DE102017218267B4

DE102017218267B4 - Fluidventil und Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Fluid

Info

Publication number: DE102017218267B4
Application number: DE102017218267.9A
Authority: DE
Inventors: Harry Schüle; Stefan Schuster; Janos Kerekgyarto
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: WO2019072793A1; EP3695109A1; US20200240366A1; KR20200058556A; CN111247327A; DE102017218267A1

Abstract

Es wird ein Fluidventil 1 offenbart, das eine erste Ventilbaugruppe 5 mit einer Ventilnadel 7 und einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 8 aufweist. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 8 hat einen Anker 10, der mit der Ventilnadel 7 gekoppelt ist, und ein Polstück 11. Der Anker 10 weist an einer dem Polstück 11 gegenüberliegenden Ankeranschlagseite 14 eine Ankeranschlagfläche 15 auf, und das Polstück 11 weist an einer dem Anker 10 gegenüberliegenden Polstückanschlagseite 16 eine Polstückanschlagfläche 17 auf. Zur vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die erste Ventilbaugruppe 5 ein verformbares erstes Ringelement 19 und ein verformbares zweites Ringelement 20 aufweist, wobei, in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse L, eine Innenkontur 23 des ersten Ringelements 19 außerhalb einer Außenkontur 24 des zweiten Ringelements 20 verläuft. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Fluid mittels eines erfindungsgemäßen Fluidventils.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidventil, insbesondere Gasventil, das ein sich entlang einer Längsmittelachse von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass erstreckendes Ventilgehäuse und zumindest eine erste Ventilbaugruppe umfasst, wobei die erste Ventilbaugruppe eine Ventilnadel und eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung aufweist, wobei die Ventilnadel in einem Hohlraum des Ventilgehäuses entlang der Längsmittelachse bewegbar ist, wobei die elektromagnetische Betätigungseinrichtung einen Anker, der mit der Ventilnadel gekoppelt ist, und ein Polstück, das mit dem Ventilgehäuse gekoppelt ist, aufweist, wobei der Anker an einer dem Polstück gegenüberliegenden Ankeranschlagseite eine Ankeranschlagfläche aufweist und das Polstück an einer dem Anker gegenüberliegenden Polstückanschlagseite eine Polstückanschlagfläche aufweist.
Stand der Technik
In den kommenden Jahren wird der Anteil an gasbetriebenen Fahrzeugen immer mehr steigen. Für die Akzeptanz der Kunden ist jedoch der Aufpreis für den zusätzlichen Gasbetrieb ein wichtiges Kaufargument, weshalb das System so einfach als möglich sein sollte. Die Systemkonfiguration eines heutigen Gassystems sieht in der Regel einen Gasspeicher, Absperrventile, Temperatur- und Drucksensoren, einen Druckminderer oder Druckregler, Gaseinblasventile sowie ein Steuergerät für die zusätzlichen Komponenten vor.
Bei Erdgasfahrzeugen wird der Kraftstoff in der Regel in Flaschen mit Drücken bis zu 200 bar gelagert. Aus diesem Grund wird ein Druckminderer benötigt, der Gas von dem Flaschen-Hochdruck auf einen niedrigen Raildruck am Eingang der Einblasventile reduziert. Dieser niedrige Raildruck beträgt in der Regel 2 - 20 bar, je nach:

dem Einblasort Saugrohreinblasung PI (port injection) oder Direkteinblasung in den Brennraum DI,
den Eigenschaften des Einblasventils, wie Magnetkräften, zur Verfügung stehenden elektrischen Randbedingungen von Strom und Spannung und
natürlich dem Druckniveau des Gases, das die Kräfte auf die beweglichen Teile, wie die Nadel, bestimmt.

Bei einem Gaseinblasventil stößt man allerdings sehr schnell an die Grenzen des möglichen Durchflusses, da bei einem Gas ein größerer Querschnitt als bei einem Flüssigkeits-Einspritzventil benötigt wird. Der benötigte Querschnitt wird durch einen erhöhten Hub der Nadel oder eines Tellers erkauft. Ein größerer Durchmesser dieses Aktuators stößt wieder an Grenzen, da damit die Gaskräfte steigen. Je größer der Abstand des Aktuators zur Spule infolge eines vergrößerten Hubes wird, desto geringer werden die Magnetkräfte, mit denen der Aktuator angehoben werden kann. Das bedeutet, dass bei einem gewünschten Durchfluss der Hub der Nadel zusammen mit den Magnetkräften angepasst werden muss.
Die großen Hübe der Nadel bzw. des Ankers eines solchen Einblasventils führen aber auch zu hohen Beschleunigungen der Nadel, sobald diese aus dem Sitz gehoben wurde und die entgegen der Bewegungsrichtung wirkenden Gaskräfte reduziert werden. Außerdem kommt hinzu, dass die Magnetkräfte immer stärker werden, je näher der Anker / die Nadel sich dem Polstück des Elektromagneten nähern. Die metallische Nadel wird also mit voller Wucht und ungebremst auf das metallische Polstück prallen. Es hat sich gezeigt, dass damit ein Gaseinblasventil, das sich über die Lebensdauer mehrere hundert Millionen Fach öffnen und schließen muss, an der Auftreffstelle zerstört werden kann.
Ein gattungsgemäßes Fluidventil ist aus EP 2 602 476 Al und aus EP 2 378 106 A1 bekannt.
Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Fluid, vorzugsweise von Gas, in einen Brennraum in einer Verbrennungskraftmaschine. Bei solchen bekannten Verfahren treten ebenfalls die vorangehend beschriebenen Schwierigkeiten auf.
JP 2004-346 856 A offenbart ein Fluideinspritzventil, das in der Lage ist, den Aufprall eines beweglichen Elements zu reduzieren, das hin- und herbewegt wird, um die Kraftstoffeinspritzung intermittierend durchzuführen, mit einer einfachen Zusammensetzung.
JP 2004-293 523 A offenbart ein Fluideinspritzventil, das in der Lage ist eine vorgegebene Menge von Fluid einzuspritzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt dem ersten Aspekt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fluidventil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 vorteilhaft weiterzubilden. Insbesondere wird angestrebt, dass dadurch die zuvor beschriebenen Nachteile teilweise oder vollständig vermieden werden können.
Im Hinblick auf den zweiten Erfindungsaspekt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren der Steuerung der Zufuhr von Fluid vorteilhaft weiterzubilden. Insbesondere wird auch dabei angestrebt, dass die zuvor beschriebenen Nachteile zumindest teilweise oder vollständig vermieden werden können.
Gemäß dem ersten Aspekt schlägt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe vor, dass die erste Ventilbaugruppe ein verformbares erstes Ringelement und ein verformbares zweites Ringelement aufweist, und dass in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse eine Innenkontur des ersten Ringelements außerhalb einer Außenkontur des zweiten Ringelements verläuft.
Bei dem Fluidventil bzw. Gasventil handelt es sich vorzugsweise um ein Gaseinspritzventil, das man auch als Gaseinblasventil bezeichnen könnte, für die Steuerung der Zufuhr von Gas in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen. Die Ankeranschlagfläche und die Polstückanschlagfläche können gemeinsam eine zu dem Fluideinlass gerichtete axiale Bewegung der Ventilnadel begrenzen, wobei der Kontakt zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche vorzugsweise dann entsteht, wenn sich die Ventilnadel in einer Öffnungsendposition befindet, d.h. in einer Position, so dass die erste Ventilbaugruppe den Durchlass von Fluid (vorzugsweise Gas) freigibt.
Wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung mittels einer elektrischen Spannung aktiviert, wird eine Spule des Elektromagneten von Strom durchflossen, was dazu führt, dass der Anker in einer axialen Richtung von dem Polstück elektromagnetisch angezogen wird, so dass sich die Ventilnadel bei Überschreiten einer bestimmten elektromagnetischen Kraft entgegen der Kraft der Rückstellfeder in Richtung zu dem Polstück bewegt. Ab einer gewissen Annäherung der Ankeranschlagfläche an die ihr gegenüberliegende Polstückanschlagfläche werden die verformbaren Ringelemente verformt, wodurch die Annäherungsgeschwindigkeit nicht schlagartig, sondern allmählich abgebremst wird. Die Verzögerung resultiert aus der zur Verformung der Ringelemente erforderlichen Energie. Eine maximale Annäherung wird bei einer Ausführungsform erreicht, wenn die Ankeranschlagfläche und die Polstückanschlagfläche sich berühren. Zufolge der durch die Verformungen reduzierten Restgeschwindigkeit wird die Aufprallkraft der Ankeranschlagfläche auf die Polstückanschlagfläche reduziert und insofern der Aufprall gedämpft, so dass man die verformbaren Ringelemente auch als Dämpfungselemente bezeichnen kann.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Fluidventil ein Gas-Einblasventil. Zur Dämpfung einer Bewegung der Ankeranschlagfläche in Richtung zur der Polstückanschlagfläche hin ist zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche mittels der Ringelemente ein Gaspolster einschließbar, das in radialer Richtung von dem ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement begrenzt ist.
Anders ausgedrückt wird bei der Anordnung von zwei verformbaren Ringelementen, während jedes Ringelement die ihm gegenüberliegende Anschlagfläche berührt, zwischen den Ringelementen eine gewisse Menge des Fluids bzw. des Gases eingeschlossen. Bei fortdauernder Annäherung der beiden Anschlagflächen, also der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche, zueinander wirkt das Fluid- bzw. Gasvolumen wie ein Polster, das vorteilhaft als technischen Effekt bei der gegenseitigen Annäherung eine Dämpfung bewirkt. Wird als Fluid ein Gas verwendet, wird eine pneumatische Dämpfung erreicht. Auch dies trägt zu einer im Vergleich zu einem herkömmlichen Fluidventil verzögerten Annäherung bis hin zum gegenseitigen Kontakt der beiden Anschlagflächen bei. Folglich überlagern und verstärken sich die beiden zuvor beschriebenen Effekte, so dass in besonders wirkungsvoller Weise durch ein vorheriges zunächst allmähliches, das heißt nicht abruptes, Abbremsen des bewegten Aktuators (also des Ankers und der Ventilnadel) beim ersten Kontakt zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche ein spitzer Impuls vermieden wird. Bezieht man dies auf die Ventilnadelbewegung, wird als technischer Effekt folglich vorteilhaft eine verbesserte Nadeldämpfung erreicht. Indem der erste Kontakt mit nur noch verringerter Restgeschwindigkeit entsteht, wird außerdem eine Verringerung der Geräuschentwicklung bei der Kontaktentstehung erreicht.
Es bestehen zahlreiche Möglichkeiten zur bevorzugten Ausgestaltung und Weiterbildung:
Bei einer Ausgestaltung sind das erste und das zweite Ringelement von einer ersten Dichtlippe und einer zweiten Dichtlippe eines Elastomerrings gebildet. Bei dieser Ausgestaltung weicht der Querschnitt des Elastomerrings zur Ausbildung der Dichtlippen zweckmäßig von einer kreisförmigen Gestalt ab. Vorzugsweise sind beide Dichtlippen in Richtung der Ankeranschlagfläche oder in Richtung der Polstückanschlagfläche weisende Vorsprünge des Elastomerrings. Zweckmäßig kann die erste Dichtlippe um die zweite Dichtlippe herum verlaufen. Der Elastomerring ist insbesondere an seiner von den Dichtlippen abgewandten Seite in einer Ringnut des Ankers bzw. des Polstücks aufgenommen. Vorteilhafterweise können das erste und zweite Ringelement auf diese Weise bei der Herstellung des Ventils besonders einfach am Polstück bzw. Anker angeordnet werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung ist an der Ankeranschlagseite oder an der Polstückanschlagseite eine erste Ringnut im Anker bzw. im Polstück ausgebildet, in der das erste Ringelement angeordnet ist. An der Ankeranschlagseite oder an der Polstückanschlagseite ist zudem eine zweite Ringnut im Anker bzw. im Polstück ausgebildet, in der das zweite Ringelement angeordnet ist. Wenn ein Spalt zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche gebildet ist, ragen das erste Ringelement aus der ersten Ringnut und das zweite Ringelement aus der zweiten Ringnut axial hinaus. Bei dieser Ausgestaltung sind die Ringelemente insbesondere besonders einfach und/oder langzeitstabil herstellbar. Ein besonders großes Gaspolster und/oder geringe Fertigungstoleranzen im Bereich des Arbeitsspalts zwischen Anker- und Polstückanschlagseite können erzielbar sein. Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung haben das erste und das zweite Ringelement jeweils einen kreisförmigen Querschnitt.
Ein Zustand, in dem keine Berührung zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche besteht -d.h. in dem ein Spalt zwischen der Ankeranschlagfläche und der Polstückanschlagfläche gebildet ist -, lässt sich beispielsweise dadurch charakterisieren, dass sich die elektromagnetische Betätigungseinrichtung in einem deaktivierten Zustand befindet. Im deaktivierten Zustand übt das Polstück keine magnetische Anziehungskraft auf den Anker aus. Vorzugsweise kann es sich um einen Zustand handeln, in welchem die Ventilnadel von ihrer Öffnungsendposition entfernt ist und insbesondere um einen Zustand, in dem sich die erste Ventilbaugruppe in einer Geschlossenstellung befindet, so dass kein Durchlass von Fluid möglich ist. Dass das erste Ringelement und das zweite Ringelement aus ihrer betreffenden Ringnut axial hinausragen, bedeutet, dass das Ringelement über die an diese betreffende Ringnut seitlich anschließende Anschlagfläche (also Ankeranschlagfläche oder Polstückanschlagfläche) in entlang der Längsmittelachse orientierter Richtung übersteht.
Es bestehen als Möglichkeiten, dass die erste Ringnut und die zweite Ringnut an der Ankeranschlagseite ausgehend von der Ankeranschlagfläche ausgebildet sind oder dass die erste Ringnut und die zweite Ringnut an der Polstückanschlagseite ausgehend von der Polstückanschlagfläche ausgebildet sind oder dass die erste Ringnut an der Ankeranschlagseite ausgehend von der Ankeranschlagfläche ausgebildet ist und die zweite Ringnut an der Polstückanschlagseite ausgehend von der Polstückanschlagfläche ausgebildet ist oder dass die zweite Ringnut an der Ankeranschlagseite ausgehend von der Ankeranschlagfläche ausgebildet ist und die erste Ringnut an der Polstückanschlagseite ausgehend von der Polstückanschlagfläche ausgebildet ist. Durch diese Varianten werden jeweils die beschriebenen Wirkungen und Vorteile erreicht. Die Ankeranschlagfläche und/oder die Polstückanschlagfläche ist bei einer zweckmäßigen Weiterbildung, abgesehen ggf. von der/den Ringnut(en), eine ebene Fläche. Vorzugsweise sind die Ankeranschlagfläche und die Polstückanschlagfläche zueinander parallel.
Bevorzugt ist, dass in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse die Innenkontur des ersten Ringelements, insbesondere entlang des gesamten um die Längsmittelachse führenden Umfanges, quer zu der Umfangsrichtung von der Außenkontur des zweiten Ringelements beabstandet ist. Das erfindungsgemäße Fluidventil ist vorzugsweise zur Gaseinblasung bzw. Gaseinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors bestimmt. Mittels der Dimensionierung des Zwischenabstandes kann die Größe des Fluidpolsters und dadurch eine pneumatische Dämpfungswirkung beeinflusst werden. Bevorzugt ist daran gedacht, dass die erste Ringnut und die zweite Ringnut in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dies begünstigt einerseits eine symmetrische Kraftverteilung. Des Weiteren erweist sich dies als vorteilhaft für eine einfache und dadurch preiswerte Herstellung. Entsprechend besteht die Möglichkeit, dass das erste Ringelement und das zweite Ringelement in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse konzentrisch zueinander angeordnet sind. Es besteht die Möglichkeit, dass die erste Ringnut und/oder die zweite Ringnut kreisrund oder polygonal oder mehreckig, insbesondere quadratisch, geformt ist oder sind. Entsprechend besteht die Möglichkeit, dass das erste Ringelement und/oder das zweite Ringelement kreisrund oder polygonal oder mehreckig, insbesondere quadratisch, geformt ist oder sind. Bevorzugt ist, dass das erste Ringelement in die erste Ringnut eingelegt oder eingespritzt oder auf andere Weise darin befestigt ist und/oder dass das zweite Ringelement in die zweite Ringnut eingelegt oder eingespritzt oder auf andere Weise darin befestigt ist. Dies bietet Vorteile im Hinblick auf die Herstellung und Gebrauchseigenschaften. Es besteht die Möglichkeit, dass das erste Ringelement und das zweite Ringelement aus elastisch verformbarem Material hergestellt sind. Bevorzugt ist daran gedacht, dass das erste Ringelement und das zweite Ringelement aus Kunststoff, Gummi, Elastomer oder dergleichen hergestellt sind. Vorzugsweise können das erste Ringelement und das zweite Ringelement gleichartig ausgebildet sein, so dass bei der Montage die Gefahr die Gefahr von Verwechslungen vermieden werden kann. Bevorzugt ist, dass sich die Ankeranschlagfläche und/oder die Polstückanschlagfläche senkrecht zu der Längsmittelachse erstreckt oder erstrecken.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Polstück in Bezug auf eine Ventillängsrichtung zwischen dem Anker und dem Fluideinlass angeordnet ist, so dass die Ankeranschlagfläche und die Polstückanschlagfläche eine axiale Bewegung der Ventilnadel in einer zu dem Fluideinlass gerichteten Richtung begrenzen. Bevorzugt ist, dass die erste Ventilbaugruppe einen mit dem Ventilgehäuse axial gekoppelten oder an dem Ventilgehäuse ausgebildeten Ventilsitz aufweist, der eine axiale Bewegung der Ventilnadel in einer von dem Fluideinlass weg gerichteten Richtung begrenzt. Somit kann es sich bei der ersten Ventilbaugruppe um eine Ventilbaugruppe vom sog. nach innen öffnenden Typ handeln. Bevorzugt ist, dass die erste Ventilbaugruppe eine Rückstellfeder aufweist, bei der es sich insbesondere um eine Zylinderdruckfeder handelt, deren eines Federlängsende direkt oder indirekt an dem Ventilgehäuse abgestützt ist und deren zweites Federlängsende direkt oder indirekt an der Ventilnadel abgestützt ist, so dass die Rückstellfeder die Ventilnadel in Richtung zu dem Fluidauslass mit Federkraft beaufschlagt. Eine zweckmäßige Ausgestaltung wird darin gesehen, dass das Fluidventil eine zweite Ventilbaugruppe umfasst, die in Bezug auf eine Fluiddurchlassrichtung des Fluidventils zu der ersten Ventilbaugruppe stromabwärts angeordnet ist, dass ein Fluidauslassbereich der ersten Ventilbaugruppe in fluidischer Verbindung zu einem Fluideinlassbereich der zweiten Ventilbaugruppe steht, dass die zweite Ventilbaugruppe eine eigene Ventilnadel und eine eigene Rückstellfeder umfasst, wobei die Ventilnadel der zweiten Ventilbaugruppe in einem Hohlraum des Ventilgehäuses entlang der Längsmittelachse entgegen der Federkraft der Rückstellfeder der zweiten Ventilbaugruppe, insbesondere von einer Geschlossenstellung in eine Offenstellung, bewegbar ist. Somit kann es sich bei der zweiten Ventilbaugruppe um vorzugsweise eine passive Ventilbaugruppe vom sog. nach außen öffnenden Typ handeln. Bei einem derartigen Fluidventil kann die erste Ventilbaugruppe als „aktive“ Ventilbaugruppe zur Steuerung der zweiten Ventilbaugruppe dienen. Es besteht vorteilhaft, die Möglichkeit, die zweite Ventilbaugruppe unempfindlich gegenüber hohen (in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors herrschenden) Temperaturen zu gestalten.
Gemäß dem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung zur vorteilhaften Weiterbildung eines Verfahrens zur Steuerung der Zufuhr von Fluid, vorzugsweise von Gas, vor, dass ein Fluidventil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche bereitgestellt wird und dass die elektromagnetische Betätigungseinrichtung aktiviert wird, so dass der Anker zum Öffnen des Fluidventils von dem Polstück elektromagnetisch angezogen wird, wodurch das erste verformbare Ringelement und das zweite verformbare Ringelement zunehmend verformt werden. Zu den Wirkungen und Vorteilen wird auf die vorangehende Beschreibung Bezug genommen. Das Verfahren kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der Anker von dem Polstück bis zum Anschlagen der Ankeranschlagfläche gegen die Polstückanschlagfläche angezogen wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend weiter mit Bezug auf die in den beigefügten Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben. Im Einzelnen zeigt:

1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Fluidventil gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die erste Ventilbaugruppe zum Durchlass von Fluid geöffnet gezeigt ist;
2 eine vergrößerte Darstellung von Detail II aus 1;
3 perspektivisch und teilweise aufgebrochen den in 2 gezeigten Anker;
4 den in 2 gezeigten Bildausschnitt, wobei die erste Ventilbaugruppe jedoch abweichend von 2 geschlossen ist;
5 ausschnittsweise ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidventils und
6 ausschnittsweise ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidventils.

Beschreibung der Ausführungsformen
Mit Bezug auf die 1 bis 4 wird ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidventils 1 vorgestellt. In dem Beispiel handelt es sich um ein Gaseinblasventil, das auch als Gaseinspritzventil bezeichnet werden kann und das zur Steuerung der Zufuhr von Gas in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug dienen kann. Das Fluidventil 1 umfasst ein in dem Beispiel mehrteiliges Ventilgehäuse 2, das sich entlang einer Längsmittelachse L in einem Fluideinlass 3 zu einem Fluidauslass 4 des Fluidventils 1 erstreckt. In dem Beispiel umfasst das Fluidventil 1 eine erste Ventilbaugruppe 5 und eine in Bezug auf eine Fluiddurchlassrichtung FD stromabwärts daran angeschlossene zweite Ventilbaugruppe 6. Die erste Ventilbaugruppe 5 weist eine Ventilnadel 7 und eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 8 auf. Die Ventilnadel 7 ist in einem Hohlraum 9 des Ventilgehäuses 2 entlang der Längsmittelachse L, d. h. in axialer Richtung, bewegbar. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 8 weist einen Anker 10, ein Polstück 11 und eine Spule 12 auf. Der Anker 10 ist an der Ventilnadel 7 befestigt, so dass zwischen diesen Komponenten keine axiale Relativbewegung möglich ist. Das Polstück 11 ist in dem Ventilgehäuse 2 so festgelegt, dass zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem Polstück 11 keine axiale Relativbewegung möglich ist. Die Spule 12 ist ebenfalls in dem Ventilgehäuse 2 relativ zu diesem axial unbeweglich fixiert und kann mittels eines elektrischen Anschlusses 13 zur Aktivierung der Betätigungseinrichtung 8 an eine elektrische Spannung angelegt werden, so dass die Spule 12 von elektrischem Strom durchflossen wird. Wie zum Beispiel auch 4 in Vergrößerung zeigt, bildet der Anker 10 an seiner dem Polstück 11 gegenüberliegenden Ankeranschlagseite 14 eine Ankeranschlagfläche 15 aus. Das Polstück 11 bildet an seiner dem Anker 10 gegenüberliegenden Polstückanschlagseite 16 eine Polstückanschlagfläche 17 aus. In 2, die eine Offenstellung (d. h. einen Betriebszustand, in dem Fluid hindurchgelassen wird) zu der ersten Ventilbaugruppe 5 zeigt, stützen sich die Ankeranschlagfläche 15 und die Polstückanschlagfläche 17 gegeneinander ab. Abweichend davon ist in 4, die eine Geschlossenstellung (d. h. einen Betriebszustand, in dem kein Fluid hindurchgelassen wird) der ersten Ventilbaugruppe 5 zeigt, zwischen der Ankeranschlagfläche 15 und der Polstückanschlagfläche 17 ein mit Fluid gefüllter Spalt 18, der eine begrenzte axiale Erstreckung aufweist, gebildet. Der Spalt 18 wird unmittelbar von der Ankeranschlagfläche 15 und von der Polstückanschlagfläche 17 berandet.
Zu der ersten Ventilbaugruppe 5 gehört ein verformbares erstes Ringelement 19 und ein verformbares zweites Ringelement 20. In dem Beispiel ist das erste Ringelement 19 in einer an der Ankeranschlagseite 14 ausgebildeten ersten Ringnut 21 angeordnet, und dass zweite Ringelement 20 ist in einer ebenfalls an der Ankeranschlagseite 14 ausgebildeten zweiten Ringnut 22 angeordnet. Die Ausgestaltung ist insbesondere im Hinblick auf den gezeigten Querschnitt der Ringelemente 19, 20 und auf die Tiefe der Ringnuten 21, 22 so gewählt, dass, wenn (wie in 4 gezeigt) der Spalt 18 vorhanden ist, dass erste Ringelement 19 aus der ersten Ringnut 21 axial über die Ankeranschlagfläche 15 in Richtung zu dem Polstück 11 hinausragt und dass das zweite Ringelement 20 aus der zweiten Ringnut 22 über die Ankeranschlagfläche 15 in axialer Richtung zu dem Polstück 11 hi-nausragt. 3 verdeutlicht, dass bei einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse L eine Innenkontur 23 des ersten Ringelementes 19 außerhalb einer Außenkontur 24 des zweiten Ringelementes 20 verläuft. In dem Beispiel verlaufen die Ringelemente 19, 20 und die Ringnuten 21, 22 jeweils kreisförmig. Die Innenkontur 23 entspricht daher einer Kreislinie mit dem Innendurchmesser D_i des ersten Ringelementes 19, und die Außenkontur 24 des zweiten Ringelementes 20 entspricht einem Kreis mit dem Außendurchmesser d_a des zweiten Ringelementes 20. Wie zum Beispiel 2 verdeutlicht, ist der Innendurchmesser D_i in dem Beispiel größer als der Außendurchmesser d_a gewählt. In dem Beispiel sind die Ringnuten 21, 22 in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse L (insofern könnte man auch von einer Projektionsbetrachtung auf eine gemeinsame Bezugsebene sprechen) konzentrisch zueinander angeordnet. In der besagten Betrachtung ist die Innenkontur 23 entlang ihres gesamten um die Längsmittelachse L führenden Umfanges quer zu der Umfangsrichtung U in einem gleichbleibenden Abstand a von der Außenkontur 24 des zweiten Ringelementes 20 beabstandet.
In dem Beispiel handelt es sich bei den Ringelementen 19, 20 um Gummiringe, die in den Ringnuten 21, 22 angeordnet sind. Ein Querschnittsdurchmesser d der Ringelemente 19, 20 ist etwas größer als die Tiefe t der beiden Ringnuten 21, 22 gewählt. Daraus folgt, dass, wenn der in 4 gezeigte Spalt 18 vorhanden ist, die verformbaren Ringelemente 19, 20 axial, d. h. in einer Richtung entlang der Längsmittelachse L, über die Ankeranschlagfläche 15 in Richtung zu dem Polstück 11 hinausragen. Der in dem Beispiel bei beiden Ringelementen 19, 20 gleiche axiale Überstand ist in Figur mit x bezeichnet. 2 zeigt im Vergleich dazu, dass, wenn der Anker 10 gegen das Polstück 11 anliegt, d. h. der Spalt 18 verschwunden ist, die Ringelemente 19, 20 in die Ringnuten 21, 22 hineingedrückt sind, so dass kein Überstand x mehr besteht.
Wenn der Anker 10, ausgehend von der in 4 gezeigten Position, in die in 2 gezeigte Lage bewegt wird, um das Fluidventil zu öffnen, treten die über die Ankeranschlagfläche 15 hinausragenden Abschnitte der Ringelemente 19, 20 in Kontakt mit der Polstückanschlagfläche 17. Dabei schließen die Ankeranschlagfläche 15, die Polstückanschlagfläche 17 und die Ringelemente 19, 20 oberhalb der mit A bezeichneten Ringfläche ein Fluidvolumen ein. Abhängig von der von den Ringelementen 19, 20 erzeugten Dichtwirkung wird dieses als Polster wirkende Fluidvolumen bei einer weiteren Annäherung des Ankers 10 an das Polstück 11 komprimiert und die weitere Annäherung pneumatisch gedämpft. Hinzu kommt, dass auch die Verformung der Ringelemente 19, 20 Energie verbraucht, wodurch die Annäherung ebenfalls verlangsamt wird. In dem Beispiel sind die Ankeranschlagfläche 15 und die Polstückanschlagfläche 17 jeweils eben gebildet und erstrecken sich senkrecht zu der Längsmittelachse L. Die Ringnuten 21, 22 sind ausgehend von der Ankeranschlagfläche 15 in den Anker 10 eingetieft.
1 veranschaulicht, dass das Polstück 11 in Bezug auf eine Ventillängsrichtung VL zwischen dem Anker 10 und dem Fluideinlass 3 angeordnet ist, so dass die Ankeranschlagfläche 15 und die Polstückanschlagfläche 17 eine axiale Bewegung der Ventilnadel 7 in einer zu dem Fluideinlass 3 gerichteten Richtung begrenzen. Dabei besitzt die erste Ventilbaugruppe 5 einen mit dem Ventilgehäuse 2 axial gekoppelten Ventilsitz 25, der eine axiale Bewegung der Ventilnadel 7 in einer von dem Fluideinlass 3 weg gerichteten Richtung begrenzt. Die erste Ventilbaugruppe 5 ist somit von dem sog. nach innen öffnenden Typ. Außerdem besitzt die erste Ventilbaugruppe 5 eine Rückstellfeder 26; im Beispiel handelt es sich um eine Zylinderdruckfeder. Ihr erstes Federlängsende 26 ist in Richtung zu dem Fluideinlass indirekt an dem Ventilgehäuse 2 abgestützt. Das zweite Federlängsende 28 ist in Richtung zu dem Fluidauslass 4 an der Ventilnadel 7 abgestützt, wobei die Rückstellfeder 26 in vorgespanntem, d. h. komprimiertem, Zustand eingebaut ist. Die Rückstellfeder 26 überträgt somit auf die Ventilnadel 7 eine in Richtung zu dem Fluidauslass 4 wirkende Federkraft.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Fluidventil 1 eine zweite Ventilbaugruppe 6. Diese ist in Bezug auf die Fluiddurchlassrichtung FD zu der ersten Ventilbaugruppe 5 stromabwärts (also nachgeschaltet) angeordnet. Ein Fluidauslassbereich 29 der ersten Ventilbaugruppe 5 steht in direkter fluidischer Verbindung zu einem Fluideinlassbereich 30 der zweiten Ventilbaugruppe 6. Die zweite Ventilbaugruppe 6 umfasst eine eigene Ventilnadel 31 und eine eigene Rückstellfeder 32. Die Ventilnadel 31 ist entlang eines Hohlraumes 33 in dem Ventilgehäuse 2 entlang der Längsmittelachse L entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 32 von einer Geschlossenstellung in eine Offenstellung bewegbar. In der Geschlossenstellung wirkt die Spitze 34 der Ventilnadel 31 mit der Mündung des Fluidauslasses 4 dichtend zusammen. In der Offenstellung tritt die Spitze 34 etwas aus der Mündung nach außen hervor, wodurch die Dichtung aufgehoben wird. Die zweite Ventilbaugruppe 6 entspricht also dem sog. nach außen öffnenden Ventiltyp.
Es wird nun die Funktionsweise des in den 1 bis 4 gezeigten Fluidventils 1 beschrieben. Betrachtet man zunächst den geschlossenen Ventilzustand, so ist die Spule 12 stromlos geschaltet. Folglich befindet sich der Anker 10 aufgrund der Rückstellfeder 26 in der in 4 gezeigten Position. Die erste Ventilbaugruppe 5 ist geschlossen. Demzufolge kann aus Richtung des Fluideinlasses 3 kein Fluid in den Fluideinlassbereich 30 gelangen. Folglich bewirkt die Rückstellfeder 32, dass auch die zweite Ventilbaugruppe 6 geschlossen ist.
Wird, ausgehend von diesem geschlossenen Zustand, die Spule 12 von einem elektrischen Strom durchflossen, wird der Anker 10 zufolge der resultierenden elektromagnetischen Kraft von dem Polstück 11 angezogen und, da die elektromagnetische Kraft größer als die Kraft der Rückstellfeder 26 ist, in die in 2 gezeigte Position bewegt. Dadurch wird auch die Ventilnadel 7 axial bewegt, wodurch ihr kugelförmiges Längsende aus dem Ventilsitz 25 gehoben wird. Die erste Ventilbaugruppe 5 wird dadurch geöffnet. Durch den zwischen dem Ventilsitz 25 und der Ventilnadel 7 gebildeten Durchlass strömt Fluid in den Fluid-Einlassbereich 30 hinein. Dadurch wird eine perforierte Druckplatte 35, die fest mit der Ventilnadel 31 verbunden ist, in Richtung zu dem Fluidauslass 4 mit Fluiddruck beaufschlagt. Sobald die resultierende Kraft die in die Gegenrichtung wirkende Kraft der Rückstellfeder 32 überschreitet, wird die Ventilnadel 31 von dem Fluideinlass 3 weg gerichtet bewegt und dadurch auch die zweite Ventilbaugruppe 6 geöffnet. Es wird angemerkt, dass in den gezeigten Figuren nicht alle vorhandenen Durchtrittskanäle für Fluid mit dargestellt sind.
5 zeigt in einer zu 4 vergleichbaren Darstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fluidventils 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Der Unterschied zu 4 liegt in der Positionierung der verformbaren Ringelemente 19, 20. Die erste Ringnut 21 und die zweite Ringnut 22 sind an der Polstückanschlagseite 16 ausgehend von der Polstückanschlagfläche 17 ausgebildet. Zu den Wirkungen und Vorteilen wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels Bezug genommen.
6 zeigt, in einer zu den 4 und 5 vergleichbaren Darstellungsweise, einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fluidventils 1 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Anordnung der verformbaren Ringelemente 19, 20 ist dort wiederum anders. In dem Beispiel von 6 ist die erste Ringnut 21 an der Ankeranschlagseite 14 ausgehend von der Ankeranschlagfläche 15 ausgebildet, und die zweite Ringnut 22 ist an der Polstückanschlagseite 16 ausgehend von der Polstückanschlagfläche 17 ausgebildet. Auch mittels einer solchen Ausgestaltung werden die zuvor beschriebenen Wirkungen und Vorteile erreicht.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.

Claims

Fluidventil (1), insbesondere Gasventil, das ein sich entlang einer Längsmittelachse (L) von einem Fluideinlass (3) zu einem Fluidauslass (4) erstreckendes Ventilgehäuse (2) und zumindest eine erste Ventilbaugruppe (5) umfasst, wobei die erste Ventilbaugruppe (5) eine Ventilnadel (7) und eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung (8) aufweist, wobei die Ventilnadel (7) in einem Hohlraum (9) des Ventilgehäuses (2) entlang der Längsmittelachse (L) bewegbar ist, wobei die elektromagnetische Betätigungseinrichtung (8) einen Anker (10), der mit der Ventilnadel (7) gekoppelt ist, und ein Polstück (11), das mit dem Ventilgehäuse (2) gekoppelt ist, aufweist, wobei der Anker (10) an einer dem Polstück (11) gegenüberliegenden Ankeranschlagseite (14) eine Ankeranschlagfläche (15) aufweist und das Polstück (11) an einer dem Anker (10) gegenüberliegenden Polstückanschlagseite (16) eine Polstückanschlagfläche (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilbaugruppe (5) ein verformbares erstes Ringelement (19) und ein verformbares zweites Ringelement (20) zwischen der Ankeranschlagseite (14) und der Polstückanschlagseite (16) aufweist, und dass in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse (L) eine Innenkontur (23) des ersten Ringelements (19) außerhalb einer Außenkontur (24) des zweiten Ringelements (20) verläuft.
Fluidventil (1) gemäß Anspruch 1, das insbesondere ein Gas-Einblasventil ist, wobei zur Dämpfung einer Bewegung der Ankeranschlagfläche (15) in Richtung zur der Polstückanschlagfläche (17) hin zwischen der Ankeranschlagfläche (15) und der Polstückanschlagfläche (17) mittels der Ringelemente (19, 20) ein Gaspolster einschließbar ist, das in radialer Richtung von dem ersten Ringelement (19) und dem zweiten Ringelement (20) begrenzt wird.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse (L) die Innenkontur (23) des ersten Ringelements (19), insbesondere entlang des gesamten um die Längsmittelachse (L) führenden Umfanges, quer zu der Umfangsrichtung (U) von der Außenkontur (24) des zweiten Ringelements (20) beabstandet ist.
Fluidventil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste und das zweite Ringelement (19, 20) von einer ersten Dichtlippe und einer zweiten Dichtlippe eines Elastomerrings gebildet sind, wobei beide Dichtlippen in Richtung der Ankeranschlagfläche (15) oder in Richtung der Polstückanschlagfläche (17) weisende Vorsprünge des Elastomerrings sind, die erste Dichtlippe um die zweite Dichtlippe herum verläuft und der Elastomerring insbesondere an seiner von den Dichtlippen abgewandten Seite in einer Ringnut des Ankers bzw. des Polstücks aufgenommen ist.
Fluidventil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ankeranschlagseite (14) oder an der Polstückanschlagseite (16) eine erste Ringnut (21) im Anker (10) bzw. im Polstück (11) ausgebildet ist, in der das erste Ringelement (19) angeordnet ist, und dass an der Ankeranschlagseite (14) oder an der Polstückanschlagseite (16) eine zweite Ringnut (22) im Anker (10) bzw. im Polstück (11) ausgebildet ist, in der das zweite Ringelement (20) angeordnet ist, wobei, wenn ein Spalt (18) zwischen der Ankeranschlagfläche (15) und der Polstückanschlagfläche (17) gebildet ist, das erste Ringelement (19) aus der ersten Ringnut (21) und das zweite Ringelement (20) aus der zweiten Ringnut (22) axial hinausragen.
Fluidventil (1) gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringnut (21) und die zweite Ringnut (22) in einer Betrachtung entlang der Längsmittelachse (L) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringnut (21) und/oder die zweite Ringnut (22) kreisrund oder polygonal oder mehreckig, insbesondere quadratisch, geformt ist oder sind, und /oder dass das erste Ringelement (19) in die erste Ringnut (21) eingelegt oder eingespritzt oder auf andere Weise darin befestigt ist und/oder dass das zweite Ringelement (20) in die zweite Ringnut (22) eingelegt oder eingespritzt oder auf andere Weise darin befestigt ist.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ringelement (19) und das zweite Ringelement (20) aus elastisch verformbarem Material, insbesondere aus Kunststoff, Gummi, Elastomer oder dergleichen, hergestellt sind.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ankeranschlagfläche (15) und/oder die Polstückanschlagfläche (17) senkrecht zu der Längsmittelachse (L) erstreckt oder erstrecken.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polstück (11) in Bezug auf eine Ventillängsrichtung (VL) zwischen dem Anker (10) und dem Fluideinlass (3) angeordnet ist, so dass die Ankeranschlagfläche (15) und die Polstückanschlagfläche (17) eine axiale Bewegung der Ventilnadel (7) in einer zu dem Fluideinlass (3) gerichteten Richtung begrenzen.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilbaugruppe (5) einen mit dem Ventilgehäuse (2) axial gekoppelten oder an dem Ventilgehäuse (2) ausgebildeten Ventilsitz (25) aufweist, der eine axiale Bewegung der Ventilnadel (7) in einer von dem Fluideinlass (3) weg gerichteten Richtung begrenzt.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilbaugruppe (5) eine Rückstellfeder (26) aufweist, bei der es sich insbesondere um eine Zylinderdruckfeder handelt, deren eines Federlängsende (26) direkt oder indirekt an dem Ventilgehäuse (2) abgestützt ist und deren zweites Federlängsende (28) direkt oder indirekt an der Ventilnadel (7) abgestützt ist, so dass die Rückstellfeder (26) die Ventilnadel (7) in Richtung zu dem Fluidauslass (4) mit Federkraft beaufschlagt.
Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidventil (1) eine zweite Ventilbaugruppe (6) umfasst, die in Bezug auf eine Fluiddurchlassrichtung (FD) des Fluidventils (1) zu der ersten Ventilbaugruppe (5) stromabwärts angeordnet ist, dass ein Fluidauslassbereich (29) der ersten Ventilbaugruppe (5) in fluidischer Verbindung zu einem Fluideinlassbereich (30) der zweiten Ventilbaugruppe (6) steht, dass die zweite Ventilbaugruppe (6) eine eigene Ventilnadel (31) und eine eigene Rückstellfeder (32) umfasst, wobei die Ventilnadel (31) der zweiten Ventilbaugruppe (6) in einem Hohlraum des (33) Ventilgehäuses entlang der Längsmittelachse (L) entgegen der Federkraft der Rückstellfeder (32) der zweiten Ventilbaugruppe (6), insbesondere von einer Geschlossenstellung in eine Offenstellung, bewegbar ist.
Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Fluid, insbesondere von Gas, in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidventil (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche bereitgestellt wird und dass die elektromagnetische Betätigungseinrichtung (8) aktiviert wird, so dass der Anker (10) zum Öffnen des Fluidventils (1) von dem Polstück (11) elektromagnetisch angezogen wird, wodurch das erste verformbare Ringelement (19) und das zweite verformbare Ringelement (20) zunehmend verformt werden.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (10) von dem Polstück (11) bis zum Anschlagen der Ankeranschlagfläche (15) gegen die Polstückanschlagfläche (17) angezogen wird.