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Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil, wie es zur dosierten Abgabe von gasförmigem Brennstoff beispielsweise in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine oder in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von gasförmigen Brennstoffen in Brennkraftmaschinen ist aus dem Stand der Technik bekannt, wobei gasförmige Brennstoffe entweder direkt in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eindosiert werden können. Ein solches Gasdosierventil ist beispielsweise aus der
DE 10 2020 201 168 A1 bekannt. Dazu wird elektrisch gesteuertes Eindosierventil verwendet, mit dem die benötigte gasförmige Kraftstoffmenge zum richtigen Zeitpunkt und in der benötigten Menge eindosiert wird, wobei die Zündung des Luftgasgemisches in der Regel durch eine Zündkerze oder in sonstiger Weise fremdgezündet geschieht. Die Gasdosierventile beinhalten dazu ein bewegliches Ventilelement, das mittels eines Elektromagneten oder eines Piezoaktors gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist. Da gasförmiger Kraftstoff relativ wenig Energieanhalt pro Volumen aufweist, muss ein im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen großes Volumen in den Ansaugtrakt bzw. den Brennraum eingebracht werden. Die Gasdosierventile steuern deshalb einen relativ großen Strömungsquerschnitt auf, der mit einer entsprechend großen Bewegung des Ventilelements einhergeht. Da gleichzeitig ein schnelles Öffnen und Schließen des Gasdosierventils für eine exakte Dosierung unerlässlich ist, muss das Ventilelement mit großer Kraft bewegt werden und schlägt entsprechend mit relativ großer Geschwindigkeit auf dem Dichtsitz bzw. am Hubanschlag an. Dies führt zum einen zu starken Geräuschemissionen und zum anderen wird das Dosierventil dadurch großen Erschütterungen ausgesetzt, was die Lebensdauer des Gasdosierventils beeinträchtigen kann, indem beispielsweise die Entstehung von Rissen begünstigt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist den Vorteil auf, dass durch ein relativ sanftes Auftreffen am Hubanschlag bei der Öffnungsbewegung, d.h. durch eine gedämpfte Bewegung des Ventilelements, Erschütterungen und übermäßige Geräuschentwicklung am Gasdosierventil vermieden werden, wodurch sich auch eine Verlängerung der Lebensdauer erreichen lässt. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, in dem ein Gasraum ausgebildet ist, der eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für den gasförmigen Brennstoff aufweist. Im Gasraum ist ein bewegliches Ventilelement angeordnet, das durch einen elektrischen Aktor in Längsrichtung bewegbar ist, wobei das Ventilelement mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung zusammenwirkt. Weiter ist im Gasraum eine Kopplerhülse angeordnet, die am Ventilelement anliegt und durch die der gasförmige Brennstoff zur Auslassöffnung geleitet wird. Im Gasdosierventil ist darüber hinaus ein mit gasförmigem Brennstoff befüllbarer Dämpfungsraum ausgebildet, wobei der gasförmige Brennstoff bei der Öffnungsbewegung des Ventilelements aus dem Dämpfungsraum verdrängt wird. Die Kopplerhülse ist in einer Führungsbohrung im Gehäuse geführt, wobei in der Kopplerhülse eine Aussparung ausgebildet ist, die das Innere der Kopplerhülse mit dem Dämpfungsraum verbindet, wenn das Ventilelement in Anlage am Ventilsitz ist, wobei die Aussparung bei der Öffnungsbewegung der Kopplerhülse durch die Wand der Führungsbohrung zumindest teilweise überdeckt wird.
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In seiner Schließstellung verschließt das Ventilelement die Einlassöffnung, so dass kein gasförmiger Brennstoff in das Gasdosierventil gelangt. Soll eine Eindosierung von gasförmigem Brennstoff stattfinden, so wird das Ventilelement durch einen elektrischen Aktor bewegt und gibt die Einlassöffnung frei. Dabei bewegt sich das Ventilelement an einen Hubanschlag, wobei es den gasförmigen Brennstoff aus dem Dämpfungsraum verdrängt und über die Aussparungen in der Kopplerhülse in das Innere der Kopplerhülse drückt, was anfänglich über den gesamten Querschnitt der Aussparung geschieht. Im Zuge der Öffnungsbewegung und damit auch der Längsbewegung der Kopplerhülse werden die Aussparungen durch die Wandung der Führungsbohrung nach und nach überdeckt, so dass der gasförmige Brennstoff im Dämpfungsraum durch eine zunehmend kleinere Aussparung gedrückt wird, was die Dämpfungswirkung verstärkt und zu einem relativ sanften Aufsetzen des Ventilelements am Hubanschlag führt.
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Auch bei der Schließbewegung des Ventilelements wirkt der Dämpfungsraum dämpfend auf die Bewegung des Ventilelements, da der gasförmige Brennstoff nur verzögert in den Dämpfungsraum zurückströmt, wenn das Ventilelement zurück in seine Ausgangsstellung - also in seine Schließstellung - bewegt. Der Unterdruck im Dämpfungsraum verlangsamt die Bewegung des Ventilelements, so dass dieses gedämpft auf den Ventilsitz aufsetzt.
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Das Ventilelement ist in vorteilhafter Weise durch den elektrischen Aktor zwischen dem Ventilsitz und dem Hubanschlag in Längsrichtung bewegbar. Dabei ist die Aussparung in vorteilhafter Weise als Längsnut ausgebildet. Die Längsnut taucht während der Öffnungsbewegung des Ventilelements in die Führungsbohrung ein, so dass die Längsnut durch die Wand der Führungsbohrung mit zunehmendem Hub verschlossen wird und der Teil der Aussparung, durch den der gasförmige Brennstoff aus dem Dämpfungsraum entweichen kann, mit zunehmendem Hub kleiner wird, was die Dämpfungswirkung verstärkt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung verringert sich der Querschnitt der Aussparung in Richtung des Ventilelements. Dies verstärkt die Zunahme der Dämpfungswirkung, da die Aussparung mit zunehmendem Hub des Ventilelements bzw. der Kopplerhülse immer rascher von der Wand der Führungsbohrung verdeckt wird. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dazu die Aussparung dreieckförmig ausgebildet, wobei die Spitze des Dreiecks in Richtung des Ventilsitzes zeigt. Dadurch steht der gesamte Querschnitt der Aussparung zu Beginn der Öffnungshubbewegung zur Durchströmung des gasförmigen Brennstoffs zur Verfügung, während sich der durchströmbare Teil der Aussparung bei der weiteren Öffnungshubbewegung der Kopplerhülse sehr schnell verringert, was die Dämpfungswirkung insbesondere kurz vor dem Aufsetzen des Ventilelements am Hubanschlag verstärkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aussparung durch eine gestufte Längsnut ausgebildet, so dass die Dynamik der Dämpfungswirkung gezielt durch entsprechende Formgebung der Aussparung eingestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aussparung als Öffnung in der Wand der Kopplerhülse ausgebildet, die zum Ventilelement beabstandet ist. Dadurch wird die Aussparung bereits vor Erreichen des Hubanschlags des Ventilelements vollständig von der Wand der Bohrung überdeckt, so dass die Dämpfungswirkung des Dämpfungsraumes kurz vor dem Aufsetzen des Ventilelements auf den Hubanschlag maximiert wird. Je nach Abstand der Aussparung von dem Ventilelement lässt sich so die Dämpfungswirkung gezielt beeinflussen.
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In vorteilhafter Weise sind mehrere Aussparungen über den Umfang der Kopplerhülse verteilt, beispielsweise zwei oder drei Aussparungen, so dass eine symmetrische Belastung der Kopplerhülse erreicht wird und ein Verkanten oder ungleiches Belasten der Kopplerhülse in der Führungsbohrung vermieden wird.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gasdosierventils dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil und
- 2, 3, 4 und 5 verschiedene Ausgestaltungen der Kopplerhülse, wobei nur das dem Ventilelement zugewandte Ende der Kopplerhülse dargestellt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil dargestellt. Das Gasdosierventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Anschlusskörper 3, einen Haltekörper 4 und einen Düsenkörper 7 umfasst, die durch in der Zeichnung nicht näher dargestellte Spannelemente gegeneinander gasdicht verspannt sind. Im Gehäuse 1 ist ein Gasraum 2 ausgebildet, der eine Einlassöffnung 5 und eine Auslassöffnung 6 aufweist. Über die am Anschlusskörper 3 ausgebildete Einlassöffnung 5 kann gasförmiger Brennstoff in den Gasraum 2 einströmen, der dosiert über die Auslassöffnung 6 abgegeben werden kann. Zur Steuerung der Gasdosierung ist im Gasraum 2 ein Ventilelement 8 längsverschiebbar angeordnet, das innerhalb des Anschlusskörpers 3 geführt ist. Das Ventilelement 8 ist im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet und weist eine Ventildichtfläche 10 auf, mit der das Ventilelement 8 mit einem Ventilsitz 11 am Anschlusskörper 3 zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 5 zusammenwirkt. Um eine gasdichte Abdichtung zu erreichen ist dabei am Ventilsitz 11 eine elastische Dichtung 12 eingelassen, die die Einlassöffnung 5 ringförmig umgibt.
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Im Ventilelement 8 sind mehrere Verbindungsbohrungen 19 ausgebildet, durch die der gasförmige Brennstoff in Richtung der Auslassöffnung 6 strömt, wenn die Einlassöffnung 5 durch das Ventilelement 8 freigegeben ist. Die Verbindungsbohrungen 19 münden in eine im Ventilelement 8 ausgebildete Sackbohrung 21, von wo der gasförmige Brennstoff weiter in eine Kopplerhülse 40 strömt. Die Kopplerhülse 40 liegt am Ventilelement 8 an und ist in einer Führungsbohrung 45 längsverschiebbar geführt. Dabei ist die Kopplerhülse 40 an ihrem der Auslassöffnung 6 zugewandten Ende von einer Rückstellfeder 17 umgeben, die unter Druckvorspannung angeordnet ist und die die Kopplerhülse 40 gegen das Ventilelement 8 und dieses damit gegen den Ventilsitz 11 drückt. Im Bereich der Rückstellfeder 17 sind in der Kopplerhülse 40 mehrere Öffnungen 48 ausgebildet, durch die der gasförmige Brennstoff weiter in den Düsenkörper 7 strömen kann.
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Im Düsenkörper 7 ist ein kolbenförmiges Schließelement 26 längsverschiebbar angeordnet, das in einem ersten Führungsabschnitt 32 und einem zweiten Führungsabschnitt 33 innerhalb des Düsenkörpers 7 geführt ist, wobei an beiden Führungsabschnitten 32, 33 seitliche Anschliffe ausgebildet sind, durch die der gasförmige Brennstoff drosselfrei strömen kann. Zwischen einem Absatz 22 im Haltekörper 4 und einem Federteller 31, der fest mit dem Schließelement 26 verbunden ist, ist eine Schließfeder 29 unter Druckvorspannung angeordnet, die das Schließelement 26 mit einer Kraft in Richtung des Ventilelements 8 beaufschlagt. Am brennraumseitigen Ende des Schließelements 26 ist ein Ventilteller 31 mit einem konischen Ventilsitz 35 ausgebildet, der mit einer ebenfalls konischen Dichtfläche 23 am Düsenkörper 7 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 6 zusammenwirkt.
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Zur Bewegung des Ventilelements 8 ist ein Elektromagnet 16 am Anschlusskörper 3 angeordnet, so dass das Ventilelement 8 als Tauchanker fungiert. Wird der Elektromagnet 16 bestromt, so wird eine Längskraft auf das Ventilelement 8 weg vom Ventilsitz 11 ausgeübt und das Ventilelement 8 über die Kopplerhülse 40 gegen die Kraft der Rückstellfeder 17 bewegt, bis das Ventilelement 8 an einem Hubanschlag 20 zur Anlage kommt, der als Schulter innerhalb des Anschlusskörpers 3 ausgebildet ist. Wird die Bestromung des Elektromagneten 16 beendet, so drückt die Rückstellfeder 17 über die Kopplerhülse 40 das Ventilelement 8 zurück in Anlage an den Ventilsitz 11, so dass die Einlassöffnung 5 wieder verschlossen wird.
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Die Kopplerhülse 40 drückt bei ihrer Längsbewegung das Schließelement 26 in Richtung der Auslassöffnung 6, wodurch der Ventilteller 31 aus dem Gehäuse 1 heraustritt und zwischen dem konischen Ventilsitz 35 und der Dichtfläche 23 ein Strömungsquerschnitt aufgesteuert wird, durch den der gasförmige Brennstoff austritt. Auch das Schließelement 26 kehrt durch die Schließfeder 29 wieder zurück in seine Schließstellung, wenn die Bestromung des Elektromagneten 16 beendet wird und sich die Kopplerhülse 40 zusammen mit dem Ventilelement 8 in Richtung der Einlassöffnung bewegt.
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Zwischen dem Ventilelement 8 und dem Hubanschlag 20 ist innerhalb des Gasraums 2 ein Dämpfungsraum 42 ausgebildet. Dieser ist über eine oder mehrere Aussparungen 50 mit dem Inneren der Kopplerhülse 40 verbunden, wenn das Ventilelement 8 in seiner Schließstellung ist, also in Anlage am Ventilsitz 11. Zur näheren Darstellung der Aussparungen 50 zeigt 2 das dem Ventilelement 8 zugewandte Ende der Kopplerhülse 40, wobei die Aussparungen 50 hier als Längsnuten ausgebildet sind. Bei der Öffnungsbewegung drückt das Ventilelement 8 den gasförmigen Brennstoff aus dem Dämpfungsraum 42 durch die Aussparungen 50. Durch die Längsbewegung des Ventilelements 8 und damit auch der Kopplerhülse 40 werden die Aussparungen 50 bei der Öffnungshubbewegung durch die Wand der Führungsbohrung 45 jedoch zunehmend verdeckt, was den Strömungsquerschnitt zwischen dem Dämpfungsraum 42 und dem Inneren der Kopplerhülse 40 immer weiter verringert. Damit baut sich innerhalb des Dämpfungsraums 42 ein Gegendruck zur Bewegung des Ventilelements 8 auf, so dass dieses nur gedämpft auf dem Hubanschlag 20 aufsetzt und dadurch mit einer geringeren Geräuschentwicklung und mit weniger Erschütterungen des Gehäuses 1.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Kopplerhülse 40 mit dreieckförmigen Aussparungen 50, wobei die Spitzen der Dreiecke dem Ventilelement 8 zugewandt sind. Mit zunehmender Überdeckung der Aussparungen 50 durch die Wand der Führungsbohrung 45 verringert sich auch hier der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt zwischen dem Dämpfungsraum 42 und dem Inneren der Kopplerhülse 40, wobei dies durch die Dreieckform wesentlich schneller als bei längsnutenförmigen Aussparungen 50 der Fall ist, wie beim Ausführungsbeispiel der 2. Dadurch verstärkt sich die Dämpfungswirkung insbesondere zum Ende der Öffnungshubbewegung, d.h. kurz bevor das Ventilelement 8 auf dem Hubanschlag 20 aufsetzt. Auch bei der Schließbewegung des Ventilelements ergibt sich eine Dämpfungswirkung, da der gasförmige Brennstoff über die Aussparungen 50 nur langsam wieder in den Dämpfungsraum 42 nachströmen kann. Dadurch bildet sich im Dämpfungsraum 42 ein Unterdruck gegenüber dem sonstigen Gasraum 2, was die Bewegung des Ventilelements hin zum Ventilsitz 10 verlangsamt und damit dämpft.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kopplerhülse 40, wobei hier die Aussparungen 50 als gestufte Nuten mit einer schmalen Teilnut 150 ausgebildet sind. Anfänglich steht ein großer Strömungsquerschnitt zwischen dem Dämpfungsraum 42 und dem Inneren der Kopplerhülse 40 zur Verfügung, der durch die Wand der Führungsbohrung 45 im Zuge der Öffnungsbewegung zunehmend verschlossen wird. Sobald nur noch die deutlich schmälere Teilnut 150 als Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, verstärkt sich die Dämpfungswirkung, so dass das Ventilelement 8 sanft auf dem Hubanschlag 20 aufsitzt.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kopplerhülse 40 dargestellt. Die Aussparungen 50 sind hier als im Wesentlichen quadratische oder rechteckförmige Öffnungen ausgebildet, die über den Umfang der Kopplerhülse 40 verteilt ausgebildet sind. Die Aussparungen 50 weisen einen axialen Abstand h zur Stirnseite 51 auf, so dass sie bereits bei einem Teil des Gesamthubs vollständig von der Wand der Führungsbohrung 45 verdeckt werden. Dadurch ergibt sich zum Ende des Öffnungshubs eine starke Dämpfungswirkung durch den Druckanstieg im Dämpfungsraum 42, wobei die Dämpfungswirkung durch die Größe des axialen Abstands h eingestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020201168 A1 [0002]
