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Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil, wie es beispielsweise Verwendung findet, um gasförmigen Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine oder einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine einzudosieren.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Gasdosierventile bekannt, mit denen gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum oder einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eindosiert werden kann. Dazu wird dem Gasdosierventil gasförmiger Kraftstoff unter einem Ausgangsdruck zugeführt und durch einen im Gasdosierventil ausgebildeten Gasraum bis zu einer Auslassöffnung geleitet. Im Gasdosierventil ist ein Ventilelement angeordnet, das durch einen elektrischen Aktor, beispielsweise einen Magnet- oder Piezoaktor, bewegbar ist und dadurch die Auslassöffnung öffnet und schließt. Über die Bestromung des elektrischen Aktors kann der gasförmige Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt durch die Auslassöffnung abgegeben werden.
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Als Bauform solcher Gasdosierventile sind außenöffnende Ventile bekannt, bei denen das Ventilelement kolbenförmig ausgebildet ist und mit einem Endabschnitt aus dem Gehäuse herausragt. Am brennraum- bzw. auslassseitigen Ende bildet das Ventilelement einen Ventilteller aus mit einer dem Gasdosierventil zugewandten Dichtfläche, mit der das Ventilelement mit einem Dichtsitz zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung zusammenwirkt. Wird das Ventilelement durch den elektrischen Aktor aus dem Ventilsitz herausgedrückt und damit aus dem Gehäuse, so wird die Auslassöffnung freigegen, und gasförmiger Kraftstoff kann an dem Ventilteller vorbei ausströmen. Um das Ventil auch bei stromlosem Aktor geschlossen zu halten ist eine Schließfeder vorgesehen, welche unter Druckvorspannung im Gasdosierventil angeordnet ist und das Ventilelement mit einer Schließkraft in Richtung des Dichtsitzes mit einer Längskraft beaufschlagt.
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Insbesondere dann, wenn das Gasdosierventil den gasförmigen Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert, wirkt auf das Ventilelement der Druck im Brennraum und übt damit eine Schließkraft auf das Ventilelement aus, welche dieses gegen den Dichtsitz drückt. Soll das Gasdosierventil öffnen, so muss der elektrische Aktor nicht nur die Kraft der Schließfeder, sondern auch die Druckkraft im Brennraum überwinden, so dass der Aktor entsprechend leistungsstark dimensioniert werden muss. Andererseits wirkt der Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs innerhalb des Gasdosierventils auf das Ventilelement, wodurch eine Längskraft auf das Ventilelement in Öffnungsrichtung wirkt. Da der Druck des gasförmigen Kraftstoff je nach Betriebszustand angepasst wird, variiert diese Längskraft, und es wirken bei gleicher Bestromung unterschiedliche resultierende Kräfte auf das Ventilelement. Entsprechend unterschiedlich ist die Dynamik des Gasdosierventils, was eine exakte Dosierung des Kraftstoff erschwert. Darüber hinaus mindert die Öffnungskraft durch den Druck im Gasraum die Schließkraft auf das Ventilelement, was durch eine starke Schließfeder kompensiert werden muss, um die Dichtheit zu gewährleisten. Der elektrische Aktor muss also auch diese Federkraft überwinden, um unter allen Betriebsbedingungen das Ventilelement in der vorgesehenen Zeitspanne in die Öffnungsstellung zu bringen.
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Aus der
DE 102 04 655 A1 ist ein Gasdosierventil bekannt, dass ein nach außen öffnendes Ventilelement aufweist. Das Ventilelement wird durch einen Piezoaktor geöffnet, wobei zwischen dem Piezoaktor bzw. dem damit verbundenen Kolben und dem eigentlichen Ventilelement eine Lücke ausgebildet ist, um einen thermischen Ausgleich bei unterschiedlichen Temperaturen zu gewährleisten. Der Gasdruck im Gasraums des Gasdosierventils bewirkt eine Öffnungskraft auf das Ventilelement, die durch eine Schließfeder überdrückt wird, um bei stromlosem Aktor das Gasdosierventil geschlossen zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist den Vorteil auf, dass der Gasdruck innerhalb des Gasraums eine Schließkraft auf das Ventilelement in das Gasdosierventil hinein und damit in Schließrichtung erzeugt. Diese zusätzliche pneumatische Anpresskraft auf das Ventilelement bewirkt damit gerade bei hohen Gasdrücken eine sichere Abdichtung, ohne dass eine große Schließfeder notwendig ist, die auf das Ventilelement in Schließrichtung wirkt. Damit ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Gasdosierventils gewährleistet. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, in dem der Gasraum ausgebildet ist, der über eine Einlassöffnung mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar ist und aus dem über eine Auslassöffnung gasförmiger Kraftstoff dosiert abgegeben werden kann. Im Gasraum ist ein Ventilelement längsverschiebbar angeordnet, wobei das Ventilelement eine Ventildichtfläche aufweist, die mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung zusammenwirkt. Mit dem Ventilelement ist ein Magnetanker verbunden, der durch einen Elektromagneten bewegbar ist. Ein Wellbalg ist mit einem Ende mit dem Ventilelement und mit dem anderen Ende mit dem Gehäuse gasdicht verbunden, wobei die gasdichte Verbindung mit dem Gehäuse entlang einer Dichtlinie ausgebildet ist. Der Durchmesser der Dichtlinie ist größer als der Durchmesser des Ventilsitzes, so dass durch den Druck im Gasraum eine resultierende pneumatische Längskraft in Schließrichtung auf das Ventilelement wirkt.
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Übt der Druck im Gasraum eine öffnende Kraft oder gar keine Kraft auf das Ventilelement aus, so muss eine starke Schließfeder vorgesehen sein, die das Ventilelement bei ausgeschaltetem elektrischen Aktor dicht schließt. Diese Kraft muss so groß sein, um dies auch bei Druckspitzen zu gewährleisten. Da das Gasdosierventil meist mit relativ niedrigen Gasdrücken betrieben wird, muss der Magnetaktor diese große Kraft der Schließfeder stets überwinden, was einen entsprechend großen Aktor erfordert und eine präzise Steuerung des Gasdosierventils erschwert.
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Durch die pneumatische Schließkraft, die durch die Durchmesserverhältnisse festgelegt ist, kann eine sichere Abdichtung des Gasdosierventil erreicht werden, da bei steigendem Gasdruck auch eine stärkere Schließkraft wirkt. Die Schließfeder kann entsprechend kleiner ausgebildet sein oder eventuell ganz entfallen, und der elektrische Aktor braucht nur eine geringe Kraft aufwenden, um das Gasdosierventil zu öffnen. Dabei ist gerade bei niedrigen Gasdrücken eine exakte Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Durchmesser der Dichtlinie wenigstens 5 % größer als der Durchmesser des Ventilsitzes. Dies bewirkt eine ausreichende pneumatische Schließkraft, so dass die geschilderte Funktionalität des Gasdosierventils erreicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am auslassseitigen Ende des Ventilelements ein Ventilteller ausgebildet, an dem die Ventildichtfläche ausgebildet ist, die dem Gehäuse zugewandt ist. Die Ventildichtfläche ist dabei in vorteilhafter Weise kegelförmig ausgebildet und wird durch ihre Form zentriert, was eine sichere Abdichtung gewährleistet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Magnetanker als Tauchanker ausgebildet, auf den der Elektromagnet bei Bestromung eine Öffnungskraft ausübt, wobei für thermische Ausdehnungen kein Ausgleich vorgesehen sein muss. Das heißt, der Magnetanker kann fest mit dem Ventilelement verbunden sein und eine Einheit bilden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird der Magnetanker durch den Wellbalg gegen den Gasraum gasdicht abgedichtet. Durch die Trennung des Magnetankers vom Gasraum wirkt der gasförmige Kraftstoff nicht auf den Magnetanker und die sonstigen dort befindlichen Bauteile, was insbesondere bei aggressiven Gasen zu einem zuverlässigen Betrieb des Gasdosierventils beiträgt. So begünstigt Wasserstoff eine Spannungs-Riss-Korrosion, so dass insbesondere mechanisch stark belastete und empfindliche Bauteile vor dem Wasserstoff geschützt sein sollten. Darüber hinaus kann der Magnetanker bzw. der Bereich, mit dem der Magnetanker im Gehäuse geführt ist, mit einem Schmieröl benetzt werden, das wegen der Wellbalg-Abdichtung nicht in den Gasraum gelangen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Gasraum eine Schließfeder angeordnet, die unter Druckverspannung zwischen einem Absatz am Gehäuse und dem Ventilelement angeordnet ist und eine Schließkraft in Längsrichtung auf das Ventilelement ausübt. Diese Schließfeder hat hauptsächlich die Funktion, das Gasdosierventils auch bei ausgeschaltetem Magnetaktor geschlossen zu halten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Magnetanker in einem Magnetankerraum angeordnet, der mit Gas befüllbar ist und in dem während des Betriebs des Gasdosierventils ein niedrigerer Druck herrscht als im Gasraum, so dass eine Schließkraft auf das Ventilelement ausgeübt wird. Um dies zu gewährleisten, kann in vorteilhafterweise der Magnetankerraum über eine Ausgleichsleitung mit der Umgebungsluft verbunden sein, wodurch dort stets der Umgebungsdruck von ungefähr 1 bar (100 kPa) herrscht.
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Figurenliste
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- In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil dargestellt. Es zeigt dazu die 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil, wobei nur die wesentlichen Bauteile dargestellt sind.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiel
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Längsschnitt dargestellt. Das Gasdosierventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Gasraum 2 ausgebildet ist. Der in 1 untere Endbereich des Gehäuses 1 weist eine zylindrische Form auf und mündet in eine kreisförmige Auslassöffnung 5. Der Gasraum 2 kann über einen im Gehäuse 1 ausgebildeten Anschluss 3 mit einem gasförmigen Kraftstoff befüllt werden, der über eine Einlassöffnung 4 in den Gasraum 2 strömt. Zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 5 und damit zur dosierten Abgabe des gasförmigen Kraftstoffs ist im Gasraum 2 ein kolbenförmiges Ventilelement 8 längsverschiebbar angeordnet. Das Ventilelement 8 weist an seinem auslassseitigen Ende einen Ventilteller 9 mit einer kegelförmigen Ventildichtfläche 10 auf. Die Ventildichtfläche 10 ist dem Gehäuse 1 zugewandt und wirkt mit einem am auslassseitigen Ende des Gehäuses 1 ausgebildeten Ventilsitz 11 zum Öffnung und Schließen der Auslassöffnung 5 zusammen, so dass bei Anlage der Ventildichtfläche 10 am Ventilsitz 11 die Auslassöffnung 5 gasdicht verschlossen wird. Am gegenüberliegenden, der Auslassöffnung 5 abgewandten Ende des Ventilelements 8 geht dieses in eine Kolbenstange 108 über, die mit einem Magnetanker 18 verbunden ist, so dass sich der Magnetanker 18 zusammen mit der Kolbenstange 108 und dem Ventilelement 8 stets synchron bewegt. Der Magnetanker 18 ist als Tauchanker ausgebildet und in einem Magnetankerraum 17 längsverschiebbar angeordnet. Zur Bewegung des Magnetankers 18 und damit des Ventilelements 8 ist im Gehäuse 1 ein Elektromagnet 20 im Bereich des Magnetankerraums 17 angeordnet.
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Um das Gasdosierventil bei ausgeschaltetem Elektromagneten 20 geschlossen zu halten, ist eine Schließfeder 12 im Gasraum 2 angeordnet, die unter Druckvorspannung zwischen einem Absatz 13 im Gehäuse 1 und einem Ringabsatz 14 am Ventilelement 8 unter Druckvorspannung angeordnet ist und das Ventilelement 8 mit dem Ventilteller 9 gegen den Ventilsitz 11 drückt. Die Kolbenstange 108, die einen Teil des Ventilelements 8 bildet, ist von einem Wellbalg 25 umgeben. Der Wellbalg 25 ist dabei mit einer Scheibe 26, die fest mit dem Ventilelement 8 verbunden ist, und einem Dichtring 27, der am Gehäuse 1 anliegt bzw. mit dem Gehäuse 1 verbunden ist, jeweils gasdicht verbunden. Dadurch dichtet der Wellbalg 25 den Gasraum 2 gegen den Magnetankerraum 17 ab. Der Magnetankerraum 17 ist mit Luft unter Umgebungsdruck gefüllt, wobei zum Druckausgleich eine im Gehäuse 1 ausgebildete Ausgleichsleitung 21 eine Verbindung mit der Umgebung herstellt. Alternativ ist es auch möglich, den Magnetankerraum 17 mit einem Schutzgas zu füllen; in diesem Fall wird die Ausgleichsleitung 21 nach der Befüllung verschlossen.
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Bei Anlage der Ventildichtfläche 10 am Ventilsitz 11 erfolgt die Abdichtung des Gasraums 2 entlang einer kreisförmigen Dichtlinie, die einen Durchmesser Dv aufweist. Damit wirkt auf Teile des Ventiltellers 9 eine pneumatische Kraft durch den Druck im Gasraum 2, die in Öffnungsrichtung des Ventilelements 8 gerichtet ist, das heißt aus dem Gehäuse 1 heraus. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilelements 8 wirkt auf die Scheibe 26 eine pneumatische Kraft in die entgegengesetzte Richtung, das heißt in Schließrichtung des Ventilelements 8, wobei die Abdichtung am Dichtring 27 entlang einer kreisförmigen Dichtlinie 28 erfolgt mit einem Durchmesser Dw. Durch die gasdichte Abdichtung des Wellbalgs 25 am Dichtring 27 ergibt sich eine resultierende Schließkraft auf das Ventilelement 8, wenn der Durchmesser Dw größer ist als der Dichtdurchmesser Dv am Ventilsitz. Die resultierende pneumatisch wirksame Fläche ist dann die Differenz der Flächen, die durch die Dichtlinie 28 und die Dichtlinie am Ventilsitz 11 begrenzt werden. Da beide Flächen kreisförmig sind, ergibt sich eine Differenzfläche von ADiff = π / 4 · (Dw 2 - Dv 2), so dass die resultierende pneumatische Kraft F auf das Ventilelement 8 in Schließrichtung durch F = A · Δp gegeben ist, wenn Δp der Differenzdruck zwischen dem Gasraum 2 und dem Magnetankerraum 17 ist und auf die untere Seite des Ventiltellers 9 Umgebungsdruck wirkt, wie er auch im Magnetankerraum 17 herrscht. In vorteilhafter Weise ist dabei der Durchmesser Dw wenigstens 5 % größer als der Durchmesser Dv, so dass sich eine pneumatische Schließkraft auf das Ventilelement 8 ergibt, die ausreicht, das Ventilelement 8 auch bei höheren Drücken im Gasraum 2 stets dicht zu halten.
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Da durch den Druck im Gasraum 2 eine Schließkraft auf das Ventilelement 8 erzeugt wird, braucht die Kraft der Schließfeder 12 nicht hoch zu sein, um das Gasdosierventil stets dicht zu halten, auch dann, wenn der Elektromagnet 20 ausgeschaltet ist. Bei entsprechender Konstruktion des Wellbalgs 25 kann auch auf die Schließfeder 12 verzichtet werden, da die geringe noch notwendige Schließkraft über den zugvorgespannten Wellbalgs 25 erzielt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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