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Die Erfindung betrifft ein Gasventil zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein Gasventil der vorstehend genannten Art kann insbesondere zur Brennstoffversorgung von Gas- oder Gas-Diesel-Motoren in Personenkraft- oder Nutzfahrzeugen, in Schienenfahrzeugen und/oder auf Schiffen verwendet werden. Weitere mögliche Applikationen stellen Gas- oder Gas-Diesel-Motoren in Anlagen zur Energiegewinnung und/oder Energieerzeugung dar.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 103 53 011 A1 geht beispielhaft ein Gasventil hervor, das insbesondere für den Einsatz in einem Gasmotor ausgelegt ist und der Regelung eines Gasstroms von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite dient. Das Gasventil weist ein Ventilgehäuse auf, in dem eine Betätigungseinheit für einen Magnetanker aufgenommen ist, der in dem Ventilgehäuse axial verschiebbar geführt ist. Der Magnetanker ist mit einem Ventilschließglied versehen, an dessen Stirnseite ein Dichtelement angeordnet ist, das derart mit einem an einer Sitzplatte ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, dass ein Gasstrom durch Abströmöffnungen der Sitzplatte steuerbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Gasventil anzugeben, das in axialer Richtung besonders kompaktbauend ist. Zugleich sollen große Magnetkräfte und große Ventilhübe darstellbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das zum Eindosieren eines gasförmigen Brennstoffs in einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagene Gasventil umfasst einen Elektromagneten und einen mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker, der in Richtung eines Ventilsitzelements, in dem mindestens eine Durchströmöffnung ausgebildet ist, von der Federkraft mindestens einer Schließfeder beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß ist der Anker als Scheibe ausgeführt und besitzt eine mit dem Elektromagneten zusammenwirkende ringförmige Polfläche, die radial außen in Bezug auf eine am Anker ausgebildete und mit der Durchströmöffnung des Ventilsitzelements zusammenwirkende Dichtfläche angeordnet ist.
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Durch die Scheibenform des Ankers kann die Bauhöhe des Gasventils, d. h. die Abmessung des Gasventils in axialer Richtung, reduziert werden. Dadurch ist das angegebene Gasventil in axialer Richtung besonders kompakt gebaut.
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Da die mit der Durchströmöffnung des Ventilsitzelements zusammenwirkende Dichtfläche ebenfalls am Anker ausgebildet ist, ist ein separates hubbewegliches Dichtelement entbehrlich. Dadurch wird die Bauhöhe weiter reduziert. Ferner führen die Scheibenform des Ankers und der Wegfall eines separaten Dichtelements zu einer Reduzierung der bewegten Masse, so dass der erforderliche Ansteuerstromverbrauch sinkt.
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Indem die Polfläche des Ankers radial außen in Bezug auf die Dichtfläche angeordnet ist, weist sie einen vergleichsweise großen Durchmesser auf. Das heißt, dass über die Fläche große Magnetkräfte und damit große Ventilhübe erzielbar sind. Entsprechend kann der freigegebene Durchmesser reduziert werden.
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Um die Polfläche und die Dichtfläche am Anker auszubilden, kann dieser als aus mehreren Teilen zusammengesetzter Verbundkörper ausgebildet sein. Die mehreren Teile können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, um den unterschiedlichen Funktionen der Teile Rechnung zu tragen. Die Materialien können sich insbesondere hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften und/oder hinsichtlich ihrer Festigkeit unterscheiden. Der Verbund der Teile, die vorzugsweise scheiben- und ringförmig ausgebildet sind, kann beispielsweise mittels einer Press- und/oder Schweißverbindung hergestellt werden.
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Der Elektromagnet ist bevorzugt als Ringmagnet ausgeführt und in einem Magnetgehäuse aufgenommen, das eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme des Elektromagneten aufweist. Die Ausführung des Elektromagneten als Ringmagnet erlaubt einen größeren Magnetdurchmesser, der auf den Durchmesser der Polfläche des Ankers abgestimmt ist. Vorzugsweise ist der Elektromagnet mittels O-Ringe in die Ausnehmung des Magnetgehäuses eingepresst, um die erforderliche Gasdichtigkeit herzustellen. Alternativ oder ergänzend kann der Elektromagnet selbst gasdicht ausgeführt sein, indem die Magnetspule des Elektromagneten mit Epoxidharz vergossen und/oder mit einem die Magnetspule umgebenden Magnetkern dicht verschweißt ist.
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Des Weiteren bevorzugt weist das Magnetgehäuse radial innen in Bezug auf den Elektromagneten mindestens eine axial verlaufende Zuströmöffnung auf. Über die axial verlaufende Zuströmöffnung ist das Gasventil axial anströmbar. Die zentrumsnahe Anordnung der mindestens einen Zuströmöffnung ist möglich, da die Ringform des Elektromagneten Raum hierfür lässt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Magnetgehäuse an seiner dem Anker zugewandten Stirnfläche mindestens eine dezentral angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme der Schließfeder aufweist. Vorzugsweise besitzt das Magnetgehäuse mehrere solcher dezentral angeordneten Ausnehmungen, die weiterhin vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Die in den Ausnehmungen aufgenommenen Schließfedern sind demnach ebenfalls im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet, um eine gleichmäßige Verteilung der Schließkraft auf den Anker sicherzustellen. Die dezentrale Anordnung der Ausnehmungen bzw. Schließfeder ermöglicht die Ausbildung einer zentral angeordneten axial verlaufenden Zuströmöffnung im Magnetgehäuse.
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Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme der Schließfeder zwar dezentral, aber immer noch radial innen in Bezug auf den Elektromagneten angeordnet. Der Anker wird somit oberhalb der Dichtfläche von der Schließkraft der Schließfedern beaufschlagt, so dass über die mindestens eine Schließfeder zugleich eine hohe Dichtkraft bewirkt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Magnetgehäuse radial außen in Bezug auf den Elektromagneten mindestens eine radial verlaufende Ausnehmung als weitere Zuströmöffnung aufweist. Die radiale Ausnehmung dient der Zuführung von Gas, welches das Magnetgehäuse umströmt. Das Gas durchströmt die im Magnetgehäuse vorgesehene weitere Zuströmöffnung daher von radial außen nach radial innen. Auf diese Weise kann eine optimale Verteilung des einzudosierenden Gases erreicht werden. Ferner können etwaige im Ventilsitzelement ausgebildete radial außen liegende Durchströmöffnungen besser mit Gas versorgt werden.
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Eine im Ventilsitzelement ausgebildete radial außen liegende Durchströmöffnung, die entlang einer Kreislinie verläuft, d. h. kreisbogenförmig verläuft, weist gegenüber einer kreisbogenförmig verlaufenden Durchströmöffnung mit gleicher Breite, die jedoch weiter radial innen liegt, einen größeren freien Strömungsquerschnitt auf. Über radial außen liegende Durchströmöffnungen können demnach bei Bedarf große Massenströme erzielt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker eine weitere Dichtfläche aufweist, die ringförmig ausgeführt und radial außen in Bezug auf die Polfläche angeordnet ist. Über die weitere Dichtfläche sind im Ventilsitzelement ausgebildete radial außen liegende Durchströmöffnungen steuerbar.
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Bevorzugt besitzt der Anker mindestens eine Durchströmöffnung, die versetzt zu der mindestens einen Durchströmöffnung des Ventilsitzelements angeordnet ist. Die Durchströmöffnung des Ankers soll eine gleichmäßige Verteilung des einzudosierenden Gases sicherstellen bzw. die Anströmbarkeit der im Ventilsitzelement ausgebildeten Durchströmöffnung gewährleisten. Vorteilhafterweise sind im Anker mehrere kreisbogenförmig verlaufende und konzentrisch zueinander angeordnete Durchströmöffnungen vorgesehen, die radial versetzt zu mehreren kreisbogenförmig verlaufenden und konzentrisch zueinander angeordneten Durchströmöffnungen des Ventilsitzelements angeordnet sind. Die Kreisbogenform der im Anker und im Ventilsitzelement ausgebildeten Durchströmöffnungen besitzt den Vorteil, dass das Gasventil unabhängig von der Winkellage der beiden Bauteile zueinander dicht schließt. Über die Anzahl, die Lage und die Größe der Durchströmöffnungen im Ventilsitzelement kann der Massenstrom eingestellt werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist der Anker über einen Ringkörper zentriert, der radial außen in Bezug auf den Anker angeordnet und/oder zwischen dem Ventilsitzelement und dem Magnetgehäuse eingespannt ist. Die Zentrierung stellt sicher, dass die mindestens eine am Anker ausgebildete Dichtfläche in Überdeckung mit der mindestens einen Durchströmöffnung des Ventilsitzelements bringbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkörper einen den Anker umgreifenden Bundabschnitt zur Ausbildung einer Anschlagfläche auf, die den oberen Hubanschlag für den Anker ausbildet. Alternativ oder ergänzend kann der obere Hubanschlag auch durch das Magnetgehäuse ausgebildet werden.
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Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass zur Kontaktierung des Elektromagneten eine Kontakthülse vorgesehen ist, die über mindestens einen O-Ring in eine Bohrung eines hohlzylinder- oder topfförmigen Gehäuseteils und/oder in eine Bohrung des Magnetgehäuses eingepresst ist. Der Presssitz stellt die erforderliche Gasdichtheit nach außen sicher. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn das Magnetgehäuse von dem einzudosierenden Gas umströmt wird. Denn in diesem Fall ist das Magnetgehäuse von einem gasgefüllten Ringraum umgeben. Mittels der Kontakthülse kann der Ringraum überbrückt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils,
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2 eine perspektivische Darstellung des Ankers des Gasventils der 1,
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3 eine perspektivische Darstellung der Ankerführung des Gasventils der 1,
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4 eine perspektivische Darstellung des Magnetgehäuses des Gasventils der 1 von oben gesehen und
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5 eine perspektivische Darstellung des Magnetgehäuses des Gasventils der 1 von unten gesehen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 schematisch dargestellte Gasventil umfasst einen Elektromagneten 1 zur Einwirkung auf einen Anker 2, der als flache Scheibe ausgebildet ist. Der Anker 2 weist an seiner Oberseite eine dem Elektromagneten 1 zugewandte ringförmige Polfläche 6 auf, die einen scheibenförmigen Abschnitt des Ankers 2 umgibt, die von mehreren kreisbogenförmig verlaufenden und konzentrisch zueinander angeordneten Durchströmöffnungen 13 durchsetzt ist (siehe 2). Ferner weist der scheibenförmige Ankerabschnitt Druckausgleichsbohrungen 22 auf, die während der Hubbewegung des Ankers 2 einen Ausgleich des an beiden Seitenflächen des Ankers 2 anliegenden Gasdrucks bewirken sollen. Die Polfläche 6 ist radial außen von einem ringförmigen Ankerabschnitt umgeben, in dem ebenfalls kreisbogenförmig verlaufende Durchströmöffnungen 13 ausgebildet sind.
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Die den Anker 2 durchsetzenden Durchströmöffnungen 13 treten an der Unterseite des Ankers 2 im Bereich einer kreisförmigen und einer ringförmigen Dichtfläche 7 aus, die in Überdeckung mit kreisbogenförmig verlaufenden und konzentrisch zueinander angeordneten Durchströmöffnungen 4 bringbar sind, die in einem plattenförmigen Ventilsitzelement 3 ausgebildet sind. Der Anker 2 bildet somit zugleich das Dichtelement des Gasventils aus, so dass ein separates Dichtelement entbehrlich ist.
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In Richtung des Ventilsitzelements 3 wird der Anker 2 von der Federkraft mehrerer dezentral angeordneter Schließfedern 5 beaufschlagt, die vorliegend als Schraubendruckfedern ausgebildet sind. Die Anordnung der Schließfedern 5 ist derart gewählt, dass ihre Schließkraft oberhalb einer Dichtfläche 7 auf den Anker 2 einwirkt. Auf diese Weise wird zugleich eine hohe Dichtkraft erzielt.
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Die Schließfedern 5 sind in Ausnehmungen 11 aufgenommen, die in einem Magnetgehäuse 8 ausgebildet sind, das vorrangig der Aufnahme des Elektromagneten 1 dient. Hierzu ist im Magnetgehäuse 8 eine ringförmige Ausnehmung 9 ausgebildet, welche radial außen in Bezug auf die Ausnehmungen 11 zur Aufnahme der Schließfedern 5 angeordnet ist. Der Elektromagnet 1 ist in entsprechender Weise als Ringmagnet ausgeführt. Der Durchmesser des Ringmagneten und der Durchmesser der Polfläche 6 sind aufeinander abgestimmt, so dass große Magnetkräfte und demzufolge auch große Ventilhübe erzielbar sind.
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Die Ausbildung des Elektromagneten 1 als Ringmagnet und die dezentrale Anordnung der Schließfedern 5 ermöglichen die Ausbildung einer zentralen Zuströmöffnung 10 im Magnetgehäuse 8, über welche das Gasventil axial anströmbar ist. Die zentral angeordnete Zuströmöffnung 10 teilt sich im Magnetgehäuse 8 in mehrere Zuströmöffnungen 10 auf, um die Strömung durch das Magnetgehäuse 8 zu optimieren (siehe 4 und 5).
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Das Magnetgehäuse 8 des Gasventils der 1 wird jedoch nicht nur von dem einzudosierenden Gas axial durchströmt, sondern auch umströmt. Um das Gas von radial außen nach radial innen in Richtung der im Anker 2 ausgebildeten radial außen liegenden Durchströmöffnung 13 zu führen, weist das Magnetgehäuse 8 mehrere radial verlaufende Ausnehmungen 12 auf, die in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind (siehe 4 und 5).
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Wie der 4 ferner zu entnehmen ist, ist seitlich im Magnetgehäuse 8 eine Bohrung 21 ausgebildet. Diese dient der Aufnahme einer Kontakthülse 17, die mittels eines O-Rings 18 in die Bohrung 21 eingepresst wird (siehe 1). Das Einpressen der Kontakthülse 17 erfolgt von außen über eine in einem Gehäuseteil 20 ausgebildeten Bohrung 19. Um die Bohrung 19 abzudichten, ist die Kontakthülse 17 auch in diese Bohrung 19 mittels eines O-Rings 18 eingepresst (siehe 1).
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Die flache Scheibenform der Ankers 2 erfordert eine Führung und Zentrierung des Ankers 2. Diese werden vorliegend über einen Ringkörper 14 bewirkt, der im Detail in der 3 dargestellt ist. Der Ringkörper 14 besitzt eine Innenumfangsfläche 23, über welche der Anker 2 zentriert ist. Zudem weist der dargestellte Ringkörper 14 einen Bundabschnitt 15 mit einer Anschlagfläche 16 auf, so dass der Ringkörper 14 vorliegend ferner als oberer Hubanschlag für den Anker 2 dient. Über den Ringkörper 14 kann somit der Hub des Ankers 2 eingestellt werden. Die Einstellung eines für den Hub des Ankers 2 erforderlichen Restluftspalts kann beispielsweise über die Differenz zwischen dem Elektromagneten 1 und dem Magnetgehäuse 8 bewirkt werden.
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Die Funktionsweise des Gasventils ist wie folgt:
Zum Öffnen des Gasventils wird der Elektromagnet 1 bestromt. Es baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Elektromagneten 1 bewegt. Dabei hebt der Anker 2 vom Ventilsitzelement 3 ab und gibt die im Ventilsitzelement 3 ausgebildeten Durchströmöffnungen 4 frei. Zum Schließen wird die Bestromung des Elektromagneten 1 beendet, das Magnetfeld baut sich ab und der Anker 2 wird über die Federkraft der Schließfedern 5 in seine Ausgangslage zurückgestellt, wobei die am Anker ausgebildete Dichtfläche 7 die im Ventilsitzelement 3 ausgebildeten Durchströmöffnungen 4 verschließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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