WO2023169868A1

WO2023169868A1 - Injektor zum einspritzen von kraftstoff

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Publication number: WO2023169868A1
Application number: PCT/EP2023/054953
Authority: WO
Inventors: Martin Seidl; Richard Pirkl; Razvan-Sorin STINGHE; Martin Schmidt; Lydia KAPUSTA; Benedikt SCHLEGL
Original assignee: Liebherr-Components Deggendorf Gmbh
Priority date: 2022-03-07
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2023-09-14
Also published as: DE102022105225A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, umfassend ein hülsenartiges Gehäuse zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, ein Ankerelement zum Hin- und Herbewegen in dem Gehäuse, um eine Strömung des Kraftstoffs durch den Injektor zu blockieren oder freizugeben, ein elastisches Drängelement zum Drängen des Ankerelements in die Blockierstellung, ein Aktuator zum Ausheben des Ankerelements aus der Blockierstellung in eine Offenstellung, wobei der Aktuator vorzugsweise ein Magnetaktuator ist, ein Stützelement zum Abstützen des elastischen Drängelements, vorzugsweise zum Abstützen des vom Ankerelement abgewandten Endes des elastischen Drängelements, und ein Anschlagelement zum Definieren eines maximalen Abstands des Ankerelements von der Blockierstellung. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors zu ermöglichen, und/oder das Anschlagelement an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors zu ermöglichen.

Description

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere zum Einblasen eines Gases, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Injektor dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.

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 (NO_X), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.

Prinzipiell erfüllen batteriebetriebene Antriebe die Zero-Emissions-Richtlinie während des Betriebs und sind v. a. im Pkw-Bereich auf dem Vormarsch. Wird hingegen die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet, so ist jedoch die Produktion der (Lithium-)Akkus energetisch sehr kostspielig und unter umwelttechnischen Gesichtspunkten problematisch, da insbesondere starke Umweltschäden beim Rohstoffabbau auftreten und der Abbau der für die Batterien erforderlichen Rohstoffe nicht nachhaltig durchführbar ist. Zudem ist mit dem heute erzielbaren Leistungsgewicht der Batterien ein Einsatz in Maschinen mit hohem (Spitzen-) Leistungsbedarf nicht möglich.

Brennstoffzellenbetriebene Antriebe mit Versorgung aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff erfüllen die vorgegebenen Klimaschutzziele und sind schon heute in sehr begrenztem Maße im Einsatz. Allerdings weist auch dieses Konzept einige Nachteile auf, bspw. eine im Vergleich zu heutigen Dieselantrieben geringe Spitzenleistung und eine geringe Wirtschaftlichkeit.

In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren aber bis dato fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstratoren 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, DI = 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.

Wird der Wasserstoff zu 100 % aus regenerativen Energien gewonnen, kann mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ein nahezu klimaneutraler Betrieb realisiert werden. Darüber hinaus bieten sich zahlreiche weitere Vorteile:

• Verwendung bekannter Technologien mit hohem Reifegrad und bestehender Produktionsanlagen

• unbegrenzte Verfügbarkeit des Wasserstoffs durch Elektrolyse von Wasser

• Nutzung des bestehenden Tankstellensystems möglich (nach entsprechender Umrüstung) mit schnellen Tankzeiten

• (fast) emissionsfreie Umwandlung des Wasserstoffs in der Verbrennung möglich, da CO2-neutral, nur minimale CO, UHC-, Partikel- und Ruß- Emissionen (lediglich verursacht durch Schmierstoffe im Zulaufsystem, unterhalb der Messgrenze) und nur minimale NOx-Emissionen durch geeignetes Verbrennungsverfahren (ggf. mit Abgasrückführung, SCR- Katalysator)

• deutlich geringere Anforderung an Reinheit des Wasserstoffs im Vergleich zu Brennstoffzellen-Antrieben

• kein Bedarf an Platin zur Herstellung wie bei Brennstoffzellen Neben diesen zahlreichen Vorteilen gegenüber anderen Antriebskonzepten existieren jedoch auch einige Herausforderungen, die es bei der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmaschinen zu bewältigen gibt: geringes Molekulargewicht von Wasserstoff, dadurch eine geringe Dichte einhergehend mit einer geringen volumetrischen Energiedichte (bei hoher massenspezifischer Energiedichte); siehe Tabelle 1

Bereitstellung eines demzufolge hohen Volumenstroms bei der Einblasung von Wasserstoff entsprechende Bereitstellung von großen Strömungsquerschnitten im Injektor und damit benötigter deutlich größerer Hübe des Aktuators als bei konventionellen Antriebsarten einhergehende Entwicklung einer deutlich stärkeren Aktuatoreinheit bei gleichzeitig begrenztem Bauraum je nach Anwendung aufgrund langer Einspritz- und damit Bestromungszeiten der Aktuatoreinheit ein hoher thermischer Wärmeeintrag und somit benötigtes Wärmeabfuhrkonzept fehlende Kühlung der Injektoreinheit durch Kraftstoff speziell bei Einspritzung von nicht-kryogenem Wasserstoff

Dichtheit des Gesamtsystems / Verhinderung von externen Leckagen, v. a. im Hinblick auf Sicherheitsaspekte (Brand- und Explosionsgefahr aufgrund aus dem System austretenden Wasserstoff) erhöhte Verschleißgefahr an Führungen bewegter Bauteile aufgrund der praktisch nicht vorhandenen Schmierwirkung von Wasserstoff deutlich stärkere Neigung bewegter Bauteile zum Prellen an mechanischen Anschlägen in Gasinjektoren im Vergleich zu Injektoren mit Flüssigkraftstoffen durch geringe Dämpfwirkung bei der Gaskompression

Materialbeständigkeit gegenüber Wasserstoff nötig im Hinblick auf die Gefahr einer Wasserstoffversprödung in mechanisch beanspruchten / druckbeaufschlagten Bauteilen (reduzierte Festigkeit) oder durch chemische Reaktion des Wasserstoffs mit in der Kupferspule des Aktuators vorhandenem Sauerstoff (Wasserstoffkrankheit des Kupfers) Gemischaufbereitung im Brennraum / Beeinflussung des Einblasstrahls / Zündverhalten bei Kleinstmengeneinblasung

Tabelle 1 : Massen- und volumenspezifischer Heizwert von Diesel und Wasserstoff

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden oder abzumildern. Insbesondere problematisch ist, dass bei einer Einblasung von Gas aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu bisher verwendeten flüssigen Kraftstoffen größere Strömungsquerschnitte benötigt werden, wodurch sich auch der Hub, den der Magnetaktuator zum Öffnen- bzw. Entdrosseln des Gasventils vollziehen muss, erhöht. Dabei ist der Magnetaktuator eine der wichtigsten Komponenten und in vielerlei Hinsicht maßgeblich für die Leistungsdaten des Injektors, beispielsweise Einspritzmenge, maximaler Systemdruck, Kleinstmenge, Öffnungs- und Schließverhalten. Zwei der wichtigsten einstellbaren Parameter eines Injektors, die das Verhalten des Aktuators im Wesentlichen definieren, sind der Arbeitshub und die Federvorspannung des Ankerelements. Über diese Parameter wird die Einstellung des Injektors vorgenommen. Herkömmlicherweise wird die Einstellung über Distanzscheiben oder dergleichen vorgenommen, die jedoch aufwendig in der Umsetzung ist und präzisionsgefertigte Teile erfordert. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass zumindest ein Teil des Aktuators demontiert werden muss, um die Parameter zu variieren.

Es ist demnach ein Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführte Problematik zu überwinden oder abzumildern, sodass die Parameter eines Injektors stufenlos auf einfache Art und Weise eingestellt werden können. Zudem soll dabei auch die Demontage eines Aktuators in dem Injektor nicht erforderlich sein, sodass das Einstellen der Parameter schneller vonstattengeht und weniger Aufwand mit sich bringt.

Dies gelingt mit einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, umfasst ein hülsenartiges Gehäuse zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, ein Ankerelement zum Hin- und Herbewegen in dem Gehäuse, um eine Strömung des Kraftstoffs durch den Injektor zu blockieren oder freizugeben, ein elastisches Drängelement zum Drängen des Ankerelements in die Blockierstellung, ein Aktuator zum Ausheben des Ankerelements aus der Blockierstellung in eine Offenstellung, wobei der Aktuator vorzugsweise ein Magnetaktuator ist, ein Stützelement zum Abstützen des elastischen Drängelements, vorzugsweise zum Abstützen des vom Ankerelement abgewandten Endes des elastischen Drängelements, und ein Anschlagelement zum Definieren eines maximalen Abstands des Ankerelements von der Blockierstellung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors zu ermöglichen, und/oder das Anschlagelement an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors zu ermöglichen.

Nach der vorliegenden Erfindung ist also vorgesehen, dass das Stützelement, an dem sich die elastische Drängvorrichtung abstützt, mithilfe eines am Außenumfang angeordneten Gewindes (mittels einer Drehbewegung des Stützelements) in Längsrichtung des Injektors bewegt werden kann. Verstellt man das Stützelement in Längsrichtung des Injektors führt dies aufgrund des mittelbaren oder unmittelbaren Kontakts zu dem elastischen Drängelement dazu, dass die auf das Ankerelement ausgeübte Kraft in Richtung Blockierstellung vergrößert oder verringert wird, je nachdem ob das Stützelement von dem Ankerelement entfernt oder auf dieses hinzubewegt wird.

Alternativ oder zusätzlich dazu ist vorgesehen, dass das Anschlagelement, an dem das Ankerelement in seiner maximal geöffneten Stellung anschlägt, mithilfe eines am Außenumfang angeordneten Gewindes (mittels einer Drehbewegung des Anschlagelements) in Längsrichtung des Injektors bewegt werden kann. Verstellt man das Anschlagelement in Längsrichtung des Injektors führt dies dazu, dass das Ankerelement einen größeren oder einen kleineren Hub (in seiner Offenstellung also weniger weit oder weiter weg von der Blockierstellung) ausführen kann. Die Verringerung oder die Vergrößerung des Hubs hängt davon ab, wo das Anschlagelement in Richtung des Ankerelements oder von diesem wegbewegt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Injektor kann der Arbeitshub und/oder die Federvorspannung auf einfache Art und Weise verstellt werden. Aufgrund der Umsetzung der Längsverschiebung des Stützelements und/oder des Anschlagelements kann der Arbeitshub bzw. die Federvorspannung zudem stufenlos variiert werden. Durch die Nutzung der Verstellmöglichkeit über ein Gewinde von dem Stützelement bzw. dem Anschlagelement muss keine vollständige Demontage eines Injektors erfolgen, um die Längsposition des Stützelements und/oder des Anschlagelements zu verändern. Nach dem Stand der Technik ist dies erforderlich, da der Abstand eines herkömmlichen Stützelements bzw. eines herkömmlichen Anschlag Elements durch das Einlegen von Distanzscheiben variiert wird.

Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass das Stützelement und/oder das Anschlagelement in Strömungsrichtung des Injektors gesehen stromaufwärts des Ankerelements angeordnet sind. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Stützelement und/oder das Anschlagelement stromaufwärts eines Polkerns eines Magnetaktuators angeordnet ist/sind. Nach einer weiteren Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Stützelement und/oder das Anschlagelement an ihrem vom Ankerelement abgewandten Ende eine Eingriffkontur aufweisen, die im Zusammenspiel mit einem entsprechend ausgeformten Werkzeug eine Drehung des Stützelements und/oder des Anschlagelements ermöglicht, sodass eine Verstellung entlang der Längsrichtung des Injektors durchgeführt werden kann.

Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Stützelement die Form eines Hohlzylinders aufweist und das Anschlagelement in dem Inneren des als Hohlzylinder ausgeformten Stützelements angeordnet ist und mit seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung zur Innenseite des als Hohlzylinder ausgeformten Stützelements aufweist, vorzugsweise wobei das Anschlagelement die Form einer Schraube besitzt.

Durch die koaxiale Anordnung von Stützelement und Anschlagelement entsteht eine besonders kompakte Ausführung des Injektors, bei der das Anschlagelement durch Drehen in Längsrichtung des Injektors bewegbar ist.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Anschlagelement die Form eines Hohlzylinders aufweist und das Stützelement in dem Inneren des als Hohlzylinder ausgeformten Anschlagelements angeordnet ist und mit seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung zur Innenseite des als Hohlzylinder ausgeformten Anschlagelements aufweist, vorzugsweise wobei das Stützelement die Form einer Schraube besitzt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Element in Form eines Hohlzylinders an seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung mit einer Innenseite des Gehäuses aufweist. Nimmt man beispielsweise den Fall an, dass das Stützelement die Form eines Hohlzylinders aufweist und in seinem Inneren das Anschlagelement angeordnet ist, so kann nun nicht nur das Anschlagelement über eine Drehung in Längsrichtung bewegt werden, sondern es kann darüber hinaus auch das Stützelement aufgrund der Gewindeverbindung zu dem Gehäuse durch eine Drehung in Längsrichtung des Injektors bewegt werden. Dadurch ist eine unabhängige Variation von Stützelement und Anschlagelement möglich, die über eine einfache Drehung des jeweiligen Bauteils erreicht wird.

Natürlich kann auch alternativ dazu vorgesehen sein, dass das Anschlagelement die Form eines Hohlzylinders aufweist und das Stützelement im Inneren des Anschlagelements angeordnet ist.

Die Anordnung von Anschlagelement und Stützelement nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, mit der eine Variation des Ankerelementhubs unter Federvorspannung stufenlos umgesetzt werden kann.

Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elastische Drängelement eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder aufweist, die an dem Stützelement anliegt und sich in Richtung des Ankerelements erstreckt.

Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das elastische Drängelement zwischen dem Stützelement und dem Ankerelement angeordnet ist und durch eine in Längsrichtung verlaufende Durchbrechung eines Polkerns verläuft, wobei der Polkern ebenfalls zwischen dem Ankerelement und dem Stützelement angeordnet ist.

Typischerweise ist direkt oberhalb (in Strömungsrichtung eines aus dem Injektor austretenden Fluids also stromaufwärts) von dem Ankerelement ein Polkern vorhanden, um die magnetischen Feldlinien (im Wesentlichen) parallel zur Längsrichtung des Injektors auszurichten. Der Polkern kann dabei in Längsrichtung unverschieblich mit dem Gehäuse verbunden sein, sodass das Anschlagelement durch eine Öffnung des Polkerns hindurchzuführen ist. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Polkern einen Durchtritt aufweist, durch welchen das Anschlagelement geführt ist. Das Anschlagelement steht dabei an der zum Ankerelement zugewandten Seite des Polkerns hervor, sodass auch bei einer Bewegung des Ankerelements Richtung Polkern (Übertritt oder Erreichen der Offenstellung) ein Mindestabstand zum Polkern gewahrt wird, um eine mögliche Anhaftung des Ankerelements an dem Polkern oder eine ungewünschte Magnetisierung durch einen wiederkehrenden physischen Kontakt des Polkerns mit dem Ankerelement zu verhindern.

Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elastische Drängelement ferner einen Stößel aufweist, der in der Öffnung des Polkerns in Längsrichtung des Injektors verschieblich aufgenommen ist, wobei vorzugsweise an der vom Ankerelement abgewandten Seite des Polkerns der Stößel übersteht und eine Ansatzfläche für ein zwischen dem Stützelement und dem Stößel angeordnetes Federelement, insbesondere eine Spiralfeder aufweist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ferner eine Dämpfeinrichtung zum Dämpfen eines Einschlags beim Übergang des Ankerelements von der Blockierstellung in die Offenstellung umfasst.

Da insbesondere bei der Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs der Arbeitshub des Ankerelements sehr groß ist, kommt es dabei auch zu einem starken Beschleunigen des Ankerelements beim Wechsel von der Blockierstellung in die Offenstellung. Um dabei das ungedämpfte Aufschlagen auf das Anschlagelement zu verhindern, ist ein Dämpfelement von Vorteil, welches den Einschlag des Ankerelements abbremst. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Dämpfeinrichtung aus einem Elastomer ist oder dieses umfasst.

Dieses bietet sich insbesondere dabei an, da es sehr gute Dämpfereigenschaften besitzt und gut zu verarbeiten ist.

Weiter kann dabei vorgesehen sein, dass die Dämpfeinrichtung an der zum Ankerelement gewandten Seite des Anschlagelements angeordnet ist.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die Dämpfeinrichtung mehrteilig ausgebildet ist, beispielsweise also aus mehreren Dämpfelement besteht oder diese umfasst.

Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ansatzfläche zum Ansetzen des Federelements an dem Stößel ein Federteller ist, der an seiner zum Stößel gewandten konkaven Seite ein Dämpfelement, vorzugsweise ein Elastomer, aufweist. Schlägt nun der Stößel bzw. der Federteller mit seiner zum Anschlagelement gewandten Seite an, führt dies nicht zu einer sofortigen Bewegungsunterbrechung des Stößels bzw. des Ankerelements, da zunächst eine Komprimierung des Dampfelements vorgenommen wird.

Dabei kann vorteilhafterweise zudem vorgesehen sein, dass die von dem Stößel abgewandte Seite des Federtellers bei Erreichen eines maximalen Hubs des Ankerelements mit dem Anschlagelement in Kontakt kommt.

Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Stößel auch bei einem Kontakt mit dem Anschlagelement auf der zum Ankerelement gewandten Seite des Polkerns hervorsteht, um einen Mindestabstand von Ankerelement zum Polkern zu gewährleisten.

Die Erfindung betrifft zudem eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit einer Gas-Direkteinspritzung, im Besonderen mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor nach einer der vorhergehenden diskutierten Varianten.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Injektor geschaffen, der seine wichtigsten Parameter zur Einstellung, nämlich die Federvorspannung und den Arbeitshub, auf einfache Art und Weise stufenlos ermöglicht.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Schnittansicht eines Injektors nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2: eine Darstellung in der die Längsposition des Ankerelements und des Stützelements mittels Drehung variiert wird,

Fig. 3: eine Darstellung zur Visualisierung einer Einstellung eines Arbeitshubs,

Fig. 4: eine Darstellung zur Visualisierung einer Einstellung einer Federvorspannung, und

Fig. 5: mehrere Darstellungen für unterschiedliche Anordnungspositionen der Dämpfeinrichtung.

Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung der Fig. 1 wird anhand eines Injektors zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs erläutert, wobei dem Fachmann aber klar ist, dass von der Erfindung ebenfalls ein Injektor zum Einspritzen eines anderen, bspw. flüssigen Kraftstoffs umfasst ist.

Fig. 1 zeigt dabei einen erfindungsgemäßen Injektor 1 mit einem Gehäuse 2, in dem mehrere Injektorkomponenten angeordnet sind. Der Injektor 1 weiß dabei ein schaltbares Ventil auf, das unter anderem durch das Zusammenspiel einer Drosselplatte 15 und einem Ankerelements 3 verwirklicht ist. Der Aktuator 5 umfasst eine Spulenanordnung 14, die in einem bestromten Zustand der Spulenanordnung 14 dazu führt, dass das Ankerelement 3 von der Drosselplatte 15 abgehoben wird und einen Strömungskanal zum Strömen von Kraftstoff freigibt. Wird die Bestromung der Spulenanordnung 14 beendet, drängt das elastische Drängelement 4 das Ankerelement 3 in Richtung Drosselplatte 15, sodass es zu einem Verschließen des Strömungsquerschnitts für den Kraftstoff kommt. Das elastische Drängelement 4 drängt das Ankerelement 3 also in eine Blockierstellung, in welcher kein Kraftstoff durch die von dem Ankerelement 3 abgedichtete Öffnung in der Drosselplatte 15 strömt. Dem Fachmann ist dabei klar, dass von der in Fig. 1 dargestellten oberen Seite Kraftstoff unter einem hohen Druck von einer Kraftstoffzuleitung zugeführt wird, und dieser nach unten abströmt, wenn das Ankerelement 3 in seiner Offenstellung ist.

Fig. 1 zeigt darüber hinaus ein in Längsrichtung des Injektors bewegliches Stützelement 6, das über ein Außengewinde in Verbindung mit dem Inneren des Gehäuses 2 steht. An der Unterseite des Stützelements 6 stützt sich dabei die elastische Drängvorrichtung 4 mit ihrem Federelement 9 ab, die über einen Federteller 13 und einen Stößel 11 , welcher durch eine Öffnung des Polkerns 10 geführt ist, das Ankerelement 3 in die Blockierstellung drängt. Das Stützelement 6 ist vorliegend als Hohlzylinder ausgebildet und nimmt in seiner mittigen Ausnehmung ein Anschlagelement 7 auf, welches den maximalen Hub des Ankerelements 3 definiert. Dies geschieht, indem der nicht kompressible Stößel 11 mit seiner vom Ankerelement 3 abgewandten Seite (bzw. der vom Ankerelement 3 abgewandten Seite des Federtellers 13) gegen die Unterseite des Anschlagelement 7 stößt, wenn der maximal erreichbare Hub erreicht worden ist. Das Anschlagelement 7, welches sich im Inneren des als Hohlzylinder ausgeformten Stützelements 6 befindet, besitzt an seinem Außenumfang ein Gewinde, welches mit einem entsprechenden Gegengewinde, das am Innenumfang des als Hohlzylinder ausgeformten Anschlagelement 6 ausgebildet ist, in Eingriff steht. Fig. 2 zeigt dabei zum einen die Gewindeverbindung des Stützelements 6 mit dem Inneren des Gehäuses 2 des Injektors 1 und zum anderen die Gewindeverbindung zwischen dem Stützelement 6 und dem dazu mittig aufgenommenen Anschlagelement 7. Wie man der Figur 2 ebenfalls entnehmen kann, ist das Anschlagelement 7 koaxial zudem als Hohlzylinder ausgeformten Stützelement 6 angeordnet.

Die im oberen Bereich der Figur 2 angeordneten Kreise symbolisieren dabei eine Drehung des Stützelements 6 bzw. des Anschlagelements 7 in ihrem jeweiligen Gewindegang, der eine Verschiebung in Längsrichtung des Injektors 1 zur Folge hat. Die Verschiebung ist dabei durch die auf der rechten Seite des Injektors 1 dargestellten Pfeile visualisiert. So kann auf eine einfache Art und Weise die Federvorspannung des elastischen Drängelements 4, welche auf das Ankerelement 3 einwirkt, variiert werden und auch der maximale Arbeitshub des Ankerelements mittels Drehung des Anschlagelements 7 eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt dabei mehrere nebeneinandergestellte Schnittansichten des erfindungsgemäßen Injektors, bei dem der Arbeitshub durch ein Einschrauben und/oder Herausschrauben des Anschlagelements 7 verändert wird.

Ausgehend von einem Ursprungszustand kann durch ein Verdrehen des Anschlagelements 7 der dargestellte Arbeitshub verringert werden. Dazu ist das Anschlagelement, das beispielsweise die Form einer Schraube aufweisen kann, in Richtung Ankerelement 3 einzudrehen. Die mittige Darstellung zeigt dabei, dass nach einem Ein Drehen des Anschlagelements 7 der Arbeitshub gegenüber der Ausgangsstellung verringert ist. Möchte man nun den Arbeitshub vergrößern, so muss nun in die gegensätzliche Richtung das Anschlagelement 7 herausgedreht werden, sodass sich eine Bewegung in Längsrichtung von dem Ankerelement 3 weg ergibt. Die rechte Darstellung in Fig. 3 zeigt dabei mit dem nach oben gerichteten dicken Pfeil die Bewegungsrichtung des Anschlagelements 7, die durch das Herausdrehen erzeugt wird. Im Ergebnis erhält man dann einen möglichen Arbeitshub, der gegenüber der Ausgangsstellung vergrößert ist. Fig. 4 zeigt dabei mehrere nebeneinander gestellte Schnittansichten des erfindungsgemäßen Injektors 1 , bei dem die Federvorspannung durch ein Einschraubraum und/oder Herausschrauben des Stützelements 6 geändert wird.

Ausgehend von der auf der linken Seite dargestellten Ausgangsposition kann durch ein Eindrehen des Stützelements 6 in Richtung Ankerelement 3 die Federvorspannung erhöht werden. Das Eindrehen des Stützelements führt dazu, dass die Feder 9 stärker komprimiert wird, wie dies beispielsweise in der mittleren Darstellung der Fig. 4 ersichtlich ist. Fixiert man bei diesem Eindrehvorgang das in der Mitte des Stützelements 6 angeordnete Anschlagelement 7, sodass es sich nicht mit einer Drehung des Stützelements 6 mitdreht, verbleibt diese an ihrer eingenommenen Längsposition, sodass die Federvorspannung unabhängig von einer Änderung des maximalen Hubs eingestellt werden kann.

Möchte man hingegen die Federvorspannung verringern erreicht man dies, indem man das Stützelement, an dem sich die Feder des elastischen Drängelements 4 abstützt, herausgedreht, also von dem Ankerelement 3 wegbewegt. Man muss hierzu in die entgegengesetzte Richtung drehen, welche zuvor zu einem Annähern an das Ankerelement 3 geführt hat.

Fig. 5 zeigt unterschiedliche Möglichkeiten zum Einbringen einer zusätzlichen Dämpfeinrichtung 12. Die Dämpfeinrichtung kann ein Material umfassend oder aus diesem bestehen, dass optimal für die Verteilung der kinetischen Aufschlagsenergie ist. Vorteilhafterweise ist dieses Material ein Elastomer. Die Positionierung der Dämpfeinrichtung 12 kann dabei variabel an den Federteller 13 und/oder an der zum Ankerelement 3 gerichteten Seite des Anschlagelements 7 bzw. an der vom Ankerelement 3 abgewandten Seite des Stößels 11 vorgenommen werden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es also möglich die zwei wichtigsten Parameter eines Magnetaktuators, nämlich den Arbeitshub und die Federvorspannung, stufenlos einzustellen. Dabei kann diese Variation der Parameter unabhängig voneinander und ohne zusätzlich angefertigte Präzisionsteile erfolgen, was einen deutlichen Kostenvorsprung mit sich bringt. Weiter ist auch keine Demontage des Aktuators erforderlich, um die Parameter zu variieren. Es ist sogar möglich, im Trockenbetrieb des Aktuators, also ohne unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in dem Injektor, Parametereinstellungen vorzunehmen. Weiter lässt sich das dynamische Verhalten durch das Vorsehen einer Dämpfeinrichtung verbessern.

Bezuqszeichenliste:

1 Injektor

2 Gehäuse

3 Ankerelement / Magnetanker 4 elastisches Drängelement

5 Aktuator

6 Stützelement

7 Anschlagelement

8 Gewinde 9 Federelement

10 Polkern

11 Stößel

12 Dämpfeinrichtung

13 Federteller 14 Spulenanordnung

15 Drosselplatte

Claims

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff Ansprüche

1. Injektor (1 ) zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, umfassend: ein hülsenartiges Gehäuse (2) zum Aufnehmen von Injektorbestandteilen, ein Ankerelement (3) zum Hin- und Herbewegen in dem Gehäuse (2), um eine Strömung des Kraftstoffs durch den Injektor (1 ) zu blockieren oder freizugeben, ein elastisches Drängelement (4) zum Drängen des Ankerelements (3) in die Blockierstellung, ein Aktuator (5) zum Ausheben des Ankerelements (3) aus der Blockierstellung in eine Offenstellung, wobei der Aktuator (5) vorzugsweise ein Magnetaktuator ist, ein Stützelement (6) zum Abstützen des elastischen Drängelements (4), vorzugsweise zum Abstützen des vom Ankerelement (3) abgewandten Endes des elastischen Drängelements (4), und ein Anschlagelement (7) zum Definieren eines maximalen Abstands des Ankerelements (3) von der Blockierstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde (8) aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors (1 ) zu ermöglichen, und/oder das Anschlagelement (7) an seiner Außenumfangsseite ein Gewinde (8) aufweist, um eine Verstellung in Längsrichtung des Injektors (1 ) zu ermöglichen.

2. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 1 , wobei das Stützelement (6) die Form eines Hohlzylinders aufweist und das Anschlagelement (7) in dem Inneren des als Hohlzylinder ausgeformten Stützelements (6) angeordnet ist und mit seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung zur Innenseite des als Hohlzylinder ausgeformten Stützelements (6) aufweist, vorzugsweise wobei das Anschlagelement (7) die Form einer Schraube besitzt.

3. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 1 , wobei das Anschlagelement (7) die Form eines Hohlzylinders aufweist und das Stützelement (6) in dem Inneren des als Hohlzylinder ausgeformten Anschlagelements (7) angeordnet ist und mit seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung zur Innenseite des als Hohlzylinder ausgeformten Anschlagelements (7) aufweist, vorzugsweise wobei das Stützelement (6) die Form einer Schraube besitzt.

4. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei das Element in Form eines Hohlzylinders an seiner Außenumfangsseite eine Gewindeverbindung mit einer Innenseite des Gehäuses (2) aufweist.

5. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Drängelement (4) ein Federelement (9), insbesondere eine Spiralfeder aufweist, die an dem Stützelement (6) anliegt und sich in Richtung des Ankerelements (3) erstreckt.

6. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Drängelement (4) zwischen dem Stützelement (6) und dem Ankerelement (3) angeordnet ist und durch eine in Längsrichtung verlaufende Durchbrechung eines Polkerns (10) verläuft, wobei der Polkern (10) ebenfalls zwischen dem Ankerelement (3) und dem Stützelement (6) angeordnet ist.

7. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 6, wobei das elastische Drängelement (4) ferner einen Stößel (11 ) aufweist, der in der Öffnung des Polkerns (10) in Längsrichtung des Injektors (1 ) verschieblich aufgenommen ist, wobei vorzugsweise an der vom Ankerelement (3) abgewandten Seite des Polkerns (10) der Stößel (11 ) übersteht und eine Ansatzfläche für ein zwischen dem Stützelement (6) und dem Stößel (11 ) angeordnetes Federelement (9), insbesondere eine Spiralfeder aufweist.

8. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Dämpfeinrichtung (12) zum Dämpfen eines Einschlags beim Übergang des Ankerelements (3) von der Blockierstellung in die Offenstellung.

9. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 8, wobei die Dämpfeinrichtung (12) aus einem Elastomer ist oder dieses umfasst.

10. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei die Dämpfeinrichtung (12) an der zum Ankerelement (3) gewandten Seite des Anschlagelements (7) angeordnet ist.

11. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-10, wobei die Dämpfeinrichtung (12) mehrteilig ausgebildet ist.

12. Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-11 , fortgebildet mit den Merkmalen des vorhergehenden Anspruchs 7, wobei die Ansatzfläche zum Ansetzen des Federelements (9) an dem Stößel (11 ) ein Federteller (13) ist, der an seiner zum Stößel (11 ) gewandten konkaven Seite ein Dämpfelement, vorzugsweise ein Elastomer, aufweist.

13. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 12, wobei die von dem Stößel (11 ) abgewandte Seite des Federtellers (13) bei Erreichen eines maximalen Hubs des Ankerelements (3) mit dem Anschlagelement (7) in Kontakt kommt.

14. Injektor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch 13, wobei der Stößel (11 ) auch bei einem Kontakt mit dem Anschlagelement (7) auf der zum Ankerelement (3) gewandten Seite des Polkerns (10) hervorsteht, um einen Mindestabstand von Ankerelement (3) zum Polkern (10) zu gewährleisten.

15. Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit einer Gas-Direkteinspritzung, im Besonderen mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.