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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.
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Gasventile
zur Zuführung
von gasförmigem Kraftstoff
in den Brennraum einer Kolben-Brennkraftmaschine
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 Öffnungs- und Schließzeiten
erwünscht,
damit die Zeit in der das Gasventil im Kurbelzyklus 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.
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Während eines
Kurbelzyklus der Kolben-Brennkraftmaschine, der in Winkelweg der
Kurbelwelle ausgedrückt
720° 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° Kurbelwinkel des gesamten Kurbelzyklus
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 1-4 ms, 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.
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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 A1 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 Kurbelzyklus 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 μm-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.
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Weitere
Beispiele solcher nach innen öffnender
Gasventile finden sich z.B. in der
DE 103 60 253 A1 und der
DE 102 61 610 A1 , die beide
ein Ventil zum Steuern eines Fluids zeigen, bei dem ein Ventilschließglied zum Öffnen gegen
die Vorspannkraft einer Spiralfeder über einen mittels Elektromagnet
betätigten
Ventilanker axial bewegt wird.
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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 Kurbelzyklus am geschlossenen Ventil anstehenden Gas druck 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 μm-Bereich
ausreichen. Dazu muss das Schließorgan entweder sehr massiv ausgeführt werden
und/oder die Schließfeder
wieder sehr stark ausgeführt
sein, was eben wieder beim Öffnen
wegen der benötigten
großen
Elektromagneten nachteilig ist.
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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.
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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.
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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
6 065 684 A oder WO 2004/097207 A1 beschrieben. Solche
Einspritzventile arbeiten allerdings mit flüssigen Medium unter sehr hohen
Drücken,
typischerweise im Bereich von 100 bar, während erfindungsgemäße Gasventil
mit Drücken
im Bereich von ca. 10-40 bar 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.
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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.
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Die
gegenständliche
Erfindung wird im Folgenden anhand der beispielhaften, schematischen und
nicht einschränkenden 1 bis 3 beschrieben.
Dabei zeigt
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1 ein
Gasventil mit zwei Ankerplatten und zwei Elektromagneten,
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2 ein
Gasventil mit einer Ankerplatte und zwei Elektromagneten und
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3 die
Anordnung eines solchen Gasventils in einer Kolben-Brennkraftmaschine.
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Ein
erfindungsgemäßes Gasventil 1 ist
in einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 angeordnet und dient
der Zufuhr von gasförmigem
Brennstoff in den Brennraum 31 der Kolben-Brennkraftmaschine 30, wie 3 dargestellt. 3 zeigt
dabei der Einfachheit halber nur einen Ausschnitt der Kolben-Brennkraftmaschine 30 mit
Brennraum 31.
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Das
Gasventil 1 einer Kolben-Brennkraftmaschine 30 nach 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 10-40 bar, 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.
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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.
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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.
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Während eines
Kurbelzyklus, was in der Regel 720° 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° Kurbelwinkel oder wenige Millisekunden.
Während
der längsten Zeit
des Kurbelzyklus ist das Gasventil 1 somit geschlossen.
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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 Öffnungsmagnet 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.
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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.
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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. Während
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.
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Es
sind natürlich
wie hinlänglich
bekannt unterschiedlichste Ansteuerungen der beiden Elektromagnete 12, 14 möglich. Z.B.
können
kurzfristig auch beide Elektromagnete 12, 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.
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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 1, sodass diese nicht erneut beschrieben wird.
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Die
Ventilplatte 2 und der Stempel 6 sind hier zudem
einstückig
ausgeführt.
Am der Ventilplatte 2 abgewandten Ende des Stempels 6 ist
die Ankerplatte 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.
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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.
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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.
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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.