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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil zum Einblasen von Gas in einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 208 397 A1 ist ein Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs, bekannt, das einen Ventilsitzträger mit einer Durchlassöffnung, ein Schließelement zum Freigeben und Verschließen der Durchlassöffnung und einen elektromagnetischen Aktor zur Betätigung des Schließelements umfasst. Die im Ventilsitzträger ausgebildete Durchlassöffnung wird von zwei umlaufenden Ventilsitzen eingefasst, die zwischen einem ersten und einem zweiten Gasraum angeordnet sind. Öffnet das Ventil, strömt gasförmiges Medium aus beiden Gasräumen über die Ventilsitze zur Durchlassöffnung. Auf diese Weise können große Gasmengen bei vergleichsweise kleinem Hub des Schließelements bereitgestellt werden. Um die Teilezahl zu reduzieren, ist vorzugsweise das Schließelement zugleich als Anker ausgebildet, der mit dem elektromagnetischen Aktor zusammenwirkt. Schließelement und Anker bilden in diesem Fall ein Bauteil aus. Das Ventil kann sowohl in stationären Brennkraftmaschinen als auch in Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen eingesetzt werden, um die jeweilige Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere Erdgas, zu versorgen.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Ventil zum Einblasen von Gas in den Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das hinsichtlich des erforderlichen Bauraums, der Funktion und/oder der Fertigung optimiert ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Ventil 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 Einblasen von Gas in einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Ventil umfasst einen Ventilsitzträger mit mindestens einer kreisbogenförmig verlaufenden, schlitzartigen Durchlassöffnung, die radial innen und/oder radial außen von einer einen Ventilsitz ausbildenden Sitzgeometrie begrenzt wird. Ferner umfasst das Ventil einen hubbeweglichen Anker, der in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Feder ist erfindungsgemäß als Flachfeder mit einer zentralen Ausnehmung ausgebildet und über ein die Ausnehmung der Feder durchgreifendes erstes Ankerteil und ein mit dem ersten Ankerteil fest verbundenes zweites Ankerteil in radialer und axialer Richtung fixiert.
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Durch die Verwendung einer als Flachfeder ausgebildeten Feder und die platzsparende Integration der Feder in den Ankeraufbau wird der Bauraumbedarf optimiert. Ferner kann über die Feder eine Führung und/oder Zentrierung des Ankers bewirkt werden. Eine separate Ausbildung einer Führung und/oder Zentrierung für den Anker, beispielsweise in Form einer Führungsbohrung in einem Ventilkörper, ist somit entbehrlich. Auf diese Weise wird der Fertigungsaufwand gesenkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Ankerteile zumindest abschnittsweise plattenförmig ausgebildet und über einen in die Ausnehmung der Feder durchgreifenden Kragenabschnitt des ersten Ankerteils in der Weise fest verbunden, dass zwischen den beiden Ankerteilen ein ringförmiger Gasraum ausgebildet wird, der radial innen von dem Kragenabschnitt begrenzt wird. Der zwischen den beiden Ankerteilen ausgebildete Gasraum ermöglicht eine optimale Verteilung und Führung des Gases innerhalb des Ventils. Insbesondere kann ein beidseitiges Anströmen des Ventilsitzes realisiert werden, so dass große Gasmengen dem Ventilsitz zuführbar sind. Denn der Gasraum ermöglicht eine Gasverteilung in radialer Richtung durch den Ankeraufbau. Zugleich wird über die zumindest abschnittsweise plattenförmig ausgebildeten Ankerteile ein bauraumoptimierter Ankeraufbau erreicht.
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Vorteilhafterweise ist das zweite Ankerteil als einfache Platte ausgeführt, die auf den Kragenabschnitt des ersten Ankerteils aufgesetzt, vorzugsweise aufgepresst ist. Hierzu weist das zweite Ankerteil eine zentrale Ausnehmung auf. Alternativ oder ergänzend können beide Ankerteile stoffschlüssig verbunden sein.
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Im Verbund bilden beide Ankerteile bevorzugt einen plattenförmigen Ankeraufbau mit zwischenliegendem Gasraum aus, der zumindest nach radial außen geöffnet ist. Der Gasraum ist somit von radial außen anströmbar. Die Orientierung des Ankeraufbaus innerhalb des Ventils erfolgt dabei bevorzugt in der Weise, dass das zweite Ankerteil ventilsitznah angeordnet ist.
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Zur weiteren Optimierung der Gasverteilung innerhalb des Ventils wird vorgeschlagen, dass das zweite Ankerteil mindestens eine Durchlassöffnung aufweist. Über die Durchlassöffnung ist der zwischen den beiden Ankerteilen ausgebildete Gasraum mit einem weiteren Gasraum verbindbar, der zwischen dem zweiten Ankerteil und dem Ventilsitzträger ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung ist hierzu bevorzugt als eine das zweite Ankerteil durchsetzende Ausnehmung ausgeführt, die das Gas in axialer Richtung durch den Ankeraufbau führt. Das Gas wird somit über mindestens zwei Gasräume in Richtung des Ventilsitzes geführt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das erste Ankerteil einen Kragenabschnitt aufweist, der an der Feder und/oder an dem zweiten Ankerteil abgestützt und in Umfangsrichtung mehrfach unterbrochen ist. Der Kragenabschnitt dient der Fixierung der Feder in axialer und/oder radialer Richtung. Vorzugsweise wird die Feder über den Kragenabschnitt des ersten Ankerteils gegen das zweite Ankerteil gedrückt. Zur Fixierung der Feder in radialer Richtung weist der Kragenabschnitt bevorzugt eine gestuft ausgeführte Stirnfläche auf, so dass der Kragenabschnitt zumindest teilweise in die zentrale Ausnehmung der Feder eingreift. Die gestuft ausgeführte Stirnfläche ermöglicht zugleich die Abstützung des Kragenabschnitts am zweiten Ankerteil.
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Der der Fixierung der Feder dienende Kragenabschnitt des ersten Ankerteils ist vorzugsweise radial außen in Bezug auf den Kragenabschnitt angeordnet, über den das erste Ankerteil mit dem zweiten Ankerteil verbunden ist. Die beiden Kragenabschnitte des ersten Ankerteils begrenzen somit den zwischen den beiden Ankerteilen ausgebildeten Gasraum in radialer Richtung. Damit der Gasraum von radial außen anströmbar bleibt, ist der radial außenliegende Kragenabschnitt mehrfach unterbrochen ausgeführt.
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Die als Flachfeder ausgeführte Feder weist bevorzugt einen Innenringabschnitt und einen Außenringabschnitt auf, die über mindestens einen Steg verbunden sind. Der Steg dient als Federarm. Das heißt, dass er bei Druckeinwirkung elastisch verformbar ist und eine Relativbewegung des Innenringabschnitts gegenüber dem Außenringabschnitt in axialer Richtung zulässt, beispielsweise bei einer Hubbewegung des Ankers. Der Steg weist hierzu bevorzugt zumindest abschnittsweise einen spiralförmigen oder kreisbogenförmigen Verlauf auf. Beispielsweise kann der Steg im Wesentlichen konzentrisch zum Innenringabschnitt und zum Außenringabschnitt angeordnet sein. Vorzugsweise sind mehrere solcher Stege in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet, um eine gleichmäßige Kraftverteilung zu gewährleisten.
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Der Außenringabschnitt der Feder ist vorzugsweise gehäuseseitig abgestützt und/oder fixiert. Auf diese Weise kann über die Feder eine Führung und/oder Zentrierung des Ankers bewirkt werden.
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Ferner kann die Feder als bistabiles Element ausgebildet sein. Das heißt, dass sie zwei stabile Zustände einnehmen kann, vorzugsweise bei geöffnetem und bei geschlossenem Ventil. Auf diese Weise kann das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils verbessert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das zweite Ankerteil ein Dichtelement zum Verschließen des Ventilsitzes aufweist. Das Dichtelement fördert ein gasdichtes Verschließen des Ventilsitzes. Vorzugsweise ist das Dichtelement ringförmig ausgebildet, um unabhängig von der Winkellage des Ankers zum Ventilsitzträger ein sicheres Schließen des Ventils zu gewährleisten. Die Breite des Dichtelements ist zumindest geringfügig größer als der radiale Abstand der den Ventilsitz einfassenden beiden Sitzgeometrien des Ventilsitzträgers gewählt.
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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 Ankerbaugruppe mit Feder und einen Ventilsitzträger für ein erfindungsgemäßes Ventil und
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2 eine schematische Draufsicht auf die Ankerbaugruppe der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die Darstellung der 1 beschränkt sich auf nur wenige Teile eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils zum Einblasen von Gas in den Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine. Hierbei handelt es sich um einen mehrteilig ausgeführten Anker 6, eine mit dem Anker 6 verbundene Feder 7 und einen Ventilsitzträger 1. Der Ventilsitzträger 1 weist mindestens eine Durchlassöffnung 2 auf, die zur Ausbildung eines Ventilsitzes 3 sowohl radial innen als auch radial außen von einer Sitzgeometrie 4, 5 eingefasst ist. Über eine Hubbewegung des Ankers 6 ist der Ventilsitz 3 freigebbar bzw. verschließbar. Das heißt, dass der Anker 6 zugleich als Ventilschließelement dient. Ein separates Ventilschließelement kann somit entfallen. Nicht dargestellt ist ein Ventilgehäuse, das den Anker 6 einschließlich der Feder 7 und den Ventilsitzträger 1 umgibt.
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Der Anker 6 umfasst ein erstes Ankerteil 9, das im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und über einen Kragenabschnitt 11 mit einem plattenförmigen zweiten Ankerteil 10 verbunden ist. Der Kragenabschnitt 11 des ersten Ankerteils 9 greift hierzu in eine zentrale Ausnehmung 20 des zweiten Ankerteils 10 ein. Zwischen den beiden Ankerteilen 9, 10 verbleibt ein Axialspalt, der radial innen von dem Kragenabschnitt 11 und radial außen von einem weiteren Kragenabschnitt 15 des ersten Ankerteils 9 begrenzt wird. Auf diese Weise kommt es zwischen den beiden Ankerteilen 9, 10 zur Ausbildung eines Gasraums 12. Der radial außenliegende weitere Kragenabschnitt 15 ist mehrfach unterbrochen, so dass der Gasraum 12 von radial außen mit Gas beaufschlagbar ist (siehe Pfeil auf der rechten Hälfte der 1).
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Um das in den Gasraum 12 gelangende Gas dem Ventilsitz 3 zuzuführen, weist das zweite Ankerteil 10 mehrere Durchlassöffnungen 13 auf (siehe auch 2), die den Gasraum 12 mit einem weiteren Gasraum 14 verbinden, der zwischen dem zweiten Ankerteil 10 und dem Ventilsitzträger 1 angeordnet ist (siehe Pfeil auf der linken Hälfte der 1). Auf diese Weise ist ein Ventil realisierbar, dessen Ventilsitz 3 sowohl von radial außen als auch von radial innen angeströmt wird.
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Die Feder 7, die den Anker 6 in Richtung des Ventilsitzes 3 axial vorspannt, ist als Flachfeder ausgeführt. Sie weist eine zentrale Ausnehmung 8 auf, durch welche der Kragenabschnitt 11 des ersten Ankerteils 9 hindurchgreift. Über den weiteren Kragenabschnitt 15 wird die Feder 7 gegen das zweite Ankerteil 10 gedrückt, so dass sie in axialer Richtung lagefixiert ist. Um zugleich eine radiale Lagefixierung der Feder 7 zu bewirken, ist der weitere Kragenabschnitt 15 stirnseitig gestuft ausgeführt, so dass er die Feder 7 umgreift und zur Anlage am zweiten Ankerteil 10 gelangt. Durch die Lagefixierung der Feder 7 am Anker 6 kann die Feder 7 zur Zentrierung und Führung des Ankers 6 eingesetzt werden, wenn zugleich sichergestellt ist, dass die Feder 7 radial außen gehäuseseitig abgestützt und/oder fixiert ist.
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Die Federwirkung erhält die Feder 7 durch einen Außenringabschnitt 17 und einen Innenringabschnitt 16, die über mehrere Stege 18 (vorliegend drei Stege 18) verbunden sind. Denn die Stege 18 bilden Federarme aus, die bei Druckeinwirkung elastisch verformbar sind. Die Stege 18 sind hierzu kreisbogenförmig gestaltet und jeweils an einem Ende mit dem Außenringabschnitt 17 und an dem anderen Ende mit dem Innenringabschnitt 16 verbunden (siehe auch 2). Spalte zwischen den Stegen 18 sowie zwischen den Stegen 18 und dem Außenringabschnitt 17 bzw. dem Innenringabschnitt 16 ermöglichen die Gaszufuhr in Richtung des Ventilsitzes 3. Über die Form und/oder die Anzahl der Stege 18 kann die Federrate der Feder 7 bestimmt und zugleich an den Hub des Ankers 6 angepasst werden.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist das zweite Ankerteil 10 des Ankers 6, das dem Ventilsitz 3 zugewandt ist, ein ringförmiges Dichtelement 19 auf. Das Dichtelement 19 dient dem gasdichten Verschließen des Ventilsitzes 3. Aufgrund der Ringform des Dichtelements 19 ist ein sicheres Schließen unabhängig von der Winkellage des Ankers 6 in Bezug auf den Ventilsitzträger 1 gewährleistet.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Ankerbaugruppe, umfassend den Anker 6 und die Feder 7, ist aufgrund ihrer geringen Höhe in axialer Richtung bauraumoptimiert. Zugleich verringert sie die Anzahl der erforderlichen Teile eines elektromagnetisch betätigbaren Gasventils, da der Anker 6 zugleich als Ventilschließelement dient und die Feder 7 die Funktion der Zentrierung und Führung des Ankers 6 übernimmt. Der Einsatz dieser Ankerbaugruppe kann in einer Vielzahl von Ventilen erfolgen, und zwar unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Ventilsitzträgers 1. Beispielsweise kann der Ventilsitzträger 1 auch nur eine einen Ventilsitz 3 ausbildende Sitzgeometrie 4 oder 5 aufweisen, so dass der Ventilsitz 3 nur einseitig angeströmt wird. Ist ein beidseitiges Anströmen des Ventilsitzes 3 erwünscht, wirkt sich der innerhalb des Ankers 6 ausgebildete Gasraum 12 als Vorteil aus, da er zur gleichmäßigen Verteilung des Gases beiträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208397 A1 [0002]
