DE102013202623A1

DE102013202623A1 - Ventil mit verbesserter Kaltstartfähigkeit

Info

Publication number: DE102013202623A1
Application number: DE102013202623.4A
Authority: DE
Inventors: Elmar Okrent; Frank Miller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-21
Also published as: US20140231694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Mediums, insbesondere eines gasförmigen Mediums, umfassend einen Ventilträger (2) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (6), ein Schließelement (3), welches eingerichtet ist, die wenigstens eine Durchlassöffnung (6) freizugeben und zu verschließen und einen Ventilsitz, wobei der Ventilsitz wenigstens ein in axialer Richtung (X-X) des Ventils vorstehenden Bereich (4, 5) umfasst, wobei der vorstehende Bereich (4, 5) mit einem elastomeren Dichtelement (7) überzogen ist und wobei das elastomere Dichtelement (7) ausschließlich am vorstehenden Bereich (4, 5) des Ventilsitzes angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Mediums, insbesondere eines gasförmigen Mediums, mit einer verbesserten Kaltstartfähigkeit.
Ventile zum Steuern von Medien sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Kraftfahrzeugbereich werden dabei verstärkt neben flüssigem Kraftstoff auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Biogas, verwendet. Insbesondere die bisher für flüssige Kraftstoffe verwendeten Ventile entsprechen häufig jedoch nicht den Anforderungen von Gasventilen für gasförmige Kraftstoffe. Aus der DE 10 2010 043 641 A1 ist z.B. ein Ventil für gasförmigen Wasserstoff bekannt, bei dem in einem Ventilsitzträger drei ringförmige Durchlässe angeordnet sind, welche zwischen sich jeweils einen Steg aufweisen. Eine Höhe der Stege in der Axialrichtung des Ventils ist dabei kleiner als ein Abstand zwischen einer Einlassmündung und einer Auslassmündung am Ventilsitzträger. Hierbei ist jedoch insbesondere die Herstellung dieses Ventilsitzträgers sehr aufwändig und demnach kostenintensiv. Hersteller von Gasventilen müssen darüber hinaus neben den Anforderungen von unterschiedlichen gasförmigen Medien die Gasventile insbesondere auch für jeweils unterschiedliche Motoren unterschiedlicher Motorenhersteller auslegen. Hierbei müssen neben viel Entwicklungsaufwand für die unterschiedlichen Varianten bei der Fertigung auch verschiedenste Fertigungslinien eingerichtet werden, was die Herstellung derartiger Ventile verteuert.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere Gasventil, zum Steuern eines Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es besonders kostengünstig bereitstellbar ist, und eine verbesserte Kaltstartfähigkeit insbesondere bei Temperaturen unter 0°C aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil einen Ventilsitz umfasst, welcher in einer Axialrichtung des Ventils einen vorstehenden Bereich aufweist. Der vorstehende Bereich ist dabei mit einem elastomeren Dichtelement überzogen, wobei das elastomere Dichtelement ausschließlich am vorstehenden Bereich des Ventilsitzes angeordnet ist. Hierdurch sind erfindungsgemäß nur die relevanten Kontaktflächen des Ventilsitzes mit dem elastomeren Dichtelement versehen. Weiterhin stellt die erfindungsgemäße Idee ein sehr robustes Design bereit und es ist ein modularer und kostengünstiger Aufbau möglich. Trotzdem können die erforderlichen Dichtheitsanforderungen insbesondere im üblichen Temperaturbereich von –40°C bis +100°C erfüllt werden, wobei auch das im Stand der Technik vorhandene Problem des Eintauchens des Ventilsitzes in ein elastisches Dichtelement, was zu einer erhöhten Kontaktfläche zwischen Dichtelement und Ventilsitz führen kann, gelöst wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise weist das elastomere Dichtelement in axialer Richtung des Ventils eine kleine Dicke auf. Besonders bevorzugt ist die Dicke des elastomeren Dichtelements in einem Bereich von 50 µm bis 300 µm, insbesondere 100 µm bis 150 µm. Diese Bereiche stellen insbesondere sicher, dass auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C ein zu starkes Anhaften des elastomeren Dichtelements im geschlossenen Zustand des Ventils vermieden wird.
Besonders bevorzugt ist der Ventilsitz am Ventilträger angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilsitz vorzugsweise am Schließelement angeordnet. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, den Ventilsitz mit dem vorstehenden Bereich nur an einem der beiden Bauteile anzuordnen.
Weiter bevorzugt ist das elastomere Dichtelement mittels Mikrospritzen oder mittels Siebdruck auf den Ventilsitz aufgebracht. Durch diese beiden Verfahren kann das elastomere Dichtelement sehr genau und sicher auf den Ventilsitz aufgebracht werden, so dass kein unerwünschter Überstand oder dergleichen am Ventilsitz vorhanden ist. Hierdurch wird eine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen Ventilsitz und Dichtelement erhalten.
Weiter bevorzugt ist eine Höhe des Ventilsitzes in Axialrichtung des Ventils in einem Bereich von gleich hoch bis 3-fach so groß wie eine Dicke des elastomeren Dichtelements in Axialrichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Ventil eine ebene Schließfläche, welche am Ventilsitz abdichtet. Mit anderen Worten ist an einem der beiden Bauteile Ventilträger oder Schließelement der Ventilsitz vorgesehen und das andere der beiden Bauteile weist die ebene Schließfläche auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass neben einer einfachen Geometrie des Ventils auch ein Eintauchen in das Elastomerelement verhindert wird.
Weiter bevorzugt umfasst das Ventil einen Anschlag, welcher zwischen dem Ventilträger und dem Schließelement ausgebildet ist. Hierdurch kann im geschlossenen Zustand des Ventils eine exakte Verformung des elastomeren Dichtelements definiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Ventil ein Zwischenelement, welches zwischen dem Ventilträger und dem Schließelement angeordnet ist, wobei das Zwischenelement den Ventilsitz umfasst. Hierdurch wird insbesondere eine hohe Anzahl von Gleichteilen ermöglicht, da jeweils das Zwischenelement auch an die spezifischen Anforderungen, z.B. eines speziellen Motorenherstellers, angepasst werden kann. Besonders bevorzugt ist das Zwischenelement eine Scheibe, insbesondere ein Stanz-Prägeteil in Form einer Scheibe. Weiter bevorzugt ist eine Dicke des Zwischenelements ungefähr das 2- bis 3-fache der Dicke des Dichtelements.
Das erfindungsgemäße Ventil ist vorzugsweise als Gasventil ausgebildet und wird zum Steuern von insbesondere gasförmigen Medien, wie z.B. Erdgas oder Biogas verwendet. Besonders bevorzugt ist das Gasventil dabei ein Einblasventil zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht eines Ventilträgers von 1, und
3 bis 5 weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Gasventilen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Gasventil 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Das Gasventil 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist ein Einblasventil zum Einblasen von Kraftstoff in einen Brennraum. Das Gasventil 1 umfasst ein Ventilgehäuse 10, einen Magnetanker 12, eine Magnetspule 13 und eine Schließfeder 14. Ein Einstellbolzen 16 ist vorgesehen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Das Gas wird in axialer Richtung zugeführt (Pfeil H) und durch einen Filter 11 geführt. Die Magnetspule 13 ist in einer Umspritzung aus Kunststoff am Ventilgehäuse 10 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Gasventil 1 vorgesehen.
Am Magnetanker 12 ist an einem axialen Ende ein Schließelement 3 befestigt. Das Schließelement 3 verschließt Durchlassöffnungen 6, welche in einem Ventilträger 2 gebildet sind. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasventils 1. Die Pfeile G deuten dabei eine Strömungsrichtung des gasförmigen Kraftstoffs an, wenn das Gasventil geöffnet ist, wobei das Gas durch einen Raum 19 im Ventilgehäuse 10 und durch die Durchlassöffnungen 6 in einen Brennraum eingeblasen wird. Im Schließelement 3 ist ferner eine mittige Öffnung 31 (vergleiche 2) vorgesehen, über welche ebenfalls Gas zu den Durchlassöffnungen 6 strömen kann.
Wie aus der vergrößerten Detailansicht von 2 ersichtlich ist, sind am Ventilträger 2 ein erster Ventilsitz mit einem in axialer Richtung X-X des Ventils vorstehenden Bereich 4 und ein zweiter Ventilsitz mit einem in axialer Richtung X-X vorstehenden Bereich 5 vorgesehen. Zwischen den vorstehenden Bereichen 4, 5 der Ventilsitze sind mehrere nierenförmige Durchlassöffnungen 6 angeordnet.
Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, sind die vorstehenden Bereiche 4, 5 der Ventilsitze jeweils mit einem elastomeren Dichtelement 7 überzogen. Dabei ist das elastomere Dichtelement 7 ausschließlich an den vorstehenden Bereichen 4, 5 der Ventilsitze vorgesehen. Hierdurch sind nur die relevanten Kontaktflächen der Ventilsitze mit dem elastomeren Dichtelement 7 versehen, so dass eine sehr gute Kaltstartfähigkeit des Ventils erreicht wird. Insbesondere ist kein Überstand oder dergleichen vorgesehen, was zu einer vergrößerten Kontaktfläche des Dichtelements mit dem Schließelement im geschlossenen Zustand führen würde.
Eine Dicke der elastomeren Dichtelemente 7 auf den vorstehenden Bereichen 4, 5 der Ventilsitze ist dabei relativ klein gewählt. Am Schließelement 3 ist ferner eine ebene Schließfläche 20 vorgesehen, wodurch im geschlossenen Zustand vermieden wird, dass das Schließelement 3 in die elastomeren Dichtelemente 7 eindringen kann und dadurch gegebenenfalls eine Kaltstartfähigkeit des Ventils verschlechtert wird. Die ebene Schließfläche 20 stellt dabei sicher, dass im geschlossenen Zustand des Ventils zum einen die Dichtheit des Ventils über alle relevanten Temperatur- und Druckbereiche sichergestellt wird und weiterhin auch eine maximal zulässige Druckbelastung des elastomeren Dichtelementwerkstoffs eingehalten wird.
Die elastomeren Dichtelemente 7, welche selektiv nur auf den vorstehenden Bereichen 4, 5 der Ventilsitze aufgebracht werden, können beispielsweise mittels Mikrospritzgießen oder mittels Siebdruck sehr genau und in eng definiertem Umfang auf die vorstehenden Bereiche aufgebracht werden.
3 zeigt ein Gasventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch ein Anschlag 8 vorgesehen. Der Anschlag 8 ist durch einen ringförmigen Vorsprung am Schließelement 3 gebildet. Der Anschlag 8 stellt dabei sicher, dass in allen Betriebsbedingungen immer eine vorbestimmt definierte Verformung des elastomeren Dichtelements 7 im geschlossenen Zustand eingehalten wird. Der Anschlag 8 wird dabei als metallischer Anschlag zwischen Ventilträger 2 und Schließelement 3 ausgeführt.
4 zeigt ein Gasventil gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim dritten Ausführungsbeispiel der erste und zweite Ventilsitz mit den vorstehenden Bereichen 4, 5 am Schließelement 3 angeordnet sind. Weiterhin ist die ebene Schließfläche 20 am Ventilträger 2 vorgesehen. Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, sind die elastomeren Dichtelemente 7 lediglich an den vorstehenden Bereichen 4, 5 der Ventilsitze ausgebildet.
Bei dem in 5 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zusätzlich noch ein Zwischenelement 9 vorgesehen. Das Zwischenelement 9 umfasst die ersten und zweiten Ventilsitze mit den vorstehenden Bereichen 4, 5. Das Zwischenelement 9 ist eine metallische Platte, welche beispielsweise mittels Stanzen und Prägen der vorstehenden Bereiche 4, 5 hergestellt sein kann. Das Zwischenelement 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel am Schließelement 3 angeordnet und kann mittels bekannter Verbindungstechniken mit dem Schließelement 3 verbunden werden. Am Ventilsitzträger 2 ist wieder die ebene Schließfläche 20 vorgesehen. Das vierte Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass durch Austausch des Zwischenelements 9 auf einfache und sehr kostengünstige Weise eine Änderung der Schließeigenschaften des Ventils möglich ist. Hierbei kann beispielsweise für verschiedene Motorenhersteller eine unterschiedliche Prägung der vorstehenden Bereiche 4, 5 in dem Zwischenelement 9 vorgenommen werden. Auch können durch diese erfindungsgemäße Idee des Vorsehens eines Zwischenelements 9 eine Vielzahl von Varianten des Zwischenelements 9 einfach beispielsweise vorproduziert und gelagert werden und dann ohne großen Aufwand mit den restlichen Bauteilen des Gasventils verbunden werden, um ein herstellerspezifisches Gasventil bereitzustellen. Weiterhin ist durch das Vorsehen des Zwischenelements 9 als Scheibe mit den geprägten, vorstehenden Bereichen 4, 5 eine gewisse Dämpfung während des Schließvorgangs vorhanden, da ein Raum hinter den vorstehenden Bereichen 4, 5 hohl ist und somit eine minimale, reversible Verformung der vorstehenden Bereiche während des Schließvorgangs möglich ist. Somit kann mit dem vierten Ausführungsbeispiel des Gasventils insbesondere ein modularer Aufbau des Gasventils und ein besonders kostengünstiges und robustes Design erreicht werden.
Zu allen im Detail beschriebenen Ausführungsbeispielen in den 1 bis 5 sei ferner angemerkt, dass diese neben einer hervorragenden Kaltstartfähigkeit es auch ermöglichen, dass geringere Anforderungen an Toleranzen der Einzelbauteile gestellt werden können. Dadurch wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Gasventils signifikant verbilligt. Da erfindungsgemäß ausschließlich die vorstehenden Bereiche 4, 5 der Ventilsitze mit dem elastomeren Dichtelement 7 beschichtet werden, besteht nicht die Gefahr eines unerwünschten Anhaftens im geschlossenen Zustand des Gasventils.
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 102010043641 A1 [0002]

Claims

Ventil zum Steuern eines Mediums, insbesondere eines gasförmigen Mediums, umfassend – einen Ventilträger (2) mit wenigstens einer Durchlassöffnung (6), – ein Schließelement (3), welches eingerichtet ist, die wenigstens eine Durchlassöffnung (6) freizugeben und zu verschließen und – einen Ventilsitz, – wobei der Ventilsitz wenigstens einen in axialer Richtung (X-X) des Ventils vorstehenden Bereich (4, 5) umfasst, – wobei der vorstehende Bereich (4, 5) mit einem elastomeren Dichtelement (7) überzogen ist und – wobei das elastomere Dichtelement (7) ausschließlich am vorstehenden Bereich (4, 5) des Ventilsitzes angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastomere Dichtelement (7) eine Dicke von 50 µm bis 300 µm, insbesondere 100 µm bis 150 µm, aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz mit den vorstehenden Bereichen (4, 5) am Ventilträger (2) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz mit den vorstehenden Bereichen (4, 5) am Schließelement (3) angeordnet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastomere Dichtelement (7) mittels Mikrospritzen oder mittels Siebdruck auf den vorstehenden Bereich (4, 5) aufgebracht ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des Ventilsitzes in Axialrichtung in einem Bereich von gleich groß bis 3-fach so groß wie eine Dicke des elastomeren Dichtelements (7) in Axialrichtung ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ebene Schließfläche (20), an welcher der Ventilsitz abdichtet.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Anschlag (8), der zwischen dem Ventilträger (2) und dem Schließelement (3) ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Zwischenelement (9), welches zwischen dem Ventilträger (2) und dem Schließelement (3) angeordnet ist, wobei das Zwischenelement (9) den Ventilsitz mit den vorstehenden Bereichen (4, 5) umfasst.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (9) eine Scheibe, insbesondere eine Stanz-Prägescheibe, ist.