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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Mediums,
insbesondere eines gasförmigen
Mediums, wie beispielsweise ein Einblasventil zur Einblasung eines
gasförmigen
Kraftstoffs für
eine Brennkraftmaschine oder Brennstoffzelle.
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Ventile
zum Steuern von Medien sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausgestaltungen bekannt. Im Kraftfahrzeugbereich werden in jüngster Zeit
verstärkt
neben flüssigen
Kraftstoffen auch gasförmige
Kraftstoffe, wie z. B. Erdgas, verwendet. Hierbei werden häufig die
bekannten Einspritzventile für
flüssige
Medien einfach unverändert für den Einsatz
von gasförmigen
Medien verwendet. Die Einspritzventile für flüssige Medien genügen vielfach
nicht den spezifischen Anforderungen an gasförmige Medien. Ferner werden
bei Gasventilen häufig
Elastomere zur Abdichtung eingesetzt. Zwischen dem Elastomer und
einem metallischen Ventilsitz kommt es jedoch infolge von Wechselwirkungen
zwischen den beiden Materialien zu einem Kleben des Elastomers am
Ventilsitz. Zusätzlich
tritt noch eine viskoelastische Verformung des Elastomers auf, wodurch
sich eine Kontaktfläche
des Elastomers mit dem Ventilsitz vergrößert. Insbesondere bei tiefen Temperaturen
von 0°C
oder darunter wurde festgestellt, dass eine Öffnungszeit zum Öffnen des
Ventils so kurz ist, dass sich der Elastomer nicht schnell genug
relaxieren kann. Deshalb ist es notwendig, dass eine erhöhte Öffnungskraft
zum Abheben des Elastomers vom Ventilsitz bereitgestellt werden
muss. Das Bereitstellen dieser erhöhten Kraft zum Öffnen des Ventils
führt jedoch
dazu, dass größere Antriebseinheiten
notwendig sind, wodurch sich der Bauraum für das Ventil vergrößert. Dies
ist jedoch unerwünscht.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Zuführen eines
Mediums, insbesondere eines gasförmigen Mediums,
weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass es bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Herstellbarkeit auch bei tiefen Temperaturen von 0°C oder darunter
ein problemloses Öffnen
des Ventils sicherstellt. Ein bewegbares Ventilglied kann somit
problemlos von einem Ventilsitz abgehoben werden, um eine Durchgangsöffnung freizugeben. Auch
eine Rückstellung
des Ventilglieds in die geschlossene Position ist problemlos möglich. Ein
Dichtelement ist dabei am Ventilglied oder am Ventilsitz angeordnet.
Erfindungsgemäß ist dabei
ein Anschlagelement vorgesehen, welches beim Schließvorgang eine
Bewegung des Ventilglieds in Richtung des Ventilsitzes derart begrenzt,
dass das Dichtelement in geschlossenem Zustand des Ventils am Ventilsitz
abdichtet, jedoch bei der Abdichtung nur eine geringe Verformung
erfahrt. Hierdurch wird einerseits verhindert, dass sich das Dichtelement
aufgrund der auf das Dichtelement wirkenden großen Schließkraft in zu großem Umfang
verformt, so dass eine Kontaktfläche
mit dem Ventilsitz vergrößert wird.
Andererseits wird eine Relaxationszeit des Dichtelements aufgrund
der nur geringen Verformung sehr klein gehalten. Dadurch kann das
Ventil schnell und ohne Bereitstellung einer übermäßig großen Öffnungskraft geöffnet werden.
Das Vorsehen des Anschlags zur Begrenzung des Schließhubs des
Ventilglieds ist dabei eine sehr einfache und kostengünstige Maßnahme,
welche jedoch überraschenderweise
sehr große Vorteile
für das Öffnen des
Ventils bereitstellt. Dadurch ist es für ein erfindungsgemäßes Ventil
nicht notwendig, einen übermäßig großen Bauraum
aufgrund einer großen Öffnungseinheit
o.Ä. bereitzustellen.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Um
einen besonders einfachen Aufbau aufzuweisen, ist die Abdichtung
zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz ringförmig. Dabei
ist das Dichtelement besonders bevorzugt ringförmig ausgebildet. Vorzugsweise
ergibt sich dabei eine linienförmige
Abdichtung.
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Weiter
bevorzugt ist das Anschlagelement am Ventilglied angeordnet. Dadurch
kann ein besonders kostengünstiger
Aufbau realisiert werden. Dabei ist das Anschlagelement besonders
bevorzugt einstückig
mit dem Ventilglied ausgebildet. Alternativ hierzu ist das Anschlagelement
am Ventilsitz angeordnet und besonders bevorzugt einnstückig mit
dem Ventilsitz ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das am Ventilglied
angeordnete Anschlagelement derart vorgesehen, dass das Dichtelement
am Ventilglied seitlich und unmittelbar benachbart zum Anschlagelement
angeordnet ist. Dabei berührt
das Dichtelement das Anschlagelement. Dadurch weist das Anschlagelement
neben der Funktion einer Bewegungsbegrenzung des Ventilglieds noch
eine seitliche Abstützfunktion
für das Dichtelement
auf. Hierdurch kann insbesondere auch eine Verformung des Dichtelements
beim Aufsetzen auf den Ventilsitz begrenzt werden.
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Um
das Dichtelement vollständig
oder zumindest teilweise zu umfassen, ist das Anschlagelement vorzugsweise
teilkreisförmig
oder vollständig kreisförmig gebildet.
Dadurch liegt das Dichtelement an einer vorbestimmten Bogenlänge oder
vollständig an
seinem Außenumfang
am Anschlagelement an.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Anschlagelement
radial außerhalb
des Dichtelements und/oder radial innerhalb des Dichtelements angeordnet.
Somit kann, wenn eine möglichst
geringe Verformung des Dichtelements im geschlossenen Zustand des
Ventils, in welchem das Dichtelement auf dem Ventilsitz aufliegt,
erhalten werden soll, das Anschlagelement ringförmig radial außerhalb
und ringförmig
radial innerhalb des Dichtelements angeordnet sein. Mit anderen
Worten bilden die beiden ringförmigen
Anschlagelemente zwischen sich eine Nut, in welcher das Dichtelement
angeordnet ist.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Ventilsitz einen ersten und einen zweiten
ringförmigen
Sitzbereich. Die beiden Sitzbereiche des Ventilsitzes stehen in
Richtung des Ventilglieds vor und zwischen den beiden ringförmigen Sitzbereichen
ist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen
gebildet. Somit dichtet das Dichtelement an den beiden ringförmigen Sitzbereichen
ab und nach einem Öffnen
des Dichtelements kann das zu steuernde Medium sowohl von der radialen
Außenseite
als auch von der radialen Innenseite in die Durchgangsöffnungen
im Ventilsitz strömen.
Hierdurch kann insbesondere bei Gasventilen ein großer Massenstrom
während
eines Öffnungszyklus
des Ventils erhalten werden.
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Um
einen besonders einfachen Aufbau des Ventils bereitzustellen, weist
das Ventilglied eine zentrale Zufuhrbohrung zur Zuführung des
Mediums und mehrere von der Zufuhrbohrung abzweigende Seitenbobrungen
auf, wobei die Seitenbohrungen in einen um das Ventilglied herum
angeordneten Druckraum münden.
Insbesondere in Verbindung mit den beiden ringförmigen Sitzbereichen am Ventilsitz
kann durch diese Ausgestaltung des Ventilglieds ein besonders großer Massenstrom
beim Öffnen
des Ventils sichergestellt werden.
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Das
Ventil ist besonders bevorzugt ein Gasventil für ein gasförmiges Medium, insbesondere
für Erdgas,
Wasserstoff oder für
einen anderen gasförmigen
Brennstoff. Das erfindungsgemäße Gasventil wird
vorzugsweise als Gaseinblasventil bei Brennkraftmaschinen oder als
Gassteuerventil bei Brennstoffzellen verwendet.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
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 ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1,
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3 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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4 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, und
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5 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden 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 Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Das Ventil 1 ist ein Gaseinblasventil,
welches zum Einblasen eines gasförmigen
Brennstoffs in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine verwendet
wird. Das erfindungsgemäße Gaseinblasventil
ist dabei sowohl für eine
innere als auch für
eine äußere Gemischbildung einsetzbar.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Ventil 1 einen
Ventilsitz 2 mit mehreren Durchgangsöffnungen 5. Ferner
umfasst das Ventil 1 ein in Axialrichtung X-X des Ventils
bewegbares Ventilglied 3 mit einem daran befestigten Dichtelement 4.
Wie aus 1 ersichtlich ist, dichtet der
Dichtsitz 4 an einem inneren ringförmigen Sitzbereich 20 und
einem äußeren ringförmigen Sitzbereich 21 ab.
Die Durchgangsöffnungen 5 sind
dabei zwischen dem inneren Sitzbereich 20 und dem äußeren Sitzbereich 21 angeordnet.
Der innere Sitzbereich 20 und der äußere Sitzbereich 21 stehen
von einer Basisfläche 12 des
Ventilsitzes in Richtung des Ventilglieds 3 vor. Wie insbesondere
aus 1 ersichtlich ist, sind die Durchgangsöffnungen 5 dabei
in radialer Richtung zwischen dem inneren Sitzbereich 20 und
dem äußeren Sitzbereich 21 angeordnet.
Die Durchgangsöffnungen 5 sind
dabei im Wesentlichen ebenfalls bogenförmig ausgebildet. Es sei jedoch
angemerkt, dass alternativ die Durchgangsöffnungen 5 auch zylindrische
Bohrungen sein können,
wobei eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen ringlochartig und
konzentrisch zur Mittelachse X-X angeordnet ist.
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Wie
insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 4 ebenfalls
ringförmig
ausgebildet und als flaches Dichtelement vorgesehen. Das Dichtelement 4 ist
beispielsweise mittels Kleben am Ventilglied 3 befestigt.
Das Ventilglied 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Magnetanker,
so dass das Ventil 1 ein Magnetventil ist. Der Ventilsitz 2 ist
mittels einer Schweißnaht 8 in
einem zylindrischen Gehäuse 7 befestigt.
Das Gehäuse 7 dient
ferner als Führungselement
für das
Ventilglied 3. Im Ventilglied 3 ist eine zentrale
Zufuhrbohrung 9 vorgesehen, durch welche das zu steuernde
gasförmige
Medium zugeführt
wird. Von der zentralen Zufuhrbohrung 9 gehen vier Seitenbohrungen 10 in
einem unteren Bereich des Ventilglieds 3 ab. Die Seitenbohrungen 10 sind dabei
in einem rechten Winkel zur zentralen Zufuhrbohrung 9 angeordnet.
Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, steht somit
ein unter Druck stehendes gasförmiges
Medium sowohl an der unteren Öffnung der
zentralen Zufuhrbohrung 9 an als auch in einem ringförmigen Bereich
B seitlich um das Ventilglied 3.
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Ferner
umfasst das Ventil 1 ein Anschlagelement 6. Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist das Anschlagelement 6 radial
außerhalb
des Dichtelements 4 gebildet. Das Anschlagelement 6 steht
dabei in Richtung des Ventilsitzes 2 etwas über das
Dichtelement 4 vor und bildet im geschlossenen Zustand
des Ventils einen Anschlag für
eine Schließbewegung
des Ventilglieds 3. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich
ist, umfasst das Anschlagelement 6 vier bogenförmige Anschlagbereiche 6a, 6b, 6c und 6d.
Zwischen den einzelnen bogenförmigen
Anschlagbereichen 6a, 6b, 6c, 6d sind
vier Ausnehmungen 11 gebildet. Die Anschlagbereiche 6a, 6b, 6c, 6d weisen jeweils
gleichlange Bogenlängen
auf und einander benachbarte Anschlagbereiche sind in Bogenrichtung
gleich weit voneinander beabstandet. Wie insbesondere aus 2 weiter
ersichtlich, liegt das Dichtelement 4 unmittelbar an den
Innenseiten der Anschlagbereiche an. Hierdurch stützen die
Anschlagbereiche 6a, 6b, 6c, 6d einerseits
das Dichtelement 4 ab und andererseits verhindern die Anschlagbereiche,
dass sich das Dichtelement, wenn es auf die inneren und äußeren Sitzbereiche 20, 21 mit
einer vorbestimmten Kraft durch das Ventilglied 3 aufgesetzt
wird, in zu großem
Umfang viskoelastisch verformt. Somit verhindert das Anschlagelement 6 einerseits,
dass im geschlossenen Zustand des Ventils das Dichtelement 4 mit
einer zu großen
Kraft auf den inneren und äußeren Sitzbereich 20, 21 aufgepresst wird,
was zu einer großen
viskoelastischen Verformung des Dichtelements führen würde und insbesondere zu einer
vergrößerten Kontaktfläche zwischen
dem Dichtelement und den inneren und äußeren Sitzbereichen 20, 21.
Als weitere Funktion stellt das Anschlagelement 6 darüber hinaus
eine Begrenzung für
eine nach außen
gerichtete Verformung des Dichtelements 4 dar. Somit kann
das erfindungsgemäße Ventil
trotz der Verwendung eines Elastomers als Dichtelement verhindern,
dass zu große
Adhäsionskräfte zwischen
dem Dichtelement und dem Ventilsitz auftreten und somit große Öffnungskräfte zum Öffnen des
Ventilglieds 3 notwendig sind. Dadurch kann das Ventil
sehr kleinbauend ausgelegt werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Ventil
auch problemlos bei Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt
verwendet werden. Insbesondere kann bei einer Verwendung als Gaseinblasventil
eine sichere Kaltstartfähigkeit
der Brennkraftmaschine sichergestellt werden. Durch die mittels
des Anschlagelements 6 definierte Verformung des Dichtelements 4 am
Ventilsitz 2 kann die zum Öffnen des Ventils notwendige
Relaxationsgeschwindigkeit sichergestellt werden. Dabei ist die
Form des Dichtelements im geschlossenen Zustand des Ventils immer
wieder gleichreproduzierbar, so dass sich auch über die Lebensdauer des Ventils
keine Änderungen
ergeben.
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Zwischen
dem Dichtelement 4 und dem ersten und zweiten Sitzbereich 20, 21 ist
vorzugsweise ein Linienkontakt vorhanden.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 ein Ventil 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche
Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, ist im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel
beim zweiten Ausführungsbeispiel
ein Anschlagelement 16 radial innerhalb des Dichtelements 4 angeordnet.
Ferner ist das Anschlagelement 16 in diesem Ausführungsbeispiels
vollständig
ringförmig
umlaufend ausgebildet. Wie im ersten Ausführungsbeispiel liegt im geschlossenen
Zustand des Ventils das Anschlagelement 16 dabei auf der
Basisfläche 12 des
Ventilsitzes 2 auf und begrenzt somit eine Schließbewegung
des Ventilglieds 3. Die Funktion des Ventils 1 des
zweiten Ausführungsbeispiels
entspricht im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei durch
die Anordnung des Anschlagelements 16 radial innerhalb
des Dichtelements 4 eine viskoelastische Verformung des
Dichtelements 4 in radial nach innen gerichteter Richtung
verhindert wird. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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4 zeigt
ein Ventil 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
bezeichnet.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, umfasst das Ventilglied 3 des
dritten Ausführungsbeispiels
ein erstes Anschlagelement 17 und ein zweites Anschlagelement 18.
Die beiden Anschlagelemente 17, 18 sind einstückig mit
dem Veritilglied 3 gebildet und sind vollständig ringförmig umlaufend
ausgebildet. Dadurch bilden die beiden Anschlagelemente 17, 18 eine
umlaufende Nut 19, in welcher das Dichtelement 4 angeordnet
ist. Somit stellen die beiden Anschlagelemente 17, 18 des
dritten Ausführungsbeispiels
sicher, dass das Dichtelement 4 sich weder in Richtung radial
nach innen noch in Richtung radial nach außen verformen kann. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 5 ein Ventil
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional
gleiche Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist, ist beim vierten Ausführungsbeispiel
im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ein Dichtelement 24 am
Ventilsitz 2 angeordnet. Ferner ist auch ein Anschlag 25 einstückig mit
dem Ventilsitz 2 gebildet. Das Dichtelement 24 ist
ringförmig
ausgebildet und weist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 24a auf.
An seiner radial nach außen
gerichteten Seite liegt das Dichtelement 24 wieder am ringförmigen Anschlag 25 an.
Um eine sichere Abdichtung zwischen dem Ventilsitz 2 und
dem Ventilglied 3 zu erreichen, sind am Ventilglied 3 ein
innerer Sitzbereich 22 und ein äußerer Sitzbereich 23 gebildet.
Dadurch werden zwischen dem inneren und äußeren Sitzbereich 22, 23 und
dem Dichtelement 24 wieder zwei ringförmige Abdichtungen erreicht,
wobei die Durchgangsöffnung 24a zwischen
den beiden ringförmigen Sitzbereichen 22, 23 liegen. 5 zeigt
dabei den geöffneten
Zustand des Ventils. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Zum
vierten Ausführungsbeispiel
sei ferner angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist,
dass am Ventilsitz 2, alternativ auch nur am inneren Umfang
des Dichtelements 24, ein Anschlagelement angeordnet sein
kann oder sowohl am inneren Umfang als auch am äußeren Umfang ein Anschlagelement
angeordnet sein kann. Ferner muss das Dichtelement 24 nicht
zwingend ringförmig
ausgebildet sein, sondern kann auch aus mehreren bogenförmigen Teilbereichen
vorgesehen werden.