-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer verbesserten Dichtheit, insbesondere im nichtbenutzten Zustand des Gasinjektors.
-
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe sind die technischen Anforderungen an Gasinjektoren deutlich unterschiedlich. Problematisch ist hierbei neben einer fehlenden Schmierung durch einen flüssigen Kraftstoff sowie einem deutlich größeren Volumen des gasförmigen Mediums insbesondere auch eine Abdichtung des Gasinjektors über längere Zeiträume. Dies ist beispielsweise nötig, wenn ein Fahrzeug mit Gasinjektor für längere Zeit abgestellt wird und somit keine Gaseinblasung erfolgt. Hierbei wurde festgestellt, dass ein gasförmiges Medium, welches sich im Bereich des Gasinjektors befindet, mit der Zeit über den eigentlich geschlossenen Dichtsitz hinaus diffundiert und gegebenenfalls in die Umgebung gelangen kann. Dies sollte jedoch unbedingt vermieden werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von gasförmigem Wasserstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Verlust an gasförmigem Medium aus dem geschlossenen Gasinjektor bei einem längeren Stillstand deutlich reduziert werden kann. Dabei ist der erfindungsgemäße Gasinjektor sehr einfach und kostengünstig aufgebaut. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor ein Schließelement aufweist, welches eine Durchgangsöffnung an einem Dichtsitz freigibt und verschließt. Ferner ist ein Aktor zur Betätigung des Schließelements vorgesehen. Darüber hinaus umfasst der Gasinjektor ein Absperrelement, welches eine Gasführung des gasförmigen Mediums in einem Gaspfad im Gasinjektor freigibt und verschließt. Das Absperrelement ist dabei in den Gasinjektor integriert. Der Gasinjektor weist demnach zwei Absperreinheiten auf, nämlich den Dichtsitz und das zusätzliche Absperrelement. Somit kann eine deutliche Reduzierung einer Verlustmenge an gasförmigem Medium bei geschlossenem Dichtsitz des Gasinjektors reduziert werden.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor einen Gaszulauf und das Absperrelement ist im Gaszulauf angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass ein zusätzliches Absperrelement im Gasinjektor vorgesehen wird, ohne dass eine Bauraumvergrößerung in den kritischen Bereichen, insbesondere in den Bereichen, die in Richtung nahe zum Brennraum liegen und in einem üblicherweise engen Schacht angeordnet sind, notwendig ist.
-
Der Gasinjektor umfasst besonders bevorzugt ein Anschlussstück, in welchem der Gaszulauf angeordnet ist. Das Anschlussstück ist vorzugsweise zwischen dem Aktor des Gasinjektors und den restlichen Bauteilen des Gasinjektors angeordnet. Der Gaszulauf ist vorzugsweise seitlich am Anschlussstück angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Gasinjektor eine Hydraulikeinheit, welche einen Hydraulikdruck bereitstellt, wobei das Absperrelement ein mittels des Hydraulikdrucks hydraulisch betätigbares Ventil ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass kein elektrischer Strom zur Betätigung des Absperrelements notwendig ist. Dadurch können Wärmeprobleme am Gasinjektor, welche bei elektrisch betätigten Absperrelementen vorkommen können, vermieden werden. Weiterhin ist es möglich, dass bereits schon vorhandene Hydraulikquellen, beispielsweise bei einem Fahrzeug eine Bremsanlage, genutzt werden können, um das Absperrelement zu betätigen.
-
Das hydraulische Ventil ist vorzugsweise ein 2/2-Wege-Ventil. Das 2/2-WegeVentil umfasst eine Rückstellfeder, welche bei Unterschreiten eines Hydraulikdrucks unter einem vorbestimmten Schwellenwert das Absperrelement in die geschlossene Position bringt. Somit wird beispielsweise bei einem Abschalten des Fahrzeugs und einer damit einhergehenden Reduzierung des Hydraulikdrucks der Hydraulikquelle, beispielsweise der Bremsanlage, automatisch das Absperrventil im Gasinjektor geschlossen.
-
Die Hydraulikeinheit verwendet vorzugsweise Hydrauliköl als hydraulische Flüssigkeit.
-
Besonders bevorzugt umfasst die Hydraulikeinheit einen hydraulischen Aktor, welcher eingerichtet ist, das Schließelement des Gasinjektors zu betätigen. Dabei wird das Absperrelement mittels hydraulischem Druck aus dem hydraulischen Aktor betätigt. Somit muss für das Absperrelement keine eigene Hydraulikquelle vorgesehen sein. Damit umfasst der Gasinjektor zwei Hydraulikverbraucher, nämlich den hydraulischen Aktor und das hydraulische Absperrelement.
-
Besonders bevorzugt weist der hydraulische Aktor eine Zuleitung zum Zuführen von Hydraulikdruck zum Schließelement auf, wobei eine Abzweigleitung von der Zuleitung zum Absperrelement des Gasinjektors führt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasinjektor eine Verbindungsleitung zu einer Bremsanlage eines Fahrzeugs, wobei Hydraulikdruck über die Verbindungsleitung um Absperrelement zur Betätigung des Absperrelements geleitet wird. Dadurch ist es möglich, dass eine sowieso im Fahrzeug vorhandene Hydraulikquelle auch zur Betätigung des in den Gasinjektor integrierten Absperrelements verwendet wird.
-
Der Gasinjektor ist vorzugsweise zur Einblasung von gasförmigem Wasserstoff eingerichtet.
-
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, umfassend eine Hydraulikeinheit und einen erfindungsgemäßen Gasinjektor, wobei das Absperrelement des Gasinjektors hydraulisch mit der Hydraulikeinheit verbunden ist, um das Absperrelement zu betätigen. Vorzugsweise ist die Hydraulikeinheit die Bremsanlage des Fahrzeugs. Dadurch kann das Absperrelement sehr kostengünstig und einfach betrieben werden und eine minimale Bauteileanzahl aufweisen.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn ein Schließelement öffnet,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Gasinjektors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wenn sich das Schließelement schließt, und
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn sich das Schließelement öffnet.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von Wasserstoff, ein Schließelement 2 und einen Aktor 5.
-
Das Schließelement 2 gibt eine Durchgangsöffnung 3 an einem Dichtsitz 4 frei und verschließt diesen. Ein Rückstellelement 9 stellt das Schließelement 2 in eine geschlossene Ausgangsstellung zurück. 1 zeigt dabei die geschlossene Ausgangsstellung, wenn der Gasinjektor geöffnet werden soll.
-
Das Schließelement 2 umfasst eine längliche Ventilnadel 20 mit einem Sitzelement 21, welches beispielsweise mittels einer Schweißverbindung mit der Ventilnadel 20 verbunden ist. Das Sitzelement 21 dichtet im geschlossenen Zustand des Gasinjektors am Dichtsitz 4 ab. Das Schließelement 2 umfasst ferner eine erste Nadelführung 22 und eine zweite Nadelführung 23.
-
Der Aktor 5 des Gasinjektors ist vorzugsweise ein Magnetaktor. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Aktor 5 dabei an einem von einem Brennraum 30 abgewandten Ende des Gasinjektors 1 angeordnet.
-
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner ein Anschlussstück 6, welches eine zentrale Öffnung 60 in Form einer Durchgangsbohrung in einer Mittelachse in Axialrichtung X-X des Gasinjektors aufweist. Das Anschlussstück 6 ist dabei zwischen dem Dichtsitz 4 und dem Aktor 5 angeordnet. Die erste Nadelführung 22 ist in der Öffnung 60 des Anschlussstücks 6 vorgesehen. Hierbei ist eine kardanische Führung zwischen der ersten Nadelführung 22 und der Öffnung 60 ausgebildet. In der Öffnung 60 ist ferner noch ein Anschlag 8 vorgesehen, welcher einen Hub 15 des Schließelements 2 begrenzt.
-
Der Gasinjektor 1 umfasst ferner eine Stützhülse 13, sowie einen in der Stützhülse 13 angeordneten Wellbalg 18. Das Rückstellelement 9 stützt sich dabei an einem ersten radial nach außen gerichteten Flansch 13a an einem ersten Ende der Stützhülse ab und an einer Fixierscheibe 16, welche an einem Absatz 10a eines Ventilgehäuses 10 angeordnet ist, ab.
-
An der Ventilnadel 20 ist ferner noch ein Zwischenring 17, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, fixiert, wobei der Wellbalg 18 an seinem einen Ende mit dem Zwischenring 17 und seinem anderen Ende mit dem Anschlussstück 6 verbunden ist. Dadurch ergibt sich ein Raum 19 innerhalb des Wellbalgs 18, welcher nicht mit dem gasförmigen Medium, das eingeblasen werden soll, in Kontakt ist.
-
Im Anschlussstück 6 ist ferner noch ein Gaszulauf 7 vorgesehen, welcher in diesem Ausführungsbeispiel seitlich am Anschlussstück 6 angeordnet ist. Die Gaszuführung erfolgt dabei, wie durch den Pfeil P angedeutet, durch den Gaszulauf 7 in das Innere des Ventilgehäuses 10. Dabei ist das Rückstellelement 9 vom gasförmigen Medium umströmt. In der Fixierscheibe 16 sind mehrere Durchbrüche vorgesehen, damit das gasförmige Medium bis zum Dichtsitz 4 gelangen kann. Die zweite Nadelführung 23 ist ebenfalls an der Fixierscheibe 16 vorgesehen.
-
Ferner umfasst der Gasinjektor 1 ein zusätzliches Absperrelement 11, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein 2/2-Wege-Ventil ist. Das Absperrelement 11 umfasst eine Rückstellfeder 12, wobei das Absperrelement 11 ein hydraulisches Absperrelement ist. Im nichtbetätigten Zustand, der in 1 gezeigt ist, schließt die Rückstellfeder 12 das Absperrelement 11. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Absperrelement 11 dabei im Gaszulauf 7 angeordnet. Dadurch ist das Absperrelement 11 in den Gasinjektor 1 integriert.
-
Das Gasinjektor 1 umfasst ferner eine Hydraulikeinheit 14, welche eingerichtet ist, einen Hydraulikdruck bereitzustellen. Die Hydraulikeinheit 14 umfasst dabei eine Zuleitung 50, eine Pumpe 55 und ein Reservoir 56 mit Hydraulikflüssigkeit, vorzugsweise Hydrauliköl. Die Zuleitung 50 führt dabei vom Reservoir 56 bis zum Absperrelement 11.
-
In dem in 1 gezeigten nichtbetätigten Zustand des Injektors ist auch das Absperrelement 11 geschlossen. Dadurch ist eine Zufuhr von gasförmigem Medium in den Innenbereich des Gasinjektors 1 unterbrochen.
-
Im Betrieb des Gasinjektors 1, welcher in 2 gezeigt ist, wird durch die Hydraulikeinheit 14 ein Hydraulikdruck bereitgestellt, welcher über die Zuleitung 50 (Pfeil D) zum Absperrelement 11 zugeführt wird. Dadurch öffnet das Absperrelement 11 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 12 in die geöffnete Stellung. Dadurch kann gasförmiges Medium wieder ungehindert in den Zulauf 7 und damit in den Innenbereich des Gasinjektors 1 strömen.
-
In 2 ist auch die Öffnungsfunktion des Injektors 1 schematisch angedeutet. Wenn der Aktor 5 betrieben wird, wird ein Kontaktelement 5a des Aktors 5, welches sich in flächigem Kontakt mit der Ventilnadel 20 des Schließelements 2 befindet, in Richtung zum Brennraum 30 bewegt, wodurch die Ventilnadel in Richtung zum Brennraum 30 axial bewegt wird. Dies ist in 2 durch den Pfeil A angedeutet. Dadurch hebt das Sitzelement 21 vom Dichtsitz 4, so dass gasförmiges Medium, wie durch die Pfeile B angedeutet, in den Brennraum 30 eingeblasen werden. Durch die axiale Bewegung der Ventilnadel 20 wird auch das Rückstellelement 9 mittels der Stützhülse 13 zusammengedrückt, so dass nach Beendigung des Einblasvorgangs eine Rückstellung des Schließelements 2 durch das Rückstellelement 9 möglich ist.
-
Es sei angemerkt, dass im normalen Betrieb üblicherweise das Absperrelement 11 konstant in der Offenstellung gehalten wird. Somit muss zwar konstant auch ein Hydraulikdruck zum Absperrelement 11 zugeführt werden, allerdings ergeben sich dadurch keinerlei wärmebedingte Nachteile für den Gasinjektor, welche beispielsweise vorhanden wären, wenn das Absperrelement 11 mittels elektrischer Energie in der Offenstellung gehalten werden müsste. Neben dem hohen Einsatz an elektrischer Energie würde sich durch den elektrischen Strom eine unerwünschte Wärmebildung im Bereich des Absperrelements 11 ergeben. Dies würde zu einer Erwärmung und Volumenausdehnung des gasförmigen Mediums führen, wodurch insbesondere die Einblasmengen nicht mehr korrekt darstellbar wären. Dies kann durch die Verwendung des hydraulischen Absperrelements 11, bei dem keinerlei Wärmeentwicklung in der Offenstellung anfällt, verhindert werden.
-
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Anschlussstück 6 ein Montageflansch 63 für den Aktor 5 vorgesehen. Der Montageflansch 63 erstreckt sich hülsenartig in Richtung zum Aktor 5, wobei eine Schweißverbindung 64 zwischen dem Montageflansch 63 und dem Aktor 5 ausgebildet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Aktor auf einfache Weise als letztes Bauteil des Gasinjektors fixiert werden kann und insbesondere toleranzbedingte Längenunterschiede in Axialrichtung X-X durch eine axiale Montageposition des Aktors 5 bezüglich des restlichen Gasinjektors ausgeglichen werden kann. Wenn der Aktor 5 dann in der richtigen Axialposition angeordnet ist, erfolgt eine fixe Verbindung zwischen dem Aktor 5 und dem Montageflansch 63 durch die Schweißverbindung 64.
-
Weiterhin ermöglicht die seitliche Anordnung der Gaszuleitung 7 im Anschlussstück 6, dass kein gasförmiges Medium durch den Aktor 5 selbst hindurchgeführt werden muss. Dadurch kann der Aktor 5 in optimaler Weise ausgelegt werden, ohne dass Rücksicht auf Gasdurchbrüche oder Gasdurchleitungen genommen werden müsste.
-
3 zeigt einen Gasinjektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
-
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Gasinjektor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels als Aktor 5 einen hydraulischen Aktor als Hydraulikeinheit. Wie aus 3 deutlich wird, kann der hydraulische Aktor 5 entfernt vom restlichen Gasinjektor angeordnet werden.
-
Der hydraulische Aktor 5 umfasst ein Reservoir 56, von welchem eine Zuleitung 50 zu einem Stellventil 54 führt. In der Zuleitung ist dabei eine oder mehrere Pumpen 55 angeordnet. Eine Rückleitung 51 führt vom Stellventil 54 zurück zum Reservoir 56. Das Stellventil 54 ist ein 4/2-Wege-Ventil, wobei in 3 eine erste Stellung S1 des Stellventils 54 gezeigt ist. In dieser ersten Stellung ist eine Verbindung zwischen der Zuleitung 50 und einer Verbindungsleitung 52, welche vom Stellventil 54 zum Anschlussstück 6 führt, vorhanden. Die Verbindungsleitung 52 führt in die Öffnung 60 im Anschlussstück 6, in welcher auch die erste Nadelführung 22 angeordnet ist. Da die erste Nadelführung 22 ein ringförmiges Element ist, welches mit der Ventilnadel 20 mittels einer Schweißverbindung verbunden ist, wirkt das freie Ende der Ventilnadel 20 in Verbindung mit der ersten Nadelführung 22 wie ein Kolben, welcher das Schließelement betätigt.
-
Somit kann in der in 3 gezeigten Stellung ein Hydraulikdruck an die Rückseite der Nadelführung 22 geführt werden und das Schließelement 2, wie in 3 durch den Pfeil A angedeutet, in die Öffnungsstellung gebracht werden. Dadurch erfolgt eine Einblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum 30 (Pfeile B). Da über die kardanische erste Nadelführung 22 auch eine Leckage bis in den Raum 19 im Inneren des Wellbalgs 18 gelangen kann, ist im Anschlussstück 6 ferner noch eine Leckagebohrung 61 ausgebildet. Die Leckagebohrung 61 ist mit einer Leckageleitung 53 verbunden, welche als separate Leitung vorgesehen ist und zurück zum Reservoir 56 führt.
-
Weiterhin ist eine Abzweigleitung 57 von der Zuleitung 50 zum Absperrelement 11 vorgesehen. Somit wird, wenn der Gasinjektor 1 in Betrieb ist, auch das hydraulische Absperrelement 11 mit Hydraulikdruck versorgt, so dass sich das hydraulische Absperrelement 11 immer in der Öffnungsstellung, wie in 3 gezeigt, befindet. Wenn dann die Brennkraftmaschine nicht mehr im Betrieb ist und der Gasinjektor kein gasförmiges Medium mehr einblasen muss, wird auch der hydraulische Aktor 5 abgestellt, so dass ein Druck in der Zuleitung 50 abfällt, so dass auch über die Abzweigleitung 57 der Druck am hydraulischen Absperrelement 11 abfällt und dieses durch die Rückstellfeder 12 geschlossen werden kann.
-
Soll eine Einblasung des gasförmigen Mediums in den Brennraum 30 beendet werden, wird das Stellventil 54 in eine zweite Stellung (nicht gezeigt) gestellt, in welcher die Verbindung zwischen der Zuleitung 50 und der Verbindungsleitung 52 unterbrochen ist, jedoch eine Verbindung zwischen der Verbindungsleitung 52 und der Rückleitung 51 hergestellt ist. Dadurch strömt die Hydraulikflüssigkeit über die Verbindungsleitung 52 und die Rückleitung 51 zurück in das Reservoir 56 und das Schließelement 2 kann mittels des Rückstellelements 9 in die in 3 gezeigte geschlossene Position zurückgestellt werden.
-
Weiterhin kann durch die Hydraulikflüssigkeit in der Öffnung 60 auch eine Schmierung im Bereich der ersten Nadelführung 22 durch ein Hydrauliköl der dgl. erreicht werden, so dass zumindest teilweise die Schmierproblematik bei Gasinjektoren gelöst ist.
-
Zu beiden Ausführungsbeispielen sei ferner angemerkt, dass der Gasinjektor insbesondere für eine Verwendung in Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen geeignet ist. Je nach Fahrzeugausstattung kann dabei bevorzugt eine Hydraulikquelle für das Absperrelement 11 verwendet werden, welches sowieso schon im Fahrzeug vorhanden ist. Hierzu muss lediglich eine Hydraulikverbindungsleitung zwischen der Hydraulikquelle und dem Absperrelement 11 vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein hydraulischer Aktor verwendet werden.
