DE102005043969B4 - Valve device for controlling a fluid flow - Google Patents
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Abstract
Ventilvorrichtung (1) zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, mit einem Führungselement (7), in dem ein Ventilanker (8) mit einem Ventilschließglied zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (2) und einer Abströmseite (3) gegenüber einem Ventilsitz (5) axial beweglich geführt ist, wobei der Ventilanker (8) mittels einer mit einer Magnetspule (6) und einem wenigstens teilweise innerhalb der Magnetspule (6) angeordneten Innenpolelement (9, 9A, 9B) ausgeführten elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (5) zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, und wobei eine erste Endstellung des Ventilankers (8) durch eine dem Ventilanker (8) zugewandte Anschlagstirnfläche (15) des Innenpolelements (9, 9A, 9B) definiert ist und das Innenpolelement (9, 9A, 9B) zum Abstützen des Ventilankers (8) in seiner ersten Endstellung mit einem mit einem gehäusefesten Bereich (11) zusammenwirkenden Abstützbereich (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anschlagstirnfläche (15) und dem gehäusefesten Bereich (11) wenigstens ein Bewegungsenergie des Ventilankers (8) absorbierender Dämpfungsbereich (16) ausgebildet.Valve device (1) for controlling a fluid flow, in particular a volume flow of a gaseous fluid, with a guide element (7) in which a valve armature (8) with a valve closing element for adjusting the fluid flow between an inflow side (2) and an outflow side (3) A valve seat (5) is guided so that it can move axially, the valve armature (8) being interposed by means of an electromagnetic actuating device (5) with an inner pole element (9, 9A, 9B) arranged at least partially inside the solenoid (6) Two end positions can be moved, and a first end position of the valve armature (8) is defined by a stop face (15) of the inner pole element (9, 9A, 9B) facing the valve armature (8) and the inner pole element (9, 9A, 9B) for support the valve armature (8) is formed in its first end position with a support region (10) which interacts with a housing-fixed region (11), dadurc h characterized in that at least one damping area (16) absorbing kinetic energy of the valve armature (8) is formed between the stop face (15) and the area (11) fixed to the housing.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for controlling a fluid flow, in particular a volume flow of a gaseous fluid according to the closer defined in the preamble of
Aus der
Aus der
Aus der
Derartige Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche bei gasförmigen Medien zum Einsatz kommen, sind bezüglich Ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet, wobei es schwierig ist, den speziellen Anforderungen zu genügen, die beim Steuern gasförmiger Volumenströme an Ventile gestellt werden.Such injection valves or injection valves, which are used in gaseous media, are derived in terms of their structure and function substantially from the commonly used for liquid media injectors, wherein it is difficult to meet the special requirements in controlling gaseous flow rates to valves be put.
Einem Gasverbrennungsmotor bzw. einer Brennstoffzelle sind in der Regel weitaus größere Fluidmengen zuzuführen als einem mit Flüssigbrennstoff betriebenen Verbrennungsmotor. Weshalb Ventilvorrichtungen zum Steuern von gasförmigen Fluiden mit größeren Querschnitten und größeren Ankerhüben zur Verfügung zu stellen sind.A gas combustion engine or a fuel cell are generally supplied much larger amounts of fluid than an internal combustion engine operated with liquid fuel. Why valve devices for controlling gaseous fluids with larger cross sections and larger anchor strokes are to be provided.
Aufgrund der im Vergleich zu Einspritzventilen für flüssige Medien großen Querschnitte werden zur Betätigung von Ventilvorrichtungen für gasförmige Medien sogenannte stromgeregelte Endstufen verwendet, wobei die Ventilvorrichtungen durch die Ansteuerung mit stromgeregelten Endstufen mit sehr kurzen Öffnungszeiten betrieben werden.Due to the large compared to injectors for liquid media cross sections so-called current-controlled output stages are used to actuate valve devices for gaseous media, the valve devices are operated by the control with current-controlled output stages with very short opening times.
Dies führt jedoch nachteilhafterweise dazu, dass der Ventilanker mit derartigen Geschwindigkeiten auf das eine Hubbegrenzungsfläche aufweisende Anschlagelement auftrifft, was nachteilhafterweise zu einer plastischen Verformung der Hubbegrenzungsflache und/oder einem Abplatzen einer Verschleißschutzschicht bzw. einer Schicht zur Einstellung eines magnetischen Restluftspaltes im Bereich zwischen dem Ventilanker und dem Anschlagelement führt. Diese Verschleißerscheinungen verursachen im Betrieb der Ventilvorrichtung und führen zu einer unerwünschten Veränderung der Funktionswerte.However, this disadvantageously causes the valve armature to hit the stop limit element having such a stroke limiting surface, which disadvantageously leads to plastic deformation of the stroke limiting surface and / or flaking off of a wear protection layer or a layer for setting a magnetic residual air gap in the area between the valve armature and leads the stop element. These signs of wear cause during operation of the valve device and lead to an undesirable change in the functional values.
Aus diesem Grund ist in der Praxis dazu übergegangen worden, die miteinander in Kontakt tretenden Stirnflächen des Ventilankers und/oder des Anschlagelements mit als Dämpfungselement wirkenden Elastomeren zu beschichten.For this reason, in practice it has been transferred to coat the contact surfaces of the end face of the valve armature and / or the stop element with acting as a damping element elastomers.
Derartig ausgebildete Ventilvorrichtungen weisen aufgrund der Stoffeigenschaften der Elastomere gegenüber ohne Elastomerdämpfungselemente ausgeführten Ventilvorrichtungen Nachteile hinsichtlich der schlechten Einstellbarkeit der Härte, der hohen Streuung zwischen den Ventilen, der Kleinmengenlinearität, des Temperaturverhaltens und des höheren Bedarfs an Magnetkraft zur Betätigung der Ventilvorrichtung auf.Such valve devices have disadvantages in terms of poor adjustability of hardness, high valve-to-valve variance, small-quantity linearity, temperature performance, and higher magnetic force demand for actuating the valve device due to the material properties of the elastomers over elastomeric damping elements.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Lebensdauer aufweist und mit der eine exakte Steuerung durchführbar ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a valve device for controlling a fluid flow, in particular a volume flow of a gaseous fluid available, which has a long service life and with the exact control is feasible.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, ist mit einem Führungselement, in dem ein Ventilanker mit einem Ventilschließglied zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite gegenüber einem Ventilsitzkörper axial beweglich geführt ist, ausgebildet. Der Ventilanker ist mittels einer mit einer Spule und einem wenigstens teilweise innerhalb der Spule angeordneten Innenpolelement ausgeführten elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zwischen zwei Endstellungen verschiebbar, wobei eine erste Endstellung des Ventilankers durch eine dem Ventilanker zugeordnete Anschlagstirnfläche des Innenpolelements definiert ist und das Innenpolelement zum Abstützen des Ventilankers in seiner ersten Endstellung mit einem mit einem gehäusefesten Bereich zusammenwirkenden Abstützbereich ausgebildet ist.The inventive device for controlling a fluid flow, in particular a volume flow of a gaseous fluid is formed with a guide element in which a valve armature with a valve closing member for adjusting the fluid flow between an inflow side and a downstream side against a valve seat body is axially movable. The valve armature is displaceable between two end positions by means of a magnetic pole arranged at least partially within the coil, a first end position of the valve armature being defined by a stop end surface of the inner pole element associated with the valve armature and the inner pole element supporting the valve armature in its end first end position is formed with a cooperating with a housing fixed area support area.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Anschlagstirnfläche und dem gehäusefesten Bereich wenigstens ein Bewegungsenergie des Ventilankers absorbierender Dämpfungsbereich ausgebildet. Dadurch ist die Ventilvorrichtung auf konstruktiv einfache Art und Weise mit einem einstellbaren Abbremsmechanismus für den Magnetanker ausgebildet, mittels welchem Verschleiß bzw. plastische Verformungen sowohl im Bereich des Ventilankers als auch im Bereich des die erste Endstellung des Ventilankers definierenden Anschlages am Innenpolelement reduzierbar bzw. vollständig vermeidbar sind.According to the invention, at least one kinetic energy of the valve armature absorbing damping region is formed between the stop end face and the housing-fixed area. Thus, the valve device is designed in a structurally simple manner with an adjustable braking mechanism for the magnet armature, by means of which wear or plastic deformation both in the region of the valve armature and in the region of the first end position of the valve anchor defining stop on the inner pole element reducible or completely avoidable are.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilvorrichtung bietet neben einer einfach einstellbaren Gegenkraft für den Ventilanker die Möglichkeit, Betriebsgeräusche im Bereich der Ventilvorrichtung im Vergleich zu herkömmlich ausgebildeten Ventilvorrichtungen wesentlich zu reduzieren.The inventive design of the valve device offers in addition to a simply adjustable counterforce for the valve anchor the ability to significantly reduce operating noise in the region of the valve device compared to conventionally designed valve devices.
Zusätzlich wird durch den verringerten bzw. vollständig eliminierten Verschleiß im Bereich zwischen den einander zugewandten und in der ersten Endstellung des Ventilankers einander anliegenden Stirnflächen des Ventilankers und des Innenpolelementes eine über die gesamte Lebensdauer der Ventilvorrichtung gleichbleibende Funktionalität der Ventilvorrichtung erreicht, was besonders vorteilhaft für die Ansteuerung eines Verbrennungsmotors ist.In addition, due to the reduced or completely eliminated wear in the region between the mutually facing and in the first end position of the valve armature adjacent end faces of the valve armature and the Innenpolelementes a consistent over the life of the valve device functionality of the valve device is achieved, which is particularly advantageous for the control an internal combustion engine is.
Ein weiterer Vorteil, welcher sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ergibt, ist, dass im Vergleich zu herkömmlichen Ventilvorrichtungen eine deutliche Reduktion der Stoßkraft des Ventilankers erzielt wird. Dies führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Stoßbelastung der weiteren Bauteile der Ventilvorrichtung, so dass aufwändige Maßnahmen, welche die durch das Auftreffen des Ventilankers auf das Innenpolelement ausgelösten Erschütterungen im Bereich der gesamten Ventilvorrichtung reduzieren, nicht erforderlich sind.A further advantage, which results from the configuration of the valve device according to the invention, is that a significant reduction in the impact force of the valve anchor is achieved in comparison to conventional valve devices. This also leads to a reduction in the impact load of the other components of the valve device, so that complex measures, which reduce the vibrations caused by the impact of the valve armature on the inner pole element in the region of the entire valve device, are not required.
Zudem ist die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung im Vergleich zu an sich bekannten Ventilvorrichtungen mit einem schlankeren Magnetkreis ausführbar, da der Ventilanker gegen den festen Anschlag des vorzugsweise rohrförmigen Innenpolelements abgefedert ist.In addition, the valve device according to the invention compared to conventional valve devices with a slimmer magnetic circuit executable because the valve armature is cushioned against the fixed stop of the preferably tubular Innenpolelements.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the article according to the invention are the description, the drawings and the claims removed.
Zeichnungdrawing
Drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgeführten Ventilvorrichtung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Three embodiments of an inventively designed valve device are shown schematically simplified in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Ventilvorrichtung
In dem Führungselement
Zuströmseitig schließt sich an den Ventilanker
Der Ventilanker
Die Einstellhülse
Im nicht aktivierten geschlossenen Zustand der Ventilvorrichtung
Zum Öffnen der Ventilvorrichtung
Das zweite Innenpolelementteil
Der Dämpfungsbereich
Durch die Anordnung des Dämpfungsbereiches
Je nach Dimensionierung der Ventilvorrichtung
Dabei besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Öffnungsvorgang derart zu gestalten, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfung über den Dämpfungsbereich
In Abhängigkeit der Elastomerhärte bzw. des für die Herstellung des Dämpfungsbereichs
In
Das bedeutet, dass der Metallfeder des in
Die Einstellung der Federkraft des Dämpfungsbereiches des Innenpolelements bzw. die dynamische Mengeneinstellung der Ventilvorrichtung
Bei einer nicht näher dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ventilvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Dämpfungsbereich des hohlzylindrisch ausgeführten Innenpolelements mehrere über den Umfang und die axiale Länge des Innenpolelements verteilt angeordnete Aussparungen in der Zylinderwand aufweist, welche das Innenpolelement mit der für die Dämpfung des durch das Auftreffen des Ventilankers auf das Innenpolelement generierten Impulses bzw. der Auftreffenergie erforderlichen Elastizität ausbildet und die den die Ventilfunktion der Ventilvorrichtung beeinträchtigenden Verschleiß auf einfache Art und Weise vermeidet.In a non-illustrated further advantageous embodiment of the valve device, it is provided that the damping region of the hollow cylindrical inner pole member has a plurality of distributed over the circumference and the axial length of the Innenpolelements arranged recesses in the cylinder wall, which the Innenpolelement with the for the damping of the through Impact of the valve armature on the Innenpolelement generated pulse or the impact energy forms required elasticity and avoids the valve function of the valve function impairing wear in a simple manner.
Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, den Dämpfungsbereich in anderer geeigneter Art und Weise auszuführen sowie das Innenpolelement auch mit mehreren Dämpfungsbereichen auszuführen, welche beispielsweise aus einer Kombination verschiedener Ausgestaltungen, d. h. eine Kombination aus einem Elastomerring und/oder einer Metallfeder und/oder Aussparungen in der Zylinderwand des Innenpolelementes gebildet sind.Of course, it is at the discretion of a person skilled in the art to carry out the damping region in another suitable manner and also to design the inner pole element with a plurality of damping regions, which may be made of a combination of different embodiments, e.g. H. a combination of an elastomeric ring and / or a metal spring and / or recesses are formed in the cylinder wall of the inner pole element.
In
Der Dämpfungsbereich
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