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Die Erfindung betrifft ein Gasdosierventil für gasförmigen Brennstoff, wie es vorzugsweise Verwendung findet, um gasförmigen Brennstoff für eine Brennkraftmaschine oder einen sonstigen Verbraucher für gasförmigen Brennstoff zu dosieren.
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Stand der Technik
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Gasdosierventile zur Dosierung von gasförmigem Brennstoff sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der
DE 10 2020 201 973 A1 bekannt. Die Gasdosierventile weisen eine Einlass- und eine Auslassöffnung auf, wobei die Einlassöffnung durch ein erstes Ventilelement und die Auslassöffnung durch ein zweites Ventilelement verschließbar ist. Da gasförmiger Kraftstoff deutlich schwerer abzudichten ist als flüssiger Kraftstoff, ist eine vollständige Abdichtung häufig nur über Elastomerdichtungen möglich, die jedoch relativ temperaturempfindlich sind und die insbesondere keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen, wie sie beispielsweise in oder in der Nähe eines Brennraums auftreten. Aus diesem Grund wird die Abdichtung des gasförmigen Brennstoffs vom ersten Ventilelement, das eine Elastomerdichtung aufweist, übernommen, während das zweite Ventilelement einen metallischen Dichtsitz aufweist, der zur eigentlichen Dosierung des gasförmigen Brennstoffs ausreichend dicht ist. Beide Ventilelemente werden mit Hilfe eines einzigen Elektromagneten bewegt, wobei das erste Ventilelement als Magnetanker ausgebildet ist und das zweite Element die Form einer Düsennadel aufweist. Der Magnetanker wird durch den Elektromagneten gegen die Kraft einer Schließfeder bewegt und ist mit dem Ventilelement gekoppelt, so dass sich auch das Ventilelement, also die Ventilnadel, mitbewegt, die am auslassseitigen Ende des Gasdosierventils einen Dichtsitz formt.
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Die Kopplung des Magnetankers mit der Düsennadel geschieht durch ein Übertragungselement, das aus dem Stand der Technik bekannt ist und beispielsweise die Form einer Hülse aufweist. Die Hülse liegt dabei sowohl am Magnetanker als auch an der Düsennadel an und überträgt so die Öffnungskraft zwischen diesen Bauteilen. Die Düsennadel ist ebenfalls durch eine Düsenfeder vorgespannt, so dass durch den Magnetanker sowohl die Kraft der Schließfeder als auch die Kraft der Düsenfeder überwunden werden muss.
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Die beweglichen Teile des Gasdosierventils sind nicht geschmiert, da der gasförmige Brennstoff keinerlei Schmiereigenschaften aufweist und eine separate Schmierung technisch nur schwer umsetzbar ist. Die Fertigungstoleranzen müssen deshalb relativ groß bemessen sein, um ein Verkanten von Ventilelementen innerhalb des Gehäuses zu verhindern. Da der Magnetanker die Kraft über eine Kopplerhülse an die Düsennadel weitergibt, werden sowohl die Auflageflächen zwischen dem Magnetanker und der Kopplerhülse als auch zwischen der Kopplerhülse und der Düsennadel flach geschliffen, um ein Verkippen der Bauteile zu verhindern. Durch Fertigungstoleranzen oder aufgrund von thermischen Ausdehnungen kann es jedoch zu einem Schiefstand des Magnetankers innerhalb des Gehäuses kommen, so dass diese Schieflage an die Kopplerhülse weitergegeben wird. Da sowohl der Magnetanker als auch die Kopplerhülse ungeschmiert innerhalb des Gehäuses geführt sind, kann es zu einer exzentrischen Kraftübertragung mit entsprechenden Kippmomenten auf den Magnetanker kommen. Dies führt zu einer radialen Lagerbelastung an den Kontaktstellen zwischen dem Magnetanker und dem Gehäuse bzw. der Kopplerhülse und dem Gehäuse, was den Verschleiß in diesen Bereichen stark erhöht und die Lebensdauer des Gasdosierventils entsprechend verringern kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Gasdosierventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine zentrische und sich selbst zentrierende Kraftübertragung vom Magnetanker über die Kopplerhülse auf die Düsennadel bzw. das Ventilelement ermöglicht wird, so dass die Lebensdauer des Gasdosierventils nicht verschleißbedingt verkürzt wird. Dazu weist das Gasdosierventil ein Gehäuse auf, in dem ein Gasraum ausgebildet ist, der über eine Einlassöffnung mit gasförmigem Brennstoff befüllbar ist. Im Gasraum ist ein Ventilelement beweglich angeordnet, das eine Auslassöffnung zur dosierten Abgabe des gasförmigen Brennstoffs steuert. Darüber hinaus ist ein Magnetanker vorhanden, der über eine Kopplerhülse eine Öffnungskraft auf das Ventilelement ausübt, wobei die Kopplerhülse mit einer Stirnfläche an einer Anlagefläche am Magnetanker anliegt. Die Stirnfläche der Kopplerhülse und/oder die Anlagefläche am Magnetanker sind dabei kugelschalenförmig ausgebildet.
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Ist die Auflagefläche der Kopplerhülse am Magnetanker flach geschliffen, so wird jeder Schiefstand des Magnetankers direkt auf die Kopplerhülse und von dort eventuell auf die Düsennadel bzw. das Ventilelement übertragen, was zu den oben bereits geschilderten Problemen führt. Durch die kugelschalenförmige Ausbildung der Anlagefläche und/oder der Stirnfläche der Kopplerhülse wird eine selbstzentrierende Wirkung auf die Kopplerhülse bzw. den Magnetanker erreicht, das heißt, ein eventueller Schiefstand wird durch die entsprechenden Kräfte, die in der kugelschalenförmigen Anlagenfläche bzw. der kugelschalenförmigen Stirnfläche entstehen, wieder zentriert, so dass der Schiefstand ausgeglichen und ein übermäßiger Verschleiß zwischen dem Magnetanker bzw. der Kopplerhülse und der Wand des Gasraums, also des Gehäuses, verhindert wird.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Stirnfläche der Kopplerhülse kugelschalenförmig ausgebildet und die Anlagefläche am Magnetanker konisch. Durch diese Paarung der Anlageflächen bzw. der Stirnfläche der Kopplerhülse wird die selbstzentrierende Wirkung erreicht, da bei einem Schiefstand der Kopplerhülse bzw. des Magnetankers entsprechende Kräfte wirken, die die kollineare Lage wieder herstellen. Dabei ist der Öffnungswinkel der konischen Anlagefläche vorzugsweise zwischen 110° und 130°.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist sowohl die Stirnfläche der Kopplerhülse als auch die Anlagefläche am Magnetanker kugelschalenförmig ausgebildet. Auch dadurch kann eine selbstzentrierende Wirkung der beiden Bauteile zueinander erreicht werden. Dabei ist der Radius der Kugel, die die Kugelschalenform der Anlagefläche am Magnetanker bildet, stets größer als der Radius der Kugel, die die Kugelschalenform der Stirnfläche der Kopplerhülse bildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Magnetanker eine zentrale Öffnung auf, die zur Kopplerhülse hin offen ist, wobei die Anlagefläche an Magnetanker den Rand der zentralen Öffnung umgibt. Der gasförmige Brennstoff strömt innerhalb des Gasdosierventils von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung und dabei auch in die zentrale Öffnung des Magnetankers. Durch die Öffnung hin zur Kopplerhülse kann der gasförmige Brennstoff weiter in die Kopplerhülse strömen und von dort in Richtung der Auslassöffnung. Da der gasförmige Brennstoff beide Bauteile auch am Rand umgibt, ist eine gasdichte Abdichtung zwischen den beiden Bauteilen nicht notwendig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kopplerhülse durch eine Schließfeder gegen den Magnetanker vorgespannt, so dass die Stirnfläche der Kopplerhülse gegen die Anlagefläche gedrückt wird. Da die Schließfeder über die Kopplerhülse auf den Magnetanker wirkt, entfernen sich beide Bauteile während des Betriebs des Gasdosierventils nicht voneinander, so dass stets beide Bauteile aneinander anliegen und die entsprechende Wirkung der kugelschalenförmigen Anlageflächen gewährleistet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventilelement in geschlossenem Zustand des Gasdosierventils axial beabstandet zur Kopplerhülse. Dadurch ergibt sich ein Freilauf, d.h. bei der Bewegung des Magnetankers in Öffnungsrichtung - angetrieben durch den Elektromagneten - muss erst ein Leerhub durchfahren werden, bis die Kopplerhülse am Ventilelement bzw. der Düsennadel anliegt. Der Freilauf gewährleistet ein ausreichendes Spiel, um thermische Ausdehnungen beim Betrieb des Gasdosierventils auszugleichen. Bei einer starren Verbindung zwischen dem Magnetanker und der Düsennadel wäre die Dichtheit im geschlossenen Zustand hingegen nicht mehr gewährleistet. Dabei erfolgt die Öffnungshubbewegung des Ventilelements vorzugsweise nach außen, so dass die Dichtung am Magnetanker, die die Einlassöffnung abdichtet, in der gleichen Bewegungsrichtung öffnet wie auch das Ventilelement bzw. die Düsennadel.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasdosierventils dargestellt. Es zeigt
- 1 Längsschnitt durch das gesamte Gasdosierventil,
- 2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich der Kopplerhülse mit einem angedeuteten Schiefstand des Magnetankers und
- 3 und 4 weitere vergrößerte Darstellungen des Anlagebereichs zwischen dem Magnetanker und der Kopplerhülse.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasdosierventil im Längsschnitt dargestellt. Das Gasdosierventil weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Magnetkörper 2, ein Zwischenstück 3 und einen Düsenkörper 4 umfasst, die gasdicht gegeneinander verspannt sind durch eine nicht näher gezeigte Spannvorrichtung. Im Gehäuse 1 ist ein Gasraum 5 ausgebildet, der über eine Einlassöffnung 7 mit gasförmigem Brennstoff befüllbar ist. Am auslassseitigen Ende des Gasdosierventils - am unteren Ende der 1 - ist entsprechend eine Auslassöffnung 8 ausgebildet. Im Gasraum 5 ist innerhalb des Magnetkörpers 2 ein Magnetanker 10 angeordnet, der als Tauchanker ausgebildet ist und der durch die Kraft eines Elektromagneten, gebildet durch eine Magnetspule 14 und einen äußeren Magnetkern 15, innerhalb des Magnetkörpers 2 in Längsrichtung bewegbar ist. Der Magnetanker 10 weist an seiner der Einlassöffnung 7 zugewandten Stirnseite eine flache Dichtfläche 11 auf, mit der der Magnetanker 10 mit einer Sitzfläche 12, die im Magnetkörper 2 ausgebildet ist, zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 7 zusammenwirkt. Zur gasdichten Abdichtung der Einlassöffnung 7 ist eine Dichtung 13 in die Sitzfläche 12 eingelassen, die als Elastormerdichtung ausgebildet ist, so dass bei Anlage des Magnetankers 10 an der Sitzfläche 12 eine gasdichte Abdichtung der Gasöffnung 7 erreicht wird. Im Magnetanker 10 ist eine zentrale Öffnung 17 ausgebildet, in die über zwei oder mehrere Schrägbohrungen 16 gasförmiger Brennstoff einströmt, sobald die Einlassöffnung 7 durch den Magnetanker 10 freigegeben ist.
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Der Magnetanker 10 liegt mit seiner der Einlassöffnung 7 abgewandten Stirnfläche an einer Kopplerhülse 20 an, die in einer Bohrung 18 im Magnetkörper 2 ebenso wie der Magnetanker 10 längsbeweglich angeordnet ist. Die Kopplerhülse 20 weist eine Stirnfläche 35 auf, die dem Magnetanker 10 zugewandt ist und mit der die Kopplerhülse 20 an einer Anlagefläche 36 des Magnetankers anliegt. Gasförmiger Brennstoff, der in die zentrale Öffnung 17 des Magnetankers 10 strömt, gelangt von dort weiter in die Kopplerhülse 20 und strömt dann am auslassseitigen Ende über mehrere Querbohrungen 30 aus der Kopplerhülse 20 und weiter in Richtung der Auslassöffnung 8. Die Kopplerhülse 20 ist durch eine vorgespannte Schließfeder 22, die hier als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, mit einer Schließkraft in Richtung des Magnetankers 10 beaufschlagt, so dass die Schließfeder 22 die Kopplerhülse 20 gegen die Anlagefläche 36 drückt und dadurch auch den Magnetanker 10 in Richtung der Sitzfläche 12.
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Im Düsenkörper 4 des Gehäuses 1 ist ein Ventilelement 25 längsverschiebbar angeordnet, das als Düsennadel ausgebildet ist. Das Ventilelement 25 ragt über das auslassseitige Ende des Düsenkörpers 4 hinaus, wobei es an seinem Ende einen konischen Nadelsitz 28 aufweist, mit dem das Ventilelement 25 mit einem ebenso konischen Düsensitz 29 am auslassseitigen Ende des Düsenkörpers 4 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 8 zusammenwirkt. Zur Führung innerhalb des Düsenkörpers 4 sind am Ventilelement 25 ein erster Führungsabschnitt 26 und ein zweiter Führungsabschnitt 27 ausgebildet, wobei die Strömung des gasförmigen Brennstoffs durch Anschliffe an den Führungsabschnitten 26, 27 sichergestellt ist, die in der 1 nicht dargestellt sind.
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Am Ventilelement 25 ist der Auslassöffnung 8 abgewandt ein Federteller 32 befestigt, zwischen dem und einem Absatz im Zwischenstück 3 eine Düsenfeder 33 unter Druckvorspannung angeordnet ist, die ebenso wie die Schließfeder 22 als Schraubendruckfeder ausgebildet ist. Durch die Kraft der Düsenfeder 33 wird das Ventilelement 25 gegen den Düsensitz 29 gedrückt, so dass bei ausgeschaltetem Gasdosierventil, d.h. nicht bestromtem Elektromagneten 14, 15, die Auslassöffnung 8 verschlossen wird. Befindet sich der Magnetanker 10 in Anlage an der Sitzfläche 12, so ist die Kopplerhülse 20 vom Ventilelement 25 beabstandet, wodurch ein Freilauf h gebildet wird, der typischerweise zwischen 50 und 110 µm beträgt. Dieser Freilauf stellt sicher, dass das Ventilelement 25 durch die Düsenfeder 33 auch bei thermischen Ausdehnungen der Bauteile stets die Auslassöffnung 8 sicher verschließt, wenn der Elektromagnet 14, 15 nicht bestromt ist.
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Zur Dosierung des gasförmigen Brennstoffs wird der Elektromagnet bestromt, d.h. die Magnetspule 14 zieht durch ihr Magnetfeld den Magnetanker 10 von der Sitzfläche 12 weg, so dass die Einlassöffnung 7 für den gasförmigen Brennstoff freigegeben wird. Der gasförmige Brennstoff strömt von der Einlassöffnung 7 über die Schrägbohrungen 16 in die zentrale Öffnung 17, von dort durch die Kopplerhülse 20 und die Querbohrungen 30 in den Düsenkörper 4 und schließlich - vorbei an den Führungsabschnitten 26, 27 - zur Auslassöffnung 8. Bei Bestromung des Elektromagneten 14 bewegt sich der Magnetanker 10 gegen die Kraft der Schließfeder 22, wobei sich die Kopplerhülse 20 und das Ventilelement 25 nach Durchfahren des Freihubs h berühren und die Düsennadel bzw. das Ventilelement 25 aufgedrückt wird. Der Elektromagnet 14, 15 muss dabei sowohl die Vorspannkraft der Schließfeder 22 als auch die Kraft der Düsenfeder 33 überwinden. Soll die Dosierung des gasförmigen Brennstoffs beendet werden, so wird die Bestromung der Magnetspule 14 beendet, wodurch die Schließfeder 22 und die Düsenfeder 33 das Ventilelement 25 bzw. den Magnetanker 10 zurück in ihre Ausgangsstellung drücken, so dass sowohl die Einlassöffnung 7 als auch die Auslassöffnung 8 wieder verschlossen werden.
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In 2 ist der Magnetanker 10 und die Kopplerhülse 20 vergrößert nochmals separat dargestellt, wobei hier ein Schiefstand des Magnetankers 10 angedeutet ist. Der Magnetanker 10 ist um einen Winkel α verkippt, was durch Fertigungstoleranzen oder auch durch Verformungen beim Betrieb des Gasdosierventils verursacht sein kann. Ist die Stirnfläche 35 der Kopplerhülse 20 und die Anlagefläche 36 am Magnetanker plan ausgebildet, so überträgt sich der Schiefstand des Magnetankers 10 unmittelbar auf die Kopplerhülse 20, die dann ebenfalls schief innerhalb des Gehäuses 1 ist und damit schräg zur Längsachse 6 des Gehäuses 1. An den mit X bezeichneten Punkten kommt es durch die Schiefstellung zu einer Berührung zwischen dem Magnetanker und dem Gehäuse 1, was an diesen Stellen zu erhöhtem Verschleiß führt und damit möglicherweise zu einem vorzeitigen Ausfall des Gasdosierventils. Erfindungsgemäß ist jedoch die Stirnfläche der Kopplerhülse 20 und/oder die Anlagefläche 36 am Magnetanker 10 kugelschalenförmig ausgebildet, so dass die Bauteile in einem gewissen Winkelbereich gegeneinander abgleiten können. Da in der hier gezeigten Schrägstellung am linken Berührpunkt zwischen dem Magnetanker 10 und der Kopplerhülse 20 eine größere Kraft auf die Kopplerhülse 20 wirkt, ergibt sich ein entsprechendes Kippmoment auf die Kopplerhülse 20 und diese verkippt aufgrund der kugelschalenförmigen Ausgestaltung der Stirnfläche an der Anlagefläche 36, bis die Schiefstellung ausgeglichen ist. In 3 ist dies nochmals vergrößert dargestellt, wobei hier die Stirnfläche 35 der Kopplerhülse 20 kugelschalenförmig ausgebildet ist, während die Anlagefläche 36 am Magnetanker 10 konisch ausgebildet ist. Durch diese Paarung der Flächen lässt sich ein Abkippen der Kopplerhülse 20 am Magnetanker 10 leicht erreichen, um Schiefstellungen auszugleichen. Dabei ist der Öffnungswinkel β der konischen Fläche 36, also der Anlagefläche am Magnetanker, vorzugsweise etwa 110° bis 130°.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der entsprechenden Flächenpaarung dargestellt. Hierbei ist sowohl die Stirnfläche 35 der Kopplerhülse 20 als auch die Anlagefläche 36 am Magnetanker 10 kugelschalenförmig ausgebildet. Dabei ist der Radius R2 der gedachten Kugel, die die kugelschalenförmige Anlagefläche 36 am Magnetanker 10 bildet, größer als der Radius R1 der gedachten Kugel, die die kugelschalenförmige Stirnfläche 35 der Kopplerhülse 20 bildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020201973 A1 [0002]