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Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil zur dosierten Abgabe von gasförmigen Brennstoff, insbesondere zur Abgabe von gasförmigem Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Zur Einbringung von gasförmigem Brennstoff, insbesondere in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, können elektromagnetisch betriebene Dosierventile verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2020 214 170 A1 bekannt sind. Dabei weist das Dosierventil ein Gehäuse auf mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, wobei die Einlassöffnung durch ein erstes Ventilelement und die Auslassöffnung durch ein weiteres Ventilelement geöffnet und geschlossen wird. Dies ermöglicht die Verwendung einer Elastomerdichtung am Ventilelement, das die Einlassöffnung steuert, während an der Auslassöffnung, wo bedingt durch die Verbrennungwärme im Brennraum hohe Temperaturen herrschen, in der Regel eine Metall-Metall-Dichtung zwischen dem Ventilelement und der Auslassöffnung vorgesehen ist.
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Im Gasraum innerhalb des Dosierventils, der durch die Ein- und Auslassöffnung mit der Umgebung verbunden ist, sammelt sich nach der Eindüsung des gasförmiger Brennstoff an, der durch die Metall-Metall-Dichtung am Auslass des Gasdosierventils langsam ausdiffundieren kann. Um dies zu verhindern müsste die Dichtung an der Auslassöffnung dauerhalft gasdicht ausgestaltet werden bei gleichzeitig hoher Hitzebeständigkeit, was technisch nur schwer umsetzbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Gasdosierventil zwischen den einzelnen Eindüsungen praktisch vollständig gasdicht ist und so ein unkontrolliertes Austreten von gasförmigem Brennstoff an der Auslassöffnung zuverlässig verhindert wird, ohne dass die Nutzbarkeit bei hohen Temperaturen beeinträchtigt ist. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, in dem ein mit gasförmigem Brennstoff befüllbarer Brennstoffraum ausgebildet ist, der eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Im Gasraum ist eine Schließhülse zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung längsbeweglich angeordnet und stromabwärts der Schließhülse eine längsbeweglich angeordnete Düsennadel zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung. Zwischen der Schließhülse und der Düsennadel ist ein Steuerkolben angeordnet zur Übertragung der Längsbewegung der Schließhülse auf die Düsennadel. Der Steuerkolben begrenzt einen mit gasförmigen Brennstoff befüllten Dämpfungsraum, aus dem der Steuerkolben bei seiner Schließbewegung den gasförmigen Brennstoff durch eine Drosselöffnung verdrängt.
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Nach Beendigung der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs verbleibt gasförmiger Brennstoff im Gasraum, der über die Dichtung an der Düsennadel langsam durch die Auslassöffnung ausdiffundieren kann. Dadurch kann gasförmiger Brennstoff unbeabsichtigt beispielsweise in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen oder auch in sonstige Bereiche der Brennkraftmaschine bzw. des sonstigen Verbrauchers, was dort zu Problemen führen kann. Wie groß diese Gasmenge ist hängt einerseits davon ab, wie gut die Dichtung an der auslassseitigen Öffnung des Gasraums ist, und andererseits vom Druck im Gasraum zum Zeitpunkt des Schließens. Durch die Ausbildung des Dämpfungsraums, der die Bewegung des Steuerkolbens bei seiner Schließbewegung dämpft, werden zwei Wirkungen erzielt, die die Menge des gasförmigen Brennstoffs im Gasraum nach Beendigung der Eindüsung begrenzen:
- Zum einen wird der Schließimpuls an der Einlassöffnung verringert, das heißt, dass die Schließhülse mit einem geringeren Impuls auf dem Dichtsitz aufsetzt, da der Steuerkolben nur gedämpft in seine Schließposition zurückfährt und zuerst nur die Schließhülse am Dichtsitz der Einlassöffnung aufsitzt. Dadurch wird ein Prellen der Schließhülse an der Einlassöffnung verringert, d.h. ein schnelles Öffnen und Schließen der Schließhülse am Ende der Eindüsung, wodurch sonst zusätzlich gasförmiger Brennstoff in den Gasraum gelangen kann.
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Zum andern bewirkt die gedämpfte Bewegung des Steuerkolbens, dass die Einlassöffnung verschlossen wird, ehe die Auslassöffnung durch die Düsennadel verschlossen wird. Dadurch strömt gasförmiger Brennstoff aus dem Gasraum über die Auslassöffnung aus und der Druck innerhalb des Gasraums passt sich dem Druck am auslassseitigen Ende des Gasdosierventils an, so dass nur eine geringe oder keine Druckdifferenz zwischen dem Gasraum und der Umgebung im Bereich der Auslassöffnung herrscht. Der fehlende Druckgradient zwischen dem Gasraum und der Umgebung verringert die Diffusionsneigung des gasförmigen Brennstoffs aus dem Gasraum oder verhindert diese völlig.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Schließhülse und dem Steuerkolben eine Schließfeder unter Vorspannung angeordnet. Durch die Schließfeder trennt sich die Schließhülse leicht vom Steuerkolben, so dass die Schließhülse bei der Schließbewegung dem Steuerkolben vorauseilt und damit mit nur geringem Impuls am Dichtsitz der Einlassöffnung aufschlägt, was zu der schon geschilderten verringerten Prellneigung der Schließhülse führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuerkolben als Hohlzylinder ausgebildet, durch den der gasförmige Brennstoff von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung strömt. Die Ausbildung des Hohlzylinders erlaubt die Ausbildung des Dämpfungsraums an der Außenseite des Steuerkolbens, was vorteilhafterweise dadurch realisiert wird, dass an der Außenseite des Steuerkolbens ein Absatz ausgebildet ist, der den Dämpfungsraum begrenzt. Der Dämpfungsraum kann über eine im Steuerkolben ausgebildete Drosselbohrung mit dem Inneren des hohlzylindrischen Steuerkolbens verbunden sein, so dass der gasförmige Brennstoff, der aus dem Dämpfungsraum verdrängt wird, von dort weiter in Richtung Auslassöffnung strömt. Auch die Befüllung des Dämpfungsraums ist auf diese Weise durch die Drosselbohrung im Steuerkolben einfach und in vorteilhafter Weise realisiert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Schließhülse eine zentrale Sackbohrung auf, die in das Innere des hohlzylindrischen Steuerkolbens mündet. Damit ist in einfacher Weise der Strömungspfad des gasförmigen Brennstoffs innerhalb des Gasraums realisiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Steuerkolben von einer Kolbenfeder in Richtung der Schließhülse mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Damit ist sichergestellt, dass zumindest eine gewisse Zeit nach Beendigung der Eindüsung beide Bauteile aneinander anliegen, so dass die Öffnungsbewegung der Schließhülse unmittelbar auf den Steuerkolben übertragen wird und der Steuerkolben wiederum die Düsennadel öffnet, so dass der gasförmige Brennstoff eindosiert werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird die Bewegung der Schließhülse im Gasraum über einen elektrischen Aktor gesteuert. Dabei ist der elektrische Aktor vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildet, wobei die Schließhülse einen Magnettauchanker bildet. Der Elektromagnet lässt sich so anordnen, dass er die Schließhülse umgibt, so dass der Bauraum innerhalb des Gasraums nicht beeinträchtigt und eine konstruktiv einfache Umsetzung ermöglicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Düsennadel und die Steuerhülse axial voneinander beabstandet, wenn die Schließhülse in ihrer die Einlassöffnung verschließenden Schließstellung ist und der Steuerkolben an der Schließhülse anliegt. Dieser axiale Abstand, der einen Freilauf bildet, macht das Gasdosierventil unempfindlich gegenüber der thermischen Ausdehnung der Bauteile unter thermischer Belastung, wie sie insbesondere während des Betriebs in einer Brennkraftmaschine auftritt. Es ist damit auch sichergestellt, dass die Düsennadel stets in Anlage am Dichtsitz am auslassseitigen Ende des Gasdosierventils ist, wenn die Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs beendet ist, so dass die notwendige Dichtheit an der Auslassöffnung erreicht wird.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasdosierventils dargestellt. Es zeigt
- 1 in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil und
- 2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der 1 im Bereich des Steuerkolbens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Längsschnitt dargestellt. Das Gasdosierventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst, die mittels einer Spannmutter 5 gasdicht gegeneinander verspannt sind. Im Gehäuse 1 ist ein Gasraum 7 ausgebildet, der über eine Einlassöffnung 8 mit gasförmigem Brennstoff befüllbar ist. Das Gas strömt aus dem Gasraum 7 über eine Auslassöffnung 9 ab, so dass die Einlassöffnung 8 und die Auslassöffnung 9 über den Gasraum miteinander verbunden sind. Im Gasraum 7 ist eine Schließhülse 10 mit einer daran ausgebildeten Dichtfläche 11 längsverschiebbar angeordnet, die der Dichtfläche 11 mit einem Ventilsitz 12 zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 8 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 12 ist ringförmig ausgebildet und umgibt die Einlassöffnung 8, wobei auf der Dichtfläche 11 eine Elastomerdichtung aufgebracht ist, um am Ventilsitz 12 eine gasdichte Abdichtung der Einlassöffnung 8 zu erreichen. Die Schließhülse 10 weist eine Sackbohrung 4 auf, die dem Ventilsitz 12 abgewandt offen ist und die über mehrere Schrägbohrungen 15 mit dem gasförmigen Brennstoff befüllt werden kann, so dass er über die Schrägbohrungen 15 und die Sackbohrung 14 die Schließhülse 10 durchströmt.
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Stromabwärts der Schließhülse 10 ist im Gasraum 7 ein Steuerkolben 25 längsverschiebbar angeordnet. Der Steuerkolben 25 ist als Hohlzylinder ausgebildet und liegt an seinem der Schließhülse 10 zugewandten Ende an einer Federscheibe 20 an, an der auch die Schließhülse 10 anliegt, wobei der Außendurchmesser des Steuerkolbens 25 kleiner ist als der Außendurchmesser der Schließhülse 10. Zwischen der Federscheibe 20 und der Schließhülse 10 ist eine Schließfeder 21 unter Druckvorspannung angeordnet. Weiter ist zwischen einer Stützscheibe 27, die sich an einem Absatz des Düsenkörpers 3 abstützt, und dem Steuerkolben 25 bzw. einem Absatz 28 an der Außenseite des Steuerkolbens 25 eine Kolbenfeder 26 ebenfalls unter Druckvorspannung angeordnet, so dass durch die Spannung der Kolbenfeder 26 der Steuerkolben 25 in Richtung der Einlassöffnung 8 gedrückt wird. Der Steuerkolben 25 weist an seinem der Schließhülse 10 abgewandten Ende mehrere Öffnungen 29 auf, durch die der gasförmige Brennstoff aus dem Steuerkolben 25 in Richtung der Auslassöffnung 9 abströmen kann. Dabei ist die der Schließhülse 10 abgewandte Stirnseite des Steuerkolbens 25 einer Düsennadel 30 zugewandt, die innerhalb des Düsenkörpers 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 30 ist dabei kolbenförmig ausgebildet und weist an ihrem Ende einen Ventilteller 31 auf, der mit einem ringförmigen Düsensitz 35 zum Verschließen der Auslassöffnung 9 zusammenwirkt. Die Düsennadel 30 ist dabei von einer Düsenfeder 33 umgeben, die sich mit einem Ende an einem Federteller 36 abstützt, der ortsfest im Düsenkörper 3 angeordnet ist, und mit dem anderen Ende an einem Stützelement 32, das fest mit der Düsennadel 30 verbunden ist, so dass durch die Kraft der Düsenfeder 33 die Düsennadel 30 gegen den Düsensitz 35 gedrückt wird. Dabei ist zwischen der Stirnfläche 34 der Düsennadel 30 und der Steuerkolben 25 ein Abstand h vorhanden, wenn sich die Düsennadel 30 in Anlage am Düsensitz 35 befindet, der Steuerkolben 25 an der Schließhülse 10 bzw. der Federscheibe 20 anliegt und die Schließhülse 10 die Einlassöffnung 8 verschließt. Dieser Abstand h bildet einen Freilauf der sicherstellt, dass die Düsennadel 30 die Auslassöffnung 9 stets verschließen kann, auch dann, wenn durch thermische Ausdehnungen die Düsennadel 30 verlängert wird und sich damit die Abstände der Bauteile zueinander verringern.
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Ein an der Außenseite des Steuerkolbens 25 ausgebildeter Absatz 28 begrenzt einen Dämpfungsraum 22, der den Steuerkolben 25 umgibt. Der Dämpfungsraum 22 ist über eine im Steuerkolben 25 ausgebildete Drosselbohrung 23 mit dem Inneren des Steuerkolbens 25 verbunden. Darüber hinaus ist der Dämpfungsraum über einen ersten Spalt 16, der zwischen dem Steuerkolben 25 und dem Gehäuse 1 ausgebildet ist, und einen zweiten Spalt 24, der zwischen dem Absatz 28 und dem Gehäuse 1 ausgebildet ist, mit dem Gasraum 7 verbunden, wie in 2 nochmals vergrößert dargestellt. Zur Bewegung der Schließhülse 10 innerhalb des Gasraums 7 ist ein Elektromagnet 17 im Haltekörper 2 angeordnet, der die Schließhülse 10 umgibt. Die Schließhülse 10 ist dabei als Magnettauchanker ausgebildet und wirkt mit dem Elektromagnet 17 dergestalt zusammen, dass bei Bestromung der Spule 18 des Elektromagneten 17 die Schließhülse 10 vom Ventilsitz 12 weggezogen wird, während bei stromloser Spule 18 die Schließhülse 10 durch die Schließfeder 21 in ihre Schließstellung in Anlage an den Ventilsitz 12 gedrückt wird. Zur Verstärkung des Magnetfelds an der Spule 18 ist ein Magnetkern 19 vorgesehen, der ebenfalls die Schließhülse 10 umgibt und eine Verstärkung und bessere Fokussierung des Magnetfelds bewirkt.
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Die Funktionsweise des Gasdosierventils ist wie folgt: Wird der Elektromagnet 17 bestromt, so wird die Schließhülse 10 vom Ventilsitz 12 weggezogen und gasförmiger Brennstoff strömt durch die Einlassöffnung 8 in den Gasraum 7. Der gasförmige Brennstoff fließt durch die Schrägbohrungen 15 in die Sackbohrung 14 und von dort weiter in den Steuerkolben 25. Der Steuerkolben 25 wird bei der Bewegung der Schließhülse 10 über die Federscheibe 20 ebenfalls in Längsrichtung bewegt. Dadurch vergrößert sich auch der Dämpfungsraum 22, und gasförmiger Brennstoff strömt über die Drosselbohrung 23 in den Dämpfungsraum 22 und in geringerem Umfang auch über den ersten Spalt 16 und den zweiten Spalt 24. Sobald der Steuerkolben 25 den Freihub h durchfahren hat und an der Düsennadel 30 zur Anlage kommt, öffnet auch die Düsennadel 30 die Auslassöffnung 9, indem der Ventilteller 31 vom Düsensitz 35 abhebt. Damit ist eine Verbindung von der Einlassöffnung 8 zur Auslassöffnung 9 hergestellt, und gasförmiger Brennstoff kann beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert werden. Zur Beendigung der Eindüsung wird der Elektromagnet 17 abgeschaltet, so dass die Kraft der Schließfeder 21 auf die Schließhülse 10 wieder überwiegt. Die Schließfeder 21 drückt daraufhin die Schließhülse 10 zurück in ihre Schließstellung in Anlage an den Ventilsitz 21 und verschließt damit die Einlassöffnung 8, so dass der Zufluss von gasförmigem Brennstoff in den Gasraum 7 unterbrochen wird. Dabei entfernt sich die Schließhülse 10 vom Steuerkolben 25 bzw. von der Federscheibe 20, da der Steuerkolben 25 der Bewegung der Schließhülse 10 nicht instantan folgt.
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Der Absatz 28 verdrängt bei der Schließbewegung des Steuerkolbens 25 den gasförmigen Brennstoff aus dem Dämpfungsraum 22 und drückt ihn durch die Drosselbohrung 23 ins Innere des Steuerkolbens 25, was die Bewegung des Steuerkolbens 25 in Richtung der Schließhülse 10 verlangsamt. Dies verzögert auch die Schließbewegung der Düsenfeder 30 gegenüber der Schließhülse 10, so dass zuerst die Einlassöfffnung 8 verschlossen wird und mit einem zeitlichen Verzug auch die Auslassöffnung 9. Gasförmiger Brennstoff, der sich innerhalb des Gasraums 7 befindet, kann damit noch solange über die Auslassöffnung 9 abströmen, wie die Auslassöffnung 9 geöffnet und eine Druckdifferenz zwischen dem Gasraum 7 und dem Bereich außerhalb des Gasdosierventils vorhanden ist. Dadurch sinkt der Gasdruck im Gasraum 7 so weit ab, bis ein Druckausgleich mit dem Bereich außerhalb des Gasdosierventils weitgehend erreicht ist. Schließlich folgt der Steuerkolben 25 der Schließhülse 10 und kommt an der Federscheibe 20 zur Anlage, so dass die Schließfeder 21 erneut gespannt wird. Zwischen dem Gasraum 7 bzw. dem Inneren des Steuerkolbens 25 und dem Dämpfungsraum 22 stellt sich aufgrund der Drosselbohrung 23 ein Druckausgleich her. Da die Schließhülse 10 zuerst alleine auf dem Ventilsitz 21 aufsitzt, tut sie dies nur mit einer relativ geringen Masse, so dass die Belastung am Ventilsitz 12 gering bleibt und damit auch die Prellneigung der Schließhülse 10.
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Nach Beendigung der Eindüsung liegt am thermisch stark belasteten Düsensitz 35 praktisch keine Druckdifferenz an, so dass gasförmiger Kraftstoff bei geschlossener Düsennadel kaum zwischen Düsensitz 35 und Federteller 36 hindurch diffundiert und unkontrolliert nach außen gelangt. Auch bei längerer Standzeit des Dosierventils kommt es damit nicht zu einer Anreicherung von gasförmigem Brennstoff vor der Auslassöffnung 9.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020214170 A1 [0002]
