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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. Um den Verschließ im Bereich des Ventilsitzes zu reduzieren, ist das Dichtelement aus einem mit einem Füllstoff versehenen Kunststoff gebildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verschleißoptimiertes Gasventil anzugeben, das zudem besonders kompaktbauend ist.
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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 ausgebildet und weist eine mit der Durchströmöffnung zusammenwirkende Dichtfläche auf, so dass der Anker zugleich als hubbewegliches Dichtelement einsetzbar ist. Der Anker besitzt zudem mindestens eine Ausnehmung und/oder Geometrie, über welche der Anker geführt, zentriert und/oder gegen Verdrehen gesichert ist.
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Durch die Scheibenform des Ankers kann die Bauhöhe, d. h. die Abmessung in axialer Richtung, des Gasventil reduziert werden. Da der Anker zugleich das Dichtelement ausbildet, kann ein separates Dichtelement entfallen. Dadurch wird die Bauhöhe weiter reduziert.
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Die Scheibenform des Ankers und der Wegfall eines separaten Dichtelements führen zu einer Reduzierung der bewegten Masse. Dies hat zur Folge, dass die Aufschlagenergie des Ankers beim Schließen der Durchströmöffnung geringer ist und der Verschleiß im Sitzbereich gemindert wird. Die Reduktion der bewegten Masse geht ferner mit einem verminderten Ansteuerstromverbrauch einher.
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Um den Verschließ gering zu halten, ist ferner eine Führung, Zentrierung und/oder Verdrehsicherung des Ankers vorgesehen.
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Die Führung wirkt insbesondere einer starken Kipplage des Ankers entgegen und soll damit verhindern, dass sich der Anker verkeilt.
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Die Zentrierung und/oder Verdrehsicherung stellt bzw. stellen sicher, dass die am Anker ausgebildete Dichtfläche in Überdeckung mit der mindestens einen Durchströmöffnung des Ventilsitzelements bringbar ist.
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Bevorzugt ist im Anker eine zentrale Ausnehmung vorgesehen, in der ein Passstift aufgenommen ist, der lagefixiert ist. Über den Passstift wird der Anker zentriert und geführt. Die zentrale Ausnehmung kann als Axialbohrung mit kreisrundem Querschnitt ausgeführt sein. Eine solche ist einfach und kostengünstig herzustellen. Der Querschnitt des Passstifts ist vorzugsweise an den Querschnitt der Ausnehmung im Anker angepasst.
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Die im Anker vorgesehene Ausnehmung und/oder der Passstift kann bzw. können auch einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt besitzen. Auf diese Weise kann neben einer Führung und einer Zentrierung ferner eine Verdrehsicherung des Ankers bewirkt werden.
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Zur Lagefixierung des Passstifts ist dieser vorzugsweise fest mit dem Ventilsitzelement verbunden.
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Alternativ kann der Anker mindestens eine außenumfangseitige Ausnehmung und/oder Geometrie besitzen und von einem Ringkörper umgeben sein, der lagefixiert ist. Das heißt, dass der Anker eine von der Kreisform abweichende Außenkontur aufweist. Der den Anker umgebende Ringkörper besitzt zumindest bereichsweise eine an die Außenkontur des Ankers angepasste Innenkontur, so dass der Anker über den Ringkörper zumindest geführt und zentriert ist.
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Vorzugsweise sind mehrere Ausnehmungen und/oder Geometrien am Außenumfang des Ankers vorgesehen, die weiterhin bevorzugt in gleichem Winkelabstand zueinander, d. h. über den Außenumfang gleichmäßig verteilt, angeordnet sind.
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Zur Lagefixierung des Ringkörpers kann dieser gehäuseseitig abgestützt und/oder axial verspannt sein.
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Bevorzugt ist die mindestens eine außenumfangseitige Ausnehmung des Ankers kreissegmentförmig ausgebildet. Eine solche Ausnehmung ist einfach und kostengünstig herstellbar, beispielsweise über einen Anschliff oder eine Abflachung. Alternativ kann die Ausnehmung aber auch kreisbogenförmig ausgebildet sein. Derartige Ausnehmungen lassen sich aufgrund der flachen Scheibenform des Ankers in günstiger Weise durch Wasserstrahlschneiden herstellen.
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Die außenumfangseitigen Ausnehmungen des Ankers können mit der Ausbildung außenumfangseitiger Geometrien einhergehen, so dass am Außenumfang des Ankers sowohl Ausnehmungen als auch Geometrien ausgebildet werden. Die Ausnehmungen dienen dann vorrangig der Freistellung der Geometrien. Die Führung, Zentrierung und/oder Verdrehsicherung wird dann bevorzugt über die Geometrien bewirkt.
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Eine außenumfangseitig am Anker ausgebildete Geometrie kann beispielsweise die Form eines Zahns aufweisen. Eine solche Geometrie wird freigestellt, wenn außenumfangseitig im Anker kreissegmentförmige Ausnehmungen eingebracht werden, die nicht unmittelbar aneinander angrenzen. Zwischen ihnen verbleibt dann eine Geometrie in Form eines Zahns. Der Zahn kann radial außen eine Fläche aufweisen, über welche eine Führung und Zentrierung des Ankers bewirkt wird.
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Bevorzugt wird über die mindestens eine Geometrie am Außenumfang des Ankers zugleich eine Verdrehsicherung bewirkt. Die Geometrie steht hierzu in Eingriff mit dem Ringkörper. Beispielsweise kann im Ringkörper ein Schlitz zur bereichsweisen Aufnahme der Geometrie ausgebildet sein. Alternativ kann am Ringkörper eine Geometrie ausgebildet sein, die in Eingriff mit der Ausnehmung des Ankers steht, über welche die Geometrie des Ankers freigestellt ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Durchströmöffnung des Ventilsitzelements radial oder kreisbogenförmig verläuft. Vorzugsweise sind mehrere radial oder kreisbogenförmig verlaufende Durchströmöffnungen im Ventilsitzelement ausgebildet, um große Massenströme realisieren zu können.
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Verläuft die mindestens eine Durchströmöffnung des Ventilsitzelements radial, kann die Winkellage des Ankers in Bezug auf das Ventilsitzelement entscheidend für ein sicheres Schließen des Gasventils sein. Dies ist nicht der Fall, wenn die Durchströmöffnung des Ventilelements kreisbogenförmig verläuft. Hier ist entscheidend, dass der Anker in Bezug auf das Ventilsitzelement zentriert ist. Ein zur Zentrierung vorgesehener Passstift ist daher bevorzugt fest mit dem Ventilsitzelement verbunden.
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Vorteilhafterweise ist bzw. sind im Anker mindestens eine Durchströmöffnung und/oder Druckausgleichsöffnung ausgebildet, die versetzt zu der mindestens einen Durchströmöffnung des Ventilsitzelements angeordnet ist bzw. sind. Über die mindestens eine im Anker vorgesehene Durchströmöffnung wird das Gas der im Ventilsitzelement ausgebildeten Durchströmöffnung zugeführt. Um ein gelichmäßiges Anströmen zu gewährleisten, sind vorzugsweise mehrere Durchströmöffnungen im Anker vorgesehen. Über die mindestens eine Druckausgleichsöffnung wird ein Druckausgleich während einer Öffnungs- oder Schließbewegung des Ankers bewirkt. Die gegenüber der Durchströmöffnung des Ventilsitzelements versetzte Anordnung der mindestens einen Durchströmöffnung bzw. Druckausgleichsöffnung des Ankers gewährleistet, dass das Gasventil dicht schließt.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die mindestens eine Durchströmöffnung und/oder Druckausgleichsöffnung im Anker die bewegte Masse weiter reduziert wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Elektromagnet in einem topfförmigen Magnetgehäuse aufgenommen ist, das vorzugsweise mindestens eine Zuströmöffnung besitzt. Die Zuströmöffnung soll eine gleichmäßige Verteilung des zuströmenden Gases gewährleisten. Aus diesem Grund sind vorzugsweise mehrere Zuströmöffnungen vorgesehen, die gleichmäßig verteilt über den Umfang des Magnetgehäuses angeordnet sind. Weiterhin vorzugsweise ist die mindestens eine Zuströmöffnung als Freistellung in einer dem Anker zugewandten Stirnfläche des Magnetgehäuses ausgebildet. Eine derartige Zuströmöffnung ist einfach und kostengünstig herstellbar.
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Die den Anker in Schließrichtung belastende Schließfeder kann eine Schraubendruckfeder sein, die zentral angeordnet ist und somit den Anker mittig belastet.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Schließfeder eine Wellenfeder, insbesondere eine Smalley-Wellenfeder. Wellenfedern besitzen mehrere Auflagepunkte, die über den Umfang gleichmäßig verteilt sind. Dies hat zur Folge, dass der Anker gleichmäßig belastet wird und weniger zum Verkippen neigt. Vorteilhafterweise ist die Wellenfeder derart angeordnet, dass sie das topfförmige Magnetgehäuse zumindest bereichsweise umgibt. Das heißt, dass die Schließkraft der Schließfeder radial außen, vorzugsweise im Bereich der Dichtfläche, auf den Anker wirkt. Dies wiederum gewährleistet ein dichtes Schließen des Gasventils.
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Alternativ zur Anordnung einer Wellenfeder als Schließfeder können auch mehrere dezentral angeordnete Schraubendruckfedern als Schließfedern vorgesehen werden. Diese werden bevorzugt in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet, um eine gleichmäßige Verteilung der Schließkraft zu bewirken.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste 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 eines modifizierten Ankers für ein erfindungsgemäßes Gasventil,
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4a eine perspektivische Darstellung eines Ankers in Kombination mit einem Ventilsitzelement,
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4b eine Draufsicht auf den Anker der 4a,
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4c einen Ausschnitt der 4b in vergrößerter Darstellung,
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5 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils,
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6 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils,
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7 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils und
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8 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils.
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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 eine Dichtfläche 6 auf, die zum Schließen des Gasventils in Überdeckung mit Durchströmöffnungen 4 bringbar sind, die in einem plattenförmigen Ventilsitzelement 3 ausgebildet sind. Der Anker 2 bildet somit zugleich ein Dichtelement aus. Zudem wird der Anker 2 in Richtung des Ventilsitzelements 3 von der Federkraft einer Schließfeder 5 beaufschlagt, die vorliegend als Smalley-Wellenfeder ausgebildet ist. Die Smalley-Wellenfeder ist radial außen liegend in Bezug auf ein topfförmiges Magnetgehäuse 13 angeordnet, in dem der Elektromagnet 1 aufgenommen ist. Um eine optimale Zuströmung des Gases zu gewährleisten, weist das Magnetgehäuse 13 stirnseitige Freistellungen auf, die Zuströmöffnungen 15 ausbilden. Im Anker 2 sind ferner Durchströmöffnungen 11 und Druckausgleichsöffnungen 12 vorgesehen, die ebenfalls für eine gleichmäßige Verteilung des Gases sorgen (siehe 2). Das Gasventil wird über gehäuseseitig ausgebildete Radialbohrungen 14 radial angeströmt.
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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 Schließfeder 5 in seine Ausgangslage zurückgestellt, wobei die am Anker ausgebildete Dichtfläche 6 die im Ventilsitzelement 3 ausgebildeten Durchströmöffnungen 4 verschließt.
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Zur Führung und Zentrierung des scheibenförmigen Ankers 2 des Gasventils der 1 ist im Anker 2 eine zentrale Ausnehmung 7 vorgesehen, in der ein Passstift 9 aufgenommen ist, der über das Ventilsitzelement 3 lagefixiert ist. Über den in der Ausnehmung 7 aufgenommenen Passstift 9 ist der Anker 2 geführt und zentriert (siehe auch 2).
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Eine alternative Ausführungsform eines Ankers 2 ist der 3 zu entnehmen. Hier wird die Führung und Zentrierung über außenumfangseitig ausgebildete Geometrien 8 bewirkt, die über den Außenumfang des Ankers 2 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Zur Ausbildung der Geometrien 8 wurden in den Außenumfang des Ankers 2 drei kreisbogenförmige Ausnehmungen 7 eingebracht, so dass zwischen ihnen drei zahnartige Geometrien 8 stehen bleiben. Die Führung und Zentrierung wird über die radial außen liegenden Flächen der Geometrien 8 bewirkt.
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Die Durchströmöffnungen 11 des Ankers 2 sind in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 jeweils kreisbogenförmig ausgebildet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Durchströmöffnungen 4 des Ventilsitzelements 3 ebenfalls kreisbogenförmig verlaufen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Den 4a bis 4c ist eine alternative Ausführungsform eines als Dichtelement dienenden Ankers 2 und eines Ventilsitzelements 3 zu entnehmen. Hier sind die Durchströmöffnungen 4, 11 jeweils radial ausgerichtet. Um ein dauerhaft dichtes Schließen des Gasventils sicherzustellen, muss der Anker 2 gegen Verdrehen gegenüber dem Ventilsitzelement 3 gesichert sein.
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Um neben der Führung und Zentrierung des Ankers 2 zugleich eine Verdrehsicherung zu erreichen, kann bzw. können im Ausführungsbeispiel der 1 die Ausnehmung 7 und/oder der Passstift 9 eine von der Kreisform abweichende Querschnittsform aufweisen.
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Weist der Anker 2 mindestens eine Geometrie 8 auf, kann diese in Eingriff mit einer Ausnehmung (nicht dargestellt) gebracht werden, die vorzugsweise an einem Ringkörper 10 ausgebildet ist, der den Anker 2 umgibt.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den 5 bis 8 dargestellt.
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Das in der 5 dargestellte Gasventil gleicht im Wesentlichen dem der 1 mit dem Unterschied, dass in das Ventilsitzelement 3 eine Platte 16 zur Aufnahme des Passstifts 9 eingesetzt ist. Zudem ist das Magnetgehäuse 13 modifiziert.
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Tauscht man die als Schließfeder 5 dienende Smalley-Wellenfeder des Gasventils der 5 gegen mehrere dezentral angeordnete Schraubendruckfedern aus, gelangt man zur Ausführungsform der 7. Zur Abstützung der Schraubendruckfedern ist ein Ring 17 vorgesehen, der wiederum am Magnetgehäuse 13 abgestützt ist.
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Der 6 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils zu entnehmen, das zur Führung und Zentrierung des Ankers 2 anstelle einer im Anker 2 vorgesehenen zentralen Ausnehmung 7 mehrere außenumfangseitig am Anker 2 ausgebildete Geometrien 8 besitzt. Über diese Geometrien 8 liegt der Anker 2 radial außen an einem Ringkörper 10 an, der den Anker 2 umgibt. Bei der Ausführungsform der 6 ist die Schließfeder 5 eine Smalley-Wellenfeder.
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Tauscht man die Smalley-Wellenfeder des Gasventils der 6 gegen mehrere dezentral angeordnete Schraubendruckfedern aus, gelangt man zur Ausführungsform der 8. Zur Abstützung der Schraubendruckfedern ist wiederum ein Ring 17 vorgesehen, der selbst am Magnetgehäuse 13 abgestützt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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