DE102006006886A1

DE102006006886A1 - Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien

Info

Publication number: DE102006006886A1
Application number: DE102006006886A
Authority: DE
Inventors: Frank Miller; Elmar Okrent
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Es wird ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Ventilhülse (7), in der ein Ventilanker (9) mit einem Ventilschließglied (11) zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (3) und einer Abströmseite (5) gegenüber einem fest in der Ventilhülse (7) angeordneten Ventilsitzkörper (15) axial beweglich geführt ist. Dabei ist eine dem Ventilanker (9) zugewandte Stirnfläche (16) eines Ventilsitzes (13) des Ventilsitzkörpers (15), welche wenigstens eine auf einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kurve angeordnete Durchtrittsöffnung (17) aufweist, wenigstens im Bereich einer Dichteinrichtung (21) plan ausgebildet, wobei die Dichteinrichtung (21) mit einer der Anzahl der Durchtrittsöffnungen (17) entsprechenden Zahl von Dichtelementen (22) ausgebildet ist, welche die geometrische Form der wenigstens einen Durchtrittsöffnung (17) nachbilden und radial frei angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Ein solches Ventil zum Steuern eines Fluids ist beispielsweise aus der DE 103 19 920 A1 bekannt, wobei das darin beschriebene, elektromagnetisch betätigbare Ventil ein Ventilschließglied umfasst, welches einen Fluidstrom von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite steuert und mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, welcher an einer Ventilplatte ausgebildet ist. Zur Dichtigkeitserhöhung im Bereich des Ventilsitzes umfasst das Ventil ein Dichtelement, welches an der Stirnseite des Ventilschließgliedes angeordnet ist und eine oder auch mehrere Dichtlippen aufweist. Das Dichtelement kann ringförmig ausgebildet und an der Stirnseite des Ventilschließgliedes in einer korrespondierenden Ringnut eingebettet sein.

Da solche Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche zum Einsatz auch oder insbesondere bei gasförmigen Medien vorgesehen sind, bezüglich ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet sind, werden die spezifischen Anforderungen, die gasförmige Medien an Ventile stellen, gegebenenfalls nicht vollständig erfüllt. So sind an einen Gasverbrennungsmotor bzw. an eine Brennstoffzelle üblicherweise weitaus größere Fluidmengen zu fördern als an einen mit Flüssigbrennstoff betriebenen Verbrennungsmotor, weshalb der Ventilquerschnitt und der Ankerhub entsprechend zu dimensionieren sind. Zweckmäßigerweise werden bei gasförmigen Medien stromgeregelte Endstufen zur Öffnung der Ventile verwendet, welche sehr kurze Öffnungszeiten erlauben, jedoch das Ventilschließglied mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftreffen lassen.

Einer besonders hohen Belastung wird dabei eine Dichteinrichtung zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz ausgesetzt, welche neben der Erhöhung der Dichtheit auch der Erhöhung der Lebensdauer des Ventils infolge der Verschleißreduktion an dem Ventilsitz sowie der Geräuschreduzierung dient. Da im Gegensatz zu flüssigkraftstoffbetriebenen Einspritzventilen, die durch die dem flüssigen Kraftstoff innewohnenden Schmiereigenschaften geschmiert werden, das Verschleißverhalten bei gasbetriebenen Ventilen zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz deutlich ungünstiger ist, kommt der Gestaltung des Ventilschließglied-Ventilsitz-Bereiches und der darin vorgesehenen Dichteinrichtung eine besondere Bedeutung zu.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welches hinsichtlich des statischen Fluidstroms und den Ventilöffnungskräften bei gleichzeitiger Gewährleistung der Lebensdaueranforderungen und der Sitzsicherheit der Dichteinrichtung weiter entwickelt ist.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, wie z. B. eine Brennstoffzelle oder einen Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit einer Ventilhülse, in der ein Ventilanker mit einem Ventilschließglied zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite gegenüber einem fest in der Ventilhülse angeordneten Ventilsitzkörper axial beweglich geführt ist, derart ausgestaltet ist, dass eine dem Ventilanker zugewandte Stirnfläche eines Ventilsitzes des Ventilsitzkörpers, welche wenigstens eine auf einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kurve angeordnete Durchtrittsöffnung aufweist, wenigstens im Bereich einer Dichteinrichtung plan ausgebildet ist, wobei die Dichteinrichtung mit einer der Anzahl der Durchtrittsöffnungen entsprechenden Zahl von Dichtelementen ausgebildet ist, welche die geometrische Form der wenigstens einen Durchtrittsöffnung nachbilden und radial frei angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die pneumatisch wirksame Fläche ausschließlich auf den Bereich der Öffnungen reduziert, wodurch vorteilhafterweise eine zum Öffnen des Ventilmoduls benötigte Kraft sehr gering ist und eine sehr gute Funktionalität des Ventilmoduls mit Gewährleistung der Dichtheit in allen Betriebszuständen über die Lebensdauer auch bei Setzvorgängen oder einer Ankerschiefstellung und insbesondere bei tiefen Temperaturen erreicht wird.

Mit der Ausgestaltung der Dichteinrichtung gemäß der Erfindung ist zudem eine vorteilhaft einfache Ventilsitz- und Ventilankergeometrie realisierbar, welche eine einfache und kostengünstige Herstellung des Ventilsitzes und des Ventilankers ermöglicht.

Wird die Dichteinrichtung an der dem Ventilanker zugewandten Stirnfläche des Ventilsitzes angeordnet, so kann in vorteilhafter Weise ein optimales Funktionieren des Schließmechanismus auch ohne eine Führung des Ventilankers erreicht werden.

Eine besonders einfache und aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhafte Gestaltung kann durch die Anordnung der Dichteinrichtung an der dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche des Ventilankers erzielt werden.

Die Dichteinrichtung kann wenigstens im Wesentlichen aus einem Elastomer oder alternativ aus einem Thermoplast gebildet sein und mittels einer Vulkanisierung oder eines Aufspritzens an dem Ventilsitz bzw. dem Ventilanker sehr einfach und kostengünstig befestigt werden.

Eine hinsichtlich der Stabilität und des Fluiddurchflusses optimierte Ausbildung der Erfindung kann dadurch erreicht werden, dass zu einem Durchtritt des Fluidstroms von der Zuströmseite zu der Abströmseite nierenförmige Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind, welche gleichmäßig auf einer radialen Bahn um den axialen Mittelpunkt des Ventilsitzes verteilt angeordnet sind.

Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Ventilmoduls gemäß der Erfindung der Ventilanker, insbesondere eine in Richtung des Ventilsitzes weisende Fläche des Ventilschließgliedes, und/oder der Ventilsitz gehärtet werden, wobei ein einfaches Randschichthärten zur Anwendung kommen kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen eines Ventilmoduls gemäß der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilmoduls sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Einblasventil mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Dichteinrichtung;
2 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ventilsitzkörpers des Einblasventils der 1 mit der Dichteinrichtung in Alleinstellung;
3 einen vereinfachten Längsschnitt durch das in 1 dargestellte Ventil mit einer alternativen Anordnung der Dichteinrichtung;
4 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ventilankers des Einblasventils gemäß 3 mit der Dichteinrichtung in Alleinstellung; und
5 eine dreidimensionale Prinzipskizze des Ventilsitzkörpers des Einblasventils gemäß 3 in Alleinstellung.
Die 1 und 3 zeigen schematisiert jeweils ein Ventilmodul 1 eines Einblasventils, welches zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Regelung eines Fluidstroms von einer Zuströmseite 3 zu einer Abströmseite 5 dient.
Das Gaseinblasventil kann in an sich bekannter Bauweise mit einem mehrteiligen Gehäuse ausgebildet sein, in welchem eine elektromagnetische Betätigungseinheit mit einer Magnetspule angeordnet ist, welche das dargestellte Ventilmodul 1 umgibt.
Das Ventilmodul 1 umfasst eine Ventilhülse 7, welche durch Tiefziehen oder eine andere Umformtechnik hergestellt sein kann und aus einem nichtmagnetischen Werkstoff gebildet ist. In der Ventilhülse 7 ist axial verschiebbar ein weichmagnetischer Ventilanker 9 gelagert, welcher ein Ventilschließglied 11 aufweist, welches zum Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 13 eines Ventilsitzkörpers 15 ausgebildet ist.
Der Ventilsitz 13 ist bei den gezeigten Ausführungen an einem in die Ventilhülse 7 eingesetzten und daran beispielsweise durch Verschweißung befestigten Ventilsitzkörper 15 ausgebildet, welcher vorliegend selbst hülsenartig mit einem den Ventilsitz 13 bildenden Boden ausgebildet ist, jedoch in einer anderen Ausführung auch nur scheibenartig ausgebildet sein kann. Im Bereich des Ventilsitzes 13 sind mehrere Durchtrittsöffnungen 17 in der Art einer Spritzlochscheibe angeordnet.
In aktivem offenen Zustand des Gaseinblasventils, wie er in den 1 und 3 dargestellt ist und in welchem der magnetische Ventilanker 9 mit dem Ventilschließglied 11 durch die elektromagnetische Betätigungseinheit von dem Ventilsitz 13 abhebt, kann das gasförmige Medium durch die Durchtrittsöffnungen 17 strömen und an den Verbrennungsraum freigegeben werden.
Ohne einen elektromagnetischen Einfluss nimmt das Ventilmodul 1 einen nichtaktiven geschlossenen Zustand ein, bei welchem das Ventilschließglied 11 zusammen mit dem Ventilsitz 13 und einer Dichteinrichtung 21 einen Mediumfluss von der Zuströmseite 3 zur Abströmseite 5 verhindert, wobei das an dem Ventilanker 9 ausgebildete Ventilschließglied 11 durch die Kraft einer nicht näher dargestellten Rückstellfeder in Schließstellung gehalten wird.
Die Durchtrittsöffnungen 17 sind vorliegend, wie in 2 und 4 ersichtlich ist, als vier gleichartige nierenförmig ausgebildete Bohrungen 17 realisiert, welche alle auf einem Radius gleichmäßig um eine Mittelachse des Ventilsitzes 13 angeordnet sind.
Zwischen einer Stirnfläche 10 des Ventilschließglieds 11 und einer Stirnfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 ist zur Herstellung einer Dichtheit in Ventilschließstellung jeweils eine Dichteinrichtung 21 bzw. 21' vorgesehen, welche jeweils aus einzelnen Dichtelementen 22 bzw. 22' gebildet ist, die jeweils einer Durchtrittsöffnung 17 zugeordnet sind.
Die Dichtelemente 22 bzw. 22', welche in den vorliegenden Ausführungsbeispielen mittels eines aufvulkanisierten Elastomers an einer Stirnfläche 16 des Ventilsitzes 13 bzw. einer Stirnfläche 10 des Ventilankers 9 ausgebildet sind, können in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch mit oder aus einem Thermoplast ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Dichtmaterial auch aufgespritzt sein.
Bei dem in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21 an der Stirnfläche 16 des Ventilsitzes 13 und bei dem zweiten in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21' an der Stirnfläche 10 des Ventilschließglied 11 jeweils radial frei ohne seitliche Führung angeordnet, wobei die jeweilige Stirnfläche 10 bzw. 16 in einem Bereich um die Dichteinrichtung 21 bzw. 21' plan ausgebildet ist.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21 mit einzeln um die Durchtrittsöffnungen 17 angeordneten Dichtelementen 22 derart um die Durchtrittsöffnungen 17 an dem Ventilsitzkörper 15 angeordnet, dass die Durchtrittsöffnung 17 durch die Dichteinrichtung 21 in ihrer Durchtrittsfläche nicht verkleinert wird.
Die Dichtelemente 22 korrespondieren dabei derart mit den Durchtrittsöffnungen 17, dass ein Übergang von den Durchtrittsöffnungen 17 zu den Dichtelementen 22 gerundet und kantenfrei verläuft, wodurch keine Ablösebereiche der Strömung im Bereich der Durchtrittsöffnungen 17 entstehen und somit ein sehr hoher Füllungsgrad der Durchtrittsöffnungen 17 erreicht wird, wobei der Ventilsitz 13 durch die dabei erreichte sehr kleine pneumatisch wirksame Fläche strömungs- und öffnungskraftoptimiert ausgebildet ist.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21', wie den 3 und 4 entnehmbar ist, ebenfalls mit separaten die Durchtrittsöffnungen geometrisch nachbildenden Dichtelementen 22' ausgebildet, wobei diese auf dem Ventilschließglied 11 derart angeordnet sind, dass sie in geschlossenem Zustand des Ventilmoduls 1 exakt die Kontur der zugeordneten Durchtrittsöffnungen 17 umgebend an dem Ventilsitz 13 aufliegen. Bei dieser Ausführung ist der Ventilanker 9 in der Ventilhülse 7 derart geführt, dass ein Verdrehen des Ventilankers 9 gegenüber dem Ventilsitz 13 während des Betriebs nicht möglich ist und somit die Dichteinrichtung 21 die Durchtrittsöffnungen 17 jeweils sicher abdichtet.
Durch die Verwendung von einzelnen jeweils direkt um die Durchtrittsöffnungen angeordnete Dichtelementen 22 bzw. 22' wird die Dichtung ausschließlich auf den Bereich der Durchtrittsöffnungen 17 reduziert, wodurch eine zum Öffnen des Ventilmoduls 1 benötigte Kraft sehr gering ist.
Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des Ventilmoduls 1 ist der Ventilanker 9 mit einer in Richtung des Ventilsitzes 13 weisenden Stirnfläche 10 des Ventilschließgliedes 11 und der Ventilsitz 13 randschichtgehärtet.
Es bleibt dem Fachmann überlassen entsprechend der Anforderungen an das Ventilmodul 1 weniger oder mehr als die genannten Flächen und Körper zu härten und ein jeweils dafür geeignetes Verfahren auszuwählen.

Claims

Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, mit einer Ventilhülse (7), in der ein Ventilanker (9) mit einem Ventilschließglied (11) zur Einstellung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (3) und einer Abströmseite (5) gegenüber einem fest in der Ventilhülse (7) angeordneten Ventilsitzkörper (15) axial beweglich geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Ventilanker (9) zugewandte Stirnfläche (16) eines Ventilsitzes (13) des Ventilsitzkörpers (15), welche wenigstens eine auf einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kurve angeordnete Durchtrittsöffnungen (17) aufweist, wenigstens im Bereich einer Dichteinrichtung (21, 21') plan ausgebildet ist, wobei die Dichteinrichtung (21, 21') mit einer der Anzahl der Durchtrittsöffnungen (17) entsprechenden Zahl von Dichtelementen (22, 22') ausgebildet ist, welche die geometrische Form der wenigstens einen Durchtrittsöffnung (17) nachbilden und radial frei angeordnet sind.
Ventilmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (21) an der dem Ventilanker (9) zugewandten Stirnfläche (16) des Ventilsitzes (13) angeordnet ist.
Ventilmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (21') an einer dem Ventilsitz (13) zugewandten Stirnfläche (10) des Ventilankers (9) angeordnet ist.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (21, 21') mit einem Elastomer gebildet ist.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (21, 21') mit einem Thermoplast gebildet ist.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (21, 21') mittels einer Vulkanisierung oder eines Aufspritzens an der Stirnfläche (10) des Ventilschließgliedes (11) bzw. an der Stirnfläche (16) des Ventilsitzes (13) angeordnet ist.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchtrittsöffnung (17) für den Fluidstrom wenigstens annähernd nierenförmig ausgebildet ist.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (15) vier Durchtrittsöffnungen (17) aufweist, welche gleichmäßig verteilt auf einer radialen Bahn um den Mittelpunkt des Ventilsitzes (13) angeordnet sind.
Ventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilanker (9), insbesondere die Stirnfläche (10) des Ventilschließgliedes (11), und/oder der Ventilsitz (13) gehärtet, vorzugsweise randschichtgehärtet, ausgebildet sind.