DE102009012688B3

DE102009012688B3 - Ventil zum Einblasen von Gas

Info

Publication number: DE102009012688B3
Application number: DE102009012688A
Authority: DE
Inventors: Harry SCHÜLE
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: KR101652678B1; NL2004355A; KR20100102547A; NL2004355C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (7) zum Einblasen von Gas für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem Gehäuse (40), in dem eine Magnetspule (41), ein Stellglied (53) und ein Schließglied (45) angeordnet sind, wobei das Stellglied (45) in einer Schließposition einen ersten Abstand (A) von der Magnetspule (41) aufweist, wobei das Schließglied (45) einer Abgabeöffnung (47) eines Abgaberaumes (46) zugeordnet ist, wobei das Schließglied (45) in einer Schließposition die Abgabeöffnung (47) verschließt und einen zweiten Abstand (B) zur Magnetspule (41) aufweist, wobei der zweite Abstand (B) größer als der erste Abstand (A) ist, wobei das Schließglied (45) und das Stellglied (53) wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material gebildet sind, ) beweglich im Gehäuse (40) angeordnet sind, wobei das Stellglied (53) und das Schließglied (45) in der Weise ausgebildet sind, dass bei einer Bestromung der Magnetspule (41) das Stellglied (53) aufgrund magnetischer Kräfte in Richtung Magnetspule (41) bewegbar ist und dabei das Schließglied (45) ebenfalls in Richtung auf die Magnetspule (41) bis zu einem dritten Abstand (C) zur Magnetspule (41) mitbewegbar ist, wobei in dieser Position des Schließgliedes (45) die Abgabeöffnung (47) wenigstens teilweise geöffnet ist, dass weiterhin das Schließglied (45) von der Magnetspule (41) mithilfe magnetischer Kräfte bis zu einem vierten Abstand zur Magnetspule anziehbar ist, wobei der vierte ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Einblasen von Gas gemäß Patentanspruch 1.
Bei Erdgasfahrzeugen wird Gas in der Regel in Flaschen mit Drücken von bis zu 200 bar gelagert. Aus diesem Grund wird ein Druckverminderer benötigt, der das Gas von dem Hochdruck auf einen niedrigen Raildruck am Eingang der Ventile reduziert. Die Ventile sind beispielsweise als Magnetventile ausgebildet, die abhängig von der Bestromung das Gas in einen Brennraum der Brennkraftmaschine abgeben.
In der DE 43 10 415 A1 ist ein elektromagnetisches Ventil, insbesondere für Wasserdruckleitungen offenbart, das die Verwendung leistungsärmerer Erregerspulen erlaubt. Hierfür wird ein Dichtkörper, über einem Schaft beweglich mit dem Anker verbunden. Dadurch kann sich der Anker beim Anziehen des Ventils lastfrei in einen Bereich mit größerer Kraftentfaltung des Magnetfeldes bewegen, wodurch eine leistungsärmere Erregerspule genügt, um das Ventil gegen den Leitungsdruck zu öffnen. Durch die verschiebbare Anordnung des Dichtkörpers in Bezug auf den Anker kann sich der Anker beim Anziehen des Ventils ohne Last in einen Bereich hineinbewegen, wo die Flussdichte des Magnetfelds besonders stark ausgeprägt ist. Aufgrund dieser hohen Flussdichte wird sodann durch das Auflaufen einer entsprechenden Mitnahmevorrichtung zwischen Anker und Dichtkörper, der Dichtkörper mit großer Kraft vom Ventilsitz abgehoben. Aufgrund des vorherigen lastfreien Teilhubes des Ankers wird die Strecke des verbleibenden Resthubes naturgemäß kleiner. Dies hindert jedoch den Dichtkörper nicht, aufgrund einer zusätzlichen äußeren Kraft, beispielsweise einer Feder- oder Druckeinwirkung, anschließend einen deutlich höheren Hub durchzuführen, da der Dichtkörper nicht starr mit dem Anker verbunden ist.
Aus DE 297 06 717 U1 ist ein Magnetventil mit mindestens zwei Anschlüssen, einer Spule und einem in einem Zylinder im Spulenkörper geführten Kern beschrieben. Über die Bewegung des Kerns wird durch die Magnetisierung der Spule das Magnetventil geöffnet und nach Abschalten der Spule durch die Kraft einer Feder geschlossen, wobei der Kern und die Schließvorrichtung des Ventils druckentlastet ausgeführt sind und die Stirnseite des Kerns eine Wirkfläche aufweist, die einer Wirkfläche am Ventilkörper entspricht. Die elastische Hauptsitzdichtung ist im Gehäuse angebracht und der spitz auslaufende Hauptventilsitz und der Ausgleichsdurchmesser sind durch Zusammenfassung in einer beweglichen Sitzhülse untergebracht.
In der DE 195 30 899 A1 ist ein Magnetventil, insbesondere ein bei hohen Differenzdrücken schaltendes, einen großen Durchflussquerschnitt bereitstellendes Magnetventil beispielsweise für eine schlupfgeregelte, hydraulische Bremsanlage für Kraftfahrzeuge beschrieben. Das Magnetventil hat einen Anker, welcher bei Bestromung einer Spule entgegen der Kraft einer ersten Rückstellfeder gegen einen Polkern bewegbar ist. Der Anker vermag unmittelbar ein Hilfsventil kleinen Dichtdurchmessers und mittelbar ein Hauptventil großen Dichtdurchmessers zu öffnen. Das Hilfsventil und das Hauptventil haben einen gemeinsamen Schließkörper, der hubbegrenzt entgegen der Kraft einer zweiten Rückstellfeder relativ zum Anker bewegbar ist. Das Hilfsventil steht durch eine Bohrung des Schließkörpers mit der Abströmseite des Magnetventils in Verbindung. In der Durchlassstellung des Magnetventils ist der Schließkörper aufgrund der Wirkung der zweiten Rückstellfeder in seiner das Hilfsventil sperrenden Stellung gehalten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Ventil zum Einblasen von Gas bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Ventils sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Ventil hat den Vorteil, dass das Ventil mit geringen Magnetkräften betätigt werden kann. Dazu ist ein Stellglied und ein Schließglied vorgesehen, wobei das Stellglied in der Schließposition einen geringen Abstand zur Magnetspule aufweist. Das Stellglied steht in Wirkverbindung mit dem Schließglied in der Weise, dass bei einer Bestromung der Magnetspule das Stellglied das Schließglied in Richtung auf die Magnetspule mitbewegt. Zudem wird das Schließglied durch Magnetkräfte der Magnetspule unabhängig von der Bewegung des Stellgliedes noch näher an die Magnetspule bis zu einer Offenposition herangezogen. Durch das Vorsehen des Stellgliedes und des Schließgliedes ist es möglich, mit einer ersten Bewegung des Stellgliedes und einer damit verbundenen Bewegung des Schließgliedes eine Abgabeöffnung des Ventils zu öffnen. Dabei sinkt der Druck in einem Abgaberaum, in dem sich das Stellglied und das Schließglied befinden. Damit ist der Gasdruck und die damit verbundenen Kräfte auf das Schließglied reduziert. Somit kann eine weitere Bewegung des Schließgliedes in eine Offenposition, in der die Abgabeöffnung vollständig geöffnet ist, mit geringen Magnetkräften erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Abgaberaum mit einer Zuleitung für Gas verbunden, die durch die Magnetspule geführt ist. Dadurch wird ein kompakter Aufbau des Ventils ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Stellglied und/oder das Schließglied wenigstens in einem Teilbereich ringförmig ausgebildet, wobei der Teilbereich des Stellgliedes und/oder des Schließgliedes der Magnetspule zugewandt sind. Durch die ringförmige Ausbildung können die Magnetkräfte zwischen der Magnetspule und dem magnetischen Stellglied bzw. dem magnetischen Schließglied vergrößert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Ventils sind Betätigungsflächen am Schließglied und am Stellglied vorgesehen, über die das Schließglied vom Stellglied in Richtung Magnetspule bewegbar ist. Durch das Vorsehen von Betätigungsflächen ist ein einfaches und sicheres Mittel zur Ausbildung einer Wirkverbindung zwischen dem Stellglied und dem Schließglied möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Federelement vorgesehen, das das Schließglied in eine Schließposition der Abgabeöffnung vorspannt. In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweites Federelement vorgesehen, das das Stellglied in Richtung auf die Magnetspule vorspannt. Das Federelement weist eine größere Federsteifigkeit als das zweite Federelement auf. Damit ist ein sicheres Verschließen der Abgabeöffnung in der Schließposition möglich.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Stellglied einen ringförmigen Abschnitt auf, der einen ringförmigen Abschnitt des Schließgliedes umfasst, wobei die ringförmigen Abschnitte der Magnetspule zugewandt sind. Dadurch wird ein kompakter Aufbau mit einer vorteilhaften Ausbildungsform für die Magnetkräfte der Magnetspule bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Magnetspule eine ringförmige Grundfläche auf, die sowohl wenigstens von einem Teil der ringförmigen Abschnitte des Stellgliedes und des Schließgliedes abgedeckt wird. Damit ist eine wirksame Anordnung des Schließgliedes und des Stellgliedes in Bezug auf die Magnetkräfte möglich.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Stellglied und das Schließglied in der Weise ausgebildet, dass das Stellglied und das Schließglied in einer Offenposition in Anlage an die Magnetspule bringbar sind. Dadurch wird eine definierte Position des Stellgliedes und des Schließgliedes für die Offenposition der Abgabeöffnung bereitgestellt. Somit sind das Stellglied und das Schließglied in einer definierten Position, so dass deren Steuerung zum Schließen der Abgabeöffnung präzise festgelegt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert:
Es zeigen
1 einen schematischen Aufbau eines Gaszuführsystems für eine Brennkraftmaschine,
2 eine schematische Darstellung des Ventils zum Einblasen von Gas in einer Schließposition,
3 das Ventil in einer Zwischenposition,
4 das Ventil in einer Offenposition.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Gaseinblassystem einer Brennkraftmaschine 1. Es ist ein Gasspeicher 2 vorgesehen, der Gas mit einem vorgegebenen Druck, beispielsweise mit einem Druck von 200 bar bevorratet. Der Gasspeicher ist über ein Schaltventil 3 mit einer Gasleitung 4 verbunden. Die Gasleitung 4 steht über einen Druckminderer 5 mit einer Zuleitung 6 in Verbindung. Der Druckminderer 5 reduziert den Gasdruck von dem vorgegeben Speicherdruck von beispielsweise 200 bar auf einen Einblasdruck von beispielsweise 8 bar. Die Zuleitung 6 ist zu einem Ventil 7 geführt, das mit einem Brennraum 8 der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung steht. Weiterhin ist ein Sensor 9 an der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, der über eine Sensorleitung 10 mit einem Steuergerät 11 verbunden ist. Weiterhin steht das Steuergerät 11 mit einem Datenspeicher 14 in Verbindung.
Das Steuergerät 11 steuert das Schaltventil 3 in einen offenen oder geschlossenen Zustand abhängig davon, ob Gas vom Gasspeicher 2 dem Ventil 7 geführt werden soll. Weiterhin erfasst das Steuergerät 11 über den Sensor 9 wenigstens einen Parameter der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann als Parameter der Brennkraftmaschine die Last und/oder eine Gaspedalstellung eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, erfasst werden. Abhängig von der Last und/oder der Gaspedalstellung steuert das Steuergerät 11 die Brennkraftmaschine. Dazu ist das Steuergerät 11 mit dem Datenspeicher 14 verbunden, in dem Tabellen und/oder Kennlinien abgelegt sind.
2 zeigt das Ventil 7 in einer Schließposition. Das Ventil 7 weist ein Gehäuse 40 auf, in dem eine Magnetspule 41 in einem oberen Bereich angeordnet ist. Die Magnetspule 41 umgibt eine zylinderförmige Ausnehmung 42, die mit der Zuleitung 6 verbunden ist. In der Ausnehmung 42 ist ein erstes Federelement 43 angeordnet. Das erste Federelement 43 ist zwischen Anschlägen 44 auf der Innenseite der Magnetspule 41 und einem Schließglied 45 eingespannt. Das Schließglied 45 ist in einem Abgaberaum 46 angeordnet und verschließt eine Abgabeöffnung 47. Das Schließglied 45 ist als zylindrischer Körper ausgebildet, der eine kreisscheibenförmige Dichtfläche 48 aufweist. Die Dichtfläche 48 ist einer ringförmigen Auflagefläche 49 zugewandt ist. Die ringförmige Auflagefläche 49 umgibt die Abgabeöffnung 47 auf einer Innenseite des Abgaberaums 46. Gegenüberliegend zur Dichtfläche 48 weist das Schließglied 45 eine Anlagefläche 51 auf, die ebenfalls kreisflächig ausgebildet ist, und an der das erste Federelement 43 anliegt. Die Anlagefläche 51 ist mittensymmetrisch zur zylinderförmigen Ausnehmung 42 angeordnet, wobei die Anlagefläche 51 die Ausnehmung 42 abdeckt und mit einem Randbereich über die Ausnehmung 42 hinausgeht und eine Teilringfläche 90 einer Grundfläche 52 der Magnetspule 41 abdeckt.
Das Schließglied 45 ist von einem hülsenförmig ausgebildeten Stellglied 53 umgeben. Das Stellglied 53 weist eine beidseitig offene Topfform auf, wobei das Schließglied 45 durch eine Öffnung 54 einer Bodenplatte 55 des Stellgliedes 53 geführt ist. An einer Innenseite der Bodenplatte 55 liegt das Schließglied 45 mit einer ringförmigen Betätigungsfläche 56 auf. Weiterhin weist das Stellglied 53 einen ringförmigen Abschnitt 57 auf, der der Magnetspule 41 zugewandt ist. Zwischen der Bodenplatte 55 und dem Gehäuse 40 ist ein zweites Federelement 91 eingespannt, das das Stellglied 53 in Richtung Magnetspule 41 vorspannt. Aufgrund der größeren Federsteifigkeit des ersten Federelementes 43 liegt das Schließglied 45 auf der Auflagefläche 49 auf. 2 zeigt die Schließposition, in der das Stellglied 53 einen ersten Abstand A zur Magnetspule aufweist. Das Schließglied 45 weist mit der Anlagefläche 51 einen zweiten Abstand B von der Magnetspule, d. h. von der Grundfläche 52 der Magnetspule 41 auf. Der erste Abstand A ist kleiner als der zweite Abstand B.
Weiterhin ist eine Führungsfläche 58 vorgesehen, die das Stellglied 53 in einer vorgegebenen Bewegungsrichtung 92 führt. Die Führungsfläche 58 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zylindrische Teilkreismantelfläche ausgebildet.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Führungsfläche 58 auch eine Teilringfläche darstellen, die die zylinderförmige Außenfläche des Stellgliedes 53 umfasst. Zudem weist das Schließglied 45 eine zweite und eine dritte Führungsfläche 59, 60 auf, die jeweils ringförmig ausgebildet sind und an der zylindrischen Innenfläche 61 des Stellgliedes 53 geführt sind.
Das Stellglied 53 und das Schließglied 45 sind wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt. Insbesondere sind Bereiche des Stellgliedes 53 und Bereiche des Schließgliedes 45, die der Magnetspule 41 zugewandt sind, aus dem magnetischen Material hergestellt.
Wird nun die Magnetspule 41 bestromt, so wird aufgrund der magnetischen Kräfte das Stellglied 53 in Richtung auf die Magnetspule entgegen der Vorspannkraft des ersten Federelementes 43 gezogen. Zudem wird mit dem Stellglied 53 das Schließglied 45 etwas von der Abgabeöffnung 47 abgehoben, da die Bodenplatte 55 zur Anlage an die Betätigungsfläche 56 des Schließgliedes 45 gelangt. Das Stellglied 53 gelangt mit dem ringförmigen Abschnitt 57 in Anlage an die Grundfläche 52 der Magnetspule 41. Aufgrund der geöffneten Abgabeöffnung 47 bricht der Druck des Gases im Abgaberaum 46 ein, wie in 3 dargestellt. Damit werden auch die Gaskräfte, die auf das Schließglied 45 einwirken, geringer.
Da die Magnetspule weiter bestromt wird und sich das Schließglied 45 mit einem dritten Abstand C näher als im zweiten Abstand B an der Magnetspule 41 befindet, wird das Schließglied 45 durch die Magnetkraft der Magnetspule 41 in Richtung auf die Magnetspule 41 gezogen. Dabei wird die Dichtfläche 48 noch weiter von der Auflagefläche 49 abgehoben, sodass die Abgabeöffnung 47 vollständig geöffnet ist wie in 4 dargestellt. In dieser Position ist das Schließglied 45 mit der Anlagefläche 51 in Anlage an der Grundfläche 52 der Magnetspule 41. Somit befinden sich nun das Schließglied 45 und das Stellglied 53 in der Offenposition.
Aufgrund der gewählten Ausführungsform bilden in der Offenposition die Bodenplatte 55 des Stellglieds 53 und die Dichtfläche 48 des Schließglieds 45 vorzugsweise eine ebene Fläche. Aufgrund der ebenen Fläche werden Verwirbelungen des Gases vermieden, sodass eine gleichmäßige Ausströmung des Gases aus dem Abgaberaum 46 über die Abgabeöffnung 47 möglich ist. Diese Position ist in 4 dargestellt. In der Offenposition ist ein großer effektiver Strömungsquerschnitt der Abgabeöffnung 47 freigegeben, sodass ein hoher Durchfluss von Gas die Folge ist. Aufgrund der beschriebenen Ausführungsformen des Stellgliedes 53 und des Schließgliedes 45 können mit vergleichsweise geringen elektrischen Leistungen relativ große Gasdrücke überwunden werden und hohe Durchflüsse realisiert werden.
Wird nun die Bestromung der Magnetspule 41 über die elektrischen Leitungen 63 unterbrochen, so wird das Schließglied 45 von dem ersten Federelement 43 mit der Dichtfläche 48 in Anlage an die Auflagefläche 49 gebracht, wie in 2 dargestellt. Zudem wird das Stellglied 53 über die Betätigungsfläche 56 entgegen der Federkraft des zweiten Federelementes 91 in die Ausgangsposition zurückbewegt, wie in 2 dargestellt ist.
Durch das zweistufige Öffnungsverfahren mit Hilfe von zwei getrennten Bauteilen, d. h. dem Stellglied 53 und dem Schließglied 45 ist es mit Hilfe geringer Magnetkräfte möglich, zuerst einen ersten Hub des Schließgliedes 45 und ein Einbrechen des Gasdruckes im Abgaberaum 46 zu erzeugen. Der zweite Hub des Schließgliedes 45 wird durch die Magnetkraft zwischen der Magnetspule 41 und dem Schließglied 45 bewerkstelligt, wodurch ein größerer effektiver Strömungsquerschnitt der Abgabeöffnung 47 freigegeben wird.

Claims

Ventil (7) zum Einblasen von Gas für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem Gehäuse (40), in dem eine Magnetspule (41), ein Stellglied (53) und ein Schließglied (45) angeordnet sind, wobei das Stellglied (53) in einer Schließposition einen ersten Abstand (A) von der Magnetspule (41) aufweist, wobei das Schließglied (45) einer Abgabeöffnung (47) eines Abgaberaumes (46) zugeordnet ist, wobei das Schließglied (45) in einer Schließposition die Abgabeöffnung (47) verschließt und einen zweiten Abstand (B) zur Magnetspule (41) aufweist, wobei der zweite Abstand (B) größer als der erste Abstand (A) ist, wobei das Schließglied (45) und das Stellglied (53) wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material gebildet sind, wobei das Schließglied (45) und das Stellglied (53) beweglich im Gehäuse (40) angeordnet sind, wobei das Stellglied (53) und das Schließglied (45) in der Weise ausgebildet sind, dass bei einer Bestromung der Magnetspule (41) das Stellglied (53) aufgrund magnetischer Kräfte in Richtung Magnetspule (41) bewegbar ist und dabei das Schließglied (45) ebenfalls in Richtung auf die Magnetspule (41) bis zu einem dritten Abstand (C) zur Magnetspule (41) mit bewegbar ist, wobei in dieser Position des Schließgliedes (45) die Abgabeöffnung (47) wenigstens teilweise geöffnet ist, dass weiterhin das Schließglied (45) von der Magnetspule (41) mithilfe magnetischer Kräfte bis zu einem vierten Abstand zur Magnetspule anziehbar ist, wobei der vierte Abstand kleiner als der dritte Abstand ist, wobei sich das Schließglied (45) im vierten Abstand in einer Offenposition befindet, in der die Abgabeöffnung (47) vollständig geöffnet ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei eine Zuleitung (6) zu dem Abgaberaum (46) durch eine Ausnehmung (42) führt, die von der Magnetspule (41) umgeben ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Stellglied (53) wenigstens in einem Teilbereich (57), der der Magnetspule (41) zugewandt ist, ringförmig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stellglied (53) das Schließglied (45) wenigstens teilweise umfasst, und wobei Betätigungsflächen (56) am Stellglied (53) und am Schließglied (45) vorgesehen sind, mit denen das Stellglied (53) das Schließglied (45) vom zweiten Abstand (B) zum dritten Abstand zur Magnetspule bewegt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Federelement (43) vorgesehen ist, das das Schließglied (45) in Richtung Schließposition vorspannt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein zweites Federelement (91) vorgesehen ist, das das Stellglied (53) in Richtung auf die Magnetspule (41) vorspannt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schließglied (45) vom Stellglied (53) umgeben ist, wobei ein ringförmiger Abschnitt (59) des Schließgliedes (45) der Magnetspule (41) zugewandt ist, wobei ein ringförmiger Abschnitt (61) des Stellgliedes (53) den ringförmigen Abschnitt (59) des Schließgliedes (45) umfasst und der Magnetspule (41) zugewandt ist.
Ventil nach Anspruch 7, wobei eine ringförmige Grundfläche (52) der Magnetspule (41) sowohl wenigstens einen Teil der ringförmigen Abschnitte (57, 59) des Stellgliedes (53) und des Schließgliedes (45) abdeckt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Stellglied (53) und das Schließglied (45) in der Weise ausgebildet sind, dass das Stellglied (53) und das Schließglied (45) in einer Offenposition in Anlage an die Magnetspule (41) bringbar sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in der Offenposition eine Betätigungsfläche (56) des Schließglieds (45) und eine Bodenplatte (55) bündig abschließen, wobei die Betätigungsfläche (56) und die Bodenplatte (55) der Abgabeöffnung (47) zugewandt sind.