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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Mediums,
insbesondere eines Brenngases, für
eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzelle.
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Ventile
zum Steuern von Fluiden sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausgestaltungen bekannt. Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik
werden in jüngster
Zeit neben den bekannten flüssigen
Kraftstoffen auch verstärkt
sogenannte Zwei-Kraftstoff-Fahrzeuge
angeboten, welche neben Benzin- oder Dieselkraftstoff noch mit einem
zusätzlichen
gasförmigen
Kraftstoff, wie z. B. Erdgas, betrieben werden können. Häufig werden bei derartigen
Fahrzeugen die aus den flüssigen
Kraftstoffen bekannten Ventile auch für die gasförmigen Kraftstoffe verwendet.
Allerdings haben Ventile für gasförmige Stoffe
andere Anforderungsprofile als die für flüssige Kraftstoffe. Neben einer
fehlenden Selbstschmiereigenschaft von Gasen treten häufig Kaltstartprobleme
bei gasbetriebenen Fahrzeugen auf. Es besteht somit ein Bedarf an
speziell für
gasförmige
Medien ausgelegte Ventile.
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Bei
einer Verwendung von Gasventilen in Fahrzeugen müssen die Gasventile insbesondere
einen zeitlich reproduzierbaren Abhebevorgang eines Dichtelements
von einem Ventilsitz sicherstellen. Bei tiefen Temperaturen von
0°C oder
darunter kommt es jedoch zu großen
Adhäsionskräften zwischen
dem Ventilsitz und dem Dichtelement. Deshalb muss eine Öffnungskraft
zum Öffnen
des Gasventils deutlich größer sein
als bei höheren
Temperaturen von beispielsweise 20°C. Ferner wurde festgestellt,
dass sich das Dichtelement zusätzlich
noch viskoelastisch verformen kann und dadurch eine Kontaktfläche zwischen
dem Dichtelement und dem Ventilsitz zusätzlich vergrößert wird.
Dadurch wird die Adhäsionskraft zwischen
Dichtelement und Ventilsitz noch größer.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern eines Mediums, insbesondere gasförmigen Mediums, z. B. eines
Brenngases für
eine Brennkraftmaschine, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es einen
kompakten und kostengünstigen
Aufbau aufweist und auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C eine ausreichende Öffnungsperformance
aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das
Ventil einen Ventilsitz mit wenigstens einer Durchlassöffnung und
ein Ventilglied mit einem Dichtelement umfasst. Das Ventilglied
gibt die Durchlassöffnung
frei bzw. verschließt
diese. Der Ventilsitz umfasst dabei ferner ein Federelement, welches
bei geschlossenem Ventil eine vorgespannte Stellung einnimmt. Wenn
nun das Ventil geöffnet
werden soll, unterstützt
das vorgespannte Federelement am Ventilsitz den Öffnungsvorgang. Dadurch kann
insbesondere auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C eine kurze Öffnungszeit
erreicht werden, ohne dass eine zu große Öffnungskraft zum Abheben des
Ventilglieds vom Ventilsitz notwendig ist. Somit ist ein Teil der
Last des Ventilglieds als potentielle Energie im vorgespannten Federelement
gespeichert. Bei Öffnung
wird diese potentielle Energie freigegeben und unterstützt dadurch
den Öffnungsvorgang.
Das Ventil ist vorzugsweise ein Einblasventil für ein Brenngas.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das
Dichtelement des Ventilglieds ist vorzugsweise derart angeordnet,
dass es am Federelement des Ventilsitzes abdichtet. Mit anderen
Worten wird bei geschlossenem Ventil eine Dichtung nicht unmittelbar
zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement, sondern zwischen dem
Federelement des Ventilsitzes und dem Dichtelement bereitgestellt.
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Das
Federelement umfasst vorzugsweise einen Fixierbereich und einen
Federbereich. Das Federelement ist am Fixierbereich am Ventilsitz
befestigt. Das Fixieren kann beispielsweise mittels Schweißen oder
Kleben oder Verschrauben o. ä.
erfolgen.
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Weiter
bevorzugt ist der Federbereich im unbelasteten Zustand in einem
vorbestimmten Winkel vom Fixierbereich abstehend angeordnet. In
Abhängigkeit
von dem Winkel kann dabei eine Vorspannkraft des Federelements im
geschlossenen Zustand des Ventils definiert werden. Die Vorspannkraft
ist dabei umso größer, je
größer der
Winkel ist.
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Besonders
bevorzugt steht der Federbereich dabei in Richtung des Dichtelements
vor. Dadurch kann ein besonders einfacher und kompakter Aufbau realisiert
werden.
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Das
Ventil umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von Durchlassöffnungen,
welche im Wesentlichen konzentrisch zu einer Mittelachse des Ventils angeordnet
sind. Die Form der Durchlassöffnungen ist
dabei beliebig und kann eine Vielzahl von zylindrischen Durchlasslöchern oder
eine Vielzahl von bogenförmigen
Schlitzen sein. Das Federelement umfasst ferner ein erstes Federbauteil
und ein zweites Federbauteil, wobei das erste Federbauteil an einem von
den Durchlassöffnungen
radial außenliegenden Bereich
angeordnet ist und das zweite Federbauteil an einem von den Durchlassöffnungen
radial innenliegenden Bereich angeordnet ist. Das Dichtelement dichtet
hierbei vorzugsweise sowohl am ersten als auch am zweiten Federbauteil
ab. Durch diesen Aufbau kann insbesondere sichergestellt werden,
dass eine möglichst
große
Gasmenge durch die Vielzahl von Durchlassöffnugnen bei einem geöffneten
Ventil ausströmen
kann.
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Das
Federelement ist vorzugsweise einstückig mit dem Ventilsitz gebildet.
Dadurch kann insbesondere die Teilezahl reduziert werden.
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Das
Federelement ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus Federstahl,
oder aus einem Kunststoff, hergestellt.
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Besonders
bevorzugt ist das Federelement eine Blattfeder. Dadurch kann das
Federelement besonders einfach und kostengünstig bereitgestellt werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung im geöffneten
Zustand,
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2 eine
schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten
Ventils in geschlossenem Zustand, und
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3 eine
Draufsicht auf das am Ventilsitz angeordnete Federelement.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein
Ventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Das
Ventil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Gasventil
für ein
Fahrzeug, welches für
ein Einblasen eines gasförmigen
Kraftstoffs, wie z. B. Erdgas, verwendet wird. Eine andere Verwendungsmöglichkeit
eines derartigen Gasventils ist beispielsweise die Verwendung bei
einer Brennstoffzelle als Gassteuerventil. Das Ventil 1 ist
symmetrisch zu einer Mittelachse X-X angeordnet.
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Wie
insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, umfasst das Ventil 1 einen Ventilsitz 2, in
welchem eine Vielzahl von Durchlassöffnungen 3 gebildet
sind. Wie aus 3 ersichtlich ist, sind im Ventilsitz 2 vier
identische Durchlassöffnungen 3 gebildet,
welche jeweils kreisbogenförmig
ausgebildet sind. Durch das Vorsehen dieser vier relativ großen Durchlassöffnungen 3 kann
ein hoher Volumenstrom des Gases bei geöffnetem Ventil sichergestellt
werden. Die Durchlassöffnungen 3 sind
konzentrisch zur Mittelachse X-X des Ventils angeordnet. Das Ventil 1 umfasst
ferner ein Ventilglied 4, an dessen zum Ventilsitz 2 gerichteten
Ende ein Dichtelement 5 angeordnet ist. Das Dichtelement 5 ist
ein Elastomer und ist ringförmig
ausgebildet. Das Dichtelement 5 weist dabei einen Flachdichtsitz
auf. Das Dichtelement 5 ist am Ventilglied 4 mittels
Kleben befestigt.
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Weiter
ist am Ventilsitz 2 ein Federelement 6 angeordnet.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist,
umfasst das Federelement 6 ein erstes Federbauteil 7 und
ein zweites Federbauteil 8. Das Federelement 6 ist
dabei an der zum Dichtelement 5 gerichteten Seite angeordnet.
Das erste Federbauteil 7 ist an einem radial nach außen gerichteten
Bereich der Durchlassöffnungen 3 angeordnet
und das zweite Federbauteil 8 ist an einem radial nach
innen gerichteten Bereich der Durchlassöffnungen 3 angeordnet. Das
erste Federbauteil 7 ist dabei im Wesentlichen ringförmig und
das zweite Federbauteil 8 im Wesentlichen kreisförmig gebildet.
Wie aus 1 ersichtlich ist, welche die geöffnete Stellung
des Ventils 1 zeigt, umfasst das erste Federbauteil 7 einen
Fixierbereich 7a und einen Federbereich 7b. Der
Federbereich 7b steht um einen Winkel α vom Fixierbereich 7a in Richtung
des Dichtelements 5 vor. Das erste Federbauteil 7 ist
mittels einer Schweißnaht 9 am
Ventilsitz 2 befestigt. Das zweite Federbauteil 8 umfasst
ebenfalls einen Fixierbereich 8a und einen Federbereich 8b,
welcher in einem Winkel β zum
Fixierbereich 8a angeordnet ist. Das zweite Federbauteil 8 ist
somit tellerartig aufgebaut und ebenfalls mittels einer Schweißnaht 9 am
Ventilsitz 2 befestigt. Der Winkel α und der Winkel β sind vorzugsweise
gleich gewählt und
liegen im Bereich von ca. 20°.
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Der
Ventilsitz 2 ist ferner in einem Ventilgehäuse 10 fixiert,
in welchem auch ein nicht dargestellter Antrieb für das Ventilglied 4,
z. B. ein Magnetanker und eine entsprechend ausgebildete Spule oder ein
Piezoaktor, angeordnet ist.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist
dabei wie folgt. 2 zeigt den geschlossenen Zustand
des Ventils 1. In diesem Zustand sind die beiden Federbauteile 7 und 8 in
einem vorgespannten Zustand. Wie aus 2 ersichtlich
ist, dichtet das Dichtelement 5 an der zum Dichtelement
gerichteten Seite der beiden Federbauteile 7 und 8 ab.
Die beiden Federbauteile 7 und 8 sind dadurch
in einem vorgespannten Zustand, da ihr Federbereich 7a bzw. 8a jeweils
durch das Dichtelement 5 gegen den Ventilsitz 2 gedrückt wird.
Ein zu steuerndes Gas, welches im Bereich B ansteht, kann somit
nicht durch die Durchlassöffnungen 3 gelangen.
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Wenn
das Ventil 1 geöffnet
werden soll, wird das Ventilglied 4 in Richtung des Pfeils
A bewegt (vgl. 2), so dass das Dichtelement 5 vom
Federelement 6 abgehoben wird. Dadurch wird das Ventil 1 geöffnet. Dieser
Zustand ist in 1 gezeigt. Hierdurch ist es möglich, dass
das unter Druck anstehende Gas im Bereich B zwischen den beiden
Federbauteilen 7 und 8 und durch die Durchlassöffnungen 3 nach
außen
strömt.
Dies ist durch die Pfeile C in 1 gekennzeichnet.
Während
des Öffnungsvorgangs
unterstützt
dabei das Federelement 6 das Abheben des Dichtelements 5.
Hierbei werden die vorgespannten Federbereiche 7b und 8b aufgrund
der in ihnen gespeicherten potentiellen Energie in Richtung des Öffnungshubs
des Ventilglieds 4 bewegt, um den Öffnungsvorgang des Ventils
zu unterstützen.
Da die Eigenschaften des Federelements 6 über den
normalen Temperaturbereich, in welchem das Ventil verwendet wird,
weitestgehend konstant ist, bleiben auch seine elastischen Eigenschaften
weitgehend konstant.
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Somit
unterstützt
das erfindungsgemäße Federelement 6 unabhängig von
der Höhe
der Temperatur den Öffnungsvorgang.
Dadurch kann insbesondere ein einfacherer Kaltstart des Fahrzeugs
ermöglicht
werden. Ferner kann durch die Ausgestaltung des Dichtelements 5 in
Form eines Flachsitzes mit geneigten Randbereichen 5a, 5b vermieden
werden, dass sich das aus einem Elastomer hergestellte Dichtelement 5 viskoelastisch
verformt und sich dadurch seine Kontaktfläche mit dem Federelement vergrößert. Ferner
kann auch bei Temperaturen unter 0°C sichergestellt werden, dass
eine motortechnisch relevante Öffnungszeit
sichergestellt werden kann, da das Dichtelement 5 nun eine
ausreichend große Relaxationsgeschwindigkeit
aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Ventil 1 ist
somit insbesondere an die speziellen Bedürfnisse gasförmiger Medien
angepasst. Durch Verwendung eines Flachdichtsitzes sowie die tellerfederartigen
Federbauteile 7 und 8 können dabei ferner ein einfacher
und sehr kompakter und platzsparender Aufbau sichergestellt werden.