DE102007001650A1

DE102007001650A1 - Proportionales Gasventil

Info

Publication number: DE102007001650A1
Application number: DE102007001650A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hebner; Thanh-Hung Nguyen-Schaefer; Guenther Bantleon; Frank Ilgner; Frank Brenner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-17
Also published as: BRPI0800234A2; ITMI20080029A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, umfassend ein Ventilglied (4), ein Ventilsitzelement (5) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (6) und wenigstens einen Dichtsitz (15, 16), wobei das Ventilglied zum Freigeben und Verschließen der Durchlassöffnung (6) am Ventilsitzelement angeordnet ist und wobei das Ventilglied (4) einen Flachsitz umfasst und eine Durchströmungsrichtung (B) durch die Durchlassöffnung (6) gleich einer Betätigungsrichtung (A) zum Öffnen des Ventils ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein proportionales Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, welches insbesondere in einem Fahrzeug verwendet wird.
In jüngster Zeit werden verstärkt Fahrzeuge mit gasförmigem Brennstoff als Kraftstoff propagiert. Als Brennstoff kann hier beispielsweise Erdgas eingesetzt werden. Auch bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb sind Gasströme zu steuern. Als Ventile werden bei derartigen gasförmigen Medien häufig die aus den flüssigen Kraftstoffen bekannten Ventile verwendet. Aufgrund der Trockenreibung und geringen Dämpfung der gasförmigen Medien ergeben sich bei der Verwendung der für Flüssigkeiten ausgelegten Ventile jedoch insbesondere Verschleißprobleme, was zu einer geringen Lebensdauer derartiger Ventile führt. Ferner ergeben sich insbesondere bei höheren Drücken bei Verwendung der Ventile für flüssige Kraftstoffe bei Gasen Undichtheitsprobleme.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße proportionale Gasventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums hat demgegenüber den Vorteil, dass es bei einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit eine sichere Abdichtung ermöglicht. Ferner kann ein Gasmassenstrom, welcher durch das Gasventil hindurchgeht, proportional zu einem Vordruck sein. D. h., bei Druckschwankungen wird der Öffnungshub des Gasventils proportional zur Druckänderung angepasst. Hierdurch kann beispielsweise bei einer Verwendung des Gasventils als Gassteuerventil für einen Brennstoffzellenantrieb eine Hubänderung eines Ventilglieds vorgenommen werden. Das erfindungsgemäße Proportionalventil umfasst dabei ein Ventilglied und ein Ventilsitzelement mit wenigstens einer Durchlassöffnung, welche vom Ventilglied freigegeben bzw. verschlossen wird. Das Ventilglied umfasst einen Flachsitz, welcher eine hohe Dichtheit gewährleisten kann. Ferner ist eine Durchströmungsrichtung des Gases durch die vom Ventilglied freigegebene Durchlassöffnung gleich einer Betätigungsrichtung zum Öffnen des Ventilglieds. D. h., das zu steuernde Gas steht an der Stirnseite des Ventilglieds an und nach einem Öffnen des Ventilglieds strömt das Gas durch die Durchlassöffnung am Ventilglied vorbei.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst das Ventilglied ein ringförmiges Dichtelement, welches den Flachsitz am Ventilglied bereitstellt, um die Durchlassöffnung freizugeben bzw. zu verschließen. Das Dichtelement ist vorzugsweise aus einem Elastomer-Material hergestellt.
Um eine möglichst große Durchlassfläche im Ventilsitzelement aufzuweisen, ist die Durchlassöffnung vorzugsweise nierenförmig gebildet.
Vorzugsweise sind mehrere Durchlassöffnungen am Ventilsitzelement vorgesehen. Besonders bevorzugt sind zwei oder drei oder vier Durchlassöffnungen vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ventilglied eine zentrale Bohrung und wenigstens eine Querbohrung für eine Verbindung mit einem Niederdruckbereich des Ventils. Durch diese zusätzlichen Bohrungen im Ventilglied wird ein weiterer Strömungspfad durch das Ventilglied hindurch bereitgestellt, so dass eine größere Gasmenge durch das Ventil strömen kann.
Das Ventilglied ist vorzugsweise in einer Niederdruckbereich angeordnet, wobei die Niederdruckbereich Austrittsöffnungen mit einer Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als eine Querschnittsfläche von den Durchlassöffnungen im Ventilsitzelement. Hierdurch wird verhindert, dass in dem Niederdruckbereich aufgrund von zu kleinen Strömungsquerschnitten ein Staudruck erzeugt wird.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Ventil als Magnetventil ausgebildet und das Ventilglied ist am Ende eines Magnetankers angeordnet. Dadurch kann ein besonders einfacher und kostengünstiger sowie kompakter Aufbau bereitgestellt werden. Der Magnetanker ist vorzugsweise mit einer reibungsvermindernden Schicht an den Führungsflächen beschichtet. Die Schicht kann beispielsweise ein Gleitlack oder Teflon oder eine C2.5-Schicht sein.
Um eine verbesserte Führung des Magnetankers zu erreichen, ist der Magnetanker vorzugsweise in einer ersten Führungsbuchse und in einer zweiten Führungsbuchse geführt. Hierdurch kann insbesondere ein Spiel während des Schaltvorgangs des Ventils reduziert werden. Insbesondere in Verbindung mit einem beschichteten Magnetanker kann dabei eine lange Lebensdauer des Ventils erreicht werden.
Weiter bevorzugt umfasst das Ventilglied einen ringförmigen Flansch, welcher radial nach außen vorsteht. Dieser Flansch dient zur Führung des durch die Durchlassöffnung strömenden Gases, um möglichst geringe Strömungsverluste während des Öffnens des Ventils zu erreichen.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine vergrößerte Teilansicht des Ventilglieds von 1,
3 eine weiter vergrößerte Teilansicht des in 2 gezeigten Ventilglieds, und
4 eine Draufsicht auf das Ventilsitzelement.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Ventil 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das Ventil 1 ist ein proportionales Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine bzw. einen Brennstoffzellenantrieb. Das erfindungsgemäße Ventil kann aber auch beispielsweise als Gassteuerventil bei einem Brennstoffzellenantrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet werden.
Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist das Ventil 1 als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen Magnetanker 2, eine Spule 3, ein Ventilglied 4 und ein Ventilsitzelement 5. Im Ventilsitzelement 5 sind zwei Durchlassöffnungen 6 gebildet, welche, wie in 4 gezeigt, eine Nierenform aufweisen. Die beiden Durchlassöffnungen 6 sind dabei symmetrisch aufgebaut. Es sei angemerkt, dass beispielsweise auch mehr als zwei, z. B. drei oder vier nierenförmige Durchlassöffnungen vorgesehen sein können.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Ventil 1 einen Hochdruckbereich 7, in welchem ein zu steuerndes Gas unter hohem Druck zwischengespeichert wird und ein Niederdruckbereich 8. Der Niederdruckbereich 8 ist über mehrere Ausgangsanschlüsse 9 mit beispielsweise einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle verbunden. Der Hochdruckbereich 7 und der Niederdruckbereich 8 sind dabei über die Durchlassöffnungen 6 miteinander verbunden, wobei das Ventilglied 4 in Abhängigkeit von einer Bestromung der Spule 3 die Durchlassöffnung 6 freigibt oder verschließt. Der Niederdruckbereich 8 weist dabei die Form einer im Wesentlichen zylindrischen Niederdruckkammer auf.
Wie insbesondere in den 2 und 3 ersichtlich ist, ist am Ende des Ventilglieds 4 ein Dichtelement 14 angeordnet. Das Dichtelement 14 ist ringförmig ausgebildet und aus einem Elastomer hergestellt. Das Dichtelement 14 ist als Flachsitz ausgebildet und dichtet an zwei konzentrischen Ventilsitzen 15 und 16. Die Ventilsitze 15 und 16 sind, wie in 4 gezeigt, derart am Ventilsitzelement 5 angeordnet, dass zwischen den beiden konzentrischen Ventilsitzen die nierenförmigen Durchlassöffnungen 6 angeordnet sind. Eine Abdichtung erfolgt dabei mittels des Dichtelements 14 an den beiden Ventilsitzen 15 und 16.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Magnetanker 2 mittels einer ersten Führungshülse 10 und einer zweiten Führungshülse 11 im Ventil geführt. Ferner ist an dem dem Ventilglied 4 entgegengesetzten Ende des Magnetankers 2 eine Vorspannfeder 12 vorgesehen. Der Magnetanker 2 kann aufgrund der Kraft der Vorspannfeder 12 lediglich lose in das Ventilglied 4 eingesteckt werden. Eine Vorspannung der Vorspannfeder 12 muss dabei in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckbereich 7 derart festgelegt werden, dass eine resultierende Kraft auf das Dichtelement 14 von ca. 1,5 N bis 2 N auftritt.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist dabei wie folgt. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Ventils 1. Dabei ist das Dichtelement 14 mittels der Federkraft der Vorspannfeder 12 fest auf die beiden Ventilsitze 15, 16 gedrückt, so dass kein Gas aus dem Hochdruckbereich 7 in den Niederdruckbereich 8 strömen kann. Wenn das Ventil geöffnet werden soll, wird die Spule 3 bestromt, so dass eine Magnetkraft den Magnetanker 2 entgegen der Federkraft der Vorspannfeder 12 bewegt. Durch den Druckunterschied zwischen dem Hochdruckbereich 7 und dem Niederdruckbereich 8 wird das Ventilglied 4, wie in 3 durch den Pfeil A angedeutet, vom Ventilsitzelement 5 abgehoben. Dadurch kann das Gas, wie durch die Pfeile B angedeutet, aus dem Hochdruckbereich 7 in den Niederdruckbereich 8 strömen. Das Gas strömt dabei sowohl seitlich am Ventilglied 4 vorbei, als auch durch eine mittige Bohrung 14a, in welche vier Querbohrungen 14b münden. Ein sich radial erstreckender Flanschbereich 4a am Ventilglied 4 dient dabei zur Ausrichtung der Strömung.
Wenn das Ventil 1 wieder geschlossen werden soll, wird die Bestromung beendet, so dass die Vorspannfeder 12 das Ventilglied 4 wieder in die Ausgangsposition zurückstellt. Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich 7 und dem Niederdruckbereich 8 über die Durchlassöffnungen 6 wieder verschlossen.
Erfindungsgemäß kann somit durch die Verwendung eines Flachsitzes am Dichtelement 14 ein sicheres und gasdichtes Schließen des Ventils ermöglicht werden. Ferner kann ein Gasmassenstrom durch die zusätzliche Nutzung der mittigen Bohrung 14 im Ventilglied 4 vergrößert werden. Eine Strömungsrichtung des Gases aus dem Hochdruckbereich 7 in den Niederdruckbereich 8 durch die Durchlassöffnung 6 entspricht dabei einer Öffnungsrichtung A des Ventilglieds 4. Somit ist die Bewegung zum Öffnen des Ventilglieds 4 gleich der Strömungsrichtung durch die Durchlassöffnungen. Ein Öffnungsquerschnitt des Ventils 4 ist ferner proportional zur einer an der Spule 3 angelegten Spannung bzw. einem Strom durch die Spule 3.
Ferner sei angemerkt, dass die gesamten Durchtrittsflächen am Ausgangsanschluss 9 größer sind als die Gesamtquerschnittsfläche der Durchlassöffnungen. Falls gewünscht, kann der Magnetanker 2 auch zusätzlich noch mit einer Beschichtung versehen sein, um eine Reibung in den beiden Führungshülsen 10, 11 zu reduzieren. Diese Maßnahme reduziert weiter den Verschleiß und verlängert die Lebensdauer des Ventils 1. Das erfindungsgemäße Ventil 1 wird besonders bevorzugt in Fahrzeugen und dort beispielsweise für eine zentrale Einspritzung eines gasförmigen Kraftstoffs oder als Gassteuerventil bei einem Brennstoffzellenantrieb verwendet.
Das Ventil 1 vermeidet ferner, dass aufgrund der proportionalen Ansteuerung bei einem Öffnen des Ventils ein Anschlag zwischen dem Magnetanker 2 und einem Magnetinnenpol nicht ständig auftreten wird. Auch ermöglicht die doppelte Führung des Magnetankers in den beiden Führungshülsen 10, 11 eine sichere Führung für ein schnelles Schalten des Ventils.

Claims

Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, umfassend ein Ventilglied (4), und ein Ventilsitzelement (5) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (6) und wenigstens einen Dichtsitz (15, 16), wobei das Ventilglied (4) zum Freigeben und Verschließen der Durchlassöffnung (6) am Ventilsitzelement (5) angeordnet ist und wobei das Ventilglied (4) einen Flachsitz umfasst und eine Durchströmungsrichtung (B) des gasförmigen Mediums durch die Durchlassöffnung (6) gleich einer Betätigungsrichtung (A) zum Öffnen des Ventils ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (4) ein ringförmiges Dichtelement (14) an seinem stirnseitigen, der Durchlassöffnung (6) zugewandten Ende aufweist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnung (6) eine Nierenform aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilsitzelement (5) eine Vielzahl von Durchlassöffnungen (6) angeordnet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (4) eine zentrale Bohrung (14a) und wenigstens eine Querbohrung (14b), welche in einem Niederdruckbereich (8) mündet, aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (4) im Niederdruckbereich (8) angeordnet ist und der Niederdruckbereich (8) Ausgangsanschlüsse (9) mit einer Gesamtquerschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Gesamtquerschnittsfläche der Durchlassöffnungen (6) im Ventilsitzelement (5).
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Magnetventil ausgebildet ist und das Ventilglied (4) am Ende eines Magnetankers (2) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (2) mit einer reibungsvermindernden Schicht an den Führungsflächen, insbesondere einem Gleitlack oder Teflon oder einer C2.5-Schicht, beschichtet ist.
Ventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (2) in einer ersten Führungshülse (10) und einer zweiten Führungshülse (11) geführt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (4) einen ringförmigen Flansch (4a) aufweist, welcher radial nach außen vorsteht, um ein durch die Durchlassöffnungen (6) zugeführtes gasförmiges Medium zu führen.