DE102009002836A1

DE102009002836A1 - Gasventil

Info

Publication number: DE102009002836A1
Application number: DE102009002836A
Authority: DE
Inventors: Hubert Stier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2010-11-11
Also published as: JP2010261591A

Abstract

Es wird ein Gasventil, insbesondere ein Dosierventil für ein gasförmiges Medium, angegeben, das eine in einem Ventilgehäuse (11) ausgebildete Ventilkammer (12) mit mindestens zwei Kammeröffnungen (13, 14), von denen eine erste Kammeröffnung (13) von einem Ventilsitz (15) ringförmig umschlossen ist, und einen in der Ventilkammer (12) angeordneten Schließkörper (16) aufweist, an dem ein auf den Ventilsitz (15) aufsetzbarer und vom Ventilsitz (15) abhebbarer Dichtsitz (17) ausgebildet ist. Zur Realisierung eines für eine optimale Dosierung des gsförmigen Mediums erforderlichen, druckausgeglichenen Ventils, bei dem der auf die voneinander abgekehrten Stirnseiten des Schließkörpers (16) wirkende Druck bei sich öffnendem Ventil stets gleich ist und somit den Öffnungshub des Schließkörpers (16) nicht beeinflusst, trennt eine am Schließkörper (16) und am Ventilgehäuse (11) festgelegte, flexible Trennwand (28) einen auf der von dem Ventilsitz (15) abgekehrten Rückseite des Schließkörpers (16) liegenden Rückraum (29) von der Ventilkammer (12) gasdicht ab und ist in den Schließkörper (16) mindestens ein den Rückraum (29) mit der ersten Kammeröffnung (13) verbindender Kanal (30) eingebracht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasventil, insbesondere einem Dosierventil für ein gasförmiges Medium, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Gasventil zur Dosierung von gasförmigem Brennstoff, wie Erdgas, Flüssiggas oder Wasserstoff, für Gasmotoren oder Brennstoffzellenantriebe ( DE 199 05 721 A1 ) ist zur Erzielung eines großen Durchlassquerschnitts bei kurzen Schalt- und Ansprechzeiten als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz und einem Schließkörper mit einem ebenen Dichtelement ausgebildet. Das Dichtelement ist mit seiner dem Ventilsitz zugekehrten Fläche durch eine auf den Schließkörper wirkende Ventilschließfeder gegen die Kraft einer auf das Dichtelement wirkenden Ventilöffnungsfeder auf den Ventilsitz aufgepresst. Zum Öffnen des Ventils greift am Schließkörper eine von einem Elektromagneten erzeugte, die Schließkraft der Ventilschließfeder überwindende Axialkraft an.
Beim Öffnen des Gasventils entsteht zwischen dem Vordruck auf der Zuströmseite und dem Nachdruck auf der Abströmseite des Ventilsitzes in Verbindung mit der pneumatisch wirksamen Fläche des Dichtelements eine pneumatische Öffnungskraft, die die zum Öffnen des Ventils durch Elektromagnet und Ventilöffnungsfeder bereitgestellte Öffnungskraft stark verändert. Als Folge dessen ist die Größe des Abhebewegs des Dichtelements vom Ventilsitz, also der Ventilhub, stark abhängig von der Größe des Vor- und Nachdrucks und somit die Brennstoffdosierung bei wechselnden Druckverhältnissen nicht ausreichend exakt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die gasdichte Verbindung des Schließkörpers mit dem Ventilgehäuse mittels einer flexiblen Trennwand und durch das Vorsehen eines Verbindungskanals im Schließkörper, der eine Verbindung von dem gemeinsam von der Trennwand und dem Schließkörper abgetrennten Rückraum zur ersten Kammeröffnung herstellt, ein druckausgeglichenes Ventil realisiert wird, bei dem auf beiden Seiten des Schließkörpers der gleiche Gasdruck herrscht, Vor- und Nachdruck am Schließkörper also identisch sind. Dadurch, dass auch die Trennwand am Schließkörper so festgelegt ist, dass ein den Rückraum begrenzender Oberflächenabschnitt auf der einen Seite des Schließkörpers annähernd gleich groß ist wie der von dem Dichtsitz eingegrenzte Oberflächenabschnitt auf der dem Ventilsitz zugekehrten anderen Seite des Schließkörpers, sind die auf die mit dem gleichen Druck beaufschlagten, voneinander abgekehrten Stirnflächen des Schließkörpers in Öffnungs- und Schließrichtung wirkenden Axialkräfte gleich groß und heben sich gegenseitig in ihrer Wirkung auf den Schließkörper auf. Damit ist der Ventilhub beim Öffnen des Ventils unabhängig von den in der Ventilkammer herrschenden Druckverhältnissen und die Brennstoffdosierung kann hochgenau ausschließlich durch Bemessen einer am Schließkörper angreifenden, z. B. elektromagnetisch oder piezoelektrisch erzeugten Hubkraft vorgenommen werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasventils möglich.
Die flexible Trennwand kann gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung auf unterschiedliche Weise realisiert werden, z. B. durch eine am Schließkörper und an der Ventilkammer befestigte Membran oder einen am Schließkörper und am Ventilgehäuse festgelegten Faltenbalg oder einen glattwandigen, ein- oder ausbeulbaren Hohlzylinder, dessen eines Stirnende am Schließkörper und dessen anderes Stirnende an der Kammerwand der Ventilkammer befestigt ist, oder durch eine steifen Hohlzylinder, der mit einem Zylinderende am Schließkörper befestigt und mit seinem davon abgekehrten, anderen Zylinderende im Ven tilgehäuse gleitverschieblich und gasdicht aufgenommen ist. Die Trennwand kann aus Metall oder Kunststoff bestehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils ausschnittweise in schematisierter Darstellung:
1 einen Längsschnitt eines Gasventils,
2 bis 4 jeweils eine gleiche Darstellung wie in 1 gemäß dreier weiterer Ausführungsbeispiele des Gasventils,
5 eine gleiche Darstellung wie in 1 mit einem modifizierten Schließkörper.
Das in 1 ausschnittweise im Längsschnitt schematisiert dargestellte Gasventil dient zur Dosierung eines gasförmigen Mediums, wie Erdgas oder Flüssiggas für einen Gasmotor oder von Wasserstoff für einen Brennstoffzellenantrieb. Das Gasventil weist ein Ventilgehäuse 11 mit einer darin ausgebildeten Ventilkammer 12 auf. Die Ventilkammer 12 ist mit mindestens zwei Kammeröffnungen 13, 14 versehen, von denen eine erste Kammeröffnung 13 von einem ebenen Ventilsitz 15 ringförmig umschlossen ist. Über mindestens eine der Kammeröffnungen, z. B. die beiden Kammeröffnungen 14, strömt gasförmiges Medium aus einem Vorratsbehälter in die Ventilkammer 12, und über die andere Kammeröffnung, z. B. die Kammeröffnung 13, strömt eine dosierte Menge an gasförmigem Medium zu dem Gasmotor oder Brennstoffzellenantrieb. Die Kammeröffnungen 13, 14 können aber ihre Zu- und Abströmfunktion miteinander tauschen, so dass an die erste Kammeröffnung 13 der Vorratsbehälter und an die beiden zweiten Kammeröffnungen 14 der Gasmotor bzw. der Brennstoffzellenantrieb angeschlossen ist. Die erste Kammeröffnung 13 und der sie umschließende Ventilsitz 15 sind an einem Ventilkörper 18 ausgebildet, der in das stirnseitig offene Ende des Ventilgehäuses 11 gasdicht eingesetzt ist. In der Ventilkammer 12 ist ein Schließkörper 16 angeordnet, an dem ein zum Verschließen der Kammeröffnung 13 auf den Ventilsitz 15 aufsetzbarer und zum Freigeben der Kammeröffnung 13 vom Ven tilsitz 15 abhebbarer Dichtsitz 17 ausgebildet ist. Im Ventilschließzustand liegen Dichtsitz 17 und Ventilsitz 15 annähernd mit einer Kreislinie oder mit einer sehr schmalen Ringfläche aufeinander. Der Schließkörper 16, der in dem Ausführungsbeispiel der 1 scheiben- oder plattenförmig ausgebildet ist, ist an einer Ventilnadel 19 befestigt, die durch ein die Ventilkammer 12 auf der dem Ventilkörper 18 gegenüberliegenden Seite abschließendes Verschlussstück 20 gasdicht hindurchgeführt ist. An der Ventilnadel 19 greift einerseits eine Ventilschließfeder 21 und andererseits ein Aktor 22 an. Die Ventilschließfeder 21 presst über die Ventilnadel 19 den Schließkörper 16 mit seiner Dichtfläche 17 auf den Ventilsitz 15 auf, und der Aktor 22 hebt bei seiner Aktivierung den Schließkörper 16 gegen die Kraft der Ventilschließfeder 21 um einen einstellbaren Hub vom Ventilsitz 15 ab. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor 22 ein Elektromagnet mit Magnetspule 25, Magnetkern 23 und im Magnetkern 23 axial verschieblich geführtem Magnetanker 24, der mit der Ventilnadel 19 fest verbunden ist. Alternativ kann der Aktor auch mit einem piezoelektrischen Modul zum Antrieb der Ventilnadel 19 ausgestattet sein. Zur gasdichten Durchführung der Ventilnadel 19 durch das Verschlussstück 20 ist in einer in das Verschlussstück 20 eingestochenen Ringnut 26 eine Dichtung 27 angeordnet, die sich an die Ventilnadel 19 anpresst.
Zur Erzielung einer optimalen Ventilfunktion bezüglich der Gasdosierung ist zum einen eine flexible Trennwand 28 einerseits am Schließkörper 16 und andererseits am Ventilgehäuse 11 so festgelegt, dass sie einen auf der von der Dichtfläche 17 des Schließkörpers 16 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16 liegenden Rückraum 29 von der Ventilkammer 12 gasdicht abtrennt, und zum anderen in den Schließkörper 19 ein Kanal 30 eingebracht, der den Rückraum 29 mit der ersten Kammeröffnung 13 verbindet. Die Trennwand 18 besteht aus flexiblem Material, z. B. aus Metall oder Kunststoff, und ist sowohl am Schließkörper 16 als auch an der Kammerwand der Ventilkammer 12 gasdicht befestigt, z. B. durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie Schweißen. Dabei ist die Trennwand 28 so am Schließkörper 16 festgelegt, dass der zusammen mit der Trennwand 28 den Rückraum 29 begrenzende Oberflächenabschnitt A_R auf der vom Ventilsitz 15 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16 annähernd gleich dem Oberflächenabschnitt A_D ist, der auf der dem Ventilsitz 15 zugekehrten Vorderseite des Schließkörpers 16 von dem Dichtsitz 17 umschlossen ist.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist als Trennwand 29 ein Well- oder Faltenbalg 31 eingesetzt, dessen eines Balgenende am Schließkörper 16, und zwar an der vom Dichtsitz 17 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16, und dessen anderes Balgenende an der dem Ventilsitz 15 gegenüberliegenden Kammerwand 121 jeweils stoffschlüssig befestigt, z. B. angeschweißt, ist. Alternativ ist es möglich, das eine Balgenende am Umfang des scheibenförmigen Schließkörpers 16 zu befestigen, so dass der Faltenbalg 31 an einer Stirnseite komplett von dem Schließkörper 16 gasdicht verschlossen ist. Durch den den Schließkörper 16 durchdringenden Kanal 30 ist sichergestellt, dass auf beiden Stirnseiten des Schließkörpers 16 der gleiche Druck anliegt und somit die Größe des in der Ventilkammer 12 herrschenden Gasdrucks auf den Hub des Ventils keinen Einfluss nimmt. Der Hubweg des Schließkörpers 16 beim Öffnen des Ventils wird damit ausschließlich durch die Größe der Bestromung des Aktors 22 bestimmt.
Der Well- oder Faltenbalg 31 ist vorzugsweise als ein Federelement mit in Balgachsrichtung wirkender Federkraft ausgebildet. Dadurch kann die Funktion der Ventilschließfeder 21 von Well- oder Faltenbalg 31 übernommen und eine separate Ventilschließfeder eingespart werden.
Die in 2 bis 4 dargestellten weiteren Ausführungsformen des Gasventils unterscheiden sich von dem in 1 dargestellten und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nur durch eine andersartige Ausbildung der flexiblen Trennwand 28.
In 2 ist die flexible Trennwand 28 mittels einer Membran 32 realisiert, deren äußerer Membranrand an der umlaufenden Kammerwand 122 und dessen innerer Membranrand auf der vom Ventilsitz 15 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16 stoffschlüssig, z. B., durch Schweißen, befestigt ist. Auch hier ist die zusammen mit der Membran 32 den Rückraum 29 begrenzende Fläche des Schließkörpers 16 auf der vom Ventilsitz 15 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16 gleich der vom Dichtsitz 17 umschlossenen Schließkörperfläche 16 auf der dem Ventilsitz 15 zugekehrten Vorderseite des Schließkörpers 16, so dass die vom Rückraum 29 und der Ventilkammer 12 bei geöffnetem Ventil auf den Schließkörper 16 wirkenden Axialkräfte gleich groß sind und einander aufheben.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die flexible Trennwand 28 durch einen glattwandigen Hohlzylinder 33 realisiert, der bei der Hubbewegung des Schließkörpers 16 ein- oder ausbeulbar ist. Der Schließkörper 16 ist in das dem Ventilsitz 15 zugekehrte Stirnende des Hohlzylinders 33 formschlüssig eingesetzt, so dass die bei sich öffnendem Ventil vom gleichen, im Rückraum 29 und in der ersten Ventilöffnung 13 herrschenden Druck beaufschlagten beiden Stirnflächen des Schließkörpers 16 wiederum etwas gleich groß sind. Das vom Ventilsitz 15 abgekehrte Stirnende des Hohlzylinders 33 stützt sich an der dem Ventilsitz 15 gegenüberliegenden Kammerwand 121 der Ventilkammer 12 ab und ist mit dieser stoffschlüssig verbunden.
Im Ausführungsbeispiel des Gasventils gemäß 4 ist zur Realisierung der flexiblen Trennwand 28 zwischen Schließkörper 16 und Ventilgehäuse 11 ein steifer Hohlzylinder 34 vorgesehen, in dessen eines Stirnende wiederum der Schließkörper 16 formschlüssig und gasdicht eingesetzt ist. Das andere Stirnende des Hohlzylinders 34 ist im Ventilgehäuse 11 gleitverschieblich und gasdicht aufgenommen. Hierzu ist in die umlaufende Kammerwand 122 eine Ringnut 35 eingestochen und in die Ringnut 35 ein Dichtungsring 36 eingesetzt, der sich an den Hohlzylinder 34 anpresst, so dass einerseits eine Hubbewegung des Schließkörpers 16 möglich ist und andererseits die Ventilkammer 12 zuverlässig gegenüber dem offenen Stirnende des Hohlzylinders 34 abgedichtet ist.
Das in 5 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Gasventil unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten und vorstehend beschriebenen Gasventil ausschließlich durch die andersartige Gestaltung von Schließkörper 16 und Ventilsitz 15. Der wiederum am Ventilkörper 18 ausgebildete, die Kammeröffnung 13 umschließende Ventilsitz 15 weist Kegelmantelform und der Schließkörper 16 kalottenform auf, so dass der auf der dem Ventilsitz 15 zugekehrten, kugelförmigen Schließkörperoberfläche vorhandene Dichtistz 17 und der kegelmantelförmige Ventilsitz 15 bei geschlossenem Ventil längs einer Kreislinie aufeinanderliegen. Auch hier ist der Well- oder Faltenbalg 28 so auf der ebenen Rückseite des Schließkörpers 16 befestigt, dass die den Rückraum 29 begrenzende Oberflächenabschnitt A_R auf der vom Ventilsitz 15 bzw. Dichtsitz 17 abgekehrten Rückseite des Schließkörpers 16 annährend gleich dem Oberflächenabschnitt A_D ist, der auf der dem Ventilsitz 15 zugekehrten, kalottenförmigen Vorderseite des Schließkörpers 16 umschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19905721 A1 [0002]

Claims

Gasventil, insbesondere Dosierventil für ein gasförmiges Medium, mit einer in einem Ventilgehäuse (11) ausgebildeten Ventilkammer (12), die zwei Kammeröffnungen (13, 14) aufweist, von denen eine erste Kammeröffnung (13) von einem Ventilsitz (15) ringförmig umschlossen ist, und mit einem in der Ventilkammer (12) angeordneten Schließkörper (16), an der einen auf den Ventilsitz (15) aufsetzbaren und vom Ventilsitz (15) abhebbaren Dichtsitz (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Schließkörper (16) und am Ventilgehäuse (11) jeweils gasdicht festgelegte, flexible Trennwand (28) einen auf der vom Dichtsitz (17) abgekehrten Rückseite des Schließkörpers (16) liegenden Rückraum (29) von der Ventilkammer (12) gasdicht abtrennt und dass in den Schließkörper (16) mindestens ein den Rückraum (29) mit der ersten Kammeröffnung (13) verbindender Kanal (30) eingebracht ist.
Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28) am Schließkörper (16) so festgelegt ist, dass ein den Rückraum (29) begrenzender Oberflächenabschnitt (A_R) des Schließkörpers (16) auf dessen vom Ventilsitz (15) abgekehrten Rückseite annähernd gleich dem vom Dichtsitz (17) umschlossenen Oberflächenabschnitt (A_D) des Schließkörpers (16) auf dessen dem Ventilsitz (15) zugekehrten Vorderseite ist.
Gasventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (29) aus flexiblem Material besteht und am Schließkörper (16) und an einer Kammerwand (121; 122) der Ventilkammer (12) jeweils gasdicht befestigt ist.
Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand ein Well- oder Faltenbalg (31) ist, der mit seinem einen Balgenende an der von dem Ventilsitz (15) abgekehrten Rückseite des Schließkörpers (16) und mit seinem anderen Balgenende an einer dem Ventilsitz (15) gegenüberlie genden Kammerwand (121) der Ventilkammer (12) jeweils gasdicht, vorzugsweise stoffschlüssig, befestigt ist.
Gasventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Well- oder Faltenbalg (31) ein Federelement mit in Balgachsrichtung wirkender Federkraft darstellt.
Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28) ein glattwandiger, ein- oder ausbeulbarer Hohlzylinder (33) ist, der an einem Zylinderende von dem Schließkörper (16) gasdicht abgeschlossen ist und mit dem anderen Zylinderende an einer dem Ventilsitz (15) gegenüberliegenden Kammerwand (121) der Ventilkammer (12) gasdicht, vorzugsweise stoffschlüssig, befestigt ist.
Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28) ein steifer Hohlzylinder (34) ist, der an seinem einen Zylinderende von dem Schließkörper (16) gasdicht abgeschlossen ist und mit seinem vom Schließkörper (16) abgekehrten anderen Zylinderende im Ventilgehäuse (11) gleitverschieblich und gasdicht aufgenommen ist.
Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28) eine Membran (32) ist, die mit einem inneren Membranrand auf der vom Ventilsitz (15) abgekehrten Rückseite des Schließkörpers (16) und mit ihrem äußeren Membranrand an einer Kammerwand (122) gasdicht, vorzugsweise stoffschlüssig, befestigt ist.
Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (28) aus Metall oder Kunststoff besteht.
Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (16) scheibenförmig und der Ventilsitz (15) ringförmig ausgebildet ist.
Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (16) Kalottenform mit dem Ventilsitz (15) zugekehrter Kugeloberfläche und der Ventilsitz (12) Kegelmantelform aufweist.
Gasventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (16) am freien Ende einer von einem Aktor (22) gegen die Federkraft einer Ventilschließfeder (21) betätigbare Ventilnadel (19) befestigt ist.