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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas oder dergleichen mit sehr robusten und langlebigen Führungseigenschaften zur Führung einer langen Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors. Der Gasinjektor ist insbesondere für eine Direkteinblasung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Gasinjektoren liegt prinzipbedingt darin, dass aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums keine Schmierung durch das Medium möglich ist, wie dies beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren, welche Benzin oder Diesel einspritzen, möglich ist. Daraus resultiert im Betrieb ein übermäßiger Verschleiß im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe insbesondere an einem Bereich zur Führung einer Ventilnadel. Weiterhin ist aufgrund zunehmender Verkleinerung von Brennkraftmaschinen häufig ein kompaktes Design notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist hingegen den Vorteil auf, dass der Gasinjektor besonders gute Führungseigenschaften für eine Ventilnadel eines Schließelements des Gasinjektors aufweist, Insbesondere können Kippmomente, welche z.B. durch ein Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, sicher aufgenommen werden und führen nicht zu einer Schrägstellung der Ventilnadel am Dichtsitz. Damit ist der Gasinjektor in allen Betriebssituationen am Dichtsitz im geschlossenen Zustand dicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor einen Magnetaktor mit einem Anker, einen Innenpol und einer Spule umfasst. Weiterhin umfasst der Gasinjektor ein Schließelement mit einer Ventilnadel, welches einen Gaspfad für den gasförmigen Brennstoff an einem Dichtsitz freigibt und verschließt. Der Anker ist dabei mit dem Schließelement verbunden. Ferner ist ein abgeschlossener Schmiermittelraum vorgesehen, welcher mit Schmiermittel gefüllt ist und in welchem der bewegliche Anker angeordnet ist. Dabei stellt das Schmiermittel eine Schmierung des Ankers sicher, so dass am Anker kein Verschleiß im Betrieb auftritt. Der Schmiermittelraum umfasst hierbei wenigstens ein flexibles Dichtelement, insbesondere einen Faltenbalg, welches den Schmiermittelraum gegenüber dem Gaspfad abdichtet und somit die axiale Bewegbarkeit des Schließelements sicherstellt. Ferner umfasst der Gasinjektor ein Rückstellelement, insbesondere eine Schließfeder in Form einer Zylinderfeder, wobei das Rückstellelement das Schließelement in eine geschlossene Ausgangsstellung zurückstellt. Ferner umfasst der Gasinjektor eine erste, zweite und dritte Nadelführung, welche die Ventilnadel beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang führen. Hierbei sind die erste und die zweite Nadelführung im Gaspfad angeordnet und die dritte Nadelführung ist im Schmiermittelraum angeordnet. Das Rückstellelement ist ebenfalls im Schmiermittelraum angeordnet. Somit erzeugen Bewegungen des Rückstellelements und der dritten Nadelführung, welche durch das Schmiermittel des Schmiermittelraums geschmiert sind, keinen oder höchstens einen minimalen, vernachlässigbaren Verschleiß. Die erste und die zweite Nadelführung, die im Gaspfad angeordnet sind, befinden sich somit außerhalb des Schmiermittelraums. Falls im Betrieb ein Kippmoment durch das Rückstellelement auf die Ventilnadel ausgeübt wird, kann dieses Kippmoment sicher durch die beiden im Gaspfad angeordnete erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden. Hierdurch wird ein Durchbiegen der Ventilnadel, welches durch das möglicherweise auftretende Kippmoment erzeugt werden könnte, durch die beiden ersten und zweiten Nadelführungen unterbunden. Dadurch bleibt der Dichtsitz in allen Betriebssituationen geschlossen bzw. ein Verkippen der Ventilnadel am Dichtsitz und damit ein unzureichender Schließvorgang kann verhindert werden. Somit ist die Ventilnadel durch eine Doppelführung außerhalb des Schmiermittelraums und eine Führung im Schmiermittelraum sicher geführt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist ein erster Abstand A1 zwischen der ersten und der zweiten Nadelführung in Axialrichtung X-X des Gasinjektors kleiner als ein zweiter Abstand A2 zwischen der zweiten und dritten Nadelführung in Axialrichtung X-X. Hierdurch ist eine besonders gute Aufnahme von möglicherweise auftretenden Kippmomenten durch die erste und zweite Nadelführung gegeben. Der zweite Abstand A2 ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß, weiter bevorzugt mindestens dreifach so groß, wie der erste Abstand A1.
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Weiter bevorzugt weisen die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung jeweils einen ringförmigen Führungsbereich auf, welcher über Stege mit der Ventilnadel des Schließelements verbunden ist, derart, dass Durchbrüche für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen vorhanden ist. Dies ist insbesondere an der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft, welche im Gasführungsbereich des Gasinjektors angeordnet sind, um möglichst große Gasmengen durch den ersten und zweiten Führungsbereich bei geöffnetem Gasinjektor hindurchströmen lassen zu können. Der ringförmige Führungsbereich ist dabei vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs geschlossen. Um eine Reibung während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements möglichst klein zu halten, ist eine Breite des ringförmigen Führungsbereichs möglichst klein gewählt. Besonders bevorzugt sind hierbei drei Stege vorgesehen, welche die Ventilnadel mit dem ringförmigen Führungsbereich verbinden. Die Stege sind vorzugsweise in gleichem Abstand entlang des Umfangs angeordnet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Stege zwischen der Ventilnadel und den ringförmigen Führungsbereichen in einem spitzen Winkel zum ringförmigen Führungsbereich angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass ein Durchströmungsquerschnitt im Bereich der Führungen vergrößert wird, was insbesondere bei der ersten und zweiten Nadelführung vorteilhaft ist, welche im Gasführungsbereich liegen. Vorzugsweise sind die Stege in Durchströmungsrichtung durch die Durchbrüche nach dem Führungsbereich angeordnet. Alternativ sind die Stege zwischen der Ventilnadel und dem ringförmigen Führungsbereich der Nadelführungen in einem rechten Winkel zur Ventilnadel angeordnet.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung ausschließlich als Stege ausgebildet, welche von der Ventilnadel radial nach außen verlaufen und an ihren freien Enden Führungsbereiche aufweisen. Weiter alternativ sind die erste und/oder zweite und/oder dritte Nadelführung als Führungsrippen ausgebildet, welche in Axialrichtung eine größere Erstreckung aufweisen als in Radialrichtung.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an der Ventilnadel ferner auch ein Teller angeordnet, an welchem das flexible Dichtelement fixiert ist. Hierdurch kann eine einfache Verbindung zwischen Schließelement und flexiblem Dichtelement, welches den Schmiermittelraum abdichtet, erreicht werden.
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Vorzugsweise sind die erste und zweite Nadelführung am gleichen Bauteil geführt. Das Bauteil ist vorzugsweise ein zylindrischer Ventilkörper, an welchem auch der Dichtsitz angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Führungsflächen für die erste und zweite Nadelführung in einer Aufspannung hergestellt werden können, was fertigungstechnisch große Vorteile bietet und weiterhin die Herstellungskosten reduziert.
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Um eine Bauteileanzahl weiter zu reduzieren, ist vorzugsweise die dritte Nadelführung auch zur Abstützung des Rückstellelementes, welches im Schmiermittelraum angeordnet ist, eingerichtet. Die dritte Nadelführung kann hierbei vorzugsweise als Federteller mit Durchbrüchen für das Schmiermittel während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements ausgebildet sein.
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Weiter bevorzugt ist ein dritter Abstand A3 zwischen der ersten Nadelführung und dem Dichtsitz kleiner als der erste Abstand A1 zwischen der ersten und zweiten Nadelführung. Der dritte Abstand A3 ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte des ersten Abstands A1 und besonders bevorzugt kleiner als ein Drittel des ersten Abstands A1.
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Das Schließelement kann mit den unteren beiden Nadelführungen und der Scheibe zur Aufnahme des elastischen Elements einteilig oder mehrteilig ausgebildet werden. Zum Beispiel können an einem Stift mehrere Scheiben, Scheiben zur Führung und die Scheibe zur Aufnahme des elastischen Elements, angeschweißt werden. Der Stift kann auch ein Teil mit dem Sitzteller bilden an den die Teller für die Ventilnadelführungen und zur Aufnahme des elastischen Elements angeschweißt werden.
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Das flexible Dichtelement ist vorzugsweise ein Metallbalg. Der Metallbalg stellt einerseits eine sehr gute Beweglichkeit bereit, um die Axialbewegungen des Schließelements zu ermöglichen und andererseits kann dadurch der Metallbalg möglichst nahe am heißen Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet werden. Dadurch kann eine axiale Länge des Gasinjektors weiter reduziert werden. Alternativ ist das flexible Dichtelement ein Kunststofffaltenbalg oder eine Membran oder ein Gummielement.
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Weiter bevorzugt weist der Gasinjektor einen Kegelsitz oder Kugel-Kegelsitz auf. Vorzugsweise umfasst hierbei das Schließelement an einem zum Brennraum gerichteten Ende eine Dichtscheibe, welche an einem Dichtsitz eine oder mehrere Durchgangsöffnungen freigibt. Der Gasinjektor ist dabei vorzugsweise als ein nach außen öffnender Injektor ausgebildet. Dadurch kann ein Dichtsitz bereitgestellt werden, welcher senkrecht zur Längsrichtung des Gasinjektors in einer Ebene liegt.
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Ferner bevorzugt umfasst der Gasinjektor eine im Schmiermittelraum angeordnete Bremseinrichtung, welche eingerichtet ist, um das Schließelement bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors vom geöffneten in den geschlossenen Zustand abzubremsen. Die Bremseinrichtung umfasst einen Bremsbolzen, einen Dämpfungsraum, der mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung steht, und ein elastisches Bremselement, insbesondere eine Feder. Der Bremsbolzen und das elastische Bremselement sind beim Rückstellvorgang in Wirkverbindung mit dem Schließelement und/oder dem Anker, wobei der Bremsbolzen ferner beim Rückstellvorgang eingerichtet ist, Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum zu verdrängen, um eine Rückstellung des Bremsbolzens zu dämpfen. Da ein Teil des Abbremsvorgangs durch ein hydraulisches Kleben zwischen dem Bremsbolzen und einem Anschlagbauteil, an welchem der Bremsbolzen im geöffneten Zustand des Gasinjektors anliegt, bereitgestellt wird, kann durch das Vorsehen des Dämpfungsraums eine Dampfblasenbildung des flüssigen Schmiermittels beim Überwinden des hydraulischen Klebens verhindert werden, so dass insbesondere ein Verschleiß durch Kavitation verhindert werden kann.
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Der Bremsvorgang wird zusätzlich noch durch die mit der Bremseinrichtung bereitgestellte Beschleunigung der zusätzlichen Massen unterstützt. Weiterhin wird über die Verdrängung des Schmierstoffs zwischen dem Anker und dem Bremsbolzen eine weitere Abbremsung realisiert. Auch kann durch Reibung von Führungselementen oder dergleichen mit dem Bremsbolzen eine Rückstellgeschwindigkeit des Schließelements weiter reduziert werden. Dies alles reduziert die Aufschlagkraft des Ankers am Anschlag, so dass auch eine Lebensdauer des Ankers weiter verlängert werden kann.
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Weiter bevorzugt umfasst der Bremsbolzen insbesondere einen Hauptkörper mit einer Anlagefläche, welche an einer zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers des Bremsbolzens angeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem Schließelement bringbar ist und als Anschlagfläche dient. Der Hauptkörper ist vorzugsweise zylindrisch. Weiter bevorzugt ist an der zum Schließelement gerichteten Seite des Hauptkörpers ein Ringflansch angeordnet. Der Ringflansch dient vorzugsweise als Anschlagfläche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastische Bremselement der Bremseinrichtung im Dämpfungsraum angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Das elastische Bremselement ist vorzugsweise eine Druckfeder, insbesondere eine Zylinderfeder.
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Weiter bevorzugt steht der Dämpfungsraum über ein Führungsspiel des Bremsbolzens mit dem Schmiermittelraum in Fluidverbindung.
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Vorzugsweise umfasst der Gasinjektor ferner eine Drossel, welche den Dämpfungsraum mit dem Schmiermittelraum verbindet. Die Drossel stellt sicher, dass der Dämpfungsvorgang definiert ablaufen kann, da das Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum über die Drossel dann in den Schmiermittelraum überführt wird. Die Drossel ist vorzugsweise eine kleine Verbindungsbohrung zwischen Dämpfungsraum und Schmiermittelraum. Durch Wahl geometrischer Abmessungen der Verbindungsbohrung beispielsweise Durchmesser und/oder Länge der Bohrung, kann das Dämpfungsverhalten der Bremseinrichtung eingestellt werden.
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Der Gasinjektor umfasst weiter bevorzugt einen Ankerbolzen, welcher am Schließelement anliegt, wobei der Ankerbolzen mit dem Anker verbunden ist. Ein von einem Dichtsitz des Gasinjektors abgewandtes Ende des Ankerbolzens ist eingerichtet, um im geschlossenen Zustand des Gasinjektors mit dem Bremsbolzen in Kontakt zu treten.
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Vorzugsweise wird als Schmiermittel ein Öl, insbesondere ein synthetisches Öl verwendet. Alternativ wird ein flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin verwendet. Weiter alternativ wird als Schmiermittel ein Fett verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Teilschnittansicht des Gasinjektors von 1,
- 3 eine schematische, perspektivische Ansicht der ersten und zweiten Nadelführung des Gasinjektors von 1,
- 4 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 6 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten und zweiten Nadelführung eines Gasinjektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Gasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Gasinjektor 1 zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs einen Magnetaktor 2, welcher ein nach außen öffnendes Schließelement 3 von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand bewegt. Die 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasinjektors.
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Der Magnetaktor 2 umfasst einen Anker 20, welcher mittels eines Ankerbolzens 24 mit dem Schließelement 3 verbunden ist. Ferner umfasst der Magnetaktor 2 einen Innenpol 21, eine Spule 22 und ein Magnetgehäuse 23, welches einen magnetischen Rückschluss des Magnetaktors sicherstellt.
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Weiterhin umfasst der Gasinjektor 1 einen Hauptkörper 7 mit einem Gaszulauf 70, durch welchen der gasförmige Brennstoff zugeführt wird. Am Hauptkörper 7 ist dabei ein Ventilgehäuse 8 fixiert, in welchem der Magnetaktor 2 angeordnet ist. An das Ventilgehäuse 8 schließt sich eine Gehäusehülse 19 an, an dessen freiem Ende an einem Ventilsitzbauteil 93 ein Dichtsitz 11 vorgesehen ist, an welchem das Schließelement 3 einen Durchlass für den gasförmigen Brennstoff freigibt und verschließt.
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In 1 ist schematisch ein elektrischer Anschluss 13, welcher durch den Hauptkörper 7 und das Magnetgehäuse 8 bis zum Magnetaktor 2 geführt ist, dargestellt.
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Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Rückstellelement für das Schließelement 3, um dieses nach einem Öffnungsvorgang wieder in den in 1 gezeigten geschlossenen Zustand zurückzustellen.
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In 1 ist ferner eine Gasströmung als Gaspfad 14 durch den Gasinjektor 1 dargestellt. Die Gasströmung beginnt dabei am Gaszulauf 70 und wird dann umgeleitet in einen Ringraum 80 zwischen dem Ventilgehäuse 8 und dem Hauptkörper 7. Die Gasströmung 14 geht dabei weiter an einem Außenbereich des Magnetaktors 2 vorbei durch einen Filter 15 bis vor zum Dichtsitz 11. Hierbei sind entsprechend Durchbrüche in den jeweiligen Bauteilen vorgesehen, welche in 1 nicht alle gezeigt sind.
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Beim Öffnen des Gasinjektors 1 strömt dann der gasförmige Brennstoff am Außenumfang des Magnetaktors 2 und am geöffneten Dichtsitz 11 vorbei in einen Brennraum 100 einer Brennkraftmaschine, was in 1 durch die Pfeile A angedeutet ist.
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Das Schließelement 3 umfasst eine Ventilnadel 30 mit einem Sitzteller 30a, welcher an dem zum Brennraum gerichteten Ende des Schließelements angeordnet ist. Der Dichtsitz 11 ist dabei zwischen dem Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93, welches ein zylindrisches Rohr ist, ausgebildet.
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Das Schließelement 3 umfasst ferner eine erste Nadelführung 31, eine zweite Nadelführung 32 und eine dritte Nadelführung 33. Die drei Nadelführungen 31, 32, 33 sind einstückig oder mehrstückig mit der Ventilnadel 30 ausgebildet.
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Das Schließelement 3 umfasst ferner auch einen Teller 34, welcher in Axialrichtung X-X zwischen der zweiten Nadelführung 32 und der dritten Nadelführung 33 angeordnet ist.
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Weiter umfasst der Gasinjektor 1 einen abgeschlossenen Schmiermittelraum 4. Der abgeschlossene Schmiermittelraum 4 ist vollständig oder teilweise mit einem flüssigen Schmierstoff gefüllt, z.B. Öl.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, wird der Schmiermittelraum 4 durch ein erstes flexibles Dichtelement 51, den Innenpol 21, das Magnetgehäuse 23, einen Führungskörper 18 und ein zweites flexibles Dichtelement 52 definiert. Das erste und zweite flexible Dichtelement 51, 52 ist jeweils als Faltenbalg ausgebildet.
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Es sei angemerkt, dass als flexible Dichtelemente 51, 52 anstatt eines Faltenbalges auch beispielsweise eine Membran oder ein Schlauch oder dgl. sein kann.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist das zweite flexible Dichtelement 52 an einem Speicherfederteller 41 beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, fixiert. Ferner umfasst der Gasinjektor 1 eine Speicherdruckfeder 40, welche sich am Hauptkörper 7 abstützt und das zweite flexible Dichtelement 52 über den Speicherfederteller 41 vorspannt. Im Führungskörper 18 sind Verbindungsbohrungen 18a vorgesehen, so dass das sich im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel auch in dem Bereich innerhalb des zweiten flexiblen Dichtelements 52 befindet.
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Das erste flexible Dichtelement 51 ist direkt am Schließelement 3 am Teller 34 fixiert und am anderen Ende mit einer Führungshülse 9 verbunden. Die dritte Nadelführung 33 ist innerhalb der Führungshülse 9 geführt.
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Somit weist der Schmiermittelraum 4 zwei flexible Dichtelemente 51, 52 sowie die Speicherdruckfeder 40 auf. Die Speicherdruckfeder 40 übt eine gewisse Vorspannung, beispielsweise 1 × 105 Pa, auf das sich im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel auf. Wenn nun bei einem Öffnungsvorgang eine Verdrängung des Schmiermittels durch den Hub des Schließelements 3 oder auch durch Wärmeausdehnung oder Abkühlung des Schmiermittels auftritt, kann ein gegebenenfalls im Inneren des Schmiermittelraums 4 entstehender Überdruck/Unterdruck durch Auslenkung am zweiten flexiblen Dichtelement 52 in Verbindung mit einer Kontraktion der Speicherdruckfeder 40 ausgeglichen werden. Somit kann das flexible Dichtelement 51 keine ungewollte, über die Balgwirkfläche wirkende Kraft auf das Schließelement 3 ausüben.
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Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist auch der Ankerbolzen 24 mit dem daran fixierten Anker 20 angeordnet. Da der Schmiermittelraum 4 mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem Öl mit einer Viskosität von Benzin oder Diesel oder einem Fett oder dergleichen gefüllt ist, ist eine kontinuierliche Schmierung des Ankers 20 gegeben. Dadurch kann das im Stand der Technik auftretende Problem bei gasförmigen Brennstoffen, dass eine fehlende Schmierung der bewegten Teile fehlt, kompensiert werden.
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Dabei ist auch die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet. Wie insbesondere auch aus 2 ersichtlich ist, ist die dritte Nadelführung 33 im Inneren der Führungshülse 9 geführt. Im Inneren der Führungshülse 9 ist ferner auch das Rückstellelement 10 angeordnet, welches sich an einem Absatz 9a der Führungshülse 9 und der dritten Nadelführung 33 abstützt. Die dritte Nadelführung 33 weist somit zwei Funktionen, nämlich einmal die Führung der Ventilnadel 30 und die Abstützung des Rückstellelements 10 auf. In der dritten Nadelführung 33 sind hierbei entsprechend Durchbrüche 33a vorgesehen, damit das im Schmiermittelraum 4 befindliche Schmiermittel durch diese Durchbrüche hindurchgehen kann.
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Die Führungshülse 9 ist mit dem ersten flexiblen Dichtelement 51 verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung.
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Da die dritte Nadelführung 33 im Schmiermittelraum 4 angeordnet ist, ist hier in allen Betriebssituationen des Gasinjektors eine ausreichende Schmierung vorhanden, so dass im Betrieb keinerlei Verschleiß an der dritten Nadelführung auftritt.
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Die erste Nadelführung 31 und die zweite Nadelführung 32 sind hingegen im Gaspfad 14 angeordnet. Wie im Detail aus 3 ersichtlich ist, sind die erste Nadelführung 31 und die zweite Nadelführung 32 gleich aufgebaut. Hierbei umfasst die erste Nadelführung 31 einen ringförmigen Führungsbereich 31a, welcher über drei Stege 31 b mit der Ventilnadel 30 verbunden ist. Zwischen den Stegen sind Durchbrüche 33c für einen Fluiddurchtritt zwischen den Stegen ausgebildet. Die Stege sind dabei möglichst dünn vorgesehen, um einen möglichst großen Durchlassquerschnitt für das einzublasende Medium bereitzustellen.
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Die zweite Nadelführung 32 ist in gleicher Weise wie die erste Nadelführung 31 mit einem ringförmigen Führungsbereich 32a, drei Stegen 32b und entsprechend zwischen den Stegen gebildeten Durchbrüchen 32c ausgebildet.
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Durch die ringförmigen Führungsbereiche 31a und 32a an der ersten und zweiten Nadelführung kann somit eine besonders sichere und genaue Führung des Schließelements 3 ermöglicht werden. Im Betrieb kann nun durch das Rückstellelement 10 und gegebenenfalls auch durch das als Balg ausgebildete erste flexible Dichtelement 51 Kippmomente auf das Schließelement ausgeübt werden. Diese können jedoch durch die erste und zweite Nadelführung aufgenommen werden, so dass die Ventilnadel 30, welche mit einem möglichst kleinen Querschnitt ausgebildet ist und eine gewisse Baulänge in Axialrichtung X-X aufweist, durch derartige Kippmomente nachgiebig sein kann und sich verbiegen kann. Durch die Nachgiebigkeit der Ventilnadel gibt es bei Kippmomenten aus dem Schließelement oder dem elastischen Element nur geringe Querkräfte auf die Nadelführungen. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist ein erster Abstand A1 zwischen der ersten Nadelführung 31 und der zweiten Nadelführung 32 kleiner als ein zweiter Abstand A2 zwischen der zweiten Nadelführung und der dritten Nadelführung 33.
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Somit kann der Gasinjektor sehr schlank und mit einer gewissen Baulänge ausgeführt werden, ohne dass im Betrieb aufgrund von Kippmomenten des Rückstellelements 10 oder des ersten flexiblen Dichtelements 51 unerwünschte Querkräfte auf die Ventilnadel ausgeübt werden können, so dass der Gasinjektor in allen Betriebssituationen immer abdichten kann und auch nach einem Öffnungsvorgang wieder sicher in den geschlossenen abdichtenden Zustand zurückgestellt werden kann. Der Verschleiß an den Ventilnadelführungen ist somit auch vernachlässigbar klein.
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Weiterhin ist ein dritter Abstand A3 zwischen der ersten Nadelführung 31 und dem Dichtsitz 11 kleiner als der erste Abstand A1 zwischen der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32. Hierdurch wird der Schließvorgang zusätzlich unterstützt, so dass der Dichtsitz immer in richtiger Weise geschlossen werden kann.
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Im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 ist ferner eine Bremseinrichtung 6 angeordnet. Die Bremseinrichtung 6 umfasst einen Bremsbolzen 60, eine Bremsfeder 61 und einen Dämpfungsraum 62. Der Dämpfungsraum 62 steht mit dem Schmiermittelraum 4 in Fluidverbindung.
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Der Bremsbolzen 60 und das elastische Bremselement 61 stehen bei einem Rückstellvorgang des Gasinjektors in die geschlossene Ausgangsposition in Wirkverbindung mit dem Schließelement 3. Beim Rückstellvorgang wird dabei Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum 62 in den Schmiermittelraum 4 verdrängt, um eine zusätzliche Dämpfung bei der Rückstellung des Bremsbolzens 60 in den geschlossenen Zustand des Gasinjektors (1) zu erreichen. Der Bremsbolzen 60 ist dabei im Führungskörper 18 geführt.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Dämpfungsraum 62 direkt am Bremsbolzen 60 an einer vom Dichtsitz 11 abgewandten Seite des Bremsbolzens 60 ausgebildet. Der Dämpfungsraum 62 ist über eine Drossel 63, welche eine kleine Bohrung ist, mit den Verbindungsbohrungen 18a und somit mit dem Hauptbereich des Schmiermittelraums 4 verbunden. Die Bremsfeder 61 ist in einem Federraum 67 angeordnet.
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Der Bremsbolzen 60 weist eine Anlagefläche auf, welche sich mit dem Ankerbolzen 24 in Kontakt befindet. Im geschlossenen Zustand, welcher in 1 gezeigt ist, befindet sich dabei ein erster Spalt 101 zwischen dem Bremsbolzen 60 und einer stationären Ankerbolzenführung 25. Die Ankerbolzenführung 25 führt den Ankerbolzen 24 bei einem Öffnungs- und Schließvorgang.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist die Bremsfeder 61 zwischen dem Bremsbolzen 60 und dem Führungskörper 18 angeordnet. Der Bremsbolzen 60 weist dabei einen Flansch auf, welcher mit Spiel zum Führungskörper 18 vorgesehen ist.
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Im geschlossenen Zustand ist weiterhin zwischen der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 und der Ankerbolzenführung 25 der erste Spalt 101 ausgebildet. Der Spalt 101 weist dabei eine erste Breite auf, welche kleiner ist als eine zweite Breite zwischen dem Anker 20 und dem Innenpol 21 (vgl. 1) an einem zweiten Spalt 102. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Hub des Bremsbolzens 60, welcher durch die Druckfeder 61 in Axialrichtung vorgespannt ist, kleiner ist als ein Hub des Ankers 20. Damit kann während des Einblasvorgangs ausreichend Fluid aus dem Schmiermittelraum 4 über die Drossel 63 in den Dämpfungsraum 62 strömen.
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Beim Schließvorgang trifft der Ankerbolzen 24 auf die Anlagefläche des Bremsbolzens 60. Dadurch wird der Bremsbolzen 60 gegen das sich im Dämpfungsraum 62 befindliche Fluid gedrückt. Aufgrund der Drossel 63 kann das Fluid aus dem Dämpfungsraum 62 nicht unmittelbar, sondern langsam herausgedrückt werden, so dass beim Schließvorgang eine Dämpfungswirkung ermöglicht wird. Dadurch wird am Dichtsitz 11 und am Anker 20 ein zu großer Verschleiß verhindert, da der Schließvorgang durch die Rückstellung des Bremsbolzens 60 gedämpft ist.
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Der Dämpfungsvorgang wird weiterhin durch die Bremsfeder 61 und ein hydraulisches Kleben des Bremsbolzens 60 an der Ankerbolzenführung 25 unterstützt. Durch den Dämpfungsraum 62 kann dabei eine Kavitation beim Schließvorgang in diesem Bereich zwischen der Ankerbolzenführung 25 und der Anlagefläche des Bremsbolzens 60 verhindert werden. Auch verzögert eine Reibung des Bremsbolzens 60 im Führungskörper 18 den Rückstellvorgang sowie auch im gesamten Schmiermittelraum 4 die zu beschleunigenden Massen der bewegten Bauteile, welche zu einer Verdrängung des Schmierstoffs im abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 und somit einer zusätzlichen Abbremsung beim Schließvorgang führen.
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Durch Wahl eines Durchmessers und/oder einer Länge der Drossel 63 kann das Dämpfungsverhalten individuell für den jeweiligen Gasinjektor eingestellt werden.
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Es sei angemerkt, dass vorzugsweise eine Anschlagfläche zwischen dem Dämpfungsbolzen 60 und der Ankerbolzenführung 25 keilförmig ausgebildet sein kann, d.h., nicht im rechten Winkel zu einer Mittelachse X-X des Gasinjektors. Alternativ oder zusätzlich können in der Anlagefläche oder der Stirnseite der Ankerbolzenführung 25, welche zum Bremsbolzen 60 gerichtet ist, radiale Schlitze vorgesehen sein, wodurch ein Kavitationseffekt weiter reduziert und verhindert wird.
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Der in 1 gezeigte Gasinjektor 1 ist dabei druckkraftausgeglichen. Das heißt, das Schließelement 3 ist über das erste flexible Dichtelement 51 mit der Führungshülse 9 verbunden, wobei das als Metallbalg ausgeführte erste flexible Dichtelement 51 einen mittleren Durchmesser aufweist, welcher gleich einem Durchmesser am Dichtsitz 11 ist, an welchem das Schließelement 3 abdichtet. Dadurch ergibt sich keine Druckkraft auf das Schließelement 3, sodass eine magnetische Kraft, welche zum Öffnen des Schließelements 3 notwendig ist, sehr klein gehalten werden kann und insbesondere unabhängig von einem Druck des gasförmigen Brennstoffs ist.
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Somit kann mit der vorliegenden Erfindung, wenn das Schließelement 3 durch Betätigen des Magnetaktors 2 in den geöffneten Zustand (Bewegung des Schließelements 3 in 1 nach links) gestellt wurde und eine Gaseinblasung ausgeführt wird, bei der Rückstellung des Schließelements 3 eine sichere Dämpfung kurz bevor das Schließelement in den Dichtsitz 11 gedrückt wird, ausgeführt werden. Der Bremsbolzen 60 wird dabei in Richtung zum Dämpfungsraum 62 durch den Ankerbolzen 24 gedrückt, und bewegt sich nur so langsam, wie das Schmiermittel aus dem Dämpfungsraum 62 durch die Drossel 63 in den Schmiermittelraum 4 herausgedrückt wird. Somit wird eine Schließgeschwindigkeit des Schließelements 3 signifikant und wirksam vor dem Auftreffen des Schließelements in den Dichtsitz11 abgebremst. Somit kann ein Verschleiß am Dichtsitz11 und dem Schließelement 3 wirksam reduziert werden, wobei die Bremseinrichtung 6 den Betrieb des Gasinjektors weiterhin in leiserer Weise ermöglicht. Auch kann ein sog. Schließprellen, bei dem ein Element hart auf einem Dichtsitzauftritt und zurückgeprellt wird, wirksam verhindert werden.
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Der Dichtsitz 11 ist als Kegeldichtsitz ausgebildet. Der Dichtsitz 11 kann auch als Flachdichtsitz ausgebildet werden, so dass die Dichtflächen am Sitzteller 30a und dem Ventilsitzbauteil 93 einfach, z.B. durch eine flächige Bearbeitung wie Läppen, hergestellt werden können.
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Somit kann der Gasinjektor 1 einen reduzierten Verschleiß an den bewegten Teilen, insbesondere am Dichtsitz 11, Anker 20 und im Ankerbolzen 24 und den drei Nadelführungen bereitstellen. Hierbei kann ein Verkippen und Durchbiegen der Ventilnadel 30 verhindert werden, so dass die Öffnungs- und insbesondere Schließvorgänge immer problemlos durchgeführt werden können. Weiterhin kann durch den abgeschlossenen Schmiermittelraum 4 mit einem flüssigen Schmiermittel eine Wärmeableitung aus dem Magnetaktor 2 deutlich verbessert werden. Ferner kann durch die beiden flexiblen Dichtelemente 51, 52 verhindert werden, dass ungewollte Kräfte auf das Schließelement 3 wirken.
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4 zeigt einen Gasinjektor mit einem Schließelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Nadelführung 31, 32 unterschiedlich zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die erste und zweite Nadelführung 31, 32 weisen dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel jeweils einen ringförmigen Führungsbereich 31a, 32a auf, jedoch sind die Stege derart angeordnet, dass eine schüsselförmige Nadelführung erreicht wird. Dabei sind die Stege in einem spitzen Winkel α zur Ventilnadel 30 angeordnet und erstrecken sich in Richtung zum Dichtsitz 11. Dadurch kann ein Durchlassquerschnitt an der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32 im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel deutlich vergrößert werden. Hierdurch können größere Gasmengen durch die erste und zweite Nadelführung hindurchgeführt werden, was bei Gasinjektoren ein wichtiger Aspekt ist, da in möglichst kurzer Zeit möglichst große Gasmengen für den Einblasvorgang in den Brennraum eingeblasen werden müssen.
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Der Winkel α zwischen den Stegen der ersten und zweiten Nadelführung und der Ventilnadel 30 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 60° und beträgt besonders bevorzugt 45°. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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5 zeigt einen Gasinjektor mit einem Schließelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet. Beim dritten Ausführungsbeispiel weist die erste und zweite Nadelführung ausschließlich Stege ohne den ringförmigen Führungsbereich auf, welche senkrecht zur Ventilnadel 30 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind hierbei drei Stege vorgesehen. An den freien Enden der Stege sind die Führungsbereiche 36 der ersten und zweiten Nadelführung 31, 32 ausgebildet, welche mit dem Ventilsitzbauteil 93 die Führung des Schließelements 3 übernehmen.
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6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ähnlich wie das dritte Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, wobei statt der Stege Führungsrippen ausgebildet sind, welche das Führen der Nadel im Ventilsitzbauteil 93 übernehmen. Eine Länge L der Rippen in Axialrichtung ist dabei größer als eine radiale Erstreckung R, so dass die länglichen Führungsrippen an der Ventilnadel 30 erhalten werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Das dritte und vierte Ausführungsbeispiel ist durch Verzicht auf den ringförmigen Führungsbereich besonders kostengünstig herstellbar.
