WO2021180849A1 - High pressure valve for delivering gaseous fuel to an internal combustion engine, and internal combustion engine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an internal combustion engine for gas operation, in particular what hydrogen operation, and a high pressure valve for introducing gaseous fuel into such an internal combustion engine.
- Gaseous fuels have different energy densities and volumes from liquid fuels.
- a problem with the use of hydrogen or gaseous fuels is that, on the one hand, a relatively large amount of fuel with a significantly larger volume than liquid fuels has to be introduced into the combustion chamber of an internal combustion engine in a relatively short time, and, on the other hand, also the introduction must be implemented very precisely in terms of time and with regard to the metering of the amount of fuel introduced into the combustion chamber. This is necessary so that internal combustion engines used with natural gas or hydrogen or with other gaseous fuels do not have excessive consumption and minimal pollutant emissions. For this purpose, it is necessary that the gas quantities dosed as precisely as possible per injection process and at a defined point in time of the injection process that is coordinated with optimized combustion in the cylinder.
- gaseous fuels in particular hydrogen
- this fuel is introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine in the end area of the inlet line, preferably immediately before the inlet area of the inlet line.
- gaseous fuel is blown directly into the combustion chamber with the appropriately developed, optimized and suitable for gaseous fuels injectors, which is also referred to as “injected”.
- the blowing in or injection of gaseous fuels is implemented in such a way that all of the fuel required for a combustion cycle is introduced in one blow-in process or in several blow-in processes per combustion cycle.
- the gas injectors or injection valves are precisely and reliably sealed off from the combustion chamber into which the gas, preferably hydrogen, is introduced, so that reignition in the area in front of the combustion chamber is avoided.
- EP 3 225 827 A1 according to which the valve element of the gas valve for supplying the gaseous fuel is actuated by means of a magnetic actuator and in which two Sealing areas are provided
- DE 102004 049 589 A1 which describes a hydrogen engine with an optimized fuel injection device, by means of which hydrogen flows into the inlet channel via a hydrogen channel and is introduced from there into the combustion chamber of the hydrogen engine
- DE 3904480 A1 in which gaseous fuel , for example hydrogen, is introduced into an intake manifold of an internal combustion engine intermittently, the valve member being electrically actuatable.
- injector a gaseous fuel at high pressure via a fuel line by means of the main part of the fuel injector bil Denden nozzle is introduced directly into the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a needle controlled with respect to its movement
- DE 102009 012688 B3 according to which a valve for injecting gas into the combustion chamber of an internal combustion engine is introduced at high pressure, with a closing element and an actuator being driven by means of a magnetic coil and movably arranged in the housing
- EP 3267028 A1 in which an injection valve for injecting high-pressure natural gas using a controlled needle into the combustion chamber of a Internal combustion engine can be introduced, with two valve seats to ensure the appropriate tightness.
- EP 3 153701 A1, DE 102017218267 A1 and DE 10353011 A1 also describe a valve for controlling a gas to be introduced into the combustion chamber of an internal combustion engine, the need for a reliable seal being pointed out in these prior art documents.
- EP 3 153693 A1 a high-pressure valve for gaseous fuel is described, which ensures a corresponding tightness with respectively arranged bellows devices.
- DE 102014224343 A1 describes a reliable sealing and protection of a sealing seat by means of an additional thermal protection device, in DE 102014224339 A1 it is described that a shielding element and a cooling ring are used to reduce the temperature load on the sealing areas.
- DE 102014224344 A1 describes a gas injector for direct injection of a gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine for better and more uniform distribution of the gaseous fuel in the combustion chamber with an additional control element to inject the gas jet according to the geometry of the combustion chamber for better mixture formation and combustion to shape.
- DE 102014205454 A1 describes a gas injector for injecting gaseous fuels, in which a double valve needle is provided, an outer needle being designed as a hollow needle and an inner needle being arranged in a hollow area of the outer needle.
- injectors or gas or hydrogen injection valves for internal combustion engines have been adapted to different operating conditions, but usually only based on one or a maximum of two defined operating conditions that are to be covered with the respective design.
- the gas, preferably hydrogen-powered internal combustion engine according to the invention has, in a manner known per se, a cylinder in which a combustion chamber is formed and a piston is guided therein.
- the internal combustion engine has a high-pressure valve which has control edges or a cone-shaped control valve piston guided in a housing.
- hydrogen is fed directly into the combustion chamber or indirectly via an inlet line of the combustion
- the engine is blown or injected into the combustion chamber shortly before an inlet valve.
- injection is used here for the introduction of a gaseous fuel into the cylinder.
- the control valve piston of the high-pressure valve which is also designed according to the invention, is electromagnetically actuated and, among other things, realizes short control times and high switching frequencies, so that the inlet cross sections of the injection device for the hydrogen into the combustion chamber are quickly released in accordance with an optimized mixture formation and combustion in the combustion chamber.
- the control valve piston is sealed in the housing in at least two stages and is elastomer-free in such a way that a backflow of a principally possible small amount of combustion gas, in particular hydrogen on contact with oxygen, does not allow backfire to occur. This means that the high-pressure valve has a high and reliable sealing effect both towards the combustion chamber and towards the damping cushion.
- the seal is designed in such a way that, if at all, only such small amounts of hydrogen flow back that when these small amounts of hydrogen come into contact with oxygen, no backfires occur, which can also be referred to as explosions.
- the gaseous fuel is stored in the form of hydrogen in filled hydrogen bottles at approx. 350 bar.
- This supply pressure of course does not correspond to the injection pressure for liquid fuels, as it is nowadays implemented with common rail systems, for example, and how it is used, in particular for internal mixture formation.
- the feed pressure must be queried by means of sensors upstream of the valve or the injection nozzle or the injection valve in the cylinder and, on the basis of this pressure information, or depending on the opening time or the opening path of the feed of gaseous fuel, in particular hydrogen , be managed.
- the pressure range for the gaseous fuel can be between 20 and 350 bar.
- the internal combustion engine preferably has an injector for fine metering of combustion gas or hydrogen into the combustion chamber.
- an injector for fine metering of combustion gas or hydrogen into the combustion chamber With such a preferred design of the internal combustion engine, two introduction organs for combustion gas or hydrogen are present in the combustion chamber.
- the high pressure valve is primarily used for the introduction of larger quantities of gas shaped fuel or hydrogen is provided in the cylinder, whereas the injector enables the fine metering of smaller amounts of gaseous fuel or hydrogen into the combustion chamber at defined and very short times or time intervals.
- the injector is preferably designed in such a way that an intermittent or multi-stage supply of the hydrogen can be carried out directly into the combustion chamber.
- Intermittent supply should be understood to mean that the introduction of hydrogen in a discontinuous manner, i.e. with precisely defined and controllable intervals, is possible so that a direct improvement or optimization of the combustion in the combustion chamber can be achieved through the fine metering.
- the high-pressure inlet valve is preferably designed to inject larger amounts of hydrogen, for example, than the injector which introduces smaller amounts of hydrogen into the combustion chamber to optimize combustion.
- larger amounts mean a multiple of the smaller amounts of gaseous fuel injected with the injector.
- control valve piston in particular its control valve piston is designed to be hollow, the wall thickness and shape being designed with a high degree of rigidity so that the lightweight construction is implemented by reducing the weight of the control valve piston in particular, without the required strength of the components suffering.
- the high-pressure valve and injector being made from steel, it can therefore preferably be provided that the high-pressure valve and / or the injector are made from ceramic or from a ceramic-coated light metal.
- the moving parts in the high-pressure valve and in the injector can be made hollow and ceramic-coated in terms of lightweight construction.
- the high-pressure valve can preferably have other metal alloys. This ensures that the parts moving in the high-pressure valve and in the injector have a corresponding strength and rigidity, but are nevertheless weight-reduced and therefore mass-reduced due to the significantly lower density of light metal alloys compared to a steel alloy.
- control valve piston of the high pressure valve is provided in its housing with a guide piston on which the control edges are are formed which interact with a hydrogen supply line.
- the control edges open the times of the supply of gaseous fuel, in particular hydrogen, and the size of the supply cross-sections and thus the amount of gaseous fuel that is introduced into the cylinder, but on the other hand also close the supply cross-sections at defined times after the desired Amount of gaseous fuel injected.
- blow-in bores arranged in a ring are formed on a surface of the high-pressure valve that faces the combustion chamber and are arranged concentrically in the axial direction in the high-pressure valve.
- the essentially flat rim surface of the high-pressure valve in this ring-shaped rim surface has injection bores arranged on an imaginary circular line.
- These injection bores are arranged concentrically in the axial direction in the outer rim of the high-pressure valve.
- the concentrically arranged injection holes therefore make it possible to introduce a relatively large gaseous amount of fuel into the cylinder in short time units.
- the high-pressure valve of the internal combustion engine furthermore preferably has a gaseous damping pad, into which the control valve piston in the housing in the area of its end positions for stop avoidance or for stop damping is immersed. This prevents the control valve piston in its end position from hitting corresponding mating surfaces in the housing with its corresponding piston surface.
- the existing cushioning pad is accordingly included in the control concept so that the slight delay in the movement of the control valve piston in the end positions does not have a disadvantageous effect on the introduction of gaseous fuel, in particular hydrogen in the combustion chamber.
- the internal combustion engine according to the invention for gaseous fuels, in particular hydrogen has a high-pressure valve preferably standing in the cylinder head with respect to the axial alignment of the combustion chamber, with injection lines for the hydrogen arranged radially in the housing from the control valve piston by means of its control edges Injection cross-sections or injection cross-sections can be released or closed at one piston position.
- the upright arrangement of the high-pressure valve has the advantage that the space available in the cylinder head, which is limited anyway, for the arrangement of an additional additional, in addition to the inlet and outlet valves, which are already arranged in the cylinder head, can be accommodated in terms of space.
- a high pressure valve for an internal combustion engine has the following: a) a housing; b) a control valve piston guided in the housing with cylindrical piston sides surface-delimiting control edges which cooperate with guide surfaces formed in the housing, or with a conical shape cooperating with a conical seat in the housing; c) by means of the guide surfaces and the control edges or the conical shape and the conical seat surface with a corresponding axial movement of the control valve piston, releasable or reclosable outflow cross-sections; d) an electromagnetic actuation for the control valve piston realizing high switching frequencies; e) at least two stages in the housing for sealing the control valve piston in the hous se provided elastomer-free sealing areas; f) such a sealing design of the sealing areas provided that at most only such small amounts of hydrogen backflow are allowed through that no backfires occur; and g) the weight-reducing lightweight design, a movable element of the high-pressure valve representing control piston.
- the elements defining the high pressure valve according to the invention form a high pressure valve which is designed for gaseous fuels, in particular for hydrogen, and with the synergy existing between the individual features for the first time a high pressure valve is provided which meets the requirements for operating an internal combustion engine with hydrogen fully and not only selectively for individual requirements, as has only been the case in the prior art so far.
- FIG. 1 a first embodiment of a high pressure inlet valve according to the invention in the closed position with poppet valve
- FIG. 2 a high pressure inlet valve according to FIG. 1 in the passage position
- FIG. 2a a control valve piston of the high pressure inlet valve in lightweight construction
- FIG. 3 a sectional view through the housing and shaft of the control valve piston according to a further exemplary embodiment
- FIG. 4 a further embodiment of the high-pressure inlet valve according to the invention with a control valve piston with two cylindrical guide pistons which are guided in guide surfaces inside the valve housing, a plurality of axial injection bores being provided like a ring for introducing the gaseous fuel into the combustion chamber;
- FIG. 5 the high pressure inlet valve according to FIG. 4, but in the passage position for supplying gaseous fuel through the high pressure inlet valve into a combustion chamber of an internal combustion engine;
- FIG. 6 an exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5, but with injection bores which, in relation to the longitudinal axis of the control valve piston, have a diverging direction;
- FIG. 7 an exemplary embodiment according to FIG. 6, but with injection bores which, based on the longitudinal axis of the control valve piston, have a converging direction;
- FIG. 8 a further exemplary embodiment of a high-pressure inlet valve in the closed position according to the invention with inlet and outlet for gaseous fuel in planes arranged offset to one another;
- FIG. 9 the exemplary embodiment of the high-pressure inlet valve according to the invention according to FIG. 8, but in the passage position;
- FIG. 10 a detailed sectional view of the arrangement of the high pressure inlet valve according to the invention in the cylinder head of an internal combustion engine in the passage position for introducing gaseous fuel into the inlet line;
- FIG. 11 a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in high-pressure inlet valve according to the invention in the passage position;
- FIG. 12a a high-pressure inlet valve according to the invention with a poppet valve as the first pressure application area and with a cylindrical guide piston with an annular surface as the second pressure application area and with an additional piston for opening and closing the valve;
- FIG. 12b the high-pressure inlet valve according to FIG. 12a, but in the open position for gaseous fuel to enter the cylinder through the interior of the additional piston and the poppet valve seat area;
- FIG. 12c a sectional view through the shaft of the control valve piston of the high pressure inlet valve according to the invention with a view of the additional piston in section AA (cf. FIG. 12b);
- FIG. 13 a high-pressure inlet valve according to a second exemplary embodiment, in which the second pressure application area in the form of a cylindrical guide piston is dimensioned larger with respect to the effective annular area than the effective annular area of the first pressure application area in the form of a poppet valve;
- FIG. 14 a high-pressure inlet valve for the method according to the invention in a sectional illustration in the closed state
- FIG. 15 the high pressure inlet valve according to FIG. 14 in the open state
- FIG. 16 a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in high-pressure inlet valve according to the invention in the open position and with the injector in the closed position, each with a direct inlet into the combustion chamber of the cylinder;
- FIG. 17 a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with built-in injector according to the invention in its closed position in a sectional plane to show the inlet valve, but not the high-pressure inlet valve;
- FIG. 18 a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in injector according to the invention and a corresponding sectional plane, not shown high pressure inlet valve, but provided injection nozzle for dual fuel operation of the internal combustion engine.
- a high pressure inlet valve 4 according to the invention is shown in cross section.
- the valve has a housing 6 within which a control valve piston 5 is guided.
- the control valve piston 5 has an area designed as a cylindrical guide piston 5.3, which is slidably guided in the housing 6 on a guide surface 16 designed to be congruent in shape to the cylindrical guide piston 5.3.
- the cylindrical guide piston 5.3 of the control valve piston 5 is larger in diameter than a shaft 5.4, which extends downward from the cylindrical guide piston 5.3 in the direction of an inlet opening in the form of a hydrogen inlet 20 in the direction of a combustion chamber 1, not shown in FIG for example Figure 11) extends.
- FIG. 1 shows the closed position 4.1 of the high pressure inlet valve 4.
- the outflow cross section 18 closes a closing plate 5.5 in the manner of a poppet valve with a conical seat 17 formed in the housing 6 (see Figure 2) and thereby prevents the passage of hydrogen , the hydrogen inlet 20 of which is provided on the left side through an inlet opening.
- the hydrogen itself is indicated by the arrow pointing horizontally to the right.
- the control valve piston 5 is immersed with its upper annular surface 25, which is aligned in the direction of the spring insert, into a chamber 23 which is connected to the outside via a vent hole 24.
- the control valve piston 5 with its upper annular surface 25 of the cylindrical guide piston 5.3 is immersed, uncompressed air is expelled from the chamber 23 provided there (see FIG. 2) via the vent hole 24.
- An essential criterion for the functioning of the high pressure inlet valve 4 according to the invention is that the annular surface 25 facing the passage channel forms a second pressure application area 26 and the closing plate 5.5 of the poppet valve, which faces the passage area 28 for the hydrogen, forms a first pressure application area 27.
- the first pressurization area 27 forms a projected area which is perpendicular to the longitudinal axis of the control valve piston 5, and has a size which is approximately equal to the projected area of the Ringflä surface 25 on the cylindrical guide piston 5.3 of the control valve 5, ie almost the same or equal to projected area of the second pressurizing area 26 is.
- the shaft 5.4 of the control valve piston 5 of the high pressure inlet valve 4 has a control valve piston with a cavity, ie has a hollow shaft (see FIG. 2a).
- the axially extending bore provided in the shaft of the control valve piston 5 is not shown in FIG. 2 and in FIG.
- the cavity in the interior of the shaft 5.4 of the control valve piston 5 extends essentially over the greatest possible length of the shaft 5.4.
- very short reaction times and thus high switching frequencies can be realized due to the reduced weight of the control valve piston 5, which are necessary for hydrogen operation in particular.
- a ceramic coating is provided in the lower end of the control valve piston 5 facing the combustion chamber, especially in the first pressure application area 27. For reasons of further weight savings, it is also possible for the entire control valve piston 5 to consist of ceramic.
- FIG. 2 shows the high-pressure inlet valve 4 in which the control valve piston 5 is, however, in the passage position 4.2, which is indicated by the arrow in the outflow cross-section 18.
- the passage area 28 is cleared for the hydrogen, so that the hydrogen flows through between the sealing seat 17 and closing plate 5.5 at high pressure and also at a high flow rate and reaches the combustion chamber 1 (not shown) of the internal combustion engine.
- This chamber 23 is provided with a vent hole 24 so that when closing takes place the cylindrical guide piston 5.3 dips with its upper annular surface into this chamber 23 and presses the uncompressed air there located via the vent hole 24 to the outside.
- the diameter of this vent hole 24 is now selected so that no throttling effects worth mentioning occur, so that when the cylindrical guide piston 5.3 is immersed into the chamber 23 (when the valve is closed) there is no high resistance forming pressure cushion, but only a certain damping cushion.
- control valve piston 5 is designed to be hollow to reduce weight and has a cavity 44 in the interior of the shaft and the plate.
- the guide piston 5.3 is in each case with its end faces 25, 26 Weight-reducing recesses 43 provided. Through these recesses 43 it is possible that the longitudinal extension of the guide piston 5.3 can be made relatively long even with greatly reduced mass, which results in an improved sealing effect between the piston side surface 15 and the guide surface 16 (see, for example, FIG. 1) .
- FIG. 3 shows a sectional view through a sectional plane through the valve parallel to the valve plate plane, which shows guide webs 29 extending radially from the shaft 5.4 between the shaft 5.4 and the housing 6.
- guide webs 29 ensure additional stability for an exact axial and additionally a radial guidance of the control valve piston 5 in the housing 6, which is important for a reliable sealing of the cylindrical piston side surfaces 15 of the cylindrical guide piston 5.3 on the likewise cylindrical, appropriately designed, precisely fitting guide surfaces 16 in the hous se 6. Via this exact design of these two surfaces 15, 16 sliding relative to one another, the tightness of the valve inside is ensured or further improved.
- FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention, in which the control valve piston 5 has two cylindrically designed guide pistons 5.3, which are guided in corresponding guide surfaces 16 of congruent shape.
- the control valve piston 5 has two cylindrically designed guide pistons 5.3, which are guided in corresponding guide surfaces 16 of congruent shape.
- three cylindrical guide surfaces 16 of congruent shape are provided in the interior of the housing 6.
- FIG. 5 shows the closed position 4.1 of the control valve piston 5 within the housing 6.
- the axial length of the larger cylindrical guide piston 5.3 which is shown in the lower part of the high-pressure inlet valve 4 shown, is provided for opening and closing the actual axial hydrogen injection bore 13.
- a chamber 23 is formed, into which the lower cylindrical guide piston 5.3 dips to release the axial injection bores 13. Since no counterpressure is formed in the air present in the chamber 23, a vent hole 24 is provided in the interior along the longitudinal axis of the control valve piston 5 and ra- dial provided in the housing 6. With appropriate dimensioning of the vent hole 24, throttling can largely be avoided, but it can still be ensured that a certain damping function is built up. The damping function prevents hard hitting of the upper side, in the case of the illustration according to FIG. 4, of the upper cylindrical guide piston 5.3 in the interior of the housing 6 on the bottom of the chamber 23.
- the annular surfaces 25 facing the passage area 28, ie first and second pressure application areas 27, 26 of the cylindrical guide piston 5.3 of the control valve piston 5, are dimensioned so that they are of the same size. This ensures that regardless of the pressure at which the hydrogen enters the passage area 28 inside the housing 6 of the high-pressure inlet valve 4, no additional resulting axial forces are caused.
- the high-pressure inlet valve 4 can only be opened with a corresponding drive, for example a cam or camshaft or an electromagnetic actuator 9, against the action of the spring 22 and closed using the spring 22.
- FIG. 5 shows how this opening force F N, applied by a cam or an electromagnetic actuator, dips the control valve piston 5 into the chamber 23, so that the radially directed feed areas leading to the axial injection bores 13 are opened in the manner of an annular chamber and the Hydrogen can be introduced from the outflow cross-section 18 into the cylinder or combustion chamber 1 of the internal combustion engine.
- the chamber 23 is formed on the upper cylindrical guide piston 5.3 for guiding the control valve piston 5 in the housing 6 on the corresponding guide surface 16.
- This chamber 23 is also connected to a vent hole 24 so that the air in the chamber 23 can escape via the vent hole 24 when the closing movement is carried out by the control valve 5, ie when moving upward in the drawing.
- the axial injection bores 13 are preferably arranged equidistantly; however, an irregular arrangement can also be provided, in particular if the air flow into the combustion chamber 1 is intended to be used to improve the mixture formation.
- FIG. 6 shows a detailed sectional view of the area of the axial injection bores 13, ie the lower area of the high pressure inlet valve 4, in which, in contrast to the embodiment according to FIG. 4 and FIG. 5, the injection bores 13 are arranged diverging with respect to the longitudinal axis of the control valve piston 5.
- the other geometrical conditions correspond to those of FIGS. 4 and 5.
- an embodiment in the form of a detailed area according to Figure 6 is Darge, but the injection bores 13, relative to the longitudinal axis of the control valve piston 5, are arranged converging.
- both divering and converging injection bores 13 are provided.
- FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a high-pressure inlet valve 4 according to the invention, the basic structure of which with regard to housing 6 and spring insert corresponds to the previous exemplary embodiments, so that these parts are not described again here.
- the high-pressure inlet valve 4 shown is in its closed position 4.1 of the control valve piston 5.
- the difference to the previous exemplary embodiments is that the hydrogen inlet line and the outflow cross-section 18 are arranged in different planes with respect to the longitudinal axis of the housing 6 of the high-pressure inlet valve 4. In this case, the hydrogen is present under high pressure on the hydrogen inlet line 20, coming from a high-pressure line (not shown).
- the lower cylindrical guide piston 5.3 covers this passage area 28 so that no hydrogen can get into the passage area 28 and finally into the combustion chamber 1 (see FIG. 10) of the cylinder. Facing the passage area 28 are two ring surfaces 25 which are of the same size, so that no resulting axial forces are present regardless of the pressure of the supplied hydrogen. A displacement of the control valve piston 5 can therefore only be applied against the force of the spring 22. Below the front of the large cylindrical guide piston 5.3 there is again the chamber 23, so that when the control valve piston 5 is moved, it plunges into the chamber 23 and thus ultimately the passage position 4.2 of the control valve piston 5 shown in FIG. 9 is reached when the opening stroke 21 is executed .
- the hydrogen can flow via the hydrogen inlet line 20 from the lower level to the upper level of the recess of the passage area 28 into the housing 6 and finally to the outflow cross-section 18, from where the hydrogen flows directly into the combustion chamber 1 of the internal combustion engine (not shown) or can flow indirectly via an inlet line into the combustion chamber 1.
- the lower, larger cylindrical guide piston 5.3 is guided into the chamber 23 on guide surfaces 16 of congruent shape.
- this cylindrical guide piston 5.3 is then guided in the lower area and in the intermediate area on corresponding guide surfaces 16, the intermediate area being between the lower level on the hydrogen inlet line 20 and the passage step area 28 is arranged in the upper level on the outflow cross-section 18.
- the smaller cylindrical guide piston 5.3, the upper one, which is arranged in the direction of the spring insert, is slidably guided on a third guide section 16.
- FIG. 8 shows the high pressure inlet valve 4 in its closed position 4.1
- its passage position 4.2 is shown in FIG.
- FIG. 10 shows an exemplary embodiment of how a high-pressure inlet valve 4 according to the invention can be arranged in the cylinder head 30 of an internal combustion engine in its inlet line 7.
- the high-pressure inlet valve 4 is driven by means of a cam, not shown, which preferably belongs to a camshaft, but can of course also be driven by an electromagnetic actuator so that in the case of a camshaft drive, the spring 22 present in the spring insert can be compressed when the cam engages .
- the compression of the spring 22 and thus the opening of the high-pressure inlet valve are likewise achieved by an electromagnetic actuator 9.
- the hydrogen which is guided via the high-pressure line 32 to the hydrogen inlet line 20 and from there via the illustrated passage position 4.2 through the high-pressure inlet valve 4 in its passage area 28 to the outflow cross-section 18, arrives via the inlet line 7 and the Inlet valve 8 with high pressure into the combustion chamber 1.
- This is indicated by the arrows, which characterize the hydrogen flow of the hydrogen under high pressure and also the combustion air.
- an outlet valve 33 is shown, which is in the closed state so that the gaseous fuel cannot escape into the exhaust line.
- a piston 2 is shown, which is connected to a crankshaft, not shown, by means of a piston pin 34 and a connecting rod 35.
- the high-pressure inlet valve 4 can now preferably be controlled in such a way that basically at almost any position during the movement of the piston 2 from bottom dead center to top dead center, individual amounts of hydrogen are specifically targeted in connection with the control of the inlet line valve 46 in the Zy can be filled linder.
- FIG. 11 shows a cylinder 3 with a cylinder head 30 according to FIG. 10, but with both a high-pressure inlet valve 4 and an injector 10.
- the high-pressure inlet valve 4 is arranged in the cylinder head 30 in its passage position 4.2 so that hydrogen flows directly into the cylinder 3 can be blown in together with the combustion air from the inlet line 7 via the outflow cross-section 18 in relatively large quantities.
- the piston 2 in the cylinder 3 is connected to a crankshaft (not shown) by means of its connecting rod 35 and via the piston pin 34.
- FIG. 12a a further embodiment of the high pressure inlet valve 4 is shown according to the invention.
- this high pressure inlet valve 4 is shown in the open position.
- the closed position of the high-pressure inlet valve 4 shown in FIG. 12a is reached in the position of the control valve piston 5, in which the hydrogen inlet line 20 closes off inside the housing 6, and when it opens, hydrogen is supplied under high pressure, namely in a valve seat sealingly seated and there with the supply of hydrogen in the combustion chamber 1 also sealingly arranged Ven tilteller or closing plate 5.5 of a poppet valve.
- the closing plate 5.5 of the poppet valve goes in the usual way for such valves, which are used in the cylinder head 30 of internal combustion engines, continuously in the shaft 5.4.
- the control valve piston 5 has in the area of the shaft 5.4 located in the housing 6 a cylindrical guide piston 5.3 or a guide surface 16, which forms an annular surface 25 which faces in the direction of the passage area 28.
- the shaft 5.4 has a closing plate 5.5 of the poppet valve, which preferably forms a sealing seat 17 or valve seat 17 with the housing 6 at an angle of 45 degrees.
- valve seat 17 The sealing force of this valve seat 17 is ensured by the spring 22, which is held under prestress in the housing 6 by means of a yoke-like support ring 37.
- the annular surface 25 and the effective surface of the closing plate 5.5 of the poppet valve projected in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the control valve piston 5 are both equal, so that the pressure of the hydrogen which enters the passage area 28 for entry into the cylinder 1 when the high pressure inlet valve 4 is open ( see FIG. 12b), the pressure application surfaces 27 and 26 are loaded against one another without significant resulting surfaces.
- the control valve piston 5 is displaced in the housing 6 without additional forces to the compression spring 22.
- the control valve piston 5 has an additional piston 38, which also has a cylindrical guide surface 15 on its outer circumference, which is guided on correspondingly shaped guide sections 16 in the housing 6.
- the axial dimension of this additional piston 38 is now such that in the position as shown in FIG. 12a, ie in which the supply of hydrogen is blocked, the additional piston 38 interrupts the cross-section of the high pressure hydrogen supply line.
- the additional piston 38 as well as the guide piston 5.3 or guide surfaces 15, 16 are ground in to ensure a corresponding sealing force and tightness.
- a second sealing surface results in the valve seat 17 of the poppet valve, the sealing force being determined by the spring force of the spring 22.
- a pressure chamber is formed between the upper side of the guide piston 5.3 shown in FIG .
- FIG. 12b the high pressure inlet valve 4 according to Figure 12a is shown, but in the opened position.
- the control valve piston 5 is shifted downward against the action of the spring force of the spring 22 in the illustration shown, so that the additional piston 38 releases the cross section of the hydrogen inlet line 20 via the passage area 28 on the seat area 17 of the closing plate 5.5 of the poppet valve and releases hydrogen can be pressed into the combustion chamber 1 (not shown) with high pressure.
- the other elements and functions are identical to those in FIG. 12a and are therefore not described again here.
- the additional piston 38 is slidably displaced on the ground cylindrical guide surfaces 16 formed in the interior of the housing 6, ie in the interior of the passage area 28, so that the hydrogen, which is under high pressure, ultimately enters the cylinder 1 can flow in.
- FIG. 12c shows a sectional view through the control valve piston 5 in its lower part of the shaft 5.4, looking towards the additional piston 38 along the section AA (cf. FIG. 12b).
- the piston 38 has a cylindrical Kolbenactedflä surface 15 on its outer circumference, which is ground in and cooperates in a congruent shape with the guide surfaces 16 correspondingly formed in the housing 6 in a sealing manner.
- the interior of the piston 38 is made stable enough by webs 39, between which there are openings 40, and thus enables the hydrogen to flow through when the hydrogen inlet is released, in order then to pass the area of the valve seat 17 of the closing plate 5.5 of the poppet valve the combustion chamber 1 to flow. This is through the Arrows indicating the flow path are shown.
- the control valve piston 5 is guided reliably and precisely by the cylindrical piston side surfaces 15 in the upper part of the housing 6, since these areas are also ground in.
- FIG. 13 shows a further exemplary embodiment in which the effective pressure application areas 27, 26 facing the passage area 28 in the interior of the housing 6 are of different sizes.
- a state of the high pressure inlet valve 4 is shown in which the supply of hydrogen into the combustion chamber 1 through the control valve piston 5 does not take place.
- the housing 6 Due to the fact that the second pressure application area 26, designed as an annular surface 25, is larger than the first pressure application area 27 at the transition from the closing plate 5.5 of the poppet valve to its shaft 5.4, the housing 6 is designed in two parts, so that a corresponding assembly of the control valve piston 5 and the Guide piston 5.3 in the interior of the housing 6 can be done.
- the guide piston 5.3 must be mounted on the control valve piston 5 by an additional assembly in an assembly embodiment not shown.
- the basic structure is analogous to that described in FIG. Because the area of the second pressure application area 26 is larger than that of the first pressure application area 27, a greater closing force of the closing plate 5.5 of the poppet valve in the area of its seat 17 is ensured in connection with the high pressure of the hydrogen. In this respect, the imbalance based on the differently sized effective areas benefits. The great force thus achieved ensures a significantly improved sealing performance of the valve seat 17 during operation of the engine.
- the principle of the function of such a high pressure valve 4 is that which is similar to a pneumatic cylinder.
- FIG. 13 also shows a securing ring 41, which prevents the support ring 42 from loosening during operation, since the support ring 42 is placed on the upper shaft part of the control valve piston 5 so that the spring tension is set.
- the control valve piston 5 shown in FIG. 13 is sealed off from the chamber 23 with its guide piston 5.3.
- a conical area is present in the interior of the housing 6.
- the further sealing area is the conical seat formed directly on the poppet valve. The latter ensures that the hydrogen supply line is reliably sealed off from the combustion chamber 1, whereas the guide piston 5.3 forms an additional sealing surface between the hydrogen supply area and the chamber 23.
- Figure 14 and Figure 15 show a sectional view of two positions for realizing the function of the high pressure inlet valve 4 according to the invention in a further embodiment of the invention in the closed state ( Figure 14), whereas in Figure 15 this high pressure inlet valve 4 is shown in the open position.
- the high pressure inlet valve 4 has a piston part formed from a piston tappet 100 and a piston 200 and guided in a housing 300.
- the piston 200 has a circumferential piston groove 50 which forms a control edge 45 and which has an area with an indentation opposite the outer maximum diameter of the piston 200.
- the piston 200 forms a valve chamber 90 within the housing 300 on its end face or piston top, which is opposite the piston tappet 100, which is closed on the end face of the high pressure inlet valve 4 by means of a cover plate 60.
- valve chamber 90 forms, so to speak, an air cushion into which the piston 200 moves with its stroke 101, so that the short times required for the inlet processes for hydrogen into the cylinder prevent the Piston 200 could hit the cover plate 60 te.
- valve chamber 90 is vented via a vent hole 70 which is guided through the piston part in the region of its longitudinal axis.
- the gas exchange in the cylinder must be carried out in very short periods of time, based on absolute temporal standards. Therefore, the high-pressure inlet valve 4 and, as an essential core element thereof, its piston 200 must also execute very rapid movements for opening and closing, i.e. for controlling the supply of hydrogen. Lightweight construction is an essential feature for the implementation of higher switching frequencies.
- vent hole 70 is only so large that only so much air remains in the valve chamber 90 that with the rapid movement of the piston 200 and its inertia, a stops from its piston top on the inner end of the game formed by the cover plate 60 in this mecanicsbei High pressure valve 4 does not strike.
- the vent hole 70 must be able to interrupt the passage of hydrogen through the high pressure inlet valve 4 during the backward movement of the piston away from the cover plate 60 towards its position, to allow a backflow to refill the valve chamber 90.
- the vent hole 70 therefore has a diameter such that essentially the air in the valve chamber 90 can be discharged or fed back into this chamber, even though there is a certain low throttle function, so that there is no vacuum or negative pressure in this valve chamber 90 occurs during the reciprocating movement of the piston 200 in the housing 300 of the high pressure inlet valve 4.
- the part of the air remaining in the valve chamber 90 serves a certain damping effect when the piston top side moves in the direction of the cover plate 60, in which, among other things, due to the still existing throttling effect of the vent hole 70, a certain damping cushion is formed, which causes the piston top side to strike on the inside of the cover plate 60 or at least counteracts any attacks.
- the vent hole in the shaft of the piston 200 already represents a measure to reduce mass in the sense of supporting rapid or high switching frequencies.
- a lower or rear valve chamber is arranged inside the housing 300 between the piston underside and the passage opening of the piston tappet 100 through the material of the housing 300, which also has a damping function analogous to that described on the top of the piston.
- a vent hole 70 is also provided from this damping space on the piston underside, which is formed and functions analogously to the vent hole 70, which passes through the piston part in the longitudinal direction and has a connection to the valve chamber 90.
- the piston tappet 100 is surrounded by a spring which is arranged in a housing recess 130 and is held by a guide plate flanged upwardly to the housing recess 131.
- the piston thus works against the spring 80 which, depending on the direction of movement, is compressed or stretched within the piston stroke 100.
- its control edge 45 is located above a channel arranged transversely to the direction of movement of the piston 200 for the supply 121 of hydrogen under high pressure to the cylinder, so that the hydrogen supply 111 is prevented by the valve. Only in the position of the piston 200 shown in FIG.
- the control edge 45 immersed in the channel for hydrogen supply 121 to the cylinder, which extends transversely to the longitudinal axis of the piston and penetrates the housing 300 of the high pressure inlet valve 4.
- the hydrogen supply 111 can over the piston groove 50, which runs around the piston 200 and, so to speak, represents the indentation in relation to the maximum diameter of the piston, in the direction of and through the channel for the Hydrogen feed 121 flow to the cylinder.
- piston 200 Since during the movement of the piston 200 in the housing 300, the piston 200 only acts against the respective air cushions, ie with its upper side of the piston into the air cushion of the valve chamber 90 or with the lower side of the piston into the air cushion Piston groove 50 has formed an area of the same size at both ends in the longitudinal direction, there are no significant additional resulting axial forces which act on piston 200.
- the piston 200 can therefore be easily adapted to the high required speeds of a corresponding speed of the internal combustion engine despite high pressures of the hydrogen applied.
- the high-pressure inlet valve 4 provided according to the invention thus offers the possibility of providing hydrogen provided under high pressure to a consumer, in this case the cylinder of an internal combustion engine.
- the pressures of the hydrogen provided are at a level of, for example, 20 to 350 bar.
- the respective switching states are on the one hand the closed valve and on the other hand the open valve.
- the size of the opening in the open switching state can be varied by the size of the axial displacement of the piston 200.
- the control edge 45 of the piston 200 is moved on the pressure side to such an extent that, with the corresponding width of the piston groove 50 viewed in the longitudinal direction of the piston 200, the supply and discharge channels arranged offset to one another in the axial direction (hydrogen supply 111 or hydrogen supply 121) are brought into connection with the cylinder via the piston groove 50, which corresponds to the open state of the high-pressure inlet valve 4.
- the cross section of the hydrogen supply 121 to the cylinder can be varied in such a way that the flow rate, ie the mass flow of the hydrogen to be introduced into the cylinder, can be varied.
- the cross-sections are now selected so that, when open, large amounts of hydrogen can be supplied to a consumer, in this case the cylinder of an internal combustion engine, in a short unit of time, i.e. high mass flows. If a transition is to be made from an open state (see FIG. 15) to a closed state (see FIG. 14), the piston 200 is accordingly shifted in the axial direction so far that a connection of the hydrogen supply 111 to the high-pressure inlet valve 4 is via a hydrogen source the piston groove 50 to the hydrogen supply 121 to the cylinder is interrupted.
- the closing process is delayed again to a predetermined extent, so that a certain reloading effect in the cylinder can be realized.
- This reloading usually takes place in the cylinder at a point in time when the piston 200 in the cylinder of the internal combustion engine is already in its upward movement, i.e. in the compression phase.
- the advantage of using compressed hydrogen in connection with the high-pressure inlet valve 4, as described above, is, among other things, that after the corresponding cross-sections have been released, the compressed hydrogen spreads rapidly, since the compressed hydrogen expands rapidly when the cross-section is free. This also supports the ability of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention that high amounts of hydrogen can be passed through in a short unit of time.
- the supply of hydrogen to a respective cylinder can now take place in such a way that all of the hydrogen for a cycle with a single introduction into the cylinder is carried out in one intake process.
- the high-pressure inlet valve 4 can also be controlled in such a way that the supply of hydrogen into the cylinder takes place intermittently in several bursts, so to speak.
- Each individual burst of supplied hydrogen can be varied with regard to the length of the opening of the high-pressure inlet valve 4, so that the engine operation can be directly influenced via the amount of hydrogen introduced into the cylinder in a defined time unit. Two such joints are preferably provided.
- a large number of bursts of supplied hydrogen can also be of advantage in terms of optimizing the overall process of operating the engine. If the hydrogen is introduced in partial amounts in several shocks during the movement of the piston 200 in the cylinder on its way from bottom dead center to top dead center during the compression stroke, the total amount of hydrogen corresponds to the total amount required for the respective cycle, with which a reliable, high efficiency of the internal combustion engine guaranteeing operation can be achieved.
- the piston 200 is sealed within the housing 300 by a corresponding fit between the piston 200 and the bore in the housing 300.
- the high-pressure inlet valve 4 is preferably made of high-strength and heat-resistant metal alloys or of light metal or light metal alloys such as magnesium or ceramic materials, it being possible for different materials to be used for the piston 200 and the housing 300. It is also conceivable to select a specific base material with a coating of the respective parts in order to achieve optimal sliding and sealing properties of the piston 200 moving in the housing 300 at the high pressures of the supplied hydrogen. In addition to a selected coating, a different heat treatment of the parts moving against one another in the high-pressure inlet valve 4 is also conceivable. To reduce friction, lubrication can also be provided between the piston 200 and the housing 300, it being possible for a feed line, not shown in the figures, to be provided for feeding in small amounts of lubricant.
- the high pressure inlet valve 4 is expediently connected to the place of conventional inlet lines and inlet valves in the cylinder head 30 of an internal combustion engine, whereas the exhaust valves and the exhaust lines can remain designed in conventional technology.
- the high pressure inlet valve 4 can of course also be used for other types of supply of gases in rooms of other facilities. To realize correspondingly rapid opening and closing processes of the high-pressure inlet valve 4 so that optimal engine operation can be carried out effectively, it is also possible that the control valve piston of the high-pressure inlet valve 4 is actuated with mechanical components such as a camshaft or electromagnetically.
- control valve piston 5 experiences a controlled linear movement, the opening cross-sections can be controlled in a simple manner via the time units for the open state of the high-pressure inlet valve 4.
- FIG. 16 shows a partial sectional view of a cylinder with a cylinder head in which an outlet valve 33, a high-pressure valve 4 according to the invention and an injector 10 are arranged.
- the exhaust valve 33 arranged in the cylinder head 30 is in the closed position so that hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via the high pressure valve 4, the guide piston 5 being shown in the open position, in which hydrogen can be introduced into the cylinder on the one hand and combustion air on the other can be supplied from the inlet line 7 via the outflow cross-sections 18.
- the high pressure valve 4 can supply hydrogen alone or combustion air from the inlet pipe 7 alone or both together in the sense of a hydrogen-combustion air mixture to the combustion chamber 1.
- an injector 10 is provided in the cylinder head, via which additional hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via a hydrogen pressure line 32.
- the injector 10 is closed.
- the injector 10 is actuated electromagnetically, whereby high switching frequencies, ie the shortest switching times, can be achieved.
- the injector 10 is suitable for introducing hydrogen into the combustion chamber 1 intermittently at selected times in order to optimize mixture formation and combustion in the combustion chamber 1.
- a piston 2 is guided on the cylinder wall 47, the piston 2 having a piston pin 34, at which on connecting rod 35 is connected to a crankshaft, not shown, in a manner known per se.
- FIG. 17 shows a detailed view of a cylinder with a cylinder head, similar to that according to FIG. 16, but with the difference that instead of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention, a conventional inlet valve is provided, which is shown in the open position in FIG. 17 and combustion air from the inlet line 7 can flow into the combustion chamber 1 via the outflow cross-sections 18.
- an exhaust valve 33 is also arranged, which is shown in the closed position.
- an injector 10 by means of which hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via the high pressure hydrogen line 32 when the injector 10 is open, i.e. in its passage position.
- the injector 10 is shown in its closed position.
- FIG. 18 shows a detailed sectional view with a section through the cylinder and cylinder head that is different from that in FIG. 17, so that the structure described in FIG. 18 still shows the injection nozzle.
- This injection nozzle can also be used to inject gaseous fuel into the cylinder.
- the injection nozzle is also suitable for introducing liquid fuel, so that the exemplary embodiment of an internal combustion engine shown in FIG. 18 also enables so-called duel fuel operation.
- the other structure corresponds to that according to FIGS. 16 and 17 and therefore does not have to be explained again here.
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Abstract
The invention relates to an internal combustion engine for operation with gaseous fuel, more particularly hydrogen, which has a high pressure valve (4) which delivers hydrogen by means of a control valve piston (5) to a cylinder (3) using cylindrical faces and control edges (5.1) or using conical elements (5.2). The control valve piston (5) is electromagnetically actuated, achieves short control times/high switching frequencies, is sealed in the housing (6) in at least two stages and without elastomers and prevents or at least hinders to a great degree any backflow of gaseous fuel, particularly hydrogen, meaning that backfiring is avoided, and has a reduced-weight lightweight design.
Description
HOCHDRUCKVENTIL ZUM EINBRINGEN VON GASFÖRMIGEM KRAFTSTOFF IN EINE VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE, UND VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE HIGH PRESSURE VALVE FOR INTRODUCING GASEOUS FUEL INTO A COMBUSTION ENGINE, AND COMBUSTION ENGINE
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für Gasbetrieb, insbesondere Was serstoffbetrieb, und ein Hochdruckventil zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in eine solche Verbrennungskraftmaschine. The invention relates to an internal combustion engine for gas operation, in particular what hydrogen operation, and a high pressure valve for introducing gaseous fuel into such an internal combustion engine.
Auf dem Gebiet des Betriebs von Verbrennungskraftmaschinen mit gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, ist aufgrund der vielen Jahre, in denen sich die Industrie und Verbände vor allem auch aus ökologischer Sicht mit dieser Thematik befasst haben, sehr viel Stand der Technik veröffentlicht wurden. Neben den häufigsten verwendeten flüssigen Kraftstoffen werden zunehmend auch gasförmige Kraftstoffe wie beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff zum Betrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Die Einspritzdüsen, auch Injektoren genannt, für flüssige Kraftstoffe sind weitestgehend perfektioniert in ihrer Entwicklung, bei gasförmigen Kraftstoffen treten jedoch eine Reihe von bei flüssigen Kraftstoffen nicht auftre tenden Problemen auf. Die bekannten Injektoren für flüssige Kraftstoffe sind daher nur be dingt geeignet. In the field of the operation of internal combustion engines with gaseous fuel, in particular hydrogen, a great deal of the state of the art has been published due to the many years in which the industry and associations have dealt with this topic, especially from an ecological point of view. In addition to the most frequently used liquid fuels, gaseous fuels such as natural gas or hydrogen are also increasingly being used to operate vehicles. The injection nozzles, also called injectors, for liquid fuels are largely perfected in their development, but with gaseous fuels a number of problems do not occur with liquid fuels. The known injectors for liquid fuels are therefore only suitable to a limited extent.
Gasförmige Kraftstoffe weisen von flüssigen Kraftstoffen abweichende andere Energiedich ten und Volumina auf. Gaseous fuels have different energy densities and volumes from liquid fuels.
Ein Problem bei der Verwendung von Wasserstoff bzw. von gasförmigen Kraftstoffen besteht darin, dass einerseits in einer relativ kurzen Zeit eine relativ große Menge mit gegenüber flüssigen Kraftstoffen deutlich größerem Volumen von Kraftstoff in den Brennraum einer Ver brennungskraftmaschine eingebracht werden muss, dass andererseits auch das Einbringen sehr zeitgenau und sehr genau hinsichtlich der Dosierung der in den Brennraum eingebrach- ten Kraftstoffmenge realisiert werden muss. Dies ist erforderlich, damit bei dem Betrieb von mit Erdgas oder Wasserstoff bzw. mit anderen gasförmigen Kraftstoffen verwendete Ver brennungskraftmaschinen keinen übermäßigen Verbrauch und einen minimalen Schadstoff ausstoß aufweisen. Es ist dazu eben erforderlich, dass möglichst genau dosierte Gasmen gen pro Einblasvorgang und zu einem definierten, auf eine optimierte Verbrennung im Zylin der abgestimmten Zeitpunkt des Einblasvorganges in den Zylinder eingebracht werden.
Prinzipiell sind zwei grundlegende Einblasverfahren für gasförmige Kraftstoffe, insbesondere Wasserstoff, bekannt. Eine Möglichkeit des Einbringens von gasförmigem Kraftstoff ist, dass dieser Kraftstoff im Endbereich der Einlassleitung, vorzugsweise unmittelbar vor dem Ein lassbereich der Einlassleitung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeführt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der gasförmige Kraftstoff mit den entspre chend entwickelten, für gasförmige Kraftstoffe geeigneten und optimierten Injektoren direkt in den Brennraum eingeblasen wird, wobei man dabei auch von „eingespritzt“ spricht. Das Ein blasen bzw. Einspritzen von gasförmigen Brennstoffen wird dabei so realisiert, dass der ge samte für einen Verbrennungszyklus erforderliche Kraftstoff in einem Einblasvorgang oder auch in mehreren Einblasvorgängen pro Verbrennungszyklus eingebracht wird. Vorzugswei se muss neben der Notwendigkeit, eine bestimmte maximale Kraftstoffmenge in einer vorge gebenen Zeitdauer einspritzen zu können, es auch zusätzlich möglich sein, definierte Klein mengen bzw. Kleinstmengen in genauer Dosierung in den Zylinder einzutragen. Eine weitere allgemeine Forderung für die Gasinjektoren oder Einblasventile besteht darin, dass diese gegenüber dem Brennraum, in welchen das Gas, vorzugsweise Wasserstoff, eingebracht wird, exakt und zuverlässig abgedichtet sein muss, damit eine Rückzündung im Bereich vor dem Brennraum vermieden wird. A problem with the use of hydrogen or gaseous fuels is that, on the one hand, a relatively large amount of fuel with a significantly larger volume than liquid fuels has to be introduced into the combustion chamber of an internal combustion engine in a relatively short time, and, on the other hand, also the introduction must be implemented very precisely in terms of time and with regard to the metering of the amount of fuel introduced into the combustion chamber. This is necessary so that internal combustion engines used with natural gas or hydrogen or with other gaseous fuels do not have excessive consumption and minimal pollutant emissions. For this purpose, it is necessary that the gas quantities dosed as precisely as possible per injection process and at a defined point in time of the injection process that is coordinated with optimized combustion in the cylinder. In principle, two basic injection methods for gaseous fuels, in particular hydrogen, are known. One possibility of introducing gaseous fuel is that this fuel is introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine in the end area of the inlet line, preferably immediately before the inlet area of the inlet line. Another possibility is that the gaseous fuel is blown directly into the combustion chamber with the appropriately developed, optimized and suitable for gaseous fuels injectors, which is also referred to as “injected”. The blowing in or injection of gaseous fuels is implemented in such a way that all of the fuel required for a combustion cycle is introduced in one blow-in process or in several blow-in processes per combustion cycle. Preferably, in addition to the need to be able to inject a certain maximum amount of fuel in a given period of time, it must also be possible to enter defined small amounts or very small amounts in precise doses in the cylinder. Another general requirement for the gas injectors or injection valves is that they must be precisely and reliably sealed off from the combustion chamber into which the gas, preferably hydrogen, is introduced, so that reignition in the area in front of the combustion chamber is avoided.
In Christian Spuller, Dieselbrennverfahren mit Wasserstoff für PKW-Anwendungen, Disserta tion an der Technischen Universität Graz, 2011, ist aus durchgeführten Untersuchungen zu sammengestellt, welche Spezifika und Besonderheiten beim Wasserstoffbetrieb von Ver brennungskraftmaschinen erforderlich sind. Sowohl der Ladungswechsel als auch die Ver brennung weichen vom herkömmlichen Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit flüssi gen Kraftstoffen ab und bedürfen spezieller Technik für das Einbringen von Wasserstoff oder anderen gasförmigen Kraftstoffen in den Brennraum dieser Verbrennungskraftmaschinen. In Christian Spuller, Diesel Combustion Process with Hydrogen for Passenger Car Applications, PhD at the Technical University Graz, 2011, the specifics and peculiarities are necessary for the hydrogen operation of internal combustion engines from the studies carried out. Both the gas exchange and the combustion differ from the conventional operation of internal combustion engines with liquid fuels and require special technology for the introduction of hydrogen or other gaseous fuels into the combustion chamber of these internal combustion engines.
Beispielhaft für Stand der Technik, bei welchem gasförmiger Kraftstoff in den Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine über ein entsprechendes Gasventil eingebracht wird, sind EP 3 225 827 A1, gemäß welchem das Ventilelement des Gasventils zum Zuführen des gas förmigen Kraftstoffes mittels eines Magnetaktuators betätigt wird und bei welchem zwei Dichtbereiche vorgesehen sind, DE 102004 049 589 A1, welcher einen Wasserstoffmotor mit optimierter Kraftstoffeinblasvorrichtung beschreibt, mittels welcher Wasserstoff über ei nen Wasserstoffkanal in den Einlasskanal mündet und von dort in den Brennraum des Was serstoffmotors eingebracht wird, und DE 3904480 A1 , bei welchem gasförmiger Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff, in ein Saugrohr einer Verbrennungskraftmaschine intermittie rend eingebracht wird, wobei das Ventilglied elektrisch betätigbar ist.
Beispiele im Stand der Technik für ein Einblasen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, sind erwähnt in DE 4308775 C1, bei welchem das Ventil als Kolbenventil ausgebildet ist, im Öffnungsbereich die Form eines Tellerventils aufweist und über eine Steuerhydraulik mittels Flüssigkeit betä tigt wird, US 7 117 849 B1 , in welchem ein Kraftstoff! njektor einen gasförmigen Kraftstoff mit hohem Druck über eine Kraftstoffleitung mittels der den Hauptteil des Kraftstoffinjektors bil denden Düse direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mittels einer bezüg lich ihrer Bewegung gesteuerten Nadel eingebracht wird, DE 102009 012688 B3, gemäß welchem ein Ventil zum Einblasen von Gas in den Brennraum einer Verbrennungskraftma schine mit hohem Druck eingebracht wird, wobei ein Schließglied und ein Stellglied mittels einer Magnetspule angetrieben und beweglich im Gehäuse angeordnet sind, und EP 3267028 A1, in welchem ein Einspritzventil zum Einspritzen von Hochdruckerdgas unter Verwendung einer gesteuerten Nadel in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden kann, wobei zwei Ventilsitze die entsprechende Dichtheit gewährleisten sollen. EP 3 225 827 A1, according to which the valve element of the gas valve for supplying the gaseous fuel is actuated by means of a magnetic actuator and in which two Sealing areas are provided, DE 102004 049 589 A1, which describes a hydrogen engine with an optimized fuel injection device, by means of which hydrogen flows into the inlet channel via a hydrogen channel and is introduced from there into the combustion chamber of the hydrogen engine, and DE 3904480 A1, in which gaseous fuel , for example hydrogen, is introduced into an intake manifold of an internal combustion engine intermittently, the valve member being electrically actuatable. Examples in the prior art for injecting gaseous fuel, in particular hydrogen, into the combustion chamber of an internal combustion engine are mentioned in DE 4308775 C1, in which the valve is designed as a piston valve, has the shape of a poppet valve in the opening area and a hydraulic control system by means of liquid actuated is taken, US 7 117 849 B1, in which a fuel! injector a gaseous fuel at high pressure via a fuel line by means of the main part of the fuel injector bil Denden nozzle is introduced directly into the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a needle controlled with respect to its movement, DE 102009 012688 B3, according to which a valve for injecting gas into the combustion chamber of an internal combustion engine is introduced at high pressure, with a closing element and an actuator being driven by means of a magnetic coil and movably arranged in the housing, and EP 3267028 A1, in which an injection valve for injecting high-pressure natural gas using a controlled needle into the combustion chamber of a Internal combustion engine can be introduced, with two valve seats to ensure the appropriate tightness.
Des Weiteren sind in EP 3 153701 A1, DE 102017218267 A1 und DE 10353011 A1 ebenfalls ein Ventil zum Steuern eines in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzubringenden Gases beschreiben, wobei in diesen Dokumenten des Standes der Technik auf die Notwendigkeit einer zuverlässigen Dichtung hingewiesen wird. In EP 3 153693 A1, ist ein Hochdruckventil für gasförmigen Kraftstoff beschrieben, welches eine entsprechende Dichtigkeit mit jeweils angeordneten Balgeinrichtungen gewährleistet. In DE 102014224348 A1, DE 102014224340 A1, DE 102014224341 A1 und DE 102015201 293 A1 sind Hochdruckventile beschrieben, welche sämtlich auf zwei oder mehrere Dichtsitze zur Sicherung der Dichtigkeit eines derartigen für Wasserstoff geeigneten Kraftstoffes verweisen, wobei in einigen Fällen Elastomerdichtungen empfohlen werden, welche zwar eine gute Dichtigkeit aufweisen, welche jedoch im Betrieb der Verbrennungs kraftmaschine bei Volllast und dabei mit hohen Temperaturen leicht Schaden nehmen kön nen, weshalb offensichtlich in DE 102015201 392 A1 ein thermisches Isolationselement an einem von zwei Dichtsitzen, wobei einer der beiden Dichtsitze aus einem Elastomerdich telement besteht, vorgesehen ist, um die Temperaturbelastung des Elastomerdichtungsele ments in Grenzen zu halten. DE 102014224343 A1 beschreibt ein zuverlässiges Abdichten und Schützen eines Dichtsitzes mittels einer zusätzlichen thermischen Schutzeinrichtung, in DE 102014224339 A1 ist beschrieben, dass zur Reduzierung der Temperaturbelastung der Dichtbereiche mittels eines Abschirmelements und eines Kühlringes gearbeitet wird.
DE 102014224344 A1 beschreibt einen Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasför migen Kraftstoffes in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine zur besseren und gleichmäßigeren Verteilung des gasförmigen Kraftstoffes im Brennraum mit einem zusätzli chen Steuerelement, um den einzublasenden Gasstrahl entsprechend der Geometrie des Brennraumes für eine bessere Gemischbildung und Verbrennung zu formen. Und schließlich beschreibt DE 102014205454 A1 einen Gasinjektor zum Einblasen von gasförmigen Kraft stoffen, bei welchem eine Doppelventilnadel vorgesehen ist, wobei eine Außennadel als Hohlnadel ausgebildet und eine Innennadel in einem Hohlbereich der Außennadel angeord net ist. Furthermore, EP 3 153701 A1, DE 102017218267 A1 and DE 10353011 A1 also describe a valve for controlling a gas to be introduced into the combustion chamber of an internal combustion engine, the need for a reliable seal being pointed out in these prior art documents. In EP 3 153693 A1, a high-pressure valve for gaseous fuel is described, which ensures a corresponding tightness with respectively arranged bellows devices. In DE 102014224348 A1, DE 102014224340 A1, DE 102014224341 A1 and DE 102015201 293 A1, high-pressure valves are described which all refer to two or more sealing seats to ensure the tightness of such a fuel suitable for hydrogen, with elastomer seals being recommended in some cases Have a good tightness, which, however, can easily be damaged during operation of the internal combustion engine at full load and at high temperatures, which is why DE 102015201 392 A1 obviously has a thermal insulation element on one of two sealing seats, one of the two sealing seats being made of an elastomer sealing element exists, is provided in order to keep the temperature load of the elastomer sealing element within limits. DE 102014224343 A1 describes a reliable sealing and protection of a sealing seat by means of an additional thermal protection device, in DE 102014224339 A1 it is described that a shielding element and a cooling ring are used to reduce the temperature load on the sealing areas. DE 102014224344 A1 describes a gas injector for direct injection of a gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine for better and more uniform distribution of the gaseous fuel in the combustion chamber with an additional control element to inject the gas jet according to the geometry of the combustion chamber for better mixture formation and combustion to shape. And finally, DE 102014205454 A1 describes a gas injector for injecting gaseous fuels, in which a double valve needle is provided, an outer needle being designed as a hollow needle and an inner needle being arranged in a hollow area of the outer needle.
Die bekannten Injektoren bzw. Gas- oder Wasserstoffeinblasventile für Verbrennungskraft maschinen sind auf verschiedene Betriebsbedingungen zwar angepasst worden, aber in der Regel immer nur bezogen auf jeweils einen oder maximal zwei definierte Betriebsbedingun gen, welche mit der jeweiligen Konstruktion abgedeckt werden sollen. The well-known injectors or gas or hydrogen injection valves for internal combustion engines have been adapted to different operating conditions, but usually only based on one or a maximum of two defined operating conditions that are to be covered with the respective design.
Hierbei ist für den Einsatz bei zwei unterschiedlichen Betriebsbedingungen es normalerweise immer erforderlich, dass für beide Betriebsbedingungen zwangsläufig bei der technischen Auslegung Kompromisse eingegangen werden mussten; d.h. eine optimale Auslegung war technisch nicht anvisiert. For use under two different operating conditions, it is normally always necessary that compromises inevitably had to be made in the technical design for both operating conditions; i.e. an optimal design was technically not aimed at.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Hochdruckventil und ein Hochdruckventil für eine Verbrennungskraftmaschine für Gasbetrieb, vorzugsweise Wasserstoffbetrieb, bereitzustellen, welche verbesserte Betriebs bedingungen, einen optimalen Gasbetrieb, sehr kurze Schaltzyklen und eine Steuerung hin sichtlich optimierter Eigenschaften auch der Verbrennung realisiert. It is therefore the object of the present invention to provide an internal combustion engine with a high pressure valve and a high pressure valve for an internal combustion engine for gas operation, preferably hydrogen operation, which provide improved operating conditions, optimal gas operation, very short switching cycles and control with regard to optimized properties, including combustion realized.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine für Wasserstoffbetrieb mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein für diese Verbrennungskraftmaschine vorge sehenes Hochdruckventil für den Wasserstoffbetrieb gemäß Anspruch 12 gelöst. Zweckmä ßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by an internal combustion engine for hydrogen operation with the features according to claim 1 and by a high-pressure valve provided for this internal combustion engine for hydrogen operation according to claim 12. Expedient developments are defined in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße gas-, vorzugsweise wasserstoffbetriebene Verbrennungskraftma schine weist in an sich bekannter Weise einen Zylinder auf, in welchem ein Brennraum aus gebildet und ein Kolben darin geführt ist. Erfindungsgemäß weist die Verbrennungskraftma schine ein Hochdruckventil auf, welches Steuerkanten oder einen eine Kegelform besitzen den, in einem Gehäuse geführten Steuerventilkolben aufweist. Mittels des Steuerventils wird Wasserstoff direkt in den Brennraum oder indirekt über eine Einlassleitung der Verbren-
nungskraftmaschine kurz vor einem Einlassventil in den Brennraum eingeblasen bzw. einge spritzt. Der Begriff „Einspritzen“ wird hier für das Einbringen von einem gasförmigen Kraft stoff in den Zylinder gleichermaßen benutzt. Der Steuerventilkolben des ebenfalls gemäß der Erfindung ausgebildeten Hochdruckventils ist elektromagnetisch betätigt, realisiert unter an derem deswegen kurze Steuerzeiten und hohe Schaltfrequenzen, sodass die Einlassquer schnitte des Einblasorgans für den Wasserstoff in den Brennraum entsprechend einer opti mierten Gemischbildung und Verbrennung im Brennraum rasch freigegeben werden. Der Steuerventilkolben ist in dem Gehäuse mindestens zweistufig und elastomerfrei derart abge dichtet, dass ein Rückströmen einer prinzipiell möglichen Kleinmenge des Verbrennungsga ses, insbesondere von Wasserstoff bei Kontakt mit Sauerstoff, keine Rückzündung auftreten lässt. Das bedeutet, dass das Hochdruckventil sowohl zum Brennraum als auch zum Dämp fungspolster eine hohe und zuverlässige Dichtwirkung aufweist. Damit kurze Steuerzeiten und hohe Schaltfrequenzen des Hochdruckventils realisiert werden können, ist dieses ge wichtsreduziert in Leichtbauweise ausgebildet. Die Dichtung ist also derart ausgebildet, dass, wenn überhaupt, nur solche Kleinstmengen von Wasserstoff zurückströmen, dass bei ent sprechendem Kontakt dieser Kleinstmengen von Wasserstoff mit Sauerstoff keine Rückzün dungen auftreten, welche auch als Explosionen bezeichnet werden können. The gas, preferably hydrogen-powered internal combustion engine according to the invention has, in a manner known per se, a cylinder in which a combustion chamber is formed and a piston is guided therein. According to the invention, the internal combustion engine has a high-pressure valve which has control edges or a cone-shaped control valve piston guided in a housing. By means of the control valve, hydrogen is fed directly into the combustion chamber or indirectly via an inlet line of the combustion The engine is blown or injected into the combustion chamber shortly before an inlet valve. The term “injection” is used here for the introduction of a gaseous fuel into the cylinder. The control valve piston of the high-pressure valve, which is also designed according to the invention, is electromagnetically actuated and, among other things, realizes short control times and high switching frequencies, so that the inlet cross sections of the injection device for the hydrogen into the combustion chamber are quickly released in accordance with an optimized mixture formation and combustion in the combustion chamber. The control valve piston is sealed in the housing in at least two stages and is elastomer-free in such a way that a backflow of a principally possible small amount of combustion gas, in particular hydrogen on contact with oxygen, does not allow backfire to occur. This means that the high-pressure valve has a high and reliable sealing effect both towards the combustion chamber and towards the damping cushion. So that short control times and high switching frequencies of the high-pressure valve can be achieved, this is designed to be weight-reduced and lightweight. The seal is designed in such a way that, if at all, only such small amounts of hydrogen flow back that when these small amounts of hydrogen come into contact with oxygen, no backfires occur, which can also be referred to as explosions.
Für den Wasserstoffbetrieb eines Motors wird der gasförmige Brennstoff in Form von Was serstoff in befüllten Wasserstoffflaschen bei ca. 350 bar gespeichert. Dieser Druck der Be vorratung entspricht natürlich nicht dem Einspritzdruck bei flüssigen Kraftstoffen, wie er heutzutage beispielsweise mit Common Rail Systemen realisiert wird und wie er, insbeson dere für die innere Gemischbildung, angewendet wird. Aus diesem Grunde muss vor dem Ventil bzw. der Einspritzdüse bzw. dem Einblasventil in den Zylinder der Zuführdruck mittels Sensoren abgefragt werden und auf Basis dieser Druckinformation bzw. in Abhängigkeit da von die Öffnungszeit bzw. der Öffnungsweg der Zuführung von gasförmigem Brennstoff, ins besondere Wasserstoff, geregelt werden. Es ist aber auch möglich, dass eine Druckminde rung vor der Zuführung des gasförmigen Brennstoffes unter dem zuvor angegebenen hohen Druck realisiert ist, sodass die Öffnungszeit bzw. der Öffnungsweg der Zuführung im jeweils gleichen Betriebszustand im Wesentlichen konstant ist. Je nach Betriebsbedingung kann der Druckbereich für den gasförmigen Brennstoff zwischen 20 und 350 bar erfolgen. For the hydrogen operation of an engine, the gaseous fuel is stored in the form of hydrogen in filled hydrogen bottles at approx. 350 bar. This supply pressure of course does not correspond to the injection pressure for liquid fuels, as it is nowadays implemented with common rail systems, for example, and how it is used, in particular for internal mixture formation. For this reason, the feed pressure must be queried by means of sensors upstream of the valve or the injection nozzle or the injection valve in the cylinder and, on the basis of this pressure information, or depending on the opening time or the opening path of the feed of gaseous fuel, in particular hydrogen , be managed. However, it is also possible that a pressure reduction is implemented before the supply of the gaseous fuel under the previously specified high pressure, so that the opening time or the opening path of the supply is essentially constant in the same operating state. Depending on the operating conditions, the pressure range for the gaseous fuel can be between 20 and 350 bar.
Vorzugsweise weist die Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu dem Hochdruckventil ei nen Injektor zur Feindosierung von Verbrennungsgas bzw. Wasserstoff in den Brennraum auf. Bei einer derartigen vorzugsweisen Ausbildung der Verbrennungskraftmaschine sind also zwei Einbringorgane für Verbrennungsgas bzw. Wasserstoff in den Brennraum vorhan den. Das Hochdruckventil ist dabei vorrangig für das Einbringen größerer Mengen von gas-
förmigem Kraftstoff bzw. Wasserstoff in den Zylinder vorgesehen, wohingegen der Injektor die Feindosierung von kleineren Mengen von gasförmigem Kraftstoff bzw. Wasserstoff in den Brennraum zu definierten und durchaus kurzen Zeitpunkten bzw. Zeitintervallen ermöglicht. In addition to the high-pressure valve, the internal combustion engine preferably has an injector for fine metering of combustion gas or hydrogen into the combustion chamber. With such a preferred design of the internal combustion engine, two introduction organs for combustion gas or hydrogen are present in the combustion chamber. The high pressure valve is primarily used for the introduction of larger quantities of gas shaped fuel or hydrogen is provided in the cylinder, whereas the injector enables the fine metering of smaller amounts of gaseous fuel or hydrogen into the combustion chamber at defined and very short times or time intervals.
Weiter vorzugsweise ist der Injektor so ausgebildet, dass eine intermittierende oder mehrstu fige Zufuhr des Wasserstoffs direkt in den Brennraum ausführbar ist. Unter intermittierender Zufuhr soll verstanden werden, dass die Einbringung von Wasserstoff in nicht kontinuierli cher Weise, d.h. mit genau festgelegten und steuerbaren Intervallen möglich ist, sodass durch die Feindosierung eine direkte Verbesserung bzw. Optimierung der Verbrennung im Brennraum erzielbar ist. Furthermore, the injector is preferably designed in such a way that an intermittent or multi-stage supply of the hydrogen can be carried out directly into the combustion chamber. Intermittent supply should be understood to mean that the introduction of hydrogen in a discontinuous manner, i.e. with precisely defined and controllable intervals, is possible so that a direct improvement or optimization of the combustion in the combustion chamber can be achieved through the fine metering.
Vorzugsweise ist das Hochdruckeinlassventil zum Einblasen größerer Mengen von bei spielsweise Wasserstoff als den zur Verbrennungsoptimierung kleineren Mengen von Was serstoff in den Brennraum einbringende Injektor ausgebildet. Vorzugsweise bedeuten größe re Mengen das Mehrfache der mit dem Injektor eingespritzten kleineren Mengen von gas förmigem Kraftstoff. The high-pressure inlet valve is preferably designed to inject larger amounts of hydrogen, for example, than the injector which introduces smaller amounts of hydrogen into the combustion chamber to optimize combustion. Preferably, larger amounts mean a multiple of the smaller amounts of gaseous fuel injected with the injector.
Vorzugsweise ist im Sinne der Leichtbauweise des Hochdruckventils insbesondere dessen Steuerventilkolben hohl ausgebildet, wobei Wandstärke und Form mit einer hohen Steifigkeit ausgebildet sind, sodass die Leichtbauweise durch eine Gewichtsreduzierung insbesondere des Steuerventilkolbens realisiert wird, ohne dass die erforderliche Festigkeit der Bauteile leidet. In terms of the lightweight construction of the high-pressure valve, in particular its control valve piston is designed to be hollow, the wall thickness and shape being designed with a high degree of rigidity so that the lightweight construction is implemented by reducing the weight of the control valve piston in particular, without the required strength of the components suffering.
Anstelle einer Ausbildung von Hochdruckventil und Injektor aus Stahl kann deshalb vor zugsweise vorgesehen sein, dass das Hochdruckventil und/oder der Injektor aus Keramik oder aus keramikbeschichtetem Leichtmetall ausgebildet sind. Zusätzlich können die beweg ten Teile im Hochdruckventil und im Injektor im Sinne einer Leichtbauweise hohl und kera mikbeschichtet ausgebildet sein. Instead of the high-pressure valve and injector being made from steel, it can therefore preferably be provided that the high-pressure valve and / or the injector are made from ceramic or from a ceramic-coated light metal. In addition, the moving parts in the high-pressure valve and in the injector can be made hollow and ceramic-coated in terms of lightweight construction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorzugsweise das Hochdruckventil andere Metall-Legierungen aufweisen. Damit wird erreicht, dass die im Hochdruckventil und im In jektor sich bewegenden Teile eine entsprechende Festigkeit und Steifigkeit besitzen, aber dennoch aufgrund der deutlich geringeren Dichte von Leichtmetall-Legierungen gegenüber einer Stahl-Legierung gewichtsreduziert und daher massereduziert ausgebildet sind. According to a further exemplary embodiment, the high-pressure valve can preferably have other metal alloys. This ensures that the parts moving in the high-pressure valve and in the injector have a corresponding strength and rigidity, but are nevertheless weight-reduced and therefore mass-reduced due to the significantly lower density of light metal alloys compared to a steel alloy.
Gemäß einer vorzugsweisen Ausbildung ist der Steuerventilkolben des Hochdruckventils in seinem Gehäuse mit einem Führungskolben versehen, an welchem die Steuerkanten aus-
gebildet sind, welche mit einer Wasserstoffzufuhrleitung interagieren. Die Steuerkanten ge ben die Zeitpunkte der Zufuhr von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, und die Größe der Zufuhrquerschnitte und damit der Menge an gasförmigem Kraftstoff, welche in den Zylinder eingebracht wird, frei, schließen andererseits zu definierten Zeitpunkten aber auch die Zufuhrquerschnitte, nachdem die gewünschte Menge an gasförmigem Kraftstoff eingespritzt worden ist. According to a preferred embodiment, the control valve piston of the high pressure valve is provided in its housing with a guide piston on which the control edges are are formed which interact with a hydrogen supply line. The control edges open the times of the supply of gaseous fuel, in particular hydrogen, and the size of the supply cross-sections and thus the amount of gaseous fuel that is introduced into the cylinder, but on the other hand also close the supply cross-sections at defined times after the desired Amount of gaseous fuel injected.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind an einer dem Brennraum zu weisenden Oberfläche des Hochdruckventils kranzförmig angeordnete Einblasbohrungen ausgebildet, welche im Hochdruckventil in axialer Richtung konzentrisch angeordnet sind. Das bedeutet, dass die im Wesentlichen ebene Kranzfläche des Hochdruckventils in dieser ringförmig ausgebildeten Kranzfläche auf einer gedachten Kreislinie angeordnete Einblas oder Einspritzbohrungen aufweist. Diese Einblasbohrungen sind in dem äußeren Kranz des Hochdruckventils in axialer Richtung konzentrisch angeordnet. Die konzentrisch angeordne ten Einblasbohrungen ermöglichen daher, eine relativ große gasförmige Menge an Kraftstoff in den Zylinder in kurzen Zeiteinheiten einzubringen. According to a further preferred exemplary embodiment, blow-in bores arranged in a ring are formed on a surface of the high-pressure valve that faces the combustion chamber and are arranged concentrically in the axial direction in the high-pressure valve. This means that the essentially flat rim surface of the high-pressure valve in this ring-shaped rim surface has injection bores arranged on an imaginary circular line. These injection bores are arranged concentrically in the axial direction in the outer rim of the high-pressure valve. The concentrically arranged injection holes therefore make it possible to introduce a relatively large gaseous amount of fuel into the cylinder in short time units.
Das Hochdruckventil der Verbrennungskraftmaschine weist desweiteren vorzugsweise ein gasförmiges Dämpfungspolster auf, in welches der Steuerventilkolben in dem Gehäuse im Bereich seiner Endlagen zur Anschlagvermeidung bzw. zur Anschlagdämpfung eintaucht. Dadurch wird verhindert, dass der Steuerventilkolben in seiner Endlage mit seiner entspre chenden Kolbenfläche auf entsprechende Gegenflächen im Gehäuse aufschlägt. Bei der Dimensionierung der Steuerung des Steuerventilkolbens bzw. des Hochdruckventils insge samt wird das vorhandene Dämpfungspolster entsprechend in das Steuerkonzept miteinbe- zogen, damit die in den Endlagen auftretende geringfügige Verzögerung der Bewegung der Steuerventilkolben keinen nachteiligen Einfluss auf das Einbringen von gasförmigem Kraft stoff, insbesondere Wasserstoff in den Brennraum hat. The high-pressure valve of the internal combustion engine furthermore preferably has a gaseous damping pad, into which the control valve piston in the housing in the area of its end positions for stop avoidance or for stop damping is immersed. This prevents the control valve piston in its end position from hitting corresponding mating surfaces in the housing with its corresponding piston surface. When dimensioning the control of the control valve piston or the high-pressure valve as a whole, the existing cushioning pad is accordingly included in the control concept so that the slight delay in the movement of the control valve piston in the end positions does not have a disadvantageous effect on the introduction of gaseous fuel, in particular hydrogen in the combustion chamber.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Verbrennungs kraftmaschine für gasförmige Kraftstoffe, insbesondere Wasserstoff, ein bezüglich der axia len Ausrichtung des Brennraums vorzugsweise im Zylinderkopf stehend angeordnetes Hochdruckventil auf, wobei vom Steuerventilkolben mittels seiner Steuerkanten radial im Gehäuse das Hochdruckventils angeordnete Einblasleitungen für den Wasserstoff in Abhän gigkeit von einer Kolbenstellung Einbringquerschnitte bzw. Einblasquerschnitte freigegeben oder verschlossen werden. Die stehende Anordnung des Hochdruckventils hat den Vorteil, dass der im Zylinderkopf ohnehin eingeschränkt vorhandene Platz zur Anordnung eines zu-
sätzlichen, neben den ohnehin im Zylinderkopf angeordneten Einlass- und Auslassventilen Ventils platzmäßig untergebracht werden kann. According to a further exemplary embodiment, the internal combustion engine according to the invention for gaseous fuels, in particular hydrogen, has a high-pressure valve preferably standing in the cylinder head with respect to the axial alignment of the combustion chamber, with injection lines for the hydrogen arranged radially in the housing from the control valve piston by means of its control edges Injection cross-sections or injection cross-sections can be released or closed at one piston position. The upright arrangement of the high-pressure valve has the advantage that the space available in the cylinder head, which is limited anyway, for the arrangement of an additional additional, in addition to the inlet and outlet valves, which are already arranged in the cylinder head, can be accommodated in terms of space.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Hochdruckventil für eine Verbren nungskraftmaschine folgendes auf: a) ein Gehäuse; b) einen in dem Gehäuse geführten Steuerventilkolben mit zylindrischen Kolbenseiten flächen begrenzenden Steuerkanten, welche mit im Gehäuse ausgebildeten Füh rungsflächen Zusammenwirken, oder mit einer mit einer kegelförmigen Sitzfläche im Gehäuse zusammenwirkenden Kegelform; c) mittels der Führungsflächen und der Steuerkanten oder der Kegelform und der kegel förmigen Sitzfläche bei entsprechender axialen Bewegung des Steuerventilkolbens freigebbare oder wiederverschließbare Ausströmquerschnitte; d) eine elektromagnetische Betätigung für den hohe Schaltfrequenzen realisierenden Steuerventilkolben; e) zumindest zweistufig im Gehäuse zur Abdichtung des Steuerventilkolbens im Gehäu se vorgesehene elastomerfrei ausgebildete Dichtbereiche; f) eine derart dichtend vorgesehene Ausbildung der Dichtbereiche, dass allenfalls nur solche Kleinstmengen an Wasserstoff-Rückströmung durchgelassen werden, dass keine Rückzündungen auftreten; und g) den in gewichtsreduzierender Leichtbauweise ausgebildeter, ein bewegliches Ele ment des Hochdruckventils darstellender Steuerkolben. According to a further aspect of the invention, a high pressure valve for an internal combustion engine has the following: a) a housing; b) a control valve piston guided in the housing with cylindrical piston sides surface-delimiting control edges which cooperate with guide surfaces formed in the housing, or with a conical shape cooperating with a conical seat in the housing; c) by means of the guide surfaces and the control edges or the conical shape and the conical seat surface with a corresponding axial movement of the control valve piston, releasable or reclosable outflow cross-sections; d) an electromagnetic actuation for the control valve piston realizing high switching frequencies; e) at least two stages in the housing for sealing the control valve piston in the hous se provided elastomer-free sealing areas; f) such a sealing design of the sealing areas provided that at most only such small amounts of hydrogen backflow are allowed through that no backfires occur; and g) the weight-reducing lightweight design, a movable element of the high-pressure valve representing control piston.
Die das erfindungsgemäße Hochdruckventil definierenden Elemente bilden ein Hochdruck ventil aus, das für gasförmige Kraftstoffe, insbesondere für Wasserstoff, ausgebildet ist und mit der zwischen den einzelnen Merkmalen vorhandenen Synergie erstmalig ein Hochdruck ventil bereitgestellt wird, welches den Anforderungen für ein Betreiben einer Verbrennungs kraftmaschine mit Wasserstoff voll umfänglich gerecht wird und nicht nur punktuell für ein zelne Anforderungen, wie dies bisher im Stand der Technik nur der Fall ist. The elements defining the high pressure valve according to the invention form a high pressure valve which is designed for gaseous fuels, in particular for hydrogen, and with the synergy existing between the individual features for the first time a high pressure valve is provided which meets the requirements for operating an internal combustion engine with hydrogen fully and not only selectively for individual requirements, as has only been the case in the prior art so far.
Weitere Vorteile, Details und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Further advantages, details and possible applications of the present invention will now be described with reference to exemplary embodiments using the following drawing. In the drawing show:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochdruckeinlass ventils in Schließposition mit Tellerventil;
Figur 2: ein Hochdruckeinlassventil gemäß Figur 1 in Durchlassposition; Figur 2a: einen Steuerventilkolben des Hochdruckeinlassventils in Leichtbauweise; Figur 3: eine Schnittansicht durch Gehäuse und Schaft des Steuerventilkolbens ge mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 1: a first embodiment of a high pressure inlet valve according to the invention in the closed position with poppet valve; FIG. 2: a high pressure inlet valve according to FIG. 1 in the passage position; FIG. 2a: a control valve piston of the high pressure inlet valve in lightweight construction; FIG. 3: a sectional view through the housing and shaft of the control valve piston according to a further exemplary embodiment;
Figur 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochdruckeinlass ventils mit einem Steuerventilkolben mit zwei zylindrischen Führungskolben, welche in Führungsflächen im Inneren des Ventilgehäuses geführt sind, wobei kranzartig eine Vielzahl von axialen Einblasbohrungen zum Einbringen des gasförmigen Kraftstoffes in den Brennraum vorgesehen ist; FIG. 4: a further embodiment of the high-pressure inlet valve according to the invention with a control valve piston with two cylindrical guide pistons which are guided in guide surfaces inside the valve housing, a plurality of axial injection bores being provided like a ring for introducing the gaseous fuel into the combustion chamber;
Figur 5: das Hochdruckeinlassventil gemäß Figur 4, jedoch in Durchlassposition zum Zuführen von gasförmigem Kraftstoff durch das Hochdruckeinlassventil in ei nen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine; FIG. 5: the high pressure inlet valve according to FIG. 4, but in the passage position for supplying gaseous fuel through the high pressure inlet valve into a combustion chamber of an internal combustion engine;
Figur 6: ein Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4 und 5, jedoch mit Einblasboh rungen, welche, bezogen auf die Längsachse des Steuerventilkolbens, eine divergierende Richtung aufweisen; FIG. 6: an exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5, but with injection bores which, in relation to the longitudinal axis of the control valve piston, have a diverging direction;
Figur 7: ein Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6, jedoch mit Einblasbohrungen, wel che, bezogen auf die Längsachse des Steuerventilkolbens, eine konvergie rende Richtung aufweisen; FIG. 7: an exemplary embodiment according to FIG. 6, but with injection bores which, based on the longitudinal axis of the control valve piston, have a converging direction;
Figur 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochdruckeinlassventils in Schließpo sition gemäß der Erfindung mit Einlass und Auslass für gasförmigen Kraftstoff in versetzt zueinander angeordneten Ebenen; FIG. 8: a further exemplary embodiment of a high-pressure inlet valve in the closed position according to the invention with inlet and outlet for gaseous fuel in planes arranged offset to one another;
Figur 9: das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochdruckeinlassventils gemäß Figur 8, jedoch in Durchlassposition; Figur 10: eine Detailschnittansicht der Anordnung des erfindungsgemäßen Hochdruck einlassventils im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine in Durchlass position zum Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in die Einlassleitung;FIG. 9: the exemplary embodiment of the high-pressure inlet valve according to the invention according to FIG. 8, but in the passage position; FIG. 10: a detailed sectional view of the arrangement of the high pressure inlet valve according to the invention in the cylinder head of an internal combustion engine in the passage position for introducing gaseous fuel into the inlet line;
Figur 11 : eine Detailschnittansicht eines Zylinders und eines Zylinderkopfes mit einge bautem erfindungsgemäßem Hochdruckeinlassventil in Durchlassposition;FIG. 11: a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in high-pressure inlet valve according to the invention in the passage position;
Figur 12a: ein erfindungsgemäßes Hochdruckeinlassventil mit einem Tellerventil als ers tem Druckbeaufschlagungsbereich und mit einem zylindrischen Führungskol ben mit Ringfläche als zweitem Druckbeaufschlagungsbereich und mit zusätz lichem Kolben zum Öffnen und Schließen des Ventils; FIG. 12a: a high-pressure inlet valve according to the invention with a poppet valve as the first pressure application area and with a cylindrical guide piston with an annular surface as the second pressure application area and with an additional piston for opening and closing the valve;
Figur 12b: das Hochdruckeinlassventil gemäß Figur 12a, jedoch in geöffneter Position zum Eintritt von gasförmigem Kraftstoff in den Zylinder durch das Innere des zusätzlichen Kolbens und dem Tellerventilsitz-Bereich;
Figur 12c: eine Schnittansicht durch den Schaft des Steuerventilkolbens des erfindungs gemäßen Hochdruckeinlassventils mit Ansicht des zusätzlichen Kolbens im Schnitt A-A (vgl. Figur 12b); FIG. 12b: the high-pressure inlet valve according to FIG. 12a, but in the open position for gaseous fuel to enter the cylinder through the interior of the additional piston and the poppet valve seat area; FIG. 12c: a sectional view through the shaft of the control valve piston of the high pressure inlet valve according to the invention with a view of the additional piston in section AA (cf. FIG. 12b);
Figur 13: ein Hochdruckeinlassventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei welchem der zweite Druckbeaufschlagungsbereich in Form eines zylindri schen Führungskolbens bezüglich der wirksamen Ringfläche größer dimensi oniert ist als die wirksame Ringfläche des ersten Druckbeaufschlagungsbe reichs in Form eines Tellerventils; FIG. 13: a high-pressure inlet valve according to a second exemplary embodiment, in which the second pressure application area in the form of a cylindrical guide piston is dimensioned larger with respect to the effective annular area than the effective annular area of the first pressure application area in the form of a poppet valve;
Figur 14: ein Hochdruckeinlassventil für das erfindungsgemäße Verfahren in geschnit tener Darstellung bei geschlossenem Zustand; FIG. 14: a high-pressure inlet valve for the method according to the invention in a sectional illustration in the closed state;
Figur 15: das Hochdruckeinlassventil gemäß Figur 14 bei geöffnetem Zustand; Figur 16: eine Detailschnittansicht eines Zylinders und eines Zylinderkopfes mit einge bautem erfindungsgemäßen Hochdruckeinlassventil in Durchlassposition und mit Injektor in Schließposition mit jeweils direktem Einlass in den Brennraum des Zylinders; FIG. 15: the high pressure inlet valve according to FIG. 14 in the open state; FIG. 16: a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in high-pressure inlet valve according to the invention in the open position and with the injector in the closed position, each with a direct inlet into the combustion chamber of the cylinder;
Figur 17: eine Detailschnittansicht eines Zylinders und eines Zylinderkopfes mit einge bautem erfindungsgemäßen Injektor in seiner Schließposition in einer Schnitt ebene zur Darstellung des Einlassventils, nicht aber des Hochdruckeinlass ventils; und FIG. 17: a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with built-in injector according to the invention in its closed position in a sectional plane to show the inlet valve, but not the high-pressure inlet valve; and
Figur 18: eine Detailschnittansicht eines Zylinders und eines Zylinderkopfes mit einge bautem erfindungsgemäßen Injektor und entsprechender Schnittebene, nicht gezeigtem Hochdruckeinlassventil, jedoch vorgesehener Einspritzdüse für du alen Kraftstoffbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. FIG. 18: a detailed sectional view of a cylinder and a cylinder head with a built-in injector according to the invention and a corresponding sectional plane, not shown high pressure inlet valve, but provided injection nozzle for dual fuel operation of the internal combustion engine.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird generell Wasserstoff als Kraftstoff beschrie ben. Es versteht sich, dass auch andere gasförmige Kraftstoffe möglich sind. In the following description of the figures, hydrogen is generally described as a fuel. It goes without saying that other gaseous fuels are also possible.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Hochdruckeinlassventil 4 im Querschnitt dargestellt. Das Ventil weist ein Gehäuse 6 auf, innerhalb welchem ein Steuerventilkolben 5 geführt ist. Dazu weist der Steuerventilkolben 5 einen als zylindrischen Führungskolben 5.3 ausgebilde ten Bereich auf, welcher im Gehäuse 6 an eine zum zylindrischen Führungskolben 5.3 form kongruent ausgebildete Führungsfläche 16 gleitend geführt ist. Der zylindrische Führungs kolben 5.3 des Steuerventilkolbens 5 ist in seinem Durchmesser größer als ein Schaft 5.4, welcher sich von dem zylindrischen Führungskolben 5.3 nach unten in Richtung auf eine Einlassöffnung in Form eines Wasserstoffeinlasses 20 in Richtung auf einen in Figur 1 nicht dargestellten Brennraum 1 (siehe beispielsweise Figur 11) erstreckt. Auf der dazu gegen überliegenden Seite des zylindrischen Führungskolbens 5.3 ist eine Verlängerung des
Schaftes 5.4 des Steuerventilkolbens 5 mit einem Einsatz vorgesehen, in welchem eine Fe der 22 angeordnet ist, welche zum Schließen des Hochdruckeinlassventils 4 dient, mit wel chem vorverdichteter Wasserstoff in den Brennraum 1 eines Verbrennungsmotors eingelas sen wird.. Eine Druckkraft FN (siehe senkrecht nach unten weisender Pfeil in Figur 2 oben) drückt den Steuerventilkolben 5 um einen Öffnungshub 21 des Hochdruckeinlassventils 4 nach unten, sodass der Ausströmquerschnitt 18 voll geöffnet ist, d.h. das Hochdruckeinlass ventil 4 sich in Durchlassposition 4.2 befindet. In Figure 1, a high pressure inlet valve 4 according to the invention is shown in cross section. The valve has a housing 6 within which a control valve piston 5 is guided. For this purpose, the control valve piston 5 has an area designed as a cylindrical guide piston 5.3, which is slidably guided in the housing 6 on a guide surface 16 designed to be congruent in shape to the cylindrical guide piston 5.3. The cylindrical guide piston 5.3 of the control valve piston 5 is larger in diameter than a shaft 5.4, which extends downward from the cylindrical guide piston 5.3 in the direction of an inlet opening in the form of a hydrogen inlet 20 in the direction of a combustion chamber 1, not shown in FIG for example Figure 11) extends. On the opposite side of the cylindrical guide piston 5.3 is an extension of the Shank 5.4 of the control valve piston 5 is provided with an insert in which a spring 22 is arranged, which is used to close the high-pressure inlet valve 4, with wel chem pre-compressed hydrogen is introduced into the combustion chamber 1 of an internal combustion engine. A compressive force F N (see perpendicular arrow pointing downwards in FIG. 2 above) pushes the control valve piston 5 downwards by an opening stroke 21 of the high pressure inlet valve 4, so that the outflow cross section 18 is fully open, ie the high pressure inlet valve 4 is in the passage position 4.2.
Figur 1 stellt die Schließposition 4.1 des Hochdruckeinlassventils 4 dar. Im Ausströmquer schnitt 18 (siehe Figur 2) schließt ein Schließteller 5.5 in der Art eines Tellerventils mit einer im Gehäuse 6 ausgebildeten kegelförmigen Sitzfläche 17 (siehe Figur 2) und verhindert dadurch einen Durchtritt von Wasserstoff, deren Wasserstoffeinlass 20 an der linken Seite durch eine Eintrittsöffnung vorgesehen ist. Der Wasserstoff selbst ist durch den waagerecht nach rechts weisenden Pfeil angedeutet. In der Schließposition 4.1 des Hochdruckeinlass ventils 4 ist der Steuerventilkolben 5 mit seiner oberen, in Richtung auf den Federeinsatz ausgerichteten Ringfläche 25 in eine Kammer 23 eingetaucht, welche zur Außenseite über eine Entlüftungsbohrung 24 verbunden ist. Beim Eintauchen des Steuerventilkolbens 5 mit seiner oberen Ringfläche 25 des zylindrischen Führungskolbens 5.3 wird unverdichtete Luft aus der dort vorgesehenen Kammer 23 (siehe Figur 2) über die Entlüftungsbohrung 24 her ausgedrückt. Figure 1 shows the closed position 4.1 of the high pressure inlet valve 4. In the outflow cross section 18 (see Figure 2) closes a closing plate 5.5 in the manner of a poppet valve with a conical seat 17 formed in the housing 6 (see Figure 2) and thereby prevents the passage of hydrogen , the hydrogen inlet 20 of which is provided on the left side through an inlet opening. The hydrogen itself is indicated by the arrow pointing horizontally to the right. In the closed position 4.1 of the high-pressure inlet valve 4, the control valve piston 5 is immersed with its upper annular surface 25, which is aligned in the direction of the spring insert, into a chamber 23 which is connected to the outside via a vent hole 24. When the control valve piston 5 with its upper annular surface 25 of the cylindrical guide piston 5.3 is immersed, uncompressed air is expelled from the chamber 23 provided there (see FIG. 2) via the vent hole 24.
Ein wesentliches Kriterium für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Hochdruckein lassventils 4 besteht darin, dass die dem Durchtrittskanal zugewandte Ringfläche 25 einen zweiten Druckbeaufschlagungsbereich 26 bildet und der Schließteller 5.5 des Tellerventils, welches dem Durchtrittsbereich 28 für den Wasserstoff zugewandt ist, einen ersten Druck beaufschlagungsbereich 27 bildet. Der erste Druckbeaufschlagungsbereich 27 bildet eine projizierte Fläche, welche senkrecht zur Längsachse des Steuerventilkolbens 5 ausgebildet ist, und weist eine Größe auf, welche ungefähr gleich der projizierten Fläche der Ringflä che 25 am zylindrischen Führungskolben 5.3 des Steuerventils 5 ist, d.h. nahezu gleich oder gleich der projizierten Fläche des zweiten Druckbeaufschlagungsbereichs 26 ist. Aufgrund dieser Flächengleichheit der projizierten Flächen sind keine relevanten resultierenden Axial kräfte vorhanden, und zwar unabhängig von der Höhe des Druckes des Wasserstoffs, wel cher für den Einlass in den Brennraum 1 einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Der Steuerventilkolben 5 selbst wird mittels eines Nockens, einer Nockenwelle oder einer anderen Antriebseinrichtung oder beispielsweise einer elektromagnetischen Betätigungsein richtung gegen die Federkraft FN aus seiner Schließposition 4.1 in seine Durchlasspositi on 4.2 gedrückt und bei freigegebenem Nocken durch die Wirkung der Federkraft FN ent-
sprechend ihrer Stärke rasch wieder in die Schließposition 4.1 gebracht, in welcher der Schließteller 5.5 des Tellerventils an der kegelförmigen Sitzfläche 17 anschlägt und dort ab dichtet (siehe auch Figur 13). In Figur 1 weist der Schaft 5.4 des Steuerventilkolbens 5 des Hochdruckeinlassventils 4 einen Steuerventilkolben mit einem Hohlraum auf, d.h. hat einen hohlen Schaft (siehe Figur 2a). Der Einfachheit halber ist die im Schaft des Steuerventilkol bens 5 vorgesehene, axial sich erstreckende Bohrung in Figur 2 und in Figur 3 nicht gezeigt. Der Hohlraum in Inneren des Schaftes 5.4 des Steuerventilkolbens 5 erstreckt sich im We sentlichen über eine möglichst große Länge des Schaftes 5.4. Damit wird einerseits erreicht, dass für den Einsatz im Wasserstoffbetrieb eine deutliche Gewichtsreduzierung realisiert wird. In Verbindung mit dem schematisch eingezeichneten elektromagnetischen Antrieb 9 können wegen des reduzierten Gewichtes des Steuerventilkolbens 5 sehr kurze Reaktions zeiten und somit auch hohe Schaltfrequenzen realisiert werden, welche für insbesondere den Wasserstoffbetrieb erforderlich sind. Zusätzlich ist in dem dem Brennraum zugewandten unteren Ende des Steuerventilkolbens 5 eine Keramikbeschichtung vor allem im ersten Druckbeaufschlagungsbereich 27 vorgesehen. Aus Gründen weiterer Gewichtseinsparung ist es auch möglich, dass der gesamte Steuerventilkolben 5 aus Keramik besteht. An essential criterion for the functioning of the high pressure inlet valve 4 according to the invention is that the annular surface 25 facing the passage channel forms a second pressure application area 26 and the closing plate 5.5 of the poppet valve, which faces the passage area 28 for the hydrogen, forms a first pressure application area 27. The first pressurization area 27 forms a projected area which is perpendicular to the longitudinal axis of the control valve piston 5, and has a size which is approximately equal to the projected area of the Ringflä surface 25 on the cylindrical guide piston 5.3 of the control valve 5, ie almost the same or equal to projected area of the second pressurizing area 26 is. Due to this equality of area of the projected areas, no relevant resulting axial forces are present, regardless of the level of the pressure of the hydrogen wel cher is provided for the inlet into the combustion chamber 1 of an internal combustion engine. The control valve piston 5 itself is pressed against the spring force F N from its closed position 4.1 into its passage position 4.2 by means of a cam, a camshaft or some other drive device or, for example, an electromagnetic actuating device, and when the cam is released, the action of the spring force F N depresses it. speaking of its strength quickly brought back into the closed position 4.1, in which the closing plate 5.5 of the poppet valve strikes the conical seat surface 17 and seals there (see also FIG. 13). In FIG. 1, the shaft 5.4 of the control valve piston 5 of the high pressure inlet valve 4 has a control valve piston with a cavity, ie has a hollow shaft (see FIG. 2a). For the sake of simplicity, the axially extending bore provided in the shaft of the control valve piston 5 is not shown in FIG. 2 and in FIG. The cavity in the interior of the shaft 5.4 of the control valve piston 5 extends essentially over the greatest possible length of the shaft 5.4. On the one hand, this means that a significant weight reduction is achieved for use in hydrogen operation. In connection with the schematically drawn electromagnetic drive 9, very short reaction times and thus high switching frequencies can be realized due to the reduced weight of the control valve piston 5, which are necessary for hydrogen operation in particular. In addition, a ceramic coating is provided in the lower end of the control valve piston 5 facing the combustion chamber, especially in the first pressure application area 27. For reasons of further weight savings, it is also possible for the entire control valve piston 5 to consist of ceramic.
Figur 2 stellt das Hochdruckeinlassventil 4 dar, bei welchem sich der Steuerventilkolben 5 jedoch in der Durchlassposition 4.2 befindet, welche mit dem Pfeil in dem Ausströmquer- schnitt 18 angedeutet ist. Bei geöffnetem Ausströmquerschnitt 18 ist der Durchtrittsbe reich 28 für den Wasserstoff freigegeben, sodass der Wasserstoff mit hohem Druck und da mit auch hoher Strömungsgeschwindigkeit zwischen Dichtsitz 17 und Schließteller 5.5 hin durchströmt und in den Brennraum 1 (nicht dargestellt) der Verbrennungskraftmaschine ge langt. Deutlich sichtbar ist die bei um den Öffnungshub 21 nach unten gedrücktem Steuer ventilkolben 5 an der Oberseite des zylindrischen Führungskolbens 5.3 in Richtung auf den Federeinsatz mit der Feder 22 ausgebildete Kammer 23. Diese Kammer 23 ist mit einer Ent lüftungsbohrung 24 versehen, sodass bei erfolgendem Schließen der zylindrische Führungs kolben 5.3 mit seiner oberen Ringfläche in diese Kammer 23 eintaucht und die dort befindli che unverdichtete Luft über die Entlüftungsbohrung 24 nach außen drückt. Der Durchmesser dieser Entlüftungsbohrung 24 ist nun so gewählt, dass keine nennenswerten Drosseleffekte auftreten, damit beim Eintauchen des zylindrischen Führungskolbens 5.3 in die Kammer 23 (beim Schließen des Ventils) kein einen hohen Widerstand bildendes Druckpolster entsteht, sondern lediglich ein gewisses Dämpfungspolster entsteht. FIG. 2 shows the high-pressure inlet valve 4 in which the control valve piston 5 is, however, in the passage position 4.2, which is indicated by the arrow in the outflow cross-section 18. When the outflow cross-section 18 is open, the passage area 28 is cleared for the hydrogen, so that the hydrogen flows through between the sealing seat 17 and closing plate 5.5 at high pressure and also at a high flow rate and reaches the combustion chamber 1 (not shown) of the internal combustion engine. Clearly visible is the chamber 23 formed when the control valve piston 5 is pressed down by the opening stroke 21 on the top of the cylindrical guide piston 5.3 in the direction of the spring insert with the spring 22. This chamber 23 is provided with a vent hole 24 so that when closing takes place the cylindrical guide piston 5.3 dips with its upper annular surface into this chamber 23 and presses the uncompressed air there located via the vent hole 24 to the outside. The diameter of this vent hole 24 is now selected so that no throttling effects worth mentioning occur, so that when the cylindrical guide piston 5.3 is immersed into the chamber 23 (when the valve is closed) there is no high resistance forming pressure cushion, but only a certain damping cushion.
In Figur 2a ist der Steuerventilkolben 5 zur Gewichtsreduzierung hohl ausgebildet und weist einen Hohlraum 44 im Inneren des Schaftes und des Tellers auf. Zur Erzielung einerweite ren Gewichtsreduzierung ist der Führungskolben 5.3 an seinen Stirnseiten 25, 26 jeweils mit
gewichtsreduzierenden Aussparungen 43 versehen. Durch diese Aussparungen 43 ist es möglich, dass der Führungskolben 5.3 in seiner Längserstreckung auch noch bei stark redu zierter Masse relativ lang ausgeführt werden kann, was eine verbesserte Dichtwirkung zwi schen der Kolbenseitenfläche 15 und der Führungsfläche 16 (siehe beispielsweise Figur 1) zur Folge hat. In Figure 2a, the control valve piston 5 is designed to be hollow to reduce weight and has a cavity 44 in the interior of the shaft and the plate. In order to achieve a further reduction in weight, the guide piston 5.3 is in each case with its end faces 25, 26 Weight-reducing recesses 43 provided. Through these recesses 43 it is possible that the longitudinal extension of the guide piston 5.3 can be made relatively long even with greatly reduced mass, which results in an improved sealing effect between the piston side surface 15 and the guide surface 16 (see, for example, FIG. 1) .
In Figur 3 ist eine Schnittansicht durch eine Schnittebene durch das Ventil parallel zur Ventil tellerebene gezeigt, welche radial vom Schaft 5.4 verlaufende Führungsstege 29 zwischen dem Schaft 5.4 und dem Gehäuse 6 zeigen. Diese Führungsstege 29 gewährleisten eine zusätzliche Stabilität für eine exakte axiale und zusätzlich eine radiale Führung des Steuer ventilkolbens 5 im Gehäuse 6, was von Bedeutung ist für ein zuverlässiges Abdichten der zylindrischen Kolbenseitenflächen 15 des zylindrischen Führungskolbens 5.3 an den eben falls zylindrisch entsprechend ausgebildeten passgenauen Führungsflächen 16 im Gehäu se 6. Über diese exakte Ausbildung dieser beiden relativ zueinander gleitenden Flä chen 15,16 wird die Dichtheit des Ventils im Inneren gewährleistet bzw. weiter verbessert. FIG. 3 shows a sectional view through a sectional plane through the valve parallel to the valve plate plane, which shows guide webs 29 extending radially from the shaft 5.4 between the shaft 5.4 and the housing 6. These guide webs 29 ensure additional stability for an exact axial and additionally a radial guidance of the control valve piston 5 in the housing 6, which is important for a reliable sealing of the cylindrical piston side surfaces 15 of the cylindrical guide piston 5.3 on the likewise cylindrical, appropriately designed, precisely fitting guide surfaces 16 in the hous se 6. Via this exact design of these two surfaces 15, 16 sliding relative to one another, the tightness of the valve inside is ensured or further improved.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochdruckeinlass ventils 4, bei welchem der Steuerventilkolben 5 zwei zylindrisch ausgebildete Führungskol ben 5.3 aufweist, welche in entsprechenden formkongruenten Führungsflächen 16 geführt sind. Dazu sind im Inneren des Gehäuses 6 drei formkongruent ausgebildete zylindrische Führungsflächen 16 vorgesehen. Figur 5 zeigt die Schließposition 4.1 des Steuerventilkol bens 5 innerhalb des Gehäuses 6. Der bezüglich Figuren 1 und 2 erläuterte Grundaufbau mit dem Federeinsatz ist identisch und wird daher hier nicht weiter erneut ausgeführt. FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention, in which the control valve piston 5 has two cylindrically designed guide pistons 5.3, which are guided in corresponding guide surfaces 16 of congruent shape. For this purpose, three cylindrical guide surfaces 16 of congruent shape are provided in the interior of the housing 6. FIG. 5 shows the closed position 4.1 of the control valve piston 5 within the housing 6. The basic structure explained with reference to FIGS. 1 and 2 with the spring insert is identical and will therefore not be repeated here.
In der in Figur 4 dargestellten Schließposition 4.1 ist der in seiner axialen Länge größere zylindrische Führungskolben 5.3, welcher im unteren Teil des dargestellten Hochdruckein lassventils 4 gezeigt ist, zum Öffnen und Schließen der eigentlichen axialen Wasserstoff- Einblasbohrung 13 vorgesehen. Dazu sind im Gehäuse 6 in der in Figur 4 gezeigten Schließposition 4.1 die Zuführleitungen kranzartig im Umfang der dem Brennraum zugeführ ten Stirnseite 25 des Hochdruckeinlassventils 4 angeordnete Einblasbohrungen 13 mit den zylindrischen Führungsflächen 16 abgedeckt, sodass ein Durchtritt des Wasserstoffs von der Wasserstoff-Einlassleitung 20 her gesperrt ist. In the closed position 4.1 shown in FIG. 4, the axial length of the larger cylindrical guide piston 5.3, which is shown in the lower part of the high-pressure inlet valve 4 shown, is provided for opening and closing the actual axial hydrogen injection bore 13. For this purpose, in the housing 6 in the closed position 4.1 shown in FIG Is blocked.
Unterhalb der Kolbenoberseite ist eine Kammer 23 ausgebildet, in welche zum Freigeben der axialen Einblasbohrungen 13 der untere zylindrische Führungskolben 5.3 eintaucht. Da mit sich kein Gegendruck in der in der Kammer 23 vorhandenen Luft ausbildet, sind eine Entlüftungsbohrung 24 im Inneren längs der Längsachse des Steuerventilkolbens 5 und ra-
dial im Gehäuse 6 vorgesehen. Bei entsprechender Dimensionierung der Entlüftungsboh rung 24 kann ein Drosseln weitestgehend vermieden werden, jedoch trotzdem noch sicher gestellt werden, dass eine gewisse Dämpfungsfunktion aufgebaut wird. Die Dämpfungsfunk tion verhindert, dass ein hartes Aufschlagen der Oberseite, im Fall der Darstellung gemäß Figur 4, des oberen zylindrischen Führungskolbens 5.3 im Inneren des Gehäuses 6 am Bo den der Kammer 23 auftritt. Die dem Durchtrittsbereich 28 zugewandten Ringflächen 25, d.h. erster und zweiter Druckbeaufschlagungsbereich 27,26 der zylindrischen Führungskol ben 5.3 des Steuerventilkolbens 5, sind so dimensioniert, dass sie gleich groß sind. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig vom Druck, mit welchem der Wasserstoff in den Durchtritts bereich 28 im Inneren des Gehäuses 6 des Hochdruckeinlassventils 4 eintritt, keine zusätzli chen resultierenden axialen Kräfte hervorgerufen werden. Damit kann unabhängig vom Druck des in den Brennraum 1 einzulassenden Wasserstoffes das Hochdruckeinlassventil 4 lediglich mit einem entsprechenden Antrieb, beispielsweise eines Nockens oder einer No ckenwelle oder einer elektromagnetischen Betätigung 9, gegen die Wirkung der Feder 22 geöffnet und unter Nutzung der Feder 22 geschlossen werden. Underneath the top of the piston, a chamber 23 is formed, into which the lower cylindrical guide piston 5.3 dips to release the axial injection bores 13. Since no counterpressure is formed in the air present in the chamber 23, a vent hole 24 is provided in the interior along the longitudinal axis of the control valve piston 5 and ra- dial provided in the housing 6. With appropriate dimensioning of the vent hole 24, throttling can largely be avoided, but it can still be ensured that a certain damping function is built up. The damping function prevents hard hitting of the upper side, in the case of the illustration according to FIG. 4, of the upper cylindrical guide piston 5.3 in the interior of the housing 6 on the bottom of the chamber 23. The annular surfaces 25 facing the passage area 28, ie first and second pressure application areas 27, 26 of the cylindrical guide piston 5.3 of the control valve piston 5, are dimensioned so that they are of the same size. This ensures that regardless of the pressure at which the hydrogen enters the passage area 28 inside the housing 6 of the high-pressure inlet valve 4, no additional resulting axial forces are caused. Thus, regardless of the pressure of the hydrogen to be admitted into the combustion chamber 1, the high-pressure inlet valve 4 can only be opened with a corresponding drive, for example a cam or camshaft or an electromagnetic actuator 9, against the action of the spring 22 and closed using the spring 22.
In Figur 5 ist gezeigt, wie diese durch einen Nocken oder eine elektromagnetische Betäti gung aufgebrachte Öffnungskraft FN den Steuerventilkolben 5 in die Kammer 23 eintaucht, sodass die zu den axialen Einblasbohrungen 13 führenden radial-gerichteten Zuführbereiche in der Art einer Ringkammer geöffnet sind und der Wasserstoff aus dem Ausströmquer- schnitt 18 in den Zylinder bzw. Brennraum 1 der Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden kann. Durch das Öffnen des Hochdruckeinlassventils 4 bildet sich die Kammer 23 am oberen zylindrischen Führungskoben 5.3 zur Führung des Steuerventilkolbens 5 im Ge häuse 6 an der entsprechenden Führungsfläche 16 aus. Auch diese Kammer 23 ist mit einer Entlüftungsbohrung 24 verbunden, sodass bei Ausführen der Schließbewegung durch das Steuerventil 5, d.h. in der Zeichnung bei einem Bewegen nach oben, die in der Kammer 23 befindliche Luft über die Entlüftungsbohrung 24 entweichen kann. Vorzugsweise sind die axialen Einblasbohrungen 13 äquidistant angeordnet; es kann jedoch auch eine unregelmä ßige Anordnung vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn dadurch die Luftströmung in den Brennraum 1 zur Verbesserung der Gemischbildung verwendet werden soll. FIG. 5 shows how this opening force F N, applied by a cam or an electromagnetic actuator, dips the control valve piston 5 into the chamber 23, so that the radially directed feed areas leading to the axial injection bores 13 are opened in the manner of an annular chamber and the Hydrogen can be introduced from the outflow cross-section 18 into the cylinder or combustion chamber 1 of the internal combustion engine. By opening the high pressure inlet valve 4, the chamber 23 is formed on the upper cylindrical guide piston 5.3 for guiding the control valve piston 5 in the housing 6 on the corresponding guide surface 16. This chamber 23 is also connected to a vent hole 24 so that the air in the chamber 23 can escape via the vent hole 24 when the closing movement is carried out by the control valve 5, ie when moving upward in the drawing. The axial injection bores 13 are preferably arranged equidistantly; however, an irregular arrangement can also be provided, in particular if the air flow into the combustion chamber 1 is intended to be used to improve the mixture formation.
Figur 6 zeigt eine Detailschnittansicht des Bereiches der axialen Einblasbohrungen 13, d.h. des unteren Bereiches des Hochdruckeinlassventils 4, bei welchem in Abweichung zu der Ausführungsform gemäß Figur 4 und Figur 5 die Einblasbohrungen 13 bezüglich der Längs achse des Steuerventilkolbens 5 divergierend angeordnet sind. Die anderen geometrischen Gegebenheiten entsprechen denen der Figuren 4 und 5.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel in Form eines Detailbereiches gemäß Figur 6 darge stellt, wobei jedoch die Einblasbohrungen 13, bezogen auf die Längsachse des Steuerventil kolbens 5, konvergierend angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass bei einer einzi gen Ausführungsform, bezogen auf die Längsachse des Steuerventilkolbens 5, sowohl di vergierende als auch konvergierende Einblasbohrungen 13 vorgesehen sind. FIG. 6 shows a detailed sectional view of the area of the axial injection bores 13, ie the lower area of the high pressure inlet valve 4, in which, in contrast to the embodiment according to FIG. 4 and FIG. 5, the injection bores 13 are arranged diverging with respect to the longitudinal axis of the control valve piston 5. The other geometrical conditions correspond to those of FIGS. 4 and 5. In Figure 7, an embodiment in the form of a detailed area according to Figure 6 is Darge, but the injection bores 13, relative to the longitudinal axis of the control valve piston 5, are arranged converging. However, it is also possible that in a single embodiment, based on the longitudinal axis of the control valve piston 5, both divering and converging injection bores 13 are provided.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochdruckeinlass ventils 4, dessen Grundaufbau bezüglich Gehäuse 6 und Federeinsatz den bisherigen Aus führungsbeispielen entspricht, sodass diese Teile nicht näher hier erneut beschreiben wer den. Das gezeigte Hochdruckeinlassventil 4 befindet sich in seiner Schließposition 4.1 des Steuerventilkolbens 5. Der Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Wasserstoff-Einlassleitung und der Ausströmquerschnitt 18 in bezüglich der Längsachse des Gehäuses 6 des Hochdruckeinlassventils 4 unterschiedlichen Ebenen an geordnet sind. Dabei liegt der Wasserstoff unter hohem Druck an der Wasserstoff- Einlassleitung 20, von einer nicht dargestellten Hochdruckleitung kommend, an. In der Schließposition 4.1 deckt der untere zylindrische Führungskolben 5.3 diesen Durchtrittsbe reich 28 ab, sodass kein Wasserstoff in den Durchtrittsbereich 28 und schließlich in den Brennraum 1 (siehe Figur 10) des Zylinders gelangen kann. Dem Durchtrittsbereich 28 zu gewandt sind zwei Ringflächen 25, welche die gleiche Größe haben, sodass unabhängig vom Druck des zugeführten Wasserstoffs keine resultierenden Axialkräfte vorhanden sind. Eine Verschiebung des Steuerventilkolbens 5 ist damit lediglich gegen die Kraft der Feder 22 aufzubringen. Unterhalb der Vorderseite des großen zylindrischen Führungskolbens 5.3 be findet sich wiederum die Kammer 23, sodass beim Verschieben des Steuerventilkolbens 5 ein Eintauchen in die Kammer 23 erfolgt und damit letztlich bei Ausführen des Öffnungshu bes 21 die in Figur 9 gezeigte Durchlassposition 4.2 des Steuerventilkolbens 5 erreicht wird. In der Durchlassposition 4.2 kann der Wasserstoff über die Wasserstoff-Einlassleitung 20 von der unteren Ebene zur oberen Ebene der Ausnehmung des Durchtrittsbereiches 28 in das Gehäuse 6 und schließlich zu dem Ausströmquerschnitt 18 strömen, von wo aus der Wasserstoff direkt in den Brennraum 1 der Verbrennungskraftmaschine (nicht gezeigt) oder indirekt über eine Einlassleitung in den Brennraum 1 strömen kann. FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a high-pressure inlet valve 4 according to the invention, the basic structure of which with regard to housing 6 and spring insert corresponds to the previous exemplary embodiments, so that these parts are not described again here. The high-pressure inlet valve 4 shown is in its closed position 4.1 of the control valve piston 5. The difference to the previous exemplary embodiments is that the hydrogen inlet line and the outflow cross-section 18 are arranged in different planes with respect to the longitudinal axis of the housing 6 of the high-pressure inlet valve 4. In this case, the hydrogen is present under high pressure on the hydrogen inlet line 20, coming from a high-pressure line (not shown). In the closed position 4.1, the lower cylindrical guide piston 5.3 covers this passage area 28 so that no hydrogen can get into the passage area 28 and finally into the combustion chamber 1 (see FIG. 10) of the cylinder. Facing the passage area 28 are two ring surfaces 25 which are of the same size, so that no resulting axial forces are present regardless of the pressure of the supplied hydrogen. A displacement of the control valve piston 5 can therefore only be applied against the force of the spring 22. Below the front of the large cylindrical guide piston 5.3 there is again the chamber 23, so that when the control valve piston 5 is moved, it plunges into the chamber 23 and thus ultimately the passage position 4.2 of the control valve piston 5 shown in FIG. 9 is reached when the opening stroke 21 is executed . In the passage position 4.2, the hydrogen can flow via the hydrogen inlet line 20 from the lower level to the upper level of the recess of the passage area 28 into the housing 6 and finally to the outflow cross-section 18, from where the hydrogen flows directly into the combustion chamber 1 of the internal combustion engine ( not shown) or can flow indirectly via an inlet line into the combustion chamber 1.
Damit eine zuverlässige Führung des Steuerventilkolbens 5 im Gehäuse 6 gewährleistet ist, ist der untere größere zylindrische Führungskolben 5.3 bis in die Kammer 23 hinein an form kongruent ausgebildeten Führungsflächen 16 geführt. Bei der Schließposition 4.1 gemäß Figur 8 ist dieser zylindrische Führungskolben 5.3 dann in dem unteren Bereich und in dem Zwischenbereich an entsprechenden Führungsflächen 16 geführt, wobei der Zwischenbe reich zwischen der unteren Ebene an der Wasserstoff-Einlassleitung 20 und dem Durch-
trittsbereich 28 in der oberen Ebene am Ausströmquerschnitt 18 angeordnet ist. Und schließ lich ist der kleinere zylindrische Führungskolben 5.3 der obere, welcher in Richtung auf den Federeinsatz angeordnet ist, an einem dritten Führungsabschnitt 16 gleitend geführt. So that reliable guidance of the control valve piston 5 in the housing 6 is ensured, the lower, larger cylindrical guide piston 5.3 is guided into the chamber 23 on guide surfaces 16 of congruent shape. In the closed position 4.1 according to FIG. 8, this cylindrical guide piston 5.3 is then guided in the lower area and in the intermediate area on corresponding guide surfaces 16, the intermediate area being between the lower level on the hydrogen inlet line 20 and the passage step area 28 is arranged in the upper level on the outflow cross-section 18. And finally, the smaller cylindrical guide piston 5.3, the upper one, which is arranged in the direction of the spring insert, is slidably guided on a third guide section 16.
Während Figur 8 das Hochdruckeinlassventil 4 in seiner Schließposition 4.1 zeigt, ist in Fi gur 9 dessen Durchlassposition 4.2 dargestellt. While FIG. 8 shows the high pressure inlet valve 4 in its closed position 4.1, its passage position 4.2 is shown in FIG.
Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie ein erfindungsgemäßes Hochdruckeinlassventil 4 im Zylinderkopf 30 einer Verbrennungskraftmaschine in deren Einlassleitung 7 angeordnet werden kann. Das Hochdruckeinlassventil 4 ist mittels eines nicht dargestellten Nockens, welcher vorzugsweise zu einer Nockenwelle gehört, angetrieben, kann aber natürlich auch mit einem elektromagnetischen Aktuator angetrieben sein, sodass im Falle eines Nockenwel lenantriebs bei Eingriff des Nockens die im Federeinsatz vorhandene Feder 22 zusammen gedrückt werden kann. Das Zusammendrücken der Feder 22 und damit das Öffnen des Hochdruckeinlassventils werden gleichermaßen durch einen elektromagnetischen Aktuator 9 erreicht. Durch das Zusammendrücken der Feder 22 gelangt der Wasserstoff, welcher über die Hochdruckleitung 32 zur Wasserstoff-Einlassleitung 20 geführt wird und von dort über die dargestellte Durchlassposition 4.2 durch das Hochdruckeinlassventil 4 in dessen Durchtritts bereich 28 zum Ausströmquerschnitt 18 gelangt, über die Einlassleitung 7 und das Einlass ventil 8 mit hohem Druck in den Brennraum 1. Dies ist durch die Pfeile angedeutet, welche die Wasserstoffströmung des unter hohem Druck stehenden Wasserstoffes und auch die Verbrennungsluft charakterisiert. Links an der Oberseite der Figur 10 ist ein Auslassventil 33 gezeigt, welches sich im geschlossenen Zustand befindet, sodass der gasförmige Kraftstoff nicht in die Abgasleitung entweichen kann. Im Zylinder 3 ist ein Kolben 2 gezeigt, welcher mittels eines Kolbenbolzens 34 und eines Pleuels 35 mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle verbunden ist. Das Hochdruckeinlassventil 4 kann nun vorzugsweise so gesteuert werden, dass im Grunde genommen bei nahezu jeder beliebigen Position bei der Bewegung des Kol bens 2 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt einzelne Mengen an Wasserstoff zeit mäßig gezielt in Zusammenhang mit der Steuerung des Einlassleitungsventils 46 in den Zy linder gefüllt werden können. FIG. 10 shows an exemplary embodiment of how a high-pressure inlet valve 4 according to the invention can be arranged in the cylinder head 30 of an internal combustion engine in its inlet line 7. The high-pressure inlet valve 4 is driven by means of a cam, not shown, which preferably belongs to a camshaft, but can of course also be driven by an electromagnetic actuator so that in the case of a camshaft drive, the spring 22 present in the spring insert can be compressed when the cam engages . The compression of the spring 22 and thus the opening of the high-pressure inlet valve are likewise achieved by an electromagnetic actuator 9. By compressing the spring 22, the hydrogen, which is guided via the high-pressure line 32 to the hydrogen inlet line 20 and from there via the illustrated passage position 4.2 through the high-pressure inlet valve 4 in its passage area 28 to the outflow cross-section 18, arrives via the inlet line 7 and the Inlet valve 8 with high pressure into the combustion chamber 1. This is indicated by the arrows, which characterize the hydrogen flow of the hydrogen under high pressure and also the combustion air. On the left at the top of FIG. 10, an outlet valve 33 is shown, which is in the closed state so that the gaseous fuel cannot escape into the exhaust line. In the cylinder 3, a piston 2 is shown, which is connected to a crankshaft, not shown, by means of a piston pin 34 and a connecting rod 35. The high-pressure inlet valve 4 can now preferably be controlled in such a way that basically at almost any position during the movement of the piston 2 from bottom dead center to top dead center, individual amounts of hydrogen are specifically targeted in connection with the control of the inlet line valve 46 in the Zy can be filled linder.
Und schließlich zeigt Figur 11 einen Zylinder 3 mit Zylinderkopf 30 gemäß Figur 10, jedoch mit sowohl einem Hochdruckeinlassventil 4 als auch einem Injektor 10. Das Hochdruckein lassventil 4 ist im Zylinderkopf 30 in seiner Durchlassposition 4.2 so angeordnet, dass Was serstoff direkt in den Zylinder 3 zusammen mit der Verbrennungsluft aus der Einlassleitung 7 über den Ausströmquerschnitt 18 in relativ großen Mengen eingeblasen werden kann. Zu sätzlich ist der Injektor 10, an welchen eine Hochdruckleitung für Wasserstoff angeschlossen
ist und welche in der Durchlassposition 4.2 des Injektors 10 Wasserstoff indirekt in den Brennraum 1 über die Einlassleitung 7 in gezielten Mengen zu gewünschten Zeitpunkten zur direkten Beeinflussung des späteren Gemischbildung und Verbrennung im Brennraum 1 zu führt. Der Kolben 2 im Zylinder 3 ist mittels seines Pleuels 35 und über den Kolbenbolzen 34 mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) verbunden. And finally, FIG. 11 shows a cylinder 3 with a cylinder head 30 according to FIG. 10, but with both a high-pressure inlet valve 4 and an injector 10. The high-pressure inlet valve 4 is arranged in the cylinder head 30 in its passage position 4.2 so that hydrogen flows directly into the cylinder 3 can be blown in together with the combustion air from the inlet line 7 via the outflow cross-section 18 in relatively large quantities. In addition, the injector 10, to which a high pressure line for hydrogen is connected and which in the passage position 4.2 of the injector 10 leads hydrogen indirectly into the combustion chamber 1 via the inlet line 7 in targeted amounts at the desired times to directly influence the subsequent mixture formation and combustion in the combustion chamber 1. The piston 2 in the cylinder 3 is connected to a crankshaft (not shown) by means of its connecting rod 35 and via the piston pin 34.
In Figur 12a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hochdruckeinlassventils 4 gemäß der Erfindung gezeigt. In Figur 12b ist dieses Hochdruckeinlassventil 4 in geöffneter Position dargestellt. Die in Figur 12a gezeigte geschlossene Position des Hochdruckeinlassventils 4 wird erreicht in der Position des Steuerventilkolbens 5, bei welcher im Inneren des Gehäu ses 6 die Wasserstoff-Einlassleitung 20 abschließt, wobei bei dessen Öffnung Wasserstoff unter hohem Druck zugeführt wird, und zwar in einem Ventilsitz dichtend sitzendem und da mit die Zufuhr von Wasserstoff in den Brennraum 1 ebenfalls abdichtend angeordneten Ven tilteller bzw. Schließteller 5.5 eines Tellerventils. Der Schließteller 5.5 des Tellerventils geht in üblicher Weise für derartige Ventile, welche im Zylinderkopf 30 von Verbrennungskraftma schinen verwendet werden, kontinuierlich in den Schaft 5.4 über. Der Steuerventilkolben 5 weist im Bereich des im Gehäuses 6 befindlichen Schaftes 5.4 einen zylindrischen Füh rungskolben 5.3 bzw. eine Führungsfläche 16 auf, welche eine Ringfläche 25 ausbildet, wel che in Richtung auf den Durchtrittsbereich 28 weist. Auf einer der Ringfläche 25 gegenüber liegenden Seite weist der Schaft 5.4 einen Schließteller 5.5 des Tellerventils auf, welcher vorzugsweise mit einem Winkel von 45 Grad einen Dichtsitz 17 bzw. Ventilsitz 17 mit dem Gehäuse 6 bildet. In Figure 12a, a further embodiment of the high pressure inlet valve 4 is shown according to the invention. In Figure 12b, this high pressure inlet valve 4 is shown in the open position. The closed position of the high-pressure inlet valve 4 shown in FIG. 12a is reached in the position of the control valve piston 5, in which the hydrogen inlet line 20 closes off inside the housing 6, and when it opens, hydrogen is supplied under high pressure, namely in a valve seat sealingly seated and there with the supply of hydrogen in the combustion chamber 1 also sealingly arranged Ven tilteller or closing plate 5.5 of a poppet valve. The closing plate 5.5 of the poppet valve goes in the usual way for such valves, which are used in the cylinder head 30 of internal combustion engines, continuously in the shaft 5.4. The control valve piston 5 has in the area of the shaft 5.4 located in the housing 6 a cylindrical guide piston 5.3 or a guide surface 16, which forms an annular surface 25 which faces in the direction of the passage area 28. On a side opposite the annular surface 25, the shaft 5.4 has a closing plate 5.5 of the poppet valve, which preferably forms a sealing seat 17 or valve seat 17 with the housing 6 at an angle of 45 degrees.
Die Dichtkraft diese Ventilsitzes 17 wird durch die Feder 22 gewährleistet, welcher mittels eines jochartigen Stützringes 37 in dem Gehäuse 6 unter Vorspannung gehalten ist. Die Ringfläche 25 und die wirksame in eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Steuerventil kolbens 5 projizierte Fläche des Schließtellers 5.5 des Tellerventils sind beide gleich groß, sodass der Druck des Wasserstoffs, welcher in den Durchtrittsbereich 28 zum Einträgen in den Zylinder 1 bei geöffnetem Hochdruckeinlassventil 4 (siehe Figur 12b) gelangt, die Druckbeaufschlagungsflächen 27 und 26 ohne nennenswerte resultierende Flächen gegen einander belastet. Dadurch wird ohne zusätzliche Kräfte zur Druckfeder 22 ein Verschieben des Steuerventilkolbens 5 im Gehäuse 6 realisiert. Im Bereich des Schaftes 5.4 weist der Steuerventilkolben 5 einen zusätzlichen Kolben 38 auf, welcher ebenfalls eine zylindrische Führungsfläche 15 an seinem Außenumfang aufweist, welcher an entsprechenden formkon gruent gestalteten Führungsabschnitten 16 im Gehäuse 6 geführt ist. Die axiale Abmessung dieses zusätzlichen Kolbens 38 ist nun derart, dass in der Position, wie sie in Figur 12a ge zeigt ist, d.h. in welcher die Zufuhr von Wasserstoff gesperrt ist, der zusätzliche Kolben 38
den Querschnitt der Zufuhrleitung des Wasserstoffes hohen Druckes unterbricht. Dazu sind der zusätzliche Kolben 38 wie auch die Führungskolben 5.3 bzw. Führungsflächen 15,16 eingeschliffen, um eine entsprechende Dichtkraft und Dichtigkeit zu gewährleisten. Eine zweite Dichtfläche ergibt sich im Ventilsitz 17 des Tellerventils, wobei die Dichtkraft durch die Federkraft der Feder 22 bestimmt wird. Zwischen der in der Figur 12a gezeigten Oberseite des Führungskolbens 5.3, welche auf die Seite mit der Feder 22 von Hochdruck eines Ven tils weist, ist ein Druckraum ausgebildet, welcher bei entsprechender Kompression, d.h. bei Aufwärtsbewegung des Steuerventilkolbens 5 über eine Entlüftungsbohrung 24 entlüftet werden kann. The sealing force of this valve seat 17 is ensured by the spring 22, which is held under prestress in the housing 6 by means of a yoke-like support ring 37. The annular surface 25 and the effective surface of the closing plate 5.5 of the poppet valve projected in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the control valve piston 5 are both equal, so that the pressure of the hydrogen which enters the passage area 28 for entry into the cylinder 1 when the high pressure inlet valve 4 is open ( see FIG. 12b), the pressure application surfaces 27 and 26 are loaded against one another without significant resulting surfaces. As a result, the control valve piston 5 is displaced in the housing 6 without additional forces to the compression spring 22. In the area of the shaft 5.4, the control valve piston 5 has an additional piston 38, which also has a cylindrical guide surface 15 on its outer circumference, which is guided on correspondingly shaped guide sections 16 in the housing 6. The axial dimension of this additional piston 38 is now such that in the position as shown in FIG. 12a, ie in which the supply of hydrogen is blocked, the additional piston 38 interrupts the cross-section of the high pressure hydrogen supply line. For this purpose, the additional piston 38 as well as the guide piston 5.3 or guide surfaces 15, 16 are ground in to ensure a corresponding sealing force and tightness. A second sealing surface results in the valve seat 17 of the poppet valve, the sealing force being determined by the spring force of the spring 22. A pressure chamber is formed between the upper side of the guide piston 5.3 shown in FIG .
Bei einer entsprechenden, gegen die Federkraft der Feder 22 wirkenden Kraft zur Verstel lung des Schiebeventilkolbens 5 im Gehäuse 6 wird über diese Entlüftungsbohrung 24 Luft wieder eingesaugt, sodass in der zwischen der Oberseite des zylindrischen Führungskol bens 5.3 und dem Gehäuse 6 vorhandener Druckraum 23 nicht ein nennenswerter Unter drück entsteht. With a corresponding force acting against the spring force of the spring 22 to adjust the slide valve piston 5 in the housing 6, air is sucked in again via this vent hole 24, so that the pressure space 23 present between the top of the cylindrical guide piston 5.3 and the housing 6 does not enter significant negative pressure arises.
In Figur 12b ist das Hochdruckeinlassventil 4 gemäß Figur 12a gezeigt, jedoch in der geöff neten Position. Dazu ist der Steuerventilkolben 5 gegen die Wirkung der Federkraft der Fe der 22 in der gezeigten Darstellung nach unten verschoben, sodass der zusätzliche Kol ben 38 den Querschnitt der Wasserstoff-Einlassleitung 20 über den Durchtrittsbereich 28 am Sitzbereich 17 des Schließtellers 5.5 des Tellerventils freigibt und Wasserstoff mit hohem Druck in den Brennraum 1 (nicht gezeigt) eingedrückt werden kann. Die anderen Elemente und Funktionen sind mit denen Figur 12a identisch und werden daher hier nicht nochmals beschrieben. Es ist aus Figur 12b ersichtlich, dass der zusätzliche Kolben 38 an dem in Inne ren des Gehäuses 6, d.h. im Inneren des Durchtrittsbereiches 28, ausgebildeten eingeschlif fenen zylindrischen Führungsflächen 16 gleitend verschoben wird, sodass der unter hohem Druck stehende Wasserstoff letztlich in den Zylinder 1 einströmen kann. In Figure 12b, the high pressure inlet valve 4 according to Figure 12a is shown, but in the opened position. For this purpose, the control valve piston 5 is shifted downward against the action of the spring force of the spring 22 in the illustration shown, so that the additional piston 38 releases the cross section of the hydrogen inlet line 20 via the passage area 28 on the seat area 17 of the closing plate 5.5 of the poppet valve and releases hydrogen can be pressed into the combustion chamber 1 (not shown) with high pressure. The other elements and functions are identical to those in FIG. 12a and are therefore not described again here. It can be seen from FIG. 12b that the additional piston 38 is slidably displaced on the ground cylindrical guide surfaces 16 formed in the interior of the housing 6, ie in the interior of the passage area 28, so that the hydrogen, which is under high pressure, ultimately enters the cylinder 1 can flow in.
Und schließlich ist in Figur 12c eine Schnittansicht durch den Steuerventilkolben 5 in dessen unteren Teil des Schaftes 5.4 mit Blickrichtung entlang des Schnittes A-A (vgl. Figur 12b) auf den zusätzlichen Kolben 38 gezeigt. Der Kolben 38 weist eine zylindrische Kolbenseitenflä che 15 an seinem Außenumfang auf, welche eingeschliffen ist und formkongruent mit den entsprechend im Gehäuse 6 ausgebildeten Führungsflächen 16 dichtend zusammenwirkt. Das Innere des Kolbens 38 ist durch Stege 39, zwischen denen sich Öffnungen 40 befinden, stabil genug gefertigt und ermöglicht so, bei freigegebenem Wasserstoff-Einlass den Was serstoff hindurchströmen zu lassen, um anschließend am Bereich des Ventilsitzes 17 des Schließtellers 5.5 des Tellerventils vorbei in den Brennraum 1 zu strömen. Dies ist durch die
Pfeile, welche den Strömungsweg andeuten, gezeigt. Zusätzlich ist der Steuerventilkolben 5 durch die zylindrischen Kolbenseitenflächen 15 im oberen Teil des Gehäuses 6 zuverlässig und genau geführt, da auch diese Bereiche eingeschliffen sind. And finally, FIG. 12c shows a sectional view through the control valve piston 5 in its lower part of the shaft 5.4, looking towards the additional piston 38 along the section AA (cf. FIG. 12b). The piston 38 has a cylindrical Kolbenseitenflä surface 15 on its outer circumference, which is ground in and cooperates in a congruent shape with the guide surfaces 16 correspondingly formed in the housing 6 in a sealing manner. The interior of the piston 38 is made stable enough by webs 39, between which there are openings 40, and thus enables the hydrogen to flow through when the hydrogen inlet is released, in order then to pass the area of the valve seat 17 of the closing plate 5.5 of the poppet valve the combustion chamber 1 to flow. This is through the Arrows indicating the flow path are shown. In addition, the control valve piston 5 is guided reliably and precisely by the cylindrical piston side surfaces 15 in the upper part of the housing 6, since these areas are also ground in.
Und schließlich zeigt Figur 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die dem Durchtrittsbereich 28 im Inneren des Gehäuses 6 zugewandten wirksamen Druckbeauf schlagungsbereiche 27,26 eine unterschiedliche Größe aufweisen. In Figur 13 ist ein Zu stand des Hochdruckeinlassventils 4 gezeigt, bei welchem durch den Steuerventilkolben 5 die Zufuhr von Wasserstoff in den Brennraum 1 nicht stattfindet. Wegen der Tatsache, dass der als Ringfläche 25 ausgebildete zweite Druckbeaufschlagungsbereich 26 größer ausge bildet ist als der erste Druckbeaufschlagungsbereich 27 am Übergang des Schließtellers 5.5 des Tellerventils zu dessen Schaft 5.4, ist das Gehäuse 6 zweiteilig ausgebildet, damit eine entsprechende Montage des Steuerventilkolbens 5 und des Führungskolbens 5.3 in das In nere des Gehäuses 6 erfolgen kann. Der Führungskolben 5.3 muss durch eine zusätzliche Montage in nicht weiter dargestellter Montage-Ausführungsform auf dem Steuerventilkol ben 5 montiert werden. Ansonsten ist der Grundaufbau analog zu dem in Figur 12 beschrie benen. Dadurch, dass die Fläche des zweiten Druckbeaufschlagungsbereichs 26 größer ist als die des ersten Druckbeaufschlagungsbereichs 27, wird in Verbindung mit dem hohen Druck des Wasserstoffes eine größere Schließkraft des Schließtellers 5.5 des Tellerventils im Bereich von dessen Sitz 17 gewährleistet. Insoweit wird von dem Ungleichgewicht auf Basis der unterschiedlich großen wirksamen Flächen profitiert. Die dadurch erzielte große Kraft gewährleistet eine deutlich verbesserte Dichtleistung des Ventilsitzes 17 während des Betriebes des Motors. Das Prinzip der Funktion eines derartigen Hochdruckventils 4 ist das, welches einem Pneumatikzylinder ähnlich ist. And finally, FIG. 13 shows a further exemplary embodiment in which the effective pressure application areas 27, 26 facing the passage area 28 in the interior of the housing 6 are of different sizes. In FIG. 13, a state of the high pressure inlet valve 4 is shown in which the supply of hydrogen into the combustion chamber 1 through the control valve piston 5 does not take place. Due to the fact that the second pressure application area 26, designed as an annular surface 25, is larger than the first pressure application area 27 at the transition from the closing plate 5.5 of the poppet valve to its shaft 5.4, the housing 6 is designed in two parts, so that a corresponding assembly of the control valve piston 5 and the Guide piston 5.3 in the interior of the housing 6 can be done. The guide piston 5.3 must be mounted on the control valve piston 5 by an additional assembly in an assembly embodiment not shown. Otherwise, the basic structure is analogous to that described in FIG. Because the area of the second pressure application area 26 is larger than that of the first pressure application area 27, a greater closing force of the closing plate 5.5 of the poppet valve in the area of its seat 17 is ensured in connection with the high pressure of the hydrogen. In this respect, the imbalance based on the differently sized effective areas benefits. The great force thus achieved ensures a significantly improved sealing performance of the valve seat 17 during operation of the engine. The principle of the function of such a high pressure valve 4 is that which is similar to a pneumatic cylinder.
Zusätzlich zu der Darstellung in Figur 12 ist in Figur 13 noch ein Sicherungsring 41 gezeigt, welcher ein Lösen des Stützringes 42 im Betrieb unterbindet, da der Stützring 42 auf dem oberen Schaftteil des Steuerventilkolbens 5 aufgesetzt ist, sodass die Federspannung ein gestellt ist. Der in Figur 13 gezeigte Steuerventilkolben 5 ist mit seinem Führungskolben 5.3 gegen die Kammer 23 abgedichtet. In Richtung auf den Ventilteller 5.5. ist im Inneren des Gehäuses 6 ein kegelförmig ausgebildeter Bereich vorhanden. Der weitere Dichtbereich ist der unmittelbar am Tellerventil ausgebildete Kegelsitz. Letzterer gewährleistet ein sicheres Abdichten der Wasserstoffzufuhrleitung gegenüber dem Brennraum 1 , wohingegen der Füh rungskolben 5.3 eine zusätzliche Dichtfläche zwischen dem Wasserstoffzufuhrbereich und der Kammer 23 ausbildet. Es ist prinzipiell auch möglich, dass der Führungskolben 5.3 im zweiten Druckbeaufschlagungsbereich 26 kleiner ist als der erste Druckbeaufschlagungsbe reich 27.
Figur 14 und Figur 15 zeigen in Schnittdarstellung zwei Positionen des zur Realisierung der Funktion des erfindungsgemäßen Hochdruckeinlassventils 4 in einer weiteren Ausführungs form der Erfindung in geschlossenem Zustand (Figur 14), wohingegen in Figur 15 dieses Hochdruckeinlassventil 4 in geöffneter Stellung dargestellt ist. In addition to the illustration in FIG. 12, FIG. 13 also shows a securing ring 41, which prevents the support ring 42 from loosening during operation, since the support ring 42 is placed on the upper shaft part of the control valve piston 5 so that the spring tension is set. The control valve piston 5 shown in FIG. 13 is sealed off from the chamber 23 with its guide piston 5.3. In the direction of the valve disk 5.5. a conical area is present in the interior of the housing 6. The further sealing area is the conical seat formed directly on the poppet valve. The latter ensures that the hydrogen supply line is reliably sealed off from the combustion chamber 1, whereas the guide piston 5.3 forms an additional sealing surface between the hydrogen supply area and the chamber 23. In principle, it is also possible for the guide piston 5.3 in the second pressure application area 26 to be smaller than the first pressure application area 27. Figure 14 and Figure 15 show a sectional view of two positions for realizing the function of the high pressure inlet valve 4 according to the invention in a further embodiment of the invention in the closed state (Figure 14), whereas in Figure 15 this high pressure inlet valve 4 is shown in the open position.
Das Hochdruckeinlassventil 4 weist ein aus einem Kolbenstößel 100 und einem Kolben 200 gebildetes und in einem Gehäuse 300 geführtes Kolbenteil auf. Der Kolben 200 weist eine Steuerkante 45 bildende umlaufende Kolbennut 50 auf, welche gegenüber dem äußeren maximalen Durchmesser des Kolbens 200 einen Bereich mit einem Einzug aufweist. In der Stellung gemäß Figur 14 bildet der Kolben 200 innerhalb des Gehäuses 300 an seiner Stirn fläche bzw. Kolbenoberseite, welche gegenüber dem Kolbenstößel 100 liegt, eine Ventil kammer 90 aus, welche an der Stirnseite des Hochdruckeinlassventils 4 mittels einer Deck platte 60 geschlossen ist. Zwischen der Deckplatte 60 und der Stirnseite des Kolbens 200 bildet die Ventilkammer 90 sozusagen ein Luftpolster, in welches sich der Kolben 200 mit dessen Hub 101 bewegt, sodass bei den für die Einlassvorgänge für Wasserstoff in den Zy linder erforderlichen kurzen Zeiten verhindert wird, dass der Kolben 200 auf die Deckplat te 60 aufschlagen könnte. The high pressure inlet valve 4 has a piston part formed from a piston tappet 100 and a piston 200 and guided in a housing 300. The piston 200 has a circumferential piston groove 50 which forms a control edge 45 and which has an area with an indentation opposite the outer maximum diameter of the piston 200. In the position according to FIG. 14, the piston 200 forms a valve chamber 90 within the housing 300 on its end face or piston top, which is opposite the piston tappet 100, which is closed on the end face of the high pressure inlet valve 4 by means of a cover plate 60. Between the cover plate 60 and the end face of the piston 200, the valve chamber 90 forms, so to speak, an air cushion into which the piston 200 moves with its stroke 101, so that the short times required for the inlet processes for hydrogen into the cylinder prevent the Piston 200 could hit the cover plate 60 te.
In Figur 15 ist gezeigt, dass die Ventilkammer 90 über eine Entlüftungsbohrung 70, welche durch das Kolbenteil im Bereich seiner Längsachse geführt ist, entlüftet wird. Insbesondere bei höheren Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine muss der Ladungswechsel im Zy linder, bezogen auf absolute zeitliche Maßstäbe, in sehr kurzen Zeitspannen ausgeführt werden. Daher muss auch das Hochdruckeinlassventil 4 und als wesentliches Kernelement davon dessen Kolben 200 sehr schnelle Bewegungen zum Öffnen und Schließen, d.h. zum Steuern der Zufuhr von Wasserstoff, ausführen. Leichtbauweise ist dabei ein wesentliches Merkmal für die Realisierung höher Schaltfrequenzen. In FIG. 15 it is shown that the valve chamber 90 is vented via a vent hole 70 which is guided through the piston part in the region of its longitudinal axis. In particular at higher speeds of the internal combustion engine, the gas exchange in the cylinder must be carried out in very short periods of time, based on absolute temporal standards. Therefore, the high-pressure inlet valve 4 and, as an essential core element thereof, its piston 200 must also execute very rapid movements for opening and closing, i.e. for controlling the supply of hydrogen. Lightweight construction is an essential feature for the implementation of higher switching frequencies.
In den Totpunkten bei der Bewegung des Kolbens 200 des Hochdruckeinlassventils 4 treten aufgrund der Massenträgheit dieses Bauelements relativ große Beschleunigungs- und Ver zögerungskräfte auf. Der auf der Kolbenoberseite bei der Bewegung des Kolbens 200 sich verändernde Raum, d.h. die Ventilkammer 90, führt durch die Komprimierung der darin be findlichen Luft zu einer Dämpfung der Kolbenbewegung, weshalb im Inneren des Kol bens 200 im Bereich von dessen Längsachse eine Entlüftungsbohrung 70 vorgesehen ist. Der Durchmesser der Entlüftungsbohrung 70 ist nun so gestaltet, dass bei der raschen Be wegung des eigentlichen Kolbens des Kolbens 200 die Luft aus der Ventilkammer 90 zumin dest größten Teils über die Entlüftungsbohrung 70 herausgepresst wird. Der Durchmesser
der Entlüftungsbohrung 70 ist nur so groß, dass nur so viel Luft in der Ventilkammer 90 ver bleibt, dass bei der raschen Bewegung des Kolbens 200 und dessen Trägheit ein Anschlä gen von dessen Kolbenoberseite am durch die Deckplatte 60 bei diesem Ausführungsbei spiel gebildeten inneren Abschluss des Hochdruckventils 4 nicht anschlägt. Andererseits muss die Entlüftungsbohrung 70 in der Lage sein, bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens weg von der Deckplatte 60 in Richtung auf seine Stellung den Durchtritt von Wasserstoff durch das Hochdruckeinlassventil 4 zu unterbrechen, ein Rückströmen zum Wiederauffüllen der Ventilkammer 90 zu ermöglichen. Die Entlüftungsbohrung 70 hat daher einen solchen Durchmesser, dass im Wesentlichen die Luft in der Ventilkammer 90 abgeführt bzw. in diese Kammer wieder zugeführt werden kann, und zwar dennoch bei Vorhandensein einer gewis sen geringen Drosselfunktion, damit kein Vakuum oder Unterdrück in dieser Ventilkam mer 90 während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 200 im Gehäuse 300 des Hochdruckeinlassventils 4 auftritt. Der in der Ventilkammer 90 verbleibende Teil der Luft, dient jedenfalls bei der Bewegung der Kolbenoberseite in Richtung auf die Deckplatte 60 einem gewissen Dämpfungseffekt, in dem sich u.a. auch wegen der noch vorhandenen Drosselwirkung der Entlüftungsbohrung 70 ein gewisses Dämpfungspolster ausbildet, wodurch ein Anschlägen der Kolbenoberseite an der Innenseite des Deckplatte 60 verhindert bzw. einem Anschlägen zumindest entgegengewirkt wird. Die Entlüftungsbohrung im Schaft des Kolbens 200 stellt bereits eine Maßnahme zur Massereduzierung im Sinne einer Unter stützung von raschen bzw. hohen Schaltfrequenzen dar. In the dead centers during the movement of the piston 200 of the high-pressure inlet valve 4, relatively large acceleration and deceleration forces occur due to the inertia of this component. The space that changes on the piston top when the piston 200 moves, ie the valve chamber 90, dampens the piston movement due to the compression of the air contained therein, which is why a vent hole 70 is provided inside the piston 200 in the region of its longitudinal axis is. The diameter of the vent hole 70 is now designed such that when the actual piston of the piston 200 moves rapidly, the air is pressed out of the valve chamber 90 at least for the most part via the vent hole 70. The diameter the vent hole 70 is only so large that only so much air remains in the valve chamber 90 that with the rapid movement of the piston 200 and its inertia, a stops from its piston top on the inner end of the game formed by the cover plate 60 in this Ausführungsbei High pressure valve 4 does not strike. On the other hand, the vent hole 70 must be able to interrupt the passage of hydrogen through the high pressure inlet valve 4 during the backward movement of the piston away from the cover plate 60 towards its position, to allow a backflow to refill the valve chamber 90. The vent hole 70 therefore has a diameter such that essentially the air in the valve chamber 90 can be discharged or fed back into this chamber, even though there is a certain low throttle function, so that there is no vacuum or negative pressure in this valve chamber 90 occurs during the reciprocating movement of the piston 200 in the housing 300 of the high pressure inlet valve 4. The part of the air remaining in the valve chamber 90 serves a certain damping effect when the piston top side moves in the direction of the cover plate 60, in which, among other things, due to the still existing throttling effect of the vent hole 70, a certain damping cushion is formed, which causes the piston top side to strike on the inside of the cover plate 60 or at least counteracts any attacks. The vent hole in the shaft of the piston 200 already represents a measure to reduce mass in the sense of supporting rapid or high switching frequencies.
Auf der der Stirnseite des Kolbens gegenüberliegenden Seite des Kolbens 200, an welcher der Kolbenstößel 100 angeordnet ist, ist innerhalb des Gehäuses 300 zwischen der Kolben unterseite und der Durchtrittsöffnung des Kolbenstößels 100 durch das Material des Gehäu ses 300 ein unterer bzw. hinterer Ventilraum angeordnet, welcher ebenfalls eine Dämpfungs funktion analog zu der an der Kolbenoberseite geschilderten hat. Dazu ist aus diesem Dämp fungsraum an der Kolbenunterseite ebenfalls eine Entlüftungsbohrung 70 vorgesehen, wel che analog zu der Entlüftungsbohrung 70 ausgebildet ist und funktioniert, welche in Längs richtung durch das Kolbenteil hindurchgeführt und eine Verbindung zu der Ventilkammer 90 hat. On the side of the piston 200 opposite the end face of the piston, on which the piston tappet 100 is arranged, a lower or rear valve chamber is arranged inside the housing 300 between the piston underside and the passage opening of the piston tappet 100 through the material of the housing 300, which also has a damping function analogous to that described on the top of the piston. For this purpose, a vent hole 70 is also provided from this damping space on the piston underside, which is formed and functions analogously to the vent hole 70, which passes through the piston part in the longitudinal direction and has a connection to the valve chamber 90.
Im oberen Bereich des Gehäuses 300 des Hochdruckeinlassventils 4 ist der Kolbenstö ßel 100 von einer Feder umgeben, welche in einer Gehäuseausnehmung 130 angeordnet ist und durch eine die Gehäuseausnehmung 131 nach obenhin angeflanschte Führungsplatte gehalten ist. Der Kolben arbeitet also gegen die Feder 80, welche je nach Bewegungsrich tung innerhalb des Kolbenhubs 100 komprimiert oder gedehnt wird.
In der in Figur 14 dargestellten Position des Kolbens 200 befindet sich dessen Steuerkan te 45 oberhalb eines quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 200 angeordneten Kanals für die Zufuhr 121 von Wasserstoff unter hohem Druck zum Zylinder, so dass die Wasserstoff zufuhr 111 durch das Ventil gehindert ist. Erst in der in Figur 15 dargestellten Position des Kolbens 200 ist die Steuerkante 45 in den quer zur Längsachse des Kolbens sich erstre ckenden, das Gehäuse 300 des Hochdruckeinlassventils 4 durchdringenden Kanals zur Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylinder eingetaucht. Wenn die Steuerkante 45 diesen Kanal der Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylinder freigegeben hat, kann die Wasserstoffzufuhr 111 über die Kolbennut 50, welche um den Kolben 200 herumläuft und sozusagen gegenüber dem maximalen Durchmesser des Kolbens den Einzug darstellt, in Richtung auf und durch den Kanal für die Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylinder strömen. Aufgrund des hohen Druckes, mit welchem die Wasserstoffzufuhr 111 zum Ventil an dem entsprechenden Kanal des Hochdru ckeinlassventils 4 anliegt, erfolgt nach Freigabe und damit Verbindung zum Kanal der Was serstoffzufuhr 121 zum Zylinder ein sofortiger Durchtritt des unter Hochdruck stehenden Wasserstoffs in den Zylinder. In the upper region of the housing 300 of the high-pressure inlet valve 4, the piston tappet 100 is surrounded by a spring which is arranged in a housing recess 130 and is held by a guide plate flanged upwardly to the housing recess 131. The piston thus works against the spring 80 which, depending on the direction of movement, is compressed or stretched within the piston stroke 100. In the position of the piston 200 shown in FIG. 14, its control edge 45 is located above a channel arranged transversely to the direction of movement of the piston 200 for the supply 121 of hydrogen under high pressure to the cylinder, so that the hydrogen supply 111 is prevented by the valve. Only in the position of the piston 200 shown in FIG. 15 is the control edge 45 immersed in the channel for hydrogen supply 121 to the cylinder, which extends transversely to the longitudinal axis of the piston and penetrates the housing 300 of the high pressure inlet valve 4. When the control edge 45 has released this channel of the hydrogen supply 121 to the cylinder, the hydrogen supply 111 can over the piston groove 50, which runs around the piston 200 and, so to speak, represents the indentation in relation to the maximum diameter of the piston, in the direction of and through the channel for the Hydrogen feed 121 flow to the cylinder. Due to the high pressure with which the hydrogen supply 111 to the valve is applied to the corresponding channel of the Hochdru ckeinlassventils 4, there is an immediate passage of the high pressure hydrogen into the cylinder after release and thus connection to the channel of the What hydrogen supply 121 to the cylinder.
Da bei der Bewegung des Kolbens 200 im Gehäuse 300 der Kolben 200 lediglich gegen die jeweiligen Luftpolster, d.h. mit seiner Kolbenoberseite in das Luftpolster der Ventilkammer 90 bzw. mit der Kolbenunterseite in das Luftpolster, unter Berücksichtigung der jeweils wirken den Federkraft wirkt und da andererseits die Kolbennut 50 an beiden Enden in Längsrichtung eine gleichgroße Fläche ausgebildet hat, entstehen keine nennenswerten zusätzlichen resul tierenden Axialkräfte, welche auf den Kolben 200 wirken. Der Kolben 200 kann daher trotz hoher anliegender Drücke des Wasserstoffs leicht und damit an die hohen erforderlichen Geschwindigkeiten einer entsprechenden Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ange passt werden. Since during the movement of the piston 200 in the housing 300, the piston 200 only acts against the respective air cushions, ie with its upper side of the piston into the air cushion of the valve chamber 90 or with the lower side of the piston into the air cushion Piston groove 50 has formed an area of the same size at both ends in the longitudinal direction, there are no significant additional resulting axial forces which act on piston 200. The piston 200 can therefore be easily adapted to the high required speeds of a corresponding speed of the internal combustion engine despite high pressures of the hydrogen applied.
Das gemäß der Erfindung vorgesehene Hochdruckeinlassventil 4 bietet somit die Möglich keit, unter hohem Druck bereitgestellten Wasserstoff einem Verbraucher, in diesem Fall dem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, bereitzustellen. Die Drücke des bereitgestellten Wasserstoffs liegen in einer Höhe von beispielsweise 20 bis 350 bar. The high-pressure inlet valve 4 provided according to the invention thus offers the possibility of providing hydrogen provided under high pressure to a consumer, in this case the cylinder of an internal combustion engine. The pressures of the hydrogen provided are at a level of, for example, 20 to 350 bar.
Dadurch, dass die axialen, auf den Kolben 200 wirkenden Kräfte im Wesentlichen wegen gleicher beaufschlagter Flächen ausgeglichen sind, ergibt sich keine einseitige Kraftkompo nente auf den Kolben 200 bzw. den Kolbenstößel 100 zu Ungunsten der jeweils anderen Bewegungsrichtung. Damit ist es möglich, den Kolben mit geringer Krafteinwirkung in die jeweiligen Schaltzustände zu bringen. Die jeweiligen Schaltzustände sind einerseits das ge schlossene Ventil und andererseits das geöffnete Ventil.
Dabei lässt sich die Größe der Öffnung bei dem geöffneten Schaltzustand durch die Größe der axialen Verschiebung des Kolbens 200 variieren. Beim Verschieben des Kolbens wird auf der Druckseite die Steuerkante 45 des Kolbens 200 soweit verschoben, dass bei ent sprechender, in Längsrichtung des Kolbens 200 gesehener Breite der Kolbennut 50 die in axialer Richtung versetzt zueinander angeordneten Zuleitungs- und Ableitungskanäle (Was serstoffzufuhr 111 bzw. Wasserstoffzufuhr 121) zum Zylinder über die Kolbennut 50 mitei nander in Verbindung gebracht werden, was dem geöffneten Zustand des Hochdruckein lassventils 4 entspricht. Durch eine Veränderung der Position des Kolbens 200 kann der Querschnitt der Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylinder so variiert werden, dass die Durch flussmenge, d. h. der Massenstrom des in den Zylinder einzubringenden Wasserstoffs, vari iert werden kann. Because the axial forces acting on the piston 200 are essentially balanced due to the same applied surfaces, there is no one-sided force component on the piston 200 or piston tappet 100 to the detriment of the other direction of movement. This makes it possible to bring the piston into the respective switching states with little application of force. The respective switching states are on the one hand the closed valve and on the other hand the open valve. The size of the opening in the open switching state can be varied by the size of the axial displacement of the piston 200. When the piston is moved, the control edge 45 of the piston 200 is moved on the pressure side to such an extent that, with the corresponding width of the piston groove 50 viewed in the longitudinal direction of the piston 200, the supply and discharge channels arranged offset to one another in the axial direction (hydrogen supply 111 or hydrogen supply 121) are brought into connection with the cylinder via the piston groove 50, which corresponds to the open state of the high-pressure inlet valve 4. By changing the position of the piston 200, the cross section of the hydrogen supply 121 to the cylinder can be varied in such a way that the flow rate, ie the mass flow of the hydrogen to be introduced into the cylinder, can be varied.
Die Querschnitte sind nun so gewählt, dass im geöffneten Zustand große Mengen an Was serstoff in einer kurzen Zeiteinheit, d.h. hohe Massenströme einem Verbraucher, in dem Fall dem Zylinder eines Verbrennungsmotors, zugeführt werden können. Wenn aus einem geöff neten Zustand (siehe Figur 15) wieder in einen geschlossenen Zustand (siehe Figur 14) übergegangen werden soll, wird der Kolben 200 entsprechend in axialer Richtung so weit verschoben, dass eine Verbindung der Wasserstoffzufuhr 111 zum Hochdruckeinlassventil 4 von einer Wasserstoffquelle über die Kolbennut 50 zu der Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylin der unterbrochen ist. Bevor die eigentliche Unterbrechung gemäß der dazu entsprechenden Position des Kolbens 200 im Gehäuse 300 erfolgt ist, kann für eine weitere Verbesserung des Betriebsverhaltens des Motors vorgesehen sein, dass der Schließvorgang noch einmal in einem vorgegebenen Umfang verzögert wird, so dass ein gewisser Nachladeeffekt im Zy linder realisiert werden kann. Dieses Nachladen passiert im Zylinder in der Regel zu einem Zeitpunkt, wenn sich der Kolben 200 im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine bereits in seiner Aufwärtsbewegung, d.h. in der Kompressionsphase befindet. Der Vorteil der Verwen dung von komprimiertem Wasserstoff in Verbindung mit dem Hochdruckeinlassventil 4, wie zuvor beschrieben, besteht unter anderem auch darin, dass nach Freigabe der entsprechen den Querschnitte der komprimierte Wasserstoff sich rasch ausbreitet, da der komprimierte Wasserstoff bei freiem Querschnitt rasch expandiert. Dies auch unterstützt die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Hochdruckeinlassventils 4, dass in einer geringen Zeiteinheit hohe Wasserstoffmengen durchgesetzt werden können. The cross-sections are now selected so that, when open, large amounts of hydrogen can be supplied to a consumer, in this case the cylinder of an internal combustion engine, in a short unit of time, i.e. high mass flows. If a transition is to be made from an open state (see FIG. 15) to a closed state (see FIG. 14), the piston 200 is accordingly shifted in the axial direction so far that a connection of the hydrogen supply 111 to the high-pressure inlet valve 4 is via a hydrogen source the piston groove 50 to the hydrogen supply 121 to the cylinder is interrupted. Before the actual interruption takes place according to the corresponding position of the piston 200 in the housing 300, for a further improvement of the operating behavior of the engine it can be provided that the closing process is delayed again to a predetermined extent, so that a certain reloading effect in the cylinder can be realized. This reloading usually takes place in the cylinder at a point in time when the piston 200 in the cylinder of the internal combustion engine is already in its upward movement, i.e. in the compression phase. The advantage of using compressed hydrogen in connection with the high-pressure inlet valve 4, as described above, is, among other things, that after the corresponding cross-sections have been released, the compressed hydrogen spreads rapidly, since the compressed hydrogen expands rapidly when the cross-section is free. This also supports the ability of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention that high amounts of hydrogen can be passed through in a short unit of time.
Die Zufuhr von Wasserstoff zu einem jeweiligen Zylinder kann nun so erfolgen, dass der komplette Wasserstoff für einen Zyklus mit einmaliger Einführung in den Zylinder in einem Einlassvorgang durchgeführt wird. Im Sinne einer Optimierung beispielsweise der durch den
Kolben 200 zu leistenden Kompressionsarbeit kann das Hochdruckeinlassventil 4 auch so gesteuert werden, dass die Zufuhr von Wasserstoff in den Zylinder sozusagen in mehreren Stößen intermittierend erfolgt. Jeder einzelne Stoß an zugeführtem Wasserstoff kann dabei hinsichtlich der Länge der Öffnung des Hochdruckeinlassventils 4 variiert werden, sodass auf den Motorbetrieb unmittelbar Einfluss genommen werden kann, und zwar über die Menge des in einer definierten Zeiteinheit in den Zylinder eingeführten Wasserstoffes. Vorzugsweise sind zwei derartige Stöße vorgesehen. Eine Vielzahl von Stößen zugeführten Wasserstoffs kann dabei im Sinne einer Optimierung des Gesamtprozesses des Betriebes des Motors aber durchaus auch von Vorteil sein. Wenn der Wasserstoff in mehreren Stößen während der Bewegung des Kolbens 200 im Zylinder auf seinem Weg vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt während des Kompressionshubes in Teilmengen eingeführt wird, so ent spricht die Wasserstoffmenge in ihrer Summe der für den jeweiligen Zyklus benötigten Ge samtmenge, mit welcher eine zuverlässige, einen hohen Wirkungsgrad der Verbrennungs kraftmaschine garantierende Betriebsweise erreicht werden kann. The supply of hydrogen to a respective cylinder can now take place in such a way that all of the hydrogen for a cycle with a single introduction into the cylinder is carried out in one intake process. In terms of optimizing, for example, the The compression work to be performed by the piston 200, the high-pressure inlet valve 4 can also be controlled in such a way that the supply of hydrogen into the cylinder takes place intermittently in several bursts, so to speak. Each individual burst of supplied hydrogen can be varied with regard to the length of the opening of the high-pressure inlet valve 4, so that the engine operation can be directly influenced via the amount of hydrogen introduced into the cylinder in a defined time unit. Two such joints are preferably provided. A large number of bursts of supplied hydrogen can also be of advantage in terms of optimizing the overall process of operating the engine. If the hydrogen is introduced in partial amounts in several shocks during the movement of the piston 200 in the cylinder on its way from bottom dead center to top dead center during the compression stroke, the total amount of hydrogen corresponds to the total amount required for the respective cycle, with which a reliable, high efficiency of the internal combustion engine guaranteeing operation can be achieved.
Die Abdichtung des Kolbens 200 innerhalb des Gehäuses 300 erfolgt durch eine entspre chende Passung zwischen dem Kolben 200 und der Bohrung im Gehäuse 300. The piston 200 is sealed within the housing 300 by a corresponding fit between the piston 200 and the bore in the housing 300.
Das Hochdruckeinlassventil 4 ist vorzugsweise aus hochfesten und wärmebeständigen Me talllegierungen oder aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen wie zum Beispiel Magne sium oder aus Keramikwerkstoffen aufgebaut, wobei für den Kolben 200 und das Gehäu se 300 auch unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Denkbar ist auch eine Auswahl eines bestimmten Grundmaterials mit einer Beschichtung der jeweiligen Teile, um optimale Gleit- und Abdichteigenschaften des im Gehäuse 300 bewegten Kolbens 200 bei den hohen Drücken des zugeführten Wasserstoffs zu erreichen. Neben einer ausgewählten Beschichtung ist auch eine unterschiedliche Wärmebehandlung der gegeneinander in dem Hochdruckeinlassventil 4 sich bewegenden Teile denkbar. Zur Reibungsverringerung kann auch zwischen dem Kolben 200 und dem Gehäuse 300 eine Schmierung vorgesehen sein, wobei eine in den Figuren nicht dargestellte Zuführleitung zur Zuführung geringer Mengen an Schmierstoff vorgesehen sein kann. The high-pressure inlet valve 4 is preferably made of high-strength and heat-resistant metal alloys or of light metal or light metal alloys such as magnesium or ceramic materials, it being possible for different materials to be used for the piston 200 and the housing 300. It is also conceivable to select a specific base material with a coating of the respective parts in order to achieve optimal sliding and sealing properties of the piston 200 moving in the housing 300 at the high pressures of the supplied hydrogen. In addition to a selected coating, a different heat treatment of the parts moving against one another in the high-pressure inlet valve 4 is also conceivable. To reduce friction, lubrication can also be provided between the piston 200 and the housing 300, it being possible for a feed line, not shown in the figures, to be provided for feeding in small amounts of lubricant.
Für den Wasserstoffbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wird zweckmäßigerweise das Hochdruckeinlassventil 4 an die Stelle herkömmlicher Einlassleitungen und Einlassventile im Zylinderkopf 30 einer Verbrennungskraftmaschine angeschlossen, wohingegen die Abgas ventile und die Abgasleitungen in herkömmlicher Technik ausgebildet verbleiben können.For the hydrogen operation of the internal combustion engine, the high pressure inlet valve 4 is expediently connected to the place of conventional inlet lines and inlet valves in the cylinder head 30 of an internal combustion engine, whereas the exhaust valves and the exhaust lines can remain designed in conventional technology.
Das Hochdruckeinlassventil 4 ist selbstverständlich auch für andere Arten der Zufuhr von Gasen in Räume anderer Einrichtungen anwendbar.
Zur Realisierung entsprechend rascher Öffnungs- und Schließvorgänge des Hochdruckein lassventils 4, damit ein optimaler Motorbetrieb effektiv durchgeführt werden kann, ist es auch möglich, dass der Steuerventilkolben des Hochdruckeinlassventils 4 mit mechanischen Komponenten wie beispielsweise einer Nockenwelle oder elektromagnetisch betätigt wird. The high pressure inlet valve 4 can of course also be used for other types of supply of gases in rooms of other facilities. To realize correspondingly rapid opening and closing processes of the high-pressure inlet valve 4 so that optimal engine operation can be carried out effectively, it is also possible that the control valve piston of the high-pressure inlet valve 4 is actuated with mechanical components such as a camshaft or electromagnetically.
Trotz der vergleichsweise geringen Öffnungsquerschnitte auf der Seite der Wasserstoffzu fuhr 111 zum Ventil können wegen der Zufuhr von Wasserstoff mit hohen Drücken von ca. Despite the comparatively small opening cross-sections on the side of the hydrogen supply 111 to the valve, the supply of hydrogen at high pressures of approx.
20 bis zu 350 bar große Wasserstoffmengen in den Brennraum eingeführt werden. Dies ist auch dadurch möglich, dass die Komprimierung des Wasserstoffs auf der Seite der Wasser stoffzufuhr 111 zum Ventil sich bereits im Ventil entspannt. Die Entspannung des Wasser stoffs bereits im Ventil unterstützt sozusagen die „Fließgeschwindigkeit“ des Wasserstoffs in Richtung auf die Wasserstoffzufuhr 121 zum Zylinder und in den Zylinder hinein, wodurch somit automatisch eine größere Menge Wasserstoff in der gleichen Zeiteinheit, d.h. ein grö ßerer Massenstrom, in den B, den Zylinder 1, gefördert wird. 20 to 350 bar large amounts of hydrogen can be introduced into the combustion chamber. This is also possible because the compression of the hydrogen on the side of the hydrogen supply 111 to the valve is already relaxed in the valve. The relaxation of the hydrogen already in the valve supports, so to speak, the "flow rate" of the hydrogen in the direction of the hydrogen supply 121 to the cylinder and into the cylinder, which automatically causes a larger amount of hydrogen in the same time unit, ie a larger mass flow B, the cylinder 1, is promoted.
Da der Steuerventilkolben 5 eine gesteuerte lineare Bewegung erfährt, können die Öff nungsquerschnitte über die Zeiteinheiten für den geöffneten Zustand des Hochdruckeinlass ventils 4 auf einfache Art und Weise gesteuert werden. Since the control valve piston 5 experiences a controlled linear movement, the opening cross-sections can be controlled in a simple manner via the time units for the open state of the high-pressure inlet valve 4.
In Figur 16 ist eine Teilschnittansicht eines Zylinders mit Zylinderkopf dargestellt, in welchem ein Auslassventil 33, ein erfindungsgemäßes Hochdruckventil 4 und ein Injektor 10 angeord net sind. Das Im Zylinderkopf 30 angeordnete Auslassventil 33 ist in Schließstellung, sodass über das Hochdruckventil 4 Wasserstoff direkt in den Brennraum 1 eingeführt werden kann, wobei der Führungskolben 5 in geöffneter Stellung dargestellt ist, in welcher einerseits Was serstoff in den Zylinder eingebracht werden kann und andererseits Verbrennungsluft aus der Einlassleitung 7 über die Ausströmquerschnitte 18 zuführbar ist. Das Hochdruckventil 4 kann in seiner Durchlassposition 4.2 Wasserstoff allein oder Verbrennungsluft aus der Einlasslei tung 7 allein oder beides gemeinsam in Sinne eines Wasserstoff-Verbrennungsluft- Gemisches dem Brennraum 1 zuführen. Im Zylinderkopf ist des Weiteren ein Injektor 10 vor gesehen, über welchen zusätzlich Wasserstoff über eine Wasserstoffdruckleitung 32 direkt in den Brennraum 1 eingeführt werden kann. In der in Figur 16 gezeigten Darstellung ist der Injektor 10 geschlossen. Der Injektor 10 ist elektromagnetisch betätigt, wodurch hohe Schalt frequenzen, d.h. kürzeste Schaltzeiten, realisierbar sind. Der Injektor 10 ist dazu geeignet, Wasserstoff intermittierend zu gewählten Zeitpunkten in den Brennraum 1 einzubringen, um Gemischbildung und Verbrennung im Brennraum 1 zu optimieren. Im Zylinder ist ein Kol ben 2 an der Zylinderwand 47 geführt, wobei der Kolben 2 einen Kolbenbolzen 34 aufweist,
an welchem an Pleuel 35 mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle in an sich bekannter Weise verbunden ist. FIG. 16 shows a partial sectional view of a cylinder with a cylinder head in which an outlet valve 33, a high-pressure valve 4 according to the invention and an injector 10 are arranged. The exhaust valve 33 arranged in the cylinder head 30 is in the closed position so that hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via the high pressure valve 4, the guide piston 5 being shown in the open position, in which hydrogen can be introduced into the cylinder on the one hand and combustion air on the other can be supplied from the inlet line 7 via the outflow cross-sections 18. In its passage position 4.2, the high pressure valve 4 can supply hydrogen alone or combustion air from the inlet pipe 7 alone or both together in the sense of a hydrogen-combustion air mixture to the combustion chamber 1. Furthermore, an injector 10 is provided in the cylinder head, via which additional hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via a hydrogen pressure line 32. In the illustration shown in FIG. 16, the injector 10 is closed. The injector 10 is actuated electromagnetically, whereby high switching frequencies, ie the shortest switching times, can be achieved. The injector 10 is suitable for introducing hydrogen into the combustion chamber 1 intermittently at selected times in order to optimize mixture formation and combustion in the combustion chamber 1. In the cylinder, a piston 2 is guided on the cylinder wall 47, the piston 2 having a piston pin 34, at which on connecting rod 35 is connected to a crankshaft, not shown, in a manner known per se.
Figur 17 zeigt eine Detailansicht eines Zylinders mit Zylinderkopf, ähnlich der gemäß Fi gur 16, jedoch mit dem Unterschied, dass anstelle des erfindungsgemäßen Hochdruckein lassventils 4 ein herkömmliches Einlassventil vorgesehen ist, welches in Figur 17 in der Durchlassposition gezeigt ist und Verbrennungsluft aus der Einlassleitung 7 über die Aus- strömquerschnitte 18 in den Brennraum 1 einströmen lässt. Im Zylinderkopf 30 ist des Weite ren ein Auslassventil 33 angeordnet, welches in der Schließposition gezeigt ist. Im Zylinder kopf 30 befindet sich ein Injektor 10, mittels welchem Wasserstoff über die Wasserstoff- Hochdruckleitung 32 direkt in den Brennraum 1 bei geöffnetem Injektor 10, d.h. in seiner Durchlassposition, einführbar ist. In Figur 17 ist der Injektor 10 in seiner Schließposition ge zeigt. An der oberen Seite des Führungskolbens 5.3 (siehe Figur 1) befindet sich im Inneren des Gehäuses 6 eine mit Luft gefüllte Kammer 23, welche als Dämpfungspolster dient und aus welcher, bei Eintauchen des Führungskolbens 5.3 in diese Kammer, Luft über die Entlüf tungsleitung 24 abgeführt werden kann, wobei die Entlüftungsleitung 24 so dimensioniert ist, dass keine oder keine wesentliche Drosselung beim Ausströmen von Luft aus der Kammer auftritt. Mit Hilfe des Einlassventils 8 wird lediglich die Zufuhr von Verbrennungsluft über die Einlassleitung 7 gesteuert. Der motormäßige Aufbau des Kolbens 2 mit dem Kolbenbol zen 34 und dem Pleuel 35 entspricht der in Figur 16 beschriebenen. FIG. 17 shows a detailed view of a cylinder with a cylinder head, similar to that according to FIG. 16, but with the difference that instead of the high-pressure inlet valve 4 according to the invention, a conventional inlet valve is provided, which is shown in the open position in FIG. 17 and combustion air from the inlet line 7 can flow into the combustion chamber 1 via the outflow cross-sections 18. In the cylinder head 30, an exhaust valve 33 is also arranged, which is shown in the closed position. In the cylinder head 30 there is an injector 10, by means of which hydrogen can be introduced directly into the combustion chamber 1 via the high pressure hydrogen line 32 when the injector 10 is open, i.e. in its passage position. In Figure 17, the injector 10 is shown in its closed position. On the upper side of the guide piston 5.3 (see Figure 1) inside the housing 6 there is an air-filled chamber 23, which serves as a cushioning pad and from which, when the guide piston 5.3 dips into this chamber, air is discharged via the vent line 24 can be, wherein the vent line 24 is dimensioned so that no or no significant throttling occurs when air flows out of the chamber. With the aid of the inlet valve 8, only the supply of combustion air via the inlet line 7 is controlled. The engine-like structure of the piston 2 with the piston pin 34 and the connecting rod 35 corresponds to that described in FIG.
Und schließlich ist in Figur 18 eine Detailschnittansicht mit einer gegenüber Figur 17 verän derten Schnittführung durch den Zylinder und Zylinderkopf dargestellt, sodass der in Figur 18 beschriebene Aufbau noch die Einspritzdüse zeigt. Mit dieser Einspritzdüse kann zusätzlich gasförmiger Kraftstoff in den Zylinder eingebracht werden. Die Einspritzdüse ist auch für das Einbringen von flüssigem Kraftstoff geeignet, sodass das in Figur 18 dargestellte Ausfüh rungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine auch einen sogenannten Duel-Fuel-Betrieb ermöglicht. Das bedeutet, dass sowohl herkömmlicher flüssiger Kraftstoff mittels der Ein spritzdüse in den Brennraum 1 der Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden kann, wie auch mittels des Injektors 10 zusätzlich Wasserstoff in den Brennraum 1 einbringbar ist. Der sonstige Aufbau entspricht dem gemäß den Figuren 16 und 17 und muss daher hier nicht nochmals erläutert werden.
Bezugszeichenliste Brennraum 24 Entlüftungsbohrung Kolben 25 Stirnseite/Ringfläche Zylinder 26 zweiter Druckbeaufschlagungsbe Hochdruckeinlassventil/Hochdruck reich ventil 27 erster Druckbeaufschlagungsbe Schließposition reich Durchlassposition 28 Durchtrittsbereich Wasserstoff Steuerventilkolben 29 Führungssteg Steuerkante 30 Zylinderkopf Kegelform 32 Hochdruckleitung Führungskolben 33 Auslassventil Schaft 34 Kolbenbolzen Schließteller, Tellerventil 35 Pleuel Gehäuse 36 Einspritzdüse Einlassleitung 37 Stützring Einlassventil 38 zusätzlicher Kolben Elektromagnetische Betätigung 39 Steg zusätzlicher Kolben Injektor 40 Öffnungen zwischen den Stegen Wasserstoffzufuhrleitung 41 Sicherungsring auf Brennraum weisende Oberflä 42 Stützring che des Hochdruckventils 43 Gewichtsreduzierende Aussparun axiale Einblasbohrungen Hoch gen druckventil 44 Hohlraum Steuerventilkolben Endlage Steuerventilkolben 45 Steuerkante Kolbenseitenflächen 47 Zylinderinnenfläche Führungsflächen 50 Kolbennut Kegelförmige Sitzfläche, Dichtsitz 60 Deckplatte Ausströmquerschnitt Hochdruck 70 Entlüftungsbohrung ventil 80 Feder Dichtbereiche 90 Ventilkammer Wasserstoffeinlassleitung 100 Kolbenstößel Öffnungshub 101 Kolbenhub Feder 111 Wasserstoffzufuhr zum Ventil Kammer 121 Wasserstoffzufuhr zum Zylinder
131 Gehäuseausnehmung 200 Kolben 300 Gehäuse H2 Wasserstoff
And finally, FIG. 18 shows a detailed sectional view with a section through the cylinder and cylinder head that is different from that in FIG. 17, so that the structure described in FIG. 18 still shows the injection nozzle. This injection nozzle can also be used to inject gaseous fuel into the cylinder. The injection nozzle is also suitable for introducing liquid fuel, so that the exemplary embodiment of an internal combustion engine shown in FIG. 18 also enables so-called duel fuel operation. This means that both conventional liquid fuel can be introduced into combustion chamber 1 of the internal combustion engine by means of the injection nozzle, and hydrogen can also be introduced into combustion chamber 1 by means of injector 10. The other structure corresponds to that according to FIGS. 16 and 17 and therefore does not have to be explained again here. LIST OF REFERENCE NUMERALS Combustion chamber 24 Ventilation bore Piston 25 End face / annular surface cylinder 26 Second pressurizing valve High pressure inlet valve / high pressure valve 27 First pressurizing valve Closing position rich passage position 28 Passage area of hydrogen control valve piston 29 Guide web, control edge 30 Cylinder head, conical shape 32 High pressure line, guide piston 33 Outlet valve, shaft 34 Piston pin 36 Injection plate, poppet nozzle Inlet line 37 Support ring, inlet valve 38 Additional piston, electromagnetic actuation 39 Additional piston, injector web 40 Openings between the webs Hydrogen supply line 41 Circlip facing the combustion chamber surface 42 Support ring surface of the high pressure valve 43 Weight-reducing recess, axial injection bores, high pressure valve 44 Cavity, control valve piston, end position of control valve piston 45 Control edge, piston side surfaces 47 50 conical piston groove ige seat surface, sealing seat 60 cover plate outflow cross-section high pressure 70 venting hole valve 80 spring sealing areas 90 valve chamber hydrogen inlet line 100 piston tappet opening stroke 101 piston stroke spring 111 hydrogen supply to valve chamber 121 hydrogen supply to cylinder 131 housing recess 200 piston 300 housing H2 hydrogen
Claims
1. Verbrennungskraftmaschine für Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, mit einem einen Brennraum (1) und einen darin geführten Kolben (2) aufweisenden Zylinder (3), mit einem Hochdruckventil (4) mit Steuerkanten (5.1) oder eine Kegelform (5.2) aufweisenden, in einem Gehäuse (6) geführten Steuerventilkol ben (5), und mit welchem Wasserstoff direkt in den Brennraum (1) oder indirekt über eine Einlassleitung (7) kurz vor einem Einlassventil (8) in den Brennraum (1) einblas- bar ist, wobei der Steuerventilkolben (5) eine elektromagnetische Betätigung (9) mit hohen Schaltfrequenzen aufweist und in dem Gehäuse (6) mindestens zweistufig und elastomerfrei derart abgedichtet ist, dass ein Rückströmen des Wasserstoffes in al lenfalls einer eine Rückzündung bei Kontakt mit Sauerstoff nicht ermöglichenden Kleinstmenge auftritt, und wobei das Hochdruckventil (4) gewichtsreduziert in Leicht bauweise ausgebildet ist. 1. Internal combustion engine for operation with gaseous fuel, in particular hydrogen, with a cylinder (3) having a combustion chamber (1) and a piston (2) guided therein, with a high-pressure valve (4) with control edges (5.1) or a conical shape (5.2) having control valve piston (5) guided in a housing (6), and with which hydrogen can be blown directly into the combustion chamber (1) or indirectly via an inlet line (7) shortly before an inlet valve (8) into the combustion chamber (1) is, wherein the control valve piston (5) has an electromagnetic actuator (9) with high switching frequencies and is sealed in the housing (6) at least in two stages and elastomer-free in such a way that a backflow of the hydrogen in al lenfall a backfire on contact with oxygen is not possible Smallest amount occurs, and the high-pressure valve (4) is lightweight and lightweight.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , welche zusätzlich einen Injektor (10) zur Feindosierung von Wasserstoff in den Brennraum (1) aufweist. 2. Internal combustion engine according to claim 1, which additionally has an injector (10) for fine metering of hydrogen into the combustion chamber (1).
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, bei welcher der Injektor (10) eine in termittierende oder mehrstufige Zufuhr des Wasserstoffs direkt in den Brennraum (1) ausführt. 3. Internal combustion engine according to claim 2, wherein the injector (10) carries out a termittende or multi-stage supply of the hydrogen directly into the combustion chamber (1).
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher das Hochdruckven til (4) zum Einblasen größerer Mengen von Wasserstoff als der zur Verbrennungsop timierung kleine Mengen Wasserstoff in den Brennraum (1) einbringende Injektor (10) ausgebildet ist. 4. Internal combustion engine according to claim 2 or 3, in which the high-pressure valve (4) is designed for injecting larger amounts of hydrogen than the small amounts of hydrogen for combustion optimization in the combustion chamber (1) introducing injector (10).
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Steuerventilkolben (5) hohl ausgebildet ist. 5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, in which the control valve piston (5) is hollow.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Hochdruckventil (4) und/oder Injektor (10) aus Keramik oder aus keramikbeschichte tem Leichtmetall ausgebildet sind. 6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, in which the high-pressure valve (4) and / or injector (10) are formed from ceramic or from ceramic-coated light metal system.
7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Hochdruckventil (4) als Material eine Magnesium-Legierung aufweist.
7. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 6, in which the high-pressure valve (4) has a magnesium alloy as material.
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Steuerventilkolben (5) des Hochdruckventils (4) in seinem Gehäuse (6) Führungskol ben (5.3) aufweist, an welchen die Steuerkanten (5.1) ausgebildet sind, welche mit einer Wasserstoff-Zufuhrleitung (11) interagieren. 8. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, wherein the control valve piston (5) of the high pressure valve (4) in its housing (6) Führungskol ben (5.3), on which the control edges (5.1) are formed, which with a hydrogen - Feed line (11) interact.
9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher an einer dem Brennraum (1) zuweisenden Oberfläche (12) des Hochdruckventils (4) kranz förmig angeordnete Einblasbohrungen (13) ausgebildet sind, welche mit Hochdruck ventilen (4) in axialer Richtung konzentrisch angeordnet sind. 9. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 8, in which on one of the combustion chamber (1) facing surface (12) of the high pressure valve (4) annularly arranged injection bores (13) are formed, which valves with high pressure (4) in the axial direction are arranged concentrically.
10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Steuerventilkolben (5) in dem Gehäuse (6) im Bereich seiner Endlagen (14) zur An schlagvermeidung in ein gasförmiges Dämpfungspolster taucht. 10. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 9, in which the control valve piston (5) in the housing (6) in the region of its end positions (14) is immersed in a gaseous cushioning to avoid impact.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher das Hochdruckventil (4) zum Brennraum (1) stehend angeordnet ist und vom Steuerven tilkolben (5) mittels seiner Steuerkanten (5.1) eine radial im Gehäuse (6) des Hoch druckventils (4) angeordnete Einblasleitung (20) für den Wasserstoff und/oder Ver brennungsluft und/oder Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemisch in Abhängigkeit von einer Kolbenstellung im Brennraum (1) Einbringquerschnitte freigibt oder verschließt. 11. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 10, in which the high pressure valve (4) to the combustion chamber (1) is arranged upright and from the control valve piston (5) by means of its control edges (5.1) a radially in the housing (6) of the high pressure valve ( 4) arranged injection line (20) for the hydrogen and / or combustion air and / or hydrogen-combustion air mixture depending on a piston position in the combustion chamber (1) releases or closes introduction cross-sections.
12. Hochdruckventil (4) für eine wasserstoffbetriebene Verbrennungskraftmaschine, wel ches aufweist: a) ein Gehäuse (6); b) einen in dem Gehäuse (6) geführten Steuerventilkolben (5) mit zylindrische Kolbenseitenflächen (15) begrenzenden Steuerkanten (5.1), welche mit im Gehäuse (6) ausgebildeten Führungsflächen (16) Zusammenwirken, oder mit einer mit einer für den Wasserstoff aus dem Hochdruckventil (4) kegelförmi gen Sitzfläche (17) im Gehäuse (6) zusammenwirkenden Kegelform; c) Ausströmquerschnitte (18), welche mittels der Führungsflächen (16) und der Steuerkanten (5.1) oder der Kegelform und der kegelförmigen Sitzfläche (17) bei entsprechender axialer Bewegung des Steuerventilkolben (5) aus dem Hochdruckventil (4) freigeben oder diese verschließen; d) eine elektromagnetische Betätigung des hohe Schaltfrequenzen realisieren den Steuerventilkolbens (5); e) zumindest zweistufig im Gehäuse (6) mittels elastomerfrei ausgebildeten Dichtbereichen (19) zur Abdichtung des Steuerventilkolbens (5);
f) die Dichtbereiche (19) sind derart dichtend ausgebildet, dass allenfalls nur solche Kleinstmengen an Wasserstoff-Rückströmung durchgelassen werden, dass keine Rückzündungen auftreten; und g) der ein bewegliches Element des Hochdruckventils (4) bildende Steuerventil- kolben (5) in gewichtsreduzierter Leichtbauweise ausgebildet ist.
12. High-pressure valve (4) for a hydrogen-powered internal combustion engine, wel Ches comprises: a) a housing (6); b) a control valve piston (5) guided in the housing (6) with cylindrical piston side surfaces (15) delimiting control edges (5.1) which interact with guide surfaces (16) formed in the housing (6), or with one for the hydrogen from the High pressure valve (4) kegelförmi gene seat surface (17) in the housing (6) cooperating cone shape; c) outflow cross-sections (18) which release or close by means of the guide surfaces (16) and the control edges (5.1) or the conical shape and the conical seat surface (17) with a corresponding axial movement of the control valve piston (5) from the high pressure valve (4); d) an electromagnetic actuation of the high switching frequencies realize the control valve piston (5); e) at least two stages in the housing (6) by means of elastomer-free sealing areas (19) for sealing the control valve piston (5); f) the sealing areas (19) are designed to be sealed in such a way that at most only such small amounts of hydrogen backflow are allowed through that no re-ignitions occur; and g) the control valve piston (5) forming a movable element of the high pressure valve (4) is designed in a weight-reduced lightweight construction.
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---|---|
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WO (1) | WO2021180849A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115679343A (en) * | 2022-11-08 | 2023-02-03 | 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 | Hydrogen energy and electric energy storage and conversion device and storage and conversion method |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021214780A1 (en) * | 2021-12-21 | 2023-06-22 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Fuel injector for gaseous fuels |
DE102023000663B3 (en) | 2023-02-24 | 2024-06-20 | Joachim Böhme | Fuel supply system for a spark-ignited gas-powered internal combustion engine and an internal combustion engine equipped therewith |
Citations (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3904480A1 (en) | 1989-02-15 | 1990-08-16 | Bosch Gmbh Robert | VALVE FOR INTERMITTENTLY PUTTING FUEL |
DE4308775C1 (en) | 1993-03-19 | 1994-08-25 | Daimler Benz Ag | Gas injection valve for the injection of gaseous fuel, especially hydrogen, into the combustion chamber of an internal combustion engine |
EP0761961A1 (en) * | 1995-08-18 | 1997-03-12 | Meteor | Fuel injection system for internal combustion engines |
DE10353011A1 (en) | 2003-11-13 | 2005-06-16 | Robert Bosch Gmbh | Valve for controlling a medium, in particular, a gas comprises a sealing element which is made of a plastic material provided with a filler for purposes of an improved wear resistance |
DE102004049589A1 (en) | 2004-10-12 | 2006-04-20 | Bayerische Motoren Werke Ag | Hydrogen engine with optimized fuel injector |
US7117849B1 (en) | 2005-11-22 | 2006-10-10 | Ford Global Technologies, Llc | Direct gaseous fuel injector |
DE102009012688B3 (en) | 2009-03-11 | 2010-07-22 | Continental Automotive Gmbh | Valve for injecting gas to internal-combustion engine of natural gas motor vehicle, has delivery opening opened in position of closing member that is provided with distance in open position in which delivery opening is completely opened |
DE102009012689A1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-09-30 | Continental Automotive Gmbh | Valve for releasing gas into the combustion chamber of a combustion engine comprises a housing containing a release chamber which is connected to a feed line for gas |
DE102013205624A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Continental Automotive Gmbh | Valve for blowing gas |
DE102014205454A1 (en) | 2014-03-24 | 2015-09-24 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with double valve needle |
DE102014224343A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with improved thermal properties |
DE102014224341A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomer seal |
DE102014224340A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomeric sealing element |
DE102014224344A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with outwardly opening valve closing element |
DE102014224339A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Direct injection gas injector with improved cooling |
DE102014224348A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Direct injection gas injector with improved opening and closing behavior |
DE102015201392A1 (en) | 2015-01-28 | 2016-07-28 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with heat-protected elastomeric sealing element |
EP3153701A1 (en) | 2015-10-09 | 2017-04-12 | Continental Automotive GmbH | Fluid injector, combustion engine and method for operating a combustion engine |
EP3153693A1 (en) | 2015-10-09 | 2017-04-12 | Continental Automotive GmbH | Fuel injector |
EP3225827A1 (en) | 2016-03-30 | 2017-10-04 | Robert Bosch GmbH | Gas valve for feeding a gaseous fuel into the intake pipe of a combustion engine |
EP3267028A1 (en) | 2016-07-06 | 2018-01-10 | Continental Automotive GmbH | Valve assembly for an injection valve, injection valve and injection method |
DE102017218267A1 (en) | 2017-10-12 | 2019-04-18 | Continental Automotive Gmbh | Fluid valve and method for controlling the supply of fluid |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008001111B4 (en) | 2008-04-10 | 2019-03-28 | Robert Bosch Gmbh | Method and device for operating an internal combustion engine and internal combustion engine |
DE102014200756A1 (en) | 2014-01-17 | 2015-07-23 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector for direct injection of gaseous fuel into a combustion chamber |
DE102014212549A1 (en) | 2014-06-30 | 2015-12-31 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector for injecting gaseous fuels |
DE102016212075A1 (en) | 2016-07-04 | 2018-01-04 | Robert Bosch Gmbh | Valve for injecting gaseous fuel |
-
2020
- 2020-03-12 DE DE102020203194.0A patent/DE102020203194A1/en active Pending
-
2021
- 2021-03-11 WO PCT/EP2021/056188 patent/WO2021180849A1/en active Application Filing
Patent Citations (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3904480A1 (en) | 1989-02-15 | 1990-08-16 | Bosch Gmbh Robert | VALVE FOR INTERMITTENTLY PUTTING FUEL |
DE4308775C1 (en) | 1993-03-19 | 1994-08-25 | Daimler Benz Ag | Gas injection valve for the injection of gaseous fuel, especially hydrogen, into the combustion chamber of an internal combustion engine |
EP0761961A1 (en) * | 1995-08-18 | 1997-03-12 | Meteor | Fuel injection system for internal combustion engines |
DE10353011A1 (en) | 2003-11-13 | 2005-06-16 | Robert Bosch Gmbh | Valve for controlling a medium, in particular, a gas comprises a sealing element which is made of a plastic material provided with a filler for purposes of an improved wear resistance |
DE102004049589A1 (en) | 2004-10-12 | 2006-04-20 | Bayerische Motoren Werke Ag | Hydrogen engine with optimized fuel injector |
US7117849B1 (en) | 2005-11-22 | 2006-10-10 | Ford Global Technologies, Llc | Direct gaseous fuel injector |
DE102009012688B3 (en) | 2009-03-11 | 2010-07-22 | Continental Automotive Gmbh | Valve for injecting gas to internal-combustion engine of natural gas motor vehicle, has delivery opening opened in position of closing member that is provided with distance in open position in which delivery opening is completely opened |
DE102009012689A1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-09-30 | Continental Automotive Gmbh | Valve for releasing gas into the combustion chamber of a combustion engine comprises a housing containing a release chamber which is connected to a feed line for gas |
DE102013205624A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Continental Automotive Gmbh | Valve for blowing gas |
DE102014205454A1 (en) | 2014-03-24 | 2015-09-24 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with double valve needle |
DE102014224343A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with improved thermal properties |
DE102014224341A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomer seal |
DE102014224340A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with elastomeric sealing element |
DE102014224344A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with outwardly opening valve closing element |
DE102014224339A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Direct injection gas injector with improved cooling |
DE102014224348A1 (en) | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Robert Bosch Gmbh | Direct injection gas injector with improved opening and closing behavior |
DE102015201392A1 (en) | 2015-01-28 | 2016-07-28 | Robert Bosch Gmbh | Gas injector with heat-protected elastomeric sealing element |
EP3153701A1 (en) | 2015-10-09 | 2017-04-12 | Continental Automotive GmbH | Fluid injector, combustion engine and method for operating a combustion engine |
EP3153693A1 (en) | 2015-10-09 | 2017-04-12 | Continental Automotive GmbH | Fuel injector |
EP3225827A1 (en) | 2016-03-30 | 2017-10-04 | Robert Bosch GmbH | Gas valve for feeding a gaseous fuel into the intake pipe of a combustion engine |
EP3267028A1 (en) | 2016-07-06 | 2018-01-10 | Continental Automotive GmbH | Valve assembly for an injection valve, injection valve and injection method |
DE102017218267A1 (en) | 2017-10-12 | 2019-04-18 | Continental Automotive Gmbh | Fluid valve and method for controlling the supply of fluid |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115679343A (en) * | 2022-11-08 | 2023-02-03 | 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 | Hydrogen energy and electric energy storage and conversion device and storage and conversion method |
CN115679343B (en) * | 2022-11-08 | 2024-01-09 | 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 | Hydrogen energy and electric energy storage and conversion device and storage and conversion method |
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