Beschreibung

Titel

Ventilmodul zum Zufuhren insbesondere gasförmiger Medien

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.

Aus der DE 103 19 920 Al ist ein solches Ventil zum Steuern eines Fluids bekannt, wobei dieses bekannte 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.

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.

Derartige bekannte Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche zum Einsatz auch oder insbesondere bei gasförmigen Medien vorgesehen sind, sind bezüglich ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet, womit die spezifischen Anforderungen, die gasförmige Medien an Ventile stellen, gegebenenfalls nicht vollständig erfüllt werden. 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.

Problematisch ist dabei die hohe Belastung einer Dichteinrichtung zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz, 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, bei welchem die erforderliche Dichtheit über die gesamte Lebensdauer gewährleistet ist und welches durch einfache und kostengünstige Prozesse herstellbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass ein Ventilmodul zum Zuführen insbesondere gasförmiger Medien an eine Brennkraftmaschine, 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 mit einem Ventilsitz axial beweglich geführt ist, derart ausgestaltet ist, dass eine aus wenigstens zwei ringförmig ausgebildeten Dichtwülsten bestehende Dichteinrichtung vorgesehen ist, welche bezüglich der wenigstens einen Durchtrittsöffnung derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine Durchtrittsöffnung in Schließstellung des Ventils zwischen den Dichtwülsten liegt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Ventilmodul geschaffen, welches eine hinsichtlich der Dichtheit in allen Betriebszuständen über die gesamte Lebensdauer optimierte, einfache und kostengünstige Ausgestaltung aufweist und welches einer sehr niedrigen Verschleißneigung unterliegt.

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

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

Eine besonders einfache Ausbildung der Dichteinrichtung sieht vor, dass die Dichteinrichtung mit zwei separaten Dichtwülsten ausgebildet ist.

Wird die Dichteinrichtung mit einem aus zwei Dichtwülsten bestehendem Dichtring ausgebil- det, so ist eine besonders robuste Anordnung der Dichteinrichtung an dem Ventilsschließglied realisiert.

Der Ventilsitz bzw. das Ventilschließglied sind besonders einfach und kostengünstig zu fertigen, wenn die Dichteinrichtung radial frei, d. h. ohne seitliche Führung, angeordnet ist.

Die Dichteinrichtung kann mit oder aus einem Elastomer oder alternativ mit oder aus einem Thermoplast gebildet sein und mittels einer Vulkanisierung, eines Aufspritzens oder eines Klebens sehr einfach und kostengünstig an dem Ventilsitz bzw. dem Ventilanker befestigt sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ventilmoduls kann der Ventilanker, insbesondere eine in Richtung des Ventilsitzes weisende Fläche des Ventilschließgliedes, und/oder der Ventilsitz zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit insbesondere in der Randschicht gehärtet sein.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilmoduls sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Ventilmodul mit einer an einem Ventilschließglied angebrachten Dichteinrichtung mit zwei separaten Dichtwülsten;

Figur 2 eine bereichsweise dreidimensionale Ansicht eines Ventilankers des Ventilmoduls der Figur 1 mit zwei an dem Ventilanker separat festgelegten Dichtwülsten;

Figur 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ventilmodul analog dem Ventilmodul der Figur 1 mit einer alternativ ausgestalteten Dichteinrichtung mit einem Dichtring, welcher mit zwei Dichtwülsten ausgebildet ist; und

Figur 4 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein weiteres Ventilmodul, welches dem der Figur 1 und Figur 3 entspricht, mit einer dritten Ausgestaltungsmöglichkeit der

Dichteinrichtung mit zwei separat an einem Ventilsitz festgelegten Dichtwülsten.

Die Figuren der Zeichnung 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.

In an sich bekannter Bauweise kann das Gaseinblasventil 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.

Bei den gezeigten Ausführungen ist der Ventilsitz 13 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.

Bei einem aktiven offenen Zustand des Gaseinblasventils, wie er in den Figuren 1, 3 und 4 dargestellt ist und in welchem der magnetische Ventilanker 9 mit dem Ventilschließglied 11 durch die elektromagnetischen Betätigungseinheit von dem Ventilsitz 13 abhebt, kann das gasförmige Medium durch die Durchtrittsöffnungen 17 strömen und an den Verbrennungsraum freigegeben werden.

Bei einem nichtaktiven geschlossenen Zustand des Gasblasventils 1 ohne einen elektromagnetischen Einfluss verhindert das Ventilschließglied 11 zusammen mit dem Ventilsitz 13 und einer Dichteinrichtung 21, 21 ', 21 " einen Fluidstrom von der Zuströmseite 3 zur Abströmseite 5, wobei das an dem Ventilanker 9 ausgebildete Ventilschließglied 11 durch die Kraft einer nicht näher dargestellten Rückstellfeder in Schließstellung gehalten wird.

Die Dichteinrichtung 21, 21', 21 ", welche jeweils zwischen einer Stirnfläche 10 des Ventilschließglieds 11 und einer Stirnfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 angeordnet ist, weist vorliegend jeweils zwei ringförmig ausgebildete Dichtwülste 22, 22', 22" auf, welche bezüglich der Durchtrittsöffnungen 17 derart angeordnet sind, dass die Durchtrittsöffnungen in

Ventilschließstellung abgedichtet zwischen den Dichtwülsten 22, 22', 22" liegen. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die Dichteinrichtung 21, 21 ', 21 " mittels eines aufvulkanisierten Elastomers an der Stirnfläche 16 des Ventilsitzes 13 bzw. der Stirnfläche 10 des Ventilankers 9 ausgebildet, jedoch kann sie in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch mit oder aus einem Thermoplast ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Dichtmaterial wahlweise auch aufgespritzt sein.

Bei den in Figur 1 und Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Dichteinrichtung 21 bzw. 21 ' an der Stirnfläche 10 des Ventilschließglied 11 radial frei angeordnet, und bei einem weiteren in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21 " an einer Stirnfläche 16 des Ventilsitzes 13 ebenfalls radial frei angeordnet, wobei die betreffende Stirnfläche 10 bzw. 16 in einem Bereich um die Dichteinrichtung 21, 21 ', 21 " plan ausgebildet ist.

In dem in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21 mit zwei separaten Dichtwülsten 22 auf der Fläche des Ventilschließglieds 11 ausgebildet, wobei die Dichtwülste 22 in geschlossenem Zustand des Ventilmoduls 1 derart mit den in dem Ventilsitz 13 angeordneten Durchtrittsöffnungen 17 korrespondieren, dass ein Fluidstrom von der Zuströmseite 3 zu der Abströmseite 5 verhindert wird.

Ein einzelner Dichtring 23 mit zwei über einen Steg 25 radial zueinander festgelegten und verbundenen Dichtwülsten 22' ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel in Figur 3 dargestellt, wobei das Funktionsprinzip dem vorherigen Ausführungsbeispiel entspricht.

In einem weiteren in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichteinrichtung 21 ", welche entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei separaten Dichtwülsten 22"

ausgebildet ist, an dem Ventilsitzkörper 15 derart um die Durchtrittsöffhungen 17 angeordnet, dass die Durchtrittsöffhungen 17 durch die Dichteinrichtung 21 " in ihrer Durchtrittsfläche nicht verkleinert werden.

Die Form und das Material der Dichteinrichtung 21 bzw. 21 ' oder 21" können von einem Fachmann entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall variiert werden, so dass die Durchmesser der Dichtwülste beispielsweise näher aneinandergeführt werden können und sehr enge Bauteiltoleranzen eingehalten werden können.

Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des Ventilmoduls 1 ist der Ventilanker 9 mit seiner in Richtung des Ventilsitzes 13 weisenden Stirnfläche 10 und der Ventilsitz 13 mit einer Randschichthärtung versehen. Es bleibt aber dem Fachmann überlassen, entsprechend den Anforderungen an das Ventilmodul 1 weniger oder mehr als die genannten Flächen und Körper zu härten und ein dem Anwendungsfall entsprechendes dafür geeignetes Verfahren auszuwählen.