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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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

Tabelle 1 : Massen- und volumenspezifischer Heizwert von Diesel und Wasserstoff

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden oder abzumildern. Insbesondere problematisch ist, dass bei einer Einblasung von Gas aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu bisher verwendeten flüssigen Kraftstoffen größere Strömungsquerschnitte benötigt werden, wodurch sich auch der Hub, den der Magnetaktuator zum Öffnen- bzw. Entdrosseln des Gasventils vollziehen muss, erhöht. Da die Magnetkraft indirekt proportional zum Quadrat des Abstandes ist, muss ein deutlich stärkeres Magnetfeld erzeugt werden, damit der Magnetaktuator zuverlässig bei allen Einsatzbedingungen schalten kann. Dies verursacht zwangsläufig einen höheren Energieeintrag in die Aktuatoreinheit, bei der die unter anderem durch Wirbelströme, Leitungswiderstände, Reibung oder dergleichen verursachten Verluste in Form von Wärme abgeführt werden müssen. Durch den Einsatz von gasförmigen Kraftstoffen ist auch die Kühlwirkung, die sonst bei flüssigen Kraftstoffen auftritt, nicht in dem gewohnten Umfang gegeben und kann nicht zum Kühlen der Aktuatoreinheit herangezogen werden. Im Ergebnis führt dies zu einem Ansteigen der Temperatur der Bauteile des Injektors, die sich nachteilig auf die Dauerfestigkeit und Leistungsfähigkeit auswirkt.

Es ist demnach ein Ziel der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführte Problematik zu überwinden oder abzumildern, um die Aktuatorleistungsdichte, die Aktuatorleistungsdynamik bzw. die Lebensdauer des Aktuators nicht negativ durch thermische Probleme zu beeinflussen.

Dies gelingt mit einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff, vorzugsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, im Besonderen Wasserstoff, umfasst eine Kraftstoffzuleitung zum Einführen eines unter hohen Druck stehenden, insbesondere gasförmigen Kraftstoffs, und ein Aktivventil, das aktiv schaltbar ist und dazu ausgelegt ist, eine Strömungsverbindung von der Kraftstoffzuleitung zu einem Bereich stromabwärts des Aktivventils freizugeben oder zu unterbrechen, wobei das Aktivventil einen Aktuator aufweist, der dazu ausgelegt ist, einen in dem Injektor hin- und herbewegbaren Anker des Aktivventils aus seiner Schließstellung zu heben. Der Injektor ist dadurch gekennzeichnet, dass der den Aktuator aufnehmende Gehäuseabschnitt des Injektors an seiner Außenkontur mindestens ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Abstreifelement aufweist, um in Zusammenwirkung mit einem Einbauraum für den Injektor ein ungewolltes Kriechen einer außenumfangsseitig am Gehäuseabschnitt auftragbaren Wärmeleitpaste zu verhindern.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass an der Außenumfangsseite des Injektors, im Bereich des Aktuators zum Betätigen des Aktivventils, ein Abstreifelement vorgesehen ist, dass das Aufbringen einer Wärmeleitpaste über den Einsatzzeitraum des Injektors hinweg ermöglicht.

In Zusammenwirkung mit einem Einbauraum des Injektors erfolgt damit eine Ableitung der Wärme über das Aktuatorgehäuse nach außen hin. Das Abstreifelement ist dabei von Vorteil, da die Wärmeleitpaste auch über einen längeren Betriebszeitraum des Injektors an dem gewünschten Bereich gehalten wird. Das Abstreifelement verhindert ein Kriechen/Abfließen der Wärmeleitpaste und sorgt dafür, dass die Wärmeleitpaste an dem Ort verbleibt, an dem die maximale Temperatur des Injektors auftritt. Die Wärmeleitpaste unterstützt die Wärmeableitung weg von dem Injektor in einen den Injektor umgebenden Bauraum, beispielsweise einen Motorblock bzw. einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine.

Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Abstreifelement in Umfangsrichtung durchgängig ausgebildet ist und vorzugsweise den Gehäuseabschnitt vollumfänglich umgibt.

Weiter kann vorgesehen sein, dass das Abstreifelement ein Ring, vorzugsweise ein O-Ring, oder eine Dichtlippe ist, der/die vorzugsweise in einer umfangsseitig verlaufenden Nut des Gehäuseabschnitts eingelegt ist.

Das Abstreifelement kann aus einem weichelastischen Material bestehen oder ein solches umfassend, beispielsweise ein Elastomer. Setzt man den Injektor in einen entsprechend dimensionierten Einbauraum ein, kann das Abdichtelemente an seinem Außenumfang mit dem Einbauraum in Kontakt treten und vorzugsweise leicht deformiert werden. Dadurch ergibt sich eine für die Wärmeleitpaste nicht durchlässige Verbindung, sodass auch ein Kriechen der Wärmeleitpaste über das Abstreifelement hinweg nicht möglich ist.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Abstreifelement, insbesondere der Ring oder die Dichtlippe in Radialrichtung aus der Nut hervorsteht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Gehäuseabschnitt an seiner Außenseite einen Bereich zum Aufträgen einer Wärmeleitpaste aufweist, der zum einen durch das Abstreifelement und zum anderen durch eine in Längsrichtung dazu in Richtung Kraftstoffzuleitung versetzt angeordnete flanschartige Auskragung definiert ist, vorzugsweise wobei die flanschartige Auskragung durch eine stufenartige Querschnittsvergrößerung des Gehäuses umgesetzt ist. Auch kann vorgesehen sein, dass die flanschartige Auskragung vollumfänglich ausgebildet ist. Durch das Abstreifelement und die flanschartige Auskragung, insbesondere die stufenartige Querschnittsvergrößerung an der Außenseite des Injektors bzw. dem Gehäuseabschnitt, der den Aktuator umfangsseitig umschließt, ist ein Bereich definiert, der auf der einen Seite durch das Abstreifelement und auf der anderen Seite durch die stufenartige Querschnittsvergrößerung begrenzt ist. Da das Abstreifelement in Radialrichtung von der Außenseite des Gehäuseabschnitts vorsteht und auch die stufenartige Querschnittsvergrößerung radial vorspringend ausgebildet ist, findet sich zwischen der stufenartigen Querschnittsvergrößerung und dem Abstreifelement ein radial dazu vertiefter Bereich, in dem das Aufträgen der Wärmeleitpaste einfach möglich ist.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Injektor oder das Gehäuse, welches den Aktuator umfangsseitig umgibt, rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch ausgebildet ist.

Alternativ dazu kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Gehäuseabschnitt an seiner Außenseite einen Bereich zum Aufträgen einer Wärmeleitpaste aufweist, der durch zwei in Längsrichtung des Injektors voneinander beabstandet angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende Abstreifelemente definiert ist. Anstelle der stufenartig nach außen ragenden Auskragung wird beispielsweise ein weiteres Abstreifelement verwendet, welches zu dem ersten Abstreifelement in der Längsrichtung des Injektors versetzt angeordnet ist. Im Zwischenbereich der beiden Abstreifelemente, der ebenfalls gegenüber den radialen Spitzen der Abstreifelemente in Radialrichtung abgesenkt ist, lässt sich auf einfache Art und Weise ausreichend Wärmeleitpaste anbringen.

Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass der Bereich zum Aufträgen einer Wärmeleitpaste sich in Längsrichtung über die gesamte Längsausdehnung des Aktuators bzw. des Betätigungselements des Aktuators, insbesondere einer Spule erstreckt. Da die abzuführende Wärme insbesondere vom Aktuator bzw. dessen Betätigungselement ausgeht, ist es von Vorteil, wenn der Bereich zum Aufbringen der Wärmeleitpaste diesen umfangsseitig vollflächig umschließt. Als Betätigungselement für den Aktuator kommt insbesondere eine Spulenanordnung in Betracht, die dazu ausgelegt ist, einen in Schließstellung vorgespannten Anker mittels Magnetkraft abzuheben.

Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Abstreifelement in Längsrichtung des Injektors gesehen auf Höhe unterhalb oder am unteren Ende des Aktuators oder eines Betätigungselement des Aktuators, insbesondere einer Spule, angeordnet ist, um einen Bereich zum Aufbringen einer Wärmeleitpaste zu bilden, der sich mindestens bis zu einem unteren Ende des Aktuators bzw. des Betätigungselements erstreckt.

Ferner kann nach einer weiteren Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Aktuator eine Spule umfasst oder ist, die dazu ausgelegt ist, bei einer Bestromung ein Magnetfeld zu erzeugen, um den Anker des Aktivventils aus seiner Schließstellung zu heben. In der Regel geht die abzuführende Wärme von der Spule oder den ferromagnetischen Bauteilen in unmittelbarer Nähe der Spule aus, da hier ein Strom fließt (aufgrund des gezielten Bestromung der Spule oder aufgrund der durch Magnetfelder induzierten Wirbelströme).

Dabei kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn das Abstreifelement an einem Eisenrückschluss der Spule angeordnet ist. Der Eisenrückschluss dient typischerweise dazu, das von der Spule ausgehende Magnetfeld durch ein ferromagnetisches Material zu führen. Vorteilhafterweise kann auch die zum Einsetzen des Abstreifelements vorsehbare Nut in der Außenseite des Eisenrückschlusses vorgesehen sein.

Die Erfindung betrifft ferner ein System umfassend einen Zylinderkopf mit einem Einbauraum für einen Kraftstoffinjektor und einen Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Zwischenbereich des Einbauraums und des darin aufgenommenen Injektors eine Wärmeleitpaste auf Höhe des Aktuators vorgesehen ist, um die bei Betätigung des Aktuators auftretende Wärme effektiv in den Zylinderkopf abzuleiten.

Die im Zwischenbereich von Außenseite des Injektors und Innenseite des Einbauraums angeordnete Wärmeleitpaste verbessert die Wärmeleitfähigkeit und sorgt für eine ausreichende Kühlung des Aktuators in dem Injektor über eine Wärmeabgabe an den Zylinderkopf.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitpaste in Längsrichtung des Injektors direkt oberhalb des Abstreifelements angebracht ist, und ein Kriechen der Wärmeleitpaste durch einen Kontakt des Abstreifelements mit dem den Injektor aufnehmenden Bauraum unterbunden ist, vorzugsweise wobei der Kontakt des Abstreifelements mit dem Bauraum in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet ist.

Ist das Abstreifelement umfangsseitig durchgehend mit dem Einbauraum (Zylinderkopf) für den Injektor in Kontakt, so gibt es für die Wärmeleitpaste keine Möglichkeit über das Abstreifelement hinweg zu fließen. Schließlich bildet das Abstreifelement zusammen mit der Innenseite des Einbauraums eine Barriere, die so ausgebildet ist, dass unter normalen Nutzungsbedingungen die Wärmeleitpaste diese nicht überwinden kann.

Weiter kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass in Längsrichtung zum Abstreifelement in Richtung Kraftstoffzuleitung versetzt das Gehäuse eine flanschartige Auskragung, insbesondere eine stufenartige Querschnittsvergrößerung aufweist, die als Anschlag zum Einführen des Injektors in den Bauraum dient und im Zusammenspiel mit dem in Richtung Injektorauslass in Längsrichtung nach unten versetzt angeordneten Abstreifelement einen Bereich definiert, in dem die Wärmeleitpaste angeordnet ist. Die stufenartige Querschnittsvergrößerung des Injektors kann dabei die maximale Einbringtiefe des Injektors in den Einbauraum definieren. Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Bereich, in dem die Wärmeleitpaste angeordnet ist, den Aktuator des Injektors insbesondere eine Spule, vorzugsweise entlang dessen vollständiger Längsausdehnung, umfangsseitig umgibt, vorzugsweise vollumfänglich umfangsseitig umgibt.

Die Erfindung betrifft zudem eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung, insbesondere mit einer Gas-Direkteinspritzung, im Besonderen mit einer Wasserstoff-Direkteinspritzung, umfassend einen Injektor nach einer der vorhergehenden diskutierten Varianten oder ein System aus Zylinderkopf und Injektor nach einer der vorhergehenden diskutierten Varianten

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Injektor geschaffen, der die Erhöhung der maximalen Leistungsdichte des Aktuators aufgrund einer verbesserten Wärmeableitung erlaubt, ohne dass dafür Veränderungen oder Vergrößerung an dem Einbauraum für den Injektor erforderlich wären. Auch die typischerweise mit der Verwendung von Wärmeleitpaste in Verbindung stehenden Nachteile werden mit der Erfindung abgemildert oder überwunden, da beispielsweise auch nach einer Demontage keine Wärmeleitpaste mehr im Zylinderkopf händisch mehr entfernt werden muss und das Kriechen von Wärmeleitpaste in den unteren Zylinderraum während des Betriebs des Injektors verhindert wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Schnittansicht eines Injektors nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2: eine Darstellung verschiedener Zustände von Bauteilen und Drücken in dem Injektor, und

Fig. 3a-b: Darstellungen zur Handhabung des Erfindungsgemäß Injektors gegenüber einem herkömmlichen Injektor. Die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung der Fig. 1 wird anhand eines Injektors zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs erläutert, wobei dem Fachmann aber klar ist, dass von der Erfindung ebenfalls ein Injektor zum Einspritzen eines anderen, bspw. flüssigen Kraftstoffs umfasst ist.

Fig. 1 zeigt dabei einen Längsschnitt eines Injektors 1 zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, beispielsweise Wasserstoff, in einen Brennraum. Der Injektor 1 besitzt dabei ein Injektorgehäuse, in dem sich unterschiedliche Komponenten des Injektors 1 befinden. Anschlussseitig ist eine Kraftstoffzuleitung 2 zum Einführen eines Kraftstoffs in den Injektor 1 vorgesehen. Zunächst wird dabei der Kraftstoff oder ein anderes brennbares Fluid (beispielsweise ein Wasserstoff) durch eine etwa zentral im Injektorgehäuse verlaufende Bohrung eines Deckels 16 und im Anschluss daran durch einen Fluidkanal eines Ankergegenstücks 19, einer Durchgangsöffnung der Ankerbasis 23 und dem hohlen Inneren des Ankers 7, das manchmal auch Hohlnadel oder einfach nur Nadel genannt wird, zu dem von der Anschlussseite entfernten Ende des Ankers 7 geleitet.

Abhängig von der Stellung des Ankers 7 gegenüber der Ventilplatte 5 sind die die Ventilplatte 5 durchstoßenden Öffnungen A1 verschlossen oder freigegeben. In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand sind die Durchgänge A1 durch das Anpressen des Ankers 7 gegen die Ventilplatte 5 verschlossen, da die Stirnseite des Ankers 7 die Öffnungskonturen der Durchgänge A1 abdeckt. Zum Verbessern der Dichtheit können Dichtelemente 25 vorgesehen sein, die um die Öffnungskonturen der Durchgänge A1 herum verlaufen und in einem abdichtenden Zustand die Stirnseite des Ankers 7 kontaktieren. Sind die Durchgänge A1 durch die Stirnseite des Ankers 7 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 5.

Sind die Durchgänge A1 hingegen freigegeben, was durch ein Abheben des Ankers 7 weg von der Ventilplatte 5 umgesetzt wird, strömt der mit einem gewissen Druck in den Injektor 1 eingeführte Kraftstoff aus und tritt über die mehreren Durchgänge A1 auf der von dem Anker 7 beabstandeten Seite der Ventilplatte 5 aus. Nach Durchströmen eines Passivventils 4, das in dem Injektor 1 vorgesehen ist, strömt der unter Druck stehende Kraftstoff durch die Einblaskappe 28 aus dem Injektor aus. Nach einem Durchströmen der Einblaskappe 28 befindet sich dann der durch den Injektor 1 abgegebene Kraftstoff typischerweise außerhalb des Injektors 1 in einem Brennraum. Zudem findet in dem Brennraum 16 typischerweise eine Komprimierung des Kraftstoffs statt, wo der Kraftstoff sich dann entzündet bzw. entzündet wird.

Das Passivventil 4, das auf der vom Anker 7 abgewandten Seite der Ventilplatte 5 liegt, dient dazu, einen im Brennraum herrschenden sehr hohen Druck vom Anker 7 fernzuhalten. Anderenfalls könnte es passieren, dass der sehr hohe im Brennraum herrschende Druck auf den Anker 7 wirkt und diesen aus seiner den mindestens einen Durchgang A1 schließenden Position wegbewegt. In einem darauffolgenden Arbeitsschritt des Injektors 1 würde dann nicht mehr der zum Verbrennen erforderliche Kraftstoff in den Brennraum eingeleitet werden, sondern ein bereits zumindest teilweise verbranntes Gemisch, was zu einem Unterbrechen des Verbrennvorgangs oder bestenfalls zu einer geringeren Leistung des Verbrennvorgangs führen kann.

Das Passivventil 4 weist dabei einen Ventilstößel 6, eine Ventilführung 27 und eine Ventilfeder 10 auf, die den Ventilstößel 6 in eine Schließrichtung drängt, sodass ein Ausströmen von Kraftstoff über die Öffnungskontur A2 des Passivventils 4 nur dann auftritt, wenn auf der zur Ventilplatte 5 zugewandten Seite des Passivventils 4 ein Druck herrscht, der mindestens um die von der Ventilfeder 10 ausgeübte Rückstellkraft des Ventilstößel 6 größer ist als der auf der von dem Passivventil 4 zur Ventilplatte 5 abgewandten Seite herrschende Druck. Ein Einströmen eines Fluids von der zum Brennraum zugewandten Seite des Passivventils 4 wird dadurch verhindert.

Der Anker 7 ist in der Längsrichtung des Injektors 1 hin- und herbewegbar. Die Bewegung des Ankers 7, der einstückig oder aus einer Ankerbasis 23 und einer Ankerspitze (auch Nadel oder Hohlnadel genannt) bestehen kann, wird dabei über ein Aktivventil 3 gesteuert, das in der vorliegenden Darstellung der Fig. 1 ein Magnetventil ist. Der Anker 7 ist dabei so ausgestaltet, dass er auf die von einer Spule 8 erzeugte Magnetkraft reagiert. Die Spule 8 kann dabei wahlweise so von Strom durchflossen sein, dass die dabei entstehende magnetische Kraft den Anker 7 in Richtung des Kraftstoffanschlusses 2 bewegt. Durch diese Bewegung kommt es zu einem Anheben des Ankers 7 gegenüber der Ventilplatte 5. Dadurch werden die Durchgänge A1 in der Ventilplatte 5 freigegeben, sodass die Ventilplatte 5 von Kraftstoff durchströmt werden kann.

Für eine präzise Führung des Ankers 7 entlang der Längsachse des Injektors bzw. kann eine Ankerführung 24 vorgesehen sein, die eine Außenseite des Ankers 7 umfangsseitig umschließt.

Zwischen dem Anker 7 und dem Ankergegenstück 19 ist ein Luftspalt 22 vorgesehen, der bei einer Bestromung der Spule 8 geschlossen bzw. verringert wird.

Um den magnetischen Fluss 12 bei einer Umsetzung des Aktivventils 3 als Magnetventil zu verbessern, kann die Spule 8 an ihrer umfangsseitigen Außenseite von einem Eisenrückschluss 21 umgeben sein, in dem sich das Magnetfeld besonders gut ausbreiten kann. Ähnlich verhält es sich mit dem direkt das Ankerelement 5 und das Ankergegenstück 27 umgebenden Gehäusebestandteil, das ebenfalls vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material besteht. So kann es von Vorteil sein, wenn das Polrohr 18, das ein Bestandteil des Injektorgehäuses 2 darstellt, ebenfalls aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material ist. Dasselbe gilt auch für das Ankergegenstück 19, das vorteilhafterweise ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht.

Eine visualisierte Darstellung der magnetischen Feldlinien 12 ist jeweils durch die gepunktete, geschlossene Linie illustriert, die kreisförmig um die Spule herum verläuft. Durch die Magnetkraft wird das Ankerelement 7 (zusammen mit der Ankerbasis 23) hin zum Ankergegenstück 19 gezogen und so von der Ventilplatte 5 bzw. von den die Ventilplatte 5 durchbrechenden Durchgängen A1 abgehoben, sodass es zu einem Einströmen von Kraftstoff hin zum Passivventil kommen kann, von wo aus Kraftstoff schlussendlich über die Einblaskappe 28 in den Brennraum eingeleitet wird.

Fig. 2 zeigt das prinzipielle Verhalten des Injektors 1 während einer Einblasung. In Ausgangsstellung zum Zeitpunkt t ₀ am unteren Totpunkt (UT) des Zylinderkolbens werden Anker 7 und Ventilstößel 6 durch die vorgespannte Ankerfeder 17 bzw. Passivventilfeder 10 in ihrem jeweiligen Anschlag gedrückt und verschließen die Drosselstellen A1 bzw. A2, welche den Nadelraum mit dem Ventilraum bzw. den Ventilraum mit dem Einblasraum im geöffneten Zustand von Anker 7 bzw. Ventilstößel 6 verbinden. Der Druck im Injektor 1 entspricht dem Druck in der Zuleitung, der Druck im Brennraum sowie im Einblasraum entspricht dem Ladedruck während der Ansaugphase des Zylinderkolbens, in der Frischluft über die Einlassventile in den Brennraum angesaugt wird. Der Druck im Ventilraum entspricht in etwa dem Brennraumdruck und hängt u.a. von der Ankerfeder 17, dem Druck im Brennraum während der Phase des Ausstoßens der heißen Verbrennungsgase über die Auslassventile des Brennraums und ggf. vorangehender Einblasungen ab. Die Funktionsdarstellung folgt im Folgenden vereinfacht und ohne Berücksichtigung des Ladungswechsels durch Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile des Brennraums.

Zum Zeitpunkt wird vom Ansteuergerät ein Spannungssignal über die elektrischen Kontakte an die Spule 8 des Aktuators angelegt, so dass der Strom F1 im elektrischen Kreis bis auf ein definiertes Endniveau ansteigt. Die stromdurchflossene Spule 8 induziert ein magnetisches Feld 12 im Aktuator, dessen Magnetfeldlinien sich torusförmig um die Spule herum ausbreiten (siehe Fig. 1 ). Durch das magnetische Feld 12 wird eine Magnetkraft F2 im Luftspalt zwischen Anker 7 und Ankergegenstück 19 aufgebaut, wodurch zum Zeitpunkt t ₂ der Anker 7 zum Ankergegenstück 19 angezogen wird, sobald die Magnetkraft F2 die Schließkraft (Summe aus Vorspannkraft der Ankerfeder 17 und Druckkräften auf den Anker 7) übertrifft. Der Aufbau des Magnetfeldes und damit der Magnetkraft F2 wird dabei durch Wirbelströme in den Eisenteilen des Magnetkreises verzögert. Der Anker 7 ist einteilig oder fest mit der Ankerbasis 23 verbunden, so dass sich der Anker 7 gleichförmig mit dem Ankerhub (oder auch: Nadelhub) F3 bewegt. Sobald das Dichtelement 25 auf der Ventilplatte 5 zum Zeitpunkt t ₃ nicht mehr in Kontakt mit der Stirnfläche des Ankers 7 ist, wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum freigegeben, so dass der Kraftstoff vom Nadelraum in den Ventilraum strömt. Dadurch erhöht sich der Druck im Ventilraum. Sobald die Druckdifferenz von Ventilraum zu Einblasraum einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 6 in gleicher Höhe wie der Vorspannkraft der Ventilfeder 10 entspricht, öffnet das Passivventil 4, d. h. der Ventilstößel 6 bewegt sich entlang eines Ventilstößelhubs F4 vom Sitz weg und gibt die Verbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum frei, so dass Kraftstoff vom Ventilraum in den Einblasraum strömt. Dadurch kommt es zu einem Druckanstieg im Einblasraum (vgl. F8: Druck im Einblasraum). Der Kraftstoff strömt stromab weiter durch die Öffnung(en) A3 in der Einblaskappe 28 in die Brennkammer. Die Einblaskappe 28 ist dabei so gestaltet, dass die Strömung in einem definierten Zustand (Strahlorientierung, Eintrittsimpuls, Strahlbild, etc.) in den Brennraum eingebracht werden kann. Der geöffnete Zustand von Anker 7 und Ventilstößel 6 wird während der gesamten restlichen Bestromungsphase beibehalten. Das Stromniveau kann (z.B. durch ein PWM-Spannungssignal) reduziert werden, sobald der Anker 7 vollständig geöffnet ist und ein mögliches Prellen nicht zu einem Schließen des Ankers 7 führt. Während der Einblasung befindet sich der Zylinder des Motors in der Kompressionsphase, so dass der Brennraumdruck F5 stetig ansteigt.

Um den Einblasvorgang zu beenden, wird die Spannungsversorgung durch das Steuergerät beendet, so dass der Strom F1 durch die Spule 8 bis auf null reduziert wird (Zeitpunkt t ₄ ). Aufgrund der Wirbelströme zeitlich verzögert baut sich auch die Magnetkraft F2 ab. Sobald die Magnetkraft F2 geringer ist als die Summe aus der Schließkraft der Ankerfeder 17 und den hydraulischen Kräften auf den Anker 7, beginnt sich der Anker 7 gleichförmig zu schließen (Zeitpunkt t ₅ ); vgl. auch F3, F4. Trifft die Stirnseite des Ankers 7 auf das Dichtelement 25 der Ventilplatte 5, so wird die Verbindung zwischen Nadelraum und Ventilraum getrennt und der Kraftstofffluss vom Nadelraum in den Ventilraum unterbrochen (Zeitpunkt t ₆ ). Damit sinkt der Druck im Ventilraum F7. Wenn die Druckdifferenz vom Ventilraum F7 zum Einblasraum F8 einer Kraftdifferenz auf den Ventilstößel 6 in gleicher Höhe wie der Ventilfederkraft entspricht, bewegt sich der Ventilstößel 6 zurück in seine Schließposition am Ventilsitz 27 und wird durch den zunehmenden Druck F5 im Brennraum und damit im Einblasraum gegen den Sitz 27 gedrückt, so dass die Kraftstoffverbindung zwischen Ventilraum und Einblasraum (ggf. nach einer Phase des Prellens des Stößels am Ventilsitz 27) unterbrochen wird (Zeitpunkte t ₆ - t ₇ ). Der Einblasvorgang ist damit abgeschlossen. Während der weiteren Kompressionsphase des Brennraums bis zum oberen Totpunkt (OT) im Zeitraum t ₇ - t ₈ wird das Luft- Brennstoffgemisch im Einblasraum komprimiert, während es in der anschließenden Expansionsphase entspannt (Zeitraum t ₈ - 1 ₉ ), wobei der weitere zwischenzeitliche Anstieg des Brennraumdrucks F5 aufgrund von Verbrennung der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist. Sinkt der Druck im Brennraum so weit ab, dass die Differenz aus Druckkräften auf den Ventilstößel 6 der Vorspannkraft der Ankerfeder 17 entspricht (Zeitpunkt t ₉ ), so öffnet sich der Ventilstößel 6 kurzzeitig erneut, so dass ein Teil des im Ventilraum vorhandenen Kraftstoffs in den Brennraum entweicht. Dieser Vorgang ist abhängig von der Federkraft und kann in wiederholtem Male auftreten (Zeitraum t ₉ - 1 ₁₀ ).

Der jeweilige Massenstrom des Kraftstoffs über die Durchgänge A1 der Ventilplatte 5, die Durchgänge A2 des Stößels 6 und die und die Durchgänge A3 der Einblaskappe 28 ist dabei mit F9, F10 bzw. F11 angegeben.

Die Besonderheit der vorhandenen Erfindung ist, dass der Injektor 1 der Fig. 1 in der Außenkontur des Gehäuses bzw. des Gehäuseabschnittes, das die Aktuatoreinheit 9 umgibt, eine Wärmeleitpaste 13 aufweist. Diese dient dazu, um in Zusammenwirkung mit einem Einbauraum des Injektors 1 eine effektive Wärmeableitung von dem Injektor 1 weg zu ermöglichen.

Der Bereich zum Aufträgen der Wärmeleitpaste 13 ist dabei nach unten hin (also zur Auslassöffnung A3 des Injektors 1 ) durch ein Abstreifelement 11 begrenzt, das in der dargestellten Ausführung ein das Gehäuse umfangsseitig umgebender O-Ring ist. Dieser ist dabei in einer Nut 14 angeordnet, der den O-Ring in seiner Position hält. Alternativ dazu können auch andere Ausgestaltungen des Abstreifelements 11 vorgesehen sein, beispielsweise eine an der Umfangsseite des Injektors 1 angeordnete Dichtlippe oder dergleichen.

Da der O-Ring radial nach außen absteht, wird bei einer Orientierung des Injektors 1 nach unten, bei der die Auslassöffnung A1 also unterhalb der Kraftstoffzuführöffnung 2 angeordnet ist, einem Kriechen der Wärmeleitpaste 13 nach unten entgegengewirkt. Wirkt dabei das Abstreifelement 11 noch mit einer Wand eines Einbauraums zusammen, kann eine Barriere gebildet werden, die die Wärmeleitpaste 13 nicht überwinden kann. Somit wird dafür gesorgt, dass die Wärmeleitpaste 13 auch bei rauen Betriebsbedingungen und den von einer Brennkraftmaschine ausgehenden Vibrationen nicht nach unten hin abfließt, sondern an der gewünschten Position am Außenbereich des Injektors verbleibt.

In Längsrichtung nach oben hin versetzt kann dabei eine flanschartige Auskragung 15 an der Außenseite des Gehäuses bzw. des Gehäuseabschnitts vorgesehen sein, sodass ein in Längsrichtung definierter Bereich zum Aufträgen der Wärmeleitpaste 13 gebildet ist. Ferner kann diese flanschartige Auskragung 15 eine stufenartige Querschnittsvergrößerung des Injektors darstellen, sodass dadurch die maximale Eindringtiefe des Injektors 1 in einen Einbauraum definiert ist. Die Wärmeleitpaste sorgt für eine gute thermische Verbindung der Außenseite des Injektors mit einem Einbauraum, wodurch eine gute Wärmeableitung gewährleistet ist.

Man erkennt ferner, dass der Bereich zum Aufträgen der Wärmeleitpaste 13 auf Höhe des Aktuators 9 angeordnet ist und insbesondere die Spule 8 vollflächig umschließt. Da die Bestromung der Spule 8 zu großen Teilen für einen Wärmeeintrag in den Injektor sorgt und insbesondere auch die durch die Spule 8 erzeugten Magnetfelder (mit den hieraus resultierenden Wirbelströmungen) für Wärme sorgen, liegt im Bereich der Spule 8 ein erhöhter Bedarf zum Ableiten von Wärme vor. Diesem wird dadurch Rechnung getragen, dass der Bereich zum Aufbringen der Wärmeleitpaste 13 die Spule 8 umschließt, sodass eine Wärmeableitung nach außen erfolgen kann, da insbesondere eine Kühlung mittels gasförmigen Kraftstoffes nicht effektiv durchführbar ist.

Als möglicher Gehäuseabschnitt, an dem das Abstreifelement 11 und vorzugsweise eine dafür vorgesehene Nut 14 angeordnet ist, bietet sich der Eisenrückschluss 21 an, der die Spule 8 an deren radial äußeren Seite umgibt. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Eisenrückschluss 21 zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist und insbesondere auch im Übergang der mehreren Teile des Eisenrückschlusses 21 eine flanschartige Auskragung bildet, indem ein in Längsrichtung weiter oben angeordneter Teil des Eisenrückschlusses 21 beispielsweise eine stufenartige Querschnittsvergrößerung aufweist.

Dem Fachmann ist aber klar, dass es andere Wege gibt, die Eindringtiefe des Injektors 1 in einen Einbauraum zu definieren, sodass die flanschartige Auskragung 15 als Begrenzung für den Bereich zum Aufträgen der Wärmeleitpaste nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss.

Fig. 4a zeigt eine Montage, einen Betrieb und eine Demontage eines erfindungsgemäßen Injektors 1 in Zusammenschau mit einem Einbauraum des Injektors, wohingegen Fig. 4b eine Montage, einen Betrieb und eine Demontage eines nicht von der Erfindung umfassten Injektors gegenüberstellt.

Fig. 4a zeigt in der linken Darstellung das Einschieben des Injektors 1 in einen dafür vorgesehenen Einbauraum eines Zylinderkopfs 29. Der nach unten gerichtete Pfeil deutet dabei die Einführrichtung des Injektors in den Einbauraum an und zeigt, wie der Injektor 1 mit der an seiner Außenseite in dem dafür vorgesehenen Bereich aufgebrachten Wärmeleitpaste 13 eingeschoben wird. Nach unten hin ist dabei der Bereich zum Aufbringen der Wärmeleitpaste 13 durch das Abstreifelement 11 , vorliegend ein O-Ring, begrenzt. Nach oben hin bildet die flanschartige Auskragung 15 das andere Ende des Bereichs zum Aufbringen der Wärmeleitpaste 13. Die mittlere Darstellung der Fig. 4a zeigt den Injektor in einem eingeführten Zustand, sodass dieser nun betrieben werden kann. Der Pfeil I zeigt dabei die durch das Abstreifelement 11 erfolgte Abdichtung des darunterliegenden Zylinderraums gegen ein Kriechen der Wärmeleitpaste 13. Vom Motor ausgehende Vibrationen führen nicht zu einem Ausbreiten der Wärmeleitpaste 13 nach unten, die eventuell die Wärmeübertragungsfähigkeit von der Außenseite des Injektors hin zu der Zylinderwand des Zylinderkopfs 29 beeinträchtigen könnte.

Die rechte Darstellung der Fig. 4a zeigt eine Demontage des Injektors, bei der dieser rückstandsfrei aus dem Einbauraum ausgebaut werden kann. Zieht man den Injektor vertikal nach oben aus dem Einbauraum heraus, sorgt das Vorhandensein des Abstreifelements 11 dafür, dass keine Rückstände der Wärmeleitpaste 13 an der Innenwand des Einbauraums, also der Zylinderwand des Zylinderkopfs 29, Zurückbleiben. Der Pfeil II hebt hervor, dass keine Rückstände an der Zylinderwand zu sehen sind. Der Pfeil III zeigt auf, dass auch nach einer Demontage die Wärmeleitpaste 13 noch gleichmäßig an dem gewünschten Bereich des Injektors vorgesehen ist, sodass für ein Wiedereinsetzen des Injektors das Hinzufügen von Wärmeleitpaste nicht zwangsläufig erforderlich ist.

Fig. 4b ist hingegen eine Gegenüberstellung mit einem herkömmlichen Injektor. Bringt man an dessen Außenseite an einem entsprechenden Bereich eine Wärmeleitpaste 13 auf und schiebt diesen bei einer Montage in den dafür vorgesehenen Einbauraum eines Zylinderkopfs 29 ein, so kann man der mittleren Darstellung der Fig. 4b entnehmen, dass es während des Betriebs zu einem Kriechen der Wärmeleitpaste nach unten hinkommt. Der Pfeil IV zeigt dabei auf Bestandteile der Wärmeleitpaste 13, die aufgrund des Betriebs des Injektors und der damit in Verbindung stehenden Brennkraftmaschine nach unten hin abgewandert sind. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass kein durchgehender und vollflächig ausgebildeter Kontakt der Wärmeleitpaste in dem gewünschten Bereich der Außenseite des Injektorgehäuses mehr vorliegt, was zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt. Dies führt dazu, dass die Bestandteile in dem Injektor stärker erwärmt werden, was deren Leistungsfähigkeit und Dauerfestigkeit vermindert.

Darüber hinaus kommt es bei der Demontage, siehe die rechte Darstellung der Fig. 4b, auch zu einem Anhaften von Rückständen der Wärmeleitpaste 13. Anders als nach der Erfindung kann das mit der Zylinderwand des Zylinderkopfs 29 in Kontakt stehende Material der Wärmeleitpaste 13 nicht zusammen mit einem Herausziehen des Injektors nach oben geführt werden, da ein erfindungsgemäßes Abstreifelement fehlt.

Der Pfeil V zeigt dabei auf Rückstände der Wärmeleitpaste 13, die nach einem Herausziehen des Injektors an der Zylinderwand des Zylinderkopfs 29 anhaften. Der Pfeil VI weist auf die ungleichmäßige Verteilung der Wärmeleitpaste 13 an dem Injektorgehäuse hin, die bei einem Wiedereinbau ein erneutes Aufbringen von zusätzlicher Wärmeleitpaste 13 zwingend erforderlich macht. Nach der Erfindung kann hingegen ein solches erneutes oder zusätzliches Aufbringen von Wärmeleitpaste 13 entfallen oder muss nur mit deutlich weniger Volumen an neuer Wärmeleitpaste 13 stattfinden.

Zudem ist es bei einem herkömmlichen Injektor erforderlich, die Rückstände der Wärmeleitpaste 13 an dem Innenumfang des Einbauraums zu entfernen, um das ungewünschte Vordringen der Wärmeleitpaste 13 in Richtung Brennraum des Zylinders zu verhindern.

Bezuqszeichenliste:

1 Injektor

2 Kraftstoffzuleitung

3 Aktivventil

4 Passivventil

5 Ventilplatte

6 Stößel / Ventileinsatz 7 Anker

8 Spule

9 Aktuator

10 Federelement

11 Abstreifelement

12 magnetische Feldlinien

13 Wärmeleitpaste

14 Nut

15 flanschartige Auskragung

16 Gehäusedeckel

17 Ankerfeder

18 Polrohr

19 Ankergegenstück

20 Bypass

21 Eisenrückschluss / Gehäuseabschnitt

22 Luftspalt

23 Ankerbasis

24 Ankerführung/Nadelführung

25 Dichtelement

26 Einblasrohr

27 Ventilführung

28 Einblaskappe

29 Zylinderkopf

A1 Durchgang der Ventilplatte

A2 Durchgang des Stößels

A3 Durchgang der Einblaskappe