DE102014223678A1

DE102014223678A1 - Gasventil und Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements

Info

Publication number: DE102014223678A1
Application number: DE102014223678.9A
Authority: DE
Inventors: Joerg Offterdinger; Lars Wittko; Florent Spieler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CN105626879A; CN105626879B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zumessen von gasförmigem Kraftstoff, umfassend ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben und Verschließen einer Durchgangsöffnung (3), einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilschließelement (2) und einen stationären Dichtpartner (5), wobei das Ventilschließelement (2) ein Dichtelement (20) mit einer Elastomerdichtung (21) aus elastomerem Dichtungsmaterial und einen Dichtungsträger (22) aufweist, und wobei der Dichtungsträger (22) eine umlaufende Vertiefung (23) aufweist, welche mit Dichtungsmaterial gefüllt ist, und einen Nebenbereich (21b) der Elastomerdichtung (21) bildet, welcher beabstandet von einem Dichtbereich (21a) der Elastomerdichtung (21) am Dichtsitz (4) ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zumessen von gasförmigem Kraftstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements mit einer Elastomerdichtung.
Neben flüssigen Kraftstoffen werden bei Brennkraftmaschinen in jüngster Zeit verstärkt auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Wasserstoff, verwendet. Ein Problemkreis ist dabei eine Abdichtung des Gasventils im geschlossenen Zustand. Ein geeignetes Dichtungsmaterial am Dichtsitz ist hierbei beispielsweise ein Elastomer. Bisher werden derartige Elastomere durch Vulkanisation auf einer metallenen Trägerscheibe hergestellt, wobei zur Sicherstellung der Haftung zwischen dem Elastomerdichtelement und der Trägerscheibe ein chemischer Haftvermittler verwendet wird. Ein Nachteil des derzeitigen Vulkanisationsprozesses liegt jedoch in der Geometrie der Dichtfläche, insbesondere der Wandstärke des Elastomerdichtelements, welche nicht prozesssicher beherrschbar ist. Schwankungen der Wandstärke des Elastomerdichtelements führen jedoch zu Abweichungen der zu dosierenden Gasmenge und zu einem Versagen der Ventilfunktion bei Kaltstartvorgängen, wobei das Elastomer auf dem Dichtsitz anfrieren kann. Hierdurch ergibt sich ein hoher Ausschussanteil mit entsprechenden Kosten. Zudem führen Verunreinigungen von angrenzenden Bauteilen durch den aufgebrachten Haftvermittler bei nachgeschalteten Montageprozessen zu Fehlern.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine kostengünstige und schnelle Fertigung einer Elastomerdichtung möglich ist. Hierbei kann insbesondere eine hohe Maßhaltigkeit der Dichtung, insbesondere hinsichtlich ihrer Wandstärke, sichergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gasventil ein bewegbares Ventilschließelement zum Freigeben und Verschließen einer Durchgangsöffnung und einen Dichtsitz zwischen dem Ventilschließelement und einem stationären Dichtpartner aufweist. Das Ventilschließelement umfasst eine Elastomerdichtung, welche ein elastomeres Dichtungsmaterial als eigentliches Dichtungselement, und einen Dichtungsträger umfasst. Der Dichtungsträger weist eine umlaufende Vertiefung auf, welche mit elastomerem Dichtungsmaterial gefüllt ist, wobei die Vertiefung beabstandet vom Dichtsitz liegt. Mit anderen Worten ist die Elastomerdichtung derart aufgebaut, dass die im Dichtungsträger vorgesehene umlaufende Vertiefung in einem Nebenbereich außerhalb des eigentlichen Dichtbereichs der Dichtung, an welchem der Dichtsitz liegt, aufgebaut ist. Zur Herstellung der Elastomerdichtung wird dabei das elastomere Dichtungsmaterial in die umlaufende Vertiefung im Dichtungsträger zugeführt und von dort verteilt sich das elastomere Dichtungsmaterial in einer Kavität einer Gussform, um den eigentlichen Dichtungsbereich zu bilden. Die derart hergestellte Elastomerdichtung weist somit einen eigentlichen Dichtbereich am Dichtsitz sowie einen Nebenbereich auf, welcher an der umlaufenden Vertiefung des Dichtungsträgers gebildet ist. Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht weiter den Verzicht auf einen Haftvermittler und damit Vermeidung von durch den Haftvermittler in nachfolgenden Fertigungsschritten auftretenden Problemen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elastomerdichtung liegt darin, dass eine Ausbildung von Bindenähten, welche durch den Fertigungsprozess unvermeidlich sind, in unkritischen Bereichen im Bereich der Nebendichtung an der umlaufenden Vertiefung des Dichtungsträgers verlegt werden können.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist die umlaufende Vertiefung im Dichtungsträger als ringförmige umlaufende Vertiefung ausgebildet. Somit kann ein ringförmiger Füllkanal zum Zuführen des elastomeren Dichtungsmaterials bereitgestellt werden, so dass eine schnelle und sichere Verteilung des elastomeren Dichtungsmaterials während des Herstellvorgangs in der Gussform ermöglicht wird.
Der Dichtungsträger ist weiter bevorzugt ebenfalls ringförmig ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der Dichtsitz zwischen dem Ventilschließelement und dem stationären Dichtpartner als Flachdichtsitz ausgebildet. Hierdurch kann eine sichere Abdichtung des Gasventils im geschlossenen Zustand erreicht werden. Ferner kann auch eine einfache Herstellung des Flachdichtsitzes mit konstanter Wandstärke sichergestellt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die umlaufende Vertiefung am Dichtungsträger an einer entgegengesetzten Seite des Dichtungsträgers angeordnet, an welcher der Dichtsitz vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich eine sichere Fixierung der Elastomerdichtung am Dichtungsträger aufgrund der derart sich bildenden Hinterschneidung. Im Schnitt ist die Elastomerdichtung dabei vorzugsweise im Wesentlichen U-förmig.
Um eine sichere Fixierung der Elastomerdichtung am Dichtungsträger zu ermöglichen, ist vorzugsweise eine Mikrostruktur an der Oberfläche des Dichtungsträgers ausgebildet. Die Mikrostruktur kann mechanisch, chemisch oder physikalisch, z.B. mittels eines Lasers, eingebracht werden. Besonders bevorzugt ist die Mikrostruktur ausschließlich im Bereich des späteren Dichtsitzes im Dichtungsträger ausgebildet. Die Mikrostruktur stellt eine sichere Fixierung der Elastomerdichtung am Dichtungsträger bereit. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine Angriffsfläche der Elastomerdichtung für Durchströmungseffekte des gasförmigen Kraftstoffs hervorgerufene Kräfte verringert wird und insbesondere das Risiko eines Ablösens und damit ein Flattern der Dichtung im Strömungsquerschnitt vermindert wird.
Vorzugsweise wird als elastomeres Dichtungsmaterial für die Elastomerdichtung ein thermoplastischer Elastomer oder Polyacrylat verwendet. Besonders bevorzugt wird nach Herstellen der Elastomerdichtung das elastomere Dichtungsmaterial vernetzt, z.B. mittels einer energiereichen Strahlung.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements mit einer Elastomerdichtung und einem Dichtungsträger mit umlaufender Vertiefung, welche außerhalb des eigentlichen Dichtbereichs liegt. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Anordnens des Dichtungsträgers in einer Gussform mit einer Kavität für die Elastomerdichtung und des Zuführens von elastomerem Dichtungsmaterial in die umlaufende Vertiefung. Dabei füllt das elastomere Dichtungsmaterial die Kavität der Gussform vollständig auf, so dass die Dichtung einen elastomeren Dichtbereich am Dichtsitz und einen zusätzlichen Nebenbereich im Bereich der umlaufenden Vertiefung aufweist. Das elastomere Dichtmaterial wird dabei ausschließlich in die im Dichtungsträger vorgesehene Vertiefung zugeführt und verteilt sich von dort vollständig in die Kavität. Dadurch werden gegebenenfalls auftretende Bindenähte oder andere Nähte im Bereich der Vertiefung, d.h., im Nebenbereich der Dichtung außerhalb des eigentlichen Dichtsitzes, verlegt.
Vorzugsweise wird der Dichtungsträger dabei im Bereich des späteren Dichtsitzes mit einer Mikrostruktur versehen, beispielsweise mittels eines chemischen oder physikalischen oder mechanischen Verfahrens. Alternativ wird die Mikrostruktur an einer gesamten Kontaktfläche zwischen Dichtungsträger und Elastomerdichtung vorgesehen.
Das Zuführen des elastomeren Dichtmaterials erfolgt vorzugsweise mittels Spritzgießen. In einem weiter bevorzugten nachfolgenden Bearbeitungsschritt erfolgt weiter bevorzugt eine Vernetzung des Elastomermaterials der Dichtung durch eine energiereiche Strahlung.
Das erfindungsgemäße Gasventil ist besonders bevorzugt als Zumessventil oder als Proportionalitätsventil vorgesehen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzelle, umfassend ein derartiges Gasventil.
Zeichnung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Gasventil gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gasventils,
2 eine vergrößerte Darstellung eines in 1 gezeigten Ventilschließelements,
3 eine schematische Darstellung, welche einen Schritt des Herstellungsverfahrens verdeutlicht, und
4 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Elastomerdichtung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Gasventil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Gasventil 1 ein bewegbares Ventilschließelement 2, welches Durchlassöffnungen 3 freigibt und verschließt. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasventils 1.
Das Gasventil 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Zumessventil, welches zum Zumessen einer vorbestimmten Gasmenge dient.
Das Gasventil 1 umfasst ferner einen Dichtsitz 4, welcher zwischen dem Ventilschließelement 2 und einer Ventilscheibe 5 ausgebildet ist (vgl. 2). Die Durchlassöffnungen 3 sind in der Ventilscheibe 5 ausgebildet.
Der Dichtsitz 4 ist ein Flachdichtsitz, und das Ventilschließelement 2 ist als nach Innen öffnendes Element ausgebildet. Damit ist das erfindungsgemäße Gasventil 1 ein nach innen öffnendes Gasventil.
Die Ventilscheibe 5 ist in einer Ventilhülse 6 angeordnet, welche auch das Ventilschließelement 2 aufnimmt.
Das Gasventil 1 umfasst ferner einen Magnetaktor 10 mit einem Anker 11, einer Spule 12 und einem Innenpol 13. Der Anker 11 ist fest mit dem Ventilschließelement 2 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet.
Am Ventilschließelement 2 ist ferner ein Dichtelement 20 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 20 über ein Zwischenstück 24 mit dem Ventilschließelement 2 verbunden.
Das Dichtelement 20 umfasst eine Elastomerdichtung 21 und einen Dichtungsträger 22. Der Dichtungsträger 22 ist eine ringförmige Scheibe und weist eine Vertiefung 23 auf. Die Vertiefung 23 ist ringförmig ausgebildet und an einer zur Ventilscheibe 5 abgewandten Seite des Dichtungsträgers 22 vorgesehen.
Die Elastomerdichtung 21 umfasst einen Dichtbereich 21a, welcher im Bereich des Flachdichtsitzes liegt, und einen Nebenbereich 21b, welcher an einer dem Flachdichtsitz entgegengesetzten Seite angeordnet ist und die Vertiefung 23 ausfüllt. Der Nebenbereich 21b ist über einen Verbindungsbereich 21c mit dem Dichtbereich 21a verbunden (vgl. 4). Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich somit ein ringförmiges Dichtelement 21, welches mittig, d.h., in Axialrichtung X-X des Gasventils, einen Durchlass 25 aufweist.
Der Dichtungsträger 22 ist vorzugsweise eine Metallplatte und die Elastomerdichtung 21 ist bevorzugt ein thermoplastischer Elastomer.
Der Dichtungsträger 22 weist an seiner zum Dichtsitz gerichteten Seite eine Mikrostruktur 26 auf. Diese kann beispielsweise chemisch oder mechanisch oder physikalisch eingebracht werden. Durch die Mikrostruktur 26 ergibt sich eine verbesserte Verbindung zwischen der Elastomerdichtung 21 und dem Dichtungsträger 22. Hierbei ist es nicht notwendig, dass ein Haftvermittler oder dgl., verwendet wird. Hierdurch wird im Betrieb insbesondere eine Gefahr des Abhebens bzw. Flatterns der Elastomerdichtung 21 vom Dichtungsträger 22 vermieden.
Weiter bevorzugt ist die Elastomerdichtung 21 nach dem Aufbringen an dem Dichtungsträger 22 durch Einbringen von Energie vernetzt. Das Strahlvernetzen erhöht die Standzeit der Dichtung, insbesondere die Temperaturbeständigkeit.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Elastomerdichtung 21 im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann, wodurch sich aufgrund einer präzisen Prozessführung eine Steigerung der Maßhaltigkeit bei Verringerung von Fertigungskosten ergibt. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird ein Spritzgusswerkzeug 30 derart am Dichtungsträger 22 platziert, dass ein Anspritzmodul 31 des Spritzgusswerkzeugs 30 unmittelbar über der Vertiefung 23 im Dichtungsträger 22 angeordnet wird. Die ringförmig umlaufende Vertiefung 23 bildet somit einen Füllkanal und der Elastomerwerkstoff wird zuerst in die Vertiefung 23 und dann, ausgehend von der Vertiefung 23, in die weiteren Kavitätsbereiche im Spritzgusswerkzeug verteilt, so dass die Elastomerdichtung 21 am Stück spritzgegossen werden kann. Die Verwendung des ringförmigen Füllkanals ermöglicht eine homogene Füllung der Werkzeugkavität und verhindert insbesondere die Ausbildung von sog. „Bindenähten“, welche während des Spritzgießens durch Zusammentreffen des schmelzflüssigen Kunststoffs/Elastomers entstehen können und nach dem Erhalten des Werkstücks eine mechanische Schwachstelle darstellen, bzw. legt derartige Bindenähte in für die Dichtung unkritische Bereiche, nämlich im Bereich der Vertiefung 23. Wie aus 3 ersichtlich ist, liegt die Vertiefung 23 nicht im Dichtbereich 21a am Flachdichtsitz, sondern im Nebenbereich 21b.
Ein weiterer Vorteil des Vorsehens der Vertiefung 23 am Dichtungsträger 22 liegt darin, dass eine Heißkanal-Direktanbindung des Gießwerkzeugs 30 möglich ist, wodurch Materialabfall minimiert wird.
Somit ist die Elastomerdichtung 21 im Schnitt U-förmig ausgebildet, wobei sich eine Hinterschneidung der Elastomermaterialien am Dichtungsträger 22 ergibt. Somit ist eine Angriffsfläche der Dichtung für Durchströmungseffekte des gasförmigen Kraftstoffs deutlich reduziert, so dass ein Risiko des Ablösens und Flatterns der Elastomerdichtung vom Dichtungsträger 22 ausgeschlossen ist.
Die umlaufende Vertiefung 23 hat dabei einen gleichbleibenden Querschnitt mit vorzugsweise sich verjüngenden, insbesondere konischen, Wandbereichen.

Claims

Gasventil zum Zumessen von gasförmigem Kraftstoff, umfassend: – ein Ventilschließelement (2) zum Freigeben und Verschließen einer Durchgangsöffnung (3), – einen Dichtsitz (4) zwischen dem Ventilschließelement (2) und einem stationären Dichtpartner (5), – wobei das Ventilschließelement (2) ein Dichtelement (20) mit einer Elastomerdichtung (21) aus elastomerem Dichtungsmaterial und einen Dichtungsträger (22) aufweist, und – wobei der Dichtungsträger (22) eine umlaufende Vertiefung (23) aufweist, welche mit Dichtungsmaterial gefüllt ist, und einen Nebenbereich (21b) der Elastomerdichtung (21) bildet, welcher beabstandet von einem Dichtbereich (21a) der Elastomerdichtung (21) am Dichtsitz (4) ist.
Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (23) ringförmig ausgebildet ist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (22) ringförmig ausgebildet ist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (4) ein Flachdichtsitz ist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtbereich (21a) und der Nebenbereich (21b) der Elastomerdichtung (21) an einander entgegengesetzten Seiten am Dichtungsträger (22) vorgesehen sind.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (22) eine Mikrostruktur an der Oberfläche des Dichtungsträgers (22) aufweist.
Gasventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur an der Oberfläche des Dichtungsträgers (23) ausschließlich am Dichtbereich (21a) der Elastomerdichtung (21) ausgebildet ist, oder dass die Mikrostruktur an einer gesamten Kontaktfläche zwischen Dichtungsträger (23) und Elastomerdichtung (21) vorgesehen ist.
Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastomere Dichtungsmaterial für die Elastomerdichtung (21) ein thermoplastisches Elastomer oder Polyacrylat ist.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements (20) mit einer Elastomerdichtung (21) und einem Dichtungsträger (22) mit einer umlaufenden Vertiefung (23), welche außerhalb eines Dichtsitzes (4) des Dichtelements liegt, umfassend die Schritte: – Anordnen des Dichtungsträgers (22) in einer Gussform mit einer Kavität für die Elastomerdichtung (21), und – Zuführen von elastomerem Dichtungsmaterial in die umlaufende Vertiefung (23), wobei das elastomere Dichtungsmaterial, ausgehend von der umlaufenden Vertiefung (23), in die restlichen Bereiche der Kavität der Gussform strömt und diese vollständig auffüllt, – wobei das elastomere Dichtungsmaterial ausschließlich in die umlaufende Vertiefung (23) im Dichtungsträger mittels eines Gusswerkzeugs (30) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (22) im Bereich des späteren Dichtsitzes mit einer Mikrostruktur (26) versehen wird, welche insbesondere mechanisch oder chemisch oder physikalisch eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des elastomeren Dichtungsmaterials in die umlaufende Vertiefung (23) mittels Spritzgießen erfolgt.