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Die Erfindung betrifft ein Gasventil, insbesondere Dosierventil für ein gasförmiges Medium, mit einem an einem Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitzkörper und einem relativ zu dem Ventilsitzkörper und einem mit dem Ventilgehäuse zusammenwirkenden Öffnungshubanschlag hubbeweglichen Schließkörper.
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Stand der Technik
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Eine derartiges Gasventil ist aus der
DE 10 2009 002 836 A1 bekannt. Dieses Gasventil ist ein Dosierventil für ein gasförmiges Medium, das eine in einem Ventilgehäuse angeordnete Ventilkammer mit mindestens zwei Kammeröffnungen, von denen eine erste Kammeröffnung von einem Ventilsitz ringförmig umschlossen ist, und einen in der Ventilkammer angeordneten Schließkörper aufweist, an dem ein auf dem Ventilsitz aufsetzbarer und vom Ventilsitz abhebbarer Dichtsitz ausgebildet ist. Der Dichtsitz ist schneidenförmig ausgebildet und gewährleistet dadurch bei einer Erstinbetriebnahme des Gasventils durch einen dichtenden Einschlag in den Schließkörper einen dichten Sitz. Nachteilig ist aber, dass der schneidenförmige Dichtsitz durch die schneidenförmige Ausbildung relativ schnell verschleißen kann und es dadurch zu Funktionsstörungen des so ausgebildeten Gasventils kommen kann.
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Darüber hinaus sind Gasventile bekannt, deren Dichtsitz als Flachsitz ausgebildet ist. Bei einem Flachsitz wird die Dichtwirkung durch die sehr ebene Oberfläche erzielt. Durch die einwirkenden Einschläge während des Betriebs wird jedoch auch diese flächige Kontaktfläche verschlissen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasventil bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Dauerhaltbarkeit verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Gasventil einen die Aufprallgeschwindigkeit und/oder Aufprallenergie des Schließkörpers auf den Ventilsitzkörper und/oder auf den Öffnungshubanschlag reduzierenden dämpfenden Prallkörper aufweist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei heutigen Gasventilen der Schließkörper beim Schließen ungebremst direkt an der sensiblen Dichtfläche des Ventilsitzkörpers auf den so gebildeten Sitz aufschlägt. Zur Beherrschung eines möglichen Verschleißes an dieser Dichtfläche sind aufwendige Maßnahmen, beispielsweise spezielle Werkstoffpaarungen, Beschichtungen oder eine Massereduktion des Schließkörpers notwendig. Beim Öffnungsvorgang trifft der Schließkörper in gleicher Weise auf den Öffnungshubanschlag auf. Zur Beibehaltung eines konstanten Hubs und damit eines konstanten Öffnungsquerschnittes gegenüber dem Ventilsitzkörper über die Lebensdauer des Gasventils ist ein Verschleiß auch an dieser Stelle ebenso zu vermeiden. Dadurch, dass erfindungsgemäß ein sowohl beispielsweise die Schließgeschwindigkeit als auch die Öffnungsgeschwindigkeit des Schließkörpers reduzierender Prallkörper vorgesehen ist, ist ein über die Lebensdauer des Gasventils auftretender Verschleiß in diesen sensiblen Bereichen verhindert oder zumindest deutlich verringert, so dass die Dauerhaltbarkeit des entsprechend ausgebildeten Gasventils erhöht ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Prallkörper ein den Ventilsitzkörper und/oder Öffnungshubanschlag umfassender Ringkörper. Der Prallkörper kann aber auch von mehreren auf dem Umfang des Ventilsitzkörpers angeordneten Blöcken gebildet sein. Ein solcher beispielsweise als Ringkörper oder als Blöcke ausgebildeter Prallkörper kann einerseits problemlos gefertigt und darüber hinaus problemlos in ein vorhandenes Gasventil integriert werden. Dabei kann zudem eine Materialauswahl des Prallkörpers so in Bezug zu dem Schließkörper erfolgen, dass der Prallkörper über die Lebensdauer des Gasventils einen kalkulierbaren Verschleiß erfahren kann, der aber die Funktion des so ausgebildeten Gasventils nicht beeinträchtigt. Der Prallkörper fungiert folglich als eine „Opfermasse“ über die Lebensdauer des Gasventils, während die Dichtfläche zwischen dem Schließkörper und dem Ventilsitzkörper und zwischen dem Schließkörper und dem Öffnungshubanschlag während dieser Zeit nicht beeinträchtigt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass das Betriebsverhalten des so ausgebildeten Gasventils über dessen gesamte Lebensdauer quasi unverändert ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Prallkörper ein zentral in den Ventilsitzkörper eingelassener Zylinder oder auch ein Block. Diese Ausgestaltung eignet sich als Ersatz für einen entsprechenden auf der Ventilkörperseite angeordneten Prallkörper in Form beispielsweise eines Ringkörpers oder Blocks, kann aber auch zusätzlich zu einem solchen Ringkörper vorhanden sein. Sind sowohl der beispielsweise Ringkörper als auch der zentrale Zylinder vorhanden, ist die Aufprallfläche des Schließkörpers deutlich vergrößerbar und damit die Dauerhaltbarkeit weiter steigerbar. Alternativ kann aber auch die Dämpfungsrate beziehungsweise die nach den Stoßvorgängen im Schließkörper verbleibende Bewegungsenergie dadurch beeinflusst werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Prallkörper bei einem Zusammenwirken mit dem Schließkörper verschiebbar, insbesondere in Bezug zu dem Ventilgehäuse. Der Verschiebeweg ist so bemessen, dass das Auftreffen des Schließkörpers insbesondere auf den Ventilsitzkörper so erfolgt, dass zwischen diesen Komponenten kein Verschleiß auftreten kann. Grundsätzlich spielen quasistatische Federkräfte des oder der Prallkörper(s) beziehungsweise deren Speicherung von potentieller Energie keine Rolle. Sie dienen nur zum Rückstellen des oder der Prallkörper(s). Der erfindungsgemäß bewirkte Effekt basiert auf dem dynamischen Stoßvorgang und der damit stattfindenden Übergabe zumindest eines Teils der kinetischen Bewegungsenergie des Schließkörpers auf den Prallkörper. Dies findet im Fall des Schließens außerdem auf einer für die Dichtfunktion des Gasventils unbedeutenden Fläche außerhalb des Dichtbereichs zwischen dem Schließkörper und dem Ventilsitzkörper statt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Schließkörper gegen die Kraft zumindest einer Federeinrichtung verstellbar. Die Federeinrichtung kann beispielsweise aus einer Anzahl von Einzelfedern bestehen oder aber eine einzige Feder sein. Die Federeinrichtung bewirkt insbesondere eine Rückstellung des Prallkörpers in seine Ausgangslage, nachdem der Schließkörper bei einem nachfolgenden Schaltvorgang wieder von dem Prallkörper wegbewegt worden ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Prallkörper selbst elastisch verformbar. Diese elastische Verformbarkeit des Prallkörpers ist durch eine entsprechende Materialauswahl desselben darstellbar. Auch durch diese Ausgestaltung wird die Aufprallgeschwindigkeit des Schließkörpers auf insbesondere den Ventilsitzkörper reduziert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der maximale Öffnungshub des Schließkörpers gegenüber dem Ventilsitzkörper größer als der Maximalhub des Schließkörpers gegenüber dem Prallkörper. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Schließbewegung des Schließkörpers erst kurz oder unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ventilsitzkörper abgebremst wird. Dadurch ist gewährleistet, dass die Schließzeit des so ausgebildeten Gasventils gegenüber einem Gasventil ohne einen erfindungsgemäßen Prallkörper nicht oder nur unwesentlich verändert, insbesondere verlängert ist. Dabei kann unter Umständen eine denkbare Verlängerung der Schließzeit durch eine höhere Anfangsschließgeschwindigkeit des Schließkörpers ausgeglichen werden. Gleiches gilt umgekehrt für den Öffnungshub des Schließkörpers.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der Prallkörper eine Ausrichtfunktion des Schließkörpers gegenüber dem Ventilsitzkörper. Dadurch kann eine geringe Schrägstellung des Schließkörpers vor dem Auftreffen des Schließkörpers auf den Ventilsitzkörper ausgeglichen werden und damit ein exakteres Schließen des Gasventils gewährleistet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Gasventil ein Gaseinlassventil einer Brennkraftmaschine, wobei mit dem Gaseinlassventil ein Brenngas in eine Ansaugvorrichtung, einen Ansaugkanal oder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gasventil,
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2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Variante eines Gasventils,
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3 eine Darstellung der Geschwindigkeitsverringerung eines Schließkörpers des erfindungsgemäß ausgebildeten Gasventils,
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4 eine prinzipielle Darstellung einer von einem Prallkörper des Gasventils ausgeübten Ausrichtfunktion eines Schließkörpers,
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5a, 5b eine prinzipielle Darstellung einer Verschleißfunktion eines erfindungsgemäßen Prallkörpers und
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6 eine in Diagrammform dargestellte Darstellung einer Impulsübertragung auf einen Prallkörper während eines Schließvorgangs eines Schließkörpers.
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Das in 1 dargestellte Gasventil 1 ist als Gaseinlassventil ausgebildet, mit dem ein gasförmiger Brennstoff einem Brennraum einer Brennkraftmaschine direkt oder indirekt zugeführt wird. Das Gasventil kann dabei an einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbaut sein und den gasförmigen Brennstoff zentral in den Ansaugtrakt einblasen. Das Gasventil 1 kann aber auch in einen Ansaugrohrstutzen des Ansaugtraktes eingebaut sein, wobei der Ansaugrohrstutzen der Ansaugkanal zu einem Einlassventil ist, das direkt an einen Brennraum der Brennkraftmaschine angrenzt. Im Rahmen der Erfindung ist es darüber hinaus auch möglich, dass das Gasventil 1 in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingebaut ist und ausgangsseitig direkt mit dem Brennraum unter Umgehung des Ansaugtraktes und des Ansaugkanals in Kontakt steht. Mittels des Gasventils 1 wird in den Brennraum gasförmiger Brennstoff eingeführt, der dort mit zugeführter Brennluft verbrennt und Arbeitsleistung an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgibt.
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Das Gasventil weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in dem ein beispielsweise kreisringförmig ausgebildeter Ventilsitzkörper 3 in geeigneter Weise angeordnet und befestigt ist. Beispielsweise ist der Ventilsitzkörper 3 bei einer ringförmigen Ausgestaltung in eine entsprechende Ringausnehmung in dem Ventilgehäuse 2 eingesetzt. Der Ventilsitzkörper 3 weist eine Anzahl von grundsätzlich beliebig ausgebildeten, im Ausführungsbeispiel kreisringförmig ausgebildeten Austrittsdurchlässen 4a, 4b auf. Zur Versteifung des Ventilsitzkörpers 3 sind auf dem Umfang des Ventilsitzkörpers 3 radial angeordnete Ventilsitzkörperstege 5 angeordnet. Axial verstellbar zu dem Ventilsitzkörper 3 ist in einer gegebenenfalls als Führung ausgebildeten Ausnehmung 6 des Ventilgehäuses 2 ein Schließkörper 7 angeordnet. Der Schließkörper 7 ist analog zu dem Ventilsitzkörper 3 mit versetzt zu den Austrittsdurchlässen 4a, 4b angeordneten beispielsweise ebenfalls ringförmigen Durchlässen 8a, 8b versehen, wobei der Schließkörper 7 ebenfalls zur Verstärkung radial angeordnete Schließkörperstege 9 aufweist. Bei der dargestellten Öffnungsstellung des Schließkörpers 7 gegenüber dem Ventilsitzkörper 3 strömt einer Ventilkammer 10 zugeführtes Gas – wie auf der rechten Seite der Figur dargestellt – durch die Durchlässe 8a, 8b und die Austrittsdurchlässe 4a, 4b aus dem Gasventil 1 heraus und weiter direkt oder indirekt in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Der Schließkörper 7 ist mittels eines Befestigungsbolzens 11 mit einem Anker 12 eines Elektromagneten 13 verbunden. Der Elektromagnet 13 ist fest in dem Ventilgehäuse 2 befestigt und weist einen Magnetkörper 14 auf, in dem eine Spule 15 und eine Druckfeder 16 angeordnet sind. Bei einer Bestromung der Spule 15 wird ein Magnetfeld aufgebaut, das den Anker 12 mitsamt dem Schließkörper 7 in die eine Öffnungsstellung bewegt. In der Zeichnung ist eine mittige Stellung des Schließkörpers 7 zwischen der Öffnungsstellung und einer Schließstellung wiedergegeben. Wird die Bestromung der Spule 15 aufgehoben, drückt die Druckfeder 16 den Anker 12 und damit den Schließkörper 7 bis zu einer Anlage des Schließkörpers 7 an den Ventilsitzkörper 3 nach unten. Durch den Versatz der Durchlässe 8a, 8b und der Austrittsdurchlässe 4a, 4b wird der Gasfluss durch das Gasventil 1 beendet.
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Um die Aufprallgeschwindigkeit und/oder Aufprallenergie des Schließkörpers 7 auf den Ventilsitzkörper 3 und bei einer Öffnungsbewegung auf einen in dem Ventilgehäuse 2 gebildeten Öffnungshubanschlag 17 zu reduzieren, sind zwei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringkörper 18a, 18b ausgebildete Prallkörper vorgesehen, die in Ringkörperausnehmungen 19a, 19b in dem Ventilgehäuse 2 angeordnet sind. In der dargestellten Position des Schließkörpers 7 sind die Ringkörper 18a, 18b von Ringkörperfedern 20a, 20b gegen Ringkörperausnehmungsanschläge 21a, 21b, die gegenüber dem Öffnungshubanschlag 17 und dem Ventilsitzkörper 3 soweit vorstehen, dass der Schließkörper 7 bei einer Öffnungsbewegung zunächst auf den Ringkörper 18a und bei einer Schließbewegung zunächst auf den Ringkörper 18b auftrifft. Bei einer weiteren Öffnungsbewegung beziehungsweise Schließbewegung kommt der Schließkörper 7 unter Verschiebung des Ringkörpers 18a in der Ringkörperausnehmung 19a zur Anlage an dem Öffnungshubanschlag 17 beziehungsweise unter Verschiebung des Ringkörpers 18b die Ringkörperausnehmung 19b zur Anlage an dem Ventilsitzkörper 3. Mit den Ringkörpern 18a, 18b zusammenwirkende Ringkörperfedern 20a, 20b dienen nur zum Rückstellen der beiden Prallkörper nach erfolgtem Stoß in die jeweilige Ausgangslage. Die Federkraft ist möglichst gering, um im geöffneten Ventilzustand keine Erhöhung der notwendigen Magnetkraft beziehungsweise im geschlossenen Zustand keine zum Geschlossenhalten notwendige Erhöhung der Federkraft der Druckfeder 16 zu generieren. Die Reduktion der Aufprallgeschwindigkeit erfolgt durch den dynamischen Impulsübergang an den Prallkörper, nicht aber durch die Federkräfte der Ringkörperfedern 20a, 20b. Dadurch ist ein durch einen herkömmlichen Aufprall des Schließkörpers 7 auf dem Ventilsitzkörper 3 beziehungsweise Öffnungshubanschlag 17 verursachter Verschleiß des Gasventils 1 vermieden.
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In einer alternativen Ausgestaltung zu dem Ringkörper 18b, der die Schließgeschwindigkeit des Schließkörpers 7 gegenüber dem Ventilsitzkörper 3 reduziert, weist das Gasventil 1 gemäß 2 einen in dem Ventilsitzkörper 3 angeordneten Prallkörper auf, der als Zylinder 22 ausgebildet ist und der gegen die Kraft einer oder mehrerer Zylinderfeder(n) 23 verschiebbar ist. Zur Darstellung der bestimmungsgemäßen Funktion gilt h1 < h2. Der als Zylinder 22 ausgebildete Prallkörper kann anstelle des Ringkörpers 18b oder aber zusätzlich zu dem Ringkörper 18b verbaut sein und mit dem Ringkörper 18a kombiniert sein.
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Das schematische Diagramm gemäß 3 zeigt einen Zusammenhang einer Stellgeschwindigkeit vS des Schließkörpers 7 und einer Verstellgeschwindigkeit vP des beliebig ausgebildeten Prallkörpers bis zum Auftreffen auf den Ventilsitzkörper 3. Zunächst wird der Schließkörper 7 mit einer großen Stellgeschwindigkeit vS durch die Kraft der Druckfeder 16 bewegt, bis der Schließkörper 7 auf den Prallkörper, hier den Ringkörper 18b, bei dem Zeitpunkt t1auftritt. Bei dem Zeitpunkt t1 erfolgt durch den Stoßvorgang die Übergabe eines Teils des Impulses von dem Schließkörper 7 an den Ringkörper 18b je nach dem Verhältnis der Massen und der Stoßzahl. Anschließend bewegt sich der Schließkörper 7 mit der reduzierten Stellgeschwindigkeit v`S auf den Schließkörper 7 zu, bis er zum Zeitpunkt t2 auf dem Ventilsitzkörper 3 zur Anlage kommt und dann die Geschwindigkeit 0 hat.
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In 4 ist ein schräggestellter Schließkörper 7 in Bezug zu dem Ventilsitzkörper 3 dargestellt. Diese Schräggestellung um einen Winkel α, die beispielsweise durch die Druckfeder 16 verursacht sein kann, wird beim Auftreffen des Schließkörpers 7 auf den Ringkörper 18b aufgefangen und der Schließkörper 7 ist, wie strichliniert dargestellt ist, kurz vor dem Auftreffen auf den Ventilsitzkörper 3 parallel zu diesem ausgerichtet.
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Die 5a, 5b zeigen den Ringkörper 18b im Neuzustand (5a) und in einem Verschleißzustand (5b). Der Verschleißzustand stellt sich zum Ende der vorbestimmten Lebensdauer des Gasventils 1 ein und gewährleistet bis zu diesem Zeitpunkt die verschleißfreie Verstellung des Schließkörpers 7 gegenüber den Ventilsitzkörper 3 beziehungsweise dem Öffnungshubanschlag 17. Beim Erreichen der Verschleißstellung ist der Ringkörper 18b bezogen zu dem Ringkörperausnehmungsanschlag 21b und dem Schließkörper 7 soweit beidseitig abgetragen, dass sich Abtragungsabsätze 24a, 24b ergeben. Diese Abtragungsabsätze 24a, 24b können durch einen Materialabtrag des aus einem weniger widerstandsfähigen Material gefertigten Ringkörpers 18b gegenüber dem Ventilgehäuse 2 und dem Schließkörper 7 entstehen. Dadurch, dass die Abtragungsabsätze 24a, 24b das gleiche Maß, also die gleiche Tiefe, gegenüber der Höhe des Schließkörpers 7 im Neuzustand aufweisen, bleibt das Vorstehmaß VM vom Neuzustand bis zum Verschleißzustand nahezu gleich.
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In 6 ist in dem oberen Diagramm ein Zeit-Weg-Diagramm des Schließkörpers 7 wiedergegeben. Nach Einleitung einer Schließbewegung xS durch Aufhebung der Bestromung der Spule 15 wird der Schließkörper 7 von seiner offenen Position a letztendlich in die geschlossene Position b bewegt, wobei er zum Zeitpunkt t1 (siehe unteres Diagramm) auf den Ringkörper 18b auftrifft. Die weitere Schließbewegung erfolgt verlangsamt, was durch die Abnahme der Steigung dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt – dies ist in dem unteren Diagramm dargestellt – eine Impulsübertragung auf die Prallkörpermasse, die bis zum Zeitpunkt tmax ein maximales Durchschwingen xP erfährt. Zum Zeitpunkt t2 des Zurückführens der Prallkörpermasse befindet sich der Schließkörper 7 bereits wieder in der geöffneten Stellung und erfährt keine Beeinflussung durch die zurückfedernde Prallkörpermasse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009002836 A1 [0002]
