DE19905721A1 - Gasventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung,
insbesonders als Brennstoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit einem über den
Anker eines ansteuerbaren Elektromagneten betätigbaren Dichtelement zwischen
dem oder jedem Brennstoffzulauf und dem oder jedem Brennstoffablauf und
zumindest einer auf das Dichtelement wirkenden Schließfeder.
Bei herkömmlichen Gasmotoren nach dem Otto-Prinzip wird das Brennstoff-
Gas in der Saugleitung zugemischt und dann den Zylindern zugeführt. Dabei
sind beispielsweise Regelventile und statische Mischer im Einsatz. Diese
Systeme sind jedoch für Systeme mit elektronischer Brennstoffeinspritzung zu
unhandlich. Daher wurden über Magnete geschaltete Gasdüsen eingesetzt, die
den Brennstoff zudosieren und brennfähiges Gemisch im gesamten Zuleitungs
system erzeugen. Für den Einsatz in Nutzfahrzeugen ist man aufgrund der bei
herkömmlichen Gasventilen zu geringen Durchlaßquerschnitten gezwungen, eine
Bündelung von typischerweise bis zu zwölf dieser Gasventile vorzunehmen, um
ausreichende Querschnitte zu erzielen (entsprechend einer bei PKWs üblichen
Zentraleinspritzung). Aus diesem Grund sind Gasmotoren, beispielsweise
Erdgas(CNG - compressed natural gas)-, Flüssiggas(LPG - liquified purified
gas)- oder Wasserstoff-Motoren derzeit auch nur ohne Aufladung, d. h. mit
atmosphärischem Druck, zu betreiben und erreichen typischerweise etwa 145 kW.
Zum Zwecke der besseren Regelbarkeit, besseren Brennstoffnutzung und
günstigeren Schadstoffemissionen werden jedoch Systeme bevorzugt, die mit der
sogenannten sequentiellen Treibstoffeinblasung (auch unter der Bezeichnung
Multi-Point-Einspritzung bzw. Ported-Gas-Admission) arbeiten und jedem
Zylinder individuell sein brennfähiges Gemisch über separate Injektoren oder
Ventile zuführen. Dabei muß auch nicht im gesamten Ansaugsystem brennfähiges
Gemisch vorliegen, und die Brennstoffeinspritzung erfolgt hauptsächlich nur
während des Ansaugtaktes des jeweiligen Zylinders. Die derzeit bekannten
Ventile sind jedoch für eine Anwendung in derartigen Systemen ungeeignet, da
sie zu geringe Durchlaßquerschnitte von maximal 4 bis 5 mm2 aufweisen, so daß
- was aber aus baulichen Gründen kaum möglich ist - zwei Ventile bei atmo
sphärischen und drei Ventile bei aufgeladenen Motoren pro Zylinder notwendig
wären. Andererseits ist aber die Forderung nach größerem Durchlaßquerschnitt
mit immer größeren Schwierigkeiten bei der Erzielung der geforderten kurzen
Schaltzeiten und der dabei erforderlichen hohen Dosiergenauigkeit verbunden,
die sich speziell im Leerlauf- und Teillastbereich mit geringem mittleren
Druck besonders auswirkt.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gasventil mit
gleichzeitig großem Durchlaßquerschnitt und kürzesten Schalt- und Ansprech
zeiten zu schaffen, das auch für den Einsatz in Multi-Point-Systemen bzw.
Ported-Gas-Admission-Systemen und bei aufgeladenen Motoren, insbesondere bei
Gasmotoren für Nutzfahrzeuge, geeignet ist. Eine zusätzliche Aufgabe war
daher in leichtes und doch stabiles Dichtelemente, welches die nötige rasche
Bewegbarkeit durch kleine Elektromagnete mit sicherer Dichtwirkung vereint.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gasventil
als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz und einem Dichtelement mit
zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dichtfläche ausgeführt
ist. Mit dieser Konstruktion lassen sich hohe Ventilquerschnitte von bis zu
10 mm2 bei sehr kleinen Schaltzeiten verläßlich und sicher schalten, so daß
sich mit einem derartigen Gasventil auch bei Leerlaufdrehzahl bzw. bei
Teillast die notwendigen Steuerzeiten von unter 1 ms mit hoher Genauigkeit
erzielen lassen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Brennstoffzulauf vorzugsweise radial in einen den Ventilsitz unterhalb des
Dichtelementes umgebenden Ringraum mündet. Dadurch ergibt sich eine gute Ver
gleichmäßigung der Brennstoffströmung vor dem Dichtelement des Ventils und
die durchgelassene Gasmenge wird nicht durch strömungstechnische Phänomene
nachteilig beeinflußt.
Die weitere Aufgabe wird mit einem Gasventil mit zumindest einer Dicht
leiste in Form einer geschlossenen Kurve, vorzugsweise im wesentlichen
kreisförmig, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Dichtelement eine der
Anzahl an Dichtleisten proportionale Anzahl von dem Verlauf der Dichtleisten
folgenden Umfangsstegen aufweist, von welchen zumindest je zwei durch zumin
dest einen radialen Steg, vorzugsweise eine Gruppe von radialen Stegen,
miteinander verbunden sind. Diese voneinander beabstandeten Stege decken im
wesentlichen nur die Dichtleisten ab und gestatten aber den Zutritt des Gases
zu allen diesen Dichtleisten. Bei entsprechend maximiertem Durchlaßquer
schnitt ist dabei aber der Materialeinsatz, damit das Gewicht, und auch die
Angriffsfläche für den Differenzdruck zwischen Zuström- und Abströmseite
minimiert, wobei durch die Gitterstruktur des Dichtelementes eine die Dicht
wirkung ausreichend sicherstellende Festigkeit gegeben ist.
Eine mechanisch sehr stabile Ausführung ist gegeben, wenn zumindest ein
radialer Steg, vorzugsweise alle radialen Stege, vom Zentrum des Dichtelemen
tes ausgehen und alle Umfangsstege miteinander verbinden.
Um einen optimalen Kompromiß zwischen mechanischer Festigkeit und
geringem Gewicht zu erreichen, nimmt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfin
dung die axiale Höhe der radialen Stege vom Zentrum zum Rand des Dichtele
mentes hin ab.
Zur einfachen und bezüglich der Einleitung der Betätigungskräfte günsti
gen Anbindung an ein Betätigungselement ist vorteilhafterweise vorgesehen,
daß das Dichtelement eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Betätigungsele
mentes aufweist.
Um eine möglichst stabile Anbindung an das Betätigungselement zu sichern
und die Möglichkeit zur Kopplung mit zusätzlichen, die Bewegung des Dichtele
mentes beeinflussenden Bauteilen zu geben, ist der zentrale Bereich buchsen
artig axial verlängert.
Vorteilhafterweise ist das Dichtelement als Spritzgußteil aus Kunst
stoff, vorzugsweise aus einem Polymer, angefertigt, wodurch bei leichter
Ausführung auch eine weitestgehende Verschleißminderung des Ventilsitzes
gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Ventilsitz durch
zumindest zwei vorzugsweise konzentrische Dichtleisten gebildet, die einen
ringförmigen Durchtrittsquerschnitt definieren, der durch ein vorzugsweise
ringförmiges Dichtelement abgedeckt ist, und sind Gaspassagen zu beiden
Dichtleisten vorgesehen, wobei die Gaspassagen zur äußeren Dichtleiste
vorzugsweise durch den oder jeden Brennstoffzulauf und den allfälligen
Ringraum und die Gaspassagen zur inneren Dichtleiste vorzugsweise durch
zumindest einen vorzugsweise radialen Brennstoffzulauf, Ausnehmungen im
allfälligen Stempel und die zentrale Ausnehmung des vorzugsweise ringförmigen
Dichtelementes gebildet sind. Damit stehen zwei Ringflächen für die Durch
strömung durch das Brenngas zur Verfügung, wodurch sich bei gleichen Schalt-
und Steuerzeiten eine Vergrößerung des Durchlaßquerschnittes um fast das
Doppelte ergibt. So sind bei Steuerzeiten von unter 1 ms Ventilquerschnitte
um 15 mm2 schon bei nur zwei Dichtleisten möglich.
Um bei derartigen Gasventilen die auf das Dichtelement einwirkenden
Kräfte des Öffnung- und Schließsystems aufzunehmen und Verformungen durch
diese in verschiedenen Bereichen des Dichtelementes angreifenden Kräfte zu
verhindern ist vorgesehen, daß der Anker über einen Stempel auf das Dicht
element einwirkt. Damit ist eine großflächige, keine verformenden Momente
hervorrufende Anlage und Krafteinleitung gewährleistet. Der Stempel kann aber
durch seine große Kontaktfläche mit dem Dichtelement gleichzeitig auch
Verformungsmomente durch andere Systemkomponenten verhindern und so die
Dichtwirkung sicherstellen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die oder jede Schließfeder auf den
Stempel einwirkt, vorzugsweise auf ein verbreitertes, zur Anlage am Dicht
element vorgesehenes Endstück. Die Schließkraft der Feder(n) wird dadurch
über den Stempel großflächig auf das Dichtelement eingeleitet und kann weder
zu die Dichtheit beeinträchtigenden Verformungen des Dichtelementes noch zu
punktuellen Überbeanspruchungen oder Materialbeschädigungen führen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Sicherung der Dicht
wirkung und der Leichtgängigkeit des Gasventils dieses dadurch gekennzeich
net, daß zumindest eine Schließfeder das Dichtelement bzw. den Stempel auch
radial in Richtung auf die Mittelachse der Ablauföffnung hin mit einer
zentrierenden Kraft beaufschlagt. Das Dichtelement bleibt somit immer in der
optimal abdichtenden zentrierten Position und auch seine Bewegung bleibt
dadurch leichtgängig, daß ein Scheuern oder Reiben an einer Seitenwandung des
Ventilgehäuses verhindert ist.
Eine sehr einfache und dennoch funktionssichere Konstruktionsvariante
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine den Stempel umgebende Schraubenfeder als
Schließfeder vorgesehen ist, die sich zum Dichtelement hin bzw. zum Stempel
hin konisch verjüngt. Damit ist durch einen einzigen Bauteil sowohl die
Schließwirkung als auch die Zentrierung des Dichtelementes bewerkstelligt.
Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine, das
Dichtelement in Öffnungsrichtung beaufschlagende Öffnungsfeder vorgesehen
ist, kann selbst für große Öffnungsquerschnitte und entsprechend große
Dichtelemente ein rasches, sicheres und von Druckverhältnissen im System im
wesentlichen unabhängiges Abheben des Dichtelementes vom Ventilsitz erzielt
werden, wobei die Öffnungsfeder die Wirkung des Elektromagneten optimal
unterstützt. Darüberhinaus kann eine oftmals schwierig herzustellende zug
feste Verbindung des Dichtelementes mit der Betätigungsanordnung vermieden
werden, da das Abheben des Dichtelementes vom Ventilsitz durch die Wirkung
der Öffnungsfeder erfolgen kann. Es können damit für jeden separaten Bauteil
die optimalen Werkstoffe verwendet werden.
Das Ansprechverhalten und die Steuerzeiten sowohl für das Öffnen als
auch das Schließen des Ventils gleich rasch sein, um die erforderliche
Dosiergenauigkeit im gesamten Drehzahlbereich gewährleisten zu können, auch
im Leerlauf und bei Teillast. Deshalb ist gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung vorgesehen, daß die Differenz der Kräfte von Schließfedern- und
Öffnungsfedernanordnung dem Betrag nach im wesentlichen gleich der Differenz
der Kräfte des Elektromagneten und der resultierenden Kraft der Federnanord
nung ist. Dadurch ergeben sich sowohl für das Öffnen als auch das Schließen
gleiche Kräfte und damit auch im wesentlichen gleiche Steuer- und Ansprech
zeiten.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von einigen
in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Die Fig. 1 zeigt dabei ein Gasventil mit kleinerem Ventilquer
schnitt, mit einer Dichtleiste, Fig. 2 ist ein Gasventil mit zwei Dichtleis
ten und daher größerem Ventilquerschnitt, Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der
Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 zeigt ein Gasventil mit großem Ventilquer
schnitt durch mehrere konzentrische Dichtleisten und mit einem leichten
Dichtelement gemäß einer weiteren Ausführungsform, Fig. 5a und 5b stellen
eine andere Ausführungsform des Dichtelementes in vergrößertem Maßstab dar
und Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gasventils.
In der Fig. 1 ist als erste Ausführungsform ein Gasventil dargestellt,
das aus einem Ventilkörper 1 und einer auf ein Außengewinde dieses Ventil
körpers 1 aufgeschraubten Magnetspannmutter 2 besteht. Der Ventilkörper 1
enthält den Ventilsitz 3, hier eine - für kleinere Ventilquerschnitte
einfache ebene Dichtleiste mit im wesentlichen kreisförmiger Ausführung. Der
gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch, beispielsweise Erdgas,
Flüssiggas oder auch Wasserstoff, tritt durch die vorzugsweise radialen
Brennstoffzuläufe 4 in einen Ringraum 5 im Ventilkörper 1 ein, wobei aber
auch andere Eintrittsstellen oder Eintrittsrichtungen möglich sind. So könnte
der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch auch durch zumindest
einen axialen Kanal in den Ventilkörper 1 eintreten, der beispielsweise auch
durch oder seitlich der Magnetspannmutter verlaufen kann.
Im Ringraum 5, der der Vergleichmäßigung der Gasströmung zur Verbesserung des
Durchtritts durch das Ventil dient, ist auch zumindest eine, vorzugsweise als
Schraubenfeder ausgeführte Öffnungsfeder 6 eingesetzt, welche das Dichtele
ment 7 aus vorzugsweise Kunststoff mit einer Kraft in Öffnungsrichtung des
Ventils beaufschlagt.
Der Ringraum 5 ist vorzugsweise unterhalb der Dichtleiste 3 und des Dichtele
mentes 7 angeordnet, jedoch ist ein Vergleichmäßigungsraum auch oberhalb
dieser Teile denkbar. In jedem Fall wird damit eine nachteilige Beeinflussung
der Durchströmung des freigegebenen Ventilquerschnittes durch Strömungsphäno
mene verhindert, so daß immer der gesamte Öffnungsquerschnitt optimal durch
strömt wird und die maximal mögliche Menge an Gas das Ventil passieren kann.
Von der entgegengesetzten Seite der Öffnungsfeder 6 wirkt zumindest eine
stärkere Schließfeder 8 auf das Dichtelement 7 ein, wobei vorzugsweise eine
sich zum Dichtelement 7 hin konisch verjüngende Schraubenfeder als Schließfe
der 8 vorgesehen ist. Die Schließfeder 8 wirkt aber nicht direkt auf das
Dichtelement 7 ein, sondern auf den verbreiterten, im wesentlichen scheiben
förmigen Endteil 9 eines Stempels 10, welchen Stempel 10 die Schließfeder 8
vorzugsweise umgibt. Der Endteil 10 verhindert Verformungen des vorzugsweise
losen Dichtelementes 7, welche beispielsweise durch die radial gegeneinander
versetzten Angriffslinien der Öffnungsfeder 6 und der Schließfeder 8 bewirkt
werden könnten und die Dichtheit des Ventils nachteilig beeinflussen. Die
Konizität der Schließfeder 8 bewirkt neben der Schließfunktion auch gleich
zeitig eine Zentrierung des Stempels 10 und damit auch des Dichtelementes 7
über dem Ventilsitz.
Die Öffnungsfeder 6 bzw. die gesamte Öffnungsfedernanordnung ist natürlich
schwächer als die Schließfeder 8 bzw. die gesamte Schließfedernanordnung,
wobei vorteilhafterweise die Differenz der Kräfte von Schließ- und Öffnungs
feder betragsmäßig gleich der Differenz der Kräfte von Elektromagnet und
Federnanordnung ist.
Im vorliegenden Fall ist weiters keine auf Zug belastbare Verbindung zwischen
Dichtelement 7 und Stempel 10 gegeben, so daß die Öffnungsfeder 6 unbedingt
notwendig ist, um das Dichtelement 7 von der Dichtleiste 3 abzuheben und das
Ventil zu öffnen. Um nämlich eine ausreichende Festigkeit und auch Maßhaltig
keit des Stempels 10 und auch des verbreiterten Endteils 9 zu gewährleisten,
sind diese vorzugsweise aus Metall angefertigt. Andererseits soll das Dicht
element 7, um den Verschleiß der Dichtleiste 3 gering zu halten, nicht aus
Metall, sondern aus Kunststoff angefertigt sein, wobei aber eine dauerhafte,
auf Wechselbeanspruchungen belastbare Stahl-Kunststoff-Verbindung schwierig
herzustellen ist. Selbstverständlich ist zumindest eine Unterstützung des
Öffnungsvorganges des Ventils auch bei anderen Ventiltypen von Vorteil.
Der Stempel 10 ist seinerseits unter Zwischenschaltung eines Anschlagtellers
11 mit der Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall
verbunden, vorzugsweise über die Schraube 13. Der Anschlagteller 11 ist aus
einem nicht oder nur leicht magnetisierbaren, jedoch wesentlich härteren
Werkstoff als die Ankerplatte 12 angefertigt, vorzugsweise aus ausscheidungs
härtendem Chromstahl.
Die Schließfeder 8 stützt sich auf der dem Endteil 9 gegenüberliegenden Seite
über zwei einander konvex zugewandten Tellerfedern 14, 15 ab, wobei die mit
der Schließfeder 8 in Kontakt stehende Tellerfeder 14 auf einer Abkantung 16
der Innenwandung des Ventilkörpers 1 aufliegt und damit eine im wesentlichen
ortsfeste Auflage für Schließfeder 8 darstellt. Die zweite Tellerfeder 15
stützt sich über eine Zwischenscheibe 17 gegen einen Distanzring 18 ab, der
wiederum an der der Ankerplatte 12 zugewandten Seite des Elektromagneten 19
anliegt.
Der die Ankerplatte 12 und den Anschlagteller 11 umgebende Distanzring 18 ist
aus einem etwa durch geringste Wasseraufnahme hoch maßhaltigen und tempera
turbeständigen Werkstoff angefertigt, vorzugsweise aus einem mit Mineralstof
fen, Carbon- oder Glasfasern hochgefüllten Kunststoff. Besonders bevorzugte
Kunststoffe für diese Anwendung sind Polyphenylsiloxane (PPS), aber auch
Polyätherätherketone (PEEK), Polyätherimide (PEI) und Polyphtalamide (PPA).
Der Distanzring 18, der die Ankerplatte 12 auch mit geringer Reibung führt,
weist eine auf den Anschlagteller 11 hin gerichtete Abkantung 20 auf, an
welcher der radial über die Ankerplatte 12 hinaus auskragende Anschlagteller
11 zum Anschlag kommt, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromag
neten 19 nächsten Stellung befindet. Die Dicke des Distanzringes 18 von der
Unterseite des Elektromagneten 19 bis zur Abkantung ist dabei aber immer
größer als die Dicke der Ankerplatte 12, so daß auch bei vollständiger
Öffnung des Ventils eine Freistellung zwischen Ankerplatte 12 und Elektromag
net 19 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften und schnellen Bewegungen des
Systems Ankerplatte 12, Anschlagteller 11, Stempel 10 und Endteil 9 verhin
dert der harte Werkstoff des Anschlagtellers 11 eine Verformung der Anker
platte 12 und verhindert so ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls
sehr weichen Werkstoff des Elektromagneten 19.
Der Elektromagnet 19, vorzugsweise ein Spulenmagnet mit dreischenkeligem
Joch, wird - gesteuert über die Elektronik des Einspritzsystems - über die
Anschluß-Gewindestifte 21 mit Strom versorgt, der über den Stecker 22 zuge
leitet wird. Die vom Elektromagneten 19 ausgeübte Kraft liegt im Bereich von
200 bis 300 N, um die erforderlichen kurzen Steuerzeiten von unter 1 ms zu
erreichen. Damit die Zeiten für Öffnen und Schließen des Ventils im wesent
lichen gleich sind, werden die Kräfte von Elektromagnet 19, Schließfeder 8
und Öffnungsfeder 6 derart aufeinander abgestimmt, daß die Differenz der
Kräfte von Elektromagnet 19 und der Anordnung der Öffnungsfeder 6 und
Schließfeder 8 betragsmäßig gleich der Differenz der Kräfte von Schließfeder
8 und Öffnungsfeder 6 ist, so daß für das Öffnen und Schließen gleich großen
Kräfte erforderlich sind und somit mittelbar gleiche Beschleunigungen auf das
Dichtelement 7 wirken.
Dichtungen 23 an der Außenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den dichten
Einbau des Gasventils in das System, in das der vom Ventil ausströmende
Brennstoff bzw. das ausströmende brennfähige Gemisch über den Brennstoff
ablauf 24 eingeblasen wird.
Durch Drehung der Magnetspannmutter 2 kann der Abstand des darin fest gehal
tenen Elektromagneten 19 und der Ankerplatte 12 eingestellt werden, wobei die
Ankerplatte 12 im stromlosen Zustand des Elektromagneten 19 normalerweise
durch die Wirkung der zumindest einen Schließfeder 8 auf den verbreiterten
Endteil 9 des Stempels 10 ein ihrer Stellung mit dem größten Abstand zum
Elektromagneten 19, d. h. der Schließstellung des Ventils, ist. Der Ventilhub
und damit der direkt proportionale Öffnungsquerschnitt können dadurch genau
eingestellt und kalibriert werden. Typischerweise werden der Ventilhub im
Bereich von etwa 0,15 bis 0,3 mm und der Öffnungsquerschnitt im Bereich bis
ca. 10 mm2 liegen. Die Tellerfederanordnung 14, 15 gleicht diese Abstandsver
änderungen für die Auflageposition der Schließfeder 8 aus, so daß diese im
wesentlichen immer die gleiche Vorspannung behält und sich daher die Ventil
charakteristik bei Verstellung des Ventilhubs nicht oder nur unwesentlich
verändert.
Die Ausführungsform des Gasventils der Fig. 2 unterscheidet sich von der
Ausführungsform der Fig. 1 durch eine andere Ausführung des Ventilsitzes, der
in weiterer Folge auch Änderungen bei Dichtelement, Endstück des Stempels und
Brennstoffzulauf nach sich zieht. Der übrige Aufbau unterscheidet sich nicht
vom oben beschriebenen.
Der Ventilsitz des Gasventils der Fig. 2 besteht aus zwei Dichtleisten 25,
26, die beide im wesentlichen eben kreisförmig, in der gleichen Ebene und im
wesentlichen konzentrisch, vorzugsweise koaxial, angeordnet sind. Die innere
Dichtleiste 26 ist auf einer Scheibe 27 ausgebildet, die über zumindest zwei,
vorzugsweise drei oder mehr Stege 28 - siehe dazu auch die Fig. 3 - an dem
die äußere Dichtleiste 25 ausbildenden Teil des Ventilkörpers 1 gehalten ist.
Um die Dichtwirkung des Dichtelementes 7 nicht zu beeinflussen, erreichen
die Stege 28 nicht die Höhe der Dichtleisten 25 und 26. Damit der Brennstoff
bzw. das brennfähige Gemisch über beide Dichtleisten und damit durch den
insgesamt höheren Ventilquerschnitt durch das Ventil strömen kann, sind
Gaspassagen auch zur inneren Dichtleiste 26 vorgesehen. Diese Gaspassagen
sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zumindest einen zusätzlichen,
vorzugsweise ebenfalls radialen Brennstoffzulauf 29, Öffnungen 30 im verbrei
terten Endteil 9 des Stempels 10 und die zumindest eine zentrale Ausnehmung
31 im dadurch vorzugsweise ringförmigen Dichtelemente 7 gebildet. Alternativ
dazu könnten auch Verbindungskanäle oder axiale nutförmige Ausnehmungen in
der Innenwandung des Ventilkörpers 1 zur Verbindung des Ringraumes 5 mit dem
oberhalb des Dichtelement 7 liegenden Raumes 32 vorgesehen sein.
Aufgrund des Vorhandenseins zweier, fast gleich langer Dichtleisten 25 und 26
ist der Ventilquerschnitt des in Fig. 2 dargestellten Gasventils bei gleichen
Steuerzeiten wie für die erste beschriebene Ausführungsform fast doppelt so
groß und liegt bei etwa 15 bis 18 mm2. Durch strichlierte Linien ist eine
Gasverteilerleiste 33 angedeutet, in welche das Gasventil über die Dichtungen
23 abgedichtet eingesetzt ist und in der sie durch eine die Magnetspannmutter
2 umgebende Klemmplatte (nicht dargestellt) fixiert ist.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils mit
weiter vergrößertem Ventilquerschnitt ist in Fig. 4 dargestellt. Dessen
Dichtelement 7 ist nun vorzugsweise in Spritzgußtechnik aus Polymer-Kunst
stoff, insbesondere aus einem mit Mineralstoffen, Carbon- oder Glasfasern
nach Möglichkeit isotrop hochgefüllten Kunststoff, angefertigt, um den Ver
schleiß des Ventilsitzes 3 und auch das Gewicht des Dichtelementes 7 gering
zu halten. Besonders bevorzugte Kunststoffe für diese Anwendung sind aufgrund
ihrer hohen Maßhaltigkeit und Temperaturbeständigkeit wieder Polyphenyl
siloxane (PPS), aber auch Polyätherätherketone (PEEK), Polyätherimide (PEI)
und Polyphtalamide (PPA).
Die mehreren ringförmigen und konzentrischen Dichtleisten des Ventil
sitzes 3 werden durch Umfangsstege 7a des Dichtelementes 7 überdeckt, zwi
schen welchen Umfangsstegen 7a Ausnehmungen freigehalten sind, damit das
Brennstoffgas den größtmöglichen Bereich der Dichtleisten erreichen kann. Die
Anzahl der Umfangsstege 7a ist der Anzahl der vorhandenen Dichtleisten
proportional, wobei im vorliegenden Fall fünf Dichtleisten und zwei Umfangs
stege 7a vorhanden sind, da die innerste Dichtleiste durch den scheibenförmi
gen zentralen Bereich des Dichtelementes 7 abgedeckt wird. Allgemein sind (n-
1)/2 Umfangsstege vorzusehen, wenn n die Anzahl der vorhandenen Dichtleisten
bezeichnet.
Für die Verbindung von jeweils einem Paar von Umfangsstegen 7a, einer
Gruppe von Umfangsstegen oder auch aller Umfangsstege und auch die nötige
mechanische Festigkeit des Dichtelementes 7 sorgen dann dessen radialen Stege
7b. Die Zahl der radialen Stege 7b ist in weitem Maße an die Festigkeits- und
Gewichtsanforderungen anpaßbar, wobei aber vorteilhafterweise zwischen zwei
und sechs radiale Stege 7b vorhanden sein werden, vorzugsweise jeweils um
gleiche Winkelbeträge voneinander beabstandet (2 Stege - 180°, 3 Stege -
120°, usw.). Auch die axiale Höhe der Umfangsstege 7a, d. h. die "Dicke" des
Dichtelementes 7 trägt zur notwendigen mechanischen Stabilität bei. In Fig.
5a ist ein teilweiser Querschnitt (Ansicht entlang der Linie a-a der Fig. 5b)
durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtelementes 7
dargestellt, bei der zusätzlich zur zentralen Dichtscheibe 7c acht Umfangs
stege 7a - für maximal 17 Dichtleisten - vorhanden sind, deren Höhe vom
Zentrum nach außen hin zunimmt. Die Höhe der radialen Stege 7b nimmt dagegen
nach außen hin ab. Wie in Fig. 5b zu erkennen ist, die in der oberen Hälfte
eine Draufsicht auf das Dichtelement 7 zeigt und in der unteren Hälfte eine
Unteransicht aus Richtung der Dichtleisten, sind 12 radiale Stege 7b vorhan
den und jeweils zwei davon schließen miteinander einen Winkel von 30° ein. Am
äußersten Umfangssteg 7a sind Anschlagbereiche 7d vorgesehen, die zur Hubbe
grenzung des Dichtelementes 7 an einem gegenüberliegenden Anschlagbereich am
Gehäuse od. dgl. vorgesehen sind.
Der Zentralbolzen 10 (siehe wieder Fig. 4) ist unter allfälliger Zwi
schenlage von Distanzblechen 34 zum Toleranzausgleich durch vorzugsweise eine
Verschraubung 13 mit einer in einem Distanzelement 18 geschützt angeordneten
Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden. An der
Unterseite dieses hier als Büchse ausgeführten Distanzelementes 11 stützt
sich auch die Schließfeder 8 ab.
Das Ventilgehäuse 1 weist eine innere Abkantung 35 auf, an welcher
Anschlagbereiche der am weitesten nach außen reichenden radialen Stege 7b des
Dichtelementes 7 und/oder Anschlagbereiche 7d der äußersten Umfangsstege 7a
zum Anschlag kommen, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromag
neten 19, vorzugsweise einem Topfmagneten, nächsten Stellung befindet. Der
Abstand von der Oberseite der Anschlagbereiche des Dichtelementes 7 zur
Abkantung 35 bestimmt dabei den Ventilhub, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3
mm, und ist vorzugsweise immer geringer als der Abstand der Ankerplatte 12
zur Unterseite des Elektromagneten 19 in geschlossenem Zustand des Ventils,
so daß auch bei vollständiger Öffnung des Ventils eine Freistellung zwischen
Ankerplatte 12 und Elektromagnet 19 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften
und schnellen Bewegungen des Systems Ankerplatte 12, Zentralbolzen 6 und
Dichtelement 7 ist derart ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls sehr
weichen Werkstoff des Elektromagneten 19 verhindert.
Damit die Zeiten für Öffnen und Schließen des Ventils im wesentlichen
gleich und auch für alle im System vorkommenden Drücke gleich exakt einhalt
bar sind, kann vorteilhafterweise ein Ausgleichskolben 36 als Einrichtung zur
Kompensierung des Differenzdrucks am Dichtelement 7 vorgesehen sein. Dessen
Druckangriffsfläche entspricht jener des Dichtelementes 7, so daß der am
Dichtelement 7 angreifende Differenzdruck kompensiert wird. Für das Öffnen
des Ventils muß der Elektromagnet 19 daher nur die Kraft der Schließfeder 8
und die Massenträgheit der Ankerplatte 12, der Distanzbleche 34, des Zentral
bolzens 10 und des Dichtelementes 7 selbst überwinden. Damit können auch bei
Ventilen mit großen Öffnungsquerschnitten kleine Elektromagnete 19 mit
geringer Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Der Ausgleichskolben 36 umgibt
den Zentralbolzen 10 als im wesentlichen scheibenförmiger Bauteil, der
mittels eines umlaufenden Dichtringes 37 gegenüber dem ihn führenden Ventil
gehäuse 1 abgedichtet ist und damit auch gleichzeitig den Zentralbolzen 10
und das Dichtelement 7 im Ventilgehäuse 1 zentriert führt. Die Schließfeder 8
wirkt auf den Ausgleichskolben 36 ein und damit mittelbar auch auf den
Zentralbolzen 10 und das Dichtelement 7. Eine Ausgleichsfeder 38, vorgespannt
zwischen dem Dichtelement 7 und dem Ausgleichskolben 36, sorgt dafür, daß der
Ausgleichskolben 36 immer unmittelbar an der Ankerplatte 12 bzw. den Dis
tanzblechen 34 anliegt. Damit wird auch ein verschleißförderndes Gleiten des
ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff angefertigten Ausgleichskolbens 36
vermieden.
Um die Schließwirkung der Schließfeder 8 nicht durch am Ausgleichskolben
36 anliegenden Druck zu behindern, sind Gaspassagen vom Brennstoffablauf 24
und/oder Abströmraum in einen Ausgleichsraum 39 auf der diesem Abströmraum
24 gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskolbens 36 vorgesehen. Im vorlie
genden Fall ist dies die dem Dichtelement 7 gegenüberliegende Seite des
Ausgleichskolbens 36. Diese der Überströmung dienenden Gaspassagen sind im
vorliegenden Fall vorteilhafterweise durch eine Zentralbohrung 40 im Zentral
bolzen 10 mit radialen Ausströmöffnungen 41 in den Ausgleichsraum 39 und
entsprechende radiale Öffnungen 42 im buchsenförmigen Teil des Ausgleichskol
bens 36 realisiert. Sollte das Dichtelement 7 keine zentrale Öffnung aufwei
sen, durch die der Zentralbolzen 10 hindurchreicht, ist selbstverständlich
auch im Dichtelement 7 zumindest eine entsprechende Bohrung oder eine vor
zugsweise mitgespritzte Durchtrittsöffnung vorzusehen. Nach dem Öffnen des
Ventils folgt der Druck im Ausgleichsraum 39 dem zeitlichen Verlauf des
Drucks im Brennstoffablauf 24 und dem dahinter liegenden Abströmraum mit
einer zeitlichen Verzögerung, die durch die Drosselung in den relativ engen
Gaspassagen bedingt ist. Dadurch kann sich die Wirkrichtung der auf den
Ausgleichskolben 36 wirkenden Kraft kurzfristig umkehren. Es ist daher
vorteilhaft, diese Gaspassagen hinreichend groß auszuführen, um die Dros
selung möglichst gering zu halten.
Dichtungen 23 an der Außenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den
dichten Einbau des Gasventils in beispielsweise eine Gasverteilerleiste 33
des Systems, in das der vom Ventil ausströmende Brennstoff bzw. das ausströ
mende brennfähige Gemisch über die Abströmöffnung 24 eingeblasen wird.
Vorzugsweise ist das Gasventil durch eine die Magnetspannmutter 2 umgebende
Klemmplatte (nicht dargestellt) fixiert.
Eine etwas vereinfachte Ausführungsform ist in Fig. 6 im Längsschnitt
dargestellt, wobei in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen schon be
schriebene Bauteile mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Das
Gasventil der Fig. 6 ist mittels der Klemmplatte 43 in der Gasverteilerleiste
33 fixiert. Der Elektromagnet 19 ist durch nach innen gerichtete Abkröpfungen
des Ventilgehäuses 1 gegenüber diesem fixiert und unverrückbar gehalten. Im
Ventilgehäuse 1 sind vorzugsweise radiale Brennstoffzuläufe 4, 29 zu den vom
Dichtelement 7 abgedeckten, vorzugsweise konzentrisch kreisförmigen Dicht
leisten im Ventilsitz 3 vorhanden, wobei mit den oberen Brennstoffzuläufen 29
im wesentlichen fluchtend Brennstoffpassagen 44 in einem inneren Anschlagring
45 vorgesehen sind, um dem Brennstoff den Zutritt zu den innersten Dichtleis
ten zu erlauben. Zwischen einer inneren, ringförmigen Auskragung 46 dieses
Anschlagringes 45 und dem Dichtelement 7 ist die Schließfeder 8 eingespannt,
so daß der Anschlagring 45 gegen die Unterseite des Elektromagneten 19 und das
Dichtelement 7 auf den Ventilsitz 3 gedrückt werden.
Am unteren Ende des Anschlagringes 45 ist eine vorzugsweise ebene
Anschlagfläche 47 ausgebildet, an welcher die Oberseite des Dichtelementes 7
schließlich zum Anschlag kommt, wenn es vom Elektromagneten 19 durch Anziehen
der Ankerplatte 12 und der mit dieser Ankerplatte 12 durch die Verschraubung
13 verbundenen Zentralbolzens 10 vom Ventilsitz 3 abgehoben wird. Die Höhe
des Anschlagringes 45 ist dabei vorteilhafterweise so bemessen, daß bei
vollständiger Öffnung des Ventils, d. h. bei an der Anschlagfläche 47 auflie
gendem Dichtelement 7, immer noch ein geringer Abstand zwischen der Anker
platte 12 und der Unterseite des Elektromagneten 19 bestehen bleibt. Damit
können Beschädigungen der relativ weichen Ankerplatte 12 und des Elektromag
neten 19 vermieden werden.
Um eine Einstellbarkeit des Hubes des Dichtelementes 7 und damit des
Öffnungsquerschnittes des Ventils zu erzielen, ist das Ventilgehäuse 1 als
Einstellelement mit einem Innengewinde 48 am unteren Ende ausgeführt. Dieses
Innengewinde 48 greift in ein entsprechendes Außengewinde am äußeren Umfang
des Ventilsitzes 3 ein und läßt über eine relative Verdrehung diese beiden
Teile zueinander eine axiale Höhenverstellung zu, d. h. der Ventilsitz 3 kann
gegenüber der Unterseite des gegenüber dem Ventilgehäuse 1 fixierten Elektro
magneten 19 axial verstellt werden. Eine unerwünschte Verdrehung und damit
eine Fixierung nach erfolgter Abstandseinstellung wird über die Verspannung
mittels der Tellerfeder 49 verhindert. Die Schließfeder 8 drückt weiterhin
das Dichtelement 7 auf den Ventilsitz 3 und den Anschlagring 45 gegen die
Unterseite des Elektromagneten 19, so daß sich die axiale Verstellung von
Ventilgehäuse 1 und Ventilsitz 3 auch auf den Abstand der Anschlagfläche 47
zur gegenüberliegenden Oberseite des Dichtelementes 7 überträgt und derart
den möglichen Hub des vorzugsweise über Dichtungen und Gleitringe 50 im
Ventilgehäuse geführten Dichtelementes 7 entsprechend vergrößert oder ver
kleinert.
Claims (15)
1. Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesonders als Brenn
stoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit einem über den Anker eines
ansteuerbaren Elektromagneten betätigbaren Dichtelement zwischen dem
oder jedem Brennstoffzulauf und dem oder jedem Brennstoffablauf und
zumindest einer auf das Dichtelement wirkenden Schließfeder,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gasventil als
Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz (3) und einem Dichtelement
(7) mit zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dicht
fläche ausgeführt ist.
2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff
zulauf (4) vorzugsweise radial in einen den Ventilsitz (3) unterhalb
des Dichtelementes (7) umgebenden Ringraum (5) mündet.
3. Gasventil nach Anspruch 1 oder 2, mit zumindest einer Dichtleiste in
Form einer geschlossenen Kurve, vorzugsweise im wesentlichen kreisför
mig, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) eine der Anzahl
an Dichtleisten proportionale Anzahl von dem Verlauf der Dichtleisten
folgenden Umfangsstegen (7a) aufweist, von welchen zumindest je zwei
durch zumindest einen radialen Steg (7b), vorzugsweise eine Gruppe von
radialen Stegen, miteinander verbunden sind.
4. Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein
radialer Steg (7b), vorzugsweise alle radialen Stege, vom Zentrum des
Dichtelementes (7) ausgehen und alle Umfangsstege (7a) miteinander
verbinden.
5. Gasventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale
Höhe der radialen Stege (7b) vom Zentrum zum Rand des Dichtelementes (7)
hin abnimmt.
6. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dichtelement (7) eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Betäti
gungselementes (10) aufweist.
7. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der zentrale Bereich buchsenartig axial verlängert ist.
8. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dichtelement (7) als Spritzgußteil aus Kunststoff, vorzugsweise aus
einem Polymer, angefertigt ist.
9. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der Ventilsitz durch zumindest zwei vorzugsweise konzentrische
Dichtleisten (25, 26) gebildet ist, die einen ringförmigen Durchtritts
querschnitt definieren, der durch ein vorzugsweise ringförmiges Dicht
element (7) abgedeckt ist, und daß Gaspassagen zu beiden Dichtleisten
vorgesehen sind, wobei die Gaspassagen zur äußeren Dichtleiste (25)
vorzugsweise durch den oder jeden Brennstoffzulauf (4) und den allfäl
ligen Ringraum (5) und die Gaspassagen zur inneren Dichtleiste (26) vor
zugsweise durch zumindest einen vorzugsweise radialen Brennstoffzulauf
(29), Ausnehmungen (36) im allfälligen Stempel (10) und die zentrale
Ausnehmung (31) des vorzugsweise ringförmigen Dichtelementes (7) gebil
det sind.
10. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der Anker (12) über einen Stempel (10) auf das Dichtelement (7)
einwirkt.
11. Gasventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede
Schließfeder (8) auf den Stempel (10) einwirkt, vorzugsweise auf ein
verbreitertes, zur Anlage am Dichtelement (7) vorgesehenes Endstück (9).
12. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 1, 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine Schließfeder (8) das Dichtelement
(7) bzw. den Stempel (10) auch radial in Richtung auf die Mittelachse
der Ablauföffnung (24) hin mit einer zentrierenden Kraft beaufschlagt.
13. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine den Stempel (10) umgebende Schraubenfeder als
Schließfeder (8) vorgesehen ist, die sich zum Dichtelement (7) hin bzw.
zum Stempel (10) hin konisch verjüngt.
14. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß Stempel (10) und Dichtelement (7) vorzugsweise separate,
unverbundene Teile sind und zumindest eine, das Dichtelement (7) in
Öffnungsrichtung beaufschlagende Öffnungsfeder (6) vorgesehen ist.
15. Gasventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz
der Kräfte von Schließfedern (8)- und Öffnungsfedernanordnung (6) dem
Betrag nach im wesentlichen gleich der Differenz der Kräfte des Elektro
magneten (19) und der resultierenden Kraft der Federnanordnung (6, 8)
ist.
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