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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien
an eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 näher
definierten Art.
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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, welches einen Fluidstrom von einer Zuströmseite zu
einer Abströmseite
steuert und mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, welcher
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 der Stirnseite des Ventilschließgliedes
in einer korrespondierenden Ringnut eingebettet sein.
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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.
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Einer
besonders hohen 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.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zum Zuführen insbesondere
gasförmiger Medien
an eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen,
welches hinsichtlich des statischen Fluidstroms und den Ventilöffnungskräften bei
gleichzeitiger Gewährleistung
der Lebensdaueranforderungen und der Sitzsicherheit der Dichteinrichtung
weiter entwickelt ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
vor, dass ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien
an eine Brennkraftmaschine, wie z. B. eine Brennstoffzelle oder
einen Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit einer Ventilhülse, in
der ein Ventilanker mit einem Ventilschließglied zur Einstellung eines
Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite
und einer Abströmseite
gegenüber einem
fest in der Ventilhülse
angeordneten Ventilsitzkörper
axial beweglich geführt
ist, derart ausgestaltet ist, dass eine dem Ventilanker zugewandte
Stirnfläche
eines Ventilsitzes des Ventilsitzkörpers, welche wenigstens eine
auf einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kurve angeordnete Durchtrittsöffnung aufweist,
wenigstens im Bereich einer Dichteinrichtung plan ausgebildet ist,
wobei die Dichteinrichtung mit einer der Anzahl der Durchtrittsöffnungen
entsprechenden Zahl von Dichtelementen ausgebildet ist, welche die
geometrische Form der wenigstens einen Durchtrittsöffnung nachbilden
und radial frei angeordnet sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
die pneumatisch wirksame Fläche
ausschließlich
auf den Bereich der Öffnungen
reduziert, wodurch vorteilhafterweise eine zum Öffnen des Ventilmoduls benötigte Kraft
sehr gering ist und eine sehr gute Funktionalität des Ventilmoduls mit Gewährleistung
der Dichtheit in allen Betriebszuständen über die Lebensdauer auch bei Setzvorgängen oder
einer Ankerschiefstellung und insbesondere bei tiefen Temperaturen
erreicht wird.
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Mit
der Ausgestaltung der Dichteinrichtung gemäß der Erfindung ist zudem eine
vorteilhaft einfache Ventilsitz- und Ventilankergeometrie realisierbar, welche
eine einfache und kostengünstige
Herstellung des Ventilsitzes und des Ventilankers ermöglicht.
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Wird
die Dichteinrichtung an der dem Ventilanker zugewandten Stirnfläche des
Ventilsitzes angeordnet, so kann in vorteilhafter Weise ein optimales
Funktionieren des Schließmechanismus
auch ohne eine Führung
des Ventilankers erreicht werden.
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Eine
besonders einfache und aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhafte
Gestaltung kann durch die Anordnung der Dichteinrichtung an der dem
Ventilsitz zugewandten Stirnfläche
des Ventilankers erzielt werden.
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Die
Dichteinrichtung kann wenigstens im Wesentlichen aus einem Elastomer
oder alternativ aus einem Thermoplast gebildet sein und mittels
einer Vulkanisierung oder eines Aufspritzens an dem Ventilsitz bzw.
dem Ventilanker sehr einfach und kostengünstig befestigt werden.
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Eine
hinsichtlich der Stabilität
und des Fluiddurchflusses optimierte Ausbildung der Erfindung kann
dadurch erreicht werden, dass zu einem Durchtritt des Fluidstroms
von der Zuströmseite
zu der Abströmseite
nierenförmige
Durchtrittsöffnungen
ausgebildet sind, welche gleichmäßig auf
einer radialen Bahn um den axialen Mittelpunkt des Ventilsitzes
verteilt angeordnet sind.
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Zur
Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Ventilmoduls
gemäß der Erfindung
der Ventilanker, insbesondere eine in Richtung des Ventilsitzes
weisende Fläche
des Ventilschließgliedes, und/oder
der Ventilsitz gehärtet
werden, wobei ein einfaches Randschichthärten zur Anwendung kommen kann.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen eines Ventilmoduls gemäß der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Ventilmoduls
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
ein Einblasventil mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Dichteinrichtung;
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2 eine
schematische dreidimensionale Darstellung eines Ventilsitzkörpers des
Einblasventils der 1 mit der Dichteinrichtung in
Alleinstellung;
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3 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
das in 1 dargestellte Ventil mit einer alternativen Anordnung
der Dichteinrichtung;
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4 eine
schematische dreidimensionale Darstellung eines Ventilankers des
Einblasventils gemäß 3 mit
der Dichteinrichtung in Alleinstellung; und
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5 eine
dreidimensionale Prinzipskizze des Ventilsitzkörpers des Einblasventils gemäß 3 in
Alleinstellung.
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Die 1 und 3 zeigen
schematisiert jeweils ein Ventilmodul 1 eines Einblasventils,
welches zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasverbrennungsmotor
eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Regelung eines Fluidstroms
von einer Zuströmseite 3 zu
einer Abströmseite 5 dient.
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Das
Gaseinblasventil kann in an sich bekannter Bauweise mit einem mehrteiligen
Gehäuse ausgebildet
sein, in welchem eine elektromagnetische Betätigungseinheit mit einer Magnetspule
angeordnet ist, welche das dargestellte Ventilmodul 1 umgibt.
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Das
Ventilmodul 1 umfasst eine Ventilhülse 7, welche durch
Tiefziehen oder eine andere Umformtechnik hergestellt sein kann
und aus einem nichtmagnetischen Werkstoff gebildet ist. In der Ventilhülse 7 ist
axial verschiebbar ein weichmagnetischer Ventilanker 9 gelagert,
welcher ein Ventilschließglied 11 aufweist,
welches zum Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 13 eines
Ventilsitzkörpers 15 ausgebildet
ist.
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Der
Ventilsitz 13 ist bei den gezeigten Ausführungen
an einem in die Ventilhülse 7 eingesetzten und
daran beispielsweise durch Verschweißung befestigten Ventilsitzkörper 15 ausgebildet,
welcher vorliegend selbst hülsenartig
mit einem den Ventilsitz 13 bildenden Boden ausgebildet
ist, jedoch in einer anderen Ausführung auch nur scheibenartig
ausgebildet sein kann. Im Bereich des Ventilsitzes 13 sind mehrere
Durchtrittsöffnungen 17 in
der Art einer Spritzlochscheibe angeordnet.
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In
aktivem offenen Zustand des Gaseinblasventils, wie er in den 1 und 3 dargestellt
ist und in welchem der magnetische Ventilanker 9 mit dem
Ventilschließglied 11 durch
die elektromagnetische Betätigungseinheit
von dem Ventilsitz 13 abhebt, kann das gasförmige Medium
durch die Durchtrittsöffnungen 17 strömen und
an den Verbrennungsraum freigegeben werden.
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Ohne
einen elektromagnetischen Einfluss nimmt das Ventilmodul 1 einen
nichtaktiven geschlossenen Zustand ein, bei welchem das Ventilschließglied 11 zusammen
mit dem Ventilsitz 13 und einer Dichteinrichtung 21 einen
Mediumfluss von der Zuströmseite 3 zur
Abströmseite 5 verhindert,
wobei das an dem Ventilanker 9 ausgebildete Ventilschließglied 11 durch
die Kraft einer nicht näher
dargestellten Rückstellfeder
in Schließstellung
gehalten wird.
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Die
Durchtrittsöffnungen 17 sind
vorliegend, wie in 2 und 4 ersichtlich
ist, als vier gleichartige nierenförmig ausgebildete Bohrungen 17 realisiert,
welche alle auf einem Radius gleichmäßig um eine Mittelachse des
Ventilsitzes 13 angeordnet sind.
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Zwischen
einer Stirnfläche 10 des
Ventilschließglieds 11 und
einer Stirnfläche 16 des
Ventilsitzkörpers 15 ist
zur Herstellung einer Dichtheit in Ventilschließstellung jeweils eine Dichteinrichtung 21 bzw. 21' vorgesehen,
welche jeweils aus einzelnen Dichtelementen 22 bzw. 22' gebildet ist,
die jeweils einer Durchtrittsöffnung 17 zugeordnet
sind.
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Die
Dichtelemente 22 bzw. 22', welche in den vorliegenden Ausführungsbeispielen
mittels eines aufvulkanisierten Elastomers an einer Stirnfläche 16 des
Ventilsitzes 13 bzw. einer Stirnfläche 10 des Ventilankers 9 ausgebildet
sind, können
in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch mit oder
aus einem Thermoplast ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Dichtmaterial
auch aufgespritzt sein.
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Bei
dem in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
ist die Dichteinrichtung 21 an der Stirnfläche 16 des
Ventilsitzes 13 und bei dem zweiten in den 3 bis 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Dichteinrichtung 21' an
der Stirnfläche 10 des
Ventilschließglied 11 jeweils
radial frei ohne seitliche Führung
angeordnet, wobei die jeweilige Stirnfläche 10 bzw. 16 in
einem Bereich um die Dichteinrichtung 21 bzw. 21' plan ausgebildet
ist.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Dichteinrichtung 21 mit einzeln um die Durchtrittsöffnungen 17 angeordneten
Dichtelementen 22 derart um die Durchtrittsöffnungen 17 an
dem Ventilsitzkörper 15 angeordnet,
dass die Durchtrittsöffnung 17 durch
die Dichteinrichtung 21 in ihrer Durchtrittsfläche nicht
verkleinert wird.
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Die
Dichtelemente 22 korrespondieren dabei derart mit den Durchtrittsöffnungen 17,
dass ein Übergang
von den Durchtrittsöffnungen 17 zu
den Dichtelementen 22 gerundet und kantenfrei verläuft, wodurch
keine Ablösebereiche
der Strömung
im Bereich der Durchtrittsöffnungen 17 entstehen
und somit ein sehr hoher Füllungsgrad
der Durchtrittsöffnungen 17 erreicht
wird, wobei der Ventilsitz 13 durch die dabei erreichte
sehr kleine pneumatisch wirksame Fläche strömungs- und öffnungskraftoptimiert ausgebildet
ist.
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In
dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist die Dichteinrichtung 21',
wie den 3 und 4 entnehmbar
ist, ebenfalls mit separaten die Durchtrittsöffnungen geometrisch nachbildenden
Dichtelementen 22' ausgebildet,
wobei diese auf dem Ventilschließglied 11 derart angeordnet
sind, dass sie in geschlossenem Zustand des Ventilmoduls 1 exakt die
Kontur der zugeordneten Durchtrittsöffnungen 17 umgebend
an dem Ventilsitz 13 aufliegen. Bei dieser Ausführung ist
der Ventilanker 9 in der Ventilhülse 7 derart geführt, dass
ein Verdrehen des Ventilankers 9 gegenüber dem Ventilsitz 13 während des
Betriebs nicht möglich
ist und somit die Dichteinrichtung 21 die Durchtrittsöffnungen 17 jeweils
sicher abdichtet.
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Durch
die Verwendung von einzelnen jeweils direkt um die Durchtrittsöffnungen
angeordnete Dichtelementen 22 bzw. 22' wird die Dichtung
ausschließlich
auf den Bereich der Durchtrittsöffnungen 17 reduziert,
wodurch eine zum Öffnen
des Ventilmoduls 1 benötigte
Kraft sehr gering ist.
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Zur
Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
des Ventilmoduls 1 ist der Ventilanker 9 mit einer in
Richtung des Ventilsitzes 13 weisenden Stirnfläche 10 des
Ventilschließgliedes 11 und
der Ventilsitz 13 randschichtgehärtet.
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Es
bleibt dem Fachmann überlassen
entsprechend der Anforderungen an das Ventilmodul 1 weniger
oder mehr als die genannten Flächen
und Körper
zu härten
und ein jeweils dafür
geeignetes Verfahren auszuwählen.