DE102021201085A1

DE102021201085A1 - Gasventil mit nach außen öffnendem Ventilschließelement

Info

Publication number: DE102021201085A1
Application number: DE102021201085.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koeninger; Gerhard Suenderhauf; Bernd Siewert; Michael Marzinzik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-08-11
Also published as: US20240044410A1; WO2022167355A1; EP4288653A1; CN117136276A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasventil (1), umfassend:- einen zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführten Ventilkörper (2), der einen Dichtsitz (3) ausbildet, über den ein Gas-Strömungspfad (4) führt,- ein abschnittsweise im Ventilkörper (2) aufgenommenes hubbewegliches Ventilschließelement (5) mit einem außerhalb des Ventilkörpers (2) angeordneten tellerförmigen Endabschnitt (6), der mit dem Dichtsitz (3) zusammenwirkt,- eine den Ventilkörper (2) und das Ventilschließelement (5) zumindest abschnittsweise umgebende Hülse (7), die gemeinsam mit dem tellerförmigen Endabschnitt (6) des Ventilschließelements (5) einen Ringspalt (8) begrenzt, der eine dem Dichtsitz (3) nachgelagerte Drosselstelle im Gas-Strömungspfad (4) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit einem nach außen öffnenden Ventilschließelement. Mit Hilfe des Gasventils kann beispielsweise Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder in einen dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt eingeblasen werden. Ferner kann mit Hilfe des Gasventils Wasserstoff in einen Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems eindosiert werden. Bei dem einzublasenden bzw. einzudosierenden Gas kann es sich demnach insbesondere um einen Brennstoff handeln. Weitere Anwendungsbereiche sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik werden Einspritzventile für flüssige und/oder gasförmige Kraftstoffe in den verschiedensten Ausführungsformen beschrieben, auch solche, die ein nach außen öffnendes Ventilschließelement aufweisen. In der Regel drückt ein elektrisch ansteuerbarer Aktor, beispielsweise ein Piezo- oder Magnetaktor, das Ventilschließelement aus seinem Dichtsitz. Die Aktorkraft kann dabei direkt oder indirekt, insbesondere hydraulisch übersetzt, auf das Ventilschließelement wirken. Zur indirekten Ansteuerung kann ferner ein Servo-Prinzip eingesetzt werden. Ebenso sind Ausführungen bekannt, bei denen das Ventilschließelement rein hydraulisch über einen Druckanstieg des einzubringenden Mediums geöffnet wird, sogenannte druckgesteuerte Systeme.
Soll ein Gas eingespritzt bzw. eingeblasen werden, besteht die Herausforderung darin, einerseits den Massenstrom präzise einzustellen, andererseits die Einblasrichtung des Gasstrahls bzw. der Gasstrahlen gezielt zu steuern. Denn die Gasströmung reagiert besonders empfindlich auf den am Ventilaustritt vorhandenen Gegendruck. Dies ist insbesondere der Fall, wenn am Ventilaustritt ein unterkritisches Druckverhältnis anliegt. Zur Erhöhung der Dosiergenauigkeit kann daher der Querschnitt der Austrittsöffnung so klein gewählt werden, dass sich aufgrund des begrenzten Massenstroms ein überkritisches Druckverhältnis am Ventilaustritt einstellt. Dies hat allerdings zur Folge, dass die Möglichkeiten zur Strahlformung bzw. Strahlführung begrenzt sind. Diesen Zielkonflikt gilt es zu lösen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 224 344 A1 geht beispielhaft ein Gasinjektor zum direkten Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem nach außen öffnenden Ventilschließelement und einem Strahlführungselement hervor, das dazu eingerichtet, einen in den Brennraum einzublasenden Gasstrahl zu formen. Das Strahlführungselement ist hierzu einem Dichtsitz für das Ventilschließelement nachgelagert. Der Massenstrom wird über den Öffnungsquerschnitt zwischen Dichtsitz und Ventilschließelement eingestellt. Da dieser verschleißbedingt über die Zeit variieren kann, ist eine präzise Einstellung des Massenstroms über die Zeit schwierig.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein Gasventil mit einem nach außen öffnenden Ventilschließelement anzugeben, das sowohl eine gezielte Strahlformung bzw. Strahlführung als auch eine präzise Dosierung beim Einblasen von Gas, beispielsweise von Erdgas oder Wasserstoff, ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Gasventil umfasst:

- einen zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführten Ventilkörper, der einen Dichtsitz ausbildet, über den ein Gas-Strömungspfad führt,
- ein abschnittsweise im Ventilkörper aufgenommenes hubbewegliches Ventilschließelement mit einem außerhalb des Ventilkörpers angeordneten tellerförmigen Endabschnitt, der mit dem Dichtsitz zusammenwirkt,
- eine den Ventilkörper und das Ventilschließelement zumindest abschnittsweise umgebende Hülse, die gemeinsam mit dem tellerförmigen Endabschnitt des Ventilschließelements einen Ringspalt begrenzt, der eine dem Dichtsitz nachgelagerte Drosselstelle im Gas-Strömungspfad ausbildet.

Über die dem Dichtsitz nachgelagerte Drosselstelle kann der Massenstrom eingestellt werden, der über das Gasventil ausgetragen wird. Da diese Stelle, anders als der Dichtsitz, keinem oder nur einem geringen Verschleiß unterlegen ist, kann eine präzise Einstellung des Massenstroms auch über die Zeit gewährleistet werden. Über die den Ringspalt begrenzenden Flächen kann der Massenstrom sehr genau eingestellt werden.
Voraussetzung für die Einstellung des Massenstroms über die Drosselstelle ist, dass das Gasventil so weit geöffnet ist, dass der Dichtsitz entdrosselt ist. Denn andernfalls bildet das Gasventil eine weitere den Massenstrom begrenzende Drosselstellen aus.
Des Weiteren bevorzugt ist das Gasventil derart ausgelegt, dass bei maximalem Hub des Ventilschließelements der Strömungsquerschnitt des die Drosselstelle ausbildenden Ringspalts kleiner als der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilschließelement im Bereich des Dichtsitzes ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Massenstrom allein über den Ringspalt definiert wird. Der Dichtsitz wird demnach von dieser Funktion befreit bzw. die üblicherweise dem Dichtsitz zukommende Funktion wird bei dem vorgeschlagenen Gasventil in den Bereich der Drosselstelle verlagert.
Der Strömungsquerschnitt des Ringspalts ist vorzugsweise derart bemessen, dass eine Gasströmung mit Schallgeschwindigkeit erzeugt wird und sich unabhängig von einem anliegenden Gegendruck ein überkritischer Zustand einstellt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Strömungsquerschnitt des Ringspalts über den gesamten Hub des Ventilschließelements gleich groß ist. Das heißt, dass sich der Strömungsquerschnitt und damit der Massenstrom durch die Drosselstelle über den gesamten Hub des Ventilschließelements nicht ändert. Die Hülse weist hierzu im Bereich des Ventilschließelements einen gleichbleibenden Innendurchmesser auf.
Vorteilhafterweise führt der Gas-Strömungspfad durch den Ventilkörper über den Dichtsitz und den Ringspalt in eine Kammer, die durch die Hülse begrenzt wird. Das heißt, dass das Gas nicht unmittelbar über den Ringspalt ausgetragen wird, sondern mittelbar über mindestens eine die Kammer mit einem jeweiligen Einblasraum verbindende Öffnung. Diese Ausgestaltung eröffnet die Möglichkeit, eine gezielte Strahlformung bzw. -führung vorzunehmen, und zwar an einer von der Drosselstelle entfernten Stelle. Die Funktionen Einstellung des Massenstroms und Strahlformung bzw. -führung werden somit voneinander entkoppelt. Durch die Entkopplung können beide Funktionen unabhängig voneinander optimiert werden, so dass es den eingangs erwähnten Zielkonflikt nicht mehr gibt.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Hülse endseitig mindestens eine Einblasöffnung zur Formung eines Gasstrahls ausbildet, deren Strömungsquerschnitt größer als der des Ringspalts ist. Die mindestens eine Einblasöffnung hat somit keine Dosierfunktion, sondern dient ausschließlich der Strahlformung und der Strahlführung. Aufgrund der Entkopplung der Funktionen kann die mindestens eine Einblasöffnung frei gestaltet werden. Beispielsweise können mehrere Einblasöffnungen vorgesehen werden. Ferner kann bzw. können die Größe und/oder die Form variiert werden. Die Öffnung kann beispielsweise konisch geformt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Einblasöffnung von mindestens einer Strömungsführungsfläche begrenzt, die winklig zu einer Längsachse A des Gasventils ausgerichtet ist. Über die winklig angeordnete Strömungsführungsfläche kann nicht nur eine Formung, sondern eine Lenkung des Gasstrahls erzielt werden. Die Gestaltung der Einblasöffnung kann dabei auch derart erfolgen, dass der Öffnungsquerschnitt einen sehr großen Winkelbereich, beispielsweise einen Winkelbereich von >90° für den Gasstrahl freigibt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Dichtsitz kegelförmig ausgeführt ist und sich zum tellerförmigen Endabschnitt des Ventilschließelements hin öffnet. Der Dichtsitz ermöglicht auf diese Weise eine Selbstzentrierung des Ventilschließelements beim Schließen.
Bevorzugt bildet der tellerförmige Endabschnitt des Ventilschließelements eine mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtfläche aus, die vorzugsweise gerundet ist. Die Dichtfläche gelangt in diesem Fall nur über eine umlaufende Kontaktlinie in Kontakt mit dem Dichtsitz, was eine Selbstzentrierung des Ventilschließelements in Bezug auf den Dichtsitz fördert.
Ferner bevorzugt schließt an den tellerförmigen Endabschnitt des Ventilschließelements ein bolzen- oder nadelförmiger Abschnitt an, über den das Ventilschließelement geführt ist. Die Führung stellt sicher, dass der Ringspalt zwischen der Hülse und dem Ventilschließelement umlaufend gleich groß ist und bei einem Hub des Ventilschließelements auch gleich groß bleibt. Denn über den Ringspalt wird vorliegend der Massenstrom eingestellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasventil im Bereich eines Dichtsitzes für ein nach außen öffnenden Ventilschließelement.
Figurenliste

Das in der Figur dargestellte Gasventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, der zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Endseitig bildet der Ventilkörper 2 einen Dichtsitz 3 aus, über den ein Gas-Strömungspfad 4 führt. Im Ventilkörper 2 ist ein Ventilschließelement 5 mit einem tellerförmigen Endabschnitt 6 aufgenommen, wobei der tellerförmige Endabschnitt 6 in eine Kammer 9 hineinragt, die durch eine auf dem Ventilkörper 2 angeordnete Hülse 7 begrenzt wird. Dies führt zur Ausbildung eines Ringspalts 8 zwischen der Hülse 7 und dem tellerförmigen Endabschnitt 6 des Ventilschließelements 5. Der Strömungsquerschnitt des Ringspalts 8 ist kleiner als der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Ventilschließelement 5 im Bereich des Dichtsitzes 3, wenn das Gasventil 1 vollständig geöffnet ist, so dass der Ringspalt 8 eine Drosselstelle im Gas-Strömungspfad 4 ausbildet. Diese begrenzt den Massenstrom durch das Gasventil 1, so dass über den Ringspalt 8 bzw. die den Ringspalt 8 begrenzenden Flächen der Massenstrom präzise einstellbar ist.

Die Strahlformung bzw. Strahlführung wird unabhängig von der Einstellung des Massenstroms über eine in der Hülse 7 vorgesehene Einblasöffnung 10 bewirkt, über welche das in der Kammer 9 befindliche Gas ausgetragen wird. Die Einblasöffnung 10 wird von einer Strömungsführungsfläche 11 begrenzt, die schräg zu einer Längsachse A des Gasventils 1 ausgerichtet ist, so dass der hierüber geformte Gasstrahl gezielt gelenkt wird. Lage, Form und Größe der Einblasöffnung können frei gewählt werden, da die Einblasöffnung nicht der Einstellung des Massenstroms dient. Ferner können auch mehrere Einblasöffnungen 10 vorgesehen werden.
Das Ventilschließelement 5 des dargestellten Gasventils 1 weist neben dem tellerförmigen Endabschnitt 6 einen bolzen- oder nadelförmigen Abschnitt 13 auf, über den das Ventilschließelement 5 im Ventilkörper 2 geführt ist. Die Führung stellt sicher, dass der Ringspalt 8 zwischen dem tellerförmigen Abschnitt 6 und der Hülse 7 umlaufend gleich breit ist. Dies ist in Bezug auf eine präzise Einstellung des Massenstroms wichtig. Mit Hilfe der Führung kann insbesondere eine Schräglage des Ventilschließelements 5 beim Öffnen verhindert werden.
Eine Art „Führung“ erfährt das Ventilschließelement 5 vorliegend zudem dadurch, dass der Dichtsitz 3 kegelförmig und eine am tellerförmigen Endabschnitt 6 ausgebildete Dichtfläche 12 des Ventilschließelements 5 gerundet ausgeführt sind. Denn auf diese Weise wird eine Selbstzentrierung des Ventilschließelements 5 in Bezug auf den Dichtsitz 3 erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014224344 A1 [0004]

Claims

Gasventil (1), umfassend: - einen zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführten Ventilkörper (2), der einen Dichtsitz (3) ausbildet, über den ein Gas-Strömungspfad (4) führt, - ein abschnittsweise im Ventilkörper (2) aufgenommenes hubbewegliches Ventilschließelement (5) mit einem außerhalb des Ventilkörpers (2) angeordneten tellerförmigen Endabschnitt (6), der mit dem Dichtsitz (3) zusammenwirkt, - eine den Ventilkörper (2) und das Ventilschließelement (5) zumindest abschnittsweise umgebende Hülse (7), die gemeinsam mit dem tellerförmigen Endabschnitt (6) des Ventilschließelements (5) einen Ringspalt (8) begrenzt, der eine dem Dichtsitz (3) nachgelagerte Drosselstelle im Gas-Strömungspfad (4) ausbildet.
Gasventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximalem Hub des Ventilschließelements (5) der Strömungsquerschnitt des Ringspalts (8) kleiner als der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper (2) und dem Ventilschließelement (5) im Bereich des Dichtsitzes (3) ist.
Gasventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Ringspalts (8) über den gesamten Hub des Ventilschließelements (5) gleich groß ist.
Gasventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Strömungspfad (4) durch den Ventilkörper (2) über den Dichtsitz (3) und den Ringspalt (8) in eine Kammer (9) führt, die durch die Hülse (7) begrenzt wird.
Gasventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (7) endseitig mindestens eine Einblasöffnung (10) zur Formung eines Gasstrahls ausbildet, deren Strömungsquerschnitt größer als der des Ringspalts (8) ist.
Gasventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasöffnung (10) von mindestens einer Strömungsführungsfläche (11) begrenzt wird, die winklig zu einer Längsachse (A) des Gasventils (1) ausgerichtet ist.
Gasventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (3) kegelförmig ausgeführt ist und sich zum tellerförmigen Endabschnitt (6) des Ventilschließelements (5) hin öffnet.
Gasventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der tellerförmige Endabschnitt (6) eine mit dem Dichtsitz (3) zusammenwirkende Dichtfläche (12) ausbildet, die vorzugsweise gerundet ist.
Gasventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den tellerförmigen Endabschnitt (6) ein bolzen- oder nadelförmiger Abschnitt (13) anschließt, über den das Ventilschließelement (5) geführt ist.