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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums,
beispielsweise zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs in einen
Verbrennungsmotor oder als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle.
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In
jüngster
Zeit werden verstärkt
gasförmige Brennstoffe
und/oder Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen verwendet. Hierbei
müssen
Massenströme von
gasförmigen
Medien gesteuert werden. Häufig werden
bei den bekannten Fahrzeugen die aus der Einspritzung und Zumessung
von flüssigen
Kraftstoffen bekannten Ventile eingesetzt. Allerdings haben gasförmige Medien
im Vergleich zu flüssigen
Medien unterschiedliche Anforderungsprofile. Beispielsweise haben
Gase, wie Wasserstoff oder Methan, im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen
eine geringere Dichte. Von daher muss bei Gasen häufig ein
wesentlich größerer Volumenstrom
bereitgestellt werden, wobei selbstverständlich trotzdem kurze Einblaszeiten
erreicht werden sollen. Ferner besteht bei Verwendung von Gasventilen
als Einblasventile für
Brennkraftmaschinen die Gefahr, dass ein Öleintrag in das Ventil auftritt.
Ferner wurde festgestellt, dass sich bei Gasventilen insbesondere
Kaltstartprobleme ergeben.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern eines gasförmigen
Mediums mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass es bei kompaktem Aufbau und kostengünstiger
Herstellbarkeit speziell für
gasförmige
Medien geeignet ist. Insbesondere kann eine Kaltstartfähigkeit
des Ventils bei hoher Dichtheit sichergestellt werden. Ferner weist
das erfindungsgemäße Ventil
eine sehr hohe Dauerstabilität
auf. Auch bei einem eventuell auftretenden Öleintrag in das Ventil tritt
insbesondere keine Anzugszeitverlängerung auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass das Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums ein Ventilglied,
ein an einem Gehäuse
fixierten Ventilsitz und ein Dichtelement umfasst. Das Dichtelement
ist am Ventilglied angeordnet. Der Ventilsitz weist wenigstens eine Durchgangsöffnung auf,
welche durch das Dichtelement freigegeben bzw. verschlossen wird,
um einen hierdurch strömenden
Gasstrom zu steuern. Das Dichtelement weist wenigstens eine Durchlassöffnung auf,
wobei das Dichtelement am Ventilglied und am Ventilsitz befestigt
ist. Hierdurch ist es möglich,
dass erfindungsgemäß nur ein
vorbestimmter Bereich des Dichtelements vom Ventilsitz abgehoben
wird, während
ein anderer Bereich noch am Ventilsitz befestigt ist. Das gasförmige Medium kann
bei geöffnetem
Ventil somit durch die Durchlassöffnung
im Dichtelement und die freigegebene Durchgangsöffnung im Ventilglied strömen. Erfindungsgemäß wird somit
die Elastizität
des Dichtelements ausgenutzt, um das gasförmige Medium durch das Ventil
zu steuern.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem Ventilglied und dem Dichtelement eine Abstützscheibe
mit wenigstens einer Durchlassöffnung
angeordnet. Hierdurch kann eine gewisse Versteifung und Stützung des
Dichtelements erfolgen. Das gasförmige
Medium kann bei geöffnetem
Ventil dabei durch die Durchlassöffnung
in der Abstützscheibe
und die Durchlassöffnung
im Dichtelement strömen.
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Besonders
bevorzugt ist das Dichtelement im Wesentlichen topfförmig mit
einem Bodenbereich und einem Seitenrandbereich ausgebildet. Das
Dichtelement ist dabei mit dem Ventilsitz am Seitenrandbereich verbunden.
Der Seitenrandbereich ist vorzugsweise in einem rechten Winkel zum
Bodenbereich angeordnet. Die Durchgangsöffnung ist vorzugsweise im
Bodenbereich angeordnet.
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Besonders
bevorzugt ist an einem freien Ende des Seitenrandbereichs des Dichtelements eine
Befestigungswulst vorgesehen. Hierdurch kann eine einfache und sichere
Befestigung des Dichtelements am Ventilsitz erfolgen. Vorzugsweise
ist dabei am Ventilsitz eine umlaufende Nut zur Aufnahme der Befestigungswulst
vorgesehen. Somit kann eine formschlüssige Verbindung zwischen der
Befestigungswulst und der Nut des Ventilsitzes erfolgen. Zur Absicherung
kann die Befestigungswulst zusätzlich noch
beispielsweise mittels Kleben o. Ä. fixiert werden.
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Weiter
bevorzugt kontaktiert der Seitenrandbereich des Dichtelements das
Gehäuse
des Ventils. Hierdurch kann einerseits auf einfache Weise eine zusätzliche
Abdichtung zwischen dem Ventilsitz und dem Gehäuse vorgesehen werden und andererseits kann
das Gehäuse
den Seitenrandbereich des Dichtelements abstützen. Dadurch weist das im
Wesentlichen topfförmige
Dichtelement eine größere Stabilität auf.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Bodenbereich
des Dichtelements eine zentrale Durchlassöffnung mit einem ersten Durchmesser
und eine Vielzahl von weiteren Durchlassöffnungen mit einem zweiten
Durchmesser gebildet, wobei der zweite Durchmesser kleiner als der
erste Durchmesser ist. Hierdurch kann eine große Durchtrittsfläche durch
das Dichtelement sichergestellt werden, so dass insbesondere auch mit
einem kleineren Öffnungshub
des Ventils ein großer
Volumengasstrom des gasförmigen
Mediums durch das Ventil hindurchströmen kann. Für einen einfachen Aufbau sind
die Vielzahl von weiteren Durchlassöffnungen dabei vorzugsweise
konzentrisch zu einer zentralen Durchlassöffnung des Dichtelements angeordnet.
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Weiter
bevorzugt sind in der Abstützscheibe eine
Vielzahl von Durchlassöffnungen
vorgesehen, die an gleichen Positionen wie die Durchlassöffnungen
des Dichtelements angeordnet sind.
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Das
Dichtelement ist vorzugsweise eine Elastomermembran.
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Weiter
bevorzugt weist das Ventilglied an seinem zum Dichtelement gerichteten
Ende keine Führung
auf. Dies wird dadurch möglich,
dass das Ventilglied, welches im Stand der Technik üblicherweise
durch zwei separate Führungen
geführt
wird, eine Führung
durch das Dichtelement, genauer den Seitenrandbereich des Dichtelements, übernommen wird.
Am zum Dichtelement entgegengesetzten Ende des Ventilglieds ist
vorzugsweise eine übliche
Führung,
z. B. ein Führungsbund
o. Ä.,
vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
ist somit insbesondere als Gasventil mit hoher Lebensdauer bei sehr
guter Dichtheit verwendbar. Insbesondere kann auch eine ausreichende
Kaltstartfähigkeit
sowie ein ausreichender Volumenstrom durch das Gasventil sichergestellt
werden. Durch den Aufbau des Dichtelements ergibt sich ferner eine
nur geringe Quellneigung des Dichtelements.
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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 Gasventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im geschlossenen Zustand,
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2 eine
schematische Schnittansicht des Gasventils von 1 im
geöffneten
Zustand, und
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3 eine
schematische Draufsicht auf ein in den 1 und 2 gezeigtes
Dichtelement.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein
Gasventil 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Gasventil 1 ein
Ventilglied 2, ein Gehäuse 3,
in welchem das Ventilglied 2 angeordnet ist und einen Dichtsitz 4.
Der Dichtsitz 4 ist fest im Gehäuse 3 befestigt. An
einem Ende des Ventilglieds 2, welches zum Dichtsitz 4 gerichtet
ist, ist ein Dichtelement 5 und eine Abstützplatte 6 angeordnet.
Die Abstützplatte 6 ist
dabei zwischen dem Ende des Ventilglieds 2 und dem Dichtelement 5 angeordnet.
Die Abstützplatte 6 kann
beispielsweise mittels Kleben an dem Ventilglied 2 befestigt
werden und das Dichtelement 5 kann z. B. ebenfalls mittels
Kleben an der Abstützplatte 6 befestigt
werden. Es sind jedoch auch andere Befestigungsarten, z. B. Schweißen, denkbar.
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Wie
ferner aus 1 ersichtlich ist, weist das Ventilglied 2 an
seinem zum Dichtsitz 4 gerichtete Ende ferner einen stufenförmigen Bereich 2a auf,
so dass das Ende des Ventilglieds 2 einen etwas reduzierten
Durchmesser D1 aufweist. Im Ventilglied 2 ist ferner eine
mittige Bohrung 2b sowie mehrere Querbohrungen 2c vorgesehen.
Durch den am Ende des Ventilglieds 2 reduzierten Durchmesser
D1 ist somit, wie insbesondere aus 1 ersichtlich
ist, ein im Wesentlichen ringförmiger
Druckraum 7 gebildet.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, weist der Ventilsitz 4 einen
ersten Ventildichtbereich 4a und einen zweiten Ventildichtbereich 4b auf.
Die beiden Ventildichtbereiche 4a, 4b sind ringförmig gebildet und
etwas voneinander beabstandet. Zwischen den beiden Ventildichtbereichen
sind mehrere Durchgangsöffnungen 4c gebildet.
Die Ventildichtbereiche 4a, 4b stehen dabei etwas
in Richtung des Dichtelements 5 vor. Im geschlossenen Zustand
des Ventils ergeben sich somit zwei ringförmige Abdichtungen, wie aus 1 ersichtlich
ist. Die Ventildichtbereiche 4a, 4b und die ringförmig angeordneten
Durchgangsöffnungen 4c sind
dabei konzentrisch zu einer Mittelachse X-X des Ventils angeordnet.
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Das
Dichtelement 5 weist, wie aus den Schnittdarstellungen
von 1 und 2 ersichtlich ist, im Wesentlichen
eine topfförmige
Gestalt mit einem Bodenbereich 5a und einem Seitenrandbereich 5b auf.
Der Seitenrandbereich 5b ist dabei zum Bodenbereich 5a in
einem Winkel von 90° angeordnet. Am
freien Ende des Seitenrandbereichs 5b ist eine umlaufende
Befestigungswulst 5c angeordnet. Die Befestigungswulst 5c ist
dabei teilweise nach innen gerichtet. Die Befestigungswulst 5c dient
dabei zur Befestigung des Dichtelements 5 am Ventilsitz 4. Hierzu
weist der Ventilsitz 4 eine Ringnut 14 auf, deren
Form der Form des Befestigungswulstes 5c entspricht. Im
Bodenbereich 5a des Dichtelements 5 ist ferner
eine mittige Durchlassöffnung 15 sowie
eine Vielzahl von kleineren Durchlassöffnungen 25 angeordnet.
Die Durchlassöffnungen 25 sind
konzentrisch zur Mittelachse X-X angeordnet. Ein Durchmesser der
mittigen Durchlassöffnung 15 ist
dabei größer als ein
Durchmesser der seitlichen Durchlassöffnungen 25. Wie weiter
aus 1 ersichtlich ist, sind die Auslassöffnungen 25 radial
weiter außen
als die Durchgangsöffnungen 4c im
Ventilsitz 4 angeordnet.
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In
der Abstützplatte 6 sind,
wie aus den 1 und 2 deutlich
wird, an Positionen, die den Positionen der Öffnungen im Bodenbereich 5a des Dichtelements 5 entsprechen,
eine mittige Durchlassöffnung 16 sowie
eine Vielzahl von seitlichen Durchlassöffnungen 26 angeordnet.
Die Durchmesser der Durchlassöffnungen
im Dichtelement 5 und in der Abstützplatte 6 sind dabei
gleich. Diese Vielzahl von Durchlassöffnungen ermöglichen
es, dass bei geöffnetem
Ventil eine große
Gasmenge zu den Durchgangsöffnungen 4c im
Ventilsitz 4 zugeführt
werden und ausgeblasen werden kann.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, ist an dem
zum Dichtelement 5 gerichteten Ende des Ventilglieds 2 seitlich
keine Führung
vorhanden. Somit ergibt sich ein Spalt 8 zwischen dem Ventilglied 2 und dem
Gehäuse 3.
Dies ist möglich,
da das Dichtelement 5 während
des Öffnungs-
und Schließvorgangs die
Führungsfunktion übernimmt.
Somit muss das Ventilglied 2 anstelle, wie im Stand der
Technik, mit zwei Führungselementen,
nur noch durch ein Führungselement
(in den Figuren nicht dargestellt) und das Dichtelement 5 geführt werden.
Hierdurch kann insbesondere die Teilezahl des Ventils reduziert
werden.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Gasventils 1 ist
dabei wie folgt: Wenn das Ventilglied 2, wie in 2 gezeigt,
in Richtung des Pfeils A bewegt wird, werden gleichzeitig die Abstützplatte 6,
die am Ende des Ventilglieds 2 fixiert ist und das Dichtelement 5,
welches an der Abstützplatte 6 fixiert
ist, ebenfalls in Richtung des Pfeils A bewegt. Dadurch hebt der
Bodenbereich 5a des Dichtelements 5 von den Ventildichtbereichen 4a, 4b am
Ventilsitz 4 ab.
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Der
Seitenrandbereich 5b des Dichtelements 5 verbleibt
jedoch im Wesentlichen in seiner Ausgangsposition, da er durch den
Befestigungswulst 5c fest am Ventilsitz 4 gehalten
wird. Allerdings kommt es insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem
Bodenbereich 5a und dem Seitenwandbereich 5b zu
einer gewissen Verformung des Dichtelements 5, um den Öffnungsvorgang
zu ermöglichen.
Dadurch ist es möglich,
dass ein Gas, ausgehend von der mittigen Bohrung 2b durch
die Durchlassöffnungen 16 und 15 sowie über die
Querbohrungen 2c und die Vielzahl von Durchlassöffnungen 26, 25,
zu den Durchgangsöffnungen 4c im
Ventilsitz 4 strömen
kann und von dort aus dem Ventil ausgeblasen wird. Dies ist in 2 durch
die Vielzahl der kleinen Pfeile angedeutet, welche den Strömungsverlauf des
Gases darstellen. Somit wird ein großer Durchlassquerschnitt im
Dichtelement 5 bereitgestellt, so dass eine große Menge
an Gas durch die Durchgangsöffnungen 4c strömen kann.
Das Ventilglied 2 kann beispielsweise ein Magnetanker sein,
welcher durch Anlegen einer Spannung in einer Spule angezogen wird
und dadurch in Richtung des Pfeils A bewegt wird.
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Wenn
das Einblasen des Gases beendet werden soll, wird das Ventilglied 2 wieder
in seine Ausgangsstellung zurückgestellt,
z. B. mittels einer Rückstellfeder
o. Ä.,
so dass das Dichtelement 5 wieder auf den Ventildichtbereichen 4a, 4b des
Ventilsitzes 4 aufliegt und den Durchlass durch das Ventil verschließt.
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Als
Dichtelement 5 wird vorzugsweise eine Dichtmembran verwendet,
welche aus einem nicht an Metall haftenden Material hergestellt
ist. Besonders bevorzugt weist die Dichtmembran Silikonbestandteile
auf, welche ein Anhaften des Dichtelements an den Ventildichtbereichen 4a, 4b verhindern.
Die Abstützplatte 6 ist
dabei vorzugsweise aus einem Stahl hergestellt. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist ein äußerer Durchmesser
der Abstützplatte 6 dabei
etwas kleiner als ein äußerer Durchmesser
des Dichtelements 5. Hierdurch wird die Verformbarkeit des Übergangsbereichs
des Dichtelements 5 verbessert. Auch ein gegebenenfalls
auftretender Öleintrag kann
die Funktion des erfindungsgemäßen Gasventils
nicht beeinträchtigen.
Ferner kann aufgrund des Vorsehens der beiden ringförmigen Ventildichtbereiche 4a, 4b und
des mit ihnen abdichtenden flachen Bodenbereichs 5b des
Dichtelements eine gute Kaltstartfähigkeit sichergestellt werden,
da nur geringe Haftkräfte
zwischen dem Dichtelement und den Ventildichtbereichen 4a, 4b auftreten
können.
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Es
sei ferner angemerkt, dass die Durchgangsöffnungen 4c beispielsweise
eine Nierenform oder auch eine zylindrische Form aufweisen können. Ferner
sei angemerkt, dass anstelle des Verklebens des Dichtelements mit
der Abstützplatte 6 und
der Abstützplatte
mit dem Ende des Ventilglieds 2 auch andere Befestigungsmöglichkeiten,
wie beispielsweise Nieten, Schweißen, etc., verwendet werden
können.
Auch kann anstelle der Befestigungswulst 5c das Dichtelement 5 auf
andere Weise, z. B. mittels Vernieten oder Verkleben am Ventilsitz 4 befestigt werden.
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Das
erfindungsgemäße Gasventil 1 wird
insbesondere in Verbindung mit Fahrzeugen, beispielsweise als Gaseinblasventil
zur Einblasung von gasförmigen
Kraftstoffen in eine Brennkraftmaschine oder als Gassteuerventil,
z. B. in Verbindung mit einer Brennstoffzelle, verwendet. Da die
Membrandichtung neben der Dichtfunktion auch noch eine Führungsfunktion
für das
Ventilglied 2 übernehmen
kann, ist es ferner möglich,
einen sehr einfachen und kostengünstigen
Aufbau bereitzustellen, da das Ventilglied 2 dann lediglich
ein weiteres Führungselement an
dessen dem Dichtelement 5 entgegengesetzten Ende benötigt.
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Es
sei angemerkt, dass die Durchlassöffnungen 25, 26 nicht
nur kreisförmig,
sondern auch anders, insbesondere oval oder nierenförmig, ausgebildet
sein können
oder eine beliebige Kombination unterschiedlich geformter Durchlassöffnungen
sein kann.