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Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesonders Brenn- stoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit zumindest einem kreisringförmigen Dichtsitz und einem relativ dazu axial beweglichen Schliesselement zwischen dem Brennstoffzulauf und dem Brenn- stoffablauf, wobei ein tellerförmig verbreiterter Dichtbereich des Schliesselementes mit dem Dicht- sitz zusammenwirkt und zumindest eine Schliessfeder auf das Schliesselement in Richtung auf den Dichtsitz hin zentral einwirkt.
Bei herkömmlichen Gasmotoren nach dem Otto-Prinzip wird das Brennstoff-Gas in der Saugleitung zugemischt und dann den Zylindern zugeführt. Dabei sind beispielsweise Regelventile und statische Mischer im Einsatz. Diese Systeme sind jedoch für Systeme mit elektronischer Brennstoffeinspritzung zu unhandlich. Daher wurden über Magnete geschaltete Gasdüsen einge- setzt, die den Brennstoff zudosieren und brennfähiges Gemisch im gesamten Zuleitungssystem erzeugen. Für den Einsatz in Nutzfahrzeugen, speziell aber bei stationären Gasmotoren, ist man aufgrund der bei herkömmlichen Gasventilen zu geringen Durchlassquerschnitten gezwungen, eine Bündelung von typischerweise bis zu zwölf dieser Gasventile vorzunehmen, um ausreichende Querschnitte zu erzielen (entsprechend einer herkömmlichen Zentraleinspritzung).
Zum Zwecke der besseren Regelbarkeit, besseren Brennstoffnutzung und günstigeren Schad- stoffemissionen werden jedoch Systeme bevorzugt, die mit der sogenannten Multi-Point- Einspritzung bzw. Ported-Gas-Admission arbeiten und jedem Zylinder individuell sein brennfähiges Gemisch über separate Injektoren oder Ventile zuführen. Die Regelung der zugeführten Gasmenge erfolgt dabei typischerweise über den Differenzdruck, d. h. den Unterschied zwischen dem Auflade- druck in der Gasleitung und dem Gasdruck in der Zylinderzuleitung. Dabei bleiben die Ventile über den grössten Teil des Ansaugtaktes geöffnet und die zeitliche Regelung erfolgt im Hinblick auf individuelle Anpassung der jedem einzelnen Zylinder zugeführten Gasmenge.
Die derzeit bekann- ten Ventile sind jedoch für eine Anwendung in derartigen Systemen ungeeignet, da sie zu geringe Durchlassquerschnitte von maximal 4 bis 5 mm2 aufweisen. Andererseits ist aber die Forderung nach grösserem Durchlassquerschnitt mit immer grösseren Schwierigkeiten bei der Erzielung der geforderten kurzen und exakten Schaltzeiten und der dabei erforderlichen hohen Dosiergenauig- keit verbunden. Überdies waren bei hohen Ventilquerschnitten bislang grosse und sehr starke Elektromagnete notwendig, um die grossen Ventilkörper gegen die Wirkung der Schliessfederanord- nung und den Differenzdruck am Dichtelement zu bewegen.
In der US 5,398,724 ist ein Gasventil beschrieben, dessen Dichtelement aus einer dicken Scheibe besteht, welche konzentrische Ausnehmungen an der dem Ventilsitz zugewandten Seite zwischen den Dichtleisten und vom Rand der Scheibe ausgehende radiale Kanäle aufweist, wel- che die Zufuhr des Brenngases auch zu den inneren Dichtleisten gewährleisten soll. Überdies sind über den Umfang des Dichtelementes verteilt Ausnehmungen an dessen dem Ventilsitz abgewand- ten Seite vorgesehen, in welchen Ausnehmungen je eine Schliessfeder einer ganzen Gruppe von Schliessfedern eingesetzt ist und radial vom Zentrum des Dichtelementes beabstandet angreift.
Dieses Dichtelement ist relativ schwer und erfordert daher einen sehr grossen und starken Magne- ten zu seiner Betätigung. Überdies ist es sehr komplex geformt und daher sehr aufwendig in der Herstellung und auch strömungsmässig nicht sehr günstig, was den Durchfluss - speziell im Bereich der inneren Dichtleisten - nachteilig beeinflusst. Schliesslich ist auch der Aufwand für eine ganze Gruppe von Schliessfedern sehr hoch, wobei es durch die entlang des Umfangs versetzten Angriffspunkte schon bei geringen Unterschieden in der Federstärke zu die Exaktheit der Schalt- zeiten nachteilig beeinflussende Taumelbewegungen des Dichtelementes kommen.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gasventil zu schaffen, welches leicht, rasch und exakt auch mit kleinen Elektromagneten schaltbar ist, d. h. dessen Dichtelement trotz der Auslegung für vorzugsweise grosse Durchlassquerschnitte rasch bewegbar und dennoch ausreichend stabil zur Gewährleistung der Dichtheit des Ventils ist, so dass es auch für den Ein- satz in Multi-Point- bzw. Ported-Gas-Admission-Systemen und bei aufgeladenen Motoren, insbe- sondere bei Gasmotoren für Nutzfahrzeuge oder stationären Gasmotoren, geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Dichtbereich des Schliessele- mentes eine Anzahl von konzentrischen, radial voneinander beabstandeten Umfangsstegen auf- weist, welche durch schmale radiale Stege miteinander verbunden sind und mit einer entsprechen- den Anzahl von konzentrischen Dichtleisten des Dichtsitzes zusammenwirken, wobei Dicke des Schliesselementes im Umfangsbereich zwischen den radialen Stegen durch allein die axiale Höhe
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der Umfangsstege gegeben ist, und die zwischen den Umfangsstegen gebildeten Durchströmkanä- le zu den Dichtleisten im wesentlichen rein axial durchströmbar sind, und dass der Ventilschaft mit einer Ankerplatte aus magnetisierbarem Material verbunden ist.
Diese voneinander beabstandeten Stege decken im wesentlichen nur die Dichtleisten ab und gestatten aber den Zutritt des Gases zu allen diesen Dichtleisten. Bei entsprechend maximiertem Durchlassquerschnitt ist dabei aber der Materialeinsatz, damit das Gewicht, und auch die Angriffsfläche für den Differenzdruck zwischen Zuström- und Abströmseite minimiert, wobei durch die Gitterstruktur des Dichtelementes eine die Dichtwirkung ausreichend sicherstellende Festigkeit gegeben ist.
Eine mechanisch sehr stabile Ausführung ist gegeben, wenn alle radialen Stege vom Zentrum des Dichtelementes ausgehen und jeweils alle vorhandenen Umfangsstege miteinander verbinden.
Um einen optimalen Kompromiss zwischen mechanischer Festigkeit und geringem Gewicht zu erreichen, nimmt gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung die axiale Höhe der radialen Stege vom Zentrum zum Rand des Schliesselementes hin ab.
Diesen Kompromiss weiter zu stützen, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vorsehen, dass die axiale Höhe der Umfangsstege vom Zentrum zum Rand des Schliesselementes hin zunimmt.
Zur einfachen und bezüglich der Einleitung der Betätigungskräfte günstigen Anbindung an ein Betätigungselement ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Schliesselement eine zentrale Bohrung aufweist, in welche ein Zentralbolzen als Ventilschaft eingesetzt ist, und dass die Anker- platte aus magnetisierbarem Material am dem Schliesselement entgegengesetzten Ende des Zent- ralbolzens befestigt ist.
Um eine möglichst stabile Anbindung an das Betätigungselement zu sichern und die Möglich- keit zur Kopplung mit zusätzlichen, die Bewegung des Dichtelementes beeinflussenden Bauteilen zu geben, ist der zentrale Bereich des Schliesselementes in die dem Dichtsitz entgegengesetzte Richtung buchsenartig axial verlängert.
Vorteilhafterweise ist das Schliesselement, zumindest aber dessen Dichtbereich, als Spritzguss- teil aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem Polymer, angefertigt, wodurch bei leichter Ausführung auch eine weitestgehende Verschleissminderung des Ventilsitzes gewährleistet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeich- nungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Gasventil mit dem erfindungsgemässen Dichtelement und Fig. 2a und 2b stellen eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Dichtelementes in vergrössertem Massstab dar.
In der Fig. 1 ist ein Gasventil dargestellt, das aus einem Ventilkörper 1 und einer auf ein Aussengewinde dieses Ventilkörpers 1 aufgeschraubten Magnetspannmutter 2 besteht. Der Ventil- körper 1 enthält den Ventilsitz 3 mit zumindest einer, vorzugsweise für grosse Ventilquerschnitte mehreren ebenen Dichtleisten mit im wesentlichen kreisförmiger Ausführung. Der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas oder auch Wasser- stoff, tritt durch die vorzugsweise radialen Brennstoffzuläufe 4 in zumindest einen, vorzugsweise scheibenförmigen Zulaufraum 5 im Ventilkörper 1 ein, wobei aber auch andere Eintrittsstellen oder Eintrittsrichtungen möglich sind.
So könnte der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch auch durch zumindest einen axialen Kanal in den Ventilkörper 1 eintreten, der beispiels- weise auch durch oder seitlich der Magnetspannmutter verlaufen kann. Bei sehr grossen Ventilen ist oftmals nur Platz für lediglich eine radiale Eintrittsöffnung, die dann aber einen sehr grossen Querschnitt aufweisen kann. Durch den Zulaufraum 5 wird eine nachteilige Beeinflussung der Durchströmung des freigegebenen Ventilquerschnittes durch Strömungsphänomene verhindert, so dass immer der gesamte Öffnungsquerschnitt optimal durchströmt wird und die maximal mögliche Menge an Gas das Ventil passieren kann.
Der Öffnungs- und Schliessvorgang wird durch einen Zentralbolzen 6 bewirkt, der das im geschlossenen Zustand des Ventils auf dem Ventilsitz 3 aufliegende Dichtelement 7 trägt. Eine Schliessfeder 8 wirkt - hier mittelbar, wie weiter unten noch erläutert wird - auf das Dichtelement 7 ein, das in seinem zentralen Bereich den Zentralbolzen 6 hülsenförmig umgibt. Vorzugweise ist das Dichtelement 7 in Spritzgusstechnik aus Polymer-Kunststoff, insbesondere aus einem mit Mineralstoffen, Carbon- oder Glasfasern nach Möglichkeit isotrop hochgefüllten Kunststoff, ange- fertigt, um den Verschleiss des Ventilsitzes 3 und auch das Gewicht des Dichtelementes 7 gering zu halten.
Besonders bevorzugte Kunststoffe für diese Anwendung sind aufgrund ihrer hohen Masshal-
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tigkeit und Temperaturbeständigkeit Polyphenylsiloxane (PPS), aber auch Polyätherätherketone (PEEK), Polyätherimide (PEI) und Polyphtalamide (PPA).
Die ringförmigen Dichtleisten des Ventilsitzes 3 werden durch Umfangsstege 7a des Dichtele- mentes 7 überdeckt, zwischen welchen Umfangsstegen 7a Ausnehmungen freigehalten sind, damit das Brennstoffgas den grösstmöglichen Bereich der Dichtleisten erreichen kann. Die Anzahl der Umfangsstege 7a ist der Anzahl der vorhandenen Dichtleisten proportional, wobei im vorlie- genden Fall fünf Dichtleisten und zwei Umfangsstege 7a vorhanden sind, da die innerste Dichtleis- te durch den scheibenförmigen zentralen Bereich des Dichtelementes 7 abgedeckt wird. Allgemein sind (n-1)/2 Umfangsstege vorzusehen, wenn n die Anzahl der vorhandenen Dichtleisten bezeich- net.
Für die Verbindung von jeweils einem Paar von Umfangsstegen 7a, einer Gruppe von Umfangsstegen oder auch aller Umfangsstege und auch die nötige mechanische Festigkeit des Dichtelementes 7 sorgen dann dessen radialen Stege 7b. Die Zahl der radialen Stege 7b ist in weitem Masse an die Festigkeits- und Gewichtsanforderungen anpassbar, wobei aber vorteilhafter- weise zwischen zwei und sechs radiale Stege 7b vorhanden sein werden, vorzugsweise jeweils um gleiche Winkelbeträge voneinander beabstandet (2 Stege -180 , 3 Stege -120 , usw. ). Auch die axiale Höhe der Umfangsstege 7a, d. h. die "Dicke" des Dichtelementes 7 trägt zur notwendigen mechanischen Stabilität bei.
In Fig. 2a ist ein teilweiser Querschnitt (Ansicht entlang der Linie a-a der Fig. 2b) durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Dichtelementes 7 darge- stellt, bei der zusätzlich zur zentralen Dichtscheibe 7c acht Umfangsstege 7a - für maximal 17 Dichtleisten - vorhanden sind, deren Höhe vom Zentrum nach aussen hin zunimmt. Die Höhe der radialen Stege 7b nimmt dagegen nach aussen hin ab. Wie in Fig. 2b zu erkennen ist, die in der oberen Hälfte eine Draufsicht auf das Dichtelement 7 zeigt und in der unteren Hälfte eine Unteran- sicht aus Richtung der Dichtleisten, sind 12 radiale Stege 7b vorhanden und jeweils zwei davon schliessen miteinander einen Winkel von 30 ein.
Am äussersten Umfangssteg 7a sind Anschlagbe- reiche 7d vorgesehen, die zur Hubbegrenzung des Dichtelementes 7 an einem gegenüberliegen- den Anschlagbereich am Gehäuse od. dgl. vorgesehen sind.
Der Zentral bolzen 6 ist unter allfälliger Zwischenlage von Distanzblechen 9 zum Toleranzaus- gleich durch vorzugsweise ein Verschraubung 10 mit einer in einem Distanzelement 11 geschützt angeordneten Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden. An der Unterseite dieser Büchse 11stützt sich auch die Schliessfeder 8 ab.
Das Ventilgehäuse 1 weist eine innere Abkantung 13 auf, an welcher Anschlagbereiche der am weitesten nach aussen reichenden radialen Stege 7b des Dichtelementes 7 und/oder Anschlagbe- reiche 7d der äussersten Umfangsstege 7a zum Anschlag kommen, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromagneten 14, vorzugsweise einem Topfmagneten, nächsten Stellung befindet.
Der Abstand von der Oberseite der Anschlagbereiche des Dichtelementes 7 zur Abkantung bestimmt dabei den Ventilhub, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm, und ist vorzugsweise immer geringer als der Abstand der Ankerplatte 12 zur Unterseite des Elektromagneten 14 in geschlossenem Zustand des Ventils, so dass auch bei vollständiger Öffnung des Ventils eine Frei- stellung zwischen Ankerplatte 12 und Elektromagnet 14 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften und schnellen Bewegungen des Systems Ankerplatte 12, Zentralbolzen 6 und Dichtelement 7 ist derart ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls sehr weichen Werkstoff des Elektromagne- ten 14 verhindert. Der Elektromagnet 14 wird - gesteuert über die Elektronik des Einspritzsystems - über die Anschluss-Gewindestifte 15 mit Strom versorgt, der über den Stecker 16 zugeleitet wird.
Damit die Zeiten für Öffnen und Schliessen des Ventils im wesentlichen gleich und auch für alle im System vorkommenden Drücke gleich exakt einhaltbar sind, kann vorteilhafterweise ein Aus- gleichskolben 17 als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdrucks am Dichtelement 7 vorgesehen sein. Dessen Druckangriffsfläche entspricht jener des Dichtelementes 7, so dass der am Dichtelement 7 angreifende Differenzdruck kompensiert wird. Für das Öffnen des Ventils muss der Elektromagnet 14 daher nur die Kraft der Schliessfeder 8 und die Massenträgheit der Ankerplat- te 12, der Distanzbleche 9, des Zentralbolzens 6 und des Dichtelementes 7 selbst überwinden.
Damit können auch bei Ventilen mit grossen Öffnungsquerschnitten kleine Elektromagnete 14 mit geringer Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Der Ausgleichskolben 17 umgibt den Zentralbol- zen 6 als im wesentlichen scheibenförmiger Bauteil, der mittels eines umlaufenden Dichtringes 18 gegenüber dem ihn führenden Ventilgehäuse 1 abgedichtet ist und damit auch gleichzeitig den
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Zentralbolzen 6 und das Dichtelement 7 im Ventilgehäuse 1 zentriert führt. Die Schliessfeder 8 wirkt auf den Ausgleichskolben 17 ein und damit mittelbar auch auf den Zentralbolzen 6 und das Dicht- element 7. Eine Ausgleichsfeder 19, vorgespannt zwischen dem Dichtelement 7 und dem Aus- gleichskolben 17, sorgt dafür, dass der Ausgleichskolben 17 immer unmittelbar an der Ankerplatte 12 bzw. den Distanzblechen 9 anliegt.
Damit wird auch ein verschleissförderndes Gleiten des ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff angefertigten Ausgleichskolbens 17 vermieden.
Um die Schliesswirkung der Schliessfeder 8 nicht durch am Ausgleichskolben 17 anliegenden Druck zu behindern, sind Gaspassagen vom Brennstoffablauf 24 und/oder Abströmraum in einen Ausgleichsraum 20 auf der diesem Abströmraum 24 gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskol- bens 17 vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist dies die dem Dichtelement 7 gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens 17. Diese der Überströmung dienenden Gaspassagen sind im vorlie- genden Fall vorteilhafterweise durch eine Zentralbohrung 21 im Zentralbolzen 6 mit radialen Aus- strömöffnungen 22 in den Ausgleichsraum 20 und entsprechende radiale Öffnungen 23 im buch- senförmigen Teil des Ausgleichskolbens 17 realisiert.
Sollte das Dichtelement 7 keine zentrale Öffnung aufweisen, durch die der Zentralbolzen 6 hindurchreicht, ist selbstverständlich auch im Dichtelement 7 zumindest eine entsprechende Bohrung oder eine vorzugsweise mitgespritzte Durchtrittsöffnung vorzusehen. Nach dem Öffnen des Ventils folgt der Druck im Ausgleichsraum 20 dem zeitlichen Verlauf des Drucks im Brennstoffablauf 24 und dem dahinter liegenden Abström- raum mit einer zeitlichen Verzögerung, die durch die Drosselung in den relativ engen Gaspassagen bedingt ist. Dadurch kann sich die Wirkrichtung der auf den Ausgleichskolben 17 wirkenden Kraft kurzfristig umkehren. Es ist daher vorteilhaft, diese Gaspassagen hinreichend gross auszuführen, um die Drosselung möglichst gering zu halten.
Dichtungen 25 an der Aussenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den dichten Einbau des Gasventils in beispielsweise eine Gasverteilerleiste 26 des Systems, in das der vom Ventil aus- strömende Brennstoff bzw. das ausströmende brennfähige Gemisch über die Abströmöffnung 24 eingeblasen wird. Vorzugsweise ist das Gasventil durch eine die Magnetspannmutter 2 umgeben- de Klemmplatte (nicht dargestellt) fixiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesonders Brennstoffeinspritzventil für
Gasmotoren, mit zumindest einem kreisringförmigen Dichtsitz und einem relativ dazu axial beweglichen Schliesselement zwischen dem Brennstoffzulauf und dem Brennstoffablauf, wobei ein tellerförmig verbreiterter Dichtbereich des Schliesselementes mit dem Dichtsitz zusammenwirkt und zumindest eine Schliessfeder auf das Schliesselement in Richtung auf den Dichtsitz hin zentral einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtbereich des
Schliesselementes (7) eine Anzahl von konzentrischen, radial voneinander beabstandeten
Umfangsstegen (7a) aufweist, welche durch schmale radiale Stege (7b) miteinander ver- bunden sind und mit einer entsprechenden Anzahl von konzentrischen Dichtleisten des
Dichtsitzes (3) zusammenwirken, wobei die Dicke des Schliesselementes (7)
im Umfangs- bereich zwischen den radialen Stegen (7b) durch allein die axiale Höhe der Umfangsstege (7a) gegeben ist, und die zwischen den Umfangsstegen (7a) gebildeten Durchströmkanäle zu den Dichtleisten im wesentlichen rein axial durchströmbar sind, und dass der Ventil- schaft mit einer Ankerplatte (12) aus magnetisierbarem Material verbunden ist.