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Die Erfindung betrifft eine Gasdüse für ein Gasventil. Mit Hilfe des Gasventils kann ein Gas, beispielsweise Erdgas, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder in einen dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt eingeblasen werden. Bei dem einzublasenden bzw. einzudosierenden Gas kann es sich demnach insbesondere um einen Brennstoff handeln. Weitere Anwendungsbereiche sind jedoch nicht ausgeschlossen.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik werden Einspritzventile für flüssige und/oder gasförmige Kraftstoffe in den verschiedensten Ausführungsformen beschrieben, auch solche, die ein nach außen öffnendes Ventilschließelement aufweisen. In der Regel drückt ein elektrisch ansteuerbarer Aktor, beispielsweise ein Piezo- oder Magnetaktor, das Ventilschließelement aus seinem Dichtsitz. Die Aktorkraft kann dabei direkt oder indirekt, insbesondere pneumatisch oder hydraulisch übersetzt, auf das Ventilschließelement wirken. Zur indirekten Ansteuerung kann ferner ein Servo-Prinzip eingesetzt werden. Ebenso sind Ausführungen bekannt, bei denen das Ventilschließelement rein pneumatisch oder hydraulisch über einen Druckanstieg des einzubringenden Mediums geöffnet wird, sogenannte druckgesteuerte Systeme.
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Beim Einblasen von Gas in einen Brennraum besteht eine Herausforderung darin, das Gas im Brennraum gleichmäßig zu verteilen, damit ein homogenes Gasgemisch mit der im Brennraum vorhandenen Luft entsteht. Denn ein homogenes Gas-/Luft-Gemisch steigert die Effizienz der Verbrennung.
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Aus der
US 2019/0285038 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem in einem Düsenkörper hin und her beweglich aufgenommenen Ventilschließelement mit einer Dichtkontur bekannt, die mit einem durch den Düsenkörper ausgebildeten Dichtsitz zusammenwirkt. Der Düsenkörper und das Ventilschließelement begrenzen gemeinsam einen Kraftstoffströmungspfad, der über einen Ringraum im Bereich des Dichtsitzes in einen sich nach außen weitenden Auslassbereich führt. Im Ventilschließelement sind Ansaugkanäle ausgebildet, die einends in den Ringraum münden und andernends mit der Umgebung in Verbindung stehen. Über die Ansaugkanäle wird in Offenstellung des Injektors - aufgrund des Venturi-Effekts -Luft aus der Umgebung in den Bereich des Dichtsitzes angesaugt, so dass diese sich dort mit dem Kraftstoff vermischt.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasdüse für ein Gasventil anzugeben, das eine verbesserte Gas-/Luft-Gemischaufbereitung ermöglicht. In der Folge soll somit eine effizientere Verbrennung erreicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Gasdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Gasventil sowie eine Wärmekraftmaschine jeweils mit einer erfindungsgemäßen Gasdüse gegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Gasventil vorgeschlagene Gasdüse umfasst:
- - einen zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgeführten Düsenkörper, der einen Dichtsitz ausbildet, über den ein Gasströmungspfad führt,
- - ein im Düsenkörper abschnittsweise aufgenommenes hubbewegliches Ventilschließelement mit einem Endabschnitt, der außerhalb des Düsenkörpers angeordnet ist und eine mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtkontur aufweist,
- - eine den Düsenkörper und den Endabschnitt des Ventilschließelements umgebende Hülse, die den Gasströmungspfad stromabwärts des Dichtsitzes begrenzt, wobei der Gasströmungspfad stromabwärts des Dichtsitzes eine Querschnittsverengung aufweist, in deren Bereich mindestens ein Ansaugkanal mündet.
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Die auf dem Düsenkörper angeordnete Hülse der vorgeschlagenen Gasdüse ermöglicht eine Strahlformung des einzublasenden Gases und unterstützt damit eine gleichmäßige Verteilung des Gases. Eine vollständige Homogenisierung wird dadurch jedoch noch nicht erreicht, so dass bei der vorgeschlagenen Gasdüse die Strahlformung weiter optimiert ist.
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Zur Optimierung der Strahlformung bildet die Hülse - allein oder in Kombination mit dem Ventilschließelement - eine Querschnittsverengung im Gasströmungspfad aus. Da in den Bereich der Querschnittsverengung zugleich mindestens ein Ansaugkanal mündet, kann der Venturi-Effekt genutzt werden, so dass bei geöffnetem Gasventil Luft in den Bereich der Querschnittsverengung angesaugt und dem einzublasenden Gas beigemischt wird.
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Durch Verwendung einer separaten Hülse zur Strahlformung sowie zur Beimischung von Luft unter Ausnutzung des Venturi-Effekts kann der Aufwand zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Gasdüse vergleichsweise geringgehalten werden. Ferner kann eine vorhandene Gasdüse durch Kombination mit einer geeigneten Hülse zu einer erfindungsgemäßen Gasdüse ertüchtigt werden.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Ansaugkanal als Radial- oder Schrägbohrung in der Hülse ausgebildet. Die Luft wird demnach aus der Umgebung des Gasventils und nicht über den Auslass des Gasventils angesaugt, so dass das Gas-/Luft-Gemisch ungehindert über den Auslass ausgetragen werden kann. Die Ausbildung des mindestens einen Ansaugkanals in der Hülse besitzt ferner den Vorteil, dass alle Maßnahmen zur Ertüchtigung eines Gasventils durch eine entsprechende Auslegung der Hülse realisiert werden können.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Ansaugkanäle über den Umfang der Hülse gleichmäßig verteilt angeordnet. Das heißt, dass über den Umfang der Hülse gleichmäßig Luft angesaugt und in den Gasströmungspfad eingeleitet wird. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Durchmischung der Gase bzw. ein sehr homogenes Gasgemisch erreicht.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Hülse eine die Querschnittsverengung ausbildende Innenkontur auf. Die Querschnittsverengung kann auf diese Weise ohne Beteiligung des Ventilschließelements realisiert werden. Diese Ausführungsform eignet sich daher insbesondere zur Ertüchtigung eines bereits vorhandenen Gasventils, da keine konstruktiven Änderungen am Ventilschließelement vorgenommen werden müssen. Zur Ausbildung der Querschnittsverengung ist vorzugsweise die Innenkontur der Hülse in zumindest einem Abschnitt stromaufwärts und/oder stromabwärts der Querschnittsverengung konisch geformt. Sofern stromaufwärts der Querschnittsverengung ein konisch geformter Abschnitt vorgesehen ist, weist dieser einen sich in Hauptströmungsrichtung des Gases verengenden Querschnitt auf. Der stromaufwärts der Querschnittsverengung gelegene Abschnitt bildet in diesem Fall Düse aus. Sofern stromabwärts der Querschnittsverengung ein konisch geformter Abschnitt vorgesehen ist, weist dieser einen sich in Hauptströmungsrichtung des Gases erweiternden Querschnitt auf, so dass dieser Abschnitt einen Diffusor ausbildet. Bevorzugt weist die Innenkontur der Hülse sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Querschnittsverengung jeweils einen konisch geformten Abschnitt auf. Diese können unmittelbar oder mittelbar über einen zylinderförmigen Abschnitt ineinander übergehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzt die Hülse in Kombination mit dem Endabschnitt des Ventilschließelements einen die Querschnittsverengung ausbildenden Ringspalt begrenzt. Die Ausbildung der Querschnittsverengung erfolgt in diesem Fall unter Beteiligung des Ventilschließelements. Auf diese Weise kann eine noch bessere Strahlformung bewirkt werden, da nicht nur die Hülse, sondern auch das Ventilschließelement an der Strahlformung beteiligt ist. Insbesondere bestehen größere Variationsmöglichkeiten.
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Bevorzugt weist der Endabschnitt des Ventilschließelements eine die Querschnittsverengung ausbildende Außenkontur auf. Die Innenkontur der Hülse kann in diesem Fall eine einfache Zylinderform aufweisen, so dass die Herstellung der Hülse vereinfacht wird.
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Beispielsweise kann die Außenkontur des Endabschnitts einen zylinderförmigen Abschnitt und einen sich hieran anschließenden konisch geformten Abschnitt aufweisen, der in Kombination mit der Hülse zu einer Erweiterung des Gasströmungspfads führt.
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Der zylinderförmige Abschnitt bildet zusammen mit der Hülse die Querschnittsverengung aus. Da das Ventilschließelement in axialer Richtung beweglich ist, verändert sich bei einer Bewegung des Ventilschließelements die Lage der Querschnittsverengung. Bei geöffnetem Gasventil muss die Querschnittsverengung auf Höhe des mindestens einen Ansaugkanals angeordnet sein, so dass der Ansaugkanal im Bereich der Querschnittsverengung in den Gasströmungspfad münden kann. Der sich an den zylinderförmigen Abschnitt anschließende konisch geformte Abschnitt dient in Kombination mit der Hülse der Ausbildung eines Diffusors.
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Bei maximalem Öffnungshub des Ventilschließelements bildet vorzugsweise die Querschnittsverengung des Gasströmungspfads eine dem Dichtsitz nachgelagerte Drosselstelle aus. Über die Drosselstelle kann dann der Gasmassenstrom eingestellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn bei maximalem Öffnungshub des Ventilschließelements der Strömungsquerschnitt im Bereich der Querschnittsverengung kleiner als der Strömungsquerschnitt zwischen dem Düsenkörper und dem Ventilschließelement im Bereich des Dichtsitzes ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Einstellung des Massenstroms nicht über den Öffnungsquerschnitt im Bereich des Dichtsitzes erfolgt, sondern über den Öffnungsquerschnitt im Bereich der Querschnittsverengung bzw. der Drosselstelle.
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Des Weiteren bevorzugt ist der Dichtsitz als ein sich nach außen öffnender Kegel ausgeführt. Das über den Dichtsitz strömende Gas wird somit nach radial außen in den Bereich der Querschnittsverengung gelenkt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtkontur des Ventilschließelements gerundet ist. Auf diese Weise kann ein linienförmiger Dichtkontakt im Bereich des Dichtsitz erzielt werden, der eine Selbstzentrierung des Ventilschließelements in Bezug auf den Dichtsitz ermöglicht.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Gasventil mit einer erfindungsgemäßen Gasdüse vorgeschlagen. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gasdüse kommen in gleicher Weise in einem Gasventil zum Tragen. Vorzugsweise ist das Gasventil elektrisch, insbesondere elektromagnetisch, ansteuerbar, so dass mit Hilfe des Gasventils eine definierte Gasmenge in einen Brennraum einer Wärmekraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, einblasbar ist.
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Darüber hinaus wird eine Wärmekraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum und einer erfindungsgemäßen Gasdüse zum Einblasen von Gas in den Brennraum oder in einen dem Brennraum vorgelagerten Ansaugtrakt vorgeschlagen. Die Gasdüse kann insbesondere Bestandteil eines am Brennraum oder am Ansaugtrakt angeordneten Gasventils sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine in den Gasströmungspfad mündende Ansaugkanal der Gasdüse mit dem Brennraum oder dem Ansaugtrakt fluidisch verbunden. Über den Ansaugkanal kann somit Luft aus dem Brennraum oder dem Ansaugtrakt angesaugt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Gasdüse in Schließstellung,
- 2 die Gasdüse der 1 in Offenstellung,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Gasdüse und
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasventil.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1 und 2 dargestellte Gasdüse 1 weist einen Düsenkörper 2 auf, der endseitig einen konisch geformten Dichtsitz 3 für ein nach außen öffnendes Ventilschließelement 5 ausbildet. Das Ventilschließelement 5 ist innerhalb des Düsenkörpers 2 über eine Führung 18 hin und her beweglich geführt. Darüber hinaus weist das Ventilschließelement 5 einen Endabschnitt 6 auf, an dem eine mit dem Dichtsitz 3 zusammenwirkende Dichtkontur 7 ausgebildet ist. An die Dichtkontur 7, die vorliegend gerundet ist, schließt eine Außenkontur 15 mit einem zylinderförmigen Abschnitt 16 sowie einem konisch geformten Abschnitt 17 an.
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Der Düsenkörper 2 und der Endabschnitt 6 des Ventilschließelements 5 sind von einer Hülse 8 zur Strahlformung umgeben. Die Hülse 8 und der Endabschnitt 6 des Ventilschließelements 5 begrenzen gemeinsam einen Gasströmungspfad 4, in den in der Hülse 8 ausgebildete Ansaugkanäle 10 münden. Über die Ansaugkanäle 10 kann Luft aus der Umgebung in den Gasströmungspfad 4 angesaugt werden.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt muss hierzu das Ventilschließelement 5 in eine Offenstellung bewegt werden. Der Gasströmungspfad 4 führt dann über den Dichtsitz 3 in einen Ringspalt 14, der einerseits durch die Hülse 8, andererseits durch den Endabschnitt 6 des Ventilschließelements 5 begrenzt wird. Der zylinderförmige Abschnitt 16 der Außenkontur 15 des Endabschnitts 6 ist in Offenstellung des Ventilschließelements 5 auf Höhe der Ansaugkanäle 10 angeordnet, so dass seine Querschnittsverengung 9 innerhalb des Gasströmungspfads 4 ausgebildet wird. Dies hat den Effekt, dass beim Ausströmen des Gases über den Gasströmungspfad 4 in Richtung eines Auslasses 19 Luft aus der Umgebung über die Ansaugkanäle 10 in den Gasströmungspfad 4 angesaugt wird („Venturi-Effekt“). Das heißt, dass dem Gas noch vor Erreichen des Auslasses 19 Luft beigemischt wird, so dass die Gemischaufbereitung verbessert wird.
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Der gleiche Effekt kann mit Hilfe der in der 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdüse 1 erreicht werden. Im Unterschied zur zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform weist hier die Hülse 8 eine Innenkontur 11 auf, die zur Ausbildung der Querschnittsverengung 9 zwei konisch geformte Abschnitte 12, 13 aufweist. Der Bereich der Querschnittsverengung 9 ist dabei zylinderförmig ausgebildet. In den Bereich der Querschnittsverengung 9 mündet mindestens ein Ansaugkanal 10, so dass bei vollem Öffnungshub des Ventilschließelements 5 Luft über den Ansaugkanal 10 in den Gasströmungspfad 4 angesaugt wird. Die Querschnittsverengung 9 zur Erzielung des Venturi-Effekts wird demnach allein über die Innenkontur 11 der Hülse 8 erreicht. Mit Hilfe der Hülse 8 kann somit eine herkömmliche Gasdüse zu einer erfindungsgemäßen Gasdüse 1 ertüchtigt werden.
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In der 4 ist beispielhaft ein Gasventil 20 mit einer erfindungsgemäßen Gasdüse 1 dargestellt. Die Gasdüse 1 ist analog dem Ausführungsbeispiel der 3 ausgebildet. Somit wird auf die Beschreibung der 3 verwiesen. Zur Betätigung des Gasventils 20 ist ein Magnetaktor 21 vorgesehen, so dass hierüber das Gasventil 20 gezielt ansteuerbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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