Gasdosierventil

Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil, wie es insbesondere Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff in einen Brennraum oder einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine zu dosieren.

Stand der Technik

Ventile zur dosierten Abgabe von gasförmigem Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2016 215 027 Al bekannt. Im Gehäuse des Gasdosierventils ist ein bewegliches Ventilelement angeordnet, das mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Das Ventilelement ist dabei als Magnetanker ausgebildet und wird mit Hilfe eines Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegt, so dass es zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung durch Ein- und Ausschalten des Elektromagneten bewegt werden kann.

Um Gasmengen zu dosieren, wie sie beispielsweise bei Motoren für Lastkraftwagen benötigt werden, müssen große Strömungsquerschnitte aufgesteuert werden, um die notwendige Gasmenge in der zur Verfügung stehenden Zeit eindosieren zu können. Dazu muss das Ventilelement in kurzer Zeit einen großen Hub durchfahren, was nur durch starke magnetische Kräfte und entsprechend große Bewegungsgeschwindigkeiten des Ventilelements erreicht werden kann. Schlägt das Ventilelement entweder an der Hubbegrenzung bei der Öffnungsbewegung bzw. am Ventilsitz bei der Schließbewegung an, so wirken dort wegen der großen Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilelements große Kräfte, was zu einer hohen mechanischen Belastung und entsprechendem Verschleiß führt. Darüber hinaus bewirkten die hohen Kräfte starke Schallemissionen und Vibrationen, die zu weiterer Belastung der Brennkraftmaschine führen. Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist den Vorteil auf, dass der Verschleiß am Ventilelement verringert ist und die Lebensdauer entsprechend verlängert bei gleichzeitig großem schaltbarem Strömungsquerschnitt. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, in dem ein Gasraum mit einem Gaseinlass und ein Gasauslass ausgebildet ist. Im Gasraum ist ein Ventilelement beweglich angeordnet, das mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung zusammenwirkt, wobei das Ventilelement mittels eines Aktors bewegbar ist. Das Ventilelement umfasst ein Dichtelement und ein Ankerelement, wobei das Dichtelement eine Dichtfläche aufweist, die mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, und ein Ankerelement, das durch den Aktor bewegt wird. Dabei ist das Dichtelement mit dem Ankerelement über eine Ankerfeder gekoppelt ist.

Die beiden Teile des Ventilelements sind durch die flexible Kopplung über die Ankerfeder gegeneinander beweglich, so dass beim Auftreffen des Ventilelements auf dem Ventilsitz bzw. auf der Anschlagfläche, die die Öffnungsbewe- gung begrenzt, ein Teil des Ventilelements nicht abrupt gebremst wird, sondern sich gegen die Kraft der Ankerfeder etwas weiterbewegen kann, was die Kräfte auf die entsprechenden Flächen und das Ventilelement reduziert und damit den Verschleiß senkt.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Dichtelement und dem Ankerelement ein Mitnehmer ausgebildet, so dass das Ankerelement bei seiner Öffnungsbewegung das Dichtelement mitbewegt. Der Mitnehmer sorgt für ein verzögerungsfreies Öffnen des Ventilelements bei Bestromung des Elektromagneten, so dass ein präzises Öffnen des Dosierventils und damit eine exakte Steuerung der Gasdosierung möglich ist, ohne dass die Dämpfungsfunktion durch den zweiteiligen Aufbau des Ventilelements beeinträchtigt wird.

In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Ankerelement und dem Dichtelement ein Dämpfungsraum ausgebildet. Der Dämpfungsraum ist mit dem zu dosierenden Gas gefüllt, das beim Auftreffen des Ventilelements auf dem Ventilsitz bzw. der Hubbegrenzung aus dem Dämpfungsraum verdrängt wird und dadurch die Bewegung der beiden Ventilelementteile dämpft und die oben genannten Vorteile des Aufbaus noch erhöht. Dabei kann in vorteilhafter Weise eine Verbindung zum Gasraum über eine Bohrung im Ankerelement oder im Dichtelement vorgesehen sein. Um die Dämpfungswirkung zu verstärken, kann die Bohrung auch als Drosselbohrung ausgestaltet sein, damit das im Dämpfungsraum befindliche Gas nur relativ langsam aus dem Dämpfungsraum verdrängt wird, was die Dämpfungswirkung weiter verstärkt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ankerfeder vorgespannt, so dass das Dichtelement und das Ankerelement im Mitnehmer gegeneinander vorgespannt sind. Über die Stärke der Vorspannung kann die Dämpfungswirkung und die Prellneigung des Ventilelements eingestellt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktor als Elektromagnet ausgebildet, der bei Bestromung das Ankerelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegt. Das Ankerelement kann dabei beispielsweise als Tauchanker ausgebildet sein, was konstruktiv einfach umsetzbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übt die Rückstellfeder eine geringere Kraft auf das Ankerelement aus als die Ankerfeder. Dadurch wird die Position der beiden Ventilkolbenteile durch die Ankerfeder festgelegt und das Ventilelement hat einen definierten Ankerhub, da die Rückstellfeder diesen nicht beeinflusst.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Ankerelement eine Anlagefläche ausgebildet, mit der das Ankerelement am Dichtelement zur Anlage kommen kann, wobei auf der Anlagefläche ein Dämpfungselement aufgebracht ist. Dieses kann in vorteilhafter Weise aus einem Elastomer gefertigt sein. Durch das Dämpfungselement wird das Auftreffen der beiden Ventilelementeile aufeinander gedämpft, was insbesondere die Schallemissionen dämpft.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gasdosierventils dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasdosierventils, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventilelements eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 4a, 4b und 4c weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Ventilelementen und

Fig. 5a, 5b, 5c und 5d Illustrierungen des Öffnungshubs von erfindungsgemäßen Ventilelementen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Längsschnitt dargestellt. Das Gasdosierventil umfasst ein Gehäuse 1, in dem ein Gasraum 2 ausgebildet ist. Der Gasraum 2 ist über einen Gaseinlass 4 mit dem zu dosierenden Gas be- füllbar, das über einen Gasauslass 5 austritt. Der Gasauslass 5 ist in Form eines Rohres ausgebildet, das in den Ansaugtrakt oder den Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Im Gasraum 2 ist ein Ventilelement 7 längsbeweglich angeordnet. Es ist dabei seitlich im Gasraum 2 geführt und weist an seinem dem Gaseinlass 4 zugewandten Ende eine Dichtfläche 14 auf, mit der das Ventilelement 7 mit einem Ventilsitz 10 zum Öffnen und Schließen des Gaseinlasses 4 zusammenwirkt, wobei der Ventilsitz 10 ringförmig die Mündung des Gaseinlasses 4 in den Gasraum 2 umgibt. Die Längsbewegung des Ventilelements 7 in Richtung des Gasauslasses 5 wird von einer Anschlagfläche 16 begrenzt, die an der Wand des Gasraums 2 ausgebildet ist.

Das Ventilelement 7 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst ein Dichtelement 11 und ein Ankerelement 12. Am Dichtelement 11 ist die Dichtfläche 14 ausgebildet, während das Ankerelement 12 als Magnetanker ausgebildet ist und mit einem Elektromagneten 8, 9 zusammenwirkt, der eine Magnetspule und einen Magnetkern umfasst, die in Fig. 2 näher dargestellt sind. Im Ankerelement 12 ist eine Verbindung 13 ausgebildet in Form einer T-förmigen Bohrung, durch die das Gas in Richtung des Gasauslasses 5 strömen kann. Das Ventilelement 7 wird durch eine Rückstellfeder 22, die zwischen dem Ventilelement 7 und einem Absatz 24 im Gasraum 2 unter Druckvorspannung angeordnet ist, mit einer Schließkraft in Richtung des Ventilsitzes 10 beaufschlagt, so dass das Ventilelement 7 die Einlassöffnung 4 verschließt, wenn der Elektromagnet 8 nicht bestromt ist.

Zwischen dem Dichtelement 11 und dem Ankerelement 12 ist eine Ankerfeder 15 unter Vorspannung angeordnet. Fig. 2 zeigt dazu eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Fig. 1. Die Ankerfeder 15 ist als Schraubenfeder ausgebildet und stützt sich jeweils an einem Absatz des Ankerelements 12 und des Dichtelements 11 ab. Zwischen dem Ankerelement 12 und dem Dichtelement 11 ist ein Mitnehmer 17 durch einen am Dichtelement 11 nach innen gerichteten Kragen ausgebildet, der einen nach außen gerichteten Kragen am Ankerelement 12 umgreift. Bei einer Bewegung des Ankerelements 12 in Richtung des Gasauslasses 5 wird so das Dichtelement 11 mitgenommen und bewegt sich synchron mit dem Ankerelement 12. Näher dargestellt ist in Fig. 2 auch der Elektromagnet 8 mit seiner Spulenwicklung und der Magnetkern 9, der der Verstärkung des durch den Elektromagneten 8 erzeugten Magnetfelds dient.

Zwischen dem Ankerelement 12 und dem Dichtelement 11 ist ein Dämpfungsraum 18 ausgebildet, der über eine Bohrung 20 mit dem Gasraum 2 verbunden ist. Der nach außen gerichtete Kragen am Ankerelement 12 ist soweit in das Dichtelement 11 eingepasst, dass der Gasaustausch zwischen Gasraum 2 und Drosselraum 18 durch diese Bohrung 20 dominiert wird. Die Dämpfungswirkung kann durch die Größe der Bohrung 20 eingestellt werden, indem diese mit geringem Durchmesser und damit mit einer Drosselwirkung ausgestaltet wird.

Die Funktion ist wie folgt: Das Ventilelement 7 wird mit Hilfe des Elektromagneten 8 im Gasraum 2 gegen die Kraft der Rückstellfeder 22 bewegt, um einen Strömungsquerschnitt für das zu dosierende Gas auf- und zuzusteuern. Soll das Gasdosierventil einen großen Strömungsquerschnitt auf- und zuzusteuern, wie es für die Eindosierung bei leistungsstarken Brennkraftmaschinen notwendig ist, muss das Ventilelement 7 einen relativ großen Hub durchfahren. Darüber hinaus muss das Schalten des Gasdosierventils schnell erfolgen, da nur so eine präzise Dosierung möglich ist, was insbesondere bei der Eindüsung des Gases direkt in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine nötig ist. Beide Anforderungen lassen sich nur durch große Kräfte auf das Ventilelement 7 erfüllen, um dieses in kurzer Zeit zu beschleunigen und gegen die Kraft der Rückstellfeder 22 in seine Öffnungsstellung zu bewegen. Die Schließbewegung erfolgt passiv durch die Rückstellfeder 22 bei ausgeschaltetem Elektromagneten 8. Da auch dies schnell geschehen muss, ist die Rückstellfeder 22 mit einer relativ großer Vorspannkraft montiert. Schlägt das Ventilelement 7 bei der Öffnungsbewegung an der Anschlagfläche 16 an, so wirken entsprechend große Kräfte auf das Gehäuse 1 und das Ventilelement 7. Darüber hinaus kann es zum Prellen kommen, das heißt, dass das Ventilelement 7 von der Anschlagfläche 16 bzw. vom Ventilsitz 10 zurückprellt, so dass das Ventilelement 7 erst nach einer gewissen Zeit in dieser Lage zur Ruhe kommt.

Durch die zweiteilige Ausführung des Ventilelements 7 wird letztlich eine Dämpfung der Bewegung realisiert, die durch die Ausbildung des Dämpfungsraums 18 noch verstärkt wird. Es wird zuerst die Schließbewegung des Ventilelements 7 betrachtet: Kommt bei der Schließbewegung des Ventilelements 7 das Dichtelement 11 mit seiner Dichtfläche 14 am Ventilsitz 10 zur Anlage, so setzt das Ankerelement 12 seine Bewegung gegen die vorgespannte Ankerfeder 15 zunächst fort. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff im Dämpfungsraum 18 durch die Bohrung 20 ausgepresst, was die Bewegung des Ventilelement 7 bremst und damit abdämpft. Gleichzeitig wird durch diese Dämpfung die Prellneigung des Ventilelements 7 verringert. Die Ankerfeder 15 drückt anschließend das Ankerelement 12 zurück, wobei die Ankerfeder 15 eine größere Kraft auf das Ankerelement 12 ausübt als die Rückstellfeder 22.

Bei der Öffnungsbewegung des Ventilelements 7 wird durch Bestromen des Elektromagneten 8 eine Kraft auf das Ankerelement 12 ausgeübt und dieses vom Ventilsitz 10 weggezogen. Durch den Mitnehmer 17 wird auch das Dichtelement 11 vom Ventilsitz 10 wegbewegt und die Einlassöffnung 4 freigegeben. Kommt das Ankerelement 12 an der Anschlagfläche 16 zur Anlage, setzt das Dichtelement 11 - wie bei der Schließbewegung das Ankerelement 12 - seine Bewegung zunächst fort, wobei diese Bewegung analog zur Schließbewegung gedämpft wird.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung des Ventilelements 7 dargestellt. Statt einer Bohrung 20, die in Fig. 2 mittig im Ankerelement 12 verläuft, sind hier zwei Bohrungen 20' im nach außen gerichteten Kragen am Ankerelement 12 ausgebildet, wobei auch hier der Kragen mit engem Spiel im Dichtelement 11 geführt ist. Der Durchmesser der Bohrungen 20' ist auch hier klein ausgeführt und hat entsprechend eine Drosselwirkung.

Fig. 4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventilelements 7. Das Dichtelement 11 und das Ankerelement 12 sind hier nicht durch einen Mitnehmer 17 verbunden, sondern ausschließlich über die Ankerfeder 15. Bewegt sich das Ankerelement 12 angetrieben durch den Elektromagneten 8 in Öffnungsrichtung vom Ventilsitz 10 weg, so folgt das Dichtelement 11 mit zeitlicher Verzögerung, da es erst durch den Gasdruck im Gaseinlass 4 bei nachlassender Federkraft der Ankerfeder 15 in Öffnungsrichtung bewegt wird und so dem Ankerelement 12 folgt. Die dem Dichtelement 11 zugewandte Fläche am Ankerelement 12 ist als Anlagefläche 19 ausgebildet, wobei ein Dämpfungselement 23 auf der Anlagefläche 19 aufgebracht ist. Je nach Steifigkeit der Ankerfeder 15 können sich das Dichtelement 11 und das Ankerelement 12 bei der Öff- nungs- oder Schließbewegung an der Anlagefläche 19 berühren, was durch das Dämpfungselement 23 abgedämpft wird und die auftretenden Kräfte reduziert.

Fig. 4b zeigt das gleiche Dämpfungselement 23 bei einem Ventilelement 7, wie schon in Fig. 3 gezeigt. Zur Verbindung des Dämpfungsraums 18 mit dem Gasraum 2 ist hier eine Bohrung 20 vorgesehen mit relativ großem Durchmesser, wodurch die pneumatische Dämpfungswirkung entfällt und lediglich das Dämpfungselement 23 für Dämpfung sorgt. Bezüglich der Dämpfwirkung entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 4b der Fig. 4a, weist aber zusätzlich den Mitnehmer auf. Fig. 4c zeigt das bereits in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Ventilelements 7 mit der Anordnung des Dämpfungselements 23, wobei die Bohrung 20 hier als Dämpfungsbohrung ausgeführt ist. Die Dämpfungselemente 23 der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4b und 4c weisen in der Zeichnung nicht dargestellte Perforationen auf, etwa in Form von Ausnehmungen im Bereich der Bohrungen 20, um einen Gasaustausch zwischen dem Dämpfungsvolumen 18 und der Umgebung über die Bohrungen 20 zu ermöglichen.

Der Hub des Ventilelement 7 wird durch die Federn, also die Ankerfeder 15 und die Rückstellfeder 22, und durch die Druckverhältnisse beim Betrieb des Gasdosierventils festgelegt. Fig. 5a zeigt zur Illustration dazu das Ventilelement 7 im Öffnungshubanschlag, bei dem das Ankerelement 12 in Anlage an der Anschlagfläche 16 ist. Die Position des Dichtelements 11 wird dann einerseits durch die Feder 15, also deren Federkonstante und Vorspannung, festgelegt, und andererseits durch die Druckverhältnisse des strömenden Gases. Entsprechend variiert der Hub, was in der Fig. 5a durch zwei mögliche Positionen des Dichtelements 11 gezeigt ist, die Hüben hi und h2 entsprechen. In der geschlossenen Stellung des Ventilelements 7, die in Fig. 5b gezeigt ist, ist die Position des Ankerelements 12 ebenfalls abhängig von den Druckverhältnissen, wobei hier in der Regel Druckausgleich innerhalb des Gasraums 2 herrscht.

Wird eine relativ steife Ankerfeder 15 gewählt, so ist durch den Mitnehmer 17 sichergestellt, dass sich beide Teile des Ventilelements 7 synchron bewegen und sich die beiden Teile des Ventilelements 7 (Dichtelement 11 und Ankerelement 12) nur beim Aufsetzen auf den Ventilsitz 10 bzw. die Anschlagfläche 16 kurzzeitig gegeneinander bewegen. Dies ist in Fig. 5c und Fig. 5d gezeigt. Je steifer die Ankerfeder 15, desto größer ist die Prellneigung des Ventilelements 7. Entsprechend lässt sich die Prellneigung durch eine relativ weiche Ankerfeder 15 verringern, was jedoch die Belastung am Ventilsitz 10 gegenüber einer relativ steifen Ankerfeder 15 erhöht, da dann die beiden Teile des Ventilelements beim Auftreffen auf dem Ventilsitz oder der Anschlagfläche gegeneinander schlagen. Dieser Zielkonflikt wird durch den Dämpfungsraum 18 weitgehend gelöst, so dass das so gebildete Ventilelement 7 sowohl eine geringe Prellneigung, als auch eine geringe Sitzbelastung aufweist.