DE102010042607A1

DE102010042607A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102010042607A1
Application number: DE102010042607A
Authority: DE
Inventors: Achim Meisiek; Wolfgang Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2011067035A1

Abstract

Es wird ein Ventil, insbesondere für eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen von aus dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs verflüchtigtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsprozess in einem das Kraftfahrzeug antreibenden Verbrennungsmotor, angegeben, das einen eine Dichtfläche (16) aufweisenden, eine Ventilöffnung (14) umschließenden Ventilsitz (15) und ein zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung (14) mit dem Ventilsitz (15) zusammenwirkendes Ventilglied (17) mit einer auf die Dichtfläche (16) aufsetzbaren Dichtung (18) aufweist. Zur Herbeiführung einer Resistenz des Ventils gegen Kraftstoffbenetzung und einer hohen Standzeit ist für Dichtung (18) und Dichtfläche (16) eine Materialpaarung aus reinem Fluorsilikon einerseits und Polytetrafluorethylen oder Polyetheretherketon andererseits vorgenommen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere für eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen von aus dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs verflüchtigtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsprozess in einem das Kraftfahrzeug antreibenden Verbrennungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Ventil in einer Vorrichtung zum dosierten Zuführen von aus einem Kraftstofftank verflüchtigten Kraftstoff zu einem Verbrennungsprozess in einem das Kraftfahrzeug antreibenden Verbrennungsmotor, kurz Tankentlüftungsventil genannt ( DE 10 2006 049 876 A1 ), weist eine zwischen Ventilein- und -auslass angeordnete Ventilöffnung auf, die von einem mit einer Dichtfläche versehenen Ventilsitz umschlossen ist. Ventilsitz und Ventilöffnung sind im Gehäusedeckel eines aus Gehäusetopf und Gehäusedeckel bestehenden Ventilgehäuses angeordnet. Im Gehäusetopf ist ein Elektromagnet mit Magnetkern und Magnetspule zum Betätigen eines mit dem Ventilsitz zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung zusammenwirkenden Ventilglieds aufgenommen. Das Ventilglied ist von einer an der freien Stirnseite des Magnetkerns angeordneten Ankerplatte gebildet, die mittels einer Membran am Magnetkern axial verschieblich gehalten ist und auf ihrer vom Magnetkern abgekehrten Frontseite eine Dichtung zum Aufsetzen auf die Dichtfläche des Ventilsitzes trägt. Die Dichtung wird mittels einer zwischen Magnetkern und Ankerplatte sich abstützenden Ventilschließfeder auf die Dichtfläche am Ventilsitz aufgedrückt und durch Bestromen der Magnetspule von der Dichtfläche abgehoben. Der Ventileinlass ist an einem mit einem Tankentlüftungsstutzen des Kraftstofftanks verbundenen Aktivkohlefilter zum Speichern von aus dem Kraftstofftank verflüchtigtem Kraftstoff, sog. Kraftstoffdampf, und der Ventilauslass an einem Luftansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeschlossen. Bei geöffnetem Ventil wird durch den Unterdruck im Ansaugtrakt Kraftstoffdampf aus dem Aktivkohlefilter abgesaugt und mit der Ansaugluft dem Verbrennungsmotor zugeführt. Durch getaktetes Öffnen und Schließen des Ventils wird die zugeführte Menge an Kraftstoffdampf dosiert.
Die üblicherweise für die Dichtung auf der Ankerplatte verwendeten Kunststoffmaterialien sind empfindlich gegen Benetzung mit Kraftstoff. Eine Kraftstoffbeaufschlagung des Ventils erfolgt im Regelfall zwar nicht, kann aber nicht für alle Fehlerfälle sicher ausgeschlossen werden. Die Folge einer solchen Kraftstoffbenetzung ist ein Aufquellen der Dichtung und damit eine Beeinträchtigung der Ventilfunktion bis hin zum Totalausfall des Ventils.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Materialwahl einerseits der Dichtungsbereich des Ventils resistent gegen Kraftstoffbenetzung ist und damit das Ventil vorteilhaft als Tankentlüftungsventil eingesetzt werden kann und andererseits die bei Ventilbetätigung zwischen Dichtung und Dichtfläche auftretende Reibung minimiert ist, so dass das Ventil trotz der dem Material Fluorsilikon eigenen geringen Abriebsfestigkeit eine hohe Standzeit aufweist. Zudem haben beide Materialien der Materialpaarung aus 100% Fluorsilikon einerseits und Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyetheretherketon (PEEK) andererseits einen breiten Temperaturbeständigkeitsbereich. PEEK hat gegenüber PTFE den Vorteil, dass es ohne Vorbehandlung dicht eingespritzt werden kann, eine höhere Festigkeit besitzt und spritztechnisch in der benötigten Form gefertigt werden kann. Die höhere Festigkeit des PEEK begünstigt die Handhabbarkeit beim Verarbeiten und minimiert dabei auftretende Beschädigungen
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Materialpaarung so vorgenommen, dass die Dichtung vollständig und ausschließlich aus Fluorsilikon und die Dichtfläche aus PTFE oder PEEK besteht, wobei in dem PTFE bzw. PEEK noch Füllstoffe enthalten sein können. Diese Zuordnung der Materialien ist besonders vorteilhaft, da die mit dem Ventilglied verbundene Dichtung sehr viel bewegt wird und beim Aufsetzen auf den und beim Abheben von dem Ventilsitz mehrfach Walkbewegungen ausgesetzt ist. Das Fluorsilikon ist relativ weich und kann diese Walkbewegungen ausführen, ohne langfristig Schaden zu nehmen. Die feststehende Dichtfläche am Ventilsitz aus PTFE oder PEEK besitzt einen sehr geringen Reibungskoeffizienten, so dass ein Abrieb der Dichtung aus dem weichen Fluorsilikon beim Aufsetzen und Abheben von der Dichtfläche äußerst gering, nahezu Null, ist und somit die Dichtung aus Fluorsilikon nicht verschleißt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilsitz als hohlzylindrische Buchse aus PTFE oder PEEK ausgeführt, wobei mit der ringförmigen Stirnfläche der Buchse die Dichtfläche am Ventilsitz realisiert ist. Eine solche Buchse ist fertigungstechnisch vorteilhaft herzustellen und lässt sich mit geringem Fertigungsaufwand in das Ventil integrieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Buchse in einem Gehäuseteil eines Ventilgehäuses festgelegt, wobei vorzugsweise das Gehäuseteil ein Kunststoffspritzteil ist und die Buchse beim Spritzgießen des Gehäuseteils in die Spritzgussform eingelegt wird, so dass sie von dem Kunststoff umspritzt und dadurch festgelegt ist. Vorteilhaft ist die Buchse mit einer außen umlaufenden Nut versehen, in die beim Kunststoffspritzen Kunststoffmaterial eindringt und für einen festen Sitz der Buchse sorgt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Festlegung der Buchse in einem Gehäuseteil auch dadurch erzielt werden, dass die Buchse in einer im Gehäuseteil vorgehaltenen, zylindrischen Aufnahme eingepresst oder eingeklebt ist. Vorteilhaft ist dabei die Buchse im Durchmesser gestuft ausgeführt und mit dem durchmesserkleineren Buchsenabschnitt in die zylinrische Aufnahme eingesetzt. Ebenso kann bei einem am Gehäuseteil angeformten Ventilsitz die Sitzfläche des Ventilsitzes mit PTFE oder PEEK beschichtet werden, was vorzugsweise durch einen Lackauftrag vorgenommen wird. Aus fertigungstechnischer Sicht gilt aber die Präferenz bei der Herstellung der Dichtfläche der mit in das Kunststoff-Gehäuseteil eingespritzten Buchse.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtung als flache Scheibe mit einem erhabenen Ringwulst ausgeführt, wobei der Ringwulst kongruent zur Dichtfläche am Ventilsitz angeordnet ist. Mittels der flachen Scheibe kann die Dichtung vorteilhaft am Ventilglied festgelegt werden. Der Ringwulst gewährleistet eine Auflage der Dichtung auf der Dichtfläche des Ventilsitzes mit zuverlässigem Dichtsitz und verhindert, dass die abriebempfindliche Flachscheibe bei Ventilbetätigung mit anderen Gehäusekomponenten in Berührung kommt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Ventilglied von der Ankerplatte eines Elektromagneten gebildet, auf dem die Dichtung aufgespritzt ist. Der Elektromagnet ist in einem Gehäusetopf eines Ventilgehäuses aufgenommen, und das den Ventilsitz mit Dichtfläche tragende Gehäuseteil ist als ein den Gehäusetopf verschließender Gehäusedeckel ausgebildet. Am Gehäusedeckel ist ein Ventilauslassstutzen und am Gehäusetopf ein Ventileinlassstutzen angeformt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Ventils mit einem aus einem Gehäusetopf und einem Gehäusedeckel zusammengesetzten Ventilgehäuse,
2 eine Draufsicht auf ein Ventilglied des Ventils in 1,
3 bis 5 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt des Gehäusedeckels des Ventils in 1 mit jeweils einem von drei Ausführungsbeispielen eines mit dem Ventilglied in 1 und 2 zusammenwirkenden Ventilsitzes.
Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Ventil wird vorzugsweise als sog. Tankentlüftungsventil in einer Vorrichtung zum dosierten Zuführen von verfluchtigtem Kraftstoff zum Verbrennungsprozess in einem das Kraftfahrzeug antreibenden Verbrennungsmotor eingesetzt. Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 11 mit einem Ventileinlass 12 und einem Ventilauslass 13 auf. Zwischen Ventileinlass 12 und Ventilauslass 13 befindet sich eine Ventilöffnung 14 und ein die Ventilöffnung 14 umschließender Ventilsitz 15 mit Dichtfläche 16. Zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung 14 wirkt mit dem Ventilsitz 15 ein Ventilglied 17 zusammen, das eine auf die Dichtfläche 16 des Ventilsitzes 15 aufsetzbare Dichtung 18 trägt.
Für den vorgenannten Einsatz als Tankentlüftungsventil ist an dem zweiteilig mit Gehäusetopf 19 und Gehäusedeckel 20 ausgeführten Ventilgehäuse 11 der Ventileinlass 12 von einem an den Gehäusetopf 19 angeformten Einlassstutzen 21 und der Ventilauslass 13 von einem an den Ventildeckel 20 angeformten Auslassstutzen 22 umschlossen. Der Auslassstutzen 22 ist üblicherweise noch mit einem Strömungselement, z. B. einer Lavaldüse, ausgestattet. Wie hier nicht weiter dargestellt ist, ist der Einlassstutzen 21 an einem Tankentlüftungsstutzen des Kraftstofftanks und der Auslassstutzen 22 an einem Ansaugtrakt, z. B. Ansaugrohr, des Verbrennungsmotors angeschlossen. Die Ventilöffnung 14 mit Ventilsitz 15 ist an einem der beiden Gehäuseteile des Ventilgehäuses 11, hier am Gehäusedeckel 20, angeordnet.
Zur Betätigung des Ventilglieds 17 ist eine Ventilschließfeder 23 und ein Elektromagnet 24 mit Magnetkern 25, Magnetspule 26 und Ankerplatte 27 vorgesehen, wobei die Ankerplatte 27 das Ventilglied 17 bildet. Die Ankerplatte 27 ist vor der Stirnseite des Magnetkerns 25 angeordnet und mittels einer Membran 28 an dem Magnetkern 25 axial verschieblich gehalten. Die Ventilschließfeder 23 ist in einem in den Magnetkern 25 zentral eingebrachten Sackloch 29 aufgenommen und stützt sich einerseits am Sackgrund und andererseits an der Ankerplatte 27 ab. Der Elektromagnet 24 ist in den Gehäusetopf 19 eingesetzt, wobei am Grund des Gehäusetopfs 19 ein Hohlraum verbleibt, der mit einem Aktivkohlefilter 30 zur Speicherung von aus dem Kraftstofftank entweichenden Kraftstoffdämpfen ausgefüllt ist.
Zur Erzielung einer Kraftstoffresistenz und einer hohen Standzeit des Dichtungsbereichs ist für Dichtung 18 und Dichtfläche 16, die sich beim Schließen des Ventils aufeinander pressen, eine Materialpaarung gewählt, die einerseits aus reinem Fluorsilikon (FVMQ) und andererseits aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht. In den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Dichtung 18 am Ventilglied 17 bzw. auf der Ankerplatte 27, die das bewegliche Dichtungselement darstellt, vollständig und ausschließlich, also zu 100%, aus Fluorsilikon (FVMQ) und die Dichtfläche 16 am Ventilsitz 15, die das feststehende Dichtungselement darstellt, aus PTFE, wobei dem PTFE noch Füllstoffe beigemengt sein können. FVMQ ist im internationalen Klassifizierungssystem UNSPSC der Code 13101709 zugeordnet. PTFE ist unter dem Handelsnamen Teflon^® der Fa. Du-Pont bekannt. Es ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff.
In allen Ausführungsbeispielen ist die Dichtung 18, wie dies besonders deutlich in der Draufsicht der 2 zu sehen ist, als flache Scheibe 181 mit einem davon abstehenden, erhabenen Ringwulst 182 ausgebildet. Der Ringwulst 182 ist kongruent zur kreisringförmigen Dichtfläche 16 am Ventilsitz 15 angeordnet und liegt im Schließzustand des Ventils mit einer nur schmalen Auflagefläche auf der Dichtfläche 16 auf.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 und 3 ist der Ventilsitz 15 einstückig an den Gehäusedeckel 20 angeformt und ist zur Bildung der Dichtfläche 16 die Sitzfläche des Ventilsitzes mit PTFE beschichtet, was vorzugsweise durch Auftragen eines PTFE-Lacks vorgenommen wird, mit dem ebenfalls eine geringe Reibung zwischen den Dichtungselementen Dichtung 18 und Dichtfläche 16 erzielt wird.
In den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 ist der Ventilsitz 15 mit Dichtfläche 16 als hohlzylindrische Buchse 31 aus PTFE ausgeführt, die im Gehäuseteil, also im Gehäusedeckel 20, festgelegt ist und deren ringförmige Stirnfläche die Dichtfläche 16 bildet. In allen Ausführungsbeispielen ist der Gehäusedeckel 20 als Spritzgussteil aus Kunststoff hergestellt. Bei der Herstellung des Gehäusedeckels 20 wird bevorzugt die Buchse 31 mit in die Spritzgussform eingelegt, so dass sie nach dem Spritzprozess vom Kunststoff umschlossen ist, wie dies in 4 dargestellt ist. Bevorzugt besitzt die Buchse 31 eine außen umlaufende Nut 311, eine sog. Ringnut, in die beim Kunststoffspritzen das Kunststoffmaterial eindringt und für einen festen Sitz der Buchse 31 sorgt.
In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist die Buchse 31 aus PTFE im Durchmesser gestuft ausgebildet und mit dem durchmesserkleineren Buchsenabschnitt 312 in eine im Gehäusedeckel 20 vorgehaltene, zylindrische Aufnahme 32 eingepresst oder eingeklebt.
In einer alternativen Ausführung des Ventils ist das Material PTFE für Buchse 31 und Dichtfläche 16 durch Polyetheretherketon (PEEK) ersetzt, das für den hier beschriebenen Anwendungsfall gegenüber dem PTFE noch einige weitere, eingangs benannte Vorteile aufweist. PEEK ist der bekannteste und bedeutendste Vertreter der Gruppe der Polyaryletherketone (PAEK). Polyaryletherketone sind hochtemperaturbeständige, thermoplastische Kunststoffe. PEEK ist gegen fast alle organischen und anorganischen Stoffe beständig. Es hat eine Dichte von ca.1300 kg/m³ und einen E-Modul von ca. 3700 N/mm². Sein Schmelzpunkt liegt bei ungefähr 350°C. Weitere Mitglieder dieser Gruppe, wie PEK, PEEKEK, PEEEK und PEEEK unterscheiden sich durch andere Schmelzpunkte. Ein hier geignetes thermoplastisches Compoundmaterial aus PEEK-Polymer ist unter dem Handelsnamen VICTREX^®WG 101^TM der Victrex plc. bekannt. Es hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine geringe Verschleißrate bei hoher Druckfestigkeit auch bei hohen Temperaturen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049876 A1 [0002]

Claims

Ventil, insbesondere für eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen von aus dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs verflüchtigtem Kraftstoff zu einem Verbrennungsprozess in einem das Kraftfahrzeug antreibenden Verbrennungsmotor, mit einem eine Dichtfläche (16) aufweisenden Ventilsitz (15), der eine Ventilöffnung (14) umschließt, und mit einem zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung (14) mit dem Ventilsitz (15) zusammenwirkenden Ventilglied (17), das eine auf die Dichtfläche (16) aufsetzbare Dichtung (18) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass für Dichtung (18) und Dichtfläche (16) eine Materialpaarung aus reinem Fluorsilikon einerseits und Polytetrafluorethylen oder Polyetheretherketon andererseits vorgenommen ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (18) vollständig aus Fluorsilikon und die Dichtfläche (16) aus Polytetrafluorethylen oder Polyetheretherketon besteht.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (15) als hohlzylindrische Buchse (31) aus Polytetrafluorethylen oder Polyetheretherketon ausgeführt ist, deren ringförmige Stirnfläche die Dichtfläche (16) bildet.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) in einem Gehäuseteil eines Ventilgehäuses (11) festgelegt ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil ein Spritzgussteil aus Kunststoff ist und die Buchse (31) von dem Kunststoffmaterial umspritzt ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise im Durchmesser gestuft ausgebildete Buchse (31) in eine im Gehäuseteil vorgehaltene, zylindrische Aufnahme (32) eingepresst oder eingeklebt ist.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (15) am Gehäuseteil angeformt und die Dichtfläche (16) durch Beschichtung des Ventilsitzes (15) mit Polytetrafluorethylen oder Polyetheretherketon hergestellt ist.
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Lackauftrag vorgenommen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (18) als eine am Ventilglied (17) festgelegte, flache Scheibe (181) mit einem erhabenen Ringwulst (182) ausgebildet ist, der kongruent zum Ventilsitz (15) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil ein einen Gehäusetopf (19) abschließender Gehäusedeckel (20) ist, an dem ein mit der Ventilöffnung (14) kommunizierender Auslassstutzen (22) angeformt ist.
Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (17) eine die Dichtung (18) tragende Ankerplatte (27) eines im Gehäusetopf (19) aufgenommenen Elektromagneten (24) ist und am Gehäusetopf (19) ein mit der Ventilöffnung (14) in Verbindung stehender Einlassstutzen (21) angeformt ist und vorzugsweise dass im Gehäusetopf (19) zwischen Einlassstutzen und Ventilöffnung (14) ein Speichermittel zum Zwischenspeichern von verflüchtigtem Kraftstoff angeordnet ist.