DE102008000505A1

DE102008000505A1 - Gasventil mit verbesserter Kaltstartfähigkeit

Info

Publication number: DE102008000505A1
Application number: DE102008000505A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Albrodt; Bruno Seidner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, umfassend einen Ventilsitz (4) und ein Ventilschließglied (2) mit einem elastischen Dichtelement (3), wobei der Ventilsitz (4) einen Dichtbereich (5) und einen Ablagebereich (6) umfasst, wobei im geschlossenen Zustand des Gasventils das elastische Dichtelement (3) am Dichtbereich (5) abdichtet und ein Teil des Dichtelements (3) auf dem Ablagebereich (6) zur Abstützung des Dichtelements (3) abgelegt ist und wobei der Ablagebereich (6) eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen (7) und einer Vielzahl durch die Vertiefungen (7) begrenzter Flächenbereiche (8) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums für ein Kraftfahrzeug mit einer verbesserten Kaltstartfähigkeit.
In jüngster Zeit werden verstärkt auch gasförmige Medien, wie z. B. Erdgas, als Kraftstoff für Fahrzeuge bzw. in stationären Anlagen für die Stromerzeugung o. ä., eingesetzt. Die als gasförmige Medien verwendeten Brennstoffe weisen jedoch das grundsätzliche Problem auf, dass aufgrund der trockenen Gase Führungs- und Anschlagflächen von Ventilen nicht wie bei flüssigen Kraftstoffen selbst geschmiert werden. Dies kann einerseits zu Problemen durch erhöhten Verschleiß führen und andererseits weisen Ventile mit einem Elastomer-Dichtelement Probleme bei tieferen Temperaturen unterhalb von 0°C auf. Dies führt insbesondere im Winter bei einem Kaltstart zu entsprechenden Problemen aufgrund des Anhaftens des Elastomer-Dichtelements an einem Dichtsitz.
In der DE 102005049984 A1 wurde daher vorgeschlagen, eine Beschichtung am Dichtelement und/oder am Ventilsitz vorzusehen. Derartige Beschichtungen führen jedoch zu zusätzlichen Arbeitsgängen und somit zu einer unerwünschten Verteuerung der Gasventile.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gasventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass dieses bei einer relativ einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit eine hervorragende Kaltstartfähigkeit hat. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Ventilsitz des Gasventils einen Dichtbereich und einen Ablagebereich zur Ablage eines elastischen Dichtelements aufweist. Eine Abdichtung zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement erfolgt dabei am Dichtbereich und der Ablagebereich des Ventilsitzes dient nicht unmittelbar zur Abdichtung, sondern hauptsächlich zur Ablage des restlichen Dichtelements. Hierbei ist erfindungsgemäß am Ablagebereich eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen und einer Vielzahl von durch die Vertiefungen begrenzten Flächenbereichen ausgebildet. Die definierte Feinstrukturierung ermöglicht es somit, dass am Ablagebereich Ablösegebiete durch die Vertiefungen geschaffen werden, wodurch auch bei tiefen Temperaturen ein einfaches Lösen des elastischen Dichtelements vom Ventilsitz ermöglicht wird. Insbesondere wenn aufgrund des trockenen gasförmigen Mediums zusätzliche Schmiermittel, wie z. B. Öl o. ä., verwendet werden, welche sich auch am Ventilsitz ablagern können, ermöglicht die definierte Feinstrukturierung im Bereich der Vielzahl von Vertiefungen einen in Öffnungsrichtung etwas dickeren Ölfilm zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement, wodurch insgesamt das hydraulische Kleben des Dichtelements am Ventilsitz signifikant reduziert werden kann. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Gasventil insbesondere auch bei einer Benetzung durch Öl am Ventilsitz ein sicheres Abheben, auch bei tieferen Temperaturen, obwohl das Öl aufgrund der tiefen Temperaturen eine sehr hohe Viskosität aufweist. Erfindungsgemäß wird unter einer definierten Feinstrukturierung dabei eine Strukturierung mit Vertiefungen in geometrisch definierten Mustern verstanden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise sind die Flächenbereiche als Rechtecke oder als Quadrate oder als Trapeze ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit sichergestellt werden.
Um insbesondere ein gleichmäßiges Abheben des Dichtelements vom Ventilsitz zu erreichen, sind vorzugsweise alle Flächenbereiche derart ausgebildet, dass sie die gleiche geometrische Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen als Rillen ausgebildet. Durch die Rillen kann auf einfache Weise das definierte Muster am Ablagebereich sichergestellt werden. Die Rillen können beispielsweise mittels Laser oder mittels eines Prägeverfahrens hergestellt werden. Vorzugsweise weisen die Rillen eine sich verjüngende Querschnittsform, insbesondere eine U-förmige oder V-förmige Form, auf.
Besonders bevorzugt umfassen die Vertiefungen ferner wenigstens zwei konzentrische Kreisrillen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auch der Dichtbereich des Ventilsitzes als kreisförmiger Dichtbereich ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Vertiefungen ferner auch radiale Rillen, welche in Radialrichtung zu den konzentrischen Kreisrillen angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein spinnennetzartiger Aufbau der Vertiefungen am Ablagebereich des Ventilsitzes.
Der Ablagebereich ist vorzugsweise als ein sich verjüngender Bereich, insbesondere als konischer Bereich, ausgebildet. Hierdurch kann eine klar definierte Abgrenzung zwischen dem Dichtbereich und dem Ablagebereich des Ventilsitzes erhalten werden.
Besonders bevorzugt sind die Flächenbereiche am Ablagebereich derart ausgebildet, dass sie eine Fläche von ca. 2000 μm² bis 4000 μm², und besonders bevorzugt 3000 μm², aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen eine Breite von 15 μm bis 25 μm, vorzugsweise von 20 μm auf. Ferner ist die Breite der Vertiefungen am gesamten Ablagebereich konstant.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen eine Tiefe von 10 μm bis 20 μm, vorzugsweise 15 μm auf. Bevorzugt ist die Tiefe der Vertiefungen am gesamten Ablagebereich konstant.
Das erfindungsgemäße Gasventil wird vorzugsweise in Gasmotoren von Kraftfahrzeugen und stationären Gasmotoren verwendet. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Gasventil ferner auch bevorzugt bei Brennstoffzellen verwendet.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasventils im Dichtsitzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 eine schematische, perspektivische Teilansicht eines Ventilsitzes des in 1 gezeigten Gasventils.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Gasventil 1 ein Ventilschließglied 2 mit einem daran gebildeten ringförmigen Dichtelement 3 und einen Ventilsitz 4. Im Ventilsitz 4 sind mehrere Durchlassöffnungen 9 gebildet. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Durchlassöffnungen 9 vorzugsweise nierenförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind hierbei vier symmetrisch angeordnete Durchlassöffnungen 9 vorgesehen.
1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasventils. Das Dichtelement 3 dichtet dabei an einem konzentrisch zu einer Mittelachse X-X des Gasventils angeordneten ersten Dichtbereich 5 und einem zweiten äußeren konzentrischen Dichtbereich 5' ab. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist am ersten Dichtbereich 5 unmittelbar benachbart ein Ablagebereich 6 vorgesehen. Der Ablagebereich 6 weist eine definierte Feinstruktur 11 auf, welche durch eine Vielzahl von Rillen 7 und durch die Rillen 7 gebildete Flächenbereiche 8 bereitgestellt wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Flächenbereiche trapezförmig ausgebildet und werden durch mehrere konzentrische Kreisrillen 70 und eine Vielzahl von Radialrillen 71 begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier konzentrische Kreisrillen 70 vorgesehen. In 2 sind insbesondere die Flächenbereiche 8 sowie die Radialrillen 71 nicht alle mit Bezugszeichen versehen, um eine bessere Übersichtlichkeit der Figur zu erhalten. Eine Tiefe der Rillen ist am gesamten Ablagebereich 6 gleich und beträgt ca. 15 μm. Ebenso ist eine Breite der Rillen am gesamten Ablagebereich 6 gleich und beträgt ca. 20 μm. Wie aus 1 ersichtlich ist, dient der Ablagebereich 6 dabei dazu, dass ein Teil des Dichtelements 3 auf dem Ablagebereich 6 im geschlossenen Zustand abgelegt ist, ohne dass hierbei eine sichere Abdichtung erfolgt. Eine Abdichtung zwischen dem Dichtelement 3 und dem Ventilsitz 5 erfolgt am ringförmigen Dichtbereich 5 bzw. 5'.
Die Radialrillen 7 verlaufen dabei in radialer Richtung zu den konzentrischen Kreisrillen 70, ausgehend von der Mittelachse X-X, wobei sie jedoch nur im Ablagebereich 6 ausgebildet sind. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist insbesondere der Dichtbereich 5 ohne die definierte Feinstrukturierung, um eine sichere Abdichtung sicherzustellen. Auch ist ein kleinerer oberer Bereich 6a im Übergang zum Dichtbereich 5 am Ablagebereich 6 ohne Feinstrukturierung, um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten.
Die Rillen 7 der definierten Feinstruktur 11 werden vorzugsweise mittels Lasergravur erzeugt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ergibt sich somit eine spinnennetzartige definierte Feinstrukturierung am Ablagebereich 6 des Ventilsitzes 4. Am Ablagebereich 6 wird im geschlossenen Zustand somit nur eine Abstützung eines Teils des elastischen Dichtelements 3 bereitgestellt, jedoch keine vollständige Abdichtung. Dabei kann sich dieser Teilbereich des elastischen Dichtelements 3 am Ablagebereich 6 weiterhin auf einer relativ großen Fläche abstützen, ohne dass eine partielle Belastung des Dichtelements 3 in diesem Bereich erhöht wird. Sollte Öl oder ein anderes Schmiermittel im Bereich des Gasventils vorhanden sein und den Ablagebereich 6 benetzen, kann sich dieses Öl dann in den Rillen 7 sammeln. Wenn nun bei einem Kaltstart ein Abheben des Ventilschließglieds 2 vom Ventilsitz 4 notwendig ist, stellen die Rillen 7 im Ablagebereich sicher, dass keine durchgehende dünne Ölschicht am Ablagebereich 6 ausgebildet wird, welche ein Anhaften bewirken würde und ein schnelles Ablösen des aufgrund der tieferen Temperaturen harten elastischen Dichtelements verhindern würden. Das vorhandene Öl wird in den Rillen 7 kanalisiert und es kann somit ein leichteres Abheben des harten Dichtelements 3 aufgrund des Fehlens eines durchgängigen dünnen Ölfilms zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz 4 ermöglicht werden, da im Bereich der Rillen 7 der Ölfilm dicker ist. Hierdurch wird die Anhaftung des Dichtelements 3 im Bereich der Rillen 7 reduziert. Die definierte Feinstruktur 11 am Ablagebereich 6 stellt dabei sicher, dass ein gleichmäßiges Abheben ermöglicht wird, da keine Bereiche mit undefinierten Strukturen, welche zu großen Flächenbereichen am Ablagebereich 6 führen können, vorhanden sind. Die gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen am Ablagebereich 6 stellt somit ein gleichmäßiges Abheben des Dichtelements 3 vom Ventilsitz 4 sicher.
Das erfindungsgemäße Gasventil wird besonders bevorzugt als Gas-Einblasventil bei Brennkraftmaschinen verwendet. Durch die Erfindung kann insbesondere die problematische Kaltstartfähigkeit derartiger Gasventile signifikant verbessert werden, so dass eine problemlose Nutzung eines Gasantriebes im Alltag möglich ist. Erfindungsgemäß kann dabei insbesondere auf teure Gegenmaßnahmen gegen ein Kleben des Dichtelements 3 am Ventilsitz 4 verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005049984 A1 [0003]

Claims

Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, umfassend – einen Ventilsitz (4) und ein Ventilschließglied (2) mit einem elastischen Dichtelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass – der Ventilsitz (4) einen Dichtbereich (5) und einen Ablagebereich (6) umfasst, – wobei im geschlossenen Zustand des Gasventils das elastische Dichtelement (3) am Dichtbereich (5) abdichtet und ein Teil des Dichtelements (3) auf dem Ablagebereich (6) zur Abstützung des Dichtelements (3) abgelegt ist, und – wobei der Ablagebereich (6) eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen (7) und einer Vielzahl durch die Vertiefungen (7) begrenzter Flächenbereiche (8) umfasst.
Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbereiche (8) als Rechtecke oder als Quadrate oder als Trapeze ausgebildet sind.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Flächenbereiche (8) die gleiche geometrische Form aufweisen.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (7) als Rillen ausgebildet sind.
Gasventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen wenigstens zwei konzentrische Kreisrillen (70) umfassen.
Gasventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (7) ferner eine Vielzahl von zu den konzentrischen Kreisrillen (70) radialen Rillen (71) umfassen.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablagebereich (6) ein sich verjüngender Bereich, insbesondere ein konischer Bereich, ist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flächenbereiche (8) eine Fläche von 2000 μm² bis 4000 μm², bevorzugt 3000 μm² aufweist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (7) eine Breite von 15 μm bis 25 μm, vorzugsweise 20 μm, aufweisen.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (7) eine Tiefe von 10 μm bis 20 μm, vorzugsweise 15 μm, aufweisen.