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Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Gasmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors in Form eines Kolbenmotors.
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Die
WO 2022/167145 A1 offenbart einen Injektor zum Einblasen von Gas, nämlich Wasserstoff, in einen Brennraum oder in ein Saugrohr eines Motors eines Kraftfahrzeugs. Der Injektor arbeitet mit einer Injektornadel, welche druckgesteuert aus einer Schließ- in eine Offenstellung verstellt werden kann. Ein Steuerdruck kann hierbei durch den Wasserstoff aufgebracht werden, welcher zur Verbrennung in dem Motor vorgesehen ist. Ein Gehäuse des Injektors weist eine Rückleitung für einen Restanteil des Gases auf, wobei in der Rückleitung ein Rückschlagventil sitzt.
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Ein in der
DE 10 2022 118 732 A1 offenbartes Wasserstoffeindüsungssystem eines Verbrennungsmotors umfasst eine Saugkanaleindüsungsvorrichtung zum Eindüsen von Wasserstoff in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors. Darüber hinaus ist in diesem Fall eine Direkteindüsungsvorrichtung zum Eindüsen von Wasserstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors vorhanden.
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Die
DE 10 2021 208 651 A1 hat ein Verfahren zum Regeln eines Einblassystems zur Wasserstoffeinblasung zum Gegenstand. Hierbei soll ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen einer Einblasdauer und der Menge des einzublasenden Kraftstoffs, das heißt Wasserstoffs, gegeben sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte gegenüber dem genannten Stand der Technik beim Betrieb von Wasserstoffmotoren zu erzielen, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und Energiebedarf für die Wasserstoffeinblasung angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasinjektor, insbesondere Wasserstoffinjektor, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Gasmotors gemäß Anspruch 8. Im Folgenden in Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt den Injektor sowie den damit ausgestatteten Gasmotor, und umgekehrt.
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Der anmeldungsgemäße Gasinjektor umfasst einen Hochdruckanschluss zur Versorgung des Gasinjektors mit komprimiertem Gas, insbesondere Wasserstoff. An den Hochdruckanschluss ist ein Druckminderer angeschlossenen, so dass innerhalb des Gasinjektors eine Hochdruckseite von einer Niederdruckseite unterscheidbar ist. Nach dem Druckminderer, das heißt auf der Niederdruckseite, befindet sich eine EinblaseÖffnung, welche das Einblasen von brennbarem Gas in den mindestens einen Brennraum des Verbrennungsmotors ermöglicht. Die Einblaseöffnung ist mittels eines Ventils verschließbar, wobei zur Verstellung des Ventils ein beidseitig belasteter Kolben vorgesehen ist. Die eine Seite des Kolbens ist durch den nach dem Druckminderer herrschenden Druck, das heißt durch Niederdruck, belastet. Die andere Seite des Kolbens kann mittels einer dem Gasinjektor zuzurechnenden Schaltventilanordnung wahlweise ebenfalls dem nach dem Druckminderer herrschenden Druck oder dem am Hochdruckanschluss anliegenden Druck, das heißt dem Hochdruck, unter welchem das gespeicherte, zu verbrennende Gas bereitgehalten wird, ausgesetzt werden. Eine Eindüsung von unter Hochdruck stehendem Gas in den Verbrennungsmotor ist in keinem Betriebszustand vorgesehen.
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Der Hochdruck, unter welchem der dem Gasinjektor zugeführte Wasserstoff steht, ermöglicht eine schnelle Ein- und Ausschaltung des Injektors, wobei der nach dem Druckminderer herrschende Niederdruck ein geeignetes Druckniveau des in den Brennraum einzuleitenden Wasserstoff darstellt. Unter Hochdruck stehender Wasserstoff, mit welchem der Kolben verlagert und damit das Ventil des Gasinjektors geöffnet wird, kann, sobald das Ventil wieder geschlossen wird, aus dem Arbeitsraum, das heißt Zylinder, in welchem der Kolben verschiebbar ist, entweichen. Hierbei erfolgt eine Vermischung und Druckangleichung mit dem niederdruckseitigen Wasserstoff, so dass sich während des Schließens des Ventils im gesamten Raum, der in Durchflussrichtung des Wasserstoffs nach dem Druckminderer angeordnet ist und in dieser Betriebsphase auch den Arbeitsraum einschließt, ein einheitlicher Gasdruck einstellt. Das Schließen des Ventils kann durch eine Feder bewirkt werden. Die Feder kann beispielsweise als Metallfaltenbalg ausgeführt oder mit einem Metallfaltenbalg kombiniert sein.
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Insgesamt ist das die Gaseinblasung bedarfsweise freigebende oder absperrende Ventil des Gasinjektors als gasdruckbetätigtes, indirekt betätigtes Ventil ausgebildet. Das Ventil kann durch Verschiebung nach innen, das heißt in Richtung zum Inneren des Gasinjektors, oder durch Verschiebung nach außen schließend sein. Die zur Betätigung dieses Einblaseventils vorgesehene, insbesondere elektromagnetisch oder piezoelektrisch arbeitende Schaltventilanordnung kommt mit vergleichsweise geringen Betätigungskräften aus.
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Unabhängig von der Art der Betätigung der Schaltventilanordnung kann diese beispielsweise als 3/2-Wegeventil ausgebildet sein. Hierbei ist ein erster Anschluss des Wegeventils an den Hochdruckanschluss und ein zweiter Anschluss desselben Ventils an den Niederdruckraum angeschlossen. Mit genau einem dieser beiden Anschlüsse ist je nach Schaltstellung der Arbeitsraum des Gasinjektors verbunden. Die Schaltventilanordnung kann ein schwenkbares Verschlusselement, etwa in Form eines Drehschiebers, oder ein verschiebbares Verschlusselement aufweisen.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Schaltventilanordnung ein im Vergleich zu einem 3/2-Wegeventil einfacher aufgebautes Absperrventil, wobei auch in diesem Fall eine elektromagnetische Betätigung vorgesehen sein. Ergänzend zu dem Absperrventil, welches als Vorsteuerventil des Ventils, welches den Gasfluss in den Verbrennungsmotor freigibt oder stoppt, fungiert, existiert eine Blende, durch welche Gas aus dem Arbeitsraum in den Niederdruckraum abfließen kann. Das Absperrventil und die Blende sind derart dimensioniert, dass bei geöffnetem Absperrventil der Gasstrom vom Hochdruckanschluss in den Arbeitsraum den abfließenden Massenstrom durch die Blende weit übersteigt, so dass der Druck im Arbeitsraum rasch ansteigt. Wird das Absperrventil geschlossen, so sorgt das durch die Blende abfließende Gas dafür, dass sich der Druck im Arbeitsraum dem Druck auf der Niederdruckseite des Gasinjektors angleicht.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Gasmotors, insbesondere Wasserstoffmotors, sieht allgemein vor, dass
- - Gas, insbesondere unter Druck stehender Wasserstoff, einem Hochdruckanschluss eines Kraftstoffinjektors zugeführt wird,
- - der Druck des Gases mittels eines Druckminderers reduziert wird,
- - in einer ersten Betriebsphase der reduzierte Druck mit Hilfe einer Schaltventilanordnung gleichzeitig an beide Seiten eines beidseitig belasteten Kolbens angelegt wird, wobei der Kolben fest mit einem Ventil verbunden ist, welches in dieser Betriebsphase einen Gasfluss zu einem Brennraum des Gasmotors blockiert,
- - in einer zweiten Betriebsphase mittels der Schaltventilanordnung das unter dem Druck, welcher am Hochdruckanschluss anliegt, stehende Gas in einen Arbeitsraum, in welchem der Kolben verschiebbar ist, geleitet und damit das Ventil geöffnet wird, so dass durch das Ventil Gas, dessen Druck mittels des Druckminderers reduziert wurde, strömt.
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Durch abermaliges Umschalten der Schaltventilanordnung kann das Ventil wieder geschlossen, das heißt in die erste Betriebsphase zurückgekehrt werden.
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Im Rahmen des anmeldungsgemäßen Betriebsverfahrens kann die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsphase insbesondere mit Hilfe eines 3/2-Wegeventils erfolgen, welches zwei eingangsseitige Anschlüsse aufweist, die mit dem Hochdruckanschluss beziehungsweise mit der Niederdruckseite, das heißt Ausgangsseite, des Druckminderers verbunden sind. Der dritte Anschluss, das heißt der ausgangsseitige Anschluss des 3/2-Wegeventils, mündet in den Arbeitsraum, in welchem der mit dem Ventil des Gasinjektors verbundene Kolben verschiebbar ist.
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Alternativ erfolgt im Rahmen des anmeldungsgemäßen Betriebsverfahrens die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Betriebsphase mit Hilfe eines schaltbaren Absperrventils, insbesondere eines elektromagnetisch oder piezoelektrisch schaltbaren Ventils, welches zwischen den Hochdruckanschluss und den genannten Arbeitsraum geschaltet ist, wobei zugleich im Arbeitsraum befindliches Gas gedrosselt, insbesondere mittels der bereits erwähnten Blende, aus dem Arbeitsraum abgeleitet wird. Das abgeleitete Gas kann hierbei einem Ventilvorraum zugeführt werden, welcher Teil des Niederdruckraums des Gasinjektors ist.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gasinjektors eines Verbrennungsmotors in einer ersten Schaltstellung,
- 2 den Gasinjektor nach 1 einschließlich einer Schaltventilanordnung in einer zweiten Schaltstellung,
- 3 eine alternative Ausgestaltung einer Schaltventilanordnung eines Gasinjektors, das heißt Wasserstoffinjektors, in einer ersten Schaltstellung,
- 4 den Wasserstoffinjektor nach 3 in einer zweiten Schaltstellung,
- 5 eine weitere Ausgestaltung einer Schaltventilanordnung eines Gasinjektors eines Wasserstoffverbrennungsmotors.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Gasinjektor ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten, mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Gehäuse des Gasinjektors 1, das heißt Wasserstoffinjektors, ist insgesamt mit 2 bezeichnet.
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Der im Verbrennungsmotor zu verbrauchende Wasserstoff ist in einem nicht dargestellten Drucktank, beispielsweise mit einem Druck von 350 bar oder 700 bar, gespeichert. Durch eine ebenfalls nicht dargestellte erste Vorrichtung zur Druckreduktion wird der Druck des Wasserstoffs auf ein Niveau gemindert, welches größenordnungsmäßig 10 bar bis 20 bar über dem Einblasedruck, mit welchem der Wasserstoff den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt wird, liegt.
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Am Gehäuse 2 des Gasinjektors 1 befindet sich ein über die erwähnte erste Vorrichtung zur Druckreduktion mit dem Drucktank verbundener Hochdruckanschluss 3 als Kraftstoffzuleitung. Der Begriff „Hochdruck“ bezieht sich im Zusammenhang mit dem Gasinjektor 1 somit auf das mittels der ersten Vorrichtung zur Druckreduktion bereits herabgesetzte Druckniveau.
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Der Druck des Wasserstoffs wird mittels eines Druckminderers 4, welcher dem Kraftstoffinjektor 1 zuzurechnen ist, weiter reduziert, so dass eine zweistufige Druckminderung gegeben ist. Noch vor dem Druckminderer 4, in Strömungsrichtung des Wasserstoffs betrachtet, zweigt von der Kraftstoffzuleitung 3 ein Kanal 5 ab, der zu einer Schaltventilanordnung 16 führt, auf die im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen noch im Detail eingegangen werden wird.
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Nach dem Druckminderer 4 befindet sich der Wasserstoff in einem Niederdruckraum, welcher einen Ventilvorraum 8 umfasst. Ein bedarfsweise zu öffnendes oder zu schließendes Ventil 8, dessen Schaft mit 10 und dessen Ventilteller mit 11 bezeichnet ist, ermöglicht die Zuführung des unter reduziertem Druck stehenden Wasserstoffs zu dem mindestens einen Brennraum des in den vorliegenden Fällen als Hubkolbenmotor ausgebildeten Wasserstoffverbrennungsmotors. Eine Öffnung 12, die durch das Ventil 8 verschließbar ist, kann sich, wie in den 1 und 2 skizziert, direkt am Gehäuse 2 befinden. Der Anschluss des Gehäuses 2 an eine Umgebungskonstruktion ist in den genannten Figuren nicht dargestellt.
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Das Ventil 8 ist in allen Ausführungsbeispielen fest verbunden mit einem Kolben 13, welcher innerhalb des Gehäuses 2 verschiebbar und beidseitig mit Druck beaufschlagbar ist. Alternativ zum Kolben 13 kommt auch die Verwendung einer Membran in Betracht, welche auf verschiedene Arten auf einer ihrer Oberflächen oder auf beiden Seiten einem Gasdruck aussetzbar und mechanisch mit dem Ventil 8, bei welchem es sich nicht notwendigerweise um ein Tellerventil handelt, gekoppelt ist.
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Die Schaltventilanordnung 16 steht nicht nur vom Kanal 5 aus, das heißt einer hochdruckseitigen Leitung, sondern auch vom Ventilvorraum 8 aus, das heißt niederdruckseitig, in Kontakt mit Wasserstoff, welcher sich im Kraftstoffinjektor 1 befindet. Je nach Einstellung der Schaltventilanordnung 16 wird eine Seite des Kolbens 13, in den Anordnungen nach den 1, 2, 5 die linke Seite, entweder mit Hochdruck oder mit Niederdruck beaufschlagt. Der auf dieser Seite des Kolbens 13 befindliche Raum wird als Arbeitsraum 14 bezeichnet. An der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 13, das heißt zum Ventilvorraum 8 hin, liegt dagegen stets Niederdruck an. Eine Feder 15, welche in den vorliegenden Fällen als Metallwellfaltenbalg ausgebildet ist und den Ventilvorraum 8 gegenüber dem Arbeitsraum 14 abdichtet, belastet den Kolben 13 und damit auch das Ventil 9 permanent in Richtung der Geschlossen-Stellung des Ventils 9.
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In den 1 und 2 sind die beiden möglichen Schaltstellungen der Schaltventilanordnung 16 mit A (1) und B (2) bezeichnet. Zwischenstellungen der Schaltventilanordnung 16 treten nur bei Umschaltvorgängen auf. In der Schaltstellung A ist der Arbeitsraum 14 zum Ventilvorraum 8 hin offen, so dass kein oder nahezu kein resultierender Gasdruck, welcher eine Verschiebung des Kolbens 13 bewirken würde, gegeben ist. Das Ventil 9 bleibt somit in der Schaltstellung A geschlossen.
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Wechselt die Schaltstellung auf B, so strömt unter Hochdruck stehender Wasserstoff über den Kanal 5 und die Schaltventilanordnung 16 in den Arbeitsraum 14, so dass der Kolben 13 samt Ventil 9 in Richtung zum Ventilvorraum 8 verlagert und damit die Öffnung 12, das heißt Einblaseöffnung, freigegeben wird. Zugleich sperrt die Schaltventilanordnung 16 den Kanal 5 gegenüber dem Ventilvorraum 8 ab.
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In der Ausgestaltung nach den 1 und 2 umfasst die Schaltventilanordnung 16 ein elektromagnetisch betätigtes Vorsteuerventil 6, welches ein schwenkbares Verschlusselement 7 aufweist. Im skizzierten Fall führt das Verschlusselement 7 bei der Verstellung von der Schaltstellung A in die Schaltstellung B eine Schwenkbewegung um etwa 180° aus. Ebenso sind Bauformen des Vorsteuerventils 6 realisierbar, in welchen hiervon abweichende, insbesondere wesentlich kleinere Schwenkwinkel des Verschlusselements 7 auftreten.
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In den 3 und 4 ist eine weitere mögliche Bauform eines Vorsteuerventils 6 dargestellt, welche ebenfalls mit den übrigen Komponenten des Kraftstoffinjektors 1 nach 1 kompatibel ist. Das Verschlusselement 7 ist hierbei als Schieber gestaltet, welcher zwischen zwei Positionen, das heißt der Schaltstellung A und der Schaltstellung B, verschiebbar ist. Das Vorsteuerventil 6 ist damit als 3/2-Wegeventil aufgebaut.
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In der Ausgestaltung nach 5 umfasst die Schaltventilanordnung 16 statt eines 3/2-Wegeventils ein wesentlich einfacher aufgebautes Absperrventil 17, welches mittels eines elektromagnetischen Aktors 18 betätigbar ist, wobei das Absperrventil 17 mit dem Aktor 18 zu einer Baueinheit zusammengefasst sein kann. Das Absperrventil 17 ist zwischen dem Hochdruckanschluss 3 und dem Arbeitsraum 14 angeordnet. Zusätzlich existiert eine Blende 19, durch welche Wasserstoff aus dem Arbeitsraum 14 aus- und in den Ventilvorraum 8 einströmen kann. Der Massenstrom, welcher durch die Blende 19 fließen kann, ist deutlich geringer als der Massenstrom, der durch das geöffnete Absperrventil 17 fließt. Dies bedeutet, dass der Kolben 13 mit Hochdruck beaufschlagt ist, solange das Absperrventil 17 offen ist. Wird das Absperrventil 17 geschlossen, so passt sich der im Arbeitsraum 14 wirkende Druck dem Druck im Ventilvorraum 8 an, was im federkraftunterstützten Schließen der Öffnung 12, das heißt im Trennen des Brennraums von der Wasserstoffversorgung, resultiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffinjektor, Gasinjektor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kraftstoffzuleitung, Hochdruckanschluss
- 4
- Druckminderer
- 5
- Kanal, Leitung
- 6
- Vorsteuerventil
- 7
- Verschlusselement
- 8
- Ventilvorraum
- 9
- Ventil
- 10
- Schaft
- 11
- Ventilteller
- 12
- Öffnung, Einblaseöffnung
- 13
- Kolben
- 14
- Arbeitsraum
- 15
- Feder
- 16
- Schaltventilanordnung
- 17
- Absperrventil
- 18
- Aktor
- 19
- Blende
- A, B
- Schaltstellungen des Vorsteuerventils
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2022/167145 A1 [0002]
- DE 10 2022 118 732 A1 [0003]
- DE 10 2021 208 651 A1 [0004]
