DE102005056212A1

DE102005056212A1 - Ventil zum Steuern eines Fluids

Info

Publication number: DE102005056212A1
Application number: DE102005056212A
Authority: DE
Inventors: Frank Miller; Elmar Okrent
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-06
Also published as: BRPI0604943A; ITMI20062246A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend ein bewegbares Ventilglied (2), eine Sitzplatte (3), wenigstens eine in der Sitzplatte (3) gebildete Abströmöffnung (5) und einen um die Abströmöffnung herum gebildeten Ventilsitz (4), wobei der Ventilsitz (4) gegenüber einer Oberfläche (8) der Sitzplatte (3) vorsteht, wobei der Ventilsitz (4) konzentrisch zu einer Mittelachse (T-T) der Abströmöffnung (5) gebildet ist und der Ventilsitz (4) einen ersten Bereich (B) mit einem ersten Radius (R1) und einen zweiten Bereich (C) mit einem zweiten Radius (R2) umfasst, wobei der erste Radius (R1) entgegengesetzt zum zweiten Radius (R2) gebildet ist und der erste Bereich (B) kontinuierlich in den zweiten Bereich (C) übergeht und wobei der erste Bereich (B) kontinuierlich in einen Sitzplattenbereich (A) der Sitzplatte (3) übergeht und der zweite Bereich (C) kontinuierlich in einen Abströmbereich (D) in der Abströmöffnung (5) übergeht.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere eines gasförmigen Mediums, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ventile zum Steuern von Fluiden sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei gasförmigen Medien werden derartige Ventile beispielsweise als Gaststeuerventil bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor verwendet.

Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der DE 103 51 205 A1 bekannt. Das dort offenbarte Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, welches eine Betätigungseinheit für einen Magnetanker aufnimmt, der axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse geführt ist. Der Magnetanker ist mit einem Ventilschließglied versehen, an dessen Stirnseite ein Dichtelement angeordnet ist. Das Dichtelement wirkt mit einem an einer Sitzplatte ausgebildeten Ventilsitz zusammen, um den Fluidstrom durch eine Abströmöffnung in der Sitzplatte zu steuern. Der Ventilsitz ist dabei durch einen inneren ringförmigen Absatz und einen äußeren ringförmigen Absatz gebildet, wobei die Abströmöffnung zwischen dem inneren und äußeren Absatz angeordnet ist. Die inneren und äußeren Absätze sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Der Ventilsitz weist insbesondere an seinem Übergang zur Abströmöffnung eine oder mehrere Kanten auf. Darüber hinaus umfasst der Ventilsitz eine schräg abfallende Innenkante, die zur Abströmöffnung abfällt. Untersuchungen haben nun gezeigt, dass insbesondere an der Innenflanke und den Kanten Strömungsablösungen auftreten. Hierdurch kommt es insbesondere in der Abströmöffnung zum Ablösen der Strömung von der Wand und zur Wirbelbildung, wodurch sich ein geringerer Füllungsgrad der Austrittsöffnungen ergibt. Somit muss eine Öffnungszeit zur Sicherstellung einer vorbestimmten Füllmenge vergrößert werden. Ferner verursachen die Strömungsverluste höhere Schließkräfte zum Schließen des Ventilschließgliedes.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es einen höheren Füllungsgrad bei gleicher Öffnungszeit im Vergleich zum Stand der Technik bereitstellen kann. Erfindungsgemäß tritt hierbei praktisch keine Ablösung der Strömung an Kanten oder an der Wand in der Abströmöffnung auf, so dass die Verluste beim Einströmen des Fluids reduziert werden. Ferner kann erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass aufgrund der reduzierten Verluste während des Einströmvorgangs Schließkräfte des Ventilschließglieds reduziert werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ventilsitz konzentrisch zu einer Mittelachse der Abströmöffnung ausgebildet ist und einen ersten Bereich mit einem ersten Radius und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Radius umfasst. Dabei ist die Krümmung des ersten Radius entgegengesetzt zur Krümmung des zweiten Radius gebildet, wobei der erste Bereich kontinuierlich in den zweiten Bereich übergeht. Bei einer Schnittansicht des Ventilsitzes liegt somit ein Wendepunkt der Steigung einer Ortskurve der Oberfläche des Ventilsitzes im Übergang zwischen dem ersten und zweiten Bereich. Ferner ist der Ventilsitz derart ausgebildet, dass der erste Bereich kontinuierlich in einen Sitzplattenbereich einer Sitzplatte übergeht und der zweite Bereich kontinuierlich in einen Abströmbereich der Abström öffnung übergeht. Der erfindungsgemäße kontinuierliche Übergang zwischen allen Bereichen am Ventilsitz ist ohne Kanten gebildet, so dass der Ventilsitz eine kontinuierlich, ineinander übergehende Oberfläche aufweist. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf das Strömungsverhalten des Fluids aus. Der Ventilsitz ist somit als ringförmiger, von der Sitzplatte vorstehender Bereich gebildet.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Die von der Sitzplatte vorstehende Höhe des Ventilsitzes entspricht dabei vorzugsweise einer Länge des zweiten Radius. Somit liegt ein Übergang zwischen dem zweiten Bereich mit dem zweiten Radius und dem zylindrischen Abströmbereich auf Höhe der Oberfläche der Sitzplatte.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Übergang zwischen dem zweiten Bereich und dem Abströmbereich in axialer Richtung der Abströmöffnung unterhalb der Oberfläche der Sitzplatte angeordnet. Dadurch wird eine mehr trichterförmige Öffnung am Ventilsitz erhalten, wodurch eine Ablösung der Strömung weiter reduziert werden kann.

Ein besonders günstiges Strömungsverhalten wird erreicht, wenn der erst Radius mindestens doppelt so groß wie der zweite Radius ist. Dadurch ergibt sich beim Öffnen des Ventils ein sich langsam verjüngender Bereich, durch welchen das Fluid in die Abströmöffnung einströmt.

Vorzugsweise liegt eine äußere Kante des Ventilschließglieds in Radialrichtung des Ventils auf Höhe des ersten Bereichs oder des zweiten Bereichs. Dadurch kann auch bei leichten Schiefstellungen des Ventilschließglieds, welche z.B. bei tiefen Temperaturen auftreten können, trotzdem ein dichter Sitz am Ventilsitz sichergestellt werden.

Besonders bevorzugt ist der Ventilsitz mittels elektrochemischem Abtragen aus einem Metallmaterial hergestellt. Hierdurch kann der Ventilsitz besonders kostengünstig und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilsitz als Spritzgussteil aus einem Kunststoff, einem Metall oder Keramik hergestellt.

Das Fluid, welches durch das erfindungsgemäße Ventil gesteuert wird, ist vorzugsweise ein gasförmiges Medium, insbesondere ein gasförmiger Kraftstoff. Hierbei kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Ventilsitzes auch bei trockenen gasförmigen Medien, welche selbst keine Schmierwirkung aufweisen, eine notwendige Dichtheit bei geschlossenem Ventil zwischen Ventilsitz und Ventilschließglied sichergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Ventil wird besonders bevorzugt in Antrieben von Fahrzeugen, beispielsweise Gasmotoren oder Brennstoffzellen, verwendet.

Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine vergrößerte Teildarstellung von 1 und
3 eine schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten Ventils im geöffneten Zustand.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Ventil 1 zum Steuern von Fluiden ein Ventilglied 2 und eine Sitzplatte 3 mit einem Ventilsitz 4. Der Ventilsitz 4 ist um eine zylindrische Abströmöffnung 5 herum angeordnet und symmetrisch ausgebildet. Die Abströmöffnung 4 verbindet bei geöffnetem Ventil einen Druckraum 6, in welchem unter Druck stehendes Fluid anliegt, mit einem Brennraum 7 eines Gasmotors. Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Fluid ist ein gasförmiger Kraftstoff wie z.B. Erdgas. 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Ventils 1. Im geschlossenen Zustand liegt das Ventilglied 2 linienförmig auf dem Ventilsitz 4 auf. Das Ventil 1 kann beispielsweise ein Magnetventil sein und das Ventilglied 2 kann einstückig mit einem Magnetanker gebildet sein. Zusätzlich kann auch noch ein Dichtelement am Ventilglied 2 vorgesehen sein, welches mit dem Ventilsitz 4 im geschlossenen Zustand in Kontakt kommt.
2 zeigt in vergrößerter Darstellung den Ventilsitz 4 des erfindungsgemäßen Ventils. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, ist der Ventilsitz 4 ausgehend von einer Oberfläche 8 der Sitzplatte 3 vorstehend in Richtung des Ventilglieds 2 gebildet. Die Oberfläche 8 der Sitzplatte 3 ist dabei eben gebildet und stellt einen Sitzplattenbereich A bereit, von welchem aus ein kontinuierlicher Übergang zum Ventilsitz 4 gebildet ist. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist der Ventilsitz 4 durch einen ersten Bereich B mit einem ersten Radius R1 und einem zweiten Bereich C mit einem zweiten Radius R2 gebildet. Die Übergänge zwischen dem Sitzplattenbereich A und dem ersten Bereich B sowie zwischen dem ersten Bereich B und dem zweiten Bereich C sind dabei kontinuierlich ohne Kanten gebil det. Der erste Radius R1 ist dabei mindestens doppelt so groß wie der zweite Radius R2. Ferner sind die beiden bogenförmigen Bereiche B, C derart nebeneinander angeordnet, dass der erste Bereich B entgegengesetzt zum zweiten Bereich C gekrümmt ist. Eine Ortskurve der Oberfläche weist somit am Übergang zwischen dem ersten Bereich B und dem zweiten Bereich C einen Wendepunkt auf. Ferner ist ein Übergang des zweiten Bereichs C zu einem Abströmbereich D, welcher durch die Innenfläche der zylindrischen Abströmöffnung 5 gebildet wird, ebenfalls kontinuierlich ohne eine Kante gebildet. Die jeweiligen kontinuierlichen Übergänge stellen dadurch einen geringen Widerstand während des Vorbeiströmens des Fluids bereit, so dass an den Wandbereichen keine Ablösung der Strömung auftritt.
Eine Höhe H des Ventilsitzes 4, mit welcher der Ventilsitz von der Oberfläche 8 der Sitzplatte 3 vorsteht, ist, wie in 2 gezeigt, kleiner als der Radius R2 des zweiten Bereichs C. Dadurch liegt ein Übergang zwischen dem zweiten Bereich C und dem Abströmbereich D in Strömungsrichtung S unterhalb der Oberfläche 8 der Sitzplatte 3. Somit weist die Abströmöffnung 5 an ihrer zum Ventilglied 2 gerichteten Seite eine sich verjüngende, trichterförmige Form auf, welche besonders geeignet ist, eine Ablösung der Strömung von der Wand der Abströmöffnung zu vermeiden.
3 zeigt schematisch einen Strömungsverlauf des Fluids bei geöffnetem Ventil. Wie durch die kleinen Pfeile, welche die Strömung darstellen sollen, ersichtlich ist, strömt das Fluid aus dem Druckraum 6 ringförmig in die Abströmöffnung 5 ein, wobei sich die Strömung eng an die Oberflächen der Sitzplatte 3, des Ventilsitzes 4 und der Abströmöffnung 5 anlegt. Insbesondere im Bereich der Abströmöffnung 5 und des Ventilsitzes 4 tritt keine Ablösung der Strömung auf, da jeweils fließende Übergänge der Oberflächen zwischen dem Ventilsitz 4 und den dazu benachbarten Bereichen vorgesehen sind. Im Unterschied dazu tritt im Stand der Technik an den Kanten jeweils eine Strömungsablösung auf, welche zu unerwünschten Verwirbelungen und zu unerwünschtem Strömungswiderstand führt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Ventilsitzes 4 kann jedoch ein höherer Füllungsgrad während der Öffnung des Ventils erreicht werden, so dass bei einer konstanten Füllmenge im Vergleich zum Stand der Technik die Öffnungszeit des Ventils reduziert werden kann.
Es sei angemerkt, dass in der Sitzplatte 3 mehrere Abströmöffnungen 5 mit entsprechend gebildeten jeweils um die Abschirmöffnung angeordneten, ringförmigen Ventilsitzen 4 vorgesehen sein können. Wenn mehrere Abströmöffnungen 5 vorgesehen sind, können diese auch alle gleichzeitig von einem Ventilglied 2 geöffnet und geschlossen werden.
Die Öffnungsrichtung des Ventilglieds 2 in 3 ist durch den Pfeil P angedeutet und verläuft in Axialrichtung X-X des Ventils 1.
Die Abströmöffnung 5 ist dabei parallel zur axialen Achse X-X des Ventils angeordnet und weist eine Mittelachse T-T auf. Der Ventilsitz 4 ist dabei konzentrisch zur Mittelachse T-T der Abströmöffnung gebildet.
Das Ventilglied 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Magnetanker verbunden und weist einen Radius R3 in Radialrichtung des Ventilglieds auf. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist eine äußere Kante 9 des Ventilglieds 2 in radialer Richtung des Ventils auf Höhe des ersten Bereichs B angeordnet. Dadurch ergibt sich nur ein geringer Überstand des Ventilglieds 2 in radialer Richtung ausgehend vom Kontaktbereich K zwischen dem Ventilglied 2 und der Sitzplatte 3. Hierdurch wird insbesondere eine geringere wirksame Fläche des Ventilschließglieds 2 sichergestellt, so dass eine möglichst geringe Schließkraft zum Schließen des Ventils aufgebracht werden muss.

Claims

Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend ein bewegbares Ventilglied (2), eine Sitzplatte (3), wenigstens eine in der Sitzplatte (3) gebildete Abströmöffnung (5) und einen um die Abströmöffnung herum gebildeten Ventilsitz (4), wobei der Ventilsitz (4) gegenüber einer Oberfläche (8) der Sitzplatte (3) vorsteht, wobei der Ventilsitz (4) konzentrisch zu einer Mittelachse (T-T) der Abströmöffnung (5) gebildet ist und der Ventilsitz (4) einen ersten Bereich (B) mit einem ersten Radius (R1) und einen zweiten Bereich (C) mit einem zweiten Radius (R2) umfasst, wobei der erste Radius (R1) entgegengesetzt zum zweiten Radius (R2) gebildet ist und der erste Bereich (B) kontinuierlich in den zweiten Bereich (C) übergeht, und wobei der erste Bereich (B) kontinuierlich in einen Sitzplattenbereich (A) der Sitzplatte (3) übergeht und der zweite Bereich (C) kontinuierlich in einen Abströmbereich (D) in der Abströmöffnung (5) übergeht.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (H) des Ventilsitzes (4), mit welcher der Ventilsitz über die Oberfläche (8) der Sitzplatte (3) vorsteht, dem zweiten Radius (R2) entspricht.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) des Ventilsitzes (4), mit welcher der Ventilsitz über die Oberfläche (8) der Sitzplatte (3) vorsteht, kleiner als der zweite Radius (R2) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Radius (R1) mindestens doppelt so groß wie der zweite Radius (R2) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Kante (9) des Ventilglieds (2) in Radialrichtung des Ventils auf Höhe des ersten Bereichs (B) oder des zweiten Bereichs (C) liegt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) mittels elektrochemischem Abtragen aus einem Metallmaterial hergestellt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) als Spritzgussteil aus Kunststoff oder Metall oder Keramik hergestellt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein gasförmiges Medium, insbesondere ein gasförmiger Kraftstoff, ist.