WO2023104418A1 - Gas valve for the metered dispensing of a gaseous fuel and method for operating a gas valve of this kind - Google Patents

Gas valve for the metered dispensing of a gaseous fuel and method for operating a gas valve of this kind Download PDF

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WO2023104418A1
WO2023104418A1 PCT/EP2022/081218 EP2022081218W WO2023104418A1 WO 2023104418 A1 WO2023104418 A1 WO 2023104418A1 EP 2022081218 W EP2022081218 W EP 2022081218W WO 2023104418 A1 WO2023104418 A1 WO 2023104418A1
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magnet armature
valve seat
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gas valve
armature
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PCT/EP2022/081218
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Inventor
Oezguer Tuerker
Marco Beier
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures

Definitions

  • the invention relates to a gas valve that is preferably used to dispense gaseous fuels in a metered manner, for example as a metering valve for a combustion chamber of an internal combustion engine or as a metering valve in a tank system, and a method for operating such a gas valve.
  • Gas valves for the metered release of a gaseous fuel are used, for example, to supply an internal combustion engine. Since gaseous fuel contains little energy per volume compared to liquid fuel, the gas valve must open a large cross-section compared to the cross-sections used with liquid fuels, so that the required amount of gaseous fuel can flow through in the available time. In the case of solenoid valves, the magnet armature, which controls the flow cross-section, must perform a correspondingly large lift against the pressure of the gaseous fuel that is present. This requires a strong electromagnet and a correspondingly large amount of space.
  • DE 10 2020 214 170 A1 discloses a gas metering valve which contains two independently switchable valves: a pilot valve which is acted upon by the gas pressure of the gaseous fuel present, and an outlet valve which controls the actual outlet opening and is also electromagnetically controlled.
  • the gas space between the two control valves which was largely depressurized at the beginning of the dosing process, is flooded with the gaseous fuel via the opening of the pilot valve.
  • the gas pressure causes a pressure assist of the outward opening exhaust valve, which can thus be controlled with a relatively small electromagnet.
  • the two electromagnets required here are relatively expensive and require a lot of installation space, so that compact metering valves are difficult to implement.
  • the gas valve according to the invention for metered delivery of a gaseous fuel has the advantage that the solenoid valve provides a large lift and thus a large controllable flow cross section, allowing a compact design and thus requiring little installation space.
  • the gas valve has an outer magnet armature which interacts with an outer valve seat to open and close an outer flow cross section.
  • an electromagnet exerts a translational force in a longitudinal direction on the inner magnet armature and the outer magnet armature.
  • a pressure surface is formed on the outer magnet armature, which exerts a force acting in the opening direction on the outer magnet armature when pressure is applied.
  • the pressure surface is arranged downstream of the inner flow cross section, so that only the gas flowing through the inner flow cross section acts on the pressure surface in the opening direction.
  • the prevailing pressure of the gaseous fuel acts on the inner magnet armature, which opens a first flow cross-section. Since it is smaller than the outer magnet armature, a relatively small electromagnet is sufficient to apply the necessary force and open the inner magnet armature against the gas pressure.
  • the gas flowing through the first flow cross-section then acts on the pressure surface of the outer magnet armature and exerts an opening force on the outer magnet armature. Due to this additional opening force, the outer magnet armature is largely pressure-balanced and can now be pulled in the opening direction by the same electromagnet.
  • the outer magnet armature controls an outer flow cross section that is larger than the inner flow cross section and that is now available for the gaseous fuel to supply the required amount of gas in the time available.
  • the gas valve has a prestressed closing spring which, due to its prestressing force, exerts a closing force on the inner magnet armature in the direction of the inner valve seat.
  • the force of the closing spring is measured in such a way that it can also be overcome by the electromagnet in addition to the pressure of the gaseous fuel.
  • the closing spring also serves to bring both magnet armatures into a defined starting position and thus to keep them in their closed position when the electromagnet is switched off.
  • the inner flow cross section is formed by a central bore in the outer magnet armature.
  • the inner valve seat advantageously surrounds the opening of the central bore, so that a compact construction is achieved and a sufficient flow cross section can be opened quickly.
  • the outer magnet armature is accommodated in a pole tube which is surrounded by the electromagnet.
  • the pole tube is used to intensify the magnetic field generated by the electromagnet and to focus and align the magnetic field to the outer and inner magnet armature.
  • an edge is advantageously formed on the inside of the pole tube, which is opposite an outer edge formed on the inner magnet armature. The magnetic flux is focused on the inner magnet armature by the edges and the magnetic force is increased accordingly.
  • the end face of the outer magnet armature interacts with the outer valve seat. Since the outer magnet armature has a relatively large end face, a large flow cross section can be switched.
  • the energization of the electromagnet is selected in such a way that the opening force exerted sufficient on the inner armature to lift it from the inner valve seat, while at the same time the magnetic force on the outer armature is too weak to lift the outer armature from the outer valve seat.
  • a magnetic force is exerted on the inner magnet armature, which activates the first flow cross-section. Only after the gaseous fuel flows through the first flow cross-section and acts on the pressure surface is the magnetic force on the outer magnet armature sufficient to lift it from the sealing seat and open the second flow cross-section.
  • the drawing shows a gas valve according to the invention in longitudinal section, only the essential components of the gas valve being shown.
  • the gas valve has a housing 1 which comprises a valve body 2 and a connection body 3 which are connected to one another in a gas-tight manner.
  • the gaseous fuel is introduced into the gas valve via a connection piece 4, the connection piece 4 being fitted in a sealing manner in a pole tube 5, in the interior of which a gas chamber 6 is formed.
  • the pole tube 5 bears against a valve plate 7, with an outlet opening 8 being formed in the valve plate 7, through which the gaseous fuel is discharged.
  • An electromagnet 10 is arranged in the valve body 2 , which surrounds the pole tube 5 and induces a magnetic field in the pole tube 5 .
  • An outer magnet armature 12 is arranged in a longitudinally displaceable manner in the gas space 6 within the pole tube 5 and interacts with an outer valve seat 16 for controlling an outer flow cross section.
  • the valve seat 16 is designed on the valve plate 7 formed and surrounds the outlet opening 8, so that the outer flow cross-section between the outer magnet armature 12 and the valve seat 16 is controlled.
  • an inner magnet armature 18 is also longitudinally displaceable, which is pressed against an inner valve seat 14, which is formed on the outer magnet armature 12, by a closing spring 27 arranged under compressive prestress between the connecting piece 4 and the inner magnet armature 18.
  • the inner valve seat 14 surrounds a bore 23 in the outer magnet armature 12, which forms the inner flow cross section 17.
  • the flow of the gaseous fuel within the gas space 6 is ensured by oblique bores 19 in the inner magnet armature 18, with a plurality of oblique bores 19 being present which run at an angle to the longitudinal axis of the inner magnet armature 18.
  • the oblique bores 19 open into channels 13 in the outer magnet armature 12, through which the gaseous fuel flows on to the outer valve seat 16.
  • a stop surface 24 is formed on the pole tube 5, against which the outer magnet armature 12 comes into contact during its opening stroke.
  • an edge 25 is formed on the inside of the pole tube 5, which is opposite an outer edge 21 of the inner magnet armature 18.
  • the magnetic field is concentrated on the edge 25 and penetrates the inner magnet armature 18 via the outer edge 21 so that a translatory force is exerted on the inner magnet armature 18 in a targeted manner, which pulls it away from the inner valve seat 16 .
  • a part of the magnetic force is also directed to the outer magnet armature 12, so that this also experiences a translational force in the longitudinal direction.
  • an inner seal 29 is formed on the inner valve seat 14, which can be formed, for example, as an elastomeric seal.
  • Such an outer seal 30 can also be present on the outer valve seat 16 .
  • the function of the gas valve is as follows: At the beginning of the metering process, gaseous fuel is present in the gas chamber 6 and is introduced into the gas chamber 6 via the connection body 4 .
  • the inner magnet armature 18 is prestressed against the inner valve seat 14 by the closing spring 27 and thereby presses also the outer magnet armature 12 against the outer valve seat 16, so that both the inner flow cross section 17 and the outer flow cross section 22 are closed. If a dosing process is to take place, the electromagnet 10 is energized and the magnetic field generated causes a translational force on the magnet armature 12, 18.
  • Gaseous fuel flows via the bores 19 and the inner flow cross-section 17 opened between the inner magnet armature 18 and the inner valve seat 14 into the bore 23 and further into the outlet opening 8. There the gaseous fuel acts on the pressure surface 15, which is formed on the outer magnet armature 12 and which exerts a longitudinal force on the outer armature 12 when pressurized.
  • This additional longitudinal force leads to an at least partial equalization of pressure on the outer magnet armature 12 so that it is now moved away from the outer valve seat 16 by the magnetic field of the electromagnet 10 .
  • the magnetic force on the outer magnet armature 12 increases the further it dips into the electromagnet 10, with the outer magnet armature 12 taking the inner magnet armature 10 with it during its further opening stroke movement.
  • the first flow cross-section 17 is closed again in the process, the gas can now flow largely unthrottled through the outer flow cross-section 22 into the discharge channel 8 .
  • This flow path is indicated in Fig. 1 with dashed lines.
  • the electromagnet 10 is switched off so that the closing spring 27 presses the inner magnet armature 18 and thus also the outer magnet armature 12 back into the respective closed position
  • the force of the electromagnet 10 is dimensioned such that after the coil current is switched on, the magnetic field is sufficient to lift the inner magnet armature 18 against the force of the closing spring 27 and against the gas pressure in order to open the inner flow cross section 17 .
  • the magnetic force on the outer magnet armature 12 is not sufficient to lift it off the outer valve seat 16 . This is only sufficient when the pressure surface 15 is subjected to the gas pressure and the resulting extensive pressure equalization Magnetic field of the electromagnet 10 from pulling the outer magnet armature 12 away from the outer valve seat 16.
  • a cascading opening of the two magnet armatures 12, 18 with only one electromagnet 10 is possible, and a large flow cross section can be switched with a relatively small magnetic force.

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Abstract

The invention relates to a gas valve for the metered dispensing of a gaseous fuel, having an outer armature (12) which interacts with an outer valve seat (16) in order to open and close an outer flow cross section (22), and having an inner armature (18) which is guided in the outer armature (12) and interacts with an inner valve seat (14) formed on the outer armature in order to open and close an inner flow cross section (17). When energised, an electromagnet (10) exerts a translational force in a longitudinal direction on the inner armature (18) and the outer armature (12), wherein a pressure face (15) is formed on the outer armature (12) which, when pressure is applied, exerts a force on the outer armature acting in the opening direction. The pressure face (15) is downstream of the inner flow cross section (17) and therefore the gas flowing through the inner flow cross section (17) hits the pressure face (15) in the opening direction. In the method for operating the gas valve, the electromagnet (10) is energised such that the opening force exerted on the inner armature (18) is sufficient to lift same off the inner valve seat (14), whereas the magnetic force on the outer armature (12) is not sufficient to lift the outer armature (12) off the outer valve seat (16).

Description

Titel title
Gasventil zur dosierten Abgabe eines gasförmigen Brennstoffs und Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasventils Gas valve for metered delivery of a gaseous fuel and method of operating such a gas valve
Die Erfindung betrifft ein Gasventil, wie es vorzugsweise Verwendung findet, um gasförmige Brennstoffe dosiert abzugeben, beispielsweise als Dosierventil für einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder als Zumessventil eines Tanksystems, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasventils. The invention relates to a gas valve that is preferably used to dispense gaseous fuels in a metered manner, for example as a metering valve for a combustion chamber of an internal combustion engine or as a metering valve in a tank system, and a method for operating such a gas valve.
Stand der Technik State of the art
Gasventile zur dosierten Abgabe eines gasförmigen Brennstoffs werden beispielsweise zur Versorgung einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Da gasförmiger Brennstoff im Vergleich zu flüssigem Kraftstoff wenig Energie pro Volumen enthält, muss das Gasventil einen großen Querschnitt aufsteuern verglichen mit den verwendeten Querschnitten bei flüssigen Kraftstoffen, damit die benötigte gasförmige Brennstoff menge in der zur Verfügung stehenden Zeit durchströmen kann. Bei Magnetventilen muss der Magnetanker, der den Strömungsquerschnitt steuert, einen entsprechend großen Hub ausführen gegen den Druck des anstehenden gasförmigen Brennstoffs. Dies erfordert einen starken Elektromagneten und entsprechend viel Bauraum. Aus der DE 10 2020 214 170 Al ist ein Gasdosierventil bekannt, das zwei unabhängig schaltbare Ventile beinhaltet: Ein Vorsteuerventil, das vom Gasdruck des anstehenden gasförmigen Brennstoffs beaufschlagt ist, und ein die eigentliche Auslassöffnung steuerndes Auslassventil, das ebenfalls elektromagnetisch gesteuert ist. Über die Öffnung des Vorsteuerventils wird der Gasraum zwischen den beiden Steuerventilen, der zu Beginn des Dosiervorgangs weitgehend drucklos war, mit dem gasförmigen Brennstoff geflutet. Der Gasdruck bewirkt eine Druckunterstützung des nach außen öffnenden Auslassventils, das so mit einem relativ kleinen Elektromagneten gesteuert werden kann. Die hier benötigten zwei Elektromagneten sind jedoch relativ teuer und erfordern viel Bauraum, sodass kompakte Dosierventile nur schwer realisierbar sind. Gas valves for the metered release of a gaseous fuel are used, for example, to supply an internal combustion engine. Since gaseous fuel contains little energy per volume compared to liquid fuel, the gas valve must open a large cross-section compared to the cross-sections used with liquid fuels, so that the required amount of gaseous fuel can flow through in the available time. In the case of solenoid valves, the magnet armature, which controls the flow cross-section, must perform a correspondingly large lift against the pressure of the gaseous fuel that is present. This requires a strong electromagnet and a correspondingly large amount of space. DE 10 2020 214 170 A1 discloses a gas metering valve which contains two independently switchable valves: a pilot valve which is acted upon by the gas pressure of the gaseous fuel present, and an outlet valve which controls the actual outlet opening and is also electromagnetically controlled. The gas space between the two control valves, which was largely depressurized at the beginning of the dosing process, is flooded with the gaseous fuel via the opening of the pilot valve. The gas pressure causes a pressure assist of the outward opening exhaust valve, which can thus be controlled with a relatively small electromagnet. However, the two electromagnets required here are relatively expensive and require a lot of installation space, so that compact metering valves are difficult to implement.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Das erfindungsgemäße Gasventil zur dosierten Abgabe eines gasförmigen Brennstoffs weist den Vorteil auf, dass das Magnetventil einen großen Hub und damit einen großen steuerbaren Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellt, wobei es eine kompakte Bauweise erlaubt und damit wenig Bauraum benötigt. Dazu weist das Gasventil einen äußeren Magnetanker auf, der mit einem äußeren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines äußeren Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Weiter ist ein innerer Magnetanker vorhanden, der im äußeren Magnetanker geführt ist und der mit einem am äußeren Magnetanker ausgebildeten inneren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen eines inneren Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Ein Elektromagnet übt bei Bestromung eine translatorische Kraft in einer Längsrichtung auf den inneren Magnetanker und den äußeren Magnetanker aus. Am äußeren Magnetanker ist eine Druckfläche ausgebildet, die bei Druckbeaufschlagung eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf den äußeren Magnetanker ausübt. Die Druckfläche ist dabei dem inneren Strömungsquerschnitt nachgeordnet, so dass erst das durch den inneren Strömungsquerschnitt strömende Gas die Druckfläche in Öffnungsrichtung beaufschlagt. The gas valve according to the invention for metered delivery of a gaseous fuel has the advantage that the solenoid valve provides a large lift and thus a large controllable flow cross section, allowing a compact design and thus requiring little installation space. For this purpose, the gas valve has an outer magnet armature which interacts with an outer valve seat to open and close an outer flow cross section. There is also an inner magnet armature which is guided in the outer magnet armature and which interacts with an inner valve seat formed on the outer magnet armature to open and close an inner flow cross section. When energized, an electromagnet exerts a translational force in a longitudinal direction on the inner magnet armature and the outer magnet armature. A pressure surface is formed on the outer magnet armature, which exerts a force acting in the opening direction on the outer magnet armature when pressure is applied. The pressure surface is arranged downstream of the inner flow cross section, so that only the gas flowing through the inner flow cross section acts on the pressure surface in the opening direction.
Der anstehende Druck des gasförmigen Brennstoffs beaufschlagt den inneren Magnetanker, der einen ersten Strömungsquerschnitt aufsteuert. Da er kleiner als der äußere Magnetanker ist, genügt ein relativ kleiner Elektromagnet, um die notwendige Kraft aufzubringen und den inneren Magnetanker gegen den Gasdruck zu öffnen. Das durch den ersten Strömungsquerschnitt strömende Gas beaufschlagt dann die Druckfläche des äußeren Magnetankers und übt eine öffnende Kraft auf den äußeren Magnetanker aus. Aufgrund dieser zusätzlichen Öffnungskraft ist der äußere Magnetanker weitgehend druckausgeglichen und kann jetzt durch denselben Elektromagneten in Öffnungsrichtung gezogen werden. Der äußere Magnetanker steuert dabei einen äußeren Strömungsquerschnitt auf, der größer als der innere Strömungsquerschnitt ist und der jetzt für den gasförmigen Brennstoff zur Verfügung steht, um die benötigte Gasmenge in der zur Verfügung stehenden Zeit einzudosieren. Durch die Anordnung des inneren Magnetankers im äußeren Magnetanker ist ein kompakter Aufbau möglich, der wenig Bauraum benötigt. The prevailing pressure of the gaseous fuel acts on the inner magnet armature, which opens a first flow cross-section. Since it is smaller than the outer magnet armature, a relatively small electromagnet is sufficient to apply the necessary force and open the inner magnet armature against the gas pressure. The gas flowing through the first flow cross-section then acts on the pressure surface of the outer magnet armature and exerts an opening force on the outer magnet armature. Due to this additional opening force, the outer magnet armature is largely pressure-balanced and can now be pulled in the opening direction by the same electromagnet. The outer magnet armature controls an outer flow cross section that is larger than the inner flow cross section and that is now available for the gaseous fuel to supply the required amount of gas in the time available. By arranging the inner magnet armature in the outer magnet armature, a compact design is possible that requires little space.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist im Gasventil eine vorgespannte Schließfeder vorhanden, die durch ihre Vorspannkraft eine Schließkraft in Richtung des inneren Ventilsitzes auf den inneren Magnetanker ausübt. Die Kraft der Schließfeder ist dabei so bemessen, dass sie auch zusätzlich zum Druck des gasförmigen Brennstoffs vom Elektromagneten überwunden werden kann. Die Schließfeder dient weiter dazu, beide Magnetanker in eine definierte Ausgangsstellung zu bringen und damit bei ausgeschaltetem Elektromagneten in ihrer Schließstellung zu halten. In a first advantageous embodiment, the gas valve has a prestressed closing spring which, due to its prestressing force, exerts a closing force on the inner magnet armature in the direction of the inner valve seat. The force of the closing spring is measured in such a way that it can also be overcome by the electromagnet in addition to the pressure of the gaseous fuel. The closing spring also serves to bring both magnet armatures into a defined starting position and thus to keep them in their closed position when the electromagnet is switched off.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der innere Strömungsquerschnitt durch eine mittige Bohrung im äußeren Magnetanker ausgebildet. Der innere Ventilsitz umgibt in vorteilhafter Weise die Öffnung der mittigen Bohrung, so dass ein kompakter Aufbau erreicht wird und ein ausreichender Strömungsquerschnitt schnell aufgesteuert werden kann. In a further advantageous embodiment, the inner flow cross section is formed by a central bore in the outer magnet armature. The inner valve seat advantageously surrounds the opening of the central bore, so that a compact construction is achieved and a sufficient flow cross section can be opened quickly.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der äußeren Magnetanker in einem Polrohr aufgenommen, das vom Elektromagneten umgeben ist. Das Polrohr dient der Verstärkung des vom Elektromagneten erzeugten Magnetfelds und der Bündelung und Ausrichtung des Magnetfeldes auf den äußeren und inneren Magnetanker. Zur Fokussierung auf den inneren Magnetanker ist in vorteilhafter Weise an der Innenseite des Polrohrs eine Kante ausgebildet, der eine am inneren Magnetanker ausgebildete Außenkante gegenüberliegt. Durch die Kanten wird der magnetische Fluss auf den inneren Magnetanker fokussiert und die magnetische Kraft entsprechend verstärkt. In a further advantageous embodiment, the outer magnet armature is accommodated in a pole tube which is surrounded by the electromagnet. The pole tube is used to intensify the magnetic field generated by the electromagnet and to focus and align the magnetic field to the outer and inner magnet armature. For focusing on the inner magnet armature, an edge is advantageously formed on the inside of the pole tube, which is opposite an outer edge formed on the inner magnet armature. The magnetic flux is focused on the inner magnet armature by the edges and the magnetic force is increased accordingly.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wirkt die Stirnseite des äußeren Magnetankers mit dem äußeren Ventilsitz zusammen. Da der äußere Magnetanker eine relativ große Stirnseite aufweist, lässt sich ein großer Strömungsquerschnitt schalten. In a further advantageous embodiment, the end face of the outer magnet armature interacts with the outer valve seat. Since the outer magnet armature has a relatively large end face, a large flow cross section can be switched.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Gasventils wird die Bestromung des Elektromagneten so gewählt, dass die ausgeübte Öffnungskraft auf den inneren Magnetanker ausreicht, diesen vom inneren Ventilsitz abzuheben, wobei gleichzeitig die magnetische Kraft auf den äußeren Magnetanker zu schwach ist, um den äußeren Magnetanker vom äußeren Ventilsitz abzuheben. Durch das Schalten des Elektromagneten wird so eine magnetische Kraft auf den inneren Magnetanker ausgeübt, die den ersten Strömungsquerschnitt freischaltet. Erst nachdem der gasförmige Brennstoff durch den ersten Strömungsquerschnitt strömt und die Druckfläche beaufschlag, reicht die magnetische Kraft auf den äußeren Magnetanker aus, um diesen vom Dichtsitz abzuheben und den zweiten Strömungsquerschnitt aufzusteuern. In the method according to the invention for operating the gas valve, the energization of the electromagnet is selected in such a way that the opening force exerted sufficient on the inner armature to lift it from the inner valve seat, while at the same time the magnetic force on the outer armature is too weak to lift the outer armature from the outer valve seat. By switching the electromagnet, a magnetic force is exerted on the inner magnet armature, which activates the first flow cross-section. Only after the gaseous fuel flows through the first flow cross-section and acts on the pressure surface is the magnetic force on the outer magnet armature sufficient to lift it from the sealing seat and open the second flow cross-section.
Zeichnung drawing
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Gasventil im Längsschnitt dargestellt. In the drawing, a gas valve according to the invention is shown in longitudinal section.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
Die Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Gasventil im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bauteile des Gasventils dargestellt sind. Das Gasventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilkörper 2 und einen Anschlusskörper 3 umfasst, die gasdicht miteinander verbunden sind. Der gasförmige Brennstoff wird über ein Anschlussstück 4 in das Gasventil eingeleitet, wobei das Anschlussstück 4 in einem Polrohr 5 dichtend eingepasst ist, in dessen Inneren ein Gasraum 6 ausgebildet ist. Das Polrohr 5 liegt an seinem auslassseitigen Ende an einer Ventilplatte 7 an, wobei in der Ventilplatte 7 eine Auslassöffnung 8 ausgebildet ist, durch die der gasförmige Brennstoff abgegeben wird. The drawing shows a gas valve according to the invention in longitudinal section, only the essential components of the gas valve being shown. The gas valve has a housing 1 which comprises a valve body 2 and a connection body 3 which are connected to one another in a gas-tight manner. The gaseous fuel is introduced into the gas valve via a connection piece 4, the connection piece 4 being fitted in a sealing manner in a pole tube 5, in the interior of which a gas chamber 6 is formed. At its outlet-side end, the pole tube 5 bears against a valve plate 7, with an outlet opening 8 being formed in the valve plate 7, through which the gaseous fuel is discharged.
Im Ventilkörper 2 ist ein Elektromagnet 10 angeordnet, der das Polrohr 5 umgibt und der ein magnetisches Feld im Polrohr 5 induziert. Im Gasraum 6 innerhalb des Polrohrs 5 ist ein äußerer Magnetanker 12 längsverschiebbar angeordnet, der mit einem äußeren Ventilsitz 16 zur Steuerung eines äußeren Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Der Ventilsitz 16 ist dabei an der Ventilplatte 7 aus- gebildet und umgibt die Auslassöffnung 8, so dass der äußere Strömungsquerschnitt zwischen dem äußeren Magnetanker 12 und dem Ventilsitz 16 aufgesteuert wird. An electromagnet 10 is arranged in the valve body 2 , which surrounds the pole tube 5 and induces a magnetic field in the pole tube 5 . An outer magnet armature 12 is arranged in a longitudinally displaceable manner in the gas space 6 within the pole tube 5 and interacts with an outer valve seat 16 for controlling an outer flow cross section. The valve seat 16 is designed on the valve plate 7 formed and surrounds the outlet opening 8, so that the outer flow cross-section between the outer magnet armature 12 and the valve seat 16 is controlled.
Im äußeren Magnetanker 12 ist ein innerer Magnetanker 18 ebenfalls längsver- schiebbar angeordnet, der durch eine zwischen dem Anschlussstück 4 und dem inneren Magnetanker 18 unter Druckvorspannung angeordnete Schließfeder 27 gegen einen inneren Ventilsitz 14 gedrückt wird, der am äußeren Magnetanker 12 ausgebildet ist. Der innere Ventilsitz 14 umgibt dabei eine Bohrung 23 im äußeren Magnetanker 12, die den inneren Strömungsquerschnitt 17 bildet. Die Strömung des gasförmigen Brennstoffs innerhalb des Gasraums 6 ist durch Schrägbohrungen 19 im inneren Magnetanker 18 sichergestellt, wobei mehrere Schrägbohrungen 19 vorhanden sind, die geneigt zur Längsachse des inneren Magnetankers 18 verlaufen. Die Schrägbohrungen 19 münden in Kanäle 13 im äußeren Magnetanker 12, durch die der gasförmige Brennstoff weiter zum äußeren Ventilsitz 16 strömt. Zur Hubbegrenzung des äußeren Magnetankers 12 ist am Polrohr 5 eine Anschlagfläche 24 ausgebildet, an der der äußeren Magnetanker 12 bei seinem Öffnungshub zu Anlage kommt. In the outer magnet armature 12, an inner magnet armature 18 is also longitudinally displaceable, which is pressed against an inner valve seat 14, which is formed on the outer magnet armature 12, by a closing spring 27 arranged under compressive prestress between the connecting piece 4 and the inner magnet armature 18. The inner valve seat 14 surrounds a bore 23 in the outer magnet armature 12, which forms the inner flow cross section 17. The flow of the gaseous fuel within the gas space 6 is ensured by oblique bores 19 in the inner magnet armature 18, with a plurality of oblique bores 19 being present which run at an angle to the longitudinal axis of the inner magnet armature 18. The oblique bores 19 open into channels 13 in the outer magnet armature 12, through which the gaseous fuel flows on to the outer valve seat 16. To limit the stroke of the outer magnet armature 12, a stop surface 24 is formed on the pole tube 5, against which the outer magnet armature 12 comes into contact during its opening stroke.
Zur gezielten Lenkung des Magnetfeldes des Elektromagneten 10 ist eine Kante 25 an der Innenseite des Pohlrohrs 5 ausgebildet, der eine äußere Kante 21 des inneren Magnetankers 18 gegenüberliegt. Das Magnetfeld wird an der Kante 25 konzentriert und dringt über die äußere Kante 21 in den inneren Magnetanker 18 ein, so dass gezielt eine translatorische Kraft auf den inneren Magnetanker 18 ausgeübt wird, die diesen vom inneren Ventilsitz 16 wegzieht. Dabei wird ein Teil der Magnetkraft auch auf den äußeren Magnetanker 12 gelenkt, so dass auch dieser eine translatorische Kraft in Längsrichtung erfährt. Zur Abdichtung des inneren Ventilsitzes 14 ist am inneren Ventilsitz 14 eine innere Dichtung 29 ausgebildet, die beispielsweise als Elastomerdichtung ausgebildet sein kann. Ebenso kann am äußeren Ventilsitz 16 eine solche äußere Dichtung 30 vorhanden sein. For the targeted guidance of the magnetic field of the electromagnet 10, an edge 25 is formed on the inside of the pole tube 5, which is opposite an outer edge 21 of the inner magnet armature 18. The magnetic field is concentrated on the edge 25 and penetrates the inner magnet armature 18 via the outer edge 21 so that a translatory force is exerted on the inner magnet armature 18 in a targeted manner, which pulls it away from the inner valve seat 16 . A part of the magnetic force is also directed to the outer magnet armature 12, so that this also experiences a translational force in the longitudinal direction. To seal the inner valve seat 14, an inner seal 29 is formed on the inner valve seat 14, which can be formed, for example, as an elastomeric seal. Such an outer seal 30 can also be present on the outer valve seat 16 .
Die Funktionsweise des Gasventils ist wie folgt: Zu Beginn des Dosiervorgangs steht gasförmiger Brennstoff im Gasraum 6 an, der über den Anschlusskörper 4 in den Gasraum 6 eingeleitet wird. Der inneren Magnetanker 18 ist durch die Schließfeder 27 gegen den inneren Ventilsitz 14 vorgespannt und drückt dadurch auch den äußeren Magnetanker 12 gegen den äußeren Ventilsitz 16, so dass sowohl der innere Strömungsquerschnitt 17 als auch der äußere Strömungsquerschnitt 22 verschlossen sind. Soll ein Dosiervorgang stattfinden, so wird der Elektromagnet 10 bestromt und das erzeugte Magnetfeld bewirkt eine translatorische Kraft auf die Magnetanker 12, 18. Die Kraft auf den inneren Magnetanker 18, insbesondere durch die Ausgestaltung in der inneren Kante 25 und der Außenkante 21, bewirkt eine translatorische Kraft gegen den Gasdruck und gegen die Kraft der Schließfeder 27, die ausreicht, den inneren Magnetanker 18 vom inneren Ventilsitz 14 abzuheben den inneren Strömungsquerschnitt 17 und die Bohrung 23 freizugeben. Über die Bohrungen 19 und den zwischen dem inneren Magnetanker 18 und dem inneren Ventilsitz 14 aufgesteuerten inneren Strömungsquerschnitt 17 strömt gasförmiger Brennstoff in die Bohrung 23 und weiter in die Auslassöffnung 8. Dort beaufschlagt der gasförmige Brennstoff die Druckfläche 15, die am äußeren Magnetanker 12 ausgebildet ist und die bei Druckbeaufschlagung eine Kraft in Längsrichtung auf den äußeren Magnetanker 12 ausübt. Diese zusätzliche Längskraft führt zu einem zumindest teilweisen Druckausgleich am äußeren Magnetanker 12, sodass dieser durch das Magnetfeld des Elektromagneten 10 nunmehr vom äußeren Ventilsitz 16 wegbewegt wird. Dabei erhöht sich die Magnetkraft auf den äußeren Magnetanker 12, je weiter dieser in den Elektromagnet 10 eintaucht, wobei der äußere Magnetanker 12 den inneren Magnetanker 10 bei seiner weiteren Öffnungshubbewegung mitnimmt. Zwar wird der erste Strömungsquerschnitt 17 dabei wieder verschlossen, das Gas kann jedoch nun weitgehend ungedrosselt durch den äußeren Strömungsquerschnitt 22 in den Ablaufkanal 8 strömen. Dieser Strömungspfad ist in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet. Zur Beendigung der Gasdosierung wird der Elektromagnet 10 stromlos geschaltet, so dass die Schließfeder 27 den inneren Magnetanker 18 und damit auch den äußeren Magnetanker 12 wieder zurück in die jeweilige Schließstellung drückt The function of the gas valve is as follows: At the beginning of the metering process, gaseous fuel is present in the gas chamber 6 and is introduced into the gas chamber 6 via the connection body 4 . The inner magnet armature 18 is prestressed against the inner valve seat 14 by the closing spring 27 and thereby presses also the outer magnet armature 12 against the outer valve seat 16, so that both the inner flow cross section 17 and the outer flow cross section 22 are closed. If a dosing process is to take place, the electromagnet 10 is energized and the magnetic field generated causes a translational force on the magnet armature 12, 18. The force on the inner magnet armature 18, in particular due to the design in the inner edge 25 and the outer edge 21, causes a Translational force against the gas pressure and against the force of the closing spring 27, which is sufficient to lift the inner magnet armature 18 from the inner valve seat 14 to release the inner flow cross-section 17 and the bore 23. Gaseous fuel flows via the bores 19 and the inner flow cross-section 17 opened between the inner magnet armature 18 and the inner valve seat 14 into the bore 23 and further into the outlet opening 8. There the gaseous fuel acts on the pressure surface 15, which is formed on the outer magnet armature 12 and which exerts a longitudinal force on the outer armature 12 when pressurized. This additional longitudinal force leads to an at least partial equalization of pressure on the outer magnet armature 12 so that it is now moved away from the outer valve seat 16 by the magnetic field of the electromagnet 10 . The magnetic force on the outer magnet armature 12 increases the further it dips into the electromagnet 10, with the outer magnet armature 12 taking the inner magnet armature 10 with it during its further opening stroke movement. Although the first flow cross-section 17 is closed again in the process, the gas can now flow largely unthrottled through the outer flow cross-section 22 into the discharge channel 8 . This flow path is indicated in Fig. 1 with dashed lines. To end the gas metering, the electromagnet 10 is switched off so that the closing spring 27 presses the inner magnet armature 18 and thus also the outer magnet armature 12 back into the respective closed position
Die Kraft des Elektromagneten 10 ist so bemessen, dass nach dem Einschalten des Spulenstroms das magnetische Feld ausreicht, den inneren Magnetanker 18 gegen die Kraft der Schließfeder 27 und gegen den Gasdruck anzuheben, um den inneren Strömungsquerschnitt 17 aufzusteuern. Jedoch reicht die magnetische Kraft auf den äußeren Magnetanker 12 nicht aus, diesen vom äußeren Ventilsitz 16 abzuheben. Erst durch die Beaufschlagung der Druckfläche 15 mit dem Gasdruck und dem dadurch bewirkten weitgehenden Druckausgleich reicht das Magnetfeld des Elektromagneten 10 aus, den äußeren Magnetanker 12 vom äußeren Ventilsitz 16 wegzuziehen. So ist ein kaskadisches Öffnen der beiden Magnetanker 12, 18 mit nur einem Elektromagneten 10 möglich, und es kann mit einer relativ kleinen magnetischen Kraft ein großer Strömungsquerschnitt ge- schaltet werden. The force of the electromagnet 10 is dimensioned such that after the coil current is switched on, the magnetic field is sufficient to lift the inner magnet armature 18 against the force of the closing spring 27 and against the gas pressure in order to open the inner flow cross section 17 . However, the magnetic force on the outer magnet armature 12 is not sufficient to lift it off the outer valve seat 16 . This is only sufficient when the pressure surface 15 is subjected to the gas pressure and the resulting extensive pressure equalization Magnetic field of the electromagnet 10 from pulling the outer magnet armature 12 away from the outer valve seat 16. A cascading opening of the two magnet armatures 12, 18 with only one electromagnet 10 is possible, and a large flow cross section can be switched with a relatively small magnetic force.

Claims

- 8 - Ansprüche - 8 - Claims
1. Gasventil zur dosierten Abgabe eines gasförmigen Brennstoffs, mit einem äußeren Magnetanker (12), der mit einem äußeren Ventilsitz (16) zum Öffnen und Schließen eines äußeren Strömungsquerschnitts (22) zusammenwirkt, und mit einem inneren Magnetanker (18), der im äußeren Magnetanker (12) geführt ist und der mit einem am äußeren Magnetanker (12) ausgebildeten inneren Ventilsitz (14) zum Öffnen und Schließen eines inneren Strömungsquerschnitts (17) zusammenwirkt, und mit einem Elektromagneten (10), der bei Bestromung eine translatorische Kraft in einer Längsrichtung auf den inneren Magnetanker (18) und den äußeren Magnetanker (12) ausübt, und mit einer Druckfläche (15) am äußeren Magnetanker (12), die bei Druckbeaufschlagung eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf den äußeren Magnetanker (12) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfläche (15) dem inneren Strömungsquerschnitt (17) nachgeordnet ist, so dass das durch den inneren Strömungsquerschnitt (17) strömende Gas die Druckfläche (15) in Öffnungsrichtung beaufschlagt. 1. Gas valve for metered delivery of a gaseous fuel, with an outer magnet armature (12) which cooperates with an outer valve seat (16) to open and close an outer flow cross section (22), and with an inner magnet armature (18) which is in the outer magnet armature (12) and which interacts with an inner valve seat (14) formed on the outer magnet armature (12) to open and close an inner flow cross section (17), and with an electromagnet (10) which, when energized, generates a translatory force in a longitudinally on the inner magnet armature (18) and the outer magnet armature (12), and with a pressure surface (15) on the outer magnet armature (12) which, when pressure is applied, exerts a force acting in the opening direction on the outer magnet armature (12), characterized in that that the pressure surface (15) is arranged downstream of the inner flow cross section (17), so that the gas flowing through the inner flow cross section (17) acts on the pressure surface (15) in the opening direction.
2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasventil eine vorgespannte Schließfeder (27) vorhanden ist, die durch ihre Vorspannkraft eine Schließkraft in Richtung des inneren Ventilsitzes (14) auf den inneren Magnetanker (18) ausübt. 2. Gas valve according to claim 1, characterized in that the gas valve has a prestressed closing spring (27) which, due to its prestressing force, exerts a closing force in the direction of the inner valve seat (14) on the inner magnet armature (18).
3. Gasventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungsquerschnitt (17) durch eine mittige Bohrung im äußeren Magnetanker (12) gebildet wird. - 9 - Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ventilsitz (14) die Öffnung der mittigen Bohrung (17) umgibt. Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Magnetanker (12) in einem Polrohr (5) aufgenommen ist, das vom Elektromagneten (10) umgeben ist. Gasventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Polrohrs (5) eine Kante (25) ausgebildet ist, der eine am inneren Magnetanker (18) ausgebildete Außenkante (21) zur Leitung des magnetischen Flusses gegenüber liegt. Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite des äußeren Magnetankers (12) mit dem äußeren Ventilsitz (16) zusammenwirkt. Verfahren zum Betreiben eines Gasventils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Bestromung des Elektromagneten (10) ausgeübte Öffnungskraft auf den inneren Magnetanker (18) ausreicht, den inneren Magnetanker (18) vom inneren Ventilsitz (14) abzuheben, wobei die magnetische Kraft auf den äußeren Magnetanker (12) nicht ausreicht, den äußeren Magnetanker (12) vom äußeren Ventilsitz (16) abzuheben. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkraft des Elektromagneten (10) unterstützt durch die pneumatische Kraft auf die Druckfläche (15) ausreicht, den äußeren Magnetanker (12) vom äußeren Ventilsitz (16) abzuheben. 3. Gas valve according to claim 1 or 2, characterized in that the inner flow cross section (17) is formed by a central bore in the outer magnet armature (12). - 9 - Gas valve according to claim 3, characterized in that the inner valve seat (14) surrounds the opening of the central bore (17). Gas valve according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the outer magnet armature (12) is accommodated in a pole tube (5) which is surrounded by the electromagnet (10). Gas valve according to Claim 5, characterized in that an edge (25) is formed on the inside of the pole tube (5), which is opposite an outer edge (21) formed on the inner magnet armature (18) for conducting the magnetic flux. Gas valve according to one of Claims 1 to 6, characterized in that an end face of the outer magnet armature (12) interacts with the outer valve seat (16). Method for operating a gas valve according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the opening force exerted on the inner magnet armature (18) when the electromagnet (10) is energized is sufficient to lift the inner magnet armature (18) from the inner valve seat (14), wherein the magnetic force on the outer magnet armature (12) is not sufficient to lift the outer magnet armature (12) from the outer valve seat (16). Method according to Claim 8, characterized in that the magnetic force of the electromagnet (10), supported by the pneumatic force on the pressure surface (15), is sufficient to lift the outer magnet armature (12) from the outer valve seat (16).
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