AT501727A4 - Gasventil - Google Patents

Description

  Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einer Kolben-Brennkraftmaschine mit einem bewegbaren Schliessorgan, das mit einem Schliessorgansitz zusammenwirkt und zum Öffnen mittels eines Elektromagneten vom Schliessorgansitz abhebbar ist, und mit einer Schliessfeder, die auf das Schliessorgan eine Federkraft in Richtung des Schliessorgansitzes ausübt und wobei der anstehende Gasdruck auf das Schliessorgan eine Gaskraft in Richtung des Schliessorgansitzes ausübt, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasventils.
Gasventile zur Zuführung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum einer KolbenBrennkraftmaschine benötigen grosse Öffnungsquerschnitte, um in den kurzen zur Verfügung stehenden Öffnungszeiten genug gasförmigen Kraftstoff in den Zylinderraum einbringen zu können.

   Solche Gasventile werden oftmals durch Elektromagnete geöffnet, wobei der Elektromagnet einen ausreichenden Hub ermöglichen muss, um die notwendigen Gasmengen in den kurzen Öffnungszeiten zuführen zu können. Ausserdem sind möglichst kurze Öffnungsund Schliesszeiten erwünscht, damit die Zeit in der das Gasventil im Kurbeizyklus voll offen sein kann möglichst lange wird. Da die Magnetkraft aber mit Abstand des Ankers zum Magneten stark abnimmt, müssen solche Elektromagneten entweder sehr stark sein, oder der Öffnungsquerschnitt muss entsprechend gross sein.

   Wobei aber die mögliche Gasmenge bei den erwünschten kleinen Hüben (um die Öffnungs- und Schliesszeiten möglichst kurz zu halten) im Wesentlichen vom Hub vorgegeben wird.
Während eines Kurbeizyklus der Kolben-Brennkraftmaschine, der in Winkelweg der Kurbelwelle ausgedrückt 720[deg.] dauert, wird einmal gasförmiger Brennstoff in den Brennraum der Kolben-Brennkraftmaschine zugeführt. Dazu stehen in der Regel nur sehr kurze Zeiten zur Verfügung, weshalb das Gasventil sehr rasch öffnen und schliessen muss und ausreichend Strömungsquerschnitt aufweisen muss, um die benötigte Gasmenge in der zur Verfügung stehenden Zeit einbringen zu können. Zum Einbringen des gasförmigen Brennstoffes stehen typischerweise nur 10[deg.] Kurbelwinkel des gesamten Kurbeizyklus zur Verfügung.

   Innerhalb dieser Injektionszeit muss das Gasventil geöffnet werden, der gasförmige Brennstoff dem Brennraum zugeführt werden und das Gasventil wieder geschlossen werden. Abhängig von der Drehzahl stehen dafür somit nur wenige Millisekunden, typischerweise l-4ms, zur Verfügung. Das Gasventil muss folglich in der Lage sein, sehr rasch zu schalten und muss einen grossen Öffnungsquerschnitt aufweisen, um innerhalb dieser kurzen Zeiten genügend gasförmigen Brennstoff zuführen zu können. Bekannt sind nach innen öffnende Gasventile, die Öffnung erfolgt also in das Gasventil hinein oder aus dem Brennraum hinaus, wie z.B. in der DE 199 05 722 AI gezeigt. Diese Gasventile öffnen somit gegen den anstehenden Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffes und müssen gegen den Brennraumdruck, also dem im Brennraum herrschenden Druck, abdichten.

   Da der Brennraumdruck im Wesentlichen nur während der Verbrennungsphase grösser ist als der Gasdruck, wird das Schliessorgan durch den Gasdruck während des grössten Teils eines Kurbeizyklus durch den Gasdruck gegen den Ventilsitz gepresst. Eine vorhandene Schliessfeder wirkt während diesem Zeitraum nur unterstützend. Nur während der Verbrennung im Brennraum wird eine Schliessfeder benötigt, die das Schliessorgan gegen den bei der Verbrennung entstehenden hohen Brennraumdruck gegen den Ventilsitz presst, um das Ventil gegen diesen hohen Brennraumdruck geschlossen zu halten. Das Schliessorgan kann sich dabei im [mu]m-Bereich verformen, wodurch Verbrennungsgase aus dem Brennraum austreten können, was aber für den Verbrennungsvorgang selbst kein Problem darstellt.

   Die Feder muss somit stark genug sein, um das Schliessorgan gegen den Differenzdruck auf dem Ventilsitz zu halten, aber auch um ein möglichst rasches Schliessen des Ventils nach Abschalten des Elektromagneten sicherzustellen. Das ist aber umgekehrt wiederum schlecht für das Öffnen des Ventils, da der öffnende Elektromagnet natürlich auch gegen die grosse Federkraft wirken muss, was einerseits die Öffnungszeiten verlängert und andererseits einen starken Elektromagneten erforderlich macht. Die Kraft des Elektromagneten ist jedoch durch den zur Verfügung stehenden Platz beschränkt, da der Elektromagnet mit steigender Kraftanforderung sehr rasch grösser wird.

   Ausserdem benötigt ein starker Elektromagnet zu viel Strom, womit ein solcher Kraftstoffinjektor unwirtschaftlich wird.
Um dieses Problem zu beheben, wurden auch bereits nach aussen in den Brennraum öffnende Gasventile vorgeschlagen, wie z.B. in der AT 412 807 B gezeigt. Solche Gasventile öffnen nach aussen und schliessen gegen den anstehenden Gasdruck. Dazu wird ein Schliessorgan über einen Stempel, der durch den Ventilsitz durchreicht mittels einer Schliessfeder gegen den Gasdruck von aussen gegen den Ventilsitz gepresst. Hier wird das Schliessorgan durch den Brennraumdruck unterstützt gegen den Ventilsitz gepresst, womit zumindest das oben erwähnte Problem behoben ist.

   Es muss jedoch sichergestellt werden, dass sich das durch die benötigten Öffnungsquerschnitte grossflächige Schliessorgan durch den wie beschrieben über den grössten Teil des Kurbeizyklus am geschlossenen Ventil anstehenden Gasdruck nicht verformt, da ansonsten auch nicht der Verbrennung unterworfener gasförmiger Brennstoff in den Brennraum eindringen könnte, was als unverbrauchter Ausstoss die Emissionswerte verschieben würde. Dafür würden bereits Spalte im [mu]m-Bereich ausreichen.

   Dazu muss das Schliessorgan entweder sehr massiv ausgeführt werden und/oder die Schliess feder wieder sehr stark ausgeführt sein, was eben wieder beim Öffnen wegen der benötigten grossen Elektromagneten nachteilig ist.
Es ist somit eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Gasventil anzugeben, das die oben angeführten Nachteile beseitigt, insbesondere kompakt aufgebaut ist, wirtschaftlich betrieben werden kann und eine hohe Dynamik, also kurze Öffnungs- und Schliesszeiten, bei grossen Öffnungshüben ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, indem ein weiteres Mittel zum zumindest kurzzeitigen Erzeugen einer weiteren, von den anderen wirkenden Kräften unabhängigen auf das Schliessorgan wirkenden Kraft vorgesehen ist.

   Dadurch wird es möglich, die Bewegung des Schliessorgans durch dieses Mittel aktiv und unabhängig von bzw. zusätzlich zum beschriebenen Wirkungsgleichgewicht von Schliessfeder und Öffnungsmagnet zu beeinflussen, z.B. kann die Schliessfeder durch diese weitere Kraft beim Schliessen des Gasventils unterstützt werden, womit einerseits die Schliessfeder kleiner dimensioniert werden kann und andererseits schneller geschlossen werden kann. Oder es kann der Öffnungskraft des Öffnungsmagneten eine weitere Kraft entgegengesetzt werden, was den Öffnungsvorgang verlangsamen würde und so eine Steuerung des Öffnungsverlaufs bzw. der Gasinjektion ermöglichen würde. Dasselbe wäre natürlich umgekehrt auch für das Schliessen möglich.
Besonders vorteilhaft wird ein pneumatisches, hydraulisches oder elektromechanisches Mittel zur Erzeugung dieser zusätzlichen Kraft verwendet.

   Von Einspritzventilen für flüssigen Kraftstoff, wie z.B. Dieseleinspritzventile, sind Ventile bekannt, die mit zwei Elektromagneten arbeiten, wie z.B. in der US 6065 684 A oder WO 2004/097207 AI beschrieben. Solche Einspritzventile arbeiten allerdings mit flüssigen Medium unter sehr hohen Drücken, typischerweise im Bereich von lOObar, während erfindungsgemässe Gasventil mit Drücken im Bereich von ca. 10-40bar betrieben werden. Aufgrund der hohen Drücke und der geringen Flüssigkeitsmengen, vor allem bei der bei Dieselmotoren durchgeführten Voreinspritzung, reichen bei Einspritzventilen kleine Öffnungsquerschnitte und geringe Hübe aus. Weiters sind daher für solche Einspritzventil nur extrem kurze Schaltzeiten erforderlich, was durch die beschriebene Steuerung der Elektromagnete ermöglicht wird.

   Die bei einem Gasventil auftretenden Probleme spielen bei einem solchen Einspritzventil folglich überhaupt keine Rolle. Ganz besonders vorteilhaft wird das Mittel verwendet, um den Schliessvorgang zu unterstützen, also so, dass die die durch das Mittel erzeugte Kraft zur Belastung des Schliessorgans in Richtung des Schliessorgansitzes wirkt. Damit lassen sich die oben angeführten Nachteile einer alleinigen Schliessfeder sehr effektiv beheben. Die gegenständliche Erfindung wird im Folgenden anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Fig. 1 bis 3 beschrieben.

   Dabei zeigt
Fig. 1 ein Gasventil mit zwei Ankerplatten und zwei Elektromagneten, Rg. 2 ein Gasventil mit einer Ankerplatte und zwei Elektromagneten und Fig. 3 die Anordnung eines solchen Gasventils in einer Kolben-Brennkraftmaschine.
Ein erfindungsgemässes Gasventil 1 ist in einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 angeordnet und dient der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in den Brennraum 31 der KolbenBrennkraftmaschine 30, wie Fig. 3 dargestellt. Rg. 3 zeigt dabei der Einfachheit halber nur einen Ausschnitt der Kolben-Brennkraftmaschine 30 mit Brennraum 31.
Das Gasventil 1 einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 nach Fig. 1 besitzt einen Ventilkörper 18 an dessen unterem Ende die Düse 20 ansetzt, die mit dem nicht dargestellten Brennraum 31 der hier nicht dargestellten Kolben-Brennkraftmaschine 30 zur Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, wie z.B.

   Flüssiggas, Wasserstoff oder ein geeignetes Gasgemisch, in Verbindung steht. Am oberen Ende des Gasventils 1 befinden sich Einrichtungen zum Verschliessen des Gasventils, zur Abdichtung, zur Zufuhr von elektrischem Strom, etc., die an sich bekannt sind, für die gegenständliche Erfindung ohne weitere Bedeutung sind und daher auch nicht näher beschrieben werden. Die Anordnung eines solchen Gasventils 1 in einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 und die Steuerung eines solchen Gasventils 1 ist hinlänglich bekannt und folglich hier ebenfalls nicht näher beschrieben.

   Der gasförmige Brennstoff wird dem Gasventil 1 bei dieser Ausführungsvariante über eine am oberen Ende des Ventilkörpers 18 angeordnete Gaszufuhr 22 unter Druck, typischerweise 10-40bar, zugeführt und strömt über einen aussen axial gebildeten Zuführkanal 17 entlang dem im Gasventil 1 angeordneten Magnetkörper 13 nach unten zum eigentlichen Ventil 3. Dieses Ventil 3 besteht aus einem Schliessorgan, hier eine im Wesentlichen ebene Ventilplatte 2, die mit einem Schliessorgansitz, hier ein im Wesentlichen ebener Ventilsitz 4, zusammenwirkt. Die Ventilplatte 2 weist in bekannter Weise eine Reihe von Durchbrüchen auf, um einen möglichst grossen Strömungsquerschnitt für den gasförmigen Brennstoff zur Verfügung zu stellen.

   Der Ventilsitz 4 weist ebenfalls Durchbrüche auf, die entsprechend versetzt zu den Durchbrüchen der Ventilplatte 2 angeordnet sind, um beim Aneinanderliegen von Ventilplatte 2 und Ventilsitz 4 eine Dichtwirkung zu bewirken. Dazu ist die Ventilplatte 2 mit einem Stempel 6 verbunden und kann mit diesem bewegt werden. Weitere Teile des Gasventils 1, wie Anschlüsse, Stromzuführung für die Elektromagnete, Dichtungen, EinStelleinrichtungen, etc., sind hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht im Detail beschrieben.
Der Stempel 6 wird im Magnetkörper 13 geführt. An jedem Ende des Stempels 6 ist je eine Ankerplatte 8, 10 angeordnet, die mit je einem zugeordneten Elektromagneten 12, 14, vorzugsweise Topfmagnete, zusammenwirken. Weiters wirkt auf den Stempel 6 bzw. auf die Ventilplatte 2 die Federkraft einer Schliessfeder 16, die ebenfalls im Magnetkörper 13 angeordnet ist.

   Dazu ist die Schliessfeder 16 in einer Vertiefung des Magnetkörpers 13 angeordnet und stützt sich an der Ankerplatte 8 oder an einem Bund, oder an einem anderen geeigneten Konstruktionsteil des Stempels 6 ab.
Während eines Kurbeizyklus, was in der Regel 720[deg.] Kurbelwinkel entspricht, wird das Gasventil 1 geöffnet, während das Gasventil 1 offen ist gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum injiziert, das Gasventil 1 geschlossen und bis zum nächsten Injektionsvorgang geschlossen gehalten. Die Injektionsphase ist dabei in der Regel im Verhältnis zum Kurbelzyklus nur sehr kurz, in etwa 10[deg.] Kurbelwinkel oder wenige Millisekunden.

   Während der längsten Zeit des Kurbeizyklus ist das Gasventil 1 somit geschlossen.
Zum Öffnen des Gasventils 1 wird der Öffnungsmagnet 14 energetisiert, wodurch der Öffnungsanker 8 und damit auch der Stempel 6 angezogen und die Ventilplatte 2 angehoben wird. Das Öffnen erfolgt gegen den an der Ventilplatte 2 anstehenden Gasdruck und gegen die Federkraft der Schliessfeder 16. Der Offhungsmagnet 14 muss somit stark genug sein, um diese Kräfte zu überwinden und trotzdem das Gasventil 1 mit ausreichender Geschwindigkeit zu öffnen. Sobald das Gasventil 1 öffnet, strömt gasförmiger Brennstoff durch das Ventil 3 und über die Düse 20 in den hier nicht dargestellten Brennraum 31.
Zum Schliessen des Gasventils 1 wird der Öffnungsmagnet 14 ausgeschaltet.

   Dadurch entspannt sich die Schliessfeder 16, die in Folge den Stempel 6 mit der Ventilplatte 2 in Richtung Ventilsitz 4 bewegt. Der Schliessmagnet 12 wird zur Unterstützung der Schliessfeder 16 energetisiert, wodurch der Schliessanker 10 angezogen wird und folglich eine zusätzliche Magnetkraft in Richtung des Ventilsitzes 4 wirkt. Die Schliessfeder 16 kann dadurch schwächer dimensioniert werden und gleichzeitig kann eine kürzere Schliesszeit verwirklicht werden.
Der Brennraumdruck ist ausser bei Zündung und Verbrennung kleiner als der Gasdruck. Daher kann der Schliessmagnet 12 nach dem Schliessen des Ventils 13 wieder ausgeschaltet werden, da die Schliessfeder 16 zusammen mit dem auf die Ventilplatte 2 wirkenden Gasdruck ausreicht, um das Ventil 13 gegen den Brennraumdruck geschlossen zu halten.

   Wäh rend der Verbrennungsphase, wenn also der Brennraumdruck grösser ist als der Gasdruck, wird der Schliessmagnet 12 zur Unterstützung der Schliessfeder 16 wieder energetisiert, um das Ventil 13 sicher geschlossen zu halten. Dadurch kann die Schliessfeder 16 wiederum schwächer dimensioniert werden. Da der Schliessmagnet 12 nicht ständig energetisiert sein muss, kann zusätzlich noch elektrische Energie gespart werden, womit ein solches Gasventil 1 auch wirtschaftlicher betrieben werden kann.
Es sind natürlich wie hinlänglich bekannt unterschiedlichste Ansteuerungen der beiden Elektromagnete 12, 14 möglich. Z.B. können kurzfristig auch beide Elektromagneten, 14 gleichzeitig energetisiert sein, um eine Art Vorspannung und dadurch schnellere Schaltzeiten zu erreichen, indem zum gewünschten Schaltzeitpunkt bereits die volle Magnetkraft aufgebaut ist.

   Auch wäre es möglich, die Ventilplatte 2 während eines Schaltvorganges, z.B. während des Öffnens, durch Energetisieren des entgegengesetzt wirkenden Elektromagneten abzufangen, wodurch ein teilweises Öffnen des Ventils 13 möglich wäre. Auf diese Weise könnte z.B. die Menge des einzubringen gasförmigen Brennstoffes feiner variiert werden. Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemässen Gasventils 1 mit nur einer Ankerplatte 15, die zwischen zwei Elektromagneten 12, 14 angeordnet ist. Die Funktion ist im Wesentlichen dieselbe wie bei der Ausgestaltung nach Rg. 1, sodass diese nicht erneut beschrieben wird.
Die Ventilplatte 2 und der Stempel 6 sind hier zudem einstückig ausgeführt. Am der Ventilplatte 2 abgewandten Ende des Stempels 6 ist die Anke[phi]latte 15 angeordnet, die abwechselnd von einem der beiden Elektromagnete 12, 14 angezogen wird.

   Wie oben bereits beschrieben, können für bestimmte Betriebsarten aber natürlich auch beide Elektromagnete 12, 14 gleichzeitig energetisiert werden.
Obwohl die Erfindung nur anhand von Ausführungen mit zwei Elektromagneten beschrieben wird, wäre es aber selbstverständlich auch möglich, anstatt des oder zusätzlich zum zweiten Elektromagneten 12, hier zum Schliessen des Ventils 3, eine pneumatische oder hydraulische Betätigung vorzusehen. Dabei würde z.B. ein oder mehrere Pneumatik- oder Hydraulikkolben auf die Ventilplatte 2 oder indirekt über den Stempel 6 auf die Ventilplatte 2 wirken, um eine zusätzliche Kraft zum Bewegen der Ventilplatte 2 zu erzeugen. Der/Die Pneumatik- oder Hydraulikzylinder würde(n) dabei wie hinlänglich bekannt von einem geeigneten Druckmedium versorgt und durch bekannte Pneumatik- oder Hydraulikventile gesteuert.

   Ebenso wären aber auch noch andere prinzipiell bekannte Mittel zum Erzeugen einer Kraft denkbar, wie z.B. elektro-mechanische Aktuatoren, wie induktive Aktuatoren oder piezoelektrische Aktuatoren.
Die konstruktive Anordnung solcher Mittel zum Erzeugen einer Kraft im Gasventil 1, analog zur Anordnung eines zweiten Elektromagneten, liegt im Bereich der normalen Tätigkeit eines Fachmanns und es wird folglich nicht näher darauf eingegangen.
Patentansprüche:

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gasventil zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum (31) einer Kolben-Brennkraftmaschine (30) mit einem bewegbaren Schliessorgan (2), das mit einem Schliessorgansitz (4) zusammenwirkt und zum Öffnen mittels eines Elektromagneten (14) vom Schliessorgansitz (4) abhebbar ist, und mit einer Schliessfeder (16), die auf das

Schliessorgan (2) eine Federkraft in Richtung des Schliessorgansitzes (4) ausübt und wobei der anstehende Gasdruck auf das Schliessorgan (2) eine Gaskraft in Richtung des Schliessorgansitzes (4) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Mittel zum zumindest kurzzeitigen Erzeugen einer weiteren, von den anderen wirkenden Kräften unabhängigen auf das Schliessorgan (2) wirkenden Kraft vorgesehen ist.

2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel ein hydraulisch oder pneumatisch betätigter Kolben vorgesehen ist, der auf das Schliessorgan (2) wirkt.

3. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel ein elektromechanisches Mittel, wie ein weiterer Elektromagnet (12), ein piezoelektrisches Element oder ein induktives Element, vorgesehen ist und dessen im energetisierten Zustand wirkende Kraft auf das Schliessorgan (2) wirkt.

4. Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Mittel eine Kraft zur Belastung des Schliessorgans (2) in Richtung des Schliessorgansitzes (4) erzeugt.

5. Verfahren zum Betreiben eines Gasventils zum Zuführen von gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum (31) einer Kolben-Brennkraftmaschine (30), wobei während eines Kurbelzyklus das Gasventil (1) geöffnet, offen gehalten, geschlossen und geschlossen gehalten wird, indem ein Schliessorgan (2) durch einen gegen den Gasdruck öffnenden Elektromagneten (14) gegen eine Schliessfeder (16) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kurbeizyklus zumindest kurzzeitig eine weitere, von den anderen wirkenden Kräften unabhängige auf das Schliessorgan (2) wirkende Kraft erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kraft bezüglich des Kurbeizyklus periodisch erzeugt wird.

HOERBIGER Kompressortechnik Wien, am 14. September 2005 Holding GmbH in Wien (AT)

vertreten durch:

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Prinz J g.

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