WO2025153147A1

WO2025153147A1 - Gasinjektor für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2025153147A1
Application number: PCT/DE2025/100067
Authority: WO
Inventors: Martin Steigerwald; Enno Schmitt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-01-18
Filing date: 2025-01-16
Publication date: 2025-07-24
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: DE102024101441B4; DE102024101441A1; CN122374539A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (1) und einer in diesem entlang ihrer Längsachse (2) verschiebbar angeordneten Injektorventilnadel (3) zum Einleiten und Dosieren eines Gasstroms in die Brennkammer der Brennkraftmaschine und einem zum Verstellen der Injektorventilnadel (3) elektrisch bestrombaren Elektromagneten mit einem verschiebbar angeordneten Magnetanker (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) aus einer aktivierten Stellung in Stellkontakt mit der Injektorventilnadel (3) in unbestromtem Zustand von dieser entkoppelbar in eine deaktivierte Stellung rückstellbar und an einer Dichtstelle (21) der Gasstrom durch den Magnetanker (5) in Dichtkontakt mit zumindest einem Dichtelement (22) gasdicht absperrbar ist, wobei der Magnetanker (5) mit einem im Gehäuse (8) im Gasstrom koaxial und gehäusefest angeordneten Hohlkörper (30) verbunden ist, der gasdicht und axial zugelastisch ausgebildet ist.

Description

Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art.

Aus DE 10 2019 205 301 A1 ist ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, bekannt. Es umfasst ein Gehäuse und einen in einem Ankerraum des Gehäuses angeordneten Anker eines Aktuators und eine vom Anker entlang einer Längsachse entgegen einer Rückstellfeder betätigbaren Ventilnadel.

Weitere Injektoren sind aus DE 10 2021 206 186 A1 und DE 10 2021 213 023 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasinjektor der vorgenannten Art vorzuschlagen, bei dem auf konstruktiv einfache Weise eine Gasleckage im abgestellten Zustand der Brennkraftmaschine vermieden oder auf ein zulässiges Maß reduziert ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte und beanspruchte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Somit wird ein Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der ein Gehäuse und eine in diesem entlang ihrer Längsachse verschiebbar angeordnete Injektorventilnadel zum Einleiten und Dosieren des Gasstroms in die Brennkammer der Brennkraftmaschine aufweist. Zum Verstellen der Injektorventilnadel im Gehäuse ist ein elektrisch bestrombarer Elektromagnet mit einem verschiebbar angeordneten Magnetanker vorgesehen. Um auf konstruktiv einfache Weise eine Gasleckage im abgestellten Zustand der Brennkraftmaschine zu vermeiden oder auf ein zulässiges Maß zu reduzieren ist vorgesehen, dass der Magnetanker aus einer aktivierten Stellung in Stellkontakt mit der Injektorventilnadel in unbestromtem Zustand relativ zu dieser verschiebbar in eine deaktivierte Stellung rückstellbar und an einer Dichtstelle der Gasstrom durch den Magnetanker in Dichtkontakt mit zumindest einem Dichtelement gasdicht absperrbar ist. Dabei ist der Magnetanker mit einem im Gehäuse im Gasstrom koaxial und gehäusefest angeordneten Hohlkörper verbunden, der gasdicht und axial zugelastisch ausgebildet ist.

Optional weist der Hohlkörper eine Öffnung zu einem vom Gehäuse umschlossenen Ventilraum auf.

Demzufolge ist an der Dichtstelle entfernt von der Brennkammer im Bereich niedriger Betriebstemperaturen der Gasstrom auf einfache Weise zuverlässig mit zumindest einem hochabdichtenden Dichtelement, vorzugsweise aus Kunststoff, abdichtbar. Dadurch wird eine nur aufwendig und kostenintensiv herstellbare Abdichtung mit einem Metall-auf-Metall-Kontakt im Hochtemperaturbereich vermieden.

Da der Magnetanker in unbestromtem Zustand von der Injektorventilnadel entkoppelbar und in die deaktivierte Stellung mit geringem axialem Abstand zur Injektorventilnadel rückstellbar ist, können axiale Bauteiltoleranzen zwischen Injektorventilnadel und Magnetanker, insbesondere am Nadelsitz und an der Dichtstelle auf einfache Weise ausgeglichen werden.

Dadurch ist insbesondere die Injektorventilnadel mit geringerer Genauigkeit und zudem mit geringerer Masse ausführbar. Durch die geringere Masse sind die Massenträgheit der Injektorventilnadel und die durch das Anschlägen am Nadelsitz auftretenden Kräfte reduziert, wodurch der Einsatz von Werkstoffen mit geringerer Festigkeit ermöglicht wird. Alternativ ist es auch möglich, die zulässige Auftreffgeschwindigkeit der Injektorventilnadel zu erhöhen.

Zudem kann der Magnetanker aus der deaktivierten Stellung vor dem Stellkontakt mit der Injektorventilnadel beschleunigt und dadurch die Verstellzeit der Injektorventilnadel reduziert werden.

Die Verbindung des Magnetankers mit dem Hohlkörper ermöglicht, dass eine aus dem im Gasstrom herrschenden Gasdruck resultierende statische Kraft auf den Magnetanker in Richtung der Bewegung desselben in die deaktivierte Stellung somit zum Schließen und Absperren des Gasstroms wirkt. Da diese Kraft desto größer ist, je größer der Gasdruck im Gaseintrittsbereich ist, wird mit steigendem Gasdruck die Dichtwirkung am Dichtsitz verstärkt. Auf diese Weise kann auch bei sehr hohem Gasdruck, insbesondere in Störfällen, die Dichtigkeit an der Dichtstelle gewährleistet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetanker zum Stellkontakt mit Injektorventilnadel direkt mit dieser koppelbar. Auf diese Weise werden zusätzliche die Stellbewegung übertragende Bauteile vermieden. Zudem kann der axiale Bauraum reduziert werden.

In einer nächsten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der hydraulisch wirksame Durchmesser des Hohlkörpers gleich groß wie oder größer als der Berührungsdurchmesser des Dichtkontakts des Dichtelements mit der am Dichtungspartner des Magnetankers gebildeten Kontaktfläche. Auf einfache Weise kann so gewährleistet werden, dass durch den herrschenden Gasdruck immer eine auf den Magnetanker schließende Kraft zum Absperren des Gasstroms wirkt. Durch die Vergrößerung des Außendurchmesser des Hohlkörpers kann die schließende Kraft erhöht werden.

Zudem wird die Rückstellung des Magnetankers in die deaktivierte Stellung erleichtert, insbesondere können die Rückstellfedermittel mit reduzierter Federkraft ausgeführt werden.

Als hydraulisch wirksamer Durchmesser ist insbesondere der hinsichtlich des Druckverlusts und des Durchsatzes des Gasstroms strömungsmechanisch wirksame Durchmesser des Hohlkörpers zu verstehen. Bei einem kreisförmigen Strömungsquerschnitt somit einer kreisförmigen Querschnittsform des Hohlkörpers kann als hydraulisch wirksamer Durchmesser der Außendurchmesser desselben herangezogen werden. Bei einem von der Kreisform abweichenden Strömungsquerschnitt kann der als Näherungswert ermittelte strömungsmechanisch wirksame fiktive Durchmesser des Hohlkörpers als hydraulisch wirksamer Durchmesser bestimmt werden. Eine besonders einfache besonders bevorzugte Ausgestaltung des Hohlkörpers ist durch einen in axialer Richtung zugelastisch ausgebildeten Metallfaltenbalg erreichbar.

Bevorzugt ist als Werkstoff für das Dichtelement Kunststoff vorgesehen, wodurch eine besonders hohe Abdichtung bei geringer Fertigungsgenauigkeit erreichbar ist. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn ein elastischer Werkstoff für das Dichtelement vorgesehen ist, so dass am Dichtelement Fertigungsungenauigkeiten an den angeschlossenen Bauteilen ausgeglichen werden können. Besonders geeignet hierfür sind Dichtelemente aus Elastomeren, wobei aber auch andere geeignete Werkstoffe zum Einsatz kommen können.

In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden der Magnetanker und das Gehäuse an der Dichtstelle jeweils einen Dichtsitz zum ringförmigen Dichtkontakt mit zumindest einem Dichtelement. Der ringförmige Dichtkontakt ermöglicht eine hohe Dichtwirkung.

Eine nächste Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Dichtelement als Dichtung ausgeführt ist, der einfach montierbar und kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Abdichtung gewährleistet.

Vorzugsweise bildet dabei der Magnetanker an der Dichtstelle eine ringförmig um laufende an die Form des Dichtrings angepasste konkave Dichtfläche als Dichtsitz, in dem das als Dichtring ausgeführte Dichtelement mit radial innen umlaufendem Dichtkontakt aufgenommen ist. Bevorzugt ist hierbei der Dichtring an der Dichtfläche fest montiert.

In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung bildet das Gehäuse an der Dichtstelle eine in Strömungsrichtung des Gasstroms schräg nach radial außen verlaufende ringförmig umlaufende Dichtfläche als Dichtsitz, an der das Dichtelement in der deaktivierten Stellung gasdicht anlegbar ist. Auf diese Weise ist ein Dichtkontakt mit hoher Dichtwirkung erreichbar. Zudem kann in der aktivierten Stellung des Magnetankers somit in geöffnetem Zustand des Gasinjektors die Dichtfläche am Gehäuse strömungsleitend zur Führung des im Dichtsitz zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse durchströmenden Gases wirken. Alternativ kann das Dichtelement auch an den Magnetanker oder am Gehäuse am Dichtsitz angespritzt sein. Denkbar ist auch, dass alternativ das Dichtelement am Dichtsitz am Gehäuse als Dichtring fest montiert ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wirkt der Magnetanker einerseits mit Rückstellfedermitteln zur Rückstellung in die deaktivierte Stellung in Stellkontakt zusammen und steht in dieser Stellung andererseits an der Dichtstelle in ringförmigen Dichtkontakt mit einem im Gasstrom angeordneten Dichtelement. Durch die Anordnung des Magnetankers in direktem Stell- und Dichtkontakt sind zusätzliche Bauteile, insbesondere zur Kraftübertragung oder Abdichtung, vermeidbar. Außerdem ist eine besonders kompakte Ausgestaltung mit hoher Dichtwirkung mit einem Dichtelement erreichbar.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Rückstellfedermittel vorzugsweise als Schraubendruckfeder im Polrohr des Elektromagneten koaxial am Außendurchmesser der durch das Polrohr hindurchgeführten Injektorventilnadel zwischen dem Polrohr und dem Magnetanker wirkend angeordnet sind.

Bevorzugt ist das Gehäuse im Gaseintrittsbereich mehrteilig mit einem Zwischengehäuse mit dem in diesem gebildeten Dichtstelle und einem an dieses angeschlossenen Anschlussgehäuse mit dem in diesem gehäusefest angeordneten Hohlkörper ausgeführt. Dadurch kann insbesondere die Montage des Dichtelements an der Dichtstelle und des Hohlkörpers am Magnetanker vereinfacht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, anhand derer die vorliegende Erfindung weiter erläutert wird. Es zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine in deaktiviertem Betriebszustand,

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 , Figur 3 den Gasinjektor in aktiviertem Betriebszustand,

Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 3 mit dem Unterschied, dass ein zentraler Strömungskanal nicht als Sackloch, sondern als Durchgangsausnehmung ausgebildet ist.

In den Figuren ist ein erfindungsgemäßer Gasinjektor für eine Brennkraftmaschine beispielhaft dargestellt. Der Gasinjektor weist ein mehrteiliges Gehäuse 1 und eine in diesem entlang ihrer Längsachse 2 verschiebbar angeordneten Injektorventilnadel 3 zum Einleiten und Dosieren des Gasstroms in die nicht dargestellte Brennkammer der Brennkraftmaschine auf. Der Gasinjektor ist vorzugsweise zum Einblasen von Wasserstoff als Brennstoff in die Brennkammer der Brennkraftmaschine vorgesehen.

Zum Verstellen der Injektorventilnadel 3 ist im Gehäuse 1 ein elektrisch bestrombarer Elektromagnet mit einer Magnetspule 4 und mit einem verschiebbar angeordneten Magnetanker 5 vorgesehen. Letzterer und die Injektorventilnadel 3 sind im Gehäuse 1 koaxial hintereinander entlang der Längsachse 2 verschiebbar angeordnet, die zugleich die Verschiebeachse bildet. Dabei ist der Magnetanker 5 in unbestromtem Zustand der Magnetspule 4 von der Injektorventilnadel 3 entkoppelbar relativ zu dieser in eine in Figuren 1 und 2 dargestellte Schließstellung rückstellbar.

Am Gaseintrittsbereich 6 des Gasinjektors ist das Gehäuse 1 mit einem Zwischengehäuse 7 und einem an diesem axial angeschlossenen Anschlussgehäuse 8 mehrteilig ausgeführt. Letzteres bildet am freien Ende einen Gasanschluss 9 zur Anbindung an ein nicht dargestelltes Gasversorgungssystem der Brennkraftmaschine mit einem Gasreservoir, insbesondere einem Gastank. Das Gasversorgungssystem beaufschlagt den Gasinjektor am Gasanschluss 9 mit einem Gasstrom, hier Wasserstoff, unter hohem Druck, vorzugsweise 40 bar.

Das Zwischengehäuse 7 ist in axialer Richtung stromabwärts des Gasstroms an ein Polrohr 10 des Elektromagneten angeschlossen. Hierzu ist es mit dem Außendurchmesser eines Befestigungsabschnitts am Innendurchmesser des Polrohrs 10 zur Befestigung axial eingesteckt, beispielsweise eingepresst oder verschweißt. Das Polrohr 10 dient zum einen zur Lagerung und zur Führung des Magnetankers 5. Zum anderen wird durch das Polrohr 10 der vom Elektromagneten bzw. der Magnetspule 4 erzeugbare magnetische Fluss geleitet. Die Magnetspule 4 ist am Außendurchmesser des Polrohrs 10 letzteres koaxial umfassend in einem am Außendurchmesser des Polrohrs 10 befestigten Magnetgehäuse 11 angeordnet.

Am Polrohr 10 ist in axialer Richtung zum Gasaustritt 12 des Gasinjektors zur Brennkammer hin ein Nadelführungsgehäuse 13 angeschlossen. Das Nadelführungsgehäuse 13 ist mit dem Außendurchmesser eines Befestigungsabschnitts am Innendurchmesser des freien Endes des Polrohrs 10 axial eingesteckt, beispielsweise eingepresst oder verschweißt.

Die Injektorventilnadel 3 ist im Polrohr 10 in einer zentralen axialen ersten Bohrung 14 und im Nadelführungsgehäuse 13 in einer an die erste Bohrung 14 koaxial anschließenden zentralen axialen Durchgangsbohrung 15 axial verschiebbar geführt angeordnet. Sie ist mit einer axial durchgehenden zentralen axialen Bohrung 41 als Hohlnadel zur Durchleitung des Gases, hier Wasserstoff, ausgeführt. Zum Einblasen und Dosieren des Gasstroms in die Brennkammer bildet sie am Gasaustritt 12 des Gasinjektors einen Ventilkörper 16, der in einem am austrittsseitigen Ende der Durchgangsbohrung 15 am Nadelführungsgehäuse 13 gebildeten Ventilsitz 17 angeordnet ist. Der Ventilkörper 16 und der Ventilsitz 17 bilden ein Nadelventil mit einem tellerförmigen Ventilkörper 16, an dem der in die Brennkammer eintretende Gasstrom dosierbar ist. Das Nadelführungsgehäuse 13 ist am Außendurchmesser gegenüber dem Polrohr 10 zu dem der Brennkammer zugewandten Ende hin radial nach innen abgesetzt.

Im Polrohr 10 ist in einer sich an die erste Bohrung 14 zum Gaseintrittsbereich 6 hin axial anschließenden zweiten Bohrung 18 der Magnetanker 5 relativ zur Injektorventilnadel 3 axial verschiebbar angeordnet. Hierbei ist die zweite Bohrung 18 gegenüber der ersten Bohrung 14 am Innendurchmesser mit einer Stufe 39 aufgeweitet. Die vorgenannten Bohrungen 14, 18 bilden auf diese Weise eine Stufenbohrung im Polrohr 10.

In der aktivierten Stellung des Magnetankers 5 gemäß Figuren 3 und 4 ist der Gasinjektor in die geöffnete Stellung geschaltet und es wird Gas über das am Venti Ikörper 16 und den Ventilsitz 17 gebildete Nadelventil in die Brennkammer geleitet. Der Magnetanker 5 ist aus der aktivierten Stellung in direktem Stellkontakt mit der Injektorventilnadel 3 wie in Figuren 3 und 4 dargestellt von der Injektorventilnadel 3 entkoppelbar in unbestromtem Zustand der Magnetspule 4 in die in Figuren 1 und 2 dargestellte deaktivierte Stellung mit einem geringen axialen Abstand 35 zur Injektorventilnadel 3 zurückstellbar. In der deaktivierten Stellung befindet sich der Gasinjektor in der Schließstellung, in der die Gaszufuhr in die Brennkammer der Brennkraftmaschine unterbrochen ist.

Zur Rückstellung in die deaktivierte Stellung gemäß Figuren 1 und 2 wirkt der Magnetanker 5 mit im Polrohr 10 angeordneten Rückstellfedermitteln 19 zusammen. Diese sind als Schraubendruckfeder koaxial am Außendurchmesser der Injektorventilnadel 3 in einer am Innendurchmesser der ersten Bohrung 14 am Polrohr 10 durch eine Stufe nach radial außen abgesetzten Aufweitung angeordnet und mit einem Federende an der Stufe der Bohrung 14 und mit dem anderen Federende an der der Injektorventilnadel 3 zugewandten axialen Stirnseite 20 des Magnetankers 5 abgestützt.

Im Gaseintrittsbereich 6 bilden der Magnetanker 5 und das Zwischengehäuse 7 jeweils eine Dichtfläche 23, 26 als Dichtsitz mit einem im Gasstrom angeordneten Dichtelement 22 (Figuren 1 bis 4), das vorzugsweise als Dichtring ausgeführt ist. Hierzu ist an der dem Zwischengehäuse 7 zugewandten axialen Seite des Magnetankers 5 eine Dichtfläche 23 gebildet, in die das Dichtelement 22 aufgenommen ist.

Bevorzugt ist als Werkstoff für das Dichtelement 22 Kunststoff vorgesehen, wodurch eine besonders hohe Abdichtung bei geringer Fertigungsgenauigkeit erreichbar ist. Durch einen elastischen Werkstoff können durch das Dichtelement 22 Fertigungsungenauigkeiten an den angeschlossenen Bauteilen ausgeglichen werden. Besonders geeignet hierfür sind Elastomere, wobei aber auch andere geeignete Werkstoffe zum Einsatz kommen können.

Der Magnetanker 5 ist am Außendurchmesser mit einer Stufe 24 nach radial innen eingezogen und bildet einen zentralen axial vorstehenden Anschlusszapfen 25. Im Bereich des Ansatzes des Anschlusszapfens 25 ist am Außendurchmesser desselben die Dichtfläche 23 als ringförmig umlaufende an die Form des Dichtrings 2 konkave Vertiefung ausgebildet, in der das Dichtelement 22 radial innen mit um laufendem Dichtkontakt fest angeordnet ist.

Korrespondierend zur Dichtfläche 23 am Magnetanker 5 ist am Innendurchmesser des Zwischengehäuses 7 eine vom Innendurchmesser desselben ausgehende ringförmig um laufende schräg nach radial außen verlaufende zylindrische Dichtfläche 26 vorgesehen. Auf diese Weise ist die Dichtfläche 26 schräg zur Längsachse 2 nach radial innen auf die Dichtfläche 23 am Magnetanker 5 und das an dieser angeordnete Dichtelement 22 ausgerichtet.

Zudem kann in der aktivierten Stellung des Magnetankers 5 nach Figuren 3 und 4 somit in geöffnetem Zustand des Gasinjektors die Dichtfläche 26 strömungsleitend zur Führung des durch den Ringspalt 42 zwischen dem Dichtelement 22 und der Dichtfläche 26 am Zwischengehäuse 8 geöffneten Dichtsitz durchströmenden Gases wirken.

Dabei ist die Dichtfläche 26 mit ihrem radial äußeren Ende im Bereich von mehreren ringförmig an der Stufe 24 des Magnetankers 5 angeordneten Gaseintrittsöffnungen 27 angeordnet, die mit einem im Magnetanker 5 zentral verlaufenden Strömungskanal 28 kommunizieren. Demnach wird in geöffnetem Dichtsitz an der Dichtfläche 26 das durch den Ringspalt 42 eintretende Gas an der Dichtfläche 26 direkt zu den Gaseintrittsöffnungen 27 am Magnetanker 5 geleitet. Der zentrale Strömungskanal 28 im Magnetanker 5 kann wie dargestellt als von der nadelzugewandten axialen Stirnseite 20 des Magnetankers 5 ausgehende Sacklochbohrung (Figuren 1 bis 3) ausgeführt sein. Alternativ ist es möglich, den Strömungskanal 28 auch als Durchgangsausnehmung (Figur 4) auszuführen.

Der Vorteil einer Ausbildung als Durchgangsausnehmung besteht darin, dass im Betrieb des Injektors auf beiden Seiten des Anschlusszapfens 25 der gleiche Druck anliegt und damit im Betrieb keine Druckdifferenz entsteht, welche zusätzlich überwunden werden müsste, um das Ventil zu öffnen. Im Gaseintrittsbereich 6 bildet das Zwischengehäuse 7 radial innen einen radialen Ringspalt 29 zum Außendurchmesser des Anschlusszapfens 25. Am Ringspalt 29 kann das Gas axial zur Dichtstelle 21 hin anströmen.

Durch Rückstellung des Magnetankers 5 in die in Figuren 1 und 2 dargestellte deaktivierte Stellung wird das Dichtelement 22 radial außen an die Dichtfläche 26 am Zwischengehäuse 7 zum ringförmigen Dichtkontakt angepresst und der an der Dichtstelle 21 eintretende Gasstrom abgesperrt. Damit befindet sich der Gasinjektor in deaktiviertem Betriebszustand.

Dabei ist durch die schräge Ausrichtung der Dichtfläche 26 am Zwischengehäuse 7 das Dichtelement 22 an der Dichtfläche 23 am Magnetanker 5 schräg zur Längsachse 2 an die Stufe 24 angedrückt. Auf diese Weise wird eine besonders sichere Anordnung des Dichtelements 22 im Dichtsitz an den Dichtflächen 23, 26 und zugleich eine hohe Dichtwirkung erreicht. Demzufolge kann in abgestelltem Zustand eine Gasleckage aus dem Gaseintrittsbereich 6 in die Brennkammer der Brennkraftmaschine vermieden oder zumindest auf ein unschädliches Maß reduziert werden.

Der Magnetanker 5 ist mit dem in das Anschlussgehäuse 8 axial hineinragenden Anschlusszapfen 25 an einen im Anschlussgehäuse 8 im Gasstrom gehäusefest koaxial angeordneten Hohlkörper 30 axial angeschlossen. Der Hohlkörper 30 ist in sich gasdicht und in axialer Richtung bzw. in Bewegungsrichtung des Magnetankers 5 zugelastisch ausgebildet. Er ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu Längsachse 2, hier geschlossen hohlzylindrisch, ausgebildet. Der Hohlkörper 30 ist bevorzugt wie dargestellt als Metallfaltenbalg besonders einfach ausführbar.

Die Anordnung des Hohlkörper 30 sorgt dafür, dass eine Fläche auf welche der Druck entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung der Injektorventilnadel 1 wirkt mit dem gleichen Druck belastet wird, wie der Dichtsitz 23, 26 am Zwischengehäuse 7. Wenn nun der Durchmesser des Hohlkörpers 30 gleich groß oder größer dem Durchmesser des Dichtsitzes ist, so wirkt der im Gaseintrittsbereich 6 insbesondere im Anschlussgehäuse 8 vor der Dichtstelle 21 herrschende Druck schließend. Der Anschluss des Magnetankers 5 an den Hohlkörper 30 ermöglicht, dass durch den im Gaseintrittsbereich 6 insbesondere im Anschlussgehäuse 8 herrschenden Gasdruck über den Hohlkörper 30 auf den Magnetanker 5 und damit auf den Dichtsitz 23, 26 eine resultierende statische Kraft in Richtung der Bewegung des Magnetankers 5 in die deaktivierte Stellung somit zum Schließen der Dichtstellung am Dichtsitz der Dichtflächen 23, 26 und Absperren des Gasstroms wirkt. Da diese Kraft umso größer ist je größer der Gasdruck im Gaseintrittsbereich 6 ist, wird mit steigendem Gasdruck die Dichtwirkung am Dichtsitz 23, 26 verstärkt. Auf diese Weise kann auch bei sehr hohem Gasdruck, insbesondere in Störfällen, die Dichtigkeit am Dichtsitz 26 gewährleistet werden.

Dadurch wird auch die Rückstellung des Magnetankers 5 in die deaktivierte Stellung erleichtert, insbesondere können die Rückstellfedermittel 19 mit entsprechend reduzierter Federkraft ausgeführt werden.

Die Ausgestaltung des Hohlkörpers 30 kann hinsichtlich des Dichtsitzes 21 optimiert werden, wenn vorzugsweise der hydraulische Durchmesser 31 des Metallfaltenbalgs 30, d.h. der hydraulisch, insbesondere hinsichtlich des Druckverlusts und des Gasdurchsatzes, wirksame Durchmesser, zumindest gleich dem und vorzugsweise größer als der Berührungsdurchmesser 32 des ringförmigen Dichtkontakts des Dichtelements 22 mit der Dichtfläche 26 des Zwischengehäuses 7 ist. Durch die Vergrößerung des hydraulischen Durchmessers 31 des Hohlkörpers 30 über die Größe des Berührungsdurchmesser 32 des Dichtkontaktes hinaus kann die resultierende schließend wirkende Kraft erhöht werden.

Der Magnetanker 5 ist mit dem Außendurchmesser des freien Endes des Anschlusszapfens 25 in ein topfförmiges erstes Anschlussstück 33 am Hohlkörper 30 axial eingesteckt und zur Befestigung beispielsweise eingepresst oder mit diesem verschweißt. Andererseits ist der Hohlkörper 30 mit einem zweiten Anschlussstück 34 am Innendurchmesser des Anschlussgehäuses 8 befestigt, vorzugsweise durch Schweißen.

Zum Schalten in die aktivierte Stellung gemäß der Figuren 3 und 4 wird die Magnetspule

4 bestromt und der Magnetanker 5 axial vom Polrohr 10 angezogen. Dadurch bewegt sich der Magnetanker 5 mit dem Dichtelement 22 aus der deaktivierten Stellung gemäß Figuren 1 und 2 vom Zwischengehäuse 7 weg. Demzufolge wird der Dichtsitz an den Dichtflächen 23, 26 mit dem Ringspalt 42 zum Gasdurchtritt geöffnet. Nach dem geringen axialen Verschiebeweg 35 gelangt der Magnetanker 5 mit seiner der Injektorventilnadel 3 zugewandten axialen Stirnseite 20 in direkten Stellkontakt mit der gegenüberliegenden Stirnseite 37 der Injektorventilnadel 3 und beschleunigt diese.

Nach dem weiteren axialen Verschiebeweg 40 erreicht der Magnetanker 5 die aktivierte Stellung am Endanschlag 38 an der Stufe 39 in der abgesetzten zweiten Bohrung 18 am Polrohr 10. Dabei wird der Ventilkörper 16 aus dem Ventilsitz 17 bewegt und ein Ringspalt 43 zwischen Ventilkörper 16 und Ventilsitz 17 und somit das Nadelventil geöffnet, so dass das Gas, hier Wasserstoff, in die Brennkammer der Brennkraftmaschine einströmen kann. Damit befindet sich der Gasinjektor in aktiviertem Betriebszustand.

Im aktivierten Betriebszustand strömt das Gas am Gasanschluss 9 in das Anschlussgehäuse 8 zum Dichtsitz 21 und über die Gaseintrittsöffnungen 27 am Magnetanker 5 in den zentralen Strömungskanal 28 und tritt am offenen Ende desselben in die axial gegenüberliegende zentrale Bohrung 41 der Injektorventilnadel 3 ein. Das Gas strömt im Bereich des Ventilkörpers 16 aus schräg nach außen zu diesem hin gerichteten Gasaustrittsöffnungen 44 in die Durchgangsbohrung 15 am Nadelführungsgehäuse 13 und durch den zwischen dem Ventilkörper 16 und dem Ventilsitz 17 gebildeten Ringspalt 43 in die Brennkammer.

Wird die Bestromung der Magnetspule 4 wieder beendet, wird die Injektorventilnadel 3 durch die mit dieser zusammenwirkenden Rückstellfedermittel 45 und der Magnetanker 5 durch die Rückstellfedermittel 19 in Richtung der deaktivierten Stellung somit in Schließrichtung bewegt. Dabei erreicht der Ventilkörper 16 wieder den Ventilsitz 17 und die Injektorventilnadel 3 wird gestoppt. Damit ist das Nadelventil zur Brennkammer wieder geschlossen. Zugleich bewegt sich der Magnetanker 5 um den Verschiebeweg 35 relativ zur Injektorventilnadel 3 weiter bis er in der deaktivierten Stellung (Figuren 1 und 2) an der Dichtstelle 21 das Dichtelement 22 in den Dichtsitz an den Dichtflächen 23, 26 gasdicht andrückt und im deaktivierten Zustand des Gasinjektors die Gaszufuhr wieder an der Dichtstelle 21 abgesperrt ist. Die mit der Injektorventilnadel 3 zusammenwirkenden Rückstellfedermittel 45 sind vorzugsweise im Bereich des dem Polrohr 10 zugewandten Endes der Durchgangsbohrung 15 im Nadelführungsgehäuse 13 angeordnet. Sie sind in einer am Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 15 nach radial außen abgesetzten Aussparung 46 koaxial zur Injektorventilnadel 3 am Außendurchmesser derselben angeordnet. Die Rückstellfedermittel 45 sind mit einem Federende in der Aussparung 46 am Nadelführungsgehäuse 13 und mit dem anderen Federende an einer mit der Injektorventilnadel 3 verschiebefest verbundenen Federabstützung 47 abgestützt.

Bezuqszeichenliste

Gehäuse

Längsachse

Injektorventilnadel

Magnetspule, Elektromagnet

Magnetanker, Elektromagnet

Gaseintrittsbereich

Zwischengehäuse

Anschlussgehäuse

Gasanschluss

Polrohr, Elektromagnet

Magnetgehäuse, Elektromagnet

Gasaustritt

Nadelführungsgehäuse erste Bohrung

Durchgangsbohrung

Ventilkörper

Ventilsitz zweite Bohrung

Rückstellfedermittel, Schraubendruckfeder axiale Stirnseite des Magnetankers

Dichtstelle, Dichtsitz

Dichtelement, Dichtung

Dichtfläche am Magnetanker, Dichtsitz

Stufe am Magnetanker

Anschlusszapfen

Kontaktfläche, Dichtfläche am Zwischengehäuse, Dichtsitz

Gaseintrittsöffnung am Magnetanker

Strömungskanal radialer Ringspalt

Hohlkörper, Metallfaltenbalg

Außendurchmesser des Hohlkörpers, hydraulischer Durchmesser

Berührungsdurchmesser des Dichtkontakts erstes Anschlussstück zweites Anschlussstück axialer Verschiebeweg, Abstand axiale Stirnseite der Injektorventilnadel

Endanschlag

Stufe axialer Verschiebeweg zentrale Bohrung in der Injektorventilnadel

Ringspalt

Gasaustrittsöffnung

Aussparung

Rückstellfedermittel

Federabstützung

Claims

Patentansprüche

1. Gasinjektor für eine Brenn Kraftmaschine, mit einem Gehäuse (1 ) und einer in diesem entlang ihrer Längsachse (2) verschiebbar angeordneten Injektorventilnadel (3) zum Einleiten und Dosieren eines Gasstroms in die Brennkammer der Brennkraftmaschine und einem zum Verstellen der Injektorventilnadel (3) elektrisch bestrombaren Elektromagneten mit einem verschiebbar angeordneten Magnetanker (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) aus einer aktivierten Stellung in Stellkontakt mit der Injektorventilnadel (3) in unbestromtem Zustand von dieser entkoppelbar in eine deaktivierte Stellung rückstellbar und an einer Dichtstelle (21 ) der Gasstrom durch den Magnetanker (5) in Dichtkontakt mit zumindest einem Dichtelement (22) gasdicht absperrbar ist, wobei der Magnetanker (5) mit einem im Gehäuse 1 ) im Gasstrom koaxial und gehäusefest angeordneten Hohlkörper (30) verbunden ist, der gasdicht und axial zugelastisch ausgebildet ist.

2. Gasinjektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) mit der Injektorventilnadel (3) zum Stellkontakt direkt koppelbar ist.

3. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulisch wirksame Durchmesser (31 ) des Hohlkörpers (30) gleich groß wie oder größer als der Berührungsdurchmesser (32) des Dichtkontakts des Dichtelements (22) mit der am Dichtungspartner des Magnetankers (5) gebildeten Kontaktfläche (26) ist.

4. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (30) als Metallfaltenbalg ausgeführt ist.

5. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für das Dichtelement (22) Kunststoff vorgesehen ist.

6. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) und das Gehäuse (1 ) an der Dichtstelle (21 ) jeweils einen Dichtsitz (23, 26) zum ringförmigen Dichtkontakt mit zumindest einem Dichtelement (22) bilden.

7. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtstelle (21 ) der Magnetanker (5) eine ringförmig umlaufende konkave Dichtfläche (23) als Dichtsitz für das Dichtelement (22) bildet, in dem das als Dichtung ausgeführte Dichtelement (22) mit radial innen umlaufendem Dichtkontakt aufgenommen ist.

8. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) an der Dichtstelle (21 ) eine in Strömungsrichtung des Gasstroms schräg nach radial außen verlaufende ringförmig um laufende Dichtfläche (26) als Dichtsitz bildet, an der das Dichtelement (22) in der deaktivierten Stellung gasdicht anlegbar ist.

9. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) einerseits mit Rückstellfedermitteln (19) zur Rückstellung in die deaktivierte Stellung in Stellkontakt zusammenwirkt und andererseits an der Dichtstelle (21 ) in ringförmigen Dichtkontakt mit einem im Gasstrom angeordneten Dichtelement (22) steht.

10. Gasinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) im Gaseintrittsbereich (6) mehrteilig mit einem Zwischengehäuse (7) mit der in diesem gebildeten Dichtstelle (21 ) und einem an dieses angeschlossenen Anschlussgehäuse (8) mit dem in diesem gehäusefest angeordneten Hohlkörper (27) ausgeführt ist.