Titel:

Elektromagnetisch betätigbares Dosierventil, Verfahren zum Betreiben eines elektro magnetischen betätigbaren Dosierventils

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Dosierventil für Flüssigkeiten und/oder Gase mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils.

Bevorzugter Einsatzbereich des vorgeschlagenen Dosierventils ist die

Brennstoffversorgung einer Verbrennungskraftmaschine, wobei es sich insbesondere um einen Gasmotor oder einen Gas-Diesel-Motor eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs, eines Nutzfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs oder eines Schiffs handeln kann. Neben mobilen Anwendungen ist auch der Einsatz des Dosierventils in stationären Anlagen zur Energiegewinnung oder Energieerzeugung möglich.

Bei dem Dosierventil kann es sich insbesondere um ein CV-Gasventil, ein„Large Engine Gas Valve“ (LEGV), ein„Multiport Injection Valve“ (MPI) oder ein„Ported Fuel Injection“ (PFI) Valve handeln.

Stand der Technik

Zum Einblasen von Gas werden in der Regel elektromagnetisch betätigbare Ventile eingesetzt, um einen definierten Ventilquerschnitt zu öffnen. Über den geöffneten Ven tilquerschnitt strömt Gas unter einem Zuströmdruck pi in einen Brennraum oder einem dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt, in dem ein Druck P ₂ herrscht, der niedriger als der Zuströmdruck pi ist. Da das eingeblasene Gasvolumen im Wesentlichen von der Druckdifferenz pi/p ₂ und der Öffnungsdauer des Ventils abhängt, wird zur Volu- mensteuerung lediglich die Bestromungszeit des elektromagnetischen Aktors des Ven tils variiert, um eine gewünscht lange oder kurze Öffnungsdauer zu realisieren.

Je größer die Druckdifferenz pi/p2 ist, desto höher sind die Dichtheitsanforderungen im geschlossenen Zustand des Ventils. Die erforderliche Abdichtung wird dabei über den Dichtkontakt zwischen einem Ventilsitzelement und einem Ventilschließelement be wirkt. Dieser ist jedoch über die Lebensdauer des Ventils einer hohen Belastung und damit einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Um den Dichtheitsanforderungen über die Lebensdauer des Ventils zu genügen, gilt es daher den Verschleiß im Bereich des Dichtkontakts zu minimieren. Geeignete Maßnahmen sehen beispielsweise eine Füh rung und/oder Zentrierung des Ventilschließelements vor, damit dieses optimal, insbe sondere planparallel, in Bezug auf das Ventilschließelement ausgerichtet ist. Aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen kann jedoch ein völlig planparalleles Schließen nicht immer gewährleistet werden, so dass es hinsichtlich der Dichtheit und damit der Dosiergenauigkeit zu Schuss/Schuss und/oder Exemplar/Exemplar Streuun gen kommt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Dosierventil für Flüssigkeiten und/oder Gase anzugeben, das eine mög lichst definierte Öffnungs- und Schließkinematik aufweist, um die vorstehend genann ten Nachteile zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Insbesondere soll ein Dosierventil ge schaffen werden, das weniger verschleißbehaftet ist und demzufolge eine hohe Le bensdauer sowie eine hohe Dosiergenauigkeit über die Lebensdauer aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Dosierventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils mit den Merkmalen des Anspruchs 9 angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Dosierventil für Flüssigkeiten und/oder Gase umfasst ein Ventilgehäuse, einen mit dem Ventilgehäuse verbundenen Ventilsitzkörper, in dem mindestens eine Auslassöffnung ausgebildet ist, sowie einen gegenüber dem Ventilsitzkörper hubbeweglichen Magnetanker, der mit einem platten- oder tellerförmigen Ventilschließelement zum Freigeben und Verschließen der mindes tens einen Auslassöffnung fest verbunden ist oder dieses ausbildet. Das heißt, dass der Magnetanker und das Ventilschließelement als ein Bauteil oder zumindest als eine Baueinheit ausgeführt sind. Das vorgeschlagene Dosierventil umfasst ferner einen dem Magnetanker an einem Arbeitsluftspalt gegenüberliegenden Magnetkern sowie mindes tens eine den Magnetanker und das Ventilschließelement in Schließrichtung vorspan nende Feder. Das heißt, dass das Dosierventil als stromlos geschlossenes Ventil aus gebildet ist. Das Dosierventil zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Magnetanker und das Ventilschließelement gezielt asymmetrisch belastet werden und/oder gezielt asymmetrisch geformt sind. Die asymmetrische Belastung und/oder Formgebung führt bzw. führen beim Öffnen und Schließen des Dosierventils zu einer nicht planparallelen Vorzugslage des Magnetankers und des Ventilschließelements in Bezug auf den jeweiligen Endanschlag, insbesondere in Bezug auf den Ventilsitzkörper bzw. den Dichtsitz. Somit wird aus einer Undefinierten Imperfektion eine definierte Im perfektion, die berechenbar ist. Dies wiederum ermöglicht das Ergreifen von Gegen maßnahmen, um das Dosierventil exakter auf die Anforderungen hinsichtlich Ver schleiß, Prellverhalten und/oder Mengendrift auszulegen. Ferner treten durch die defi nierte Imperfektion andere, nicht beeinflussbare Streuungen, wie beispielsweise Mate rial- und/oder Montagestreuungen, in den Hintergrund, was dazu beiträgt, dass Unter schiede, insbesondere im Hinblick auf die Einblasmenge, zwischen einzelnen Exemp laren reduziert werden.

Im Ergebnis trägt die definierte Imperfektion zu einem stabilen Öffnungs- und Schließ verhalten des Dosierventils bei. Darüber hinaus wird die Anwendung von Auswerterou tinen zur softwareseitigen Überwachung des Öffnungs- und Schließverhaltens des Do sierventils vereinfacht. Das Anschlägen des Magnetankers und des Ventilschließele ments am jeweiligen Endanschlag in einer nicht planparallelen Vorzugslage trägt zu dem zu einer zeitlichen Ausdehnung des Anschlagvorgangs bei, so dass die maximal auftretende Belastungsspitze zum Anschlagzeitpunkt reduziert wird. Entsprechend sinkt die Impulsbelastung der betreffenden Bauteile.

Bevorzugt werden der Magnetanker und das Ventilschließelement durch Magnet- und/oder Federkräfte gezielt asymmetrisch belastet. Die nicht planparallele Vorzugsla- ge wird demnach durch eine asymmetrische Krafteinleitung erreicht, wobei es sich so wohl um Magnetkräfte, als auch um Federkräfte handeln kann.„Asymmetrisch“ bedeu tet in diesem Zusammenhang, dass der Magnetanker und das Ventilschließelement nicht gleichmäßig belastet werden bzw. die angreifenden Magnet- und/oder Federkräf te ungleichmäßig über eine Kraftangriffsfläche verteilt sind. Dies führt dazu, dass der Magnetanker und das Ventilschließelement bei einer Hubbewegung eine leichte Schräglage einnehmen.

Eine asymmetrische Belastung bzw. Krafteinleitung kann beispielsweise dadurch be wirkt werden, dass die mindestens eine Feder exzentrisch in Bezug auf den Magnetan ker und das Ventilschließelement angeordnet ist. Sofern mehrere exzentrisch angeord nete Federn vorgesehen sind, sind diese bevorzugt in unterschiedlichen Winkelabstän den zueinander angeordnet und/oder unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Federkraft. Über eine asymmetrische Einleitung der Federkraft der mindestens einen Feder kann sowohl das Öffnungs- als auch das Schließverhalten der hubbeweglichen Bauteile be einflusst werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Magnetkern eine von einem rotationssymmetrischen Körper abweichende Form und/oder mindestens eine exzent risch angeordnete Ausnehmung oder Erhebung aufweist. Die Ausnehmung kann bei spielsweise eine exzentrisch angeordnete Bohrung oder ein exzentrisch angeordneter Schlitz sein. Ferner kann der Magnetkern einen asymmetrisch angeordneten Absatz aufweisen, der zu einer asymmetrisch angeordneten Erhebung führt. Die Erhebung kann zudem durch ein exzentrisch angeordnetes Plateau ausgebildet werden. Analog der mindestens einen exzentrisch angeordneten Feder führt die vorgeschlagene Aus führung des Magnetkerns zu einer asymmetrischen Belastung bzw. Krafteinleitung, wobei über eine asymmetrische Einleitung der Magnetkraft lediglich das Öffnungsver halten der hubbeweglichen Bauteile beeinflussbar ist.

Des Weiteren kann der Magnetkern eine Desachsierung gegenüber dem Magnetanker und/oder dem Ventilschließelement aufweisen. Auch diese Maßnahme führt zu einer asymmetrischen Krafteinleitung, so dass die vorstehend genannten Vorteile erreicht werden. Alternativ oder ergänzend zu einer asymmetrischen Krafteinleitung kann bzw. können der Magnetanker und/oder das Ventilschließelement asymmetrisch geformt sein. Ins besondere kann bzw. können der Magnetanker und/oder das Ventilschließelement eine von einem rotationssymmetrischen Körper abweichende Form und/oder mindestens eine exzentrisch angeordnete Ausnehmung oder Erhebung aufweisen. Mittels einer asymmetrischen Formgebung der hubbeweglichen Bauteile wird zum Einen eine Schwerpunktverlagerung der bewegten Massen aus der Mitte heraus bewirkt. Zum An deren wird eine asymmetrische Belastung erzielt, so dass die hubbeweglichen Bauteile beim Öffnen und Schließen eine Schräglage einnehmen. Die mindestens eine exzent risch angeordnete Ausnehmung kann wiederum eine Bohrung oder ein Schlitz sein.

Die Erhebung kann beispielsweise durch einen asymmetrischen Absatz oder ein ex zentrisch angeordnetes Plateau ausgebildet werden.

Ferner kann bzw. können der Magnetanker, das Ventilschließelement und/oder der Magnetkern einen umfangseitigen Anschliff aufweisen.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker eine Polfläche aufweist, die in Schließstellung des Ventilschließelements gegenüber einer am Mag netkern ausgebildeten Polfläche geneigt ist. Die Schräglage des Magnetankers in Be zug auf den Magnetkern ist daher bereits von vornherein vorgegeben und stellt sich nicht erst bei einer Hubbewegung des Magnetankers ein. Zudem führt diese Ausgestal tung des Magnetankers zu einer asymmetrischen Belastung bzw. Krafteinleitung, so dass sich die Schräglage beim Öffnen weiter verstärkt.

Die zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagen Maßnahmen können einzeln oder in unterschiedliche Kombinationen grundsätzlich bei allen Ventilen einge setzt werden, an die hohe Anforderungen hinsichtlich Robustheit und/oder an die Zahl der Lastwechsel in Kombination mit geringen zulässigen Leckagewerten gestellt wer den. Dies betrifft insbesondere Ventile, die zur Dosierung von gasförmigen Brennstof fen in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden. In der Regel handelt es sich hierbei um Schaltventile, mit Dichtkanten, wobei die Dichtkanten starken Belastungen ausgesetzt sind und/oder hohen Dichtheitsanforderungen unterliegen. Ferner können die Dichtkanten zumindest bereichsweise aus einem metallischen Werkstoff und/oder Kunststoff gefertigt sein. Alternativ oder ergänzend können die Dichtkanten zumindest bereichsweise beschichtet sein.

Bei dem ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagenen Verfah ren zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigbaren Dosierventils für Flüssigkeiten und/oder Gase wird auf einen hubbeweglichen Magnetanker eingewirkt, der zum Frei geben und Verschließen mindestens einer in einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Auslassöffnung mit einem platten- oder tellerförmigen Ventilschließelement fest ver bunden ist oder dieses ausbildet. Das Ventilschließelement ist dabei durch mindestens eine Feder in Schließrichtung vorgespannt. Erfindungsgemäß werden der Magnetanker und das Ventilschließelement gezielt asymmetrisch belastet, so dass sie bei einer Hubbewegung eine von einer planparallelen Ideallage abweichende definierte Schräg lage einnehmen. Die Schräglage führt zu einer nicht planparallelen, aber definierten Vorzugslage in Bezug auf den Magnetkern (beim Öffnen) bzw. in Bezug auf den Ventil sitzkörper (beim Schließen), so dass aus einer Undefinierten Imperfektion eine bere chenbare definierte Imperfektion wird. Entsprechend können Gegenmaßnahmen ergrif fen werden, die den Verschleiß reduzieren, wobei die Schräglage zu längeren An schlagzeiten an den jeweiligen Endanschlägen und damit bereits zu einer Reduzierung der Spitzenbelastung beim Anschlägen führt. Im Übrigen sind die gleichen Vorteile er reichbar, die bereits zuvor in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil aus führlich beschrieben wurden, so dass auf diesen Teil der Beschreibung verwiesen wird.

Bevorzugt werden der Magnetanker und das Ventilschließelement durch Magnet- und/oder Federkräfte gezielt asymmetrisch belastet. Das heißt, dass das Öffnungs und Schließverhalten mittels der verfügbaren Kräfte beeinflusst wird, so dass das Ver fahren einfach durchzuführen ist. Die asymmetrische Belastung bzw. Krafteinleitung kann durch eine asymmetrische, insbesondere nicht rotationssymmetrische Formge bung des Magnetankers, des Ventilschließelements und/oder des Magnetkerns unter stützt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Dosierventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 a) einen schematischen Längsschnitt durch und b) eine Draufsicht auf den Magnetanker des Dosierventils der Fig. 1,

Fig. 3 a) einen schematischen Längsschnitt durch und b) eine Draufsicht auf einen Magnetanker eines erfindungsgemäßen Dosierventils gemäß einer zweiten bevorzug ten Ausführungsform,

Fig. 4 a) einen schematischen Längsschnitt durch und b) eine Draufsicht auf einen Magnetanker eines erfindungsgemäßen Dosierventils gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 5 a) einen schematischen Längsschnitt durch und b) eine Draufsicht auf einen Magnetanker und einen Magnetkern eines erfindungsgemäßen Dosierventils gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Magnetanker und einen Mag netkern eines erfindungsgemäßen Dosierventils gemäß einer fünften bevorzugten Aus führungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Dosierventil dient dem Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Brennstoffs in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors. Es umfasst ein im Wesentlichen hohlzy linderförmiges Ventilgehäuse 1, in das ein plattenförmiger Ventilsitzkörper 2 eingesetzt ist. Im Ventilsitzkörper 2 sind mehrere kreisbogenförmig verlaufende und konzentrisch angeordnete Auslassöffnungen 3 ausgebildet, über welche das gasförmige Medium bei geöffnetem Ventil in den Ansaugtrakt eingeblasen wird. In der Fig. 1 ist das Dosierven til geschlossen dargestellt, wobei eine Magnetspule 13 eines Magnetaktor unbestromt bzw. stromlos ist. Mittels der Magnetspule 13 kann auf einen hubbeweglichen Magnet anker 4 eingewirkt werden, der mit einem plattenförmigen Ventilschließelement 5 zum Verschließen der im Ventilsitzkörper 2 ausgebildeten Auslassöffnungen 3 verbunden ist. Der Hub des Magnetankers 4 und des Ventilschließelements 5 wird dabei einerseits durch den Ventilsitzkörper 2, andererseits durch einen ringförmigen Hubanschlag be grenzt, der einen Magnetkern 6 umgibt, der dem Magnetanker 4 an einem Arbeitsluft spalt 14 gegenüberliegt. Das Ventilschließelement 5 und der Magnetanker 4 sind in Schließrichtung, das heißt gegen den Ventilsitzkörper 2, durch mehrere Federn 7 vor gespannt.

Zum Öffnen des Dosierventils wird die Magnetspule 13 bestromt, so dass ein Magnet feld ausgebildet wird, dessen Magnetkraft auf den Magnetanker 4 in der Weise ein wirkt, dass dieser sich in Richtung des Magnetkerns 6 bewegt, um den Arbeitsluft spalt 14 zu schließen. Das mitgeführte Ventilschließelement 5 hebt dabei vom Ventil sitzkörper 2 ab und gibt die Auslassöffnungen 3 frei. Zum Schließen des Dosierventils wird die Bestromung der Magnetspule 13 beendet, so dass die Federkräfte der Fe dern 7 den Magnetanker 4 und das Ventilschließelement 5 in ihre Ausgangslage zu rückstellen.

Beim Schließen des Dosierventils werden die am Ventilschließelement 5 und am Ven tilsitzkörper 2 ausgebildeten Dichtflächen einer hohen Belastung und damit einem ho hen Verschleiß ausgesetzt. Über die Lebensdauer des Dosierventils kann es somit zu Undichtigkeiten kommen, welche die Dosiergenauigkeit herabsetzen. Zugleich sinkt die Lebensdauer des Dosierventils.

Um dem entgegenzuwirken, weist das Dosierventil der Fig. 1 einen modifizierten Mag netanker 4 auf. Dieser ist stark vergrößert und vereinfacht in den Figuren 2a und 2b dargestellt. Wie den Figuren 2 a und 2b zu entnehmen ist, weist der Magnetanker 4 ei ne exzentrisch angeordnete Ausnehmung 8 in Form einer Bohrung auf. Dadurch verla gert sich der Schwerpunkt des Magnetankers 4, so dass dieser bei einer Hubbewe gung eine definierte Schräglage einnimmt. Das heißt, dass die Hubbewegungen des Magnetankers 4 durch dessen Formgebung gezielt beeinflusst werden, so dass aus ei ner nicht perfekten Undefinierten Bewegung eine zwar weiterhin nicht perfekte, aber definierte und damit berechenbare Bewegung wird. Wie beispielhaft in den Figuren 3a und 3b, 4a und 4b, 5a und 5b sowie 6 dargestellt, kann eine definierte Vorzugslage durch weitere Maßnahmen erreicht werden, die alter nativ oder kumulativ zur Anwendung gelangen können. Darüber hinaus können die Maßnahmen den Magnetanker 4, das Ventilschließelement 5 und/oder den Magnet kern 6 betreffen.

Wie beispielhaft in den Figuren 3a und 3b dargestellt, kann der Magnetanker 5 (und/oder das Ventilschließelement 5 und/oder der Magnetkern 6) einen umfangseiti gen Anschliff 10 aufweisen.

Wie ferner beispielhaft in den Figuren 4a und 4b dargestellt, kann der Magnetanker 4 (oder der Magnetkern 6) einen asymmetrischen Absatz 15 aufweisen, der zu einer ex zentrisch angeordneten Erhebung 9 im Bereich einer Polfläche 11 des Magnetankers 4 (oder im Bereich einer Polfläche 12 des Magnetkerns 6) führt.

Alternativ oder ergänzend kann eine gezielte Desachsierung vorgenommen werden, so dass eine Längsachse Ai des Magnetkerns 4 und eine Längsachse A2 des Magnet kerns 6 nicht zusammenfallen, sondern zueinander in einem Abstand x beabstandet sind. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in den Figuren 5a und 5b dargestellt.

Des Weiteren kann bereits eine Schräglage des Magnetankers 4 in Bezug auf den Magnetkern 6 durch nicht parallele Polflächen 11, 12 vorgegeben sein. Das heißt, dass der Arbeitsluftspalt 14 über die Polflächen 11, 12 hinweg variiert. Dieses Ausführungs beispiel ist in der Fig. 6 dargestellt.

Alternativ oder ergänzend können die in der Fig. 1 dargestellten Federn 7 in ungleich mäßigen Winkelabständen angeordnet werden, so dass die Vorspannkräfte über den Umfang des Ventilschließelements 5 variieren. Ferner ist der Einsatz von unterschied lich starken Federn 7 möglich.