DE102021214780A1

DE102021214780A1 - Fuel injector for gaseous fuels

Info

Publication number: DE102021214780A1
Application number: DE102021214780.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Bernhaupt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117219A1

Abstract

Kraftstoffinjektor zur dosierten Abgabe von gasförmigem Kraftstoff, der ein Gehäuse (1) mit einem Ventilkörper (2) aufweist, in dem ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum (8) ausgebildet ist, der eine Auslassöffnung (9) zur Abgabe des Kraftstoffs aufweist und in welchem ein kolbenförmiges Ventilelement (10) angeordnet ist. Das Ventilelement (10) ist gegen die Kraft einer Schließfeder (12) in Längsrichtung bewegbar und am auslassseitigen Ende des Ventilelements (10) ist eine nach innen gerichtete Dichtfläche (14) ausgebildet ist, mit der das Ventilelement (10) mit einem Ventilsitz (15) am Ventilkörper (2) zusammenwirkt, so dass durch eine nach außen gerichtete Längsbewegung des Ventilelements (10) ein Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Im Gehäuse (1) ist ein Steuerraum (25) ausgebildet ist, der mit einem Steuermedium unter einem Steuerdruck befüllbar ist und der durch die Stirnseite eines Kolbens (22) begrenzt ist, wobei durch den hydraulischen Druck auf den Kolben (22) zumindest mittelbar eine in Öffnungsrichtung wirkende Öffnungskraft auf das Ventilelement (10) ausgeübt wird.Fuel injector for metered dispensing of gaseous fuel, which has a housing (1) with a valve body (2), in which a pressure chamber (8) that can be filled with fuel is formed, which has an outlet opening (9) for dispensing the fuel and in which a piston-shaped valve element (10) is arranged. The valve element (10) can be moved in the longitudinal direction against the force of a closing spring (12), and an inwardly directed sealing surface (14) is formed on the outlet-side end of the valve element (10), with which the valve element (10) is fitted with a valve seat (15 ) cooperates on the valve body (2), so that a flow cross-section is released by an outward longitudinal movement of the valve element (10). A control chamber (25) is formed in the housing (1), which can be filled with a control medium under a control pressure and which is delimited by the end face of a piston (22), the hydraulic pressure on the piston (22) at least indirectly generating a opening force acting in the opening direction is exerted on the valve element (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zur dosierten Abgabe von gasförmigem Brennstoff, wie er beispielsweise Verwendung findet, um diesen Brennstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.The invention relates to a fuel injector for metered delivery of gaseous fuel, as is used, for example, to introduce this fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine.

Stand der TechnikState of the art

Zur Eindosierung von gasförmigem Brennstoff werden Injektoren verwendet, die bewegliche Ventilelemente aufweisen. Das Ventilelement öffnen und schließt dabei einen Strömungsquerschnitt, durch den der Brennstoff in einen Brennraum oder auch in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine strömt. Zur Bewegung das Ventilelements werden meist Elektromagneten eingesetzt, wobei das Ventilelement entweder als Tauchanker fungiert oder mit einem Magnetanker verbunden ist, der durch den Elektromagneten in einer Längsrichtung bewegt wird. Die Bewegung des Ventilelements erfolgt gegen die Kraft einer vorgespannten Schließfeder, die dafür sorgt, dass das Ventilelement bei ausgeschaltetem Elektromagneten geschlossen bleibt. Aus der DE 10 2014 234 344 A1 ist ein Kraftstoffinjektor zur Einbringung von gasförmigem Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Ventilelement nach außen öffnet, das heißt, es bewegt sich bei der Öffnungsbewegung aus dem Gehäuse heraus in Richtung des Brennraums. Die Bewegung geschieht entgegen der Kraft einer Schließfeder und wird durch einen Elektromagneten gesteuert.Injectors that have movable valve elements are used for metering in gaseous fuel. The valve element opens and closes a flow cross section through which the fuel flows into a combustion chamber or into an intake tract of the internal combustion engine. Electromagnets are usually used to move the valve element, with the valve element either functioning as a plunger or being connected to a magnet armature which is moved in a longitudinal direction by the electromagnet. The movement of the valve element takes place against the force of a preloaded closing spring, which ensures that the valve element remains closed when the electromagnet is switched off. From the DE 10 2014 234 344 A1 discloses a fuel injector for introducing gaseous fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, in which the valve element opens to the outside, ie it moves out of the housing in the direction of the combustion chamber during the opening movement. The movement occurs against the force of a closing spring and is controlled by an electromagnet.

Gasförmige Brennstoffe beinhalten im Gegensatz zu flüssigem Kraftstoff wenig chemische Energie pro Volumen. Es muss deshalb ein großer Strömungsquerschnitt auf gesteuert werden, um in der zur Verfügung stehenden Zeit genug Brennstoff in den Brennraum einzubringen. Dort vermischt sich der gasförmige Brennstoff mit der vorhandenen Luft, wird gezündet und verbrennt unter Expansion. Das Ventilelement muss entsprechend einen verhältnismäßig großen Hub ausführen, um den benötigten Strömungsquerschnitt freizugeben.In contrast to liquid fuel, gaseous fuels contain little chemical energy per volume. A large flow cross-section must therefore be controlled in order to introduce enough fuel into the combustion chamber in the time available. There the gaseous fuel mixes with the existing air, is ignited and burns with expansion. Accordingly, the valve element must perform a relatively large stroke in order to release the required flow cross section.

Soll der Brennstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden, so muss dieser gegen die bereits komprimierte Luft im Brennraum eingebracht werden und einen entsprechend hohen Einblasdruck aufweisen. Um einen großen Querschnitt aufzusteuern muss das Ventilelement weiterhin relativ groß ausgebildet sein, wodurch große pneumatische Kräfte im Druckraum auf das Ventilelement in seiner Schließrichtung wirken, zusätzlich zur Kraft der Schließfeder. Beide Kräfte müssen durch den Elektromagneten überwunden werden. Elektromagnete, die eine ausreichend starkes Magnetfeld erzeugen, haben jedoch große Abmessungen und benötigen entsprechend viel Bauraum. Darüber hinaus sind hohe Ströme im Elektromagneten notwendig, was viel Energie benötigt und eine aufwendige Leistungselektronik.If the fuel is to be introduced directly into a combustion chamber of an internal combustion engine, it must be introduced against the already compressed air in the combustion chamber and have a correspondingly high injection pressure. In order to open a large cross section, the valve element must also be relatively large, as a result of which large pneumatic forces in the pressure chamber act on the valve element in its closing direction, in addition to the force of the closing spring. Both forces must be overcome by the electromagnet. However, electromagnets that generate a sufficiently strong magnetic field have large dimensions and require a correspondingly large amount of space. In addition, high currents are necessary in the electromagnet, which requires a lot of energy and complex power electronics.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist den Vorteil auf, dass ein großer Hub des Ventilelements möglich ist und damit ein großer Strömungsquerschnitt mit dem Ventilelement aufsteuerbar ist, wobei das Ventilelement einen relativ kleinen Durchmesser aufweist und nur ein vergleichsweise kleiner Elektromagnet notwendig ist. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein Gehäuse mit einem Ventilkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem ein kolbenförmiges Ventilelement angeordnet ist und der eine Auslassöffnung zur Abgabe des Kraftstoffs aufweist. Das Ventilelement ist gegen die Kraft einer Schließfeder in Längsrichtung bewegbar, wobei am auslassseitigen Ende des Ventilelements eine nach innen gerichtete Dichtfläche ausgebildet ist, die mit einem Ventilsitz an Ventilkörper zusammenwirkt. Durch eine nach außen gerichtete Längsbewegung des Ventilelements wird ein Strömungsquerschnitt freigegeben. Im Gehäuse ist ein Steuerraum ausgebildet, der mit einem Steuermedium unter einem Steuerdruck befüllbar ist und der durch die Stirnseite eines Kolbens begrenzt ist. Dabei wird durch den hydraulischen Druck auf den Kolben zumindest mittelbar eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf das Ventilelement ausgeübt.The fuel injector according to the invention has the advantage that a large stroke of the valve element is possible and thus a large flow cross section can be opened with the valve element, the valve element having a relatively small diameter and only a comparatively small electromagnet is necessary. For this purpose, the fuel injector has a housing with a valve body in which a pressure chamber that can be filled with fuel is formed, in which a piston-shaped valve element is arranged and which has an outlet opening for dispensing the fuel. The valve element can be moved in the longitudinal direction against the force of a closing spring, with an inwardly directed sealing surface being formed on the outlet-side end of the valve element, which cooperates with a valve seat on the valve body. A flow cross-section is released by an outwardly directed longitudinal movement of the valve element. A control chamber is formed in the housing, which chamber can be filled with a control medium under a control pressure and is delimited by the end face of a piston. In this case, a force acting in the opening direction is exerted on the valve element at least indirectly by the hydraulic pressure on the piston.

Als Steuermedium wird ein flüssiges Steuermedium verwendet, beispielsweise ein Hydrauliköl oder ein flüssiger Kraftstoff, der leicht und mit bekannter Technik auf einen Druck von einigen hundert bar verdichtet werden kann. Wird der Steuerraum mit dem Steuermedium befüllt, so ergibt sich eine Öffnungskraft auf das Ventilelement, die dieses aus dem Ventilkörper hinausdrückt und damit einen Strömungsquerschnitt aufsteuert. Diese hydraulische Öffnungskraft ist proportional zum Druck und kann so leicht auf das notwendige Niveau reguliert werden. Wird das Steuermedium aus den Steuerraum wieder abgeleitet, so mindert sich der Öffnungsdruck entsprechend, und das Ventilelement wird durch eine Schließfeder zurück in seine Schließstellung gedrückt. Dieser Aufbau zur hydraulischen Steuerung der Öffnungsbewegung kann relativ kompakt ausgebildet werden, so dass ein Kraftstoffinjektor mit einem großen Öffnungshub des Ventilelements, aber relativ geringen Abmessungen konstruiert werden kann.A liquid control medium is used as the control medium, for example a hydraulic oil or a liquid fuel, which can easily be compressed to a pressure of a few hundred bar using known technology. If the control chamber is filled with the control medium, an opening force is exerted on the valve element, which pushes it out of the valve body and thus opens a flow cross section. This hydraulic opening force is proportional to the pressure and can therefore be easily regulated to the required level. If the control medium is discharged from the control chamber again, the opening pressure is reduced accordingly and the valve element is pressed back into its closed position by a closing spring. This structure for hydraulically controlling the opening movement can be made relatively compact, so that a fuel injector can be constructed with a large opening stroke of the valve element but relatively small dimensions.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerraum mit einem Steuerventil verbunden, wobei das Steuerventil eine Verbindung zu einem Steuermedienzulauf öffnet und schließt. Durch das Steuerventil wird der Zulauf von unter Druck stehendem Steuermedium gesteuert, wobei das Steuerventil beispielsweise als elektromagnetisches Ventil ausgebildet ist.In a first advantageous embodiment, the control chamber is connected to a control valve, with the control valve opening and closing a connection to a control medium inlet. By the Control valve controls the inflow of pressurized control medium, the control valve being configured as an electromagnetic valve, for example.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Steuerventil als 3/2-Wegeventil ausgebildet, das in einer ersten Schaltstellung den Steuerraum mit dem Steuermedienzulauf verbindet und in einer zweiten Schaltstellung den Steuerraum mit einem Steuermedienrücklauf. Damit kann der Steuerraum je nach Stellung des Steuerventils entweder mit dem unter Druck stehenden Steuermedium oder mit einem weitgehend drucklosen Steuermedienrücklauf verbunden werden, so dass über ein einziges Steuerventil der Druck im Steuerraum kontrolliert werden kann und damit die Bewegung des Ventilelements.In a further advantageous embodiment, the control valve is designed as a 3/2-way valve which, in a first switching position, connects the control chamber to the control medium inlet and, in a second switching position, connects the control chamber to a control medium return. Depending on the position of the control valve, the control chamber can either be connected to the pressurized control medium or to a largely unpressurized control medium return flow, so that the pressure in the control chamber and thus the movement of the valve element can be controlled via a single control valve.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Steuerventil einen längsbeweglichen Steuerkolben auf, der in der ersten Schaltstellung mit einem ersten Dichtsitz zur Unterbrechung der Verbindung zum Steuermedienzulauf und in der zweiten Schaltstellung mit einem zweiten Dichtsitz zur Unterbrechung der Verbindung zum Steuermedienrücklauf zusammenwirkt. Durch einfaches Bewegen des Steuerkolbens in einer Längsrichtung können so beide Zuläufe abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.In a further advantageous embodiment, the control valve has a longitudinally movable control piston which, in the first switching position, interacts with a first sealing seat to interrupt the connection to the control medium inlet and in the second switching position with a second sealing seat to interrupt the connection to the control medium return. By simply moving the control piston in a longitudinal direction, both inlets can be opened and closed alternately.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerventilkolben mit einem Magnetanker verbunden, der mit einem Elektromagneten zusammenwirkt. Die Ausgestaltung des Steuerventils als elektromagnetisches Ventil erlaubt ein schnelles Schalten auch mit einem großen Hub und damit das Öffnen und Schließen großer Strömungsquerschnitte.In a further advantageous embodiment, the control valve piston is connected to a magnet armature which interacts with an electromagnet. The design of the control valve as an electromagnetic valve allows rapid switching even with a large stroke and thus the opening and closing of large flow cross sections.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerventilkolben durch eine Steuerventilfeder gegen den ersten Dichtsitz vorgespannt. Damit befindet sich der Steuerventilkolben bei ausgeschaltetem Elektromagneten in Anlage am ersten Dichtsitz und unterbricht damit die Verbindung des Steuerraums zum Steuermedienzulauf, so dass der Kraftstoffinjektor insgesamt geschlossen bleibt.In a further advantageous embodiment, the control valve piston is prestressed against the first sealing seat by a control valve spring. When the electromagnet is switched off, the control valve piston is thus in contact with the first sealing seat and thus interrupts the connection between the control chamber and the control medium inlet, so that the fuel injector remains closed overall.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kolben in einer Kolbenbohrung im Gehäuse geführt, vorbei an der Außenseite des Kolbens ein Dichtring angebracht ist, der den Ringspalt zwischen der Kolbenbohrung und dem Kolben abdichtet. Da der Kolben an seiner Stirnseite vom Steuermedium beaufschlagt ist, besteht die Gefahr, dass das Steuermedium zwischen dem Kolben und der Kolbenbohrung hindurchtritt und sich mit dem gasförmigen Brennstoff mischt. Durch die Ausbildung der Dichtringe lässt sich dies weitgehend unterbinden.In a further advantageous embodiment, the piston is guided in a piston bore in the housing, past the outside of the piston is fitted a sealing ring which seals the annular gap between the piston bore and the piston. Since the piston is acted upon by the control medium on its end face, there is a risk that the control medium will pass between the piston and the piston bore and mix with the gaseous fuel. This can be largely prevented by the design of the sealing rings.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Kolben zumindest mittelbar an der Stirnseite des Ventilelements an, wobei der Kolben von einem Entlastungsraum umgeben ist. Über den Entlastungsraum kann Steuermedium, das trotz der Dichteringe zwischen dem Steuerkolben und der Wand der Kolbenbohrung hindurchtritt, aufgefangen und abgeleitet werden. Dazu kann der Entlastungsraum beispielsweise mit einem Saugrohrbereich einer Brennkraftmaschine verbunden sein, wo ein relativ niedriger Druck herrscht und in den Hydrauliköl oder flüssiger Kraftstoff in geringer Menge eingebracht werden kann. Da nur minimale Mengen so in den Brennraum gelangen, wird die Verbrennung nicht beeinträchtigt.In a further advantageous embodiment, the piston rests at least indirectly on the end face of the valve element, with the piston being surrounded by a relief space. Control medium that passes between the control piston and the wall of the piston bore despite the sealing rings can be collected and drained via the relief space. For this purpose, the relief space can be connected, for example, to an intake manifold area of an internal combustion engine, where there is a relatively low pressure and into which hydraulic oil or liquid fuel can be introduced in small quantities. Since only minimal amounts get into the combustion chamber in this way, combustion is not affected.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Ventilelement an seinem der Dichtfläche abgewandten Ende an einem Druckkolben an, der in einer Führungsbohrung im Gehäuse geführt ist und von einem Kolbendichtring gegeben ist, der den Ringspalt zwischen dem Druckkolben und der Führungsbohrung abdichtet. Diese Abdichtung verhindert, dass der Brennstoff, der der durch den Kraftstoffinjektor eindosiert werden soll, möglicherweise in den Steuerraum gelangt oder sich mit dem Steuermedium vermischt.In a further advantageous embodiment, the end of the valve element facing away from the sealing surface rests against a pressure piston which is guided in a guide bore in the housing and is provided by a piston sealing ring which seals the annular gap between the pressure piston and the guide bore. This seal prevents the fuel that is to be metered in by the fuel injector from possibly getting into the control chamber or mixing with the control medium.

Figurenlistecharacter list

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt

1 einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt und
2 die Anschlüsse des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors in einer schematischen Darstellung.

In the drawing, a fuel injector according to the invention is shown in longitudinal section. It shows

1 a fuel injector according to the invention in longitudinal section and
2 the connections of the fuel injector according to the invention in a schematic representation.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Der Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2, einen Anschlusskörper 3, einen Führungskörper 4 und einen Steuerventilkörper 5 umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander gasdicht anliegen. Dabei ist der Ventilkörper 2 mit einer Spannmutter 6 gegen den Anschlusskörper 3 verspannt, während der Anschlusskörper 3 gegen den Führungskörper 4 und der Führungskörper 4 gegen den Steuerventilkörper 5 mittels Spannelementen 7a und 7b verspannt sind. Im Ventilkörper 2 ist ein Druckraum 8 ausgebildet, der sich bis in den Anschlusskörper 3 erstreckt. Der Druckraum 8 kann über einen Kraftstoffzulauf 18 mit einem gasförmigen Brennstoff befüllt werden, der unter einem Eindüsdruck in den Druckraum 8 eingeleitet wird. Der Brennstoff tritt über eine Auslassöffnung 9 aus dem Druckraum 8 aus, der in dem in der Zeichnung unteren Bereich des Gehäuses 1 ausgebildet ist.In 1 a fuel injector according to the invention is shown in longitudinal section. The fuel injector has a housing 1, which includes a valve body 2, a connector body 3, a guide body 4 and a control valve body 5, which rest against one another in a gas-tight manner in this order. The valve body 2 is clamped against the connector body 3 with a clamping nut 6, while the connector body 3 is clamped against the guide body 4 and the guide body 4 is clamped against the control valve body 5 by means of clamping elements 7a and 7b. A pressure chamber 8 is formed in the valve body 2 and extends into the connection body 3 . The pressure chamber 8 can be filled via a fuel inlet 18 with a gaseous fuel, which is introduced into the pressure chamber 8 at an injection pressure. The fuel exits through an outlet opening 9 from the Pressure chamber 8, which is formed in the lower region of the housing 1 in the drawing.

Im Druckraum 8 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 10 längsverschiebbar angeordnet. Das Ventilelement 10 weist an seinem auslassseitigen Ende einen Ventilteller 13 auf, der durch die Auslassöffnung 9 hindurchragt und an dem eine Dichtfläche 14 ausgebildet ist, die dem Ventilkörper 2 zugewandt ist. Die Dichtfläche 14 wirkt mit einem am Ventilkörper 2 ausgebildeten Ventilsitz 15 zum Verschließen der Auslassöffnung 9 zusammen, wobei der Ventilsitz 15 die Auslassöffnung 9 umgibt. Das Ventilelement 10 ist mit einer Führungshülse 11 verbunden, die im Druckraum 8 an ihrer Außenseite geführt ist. Zwischen der Führungshülse 11 und einem Absatz im Druckraum 8 ist eine Schließfeder 12 unter Druckvorspannung angeordnet, die die Führungshülse 11 und damit das Ventilelement 10 in Schließrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt und den Ventilteller 13 gegen den Ventilsitz 15 drückt. Zur Durchleitung des Brennstoffs im Druckraum 8 sind in der Führungshülse 11 mehrere Durchlassöffnungen 17 ausgebildet.A piston-shaped valve element 10 is arranged in a longitudinally displaceable manner in the pressure chamber 8 . At its outlet-side end, the valve element 10 has a valve disk 13 which protrudes through the outlet opening 9 and on which a sealing surface 14 is formed which faces the valve body 2 . The sealing surface 14 interacts with a valve seat 15 formed on the valve body 2 to close the outlet opening 9 , the valve seat 15 surrounding the outlet opening 9 . The valve element 10 is connected to a guide sleeve 11 which is guided in the pressure chamber 8 on its outside. A closing spring 12 is arranged under compressive prestress between the guide sleeve 11 and a step in the pressure chamber 8 , which applies a closing force to the guide sleeve 11 and thus the valve element 10 in the closing direction and presses the valve disk 13 against the valve seat 15 . A plurality of passage openings 17 are formed in the guide sleeve 11 for conducting the fuel in the pressure chamber 8 .

Das Ventilelement 10 liegt mit seiner der Auslassöffnung 9 abgewandt Stirnseite an einem Druckkolben 20 an, der in einer Führungsbohrung 28 im Anschlusskörper 3 geführt ist. Der Druckkolben 20 ist ebenfalls längsbeweglich, wobei der Ringspalt zwischen dem Druckkolben 20 und der Führungsbohrung 28 durch zwei Druckkolbendichtringe 21 abgedichtet wird, die den Druckkolben 20 umgeben. Der Druckkolben 20 liegt seinerseits an einem ebenfalls längsbeweglichen Kolben 22 an, der in einer Kolbenbohrung 27 im Führungskörper 4 längsbeweglich geführt ist. Auch der Kolben 22 ist an seiner Außenseite von zwei Kolbendichtringen 23 umgeben, die denn Ringraum zwischen dem Kolben 22 und der Kolbenbohrung 27 abdichten.The valve element 10 rests with its end facing away from the outlet opening 9 on a pressure piston 20 which is guided in a guide bore 28 in the connection body 3 . The pressure piston 20 is also longitudinally movable, the annular gap between the pressure piston 20 and the guide bore 28 being sealed by two pressure piston sealing rings 21 which surround the pressure piston 20 . The pressure piston 20 in turn bears against a likewise longitudinally movable piston 22 which is guided in a longitudinally movable manner in a piston bore 27 in the guide body 4 . The outside of the piston 22 is also surrounded by two piston sealing rings 23 which seal the annular space between the piston 22 and the piston bore 27 .

Im Bereich zwischen dem Führungskörper 4 und dem Anschlusskörper 3, in dem der Kolben 22 am Druckkolben 20 anliegt, ist ein Entlastungsraum 24 ausgebildet, der über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Bohrung mit einer Ablaufleitung verbunden ist, so dass der Entlastungsraum 24 stets druckentlastet ist. Dadurch wird Kraftstoff oder Steuermedium abgeführt, das trotz der Dichtringe 21, 23 in den Ringspalt zwischen dem Kolben 22 und der Kolbenbohrung 27 beziehungsweise zwischen dem Druckkolben 20 und der Druckkolbenbohrung 28 eindringt, so dass eine Durchmischung des Steuermediums mit dem Brennstoff im Druckraum 8 verhindert wird. Der Inhalt des Entlastungsraums 24 kann beispielsweise einem Ansaugraum einer Brennkraftmaschine zugeführt und schließlich im Brennraum verbrannt werden.In the area between the guide body 4 and the connecting body 3, in which the piston 22 bears against the pressure piston 20, a relief chamber 24 is formed, which is connected to a discharge line via a bore, not shown in the drawing, so that the relief chamber 24 is always pressure-relieved . This discharges fuel or control medium which, despite the sealing rings 21, 23, penetrates into the annular gap between the piston 22 and the piston bore 27 or between the pressure piston 20 and the pressure piston bore 28, so that the control medium is prevented from mixing with the fuel in the pressure chamber 8 . The contents of the relief chamber 24 can be supplied to an intake chamber of an internal combustion engine, for example, and finally burned in the combustion chamber.

Der Kolben 22 begrenzt mit seiner der Auslassöffnung 9 abgewandten Stirnseite einen Steuerraum 25, der durch die Kolbenbohrung 27 und eine Zwischenplatte 26 begrenzt wird, wobei die Zwischenplatte 26 zwischen dem Steuerventilkörper 5 und dem Führungskörper 4 eingeklemmt ist. In der Zwischenplatte 26 ist eine Nut 44 und eine Bohrung 43 ausgebildet, die in eine Schrägbohrung 42 im Steuerventilkörper 5 mündet, so dass über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 der Steuerraum 25 mit dem Steuermedium befüllt oder auch entlastet werden kann. Zur Steuerung der Befüllung des Steuerraums 25 ist im Steuerventilkörper 5 ein elektromagnetisches Steuerventil 30 angeordnet, das einen Steuerventilkolben 31 umfasst, der in einer Steuerbohrung 34 im Steuerventilkörper 5 längsbeweglich geführt ist. Der Steuerventilkolben 31 ist mit einem Magnetanker 35 verbunden, der mit einem Elektromagneten 36 zusammenwirkt und den Steuerventilkolben 31 gegen die Kraft einer Steuerventilfeder 37 bewegt. Bei ausgeschaltetem Elektromagneten 36 drückt die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 gegen einen ersten Dichtsitz 32, so dass der Steuerventilkörper 31 den ersten Dichtsitz 32 verschließt und damit einen Zufluss von Steuermedium in den Steuerraum 25 verhindert.The piston 22 delimits a control chamber 25 with its end facing away from the outlet opening 9 , which is delimited by the piston bore 27 and an intermediate plate 26 , the intermediate plate 26 being clamped between the control valve body 5 and the guide body 4 . A groove 44 and a bore 43 are formed in the intermediate plate 26, which opens into an inclined bore 42 in the control valve body 5, so that the control chamber 25 can be filled with the control medium or relieved of pressure via the inclined bore 42, the bore 43 and the groove 44 . To control the filling of the control chamber 25 , an electromagnetic control valve 30 is arranged in the control valve body 5 , which includes a control valve piston 31 that is guided in a control bore 34 in the control valve body 5 so that it can move longitudinally. The control valve piston 31 is connected to a magnet armature 35 which interacts with an electromagnet 36 and moves the control valve piston 31 against the force of a control valve spring 37 . When the electromagnet 36 is switched off, the control valve spring 37 presses the control valve piston 31 against a first sealing seat 32 so that the control valve body 31 closes the first sealing seat 32 and thus prevents control medium from flowing into the control chamber 25 .

Neben dem ersten konischen Dichtsitz 32 wirkt der Steuerventilkolben 31 auch mit einem zweiten konischen Dichtsitz 33 im Steuerventilkörper 5 zusammen, wobei beide Dichtsitze 32, 33 mit entsprechenden Gegenflächen am Steuerventilkolben 31 zusammenwirken zum Öffnen und Schließen von zwei Strömungsquerschnitten. Dabei steuert der erste Dichtsitz 32 den Strömungsquerschnitt, durch den das Steuermedium durch die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25 fließt. Das Steuermedium wird dem Gehäuse 1 über einen Steuermedienzulauf 39 und eine Zulaufbohrung 40 zugeführt, von wo das Steuermedium beim geöffnetem ersten Dichtsitz 32 in einem Ventilraum 41 und von dort über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25 fließt. Durch den zweiten Dichtsitz 33 wird ein Strömungsquerschnitt vom Ventilraum 41 zu einer Ablaufbohrung 45 und zu einem Steuermedienrücklauf 46 auf- beziehungsweise zugesteuert.In addition to the first conical sealing seat 32, the control valve piston 31 also interacts with a second conical sealing seat 33 in the control valve body 5, with both sealing seats 32, 33 interacting with corresponding mating surfaces on the control valve piston 31 to open and close two flow cross sections. The first sealing seat 32 controls the flow cross section through which the control medium flows through the oblique bore 42, the bore 43 and the groove 44 into the control chamber 25. The control medium is fed to the housing 1 via a control medium inlet 39 and an inlet bore 40, from where the control medium flows into a valve chamber 41 when the first sealing seat 32 is open and from there via the inclined bore 42, the bore 43 and the groove 44 into the control chamber 25. The second sealing seat 33 opens or closes a flow cross section from the valve chamber 41 to a drain hole 45 and to a control medium return line 46 .

Wird der Elektromagnet 36 bestromt, so wird der Magnetanker 30 und damit auch der Steuerventilkolben 31 vom ersten Dichtsitz 32 weggezogen, so dass das Steuermedium in den Steuerraum 25 fließt. Wird die Bestromung des Elektromagneten 36 beendet, so drückt die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 gegen den ersten Dichtsitz 32 und öffnet den zweiten Dichtsitz 33. Dadurch wird eine Verbindung vom Ventilraum 41 in die Ablaufbohrung 45 geöffnet, so dass das Steuermedium aus dem Steuerraum 25 in den Steuermedienrücklauf 46 fließt und den Steuerraum 25 entlastet.If the electromagnet 36 is energized, the magnet armature 30 and thus also the control valve piston 31 are pulled away from the first sealing seat 32 so that the control medium flows into the control chamber 25 . If the energization of the electromagnet 36 is terminated, the control valve spring 37 presses the control valve piston 31 against the first sealing seat 32 and opens the second sealing seat 33. This opens a connection from the valve chamber 41 to the drain bore 45 so that the control medium can flow out of the Control chamber 25 flows into the control media return 46 and the control chamber 25 is relieved.

Der Kraftstoffinjektor funktioniert wie folgt: Soll der Kraftstoffinjektor gasförmigen Brennstoff abgeben, so wird der Elektromagnet 36 bestromt und zieht den Magnetanker 35 gegen die Kraft der Steuerventilfeder 37 an und bewegt dadurch auch den Steuerventilkolben 31 vom ersten Dichtsitz 32 weg. Daraufhin strömt Steuermedium vom Steuermedienzulauf 39 und durch die Zulaufbohrung 40 in den Ventilraum 41 und weiter über die Schrägbohrung 42, die Bohrung 43 und die Nut 44 in den Steuerraum 25. Das Steuermedium steht unter einem Steuerdruck von beispielsweise 200 bar (20 MPa) bis 300 bar (30 MPa). Durch die jetzt offene Verbindung baut sich dieser Druck im Steuerraum 25 auf und bewirkt eine hydraulische Kraft auf den Kolben 22 und damit auch auf den Druckkolben 20 und das Ventilelement 10, so dass das Ventilelement 10 gegen die Kraft der Schließfeder 12 in eine Öffnungsstellung gedrückt wird und dabei den Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 14 und dem Ventilsitz 15 aufsteuert. Daraufhin strömt Brennstoff aus dem Druckraum 8 in die Auslassöffnung 9 und wird beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeblasen. Zur Beendigung der Dosierung wird der Elektromagnet 36 stromlos geschaltet, worauf die Steuerventilfeder 37 den Steuerventilkolben 31 zurück in Anlage an den ersten Dichtsitz 32 drückt, was die Verbindung des Steuerraums 25 zum Steuermedienzulauf 39 unterbricht. Gleichzeitig wird der zweite Dichtsitz 33 aufgesteuert und eine Verbindung des Steuerraums 25 mit dem Steuermedienrücklauf 46 über die Ablaufbohrung 45 aufgesteuert, so dass das Steuermedium aus dem Steuerraum 25 abfließt und der Druck im Steuerraum 25 entsprechend gemindert wird. Da jetzt die hydraulische Öffnungskraft durch den Steuerraum 25 entfällt, drückt die Schließfeder 12 das Ventilelement 10 zurück in die Schließstellung in Anlage an der Ventilsitz 15.The fuel injector works as follows: If the fuel injector delivers gaseous fuel, the electromagnet 36 is energized and pulls the magnet armature 35 against the force of the control valve spring 37 and thereby also moves the control valve piston 31 away from the first sealing seat 32. Control medium then flows from the control medium inlet 39 and through the inlet bore 40 into the valve chamber 41 and further via the inclined bore 42, the bore 43 and the groove 44 into the control chamber 25. The control medium is under a control pressure of, for example, 200 bar (20 MPa) to 300 bar (30 MPa). Due to the now open connection, this pressure builds up in the control chamber 25 and causes a hydraulic force on the piston 22 and thus also on the pressure piston 20 and the valve element 10, so that the valve element 10 is pressed against the force of the closing spring 12 into an open position and thereby the flow cross section between the sealing surface 14 and the valve seat 15 is controlled. Fuel then flows out of the pressure chamber 8 into the outlet opening 9 and is blown into a combustion chamber of an internal combustion engine, for example. To end the dosing, the electromagnet 36 is de-energized, whereupon the control valve spring 37 presses the control valve piston 31 back into contact with the first sealing seat 32, which interrupts the connection of the control chamber 25 to the control medium inlet 39. At the same time, the second sealing seat 33 is opened and a connection between the control chamber 25 and the control medium return 46 is opened via the drain hole 45, so that the control medium flows out of the control chamber 25 and the pressure in the control chamber 25 is correspondingly reduced. Since there is now no hydraulic opening force from the control chamber 25, the closing spring 12 presses the valve element 10 back into the closed position in contact with the valve seat 15.

2 zeigt in schematischer Darstellung die Versorgung des Kraftstoffinjektors mit dem Steuermedium und dem Brennstoff. Das Gehäuse 1 ist mit einer Steuermedienpumpe 50 verbunden, die verdichtetes Steuermedium aus einem Steuermedientank 54 über eine Leitung 52 über den Steuermedienrücklauf 39 in das Gehäuse 1 leitet, wie in 1 gezeigt. Der Rücklauf des Steuermediums aus dem Steuerraum 25 geschieht über eine mit dem Steuermedienrücklauf 46 verbundene Ablaufleitung 53, von wo das Steuermedium zurück in den Steuermedientank 54 fließt. Der Brennstoff gelangt aus einem Brennstoffbehälter 56, in dem der Brennstoff unter einem Einblasdruck vorgehalten wird, über eine in den Kraftstoffzulauf 18 mündende Brennstoffleitung 57 in den Kraftstoffinjektor. Der aus der Auslassöffnung 9 austretende Brennstoff 58 ist im unteren Bereich der 2 angedeutet. Die Steuerung des Elektromagneten geschieht über ein Steuergerät 60, das über elektrische Leitungen 61 mit dem Elektromagneten 36 verbunden ist und durch das entsprechende Ströme durch den Elektromagneten 36 gesteuert werden. 2 shows a schematic representation of the supply of the fuel injector with the control medium and the fuel. The housing 1 is connected to a control medium pump 50, which directs compressed control medium from a control medium tank 54 via a line 52 via the control medium return 39 into the housing 1, as shown in FIG 1 shown. The control medium is returned from the control chamber 25 via a discharge line 53 connected to the control medium return 46 , from where the control medium flows back into the control medium tank 54 . The fuel reaches the fuel injector from a fuel tank 56, in which the fuel is stored under an injection pressure, via a fuel line 57 opening into the fuel inlet 18. The fuel 58 emerging from the outlet opening 9 is in the lower area 2 implied. The electromagnet is controlled via a control unit 60 which is connected to the electromagnet 36 via electrical lines 61 and by means of which the corresponding currents through the electromagnet 36 are controlled.

Alternativ zu dem in der in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor kann es auch vorgesehen sein, dass der Druckkolben 20 und der Kolben 22 einstückig ausgebildet sind oder fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ventilelement 10 einstückig mit dem Druckkolben 20 ausgebildet ist oder fest mit diesem verbunden ist, vorzugsweise ebenfalls durch eine Schweißverbindung oder eine andere stoff- oder formschlüssige Verbindung.As an alternative to the one in the in 1 illustrated fuel injector, it can also be provided that the pressure piston 20 and the piston 22 are formed in one piece or are firmly connected to each other, for example by a welded joint. It can also be provided that the valve element 10 is formed in one piece with the pressure piston 20 or is firmly connected to it, preferably also by a welded connection or another material or form-fitting connection.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102014234344 A1 [0002]

Claims

Fuel injector for metered dispensing of gaseous fuel, which has a housing (1) with a valve body (2), in which a pressure chamber (8) that can be filled with fuel is formed, which has an outlet opening (9) for dispensing the fuel and in which a piston-shaped valve element (10), wherein the valve element (10) can be moved in the longitudinal direction against the force of a closing spring (12) and an inwardly directed sealing surface (14) is formed on the outlet-side end of the valve element (10), which is provided with a valve seat (15) on the valve body (2), so that a flow cross-section is released by an outwardly directed longitudinal movement of the valve element (10), characterized in that a control chamber (25) is formed in the housing (1), which is filled with a control medium a control pressure and which is limited by the end face of a piston (22), the hydraulic pressure on the piston (22) exerting an opening force acting at least indirectly on the valve element (10) in the opening direction.

fuel injector after claim 1 , characterized in that the control chamber (25) is connected to a control valve (30), the control valve (30) opening and closing a connection to a control medium inlet (39).

fuel injector after claim 2 , characterized in that the control valve (30) is designed as a 3/2-way valve which, in a first switching position, connects the control chamber (25) to the control medium inlet (39) and, in a second switching position, connects the control chamber (25) to a control medium return ( 46).

fuel injector after claim 3 , characterized in that the control valve (30) has a longitudinally movable control piston (31), which in the first switching position has a first sealing seat (32) for interrupting the connection to the control medium inlet (39) and in the second switching position has a second sealing seat (33 ) to interrupt the connection to the control media return (46).

fuel injector after claim 4 , characterized in that the control valve piston (31) is connected to a magnet armature (35) which interacts with an electromagnet (36).

fuel injector after claim 4 or 5 , characterized in that the control valve piston (31) is prestressed against the first sealing seat (32) by a control valve spring (37).

Fuel injector according to any of Claims 1 until 6 , characterized in that the piston (22) is guided in a piston bore (27) in the housing (1), a sealing ring (23) being attached to the outside of the piston (22) which seals the annular gap between the piston bore (27) and the piston (22) seals.

fuel injector after claim 7 , characterized in that the piston (22) rests at least indirectly on the end face of the valve element (10), the piston (22) being surrounded by a relief space (24).

fuel injector after claim 8 , characterized in that the relief space (24) is connected to an intake manifold of an internal combustion engine.

Fuel injector according to any of Claims 7 until 9 , characterized in that the end of the valve element (10) facing away from the sealing surface (14) bears against a pressure piston (20) which is guided in a guide bore (28) in the housing and is surrounded by a piston sealing ring (23) which Annular gap between the pressure piston and the guide bore seals.