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Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil, wie es vorzugsweise Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudosieren.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen gasförmiger Kraftstoff direkt in einen Brennraum eindosiert wird. Die Zündung des Luft-Gas-Gemisches erfolgt meist durch eine Zündkerze oder eine andere externe Zündquelle, wobei die Eindosierung des gasförmigen Kraftstoffs in der richtigen Menge und zum richtigen Zeitpunkt für einen optimalen Verbrennungsablauf essenziell ist. Aus der
DE 10 2014 225 922 A1 ist ein Gasdosierventil bekannt, bei dem ein Ventilelement, das als Baueinheit mit einem Magnetanker ausgebildet ist, durch einen Elektromagneten entgegen der Kraft einer Rückstellfeder bewegt wird. Durch die Bewegung des Ventilelements werden mehrere Eindüsöffnung aufgesteuert, durch die der gasförmige Kraftstoff aus dem Dosierventil austreten kann. Das Ventilelement kann dabei mit einem Kunststoff oder einem Elastomer beschichtet sein, um die Abdichtung zu verbessern.
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Elastomerdichtungen sind nur beschränkt hitzebeständig und können deshalb zumindest nicht dauerhaft höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Insbesondere bei Dosierventilen, die nahe einem Brennraum angeordnet sind, kann es durch die Verbrennung und die damit freigesetzte Wärme zu einer thermischen Überbelastung des Dichtsitzes kommen, was die Elastomerdichtung nachhaltig beschädigen kann. Darüber hinaus ergibt sich die Schwierigkeit, dass die Elastomerdichtung bei tiefen Temperaturen, etwa dann, wenn das Fahrzeug im Winter längere Zeit abgestellt wird, versprödet und damit seine Dichtwirkung nicht mehr voll entfalten kann. Um die Dichtwirkung zu verbessern, kann die Auflagefläche des Ventilelements auf der Elastomerdichtung vergrößert werden, was jedoch bei längerer Standzeit des Motors zu einem Verkleben zwischen Ventilsitz und Ventilelement führen kann, so dass sich das Dosierventil nur schwer löst, was zu Schwierigkeiten beim Anlauf der Brennkraftmaschine führen kann.
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Einerseits ist also eine große Berührfläche zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz wünschenswert, um die mechanische Belastung im Bereich des Ventilsitzes und des Ventilelements so gering wie möglich zu halten und damit einem Verschleiß der Kunststoffdichtung entgegen zu wirken. Andererseits ist eine große Berührfläche zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz im Hinblick auf das Kaltstartverhalten nicht wünschenswert, da dann ein Kleben des Ventilelements auf dem Ventilsitz induziert wird und damit ein schlechtes Kaltstartverhalten, d.h. dass bei kaltem Elastomer eine zuverlässige Eindosierung des gasförmigen Kraftstoffs nicht gegeben ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist den Vorteil auf, dass eine zuverlässige Abdichtung des gasförmigen Kraftstoffs im Gasdosierventil gegeben ist und gleichzeitig ein gutes Kaltstartverhalten des Dosierventils gewährleistet ist. Dazu weist das Dosierventil ein Gehäuse auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Gasraum ausgebildet ist. Der Gasraum weist eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung zur Zuführung bzw. zur dosierten Abgabe des gasförmigen Kraftstoffs auf. Im Gasraum ist ein bewegliches Ventilelement mit einer Ventildichtfläche angeordnet, die mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, wobei der Ventilsitz die Einlassöffnung ringförmig umgibt. Auf dem Ventilsitz ist eine Kunststoffdichtung aufgebracht und auf der Ventildichtfläche eine innere ringförmige Dichtkante und eine äußere ringförmige Dichtkante, die bei geschlossenem Ventil an der Kunststoffdichtung anliegen. Alternativ kann die Kunststoffdichtung auch auf der Ventildichtfläche aufgebracht sein und auf dem Ventilsitz eine innere ringförmige Dichtkante und eine äußere ringförmige Dichtkante, die bei geschlossenem Ventil an der Kunststoffdichtung anliegen.
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Die beiden Alternativen des erfindungsgemäßen Gasdosierventils beinhalten die Bauformen, bei denen die Kunststoffdichtung entweder auf dem körperfesten Ventilsitz oder auf dem beweglichen Ventilelement angebracht ist. Auf der gegenüberliegenden Fläche, also entweder auf der Ventildichtfläche des Ventilelements oder auf dem Ventilsitz des Gehäuses, sind zwei Dichtkanten ausgebildet, die ringförmig ausgebildet und zueinander konzentrisch sind. Dadurch wird eine innere Dichtkante und eine äußere Dichtkante gebildet, die bei geschlossenem Ventil an der Kunststoffdichtung anliegen. Durch die Größe und Ausgestaltung der Dichtkanten kann die Flächenpressung im Bereich des Ventilsitzes gering gehalten werden bei gleichzeitig guter Abdichtung des gasförmigen Kraftstoffs, der unter dem Eindüsdruck am Gasdosierventil anliegt. Der Ventilsitz und die Ventildichtfläche sind dabei vorzugsweise eben ausgebildet, so dass die innere und die äußere Dichtkante über die Ebene der Ventildichtfläche bzw. die Ebene des Ventilsitzes hinausragen.
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In vorteilhafter Weise ist die innere Dichtkante so ausgebildet, dass sie höher über die Ebene des Ventilsitzes bzw. die Ventildichtfläche hinausragt als die äußere Dichtkante, so dass beim Schließen des Gasdosierventils zuerst die innere Dichtkante an der Kunststoffdichtung zur Anlage kommt und erst im weiteren Schließverlauf die äußere Dichtkante. Dies bewirkt eine höherer Flächenpressung im Bereich der inneren Dichtkante und damit die eigentliche Abdichtung an dieser inneren Dichtkante, während die äußere Dichtkante vornehmlich dazu dient, die Anpresskräfte zum Teil aufzunehmen, um damit zu einer besseren Kraftverteilung auf dem Ventilsitz bzw. zwischen den beiden Dichtkanten beizutragen. Beim Schließen des Gasdosierventils erfolgt also die höchste Flächenpressung im Bereich der inneren Dichtkante, während die äußere Dichtkante hauptsächlich der besseren Kraftverteilung dient. Die dadurch bewirkte Kraftverteilung führt zu einem geringen Verschleiß im Bereich der Ventildichtfläche und damit zu einer größeren Lebensdauer des Gasdosierventils. Bei kaltem Gasdosierventil, also wenn bei niedrigen Temperaturen das Gasdosierventil längere Zeit geschlossen ist, ergibt sich eine Verhärtung der Kunststoffdichtung und damit eine geringere Elastizität, was dazu führt, dass die Dichtkanten weniger tief in die Kunststoffdichtung eindringen. Durch die Versprödung kommt die äußere Dichtkante, die eine geringere Höhe aufweist als die innere Dichtkante, nur noch zu einem geringen Teil oder gar nicht mehr an der Kunststoffdichtung zur Anlage. Damit wird die Berührfläche zwischen den Dichtkanten und der Kunststoffdichtung verringert, was ein Kleben des Ventilelements an der Dichtfläche verhindert und damit ein gutes Kaltstartverhalten des Gasdosierventils sicherstellt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die innere Dichtkante im Querschnitt halbkreis- oder dreieckförmig ausgebildet. Dies erhöht die Flächenpressung im Bereich der inneren Dichtkante zusätzlich, wobei die Form an die entsprechenden Verhältnisse angepasst werden kann. Dabei kann in vorteilhafter Weise an der Oberseite der inneren Dichtkante und der äußeren Dichtkante eine Abflachung ausgebildet sein, um die Flächenpressung entsprechend einzustellen. Dabei ist die Abflachung an der äußeren Dichtkante vorzugsweise größer als die Abflachung der inneren Dichtkante, so dass an der inneren Dichtkante eine höhere Flächenpressung auftritt als an der äußeren Dichtkante.
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In vorteilhafter Weise überragt die innere Dichtkante die äußere Dichtkante um 5 µm bis 100 µm. Je nach Dichtheitsanforderungen und nach dem gewählten Kunststoff, der die Dichtung bildet, kann so die gewünschte Kraftverteilung zwischen der inneren Dichtkante und der äußeren Dichtkante eingestellt werden. Die Ausbildung der Kunststoffdichtung in Form eines Elastomers ist dabei zusätzlich vorteilhaft, da diese sehr flexiblen Kunststoffe eine gute Dichteigenschaft aufweisen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil in mehreren Ansichten dargestellt. Es zeigt:
- 1 ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil in einem Längsschnitt,
- 2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Ventilsitzes bzw. der Ventildichtfläche,
- 3a, 3b eine weitere vergrößerte Darstellung der 2 im Bereich des Ventilsitzes und
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in derselben Darstellung wie 3a.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile gezeigt sind. Das Gasdosierventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Gasraum 2 ausgebildet ist. Der Gasraum 2 ist über eine Einlassöffnung 5 mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar und über eine Auslassöffnung 6 kann der gasförmige Kraftstoff dosiert abgegeben werden. Im Gasraum 2 ist ein Ventilelement 8 längsbewegbar angeordnet, das durch eine Rückstellfeder 17 gegen einen ringförmigen Ventilsitz 11 gedrückt wird. Der Ventilsitz 11 umgibt die Einlassöffnung 5 und ist im Bereich eines Anschlusskörpers 4 ausgebildet, welcher einen Teil des Gehäuses 1 bildet. Am Ventilelement 8 ist eine Ventildichtfläche 10 ausgebildet, die dem Ventilsitz 11 gegenüberliegt, wobei auf der Ventildichtfläche 10 eine Kunststoffdichtung 12 aufgebracht ist, auf die später noch näher eingegangen wird. Im Ventilelement 8 sind mehrere Querbohrungen 18 ausgebildet, die in eine mittig im Ventilelement 8 ausgebildete Bohrung 19 münden, durch die der gasförmige Kraftstoff weiter in Richtung der Auslassöffnung 6 strömt.
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Zwischen dem Ventilelement 8 und der Auslassöffnung 6 ist im Gasraum 2 ein Rückschlagventil 25 angeordnet. Das Rückschlagventil 25 umfasst ein Schließelement 26, das mittels einer Schließfeder 29 gegen eine Dichtfläche 23 am Gehäuse 1 gedrückt wird. Das Rückschlagventil 25 ist druckgesteuert, das heißt, es öffnet bei einer bestimmten Druckdifferenz vor und nach dem Schließelement 26 gegen die Kraft der Schließfeder 29 und gibt dann den Gasstrom in Richtung der Auslassöffnung 6 frei. Das Gas strömt weiter durch den Düsenschaft 7 zur Auslassöffnung 6 und gelangt schließlich in einen Brennraum oder einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine.
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Das Ventilelement 8 funktioniert gleichzeitig als Magnetanker, der durch einen das Gehäuse 1 an seiner Außenseite umgebenden Elektromagneten 16 gesteuert werden kann. Der Elektromagnet 16 wird durch ein Spannelement 8 am Gehäuse 1 gehalten und ist so ausgebildet, dass durch eine Bestromung des Elektromagneten 16 eine Kraft entgegen der Vorspannung der Rückstellfeder 17 auf das Ventilelement 8 ausgeübt wird. Das Ventilelement 8 wird damit bei Bestromung des Elektromagneten 16 vom Ventilsitz 11 weggezogen, bis das Ventilelement 8 an einem im Gasraum 2 ausgebildeten Hubanschlag 20 zur Anlage kommt. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt zwischen der Ventildichtfläche 10 und dem Ventildichtsitz 11 aufgesteuert, durch den gasförmiger Kraftstoff aus der Einlassöffnung 5 in den Gasraum 2 strömen kann und von dort über die Querbohrungen 18, die Längsbohrung 19 und das Rückschlagventil 25 zur Auslassöffnung 6. Wird die Bestromung des Elektromagneten 16 unterbrochen, so drückt die Rückstellfeder 17 das Ventilelement 8 zurück in seine Schließstellung, so dass der Gasstrom unterbrochen wird. Das Rückschlagventil 25 dient hauptsächlich dazu, den Brennraum gegenüber dem kunststoffbeschichteten Ventilsitz 11 abzuschirmen, damit heiße Verbrennungsgase nicht zur Kunststoffdichtung 12 gelangen und dort zu thermischen Schädigungen führen können.
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In 2 ist eine vergrößerte Darstellung des in 1 gezeigten Gasdosierventils im Bereich des Ventilsitzes 11 gezeigt. Am Ventilelement 8 ist ein Dichtelement 9 ausgebildet, auf dem die Kunststoffdichtung 12 aufgebracht ist. Dabei ist das Dichtelement 9 fest mit dem Ventilelement 8 verbunden. Der am Anschluss 4 ausgebildete Ventilsitz 11 weist zwei ringförmige konzentrische Dichtkanten auf: Eine erste innere Dichtkante 30 und äußere Dichtkante 31, die im Querschnitt jeweils im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet sind. 3a zeigt dazu eine vergrößerte Darstellung im Bereich dieser Dichtkanten im Querschnitt, wobei dieser Ausschnitt in 2 mit III bezeichnet ist. Sowohl die innere Dichtkante 30 als auch die äußere Dichtkante 31 ragen über den flachen Ventilsitz 11 hinaus, wobei die Höhe der inneren Dichtkante 30 höher ist als die Höhe der inneren Dichtkante 31, so dass ein axialer Abstand h zwischen diesen beiden Dichtkanten 30, 31 gegeben ist. Der axiale Abstand h beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 100 µm, so dass beim Schließen des Gasdosierventils zuerst die innere Dichtkante 30 an der Kunststoffdichtung 12 zur Anlage kommt und erst im weiteren Verlauf der Schließbewegung auch die innere Dichtkante 31. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der 3a weisen beide Dichtkanten 30, 31 einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt auf, wobei der Kreisradius R1 der inneren Dichtkante 30 kleiner oder gleich dem Kreisradius R2 der äußeren Dichtkante 31 ist. Bei der Schließbewegung kommt also die innere Dichtkante 30 zuerst an der Kunststoffdichtung 12 zur Anlage und wird wegen der weichen Konsistenz der Kunststoffdichtung 12 in diese eingedrückt. Die Bewegung wird so lange fortgesetzt, bis auch die innere Dichtkante 31 an der Kunststoffdichtung 12 zur Anlage kommt, wobei aufgrund der relativ breiten Oberseite der äußeren Dichtkante 34 ein großer Teil der Anpresskraft aufgenommen wird und damit die Schließbewegung des Ventilelements 8 endet. Die Abdichtung des gasförmigen Kraftstoffs wird hauptsächlich durch die innere Dichtkante 30 gewährleistet, die aufgrund der hohen Flächenpressung weit in die Kunststoffdichtung 12 eindringt, während die äußere Dichtkante 31 einen Großteil der Anpresskraft aufnimmt.
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3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 3a dadurch unterscheidet, dass die innere Dichtkante 30 ebenso wie die äußere Dichtkante 31 an der Oberseite abgeflacht sind und eine Fläche der Breite bi bzw. ba bilden, wobei ba größer als bi ist. Dadurch nimmt die äußere Dichtkante 31 einen größeren Teil der Anpresskraft auf, was die mechanische Belastung im Bereich der inneren Dichtkante 30 verringert.
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Bei geringen Temperaturen versprödet die Kunststoffdichtung 12, so dass die innere Dichtkante 30 und auch die äußere Dichtkante 31 weniger tief in die Kunststoffdichtung 12 eindringen. Je nach Höhe der Temperaturen kann es dazu kommen, dass nur noch die innere Dichtkante 30 in die Kunststoffdichtung 12 eindringt, während die äußere Dichtkante 31 nur auf der Oberfläche der Kunststoffdichtung 12 aufliegt oder diese gar nicht mehr berührt. Durch die geringe Berührfläche zwischen der Ventildichtfläche 10 und dem Ventilsitz 11 wirken nur geringe Haftkräfte zwischen der Ventildichtfläche 10 und dem Ventilsitz 11, was eine gute Kaltstartfähigkeit gewährleistet, d.h., dass das Ventil bereits von Anfang an die gewünschte Funktionalität aufweist.
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Der Querschnitt der Dichtkanten 30, 31 kann, wie in den Ausführungsbeispielen der 3a und 3b gezeigt, halbkreisförmig oder auch dreieckförmig ausgebildet sein oder auch die Form eines Trapezes aufweisen, wie die äußere Dichtkante 31 im Ausführungsbeispiel der 3b. Im Zusammenspiel mit der entsprechenden Kunststoffdichtung 12 kann sowohl die gewünschte Flächenpressung als auch die notwendige Abdichtung erreicht werden.
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Alternativ zu den Ausführungsbeispielen der 3a, 3b kann die Kunststoffdichtung 12 auch auf dem Ventilsitz 11 aufgebracht sein. In diesem Fall sind die Dichtkanten 30', 31' auf dem Ventilelement 8 ausgebildet, wirken aber in der gleichen Weise mit der Kunststoffdichtung 12 zusammen wie bei dem Ausführungsbeispiel der 3a, 3b. Diese umgekehrte Anordnung ist in der 4 dargestellt, wobei sich die Funktionalität von den Ausführungsbeispielen der 3a und 3b nicht unterscheidet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225922 A1 [0002]
