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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Gasventil, zum Steuern eines Mediums mit einer verbesserten Führung.
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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 2005 046 434 A1 ist ein Gasventil bekannt, welches eine exakte Führung eines Ventilankers in einer Ventilhülse zeigt. Der Ventilanker ist hierbei an wenigstens drei verschiedenen Führungsflächen geführt. Aufgrund der Vielzahl der Führungsflächen hat sich herausgestellt, dass es sehr schwierig sein kann, hier die Führungsflächen so zu gestalten, dass die notwendigen Toleranzanforderungen erreicht werden. Schon bei kleinsten Abweichungen kann es hier zu Undichtigkeiten am Ventilsitz kommen. Darüber hinaus ist eine derartige Anordnung einer Vielzahl von Führungsflächen sehr aufwändig und kostenintensiv. Von daher besteht ein Bedürfnis, ein Gasventil mit einer einfachen und relativ kostengünstig herstellbaren Geometrie bereitzustellen, welche in allen Betriebszuständen, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C, die notwendigen Dichtungseigenschaften aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere Gasventil, zum Steuern eines Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Führung eines Schließelements derart ist, dass das Schließelement sicher möglichst senkrecht auf Ventilsitzen an einem Ventilsitzträger aufliegen kann. Hierdurch wird eine erhöhte Dichtheit des Ventils erreicht. Dabei kann das erfindungsgemäße Ventil besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere ist eine Nacharbeitbarkeit von Führungsflächen beim erfindungsgemäßen Ventil nicht notwendig. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an einem Ventilsitzträger mit einem Ventilsitz und wenigstens einer Durchlassöffnung ein Führungselement angeordnet ist. Dabei ist ein Schließelement ausschließlich am Führungselement des Ventilsitzträgers geführt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Schließelement genau und sicher an lediglich genau einem Führungselement geführt wird. Insbesondere durch die Anordnung des Führungselements am Ventilsitzträger kann das Schließelement, an welchem bevorzugt eine elastomere Flachdichtung vorgesehen ist, möglichst senkrecht in geschlossenem Zustand auf Ventilsitze am Ventilsitzträger aufliegen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Besonders bevorzugt sind der Ventilsitzträger und das Führungselement ein einstückiges Bauteil. Dadurch kann der Ventilsitzträger mitsamt dem Führungselement in einer Aufspannung, beispielsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung, hergestellt werden, so dass eine Formabweichung hinsichtlich der Führungsflächen am Führungselement und den Dichtflächen an den Ventilsitzen sehr klein ist. Alternativ kann der Ventilsitzträger und das Führungselement auch zuerst als zwei separate Bauteile vorgesehen werden, welche dann, vorzugsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, miteinander verbunden werden. Hierbei ist allerdings häufig eine Nachbearbeitung notwendig, um die gesetzten Toleranzanforderungen einzuhalten.
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Ein besonders bevorzugter Aufbau ergibt sich, wenn das Schließelement vorzugsweise ausschließlich an einer inneren Führungsfläche geführt ist. Erfindungsgemäß ist eine innere Führungsfläche eine am Schließelement nach innen gerichtete Fläche, welche nicht zur Außenseite freiliegt. Hierbei weist das Schließelement besonders bevorzugt eine zentrale Öffnung auf, an welcher die innere Führungsfläche vorgesehen ist. Die innere Führungsfläche ist vorzugsweise zylindrisch. Weiter bevorzugt wird das zu steuernde Medium durch die zentrale Öffnung des Schließelements zu den Dichtsitzen geführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abstand von Führungsflächen am Führungselement des Ventilsitzträgers zu einer Mittelachse des Ventils kleiner als ein Abstand eines äußersten Wandbereichs einer Durchlassöffnung. Mit anderen Worten ist die Durchlassöffnung weiter entfernt von der Mittelachse des Ventils angeordnet als die Führungsflächen am Führungselement. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Führungselement innerhalb der Durchlassöffnungen angeordnet ist, wobei die Durchlassöffnungen vorzugsweise schlitzförmige Ringabschnitte sind.
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Weiter bevorzugt weist der Ventilsitzträger einen zentralen Zylinderbereich und einen äußeren Ringbereich auf. Dabei ist wenigstens eine Durchlassöffnung zwischen dem Zylinderbereich und dem Ringbereich angeordnet. Der Zylinderbereich ist dabei vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Stegen mit dem Ringbereich verbunden, wobei die Stege benachbarte Durchlassöffnungen voneinander trennen. Dabei ist das Führungselement am Zylinderbereich angeordnet. Hierdurch ist das Führungselement möglichst nah an der Mittelachse X-X des Ventils vorgesehen, so dass ein besonders kompakter und kleinbauender Aufbau des Ventils erreicht werden kann. Weiter bevorzugt weist der Ventilsitzträger genau einen Ventilsitz auf, welcher am äußeren Ringbereich angeordnet ist. Alternativ bevorzugt weist der Ventilsitzträger einen ersten und einen zweiten Ventilsitz auf, wobei der erste Ventilsitz am äußeren Ringbereich angeordnet ist und der zweite Ventilsitz am Zylinderbereich angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt weist das Führungselement eine Vielzahl von in axialer Richtung des Ventils verlaufenden Führungsfortsätzen auf, welche im Kreis angeordnet sind und zwischen sich jeweils einen Zwischenraum in Umfangsrichtung aufweisen. Hierdurch stehen die Führungsfortsätze zinnenartig im Kreis vom Ventilsitzträger in axialer Richtung X-X vor und bilden das Führungselement. Besonders bevorzugt sind sechs Führungsfortsätze gleich verteilt entlang eines Ringumfangs angeordnet. Weiter bevorzugt sind die Führungsfortsätze am Zylinderbereich des Ventilsitzträgers angeordnet.
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Alternativ weist das Führungselement ein Führungsrohr auf. Das Führungsrohr hat den Vorteil, dass dadurch auf einfache und kostengünstige Weise eine lange Führung des Schließelements möglich ist.
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Weiter bevorzugt ist ein Pfad des zu steuernden Mediums derart vorgesehen, dass der Pfad durch das Führungselement verläuft. Wenn das Führungselement ein Führungsrohr umfasst, weist das Führungsrohr vorzugsweise an seinem Ende, mit welchem es am Ventilsitzträger angebunden ist, eine oder mehrere Öffnungen auf, um das Medium vom Inneren des Führungsrohrs radial nach außen zu leiten.
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Weiter bevorzugt ist am Ventilsitzträger ein Anschlag für das Schließelement vorgesehen. Der Anschlag ist vorzugsweise ein gehärteter Teilbereich eines aus einem Metall hergestellten Ventilsitzträgers. Dadurch kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Anschlag am Ventilsitzträger integriert werden, so dass ein am Schließelement angeordnetes Elastomer immer mit einer definierten Eintauchtiefe auf einem Ventilsitz am Ventilsitzträger eintaucht. Dies gewährleistet ein sicheres und schnelles Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils, auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C.
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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 ein Einblasventil zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff in einen Brennraum.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Ventilsitzträgers von 1,
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3 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Ventilsitzträgers von 3, und
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5 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Ventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Ventil 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist ein Gasventil zum Einblasen eines Brenngases in eine Brennkammer. Das Ventil 1 ist in 1 nur teilweise gezeigt und umfasst einen Ventilsitzträger 2 mit einem ersten Ventilsitz 4 und einem zweiten Ventilsitz 5 sowie ein Schließelement 3, welches an den beiden Ventilsitzen 4, 5 abdichtet. Das Schließelement 3 weist hierzu ein elastomeres Dichtelement 7 in Form einer Flachdichtung auf. Das Schließelement 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Ankerbauteil, welches mittels eines nicht dargestellten Magnetaktuators bewegbar ist.
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Im Ventilsitzträger 2 sind vier schlitzförmige Durchlassöffnungen 6 gebildet, welche bei geöffnetem Ventil eine Durchströmung des gasförmigen Mediums durch das Ventil ermöglichen. In 1 sind die Strömungen des Gases schematisch durch die Pfeile G angedeutet.
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Weiterhin ist der Ventilsitzträger 2 und das Schließelement 4 in einer zylinderförmigen Hülse 8 angeordnet. Dabei ist der Ventilsitzträger 2 beispielsweise mittels einer Schweißverbindung mit der Hülse 8 fest verbunden. Das Schließelement 3 berührt die Hülse 8 nicht.
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Der Ventilsitzträger 2 ist im Detail in 2 dargestellt. Der Ventilsitzträger 2 umfasst einen zentrischen Zylinderbereich 21 und einen äußeren Ringbereich 22. Der Zylinderbereich 21 und der Ringbereich 22 sind mittels vier Stegen 9 miteinander verbunden. Die Stege 9 trennen dabei die jeweils zueinander benachbarten schlitzartigen Durchlassöffnungen 6. Dabei ist der erste Ventilsitz 4 am Ringbereich 22 angeordnet und der zweite Ventilsitz 5 am Zylinderbereich 21 angeordnet. Die beiden Ventilsitze 4, 5 sind konzentrisch zu einer Mittelachse X-X des Ventils angeordnet, welche auch die Mittelachse des Ventilsitzträgers 2 ist. Die vier Durchlassöffnungen 6 sind dabei zwischen dem Zylinderbereich und dem Ringbereich 22 vorgesehen.
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Ferner umfasst der Ventilsitzträger 2 ein Führungselement 20, welches im ersten Ausführungsbeispiel ein Rohr ist. Der Ventilsitzträger 2 und das Führungselement 20 sind ein einteiliges Bauteil und vorzugsweise aus einem Materialblock hergestellt. Alternativ kann das Rohr auch auf den scheibenförmigen Ventilsitzträger aufgeschweißt werden.
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Das rohrförmige Führungselement 20 umfasst an einem Fußbereich, an welchem das Führungselement 20 mit dem Zylinderbereich 21 verbunden ist, eine Vielzahl von unteren Öffnungen 23. Bei geöffnetem Ventil kann das Gas dabei durch das Innere des Führungselements 20 und durch die Öffnungen 23 zu den Durchlassöffnungen 6 strömen. Ferner umfasst das Führungselement 20 mehrere mittlere Öffnungen 24, über welche das gasförmige Medium durch Öffnungen 30 (vgl. 1) am Schließelement 3 zur Außenseite des Schließelements 3 strömen kann. Das Gas strömt dann, wie aus 1 ersichtlich, an der Außenseite des Schließelements 3 ebenfalls zu den Durchlassöffnungen 6. Dies ist in 1 schematisch durch die Pfeile angedeutet. Hierdurch wird ein möglichst großer Durchsatz durch das Ventil 1 sichergestellt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weist der Ventilsitzträger 2 somit ein integriertes Führungselement 20 auf, welches die einzige Führung des Schließelements 3 im Ventil bereitstellt. Das Schließelement 3 wird somit nicht an einer inneren Umfangswand der Hülse 8 geführt, sondern ausschließlich am Führungselement 20. Hierdurch wird erreicht, dass das Dichtelement 7 senkrecht auf den ersten und zweiten Ventilsitzen 4, 5 am Ventilsitzträger aufliegen kann und somit eine erhöhte Dichtheit des Dichtsitzes bereitstellt. Das Schließelement 3 wird ausschließlich an einer inneren Führungsfläche 31 an der äußeren Mantelfläche des rohrförmigen Führungselements 20 geführt. Die innere Führungsfläche 31 ist durch eine zentrale mittige Bohrung am Schließelement 3 gebildet.
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Da das Führungselement 20 integral mit dem restlichen Teil des Ventilsitzträgers 2 gebildet ist, wird somit eine höchste Genauigkeit hinsichtlich insbesondere einer senkrechten Ausrichtung der Führungsflächen am Führungselement 20 zu einer Waagerechten (Dichtebene) zur Mittelachse X-X des Ventils erreicht. Selbst eine leichte Schrägstellung des Ventilsitzträgers 2, welche z.B. bei der Montage des Ventilsitzträgers 2 in der Hülse 8 auftreten kann, beeinflusst die Dichtheit des Ventilsitzes nicht. Die Hülse 8 ist an dem dargestellten Führungs-Dichtungssystem nicht beteiligt, so dass auch keine unerwünschte Addition von Toleranzen am Bauteil auftreten kann.
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Durch das Vorsehen der unteren Öffnungen 23 und der mittleren Öffnungen 24 am Führungselement 20 kann ferner eine zweiseitige Gasströmung realisiert werden. Dies ist bei Gasventilen besonders wichtig, da aufgrund der geringeren Energiedichte im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen bei Brennkraftmaschinen eine höhere Gasmenge eingeblasen werden muss.
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Die 3 und 4 zeigen ein Ventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Führungselement 20 durch eine Vielzahl von zinnenartigen Führungsfortsätzen 25 bereitgestellt. Die Führungsfortsätze 25 sind am zentralen Zylinderbereich 21 des Ventilsitzträgers 2 in Kreisform angeordnet. Zwischen den Führungsfortsätzen 25 sind jeweils Zwischenräume 26 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Umfangsbreite der Zwischenräume gleich einer Umfangsbreite der Führungsfortsätze.
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Die Führungsfortsätze 25 sind jeweils bogenförmig ausgebildet und sind in einem Kreis angeordnet. Dabei sind Führungsflächen 27 an einer radial äußeren Seite der Führungsfortsätze 25 vorgesehen (vergleiche 4). Die Führungsfortsätze 25 sind im Kreis koaxial zur Mittelachse X-X angeordnet.
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Die Führungsflächen 27 sind dabei mit einem Abstand A1 zu einer Mittelachse X-X angeordnet, welche kleiner ist als ein Abstand A2 der äußersten Bereiche der Durchlassöffnungen 6. Somit sind die Führungsflächen 27 radial innerhalb der Durchlassöffnungen 6 angeordnet. Hierdurch wird ein sehr kompakter Aufbau des Ventils erreicht.
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Das Schließelement 3 weist eine zentrale Öffnung 33 mit einem zylindrischen Wandbereich auf, welcher als Führungsfläche 31 des Schließelements dient. Das Schließelement 3 ist wiederum nur an dem Führungselement 20 in Form der zinnenförmigen Führungsfortsätze 25 geführt.
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Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel noch ein ringförmiger Anschlag 10 am Ventilsitzträger 2 gebildet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der ringförmige Anschlag 10 am äußeren Umfang der Führungsfortsätze 25 vorgesehen. Ein Teilbereich 32 des Schließelements 3, an welchem kein Dichtelement 7 angeordnet ist, schlägt dabei im geschlossenen Zustand des Ventils am Anschlag 10 an. Der Anschlag 10 ist beispielsweise durch Härten oder Beschichten bereitgestellt und weist somit eine sehr geringe Verschleißneigung auf. Auch wird durch den Anschlag 10 eine Eintauchtiefe des elastomeren Dichtelements 7 am ersten und zweiten Ventilsitz 4, 5 definiert, wodurch eine hohe Dichtheit des Ventils im geschlossenen Zustand sichergestellt werden kann.
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5 zeigt ein Ventil 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Ventil 1 des dritten Ausführungsbeispiels lediglich genau einen Ventilsitz 4 auf. Der Ventilsitz 4 ist am äußeren Ringbereich 22 des Ventilsitzträgers 2 angeordnet. Das Führungselement 20 ist wie im zweiten Ausführungsbeispiel durch eine Vielzahl von Führungsfortsätzen 25 am zentrischen Zylinderbereich 21 des Ventilsitzträgers 2 bereitgestellt. Wie durch die Pfeile G in 5 angedeutet, kann bei einem geöffneten Ventil ein Gas von außen radial nach innen am Ventilsitz 4 vorbei in die Durchlassöffnungen 6 strömen. Somit ist das dritte Ausführungsbeispiel konstruktiv einfacher aufgebaut als das erste Ausführungsbeispiel. Eine Führung des Schließelements 3 erfolgt ausschließlich an einer zentrisch im Schließelement 3 vorgesehenen mittigen Öffnung 33 in Form einer Sacklochöffnung.
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Erfindungsgemäß wird somit in den beschriebenen Ausführungsbeispielen das Schließelement 3 an einem integralen mit dem Ventilsitzträger 2 gebildeten Führungselement 20 zentriert und ausschließlich mittels eines einzigen Führungselements 20 geführt. Es sei angemerkt, dass sämtliche Führungsflächen und gegebenenfalls Anschlagsflächen zur Erhöhung einer Dauerstabilität gehärtet und/oder mit einer Verschleißschutzschicht aus Chrom, TiN, oder einer Kohlenstoffbeschichtung versehen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005046434 A1 [0002]
