DE10258859A1

DE10258859A1 - Fluidventil

Info

Publication number: DE10258859A1
Application number: DE10258859A
Authority: DE
Inventors: Udo Hafner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Es wird ein Fluidventil beschrieben, insbesondere ein Gasventil mit einer elektromagnetischen Betätigungseinheit, umfassend ein Ventilgehäuse (12), in dem ein Ventilanker (14) axial verschieblich ausgeführt ist, und ein an dem Ventilanker (14) ausgebildetes Ventilschließglied (26), das einen Gasstrom von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite steuert und über eine Dichtfläche mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz (32) zusammenwirkt. Das Ventilschließglied (26) ist dabei derart beweglich mit dem Ventilanker (14) verbunden, daß ein planparalleles Auftreffen der Dichtfläche auf den Ventilsitz (32) beim Schließen des Ventilschließglieds (26) im wesentlichen gewährleistet ist (Figur 1).

Description

Die Erfindung geht von einem Fluidventil, insbesondere von einem Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiges Fluidventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Gas-Einblasventil bei einem mit Erdgas (CNG = Compressed Natural Gas) betriebenen Otto-Motor eines Kraftfahrzeuges einsetzbar.

Das bekannte Fluidventil umfaßt ein Ventilgehäuse, in dem ein Ventilanker mittels einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung axial verschieblich geführt ist. An dem Ventilanker ist ein Ventilschließglied ausgebildet, das zur Steuerung eines Gasstroms von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite dient und hierzu über eine Dichtfläche mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Die Dichtfläche bildet eine Stirnfläche des Ventilschließgliedes, welche beim Schließen des Ventilschließglieds nur im Idealfall parallel zu dem als Anschlagfläche ausgebildeten Ventilsitz ausgerichtet ist. Im Regelfall trifft das Ventilschließglied schräg auf den gegenüberliegenden Ventilsitz auf, wodurch eine hohe Flächenpressung erzeugt wird, was wiederum zu einem hohen Verschleiß des Dichtbereichs führt.

Das Fluidventil nach der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem das Ventilschließglied beweglich mit dem Ventilanker verbunden ist, so daß ein planparalleles Auftreffen der Dichtfläche auf den Ventilsitz beim Schließen des Ventilschließglieds im wesentlichen gewährleistet ist, hat den Vorteil, daß sich beim Schließen des Ventilschließglieds die an dem Ventilschließglied ausgebildete Dichtfläche und der als Flachsitz ausgebildete Ventilsitz selbsttätig planparallel zueinander ausrichten, was gegenüber dem oben beschriebenen Gasventil nach dem Stand der Technik zu einer verbesserten Dichtigkeit und zu einer höheren Verschleiß- bzw. Dauerlaufbeständigkeit führt.

Das Fluidventil nach der Erfindung ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem Gasmotor eingesetzt werden. Ferner ist das erfindungsgemäß ausgestaltete Fluidventil auch bei einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit Ammoniak bei einem Dieselverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges einsetzbar.

Bei einer bevorzugten Ausführung des insbesondere als Gasventil ausgebildeten Fluidventils nach der Erfindung umfaßt das Ventilschließglied zur beweglichen Verbindung mit dem Ventilanker eine kardanische Schale, die mit einem kugelförmigen Ansatz des Ventilankers verbunden ist. Eine derartige Verbindung zwischen dem Ventilanker und dem Ventilschließglied ermöglicht es auf einfache Weise, das Ventilschließglied bei der Montage des Fluidventils einfach auf den kugelförmig ausgebildeten Ansatz des Ventilankers aufzustecken.

Zur weiteren Erhöhung der Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Fluidventils ist es vorteilhaft, wenn an dem beweglich mit dem Ventilanker verbundenen Ventilschließglied des Fluidventils eine Stützeinrichtung ausgebildet ist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Dichtfläche und deren Stirnseite im wesentlichen in einer Ebene mit der Dichtfläche liegt.

Die Stützeinrichtung ist bei einer bevorzugten Ausführung des Fluidventils nach der Erfindung eine vorzugsweise aus Stahl gefertigte Stützplatte, die von dem Ventilschließglied umspritzt ist. Die Kunststoffumspritzung bildet dann die Dichtfläche des Ventilschließglieds sowie die kardani sche Schale zum Verbinden des Ventilschließglieds mit dem kugelförmigen Ansatz des Ventilankers.

Beim Schließen des Ventilschließglieds kommt bei einer etwaigen Schräglage gegenüber dem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zunächst immer der Stützring mit seiner äußeren, vorzugsweise abgerundeten Kante auf einer den Flachsitz bildenden Ventilfläche zur Anlage, wodurch der eigentliche Dichtring, d. h. das vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Ventilschließglied, gegen Beschädigungen und damit gegen Verschleiß geschützt ist.

Der Stützring, der vorzugsweise axiale Fluid- bzw. Gasdurchströmöffnungen hat, kann bezüglich seines Prellverhaltens durch eine entsprechende Formgebung und Dimensionierung an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt und optimiert werden.

Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Fluidventil nach der Erfindung mit einer gegenüber der Ankerachse radial ausgerichteten Membranfeder versehen ist, die einerseits mit dem Ventilschließglied und andererseits mit einem Bereich des Ventilgehäuses verbunden ist. Die Membranfeder hält das Ventilschließglied auch im geöffneten Zustand in einer weitgehend planparallelen Ausrichtung gegenüber dem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz.

Die Anbindung der Membranfeder an das Ventilschließglied kann beispielsweise derart erfolgen, daß sie mit der Stützplatte, beispielsweise nach einem Laserschweißverfahren, verschweißt ist.

Die Membranfeder ist vorteilhafterweise so ausgelegt, daß deren radiale Steifigkeit größer ist als deren axiale Federrate. Die Membranfeder kann "schräg" einwirkende Kräfte aufnehmen, welche durch fertigungsbedingte Toleranzen bzw. Unparallelitäten der Einzelteile zwangsläufig entstehen. Das dabei entstehende Kippmoment muß kleiner sein als das Reibmoment innerhalb der kardanischen Verbindung zwischen dem Ventilanker und dem eine Schließplatte darstellenden Ventilschließglied.

Bei der Montage des Fluidventils nach der Erfindung wird das Ventilschließglied durch eine entsprechend angelegte Kraft auf den Ventilanker in eine absolut planparallele Stellung bezüglich der den Flachsitz bildenden Fläche gebracht und in dieser Stellung durch das Reibmoment in der kardanischen Verbindung zwischen dem Ventilanker und dem Ventilschließglied gehalten. Das Gasventil ist damit dicht.

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

Eine Ausführungsform des Fluidventils nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung beispielhaft erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt vereinfacht einen Längsschnitt durch ein Gasventil nach der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor ausgelegt ist und zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines CNG(Compressed Natural Gas)-Stroms dient.
Das Gasventil 10 umfaßt ein Gehäuse 12, in dem ein Ventilanker 14 in einer von dem Gehäuse 12 gebildeten Führung 16 axial verschieblich geführt ist. Der Ventilanker 14 steht mit einer hier nicht näher dargestellten elektromagnetischen Betätigungseinheit in Wirkverbindung und besteht aus einem metallischen Werkstoff, der zumindest im Führungsbereich mit einem Gleitlack beschichtet ist.
Der Ventilanker 14 weist eine als Zufuhrkanal dienende Axialbohrung 18 auf, welche mit einer Zuströmseite verbunden ist und an ihrem vorderen, der Zuströmseite abgewandten Ende mit in Umfangsrichtung verteilten Abströmbohrungen 20 versehen ist. Die Abströmbohrungen 20 sind vorliegend in zwei Reihen angeordnet und führen zu einem Gasraum 22, welcher radial einerseits von dem Ventilanker 14 und andererseits von dem Ventilgehäuse 12 begrenzt ist.
An seinem vorderen, in der Zeichnung dargestellten Ende ist der Ventilanker 14 mit einem im wesentlichen kugelförmigen Ansatz 24 versehen. Auf den Ansatz 24 ist ein Ventilschließglied 26 über eine kardanische Schale 28 aufgesteckt, so daß eine bewegliche Verbindung zwischen dem Ventilschließglied 26 und dem mit diesem verbundenen Ventilanker 14 vorliegt.
Das Ventilschließglied 26 ist aus einem Kunststoff, beispielsweise einem hochbeständigen Polyetheretheketon, gefertigt und weist an seiner freien Stirnseite einen einen Dichtring bildenden Ansatz 30 auf, der mit einem als Flachsitz 32 ausgebildeten Ventilsitz 32 an einem stromab des Gasraums 22 angeordneten, eine axiale Zentralbohrung 36 aufweisenden Ventilkörper 34 eine Dichtfläche bildet.
Mittels des Ventilschließglieds 26 ist ein Gasstrom zwischen dem Gasraum 22 und der Zentralbohrung 36 des Ventilkörpers 34 steuerbar. Diese Zentralbohrung 36 führt wiederum über eine Drosselbohrung 38 zu einer Abströmseite, welche in der Zeichnung mit einer weiteren axialen Längsbohrung 40 des Ventilkörpers 34 angedeutet ist. Somit steuert das Ventilschließglied 26 den Gasstrom von der Zuführseite zu der Abführseite des Gasventils 10.
Das Ventilschließglied 26 umfaßt des weiteren eine als Stützplatte ausgebildete Stützeinrichtung 42, die ein vorzugsweise aus Stahl gefertigtes Drehteil darstellt, das von dem Kunststoff des Ventilschließglieds 26 umspritzt und somit an diesem angeflanscht ist. Die Stützplatte 42 hat einen größeren Innendurchmesser als der Dichtring 30 und weist als Stirnfläche eine ringförmige Anschlagfläche 44 auf, die in einer Ebene mit der von dem Dichtring 30 gebil deten Dichtfläche liegt. An seiner äußeren, dem Ventilkörper 34 zugewandten Kante ist die Stützplatte abgerundet.
Des weiteren weist die Stützplatte 42 in Umfangsrichtung verteilte, axiale Gasdurchströmöffnungen 46 auf, die einen mit Pfeilen X gekennzeichneten Gasstrom zwischen der Zuströmseite und der Abströmseite des Gasventils 10 gewährleisten.
Durch die Stützplatte 42 ist gewährleistet, daß beim Schließen des Ventilschließglieds 26 zunächst immer der Stützring 42 mit seiner äußeren, abgerundeten Kante zur Anlage auf der von dem Ventilkörper 34 gebildeten, den Ventilsitz 32 bildenden Fläche zur Anlage kommt, so daß etwaige Unparallelitäten zwischen der Dichtfläche des Dichtrings 30 und dem Flachsitz 32 vor dem Aufsetzen des Dichtringes 30 auf den Flachsitz 32 ausgeglichen werden können. Der Dichtring 30 wird auf diese Weise vor Beschädigungen aufgrund einer hohen Flächenpressung und damit gegen Verschleiß geschützt.
Ferner umfaßt das Gasventil 10 eine sich bezogen auf die Längsachse des Ventilankers 14 radial erstreckende Membranfeder 48, die einerseits über eine Laserschweißverbindung 50 oder eine andere geeignete Verbindung fest mit der Stützplatte 42 und damit mit dem Ventilschließglied 26 und andererseits mit dem Ventilkörper 12 verbunden ist. Die Membranfeder 48, die ebenfalls Gasdurchströmöffnungen 52 aufweist, die einen Gasstrom zwischen dem Gasraum 22 und der Abströmseite des Gasventils 10 gewährleisten, ist so ausgelegt, daß ihre radiale Steifigkeit deutlich größer ist als ihre axiale Federrate. Die Membranfeder nimmt schräg einwirkende Kräfte auf, die durch fertigungsbedingte Unparallelitäten zwischen der Dichtfläche des Dichtrings 30 und dem Flachsitz 32 gegeben sind. Das dabei entstehende Kippmoment ist kleiner als das Reibmoment innerhalb der kardanischen Verbindung zwischen dem Ventilanker 14 und der kardanischen Schale 28.

Claims

Fluidventil, insbesondere ein Gasventil mit einer vorzugsweise elektromagnetischen Betätigungseinheit, umfassend ein Ventilgehäuse (12), in dem ein Ventilanker (14) axial verschieblich geführt ist, und ein an dem Ventilanker (14) ausgebildetes Ventilschließglied (26), das einen Gasstrom von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite steuert und über eine Dichtfläche mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz (32) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (26) derart beweglich mit dem Ventilanker (14) verbunden ist, daß die dem Ventilschließglied (26) zugeordnete Dichtfläche beim Schließen des Ventilschließglieds (26) im wesentlichen planparallel auf den Ventilsitz (32) auftrifft.
Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (26) eine kardanische Schale (28) umfaßt, die mit einem kugelförmigen Ansatz (24) des Ventilankers (14) verbunden ist.
Fluidventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (26) eine Stützeinrichtung (42) aufweist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Dichtfläche und deren Stirnfläche im wesentlichen in einer Ebene mit der an dem Ventilschließglied (26) ausgebildeten Dichtfläche liegt.
Fluidventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützeinrichtung (42) als eine vorzugsweise aus Stahl gefertigte Stützplatte ausgebildet ist.
Fluidventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (42) von einem Kunststoffbereich des Ventilschließglieds (26) umspritzt ist.
Fluidventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützeinrichtung (42) axiale Gasdurchströmöffnungen (46) aufweist.
Fluidventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (26) mit einer Membranfeder (48) verbunden ist, die gegenüber der Längsachse des Ventilankers (14) radial ausgerichtet und mit dem Ventilgehäuse (12) verbunden ist.
Fluidventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranfeder (48) mit der Stützeinrichtung (42) verschweißt ist.
Fluidventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranfeder (48) eine radiale Steifigkeit hat, die größer ist als deren axiale Federrate.