AT413137B - Differenzdruckgesteuertes rückschlagventil und gasinjektor - Google Patents

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AT413137B
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Description


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  Die Erfindung betrifft ein differenzdruckgesteuertes Rückschlagventil, vorzugsweise in Form eines Tellerventils, bei welchem ein Schliesselement mittels eines elastischen Elementes, vorzugsweise einer Schliessfeder, auf einen Ventilsitz hin mit einer Kraft beaufschlagbar ist, wobei das Schliesselement mit zumindest einem weiteren Bauteil verbunden ist. 



  Neben mechanisch betätigten Ventilen für die Hochdruckgaseinblasung, insbesonders für grossvolumige Gasmotoren, wurden auch hydraulisch angetriebene Ventile verwendet. Eine die Nachteile beider genannter Lösungen vermeidende Möglichkeit ist die in neuerer Zeit zusehends bedeutendere Hochdruckdosierung mittels eines Gasinjektors, der aus einer Kombination eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils mit einem differenzdruckgesteuerten Rückschlagventil besteht. Solange das Dosierventil geschlossen ist, wird das Rückschlagventil durch seine Schliessfeder gegen den Sitz gedrückt und dichtet so das Gaszuteilsystem zuverlässig gegen den Brennraum ab. Nach Öffnen des Dosierventils wird auch der Ventilkörper des Rückschlagventils durch den anliegenden Gasdruck geöffnet.

   Derartige Gasinjektoren eignen sich sowohl für die Einblasung mit den heute üblichen Gasdrücken von 1 bis 3 bar über dem Saugdruck als auch für Hochdruckeinblasung mit 20 bis 60 bar über Saugdruck. Die bestehenden Lösungen sind allerdings mit dem Nachteil der freien Beweglichkeit des Schliesselementes des Rückschlagventils behaftet. Auch prellt das Rückschlagventil vor dem Einnehmen der stationären Endlage(n) ein- oder mehrmals, da der Aufprall bedingt durch die Elastizität des dynamischen Systems in Form teilelastischer Stösse erfolgt. Dies mindert einerseits die Dosiergenauigkeit des Ventils und es besteht die Gefahr unzulässigen Verschleisses durch Mikroreibung im Bereich des Stosskontaktes. 



  Die Dämpfung der Ventilbewegung eines Rückschlagventils für die Brennstoffzufuhr von Verbrennungskraftmaschinen allein zur Vibrationsreduktion und zur Reduktion von Druckpulsationen ist beispielsweise aus der US-A-4,964,391 bekannt, ist dort aber in Form einer KolbenZylinder-Einheit ausgeführt, die mit dem Ventilelement verbunden ist. 



  Eine andere Konstruktion eines Rückschlagventils ist in der SU-A-892084 für das Gebiet der Flammensperrverbindung beschrieben und nutzt zum Zweck der Dämpfung des Schliessschlages einen mittels einer Feder vorgespannten Ventilsitz. Darüberhinaus sind aus verschiedenen Patentschriften, z. B. der EP-A-0 195 261, der EP-A-0 628 137, der W091/03641 und der EP-A-0 411 041, unterschiedliche Bewegungs- und Anschlagdämpfungseinrichtungen bei Ventilen, u. a. auch bei Brennstoffzufuhrsystemen, bekannt, welche Anschlagflächen, hydraulische Dämpfungen und elastische Verbindungen der bewegten Massen betreffen. 



  Weiters ist aus der US 2 667 155 A noch ein Gaseinlassventil bekannt, bei welchem das Schliesselement mit einem weiteren Bauteil verbunden ist, der aber lediglich als Abstützung für die Schliessfeder des Ventils dient. Eine Dämpfung der Ventilbewegung selbst ist in dieser Schrift nicht von Interesse, so dass dafür im genannten Vorhalt keinerlei Massnahmen vorgesehen sind. 



  Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war ein differenzdruckgesteuertes Rückschlagventil der eingangs angegebenen Art, bei welchem der Schliessschlag derart gedämpft ist, dass das Schliesselement nicht zumindest ein- oder mehrmals zurückprellt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung war weiters die Dämpfung auch des Öffnungsschlages eines derartigen Ventils. Eine weitere Aufgabe war ein verschleissarmer Gasinjektor, bestehend aus Vorsteuerventil und Rückschlagventil, mit hoher Dosiergenauigkeit. 



  Zur Lösung der ersten Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass zumindest einer der weiteren Bauteile eine betragsmässig grösser als die Masse des Schliesselementes selbst ausgeführte Zusatzmasse ist. Dadurch bleiben die Beschleunigungen des Ventilelementes und damit auch die Auftreffgeschwindigkeit in beiden Endlagen gering. Die Gefahr des Verschleisses durch Mikroreibung (Fretting) im Bereich des Stosskontaktes von Ventilelement und Ventilsitz wird dadurch wesentlich vermindert. Schliesslich wird auch ein ein- oder mehrmaliges Zurück- 

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 prellen des Ventilelementes vom Ventilsitz vor Einnehmen beider stationärer Endlagen vermieden, so dass die Dosiergenauigkeit des Rückschlagventils bedeutend erhöht ist. 



  Gemäss einer speziellen Ausführungsform ist das Rückschlagventil mit einem Schliesselement versehen, welches aus einem teller- oder pilzförmigem, mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Abschnitt und einem daran anschliessenden Schaft besteht, an welchem eine Schliessfeder angreift, und zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zusatzmasse als an sich bekannter, am Ende des Schaftes auskragender Aufnehmer für die Schliessfeder ausgebildet ist. Damit kann ohne wesentliche Vergrösserung der notwendigen Bauraumes ein ohnehin vorhandenes Element zur Dämpfung des Öffnung- und Schliessschlages genutzt werden. 



  Um beim Aufprall in die geschlossene Endlage des Rückschlagventils nicht die gesamte Aufprallenergie im Ventilsitz dissipieren zu müssen, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest ein Teil der Zusatzmasse über einen an sich bekannten zwischengeschalteten Ring mit dem Schliesselement gekoppelt, wobei der Elastizitätsmodul des zwischengeschalteten Ringes niedriger ist als der niedrigere der Elastizitätsmodule von Schliesselement und Zusatzmasse. Der Dämpfungsring und das gewählte Verhältnis der Elastizitätsmodule bewirkt eine Trennung der für die Auftreffbelastung massgeblichen Massen, so dass für die Belastung des Ventilsitzes nur eine im Vergleich zur Gesamtmasse von Ventilelement und Zusatzmasse geringere Masse zum Tragen kommt. Die Energie der deutlich grösser gewählten Zusatzmasse wird über den Dämpfungsring dissipiert. 



  Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schliesselement und die Zusatzmasse aus Stahl angefertigt sind und der Dämpfungsring einen niedrigeren Elastizitätsmodul als der verwendete Stahl aufweist. 



  Um auch die Dämpfung des Öffnungsschlages zu verbessern, insbesonders um die nachteiligen Wirkungen des Aufpralls zu Verhindern, ist das Rückschlagventil nach einem der vorhergehenden Absätze dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elastisch verformbares Anschlagelement für das Schliesselement dessen Hub in Öffnungsrichtung begrenzt. 



  Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei das oder jedes verformbare Anschlagelement aus verstärktem Kunststoff ausgeführt. 



  Bei einer konstruktiven Variante eines erfindungsgemässen Rückschlagventils mit einem Schliesselement, welches aus einem teller- oder pilzförmigem, mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Abschnitt und einem daran anschliessenden Schaft besteht, an welchem eine Schliessfeder angreift, wobei ein am Ende des Schaftes auskragender Aufnehmer für die Schliessfeder vorgesehen ist, ist vorgesehen, dass das zumindest eine Anschlagelement als den Ventilschaft umgebender Anschlagring ausgebildet ist, an welchem in der offenen Endstellung des Rückschlagventils der Aufnehmer für die Schliessfeder anschlägt. 



  Um die zulässige Arbeitstemperatur im Bereich der für die Anschlagdämpfung vorgesehenen Teile, die vorzugsweise aus Kunststoff angefertigt sind, nicht zu überschreiten, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Anschlagring unmittelbar an einer Führungsbuchse aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise aus Sinterbronze, für den Schaft anliegt. Dadurch kann der überwiegende Teil der auf das Schliesselement des Rückschlagventils übertragenen Wärme über den Schaft und den Ventilkörper abgeführt werden. 



  Um eine zusätzliche Kühlung des Schaftes des Ventilelementes zu erreichen, sind um die Führungsbuchse Bohrungen als Passagen für das Medium vorgesehen. 



  Die letzte Aufgabe eines verschleissarmen Gasinjektors mit hoher Dosiergenauigkeit wird durch eine Konstruktion gelöst, die erfindungsgemäss aus einem magnetisch betätigten Vorsteuerven- 

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 til und einem nachgeschalteten, differenzdruckgesteuerten Rückschlagventil besteht, welches gemäss einem der vorhergehenden Absätze ausgebildet ist. 



  In der nachfolgenden Beschreibung soll unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Gasinjektor zeigt, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. 



  Der dargestellte Gasinjektor besteht aus einem elektromagnetisch betätigbaren Dosierventil 1, vorzugsweise einem in Flachsitzbauweise ausgeführten Ventil mit einem Dichtelement 2 mit in wesentlichen ebener Dichtfläche, welches Dichtelement 2 mittels vorzugsweise eines Topfmagneten von seinem Sitz 3 abgehoben und durch eine Schliessfeder auf diesen Sitz 3 gedrückt wird. Nachgeschaltet ist diesem Dosierventil 1, vorzugsweise in druckausgeglichener Bauweise, ein differenzdruckgesteuertes Rückschlagventil 4, das nach Öffnen des Dosierventils 1 aufgrund des anliegenden Gasdruckes öffnet und nach Schliessen des Dosierventils 1 und nach Absinken des anliegenden Drucks auf einen Wert, dessen zugehörige Kraft die auf das Schliesselement 5 wirkende Kraft der Schliessfeder 6 überwinden kann, schliesst.

   Damit keine unzulässig grosse zeitliche Verzögerung zwischen Schliessen des Dosierventils 1 und Schliessen des Rückschlagventils 4 entsteht, ist das Volumen des Zwischenraumes hinreichend klein zu wählen. 



  Das Rückschlagventil 4 ist vorzugsweise als Teller- bzw. Stösselventil ausgeführt, wie es auch in Viertakt-Motoren verwendet wird. Der Spaltquerschnitt ist vorteilhafterweise so gewählt, dass am Rückschlagventil 4 der grösste Teil des Differenzdruckes zwischen Gaszuleitung und Brennraum anliegt, wodurch sichergestellt ist, dass das Brenngas mit grösstmöglichem Impuls und damit grösster Eindringtiefe eingeblasen wird. Ein im wesentlichen konisches Ende 7 des Schliesselementes 5 wirkt mit einem korrespondierend geformtem Ventilsitz 8 zusammen, gegen welchen es durch die Wirkung der Schliessfeder 6 gedrückt wird.

   Die Zugwirkung der Schliessfeder 6 wird dem Ende 7 über den Schaft 9 mitgeteilt, der in einer Führungsbuchse 10 axial beweglich geführt ist, so dass das Ende 7 des Ventilelementes 5 sicher konzentrisch in den kegeligen Ventilsitz 8 trifft und derart Reibverschleiss vermieden wird. Vorteilhafterweise kann stromab des Rückschlagventils 4 auch noch ein Strahlumlenker angeordnet sein (nicht dargestellt), der dem austretenden Strahl des Brenngases eine Vorzugsrichtung aufprägt. 



  Am oberen, d. h. dem Ende 7 entgegengesetzten Ende des Schaftes 9 des Ventilelementes 5 ist eine Zusatzmasse 11angebracht, welche auch als Aufnehmer für die Schliessfeder 6 fungiert. 



  Die Zusatzmasse 11 ist aber grösser, vorzugsweise bedeutend grösser, als die Masse des Schliesselementes 5 des Rückschlagventils 4, was zu geringeren Beschleunigungen und damit geringeren Auftreffgeschwindigkeiten in den Endlagen des Schliesselementes 5, d. h. zur gewünschten Aufpralldämpfung, führt. Vorteilhafterweise ist die Zusatzmasse 11 über einen Dämpfungsring 12 am Schaft 9 befestigt. Der Dämpfungsring 12 ist aus einem Material mit niedrigerem Elastizitätsmodul als dem niedrigeren von Zusatzmasse 11und Schaft 9 angefertigt. Bei vorzugsweiser Anfertigung von Zusatzmasse 11und Schaft 9 aus Stahl sollte also der Elastizitätsmodul des Dämpfungsringes 12 niedriger als jener des verwendeten Stahls sein.

   Der Dämpfungsring 12 bewirkt somit eine Trennung der für die Auftreffbelastung massgebenden Massen, wobei für die Belastung von Ventilsitz 8 und Ende 7 nur die geringe Masse des Schliesselementes 5 massgebend ist, während die Energie der deutlich grösseren Zusatzmasse 11 über den Dämpfungsring 12 dissipiert wird. 



  Durch zumindest ein elastisch verformbares Anschlagelement, vorzugsweise in Form eines den Schaft 9 umfassenden Anschlagringes 13, wird auch der Aufprall in die Endlage bei der Öffnung des Rückschlagventils 4 gedämpft. Der Anschlagring 13 bzw. jedes Anschlagelement ist vorzugsweise aus verstärktem Kunststoff angefertigt. 



  Das Rückschlagventil 4 ist insbesonders während des Verbrennungsvorganges sehr hoher thermischer Belastung ausgesetzt. Die durch Einstrahlung und konvektiven Wärmeübergang 

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 auf das Schliesselement 5 übertragene Wärme wird nur zum Teil über den Ventilsitz 8 auf den Ventilkörper und von diesem auf den Zylinderblock des Motors geleitet. Der Rest muss über den Schaft 9 abgeführt werden. Damit dabei nicht die zulässige Arbeitstemperatur der zur Anschlagdämpfung aus Kunststoff ausgeführten Teile überschritten wird, ist die Führungsbuchse 10 des Schaftes 9 aus einem Material mit gutem Wärmeübergang hergestellt, vorzugsweise aus Sinterbronze.

   Zusätzlich kann eine Kühlung des Schaftes 9 dadurch erzielt werden, dass Bohrungen (nicht dargestellt) am Umfang der Führungsbuchse 10 vorgesehen sind, über welche das Brenngas zum Brennraum geführt wird. 



  Patentansprüche : 1. Differenzdruckgesteuertes Rückschlagventil, vorzugsweise in Form eines Tellerventils (4), bei welchem ein Schliesselement (5) mittels eines elastischen Elementes, vorzugsweise einer Schliessfeder (6), auf einen Ventilsitz (8) hin mit einer Kraft beaufschlagbar ist, wobei das Schliesselement (5) mit zumindest einem weiteren Bauteil verbunden ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest einer der weiteren Bauteile eine betragsmässig grösser als die
Masse des Schliesselementes (5) selbst ausgeführte Zusatzmasse (11) ist.

Claims (1)

  1. 2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, mit einem Schliesselement (5), welches aus einem teller- oder pilzförmigen, mit dem Ventilsitz (8) zusammenwirkenden Abschnitt (7) und einem daran anschliessenden Schaft (9) besteht, an welchem eine Schliessfeder (6) angreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (11) als am Ende des Schaftes (9) auskragender, an sich bekannter Aufnehmer für die Schliessfeder (6) ausgebildet ist.
    3. Rückschlagventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Zusatzmasse (11) über einen an sich bekannten zwischengeschalteten Ring (12) mit dem Schliesselement (5) gekoppelt ist, wobei der Elastizitätsmodul des zwischenge- schalteten Ringes (12) niedriger ist als der niedrigere der Elastizitätsmodule von Schliess- element (5) und Zusatzmasse (11).
    4. Rückschlagventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schliesselement (5) und die Zusatzmasse (11 ) aus Stahl angefertigt sind und der zwischengeschaltete Ring (12) einen niedrigeren Elastizitätsmodul als der verwendete Stahl aufweist.
    5. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu- mindest ein elastisch verformbares Anschlagelement für das Schliesselement (5) dessen Hub in Öffnungsrichtung begrenzt.
    6. Rückschlagventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes ver- formbare Anschlagelement aus verstärktem Kunststoff ausgeführt ist.
    7. Rückschlagventil nach Anspruch 5 oder 6, mit einem Schliesselement (5), welches aus einem teller- oder pilzförmigen, mit dem Ventilsitz (8) zusammenwirkenden Abschnitt (7) und einem daran anschliessenden Schaft (9) besteht, an welchem eine Schliessfeder (6) an- greift, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Anschlagelement als den Ventil- schaft (9) umgebender Anschlagring (13) ausgebildet ist, an welchem in der offenen End- stellung des Rückschlagventils (4) der am Ende des Schaftes auskragende und als Zu- satzmasse (11) wirkende Aufnehmer für die Schliessfeder anschlägt.
    8. Rückschlagventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagring (13) unmittelbar an einer Führungsbuchse (10) aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise aus Sinterbronze, für den Schaft anliegt.
    9. Rückschlagventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass um die Führungsbuchse <Desc/Clms Page number 5> (10) Bohrungen als Passagen für das Medium vorgesehen sind.
    10. Gasinjektor, bestehend aus einem magnetisch betätigten Vorsteuerventil (1) und einem nachgeschalteten, differenzdruckgesteuerten Rückschlagventil (4), welches gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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