DE10352287A1

DE10352287A1 - Ventil zum Steuern eines Gases

Info

Publication number: DE10352287A1
Application number: DE10352287A
Authority: DE
Inventors: Günther Bantleon; Thanh-Hung Nguyen-Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2003-11-08
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern eines Gases vorgeschlagen. Das Ventil umfasst ein Ventilgehäuse (13), das eine Betätigungseinheit (14) für ein Ventilschließglied (18) aufnimmt, das derart mit einem an einer Sitzplatte (27) ausgebildeten Ventilsitz (30) zusammenwirkt, dass ein Fluidstrom durch Abströmöffnungen (26) der Sitzplatte (27) steuerbar ist. Stromab der Abströmöffnungen (26) ist ein im Wesentlichen rohrförmiger, stirnseitig offener Schalldämpfer (29) angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Schalldämpfer (29) mit radialen Ausnehmungen (31, 32, 33) versehen, die eine Umgebung des Schalldämpfers (29) mit dem Schalldämpferinneren verbinden (Figur 1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern eines Gases gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor einsetzbar.
Das bekannte Gasventil umfasst ein Ventilgehäuse, in dem eine Betätigungseinheit für einen Magnetanker angeordnet ist, der verschiebbar in dem Ventilgehäuse geführt ist und als Ventilschließglied ausgebildet ist. Der Magnetanker wirkt derart mit einem an einer Sitzplatte ausgebildeten Ventilsitz zusammen, dass ein Fluidstrom durch zu einer Abströmseite des Ventils führende Abströmöffnungen der Sitzplatte steuerbar ist. Das Gas tritt aus den Abströmöffnungen mit Überschallgeschwindigkeit aus. Bei einer Taktung des Ventils entstehen innerhalb des stromab der Abströmöffnungen resultierenden Gasstrahls Verdichtungsstöße. Dies führt zu Druckveränderungen, was wiederum eine Geräuschentwicklung zur Folge hat. Um die Geräuschentwicklung zu mindern, ist bei dem bekannten Ventil stromab der Abströmöffnungen der Sitzplatte ein im Wesentlichen rohrförmiger, stirnseitig offener Schalldämpfer angeordnet. Der Schalldämpfer, dessen Stirnseite die Abströmseite des Ventils bildet, wandelt die Energie des Gasstrahls in Wärmeenergie um, so dass die infolge der Verdichtungsstöße entstehenden Geräusche gedämpft werden.
Bei dem bekannten Ventil besteht jedoch das Problem, dass sich beim Schließen des Ventilschließglieds ein Unterdruck im Schalldämpferinneren ausbildet, wodurch über die Ausströmseite des Schalldämpfers Umgebungsluft in den Schalldämpfer angesaugt wird und im Schalldämpferinneren eine Schwingung einer Luftsäule resultiert. Wenn die Frequenz der Schwingung die Eigenfrequenz des Schalldämpfers erreicht, tritt Resonanz auf, so dass es zu einer Verstärkung von durch die Schwingung entstehenden Geräuschen kommt. Dieses Verhalten wird als sogenannter Helmholtz-Resonator-Effekt bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der einleitend genannten Art zu schaffen, bei dem eine Entstehung von Schwingungen im Schalldämpferinneren zumindest weitgehend ausgeschlossen ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Gases mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil der Schalldämpfer mit radialen Ausnehmungen versehen ist, die eine Umgebung des Schalldämpfers mit dem Schalldämpferinneren verbinden, hat den Vorteil, dass beim Schließvorgang während eines Taktens des Ventilschließglieds die Schwingungsneigung einer Luftsäule in dem Schalldämpferinneren wesentlich verringert bzw. unterbunden ist, da Luft aus der Umgebung des Schalldämpfers sowohl durch die stirnseitige Öffnung des Schalldämpfers als auch durch die radialen Ausnehmungen in das Schalldämpferinnere einströmen kann und einen dort aufgrund des Schließens des Ventilschließglieds entstandenen Unterdruck mit dem Umgebungsdruck ausgleicht. Der sogenannte Helmholtz-Resonator-Effekt wird dadurch reduziert bzw. verhindert.

Ferner wird bei einem Ventil mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Schalldämpfer eine Ausströmgeschwindigkeit des betreffenden Gases an der Ausströmseite des Schalldämpfers reduziert und damit die Gasausströmkraft in axialer Richtung verringert.

Das erfindungsgemäße Ventil ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem Gasmotor eingesetzt werden.

Um bei dem Ventil nach der Erfindung eine möglichst große Geräuschreduzierung zu erreichen, nehmen die Flächen der radialen Ausnehmungen bei einer vorteilhaften Ausführung mindestens ein Drittel der inneren Mantelfläche des Schalldämpfers ein.

Die radialen Ausnehmungen, die vorzugsweise in möglichst geringem Abstand zu der Sitzplatte angeordnet sind, können zur Verringerung des Strömungswiderstands an der Schalldämpferaußenseite jeweils mit einer angefasten oder abgerundeten Einströmkante versehen sein. Durch diese Maßnahme kann in kurzer Zeit eine größere Luftmenge in den Schalldämpferinnenraum einströmen, was wiederum zu einem schnellen Druckausgleich im Schalldämpfer führt.

Zur weiteren Beschleunigung des Druckausgleichs hat der Schalldämpfer bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils eine Länge, die geringer ist als sein Innendurchmesser. Durch diese sogenannte kurze Ausführung des Schalldämpfers verringert sich das Volumen des Schalldämpfers, wodurch die Eigenfrequenz des von dem Schalldämpfer gebildeten Systems steigt. Beispielsweise beträgt die Eigenfrequenz des Systems dann 16 kHz bis 20 kHz, so dass die entstehenden Geräusche vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen werden können. Jedoch geht die kurze Ausführung des Schalldämpfers zu Lasten der Dämpfung von Geräuschen, die durch Verdichtungsstöße entstehen.

Eine besonders einfache Fertigung des Schalldämpfers des Ventils nach der Erfindung liegt vor, wenn der Schalldämpfer und die Sitzplatte einstückig und vorzugsweise nach einem Tiefziehverfahren gefertigt sind.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.

Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Gasventils;
2 einen Längsschnitt durch einen Schalldämpfer des Ventils nach 1;
3 einen Schnitt durch den Schalldämpfer nach 2 entlang der Linie III-III in 2; und
4 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführung eines Schalldämpfers eines Ventils der in 1 dargestellten Art.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einbau bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor ausgelegt ist und zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines Erdgasstroms von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient.
Das Gasventil 10 hat ein mehrteiliges Gehäuse 13, in dem eine Magnetspule 14 angeordnet ist, die eine Führungshülse 15 umgreift.
In der Führungshülse 15 ist ein im Wesentlichen rohrförmiger Stopfen 16 fixiert, in welchen eine Spiralfeder 17 eingeschoben ist, die eine Vorspannfeder darstellt und auf einen Magnetanker 18 wirkt, der längsverschieblich in der Führungshülse 15 angeordnet ist. Zur Führung in der Führungshülse 15 weist der Magnetanker 18 zwei Führungsbünde 19 und 20 auf.
Der Magnetanker 18, der im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist, hat einen Innenraum 21, der mit der Zuströmseite 11 des Ventils 10 verbunden ist und von dem radiale Abströmbohrungen 22 und eine axiale Abströmbohrung 23 abzweigen. Die radialen Abströmbohrungen führen zu einem Hochdruckraum 24, der von dem Magnetanker 18, von der Führungshülse 15 und von einer Sitzplatte 27 begrenzt ist. Die axiale Abströmbohrung 23 führt an die Stirnseite des Magnetankers 18.
Der Magnetanker 18 dient als Ventilschließglied und hat an seiner dem Stopfen 16 abgewandten Stirnseite eine Elastomerdichtung 25, die mit einem Ventilsitz 30 zusammenwirkt, so dass Abströmöffnungen bzw. -düsen 26 steuerbar sind, die entlang einer Kreislinie in der Sitzplatte 27 ausgebildet sind und zu einem Innenraum 28 eines Schalldämpfers 29 führen, der an der Führungshülse 15 fixiert ist.
Der Schalldämpfer 29 ist einstückig mit der Sitzplatte 27 gefertigt und stellt ein mit der Führungshülse 15 verbundenes Tiefziehteil dar, das zur Dämpfung von Geräuschen dient, die durch Verdichtungsstöße innerhalb eines Gasstrahles entstehen, der durch die Abströmdüsen 27 zu der Abströmseite 12 des Ventils 10 strömt.
Der im Wesentlichen topfförmige Schalldämpfer 29, der in den 2 und 3 in Alleinstellung dargestellt ist, hat an seinem Umfang vier Ausnehmungen bzw. Bohrungen 31, 32, 33 und 34, die eine Umgebung des Schalldämpfers mit dem Innenraum 28 des Schalldämpfers verbinden.
In Einbaulage des Gasventils 10 ragt der Schalldämpfer 29 beispielsweise in ein Saugrohr eines Gasmotors, so dass sowohl die Bohrungen 31 bis 34 als auch die Abströmseite 12 den Innenraum 28 des Schalldämpfers 29 mit der gleichen Atmosphäre verbinden.
Die Ausnehmungen 31 bis 34 haben im Bereich der Außenseite des Schalldämpfers 29 jeweils eine Einströmkante 35, 36, 37 bzw. 38, die zur Strömungsoptimierung mit einer Fase versehen ist.
Die Ausnehmungen 31 bis 34 nehmen zusammen eine Fläche ein, die etwas mehr als einem Drittel der gesamten Umfangsfläche des Schalldämpfers 29 entspricht.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Schalldämpfers 29' eines Gasventils der in 1 näher dargestellten Art.
Der Schalldämpfer 29' entspricht im Wesentlichen dem in 2 dargestellten Schalldämpfer, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, dass er in Kurzbauweise ausgeführt ist und eine innere Länge L hat, die geringer ist als der Schalldämpferinnendurchmesser D, der dem Innendurchmesser des in 2 dargestellten Schalldämpfers entspricht. Der Schalldämpfer 29' hat also einen Innenraum 28' verringerten Volumens. Dadurch erhöht sich die Resonanzfrequenz des Schalldämpfers.
Die Ausbildung von vier radialen Bohrungen, von denen in 4 die Bohrungen 31 bis 33 dargestellt sind, entspricht der Ausbildung der radialen Bohrungen des in 2 dargestellten Schalldämpfers.

Claims

Ventil zum Steuern eines Gases, umfassend ein Ventilgehäuse (13), das eine Betätigungseinheit (14) für ein Ventilschließglied (18) aufnimmt, das derart mit einem an einer Sitzplatte (27) ausgebildeten Ventilsitz (30) zusammenwirkt, dass ein Fluidstrom durch Abströmöffnungen (26) der Sitzplatte (27) steuerbar ist, wobei stromab der Abströmöffnungen (26) ein im Wesentlichen rohrförmiger, stirnseitig offener Schalldämpfer (29, 29') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (29, 29') mit radialen Ausnehmungen (31, 32, 33, 34) versehen ist, die eine Umgebung des Schalldämpfers (29, 29') mit dem Schalldämpferinneren verbinden.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der radialen Ausnehmungen (31, 32, 33, 34) mindestens ein Drittel der inneren Mantelfläche des Schalldämpfers (29, 29') bedecken.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (31, 32, 33, 34) an der Schalldämpferaußenseite jeweils mit einer angefasten oder abgerundeten Einströmkante (35, 36, 37, 38) versehen sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (29') eine Länge (L) hat, die geringer ist als sein Innendurchmesser (D).
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (29, 29') und die Sitzplatte (27) einstückig gefertigt sind.