DE102008001844A1

DE102008001844A1 - Ventil, insbesondere Gaseinblasventil mit teilporösem Ventilsitz

Info

Publication number: DE102008001844A1
Application number: DE102008001844A
Authority: DE
Inventors: Manfred Hauser; Cedric Olivier; Frank Miller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere eines Gases, umfassend einen Anker (2) mit einem Dichtelement (3) und einen Ventilsitz (4), an welchem der Anker (2) wenigstens einen Durchlass (5) freigibt und verschließt, wobei der Ventilsitz (4) zumindest teilweise einen porösen Sitzbereich (6) umfasst, der im geschlossenen Zustand des Ventils mit dem Dichtelement (3) in Kontakt ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern bzw. Dosieren eines Fluids, insbesondere eines Gases, mit einem teilporösen Ventilsitz.
Ventile werden beispielsweise als Gaseinblasventile für Brennkraftmaschinen oder Brennstoffzellen verwendet, welche mit einem gasförmigen Kraftstoff, wie z. B. Erdgas, betrieben werden. Bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen ergibt sich ein Problem daraus, 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 derartige Ventile mit einem Elastomer-Dichtelement Probleme bei tiefen Temperaturen unterhalb von 5°C auf. Dies führt insbesondere im Winter bei einem Kaltstart zu entsprechenden Problemen aufgrund des Anhaftens des Elastomer-Dichtelement an einem Ventilsitz. Von daher müssen hohe Stromstärken zum Öffnen des Ventils bereitgestellt werden. Ferner kann bei Gaseinblasventilen ein sogenanntes hydraulisches Kleben aufgrund der Anwesenheit von Öl an den Kontaktflächen des Ventils hohe Öffnungskräfte erforderlich machen.
In der DE 10 2005 049 984 A1 wurde daher vorgeschlagen, eine Beschichtung am Dichtelement und/oder am Ventilsitz vorzusehen. Derartige Beschichtungen erfordern jedoch zusätzliche Arbeitsgänge und führen somit zu einer unerwünschten Verteuerung der Gasventile.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere eines Gases, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine signifikante Reduzierung der Öffnungskraft zum Öffnen des Ventils möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil einen Anker mit einem Dichtelement und einen Ventilsitz umfasst. Der Anker gibt dabei wenigstens einen Durchlass am Ventilsitz frei und verschließt diesen. Am Ventilsitz ist erfindungsgemäß ein zumindest teilweise poröser Sitzbereich ausgebildet, welcher zumindest teilweise als Auflagefläche für das Dichtelement dient. Hierdurch kann insbesondere eine verbesserte Kaltstartfähigkeit durch eine Reduktion der Kontaktfläche zwischen dem Dichtelement und dem Dichtsitz am porösen Sitzbereich erreicht werden. Aufgrund der pneumatisch reduzierten wirksamen Fläche ist eine geringere Öffnungskraft zum Öffnen des Ventils erforderlich. Insbesondere auch bei Vorhandensein von Öl kann eine Reduzierung der Öffnungskraft ermöglicht werden, da das Öl in die Poren des porösen Sitzbereichs hineinlaufen kann. Hierdurch wird insbesondere ein geschlossener Ölfilm am Dichtsitz verhindert, so dass eine signifikante Reduktion eines hydraulischen Klebens des Dichtelements am Ventilsitz erreicht wird. Ferner kann das erfindungsgemäße Ventil einfach und kostengünstig bereitgestellt werden, so dass es insbesondere auch für eine Massenproduktion geeignet ist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst der Ventilsitz eine um den Durchlass herum umlaufende Dichtkante aus einem festen Material. Der poröse Sitzbereich ist um die umlaufende Dichtkante herum angeordnet. Im geschlossenen Zustand des Ventils bildet der poröse Sitzbereich dabei einen Auflagebereich für das Dichtelement. Eine Abdichtung zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz erfolgt an der umlaufenden Dichtkante. Da der größte Teil des Dichtelements im geschlossenen Zustand des Ventils auf dem porösen Sitzbereich aufliegt, ergibt sich zwischen dem Dichtbereich und dem Ventilsitz nur eine geringe Kontaktfläche. Dadurch kann die notwendige Öffnungskraft reduziert werden.
Weiter bevorzugt ist der poröse Sitzbereich ein Einsatz, welcher am Ventilsitz befestigt ist. Dadurch kann auf kostengünstige und einfache Weise der poröse Sitzbereich für den Ventilsitz bereitgestellt werden. Der poröse Sitzbereich wird beispielsweise mittels einer Presspassung oder Kleben o. Ä. befestigt. Um eine sichere und einfache Befestigung des porösen Sitzbereichs zu ermöglichen, wird der poröse Sitzbereich vorzugsweise in einer Ausnehmung im Ventilsitz angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung steht ein Teil der Oberfläche des porösen Sitzbereichs mit einem Gaszuführraum in Verbindung. Dabei kann Gas zumindest teilweise in den porösen Sitzbereich bis unter den Auflagebereich für das Dichtelement eindringen. Hierdurch ergibt sich eine Unterwanderung des Dichtelements des Ankers mit dem unter Druck stehenden Gas durch zumindest Teile des porösen Sitzbereichs, so dass eine Unterstützung des Öffnungsvorgangs erreicht wird.
Die umlaufende Dichtkante ist vorzugsweise im Schnitt mit einer halbkreisförmigen Kontaktfläche versehen oder im Schnitt mit einer spitzkantigen Kontaktfläche versehen. Hiermit kann eine gute Dichtheit durch die schmale, umlaufende und nicht poröse Dichtkante aus einem festen Material erhalten werden. Vorzugsweise ist die Dichtkante einstückig mit dem restlichen Ventilsitz hergestellt.
Vorzugsweise weist der poröse Sitzbereich eine Porengröße auf, welche in der Lage ist, Flüssigkeiten, inbesondere Öl, aufzunehmen, um zu verhindern, dass ein geschlossener Ölfilm an der Oberfläche des Auflagebereichs des Dichtelements am Ventilsitz vorhanden ist. Die Porengröße des porösen Sitzbereichs wird insbesondere anhand der Eigenschaften des Öls anwendungsspezifisch definiert.
Weiter bevorzugt ist der poröse Sitzbereich aus Sintermetall oder Keramik hergestellt.
Zeichnung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im geschlossenen Zustand und
2 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung während des Öffnungsvorgangs.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein Ventil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Das in 1 gezeigte Ventil ist ein Gaseinblasventil, welches beispielsweise zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs für Kraftfahrzeuge verwendet wird.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Ventil 1 einen Anker 2, welcher durch Bestromen einer Spule (nicht gezeigt) in Axialrichtung X-X des Ventils bewegt werden kann. Weiter umfasst das Ventil 1 ein Dichtelement 3, welches in bekannter Weise am Anker 2 angeordnet ist. Das Dichtelement 3 ist ringförmig ausgebildet. Das Ventil 1 umfasst ferner einen Ventilsitz 4, in welchem mehrere Durchlässe 5 vorgesehen sind. Die Durchlässe 5 sind vorzugsweise bogenförmig oder nierenförmig ausgebildet. Am Ventilsitz 4 ist, wie in 1 gezeigt, um jeden Durchlass 5 eine umlaufende Dichtkante 7 angeordnet. Die umlaufende Dichtkante 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel im Schnitt eine halbkreisförmige Form auf. Unmittelbar benachbart zur Dichtkante 7 ist ein poröser Sitzbereich 6 angeordnet. Wie in 1 gezeigt, ist der poröse Sitzbereich 6 ein Einsatz, welcher in eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung 11 im Ventilsitz 4 eingesetzt ist und mittels Kleben befestigt ist. Der poröse Sitzbereich 6 ist dabei entlang der gesamten umlaufenden Dichtkante 7 gebildet. Wie in 1 gezeigt, weist der poröse Sitzbereich 6 dabei eine sich verjüngende Form auf. Durch die Anpresskraft des Ankers 2 auf dem Ventilsitz 4 hat sich das Dichtelement 3, wie in 1 gezeigt, leicht elastisch verformt.
Der poröse Sitzbereich 6 unterteilt sich dabei in zwei Bereiche, nämlich einen Auflagebereich 6a und einen freien Bereich 6b. Der Auflagebereich 6a ist im geschlossenen Zustand des Ventils mit dem Dichtelement 3 in Kontakt, um eine Auflage für das Dichtelement 3 zu bilden, und der freie Bereich 6b ist mit einem ersten Gaszuführraum 8 bzw. einem zweiten Gaszuführraum 9 in Kontakt. Der erste Gaszuführraum 8 ist dabei mittig am Ventil vorgesehen und der zweite Gastzuführraum 9 ist ringförmig an der Außenseite des Ankers 2 vorgesehen. Gas wird dabei durch eine mittige Bohrung 2a im Anker 2 sowie mehrere radiale Stichbohrungen 2b zugeführt. Durch das Vorsehen des freien Bereichs 6b am porösen Sitzbereich 6 ist es somit möglich, dass das zu steuernde und unter Druck stehende Gas teilweise in den porösen Sitzbereich 6 eindringt und unter den Auflagebereich 6a kommt. Dies ist in 1 durch die Pfeile A angedeutet. Somit kann Gas durch den porösen Sitzbereich 6 unter das im geschlossenen Zustand auf dem porösen Sitzbereich 6 teilweise aufliegende Dichtelement 3 gelangen und einen nachfolgenden Öffnungsvorgang unterstützen. Ferner sorgt der poröse Sitzbereich 6 dafür, dass beim Vorhandensein von Öl dieses in die Poren hineinlaufen kann und sich kein geschlossener Ölfilm auf dem Sitzbereich ausbilden kann. Dadurch wird eine signifikante Reduktion eines hydraulischen Klebens des Dichtelements 3 am Ventilsitz erhalten.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 ein Ventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei wie aus 2 ersichtlich ist, eine Form des porösen Sitzbereichs 6 des zweiten Ausführungsbeispiels unterschiedlich ausgestaltet ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist ein Auflagebereich 6a des porösen Sitzbereichs 6 für das Dichtelement 3 beim zweiten Ausführungsbeispiel waagerecht gebildet. 2 zeigt dabei gerade einen Zustand, in welchem der Anker 2 im Vorgang des Abhebens in Richtung des Pfeils B vom Ventilsitz 4 ist. Das Dichtelement 3 hat sich dabei schon vom Auflagebereich 6a entfernt und liegt gerade noch an der umlaufenden Dichtkante 7 auf. Bei einer weiteren Bewegung des Ankers 2 in Richtung des Pfeils B hebt das Dichtelement 3 vollständig von den umlaufenden Dichtkanten 7 ab, so dass Gas aus dem ersten und zweiten Gaszuführraum 8 und 9 durch die Durchlässe 5 strömen kann. Weiter ist der poröse Sitzbereich 6 des zweiten Ausführungsbeispiels nicht in einer Ausnehmung im Ventilsitz 4 angeordnet, sondern auf einer zum Anker 2 gerichteten Endfläche des Ventilsitzes 4 angeordnet. Dadurch kann der poröse Sitzbereich 6 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005049984 A1 [0003]

Claims

Ventil zum Steuern bzw. Dosieren eines Fluids, insbesondere eine Gases, umfassend einen Anker (2) mit einem Dichtelement (3) und einen Ventilsitz (4), an welchem der Anker (2) wenigstens einen Durchlass (5) freigibt und verschließt, wobei der Ventilsitz (4) zumindest teilweise einen porösen Sitzbereich (6) umfasst, der im geschlossenen Zustand des Ventils mit dem Dichtelement (3) in Kontakt ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) eine um den Durchlass (5) umlaufende Dichtkante (7) aus einem festen Material umfasst, und der poröse Sitzbereich (6) um die umlaufende Dichtkante (7) herum angeordnet ist, wobei der poröse Sitzbereich (6) im geschlossenen Zustand des Ventils einen Auflagebereich (6a) für das Dichtelement (3) bildet.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sitzbereich (6) ein Einsatz ist, welcher am Ventilsitz (4) befestigt ist.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sitzbereich (6) in einer Ausnehmung (11) im Ventilsitz (4) angeordnet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Oberfläche des porösen Sitzbereichs (6) mit einem Gaszuführraum (8, 9) in Verbindung steht, um zu ermöglichen, dass Gas zumindest teilweise in den porösen Sitzbereich (6) bis unter den Auflagebereich (6a) für das Dichtelement (3) eindringt.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Dichtkante (7) im Schnitt eine halbkreisförmige Kontaktfläche oder eine spitzkantige Kontaktfläche für einen Kontakt mit dem Dichtelement (3) aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sitzbereich (6) eine Porengröße derart aufweist, um Öl aufnehmen zu können.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sitzbereich aus Sintermetall oder Keramik hergestellt ist.