DE19908875A1 - Gasventil - Google Patents

Abstract

Ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Gasmotoren, ist mit einem über den Anker (12) eines ansteuerbaren Elektromagneten (14) betätigbaren Dichtelement (7) zwischen dem oder jedem Brennstoffzulauf (4) und dem oder jedem Brennstoffablauf (24) und zumindest einer auf das Dichtelement (7) wirkenden Schließfeder (8) versehen. Um ein Gasventil mit gleichzeitig großem Durchlaßquerschnitt, exakten kürzesten Schalt- und Ansprechzeiten und einer geringen Leistungsaufnahme zu schaffen, das auch für den Einsatz in Multi-Point- bzw. Ported-Gas-Admission-Systemen und bei aufgeladenen Motoren, insbesondere bei Gasmotoren für Nutzfahrzeuge oder stationären Gasmotoren, geeignet ist, ist zumindest eine Einrichtung (17) zur Kompensierung des auf das Dichtelement (7) einwirkenden Differenzdrucks mit dem Dichtelement verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesondere 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 Zuleitungssys­ tem erzeugen. Für den Einsatz in Nutzfahrzeugen, speziell aber bei stationä­ ren Gasmotoren, ist man aufgrund der bei herkömmlichen Gasventilen zu gerin­ gen Durchlaßquerschnitten gezwungen, eine Bündelung von typischerweise bis zu zwölf dieser Gasventile vorzunehmen, um ausreichende Querschnitte zu erzielen (entsprechend einer herkömmlichen Zentraleinspritzung).

Zum Zwecke der besseren Regelbarkeit, besseren Brennstoffnutzung und günstigeren Schadstoffemissionen werden jedoch Systeme bevorzugt, die mit der sogenannten Multi-Point-Einspritzung bzw. Ported-Gas-Admission arbeiten und jedem Zylinder individuell sein brennfähiges Gemisch über separate Injektoren oder Ventile zuführen. Die Regelung der zugeführten Gasmenge erfolgt dabei typischerweise über den Differenzdruck, d. h. den Unterschied zwischen dem Aufladedruck in der Gasleitung und dem Gasdruck in der Zylinderzuleitung. Dabei bleiben die Ventile über den größten Teil des Ansaugtaktes geöffnet und die zeitliche Regelung erfolgt im Hinblick auf individuelle Anpassung der jedem einzelnen Zylinder zugeführten Gasmenge. 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. Andererseits ist aber die Forderung nach größerem Durchlaßquerschnitt mit immer größeren Schwierigkeiten bei der Erzielung der geforderten kurzen und exakten Schalt­ zeiten und der dabei erforderlichen hohen Dosiergenauigkeit verbunden. Überdies waren bei hohen Ventilquerschnitten bislang große und sehr starke Elektromagnete notwendig, um die großen Ventilkörper gegen die Wirkung der Schließfederanordnung und den Differenzdruck am Dichtelement zu bewegen.

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gasventil mit gleichzeitig großem Durchlaßquerschnitt, exakten kürzesten Schalt- und Ansprechzeiten und einer geringen Leistungsaufnahme zu schaffen, das auch für den Einsatz in Multi-Point- und Ported-Gas-Admission-Systemen und bei aufge­ ladenen Motoren, insbesondere bei Gasmotoren für Nutzfahrzeuge oder stationä­ ren Gasmotoren, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Einrichtung zur Kompensierung des auf das Dichtelement einwirkenden Diffe­ renzdrucks mit dem Dichtelement verbunden ist. Damit wird der die Exaktheit der Schalt- und Steuerzeiten des Ventils nachteilig beeinflussende Druckun­ terschied zwischen der mit dem unter Druck stehenden Brennstoffgas beauf­ schlagten Seite des Dichtelementes und der Ablaufseite, die unter geringerem Druck steht, ausgeglichen und es ist für das Öffnen und Schließen des Ventils nur die exakt bestimmbare Auslegung von Schließfeder und Elektromagnet maßgeblich. Durch die Kompensierung des Differenzdrucks kann auch der Elek­ tromagnet für die Betätigung des Ventils kleiner ausgelegt sein, da lediglich die Kraft der Schließfeder und die Massenträgheit der Schließanordnung zu überwinden sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdrucks zumindest ein Ausgleichskolben vorhanden, der in Öffnungsrichtung des Ventils mit dem Brennstoffdruck beaufschlagt ist, und sind Gaspassagen vom Brennstoffablauf und/oder Abströmraum auf die gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens vorgesehen. Damit ist in baulich einfacher und verläßlicher Weise die gewünschte Druck-Kompensierung am Dichtelement durch unmittelbares Ausnützen des Drucks des durch das Ventil zu steuernden Brennstoffes zu erzielen. Über die Gaspassagen wiederum wird der Druck im Ausgleichsraum gleich dem Druck im Brennstoffablauf und dem Abströmraum eingestellt, so daß in jedem Fall der Differenzdruck am Dichtele­ ment durch einen gleich großen und entgegengesetzt orientierten Differenz­ druck am Ausgleichskolben kompensiert ist und sowohl für den Öffnungs- als auch Schließvorgang des Ventils rein die Resultierende der Schließfeder- und Magnetkraft bestimmend ist und die Exaktheit des Ventilbetätigung nicht durch unterschiedliche Druckverhältnisse im System nachteilig beeinflußt wird.

Um einen relativ einfachen Aufbau des Ventils zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß der Ausgleichskolben abgedichtet verschiebbar im Ventil­ gehäuse geführt ist, wobei er zwischen der oder jeder Schließfeder und dem Dichtelement eingespannt ist. Zusätzliche Zylinderräume oder Führungen für den Ausgleichskolben können so vermieden und die Herstellung des Ventils relativ einfach und wirtschaftlich gehalten werden. Der Druck des Brennstoff­ gases wird dazu genutzt, um der Schließfeder entgegenzuwirken und derart einen Ausgleich für den Druck auf das Dichtelement zu schaffen.

Eine baulich einfache und die unmittelbare Einwirkung des Ausgleichskol­ bens auf das Dichtelement bewirkende Konstruktion ist gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal gegeben, wenn ein Zentralbolzen zwischen Ankerplatte und Dichtelement eingesetzt ist und der Ausgleichskolben durch eine auf diesem Zentralbolzen axial verschiebbare auskragende Scheibe gebildet ist.

Eine einfache und sehr vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß zumindest eine Gaspassage durch eine Öffnung im Dichtelement und/oder eine Bohrung im Zentralbolzen gebildet ist. Einerseits werden kompliziert herzustellende Bohrungen oder ähnliche Strukturen im Ventilgehäuse vermieden und zusätzlich verringert die Bohrung im Zentralbolzen dessen Gewicht, was für die Schnelligkeit des Schaltens des Ventils und Auslegung des Elektromag­ neten von Vorteil ist.

Um ausreichend große Öffnungsquerschnitte zu erzielen und diese Quer­ schnitte unabhängig von den herrschenden Druckverhältnissen rasch und exakt Schalten zu können, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Gasventil als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz und einem Dichtele­ ment mit zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dichtfläche ausgeführt, und begrenzt der Ausgleichskolben einen Ringraum oberhalb des Dichtelementes, in welchen der Brennstoffzulauf vorzugsweise radial einmün­ det.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnungsfigur ist ein Gasventil dargestellt, das aus einem Ventilkörper 1 und einer auf ein Außengewinde dieses Ventilkörpers 1 aufge­ schraubten Magnetspannmutter 2 besteht. Der Ventilkörper 1 enthält den Ventilsitz 3 mit zumindest einer, vorzugsweise für große Ventilquerschnitte mehreren ebenen Dichtleisten mit im wesentlichen kreisförmiger Ausführung. Der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas oder auch Wasserstoff, tritt durch die vorzugsweise radia­ len Brennstoffzuläufe 4 in zumindest einen, vorzugsweise ringförmigen Zulauf­ raum 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. Bei sehr großen Ventilen ist oftmals nur Platz für lediglich eine radiale Eintrittsöffnung, die dann aber einen sehr großen Querschnitt aufweisen kann. Durch den Zulaufraum 5 wird eine nachtei­ lige Beeinflussung der Durchströmung des freigegebenen Ventilquerschnittes durch Strömungsphänomene verhindert, so daß immer der gesamte Öffnungsquer­ schnitt optimal durchströmt wird und die maximal mögliche Menge an Gas das Ventil passieren kann.

Der Öffnungs- und Schließvorgang wird durch einen Zentralbolzen 6 bewirkt, der das im geschlossenen Zustand des Ventils auf dem Ventilsitz 3 aufliegende Dichtelement 7 trägt. Eine Schließfeder 8 wirkt - hier mittelbar, wie weiter unten noch erläutert wird, auf das Dichtelement 7 ein, das in seinem zentralen Bereich den Zentralbolzen 6 hülsenförmig umgibt. Vorzugsweise ist das Dichtelement 7 in Spritzgußtechnik aus Kunststoff angefertigt, um den Verschleiß des Ventilsitzes 3 und auch das Gewicht des Dichtelementes 7 gering zu halten. Die ringförmigen Dichtleisten des Ventilsitzes werden durch Umfangsstege 7a des Dichtelementes 7 überdeckt, zwischen welchen Umfangsste­ gen 7a Ausnehmungen freigehalten sind, damit das Brennstoffgas den größtmög­ lichen Bereich aller vorhandenen Dichtleisten erreichen kann. Für den Zusam­ menhalt der abdichtenden Umfangsstege 7a und eine ausreichende Festigkeit des Dichtelementes 7 sorgen dann dessen radialen Stege 7b, die durchgehend alle Umfangsstege 7a oder nur bestimmte Paare oder Gruppen davon verbinden.

Der Zentralbolzen 6 ist unter allfälliger Zwischenlage von Distanz­ blechen 9 zum Toleranzausgleich durch vorzugsweise ein Verschraubung 10 mit einer in einem Distanzstück 11 geschützt angeordneten Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden. An der Unterseite dieser Büchse 11 stützt sich auch die Schließfeder 8 ab.

Das Ventilgehäuse 1 weist eine innere Abkantung 13 auf, an welcher Anschlagbereiche der am weitesten nach außen reichenden radialen Stege 7b des Dichtelementes 7 zum Anschlag kommen, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromagneten 14, vorzugsweise einem Topfmagneten, nächsten Stellung befindet. Der Abstand von der Oberseite der Anschlagbereiche des Dichtele­ mentes 7 zur Abkantung 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 14 in geschlossenem Zustand des Ventils, so daß auch bei vollständiger Öffnung des Ventils eine Freistel­ lung zwischen Ankerplatte 12 und Elektromagnet 14 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften und schnellen Bewegungen des Systems Ankerplatte 12, Zentral­ bolzen 6 und Dichtelement 7 ist derart ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls sehr weichen Werkstoff des Elektromagneten 14 verhindert. Der Elektromagnet 14 wird - gesteuert über die Elektronik des Einspritzsystems - über die Anschluß-Gewindestifte 15 mit Strom versorgt, der über den Stecker 16 zugeleitet wird.

Damit die Zeiten für Öffnen und Schließen des Ventils im wesentlichen, vorzugsweise genau gleich und auch für alle im System vorkommenden Drücke gleich exakt einhaltbar sind, ist als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdrucks am Dichtelement 7 ein Ausgleichskolben 17 vorgesehen. Dessen Druckangriffsfläche entspricht vorzugsweise genau jener des Dichtelementes 7, so daß der am Dichtelement 7 angreifende Differenzdruck vollständig kompen­ siert werden kann.

Um die Kraft am Ausgleichskolben zu im wesentlichen jedem Zeitpunkt gleich groß und entgegengesetzt orientiert zur durch den Differenzdruck hervorgerufenen Kraft am Dichtelement einzustellen und derart sowohl das Öffnen als auch das Schließen des Ventils durch die Resultierende der Schließfeder- und Magnetkraft zu beeinflussen, sind Gaspassagen vom Brenn­ stoffablauf 24 und/oder Abströmraum und/oder einem anderen Bereich mit dem dort herrschenden Druck in einen Ausgleichsraum 20 auf der diesem Abströmraum 24 gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskolbens 17 vorgesehen. Im vorlie­ genden Fall ist dies die dem Dichtelement 7 gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens 17. Diese der Überströmung dienenden Gaspassagen sind im vorliegenden Fall vorteilhafterweise durch eine Zentralbohrung 21 im Zentral­ bolzen 6 mit radialen Ausströmöffnungen 22 in den Ausgleichsraum 20 und entsprechende radiale Öffnungen 23 im buchsenförmigen Teil des Ausgleichskol­ bens 17 realisiert. Sollte das Dichtelement 7 keine zentrale Öffnung aufwei­ sen, durch die der Zentralbolzen 6 hindurchreicht, ist selbstverständlich auch im Dichtelement 7 zumindest eine entsprechende Bohrung oder Durchtritts­ öffnung vorzusehen. Der Druck im Ausgleichsraum 20 folgt dem zeitlichen Verlauf des Drucks im Brennstoffablauf 24 und dem dahinter liegenden Abström­ raum mit einer zeitlichen, durch die Drosselung in den relativ engen Gaspas­ sagen bedingten Verzögerung. Dadurch kann sich die Wirkrichtung der auf den Ausgleichskolben 17 wirkenden Kraft kurzfristig umkehren. Es ist daher vorteilhaft, diese Gaspassagen möglichst groß auszuführen, um die Drosselung möglichst gering zu halten und raschesten Druckausgleich zu gewährleisten.

Für das Öffnen des Ventils muß der Elektromagnet 14 daher nur die Kraft der Schließfeder 8 und die Massenträgheit der Ankerplatte 12, der Distanz­ bleche 9, des Zentralbolzens 6 und des Dichtelementes 7 selbst überwinden. Damit können auch bei Ventilen mit großen Öffnungsquerschnitten kleine Elektromagnete 14 mit geringer Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Der Ausgleichskolben 17 umgibt den Zentralbolzen 6 als im wesentlichen scheiben­ förmiger Bauteil, der mittels eines umlaufenden Dichtringes 18 gegenüber dem ihn führenden Ventilgehäuse 1 abgedichtet ist und damit auch gleichzeitig den Zentralbolzen 6 und das Dichtelement 7 im Ventilgehäuse 1 zentriert führt. Die Schließfeder 8 wirkt auf den Ausgleichskolben 17 ein und damit mittelbar auch auf den Zentralbolzen 6 und das Dichtelement 7. Eine Ausgleichsfeder 19, vorgespannt zwischen Dichtelement 7 und Ausgleichskolben 17, hält den Aus­ gleichskolben 17 immer unmittelbar an der Ankerplatte 12 bzw. den Distanz­ blechen 9 anliegend. Ein verschleißförderndes Gleiten des ebenfalls vorzugs­ weise aus Kunststoff angefertigten Ausgleichskolbens 17 ist somit vermieden.

Dichtungen 25 an der Außenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den dichten Einbau des Gasventils in beispielsweise eine Gasverteilerleiste 26 des Systems, in das der vom Ventil ausströmende Brennstoff bzw. das ausströ­ mende brennfähige Gemisch über den Brennstoffablauf 24 eingeblasen wird. Vorzugsweise ist das Gasventil durch eine die Magnetspannmutter 2 umgebende Klemmplatte (nicht dargestellt) in der Gasverteilerleiste 26 fixiert.

Claims (6)

1. Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesondere 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 zumindest eine Einrich­ tung zur Kompensierung des auf das Dichtelement (7) einwirkenden Dif­ ferenzdrucks mit dem Dichtelement verbunden ist.

2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdrucks zumindest ein Ausgleichskolben (17) vorhanden ist, der in Öffnungsrichtung des Ventils mit dem Brenn­ stoffdruck beaufschlagt ist, und daß Gaspassagen vom Brennstoffablauf (24) und/oder dem Abströmraum auf die gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens (17) vorgesehen sind.

3. Gasventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichs­ kolben (17) abgedichtet verschiebbar im Ventilgehäuse (1) geführt ist, wobei er zwischen der oder jeder Schließfeder (8) und dem Dichtelement (7) eingespannt ist.

4. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Zentralbolzen (6) zwischen Ankerplatte (12) und Dichtelement (7) eingesetzt ist und der Ausgleichskolben (17) durch eine axial auf diesem Zentralbolzen (6) verschiebbare auskragende Scheibe gebildet ist.

5. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest eine Gaspassage durch eine Öffnung im Dichtele­ ment und/oder eine Bohrung (21) im Zentralbolzen (6) gebildet ist.

6. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gasventil als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventil­ sitz (3) und einem Dichtelement (7) mit zumindest einer, diesem Ventil­ sitz zugewandten ebenen Dichtfläche ausgeführt ist, und daß der Aus­ gleichskolben (17) einen Ringraum (5) oberhalb des Dichtelementes (7) begrenzt, in welchen der Brennstoffzulauf (4) vorzugsweise radial einmündet.