DE102007003213A1

DE102007003213A1 - Gas-Einblasventil

Info

Publication number: DE102007003213A1
Application number: DE102007003213A
Authority: DE
Inventors: Frank Miller; Elmar Okrent
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2008-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gas-Einblasventil zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines Brenngases für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Ventilsitzelement (2) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (3), einen Ventilsitzträger (4) und ein Betätigungselement (5), welches die Durchlassöffnung (3) im Ventilsitzelement (2) freigibt und verschließt, wobei zwischen dem Ventilsitzelement (2) und dem Ventilsitzträger (4) ein im Wesentlichen ringförmiges Dichtelement (6) angeordnet ist, an welchem das Ventilsitzelement (2) frei gelagert ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gas-Einblasventil zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines Brenngases für ein Kraftfahrzeug.
Als Alternative zu flüssigen Kraftstoffen werden in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe zur Verwendung in Fahrzeugen vorgeschlagen. Die üblichen Fahrzeuge sind jedoch insbesondere für flüssige Kraftstoffe ausgelegt und somit nur bedingt für einen Einsatz von gasförmigen Brennstoffen geeignet. Insbesondere bei tiefen Temperaturen unter 0°C ergeben sich beim erstmaligen Öffnen des Gas-Einblasventils aufgrund von hohen Schließkräften hohe Öffnungskräfte. Hierzu muss beispielsweise bei Verwendung eines Magnetankers zur Bewegung des Ventilelements eine überproportionale Magnetkrafterhöhung bereitgestellt werden. Hierdurch erhöht sich jedoch der nötige Bauraumaufwand und gegebenenfalls ist eine Verstärkungseinrichtung für das Magnetventil notwendig. Weiterhin muss ein Gas-Einblasventil selbstverständlich auch die erforderliche Dichtheit über das gesamte Temperaturspektrum eines Kraftfahrzeugeinsatzes sicherstellen. Hierbei ist jedoch ein relativ hoher konstruktiver Aufwand notwendig und insbesondere können nur sehr enge Fertigungstoleranzen zugelassen werden, um die notwendige Dichtheit bereitzustellen. Dies macht die Herstellung der bekannten Gas-Einblasventile sehr aufwendig und teuer.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gas-Einblasventil zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es einfach und sehr kostengünstig hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Gas-Einblasventil stellt dabei nur geringe Anforderungen an enge Toleranzen, so dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Gas- Einblasventil eine geringere Öffnungskraft zum Öffnen des Ventils auf, wodurch insbesondere eine verbesserte Kaltstartfähigkeit einer Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gas-Einblasventil ein Ventilsitzelement mit wenigstens einer Durchlassöffnung, einen Ventilsitzträger und ein Betätigungselement umfasst. Das Betätigungselement gibt die Durchlassöffnung im Ventilsitzelement frei bzw. verschließt diese. Ferner umfasst das Gas-Einblasventil ein im Wesentlichen ringförmiges Dichtelement, welches zwischen dem Ventilsitzelement und dem Ventilsitzträger angeordnet ist. Das Ventilsitzelement ist dabei am im Wesentlichen ringförmigen Dichtelement frei gelagert. Durch die schwimmende Lagerung des Dichtelements kann somit in gewissem Umfang ein Ausgleich von Bauteiltoleranzen erreicht werden. Darüber hinaus wird ein Verschleiß der Bauteile des Gas-Einblasventils reduziert. Ferner ermöglicht die freie Lagerung unmittelbar am Dichtelement ein temperaturabhängiges Öffnen des Gas-Einblasventils, so dass auch ein Motorkaltstart problemlos möglich ist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise weist das Betätigungselement an seinem zum Ventilsitz gerichteten Ende einen einstückig gebildeten Dichtbereich auf. Hierdurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit erreicht werden.
Alternativ weist das Betätigungselement weiter bevorzugt an seinem zum Ventilsitzelement gerichteten Ende eine am Betätigungselement fixierte separate Dichtung auf. Hierdurch kann die Dichtung insbesondere an spezielle Anforderungen des gasförmigen Mediums angepasst werden. Die am Ende des Betätigungselements fixierte separate Dichtung ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere PEEK (Polyetheretherketon) oder POM (Polymetal), oder aus einem Elastomer hergestellt.
Vorzugsweise umfasst die am Betätigungselement fixierte, separate Dichtung zwei konzentrisch zueinander angeordnete ringförmige Dichtbereiche. Hierbei können beispielsweise eine oder mehrere Durchlassöffnungen auf einem Durchmesser zwischen den beiden ringförmigen Dichtbereichen liegen.
Weiter bevorzugt ist das Betätigungselement ein Magnetanker. Dadurch kann das Gas-Einblasventil einen sehr einfachen und kostengünstigen Gesamtaufbau aufweisen. Der Magnetanker ist vorzugsweise aus Stahl hergestellt und insbesondere aus einem gehärteten Stahl. Hierbei kann der Magnetanker vollständig oder nur teilweise, z. B. randschichtgehärtet, sein.
Das Dichtelement zwischen dem Ventilsitzelement und dem Ventilsitzträger ist vorzugsweise ein O-Ring. Hierdurch kann das Dichtelement besonders kostengünstig bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Dichtelement vorzugsweise am Ventilsitzträger fixiert. Hierdurch kann eine einfache Befestigung des Dichtelements realisiert werden.
Weiter bevorzugt weist das ringförmige Dichtelement zwischen dem Ventilsitzelement und dem Ventilsitzträger an seiner zum Ventilsitzelement gerichteten Seite eine im Schnitt bogenförmige, insbesondere halbkreisförmige, Gestalt auf. Hierdurch kann eine besonders einfache und leicht realisierbare schwimmende Lagerung des Ventilsitzelements bereitgestellt werden.
Weiter bevorzugt weist der Dichtbereich am Betätigungselement im Schnitt eine Halbkreisform oder eine Pyramidenform auf.
Das erfindungsgemäße Gas-Einblasventil kann bei Brennkraftmaschinen verwendet werden, welche eine direkte Einblasung des gasförmigen Brennstoffs in die Brennkammer oder eine indirekte Einblasung des gasförmigen Brennstoffs, z. B. in ein Saugrohr, aufweisen.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Gas-Einblasventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht eines Gas-Einblasventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 eine schematische Schnittansicht eines Gas-Einblasventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein Gas-Einblasventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Gas-Einblasventil 1 ein Ventilsitzelement 2, in welchem mehrere Durchlassöffnungen 3 gebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sollen die Durchlassöffnungen 3 konzentrisch zu einer Mittelachse X-X des Gas-Einblasventils 1 auf einem vorbestimmten Lochkreisdurchmesser angeordnet sein. Das Gas-Einblasventil 1 umfasst ferner einen Ventilsitzträger 4 sowie ein Betätigungselement 5, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein Magnetanker ist. Der Ventilsitzträger 4 ist mittels einer Schweißnaht 9 an einem zylinderförmigen Gehäuse 8 fixiert.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist zwischen dem Ventilsitzträger 4 und dem Ventilsitzelement 2 ein ringförmiges Dichtelement 6 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 6 ist in einer Ringnut 4a im Ventilsitzträger 4 befestigt. An seinem nach innen gerichteten Umfang, mit dem das Dichtelement 6 an dem Ventilsitzelement 2 anliegt, weist das ringförmige Dichtelement 6 eine im Schnitt halbkreisförmige Gestalt 6a auf. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Ventilsitzelement 2 dabei frei am ringförmigen Dichtelement 6 gegenüber dem Ventilsitzträger 4 gelagert. Zwischen dem Ventilsitzelement 2 und dem Ventilsitzträger 4 ist ein kleiner Spalt S vorhanden, um die schwimmende Lagerung am Dichtelement 6 zu ermöglichen. Der Spalt liegt dabei zwischen 10 μm und 20 μm.
Das Betätigungselement 5 umfasst ferner an seinem zum Ventilsitzelement 2 gerichteten Ende einen integrierten, d. h., einstückig mit dem restlichen Bauteil gebildeten Dichtbereich. Der Dichtbereich umfasst einen ersten und zweiten ringförmigen Dichtbereich 5a und 5b, welche konzentrisch zur Mittelachse X-X angeordnet sind. Auf einem Durchmesser zwischen den beiden Dichtbereichen 5a und 5b ist der Lochkreisdurchmesser der Durchgangsöffnungen 3 angeordnet (vgl. 1). Das Betätigungselement 5 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Magnetanker und ist aus einem Stahlmaterial hergestellt. Die beiden Dichtbereiche 5a, 5b weisen eine im Schnitt halbkreisförmige Form auf, so dass sie im Wesentlichen in ebener Weise auf dem Ventilsitzelement 2 aufsitzen. Dadurch kann eine gute Abdichtung erreicht werden. Das Betätigungselement 5 wird zum Öffnen bzw. Schließen in bekannter Weise betätigt, was durch den Doppelpfeil A angedeutet ist, so dass die Durchlassöffnungen 3 freigegeben bzw. verschlossen sind. 1 zeigt dabei den verschlossenen Zustand des Gas-Einblasventils 1.
Durch die schwimmende Lagerung des Ventilsitzelements 2 gegenüber dem Ventilsitzträger 4 über das ringförmige Dichtelement 6 kann somit ein Ausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen der Bauteile erfolgen. Insbesondere kann beispielsweise auch eine leichte Schrägstellung des Betätigungselements 5 durch die freie Lagerung des Ventilsitzelements 2 ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist ein temperaturunabhängiges Öffnen des Ventils möglich, da insbesondere auch bei niederen Temperaturen unter 0°C ein leichtes Abheben des Betätigungselements 5 von dem Ventilsitzelement 4 möglich ist. Die relativ geringe Öffnungskraft des Gas-Einblasventils wird auch durch die geringere wirksame Fläche vorteilhaft beeinflusst. Die integrale Ausbildung des Dichtbereichs direkt am Betätigungselement 5 reduziert dabei weiter die Kontaktfläche, insbesondere in Verbindung mit den im Schnitt halbkreisförmigen Dichtbereichen 5a, 5b. Auch hier ist ein Sitzverschleiß am Ventilsitzelement 2 reduziert, so dass das erfindungsgemäße Gas-Einblasventil 1 eine lange Lebensdauer aufweist.
Nachfolgend wird ein Gas-Einblasventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Wie in 2 gezeigt, ist das Gas-Einblasventil des zweiten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen gleich wie das des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim Gas-Einblasventil des zweiten Ausführungsbeispiels jedoch eine separate Dichtung 10 an den zum Ventilsitzelement 2 gerichteten Ende des Betätigungselements 5 fixiert. Die Dichtung 10 weist einen ersten ringförmigen Dichtbereich 10a und einen zweiten ringförmigen Dichtbereich 10b auf, welche konzentrisch zur Mittelachse X-X angeordnet sind und zwischen sich den Lochkreisdurchmesser der Durchlassöffnungen 3 aufnehmen (vgl. 2). Die Dichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiels aus einem Kunststoff, z. B. PEEK oder POM, oder einem Elastomer hergestellt. Eine Fixierung der Dichtung 10 am Ende des Betätigungselements 5 kann beispielsweise mittels Schweißen oder Kleben erfolgen. Durch die separate Dichtung 10 kann ein Dichtmaterial gewählt werden, welches speziell an das einzublasende gasförmige Medium angepasst ist. Hierdurch kann eine besonders gute Dichtheit erreicht werden, wobei die Herstellungskosten für das Gas-Einblasventil des zweiten Ausführungsbeispiels ebenfalls sehr günstig sind. Durch die freie Lagerung des Ventilsitzelements 2 gegenüber dem Ventilsitzträger 4 mittels des ringförmigen Dichtelements 6 kann wiederum ein Toleranzausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen ermöglicht werden. Die ersten und zweiten Dichtbereiche 10a, 10b der Dichtung 10 weisen, wie in 2 gezeigt, im Schnitt wieder eine halbkreisförmige Form auf. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 ein Gas-Einblasventil 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Das Gas-Einblasventil 1 des dritten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei an dem zum Ventilsitzelement 2 gerichteten Ende des Betätigungselements 5 eine separate Dichtung 11 angeordnet ist. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist die Dichtung 11 des dritten Ausführungsbeispiels jedoch mit einer anderen geometrischen Form ausgebildet. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist ein erster Dichtbereich 11a und ein zweiter Dichtbereich 11b im Schnitt im Wesentlichen trapezförmig aufgebaut, wobei sich eine relativ große Auflagedichtfläche zwischen den Dichtbereichen 11a, 11b und der Oberfläche des Ventilsitzelements 2 ergibt. Die Dichtbereiche 11a, 11b sind ebenfalls wieder konzentrisch zur Mittelachse X-X angeordnet und nehmen zwischen sich einen Lochkreisdurchmesser der Durchlassöffnungen 3 auf. Das Ventilsitzelement 2 ist wieder über das ringförmige Dichtelement 6 schwimmend am Ventilsitzträger 4 gelagert. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele weisen alle einen Spalt S zwischen dem Ventilsitzelement 2 und dem Ventilsitzträger 4 auf. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Ventilsitzelement 2 den Ventilsitzträger 4 leicht berührt, da über das Dichtelement 6 das Ventilsitzelement 2 auch noch ausreichend frei lagern kann.

Claims

Gas-Einblasventil zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines Brenngases für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Ventilsitzelement (2) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (3), einen Ventilsitzträger (4) und ein Betätigungselement (5), welches die Durchlassöffnung (3) im Ventilsitzelement (2) freigibt und verschließt, wobei zwischen dem Ventilsitzelement (2) und dem Ventilsitzträger (4) ein im Wesentlichen ringförmiges Dichtelement (6) angeordnet ist, an welchem das Ventilsitzelement (2) frei gelagert ist.
Gas-Einblasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) an seinem zum Ventilsitzelement (2) gerichteten Ende einen einstückig gebildeten Dichtbereich (5a, 5b) umfasst.
Gas-Einblasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) an seinem zum Ventilsitzelement (2) gerichteten Ende eine am Betätigungselement (5) fixierte separate Dichtung (10; 11) umfasst.
Gas-Einblasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an das Ende des Betätigungselements (5) fixierte separate Dichtung (10; 11) aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK oder POM, oder aus einem Elastomer, hergestellt ist.
Gas-Einblasventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am Betätigungselement (5) fixierte Dichtung (10; 11) zwei konzentrisch zueinander angeordnete ringförmige Dichtbereiche (10a, 10b; 11a, 11b) umfasst.
Gas-Einblasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) ein Magnetanker ist.
Gas-Einblasventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) aus Stahl, insbesondere aus gehärtetem Stahl, hergestellt ist.
Gas-Einblasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (6) zwischen dem Ventilsitzelement (2) und dem Ventilsitzträger (4) ein O-Ring ist.
Gas-Einblasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (6) in einer Nut (4a) im Ventilsitzträger (4) fixiert ist.
Gas-Einblasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (6) an seinem Innenumfang eine im Schnitt bogenförmige, insbesondere halbkreisförmige, Gestalt aufweist.
Gas-Einblasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) oder die am Betätigungselement fixierte, separate Dichtung (10; 11) eine im Schnitt halbkreisförmige oder pyramidenförmige Form aufweist.