DE102005054132B4 - Ventil zum Steuern eines Fluids mit Tribosystem - Google Patents

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Abstract

Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend eine elektromagnetische Betätigungseinheit zur Betätigung eines Magnetankers (2), welcher ein Ventilschließglied (4) betätigt, einen Ventilsitz (6) und eine Ventilöffnung (7), wobei das Ventilschließglied (4) mit dem Ventilsitz (6) derart zusammenwirkt, dass das Fluid durch die Ventilöffnung (7) steuerbar ist, wobei der Magnetanker (2) einen ersten Führungsbereich (9) umfasst, wobei ein zum Magnetanker (2) benachbartes Bauteil (3) einen zweiten Führungsbereich (10) umfasst und wobei zwischen dem ersten und zweiten Führungsbereich (9, 10) ein Tribosystem ausgebildet ist, wobei das Tribosystem einen ersten Reibpartner und einen zweiten Reibpartner umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reibpartner und/oder der zweite Reibpartner eine zweilagige Schicht mit einer harten Grundschicht (11; 14) und einer äußeren Gleitschicht (12; 15) umfasst,wobei die äußere Gleitschicht (12; 15) eine Festschmierstoffschicht ist,wobei die harte Grundschicht eine gehärtete Randzonenschicht eines Grundwerkstoffs istoder die harte Grundschicht eine auf einen Grundwerkstoff aufgebrachte Schicht ist, wobei die auf den Grundwerkstoff aufgebrachte harte Grundschicht eine Chromschicht oder eine Chrom-enthaltende Schicht, oder eine Boridschicht, oder eine Bor-enthaltende Schicht, oder eine Chemisch-Nickel-Schicht ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, mit einem Tribosystem.
  • Tribosysteme (Reibsysteme) umfassen einen ersten und einen zweiten Reibpartner, welche relativ zueinander bewegt werden, wobei Reibung auftritt. Bei trockenen Tribosystemen reiben die zwei Reibpartner ohne einen flüssigen Schmierstoff aufeinander. Bei trockenen Tribosystemen ist es beispielsweise bekannt, Feststoffschmiermittel zu verwenden. Tribosysteme treten beispielsweise bei Ventilen auf.
  • Ventile zum Steuern von Fluiden sind beispielsweise bei Brennkraftmaschinen als Einspritzventile bekannt. Neben den bekannten flüssigen Kraftstoffen werden in jüngster Zeit auch verstärkt Gase als Brennstoff beispielsweise in Brennstoffzellen oder in Gasmotoren verwendet. Hierbei werden häufig die aus den Brennkraftmaschinen für flüssige Kraftstoffe bekannten Ventile verwendet. Bei der Verwendung von Gasen als Kraftstoff treten hier jedoch insbesondere Reibungsprobleme aufgrund der nichtschmierenden Eigenschaften des gasförmigen Kraftstoffs auf, welche zu einer kurzen Lebensdauer der Ventile führen.
  • Aus der DE 103 22 916 A1 ist ein Ventil zum Steuern eines Fluids bekannt, bei dem an einem Magnetanker an dessen von einem Ventilschließglied abgewandten Seite eine Beschichtung aus Chrom aufweist. Diese Beschichtung reduziert insbesondere einen Verschleiß am Anschlagbereich des Magnetankers mit einem Polkern.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Ventil mit Tribosystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es eine ausreichende Schmierung sicherstellen kann, auch wenn kein flüssiges Schmiermittel verwendet wird. Das Tribosystem ist dabei einfach aufgebaut und einfach und kostengünstig herstellbar. Erfindungsgemäß umfasst das Tribosystem einen ersten Reibpartner und einen zweiten Reibpartner, wobei der erste und/oder der zweite Reibpartner eine zweilagige Schicht mit einer harten Grundschicht und einer äußeren Gleitschicht umfasst. Die äußere Gleitschicht ist eine Festschmierstoffschicht. Somit ist die äußere Gleitschicht auf einer harten Grundschicht aufgebracht, so dass die harte Grundschicht die Festschmierstoffschicht stützt. Das Ventil zum Steuern eines Fluids weist den Vorteil auf, dass es eine hohe Dauerstabilität aufweist. Erfindungsgemäß wird dabei ein besonders geringer Führungsverschleiß erreicht. Ferner können erfindungsgemäß auftretende Querkräfte mittels einer nicht-magnetischen Trennschicht reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass ein erster Führungsbereich eines Magnetankers aus einem weichmagnetischen Material, welcher mit einem zweiten Führungsbereich eines benachbarten Bauteils ein tribologisches System bildet, vorgesehen ist, wobei der erste und/oder der zweite Führungsbereich eine zweilagige Schicht mit einer harten Grundschicht und einer äußeren Gleitschicht umfasst. Somit weist wenigstens einer der Reibpartner eine zweilagige Schicht auf, wobei eine Grundschicht eine ausreichende Härte aufweist und auf die harte Grundschicht eine äußere Gleitschicht aufgebracht ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Stützwirkung durch die harte Grundschicht für die schmiertechnisch wirksame äußere Gleitschicht sicher bereitgestellt werden. Diese zweilagige Schicht ist relativ einfach und kostengünstig bereitzustellen, wodurch insbesondere bei der Verwendung des Ventils mit gasförmigen Medien eine signifikant vergrößerte Lebensdauer des Ventils erreicht wird. Somit kann ein Führungsverschleiß am Magnetanker aufgrund der zusätzlichen Bauteilhärte deutlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil resultiert daraus, dass die harte Grundschicht nicht oder nur in geringem Umfang magnetisierbar ist. Dadurch stellt sie einen magnetischen „Luftspalt“, d.h. einen im Wesentlichen nicht magnetischen Bereich, dar, der in einem Magnetventil magnetische Querkräfte reduziert.
    Die harte Grundschicht ist beispielsweise eine gehärtete Randzonenschicht eines Grundwerkstoffs. Der Grundwerkstoff ist vorzugsweise ein weichmagnetischer Grundwerkstoff.
    Alternativ ist die harte Grundschicht eine auf einen Grundwerkstoff aufgebrachte Schicht. Die auf einen Grundwerkstoff aufgebrachte harte Grundschicht ist eine Chromschicht oder eine Chrom enthaltende Schicht, eine Boridschicht, oder eine Bor enthaltende Schicht oder eine Chemisch-Nickel-Schicht.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Festschmierstoffschicht ist besonders bevorzugt eine Kohlenstoffschicht, z.B. Graphit, oder ein Gleitlack, oder eine Molybdändisulfid-Schicht oder eine PTFE-enthaltende Schicht.
  • Vorzugsweise ist einer der Führungsbereiche des Ventils als zweilagige Schicht ausgebildet und der andere der Führungsbereiche ist vorzugsweise als eine einlagige Schicht, die einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist, gebildet. Dadurch wird zwischen den beiden Führungsbereichen eine Reibpaarung erhalten, welche besonders kostengünstig bereitstellbar ist, da nur einer der Führungsbereiche als zweilagige Schicht ausgebildet ist, und welche ein verbessertes Verschleißverhalten aufweist.
  • Der zweite Führungsbereich des Ventils zur Führung des Magnetankers ist vorzugsweise an einer Innenseite eines Zylinderbauteils angeordnet. Das Zylinderbauteil ist dabei vorzugsweise einem Kalibriervorgang unterzogen worden, so dass es ein genaues Innenmaß aufweist.
  • Weiter bevorzugt ist am Magnetanker unmittelbar bzw. einstückig ein Ventilschließglied gebildet. Dadurch kann ein besonders kompaktes Ventil erhalten werden.
  • Das Fluid, welches durch das erfindungsgemäße Ventil gesteuert wird, ist vorzugsweise ein gasförmiges Medium, insbesondere für den Antrieb eines Fahrzeugs mittels einer Brennstoffzelle oder eines Gasmotors. Das Ventil kann selbstverständlich auch bei einer stationären Anlage verwendet werden.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 2 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
    • 3 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt einen Teil eines Ventils 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches ein erfindungsgemaßes trockenes Tribosystem aufweist. Das Ventil 1 ist ein Magnetventil, welches eine nicht dargestellte elektromagnetische Betätigungseinheit mit einem Magnetanker 2 umfasst. Der Magnetanker 2 ist aus einem weichmagnetischen Grundwerkstoff hergestellt und ist in einem zylindrischen Führungsbauteil 3 angeordnet. Das zylindrische Führungsbauteil 3 kann eine tiefgezogene Hülse sein oder ein nahtlos gezogenes Rohr. Der Magnetanker 2 ist ferner integral mit einem Ventilschließglied 4 gebildet, an dessen Stirnseite ein Dichtelement 5 angeordnet ist. Der Magnetanker 2 ist, wie durch den Doppelpfeil A in 1 angedeutet, relativ zum zylindrischen Führungsbauteil 3 linear in Axialrichtung X-X des Ventils auf- und abbewegbar. Durch diese lineare Auf- und Abbewegung kann der Magnetanker 2 dabei eine Ventilöffnung 7 freigeben bzw. verschließen, indem das Ventilschließglied 4 mit einem Ventilsitz 6 zusammenwirkt.
  • In dem in 1 gezeigten geöffneten Zustand kann das Fluid aus einem Druckraum 8 über die Ventilöffnung 7 beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
  • Am äußeren Umfang des Magnetankers 2 ist ferner ein erster Führungsbereich 9 (erster Reibpartner) gebildet, welcher zur Führung des Magnetankers 2 mit einem zweiten Führungsbereich 10 (zweiter Reibpartner) an der Innenseite des zylindrischen Führungsbauteils 3 zusammenwirkt. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der erste Führungsbereich 9 am Magnetanker 2 durch eine harte Grundschicht 11 und eine äußere Gleitschicht 12 gebildet. Die harte Grundschicht 11 ist eine gehärtete Randzonenschicht des weichmagnetischen Grundwerkstoffs des Magnetankers. Die äußere Gleitschicht 12 ist im ersten Ausführungsbeispiel eine Festschmierstoffschicht aus Graphit mit einer Dicke kleiner oder gleich 10 µm. Der erste Führungsbereich 9 mit der harten Grundschicht 11 und der äußeren Gleitschicht 12 ist dabei entlang des gesamten Umfangs des Magnetankers 2 gebildet. Es sei angemerkt, dass am Magnetanker auch mehrere separate Führungsbereiche vorgesehen sein können, an welchen jeweils die zweilagigen Schichten ausgebildet sind. Der zweite Führungsbereich 10 ist durch die innere Wandfläche des zylindrischen Führungsbauteils 3 gebildet. Durch die Verwendung der unteren gehärteten Grundschicht 11 und der darüber aufgebrachten äußeren Gleichtschicht 12 kann eine verbesserte Dauerstabilität des Ventils auch bei hohen Schwingbeschleunigungen erreicht werden. Ferner kann ein geringerer Führungsverschleiß sichergestellt werden. Das erfindungsgemäße Ventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei besonders für gasförmige Medien, bei denen eine geringe Schmierwirkung aufgrund des trockenen Gases vorliegt, geeignet. Ferner ist durch die gehärtete Grundschicht 11 sichergestellt, dass geringere Querkräfte aufgrund der nichtmagnetisierbaren gehärteten Grundschicht auftreten, so dass eine Schrägstellung des Magnetankers 2 signifikant reduziert wird. Dadurch kann auch ein günstigeres Öffnungs- und Schließverhalten des Magnetankers 2 sichergestellt werden. Die untere, gehärtete Grundschicht stellt dabei ferner eine Stützwirkung für die schmiertechnisch wirksame äußere Gleitschicht 12 bereit.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 ein Ventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel am zylindrischen Führungsbauteil 3 an dessen innerem, zweiten Führungsbereich 10 eine zusätzliche Gleitschicht 13 angeordnet ist. Die Gleitschicht 13 ist in Axialrichtung X-X über die gesamte Länge des Hubs des Magnetankers 2 und am gesamten Innenumfang des Führungsbauteils 3 ausgebildet. Die zweite Gleitschicht 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Festschmierstoff. Der erste Führungsbereich 9 am Magnetanker 2 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel durch eine zweilagige Schicht gebildet, wobei auf der gehärteten Grundschicht 11 als Gleitschicht 12 ebenfalls eine Festschmierstoffschicht vorgesehen ist. Somit umfasst das tribologische System des zweiten Ausführungsbeispiels einerseits eine zweilagige Schicht aus einer gehärteten Grundschicht und einem Festschmierstoff und andererseits eine Schicht aus einem Festschmierstoff. Die Festschmierstoffschicht ist z.B. aus Graphit oder ein Gleitlack.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 ein Ventil 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind.
  • Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist beim Ventil 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sowohl am Magnetanker 2 eine zweilagige Schicht aus harter Grundschicht 11 und Gleitschicht 12 als auch am zylindrischen Führungsbauteil 3 eine zweilagige Schicht mit einer harten Grundschicht 14 und einer Gleitschicht 15 gebildet. Somit umfasst das tribologische System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Gleitpaarung bestehend aus zwei zweilagigen Schichten. Am Magnetanker 2 ist dabei eine gehärtete Grundschicht 11 und eine Gleitschicht 12 gebildet und am zylindrischen Führungsbauteil 3 ist eine gehärtete Grundschicht 14 und eine äußere Gleitschicht 15 gebildet. Die Grundschichten 11 und 14 können gehärtete Außenschichten des Grundwerkstoffs sein oder als harte Grundschicht auf dem Grundwerkstoff aufgebracht sein und beispielsweise aus Chrom oder Chemisch Nickel sein.
  • Es sei angemerkt, dass bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen insbesondere das zylindrische Führungsbauteil 3 zur weiteren Verbesserung des Reibkoeffizienten mittels eines Kalibriervorgangs auf ein genaues Maß gebracht werden kann. Der Kalibriervorgang kann beispielsweise durch ein Pressen einer Kugel oder eines Stiftes durchgeführt werden. Dadurch können insbesondere Streuungen der äußeren Schichten am zylindrischen Führungsbauteil ausgeglichen werden.

Claims (8)

  1. Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend eine elektromagnetische Betätigungseinheit zur Betätigung eines Magnetankers (2), welcher ein Ventilschließglied (4) betätigt, einen Ventilsitz (6) und eine Ventilöffnung (7), wobei das Ventilschließglied (4) mit dem Ventilsitz (6) derart zusammenwirkt, dass das Fluid durch die Ventilöffnung (7) steuerbar ist, wobei der Magnetanker (2) einen ersten Führungsbereich (9) umfasst, wobei ein zum Magnetanker (2) benachbartes Bauteil (3) einen zweiten Führungsbereich (10) umfasst und wobei zwischen dem ersten und zweiten Führungsbereich (9, 10) ein Tribosystem ausgebildet ist, wobei das Tribosystem einen ersten Reibpartner und einen zweiten Reibpartner umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reibpartner und/oder der zweite Reibpartner eine zweilagige Schicht mit einer harten Grundschicht (11; 14) und einer äußeren Gleitschicht (12; 15) umfasst, wobei die äußere Gleitschicht (12; 15) eine Festschmierstoffschicht ist, wobei die harte Grundschicht eine gehärtete Randzonenschicht eines Grundwerkstoffs ist oder die harte Grundschicht eine auf einen Grundwerkstoff aufgebrachte Schicht ist, wobei die auf den Grundwerkstoff aufgebrachte harte Grundschicht eine Chromschicht oder eine Chrom-enthaltende Schicht, oder eine Boridschicht, oder eine Bor-enthaltende Schicht, oder eine Chemisch-Nickel-Schicht ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffschicht eine Kohlenstoffschicht oder ein Gleitlack oder eine Molybdändisulfid-Schicht oder eine PTFE-enthaltende Schicht ist.
  3. Ventil nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Magnetanker (2) benachbarte Bauteil (3) mit dem zweiten Führungsbereich (10) ein Zylinderbauteil (3) ist.
  4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderbauteil einem Kalibriervorgang unterzogen ist.
  5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (2) aus einem weichmagnetischen Grundwerkstoff hergestellt ist und die harte Grundschicht durch Härten des weichmagnetischen Grundwerkstoffs hergestellt ist.
  6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Magnetanker (2) einstückig ein Ventilschließglied (4), insbesondere mit einem Dichtelement (5), gebildet ist.
  7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein gasförmiges Medium ist.
  8. Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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