DE102008000505A1 - Gasventil mit verbesserter Kaltstartfähigkeit - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, umfassend einen Ventilsitz (4) und ein Ventilschließglied (2) mit einem elastischen Dichtelement (3), wobei der Ventilsitz (4) einen Dichtbereich (5) und einen Ablagebereich (6) umfasst, wobei im geschlossenen Zustand des Gasventils das elastische Dichtelement (3) am Dichtbereich (5) abdichtet und ein Teil des Dichtelements (3) auf dem Ablagebereich (6) zur Abstützung des Dichtelements (3) abgelegt ist und wobei der Ablagebereich (6) eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen (7) und einer Vielzahl durch die Vertiefungen (7) begrenzter Flächenbereiche (8) umfasst.
Description
- Stand der Technik
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums für ein Kraftfahrzeug mit einer verbesserten Kaltstartfähigkeit.
- In jüngster Zeit werden verstärkt auch gasförmige Medien, wie z. B. Erdgas, als Kraftstoff für Fahrzeuge bzw. in stationären Anlagen für die Stromerzeugung o. ä., eingesetzt. Die als gasförmige Medien verwendeten Brennstoffe weisen jedoch das grundsätzliche Problem auf, dass aufgrund der trockenen Gase Führungs- und Anschlagflächen von Ventilen nicht wie bei flüssigen Kraftstoffen selbst geschmiert werden. Dies kann einerseits zu Problemen durch erhöhten Verschleiß führen und andererseits weisen Ventile mit einem Elastomer-Dichtelement Probleme bei tieferen Temperaturen unterhalb von 0°C auf. Dies führt insbesondere im Winter bei einem Kaltstart zu entsprechenden Problemen aufgrund des Anhaftens des Elastomer-Dichtelements an einem Dichtsitz.
- In der
DE 102005049984 A1 wurde daher vorgeschlagen, eine Beschichtung am Dichtelement und/oder am Ventilsitz vorzusehen. Derartige Beschichtungen führen jedoch zu zusätzlichen Arbeitsgängen und somit zu einer unerwünschten Verteuerung der Gasventile. - Vorteile der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Gasventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass dieses bei einer relativ einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit eine hervorragende Kaltstartfähigkeit hat. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Ventilsitz des Gasventils einen Dichtbereich und einen Ablagebereich zur Ablage eines elastischen Dichtelements aufweist. Eine Abdichtung zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement erfolgt dabei am Dichtbereich und der Ablagebereich des Ventilsitzes dient nicht unmittelbar zur Abdichtung, sondern hauptsächlich zur Ablage des restlichen Dichtelements. Hierbei ist erfindungsgemäß am Ablagebereich eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen und einer Vielzahl von durch die Vertiefungen begrenzten Flächenbereichen ausgebildet. Die definierte Feinstrukturierung ermöglicht es somit, dass am Ablagebereich Ablösegebiete durch die Vertiefungen geschaffen werden, wodurch auch bei tiefen Temperaturen ein einfaches Lösen des elastischen Dichtelements vom Ventilsitz ermöglicht wird. Insbesondere wenn aufgrund des trockenen gasförmigen Mediums zusätzliche Schmiermittel, wie z. B. Öl o. ä., verwendet werden, welche sich auch am Ventilsitz ablagern können, ermöglicht die definierte Feinstrukturierung im Bereich der Vielzahl von Vertiefungen einen in Öffnungsrichtung etwas dickeren Ölfilm zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement, wodurch insgesamt das hydraulische Kleben des Dichtelements am Ventilsitz signifikant reduziert werden kann. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Gasventil insbesondere auch bei einer Benetzung durch Öl am Ventilsitz ein sicheres Abheben, auch bei tieferen Temperaturen, obwohl das Öl aufgrund der tiefen Temperaturen eine sehr hohe Viskosität aufweist. Erfindungsgemäß wird unter einer definierten Feinstrukturierung dabei eine Strukturierung mit Vertiefungen in geometrisch definierten Mustern verstanden.
- Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Vorzugsweise sind die Flächenbereiche als Rechtecke oder als Quadrate oder als Trapeze ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit sichergestellt werden.
- Um insbesondere ein gleichmäßiges Abheben des Dichtelements vom Ventilsitz zu erreichen, sind vorzugsweise alle Flächenbereiche derart ausgebildet, dass sie die gleiche geometrische Form aufweisen.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen als Rillen ausgebildet. Durch die Rillen kann auf einfache Weise das definierte Muster am Ablagebereich sichergestellt werden. Die Rillen können beispielsweise mittels Laser oder mittels eines Prägeverfahrens hergestellt werden. Vorzugsweise weisen die Rillen eine sich verjüngende Querschnittsform, insbesondere eine U-förmige oder V-förmige Form, auf.
- Besonders bevorzugt umfassen die Vertiefungen ferner wenigstens zwei konzentrische Kreisrillen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auch der Dichtbereich des Ventilsitzes als kreisförmiger Dichtbereich ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Vertiefungen ferner auch radiale Rillen, welche in Radialrichtung zu den konzentrischen Kreisrillen angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein spinnennetzartiger Aufbau der Vertiefungen am Ablagebereich des Ventilsitzes.
- Der Ablagebereich ist vorzugsweise als ein sich verjüngender Bereich, insbesondere als konischer Bereich, ausgebildet. Hierdurch kann eine klar definierte Abgrenzung zwischen dem Dichtbereich und dem Ablagebereich des Ventilsitzes erhalten werden.
- Besonders bevorzugt sind die Flächenbereiche am Ablagebereich derart ausgebildet, dass sie eine Fläche von ca. 2000 μm2 bis 4000 μm2, und besonders bevorzugt 3000 μm2, aufweisen.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen eine Breite von 15 μm bis 25 μm, vorzugsweise von 20 μm auf. Ferner ist die Breite der Vertiefungen am gesamten Ablagebereich konstant.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen eine Tiefe von 10 μm bis 20 μm, vorzugsweise 15 μm auf. Bevorzugt ist die Tiefe der Vertiefungen am gesamten Ablagebereich konstant.
- Das erfindungsgemäße Gasventil wird vorzugsweise in Gasmotoren von Kraftfahrzeugen und stationären Gasmotoren verwendet. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Gasventil ferner auch bevorzugt bei Brennstoffzellen verwendet.
- Zeichnung
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasventils im Dichtsitzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
2 eine schematische, perspektivische Teilansicht eines Ventilsitzes des in1 gezeigten Gasventils. - Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
- Wie insbesondere aus
1 ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Gasventil1 ein Ventilschließglied2 mit einem daran gebildeten ringförmigen Dichtelement3 und einen Ventilsitz4 . Im Ventilsitz4 sind mehrere Durchlassöffnungen9 gebildet. Wie aus2 ersichtlich ist, sind die Durchlassöffnungen9 vorzugsweise nierenförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind hierbei vier symmetrisch angeordnete Durchlassöffnungen9 vorgesehen. -
1 zeigt den geschlossenen Zustand des Gasventils. Das Dichtelement3 dichtet dabei an einem konzentrisch zu einer Mittelachse X-X des Gasventils angeordneten ersten Dichtbereich5 und einem zweiten äußeren konzentrischen Dichtbereich5' ab. Wie insbesondere aus2 ersichtlich ist, ist am ersten Dichtbereich5 unmittelbar benachbart ein Ablagebereich6 vorgesehen. Der Ablagebereich6 weist eine definierte Feinstruktur11 auf, welche durch eine Vielzahl von Rillen7 und durch die Rillen7 gebildete Flächenbereiche8 bereitgestellt wird. Wie aus2 ersichtlich ist, sind die Flächenbereiche trapezförmig ausgebildet und werden durch mehrere konzentrische Kreisrillen70 und eine Vielzahl von Radialrillen71 begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier konzentrische Kreisrillen70 vorgesehen. In2 sind insbesondere die Flächenbereiche8 sowie die Radialrillen71 nicht alle mit Bezugszeichen versehen, um eine bessere Übersichtlichkeit der Figur zu erhalten. Eine Tiefe der Rillen ist am gesamten Ablagebereich6 gleich und beträgt ca. 15 μm. Ebenso ist eine Breite der Rillen am gesamten Ablagebereich6 gleich und beträgt ca. 20 μm. Wie aus1 ersichtlich ist, dient der Ablagebereich6 dabei dazu, dass ein Teil des Dichtelements3 auf dem Ablagebereich6 im geschlossenen Zustand abgelegt ist, ohne dass hierbei eine sichere Abdichtung erfolgt. Eine Abdichtung zwischen dem Dichtelement3 und dem Ventilsitz5 erfolgt am ringförmigen Dichtbereich5 bzw.5' . - Die Radialrillen
7 verlaufen dabei in radialer Richtung zu den konzentrischen Kreisrillen70 , ausgehend von der Mittelachse X-X, wobei sie jedoch nur im Ablagebereich6 ausgebildet sind. Wie aus2 ersichtlich ist, ist insbesondere der Dichtbereich5 ohne die definierte Feinstrukturierung, um eine sichere Abdichtung sicherzustellen. Auch ist ein kleinerer oberer Bereich6a im Übergang zum Dichtbereich5 am Ablagebereich6 ohne Feinstrukturierung, um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. - Die Rillen
7 der definierten Feinstruktur11 werden vorzugsweise mittels Lasergravur erzeugt. Wie aus2 ersichtlich ist, ergibt sich somit eine spinnennetzartige definierte Feinstrukturierung am Ablagebereich6 des Ventilsitzes4 . Am Ablagebereich6 wird im geschlossenen Zustand somit nur eine Abstützung eines Teils des elastischen Dichtelements3 bereitgestellt, jedoch keine vollständige Abdichtung. Dabei kann sich dieser Teilbereich des elastischen Dichtelements3 am Ablagebereich6 weiterhin auf einer relativ großen Fläche abstützen, ohne dass eine partielle Belastung des Dichtelements3 in diesem Bereich erhöht wird. Sollte Öl oder ein anderes Schmiermittel im Bereich des Gasventils vorhanden sein und den Ablagebereich6 benetzen, kann sich dieses Öl dann in den Rillen7 sammeln. Wenn nun bei einem Kaltstart ein Abheben des Ventilschließglieds2 vom Ventilsitz4 notwendig ist, stellen die Rillen7 im Ablagebereich sicher, dass keine durchgehende dünne Ölschicht am Ablagebereich6 ausgebildet wird, welche ein Anhaften bewirken würde und ein schnelles Ablösen des aufgrund der tieferen Temperaturen harten elastischen Dichtelements verhindern würden. Das vorhandene Öl wird in den Rillen7 kanalisiert und es kann somit ein leichteres Abheben des harten Dichtelements3 aufgrund des Fehlens eines durchgängigen dünnen Ölfilms zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz4 ermöglicht werden, da im Bereich der Rillen7 der Ölfilm dicker ist. Hierdurch wird die Anhaftung des Dichtelements3 im Bereich der Rillen7 reduziert. Die definierte Feinstruktur11 am Ablagebereich6 stellt dabei sicher, dass ein gleichmäßiges Abheben ermöglicht wird, da keine Bereiche mit undefinierten Strukturen, welche zu großen Flächenbereichen am Ablagebereich6 führen können, vorhanden sind. Die gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen am Ablagebereich6 stellt somit ein gleichmäßiges Abheben des Dichtelements3 vom Ventilsitz4 sicher. - Das erfindungsgemäße Gasventil wird besonders bevorzugt als Gas-Einblasventil bei Brennkraftmaschinen verwendet. Durch die Erfindung kann insbesondere die problematische Kaltstartfähigkeit derartiger Gasventile signifikant verbessert werden, so dass eine problemlose Nutzung eines Gasantriebes im Alltag möglich ist. Erfindungsgemäß kann dabei insbesondere auf teure Gegenmaßnahmen gegen ein Kleben des Dichtelements
3 am Ventilsitz4 verzichtet werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005049984 A1 [0003]
Claims (10)
- Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, umfassend – einen Ventilsitz (
4 ) und ein Ventilschließglied (2 ) mit einem elastischen Dichtelement (3 ), dadurch gekennzeichnet, dass – der Ventilsitz (4 ) einen Dichtbereich (5 ) und einen Ablagebereich (6 ) umfasst, – wobei im geschlossenen Zustand des Gasventils das elastische Dichtelement (3 ) am Dichtbereich (5 ) abdichtet und ein Teil des Dichtelements (3 ) auf dem Ablagebereich (6 ) zur Abstützung des Dichtelements (3 ) abgelegt ist, und – wobei der Ablagebereich (6 ) eine definierte Feinstrukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen (7 ) und einer Vielzahl durch die Vertiefungen (7 ) begrenzter Flächenbereiche (8 ) umfasst. - Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbereiche (
8 ) als Rechtecke oder als Quadrate oder als Trapeze ausgebildet sind. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Flächenbereiche (
8 ) die gleiche geometrische Form aufweisen. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (
7 ) als Rillen ausgebildet sind. - Gasventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen wenigstens zwei konzentrische Kreisrillen (
70 ) umfassen. - Gasventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (
7 ) ferner eine Vielzahl von zu den konzentrischen Kreisrillen (70 ) radialen Rillen (71 ) umfassen. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablagebereich (
6 ) ein sich verjüngender Bereich, insbesondere ein konischer Bereich, ist. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flächenbereiche (
8 ) eine Fläche von 2000 μm2 bis 4000 μm2, bevorzugt 3000 μm2 aufweist. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (
7 ) eine Breite von 15 μm bis 25 μm, vorzugsweise 20 μm, aufweisen. - Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (
7 ) eine Tiefe von 10 μm bis 20 μm, vorzugsweise 15 μm, aufweisen.
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