用于内燃机的气体配量阀的制作方法

1.本发明涉及一种气体配量阀，如其优选地用于将气态的燃料直接配量加入到内燃机的燃烧空间中。


背景技术：

2.从现有技术已知用于经配量地配给气体的气体阀。de 10 2016 215 027 a1说明一种气体阀，该气体阀是燃料电池组件的再循环装置的一部分。气体阀包括可运动的阀元件，所述可运动的阀元件逆着弹簧元件的力通过电磁体在气体阀内部是可运动的并且由此打开和关闭进气口。气体流通过在阀元件内部的钻孔引导并且因此到达排气口，其中，阀元件在气体阀内部在其外侧被导向。通过接通和关断电磁体能够将待配量的气体在所期望的时间点并且以所需要的量供入燃料电池。在该应用中，不希望出现在阀元件上的密封座的过多的热负荷。
3.然而，在将气体直接地配给到内燃机的燃烧空间中时，要求是不同的。在燃烧空间中，由于燃烧而出现高的温度和压力，所述高的温度和压力会导致气体配量阀的强烈加热，因为它直接地通到燃烧空间中。例如如果要配量加入氢气，则只能困难地由金属的密封座实现好的密封，主要因为由于安全原因在配量阀的整个使用寿命上的可靠的密封是绝对必要的。因此，弹性体密封件的使用是必要的，然而，所述弹性体密封件只能暴露在相对低的温度下而不被损坏。为了限制温度，气体配量阀的阀座能够离排气口和因此离燃烧空间相对远地布置。然而，这引起气体配量阀相对于在燃烧空间中的火焰到气体配量阀中的回火更容易受影响，因为相对大容积的气体配量阀由于远离燃烧空间的密封座而直接地与燃烧空间连接。尤其是当可燃烧的气体的残余位于气体配量阀中时，燃烧空间的火焰前锋会扩散到气体配量阀中并且在那里导致强的热负荷，尤其是在密封座上。


技术实现要素：

4.具有独立的权利要求的特征的、根据本发明的气体配量阀具有下述优点：降低密封座的热负荷并且在单个的吹入之间和在内燃机关断的情况下确保待配量的气体的可靠的密封。为此，气体配量阀具有壳体，在所述壳体中构造有气体空间，所述气体空间具有进气口和排气口。在气体空间中布置有可运动的阀元件，所述可运动的阀元件能够通过电致动器逆着回位弹簧的力运动并且所述可运动的阀元件与密封座共同起作用以打开和关闭进气口。在阀元件和排气口之间布置有截止阀，所述截止阀能够附加地中断至排气口的气体流。
5.如果要将气体配量加入到燃烧空间中，则阀元件由电致动器、例如电磁体打开。经由进气口流入的气体在截止阀前方导至压力提高，所述压力提高打开截止阀。气体经过截止阀并且最终到达燃烧空间中。还在气体配量加入和因此阀元件关闭期间或者在其结束之后短时间，燃烧空间中的燃烧被点燃，其中，火焰前锋也朝向气体配量阀扩散。然而，因为截止阀直接在气体配量阀的进气口关闭之后也关闭，在燃烧空间中的火焰前锋只能扩散至截
止阀，并且有效地保护阀元件的密封座。由于在燃烧空间中的燃烧而突然地升高的压力也支持截止阀的关闭。因为阀座被保护以免受高温影响，在那里能够使用弹性密封部、例如弹性体密封件，这尤其是在氢气的情况下是有利的。
6.在本发明的有利的第一构型中，截止阀包括由关闭弹簧加负荷的、可运动的关闭元件，该关闭元件优选可纵向运动地在气体空间中被导向。由此，在没有另外的元件、尤其是没有电气元件的情况下设法实现一种截止阀，所述截止阀有效地允许仅仅在所期望的流动方向上的气体流并且因此作为止回阀起作用。在此，关闭元件能够碟形地构造，这一方面是一种简单的、易于制造的形状，而另一方面，在垂直于碟平面的纵向运动中，在小行程的情况下已经上调到大的流动横截面。由此，能够使在截止阀上的不可避免的节流保持小，以便在吹入气态的燃料时提供满的气体压力。以有利的方式，也能够设置：在关闭方向上加载阀元件的回位弹簧，所述回位弹簧以其另外的端部支撑在关闭元件上。
7.在本发明的另一有利的构型中，在阀元件上构造有压力销，在阀元件的打开运动中，所述压力销贴靠在关闭元件上并且因此将一打开力施加到关闭元件上，即，打开截止阀。在该实施方案中，截止阀不仅由在关闭元件前方和后方的压力差打开，而且已经由阀元件的运动打开。这缩短气体配量阀的响应时间，即，在电致动器的激活与气态的燃料的实际流出之间过去的时间。
8.在另外的有利的构型中，阀元件与在气体空间中的阀座共同起作用以便闭锁进气口。在此，弹性的密封元件以有利的方式布置在阀元件的阀密封面上或者阀座上。进气口能够通过弹性的密封元件非常密封地闭锁，这尤其是在配量气态的氢气时是重要的，从而不会发生非期望的阀座上的泄漏。在氢气的情况下，由于安全原因，非常重要的是，在发动机关断的情况下，阀座是完全地密封的。在例如安装在商用车中的发动机的较长使用时间上，氢气也不允许聚集在发动机外部(所述氢气会在那里被点燃)。
9.为了进一步地改进密封性，还能够以有利的方式在阀座上设置咬合边沿。所述咬合边沿提高了在这个区域中的面压力，这进一步改进密封性。附加地，在阀元件上能够设置有环绕的环式脊。所述环式脊能够包围咬合边沿并且将其高度设计为，使得在阀元件的关闭运动中，首先是弹性的密封元件并且接着是环式脊贴靠在阀座上。由此，在阀密封面和阀座之间的最小间距由所述环式脊限定，使得不让弹性的密封元件过度地加负荷。
10.在另一有利的构型中，截止阀包括阀针，这里，所述阀针用作关闭元件。该阀针可纵向运动地布置在气体空间中并且防止气体到气体空间中的回流。以有利的方式，在此，在阀针的面向排气口的端部上构造有阀座，阀针以所述阀座与相应的密封面共同起作用。在此，阀针优选通过关闭弹簧在所述密封面的方向上预紧。
11.在另一有利的构型中，在阀元件上构造有压力销，在阀元件的打开运动中，所述压力销贴靠在阀针上并且由此将一打开力施加到该阀针上。正如在具有盘形的关闭元件的实施例中那样，截止阀与阀元件一起被打开。
附图说明
12.在附图中示出本发明的不同的实施例。其示出了：
13.图1根据本发明的气体配量阀的第一实施例的纵截面，
14.图2在放大的示图中的图1中用ii标明的局部，
15.图3本发明的另一实施例，其中，这里仅示意性地示出气体配量阀，
16.图4a，4b和4c同样在示意性的示图中的根据本发明的气体配量阀的另外的实施例，其具有针状的关闭元件，
17.图5在纵截面中的根据本发明的气体配量阀的另一实施例，
18.图6根据本发明的气体配量阀的另一实施例，和
19.图7在图6中所示出的阀的变型，该阀具有向外打开的阀针。
具体实施方式
20.在图1中以纵截面示出根据本发明的气体配量阀的第一实施例。气体配量阀具有壳体1，在该壳体中构造有气体空间2。气体空间2具有进气口5和排气口6，其中，待配量的气体通过进气口5到达气体配量阀中并且通过排气口6到达内燃机的燃烧空间中。在此，排气口6构造在喷嘴筒7的端部上，该喷嘴筒使气体流转向，从而气体到达燃烧空间的所期望的空间区域中。阀元件8可纵向运动地布置在气体空间2中，所述阀元件在其面向入口开口5的端面上具有阀密封面10，所述阀密封面构造在密封元件9上，该密封元件为阀元件8的一部分。阀元件8以阀密封面10与阀座11共同作用以闭锁进气口5，其中，在该实施例中，阀座11构造在接头4中，该接头4是壳体1的一部分并且具有纵向钻孔，该纵向钻孔构成进气口5。
21.为了实现对进气口5的可靠的密封，在阀元件8的阀密封面10上设置有弹性密封部12，如图2在图1的用ii标明的局部的放大示图中示出那样。在此，弹性密封部12、例如弹性体覆盖阀密封表面10并且与咬合边沿13共同起作用，所述咬合边沿构造在阀座11上并且包围进气口5。通过所述咬合边沿13增大在阀座11和弹性密封部12之间的面压力，从而在配量例如氢气这样的高挥发性气体的情况下也实现气密的密封。此外，在阀密封面10处，在密封元件9的外部的边缘上也构造有环式脊14，其中，环式脊14包围所述咬合边沿并且将其高度设计为，使得在阀元件8朝阀座11的方向的关闭运动中，弹性密封部12首先放在咬合边沿13上并且接着随着继续的关闭运动，还有环式脊14才放在阀座11上。在此，环式脊14的高度大于咬合边沿13的高度，从而弹性密封部12虽然被压向咬合边沿12并且因此被有效地密封，但是不会过度地机械式地负荷。
22.为了使阀元件8在气体配量阀中运动，存在着呈电磁体16形式的电致动器，所述电磁体在阀元件8的高度上包围壳体1并且所述电磁体由锁紧螺母3固定。在此，阀元件8作为电磁体16的插入式衔铁(tauchanker)起作用，从而在给电磁体16通电流时，阀元件8被拉离阀座11，直到阀元件8在气体空间2中的行程止挡20上贴靠。阀元件8的运动逆着回位弹簧17的力发生，该回位弹簧使阀元件8向阀座11被预紧并且也导致，在电磁体16关断时，阀元件8往回移动到其关闭位置中并且闭锁进气口5。为了将气体流从进气口5引到排气口6，在阀元件8中构造有横向钻孔18和与之相交的纵向钻孔19，将所述横向钻孔和纵向钻孔设计为，使得在这个区域中不发生气体流的显著的节流。
23.在阀元件8和排气口6之间布置有截止阀25。在这个实施例中，该截止阀仅允许从进气口5到排气口6的流动方向15上的气体流动，然而截止相反方向上的气体流动。截止阀25包括这里呈扁平的盘形式的关闭元件26。关闭元件26被关闭弹簧29压向密封面23，该密封面构造在布置在气体空间2中的凸肩22上。即，仅在当在关闭元件26和阀元件8之间的气体压力大于在关闭元件26的对置的侧上的气体压力并且在此能够克服关闭弹簧29的力时，
截止阀25打开。因为关闭元件26是盘状地构造，该关闭元件具有环绕的边缘，从而关闭元件已经通过小的行程而上调到相对大的流动横截面，并且气体能够在没有显著的节流的情况下流至排气口6。
24.如果要将气态的燃料配量加入燃烧空间，则给电磁体16通电流并且阀元件8由于这样产生的磁场的作用而被拉离阀座11，直到该阀元件贴靠在行程止挡件20上。于是，气体经由进气口5和阀元件8的横向钻孔18与纵向钻孔19而流至截止阀25。由于在关闭元件26的面向阀元件8的侧上的提高的压力，该阀元件逆着关闭弹簧29的力被挤压并且开放密封面23与关闭元件之间的流动横截面，气体通过该流横截面到达喷嘴筒7中并且最终到达排气口6。为了结束气体注射，中断电磁体16的通电流，从而阀元件8又封闭进气口5。现在，因为不再有气体流动至截止阀25，该截止阀也被关闭弹簧29关闭。
25.气体配量阀尤其适用于将气体注射到内燃机的燃烧空间中，因为它实现气体的可靠地密封而同时有高的使用寿命。通过喷嘴筒7使阀元件8和因此使弹性密封部12远离燃烧空间，这限制阀座11的热负荷。此外，截止阀25防止，在燃烧空间中的火焰前锋扩散至气体空间2中，因为截止阀25在气体注射结束后立即关闭，这附加地受到燃烧空间中的提高的压力支持。因此可靠地防止阀座11的过度加热。
26.在图3中以纵截面示出根据本发明的气体配量阀的另一实施例，其中，该示图仅示意性地实施。与图1中的实施例的最重要的结构上的区别在于布置在阀元件8上的压力销30。在阀元件8的打开运动中，压力销30贴靠在关闭元件26上并且使该关闭元件逆着关闭弹簧29的力运动到其打开位置中。因为截止阀25因此几乎与阀元件8同时打开，不会产生由于原本需要的在截止阀25前方的压力构建而引起的延迟，从而产生更短的响应时间，即，在电磁体16的通电流和气体注射的开始之间的更短时间的延迟。该气体配量阀的关闭过程类似于图1的实施例地进行。
27.在图4a中示出根据本发明的气体配量阀的另一实施例，其中，该示图相应于图3的示图。为了简化，阀元件8和阀密封面10仅简化地示出，并且，替代横向钻孔18和纵向钻孔19地，在这里，构造两个纵向钻孔19，但是，这在功能上是等同的。这里，截止阀25具有呈阀针26’形式的关闭元件。阀针26’以第一导向区段32和第二导向区段33在喷嘴筒7中被导向，其中，在两个导向区段32，33上构造有这里未示出的磨片(anschliffe)，所述磨片允许从导向区段32，33旁经过的无节流的气体流。阀针26’在其面向排气口6的端部上具有阀座35，阀针26’以所述阀座与在喷嘴筒7的端部上的锥形的密封面23’共同起作用。在此，阀针26’通过关闭弹簧29压向密封面23’，并且——正如在图1中的实施例中的关闭元件一样——通过在气体空间2中的相应的压力打开。即，相对于燃烧空间的密封直接地在气体配量阀的端部上进行，从而燃烧空间的火焰前锋还只能到达壳体2的最外部的端部。
28.图4b示出该实施例的变型。这里，阀元件8的回位弹簧17不是支撑在壳体2的凸肩上，而是支撑在关闭元件或者阀针23’上。因为不必设置用于回位弹簧17的支撑面，在壳体2的设计中产生更大的结构上的自由度。
29.图4c示出另一根据本发明的实施例。正如在根据图3的实施例中，这里，在阀元件8上构造压力销30，在阀元件8的打开运动中，所述压力销贴靠在阀针26’上并且使该阀针与关闭弹簧29的预紧相反地运动。因此，在功能上，产生阀元件8和阀针26’的与在先前的图3的实施例中相同的相互配合。
30.在图5中示出根据本发明的气体配量阀的另一实施例。这里，弹性的密封元件12通过阀座11上的密封环实现，阀元件8在其关闭位置中以阀密封面10贴靠在所述阀座上。为了使气体经由阀元件穿通，构造两个或者更多向内伸展的倾斜钻孔19’并且回位弹簧17被接收在阀元件8中的柱形的凹槽中。截止阀25的关闭元件26在壳体1中的导向钻孔38中被导向，其中，气体经由关闭元件26中的倾斜钻孔27被引导。密封面23构造在气体空间2中的环绕的环式脊上，关闭元件26与所述密封面共同起作用。
31.图6示出根据本发明的气体配量阀的另一实施例。阀元件8与在图5中所示出的实施例类似地构造，然而，在阀元件8下游，耦合器套筒40可纵向运动地在壳体1内部被导向。现在，回位弹簧17在压力预紧下布置在耦合器套筒40和壳体1之间并且将耦合器套筒40压向阀元件8并且朝阀座11的方向挤压该阀元件。耦合器套筒40在内部形成通道43。在阀元件8打开的情况下，气体从阀座11经由倾斜钻孔19’和中央的凹槽39穿过该通道流入并且通过该通道被进一步引导至排气口6。
32.在阀元件8和在壳体10中的肩部41之间构造有阻尼空间42，所述阻尼空间向内被耦合器套筒40限制。阻尼空间42通过在阀元件8和壳体1之间的第一环式间隙44和在耦合器套筒40和壳体之间的第二环式间隙与气体空间2连接，其中，将两个环式间隙44，45设计为，使得来自阻尼空间42的气体流或者到阻尼空间中的气体流只能节流地发生。阻尼空间42用于抑制阀元件运动，其方式是，在阀元件8从阀座11离开的打开运动中，气体从阻尼空间42中被挤出并且通过环式间隙44，45被压出。因为气体只能节流地流出，在阻尼空间42中构建过压，所述过压抑制阀元件8的打开运动。在关闭运动中，阻尼空间42的容积增大并且压力在那里下降。这种负压导致关闭运动由于阀元件8的对置的侧上的背压(gegendruck)而减速，从而阀元件8受阻尼地支承在阀座11上，这导致在阀密封面10和阀元件11之间的磨损的减少并且也导致更小的噪声排放。
33.为了更准确地调节阻尼功能，也能够设置，在耦合器套筒40和阀元件8之间设置留空50，例如呈在耦合器套筒40的端部上的一个或者多个切口形式的留空。通过留空50的形状和数量能够准确地调节阻尼功能，而不必调整环式间隙44，45。但是，替代留空50地或者除了留空50之外，也能够进行对环式间隙44，45的修改，例如通过在阀元件8中或者在耦合器套筒40的外侧上的纵向槽进行，以便有针对性地影响经由环形间隙44，45的流动阻力并且因此影响由阻尼空间42到阀元件8上的阻尼作用。
34.图7在另一实施例中示出图6中所示出的气体配量阀的另一方案。耦合器套筒40以其远离阀元件8的端面贴靠在针状的关闭元件26’上，从而通过阀元件8从阀座11向打开方向的运动使耦合器套筒42朝排气口6的方向移动，并且该耦合器套筒又打开阀针26’。通过在耦合器套筒42中的多个开口48确保从通道43至排气口6的气体流。这里，阀针26’也由关闭弹簧29朝向锥形的阀座35预紧，其中，关闭弹簧29在压力预紧下布置在与阀针26’连接的碟形弹簧31和壳体1中的凸肩之间。这里，在两个导向区段31，32上也构造有在附图中未示出的磨片，所述磨片确保到排气口6的无节流的气体流。
35.尽管气体配量阀尤其适用于气体到燃烧空间中的经配量地放出，该气体配量阀也能够使用于其他的目的，例如用于将气体经配量地放出内燃机的进气管段中或者也用于其他技术上的应用。