Gasdosierventil

Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil, wie es beispielsweise Verwendung fin- det, um gasförmigen Kraftstoff direkt in einem Brennraum oder in einen Ansaug- trakt einer Brennkraftmaschine dosiert abzugeben.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Gasdosierventile zur dosierten Abgabe von gasförmigem Kraftstoff bekannt. Die WO 2018/007068 A1 zeigt ein Gasdosier- ventil mit einem Ventilelement, das beweglich im Gasraum des Dosierventils an- geordnet ist und das durch einen Elektromagneten gegen die Kraft einer Rück- stellfeder bewegt werden kann. Dabei sind am Ventilelement zwei Dichtflächen ausgebildet, die mit je einem zugeordneten Ventilsitz zur Steuerung jeweils eines Strömungsquerschnitts Zusammenwirken, wobei zwei parallele Strömungspfade eröffnet werden. Das in den Gasraum einströmende Gas passiert einen der ge- öffneten Strömungsquerschnitte und gelangt schließlich durch eine oder mehrere Eindüsöffnungen nach außen.

Bei Gasdosierventilen, wie sie zur Eindosierung von Wasserstoff verwendet wer- den, ist die Abdichtung besonders wichtig. Wasserstoff kann aufgrund der gerin- gen Molekülgröße auch durch sehr kleine Spalte diffundieren. Insbesondere bei langen Standzeiten eines Motors mit einem entsprechenden Dosierventil kann es problematisch werden, wenn ständig auch nur geringe Mengen Wasserstoff ent- weichen. Mit einer Metall-Metall-Dichtung lässt sich eine ausreichende Abdich- tung nicht oder nur schwer erreichen, so dass die Verwendung einer Elastomer- dichtung in der Regel unumgänglich ist. Soll gasförmiger Kraftstoff direkt in einen Brennraum eindosiert werden, so ist das Dosierventil jedoch den hohen Tempe- raturen ausgesetzt, wie sie bei der Verbrennung entstehen, was zu Schäden an der Elastomerdichtung führen kann. Um dies zu verhindern, kann der elastomer- beschichtete Dichtsitz weit von der Auslassöffnung des Dosierventils angeordnet werden, was die Temperaturen am Dichtsitz senkt, jedoch zu einem erheblichen Totvolumen im Dosierventil führt, das direkt mit dem Brennraum über die Aus- lassöffnung verbunden ist und eine exakte Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs erschwert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine sichere Abdichtung des Gasdosierventils auch bei längeren Standzei- ten gegeben ist und gleichzeitig eine exakte Dosierung des gasförmigen Kraft- stoffs ermöglicht wird. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, das ei- nen Gasraum mit einer Einlassöffnung und mit einer Auslassöffnung umfasst. Im Gasraum ist längsbeweglich eine Düsennadel angeordnet, die durch einen elektrischen Aktor entgegen einer Rückstellkraft bewegbar ist und an der eine in- nere Dichtfläche und eine äußere Dichtfläche ausgebildet sind, die jeweils mit ei- nem zugeordneten Ventilsitz zur Steuerung eines inneren Strömungsquerschnitts bzw. eines äußeren Strömungsquerschnitts Zusammenwirken. Dabei wird durch eine Öffnungsbewegung der Düsennadel sowohl der innere Strömungsquer- schnitt als auch der äußere Strömungsquerschnitt aufgesteuert, so dass der gas- förmige Kraftstoff zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung zuerst den inneren Strömungsquerschnitt und anschließend den äußeren Strömungs- querschnitt durchströmt. Bei der Schließbewegung der Düsennadel setzt entwe- der zuerst die äußere Dichtfläche auf dem äußeren Ventilsitz oder zuerst die in- nere Dichtfläche auf dem inneren Ventilsitz auf, wobei Teile der Düsennadel oder des Ventilkörpers durch die Rückstellkraft so elastisch verformt werden, dass auch die jeweils andere Dichtfläche auf dem ihr zugeordneten Ventilsitz aufsetzt.

Ist die Düsennadel in ihrer Öffnungsstellung, so durchströmt das Gas nacheinan- der den ersten und zweiten Strömungsquerschnitt auf dem Weg zur Auslassöff- nung des Dosierventils. Bewegt sich die Düsennadel nunmehr zur Beendigung der Dosierung in Schließrichtung, so setzt beispielsweise zuerst die äußere Dichtfläche auf dem äußeren Ventilsitz auf und verschließt damit den äußeren Strömungsquerschnitt, der nahe am Brennraum angeordnet ist und damit potenti- ell hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Da dieser Dichtsitz wegen der hohen Temperaturen nicht mit einem Elastomer beschichtet werden kann, weist er je- doch nicht die für längere Standzeiten notwendige, nahezu absolute Dichtheit auf. Um auch den inneren Strömungsquerschnitt sicher zu verschließen, ist die Düsennadel so elastisch verformbar ausgebildet, dass sich ein Düsennadelab- schnitt zwischen der inneren Dichtfläche und der äußeren Dichtfläche bei der weiteren Schließbewegung soweit verlängert, dass auch die innere Dichtfläche auf dem zugeordneten Ventilsitz dichtend aufsetzt. Diese doppelte Abdichtung des Strömungspfads innerhalb des Gasraums bewirkt schließlich die notwendige Abdichtung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Düsennadelabschnitt zwischen den beiden Dichtflächen einen Federbalg oder einen federartigen Abschnitt. Dadurch wird die gewünschte Elastizität erreicht und damit die Funktionalität in einfacher Weise realisiert. Alternativ kann der Düsennadelabschnitt auch einen verjüngten Abschnitt umfassen, um die erforderliche Elastizität zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Ventil- sitz an einer ins Innere des Gasraums ragenden Dichtlippe ausgebildet. Dies ergibt eine zusätzliche Elastizität, was die Elastizität der Düsennadel unterstüt- zen oder auch ersetzen kann. Vorteilhafterweise kann dabei der innere Ventilsitz an einer ins Innere des Gasraums ragenden Dichtlippe ausgebildet sein, über de- ren Form die gewünschte Elastizität leicht eingestellt werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auf dem inneren Ventilsitz oder auf der inneren Dichtfläche eine Elastomerdichtung aufgebracht. Dadurch wird an dieser Stelle eine praktisch absolute Dichtheit erreicht, so dass auch bei län- gerer Standzeit des Ventils kein Gas über die Auslassöffnung aus dem Gasraum ausströmen kann.

In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel durch eine vor- gespannte Feder beaufschlagt, die die Rückstellkraft erzeugt. Die Feder sorgt damit dafür, dass das Dosierventil geschlossen bleibt, wenn der Elektromagnet keine Öffnungskraft auf das Ventilelement ausübt, also insbesondere, wenn das Dosierventil abgeschaltet ist. Die Schließfeder erzeugt auch die notwendige Kraft, um die Düsennadel oder andere Teile des Gasdosierventils elastisch zu verformen und damit das Aufsetzen beider Dichtflächen auf den jeweiligen Ventil- sitzen zu ermöglichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die innere Dichtfläche und der zugeordnete innere Ventilsitz und/oder die äußere Dichtfläche und der zugeord- nete äußere Ventilsitz konisch ausgestaltet. Dadurch kann zum einen der Strö- mungsquerschnitt und der Strömungsverlauf gezielt beeinflusst werden und zum anderen wird dadurch der Verschleiß im Bereich der Dichtflächen vermindert.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemä- ßen Gasdosierventilen dargestellt. Es zeigt

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasdosier- ventils im Längsschnitt in einer geöffneten Stellung und Figur 2 dasselbe Gasdosierventil in geschlossener Stellung,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasven- tils, ebenfalls im Längsschnitt,

Figur 4 und

Figur 5 weitere Ausführungsbeispiele, wobei die Form der Dichtflächen und Ventilflächen abgewandelt ist,

Figur 6a 6b und 6c weitere Ausführungsbeispiele mit abgewandelten Formen der Düsennadel und

Figur 7a, 7b, 7c und 7d Detaildarstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen mit verschiedenen Dichtsitzformen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasdosier- ventils im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile des Gasdo- sierventils gezeigt sind. Das Gasdosierventil umfasst ein Gehäuse 1, das einen Ventilkörper 3 und einen Haltekörper 4 umfasst, wobei der Ventilkörper 3 und der Haltekörper 4 durch eine nicht näher dargestellte Spannvorrichtung fest gegenei- nander verspannt sind. Im Ventilkörper 3 ist ein Gasraum 2 ausgebildet, der über eine Einlassöffnung 5 mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar ist und aus dem über eine Auslassöffnung 6 gasförmiger Kraftstoff dosiert abgegeben werden kann. Im Gasraum 2 ist längsverschiebbar eine kolbenförmige Düsennadel 7 angeordnet, die an ihrem der Einlassöffnung 5 zugewandten Ende mit einem Magnetanker 9 verbunden ist. Der Magnetanker 9 wirkt mit einem im Haltekörper 4 angeordne- ten und den Düsenkörper 3 umgebenden Elektromagneten 8 zusammen, wodurch die Düsennadel 7 entgegen der Kraft einer Feder 12 in Längsrichtung bewegt werden kann. Dabei ist die Feder 12 unter Druckvorspannung zwischen einem Absatz im Ventilkörper 3 und dem Magnetanker 9 angeordnet. An der Dü- sennadel 7 ist ein Bund 15 mit einer inneren Dichtfläche 10 ausgebildet, die mit einem inneren Ventilsitz 13 zum Öffnen und Schließen eines inneren Strömungs- querschnitts 17 zusammenwirkt, durch den gasförmiger Kraftstoff in Richtung der Auslassöffnung 6 strömen kann. An dem der Auslassöffnung 6 zugewandten Ende der Düsennadel 7 ist eine Dichtplatte 16 ausgebildet mit einer konischen äußeren Dichtfläche 11, die mit einem ebenfalls konischen äußeren Ventilsitz 14 am Ventilkörper 3 zum Öffnen und Schließen eines äußeren Strömungsquer- schnitts 18 zusammenwirkt.

Ist der Elektromagnet 8 bestromt, so zieht er die Düsennadel 7 gegen die Kraft der Feder 12 in Richtung der Auslassöffnung 6, wobei die innere Dichtfläche 10 und die äußere Dichtfläche 11 vom inneren Ventilsitz 13 bzw. vom äußeren Ven- tilsitz 14 abheben und beide Strömungsquerschnitte 17, 18 freigeben. Gasförmi- ger Kraftstoff strömt dann von der Einlassöffnung 5 durch den Gasraum 2 zur Auslassöffnung 6 und wird so beispielsweise in einen Brennraum abgegeben. Wird die Bestromung des Elektromagneten 8 unterbrochen, so drückt die Feder 12 die Düsennadel 7 zurück in ihre Schließstellung, wobei beide Strömungsquer- schnitte 17, 18 verschlossen werden. In Fig. 1 ist die geöffnete Stellung gezeigt, wie sie sich bei bestromtem Elektromagneten 8 einstellt, Fig. 2 zeigt entspre- chend die geschlossene Stellung bei ausgeschaltetem Elektromagneten 8.

Damit beide Strömungsquerschnitte 17, 18 ausreichend abdichten, weist die Dü- sennadel 7 einen Düsennadelabschnitt 23 auf, der zwischen dem die innere Dichtfläche 10 aufweisenden Bund 15 und der äußeren Dichtfläche 11 ausgebil- det ist und der eine Elastizität aufweist, durch die eine Abdichtung an beiden Dichtflächen 10, 11 erfolgen kann, ohne dass eine statische Überbestimmung vorliegt: Bei der Schließbewegung der Düsennadel 7 setzt zuerst die äußere Dichtfläche 11 auf dem äußeren Ventilsitz 14 auf, wobei die innere Dichtfläche 10 zu diesem Zeitpunkt noch etwas vom inneren Ventilsitz 13 beabstandet ist. Durch die Kraft der Feder 12 wird der Düsennadelabschnitt 23 anschließend soweit ver- längert, dass schließlich auch die innere Dichtfläche 10 auf dem inneren Ventil- sitz 13 aufsetzt, wodurch auch der innere Strömungsquerschnitt 17 geschlossen wird. Der Unterschied zwischen dem axialen Abstand der Ventilsitze 13, 14 ei- nerseits und der Dichtflächen 10, 11 andererseits beträgt dabei beispielsweise 10 μm, damit sich der Düsennadelabschnitt entsprechend längen kann, ohne seine Stabilität einzubüßen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasdo- sierventils dargestellt. Die Feder 12 greift hier nicht am Magnetanker 9 an, son- dern an einem Federteller 21, der mit der Düsennadel 7 fest verbunden ist oder einstückig mit der Düsennadel 7 gefertigt ist. Der Bund 15 ist gegenüber der Aus- führungsform der Fig. 1 dünner und damit flexibel ausgebildet, so dass die Rei- henfolge, mit der die Dichtflächen 10, 11 auf den jeweiligen Ventilsitzen 13, 14 bei der Schließbewegung aufsetzen, gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel umgekehrt erfolgen kann: Zuerst setzt die innere Dichtfläche 10 auf dem inneren Ventilsitz 13 auf. Da der Bund 15 relativ dünn ausgebildet ist, verformt sich dieser elastisch unter der Wirkung der Schließkraft, die die Feder 12 auf die Düsenna- del 7 ausübt, bis die äußere Dichtfläche 11 auf dem äußeren Ventilsitz 14 auf- setzt. Die elastischen Eigenschaften des Bundes 15 müssen entsprechend auf den axialen Abstand der Dichtflächen 10, 11 und den etwas geringeren Abstand der Ventilsitze 13, 14 abgestimmt sein. Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung der Fe- der 12 erlaubt darüber hinaus, den Elektromagneten 8 weiter von der Auslassöff- nung 6 entfernt anzuordnen, falls dies beispielsweise aus Platzgründen vorteil- haft ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasdo- sierventils, wobei hier in Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Gasdosierventils die innere Dichtfläche 10 konisch ausgebildet ist, und entsprechend ist auch der innere Ventilsitz 13 konisch geformt. Der Öffnungswinkel a des Konus ist dabei vorteilhafterweise größer als der Öffnungswinkel ß der äußeren Dichtfläche, da- mit das elastische Eindringen und damit das Abdichten am inneren Ventilsitz 13 verstärkt erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn der Konuswinkel des inneren Ventilsitzes 13 als Flachsitz oder nahezu als Flachsitz ausgeführt ist, also mit einem Winkel α von 160° bis 180°, wie in Fig. 5 im Grenzfall α = 180° dargestellt.

Um die notwendige Flexibilität und elastische Dehnbarkeit der Düsennadel 7 zu erreichen, kann der Düsennadelabschnitt 23 auf verschiedene Weise optimiert werden. In Fig. 6a ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Düsenna- delabschnitt 23 als federartiger Abschnitt 123 ausgeführt ist, was die Flexibilität deutlich erhöht. Der Düsennadelabschnitt 23 ist dazu beispielsweise mäanderför- mig oder schraubenförmig geformt.

Fig. 6b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Düsennadelabschnitt 23 als Federbalg 223 ausgebildet ist, was insbesondere die Längselastizität deut- lich erhöht bei gleichzeitig relativ hoher Biegesteifigkeit.

Fig. 6c zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Düsennadelabschnitt 23, der einen verjüngten Abschnitt 323 umfasst. Über den Durchmesser dieses Abschnitts kann die gewünschte Elastizität bzw. Flexibilität leicht eingestellt wer- den.

Um die gewünschte Dichtheit am inneren Ventilsitz 13 zu erreichen, insbeson- dere zur Abdichtung von Wasserstoffgas, kann dieser entweder sehr flexibel aus- gebildet sein und aus einem relativ weichen Material bestehen, damit sich Dicht- fläche und Ventilsitz aneinander anpassen können. Dies ist in Fig. 7a dargestellt, wo der innere Ventilsitz 13 an einer Dichtlippe 25 ausgebildet ist und dem Bund 15 gegenüber liegt. Bei der Schließbewegung der Düsennadel 7 verformt sich die Dichtlippe 25 durch die Schließkraft der Feder 12, so dass sich die Dichtlippe 25 an die innere Dichtfläche 10 anschmiegt und den inneren Strömungsquerschnitt 17 schließt.

Meist wird jedoch die Verwendung eines Elastomers zur Abdichtung angezeigt sein, wie dies beispielhaft in Fig. 7b gezeigt ist. Die Elastomerdichtung 26 ist am Bund 15 angeordnet und sorgt für eine sichere Abdichtung des inneren Strö- mungsquerschnitts 17. Alternativ kann die Elastomerdichtung 26' auch auf dem inneren Ventilsitz 13 aufgebracht sein, wie in Fig. 7c gezeigt. Auch eine Elastomerdichtung an einer konisch ausgebildeten inneren Dichtfläche 10, wie in Fig. 7d gezeigt, kann vorgesehen sein.