DE102004048604A1

DE102004048604A1 - Ventil für insbesondere gasförmige Medien

Info

Publication number: DE102004048604A1
Application number: DE102004048604A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Frank Miller; Martin Moeller; 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: FR2876157A1; ITMI20051859A1

Abstract

Ventil (1) zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien in eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse (4), eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit (5) für einen Ventilanker (8), welcher ein mit einem Ventilsitz (10) zusammenwirkendes Ventilschließglied (9) aufweist und zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) in einer Führungshülse (7) axial entgegen einem Anschlagelement (13) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (17) bewegbar ist. Dabei ist das Anschlagelement (13) gegenüber einem axialfesten Anschlag (16) mittels einer Federeinrichtung (15) gefedert gelagert (Figur 1).

Description

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

Aus der DE 103 04 143 A1 ist ein solches Ventil zum Steuern eines Fluids bekannt, umfassend ein Ventilgehäuse, eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit für einen mit radialen Abströmbohrungen versehenen Ventilanker, der axial verschiebbar in einer Führungshülse geführt ist und mittels dessen ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite steuerbar ist. Der Ventilanker umfasst hierzu ein zumindest bereichsweise rohrförmiges, mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließglied und ist zum Über führen des Ventils zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand in der Führungshülse axial entgegen einem Anschlagelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar.

Solche Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche bei gasförmigen Medien zum Einsatz kommen, sind bezüglich ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet, wobei es schwierig ist, den speziellen Anforderungen zu genügen, die gasförmige Medien an Ventile stellen. An einen Gasverbrennungsmotor bzw. an eine Brennstoffzelle sind üblicherweise weitaus größere Fluidmengen zu fördern als an einen mit Flüssigbrennstoff betriebenen Verbrennungsmotor, weshalb der Ventilquerschnitt und der Ankerhub entsprechend zu dimensionieren sind.

Zur Öffnung von Ventilen für gasförmige Medien werden aufgrund des großen erforderlichen Querschnittes stromgeregelte Endstufen verwendet, wobei durch die Ansteuerung der Ventile mit einer stromgeregelten Endstufe sehr kurze Öffnungszeiten erzielt werden. Daraus folgt jedoch, dass der Ventilanker mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf die seinen Hub begrenzende Fläche auftritt.

Nachteilhafterweise treten somit bei bekannten Ventilen an den Hübbegrenzungsflächen plastische Verformungen und/oder ein Abplatzen einer Verschleißschutzschicht bzw. einer Schicht zur Einstellung eines magnetischen Restluftspaltes auf.

Zur Reduzierung derartiger Schäden bietet es sich an, auf der Ventilankeroberfläche oder auf sonstigen stoßbeaufschlagten Oberflächen ein Elastomerelement als Dämpfungselement anzubringen. Solche Elastomerelemente haben jedoch bezüglich der Stoffeigenschaften Nachteile hinsichtlich einer schlechten Einstellbarkeit der Härte, einer hohen Streuung zwischen den Ventilen, des Temperaturverhaltens, der Kleinmengenlinearität und eines erhöhten Bedarfs an Magnetkraft im Falle einer elektromagnetischen Betätigung des Ventils.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln eine hohe Hubgeschwindigkeit des Ventilankers wirkungsvoll abgebaut und zugleich eine zuverlässige Hubbegrenzung erzielt werden kann.

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 Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, umfassend ein Ventilgehäuse, eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Ventilanker, welcher ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließglied aufweist und zur Einstel lung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite in einer Führungshülse axial entgegen einem Anschlagelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist, derart ausgestaltet ist, dass das Anschlagelement gegenüber einem axialfesten Anschlag mittels einer Federeinrichtung gefedert gelagert ist.

Es ergibt sich somit vorteilhafterweise eine einstellbare Abbremsung des Ventilankers, ohne dass plastische Verformungen oder ein Verschleiß an den Kontaktflächen des Ventilankers und des Anschlagelements bei einem Ventilöffnungsvorgang auftreten, da beim Auftreffen des Ventilankers auf das Anschlagelement bei einer Ventilöffnung der Impuls an die Federeinrichtung weitergeleitet und die Impulsenergie somit abgebaut wird.

Dieser Energieabbau mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Federeinrichtung bewirkt darüber hinaus vorteilhafterweise auch eine deutliche Reduktion der Ventilgeräusche.

Je nach Dimensionierung des Ventils und der gewünschten Einspritz- bzw. Einblasdynamik kann über eine entsprechende Wahl der Federeinrichtung die von dieser aufgebrachte Gegenkraft individuell eingestellt werden, sodass sich für jedes Ventil eine stabile Dämpfungsfunktion und Ventilfunktion über die Lebensdauer des Ventils ergibt. Der Öffnungsvorgang des Ventils kann dabei so gestaltet werden, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfung über die Federeinrichtung keine Auswirkungen auf die Funktionalität, wie z. B. den Einspritz- bzw. Einblaswinkel und die dynamische Mengeneinstellung, des Ventils hat.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umgibt das Anschlagelement rohrförmig eine die Federspannung der Rückstellfeder festlegende Einstellhülse, wobei das Anschlagelement mit der Einstellhülse wenigstens axial fest verbunden ist.

Üblicherweise ist eine Einstellhülse zur Einstellung der Federvorspannung der Rückstellfeder zwischen einer zuströmseitigen Stirnfläche des Ventilankers und einem axialfesten Bauelement in der Führungshülse, beispielsweise einem Filterelement, platziert. Bei einer erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindung des durch die Federeinrichtung abgestützten Anschlagelementes mit der Einstellhülse für die Rückstellfeder wirkt die Dämpfung der das Anschlagelement abstützenden Federeinrichtung auch auf die Einstellhülse, wobei durch die Reduktion der Stoßkraft ein bei herkömmlichen Einspritzventilen anzutreffendes Herausfallen der Einstellhülse beim Auftreffen des Ventilankers auf das beispielsweise als Innenpol ausgebildete Anschlagelement verhindert wird.

Die Einstellhülse kann in einfacher Weise mittels eines Presssitzes mit dem Anschlagelement verbunden sein.

Alternativ hierzu kann die Einstellhülse auch mittels eines Gewindes mit dem Anschlagelement verbunden sein, wobei bei einer derartigen Gestaltung eine relative axiale Verschiebung zwischen der Einstellhülse und dem Anschlagelement und somit eine Feineinstellung der Vorspannung der Rückstellfeder und damit des Ventilhubes in einfacher Weise möglich ist.

Wenn zur Betätigung des Ventils eine elektromagnetische Betätigungseinheit vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn das Anschlagelement einen vorzugsweise rohrförmigen Innenpol der elektromagnetischen Betätigungseinheit bildet. In Verbindung mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Federeinrichtung, welche somit den Innenpol gegen den festen axialen Anschlag abfedert, ist ein schlanker Magnetkreis zur Aktivierung des Ventils ausreichend.

Der axialfeste Anschlag kann in einer konstruktiv einfachen Ausführung als ein im Inneren der Führungshülse angeordneter und an dieser befestigter Anschlagring ausgebildet sein.

Wenn die Einstellhülse, wie die Erfindung weiterhin vorteilhafterweise vorsieht, an ihrem zuströmseitigen Ende einen den axialfesten Anschlag radial wenigstens teilweise überdeckenden, querschnittserweiternden Absatz aufweist, steht eine die Axialbewegung der Einstellhülse bzw. der Einstellhülse-Anschlagelement-Kombination in Richtung der Abströmseite begrenzende Anschlagfläche zur Verfügung.

Der axialfeste Anschlag kann dabei eine Einrichtung zur Verschleiß- und/oder Geräuschreduzierung aufweisen, mit der der Anschlag der Einstellhülse gedämpft wird. Dies ist beispielsweise mittels einer Beschichtung des Anschlags möglich.

In einer weiteren Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass der querschnittserweiternde Absatz der Einstellhülse mit einer derartigen insbesondere als Beschichtung ausgeführten Einrichtung zur Verschleiß- und/oder Geräuschdämpfung ausgestattet ist.

Bei der Auslegung der Federkraft der Federeinrichtung zwischen dem Anschlagelement und dem axialfesten Anschlag ist es zweckmäßig, wenn diese Federkraft höher ist als die Federkraft zwischen dem Ventilanker und dem Anschlagelement bei geöffnetem Ventilzustand.

Gegebenenfalls kann zwischen dem zuströmseitigen Ende der Rückstellfeder und der Einstellhülse mindestens ein Distanzelement angeordnet sein. Auch kann zwischen dem axialfesten Anschlag und dem Anschlagelement zusätzlich zu der Federeinrichtung wenigstens ein Distanzmittel angeordnet sein.

Die Federkraft bzw. die dynamische Mengeneinstellung wird somit bei dem erfindungsgemäßen Ventil durch die Wahl der Länge der Einstellhülse, durch das etwaige Einlegen von Distanzelementen zwischen der Rückstellfeder und der Einstellhülse und/oder dem Ventilanker und der Rückstellhülse, und durch das etwaige Einsetzen von Distanzmitteln zwischen dem Anschlagelement und dem axialfesten Anschlag eingestellt. Über die Position des axialfesten Anschlages wird der Ventilhub bestimmt.

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 vereinfachten Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Einblasventils; und
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Einblasventils in einem vereinfachten Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf 1 und 2 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 vor liegend 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.
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. Dieser Innenpol 13 ist mittels einer Federeinrichtung 15 gegenüber einem zuströmseitig angeordneten, einen axialfesten Anschlag bildenden Anschlagring 16, welcher mittels einer Schweißverbindung mit der Führungshülse 7 verbunden ist, gefedert gelagert.
Die Federeinrichtung 15, welche in 1 und 2 lediglich schematisiert dargestellt ist, kann eine Spiralfeder o der jegliches anderes bekanntes Federelement, welches sich für den gegebenen Einbauort eignet, darstellen.
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.
Die Einstellhülse 14 weist an ihrem zuströmseitigen Ende einen querschnittserweiternden Absatz 19 auf, welcher zuströmseitig des axialfesten Anschlagrings 16 angeordnet ist und diesen radial größtenteils überdeckt. An ihrem abströmseitigen Ende ragt die Einstellhülse 14 in die Innenbohrung des Anschlagelements 13 und ist mit diesem vorliegend über eine Pressverbindung fest verbunden. Diese Verbindung, welche auch als veränderbare Gewindeverbindung ausgebildet sein kann, dient der Bestimmung der axialen Länge der Kombination aus Einstellhülse 14 und Anschlagelement 13.
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. Die Einstellhülse 14 und das Anschlagelement bzw. der Innenpol 13 werden über die an dem axialfesten Anschlagring 16 abgestützte Federeinrichtung 15, welche eine größere Federkraft als die Rückstellfeder 17 aufweist, in einer axialen Position gehalten, in der die Einstellhülse 14 mit ihrem Absatz 19 an der zuströmseitigen Anschlagfläche des Anschlagrings 16 anliegt.
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. Sobald der Ventilanker 8 auf den Innenpol 13 auftrifft, wird der Impuls an die Federeinrichtung 15 weitergeleitet. Die von der Federeinrichtung 15 aufgenommene Energie wird durch eine Kompression der Federeinrichtung 15 während der Bewegung der Innenpol-Einstellhülse-Einheit in Richtung der Zuströmseite 2 abgebaut.
Infolge der aufgebauten Gegenkraft der Federeinrichtung 15 bewegt sich der Ventilanker 8 und die Innenpol-Einstellhülse-Einheit anschließend wieder entgegen dem Ventilsitz 10 bis die Einstellhülse 14 mit ihrem erweiterten Absatz 19 auf den Anschlagring 16 auftrifft.
In 2, welche im Wesentlichen das Einblasventil 1 aus 1 zeigt, ist als Ausgestaltungsvariante zwischen dem zuströmseitigen Ende der Rückstellfeder 17 und der Einstellhülse 14 ein tellerartiges Distanzelement 20 angeordnet, mittels dem die Federkraft und somit die dynamische Einspritzmenge gegenüber der Ausführung nach 1 verändert ist.
Es versteht sich, dass in anderen Ausführungen weitere z. B. scheibenförmige Distanzelemente in Reihe geschaltet zwischen der Rückstellfeder 17 und der Einstellhülse 14 oder aber auch zwischen der Rückstellfeder 14 und dem Ventilanker 8 vorgesehen sein können.

Claims

Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse (4), eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit (5) für einen Ventilanker (8), welcher ein mit einem Ventilsitz (10) zusammenwirkendes Ventilschließglied (9) aufweist und zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) in einer Führungshülse (7) axial entgegen einem Anschlagelement (13) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (17) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (13) gegenüber einem axialfesten Anschlag (16) mittels einer Federeinrichtung (15) gefedert gelagert ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (13) rohrförmig eine die Federspannung der Rückstellfeder (17) festlegende Einstellhülse (14) umgibt und mit dieser wenigstens axialfest verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axialfeste Anschlag als ein im Inneren der Führungshülse (7) angeordneter und an dieser befestigter Anschlagring (16) ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellhülse (14) mittels eines Presssitzes mit dem Anschlagelement (13) verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellhülse (14) mittels eines Gewindes mit dem Anschlagelement (13) verbunden ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (13) einen Innenpol der elektromagnetischen Betätigungseinheit (5) bildet.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellhülse (14) an ihrem zuströmseitigen Ende einen den axialfesten Anschlag (16) radial wenigstens teilweise überdeckenden, querschnittserweiternden Absatz (19) aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft zwischen dem Anschlagelement (13) und dem axialfesten Anschlag (16) höher ist als die Federkraft zwischen dem Ventilanker (8) und dem Anschlagelement (13) bei geöffnetem Ventilzustand.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zuströmseitigen Ende der Rückstellfeder (17) und der Einstellhülse (14) mindestens ein Distanzelement (20) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem axialfesten Anschlag und dem Anschlagelement (13) zusätzlich zu der Federeinrichtung (15) wenigstens ein Distanzmittel angeordnet ist.
Ventil einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der axialfeste Anschlag (16) eine Einrichtung zur Verschleiß- und/oder Geräuschreduzierung aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub durch die Wahl der axialen Position des axialfesten Anschlags (16) bestimmt ist.