DE102004048602A1

DE102004048602A1 - Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien

Info

Publication number: DE102004048602A1
Application number: DE102004048602A
Authority: DE
Inventors: Frank Miller; Elmar Okrent
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-13
Also published as: FR2876160A1; ITMI20051857A1; FR2876160B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, mit einem zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite axial beweglichen Ventilschließglied (9), welches mit einem Ventilsitz (10) zusammenwirkt, welcher in Ventilöffnungsstellung wenigstens eine Durchtrittsöffnung (12) zu der Abströmseite freigibt, wobei zwischen dem Ventilschließglied (9) und dem Ventilsitz (10) eine Dichteinrichtung (15) angeordnet ist. Diese Dichteinrichtung (15) ist dabei an dem Ventilsitz (10) ausgebildet (Figur 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Ein solches Ventil zum Steuern eines Fluids ist beispielsweise aus der DE 103 19 920 A1 bekannt, wobei das darin beschriebene, elektromagnetisch betätigbare Ventil ein Ventilschließglied umfasst, das einen Fluidstrom von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite steuert und mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, der an einer Ventilplatte ausgebildet ist. Zur Dichtigkeitserhöhung im Bereich des Ventilsitzes umfasst das Ventil ein Dichtelement, welches an der Stirnseite des Ventilschließgliedes angeordnet ist und eine oder auch mehrere Dichtlippen aufweist. Das Dichtelement kann ringförmig ausgebildet und an dem Ventilschließglied an dessen Stirnseite in einer korrespondierenden Ringnut eingebettet sein.

Da solche Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche zum Einsatz auch oder insbesondere bei gasförmigen Medien vorgesehen sind, bezüglich ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet sind, werden die spezifischen Anforderungen, die gasförmige Medien an Ventile stellen, gegebenenfalls nicht vollständig erfüllt. So sind an einen Gasverbrennungsmotor bzw. an eine Brennstoffzelle üblicherweise weitaus größere Fluidmengen zu fördern als an einen mit Flüssigbrennstoff betriebenen Verbrennungsmotor, weshalb der Ventilquerschnitt und der Ankerhub entsprechend zu dimensionieren sind. Zweckmäßigerweise werden bei gasförmigen Medien stromgeregelte Endstufen zur Öffnung der Ventile verwendet, welche sehr kurze Öffnungszeiten erlauben, jedoch das Ventilschließglied mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftreffen lassen.

Einer besonderen Belastung wird dabei eine Dichteinrichtung zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz ausgesetzt, welche neben der Erhöhung der Dichtheit auch der Erhöhung der Lebensdauer des Ventils infolge der Verschleißreduktion an dem Ventilsitz sowie der Geräuschreduzierung dient. Da im Gegensatz zu flüssigkraftstoffbetriebenen Einspritzventilen, die durch die dem flüssigen Kraftstoff innewohnenden Schmiereigenschaften geschmiert werden, das Verschleißverhalten bei gasbetriebenen Ventilen zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz deutlich ungünstiger ist, kommt der Gestaltung des Ventilschließglied-Ventilsitz-Bereiches und der darin vorgesehenen Dichteinrichtung eine besondere Bedeutung zu.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welches im Bereich des Ventilschließgliedes und des Ventilsitzes mit einer dazwischen angeordneten Dichteinrichtung hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit und einer einfachen und kostengünstigen Realisierung weiter entwickelt ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, wie z. B. eine Brennstoffzelle oder einen Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit einem zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite axial beweglichen Ventilschließglied, welches mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, welcher in Ventilöffnungsstellung wenigstens eine Durchtrittsöffnung zu der Abströmseite freigibt, wobei zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz eine Dichteinrichtung angeordnet ist, der art ausgestaltet ist, dass die Dichteinrichtung an dem Ventilsitz ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Integration der Dichteinrichtung in den Ventilsitz und somit in ein nicht bewegtes Bauteil trägt zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bei und erlaubt eine kostengünstigere Fertigung des Ventilschließglied-Ventilsitz-Bereiches. Die einfachere und somit kostengünstigere Fertigung der erfindungsgemäßen Dichteinrichtung-Ventilsitz-Einheit gegenüber einer Anbringung der Dichteinrichtung an dem Ventilschließglied ergibt sich daraus, dass die Integration der Dichteinrichtung in die häufig diffizile Geometrie des Ventilschließgliedes meist weitaus schwieriger ist und geringere Toleranzen zulässt.

Zudem kann die Dichteinrichtung auf kostengünstige Weise mittels einer Klebeverbindung, einer Vulkanisierung oder einem Einpressen an dem Ventilsitz befestigt werden.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann die Dichteinrichtung in einer korrespondierend geformten Aussparung an dem Ventilsitz angeordnet sein, womit die Dichteinrichtung formschlüssig in Radialrichtung an dem Ventilsitz festgelegt ist.

Diese Maßnahme stellt somit eine korrekte Anordnung der Dichteinrichtung gegenüber den zu der Abströmseite führenden Durchtrittsöffnungen sicher, so dass eine zuverlässige Funk tion des Ventils in allen Betriebsstellungen sichergestellt ist.

Wenn die Dichteinrichtung wenigstens in Ventilöffnungsstellung eine umgebende, dem Ventilschließglied zugewandte Oberfläche des Ventilsitzes überragt, kann bei einem schiefen Auftreffen des Ventilschließgliedes verhindert werden, dass das Ventilschließglied zuerst außerhalb der Dichtfläche auf dem Ventilsitz auftrifft. Die Dichteinrichtung erhält dabei eine Stützringfunktion, da das Ventilschließglied nach dem schrägen Auftreffen auf die Dichteinrichtung anschließend kippen kann und somit vollständig auf der Dichteinrichtung zur Auflage gelangen kann. Ein möglicher Verschleiß des Ventilsitzes außerhalb der Dichteinrichtung wird somit unterbunden und hat keinen Einfluss auf die Funktion und Lebensdauer des Einspritzventiles.

Die Dichteinrichtung ist zweckmäßigerweise durch wenigstens ein Dichtelement gebildet, welches wenigstens eine Aussparung aufweist, welche den Umfang der wenigstens einen Durchtrittsöffnung zu der Abströmseite umgibt, wobei für mehrere Durchtrittsöffnungen jeweils ein separates Dichtelement oder ein einstückiges Dichtelement mit der Anzahl und der Geometrie der Durchtrittsöffnungen angepassten Aussparungen vorgesehen sein kann.

Je nach gewünschten Dämpfungseigenschaften und dem zur Verfügung stehenden axialen Bauraum kann das Dichtelement eine plane oder gekrümmte dem Ventilschließglied zugewandte Oberfläche aufweisen.

Prinzipiell kann das Dichtelement aus verschiedensten Materialien bestehen, wobei es aus Metall, beispielsweise aus gehärtetem Stahl, oder auch aus einem Elastomer gebildet sein kann, das z. B. aus Fluorkohlenstoff-Kautschuk, Viton oder beliebigen anderen Elastomerwerkstoffen bestehen kann.

Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Ventil, wenn die Dichteinrichtung ein hochpolymeres Element darstellt, dessen gummielastisches Verhalten Formänderungen erlaubt, jedoch nach Aufhebung der Beanspruchung sofort wieder annähernd die Ursprungsform annimmt. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass das Ventilschließglied beim Auftreffen auf die Dichteinrichtung abgebremst wird und bei einer eventuellen Schieflage des Ventilschließgliedes durch die elastischen Eigenschaften der Dichteinrichtung ein Verkippen des Ankers in die reguläre Dichtstellung bewirkt wird.

In vorteilhafter Weise kann die Dichteinrichtung mit einem Elastomer ausgebildet sein, wobei die Dichteinrichtung ein vollständig aus Elastomer gebildetes Dichtelement sein kann. Eine wenigstens teilweise Ausgestaltung des Dichtelements mit einem anderen Material beispielsweise einem metallenen Kern, welcher von Elastomer umgeben ist, kann vorteilhaft sein, wenn z. B. bei einem Dichtelement aus reinem Elastomer eine zu starke Quellung zu erwarten wäre.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen eines Ventils gemäß der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventils sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen
1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch ein Einblasventil mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung einer Dichteinrichtung zwischen einem Ventilschließglied und einem Ventilsitz;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereiches X des Einblasventils der 1, welche das Ventilschließglied in Anlage an dem Ventilsitz zeigt;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs Y aus 2;
4 eine vereinfachte Draufsicht auf den Ventilsitz in Alleinstellung mit einer ersten Ausführung der Dichteinrichtung; und
5 eine vereinfachte Draufsicht auf den Ventilsitz in einer der 4 entsprechenden Darstellung mit einer alternativen Ausführungsform der Dichteinrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf die 1 bis 3 ist schematisiert ein Einblasventil 1 gezeigt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Regelung eines Fluidstroms von einer Zuströmseite 2 zu einer Abströmseite 3 dient.
Das Einblasventil 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 4, in welchem eine elektromagnetische Betätigungseinheit 5 mit einer Magnetspule 6 angeordnet ist, welche wiederum eine vorliegend durch Tiefziehen oder eine andere Umformtechnik hergestellte Führungshülse 7 aus nichtmagnetischem Werkstoff umgreift. In der Führungshülse 7 ist axial verschieblich ein weichmagnetischer Ventilanker 8 gelagert, der ein Ventilschließglied 9 aufweist, welches zum Zusammenwirken mit einem vorliegend einen Flachsitz darstellenden Ventilsitz 10 ausgebildet ist.
Der Ventilsitz 10 ist bei der gezeigten Ausführung an einem in die Führungshülse 7 eingesetzten und daran verschweißten Düsenkörper 11 ausgebildet, welcher selbst hülsenartig mit einem den Ventilsitz 10 bildenden Boden ausgebildet ist, wobei im Bereich des Ventilsitzes 10 mehrere Durchtrittsöffnungen 12 auf an sich bekannte Weise in der Art einer so genannten Spritzlochscheibe ausgebildet sind.
Für die Erfindung ist es jedoch unerheblich, an welchem Bauelement der Ventilsitz ausgebildet ist, so dass dieser auch an jedem anderen geeigneten Bauelement vorgesehen sein kann.
Zuströmseitig schließt sich an den Ventilanker 8 ein koaxial in der Führungshülse 7 angeordnetes rohrförmiges Anschlagelement 13 an, welches einen Innenpol der elektromagnetischen Betätigungseinheit 5 bildet.
Der Ventilanker 8 und das den Innenpol bildende Anschlagelement 13 weisen jeweils eine zentrale Bohrung auf, die der Zuführung des in den Verbrennungsraum einzuspritzenden gasförmigen Mediums dient und in der eine auf den Ventilanker 8 wirkende, zu diesem konzentrisch angeordnete Rückstellfeder 17 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 17 ist abströmseitig bei der gezeigten Ausführung an einer an dem Ventilanker 8 ausgebildeten Auflageschulter 18 und zuströmseitig an einer Einstellhülse 14 abgestützt.
Zwischen dem Ventilschließglied 9 und dem Ventilsitz 10 ist eine Dichteinrichtung 15 vorgesehen, wobei die Dichteinrichtung 15 mit einem ringförmigen Dichtelement 16 aus Elastomer ausgebildet ist, welche in einer korrespondierend geformten, nutartigen Aussparung 19 an dem Ventilsitz angeordnet ist.
Das Dichtelement 16 ist vorliegend in die Aussparung 19 einvulkanisiert, jedoch kann es alternativ hierzu auch in die Aussparung 19 eingepresst oder eingeklebt sein.
Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, ist das Dichtelement 16 hinsichtlich seiner Dicke so dimensioniert, dass es eine umgebende, dem Ventilschließglied 9 zugewandte Oberfläche 10A des Ventilsitzes 10 deutlich überragt, wobei vor liegend vorgesehen ist, dass selbst in Ventilschließstellung ein Restspalt zwischen der dem Ventilsitz 10 zugewandten Stirnseite des Ventilschließgliedes 9 und der die Dichteinrichtung 15 umgebenden Oberfläche 10A des Ventilsitzes 10 verbleibt. Somit ist die Stützringfunktion bei einem verkippten Auftreffen des Ventilschließgliedes 9 gewährleistet.
Im nichtaktivierten geschlossenen Zustand des Einblasventils 1, wie er in 1 und 2 gezeigt ist, liegt das Ventilschließglied 9 dichtend an dem Ventilsitz 10 an, wobei das an dem Ventilanker 8 ausgebildete Ventilschließglied 9 durch die Kraft der Rückstellfeder 17 in Schließstellung gehalten wird.
Zum Öffnen des Einblasventils 1 wird die Magnetspule 6 der elektromagnetischen Betätigungseinheit 5 erregt, wodurch der magnetische Ventilanker 8 mit dem Ventilschließglied 9 von dem Ventilsitz 10 abgehoben und in Richtung der Zuströmseite 2 bewegt wird.
Insbesondere Bezug nehmend auf 4 ist ersichtlich, dass das darin gezeigte einstückige Dichtelement ringförmig ausgebildet ist mit einem umlaufenden Kranz von einer Mehrzahl an Aussparungen 20, welche den Umfang der Durchtrittsöffnungen 12 an dem Ventilsitz 10 umgeben, wobei die Geometrie und die Anzahl der Aussparungen 20 den Durchtrittsöffnungen 12 entsprechend, angepasst ist.
Die 5 zeigt eine alternativ ausgestaltete Dichteinrichtung 15' in Form einer Mehrzahl von Dichtelementen 16', welche jeweils ringförmig ausgebildet sind und in entsprechenden Aussparungen 19' um die Durchtrittsöffnungen 12 an dem Ventilsitz 10 befestigt sind.
Bezüglich ihrer Funktion sind die Dichtelemente 16' der 5 identisch mit dem in 4 gezeigten Dichtelement 16.

Claims

Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, mit einem zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) axial beweglichen Ventilschließglied (9), welches mit einem Ventilsitz (10) zusammenwirkt, welcher in Ventilöffnungsstellung wenigstens eine Durchtrittsöffnung (12) zu der Abströmseite (3) freigibt, wobei zwischen dem Ventilschließglied (9) und dem Ventilsitz (10) eine Dichteinrichtung (15, 15') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') an dem Ventilsitz (10) ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') in einer korrespondierend geformten Aussparung (19, 19') an dem Ventilsitz (10) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') wenigstens in Ventilöffnungsstellung eine umgebende, dem Ventilschließglied (9) zugewandte Oberfläche (10A) des Ventilsitzes (10) überragt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') durch ein Dichtelement (16, 16') gebildet wird, welches wenigstens eine Aussparung (20, 20') aufweist, welche den Umfang der wenigstens einen Durchtrittsöffnung (12) zu der Abströmseite (3) umgibt.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Durchtrittsöffnungen (12) jeweils eine separates Dichtelement (16') vorgesehen ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Durchtrittsöffnungen (12) ein einstückiges Dichtelement (16) mit der Anzahl und der Geometrie der Durchtrittsöffnungen (12) angepassten Aussparungen (20) vorgesehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (16) ringförmig ausgebildet ist und einen umlaufenden Kranz von Aussparungen (20) aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement (16, 16') eine plane, dem Ventilschließglied (9) zugewandte Oberfläche aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement eine gekrümmte, dem Ventilschließglied zugewandte Oberfläche aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (10) als ein Flachsitz ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') mit einem Elastomer gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (15, 15') mittels einer Klebeverbindung oder einer Vulkanisierung an dem Ventilsitz (10) befestigt ist.