischenbereich (72), zwischen der ersten Polscheibe (7a) und der zweiten Polscheibe (7b), angeordnet ist.
6. Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der axiale Abstand (A) zwischen der ersten Polscheibe (7a) und der zweiten Polscheibe (7b) größer ist als der maximale Öffnungshub (H) des Ankers (22).
7. Gasinjektor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Hülse (6) im Zwischenbereich (72) eine erste Wandstärke (W1) aufweist, welche dünner ist als eine zweite Wandstärke (W2) auf axialer Höhe der ersten und/oder zweiten Polscheibe (7a; 7b).
8. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hülse (6) aus einem metallischen Werksstoff hergestellt ist.
9. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hülse (6) ferromagnetisch ist.
10. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Anker (22) ein rotationssymmetrischer Körper mit einer Durchgangsöffnung entlang der Rotationsachse (X - X) ist.
11. Gasinjektor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gasinjektor (1) eingerichtet ist Wasserstoff einzublasen.
12. Gasbrennkraftmaschine, umfassend einen Gasinjektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasinjektor (1) direkt in einen Brennraum (8) der Gasbrennkraftmaschine einbläst.
EP24712005.8A 2023-04-20 2024-03-13 Gasinjektor mit magnetaktor Pending EP4698768A1 (de)

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