DE102004048603A1

DE102004048603A1 - Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien

Info

Publication number: DE102004048603A1
Application number: DE200410048603
Authority: DE
Inventors: Bernd Krauss; 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: FR2876159B1; ITMI20051862A1; FR2876159A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1) zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem Ventilanker (9), welcher ein mit einem Ventilsitz (11) zusammenwirkendes Ventilschließglied (10) aufweist, in einer Führungshülse (6) axial geführt ist und einen Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) einstellt, wobei die Führungshülse (6) an ihrem abströmseitigen Ende einen Boden (16) mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung (18) aufweist. Dabei bildet der Boden (16) der Führungshülse (6) den Ventilsitz (11) (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 derart ausgebildetes Brennstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 47 406 A1 bekannt, wobei sich eine Ventilnadel mit einem Ventilschließkörper, der mit einem an einem Ventilsitzkörper vorgesehenen Ventilsitz zusammenwirkt, entlang einer Ventillängsachse in einer dünnwandigen Hülse aus nichtmagnetischem Werkstoff in Abhängigkeit der Ansteuerung eines Magnetankers bewegt. Mit Hilfe des Magnetankers bzw. der Bewegung der Ventilnadel ist ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite des Brennstoffeinspritzven tils steuerbar. Auf der Abströmseite bzw. im Bodenabschnitt der Hülse ist eine Austrittsöffnung mit einer Spritzlochscheibe zum ungehinderten Durchtritt des einzuspritzenden Mediums vorgesehen. Sowohl die Spritzlochscheibe als auch der Ventilsitzkörper sind in die Hülse eingepresst.

Durch das Einpressen soll eine räumliche Sicherung der Lage dieser Bauteile erreicht werden, wobei jedoch zumindest teilweise Durchmesserveränderungen der dünnwandigen Hülse durch das Einpressen gegeben sind. Darüber hinaus ist die Spritzlochscheibe durch Schweißen an dem Ventilsitzkörper befestigt, wobei Schweißverzüge unvermeidlich sind.

Derartige Einspritzventile, welche gemäß ihrer Gestaltung im Wesentlichen für den Einsatz bei Verbrennungsmotoren für flüssige Medien geeignet sind, genügen jedoch vielfach nicht den spezifischen Anforderungen für gasförmige Medien, insbesondere hinsichtlich des Verschleißes der Sitzgeometrien, da den vergleichsweise trockenen gasförmigen Medien vor allem die den flüssigen Medien innewohnende Schmiereigenschaft fehlt. Der bei gasförmigen Medien auftretende Verschleiß im Dichtbereich kann so zu unzulässig hohen Leckraten im geschlossenen Zustand des Ventils und zu einer Veränderung der Funktionswerte im Lauf der Lebensdauer eines solchen Einspritzventils führen.

Bei weiter entwickelten Einspritzventilen bzw. Einblasventilen für gasförmige Medien mit einem Flachsitz, wie sie beispielsweise aus der DE 102 61 613 A1 und der DE 103 19 920 A1 bekannt sind, ist der Sitzverschleiß durch einen Dichtring an dem Ventilschließglied bzw. an dem Ventilsitzglied deutlich reduziert und somit eine höhere Dichtigkeit gewährleistet. Jedoch kommt es auch bei solchen Sitzgestaltungen bei den gegebenen Fertigungstoleranzen zu einem spielbedingten schrägen Aufsetzen des Ventilschließgliedes auf den Ventilsitzkörper mit entsprechenden unerwünschten Undichtichkeiten.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors aber an eine Brennstoffzelle, zu schaffen, welches sich neben einer einfachen konstruktiven Gestaltung durch eine hohe Lebensdauer, eine hohe Dichtheit insbesondere für gasförmige Medien und eine exakte Dosierung derselben auszeichnet.

Vorteile der Erfindung

Ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine nach der eingangs näher genannten Art, bei dem erfindungsgemäß der Boden der Führungshülse als Ventilsitz ausgebildet ist und somit ein Dichtsitz für das Ventilschließglied unmittelbar in den Boden der Führungshülse integriert ist, hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauelemente, wie z. B. Düsenkörper oder eine Spritzlochscheibe, erforderlich sind und dass die bei derartigen bekannten Kon struktionen notwendigen Pressverbindungen oder Schweißverbindungen entfallen.

Die erfindungsgemäße Lösung führt folglich zu einer kombinierten Hülsen-Düsen-Einheit, bei der es zu keinen Schweißverzügen und daraus resultierenden unerwünschten Spalten zwischen dem Ventilanker und der Dichtfläche und zu keinen Durchmesserschwankungen wie bei Einspritzventilen mit eingepresster Sitzdüse kommt. Damit sind höhere Dichtheitswerte über den gesamten Temperaturbereich zwischen dem Ventilanker und dem Ventilsitz bzw. der hieran ausgebildeten Sitzdüse möglich.

Die Gewährleistung eines einheitlichen, exakten Durchmessers der Führungshülse ist für eine einwandfreie Führung des Ventilankers von besonderem Vorteil. Dadurch kann eine Kippstellung des Ventilankers bei einem Schließvorgang wirksam vermieden werden und somit der Verschleiß über die Lebensdauer des Ventils deutlich reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Führungshülse mit integriertem Ventilsitz und Düse ist des Weiteren kostengünstig und einfach herzustellen, da an Stelle einer kompletten Ventilfunktionsgruppe ein einziges Bauteil tritt, welches ein einfaches Drehteil, gesintertes Teil oder Umformteil, das durch Tiefziehen, Fließpressen, MIM-Technik oder dergleichen hergestellt sein kann, darstellen kann.

Durch einen gleichmäßigen Führungsdurchmesser bei der Führungshülse kann vorteilhafterweise auch der Ventilanker kostengünstiger hergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der in den Boden der Führungshülse integrierte Ventilsitz in einfacher Weise als ein Flachsitz ausgebildet. Zur Erzielung eines hohen Dichtheitsgrades in Schließstellung des Ventils ist es dabei vorteilhaft, wenn der Boden der Führungshülse völlig rechtwinklig zu einer Längswandung der Führungshülse verläuft.

In dem Boden der Führungshülse sind in vorteilhafter Weise die erforderlichen Durchtrittsöffnungen für das insbesondere gasförmige Medium unmittelbar vorgesehen, wobei je nach Geometrie und Anzahl der Durchtrittsöffnungen eine exakte Einspritzung bzw. Einblasung zuverlässig festlegbar ist.

Der Fachmann wird je nach gewünschter Fluidzuführung eine kreisrunde Querschnittsgeometrie oder eine nierenförmige bzw. elliptische Querschnittsgeometrie oder eine Kombination unterschiedlicher Querschnittsgeometrien für die Durchtrittsöffnungen wählen.

In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils ist es vorgesehen, dass an einem das Ventilschließglied bildenden Abschnitt des Ventilankers ein Dichtelement angeordnet ist, mittels dem die Durchtrittsöffnungen an dem Ventilsitz in Schließstellung abdichtbar sind. Ein solches Dichtelement führt zur weiteren Erhöhung des Dichtheitsgrades des Dichtsitzes und zu einer weiteren Reduktion des Verschleißes des Ventilsitzes.

Das Dichtelement kann aus einem hochpolymeren Werkstoff bestehen, dessen gummielastisches Verhalten Formänderungen erlaubt, jedoch nach Aufhebung der Beanspruchung sofort wieder die Ursprungsform annimmt. Dieses Verhalten ist insbesondere für den Schließvorgang des Ventils bedeutsam, wenn nämlich der Ventilanker auf den Ventilsitz auftrifft. Hierbei wird durch das Dichtelement der Hub des Ventilankers abgebremst und somit der Verschleiß an dem Ventilsitz vermindert und zudem ein hoher Dichtgrad des Ventilsitzes gewährleistet.

Das Dichtelement kann rein aus einem hochpolymeren Werkstoff gebildet sein oder einen metallenen Kern aufweisen, der mit einem elastomeren Werkstoff umkleidet ist.

Weiterhin ist es der Erhöhung des Dichtgrades dienlich, wenn der Boden der Führungshülse im Bereich der Durchtrittsöffnungen eine dem Ventilanker zugewandte Beulung bzw. Sicke aufweist, womit die Durchtrittsöffnungen insbesondere im Kontakt mit einem Dichtelement aus hochelastischem Elastomer an ihrem dem Inneren der Führungshülse zugewandten Rand in Schließstellung des Ventils zuverlässig abgedichtet werden können.

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

Zeichnung
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 Führungshülse;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs X des Einblasventils der 1, welche ein Ventilschließglied in Anlage an einem Ventilsitz in der Führungshülse zeigt;
3 einen Bereich Y aus der 2 in einer alternativen Ausgestaltung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf 1 und 2 ist schematisiert ein Einblasventil 1 gezeigt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Regelung eines Fluidstroms von einer Zuströmseite 2 zu einer Abströmseite 3 dient.
Das Einblasventil 1 ist in an sich bekannter Weise elektromagnetisch betätigbar und weist hierzu in einem mehrteiligen Gehäuse 4 eine Magnetspule 5 auf, die eine durch Tiefziehen hergestellte Führungshülse 6 aus nicht magnetischem Werkstoff umgreift.
In der Führungshülse 6, welche einen einheitlichen konstanten Innendurchmesser über ihre Längserstreckung hat, ist ein im Wesentlichen rohrförmiger Stopfen 7 fixiert, der zur Aufnahme einer als Vorspannfeder wirkenden Spiralfeder 8 dient, an deren abströmseitigem Ende ein magnetischer Ventilanker 9 anliegt, der in der Führungshülse 6 axial verschiebbar geführt ist.
Der rohrförmig ausgebildete Ventilanker 9 ist an seinem abströmseitigen Ende mit einem ein Ventilschließglied bildenden Absatz 10 ausgebildet, welcher zum Zusammenwirken mit einem vorliegend einen Flachsitz darstellenden Ventilsitz 11 ausgelegt ist.
Der Ventilanker 9 und das Ventilschließglied 10 umschließen eine als Zufuhrkanal dienende erste axiale Bohrung 12, welche mit der Zuströmseite 2 des Einblasventils 1 verbunden ist und welche über vorliegend vier über den Umfang des Ventilschließglieds 10 verteilte Radialbohrungen 13 mit einem so genannten äußeren Druckbereich 14 verbunden sind, welcher von der Führungshülse 6 begrenzt ist.
In axialer Richtung mündet die erste axiale Bohrung 12 stromab der Radialbohrungen 13 in eine zweite axiale Bohrung 15 mit geringerem Querschnitt als die erste axiale Bohrung 12. Die zweite axiale Bohrung 15, welche abströmseitig einem Bo den 16 der Führungshülse 6 zugewandt ist, begrenzt einen so genannten inneren Druckbereich 17.
Beim Öffnen des Ventilschließglieds 10 strömt Fluid aus der ersten axialen Bohrung 12 über die Radialbohrungen 13 in den äußeren Druckbereich 14 und über die zweite axiale Bohrung 15 an die freie Stirnseite des Ventilschließglieds 10 und somit an den Ventilsitz 11, in dem in der Art einer Spritzlochscheibe vorliegend mehrere kreisförmig angeordnete Durchtrittsöffnungen 18 ausgebildet sind.
Der Boden 16 der Führungshülse 6, welcher rechtwinklig zu einer Längswandung 21 der Führungshülse 6 verlaufend ausgebildet ist, bildet somit gleichzeitig den Ventilsitz 11 für das Ventilschließglied 10 und mit den Durchtrittsöffnungen 18 eine Düsenplatte.
Die Durchtrittsöffnungen 18 sind, sofern sie axiale Durchtrittsöffnungen darstellen, mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet, und sofern sie leicht angestellte Düsen bzw. Zumessbohrungen darstellen, mit einem elliptischen Querschnitt ausgebildet, wobei sie vorliegend einen Durchmesser von beispielsweise 90 μm aufweisen.
Die spezifische Gestaltung der Durchtrittsöffnungen 18 richtet sich nach den gewünschten Einblaseigenschaften und kann wie bei einer Düsenplatte nach dem Stand der Technik ausgebildet sein.
Bei der gezeigten vorteilhaften Ausführung ist der Boden 16 der Führungshülse 6 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 18 nach innen bzw. entgegen dem Ventilanker 9 gebeult ausgeführt, wobei sich die Durchtrittsöffnungen 18 im Bereich einer im Wesentlichen kreisrunden Sicke befinden.
In einem hierzu korrespondierenden Bereich ist an der abströmseitigen Stirnseite des Ventilschließglieds 10 ein ringförmiges Dichtelement 19 angeordnet, mittels dem die Durchtrittsöffnungen 18 in Schließstellung des Einblasventils 1 verschließbar sind, wobei dann nur die Fläche der Durchtrittsöffnungen 18 mit Außendruck beaufschlagt ist.
In 3 ist eine alternative Anordnung des Dichtelements 19 an dem Ventilschließglied 10 gezeigt, wobei das Dichtelement 19 geführt in einer korrespondierenden Ausnehmung 20 an der Stirnseite des Ventilschließglieds 10 angeordnet ist. Wie aus der 3 ebenfalls ersichtlich ist, verjüngt sich die Kreisringfläche des Dichtelements 19 in Richtung der Abströmseite 3, so dass die Ausnehmung 20 mit einem im Wesentlichen schwalbenförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
Das Dichtelement 19 besteht jeweils aus einem hochelastischen Polymer, welches beispielsweise ein PEEK-Werkstoff (Polyetheretherketon) sein kann. In weiteren Ausführungen kann das ringförmige Dichtelement jedoch auch aus anderen elastischen Werkstoffen wie z. B. aus Fluorkohlenstoff-Kautschuk gefertigt sein.

Claims

Ventil (1) zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, mit einem Ventilanker (9), welcher ein mit einem Ventilsitz (11) zusammenwirkendes Ventilschließglied (10) aufweist, in einer Führungshülse (6) axial geführt ist und einen Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) einstellt, wobei die Führungshülse (6) an ihrem abströmseitigen Ende einen Boden (16) mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (16) der Führungshülse (6) den Ventilsitz (11) bildet.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (11) als ein Flachsitz ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem das Ventilschließglied (10) bildenden Abschnitt des Ventilankers (9) stirnseitig ein Dichtelement (19) angeordnet ist, mittels dem die Durchtrittsöffnungen (18) an dem Ventilsitz (11) in Schließstellung abdichtbar sind.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (19) in eine Ausnehmung (20) an dem Ventilschließglied (10) eingesetzt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (19) aus einem hochelastischen Elastomer gebildet ist.
Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (16) der Führungshülse (6) rechtwinklig zu einer Längswandung (21) der Führungshülse (6) verläuft.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (16) der Führungshülse (6) im Bereich einer Durchtrittsöffnung (18) eine dem Ventilanker (9) zugewandte Beulung aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Auswahl der Durchtrittsöffnungen (18) eine kreisrunde Querschnittsgeometrie aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Auswahl der Durchtritts öffnungen (18) eine elliptische Querschnittsgeometrie aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (6) einen konstanten Innendurchmesser aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (6) mit dem den Ventilsitz (11) bildenden Boden (16) ein Umformteil ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse mit dem den Ventilsitz bildenden Boden ein gesintertes Teil ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse mit dem den Ventilsitz bildenden Boden ein Drehteil ist.