DE102021207886A1 - gas metering valve - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil (1), umfassend einen Magnetaktor (2) mit einer ringförmigen Magnetspule (3) zur Einwirkung auf einen hin- und herbeweglichen Magnetanker (4), der mit einem hin- und herbeweglichen Ventilschließelement gekoppelt oder koppelbar ist, wobei der Magnetanker (4) von einem in die Magnetspule (3) eingreifenden Polrohr (5) umgeben ist, in den ein Lagerkörper (6) eingesetzt ist, der zur Führung des Magnetankers (4) in einen hohlzylinderförmigen Endabschnitt (7) des Magnetankers (4) eingreift.The invention relates to a gas metering valve (1), comprising a magnetic actuator (2) with an annular magnetic coil (3) for acting on a reciprocating magnet armature (4), which is coupled or can be coupled to a reciprocating valve closing element, the The magnet armature (4) is surrounded by a pole tube (5) which engages in the magnet coil (3) and into which a bearing body (6) is inserted, which is used to guide the magnet armature (4) in a hollow-cylindrical end section (7) of the magnet armature (4). intervenes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil zum Eindosieren bzw. Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, beispielsweise Erdgas, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder in einen dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt. Das Gasdosierventil kann ferner dazu eingesetzt werden, einen gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems einzudosieren bzw. einzublasen. Weitere Anwendungsbereiche sind nicht ausgeschlossen.The invention relates to a gas metering valve for metering or blowing a gaseous fuel, for example natural gas, into a combustion chamber of an internal combustion engine or into an intake tract upstream of the combustion chamber. The gas metering valve can also be used to meter or blow a gaseous fuel, in particular hydrogen, into an anode circuit of a fuel cell system. Other areas of application are not excluded.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik werden Dosier- und/oder Einspritzventile für flüssige und/oder gasförmige Kraftstoffe in den verschiedensten Ausführungsformen beschrieben, auch solche, mit deren Hilfe ein Brenn- oder Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritz- bzw. einblasbar ist. Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der
Der Magnetanker kann als Flachanker oder als Tauchanker ausgeführt sein. Gasdosierventile setzen häufig einen als Tauchanker ausgeführten Magnetanker ein, da auf diese Weise die Baulänge des Ventils reduziert werden kann. Der Magnetanker ist in diesem Fall zumindest abschnittsweise von der Magnetspule umgeben. Zur Vervollständigung des Magnetkreises weist der Magnetaktor neben der Magnetspule einen Innenpolkörper auf. Dieser kann insbesondere als Polrohr ausgeführt sein, um den Magnetanker zu führen. In der Regel erfolgt die Führung ungeschmiert, wobei das Polrohr die gasdichte Hülle des Gasdosierventils ausbildet. Besonders kritisch sind daher Verschleiß und Gefügeänderungen in diesem Bereich, da sie sich negativ auf die Dichtfunktion des Polrohrs auswirken. Da das Polrohr nicht nur Führungs- und Dichtfunktionen übernehmen muss, sondern auch aktiver Bestandteil des Magnetkreises ist und damit magnetische Anforderungen erfüllen muss, ist die Materialauswahl stark eingeschränkt. Mit dem Verschleiß des Polrohrs verringert sich zugleich die Lebensdauer des Gasdosierventils.The magnet armature can be designed as a flat armature or as a plunger. Gas metering valves often use an armature designed as a plunger, since the overall length of the valve can be reduced in this way. In this case, the magnet armature is surrounded at least in sections by the magnet coil. To complete the magnetic circuit, the magnetic actuator has an inner pole body in addition to the magnetic coil. This can in particular be designed as a pole tube in order to guide the magnet armature. As a rule, the guide is not lubricated, with the pole tube forming the gas-tight casing of the gas metering valve. Wear and structural changes in this area are therefore particularly critical, since they have a negative effect on the sealing function of the pole tube. Since the pole tube not only has to take on guiding and sealing functions, but is also an active part of the magnetic circuit and therefore has to meet magnetic requirements, the choice of material is severely restricted. With the wear of the pole tube, the service life of the gas metering valve is reduced at the same time.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein Gasdosierventil mit einem Magnetaktor zur Einwirkung auf einen Magnetanker bereitzustellen, das eine gesteigerte Lebensdauer aufweist. Insbesondere soll der Verschleiß im Kontaktbereich zwischen einem Polrohr des Magnetaktors und dem Magnetanker reduziert werden.The present invention is concerned with the task of providing a gas metering valve with a magnet actuator for acting on a magnet armature, which has an increased service life. In particular, the wear in the contact area between a pole tube of the magnet actuator and the magnet armature should be reduced.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Gasdosierventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the gas metering valve with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das vorgeschlagene Gasdosierventil umfasst einen Magnetaktor mit einer ringförmigen Magnetspule zur Einwirkung auf einen hin- und herbeweglichen Magnetanker, der mit einem hin- und herbeweglichen Ventilschließelement gekoppelt oder koppelbar ist. Der Magnetanker ist dabei von einem in die Magnetspule eingreifenden Polrohr umgeben, in den ein Lagerkörper eingesetzt ist, der zur Führung des Magnetankers in einen hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers eingreift.The proposed gas metering valve comprises a magnetic actuator with an annular magnetic coil for acting on a reciprocating magnet armature, which is coupled or can be coupled to a reciprocating valve closing element. The magnet armature is surrounded by a pole tube which engages in the magnet coil and into which a bearing body is inserted which engages in a hollow-cylindrical end section of the magnet armature to guide the magnet armature.
Bei dem vorgeschlagenen Gasdosierventil wird demnach die Führung des Magnetankers durch einen separaten Lagerkörper bewirkt, der in das Polrohr des Magnetaktor eingesetzt ist und in einen hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers eingreift. Da der Lagerkörper im Unterschied zum Polrohr kein aktiver Bestandteil des Magnetkreises ist, muss das Material des Lagerkörpers keine magnetischen Anforderungen erfüllen. Damit vergrößert sich die Materialauswahl. Insbesondere kann eine verschleißoptimierte Auswahl getroffen werden, so dass der Verschleiß im Bereich der Führung minimiert wird.In the proposed gas metering valve, the magnet armature is therefore guided by a separate bearing body which is inserted into the pole tube of the magnet actuator and engages in a hollow-cylindrical end section of the magnet armature. Since the bearing body, unlike the pole tube, is not an active part of the magnetic circuit, the material of the bearing body does not have to meet any magnetic requirements. This increases the choice of materials. In particular, a wear-optimized selection can be made so that wear in the area of the guide is minimized.
Eine weitere Verringerung des Verschleißes im Bereich der Führung wird dadurch erzielt, dass die Führung über einen hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers bewirkt wird. Die Führung kann somit an das Ende des Magnetankers verlegt werden, an dem auf den Magnetanker die größten radialen Magnetkräfte wirken. Dies ist in der Regel im Bereich des radialen Flussübergangs vom Magnetanker in das Polrohr der Fall. Auf diese Weise können die auf den Lagerkörper wirkenden Momente minimiert werden.A further reduction in wear in the area of the guide is achieved in that the guide is effected via a hollow-cylindrical end section of the magnet armature. The guide can thus be relocated to the end of the magnet armature at which the greatest radial magnetic forces act on the magnet armature. This is usually the case in the area of the radial flux transition from the magnet armature to the pole tube. In this way, the moments acting on the bearing body can be minimized.
Durch den verringerten Verschleiß im Bereich der Führung des Magnetankers kann die Lebensdauer des Magnetaktors erhöht werden. Zugleich steigt die Lebensdauer des Gasdosierventils.The service life of the magnet actuator can be increased due to the reduced wear in the area of the magnet armature guide. At the same time, the service life of the gas metering valve increases.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers eine Gleitlagerbuchse eingesetzt ist. Mit Hilfe der Gleitlagerbuchse kann die Reibung im Bereich der Führung des Magnetankers verringert werden, so dass auch diese Maßnahme verschleißmindernd wirkt. Die Gleitlagerbuchse ist vorzugsweise in den hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers eingepresst. Auf diese Weise werden Relativbewegungen zwischen dem Magnetanker und der Gleitlagerbuchse verhindert.In a development of the invention, it is proposed that a plain bearing bushing be inserted into the hollow-cylindrical end section of the magnet armature. With the help of the plain bearing bush, the friction in the area of the guide of the magnet armature can be reduced, so that this measure also has a wear-reducing effect. The plain bearing bushing is preferably pressed into the hollow-cylindrical end section of the magnet armature. To this Way relative movements between the magnet armature and the plain bearing bushing are prevented.
Vorteilhafterweise ist der Lagerkörper als Scheibe mit einem zylinder- oder hohlzylinderförmigen Ansatz zur Führung des Magnetankers ausgebildet. Als Scheibe ist der Lagerkörper einfach in das Polrohr einsetzbar. Der zylinder- oder hohlzylinderförmige Ansatz des Lagerkörpers kann einfach in den hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers eingeführt werden, so dass der Magnetanker innenumfangseitig geführt ist.The bearing body is advantageously designed as a disk with a cylindrical or hollow-cylindrical attachment for guiding the magnet armature. As a disc, the bearing body can be easily inserted into the pole tube. The cylindrical or hollow-cylindrical extension of the bearing body can be easily inserted into the hollow-cylindrical end section of the magnet armature, so that the magnet armature is guided on the inner circumference.
Bevorzugt bildet der Lagerkörper eine Anschlagfläche zur Begrenzung des Hubs des Magnetankers aus. Der Lagerkörper besitzt in diesem Fall nicht nur eine Führungsfunktion, sondern zugleich die Funktion eines Hubanschlags. Die Ausbildung eines Hubanschlags am Polrohr kann somit entfallen. Entsprechend steigt die Robustheit des Polrohrs.The bearing body preferably forms a stop surface for limiting the stroke of the magnet armature. In this case, the bearing body not only has a guiding function, but also the function of a stroke stop. The formation of a stroke stop on the pole tube can thus be omitted. The robustness of the pole tube increases accordingly.
Ferner bevorzugt ist zwischen dem Polrohr und dem Lagerkörper ein Dichtring angeordnet. Der Lagerbereich des Lagerkörpers im Polrohr ist somit gasdicht ausgeführt.A sealing ring is also preferably arranged between the pole tube and the bearing body. The bearing area of the bearing body in the pole tube is therefore gas-tight.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker und/oder der Lagerkörper von mindestens eine Durchströmöffnung durchsetzt ist bzw. sind. Die mindestens eine Durchströmöffnung gewährleistet den Zulauf von Gas. Ferner kann über die mindestens eine Durchströmöffnung, sofern sie im Magnetanker ausgebildet ist, bei einem Hub des Magnetankers ein Druckausgleich bewirkt werden, so dass kein die Bewegung des Magnetankers blockierendes Druckpolster ausgebildet wird.Furthermore, it is proposed that the magnet armature and/or the bearing body is/are penetrated by at least one flow opening. The at least one flow opening ensures the inflow of gas. Furthermore, pressure can be equalized via the at least one through-flow opening, if it is formed in the magnet armature, during a stroke of the magnet armature, so that no pressure cushion blocking the movement of the magnet armature is formed.
Um den Zulauf von Gas über den Magnetanker und/oder den Lagerkörper zu gewährleisten, ist vorzugsweise die mindestens eine im Magnetanker ausgebildete Durchströmöffnung mit der mindestens einen Durchströmöffnung des Lagerkörpers verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über einen gemeinsamen Überdeckungsbereich der Durchströmöffnungen hergestellt sein, wenn der Magnetanker an der Anschlagfläche des Lagerkörpers anliegt. Es ist somit nicht zwingend erforderlich, dass die Durchströmöffnungen des Magnetankers und des Lagerkörpers koaxial angeordnet sind.In order to ensure the inflow of gas via the magnet armature and/or the bearing body, the at least one flow opening formed in the magnet armature is preferably connected to the at least one flow opening of the bearing body. The connection can be made, for example, via a common overlapping area of the through-flow openings when the magnet armature is in contact with the stop surface of the bearing body. It is therefore not absolutely necessary for the through-flow openings of the magnet armature and of the bearing body to be arranged coaxially.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der hohlzylinderförmige Endabschnitt des Magnetankers als Sackloch ausgeführt, in das die mindestens eine im Magnetanker und/oder die mindestens eine im Lagerkörper ausgebildete Durchströmöffnung mündet. Die Ausbildung des Sacklochs im Magnetanker führt somit zur Ausbildung des hohlzylinderförmigen Endabschnitts des Magnetankers. Das heißt, dass das Sackloch durch den hohlzylinderförmigen Endabschnitt des Magnetankers begrenzt wird bzw. der Lagerkörper in das Sackloch eingreift. Bewegt sich der Magnetanker relativ zum Lagerkörper, so dass sich das Volumen des Sacklochs ändert, kann über die mindestens eine in das Sackloch mündende Durchströmöffnung ein Druckausgleich bewirkt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the hollow-cylindrical end section of the magnet armature is designed as a blind hole, into which the at least one flow opening formed in the magnet armature and/or the at least one flow opening in the bearing body opens. The formation of the blind hole in the magnet armature thus leads to the formation of the hollow-cylindrical end section of the magnet armature. This means that the blind hole is delimited by the hollow-cylindrical end section of the magnet armature or the bearing body engages in the blind hole. If the magnet armature moves relative to the bearing body, so that the volume of the blind hole changes, pressure equalization can be effected via the at least one flow opening opening into the blind hole.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der hohlzylinderförmige Endabschnitt des Magnetankers konisch geformt und greift in eine gegengleich ausgebildete Vertiefung des Lagerkörpers ein. Auf diese Weise wird bei einem Hub des Magnetankers eine Selbstzentrierung des Magnetankers in Bezug auf den Lagerkörper erreicht.According to a further preferred embodiment of the invention, the hollow-cylindrical end section of the magnet armature is conical in shape and engages in a recess of the bearing body which is of opposite design. In this way, a self-centering of the magnet armature in relation to the bearing body is achieved when the magnet armature is lifted.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Bereich eines Magnetaktors und -
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Bereich des Magnetaktors.
-
1 a schematic longitudinal section through a first gas metering valve according to the invention in the area of a magnetic actuator and -
2 a schematic longitudinal section through a second gas metering valve according to the invention in the area of the magnetic actuator.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der in der
Der Magnetanker 4 weist einen hohlzylinderförmigen Endabschnitt 7 auf, in den ein zylinderförmiger Ansatz 9 eines im Wesentlichen scheibenförmigen Lagerkörpers 6 zur Führung des Magnetankers 4 eingreift. Dadurch, dass die Führung des Magnetankers 4 durch den Lagerkörper 6 bewirkt wird, der kein aktiver Bestandteil des Magnetkreises ist, bestehen größere Freiheitsgrade bei der Materialauswahl. Insbesondere kann eine Materialpaarung zwischen Magnetanker 4 und Lagerkörper 6 gewählt werden, die verschleißoptimiert ist.The
Der Lagerkörper 6 ist ebenfalls im Polrohr 5 aufgenommen, wobei zwischen dem Polrohr 5 und dem Lagerkörper 6 ein Dichtring 11 angeordnet ist. Der Gaszulauf ist über im Magnetanker 4 und im Lagerkörper 6 ausgebildete Durchströmöffnungen 12, 13 sichergestellt. In der
Ein weiterer Magnetaktor 2 für ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil 1 ist in der
Der Wegfall der Vertiefung 14 ermöglicht die Ausbildung dezentraler Durchströmöffnungen 13, die mit dezentralen Durchströmöffnungen 12 des Magnetankers 4 zusammenwirken. Der Ansatz 9 des Lagerkörpers 6 wird zudem von einer Durchströmöffnung 13 durchsetzt, die in das Sackloch des Magnetankers 4 mündet, so dass hierüber ein Druckausgleich möglich ist, wenn der Magnetanker 4 einen Hub ausführt.The omission of the
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