DE102023119598A1 - injector for injecting fuel - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend: ein Injektorgehäuse, ein Ankerelement, eine Drossel, ein Ventil, und ein Ankergegenstück, wobei sowohl das Ankerelement wie auch das Ankergegenstück einen in Axialrichtung verlaufenden Durchgangskanal zum Leiten von Kraftstoff aufweisen und wobei ein im Durchgangskanal des Ankerelements und im Durchgangskanal des Ankergegenstücks angeordnetes Federelement vorgesehen ist, wobei in dem Durchgangskanal des Ankerelements eine Hülse, die sogenannte Ankerhülse, und/oder in dem Durchgangskanal des Ankergegenstücks eine Hülse, die sogenannte Polkernhülse, angeordnet ist.The present invention relates to an injector for injecting fuel, comprising: an injector housing, an armature element, a throttle, a valve, and an armature counterpart, wherein both the armature element and the armature counterpart have a through-channel running in the axial direction for conducting fuel and wherein a spring element is provided which is arranged in the through-channel of the armature element and in the through-channel of the armature counterpart, wherein a sleeve, the so-called armature sleeve, is arranged in the through-channel of the armature element and/or a sleeve, the so-called pole core sleeve, is arranged in the through-channel of the armature counterpart.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere zum Einblasen eines Gases, vorzugsweise zum direkten Einblasen von Wasserstoff. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Injektor dazu ausgelegt ist, Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.The present invention relates to an injector for injecting fuel, in particular for injecting a gas, preferably for directly injecting hydrogen. It can be provided that the injector is designed to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
Im Zuge von weltweit immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten und ambitionierten Klimaschutzzielen steigen die umwelttechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen stetig an. Das Ziel sind in absehbarer Zukunft emissionsarme oder gar emissionsfreie Antriebstechnologien, die auch strengste Abgasgrenzwerte erfüllen und einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele liefern. Bei Technologien, die mit einer Verbrennung arbeiten sind diese Ziele nur bei einer Verwendung von klimaneutralen, regenerativ produzierten Kraftstoffen erreichbar, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette keinerlei Emissionen verursachen (sogenannte „zero emissions“-Kraftstoffe).As emissions limits become increasingly strict worldwide and ambitious climate protection goals are set, the environmental requirements for internal combustion engines are constantly increasing. The goal in the foreseeable future is to have low-emission or even emission-free drive technologies that meet even the strictest emissions limits and make a significant contribution to achieving climate protection goals. For technologies that work with combustion, these goals can only be achieved by using climate-neutral, renewably produced fuels that do not cause any emissions along the entire value chain (so-called "zero emissions" fuels).
Mit derzeitigen konventionellen Benzin-, Diesel- und Gasmotoren sind die Anforderungen an eine emissionsfreie Verbrennung - selbst unter Verwendung sogenannter E-Fuels, bspw. eines synthetisch erzeugten OME-Kraftstoffs, zu dessen Herstellung lediglich regenerative Energie benötigt wird - nicht erreichbar, da sich der Ausstoß an schädlichen Abgasen wie Stickstoffoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Ruß mit heutigen Technologien nicht vollständig reduzieren lässt.With current conventional gasoline, diesel and gas engines, the requirements for emission-free combustion cannot be met - even when using so-called e-fuels, e.g. a synthetically produced OME fuel, the production of which only requires renewable energy - because the emission of harmful exhaust gases such as nitrogen oxides (NO x ), unburned hydrocarbons (UHC) and soot cannot be completely reduced with today's technologies.
Prinzipiell erfüllen batteriebetriebene Antriebe die Zero-Emissions-Richtlinie während des Betriebs und sind v. a. im Pkw-Bereich auf dem Vormarsch. Wird hingegen die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet, so ist jedoch die Produktion der (Lithium-)Akkus energetisch sehr kostspielig und unter umwelttechnischen Gesichtspunkten problematisch, da insbesondere starke Umweltschäden beim Rohstoffabbau auftreten und der Abbau der für die Batterien erforderlichen Rohstoffe nicht nachhaltig durchführbar ist. Zudem ist mit dem heute erzielbaren Leistungsgewicht der Batterien ein Einsatz in Maschinen mit hohem (Spitzen-) Leistungsbedarf nicht möglich.In principle, battery-powered drives meet the zero-emissions directive during operation and are on the rise, especially in the passenger car sector. However, if the entire value chain is considered, the production of (lithium) batteries is very expensive in terms of energy and problematic from an environmental point of view, as the extraction of raw materials in particular causes severe environmental damage and the extraction of the raw materials required for the batteries is not sustainable. In addition, the power-to-weight ratio of batteries that can be achieved today does not allow them to be used in machines with high (peak) power requirements.
Brennstoffzellenbetriebene Antriebe mit Versorgung aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff erfüllen die vorgegebenen Klimaschutzziele und sind schon heute in sehr begrenztem Maße im Einsatz. Allerdings weist auch dieses Konzept einige Nachteile auf, bspw. eine im Vergleich zu heutigen Dieselantrieben geringe Spitzenleistung und eine geringe Wirtschaftlichkeit.Fuel cell-powered drives with a supply of renewably generated hydrogen meet the specified climate protection goals and are already in use to a very limited extent. However, this concept also has some disadvantages, such as low peak power and low economic efficiency compared to today's diesel drives.
In den Fokus sind daher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren gerückt, die eine vielversprechende Antriebsalternative darstellen. Diese existieren aber bis dato fast ausschließlich in sehr geringer Stückzahl oder als Demonstratoren mit geringem Reifegrad. Ein durch regenerative Energien erzeugter Wasserstoff würde alle Erfordernisse von „zero emission" erfüllen, da dieser emissionsfrei verbrennbar ist.The focus has therefore shifted to hydrogen combustion engines, which represent a promising alternative drive system. However, to date these have only existed in very small numbers or as demonstrators with a low level of maturity. Hydrogen produced using renewable energies would meet all the requirements of "zero emissions" because it can be burned without emissions.
So finden sich im Pkw-Bereich bspw. Wasserstoff-Motoren mit äußerer Gemischbildung (PFI = port fuel injection), bei denen der Kraftstoff schon vor Eintritt in den Brennraum mit Luft in ausreichender Zeit gut durchmischt wird. Wasserstoff-Motoren mit direkter Einblasung des Kraftstoffs in den Brennraum (innere Gemischbildung, DI = direct injection) spielen heutzutage praktisch keine Rolle, weisen jedoch gegenüber dem PFI-Konzept u.a. eine höhere Effizienz, stabilere Verbrennung sowie eine Eliminierung der Gefahr einer Rückzündung in den Ansaugtrakt auf.In the passenger car sector, for example, there are hydrogen engines with external mixture formation (PFI = port fuel injection), in which the fuel is well mixed with air in sufficient time before entering the combustion chamber. Hydrogen engines with direct injection of the fuel into the combustion chamber (internal mixture formation, DI = direct injection) play practically no role today, but compared to the PFI concept, they have, among other things, higher efficiency, more stable combustion and the elimination of the risk of backfiring in the intake tract.
Bei direkt einspritzenden Wasserstoffmotoren wird typischerweise noch hinsichtlich des maximalen Einspritzdrucks im Injektor (< 60 bar: Niederdruck, > 60 bar: Hochdruck) unterschieden, wobei die Grenzen nicht eindeutig festgelegt und die Übergänge fließend sind. Höhere Drücke bieten das Potential einer verkürzten Einblasdauer in einer späteren Phase der Kompression bei höheren Brennraumdrücken, was eine erhöhte Effizienz und verbesserte Verbrennungsstabilität zur Folge hat. Allerdings sinkt die Gesamteffizienz, falls zuvor eine Komprimierung des Wasserstoffs nötig ist.In direct-injection hydrogen engines, a distinction is typically made with regard to the maximum injection pressure in the injector (< 60 bar: low pressure, > 60 bar: high pressure), although the limits are not clearly defined and the transitions are fluid. Higher pressures offer the potential for a shortened injection time in a later phase of compression at higher combustion chamber pressures, which results in increased efficiency and improved combustion stability. However, the overall efficiency decreases if compression of the hydrogen is necessary beforehand.
Wird der Wasserstoff zu 100 % aus regenerativen Energien gewonnen, kann mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ein nahezu klimaneutraler Betrieb realisiert werden. Darüber hinaus bieten sich zahlreiche weitere Vorteile:
- • Verwendung bekannter Technologien mit hohem Reifegrad und bestehender Produktionsanlagen
- • unbegrenzte Verfügbarkeit des Wasserstoffs durch Elektrolyse von Wasser
- • Nutzung des bestehenden Tankstellensystems möglich (nach entsprechender Umrüstung) mit schnellen Tankzeiten
- • (fast) emissionsfreie Umwandlung des Wasserstoffs in der Verbrennung möglich, da CO2-neutral, nur minimale CO, UHC-, Partikel- und Ruß-Emissionen (lediglich verursacht durch Schmierstoffe im Zulaufsystem, unterhalb der Messgrenze) und nur minimale NOx-Emissionen durch geeignetes Verbrennungsverfahren (ggf. mit Abgasrückführung, SCR-Katalysator)
- • deutlich geringere Anforderung an Reinheit des Wasserstoffs im Vergleich zu Brennstoffzellen-Antrieben
- • kein Bedarf an Platin zur Herstellung wie bei Brennstoffzellen
- • Use of known technologies with a high level of maturity and existing production facilities
- • unlimited availability of hydrogen through electrolysis of water
- • Use of the existing petrol station system possible (after appropriate conversion) with fast refueling times
- • (almost) emission-free conversion of hydrogen in combustion possible, as it is CO2-neutral, only minimal CO, UHC, particle and soot emissions (only caused by lubricants in the feed system, below the measuring limit) and only minimal NOx emissions through suitable combustion processes (if necessary with exhaust gas recirculation, SCR catalyst)
- • significantly lower requirements for hydrogen purity compared to fuel cell drives
- • no need for platinum for production as with fuel cells
Neben diesen zahlreichen Vorteilen gegenüber anderen Antriebskonzepten existieren jedoch auch einige Herausforderungen, die es bei der Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungsmaschinen zu bewältigen gibt:
- • geringes Molekulargewicht von Wasserstoff, dadurch eine geringe Dichte einhergehend mit einer geringen volumetrischen Energiedichte (bei hoher massenspezifischer Energiedichte); siehe
Tabelle 1 - • Bereitstellung eines demzufolge hohen Volumenstroms bei der Einblasung von Wasserstoff
- • entsprechende Bereitstellung von großen Strömungsquerschnitten im Injektor und damit benötigter deutlich größerer Hübe des Aktuators als bei konventionellen Antriebsarten
- • einhergehende Entwicklung einer deutlich stärkeren Aktuatoreinheit bei gleichzeitig begrenztem Bauraum
- • je nach Anwendung aufgrund langer Einspritz- und damit Bestromungszeiten der Aktuatoreinheit ein hoher thermischer Wärmeeintrag und somit benötigtes Wärmeabfuhrkonzept
- • fehlende Kühlung der Injektoreinheit durch Kraftstoff speziell bei Einspritzung von nicht-kryogenem Wasserstoff
- • Dichtheit des Gesamtsystems / Verhinderung von externen Leckagen, v. a. im Hinblick auf Sicherheitsaspekte (Brand- und Explosionsgefahr aufgrund aus dem System austretenden Wasserstoff)
- • erhöhte Verschleißgefahr an Führungen bewegter Bauteile aufgrund der praktisch nicht vorhandenen Schmierwirkung von Wasserstoff
- • deutlich stärkere Neigung bewegter Bauteile zum Prellen an mechanischen Anschlägen in Gasinjektoren im Vergleich zu Injektoren mit Flüssigkraftstoffen durch geringe Dämpfwirkung bei der Gaskompression
- • Materialbeständigkeit gegenüber Wasserstoff nötig im Hinblick auf die Gefahr einer Wasserstoffversprödung in mechanisch beanspruchten / druckbeaufschlagten Bauteilen (reduzierte Festigkeit) oder durch chemische Reaktion des Wasserstoffs mit in der Kupferspule des Aktuators vorhandenem Sauerstoff (Wasserstoffkrankheit des Kupfers)
- • Gemischaufbereitung im Brennraum / Beeinflussung des Einblasstrahls / Zündverhalten bei Kleinstmengeneinblasung
- • hohe lokale Temperaturen im Brennraum können zu erhöhter thermischer NOx-Bildung führen, was die Entwicklung eines geeigneten Brennverfahrens erforderlich macht (zum Beispiel Ladungsschichtung zur Vermeidung stöchiometrischer Verbrennung, Abgasrückführung, Abgasnachbehandlung)
- • low molecular weight of hydrogen, resulting in a low density accompanied by a low volumetric energy density (with high mass-specific energy density); see Table 1
- • Provision of a high volume flow when injecting hydrogen
- • corresponding provision of large flow cross-sections in the injector and thus required significantly larger strokes of the actuator than with conventional drive types
- • accompanying development of a significantly stronger actuator unit with limited installation space
- • depending on the application, due to long injection and thus power supply times of the actuator unit, a high thermal heat input and thus required heat dissipation concept
- • lack of cooling of the injector unit by fuel, especially when injecting non-cryogenic hydrogen
- • Tightness of the entire system / prevention of external leaks, especially with regard to safety aspects (risk of fire and explosion due to hydrogen escaping from the system)
- • increased risk of wear on guides of moving components due to the practically non-existent lubricating effect of hydrogen
- • significantly greater tendency of moving components to bounce on mechanical stops in gas injectors compared to injectors with liquid fuels due to low damping effect during gas compression
- • Material resistance to hydrogen is necessary in view of the risk of hydrogen embrittlement in mechanically stressed / pressurized components (reduced strength) or due to chemical reaction of hydrogen with oxygen present in the copper coil of the actuator (hydrogen disease of copper)
- • Mixture preparation in the combustion chamber / influencing the injection jet / ignition behavior with minimal injection
- • high local temperatures in the combustion chamber can lead to increased thermal NOx formation, which requires the development of a suitable combustion process (e.g. charge stratification to avoid stoichiometric combustion, exhaust gas recirculation, exhaust gas aftertreatment)
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden oder abzumildern. Insbesondere soll dabei die Problematik der sehr viel stärker ausgeprägten Abnutzung zwischen den sich hin- und herbewegenden Teilen sowie die Problematik des stark ausgeprägten Prellens behandelt werden, die bei Gasinjektoren im Vergleich zu Injektoren mit Flüssigkraftstoffen auftritt. Die flüssigen Kraftstoffe wirken per se bereits dämpfend bzw. schmierend, sodass ein von dem Kraftstoff umgebenes Element bereits deswegen in seiner Bewegung gedämpft wird und eine geringere Abnutzung beim einem Entlanggleiten an einem anderen Element erfährt.The aim of the present invention is to at least partially overcome or mitigate the disadvantages listed above. In particular, the problem of the much more pronounced wear between the parts moving back and forth and the problem of the pronounced bouncing that occurs with gas injectors compared to injectors with liquid fuels are to be addressed. The liquid fuels already have a dampening or lubricating effect per se, so that an element surrounded by the fuel is dampened in its movement and experiences less wear when sliding along another element.
Durch die vorliegende Erfindung gelingt es, mindestens eines der obenstehenden Probleme zu lösen bzw. abzumildern. Hierfür ist ein Injektor vorzusehen, der sämtliche Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung finden sich in den sich hieran anschließenden Unteransprüchen.The present invention succeeds in solving or mitigating at least one of the above problems. For this purpose, an injector is to be provided which has all the features of
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, der ein Injektorgehäuse zum Aufnehmen und Anordnen von Injektorbestandteilen, ein Ankerelement, das entlang einer Axialrichtung des Injektors bewegbar in dem Injektorgehäuse angeordnet und dazu ausgelegt ist, durch eine Axialbewegung entlang des Injektorgehäuses eine Drossel zu verschließen oder freizugeben, um Kraftstoff durch diese Drossel strömen zu lassen, ein Ventil, insbesondere ein Magnetventil, das dazu ausgelegt ist, das Ankerelement von einem verschließenden in einen freigebenden Zustand der Drossel zu überführen und umgekehrt, und ein Ankergegenstück umfasst, das an der zur Drossel gegenüberliegenden Seite des Ankerelements angeordnet ist, wobei in einem die Drossel verschließenden Zustand des Ankerelements ein in Axialrichtung verlaufender Spalt zwischen Ankergegenstück und Ankerelement ausgebildet ist, sowohl das Ankerelement wie auch das Ankergegenstück einen in Axialrichtung verlaufenden Durchgangskanal zum Leiten von Kraftstoff aufweisen, und ein im Durchgangskanal des Ankerelements und im Durchgangskanal des Ankergegenstücks angeordnetes Federelement vorgesehen ist, um das Ankergegenstück und das Ankerelement auseinanderzudrängen und das Ankerelement in einen die Drossel verschließenden Zustand zu drücken. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Durchgangskanal des Ankerelements eine Hülse, die sogenannte Ankerhülse, und/oder in dem Durchgangskanal des Ankergegenstücks eine Hülse, die sogenannte Polkernhülse, angeordnet ist, wobei die mindestens eine Hülse so in ihrem Durchgangskanal angeordnet ist, dass sie in Axialrichtung gegenüber dem sie aufnehmenden Bauteil hervorsteht und in den Spalt hineinragt.The present invention relates to an injector for injecting fuel, preferably for injecting a gaseous fuel, in particular hydrogen, which has an injector housing for receiving and arranging injector components, an anchor element which is arranged in the injector housing so as to be movable along an axial direction of the injector and is designed to close or release a throttle by an axial movement along the injector housing in order to allow fuel to flow through this throttle, a valve, in particular a solenoid valve, which is designed to separate the anchor element from a closing in to transfer a releasing state of the throttle and vice versa, and comprises an armature counterpart which is arranged on the side of the armature element opposite the throttle, wherein in a state of the armature element closing the throttle a gap running in the axial direction is formed between the armature counterpart and the armature element, both the armature element and the armature counterpart have a through-channel running in the axial direction for conducting fuel, and a spring element arranged in the through-channel of the armature element and in the through-channel of the armature counterpart is provided in order to force the armature counterpart and the armature element apart and to press the armature element into a state closing the throttle. The injector is characterized in that a sleeve, the so-called armature sleeve, is arranged in the through-channel of the armature element and/or a sleeve, the so-called pole core sleeve, is arranged in the through-channel of the armature counterpart, wherein the at least one sleeve is arranged in its through-channel such that it protrudes in the axial direction relative to the component receiving it and projects into the gap.
Das Hineinragen der Hülse in den zwischen Ankerelement und Ankergegenstück befindlichen Spalt sorgt dafür, dass auch in einem geöffneten Zustand des Injektors, bei dem das Ankerelement aufgrund des aktiven Ventils in Richtung Ankergegenstück bewegt worden ist, ein Restluftspalt zwischen Ankerelement und Ankergegenstück verbleibt, da das Ankerelement gegen den hervortretenden Abschnitt der Hülse anschlägt.The protrusion of the sleeve into the gap between the armature element and the armature counterpart ensures that even when the injector is in the open state, in which the armature element has been moved towards the armature counterpart due to the active valve, a residual air gap remains between the armature element and the armature counterpart, since the armature element strikes against the protruding section of the sleeve.
Es ist nicht mehr erforderlich, dass der Restluftspalt über Folien oder Passscheiben, die im Zwischenbereich der einander zugewandten Flächen von Ankerelement und Ankergegenstück angeordnet sind, eingestellt werden muss, da der überstehende Bestandteil der Hülse den gewünschten Restluftspalt sicherstellt.It is no longer necessary to adjust the residual air gap using foils or shims arranged in the intermediate area between the facing surfaces of the anchor element and the anchor counterpart, since the protruding part of the sleeve ensures the desired residual air gap.
Dem Fachmann ist klar, dass der Restluftspalt sowohl durch eine in das Ankerelement eingesteckte Hülse wie auch durch eine in das Ankergegenstück eingesteckte Hülse erzeugbar ist, wobei von der Erfindung auch der Fall umfasst ist, dass sowohl in dem Ankerelement wie auch dem Ankergegenstück eine jeweilige Hülse vorgesehen ist, von denen mindestens eine aus dem sie aufnehmenden Bauteil (also Ankerelement oder Ankergegenstück) in Richtung Spalt hinausragt.It is clear to the person skilled in the art that the residual air gap can be created both by a sleeve inserted into the anchor element and by a sleeve inserted into the anchor counterpart, wherein the invention also covers the case that a respective sleeve is provided in both the anchor element and the anchor counterpart, at least one of which protrudes from the component receiving it (i.e. anchor element or anchor counterpart) in the direction of the gap.
Das Vorsehen einer in dem Durchgangskanal von Ankerelement oder Ankergegenstück angeordneten Hülse ermöglicht somit die Erzeugung eines Restluftspalts, bei dem die typischerweise hierfür verwendeten Arbeitsschritte zum Dimensionieren und Aufbringen von entsprechenden Folien oder Passscheiben an den einander zugewandten Stirnseiten von Ankerelement und Ankergegenstück nicht mehr durchgeführt werden müssen.The provision of a sleeve arranged in the passage channel of the anchor element or anchor counterpart thus enables the creation of a residual air gap in which the work steps typically used for dimensioning and applying corresponding films or shims to the mutually facing end faces of the anchor element and anchor counterpart no longer have to be carried out.
Die exakte Einstellung des Restluftspalts dient zum Beeinflussen der Magnetkennlinie und charakterisiert somit die Eigenschaften beim Öffnen bzw. Schließen des Injektors.The exact adjustment of the residual air gap serves to influence the magnetic characteristic curve and thus characterizes the properties when opening or closing the injector.
Bei einem Kraftstoffinjektor mit einem magnetischen Ventil spielt die Magnetkennlinie eine relevante Rolle in der Funktion des Ventils selbst. Das magnetische Ventil arbeitet auf der Basis des Elektromagnetismus, und die Magnetkennlinie hilft, zu verstehen, wie das magnetische Feld in Abhängigkeit vom angelegten Strom variiert.In a fuel injector with a magnetic valve, the magnetic characteristic plays a relevant role in the function of the valve itself. The magnetic valve works on the basis of electromagnetism, and the magnetic characteristic helps to understand how the magnetic field varies depending on the applied current.
Die Magnetkennlinie beschreibt, wie sich das magnetische Feld (die magnetische Flussdichte B) in einem Material in Abhängigkeit von der angelegten magnetischen Feldstärke H ändert. Sie gibt an, wie viel Magnetismus das Material „leitet“ oder durchlässt, wenn ein bestimmtes magnetisches Feld angelegt wird.The magnetic characteristic describes how the magnetic field (the magnetic flux density B) in a material changes depending on the applied magnetic field strength H. It indicates how much magnetism the material "conducts" or lets through when a certain magnetic field is applied.
In der Praxis wird das Magnetventil durch einen Strom angesteuert, der eine magnetische Feldstärke erzeugt. Diese Feldstärke zieht einen magnetischen Metallkern (den Anker, bzw. das Ankerelement) in Richtung Ankergegenstück, sodass das Ventil öffnet oder schließt. Die Magnetkennlinie kann Aufschluss darüber geben, wie stark der Strom sein muss, um eine bestimmte Bewegung des Ankerelements (und damit eine bestimmte Ventilposition) zu erreichen.In practice, the solenoid valve is controlled by a current that generates a magnetic field strength. This field strength pulls a magnetic metal core (the armature or armature element) towards the armature counterpart, so that the valve opens or closes. The magnetic characteristic curve can provide information about how strong the current must be to achieve a certain movement of the armature element (and thus a certain valve position).
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hülse in dem Durchgangskanal zum Leiten von Kraftstoff, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs durch Presspassung, Spielpassung oder Reibschweißen in dem Ankergegenstück bzw. dem Ankerelement befestigt ist. In der Regel weist der Durchgangskanal dabei eine stufenartige Querschnittsverbreiterung bzw.-verminderung auf, um eine Einkragung zum Ansetzen der Hülse vorzusehen, sodass diese in Axialrichtung des Injektors festgelegt ist.According to the invention, it can be provided that the sleeve is fastened in the through-channel for conducting fuel, in particular a gaseous fuel, by means of a press fit, clearance fit or friction welding in the armature counterpart or the armature element. As a rule, the through-channel has a step-like cross-sectional widening or reduction in order to provide a projection for attaching the sleeve so that it is fixed in the axial direction of the injector.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Hülse an ihrem vom Spalt entfernten Ende eine nach innen ragende Einkragung aufweist, um dort ein Ansetzen des Federelements zu ermöglichen.According to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that the at least one sleeve has an inwardly projecting projection at its end remote from the gap in order to enable the spring element to be attached there.
Dadurch wird die typischerweise verwendete Anschlagscheibe für die Nadelfeder obsolet, da diese Funktion von der radial nach innen verlaufenden Einkragungen der Hülse übernommen wird.This makes the typically used stop disc for the needle spring obsolete, since this function is taken over by the radially inwardly extending notches of the sleeve.
Ferner kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die mindestens eine Hülse zumindest abschnittsweise einen Innendurchmesser aufweist, um das Federelement, vorzugsweise eine Spiralfeder, zu führen und auszurichten. Dabei kann der Innendurchmesser der Hülse an einen Außenumfang einer Spiralfeder angepasst sein bzw. diesem entsprechen, sodass die Spiralfeder durch das Einführen in die Hülse geführt und an einer vorgegebenen Position angeordnet und fixiert ist.Furthermore, according to an advantageous embodiment of the present invention, it can be provided that the at least one sleeve has an inner diameter at least in sections in order to guide and align the spring element, preferably a spiral spring. The inner diameter of the sleeve can be adapted to an outer circumference of a spiral spring or correspond to it, so that the spiral spring is guided by insertion into the sleeve and is arranged and fixed in a predetermined position.
Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Hülse einen Abschnitt in Axialrichtung aufweist, der eine verminderte Wanddicke besitzt, sodass bei einem Einwirken einer die Hülse stauchenden Axialkraft eine Dämpfung erfolgt. Dabei kann vorgesehen sein, dass - in Axialrichtung gesehen - der Abschnitt mit einer verminderten Wanddicke von Abschnitten einer demgegenüber vergrößerten Wanddicke eingefasst ist. Auf einen Abschnitt mit regulärer (bzw. dickerer) Wanddicke folgt demnach der Abschnitt mit verminderter Wanddicke, bevor sich wieder ein Abschnitt mit dickerer Wanddicke anschließt.According to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that the at least one sleeve has a section in the axial direction that has a reduced wall thickness, so that damping occurs when an axial force compressing the sleeve acts. It can be provided that - viewed in the axial direction - the section with a reduced wall thickness is surrounded by sections with a wall thickness that is increased in comparison. A section with a regular (or thicker) wall thickness is therefore followed by the section with a reduced wall thickness, before another section with a thicker wall thickness follows.
Der Bereich der verminderten Wanddicke sorgt dafür, dass bei einer auf die Hülse einwirkenden Axialkraft diese gestaucht wird und als Federelement wirkt. Dies vermindert das unerwünschte Nadelprellen und verbessert demnach die Genauigkeit einer auszugebenden Kraftstoffmenge.The area of reduced wall thickness ensures that when an axial force acts on the sleeve, it is compressed and acts as a spring element. This reduces unwanted needle bounce and therefore improves the accuracy of the amount of fuel dispensed.
Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Hülse fest in dem sie aufnehmenden Bauteil angeordnet ist. So kann also vorgesehen sein, dass die Ankerhülse in dem Ankerelement fest angeordnet ist. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Polkernhülse in dem Ankergegenstück fest angeordnet ist.According to an optional modification of the present invention, it can be provided that the at least one sleeve is fixedly arranged in the component receiving it. It can therefore be provided that the armature sleeve is fixedly arranged in the armature element. It can also be provided that the pole core sleeve is fixedly arranged in the armature counterpart.
Dabei kann bspw. vorgesehen sein, dass die Hülse in dem sie aufnehmenden Element (Ankerelement oder Ankergegenstück) durch Presssitz, Reibschweißen oder dergleichen befestigt ist.In this case, it can be provided, for example, that the sleeve is fastened in the element receiving it (anchor element or anchor counterpart) by means of a press fit, friction welding or the like.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Hülse in Axialrichtung bewegbar in dem sie aufnehmenden Bauteil angeordnet ist, wobei vorzugsweise an einem zum Spalt entfernten Ende der Hülse eine Hülsenfeder angeordnet ist, um die Hülse in Richtung Spalt zu drängen. According to a further development of the present invention, it can be provided that the at least one sleeve is arranged so as to be movable in the axial direction in the component receiving it, wherein a sleeve spring is preferably arranged at an end of the sleeve remote from the gap in order to urge the sleeve in the direction of the gap.
Somit wird auch in einem geschlossenen Zustand des Injektors, bei dem das Ankerelement mit seiner Nadel die Drossel verschließt, der zwischen Ankerelement und Ankergegenstück ausgebildete Spalt durch die in Axialrichtung bewegbare Hülse überwunden. An dem vom Spalt gegenüberliegenden Ende der in Axialrichtung bewegbaren Hülse kann dann eine Hülsenfeder vorgesehen sein, die bei einem Öffnen des Injektors und einem sich hieraus ergebenden Verringern des Spalts zwischen Ankergegenstück und Ankerelement gestaucht wird. Da bei einer solchen Ausgestaltung die Kraftstoffführung durch die jeweiligen Durchgangskanäle der Ankerhülse bzw. der Polkernhülse keine Möglichkeit besitzt, radial nach außen in den im geöffneten Zustand des Injektors verbleibenden Restluftspalt einzudringen, ergibt sich ein verbessertes Strömungsverhalten mit weniger Verwirbelungen.Thus, even when the injector is closed, in which the armature element closes the throttle with its needle, the gap formed between the armature element and the armature counterpart is overcome by the sleeve that can be moved in the axial direction. A sleeve spring can then be provided on the end of the sleeve that is movable in the axial direction that is opposite the gap, which is compressed when the injector is opened and the gap between the armature counterpart and the armature element is reduced as a result. Since with such a design the fuel guide through the respective through-channels of the armature sleeve or the pole core sleeve has no possibility of penetrating radially outwards into the residual air gap that remains when the injector is open, improved flow behavior with less turbulence is achieved.
So führt die mindestens eine in Axialrichtung bewegliche Hülse dazu, dass unabhängig vom Zustand des Injektors (offen, geschlossen oder Übergang zwischen offen und geschlossen) die Kraftstoffführung ohne die Ausbildung von Wirbeln zwischen dem Ankergegenstück und dem Ankerelement erfolgt, was eine exaktere Dosierung des abzugebenden Kraftstoffs erlaubt.Thus, the at least one sleeve that is movable in the axial direction ensures that, regardless of the state of the injector (open, closed or transition between open and closed), the fuel is guided without the formation of vortices between the anchor counterpart and the anchor element, which allows a more precise metering of the fuel to be delivered.
Die in Axialrichtung bewegliche Hülse kann dabei von einer teilweise in den Durchgangskanal der beweglichen Hülse hineinragenden Stützhülse geführt werden, die fest in dem Injektor angeordnet ist und eine entsprechende Aussparung zum Ansetzen der Hülsenfeder aufweist. Um hierbei die Federkraft auf einfache Art und Weise variieren zu können, welche die in Axialrichtung bewegbare Hülse in Richtung Spalt zwischen Ankerelement und Ankergegenstück drängt, kann dabei eine Einstellscheibe vorgesehen sein, welche die Spannung der Hülsenfeder gegenüber der beweglichen Hülse definiert.The sleeve, which is movable in the axial direction, can be guided by a support sleeve which partially extends into the passageway of the movable sleeve, which is fixedly arranged in the injector and has a corresponding recess for the attachment of the sleeve spring. In order to be able to easily vary the spring force which pushes the sleeve, which is movable in the axial direction, towards the gap between the anchor element and the anchor counterpart, an adjusting disk can be provided which defines the tension of the sleeve spring relative to the movable sleeve.
Ferner kann nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Hülse so weit aus dem sie aufnehmenden Bauteil (Ankerelement oder Ankergegenstück) herausragt, dass sie in den Durchgangskanal des anderen mit dem Durchgangskanal versehenen Bauteils (Ankergegenstück oder Ankerelement) eindringt, vorzugsweise um bei einer Bewegung des Ankers in Axialrichtung eine Führung vorzunehmen, wobei bevorzugterweise der Außendurchmesser des in den anderen Bauteil hineinragenden Abschnitts der Hülse auf den Innendurchmesser des Durchgangskanals des anderen Bauteils abgestimmt ist (bspw. diesem entspricht), um eine Gleitbewegung des anderen Bauteils gegenüber des eindringenden Hülsenabschnitts zuzulassen.Furthermore, according to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that the sleeve protrudes so far from the component receiving it (anchor element or anchor counterpart) that it penetrates into the through-channel of the other component provided with the through-channel (anchor counterpart or anchor element), preferably in order to provide guidance during a movement of the anchor in the axial direction, wherein preferably the outer diameter of the section of the sleeve protruding into the other component is matched to the inner diameter of the through-channel of the other component (e.g. corresponds to this) in order to allow a sliding movement of the other component relative to the penetrating sleeve section.
So kann bspw. durch einen einseitigen Überstand einer Hülse, die den Spalt zwischen Ankerelement und Ankergegenstück überwindet, ein Restluftspalt eingestellt werden. Ferner dient die exakte axiale Position des Anschlags an der überstehenden Hülse bei einem Öffnungsvorgang zur Beeinflussung der Magnetkennlinie, sodass in vorteilhafter Weise die Öffnungscharakteristik des Injektors eingestellt werden kann.For example, a residual air gap can be set by a sleeve that protrudes on one side and overcomes the gap between the anchor element and the anchor counterpart. Furthermore, the exact axial position of the stop on the protruding sleeve during an opening process serves to influence the magnetic characteristic curve, so that the opening characteristic of the injector can be advantageously adjusted.
Ferner kann der Überstand der Hülse dazu verwendet werden, dass derjenige Bauteil, in dem die Hülse mit ihrem Überstand eindringt, hierdurch eine Führung erfährt. Bspw. kann eine Polkernhülse so aus dem Ankergegenstück herausragen, dass sie mit ihrem Überstand in das Ankerelement eintaucht. Ist dabei der Bereich des Ankerelements auf die Dimensionierung des in sie eindringenden Überstands der Polkernhülse abgestimmt, erfolgt hierdurch eine Führung des Ankerelements, was eine besonders zuverlässige und wartungsarme Umsetzung des Injektors fördert. Schließlich wird durch die weitere Führung des Ankerelements die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten Verkantens weiter reduziert. Dem Fachmann ist klar, dass selbstverständlich auch die Ankerhülse in das Ankergegenstück eindringen kann, da sich hierdurch die gleichen Vorteile erreichen lassen.Furthermore, the overhang of the sleeve can be used to guide the component into which the sleeve penetrates with its overhang. For example, a pole core sleeve can protrude from the anchor counterpart in such a way that its overhang dips into the anchor element. If the area of the anchor element is matched to the dimensions of the overhang of the pole core sleeve penetrating into it, this guides the anchor element, which promotes a particularly reliable and low-maintenance implementation of the injector. Finally, the further guidance of the anchor element further reduces the likelihood of undesired jamming. It is clear to the expert that the anchor sleeve can of course also penetrate into the anchor counterpart, since this achieves the same advantages.
Ferner kann nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein nichtmagnetisches oder diamagnetisches Element zwischen dem von dem Spalt abgewandten Ende der Hülse und dem die Hülse aufnehmenden Bauteil angeordnet ist, um einen magnetischen Fluss zu unterbrechen oder gezielt umzulenken, wobei das nichtmagnetische oder diamagnetische Element ein weichelastisches Element, zum Beispiel ein Elastomer, ein amorphes Metall und/oder ein metallisches Glas ist. In der Regel weist dieses nichtmagnetische oder diamagnetische Element die Form einer Ringscheibe auf, sodass durch deren innere Aussparung der vom Injektor auszugebende Kraftstoff geführt werden kann. Darüber hinaus kann dieses Element auch dazu genutzt werden, die Feinpositionierung der Hülse in dem sie aufnehmenden Element in Bezug auf die Axialrichtung zu definieren.Furthermore, according to an optional development of the present invention, it can be provided that a non-magnetic or diamagnetic element is arranged between the end of the sleeve facing away from the gap and the component receiving the sleeve in order to interrupt a magnetic flux or to specifically redirect it, wherein the non-magnetic or diamagnetic element is a soft elastic element, for example an elastomer, an amorphous metal and/or a metallic glass. As a rule, this non-magnetic or diamagnetic element has the shape of an annular disk, so that the fuel to be dispensed by the injector can be guided through its inner recess. In addition, this element can also be used to define the fine positioning of the sleeve in the element receiving it in relation to the axial direction.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die einander zugewandten Stirnflächen des Ankerelements und des Ankergegenstücks eine zueinander korrespondierende Gestaltung aufweisen, jedoch nicht glatt ausgestaltet sind, wobei vorzugsweise die Stirnfläche des Ankerelements und des Ankergegenstücks eine sich in Axialrichtung erhebende Stufe aufweisen.According to a further advantageous modification of the present invention, it can be provided that the mutually facing end faces of the anchor element and the anchor counterpart have a design that corresponds to one another, but are not smooth, wherein preferably the end face of the anchor element and the anchor counterpart have a step that rises in the axial direction.
Durch das Vorsehen von zwei zueinander korrespondierend ausgestalteten Stirnflächen von Ankerelement und Ankergegenstück, die jedoch nicht in einer Ebene liegen, kann die Magnetkennlinie gezielt beeinflusst werden. Am Beispiel stufenartiger Stirnflächen, wobei die Stufe sich in Axialrichtung erhebt, kann demnach eine Restluftspalt in zwei verschiedenen Ebenen erzeugt werden. Dies dient der gezielten Beeinflussung der Magnetkennlinie.By providing two end faces of the armature element and armature counterpart that correspond to each other but are not in the same plane, the magnetic characteristic curve can be influenced in a targeted manner. Using the example of stepped end faces, where the step rises in the axial direction, a residual air gap can be created in two different planes. This serves to specifically influence the magnetic characteristic curve.
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass an dem Außenumfang der mindestens einen Hülse eine sich in Axialrichtung erstreckende radiale Lücke zu dem sie aufnehmenden Bauteil vorgesehen ist, um einen Durchfluss von magnetischen Feldlinien durch die Hülse zu verringern oder ganz zu vermeiden, vorzugsweise wobei sich die radiale Lücke von dem dem Spalt zugewandten Ende in Axialrichtung erstreckt.Furthermore, according to the present invention, it can be provided that a radial gap extending in the axial direction is provided on the outer circumference of the at least one sleeve to the component receiving it in order to reduce or completely prevent a flow of magnetic field lines through the sleeve, preferably wherein the radial gap extends in the axial direction from the end facing the gap.
Diese Lücke bzw. der radiale Spalt zwischen dem Außenumfang der Hülse und dem die Hülse aufnehmenden Bauteil (Ankerelement oder Ankergegenstück) dient ebenfalls zur gezielten Steuerung von magnetischen Feldlinien, die bei einem Vorhandensein der Lücke nicht oder nur sehr vermindert durch die Hülse verlaufen.This gap or the radial gap between the outer circumference of the sleeve and the component receiving the sleeve (armature element or armature counterpart) also serves for the targeted control of magnetic field lines which, if the gap is present, do not pass through the sleeve or only pass through it to a very limited extent.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass sowohl in dem Durchgangskanal des Ankerelements eine Hülse, die sogenannte Ankerhülse, und in dem Durchgangskanal des Ankergegenstücks eine Hülse, die sogenannte Polkernhülse, angeordnet ist, wobei jede der beiden Hülsen aus dem jeweiligen sie aufnehmenden Bauteil in Richtung Spalt hervorsteht.According to a further advantageous modification of the present invention, it can be provided that a sleeve, the so-called anchor sleeve, is arranged both in the through-channel of the anchor element and a sleeve, the so-called pole core sleeve, is arranged in the through-channel of the anchor counterpart, wherein each of the two sleeves protrudes from the respective component receiving it in the direction of the gap.
Dabei ist also vorgesehen, dass sowohl die Polkernhülse wie auch die Ankerhülse aus dem sie jeweils aufnehmenden Bauteil in Richtung Spalt hervorstehen und in einem geschlossenen Zustand des Injektors, in dem das Ankerelement mit der Nadel von der Drossel abgehoben ist, zusammen den Restluftspalt zwischen Ankerelement und Ankergegenstück definieren. Weiter vorteilhaft ist, dass sich hierbei nur die beiden Hülsen kontaktieren, was es erlaubt, sowohl das Ankerelement wie auch das Ankergegenstück in Materialien auszugestalten, die in Bezug auf das fortwährende Aufschlagen aufeinander weniger widerstandsfähig sein müssen.It is therefore intended that both the pole core sleeve and the armature sleeve protrude from the component that accommodates them in the direction of the gap and, when the injector is closed and the armature element with the needle is lifted off the throttle, they together define the remaining air gap between the armature element and the armature counterpart. Another advantage is that only the two sleeves come into contact with each other, which allows both the armature element and the armature counterpart to be made of materials that need to be less resistant to constant impact on one another.
Weiter kann nach einer weiteren Modifikation der Erfindung vorgesehen sein, dass bei einem Vorhandensein einer Ankerhülse und einer Polkernhülse die beiden Hülsen so zueinander in ihrem jeweiligen Durchgangskanal angeordnet sind, dass die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Hülsen in einem geöffneten Zustand des Injektors einander kontaktieren.Furthermore, according to a further modification of the invention, it can be provided that, when an anchor sleeve and a pole core sleeve are present, the two sleeves are arranged relative to one another in their respective through-channel such that the mutually facing end faces of the two sleeves contact one another when the injector is in the open state.
Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass bei einem Vorhandensein einer Ankerhülse und einer Polkernhülse der Außendurchmesser der beiden Hülsen gleich oder unterschiedlich ist.It can preferably be provided that, if an armature sleeve and a pole core sleeve are present, the outer diameter of the two sleeves is the same or different.
Die Erfindung umfasst ferner einen Injektor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Ankerelement mehrteilig ausgeführt ist und einen der Drossel zugewandten unteren Teil sowie einen zwischen dem unteren Teil und dem Ankergegenstück angeordneten oberen Teil aufweist, der obere Teil gegenüber einer in den unteren Teil eingesetzten Hülse in Axialrichtung bewegbar ist, die Hülse in einem geschlossenen Zustand in Axialrichtung gesehen aus dem unteren Teil hinausragt und den oberen Teil des mehrteiligen Ankerelements überragt, und die Hülse an der zur Drossel abgewandten Seite eine in Radialrichtung verlaufende Auskragung aufweist, die mit einer entsprechenden Einkragung des oberen Teils des Ankerelements korrespondiert, damit bei einem Bewegen des oberen Teils in Richtung Ankergegenstück die Hülse und der damit verbundene untere Teil des Ankerelements nach dem Prinzip eines Hammer-Ankers in Richtung Ankergegenstück bewegt wird, wobei vorzugsweise eine Ankerfeder vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den oberen Teil des Ankerelements in Richtung Drossel zu drängen.The invention further comprises an injector according to one of the preceding aspects, wherein the anchor element is designed in several parts and has a lower part facing the throttle and an upper part arranged between the lower part and the anchor counterpart, the upper part is movable in the axial direction relative to a sleeve inserted into the lower part, the sleeve in a closed state protrudes from the lower part in the axial direction and protrudes beyond the upper part of the multi-part anchor element, and the sleeve has a radial projection on the side facing away from the throttle, which corresponds to a corresponding recess in the upper part of the anchor element, so that when the upper part is moved in the direction of the anchor counterpart, the sleeve and the lower part of the anchor element connected thereto are moved in the direction of the anchor counterpart according to the principle of a hammer anchor, wherein an anchor spring is preferably provided which is designed to urge the upper part of the anchor element in the direction of the throttle.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit einer Gas-Direkteinspritzung, im Besonderen mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor nach einem der vorhergehend diskutierten Aspekte.The invention further relates to an internal combustion engine with a fuel injection, in particular with a gas direct injection, in particular with a hydrogen direct injection, comprising an injector according to one of the previously discussed aspects.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
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1A : eine schematische Schnittansicht eines Injektors nach dem Stand der Technik in einem geschlossenen Zustand, -
1B : eine schematische Schnittansicht eines Injektors nach dem Stand der Technik in einem geöffneten Zustand, -
2 : eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Injektors mit einer in den Spalt vorstehenden Hülse, -
3 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit zwei gegenüber zueinander angeordneten jeweils in den Spalt vorstehenden Hülsen, -
4 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer Hülse, deren Überstand in das gegenüberliegende Bauteil eindringt, -
5 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer Hülse, deren Überstand in das gegenüberliegende Bauteil eindringt und dort als Führung dient, -
6 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer Hülse, die eine Querschnittsverminderung aufweist, um eine Dämpferfunktion zu erzeugen, -
7 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer Hülse, die an ihrer vom Luftspalt abgewandten Seite an einer Isolationsscheibe anliegt, -
8 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors, wobei beide einander gegenüber angeordneten Hülsen an ihrem jeweiligen vom Luftspalt abgewandten Ende eine nach innen ragende Einkragung aufweisen, -
9A : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors in einem geschlossenen Zustand, bei dem die einander zugewandten Stirnflächen von Ankerelement und Ankergegenstück nicht planar ausgestaltet sind, -
9B : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors in einem geöffneten Zustand, bei dem die einander zugewandten Stirnflächen von Ankerelement und Ankergegenstück nicht planar ausgestaltet sind, -
10 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer Hülse, die eine Querschnittsverminderung aufweist, um eine Dämpferfunktion zu erzeugen, -
11 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors, wobei zwischen der Hülse und dem die Hülse aufnehmenden Bauteil eine radial verlaufende Lücke vorgesehen ist, -
12A : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors in einem geöffneten Zustand, wobei der Anker in Form eines Hammer-Ankers ausgebildet ist, -
12B : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors in einem geschlossenen Zustand, wobei der Anker in Form eines Hammer-Ankers ausgebildet ist, -
13 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer in Axialrichtung beweglichen Hülse, und -
14 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors mit einer in Axialrichtung beweglichen Hülse.
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1A : a schematic sectional view of a prior art injector in a closed state, -
1B : a schematic sectional view of an injector according to the prior art in an opened state, -
2 : a schematic sectional view of an injector according to the invention with a sleeve protruding into the gap, -
3 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with two sleeves arranged opposite one another and each projecting into the gap, -
4 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve whose projection penetrates into the opposite component, -
5 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve, the projection of which penetrates into the opposite component and serves as a guide there, -
6 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve which has a cross-sectional reduction in order to produce a damper function, -
7 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve which rests on an insulating disk on its side facing away from the air gap, -
8 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention, wherein both sleeves arranged opposite one another have an inwardly projecting projection at their respective ends facing away from the air gap, -
9A : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention in a closed state, in which the mutually facing end faces of the anchor element and anchor counterpart are not planar, -
9B : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention in an open state in which the mutually facing end faces of the anchor element and anchor counterpart are not planar, -
10 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve which has a cross-sectional reduction in order to produce a damper function, -
11 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention, wherein a radially extending gap is provided between the sleeve and the component receiving the sleeve, -
12A : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention in an opened state, wherein the anchor is designed in the form of a hammer anchor, -
12B : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention in a closed state, wherein the anchor is designed in the form of a hammer anchor, -
13 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve movable in the axial direction, and -
14 : a schematic sectional view of a further embodiment of the injector according to the invention with a sleeve movable in the axial direction.
Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung der
Abhängig von der Stellung des Ankerelements 3 bzw. der Ventilnadel 4 gegenüber der Ventilplatte 15 ist die die Ventilplatte 15 durchstoßende mindestens eine Drossel 5 verschlossen oder freigegeben. In dem in
Ist die mindestens eine Drossel 5 durch die Stirnseite der Ventilnadel 4 verschlossen, wird die Fluidströmung des Kraftstoffs an dieser Stelle des Injektors 1 aufgehalten und es kommt zu keiner stromabwärtigen Strömung von Kraftstoff jenseits der Ventilplatte 15. Der Injektor ist demnach in einem geschlossenen Zustand.If the at least one
Ist die Drossel 5 hingegen freigegeben, was durch ein Abheben des Ankerelements 3 weg von der Ventilplatte 15 und durch ein dadurch erfolgendes Abheben der Ventilnadel 4 umgesetzt wird, strömt der mit einem gewissen Druck in den Injektor 1 eingeführte Kraftstoff aus und tritt über die mindestens eine Drossel 5 auf der von dem Anker 3 beabstandeten Seite der Ventilplatte 15 aus. Infolgedessen strömt der unter Druck stehende Kraftstoff durch das Einblasrohr 22 aus dem Injektor 1 aus. Nach einem Durchströmen des Einblasrohrs 22 befindet sich dann der durch den Injektor 1 abgegebene Kraftstoff typischerweise außerhalb des Injektors 1 in einem Brennraum. Zudem findet in dem Brennraum in der Regel eine Komprimierung des Kraftstoffs statt, wo der Kraftstoff sich dann entzündet bzw. entzündet wird.If, however, the
Der Anker 3 ist (zusammen mit der Ventilnadel 4) in der Längsrichtung des Injektors 1 hin- und herbewegbar. Die Bewegung des Ankers 3, der einstückig oder fest verbunden mit der Ventilnadel 4 ausgeformt sein kann, wird dabei über ein Ventil gesteuert, das in der vorliegenden Darstellung der
Für eine präzise Führung der Ventilnadel 4 entlang der Längsachse X des Injektors 1 (im Folgenden auch Axialrichtung) kann eine Ventilnadelführung 19 vorgesehen sein, die eine Außenseite der Ventilnadel 4 umfangsseitig umschließt. Da in der vorliegenden Ausführungsform die Ventilnadel 4 massiv ausgebildet ist, ist zum Durchleiten von Kraftstoff mindestens ein Durchgangskanal in der Ventilnadelführung 19 vorgesehen, durch welchen Kraftstoff hin zum Kraftstoffauslass strömen kann. Die Ventilnadelführung ist dabei fest an dem Gehäuse 2 des Injektors 1 angeordnet.For precise guidance of the
Ferner ist zwischen dem Anker 3 und dem Ankergegenstück 7 ein Luftspalt 18 vorgesehen, der bei einer Bestromung der Spule 17 geschlossen bzw. verringert wird.Furthermore, an
Um den magnetischen Fluss 24 bei einer Umsetzung des Ventils als Magnetventil zu verbessern, kann die Spule 17 an ihrer umfangsseitigen Außenseite von einem Eisenrückschluss 21 umgeben sein, so dass sich dort das Magnetfeld besonders gut ausbreiten kann. Ähnlich verhält es sich mit dem direkt das Ankerelement 3 und das Ankergegenstück 7 umgebenden Gehäusebestandteil, das vorzugsweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht. So kann es von Vorteil sein, wenn das Polrohr, das ein Bestandteil des Injektors 1 darstellt, ebenfalls aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material ist. Dasselbe gilt auch für das Ankergegenstück 7, das vorteilhafterweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht.In order to improve the
Eine visualisierte Darstellung der magnetischen Feldlinien 24 ist jeweils durch die gepunktete, geschlossene Linie illustriert, die um die Spule herum verläuft. Durch die Magnetkraft wird der Anker 3 (zusammen mit der Ventilnadel 4) hin zum Ankergegenstück 7 gezogen und so von der Ventilplatte 15 bzw. von der die Ventilplatte 15 durchbrechenden mindestens einen Drossel 5 abgehoben, sodass es zu einem Einströmen von Kraftstoff hin zum Einblasrohr 23 kommt, von wo aus der Kraftstoff in den Brennraum eingeleitet werden kann.A visual representation of the magnetic field lines 24 is illustrated by the dotted, closed line that runs around the coil. The magnetic force pulls the armature 3 (together with the valve needle 4) towards the
Um die magnetischen Flusslinien 24 vorzugsweise durch den axialen Arbeitsluftspalt 18 zwischen Anker 3 und Ankergegenstück 7 zu leiten und damit die Magnetkraft zwischen diesen Bestandteilen deutlich zu erhöhen, ist es vorteilhaft, auf Höhe des Arbeitsluftspalts 18 eine Aussparung im Gehäuse 2 oder einen unmagnetischen bzw. nur schwach magnetisierbaren ein- oder mehrteiligen Zwischenring über die gesamte oder teilweise Dicke des Gehäuses 2 z.B. durch eine Schweißverbindung einzubringen. Dies wird nachfolgend als Bypass 20 bezeichnet. Der Bypass sorgt also dafür, dass die magnetischen Flusslinien nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil durch das Gehäuse 2 verlaufen, wo sie keinen Effekt auf die Anziehungskraft zwischen dem Ankerelement 3 und dem Ankergegenstück 7 haben.In order to guide the
Das Ankergegenstück 7 ist dabei in Injektorlängsrichtung fest angeordnet und besitzt kein Spiel. So ist das Ankergegenstück 7 zwischen einem Einstellelement 8, das eine Feinjustierung in Axialrichtung zulässt und scheibenförmig ausgebildet sein kann, und dem Deckel 12 festgelegt, wobei das Einstellelement 8 typischerweise aus Metall besteht und dazu dient, die Position des Ankergegenstücks 7 in Bezug auf die Injektorlängsrichtung des Injektors 1 präzise vorzugeben. So kann bei der Fertigung des Injektors 1 je nach Toleranzen der Injektorkomponenten ein hieraufhin gewähltes Einstellelement 19 verbaut werden, damit die Distanz in Injektorlängsrichtung von Anker 3 zu Ankergegenstück 7 in geschlossener Stellung des Ventils einem vorbestimmten Wert entspricht.The
Wie obenstehend beschrieben, ergibt sich dabei jedoch die Problematik, dass bei einem Öffnungsvorgang des Injektors 1 der Anker 3 gegen das Ankergegenstück 7 mit hoher kinetischer Energie prallt und sich infolgedessen ein Prellen ergibt. Insbesondere bei einer Nutzung eines gasförmigen Kraftstoffs fehlt die Dämmwirkung eines in flüssiger Form genutzten Kraftstoffs, um das Prellen des Ankers 3 an dem Ankergegenstück 7 zu verringern. Nachteilhaft an dem Prellvorgang ist, dass der Schließvorgang nicht exakt vorhersehbar unterbrochen wird, sondern das Prellen das mehrmalige Öffnen und Schließen bedingt.As described above, however, the problem arises that when the
Wird von einem Ansteuergerät ein Spannungssignal über elektrische Kontakte an die Spule 17 des Aktuators angelegt, so steigt der Strom im elektrischen Kreis bis auf ein definiertes Endniveau an. Die stromdurchflossene Spule 17 induziert ein magnetisches Feld im Aktuator, dessen Magnetfeldlinien sich torusförmig um die Spule 17 herum ausbreiten. Durch das magnetische Feld wird eine Magnetkraft im (Rest-)Luftspalt 18 zwischen Anker 3 und Ankergegenstück 7 aufgebaut, wodurch der Anker 3 zum Ankergegenstück 7 angezogen wird, sobald die Magnetkraft die Schließkraft (Summe aus Vorspannkraft der Nadelfeder 14 und Druckkräften auf die Nadel 4 und den Anker 3) übertrifft. Der Restluftspalt ist dabei über Folien oder Passscheiben eingestellt.If a voltage signal is applied to the
Der Anker 3 ist -wie dargestellt- vorteilhafterweise fix mit der Ventilnadel 4 verbunden oder ein einteiliges Anker-Ventilnadel-Bauteil, so dass sich die Ventilnadel 4 vorzugsweise gleichförmig mit dem Anker 3 bewegt. Sobald die Ventilnadel 4 die mindestens eine Drossel 5 nicht mehr verschließt, wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Einblasraum freigegeben, so dass der Kraftstoff vom Nadelraum in den Einblasraum und schließlich in den Brennraum strömt. Beim Aufprall des Ankers 3 am oberen Anschlag kommt es in der Regel zu einem relativ starken Prellverhalten, welches sich negativ auf die Steuerbarkeit der Kraftstoffinjektionsmenge auswirkt.The
Um den Einblasvorgang zu beenden wird die Spannungsversorgung durch ein Steuergerät beendet, so dass der Strom durch die Spule 17 bis auf Null reduziert wird. Dadurch baut sich auch das Magnetfeld ab. Sobald die Magnetkraft gering genug ist, beginnen sich Nadel 4 und Anker 3 vorzugsweise gleichförmig zu schließen. Verschließt die Stirnseite der Nadel 4 wieder die mindestens eine Drossel 5 in der Ventilplatte 15, so wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Einblasraum getrennt und der Kraftstofffluss unterbrochen und die Kraftstoffinjektion ist beendet. Auch hier kann es zu einem Prellverhalten kommen, welches sich negativ auf die Steuerbarkeit der Kraftstoffinjektionsmenge auswirkt.To end the blowing process, the power supply is stopped by a control unit so that the current through the
Nachfolgend werden eine Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. In der Regel werden dabei spezifische Merkmale entweder für die Polkernhülse 9 oder die Ankerhülse 8 beschrieben, wobei aber dem Fachmann klar ist, dass die beschriebenen Eigenschaften sowohl an der Polkernhülse 9 und/oder der Ankerhülse 8 vorhanden sein können. Eine eigenständige Beschreibung an der jeweils anderen Hülse wird der besseren Übersichtlichkeit halber vermieden.A large number of embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying figures. As a rule, specific features are described either for the
Dabei kann vorgesehen sein, dass eine der beiden Hülsen 8, 9 aus dem sie aufnehmenden Bauteil in Richtung Spalt 18 hineinragt. Vorliegend ist dies die Polkernhülse 9, die einen gewissen Überstand aus dem Ankergegenelement 7 in Richtung Spalt 18 besitzt. Weiter weist die Polkernhülse 9 an ihrem vom Spalt 18 gegenüberliegenden Ende eine radial nach innen gerichtete Einkragung auf, die dazu dient, der Nadelfeder 14 einen Ansatzpunkt 16 zu liefern. Gleichzeitig kann dabei durch eine geschickte Dimensionierung der Hülse 9 auch eine Fixierung und Ausrichtung der Ventilfeder 14 erfolgen, wobei dies beispielhaft durch einen etwas dickeren Durchmesser der Polkernhülse 9 erfolgt, der eine gewisse Klemm- und Führungswirkung für die Nadelfeder 14 erzeugt und diese damit bspw. senkrecht zu Axialrichtung fixiert.It can be provided that one of the two
Darüber hinaus ist in
So kann die Ankerhülse 8 bzw. die Polkernhülse 9 aus einem magnetischen oder amagnetischen, gehärteten oder hochfesten Stahl bestehen oder einen solchen Stahl umfassen.Thus, the
Dem Fachmann ist klar, dass, obwohl
In Axialrichtung gesehen ist sowohl vor als auch hinter dem Bereich mit der verminderten Dicke 26 die Stärke des Materials der Polkernhülse 9 wieder normal, also gegenüber dem Bereich mit verminderter Dicke 26 vergrößert.Viewed in the axial direction, both in front of and behind the region with the reduced
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass das Element 28 ein weichelastisches Element ist, und bspw. aus einem Elastomer, einem amorphen Metall und/oder einem metallischen Glas besteht oder dieses und umfasst. Wie dargestellt kann das Element 28 die Form einer Scheibe aufweisen, sodass man auch von einer Isolationsscheibe sprechen könnte.Furthermore, it can be provided that the
Demnach kann es von Vorteil sein, wenn die in Axialrichtung gesehene Länge der Lücke 32 mindestens die Hälfte der in Axialrichtung gesehenen Länge der Polkernhülse 9 aufweist. Dieser radiale Spalt zwischen Hülse und dem die Hülse aufnehmenden Bauteil (in
In der in
Dieses Prinzip wird auch Hammer-Anker genannt, da der obere Anker wie ein Hammer auf die Hülsenauskragung 35 einschlägt und über die Verbindung der Ankerhülse 8 mit dem unterem Anker 33 die Nadel 4 von der Drossel 5 ruckartig abhebt. Für ein Zurückdrängen des oberen Ankers 34 ist ferner eine Anker-Rückstellfeder 36 vorgesehen, die dazu dient, den oberen Anker 34 in Richtung Drossel 5 zu drängen, damit sich in einem geschlossenen Zustand des Injektors 1 wieder ein in Axialrichtung ausgeprägter Spalt zwischen dem oberen Anker 34 und der Hülsenauskragung 35 einstellt.This principle is also called a hammer armature, since the upper armature strikes the
Dadurch wird sichergestellt, dass in einem geöffneten Zustand des Injektors das Ankerelement 3 und das Ankergegenstück 7 auf den einander zugewandten Flächen nicht aneinander aufliegen, da ein Überstand der beweglichen Hülse 39 mittels des Anschlags 40 verbleibt. Der Anschlag 40 kann durch das Einfügen einer Einstellscheibe 29 in seiner axialen Position feinjustiert werden, um den auch bei komprimierter Feder aus dem Ankergegenstück 7 vorstehenden Überstand der beweglichen Hülse 39 exakt einzustellen.This ensures that when the injector is open, the
So kann derjenige Teil, der für ein Ansetzen der beweglichen Hülse 39 dient, separat zu einem anderen Teil des Ankergegenstücks 7 ausgestaltet sein. Dieser mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnete Abschnitt kann eine fest angeordnete Sekundärhülse darstellen, die in Verbindung mit dem anderen Teil des Ankergegenstücks 7 eine Aufnahme für die Einstellscheibe 29 und die Hülsenfeder 38 bildet.Thus, the part that serves for attaching the
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Injektorinjector
- 22
- Injektorgehäuseinjector housing
- 33
- Ankerelement / Ankeranchor element / anchor
- 44
- Ventilnadelvalve needle
- 55
- Drosselthrottle
- 66
- Press- oder Spielpassunginterference or clearance fit
- 77
- Ankergegenstückanchor counterpart
- 88
- Ankerhülseanchor sleeve
- 99
- Polkernhülsepole core sleeve
- 1010
- Einstell- /Anschlagscheibe Nadelfederadjusting/stop disc needle spring
- 1111
- Einstell- /Anschlagscheibe Nadelfederadjusting/stop disc needle spring
- 1212
- Deckelslid
- 1313
- Einstellelementadjustment element
- 1414
- Nadelfederneedle spring
- 1515
- Ventilplattevalve plate
- 1616
- Lagerung / Führung der Nadelfederbearing / guidance of the needle spring
- 1717
- SpuleSink
- 1818
- Luftspaltair gap
- 1919
- Nadelführungneedle guide
- 2020
- Bypasselementbypass element
- 2121
- Eisenrückschluss / Gehäuseabschnittiron return / housing section
- 2222
- Einblasrohrinjection pipe
- 2323
- obere Anker- und Nadelführungupper anchor and needle guide
- 2424
- Verlauf magnetischer Feldliniencourse of magnetic field lines
- 2525
- Führungselementguide element
- 2626
- Dickenminderung zur Dämpferfunktionthickness reduction for damper function
- 2727
- Hülsenüberstandsleeve overhang
- 2828
- nichtmagnetisches oder diamagnetisches Elementnon-magnetic or diamagnetic element
- 2929
- Einstellscheibeadjustment disc
- 3030
- stufenartige Stirnflächestep-like front surface
- 3131
- Anschlagstop
- 3232
- radiale Lückeradial gap
- 3333
- unterer Ankerlower anchor
- 3434
- oberer Ankerupper anchor
- 3535
- Hülsenauskragungsleeve projection
- 3636
- Anker-Rückstellfederarmature return spring
- 3737
- Luftspalt Anker - Hülsenauskragungair gap anchor - sleeve projection
- 3838
- Hülsenfedersleeve spring
- 3939
- bewegliche Hülsemovable sleeve
- 4040
- Hülsenanschlagcase stop
- 4141
- feste Sekundärhülsefixed secondary sleeve
- XX
- Axialrichtung des Injektorsaxial direction of the injector
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