EP2938873A1 - Ventil zum einblasen von gas - Google Patents

Ventil zum einblasen von gas

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EP2938873A1
EP2938873A1 EP14708011.3A EP14708011A EP2938873A1 EP 2938873 A1 EP2938873 A1 EP 2938873A1 EP 14708011 A EP14708011 A EP 14708011A EP 2938873 A1 EP2938873 A1 EP 2938873A1
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EP
European Patent Office
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actuator
valve according
gas
section
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14708011.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harry SCHÜLE
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a valve for injecting gas into the combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 1.
  • Natural gas compressed natural gas, CNG
  • CNG compressed natural gas
  • the gas supply system of such an internal combustion engine usually has a gas storage, shut-off valves, temperature and pressure sensors, a
  • Pressure reducer or pressure regulator a number of gas injection valves corresponding to the number of cylinders of the internal combustion engine, corresponding fluid lines, and an electronic control device.
  • the natural gas is usually stored in one or more bottles with pressures of up to 200 bar.
  • a pressure reducer or an electrical pressure regulator reduces this pressure to a lower value at the inlet of the
  • Gas injection valve are higher than a port injection of the natural gas. Typical values are within a range of 5-20 bar, around the required Gas quantity in a, compared to a port injection available shorter period of time to bring.
  • the gas injection valves are designed as so-called solenoid valves, wherein a solenoid coil is provided as the actuator and a nozzle needle as an actuator which, depending on an electrical activation, emits the gas into a combustion chamber of the internal combustion engine or prevents the gas flow.
  • gas injection valves are used which provide an outward, i.e. have in the combustion chamber opening valve needle.
  • this has the further advantage that the gas forces in the combustion chamber of the internal combustion engine to hold the valve opening during combustion in addition to the force of a return spring.
  • a valve for injecting gas wherein the valve can be operated with low magnetic forces.
  • an actuator and a closing member are provided, wherein the actuator in the closed position has a small distance from the solenoid.
  • the actuator is in operative connection with the closing member in such a way that when the electric current is supplied to the solenoid, the actuator moves the closing member in the direction of the magnetic coil.
  • the closing member is used by magnetic forces of the magnetic coil, regardless of the movement of the actuator even closer to the magnetic coil to an open position.
  • a valve for discharging gas into a combustion chamber of an internal combustion engine wherein the valve has a housing and in the housing a discharge space is provided.
  • the discharge chamber has a discharge opening, wherein an actuator, in particular a solenoid valve with a coil and a magnetic closing member is arranged in the housing.
  • the closing member is associated with the dispensing opening, wherein the closing member opens or closes the dispensing opening depending on the actuation of the actuator.
  • the closing member is guided in a guide of the housing, wherein the closing member is guided through the discharge space to the discharge opening, and wherein the closing member is acted upon in a closed position in the discharge space only laterally to the direction of movement of the closing member with gas pressure.
  • the closing member is movable from the closed position to the open position with little counter-pressure, whereby a less powerful actuator can be used to actuate the closing member.
  • the invention has for its object to provide an improved valve for direct injection of gaseous fuels in the combustion chamber of an internal combustion engine. This object is achieved by the features of the independent claim. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the invention is characterized by a valve for injecting gaseous fuels for an internal combustion engine, wherein the housing with respect to its longitudinal extent an inflow portion and a Ausströmabrough for the gaseous fuel and between the inflow and the
  • a first actuator is associated with the inflow section and, depending on a switching position of the first actuator, releases or prevents the supply of the gaseous fuel.
  • a second actuator which is associated with the outflow portion, depending on a switching position of the second actuator, the release of the gaseous fuel free or prevents him.
  • An actuator is provided which is arranged in the drive section and coupled to both actuators such that the actuators can be independently brought into an open position.
  • According to one embodiment serves as an actuator for the two actuators, a magnetic coil, whereby a very simple, robust and inexpensive construction of the gas injection valve is achieved.
  • Closing body takes over the tightness against the gas under pressure at the inflow section and the other by means of a further closing body at the outflow produces the tightness to the combustion chamber of the internal combustion engine, it is possible to use different materials for the closing body and / or the sealing seats of the two closing body ,
  • the sealing seat is not exposed to high temperatures at the inflow, as prevail at the sealing seat at the outflow, the closing body of the first actuator at the inflow and / or the sealing surfaces thereof advantageously from very well-sealing, flexible, yet inexpensive materials such as Elostomere, plastics or Rubber parts are manufactured.
  • the legally prescribed tightness requirements for a gas supply system for an internal combustion engine can be achieved with simple means.
  • the first actuator is biased by a first spring element, so that in a closed position of the first actuator its closing body is pressed against the sealing seat.
  • the spring constant of the first spring element is selected depending on the upcoming pressure of the gas, which is usually supplied from a rail.
  • the second actuator is biased by a second spring element, so that in a closed position of the second actuator its closing body against the sealing seat on
  • the second actuator is designed as an outwardly opening valve needle, in times when no injection of the gaseous fuel takes place, a sealing force against the opening direction of the closing member is additionally exerted by the gas pressure in the combustion chamber.
  • a sealing force against the opening direction of the closing member is additionally exerted by the gas pressure in the combustion chamber.
  • Gas injection valve contributes. Due to the at least partial decoupling of the movement of the two actuators is also achieved that the opening operation of the gas injection valve can be operated with little force. Upon activation of the actuator initially only the first actuator is lifted at the inflow from its sealing seat and thus partially opened. Since the second actuator is not yet moved, this is sufficient for a small force. It only needs to overcome the counterforce of the first spring element.
  • the second actuator Only after the first actuator has partially released an inlet opening for the gaseous fuel, the second actuator is also moved by means of the actuator in the opening direction, wherein the movement is additionally supported by the gas flowing under pressure into the gas injection valve, whereby a time-exact opening the gas injection valve is achieved, which leads inter alia to an exact mixing of the fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • Figure 1 in block diagram an internal combustion engine with a gas supply system
  • Figure 2 is a schematic representation of a Gaseinblaseventils the gas supply system in a closed position
  • Figure 3 is a schematic representation of a Gaseinblaseventils the gas supply system in an open position
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 10 is shown with internal mixture formation, which is operated with natural gas as fuel. It includes u.a. an intake tract 1 1, an engine block 12 with cylinders 13 and an exhaust tract 14.
  • the internal combustion engine 10 is supplied via the intake tract 1 1 required for the combustion of the gas / air mixture fresh air.
  • the combustion exhaust gases flow through at least one exhaust gas catalyst arranged in the exhaust tract 14 and a silencer into the environment.
  • a gas supply system 100 of known construction For operating the internal combustion engine 10 with fuel, a gas supply system 100 of known construction is provided.
  • the natural gas is stored in a gas storage 101, usually as a high pressure resistant tank in the form of one or more bottle fittings, with a predetermined pressure, for example, stored at a pressure of 200 bar.
  • the gaseous fuel is supplied via a high-pressure line 102 via a shut-off valve 103, a pressure reducer or pressure regulator 104 to a low-pressure line 105.
  • the check valve 103 the gas removal can be blocked from the gas storage 101, as it is z. B. at a shutdown of the engine 10 or when switching to another type of fuel in bivalent engines is required.
  • the pressure reducer or pressure regulator 104 serves to reduce the gas pressure to the values required for the low-pressure line 105, for example 5-20 bar.
  • a pressure control unit of a fuel treatment plant for gaseous fuel is known.
  • This pressure regulating unit has a solenoid valve controlled by an electronic control unit with clock pulses, via which an exact pressure level and a precise flow rate can be set on the low-pressure side.
  • the low pressure line 105 is serving with a fuel storage
  • Fuel rail 106 connected. From the fuel rail 106 branch off a number of cylinders 13 corresponding number of leads 1 12, at the free ends of each gas injection valve 200 is provided such that with a corresponding electrical control of the gas injection valves 200 gas can be injected directly into the respective combustion chambers of the engine 10 ,
  • the gas supply system 100 of the internal combustion engine 10 includes a temperature sensor 107 and a pressure sensor 108 for detecting the temperature T_H or the pressure p_H of the gas on the high pressure side, a temperature sensor 109 and a pressure sensor 1 10 on the low pressure side for detecting the temperature T_N or of the pressure p_N of the gas on the low pressure side and a pressure relief valve 1 1 1, which is arranged on the low pressure line 105 in the vicinity of the fuel rail 106.
  • a control device 30 is provided, which is associated with sensors which detect different measured variables and in each case determine the measured value of the measured variable.
  • the control device 30 determines dependent on at least one of the measured variables manipulated variables, which are then converted into one or more control signals for controlling the actuators by means of corresponding actuators.
  • the sensors include a pedal position sensor 15 which detects the position of an accelerator pedal 16, a load sensor 17 which detects a load of the internal combustion engine ine 10 representative signal (eg air mass sensor or intake manifold pressure sensor), a crankshaft angle sensor 18 which detects a crankshaft angle, then a speed of the internal combustion engine 10 is assigned and the temperature sensors 107, 109, and the pressure sensors 108.1 10 on the high pressure and low pressure side of the gas supply system 100.
  • any subset of said sensors or additional sensors may be present be whose signals are indicated in Figure 1 generally by the reference numeral ES.
  • the actuators are, for example, an existing in the intake tract 1 1 throttle valve, for igniting the gas / air mixture serving spark plugs, the
  • Further signals for further actuators, which are necessary for operating the internal combustion engine 10, but not explicitly shown, are generally identified by the reference symbol AS in FIG.
  • the control device 30 corresponds to a device for controlling the gas-powered internal combustion engine 10 and may also be referred to as engine control device.
  • the setpoint values of the pressure in the gas supply system 100 are determined as a function of the operating states of the internal combustion engine 10 and the signals of the pressure sensors 108, 110 and temperature sensors 107, 109 are evaluated for regulating the pressure in the gas supply system 100 and control signals for the shut-off valve 103, Pressure reducer or pressure regulator 104 and the pressure relief valve 1 1 1 generated.
  • the pressure relief valve 1 1 1 may also be designed as a purely mechanical pressure relief valve.
  • controller 30 calculates data such. B. from the speed, the requested torque and / or the load of the internal combustion engine 10, the required injection quantity of gaseous fuel, the injection period and the injection start time and / or the injection end time.
  • control signals are dependent on the state variables of the gas, in particular temperature and pressure.
  • Gas injection valves 200 output so that the correct amount of gas is supplied to the combustion air.
  • the structure and mode of operation of the injection valve 200 used in the gas supply system 100 according to FIG. 1 will now be explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the gas injection valve 200 in a closed position. It has a multi-part housing 201, preferably made of metallic material, so that the individual components located in the housing 201 can be easily mounted. After assembly of the components to be described later within the housing 201, this is assembled fluid-tight, for example, welded. For clarity, the individual housing parts are not marked separately, but the illustration shows the housing 201 in the mounted state as a one-piece component.
  • the housing 201 is formed substantially axially symmetrical, wherein the longitudinal axis is designated by the reference numeral A-A.
  • the arrow symbol indicates the flow direction of the gaseous fuel, hereinafter referred to simply as gas.
  • the housing 201 has, relative to its longitudinal axis A-A, a drive section 202, an upstream inflow section 203 adjacent to the drive section 202 for the gas, and a downstream outflow section 204 for the gas adjacent to the drive section 202.
  • the drive section 202 has a greater width than the other two sections 203, 204 transversely to the longitudinal axis A-A.
  • a cylindrical chamber 205 is provided, in which a serving as an actuator for two actuators 209, 210 magnetic coil 206 is introduced.
  • the magnet coil 206 is connected to the control device 30 (FIG. 1) via electrical lines 207, which are shown only schematically.
  • the inflow section 203 has a connection piece 208, to which the supply line 1 12 for the gas is connected, so that, if required, the gas can flow into the gas injection valve 200 via a closable inlet opening 235.
  • the first actuator 209 is disposed within the upstream inflow portion 203 and has a cylindrical base body 215, which at the inlet opening 235 facing the end, with respect to the cylindrical base body 215 widened, mushroom-shaped closing body 21 1, the sealing surface 212 with a corresponding sealing surface 213 at the inlet opening 235 at the upstream inflow portion 203 cooperates.
  • the closing body 21 1 opposite end of the cylindrical Base 215 is provided an existing ferromagnetic material anchor plate 230 which is located within the chamber 205 and whose radial extent substantially corresponds to the radial extent of the magnetic coil 206.
  • the driving portion 202 accommodating the solenoid 206 and the armature plate 230 is defined toward the upstream inflow portion 203 by a radially inwardly cantilevered flange 214, so that a remaining through hole 237 serves as an axial guide for the cylindrical main body 215 of the first actuator 209.
  • the spring constant of the first spring element 216 is dimensioned such that in the closed position of the Gaseinblaseventils 200, ie in the de-energized state of the solenoid 206, the spring force is sufficient to counteract the pressure of the gas at the inlet port 235, so that no gas in the Gaseinblaseventil 200 can occur.
  • the first actuator 209 thus serves to control the gas flow into the gas injection valve 200.
  • the spring force of the first spring element 216 causes the anchor plate 230 to be spaced from the end face of the magnet coil 206.
  • the self-adjusting distance also referred to below as the air gap, is identified by the reference H.
  • the armature plate 230 has a fuel passage 217 extending along the longitudinal axis A-A, which extends at least partially into the cylindrical main body 215. From this fuel passage 217 extends, with respect to the longitudinal axis A-A at a location upstream of the flange 214 in
  • Inflow section 203 has a radial bore 218 to the outside of the cylindrical body 215, so that a flow connection between a, from the outside of the cylindrical body 215 and the inner wall of the
  • the second actuator 210 also has a cylindrical base body 220 and is at least partially disposed within the downstream outflow portion 204. An upper portion of the cylindrical base body 220 is guided through a central recess 221 of the magnetic coil 206 and has a flange 222 at its free end.
  • the flange 222 may be made of nonmagnetic or ferromagnetic material.
  • a cylindrical chamber 223 is provided at its, the magnetic coil 206 facing the end face, whose radial dimension corresponds to the radial dimension of the flange 222 and whose axial depth is dimensioned slightly larger than the axial height of the flange 222, so that in the Closing position of the gas injection valve 200 between the bottom of the chamber 223 and the end face of the flange 222 remains a distance, which is also referred to below as the air gap h.
  • a closing body 224 is formed in the form of a valve disk, the sealing surfaces 225 with corresponding sealing surfaces 226 on the
  • the cylindrical basic body 220 In addition to guiding the cylindrical basic body 220 by means of the recess 221 in the magnetic coil 206, the cylindrical basic body 220 has an outwardly cantilevering in an upper part of the outflow section 204
  • the cylindrical main body 220 of the second actuator 210 has an axially extending fuel channel 231, which also penetrates the flange 222 and extends into the vicinity of the closing member 224, but this does not pierce. Rather, branches at one point, based on the longitudinal axis AA downstream of the guide bar 229 from a radial bore 232 to the outside of the cylindrical body 220, so that a flow connection between the fuel passage 231 and one, from the outside of the cylindrical body 220, the guide bar 229 and the discharge body 224 limited discharge space 233 is made.
  • the fuel passage 231 of the cylindrical body 220 of the second actuator 210 is aligned with the fuel passage 217 of the cylindrical body 215 of the first actuator 209, so that a flow connection for the gas between the first actuator 209 and the second actuator 210 is made.
  • the second actuator 220 is biased by a second spring element 234, so that in the closed position of the Gaseinblaseventils 200, ie in the de-energized state of the solenoid 206 on the closing body 224 results in a sealing seat.
  • a second spring element 234 serves a helical compression spring, which on the one hand on the, the magnetic coil 206 remote from the shoulder of the
  • the spring constant of this second spring element 234, which biases the second actuator 210, and thus brings the sealing surfaces 225, 226 to bear, can be selected smaller than the spring constant of the first spring element 216 of the first actuator 209, since this second actuator 210 is not the gas pressure is suspended during the closing position.
  • the second actuator 210 serves to control the delivery of the gas into the combustion chamber. The operation of the gas injection valve 200 described above will be explained in more detail below.
  • the armature plate 230 of the first actuator 209 is pulled against the biasing force of the first spring element 216 in the direction of the magnet coil 206 due to the resulting magnetic forces.
  • the closing body 21 1 is lifted slightly from the sealing surface 213 of the inflow section 203. This gas can flow through the supply line 1 12 and the inlet port 235 in the inflow 219 and from there by means of the radial bore 218 in the fuel passage 217 of the first actuator 209 and further into the fuel passage 231 of the second actuator 210.
  • the second actuator 210 While the first actuator 209 is already moving in the direction of the solenoid 206, the second actuator 210 remains in its closed position. Only when the distance traveled the anchor plate 230 is equal to the distance h (air gap) between the bottom of the chamber 205 and the end face of the flange 222, the end face of the flange 222 comes into contact with the bottom of the chamber 205 and the anchor plate 230 then pushes the second actuator 210 against the spring force of the second spring element 234 down, so that the closing body 224 begins to lift off its sealing seat. At the same time, the first actuator 209 is opened further until the armature plate 230 has completely overcome the distance H and comes to bear against the end face of the solenoid 206.
  • the gas injection valve 200 is shown in the open position, wherein the arrow symbols indicate the gas flow direction.
  • Outflow section 204 is released, so that a high flow of gas is the result. Due to the described embodiment with two separate actuators 209, 210 which are at least partially actuated independently by means of a single solenoid 206, relatively large gas pressures can be overcome with relatively low electrical powers for the solenoid 206 and high flow rates can be realized.
  • the second actuator 210 is moved back under the action of the spring force of the spring element 234 in the starting position, as shown in Figure 2.
  • the air gap h between the bottom of the chamber 223 and the end face of the flange 222 also has the function of a clearance compensation, since it is otherwise vorkom- could that the closing body 224 at the outflow 204 no longer seals because the flange 222 of the actuator 210 abuts the bottom of the chamber 223.
  • the gas injection valve 200 according to the invention has been explained in the environment of an internal combustion engine, which is designed for pure gas operation (monovalent operation). But it is also used in internal combustion engines, which are designed for bivalent operation, ie for the combustion of two different fuels such as gasoline and gas. In this case, in addition to the described gaseous fuel supply system, a conventional gasoline fuel supply system is additionally provided.
  • the control device for such a bi-fuel operation of the internal combustion engine then takes over the control and or regulation of the injection of both types of fuel.
  • the described gas supply system with the gas injection valve 200 according to the invention as a retrofit solution in vehicles which are factory-fitted for monovalent operation with another type of fuel, for example gasoline.
  • the control device 30 is used for gas operation as an additional engine control unit, preferably via an electronic data bus, z. B. communicates with a CAN bus with the engine control unit for gasoline operation and exchanges data and signals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (200) zum Einblasen von gasförmigen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine (10), mit einem Gehäuse (201), das bezüglich seiner Längserstreckung (A-A) einen Einströmabschnitt (203) und einen Ausströmabschnitt (204) für den gasförmigen Kraftstoff, und einen zwischen dem Einströmabschnitt (203) und dem Ausströmabschnitt (204) liegenden Antriebsabschnitt (202) aufweist, wobei ein erstes Stellglied (209) vorgesehen ist, das dem Einströmabschnitt (203) zugeordnet ist und das abhängig von einer Schaltstellung des ersten Stellgliedes (209) die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffes freigibt oder verhindert. Es ist ein zweites Stellglied (210) vorgesehen, das dem Ausströmabschnitt (204) zugeordnet ist und das abhängig von einer Schaltstellung des zweiten Stellgliedes (210) die Abgabe des gasförmigen Kraftstoffes freigibt oder verhindert. Es ist ein Stellantrieb (206) vorgesehen, der im Antriebsabschnitt (202) angeordnet ist und mit beiden Stellgliedern (209, 210) derart gekoppelt ist, dass die Stellglieder (209, 210) unabhängig voneinander in eine Offenposition gebracht werden können.

Description

Beschreibung
Ventil zum Einblasen von Gas Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Einblasen von Gas in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 .
Bei modernen Brennkraftmaschinen kommen neben den bekannten flüssigen Brennstoffen wie Benzin oder Diesel aus wirtschaftlichen und umweltpolitischen Gründen in zunehmendem Maße auch gasförmige Brennstoffe, insbesondere
Erdgas (compressed natural gas, CNG) zum Einsatz. Aufgrund der noch nicht flächendeckenden Infrastruktur für Erdgastankstellen werden oftmals sowohl flüssige, als auch gasförmige Brennstoffe zum wahlweisen Betreiben der Brennkraftmaschine mit den beiden Brennstoffen eingesetzt. Man spricht dabei von einem bi- valenten Betrieb der Brennkraftmaschine, im Gegensatz zu einem monovalenten Betrieb mit nur einer einzigen Kraftstoffart.
Das Gasversorgungsystem einer solchen Brennkraftmaschine weist in der Regel einen Gasspeicher, Absperrventile, Temperatur- und Drucksensoren, einen
Druckminderer oder Druckregler, eine der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von Gaseinblaseventilen, entsprechende Fluidlei- tungen, sowie eine elektronische Steuerungseinrichtung auf.
Das Erdgas wird üblicherweise in einer oder mehreren Flaschen mit Drücken von bis zu 200 bar gespeichert. Ein Druckminderer oder ein elektrischer Druckregler reduziert diesen Druck auf einen niedrigeren Wert am Eingang der
Gaseinblaseventile. Wird das Gas in das Saugrohr der Brennkraftmaschine
(port-injection) eingeblasen, so liegen typische Druckwerte abhängig von den Eigenschaften der Einblaseventile, im Bereich von 2-8 bar vor.
Im Hinblick auf die Vorteile, welche eine direkte Einspritzung des Brennstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine bietet, wie geringere Emissionen und verminderter Kraftstoffverbrauch, sind Systeme bekannt, die es ermöglichen, das Erdgas direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine einzublasen. Um dies zu realisieren, muss aber der Druck des Erdgases an einem Rail bzw. an dem
Gaseinblaseventil höher liegen als bei einer Saugrohreinspritzung des Erdgases. Typische Werte liegen dabei in einem Bereich von 5-20 bar, um die erforderliche Gasmenge in einem, gegenüber einer Saugrohreinspritzung zur Verfügung stehenden kürzeren Zeitraum einbringen zu können.
Die Gaseinblaseventile sind in der Regel als sogenannte Magnetventile ausgebil- det, wobei als Aktuator eine Magnetspule und als Stellglied eine Düsennnadel vorgesehen sind, die abhängig von einer elektrischen Ansteuerung das Gas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine abgeben oder den Gasfluss verhindern.
Bei einem Gaseinblaseventil stößt man sehr schnell an die Grenzen des möglichen Brennstoffdurchflusses, da zum Erreichen einer bestimmten Leistung der Brennkraftmaschine aufgrund der geringeren Energiedichte des Gases gegenüber den flüssigen Brennstoffen bei gleicher Öffnungsdauer des Ventils ein größerer Öffnungsquerschnitt als bei einem Flüssigkeits-Einspritzventil nötig ist. Der erforderliche Öffnungsquerschnitt kann durch einen erhöhten Hub der Düsennadel oder einen vergrößerten Ventilteller realisiert werden. Ein größerer Durchmesser des Ventiltellers hat allerdings den Nachteil, dass damit auch die Gaskräfte steigen, welche auf den Ventilteller wirken.
Je größer der Abstand zwischen Magnetspule und davon betätigbarem Stellglied infolge eines vergrößerten Hubes wird, desto geringer wiederum werden die
Magnetkräfte, mit der das Stellglied angehoben werden kann. Das bedeutet, dass bei vorgegebener elektrischer Versorgungsspannung und vorgegebenem Versorgungsstrom, sowie einem gegebenen Druck des Gases, der Durchfluss über ein bestimmtes Maß nicht hinausgehen kann.
Für Direkteinspritzung des Gases in den Brennraum einer Brennkraftmaschine werden deshalb Gaseinblaseventile verwendet, welche eine nach außen, d.h. in den Brennraum hin öffnende Ventilnadel aufweisen. Neben einem verringerten Strömungswiderstand für das einzubringende Gas hat dies den weiteren Vorteil, dass die Gaskräfte in dem Brennraum der Brennkraftmaschine die Ventilöffnung während der Verbrennung zusätzlich zu der Kraft einer Rückstellfeder zuhalten.
Das Problem bei solchen Gaseinblaseventilen besteht darin, dass der Dichtsitz der Ventilnadel den hohen Verbrennungstemperaturen im Verbrennungsraum des Zy- linders ausgesetzt ist und deshalb gut dichtende Werkstoffe wie Kunststoff oder Gummi als Materialen für den Dichtsitz ausscheiden. Damit ist es schwierig, die nach der Regelung ECE R 1 10 vorgegebenen Dichtigkeitsanforderungen für Komponenten von CNG-Anlagen zu erfüllen. Desweiteren unterliegt der Dichtsitz infolge der hohen notwendigen Dichtkräfte einem erhöhten Verschleiß beim Schließen des Ventils. Um den Verschleiß zu minimieren, werden teure Materialpaarungen für Dichtsitz und Ventilteller verwendet. Solche hochfesten Materialpaarungen neigen überdies zu einem Prellen der Ventilnadel.
In der DE 10 2009 012 688 B3 ist ein Ventil zum Einblasen von Gas beschrieben, wobei das Ventil mit geringen Magnetkräften betätigt werden kann. Dazu sind ein Stellglied und ein Schließglied vorgesehen, wobei das Stellglied in der Schließposition einen geringen Abstand zur Magnetspule aufweist. Das Stellglied steht in Wirkverbindung mit dem Schließglied in der Weise, dass bei einer elektrischen Bestromung der Magnetspule das Stellglied das Schließglied in Richtung auf die Magnetspule mitbewegt. Zudem wird das Schließglied durch Magnetkräfte der Magnetspule unabhängig von der Bewegung des Stellgliedes noch näher an die Magnetspule bis zu einer Offenposition herangezogen. Durch das Vorsehen des Stellgliedes und des Schließgliedes ist es möglich, mit einer ersten Bewegung des Stellgliedes und einer damit verbundenen Bewegung des Schließgliedes eine Abgabeöffnung des Ventils zu öffnen. Dabei sinkt der Druck in einem Abgaberaum, in dem sich das Stellglied und das Schließglied befinden. Damit sind der Gasdruck und die damit verbundenen Kräfte auf das Schließglied reduziert. Somit kann eine weitere Bewegung des Schließgliedes in eine Offenposition, in der die Abgabeöffnung vollständig geöffnet ist, mit geringen Magnetkräften erreicht werden.
Aus der DE 10 2009 012 689 B4 ist ein Ventil zum Abgeben von Gas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei das Ventil ein Gehäuse aufweist und im Gehäuse ein Abgaberaum vorgesehen ist. Der Abgaberaum weist eine Abgabeöffnung auf, wobei ein Aktor, insbesondere ein Magnetventil mit einer Spule und einem magnetischen Schließglied im Gehäuse angeordnet ist. Das Schließglied ist der Abgabeöffnung zugeordnet, wobei abhängig von der Betätigung des Aktors das Schließglied die Abgabeöffnung öffnet oder schließt. Das Schließ- glied ist in einer Führung des Gehäuses geführt, wobei das Schließglied durch den Abgaberaum zur Abgabeöffnung geführt ist, und wobei das Schließglied in einer Schließposition im Abgaberaum nur seitlich zur Bewegungsrichtung des Schließgliedes mit Gasdruck beaufschlagt ist. Dadurch ist das Schließglied mit geringem Gegendruck von der geschlossenen Position in die offene Position bewegbar, wodurch ein leistungsärmerer Aktor zur Betätigung des Schließgliedes verwendet werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ventil zum direkten Einblasen von gasförmigen Kraftstoffen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Ventil zum Einblasen von gasförmigen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine, wobei das Gehäuse bezüglich seiner Längserstreckung einen Einströmabschnitt und einen Ausströmabschnitt für den gasförmigen Kraftstoff und einen zwischen dem Einströmabschnitt und dem
Ausströmabschnitt liegenden Antriebsabschnitt aufweist. Ein erstes Stellglied ist dem Einströmabschnitt zugeordnet und gibt abhängig von einer Schaltstellung des ersten Stellgliedes die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffes frei oder verhindert ihn. Ein zweites Stellglied, das dem Ausströmabschnitt zugeordnet ist, gibt abhängig von einer Schaltstellung des zweiten Stellgliedes die Abgabe des gasförmigen Kraftstoffes frei oder verhindert ihn. Es ist ein Stellantrieb vorgesehen, der im Antriebsabschnitt angeordnet und mit beiden Stellgliedern derart gekoppelt ist, dass die Stellglieder unabhängig voneinander in eine Offenposition gebracht werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel dient als Stellantrieb für die beiden Stellglieder eine Magnetspule, wodurch ein sehr einfacher, robuster und kostengünstiger Aufbau des Gaseinblaseventils erzielt wird.
Durch den Einsatz von zwei, unabhängig voneinander mittels eines einzigen Stellantriebes betätigbaren Stellgliedern, von denen das erste mittels eines
Schließkörpers die Dichtigkeit gegenüber dem unter Druck am Einströmabschnitt anstehenden Gases übernimmt und das andere mittels eines weiteren Schließ- körpers am Ausströmabschnitt die Dichtigkeit zum Brennraum der Brennkraftmaschine herstellt, ist es möglich, unterschiedliche Materialien für die Schließkörper und /oder der Dichtsitze der beiden Schließkörper zu verwenden.
Da der Dichtsitz am Einströmabschnitt keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie sie am Dichtsitz am Ausströmabschnitt herrschen, kann der Schließkörper des ersten Stellgliedes am Einströmabschnitt und/oder die Dichtflächen desselben vorteilhaft aus sehr gut dichtenden, flexiblen, aber dennoch kostengünstigen Materialien wie Elostomere, Kunststoffe oder Gummiteilen gefertigt werden. Dadurch können die gesetzlich vorgegebenen Dichtigkeitsanforderungen an ein Gasver- sorgungssystem für eine Brenn kraftmasch ine mit einfachen Mitteln erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das erste Stellglied mittels eines ersten Federelementes vorgespannt, so dass in einer Schließposition des ersten Stellgliedes sein Schließkörper gegen den Dichtsitz gedrückt wird. Die Federkonstante des ersten Federelementes wird abhängig von dem anstehenden Druck des Gases, welches in der Regel aus einem Rail zugeführt wird, gewählt. Dadurch wird auf einfache Weise die Dichtigkeit an dem sogenannten„kalten Ende" des
Gaseinblaseventils erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Stellglied mittels eines zweiten Federelementes vorgespannt, so dass in einer Schließposition des zweiten Stellgliedes sein Schließkörper gegen den Dichtsitz am
Ausströmabschnitt gedrückt wird. Da dieser Schließkörper nicht dem hohen Druck des gasförmigen Kraftstoffes während der geschlossenen Stellung des
Gaseinblaseventils standhalten, sondern nur die Dichtigkeit gegenüber dem
Brennraum der Brennkraftmaschine herstellen muss, kann hier ein Federelement mit kleinerer Federkonstante verwendet werden.
Da das zweite Stellglied als eine nach außen öffnende Ventilnadel ausgestaltet ist, wird in Zeiten, in denen keine Einblasung des gasförmigen Kraftstoffes erfolgt, durch den Gasdruck im Brennraum zusätzlich eine Dichtkraft entgegen der Öffnungsrichtung des Schließgliedes ausgeübt. Für das an dem sogenannten„heißen Ende" des Gaseinblaseventils angeordnete Schließglied bzw. dessen Dichtflächen können somit Materialen eingesetzt werden, die keine erhöhten Anforderungen an die Dichtigkeit erfüllen, was zu einer kostengünstigen Realisierung des
Gaseinblaseventils beiträgt. Durch die zumindest teilweise Entkopplung der Bewegung der beiden Stellglieder wird außerdem erreicht, dass der Öffnungsvorgang des Gaseinblaseventils mit geringen Kräften betätigt werden kann. Bei Aktivierung des Stellantriebes wird zunächst nur das erste Stellglied am Einströmabschnitt aus seinem Dichtsitz gehoben und damit teilweise geöffnet. Da das zweite Stellglied dabei noch nicht noch nicht bewegt wird, reicht hierzu eine kleine Kraft aus. Es muss lediglich die Gegenkraft des ersten Federelementes überwinden werden. Erst nachdem das erste Stellglied teilweise eine Einlassöffnung für den gasförmigen Kraftstoff freigegeben hat, wird auch das zweite Stellglied mit Hilfe des Stellantriebs in Öffnungsrichtung bewegt, wobei die Bewegung zusätzlich von dem unter Druck in das Gaseinblaseventil einströmenden Gases unterstützt wird, wodurch ein zeit- punktgenaues Öffnen des Gaseinblaseventils erreicht wird, was u.a. zu einer exakten Zumischung des Kraftstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine führt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgen- den Beschreibung und den Figuren eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
Figur 1 in Blockdarstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Gasversorgungssystem, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Gaseinblaseventils des Gasversorgungssystems in einer Schließposition und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Gaseinblaseventils des Gasversorgungssystems in einer Offenposition
Elemente gleicher Konstruktion und/oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Figur 1 ist in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 10 mit innerer Gemischbildung dargestellt, die mit Erdgas als Kraftstoff betrieben wird. Sie umfasst u.a. einen Ansaugtrakt 1 1 , einen Motorblock 12 mit Zylindern 13 und einen Abgastrakt 14. Der Brennkraftmaschine 10 wird über den Ansaugtrakt 1 1 die zur Verbrennung des Gas/Luftgemisches benötigte Frischluft zugeführt. Die Verbrennungsabgase strömen durch mindestens einen in dem Abgastrakt 14 angeordneten Abgaskatalysator und einen Schalldämpfer in die Umgebung.
Zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoff ist ein Gasversorgungssystem 100 bekannten Aufbaus vorgesehen. Das Erdgas wird in einem Gasspeicher 101 , in der Regel als hochdruckfester Tank in Form einer oder mehreren Flaschenarmaturen realisiert, mit einem vorgegebenen Druck, beispielsweise mit einem Druck von 200 bar bevorratet. Über eine Hochdruckleitung 102 wird der gasförmige Kraftstoff über ein Absperrventil 103, einen Druckminderer oder Druckregler 104 einer Niederdruckleitung 105 zugeführt. Über das Absperrventil 103 kann die Gasentnahme aus dem Gasspeicher 101 gesperrt werden, wie es z. B. bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine 10 oder bei der Umschaltung auf eine andere Kraftstoffart bei bivalenten Brennkraftmaschinen erforderlich ist. Der Druckminderer oder Druckregler 104 dient zur Reduzierung des Gasdruckes auf die für die Niederdruckleitung 105 benötigten Werte, beispielsweise 5-20 bar. Aus der DE 195 24 413 A1 ist eine solche Druckregeleinheit einer Kraftstoffaufbereitungsanlage für gasförmigen Kraftstoff bekannt. Diese Druckregeleinheit weist ein von einer elektronischen Steuereinheit mit Taktimpulsen angesteuertes Magnetventil auf, über das auf der Niederdruckseite ein exaktes Druckniveau sowie ein genauer Durchfluss einstellbar sind.
Die Niederdruckleitung 105 ist mit einem als Kraftstoffspeicher dienenden
Kraftstoffrail 106 verbunden. Von dem Kraftstoffrail 106 zweigen eine der Anzahl der Zylinder 13 entsprechende Anzahl Zuleitungen 1 12 ab, an deren freien Enden jeweils ein Gaseinblaseventil 200 derart vorgesehen ist, dass bei entsprechender elektrischer Ansteuerung der Gaseinblaseventile 200 Gas direkt in die jeweiligen Brennräume der Brennkraftmaschine 10 eingeblasen werden kann.
Weiterhin enthält das Gasversorgungssystem 100 der Brennkraftmaschine 10 einen Temperatursensor 107 und einen Drucksensor 108 zur Erfassung der Tem- peratur T_H bzw. des Druckes p_H des Gases auf der Hochdruckseite, einen Temperatursensor 109 und einen Drucksensor 1 10 auf der Niederdruckseite zur Erfassung der Temperatur T_N bzw. des Druckes p_N des Gases auf der Niederdruckseite und ein Überdruckventil 1 1 1 , welches an der Niederdruckleitung 105 in der Nähe des Kraftstoffrails 106 angeordnet ist.
Ferner ist eine Steuerungseinrichtung 30 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuerungseinrichtung 30 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stell- Signale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Sensoren sind u. a. ein Pedalstellungsgeber 15, welcher die Stellung eines Fahrpedals 16 erfasst, ein Lastsensor 17, der ein die Last der Brenn kraftmasch ine 10 repräsentierendes Signal erfasst (z.B. Luftmassenmesser oder Saugrohr- drucksensor), ein Kurbelwellenwinkelsensor 18, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet wird und die Temperatursensoren 107, 109, sowie die Drucksensoren 108,1 10 auf der Hochdruck- und Niederdruckseite des Gasversorgungssystems 100. Je nach Ausführungsform der Erfindung können eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein, deren Signale in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen ES angedeutet sind.
Die Stellglieder sind beispielsweise eine im Ansaugtrakt 1 1 vorhandene Drosselklappe, zum Zünden des Gas-/Luftgemisches dienende Zündkerzen, die
Gaseinblaseventile 200, das Absperrventil 103, der Druckregler oder Druckmin- derer 104 sowie das Überdruckventil 1 1 1 . Weitere Signale für weitere Stellglieder, die zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 nötig, aber nicht explizit dargestellt sind, sind in der Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen AS gekennzeichnet.
Die Steuerungseinrichtung 30 entspricht einer Vorrichtung zum Steuern der gas- betriebenen Brennkraftmaschine 10 und kann auch als Motorsteuergerät bezeichnet werden. Insbesondere werden die Sollwerte des Drucks in dem Gasversorgungssystem 100 in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 10 bestimmt und die Signale der Drucksensoren 108, 1 10 und Temperatursensoren 107, 109 zur Regelung des Drucks in dem Gasversorgungssystem 100 ausgewertet und Stellsignale für das Absperrventil 103, den Druckminderer oder Druckregler 104 und das Überdruckventil 1 1 1 generiert. Alternativ kann das Überdruckventil 1 1 1 auch als rein mechanisches Überdruckventil ausgebildet sein.
Weiterhin berechnet die Steuerungseinrichtung 30 aus Daten wie z. B. aus der Drehzahl, dem angeforderten Drehmoment und/oder der Last der Brennkraftmaschine 10 die erforderliche Einspritzmenge an gasförmigen Kraftstoff, die Einspritzzeitdauer und den Einspritzbeginnzeitpunkt und/oder den Einspritzendezeitpunkt. Davon abhängig werden unter Berücksichtigung der Zustandsgrößen des Gases, insbesondere Temperatur und Druck, Ansteuersignale an die
Gaseinblaseventile 200 ausgegeben, so dass die korrekte Menge an Gas der Verbrennungsluft zugeführt wird. Im Folgenden wird nun der Aufbau und die Funktionsweise des in dem Gasversorgungssystem 100 nach Figur 1 eingesetzten Einblaseventils 200 näher erläutert.
Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung das Gaseinblaseventil 200 in einer Schließposition. Es weist ein vorzugsweise aus metallischem Werkstoff bestehendes, mehrteiliges Gehäuse 201 auf, so dass die einzelnen, in dem Gehäuse 201 befindlichen Komponenten leicht montiert werden können. Nach der Montage der noch näher zu beschreibenden Komponenten innerhalb des Gehäuses 201 wird dieses fluiddicht zusammengesetzt, beispielsweise verschweißt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die einzelnen Gehäuseteile nicht separat gekennzeichnet, sondern die Darstellung zeigt das Gehäuse 201 im montierten Zustand als einstückiges Bauteil.
Das Gehäuse 201 ist im Wesentlichen axialsymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Längsachse mit dem Bezugszeichen A-A gekennzeichnet ist. Das Pfeilsymbol gibt die Flussrichtung des gasförmigen Kraftstoffes, im Folgenden vereinfacht als Gas bezeichnet, wieder. Das Gehäuse 201 weist, bezogen auf dessen Längsachse A-A einen Antriebsabschnitt 202, einen an den Antriebsabschnitt 202 angrenzenden stromaufwärtigen Einströmabschnitt 203 für das Gas und einen an den Antriebs- abschnitt 202 angrenzenden stromabwärtigen Ausströmabschnitt 204 für das Gas auf. Der Antriebsabschnitt 202 weist gegenüber den beiden anderen Abschnitten 203, 204 quer zur Längsachse A-A eine größere Breite auf. In diesem Antriebsabschnitt 202 ist eine zylinderförmige Kammer 205 vorgesehen, in die eine als Stellantrieb für zwei Stellglieder 209, 210 dienende Magnetspule 206 eingebracht ist. Die Magnetspule 206 ist über nur schematisch dargestellte elektrische Leitungen 207 mit der Steuerungseinrichtung 30 (Fig. 1 ) verbunden.
Der Einströmabschnitt 203 weist ein Anschlussstück 208 auf, an dem die Zuleitung 1 12 für das Gas angeschlossen ist, so dass bei Bedarf das Gas über eine ver- schließbare Einlassöffnung 235 in das Gaseinblaseventil 200 einströmen kann.
Das erste Stellglied 209 ist innerhalb des stromaufwärtigen Einströmabschnittes 203 angeordnet und weist einen zylindrischen Grundkörper 215 auf, welcher an dem, der Einlassöffnung 235 zugewandten Ende einen, gegenüber dem zylindri- sehen Grundkörper 215 verbreiterten, pilzförmigen Schließkörper 21 1 aufweist, dessen Dichtfläche 212 mit einer entsprechenden Dichtfläche 213 an der Einlassöffnung 235 an dem stromaufwärtigen Einströmabschnitt 203 zusammenwirkt. An dem, dem Schließkörper 21 1 gegenüberliegenden Ende des zylindrischen Grundkörpers 215 ist eine aus ferromagnetischenn Material bestehende Ankerplatte 230 vorgesehen, die innerhalb der Kammer 205 liegt und dessen radiale Ausdehnung im wesentlichen der radialen Ausdehnung der Magnetspule 206 entspricht. Der die Magnetspule 206 und die Ankerplatte 230 aufnehmende Antriebsabschnitt 202 wird in Richtung zu dem stromaufwärtigen Einströmabschnitt 203 durch einen radial nach innen kragenden Flansch 214 begrenzt, so dass eine verbleibende Durchgangsöffnung 237 als axiale Führung für den zylindrischen Grundkörper 215 des ersten Stellgliedes 209 dient. Ein dem zylindrischen Grundkörper 215 zu- geordnetes erstes Federelement 216, vorzugsweise eine den Grundkörper 215 umgreifende Schraubendruckfeder stützt sich einerseits an einer, der Ankerplatte 230 abgewandten Seite des Flansches 214 und anderseits an dem Schließkörper 21 1 ab, so dass die Federkraft des Federelementes 216 das erste Stellglied 209 vorspannt und der Schließkörper 21 1 mit seiner Dichtfläche 212 an die Dichtfläche 213 des Einströmabschnittes 203 gedrückt wird.
Die Federkonstante des ersten Federelementes 216 ist derart bemessen, dass in der Schließposition des Gaseinblaseventils 200, also im unbestromten Zustand der Magnetspule 206, die Federkraft ausreicht, um dem Druck des Gases an der Ein- lassoffnung 235 entgegenzuwirken, so dass kein Gas in das Gaseinblaseventil 200 eintreten kann. Das erste Stellglied 209 dient also dazu, den Gasfluss in das Gaseinblaseventil 200 zu steuern.
Die Federkraft des ersten Federelementes 216 bewirkt gleichzeitig, dass die An- kerplatte 230 von der Stirnseite der Magnetspule 206 beabstandet ist. Der sich einstellende Abstand, im Folgenden auch als Luftspalt bezeichnet, ist mit dem Bezugszeichen H gekennzeichnet.
Die Ankerplatte 230 weist einen entlang der Längsachse A-A verlaufenden Kraft- stoffkanal 217 auf, welcher sich zumindest teilweise in den zylindrischen Grundkörper 215 erstreckt. Von diesem Kraftstoffkanal 217 verläuft, bezogen auf die Längsachse A-A an einer Stelle stromaufwärts des Flansches 214 im
Einströmabschnitt 203 eine radiale Bohrung 218 zur Außenseite des zylindrischen Grundkörpers 215, so dass eine Fließverbindung zwischen einem, aus der Au- ßenseite des zylindrischen Grundkörpers 215 und der Innenwandung des
Einströmabschnittes 203 gebildeten Einströmraum 219 und dem Kraftstoffkanal 217 hergestellt ist. Das zweite Stellglied 210 weist ebenfalls einen zylindrischen Grundkörper 220 auf und ist zumindest teilweise innerhalb des stromabwärtigen Ausströmabschnittes 204 angeordnet. Ein oberer Abschnitt des zylindrischen Grundkörpers 220 ist durch eine mittige Ausnehmung 221 der Magnetspule 206 geführt und weist an seinem freien Ende einen Flansch 222 auf. Der Flansch 222 kann aus nichtmagnetischem oder ferromagnetischem Material bestehen.
In der Ankerplatte 230 ist an deren, der Magnetspule 206 zugewandten Stirnseite eine zylindrische Kammer 223 vorgesehen, deren radiale Abmessung der radialen Abmessung des Flansches 222 entspricht und deren axiale Tiefe etwas größer bemessen ist, als die axiale Höhe des Flansches 222, so dass in der Schließposition des Gaseinblaseventils 200 zwischen dem Boden der Kammer 223 und der Stirnseite des Flansches 222 ein Abstand verbleibt, der im Folgenden auch als Luftspalt h bezeichnet wird.
An dem, dem Flansch 222 gegenüberliegenden Ende des zylindrischen Grundkörpers 220 ist ein Schließkörper 224 in Form eines Ventiltellers ausgebildet, dessen Dichtflächen 225 mit entsprechenden Dichtflächen 226 an dem
stromabwärtigen Ausströmabschnittes 204 zusammenwirken. Der Schließkörper 224 und die beiden Dichtflächen 225, 226 sind dem Druck in dem Brennraum der Brennkraftmaschine 10 ausgesetzt.
Zusätzlich zu der Führung des zylindrischen Grundkörpers 220 mittels der Ausnehmung 221 in der Magnetspule 206 weist der zylindrische Grundkörper 220 in einem oberen Teil des Ausströmabschnittes 204 einen nach außen kragenden
Führungsflansch 227 auf, der sich an der Innenwandung des Ausströmabschnittes 204 abstützt und so eine Führungsfläche für den zylindrischen Grundkörper 220 bildet. Im unteren Teil des Ausströmabschnittes 204 ragen von der Innenwandung des Ausströmabschnittes 204 zwei zueinander beabstandete, radial umlaufende Führungsstege 228, 229 ab, welche zur Anlage an der Außenkontur des zylindrischen Grundkörpers 220 gelangen, damit ebenfalls Führungsflächen bilden und somit die Führung während einer Axialbewegung des zweiten Stellgliedes 220 weiter unterstützen, insbesondere ein Verkanten oder Verklemmen des zweiten Stellgliedes 210 verhindern.
Der zylindrische Grundkörper 220 des zweiten Stellglieds 210 weist einen axial verlaufenden Kraftstoffkanal 231 auf, welcher auch den Flansch 222 durchdringt und bis in die Nähe des Schließgliedes 224 reicht, dieses aber nicht durchstößt. Vielmehr zweigt an einer Stelle, bezogen auf die Längsachse A-A stromabwärts des Führungssteges 229 eine radiale Bohrung 232 zur Außenseite des zylindrischen Grundkörpers 220 ab, so dass eine Fließverbindung zwischen dem Kraftstoffkanal 231 und einer, aus der Außenseite des zylindrischen Grundkörpers 220, dem Führungssteg 229 und dem Schließkörper 224 begrenzten Abgaberaum 233 hergestellt ist. Der Kraftstoffkanal 231 des zylindrischen Grundkörpers 220 des zweiten Stellgliedes 210 fluchtet mit dem Kraftstoffkanal 217 des zylindrischen Grundkörpers 215 des ersten Stellgliedes 209, so dass eine Fließverbindung für das Gas zwischen erstem Stellglied 209 und zweitem Stellglied 210 hergestellt ist.
Auch das zweite Stellglied 220 wird mittels eines zweiten Federelementes 234 vorgespannt, so dass sich in der Schließposition des Gaseinblaseventils 200, also im unbestromten Zustand der Magnetspule 206 an dem Schließkörper 224 ein Dichtsitz ergibt. Hierzu dient beispielsweise eine Schraubendruckfeder, welche sich einerseits an der, der Magnetspule 206 abgewandten Schulter des an dem
Grundkörper 220 angeformten Führungsflansches 227 und anderseits an der, der Magnetspule 206 zugewandten Schulter des Führungssteges 228 abstützt. Die Federkonstante dieses zweiten Federelementes 234, welche das zweite Stellglied 210 vorspannt, und damit die Dichtflächen 225, 226 zur Anlage bringt, kann kleiner gewählt werden, als die Federkonstante des ersten Federelementes 216 des ersten Stellgliedes 209, da dieses zweite Stellglied 210 nicht dem Gasdruck während der Schließposition ausgesetzt ist. Das zweite Stellglied 210 dient dazu, die Abgabe des Gases in den Brennraum zu steuern. Im Folgenden wird die Funktionsweise des oben beschriebenen Gaseinblaseventils 200 näher erläutert.
Wird an die Magnetspule 206 mittels der elektrischen Leitungen 207 eine elektrische Spannung angelegt, so wird aufgrund der sich einstellenden magnetischen Kräfte die Ankerplatte 230 des ersten Stellgliedes 209 entgegen der Vorspannkraft des ersten Federelementes 216 in Richtung auf die Magnetspule 206 gezogen. Durch die axiale Bewegung des ersten Stellgliedes 209 wird der Schließkörper 21 1 etwas von der Dichtfläche 213 des Einströmabschnittes 203 abgehoben. Dadurch kann Gas über die Zuleitung 1 12 und die Einlassöffnung 235 in den Einströmraum 219 strömen und von dort mittels der radialen Bohrung 218 in dem Kraftstoffkanal 217 des ersten Stellgliedes 209 und weiter in den Kraftstoff kanal 231 des zweiten Stellgliedes 210 gelangen. Während sich das erste Stellglied 209 bereits in Richtung Magnetspule 206 bewegt, verharrt das zweite Stellglied 210 noch in seiner geschlossenen Position. Erst wenn der zurückgelegte Weg der Ankerplatte 230 gleich dem Abstand h (Luftspalt) zwischen Boden der Kammer 205 und Stirnseite des Flansches 222 ist, gelangt die Stirnseite des Flansches 222 zur Anlage an den Boden der Kammer 205 und die Ankerplatte 230 drückt dann das zweite Stellglied 210 entgegen der Federkraft des zweiten Federelementes 234 nach unten, so dass der Schließkörper 224 beginnt von seinem Dichtsitz abzuheben. Gleichzeitig wird das erste Stellglied 209 weiter geöffnet, bis die Ankerplatte 230 den Abstand H vollständig überwunden hat und zur Anlage an der Stirnseite der Magnetspule 206 gelangt. Somit befinden sich nun der erste Schließkörper 21 1 und der zweite Schließkörper 224 in der Offen position. Das Gas strömt aus dem Kraftstoff kanal 231 und über die radiale Bohrung 232 in den Abgaberaum 233 und von dort über einen, von dem nach außen, d. h. in Richtung Brennraum abgehobenen Schließkörper 224 und der Dichtfläche 226 des Ausströmabschnittes 204 begrenzten Ringspalt 236 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 10.
In der Figur 3 ist das Gaseinblaseventil 200 in der Offenposition gezeigt, wobei die Pfeilsymbole die Gasflussrichtung kennzeichnen.
In der Offenposition ist ein großer effektiver Strömungsquerschnitt im
Ausströmabschnitt 204 freigegeben, sodass ein hoher Durchfluss von Gas die Folge ist. Aufgrund der beschriebenen Ausführungsform mit zwei getrennten Stellgliedern 209, 210 welche zumindest abschnittsweise unabhängig voneinander mittels einer einzigen Magnetspule 206 betätigt werden, können mit vergleichsweise geringen elektrischen Leistungen für die Magnetspule 206 relativ große Gasdrücke überwunden und hohe Durchflüsse realisiert werden.
Wird nun die Bestromung der Magnetspule 206 über die elektrischen Leitungen 207 unterbrochen, so wird aufgrund der Kraft des ersten Federelements 216 der
Schließkörper 21 1 des ersten Stellgliedes 209 mit seiner Dichtfläche 212 in Anlage an die Dichtfläche 213 des Einströmabschnitt 203 gebracht und ein weiterer Gasfluss in das Gaseinblaseventil 200 sicher unterbunden. Zudem wird das zweite Stellglied 210 unter Einwirkung der Federkraft des Federelementes 234 in die Ausgangsposition zurückbewegt, wie sie in Figur 2 dargestellt ist.
Der Luftspalt h zwischen Boden der Kammer 223 und der Stirnseite des Flansches 222 hat außerdem die Funktion eines Spielausgleichs, da es ansonsten vorkom- men könnte, dass der Schließkörper 224 am Ausströmabschnitt 204 nicht mehr dichtet, weil der Flansch 222 des Stellgliedes 210 an dem Boden der Kammer 223 anstößt. Das erfindungsgemäße Gaseinblaseventil 200 wurde im Umfeld einer Brennkraftmaschine erläutert, die für reinen Gasbetrieb (monovalenter Betrieb) ausgelegt ist. Es ist aber auch bei Brennkraftmaschinen einsetzbar, die für bivalenten Betrieb, d.h. für die Verbrennung von zwei verschiedenen Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin und Gas ausgelegt sind. In diesem Falle ist neben dem beschriebenen Kraftstoffversorgungssystem für den gasförmigen Kraftstoff zusätzlich ein herkömmliches Kraftstoffversorgungssystem für den Benzinbetrieb vorgesehen.
Die Steuerungseinrichtung für einen solchen Bi-Fuel-Betrieb der Brennkraftmaschinen übernimmt dann die Steuerung und oder Regelung der Einspritzung beider Kraftstoffarten.
Weiters ist es möglich, das beschriebene Gasversorgungssystem mit dem erfindungsgemäßen Gaseinblaseventil 200 als Nachrüstlösung bei Fahrzeugen einzusetzen, die ab Werk für monovalenten Betrieb mit einer anderen Kraftstoffart, bei- spielsweise Benzin ausgestattet sind. In diesem Falle dient die Steuerungseinrichtung 30 für den Gasbetrieb als Zusatz-Motorsteuergerät, das bevorzugt über einen elektronischen Datenbus, z. B. einem CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät für den Benzinbetrieb kommuniziert und Daten und Signale austauscht.
-.
1 o
Begriffs-/Bezugszeichenliste
10 Brennkraftmaschine
1 1 Ansaugtrakt
12 Motorblock
13 Zylinder
14 Abgastrakt
15 Pedalstellungsgeber
16 Fahrpedal
17 Lastsensor
18 Kurbelwellenwinkelsensor
30 Steuerungseinrichtung
100 Gasversorgungssystem
101 Gasspeicher
102 Hochdruckleitung
103 Absperrventil
104 Druckminderer, Druckregler
105 Niederdruckleitung
106 Kraftstoffrail
107 Temperatursensor Hochdruckseite
108 Drucksensor Hochdruckseite
109 Temperatursensor Niederdruckseite
1 10 Drucksensor Niederdruckseite
1 1 1 Überdruckventil
1 12 Zuleitung
200 Gaseinblaseventil
201 Gehäuse des Gaseinblaseventils
202 Antriebsabschnitt des Gehäuses
203 Einströmabschnitt des Gehäuses
204 Ausströmabschnitt des Gehäuses
205 Kammer
206 Stellantrieb, Magnetspule
207 elektrische Leitung
208 Anschlussstück
209 erstes Stellglied
210 zweites Stellglied 21 1 Schließkörper des erstes Stellgliedes
212 Dichtfläche des Schließkörpers erstes Stellglied
213 Dichtfläche des Einströmbereiches
214 Flansch
215 zylindrischer Grundkörper erstes Stellglied
216 erstes Federelement, Schraubendruckfeder
217 Kraftstoffkanal
218 radiale Bohrung
219 Einströmraunn
220 zylindrischer Grundkörper zweites Stellglied
221 mittige Ausnehmung der Magnetspule
222 Flansch des zweiten Stellgliedes
223 Kannnner in der Ankerplatte
224 Schließkörper des zweiten Stellgliedes, Ventilteller
225 Dichtfläche des Schließkörpers zweites Stellglied
226 Dichtfläche des Ausströmbereiches
227 Führungsflansch
228 Führungssteg
229 Führungssteg
230 Ankerplatte
231 Kraftstoffkanal
232 radiale Bohrung
233 Abgaberaum
234 zweites Federelement, Schraubendruckfeder
235 Einlassöffnung
236 Ringspalt am Ausströmbereich
237 Durchgangsöffnung
A-A Längsachse
AS Ausgangssignale
ES Eingangssignale
h Abstand, Luftspalt zwischen Flansch und Boden der Kammer 223
H Abstand, Luftspalt zwischen Magnetspule und Ankerplatte
T_H Temperatur des Gases auf der Hochdruckseite
T_N Temperatur des Gases auf der Niederdruckseite
P_H Druck des Gases auf der Hochdruckseite
P N Druck des Gases auf der Niederdruckseite

Claims

Patentansprüche
1 .Ventil (200) zum Einblasen von gasförmigen Kraftstoffen für eine Brennkraftmaschine (10),
- mit einem Gehäuse (201 ), das bezüglich seiner Längserstreckung (A-A) einen Einströmabschnitt (203) und einen Ausströmabschnitt (204) für den gasförmigen Kraftstoff, und einen zwischen dem Einströmabschnitt (203) und dem
Ausströmabschnitt (204)liegenden Antriebsabschnitt (202) aufweist,
- mit einem ersten Stellglied (209), das dem Einströmabschnitt (203) zugeordnet ist und das abhängig von einer Schaltstellung des ersten Stellgliedes (209) die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffes freigibt oder verhindert,
- mit einem zweiten Stellglied (210), das dem Ausströmabschnitt (204) zugeordnet ist und das abhängig von einer Schaltstellung des zweiten Stellgliedes (210) die Abgabe des gasförmigen Kraftstoffes freigibt oder verhindert,
- mit einem Stellantrieb (206), der im Antriebsabschnitt (202) angeordnet und mit beiden Stellgliedern (209, 210) derart gekoppelt ist, dass die Stellglieder (209, 210) unabhängig voneinander in eine Offenposition gebracht werden können.
2. Ventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (206) in Form einer Magnetspule ausgebildet ist, welche in einer Kammer (205) des Antriebsabschnittes (202) angeordnet ist und eine mittige Ausnehmung (221 ) aufweist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (209 einen zylindrischen Grundkörper (215) aufweist, an dem, der Magnetspule (206) zugewandten freien Ende eine aus ferromagnetischem Material bestehende Ankerplatte (230) ausgebildet ist, welche in einer Schließposition des ersten Stellgliedes (209) einen Abstand (H) zur Stirnseite der Magnetspule (206) einnimmt.
4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (209) an seinem, einer Einlassöffnung (235) des
Einströmabschnittes (203) zugewandten Stirnseite einen Schließkörper (21 1 ) aufweist, der in einer Schließposition des ersten Stellgliedes (209) mittels eines ersten Federelementes (216) gegen einen Dichtsitz (212, 213) gedrückt wird.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 3-4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zylindrischen Grundkörper (215) des ersten Stellgliedes (209) ein Kraftstoffkanal (218, 217) vorgesehen ist, der ausgehend von einem im Einströmabschnitt (203) vorhandenen Einströrnraum (219) in Richtung zur Ankerplatte (230) verläuft und diese mittig durchschneidet.
6. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der in der Ankerplatte (230) eine Kammer (223) vorgesehen ist.
7. Ventil nach Anspruch 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (210) einen zylindrischen Grundkörper (220) aufweist, wobei ein Abschnitt des zylindrischen Grundkörpers (220 durch die mittige Ausnehmung (221 ) der Mag- netspule (206) hindurchgeführt ist und an dem, aus der Ausnehmung (221 ) überstehenden Ende des zylindrischen Grundkörpers (220) ein Flansch (222) angeformt ist, welcher teilweise in die Kammer (223) der Ankerplatte (230) ragt, so dass in einer Schließposition des zweiten Stellgliedes (210) zwischen Stirnseite des Flansches (222) und Boden der Kammer (223) ein zweiter Abstand (h) verbleibt.
8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (210) an seinem, einem Abgaberaum (233) innerhalb des Ausströmabschnittes (204) zugewandten Ende ein zweiter Schließkörper (224) in Form eines Ventiltellers ausgebildet ist, der in einer Schließposition des zweiten Stellgliedes (210) mittels eines zweiten Federelementes (234) gegen einen Dichtsitz (225, 226) gedrückt wird.
9. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zylindrischen Grundkörper (220) ein axial verlaufender Kraftstoffkanal (231 ) vorgesehen ist, der sich von der Stirnseite des Flansches (222) bis in die Nähe des Schließkörpers (224) erstreckt und dort mit einer zur Außenseite des zylindrischen Grundkörpers (220) führenden, radial verlaufenden Bohrung (232) kommuniziert, so dass eine Fließverbindung zu dem Abgaberaum (233) hergestellt ist.
10. Ventil nach Anspruch 5-9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem in dem zylindrischen Grundkörper (215) des ersten Stellgliedes (209) verlaufende Kraft- stoffkanal (217) und dem im zylindrischen Grundkörper (210) des zweiten Stellgliedes (219) verlaufenden Kraftstoff kanal (231 ) eine Fließverbindung besteht.
1 1 . Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper (220) des zweiten Stellgliedes (210) mittels mindestens eines, an der Innenwandung des Ausströmabschnittes (204) angeordneten Führungssteges (228,229) bezüglich einer axialen Bewegung geführt ist.
12. Ventil nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper (220) des zweiten Stellgliedes (210) einen umlaufenden Flansch (227) aufweist, der sich an der Innenwandung des Ausströmabschnittes (204) abstützt, so dass das zweite Stellglied (210) bezüglich einer axialen Bewegung geführt ist.
13. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (213) des Einströmabschnittes (203) und zumindest die Dichtfläche (212) des Schließ- körpers (21 1 ) des ersten Stellgliedes (209) Elastomere- Werkstoff beinhaltet.
14. Ventil nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstate des ersten Federelementes (216) in dem Einströmabschnitt (203) größer ist als die Federkonstante des zweiten Federelementes (234 ) im Ausströmnabschnitt (204).
15. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (222) aus ferromagnetischem Material besteht.
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