WO2022171574A1 - Injektor zum einblasen von gas - Google Patents

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hollow needle
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Martin Schmidt
Richard Pirkl
Lydia KAPUSTA
Martin Seidl
Razvan-Sorin STINGHE
Wolfram Klemp
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Liebherr-Components Deggendorf Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an injector for injecting a gas such as hydrogen, preferably for direct injection of hydrogen.
  • the object of the present invention to provide an injector for blowing gas such as hydrogen, which is simple in structure and fail-safe.
  • the injector according to the invention should also be able to inject a gas, for example hydrogen, directly into a combustion chamber that interacts with the injector. It's similar to Fuel injectors for diesel and petrol require gas to be blown into a combustion chamber at a specific rate and in a specific concentration.
  • the device according to claim 1 represents an injector which is suitable for blowing gas into a combustion chamber and has a very simple structure combined with a very low susceptibility to errors.
  • the injector for blowing in a gas such as hydrogen preferably for blowing in hydrogen directly, comprises an injector housing for accommodating injector components, a valve needle which is arranged in the injector housing so that it can move along its longitudinal axis and is designed to have an injection opening for gas to optionally flow through to close or release, and a valve, preferably a solenoid valve, which is designed to convert the valve needle into a closing or releasing state by moving it along its longitudinal axis.
  • the injector is characterized in that the valve needle is a hollow needle which is designed to direct a gas flowing through the injection opening through the interior of the hollow needle.
  • the provision of the hollow needle and the passage of the gas to be dispensed through it enables a particularly simple construction of an injector for blowing in gas.
  • Complicated line ducts for supplying a combustion gas to the at least one injection opening are omitted, but the sealing of the at least one injection opening is still carried out by lifting or lowering the valve needle, which is designed as a hollow needle.
  • a further advantage of using a hollow needle is that the supply line for the gas can run in a straight line from a connection side of the injector to the hollow needle, so that virtually no turbulence or similar negative effects can occur there.
  • a hollow needle which at the same time serves to close the at least one injection opening in a lowered state and to release this at least one injection opening in a lifted state offset in the direction of its longitudinal axis, represents an essential feature for simplifying the structural design of the injector according to the invention .
  • the gas can be hydrogen
  • the injector is also designed to guide all of the gas flowing through the injection opening through the inside of the hollow needle. According to this modification, it is therefore not intended that there are other ducts for supplying hydrogen, so that all of the hydrogen leaving the injector must be passed through the hollow interior of the hollow needle.
  • the person skilled in the art is aware that there are of course always unavoidable leaks that occur in sealing areas and through which an unavoidable minimum of the medium to be sealed diffuses.
  • the hollow needle starting from its hollow interior, has at least one flow channel running laterally outwards, preferably such that when the injector is open, the end of the hollow needle facing the injection opening is on the inside and outside of Gas can flow around. Accordingly, there can be two or more outlet openings for a gas introduced into the hollow needle.
  • the hollow needle In addition to the original exit of the hollow needle, there can therefore be at least one further exit that runs laterally to the longitudinal axis of the hollow needle.
  • the hollow needle essentially has the structure of a cylinder jacket surface, the at least one flow channel running laterally outward penetrates this cylinder jacket surface and creates a further outlet for a fluid introduced into the hollow needle.
  • the at least one laterally outwardly extending flow channel is preferably located in the longitudinal half, or in the Longitudinal third, the hollow needle facing the at least one injection opening.
  • the additional flow channel can run perpendicularly or at an angle to the longitudinal direction of the hollow needle.
  • the hollow needle has a flange-like projection at its end facing the injection opening, which serves to seal the at least one injection opening located in a valve plate.
  • This flange-like projection at one end of the hollow needle can be referred to as a plate and simplifies the desired sealing of the at least one injection opening.
  • the at least one injection opening is a fluid passage through a valve plate, which ensures that a fluid flow from the one side of the valve plate that faces the hollow needle to the other side facing away from the hollow needle is only possible through the at least one injection opening.
  • sealing elements are provided between the end face of the hollow needle facing the valve plate and the corresponding side of the valve plate, which enclose the at least one injection opening on the side of the valve plate facing the hollow needle. This improves the sealing effect when the end face of the hollow needle touches down, since the sealing elements made of rubber or the like are compressed by the force exerted by the hollow needle and thus ensure very good sealing of the at least one injection opening.
  • valve plate can be rotationally or rotationally symmetrical to the longitudinal axis of the hollow needle.
  • the valve preferably a solenoid valve, has an anchor element that can be moved to the longitudinal axis of the hollow needle and is firmly connected to the hollow needle, in particular by pressing, and/or is formed in one piece with it.
  • the anchor element is the element which can be moved back and forth along the longitudinal axis of the hollow needle in the injector housing when the valve, preferably the solenoid valve, is actuated.
  • the valve is a solenoid valve
  • magnetic forces act on the armature element such that when the solenoid valve is actuated, the armature element is moved away from the valve plate along the longitudinal direction of the hollow needle in order to open the at least one injection opening.
  • these two components of the injector are firmly connected to one another and/or are formed in one piece.
  • the hollow needle is screwed, glued and/or pressed to the anchor element.
  • the anchor element has a corresponding recess which is used to insert the end of the hollow needle remote from the valve plate and in which the hollow needle is pressed, glued or screwed to the anchor element.
  • the pressing can take place in at least two different ways.
  • the anchor encloses the needle whereas in a second case the needle encloses the anchor.
  • the armature to be pressed against the needle during the pressing, so that the armature and needle touch one another. Compression to the stop may be provided for any of the different types of compression discussed above.
  • the anchor element has a through-opening for passing gas through from a connection side of the injector to the inside of the hollow needle, with a cavity of the hollow needle and the through-opening of the anchor element preferably being aligned coaxially with one another and/or aligned with one another.
  • the passage opening of the anchor element can therefore represent a continuation of the inner cavity of the hollow needle, preferably in the transition region of the inner cavity of the hollow needle to the
  • the anchor element can therefore have a through-opening running parallel to the longitudinal center axis of the hollow needle in order to allow a gas to be emitted by the injector through the latter
  • the anchor element and the hollow needle consist of different materials, preferably wherein the anchor element is a magnetizable body that is moved when actuating a solenoid valve in the longitudinal direction of the hollow needle and through the Connection to the hollow needle lifts it from the injection port or settles on it.
  • the advantage of an embodiment in which the anchor element and the hollow needle consist of different materials is that the two components connected to one another can be optimized with regard to different functions. It is of overriding importance for the anchor element to perform the lifting and lowering movement to be carried out in the longitudinal direction of the injector, which is transmitted to the hollow needle due to the connection to the latter. If, for example, a solenoid valve is used, it is essential that the anchor element is a magnetizable body that can be moved by the action of magnetic field lines.
  • the hollow needle does not have to be magnetizable itself due to its connection to the anchor element, but can also be a non-magnetizable body that is optimized with regard to other requirements (e.g.
  • the injector is also provided with an elastic element, preferably a spring element, which is designed to urge the anchor element in a direction away from a connection side in order to push the hollow needle connected to the anchor element into Bias direction injection opening, preferably the elastic element is a spiral spring whose spring force acts parallel to the longitudinal direction of the hollow needle.
  • the anchor element and the hollow needle fixed to it are prestressed against the valve plate with the injection openings provided therein.
  • the at least one injection opening is closed by the hollow needle, which is prestressed against the valve plate, so that, under a certain pressure, gas introduced into the injectors on a connection side cannot leave the injector.
  • the at least one injection opening is only uncovered when the valve is actuated and the anchor element, together with the hollow needle, thereby executes a movement away from the valve plate. This movement must overcome the force acting on the anchor element by the elastic element, which means that when the valve is deactivated, the elastic element automatically causes the hollow needle to be lowered onto the valve plate and the at least one injection opening to be closed as a result.
  • the elastic spring element is a spiral spring which is supported on the injector housing or on a component rigidly connected thereto (for example an armature counterpart).
  • the elastic spring element acts on that side of the anchor element which is opposite to the hollow needle.
  • a central axis or an axis of rotation or symmetry of the armature element can also run through the interior defined by the winding of the spiral spring.
  • the spiral spring is arranged in a channel carrying the gas, so that the spring can come into direct contact with the gas.
  • a needle guide is provided, which is arranged in the injector housing, surrounds the circumference of the hollow needle on its outside and is designed to allow only one movement, preferably a sliding movement, of the hollow needle parallel to its longitudinal direction allow.
  • a needle guide which accommodates the hollow needle on an outer wall such that it can only move back and forth in the longitudinal direction of the injector.
  • the hollow needle can be slidably received in the needle guide in order to suppress lateral play as much as possible.
  • the hollow needle has/have a coating on its outside and/or the needle guide on its inside for low-wear sliding, in particular has/have a carbon-containing coating. Such a coating is particularly advantageous when blowing in gas or hydrogen through the injector, since gases in general and hydrogen in particular have no lubricating properties.
  • the needle guide is preferably a component separate from the injector housing, which is inserted into the interior of the housing and can have a certain amount of play in the longitudinal direction of the injector housing, i.e. it can move to a small extent in the longitudinal direction without giving up the basic function of a needle guide .
  • This play is particularly advantageous because when installing the injector in a corresponding engine, high axial forces act in the longitudinal direction of the injector housing (usually by screwing in the injector housing or putting on and tightening a union nut) and a resulting change in length of the injector housing is compensated by the play can be.
  • At least two guide bands are used, which are preferably attached to the needle and/or the needle guide. It is also possible that a first guide band is arranged on the needle and a second guide band on the needle guide.
  • an interference fit between the anchor and the needle for example, a compression, seen in the axial direction, is arranged between two axially spaced-apart guide bands.
  • Corresponding grooves running around the outside of the flea needle or running around the inside of the needle guide can be provided for the provision of the guide band, into which a guide band is inserted so that only part of its thickness protrudes from the groove.
  • the valve is a solenoid valve and has an annular magnetic coil, which surrounds the armature element on the circumference and is able to generate a magnetic force in order to move the armature element towards the connection side of the injector move.
  • a coil is provided for providing a magnetic force, which causes a movement of the armature element, for example away from the valve plate.
  • the coil typically passes around the outside of the armature element, so that the armature element is partially or completely located in the inner region of the coil winding.
  • the injector housing and/or the needle guide can also be rotationally symmetrical to this common axis of rotation of the hollow needle and the anchor element be rotationally symmetrical, which entails a simple structure of the individual components of the injector.
  • the injector is designed to inject gas via the at least one injection opening into a combustion chamber without the admixture of air.
  • the injector is designed to inject gas via the at least one injection opening into a combustion chamber without the admixture of air.
  • the invention also relates to an internal combustion engine with gas direct injection, in particular hydrogen direct injection, which includes an injector according to one of the above variants. Further features, details and advantages of the invention can be seen from the following description of the figures. It shows:
  • Fig. 1 a sectional view through an injector according to the invention
  • Fig. 2 a detailed sectional view of a further possibility for pressing
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the injector 1 according to the invention for blowing hydrogen into a combustion chamber 16.
  • the injector 1 has an injector housing 2 in which different components of the injector 1 are located.
  • a gas connection 11 for introducing hydrogen into the injector 1 is provided on the connection side.
  • the hydrogen or another combustible fluid is fed through a hole in a cover 29 running approximately centrally in the injector housing 2 and then through a fluid channel in an armature counterpart 27, a through-opening 10 in the armature 5 and the hollow interior 12 of a hollow needle 3 to the the end of the hollow needle 3 remote from the connection side 11 .
  • the injection openings 4 penetrating the valve plate 9 are closed or opened.
  • the injection openings 4 are closed by the hollow needle 3 being pressed against the valve plate 9 , since the end face of the hollow needle 3 covers the opening contours of the injection openings 4 .
  • sealing elements 30 can be provided, which run around the opening contours of the injection openings 4 and contact the end face of the hollow needle 3 when the hollow needle 3 is in a sealed state. If the injection openings 4 are closed by the end face of the hollow needle 3, the fluid flow of the hydrogen is stopped at this point of the injector 1 and there is no downstream flow of hydrogen beyond the valve plate 9.
  • the hydrogen introduced into the injector 1 at a certain pressure flows out of the interior 12 of the hollow needle 3 and exits through the plurality of injection openings 4 on the side of the valve plate 9 that is spaced apart from the hollow needle 3.
  • the pressurized hydrogen flows through the injection cap 18, which can also be optionally provided and which has at least one through-opening 17 has.
  • the hydrogen emitted by the injector 1 is typically outside the injector 1 in a combustion chamber 16 ignited or ignited.
  • the hydrogen required for combustion would then no longer be introduced into the combustion chamber 16, but an already at least partially combusted mixture, which can lead to an interruption of the combustion process or, at best, to a lower performance of the combustion process.
  • the check valve 20, 21, 23 has a valve tappet 20, a valve guide 21 and a valve spring 23, which urges the valve tappet in a closing direction, so that an outflow of hydrogen via the opening contour 19 of the check valve 20, 21, 23 only occurs when when the pressure on the side of the check valve 20, 21, 23 facing the valve plate 9 is greater than that on the side of the check valve 20, 21, 23 facing away from the valve plate 9 by at least the restoring force of the valve tappet 20 exerted by the valve spring 23 side prevailing pressure. This prevents a fluid from flowing in from the side of the check valve 20, 21, 23 arranged in the injection pipe 22 that faces the combustion chamber.
  • the valve needle 3 designed as a hollow needle 3 can be moved back and forth in the longitudinal direction of the injector 1 .
  • the movement of the valve needle 3 is about a valve 5, 6 is controlled, which is a solenoid valve in the present representation of FIG.
  • the hollow needle 3 is firmly connected to an anchor element 5 which in turn reacts to the magnetic force generated by a coil 6 .
  • Current can optionally flow through the coil 6 in such a way that the resulting magnetic force moves the armature element 5 in the direction of the gas connection 11 .
  • This movement also moves the hollow needle 3 , which is firmly connected to the anchor element 5 , so that the hollow needle 3 is lifted relative to the valve plate 9 . This opens up the injection openings 4 in the valve plate 9 so that hydrogen can flow through the valve plate 9 .
  • a needle guide 14 is provided which encloses an outer side of the hollow needle 3 on the peripheral side. Sliding friction occurs in the contact area between the needle guide 14 and the outside of the hollow needle 3, so that it can be advantageous if one of the two contact surfaces or both contact surfaces has a special coating, in particular a coating with carbon. It has been shown that such a carbon-containing coating is advantageous with regard to the tribological requirements of the two sliding components.
  • the needle guide 14 can be designed such that it extends from the valve plate 9 and protrudes inwards at a certain distance from it so that it only comes into contact with the outside of the hollow needle 3 at a certain distance from the valve plate 9 . Irrespective of the specific configuration of the needle guide 14, the hollow needle 3 pierces the needle guide 14 in such a way that the end of the valve needle 3 facing the valve plate 9 is still guided completely through the needle guide 14 even when it is lifted from the valve plate 9.
  • the needle guide can in this case, just like the anchor element 5 and the hollow needle 3, it can be designed to be rotationally symmetrical or rotationally symmetrical to the axis of rotation X of the injector 1.
  • a flange-like projection is provided on the end of the hollow needle 3 facing the valve plate 9 , which makes it easier to cover the at least one injection opening 4 in the valve plate 9 .
  • the hollow needle 3 can also have further flow channels 7 running obliquely or perpendicularly to its longitudinal direction, through which a hydrogen introduced into the hollow needle 3 can flow out.
  • the advantage of this is that the hydrogen introduced into the injector 1 flows around the side of the hollow needle 3 facing the injection openings 4 on both sides, ie from the inside and from the outside.
  • the stroke of the valve needle 3 or of the armature element 5 can thus be minimized and the required flow of hydrogen can nevertheless be realized. This is because the flow can be divided into an external flow (via flow channel 7 ) and an internal flow through the exit hole of the hollow needle 3 facing the valve plate 9 .
  • the flange-like projection 8, also called plate, is therefore flowed around on both sides.
  • An air gap 24 is provided between the needle guide 14 and the anchor element 5 , which allows a certain movement of the needle guide in the longitudinal direction of the injector 1 .
  • the needle guide 14 fulfills its primary task independently of its exact arrangement position, so that even the slight play in the longitudinal direction of the injector 1 does not change anything here. In particular, however, when injector housing 2 is compressed, for example caused by attachment of injector 1 to an engine or thermal expansion or contraction, this air gap 24 serves as a reserve, so that a change in length of injector housing 2 in the longitudinal direction can be compensated for without a force to initiate the needle guide 14.
  • An armature counterpart 27 is provided on the side of the armature element 5 facing away from the hollow needle 3 , in which an elastic spring element 13 in the form of a spiral spring is arranged, which urges the armature element 5 in the direction of the valve plate 9 . Without the valve 5, 6 being actuated, the hollow needle 3 is pushed in the direction of the valve plate 9 and closes the at least one injection opening 4. Similar to that In anchor element five, the anchor counterpart 27 also has a through-opening, the center of which can be arranged in the longitudinal center axis X of the injector 1 . A simple way of introducing the elastic spring element 13 into the armature counterpart 27 is to change the diameter of the passage opening of the armature counterpart 27.
  • the resulting step is used as a stop surface for the elastic spring element 13, so that further structural changes are not necessary.
  • the passage opening through the anchor counterpart 27 can be realized by two bores with different diameters, which have the same bore center axis. Furthermore, it can be provided that the center axis of the drilling is identical to the center axis of the anchor element 5 .
  • the outside of the coil 6 can be surrounded by an iron yoke 25, in which the magnetic field can propagate particularly well.
  • FIG. 15 A visualized representation of the magnetic field lines is illustrated by reference number 15 . These have a direction which is counter-clockwise when viewed in FIG. As a result, the armature element 5 is pulled towards the armature counterpart 27 and the hollow needle 3 is lifted off the valve plate 9 or from the injection openings 4 breaking through the valve plate 9, so that hydrogen can flow towards the check valve, from where hydrogen finally flows out via the Injection cap 18 is introduced into the combustion chamber 16 .
  • FIG. 2 shows a detailed sectional view of a further possibility for pressing anchor 5 and needle 3. The upper half of the relevant area for the connection of anchor 5 and needle 3 is shown 31 are arranged, which are spaced apart from one another in the longitudinal direction of the injector 1.
  • a uniform force acts on the two guide bands 31 when sliding between the needle 3 and the needle guide 14. It can also no longer happen that a single guide band 31 tends to cant due to the application of a force that is not evenly balanced due to the pressing and no longer slides cleanly along the needle guide 14.
  • the embodiment of the press fit between the armature 5 and the needle 3 shown in FIG. 2 should not be understood as limiting, but that the invention also includes the provision of only one guide band 31 or more than two guide bands 31 with an identical arrangement of the armature 5 and needle 3 includes.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen von Gas, insbesondere von Wasserstoff, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, der ein Injektorgehäuse zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, eine Ventilnadel, die entlang ihrer Längsachse bewegbar in dem Injektorgehäuse angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Einblasöffnung zum Durchströmen von Wasserstoff wahlweise zu verschließen oder freizugeben, und ein Ventil, vorzugsweise ein Magnetventil umfasst, das dazu ausgelegt ist, die Ventilnadel durch eine Bewegung entlang deren Längsachse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand zu überführen. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel eine Hohlnadel ist, die dazu ausgelegt ist, ein die Einblasöffnung durchströmendes Gas, insbesondere Wasserstoff, durch das Innere der Hohlnadel zu leiten.

Description

Injektor zum Einblasen von Gas
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einblasen eines Gases wie Wasserstoff, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff.
Im Zuge von weltweit immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten und ambitionierten Klimaschutzzielen steigen die umwelttechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen stetig an. Das Ziel sind in absehbarer Zukunft emissionsarme oder gar emissionsfreie Antriebstechnologien, die auch strengste Abgasgrenzwerte erfüllen und einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele liefern. Bei Technologien, die mit einer Verbrennung arbeiten sind diese Ziele nur bei einer Verwendung von klimaneutralen, regenerativ produzierten Kraftstoffen erreichbar, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette keinerlei Emissionen verursachen (sogenannte "zero emissions'-Kraftstoffe).
Mit derzeitigen konventionellen Benzin-, Diesel- und Gasmotoren sind die Anforderungen an eine emissionsfreie Verbrennung - selbst unter Verwendung sogenannter E-Fuels, bspw. eines synthetisch erzeugten OME-Kraftstoffs, zu dessen Herstellung lediglich regenerative Energie benötigt wird - nicht erreichbar, da sich der Ausstoß an schädlichen Abgasen wie Stickstoffoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.
In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren bisher aber fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstrator mit geringem Reifegrad. Ein durch regenerative Energien erzeugter Wasserstoff würde alle Erfordernisse von“ zero emission“ erfüllen, da dieser emissionsfrei verbrennbar ist. So finden sich im Pkw-Bereich bspw. Wasserstoff-Motoren mit äußerer Gemischbildung (PFI = port fuel injection), bei denen der Kraftstoff schon vor Eintritt in den Brennraum mit Luft in ausreichender Zeit gut durchmischt wird. Wasserstoff- Motoren mit direkter Einblasung des Kraftstoffs in den Brennraum (innere Gemischbildung, Dl = direct injection) spielen heutzutage praktisch keine Rolle, weisen jedoch gegenüber dem PFI-Konzept u.a. eine höhere Effizienz, stabilere Verbrennung sowie eine Eliminierung der Gefahr einer Rückzündung in den Ansaugtrakt auf.
Bei direkt einspritzenden Wasserstoffmotoren wird typischerweise noch hinsichtlich des maximalen Einspritzdrucks im Injektor (< 60 bar: Niederdruck, > 60 bar: Hochdruck) unterschieden, wobei die Grenzen nicht eindeutig festgelegt und die Übergänge fließend sind. Höhere Drücke bieten das Potential einer verkürzten Einblasdauer in einer späteren Phase der Kompression bei höheren Brennraumdrücken, was eine erhöhte Effizienz und verbesserte Verbrennungsstabilität zur Folge hat. Allerdings sinkt die Gesamteffizienz, falls zuvor eine Komprimierung des Wasserstoffs nötig ist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Injektor zum Einblasen von Gas wie Wasserstoff vorzusehen, der in seiner Struktur einfach und fehlerrobust aufgebaut ist. Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße Injektor auch dazu in der Lage sein, ein Gas, bspw. Wasserstoff, direkt in einen mit dem Injektor zusammenwirkenden Brennraum einzublasen. Dabei ist es, ähnlich wie bei Kraftstoffinjektoren für Diesel und Benzin, notwendig, dass Gas in einer bestimmten Menge und einer bestimmten Konzentration getaktet in einen Brennraum eingeblasen wird. Die Vorrichtung nach dem Anspruch 1 stellt dabei einen Injektor dar, der zum Einblasen von Gas in einen Brennraum geeignet ist und dabei eine sehr einfache Struktur kombiniert mit einer sehr geringen Fehleranfälligkeit aufweist.
Der Injektor zum Einblasen eines Gases wie Wasserstoff, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, umfasst dabei ein Injektorgehäuse zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, eine Ventilnadel, die entlang ihrer Längsachse bewegbar in dem Injektorgehäuse angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Einblasöffnung zum Durchströmen von Gas wahlweise zu verschließen oder freizugeben, und ein Ventil, vorzugsweise ein Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, die Ventilnadel durch eine Bewegung entlang deren Längsachse in einen verschließenden oder freigebenden Zustand zu überführen. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel eine Hohlnadel ist, die dazu ausgelegt ist, ein die Einblasöffnung durchströmendes Gas durch das Innere der Hohlnadel zu leiten.
Durch das Vorsehen der Hohlnadel und dem Durchleiten des auszugebenden Gases hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau eines Injektors zum Einblasen von Gas möglich. Komplizierte Leitungskanäle zum Zuführen eines Verbrennungsgases an die mindestens eine Einblasöffnung entfallen, wobei aber dennoch die Abdichtung der mindestens einen Einblasöffnung über ein Abheben oder ein Absenken der als Hohlnadel ausgeführten Ventilnadel durchgeführt wird. Ein weiterer Vorteil einer Verwendung einer Hohlnadel ist, dass die Zuführleitung des Gases von einer Anschlussseite des Injektors bis zur Hohlnadel geradlinig verlaufen kann, sodass es dort zu so gut wie keinen Verwirbelungen oder ähnlichen negativen Effekten kommen kann. Das Vorsehen einer Hohlnadel, die gleichzeitig dazu dient, die mindestens eine Einblasöffnung in einem abgesenkten Zustand zu verschließen und in einem in Richtung ihrer Längsachse versetzten, abgehobenen Zustand diese mindestens eine Einblasöffnung freizugeben, stellt ein wesentliches Merkmal zur Vereinfachung des strukturellen Aufbaus des erfindungsgemäßen Injektors dar.
Nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann das Gas Wasserstoff sein.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ferner dazu ausgelegt ist, das gesamte die Einblasöffnung durchströmende Gas durch das Innere der Hohlnadel zu führen. Nach dieser Modifikation ist also nicht vorgesehen, dass es andere Leitungskanäle zum Zuführen von Wasserstoff gibt, sodass der gesamte den Injektor verlassende Wasserstoff durch das hohle Innere der Hohlnadel hindurchgeführt werden muss. Dem Fachmann ist bewusst, dass es selbstverständlich immer unvermeidbare Leckagen gibt, die in Dichtungsbereichen auftreten und über welche auch ein unvermeidbares Minimum des abzudichtenden Mediums diffundiert.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlnadel abgehend von ihrem hohlen Inneren mindestens einen seitlich nach außen verlaufenden Strömungskanal aufweist, vorzugsweise derart, dass in einem geöffneten Zustand des Injektors das der Einblasöffnung zugewandte Ende der Hohlnadel innen- und außenseitig von Gas umströmbar ist. Es kann demnach zwei oder mehr Austrittsöffnungen für ein in die Hohlnadel eingeführte Gas geben.
Zusätzlich zu dem originären Ausgang der Hohlnadel kann es demnach mindestens einen weiteren Ausgang geben, der seitlich zur Längsachse der Hohlnadel verläuft. Besitzt die Hohlnadel im Wesentlichen eine Struktur einer Zylindermantelfläche, so durchstößt der mindestens eine seitlich nach außen verlaufende Strömungskanal diese Zylindermantelfläche und schafft einen weiteren Ausgang für ein in die Hohlnadel eingeführtes Fluid. Vorzugsweise befindet sich der mindestens eine seitlich nach außen verlaufende Strömungskanal in der Längshälfte, oder dem Längsdrittel, der Hohlnadel, die der mindestens einen Einblasöffnung zugewandt ist. Der weitere Strömungskanal kann dabei senkrecht oder schräg zur Längsrichtung der Hohlnadel verlaufen. Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlnadel an ihrem der Einblasöffnung zugewandten Ende eine flanschartige Auskragung aufweist, die dazu dient, die mindestens eine in einer Ventilplatte liegende Einblasöffnung abzudichten. Diese flanschartige Auskragung an einem Ende der Hohlnadel kann als Teller bezeichnet werden und vereinfacht das gewünschte Abdichten der mindestens einen Einblasöffnung. Die mindestens eine Einblasöffnung ist dabei ein Fluiddurchgang durch eine Ventilplatte, die dafür sorgt, dass eine Fluidströmung von der einen Seite der Ventilplatte, die der Hohlnadel zugewandt ist, zu der anderen von der Hohlnadel abgewandten Seite nur durch die mindestens eine Einblasöffnung möglich ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass zwischen der zu der Ventilplatte gerichteten Stirnseite der Hohlnadel und der entsprechenden Seite der Ventilplatte Dichtelemente vorgesehen sind, die die mindestens eine Einblasöffnung auf der zu Hohlnadel zugewandten Seite der Ventilplatte umschließen. Dies verbessert die Dichtwirkung bei einem Aufsetzen der Stirnseite der Hohlnadel, da die beispielsweise aus Gummi oder dergleichen bestehenden Dichtelemente durch die von der Hohlnadel einwirkende Kraft komprimiert werden und dadurch für eine sehr gute Abdichtung der mindestens einen Einblasöffnung sorgen. Vorteilhafterweise ist dabei die Anordnungsposition der mindestens einen
Einblasöffnung in der Ventilplatte gegenüber der Längsachse der Hohlnadel versetzt, wobei bei einem Vorliegen mehrerer Einblasöffnungen diese jeweils durch die flanschartige Auskragung an dem zur Ventilplatte zugewandten Ende der Hohlnadel vollständig abgedeckt werden. Die Ventilplatte kann dabei dreh- oder rotationssymmetrisch zur Längsachse der Hohlnadel sein. Weiter kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Ventil, vorzugsweise ein Magnetventil, ein zur Längsachse der Hohlnadel bewegbares Ankerelement aufweist, das mit der Hohlnadel insbesondere durch Verpressen fest verbunden und/oder mit diesem einstückig ausgebildet ist.
Das Ankerelement ist dabei das Element, welches bei Betätigung des Ventils, vorzugsweise des Magnetventils, entlang der Längsachse der Hohlnadel im Injektorgehäuse hin- und herbewegbar ist. Ist das Ventil ein Magnetventil wirken magnetische Kräfte so auf das Ankerelement ein, dass bei einer Betätigung des Magnetventils das Ankerelement entlang der Längsrichtung der Hohlnadel von der Ventilplatte wegbewegt wird, um die mindestens eine Einblasöffnung freizugeben. Dem Fachmann ist klar, dass die Umsetzung des Ventils als Magnetventil vorteilhaft ist, jedoch auch andere Möglichkeiten zum Bewegen des Ankerelements genutzt werden können. Das schnelle Ansprechverhalten und die einfache Umsetzung eines Magnetventils, die ohne eine Vielzahl von fehleranfälligen, beweglichen Teilen auskommt, zeigen aber deutlich, dass das Magnetventil die favorisierte Variante bei der Umsetzung des Ventils darstellt.
Damit nun eine Bewegung des Ankerelements zu einer Bewegung der Hohlnadel führt, sind diese beiden Bestandteile des Injektors miteinander fest verbunden und/oder einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Hohlnadel mit dem Ankerelement verschraubt, verklebt und/oder verpresst ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Ankerelement eine entsprechende Ausnehmung aufweist, die zum Einstecken des von der Ventilplatte entfernten Endes der Hohlnadel dient und in der die Hohlnadel mit dem Ankerelement verpresst, verklebt oder verschraubt ist.
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verpressen auf mindestens zwei unterschiedliche Arten erfolgen kann. In einem ersten Fall umschließt der Anker die Nadel wohingegen in einem zweiten Fall die Nadel den Anker umschließt. Nach einer weiteren möglichen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei dem Verpressen der Anker auf Anschlag zur Nadel gepresst ist, sodass Anker und Nadel einander berühren. Das Verpressen auf Anschlag kann bei jeder der vorstehend diskutierten unterschiedlichen Arten des Verpressens vorgesehen sein.
Weiter kann dabei vorgesehen sein, dass das Ankerelement eine Durchgangsöffnung zum Durchführen von Gas von einer Anschlussseite des Injektors zum Inneren der Hohlnadel aufweist, wobei vorzugsweise ein Hohlraum der Hohlnadel und die Durchgangsöffnung des Ankerelements koaxial zueinander ausgerichtet sind und/oder zueinander fluchten.
Die Durchgangsöffnung des Ankerelements kann demnach eine Fortführung des inneren Hohlraums der Hohlnadel darstellen, wobei vorzugsweise im Übergangsbereich des inneren Hohlraums der Hohlnadel zu der
Durchgangsöffnung des Ankerelements keine Abstufung oder dergleichen vorgesehen ist, sodass der Hohlraum der Hohlnadel und die Durchgangsöffnung des Ankerelements miteinander fluchten. Das Ankerelement kann demnach also eine zur Längsmittelachse der Hohlnadel parallel verlaufende Durchgangsöffnung aufweisen, um ein von dem Injektor auszugebendes Gas durch diese
Durchgangsöffnung in das Innere der Hohlnadel einzuführen. In einem zusammengefügten Zustand von Ankerelement und Hohlnadel kann vorgesehen sein, dass diese beiden Bauteile eine gemeinsame Drehachse aufweisen, zu der sich das Ankerelement und die Hohlnadel drehsymmetrisch oder gar rotationssymmetrisch verhalten. Diese gemeinsame Drehachse kann dabei sowohl durch die Durchgangsöffnung des Ankerelements wie auch das hohle Innere der Hohlnadel verlaufen.
Nach einer optionalen Fortbildung kann vorgesehen sein, dass das Ankerelement und die Hohlnadel aus unterschiedlichen Materialien bestehen, vorzugsweise wobei das Ankerelement ein magnetisierbarer Körper ist, der beim Betätigen eines Magnetventils in Längsrichtung der Hohlnadel bewegt wird und durch die Verbindung mit der Hohlnadel diese von der Einblasöffnung abhebt oder hierauf absetzt.
Vorteilhaft an einer Ausgestaltung, bei der das Ankerelement und die Hohlnadel aus unterschiedlichen Materialien bestehen ist dabei, dass die beiden miteinander verbundenen Bauteile hinsichtlich jeweils unterschiedlicher Funktionen optimiert werden können. So ist es für das Ankerelement von übergeordneter Bedeutung die in Längsrichtung des Injektors auszuführende Hub- und Absatzbewegung auszuführen, die aufgrund der Verbindung mit der Hohlnadel auf diese übertragen wird. Verwendet man beispielsweise ein Magnetventil, ist es unerlässlich, dass das Ankerelement ein magnetisierbarer Körper ist, der über das Einwirken magnetische Feldlinien bewegt werden kann. Die Hohlnadel hingegen muss aufgrund ihrer Verbindung mit dem Ankerelement selbst nicht magnetisierbarer sein, sondern kann auch ein nicht magnetisierbarer Körper sein, der hinsichtlich anderer Anforderungen (beispielsweise dem Abdichten der mindestens einen Einblasöffnung in der Ventilplatte und/oder einer Gleitreibung mit einer Nadelführung) optimiert ist. Daher kann es von Vorteil sein, wenn die Ventilnadel und das Ankerelement nicht aus denselben Materialien gefertigt sind. Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Injektor ferner mit einem elastischen Element, vorzugsweise einem Federelement versehen ist, das dazu ausgelegt ist, das Ankerelement in eine Richtung weg von einer Anschlussseite zu drängen, um die mit dem Ankerelement in Verbindung stehende Hohlnadel in Richtung Einblasöffnung vorzuspannen, wobei vorzugsweise das elastische Element eine Spiralfeder ist, deren Federkraft parallel zu Längsrichtung der Hohlnadel wirkt.
So kann bei einem unbetätigten Zustand des Ventils dafür gesorgt werden, dass das Ankerelement und die daran fest angeordnete Hohlnadel gegen die Ventilplatte mit den darin vorgesehenen Einblasöffnungen vorgespannt ist. In einem solchen Zustand ist die mindestens eine Einblasöffnung durch die gegen die Ventilplatte vorgespannte Hohlnadel verschlossen, sodass ein unter einem gewissen Druck in den Injektoren an einer Anschlussseite eingeführtes Gas den Injektor nicht verlassen kann. Zu einem Freigeben der mindestens einen Einblasöffnung kommt es erst dann, wenn das Ventil betätigt wird und dadurch das Ankerelement zusammen mit der Hohlnadel eine Bewegung von der Ventilplatte weg ausführt. Diese Bewegung muss dabei die durch das elastische Element auf das Ankerelement einwirkende Kraft überwinden, was dazu führt, dass bei einem Deaktivieren des Ventils das elastische Element automatisch zu einem Absenken der Hohlnadel auf die Ventilplatte und einem dadurch bewirkten Verschließen der mindestens einen Einblasöffnung führt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das elastische Federelement eine Spiralfeder ist, die sich am Injektorgehäuse oder an einen damit starr verbundenen Bauteil (beispielsweise einem Ankergegenstück) abstützt. Typischerweise greift das elastische Federelement an derjenigen Seite des Ankerelements an, die zu der Hohlnadel gegenüberliegt. Weiter kann auch eine Mittelachse bzw. eine Dreh- oder Symmetrieachse des Ankerelements durch das durch die Wicklung der Spiralfeder definierte Innere verlaufen. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die Spiralfeder in einem das Gas führenden Kanal angeordnet ist, sodass die Feder direkt mit dem Gas in Berührung kommen kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Nadelführung vorgesehen ist, die in dem Injektorgehäuse angeordnet ist, die Hohlnadel an ihrer Außenseite umfangsseitig umgibt und dazu ausgelegt ist, lediglich eine Bewegung, vorzugsweise Gleitbewegung, der Hohlnadel parallel zu deren Längsrichtung zuzulassen.
Um eine möglichst präzise Bewegung der Hohlnadel entlang der Längsrichtung des Injektors bei einem Betätigen des Ventils durchzuführen, ist eine Nadelführung vorgesehen, die die Hohlnadel an einer Außenwand so aufnimmt, dass sich diese lediglich in Längsrichtung des Injektors hin- und herbewegen kann. Die Hohlnadel kann dabei gleitend in der Nadelführung aufgenommen werden, um das laterale Spiel so weit wie möglich zu unterdrücken. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Hohlnadel an ihrer Außenseite und/oder die Nadelführung an ihrer Innenseite eine Beschichtung zum verschleißarmen Gleiten aufweist/aufweisen, insbesondere eine kohlenstoffhaltige Beschichtung aufweist/aufweisen. Eine solche Beschichtung ist insbesondere bei einem Einblasen von Gas, bzw. Wasserstoff durch den Injektor von Vorteil, da Gase im allgemeinen und Wasserstoff im besonderen keine Schmiereigenschaften aufweisen. Die Nadelführung ist dabei vorzugsweise ein zum Injektorgehäuse separates Bauteil, das in das Innere des Gehäuses eingeführt wird und über ein gewisses Spiel in Längsrichtung des Injektorgehäuses verfügen kann, sich also in einem geringen Maß in Längsrichtung bewegen kann, ohne dabei die grundlegende Funktion einer Nadelführung aufzugeben. Dieses Spiel ist insbesondere von Vorteil, da bei einem Einbauen des Injektors in einen entsprechenden Motor hohe axiale Kräfte in Längsrichtung des Injektorgehäuses wirken (im Regelfall durch Einschrauben des Injektorgehäuses oder Aufsetzen und Anziehen einer Überwurfmutter) und eine hieraus entstehende Längenänderung des Injektorgehäuses durch das Spiel kompensiert werden kann.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen der Hohlnadel und der Nadelführung mindestens ein Führungsband angeordnet ist, das als Gleitpartner zwischen der Hohlnadel und der Nadelführung dient, wobei vorzugsweise das Führungsband an der Hohlnadel oder der Nadelführung befestigt ist.
Ferner kann dabei auch vorgesehen sein, dass mindestens zwei Führungsbänder verwendet werden, die vorzugsweise auf der Nadel und/oder der Nadelführung befestigt sind. Es ist ebenfalls möglich, dass ein erstes Führungsband an der Nadel und ein zweites Führungsband an der Nadelführung angeordnet ist.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein zwischen Anker und Nadel bestehender Pressverband, beispielsweise eine Verpressung, in Axialrichtung gesehen zwischen zwei axial zueinander beabstandeten Führungsbändern angeordnet ist. Durch das Vorsehen der Verpressung in Axialrichtung zwischen zwei dazu beabstandeten Führungsbändern wird die Presskraft gleichmäßig auf eine Nadelführung gebracht, sodass dadurch auch ein etwaiges Verkeilen eines Führungsbands so gut wie ausgeschlossen ist.
Für das Vorsehen des Führungsbands können entsprechende an der Außenseite der Flohlnadel umlaufende Nuten bzw. an der Innenseite der Nadelführung umlaufende Nuten vorgesehen sein, in die ein Führungsband eingesetzt wird, sodass dieses nur zu einem Teil seiner Dicke aus der Nut hervortritt.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ventil ein Magnetventil ist und eine ringförmige Magnetspule aufweist, die das Ankerelement umfangsseitig umgibt und dazu in der Lage ist, eine Magnetkraft zu erzeugen, um das Ankerelement zur Anschlussseite des Injektors hin zu bewegen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Spule zum Vorsehen einer Magnetkraft vorgesehen ist, die eine Bewegung des Ankerelements, bspw. von der Ventilplatte weg, bewirkt. Um eine solche Bewegung durchzuführen, läuft die Spule typischerweise um die Außenseite des Ankerelements herum, sodass das Ankerelement im Innenbereich der Spulenwicklung teilweise oder vollständig angeordnet ist.
Nach einer weiteren optionalen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlnadel und das Ankerelement zu einer gemeinsamen Drehachse drehsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wobei die gemeinsame Drehachse parallel oder identisch zur Längsachse der Hohlnadel ist.
Dabei kann auch das Injektorgehäuse und/oder die Nadelführung zu dieser gemeinsamen Drehachse von Hohlnadel und Ankerelement drehsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet sein, was einen einfachen Aufbau der einzelnen Bauteile des Injektors mit sich bringt.
Zudem kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Injektor dazu ausgelegt ist, Gas ohne die Beimischung von Luft über die mindestens eine Einblasöffnung in einen Brennraum zu injizieren. Im Stand der Technik ist es weit verbreitet, bereits eine Beimischung von Luft in das Gas, bzw. den Wasserstoff vor einem Einblasen eines solchen Gemisches in einen Brennraum vorzunehmen, sodass eine Gemischbildung von Brennstoff und Luft nicht erst Brennraum erfolgen muss Vorteilhaft bei einem direkten Einspritzen von Gas in einen Brennraum ohne die Beimischung von Luft, sodass eine Luft-Gemischbildung mit dem Gas erst in einem Brennraum erfolgt, ist die höhere Effizienz, eine stabilere Verbrennung sowie der Ausschluss einer möglichen Rückzündung in den Ansaugtrakt, da bspw. reiner Wasserstoff ohne das Zumischen von Luft bzw. Sauerstoff nicht brennt.
Die Erfindung betrifft zudem eine Brennkraftmaschine mit einer Gas- Direkteinspritzung, insbesondere einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, die einen Injektor nach einer der vorstehenden Varianten umfasst. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt:
Fig. 1: eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Injektor, und Fig. 2: eine Detailschnittansicht einer weiteren Möglichkeit zum Verpressen von
Anker und Nadel.
Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung nimmt auf einen Injektor zum Einblasen von Wasserstoff Bezug, wobei dem Fachmann aber klar ist, dass von der Erfindung ebenfalls ein Injektor zum Einblasen von Gas umfasst ist. Figur 1 zeigt dabei einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Injektors 1 zum Einblasen von Wasserstoff in einen Brennraum 16. Der Injektor 1 besitzt dabei ein Injektorgehäuse 2, in dem sich unterschiedliche Komponenten des Injektors 1 befinden. Anschlussseitig ist ein Gasanschluss 11 zum Einführen eines Wasserstoffs in den Injektor 1 vorgesehen. Zunächst wird dabei der Wasserstoff oder ein anderes brennbares Fluid durch eine etwa zentral im Injektorgehäuse 2 verlaufende Bohrung eines Deckels 29 und im Anschluss daran durch einen Fluidkanal eines Ankergegenstücks 27, einer Durchgangsöffnung 10 des Ankers 5 und dem hohlen Inneren 12 einer Hohlnadel 3 zu dem von der Anschlussseite 11 entfernten Ende der Hohlnadel 3 geleitet.
Abhängig von der Stellung der Hohlnadel 3 gegenüber der Ventilplatte 9 sind die die Ventilplatte 9 durchstoßenden Einblasöffnungen 4 verschlossen oder freigegeben. In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand sind die Einblasöffnungen 4 durch das Anpressen der Hohlnadel 3 gegen die Ventilplatte 9 verschlossen, da die Stirnseite der Hohlnadel 3 die Öffnungskonturen der Einblasöffnungen 4 abdeckt. Zum Verbessern der Dichtheit können Dichtelemente 30 vorgesehen sein, die um die Öffnungskonturen der Einblasöffnungen 4 herum verlaufen und in einem abdichtenden Zustand der Hohlnadel 3 die Stirnseite der Hohlnadel 3 kontaktieren. Sind die Einblasöffnungen 4 durch die Stirnseite der Hohlnadel 3 verschlossen, wird die Fluidströmung des Wasserstoffs an dieser Stelle des Injektors 1 aufgehalten und es kommt zu keiner stromabwärtigen Strömung von Wasserstoff jenseits der Ventilplatte 9. Sind die Einblasöffnungen 4 hingegen freigegeben, was durch ein Abheben der Hohlnadel 3 weg von der Ventilplatte 9 umgesetzt wird, strömt der mit einem gewissen Druck in den Injektor 1 eingeführte Wasserstoff aus dem Inneren 12 der Hohlnadel 3 heraus und tritt über die mehreren Einblasöffnungen 4 auf der von der Hohlnadel 3 beabstandeten Seite der Ventilplatte 9 aus. Nach Durchströmen eines Rückschlagventils 20, 21, 23, das in dem Injektor 1 optional vorgesehen sein kann, strömt der unter Druck stehende Wasserstoff durch die ebenfalls optional vorsehbare Einblaskappe 18, welche über mindestens eine Durchgangsöffnung 17 verfügt. Nach einem Durchtritt dieser Einblaskappe 18 befindet sich dann der durch den Injektor 1 abgegebene Wasserstoff typischerweise außerhalb des Injektors 1 in einem Brennraum 16. Dort findet in der Regel dann eine Beimischung von Luft sowie eine Komprimierung des Wasserstoff-Luft-Gemisches statt, welches sich dann entzündet bzw. entzündet wird.
Das Rückschlagventil 20, 21, 23, das auf der zur Hohlnadel 3 abgewandten Seite der Ventilplatte 9 liegt, dient dazu, einen im Brennraum herrschenden sehr hohen Druck von der mindestens einen Einblasöffnung 4 fernzuhalten. Anderenfalls könnte es passieren, dass der sehr hohe im Brennraum herrschenden Druck über die mindestens eine Einblasöffnung 4 auf die Stirnseite der die Einblasöffnung 4 verschließenden Hohlnadel 3 wirkt und diese aus ihrer die mindestens eine Einblasöffnung 4 schließenden Position wegbewegt. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt des Injektors 1 würde dann nicht mehr der zum Verbrennen erforderliche Wasserstoff in den Brennraum 16 eingeleitet werden, sondern ein bereits zumindest teilweise verbranntes Gemisch, was zu einem Unterbrechen des Verbrennvorgangs oder bestenfalls zu einer geringeren Leistung des Verbrennvorgangs führen kann. Das Rückschlagventil 20, 21, 23 weist dabei einen Ventilstößel 20, eine Ventilführung 21 und eine Ventilfeder 23 auf, die den Ventilstößel in eine Schließrichtung drängt, sodass ein Ausströmen von Wasserstoff über die Öffnungskontur 19 des Rückschlagventils 20, 21 , 23 nur dann auftritt, wenn auf der zur Ventilplatte 9 zugewandten Seite des Rückschlagventils 20, 21, 23 ein Druck herrscht, der mindestens um die von der Ventilfeder 23 ausgeübte Rückstellkraft des Ventilstößel 20 größer ist als der auf der von dem Rückschlagventil 20, 21, 23 zur Ventilplatte 9 abgewandten Seite herrschende Druck. Ein Einströmen eines Fluids von der zum Brennraum zugewandten Seite des in dem Einblasrohr 22 angeordneten Rückschlagventils 20, 21 , 23 wird dadurch verhindert.
Die als Hohlnadel 3 ausgebildete Ventilnadel 3 ist in der Längsrichtung des Injektors 1 hin- und herbewegbar. Die Bewegung der Ventilnadel 3 wird dabei über ein Ventil 5, 6 gesteuert, das in der vorliegenden Darstellung der Fig. 1 ein Magnetventil ist. Die Hohlnadel 3 ist dabei fest mit einem Ankerelement 5 verbunden, das wiederum auf die von einer Spule 6 erzeugte Magnetkraft reagiert. Die Spule 6 kann dabei wahlweise so von Strom durchflossen sein, dass die dabei entstehende magnetische Kraft das Ankerelement 5 in Richtung des Gasanschlusses 11 bewegt. Durch diese Bewegung wird auch die fest mit dem Ankerelement 5 in Verbindung stehende Hohlnadel 3 mitbewegt, sodass es zu einem Anheben der Hohlnadel 3 gegenüber der Ventilplatte 9 kommt. Dadurch werden die Einblasöffnungen 4 in der Ventilplatte 9 freigegeben, sodass die Ventilplatte 9 von Wasserstoff durchströmt werden kann. Als mögliche Befestigung der Hohlnadel 3 mit dem Ankerelement 5 sind beispielsweise das Verpressen, eine Einschraubverbindung in das Ankerelement 5, ein Verkleben oder andere sachdienliche Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Für eine präzise Führung der Hohlnadel 3 entlang der Längsachse bzw. Drehachse X des Injektors bzw. der Hohlnadel 3 selbst ist eine Nadelführung 14 vorgesehen, die eine Außenseite der Hohlnadel 3 umfangsseitig umschließt. Im Kontaktbereich zwischen der Nadelführung 14 und der Außenseite der Hohlnadel 3 kommt es zu einer Gleitreibung, sodass es von Vorteil sein kann, wenn eine der beiden Kontaktflächen oder auch beide Kontaktflächen über eine spezielle Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung mit Kohlenstoff verfügt. Es hat sich gezeigt, dass eine solche kohlenstoffhaltige Beschichtung in Bezug auf die tribologischen Anforderungen der beiden Gleitkomponenten von Vorteil ist. Die Nadelführung 14 kann dabei so ausgestaltet sein, dass sie sich ausgehend von der Ventilplatte 9 erstreckt und mit gewissen Abstand von dieser nach innen ausgekragt, um erst mit dem gewissen Abstand von der Ventilplatte 9 mit der Außenseite der Hohlnadel 3 in Berührung zu kommen. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Nadelführung 14 durchstößt die Hohlnadel 3 die Nadelführung 14 derart, dass das der Ventilplatte 9 zugewandte Ende der Ventilnadel 3 auch in einem von der Ventilplatte 9 abgehobene Zustand noch vollständig durch die Nadelführung 14 hindurchgeführt ist. Die Nadelführung kann dabei genau wie das Ankerelement 5 und die Hohlnadel 3 rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch zur Drehachse X des Injektors 1 ausgestaltet sein.
An dem zur Ventilplatte 9 zugewandten Ende der Hohlnadel 3 ist eine flanschartige Auskragung vorgesehen, die ein Abdecken der mindestens einen Einblasöffnung 4 in der Ventilplatte 9 erleichtert. Darüber hinaus kann die Hohlnadel 3 auch weitere schräg oder senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Strömungskanäle 7 aufweisen, durch die ein in die Hohlnadel 3 eingeführter Wasserstoff Ausströmen kann. Der Vorteil hieran ist, dass die den Einblasöffnungen 4 zugewandte Seite der Hohlnadel 3 beidseitig, also von innen und von außen von dem in den Injektor 1 eingeführten Wasserstoff umströmt wird. Somit kann der Hub der Ventilnadel 3 bzw. des Ankerelements 5 minimiert und dennoch der erforderliche Durchfluss an Wasserstoff realisiert werden. Dies deswegen, da sich die Strömung in eine Außenströmung (via Strömungskanal 7) und eine Innenströmung durch das der Ventilplatte 9 zugewandte Ausgangsloch der Hohlnadel 3 aufteilen kann. Die flanschartige Auskragung 8, auch Teller genannt, wird daher beidseitig umströmt.
Zwischen der Nadelführung 14 und dem Ankerelement 5 ist ein Luftspalt 24 vorgesehen, der eine gewisse Bewegung der Nadelführung in Längsrichtung des Injektors 1 erlaubt. Die Nadelführung 14 kommt ihrer primären Aufgabe unabhängig von ihrer exakten Anordnungsposition nach, sodass auch das geringe Spiel in Längsrichtung des Injektors 1 hieran nichts ändert. Insbesondere aber bei einer Komprimierung des Injektorgehäuses 2, beispielsweise hervorgerufen durch ein Befestigen des Injektors 1 an einem Motor oder einem thermischen Ausdehnen bzw. Zusammenziehen, dient dieser Luftspalt 24 als Reserve, sodass eine Längenveränderung des Injektorgehäuses 2 in Längsrichtung kompensiert werden kann ohne dabei eine Kraft auf die Nadelführung 14 einzuleiten. Auf der von der Hohlnadel 3 abgewandten Seite des Ankerelements 5 ist ein Ankergegenstück 27 vorgesehen, in dem ein elastisches Federelement 13 in Form einer Spiralfeder angeordnet ist, welche das Ankerelement 5 in Richtung Ventilplatte 9 drängt. Ohne das Betätigen des Ventils 5, 6 wird also die Hohlnadel 3 in Richtung Ventilplatte 9 gedrängt und verschließt die mindestens eine Einblasöffnung 4. Ähnlich wie das Ankerelement fünf weist auch das Ankergegenstück 27 eine Durchgangsöffnung auf, deren Mitte in der Längsmittelachse X des Injektors 1 angeordnet sein kann. Eine einfache Umsetzung zum Einbringen des elastischen Federelements 13 in das Ankergegenstück 27 ist hierbei die Durchmesseränderung der Durchgangsöffnung des Ankergegenstücks 27. Die so entstehende Stufe wird dabei als Anschlagfläche für das elastische Federelement 13 verwendet, sodass darüber hinausgehende konstruktionstechnische Änderungen nicht vonnöten sind. Die Durchgangsöffnung durch das Ankergegenstück 27 kann dabei durch zwei in ihrem Durchmesser unterschiedliche Bohrungen verwirklicht sein, die über dieselbe Bohrmittelachse verfügen. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Bohrmittelachse zu der Mittelachse des Ankerelements 5 identisch ist.
Um den magnetischen Fluss bei einer Umsetzung des Ventils 5, 6 als Magnetventil zu verbessern, kann die Spule 6 an ihrer Außenseite von einem Eisenrückschluss 25 umgeben sein, in dem sich das Magnetfeld besonders gut ausbreiten kann.
Ähnlich verhält es sich mit dem direkt das Ankerelement 5 und das Ankergegenstück 27 umgebenden Gehäusebestandteile, das ebenfalls vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material besteht. So kann es von Vorteil sein, wenn das Polrohr 28, das ein Bestandteil des Injektorgehäuses 2 darstellt, ebenfalls aus Eisen oder einen anderen ferromagnetischen Material ist. Selbiges gilt auch für das Ankergegenstück 27, das Vorteilhafterweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht.
Eine visualisierte Darstellung der magnetischen Feldlinien ist durch das Bezugszeichen 15 illustriert. Diese weisen eine Richtung auf, die bei Betrachtung der Fig. 1 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn verläuft. Dadurch wird das Ankerelement 5 hin zum Ankergegenstück 27 gezogen und die Hohlnadel 3 von der Ventilplatte 9 bzw. von den die Ventilplatte 9 durchbrechenden Einblasöffnungen 4 abgehoben, sodass es zu einem Einströmen von Wasserstoff hin zum Rückschlagventil kommen kann, von wo aus Wasserstoff schlussendlich über die Einblaskappe 18 in den Brennraum 16 eingeleitet wird. Fig. 2 zeigt eine Detailschnittansicht einer weiteren Möglichkeit zum Verpressen von Anker 5 und Nadel 3. Dargestellt ist dabei die obere Hälfte des relevanten Bereichs bei der Verbindung von Anker 5 und Nadel 3. anerkennt, dass zwischen der Nadel 3 und der Nadelführung 14 zwei Führungsbänder 31 angeordnet sind, die zueinander in Längsrichtung des Injektors 1 beabstandet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass genau in dem Bereich des in Längsrichtung des Injektors 1 verlaufenden Abstands der beiden Führungsbänder 31 der Kontaktbereich 32 zum Verpressen zwischen Nadel 3 und Ankerelement 5 vorgesehen ist. Dadurch wirkt auf die beiden Führungsbänder 31 eine gleichmäßige Kraft beim Gleiten zwischen Nadel 3 und der Nadelführung 14. Auch kann es nicht mehr Vorkommen, dass ein einzelnes Führungsband 31 durch das Aufbringen einer nicht gleichmäßig austarierten Kraft aufgrund des Verpressens zu einem Verkannten neigt und nicht mehr sauber entlang der Nadelführung 14 gleitet. Dem Fachmann es klar, dass die in der Fig. 2 dargestellte Ausführung des Pressverbunds zwischen Anker 5 und Nadel 3 nicht einschränkend verstanden werden darf, sondern die Erfindung auch das vorsehen von nur einem Führungsband 31 oder mehr als zwei Führungsbändern 31 bei identischer Anordnung von Anker 5 und Nadel 3 umfasst.

Claims

Ansprüche
1. Injektor (1) zum Einblasen von Gas, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff, umfassend: ein Injektorgehäuse (2) zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, eine Ventilnadel (3), die entlang ihrer Längsachse (X) bewegbar in dem Injektorgehäuse (2) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Einblasöffnung (4) zum Durchströmen von Gas, bspw. Wasserstoff, wahlweise zu verschließen oder freizugeben, und ein Ventil (5, 6), vorzugsweise ein Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, die Ventilnadel (3) durch eine Bewegung entlang deren Längsachse (X) in einen verschließenden oder freigebenden Zustand zu überführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (3) eine Hohlnadel (3) ist, die dazu ausgelegt ist, ein die Einblasöffnung (4) durchströmendes Gas durch das Innere der Hohlnadel (3) zu leiten.
2. Injektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 1, wobei der Injektor (1) ferner dazu ausgelegt ist, das gesamte die Einblasöffnung (4) durchströmende Gas, vorzugsweise Wasserstoff, durch das Innere der Hohlnadel (3) zu führen.
3. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlnadel (3) abgehend von ihrem Inneren mindestens einen seitlich nach außen verlaufenden Strömungskanal (7) aufweist, vorzugsweise derart, dass in einem geöffneten Zustand des Injektors (1) das der Einblasöffnung (4) zugewandte Ende der Hohlnadel (3) innen- und außenseitig von Wassertoff umströmbar ist.
4. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlnadel (3) an ihrem der Einblasöffnung (4) zugewandten Ende eine flanschartige Auskragung (8) aufweist, die dazu dient, die mindestens eine in einer Ventilplatte (9) liegende Einblasöffnung (4) abzudichten.
5. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (5, 6), vorzugsweise ein Magnetventil, ein zur Längsachse (X) der Hohlnadel (3) bewegbares Ankerelement (5) aufweist, das mit der Hohlnadel (3) insbesondere durch Verpressen fest verbunden, und/oder mit diesem einstückig ausgebildet ist.
6. Injektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 5, wobei das Ankerelement (5) eine Durchgangsöffnung (10) zum Durchführen von Gas von einer Anschlussseite (11) des Injektors (1) zum Inneren der Hohlnadel (3) aufweist, wobei vorzugsweise ein Hohlraum (12) der Hohlnadel (3) und die
Durchgangsöffnung (10) des Ankerelements (5) koaxial zueinander ausgerichtet sind und/oder zueinander fluchten.
7. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, wobei das Ankerelement (5) und die Hohlnadel (3) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, vorzugsweise wobei das Ankerelement (5) ein magnetisierbarer Körper ist, der beim Betätigen eines Magnetventils in Längsrichtung der Hohlnadel (3) bewegt wird und durch die Verbindung mit der Hohlnadel (3) diese von der Einblasöffnung (4) abhebt oder hierauf absetzt.
8. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 - 7, ferner mit einem elastischen Element (13), vorzugsweise einem Federelement, das dazu ausgelegt ist, das Ankerelement (5) in eine Richtung weg von einer Anschlussseite (11) zu drängen, um die mit dem Ankerelement (5) in Verbindung stehende Hohlnadel (3) in Richtung Einblasöffnung (4) vorzuspannen, wobei vorzugsweise das elastische Element (13) eine Spiralfeder ist, deren Federkraft parallel zu Längsachse (X) der Hohlnadel (3) wirkt.
9. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Nadelführung (14), die in dem Injektorgehäuse (2) angeordnet ist, die Hohlnadel (3) an ihrer Außenseite umfangsseitig umgibt und dazu ausgelegt ist, lediglich eine Bewegung, vorzugsweise Gleitbewegung, der Hohlnadel (3) parallel zu deren Längsrichtung zuzulassen, wobei vorzugsweise die Nadelführung ein Spiel in Längsrichtung des Injektorgehäuses aufweist.
10. Injektor (1) nach dem der vorhergehenden Anspruch 9, wobei die Hohlnadel (3) an ihrer Außenseite und/oder die Nadelführung (14) an ihrer Innenseite eine
Beschichtung zum verschleißarmen Gleiten aufweist/aufweisen, insbesondere eine kohlenstoffhaltige Beschichtung aufweist/aufweisen.
11. Injektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 9 oder 10, wobei zwischen der Hohlnadel (3) und der Nadelführung (14) mindestens ein Führungsband angeordnet ist, das als Gleitpartner zwischen der Hohlnadel (3) und der Nadelführung (14) dient, vorzugsweise wobei das Führungsband an der Hohlnadel (3) oder der Nadelführung (14) befestigt ist.
12. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (5,
6) ein Magnetventil ist und eine ringförmige Magnetspule (6) aufweist, die das Ankerelement (5) umfangsseitig umgibt und dazu in der Lage ist, magnetische Feldlinien (15) zu erzeugen, um das Ankerelement (5) zur Anschlussseite (11) des Injektors (1) hin zu bewegen.
13. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlnadel (3) und das Ankerelement (5) zu einer gemeinsamen Drehachse drehsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wobei die gemeinsame Drehachse parallel oder identisch zur Längsachse (X) der Hohlnadel (3) ist.
14. Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Injektor (1) dazu ausgelegt ist, Gas, insbesondere Wasserstoff, ohne die Beimischung von Luft über die mindestens eine Einblasöffnung (4) in einen Brennraum (16) zu injizieren.
15. Brennkraftmaschine mit einer Gas-Direkteinspritzung, insbesondere mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung umfassend einen Injektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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