Brennstoffventil zur dosierten Abgabe von Brennstoff

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffventil, wie es zur dosierten Abgabe von Brennstoff Verwendung findet, insbesondere von gasförmigem Brennstoff.

Stand der Technik

Ventile zur dosierten Abgabe von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff werden beispielsweise dazu verwendet, um Brennstoff in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine einzudosieren. Wesentlich ist dabei, dass die richtige Menge Brennstoff zum richtigen Zeitpunkt eingebracht wird, um eine optimale Verbrennung des Brennstoffs im Brennraum zu gewährleisten. Ein solches Brennstoffventil ist beispielsweise aus der DE 10 2021 200 689 Al bekannt und weist ein kolbenförmiges Ventilelement auf, das durch einen Elektromagneten bewegt wird und dadurch eine Dosieröffnung öffnet und schließt. Der in diesem Fall gasförmige Brennstoff umströmt das Ventilelement und gelangt so zur Dosieröffnung. Das Ventilelement selbst ist in einem oder mehreren Abschnitten innerhalb des Gehäuses geführt, wobei zum einwandfreien Funktionieren ein Schmiermittel vorhanden ist, das die Führungsflächen des Ventilelements benetzt und damit die Beweglichkeit des Ventilelements sicherstellt.

Um eine Durchmischung des Schmiermittels mit dem Brennstoff zu vermeiden, befindet sich das Ventilelement in einem Schmiermittelbereich, der unter anderem durch einen Wellbalg abgedichtet ist, der eine Vermischung von Brennstoff und Schmiermittel verhindert, dabei aber gleichwohl eine Längsbewegung des Ventilelements erlaubt. Der Wellbalg ist an seinen beiden Enden über fluiddichte Schweißverbindungen mit dem Ventilelement verbunden, sodass der Schmiermittelraum gegenüber dem Brennstoff hermetisch abgedichtet ist. Die Fertigung dieser Schweißverbindungen ist einerseits aufwendig und erfordert spezielle Apparaturen zur serienmäßigen Durchführung. Darüber hinaus ist eine Montage des Ventilelements schwierig, da es in der Regel aus mehreren Teilen besteht und die Wellbalge keinen Torsionsbelastungen ausgesetzt werden dürfen. Dadurch wird die Fertigung des Ventilelements mit angeschweißten Wellbalgen aufwendig und teuer.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffventil weist den Vorteil auf, dass eine Abdichtung eines Schmiermittelraums bzw. eines das Ventilelement umgebenden Innenraums gegenüber einem Außenraum, in welchem der zu dosierende Brennstoff geführt wird, einfach und damit flexibel möglich ist. Dazu weist das Brennstoffventil zur dosierten Abgabe von Brennstoff ein Gehäuse auf, das mit einem fluiden Brennstoff befüllbar ist und das eine Auslassöffnung aufweist. Im Gehäuse ist eine Ventilnadel angeordnet, die in ihrer Längsrichtung beweglich ist und die mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung zusammenwirkt, wobei die Ventilnadel über einen Teil ihrer Länge von einem Wellbalg umgeben ist, der einen Innenraum abdichtet. Der Wellbalg ist an dem der Auslassöffnung zugewandten Ende fluiddicht mit einem Anschlussring verbunden, der über eine die Ventilnadel umgebende Spannmutter gegen einen Dichtsitz an der Düsennadel verspannt ist.

Der Anschlussring ist mit dem Wellbalg über eine Schweißverbindung fluiddicht verbunden, so dass an dieser Stelle kein Fluid aus dem Inneren des Wellbalgs nach außen gelangen kann. Die fluiddichte Abdichtung des Innenraums erfolgt schließlich durch Verspannen dieses Anschlussrings gegen einen Dichtsitz an der Ventilnadel. Das Fixieren mittels des Anschlussrings erlaubt es darüber hinaus, die Ventilnadel wieder zu demontieren und den Wellbalg bei Bedarf auszutauschen, so dass eine höhere Flexibilität bei der Konstruktion und auch bei der Wartung und Instandsetzung eines solchen Brennstoffventils gegeben ist. Unter einem Fluid wird im Kontext dieser Patentanmeldung ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung greift die Spannmutter in ein auf der Außenseite der Ventilnadel ausgebildetes Gewinde ein. Dieses Gewinde ist einfach zu fertigen und kann an verschiedenen Stellen der Ventilnadel angebracht werden, je nach Einbausituation.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei zwischen dem Anschlussring und der Spannmutter eine Spannhülse angeordnet, die ebenfalls die Ventilnadel umgibt und die Presskraft von der Spannmutter auf den Anschlussring überträgt. Dadurch kann die Spannmutter deutlich beabstandet zur Dichtfläche angeordnet werden, was zusätzliche Freiheiten bei der konstruktiven Umgestaltung ermöglicht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung bildet die Ventilnadel im Bereich der Spannhülse eine Außenkontur, in die die Spannhülse formschlüssig eingreift, so dass sie gegen eine Drehung auf der Ventilnadel gesichert ist. So wird das Drehmoment der Spannmutter nicht auf den Anschlussring übertragen und es müssen keine weiteren Vorkehrungen gegen eine Drehung des Anschlussrings und damit gegen eine eventuelle Torsion des Wellbalgs getroffen werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Dichtsitz konisch ausgebildet. Dies ermöglicht eine gute Abdichtung und sorgte für eine Selbstzentrierung des Anschlussrings auf der Ventilnadel. In vorteilhafter Weise ist dabei auch die Anlagefläche am Anschlussring konisch ausgebildet, mit der die Spannmutter auf dem Dichtsitz aufliegt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Dichtsitz als flache Ringfläche ausgebildet, und am Anschlussring ist eine entsprechende flache Anlagefläche ausgebildet, die ebenfalls eine Ringfläche bildet und mit der der Anschlussring auf dem Dichtsitz aufliegt. Eine solche Ringfläche ist kostengünstig zu fertigen und kann eine hohe Presskraft aufnehmen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen dem Anschlussring und der Düsennadel ein Dichtring angeordnet. Dieser Dichtring sorgt für eine zusätzliche Abdichtung und erhöht somit die Betriebssicherheit. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Dichtring die Hauptdichtfunktion erfüllt, während zwischen dem Anschlussring und dem Dichtsitz lediglich eine teilweise Abdichtung vorliegt. Die Form des Dichtsitzes kann in diesem Fall jede Form aufweisen, also als Flach- oder Kegelsitz mit beliebigem Öffnungswinkel ausgeführt sein.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das der Auslassöffnung abgewandte Ende des Wellbalgs mit einem zweiten Anschlussring dichtend verbunden. Der zweite Anschlussring liegt dabei in vorteilhafter Weise an einem der Auslassöffnung zugewandten Absatz im Gehäuse an. Dadurch wird eine Abdichtung zwischen der Ventilnadel und dem Gehäuse hergestellt, um den Innenraum, der das Schmiermittel oder einen sonstigen Brennstoff beinhaltet, sicher gegen den Brennstoff abzudichten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Innenraum mit einem Schmiermittel gefüllt. Dieses Schmiermittel kann verschiedene Bereiche benetzen, in denen die Ventilnadel im Gehäuse geführt ist, um eine reibungsarme Bewegung und damit eine lange Lebensdauer sicherzustellen.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Brennstoffventils dargestellt. Es zeigt die Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffventil, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 2,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Wellbalgabdichtung,

Figur 5, ebenfalls ein weiteres Ausführungsbeispiel der Wellbalgabdichtung, Figur 5A einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilnadel im Bereich der mit A bezeichneten Querschnittsebene der Figur 5,

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie Figur 2 und

Figur 7 ein weiteres solches Ausführungsbeispiel. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind. Das Brennstoffventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2 und ein Mantelrohr s umfasst, die gegeneinander durch eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Spannvorrichtung fluiddicht verbunden sind. Im Inneren des Ventilkörpers 2 ist ein Gewinde 6 ausgebildet, in das ein Düsenkörper 4 eingeschraubt ist, der am auslassseitigen Ende des Ventilkörpers 2 aus diesem herausragt. Das auslaufseitige Ende des Düsenkörpers 4 ist von einem Ventilrohr 5 umgeben, das zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Düsenkörper 4 durch die Verschraubung am Gewinde 6 fixiert ist. Das Ventilrohr 5 dient der Formung und der Lenkung des ausgestoßenen Brennstoffs, der aus einer Auslassöffnung 7 im Düsenkörper 4 in das Ventilrohr 5 austritt, wobei vorzugsweise gasförmiger Brennstoff dosiert wird.

Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Druckraum 8 ausgebildet, der mit dem zu dosierenden flüssigen oder gasförmigen Brennstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist. Der Druckraum 8 ist mit einem zwischen dem Düsenkörper 4 und dem Ventilkörper 2 ausgebildeten Zwischenraum 10 und einem im Düsenkörper 4 ausgebildeten Düsenraum 14 verbunden, wobei die Verbindungen über Schrägbohrungen 9 im Ventilkörper 2 und über weitere Schrägbohrungen 13 im Düsenkörper 4 hergestellt werden. Der Brennstoff im Druckraum 8 strömt bis zu einer Auslassöffnung 7, die am auslassseitigen Ende des Düsenkörpers 4 ausgebildet ist.

Eine kolbenförmige Ventilnadel 15 ist im Inneren des Düsenkörpers 4 längsverschiebbar angeordnet. An ihrem dem auslassseitigen Ende des Gehäuses 1 zugewandten Ende weist die Ventilnadel 15 einen Ventilteller 16 auf, der mit einem die Auslassöffnung 7 umgebenden Ventilsitz 17 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 7 zusammenwirkt. Bewegt sich die Ventilnadel 15 in Richtung der Auslassöffnung 7, also in der Figur 1 nach unten, so wird ein Ringspalt zwischen dem Ventilteller 16 und dem Ventilsitz 17 aufgesteuert und Brennstoff kann aus dem Düsenraum 14 ausströmen, wobei der Brennstoff durch das Ventilrohr 5 gelenkt wird. Bewegt sich die Ventilnadel 15 in Anlage an den Ventilsitz 17, so wird die Auslassöffnung 7 wieder verschlossen. Die Düsennadel 15 erstreckt sich über die gesamte Länge des Düsenkörpers 4 und wird dabei in einem Führungsabschnitt 20 im Düsenkörper 4 geführt. Zwischen der Düsennadel 15 und der Innenwandung des Düsenkörpers 4 ist ein Ringraum 31 ausgebildet. Der Ringraum 31 ist über Verbindungsbohrungen 33 mit dem Zwischenraum 10 verbunden, so dass er bei Betrieb des Brennstoffventils mit dem zu dosierenden Brennstoff befüllt ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoff direkt den Wellbalg 30 umströmt, zum Beispiel indem die Schrägbohrungen 9 direkt in den Ringraum 31 münden und der Zwischenraum 10 zwischen Düsenkörper 4 und Ventilkörper 2 entfällt.

Die Ventilnadel 15 ist von einem Wellbalg 30 umgeben, der im Inneren des Düsenkörpers 4 angeordnet ist und mit seinem der Auslassöffnung 7 zugewandten Ende über eine erste Schweißverbindung 35 mit einem Anschlussring 40 fluiddicht verbunden, der einstückig mit einer die Ventilnadel 15 umgebenden Spannhülse 21 ausgebildet ist. Der Anschlussring 40 stützt sich mit seinem auslassöffnungsseitigen Ende an einem Dichtsitz 41 der Ventilnadel 15 ab, während das gegenüberliegende Ende der Spannhülse 21 an einer Federhülse 22 anliegt. Am Ende der Ventilnadel 15 ist ein Gewinde 19 ausgebildet, in das eine Spannmutter 23 eingreift, die die Federhülse 22 gegen die Spannhülse 21 verspannt und damit der Anschlussring 40 gegen den Dichtsitz 41.

Der Wellbalg 30 ist an seinem der ersten Schweißverbindung 35 gegenüberliegenden Ende durch eine zweite Schweißverbindung 36 mit einem zweiten Anschlussring 50 fluiddicht verbunden, der über ein Stützelement 26 gegen eine Schulter 39 im Düsenkörper 4 verspannt ist. Zur Einstellung der richtigen Abstände ist dabei zwischen dem zweiten Anschlussring 50 und der im Düsenkörper 4 ausgebildeten Schulter 39 eine erste Einstellscheibe 28 und zwischen dem Stützelement 26 und dem zweiten Anschlussring 50 eine zweite Einstellscheibe 29 angeordnet. Die Verspannung des Stützelements 26 erfolgt über eine Spannschraube 37, die in ein Gewinde im Inneren des Düsenkörpers 4 eingreift. Zwischen dem Stützelement 26 und der Federhülse 22 ist eine Ventilfeder 25 unter Druckvorspannung angeordnet, durch die die Ventilnadel 15 gegen den Ventilsitz 17 gedrückt wird. Wird durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Aktor, beispielsweise einen Elektromagneten, eine ausreichend große Längskraft auf die Ventilnadel 15 ausgeübt, so bewegt sich diese in Längsrichtung gegen die Kraft der Ventilfeder 25 zum Öffnen der Auslassöffnung 7.

Der Wellbalg 30 umgibt einen Innenraum 32, der mit einem Schmiermittel befüllt werden kann. Das Schmiermittel benetzt den Führungsabschnitt 24 zwischen der Federhülse 22 und dem Stützelement 26, sodass eine weitgehend reibungsfreie Bewegung der Ventilnadel 15 ermöglicht wird. Zwischen dem zweiten Anschlussring 50 und der Spannhülse 21 verbleibt ein Zwischenraum, durch den das Schmiermittel fließen kann. Im Bereich des Stützelements 26 ist der Schmiermittelfluss über Durchgangsbohrungen 27 sichergestellt. Der Wellbalg 30 ist dabei in Längsrichtung flexibel, so dass eine Bewegung der Ventilnadel 15 innerhalb des Gehäuses 1 nicht behindert wird, gleichwohl aber eine Abdichtung des Innenraums 32 gegen den Ringraum 31 und damit eine Abdichtung des Schmiermittels gegen den Brennstoff erfolgt.

Die Figur 2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der Figur 1 eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, wobei nur eine Hälfte des Brennstoffventils entlang der Mittelachse 11 gezeigt ist. Der Wellbalg 30 ist mit seinem der Auslassöffnung 7 zugewandten Ende mit einem separaten Anschlussring 40 verbunden. Der Anschlussring 40 umgibt die Ventilnadel 15 und liegt mit einer konischen Anlagefläche 44 auf einem ebenfalls konischen Dichtsitz 41 an der Ventilnadel 15 auf. Zwischen dem Wellbalg 30 und dem Anschlussring 40 ist eine fluiddichte Schweißverbindung ausgebildet. Die Spannmutter 23 ist hier innerhalb des Wellbalgs 30 angeordnet und umgibt die Ventilnadel 15. Dabei verspannt die Spannmutter 23 den Anschlussring 40 gegen den Dichtsitz 41, wobei sie in das Gewinde 19 an der Ventilnadel 15 eingreift, welches hier ebenfalls innerhalb des Wellbalgs 30 angeordnet ist. Da die Spannmutter 23 hier unmittelbar am Anschlussring 40 anliegt, entfällt in diesem Ausführungsbeispiel die Spannhülse 21. Die hier nicht gezeigte Ventilfeder 25 beaufschlagt die Ventilnadel 15 auch hier, jedoch in konstruktiv anderer Weise, so dass die Federhülse 22 ebenfalls entfällt. Durch die Anlage des Anschlussrings 40 auf dem Dichtsitz 41 wird ebenfalls eine fluiddichte Verbindung geschaffen, so dass der durch den Wellbalg 30 begrenzte Innenraum 32 abgedichtet wird und sich das darin befindliche Schmiermittel nicht mit dem Brennstoff im Ringraum 31 vermischt. Damit sich die Ventilnadel 15 beim Festziehen der Spannmutter 23 nicht dreht und so eventuell den Wellbalg 30 beschädigt, können an den Enden der Ventilnadel 15 Haltekonturen 45, 46 vorgesehen sein, um die Ventilnadel 15 während des Schraubprozesses zu halten. Die Haltekonturen 45, 46 können beispielsweise in Form von Schlüsselflächen ausgebildet sein.

Die Figur 3 zeigt in derselben Darstellung wie Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Anschlussring 40 wird hier nicht direkt über die Spannmutter 23 gegen den Dichtsitz 41 vorgespannt, sondern wie schon bei dem Ausführungsbespiel der Figur 1 unter Verwendung einer Spannhülse 21. Die Spannhülse 21 umgibt die Ventilnadel 15 und überträgt die Kraft der Spannmutter 23 auf den Anschlussring 40. Damit kann die Spannmutter 23 auch weiter entfernt vom Anschlussring 40 positioniert werden, was die Zugänglichkeit der Spannmutter 23 verbessert und die Montage erleichtert. Die Spannmutter 23 kann so auch außerhalb des Wellbalgs 30 angeordnet werden.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung des Anschlussrings 40‘. Der Anschlussring 40‘ weist hier eine flache Anlagefläche 44‘ auf, die auf einem ebenso flachen Dichtsitz 41‘ aufliegt. Diese Ausbildung des Anschlussrings 41 und der Anlagefläche 44‘ ist einfach zu fertigen und erlaubt eine horizontale Verschiebung des Anschlussrings 40‘. Zur sicheren Abdichtung ist hier zusätzlich ein Dichtring 48 zwischen dem Anschlussring 40 und der Ventilnadel 15 vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die eigentliche fluiddichte Abdichtung durch den Dichtring 48 sichergestellt ist, während der Dichtsitz 41‘ nur als Widerlager des ersten Anschlussrings 40‘ dient. Dadurch ergeben sich mehr Freiheiten bei der Ausgestaltung des Dichtsitzes 41‘ bzw. der Anlagefläche 44‘.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung mit wie Figur 3 gezeigt. Der Wellbalg 30 ist auch hier mit seinem der Auslassöffnung 7 zugewandten Ende über eine Schweißverbindung 35 mit dem Anschlussring 40 fluiddicht verbunden. Zur Abdichtung des gegenüberliegenden Endes des Wellbalgs 30 ist hier ebenfalls ein zweiter Anschlussring 50 vorhanden. Der zweite Anschlussring 50 ist mit dem Wellbalg 30 ebenfalls über eine Schweißverbindung 36 verbunden und liegt auf einem Absatz 55 im Düsenkörper 4 auf. Zusätzlich ist ein Dichtring 47 zwischen dem zweiten Anschlussring 50 und dem Düsenkörper 4 angeordnet, um hier - ähnlich wie bei der Darstellung in Figur 4 - eine zusätzliche Abdichtung des Innenraums 32 zu erreichen. Der Absatz 55 ist flach ausgebildet, so dass der Dichtring 47 die Abdichtung optimiert. Die Spannkraft auf den Anschlussring 40 wird auch hier über eine Spannhülse 21 und eine Spannmutter 23 erzeugt. Um das Drehen und der Spannhülse 21 beim Anschrauben der Spannmutter 23 zu verhindern, weist die Ventilnadel 15 eine Außenkontur 49 auf, in die die Spannhülse 21 mit einer entsprechenden Innenkontur eingreift. Dazu zeigt Figur 5A einen Querschnitt durch das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entlang der Linie A. Da die Spannhülse 21 und die Ventilnadel 15 ineinandergreifen, wird das Verdrehen der Spannhülse 21 beim Verschrauben der Spannmutter 23 verhindert, um kein Torsionsmoment auf den ersten Anschlussring 40 auszuüben. Zusätzlich können auch hier Haltekonturen 45, 46 an der Ventilnadel 15 ausgebildet sein, um diese beim Anschrauben der Spannmutter 23 zu fixieren. Eine ineinandergreifende Außen- und Innenkontur kann auch zwischen dem Anschlussring 40 und der Ventilnadel 15 vorgesehen sein oder zwischen der Federhülse 22 und der Ventilnadel 15.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung wie Figur 5. Der zweite Anschlussring 50 ist auch hier durch die Spannschraube 37 gegen den Absatz 55 vorgespannt, wobei zwei Einstellscheiben 52, 53 verwendet werden: Eine erste Einstellscheibe 52 ist zwischen der Spannschraube 37 und dem zweiten Anschlussring 50 angeordnet und eine zweite Einstellscheibe 53 inzwischen dem zweiten Anschlussring 50 und dem Absatz 55. Damit kann die Position des zweiten Anschlussrings 50 innerhalb des Düsenkörpers 4 genau eingestellt werden, damit eine unterschiedlich starke Vorspannung des Wellbalgs 30 die Federkraft der Ventilfeder 25 nicht vermindert oder verstärkt. Dabei muss die erste Einstellscheibe 52 und die zweite Einstellscheibe 53 nicht gleich dick ausgebildet sein, wie in dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 gezeigt. Ohne die Position der Spannschraube 37 zu ändern, ist hier die erste Einstellscheibe 52 dicker als die zweite Einstellscheibe 53 ausgebildet, wobei die Gesamtdicke der beiden Einstellscheiben 52, 53 der der Figur 6 entspricht. Durch diese Ausgestaltung der Einstellscheiben 52, 53 wird der zweite Anschlussring 50 weiter in Richtung des ersten Anschlussrings 40 positioniert, falls dies erforderlich ist. Die Bewegung der Ventilnadel 15 erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Elektromagneten, der in der Figur 1 nicht dargestellt ist. Die Ventilnadel 15 kann auch mit Hilfe eines anderen elektrischen Aktors bewegt werden, beispielsweise eines Piezoaktors oder eines magnetostriktiven Aktors. Auch eine servo- hydraulische Bewegung der Ventilnadel 15 ist möglich.