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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Dosierventil zum Zumessen einer insbesondere
gefrierfähigen Flüssigkeit nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes, gefriertaugliches Dosierventil (
DE 10 2004 025 062 B4 )
hat einen Ventilkörper mit einem langgestreckten Ventilhals,
in dessen freies Ende ein einen Ventilsitz mit Ventilöffnung
aufweisender Ventilsitzkörper eingesetzt ist. Die Ventilöffnung ist
durch eine Düsenplatte mit Flüssigkeitszerstäubungseigenschaft
abgedeckt. Mit dem Ventilsitz wirkt das als Schließkörper
ausgebildete Ende eines langgestreckten Ventilstößels
zusammen, der von einer Ventilschließfeder in Ventilschließrichtung
belastet und mittels eines Elektromagneten gegen die Kraft der Ventilschließfeder
axial verschiebbar ist. Der Ventilstößel ist in
einer langgestreckten Ventilkammer angeordnet, die mit einem Flüssigkeitszulauf
in Verbindung steht und am ventilsitzfernen Ende in einen volumengrößeren
Ausgleichsraum übergeht. Der Ausgleichsraum – und
damit die Ventilkammer – ist von einer Metallmembran abgeschlossen,
die mit ihrem äußeren Rand am Ventilkörper
festgelegt ist und mittig am Ventilstößel nahe
dessen ventilsitzfernem Ende befestigt ist, wobei die Membran sich
mit einem den Ventilstößel umschließenden
Membranbereich an einer mit dem Ventilstößel fest
verbundenen Scheibe abstützt. Die über den nahe
dem Ausgleichsraum angeordneten Flüssigkeitszulauf zufließende
Flüssigkeit strömt in der Ventilkammer über den
zwischen Ventilstößel und Kammerwand vorhandenen,
schmalen Ringraum zum Ventilsitz. Wird der Elektromagnet bestromt,
wird der Ventilstößel gegen die Kraft der Ventilschließfeder
verschoben, wobei sich der Hohlraum jenseits der Metallmembran verkleinert.
Ist der Elektromagnet stromlos, so presst die Ventilschließfeder
den Ventilstößel mit seinem Schließkörper
auf den Ventilsitz auf.
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Gefriert
bei tiefen Temperaturen das in der Ventilkammer vorhandene Flüssigkeitsvolumen,
so drückt die gefrierende Flüssigkeit gegen die
Metallmembran. Die Kraft des Gefrierdrucks wird über die an
dem Ventilstößel befestigten Scheibe auf den Ventilstößel
weitergegeben und der Schließkörper hebt vom Ventilsitz
ab, so dass die Ventilöffnung, und der darunterliegende,
flüssigkeitsgefüllte Raum im Ventilkörper
freigegeben wird. Bei diesem Dosierventil besteht jedoch die Gefahr,
dass bei extremen Kältegraden die gefrierende Flüssigkeit
in dem Ringraum zwischen Ventilstößel und Kammerwand
den Ventilstößel festsetzt, so dass der entstehende
Gefrierdruck den Ventilstößel nicht mehr bewegen
kann und damit der Schließkörper auch nicht vom
Ventilsitz abzuheben vermag. Durch das zwischen der Ventilöffnung
und Düsenplatte vorhandene, gefrierende Flüssigkeitsvolumen
kann der Bereich um den Ventilsitz beschädigt und die Dosierfunktion
in ihrer Genauigkeit beeinträchtigt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Dosierventil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Festlegung der elektrisch
verformbaren Kammerwand der Ventilkammer unmittelbar am Schließkörper
der Ventilstößel komplett außerhalb der
Ventilkammer liegt und mit der Flüssigkeit nicht oder nur
in einem kleinen Bereich seines Schließkopfs in Berührung
kommt. Einerseits kann dadurch der Ventilstößel
auch bei extremen Kältegraden nicht von der gefrierenden
Flüssigkeit festgesetzt werden. Andererseits wird die Ventilkammer
volumenmäßig klein gehalten, so dass der Ausdehnungsbedarf
des in der Ventilkammer vorhandenen, gefrierenden Flüssigkeitsvolumens
nur klein ist. Beim Gefrieren des Flüssigkeitsvolumens
weicht die elastisch verformbare Kammerwand aus und hebt die Dichtfläche des
Schließkopfes gegen die Kraft der Ventilschließfeder
vom Ventilsitz ab, so dass weiterer Ausdehnungsraum für
die gefrierende Flüssigkeit unterhalb der Ventilöffnung
entsteht. Der gleiche Effekt wird beim Gefrieren eines Flüssigkeitsvolumen
erzielt, das evtl. in dem in Durchflussrichtung hinter der Ventilöffnung
vorhandenen Abspritzkanal verblieben ist.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruchs
1 angegebenen Dosierventils möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Schließkopf
unter Federwirkung einer den Ventilstößel beaufschlagenden
Ventilschließfeder vorzugsweise mittig an der vom Ventilsitz
abgekehrten Rückseite der elastisch verformbaren Kammerwand
kraftschlüssig an. Dabei bildet ein vom Schließkopf
abgekehrter Bereich der elastisch verformbaren Kammerwand eine an
den Ventilsitz sich anpassende Dichtfläche. Durch diese
konstruktive Maßnahme ist der Hydraulikteil des Dosierventils komplett
vom Ventilstößel und den Mitteln zur Hubbewegung
des Ventilstößels getrennt. Die elastisch verformbare
Kammerwand übernimmt in Verbindung mit dem Ventilstößel
Ventilschließ- und -öffnungsfunktion.
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Hat
die elastisch verformbare Kammerwand keine für einen verschleißfreien
Betrieb und eine nötige Sitzdichtheit erforderliche Oberflächengüte
oder -härte, so wird gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung im Bereich des Schließkopfes
auf die vom Schließkopf abgekehrte und dem Ventilsitz zugekehrte
Vorderseite der elastisch verformbaren Kammerwand eine Ventilkappe
aufgesetzt, die eine an den Ventilsitz angepasste Dichtfläche
aufweist. Die Ventilkappe ist aus Keramik, Stahl oder einem sonstigen
verschleißarmen Material hergestellt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die elastisch
verformbare Kammerwand als Membran oder als Wellbalg ausgebildet. Sowohl
Membran als auch Wellbalg können aus Metall oder einem
Elastomer hergestellt sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 einen
Längsschnitt eines gefriertauglichen Dosierventils,
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2 ausschnittweise
den Ausschnitt II in 1 mit einer Modifikation des
Dosierventils,
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3 eine
gleiche Darstellung wie in 2 mit einer
weiteren Modifikation des Dosierventils,
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4 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines gefriertauglichen Dosierventils
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Das
in 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellte
Dosierventil zum Zumessen einer insbesondere gefrierfähigen
Flüssigkeit wird z. B. in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen,
insbesondere Dieselfahrzeugen, eingesetzt, um zur Reduktion von Stickoxiden
eine Harnstoff-Wasser-Lösung in dosierter Menge in das
Abgas einzuspritzen. Aufgrund des hohen Wasseranteils in der Lösung
gefriert die im Betrieb unter Druck stehende Lösung schon
bei geringen Kältegraden, wobei durch Ausdehnung der gefrierenden
Lösung es zu Verformung und Zerstörung von Komponenten
des Ventils kommen kann. Durch den konstruktiven Aufbau des in 1 dargestellten Dosierventils
werden solche Beschädigungen des Dosierventils beim Gefrieren
der Flüssigkeit verhindert.
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Das
Dosierventil weist einen z. B. plattenförmigen Ventilkörper
11 auf,
in dem eine Ventilkammer
12 ausgebildet ist, die mit einem
Flüssigkeitszulauf
13 in Verbindung steht. Der
Flüssigkeitszulauf
13 weist einen am Ventilkörper
11 ausgebildeten
Anschlussstutzen
14 und eine in den Anschlussstutzen
14 eingesetzte
Anschlussleitung
15 auf, die zu einem Flüssigkeitsreservoir
führt. Die Ventilkammer
12 besitzt eine elastisch
verformbare Kammerwand
16 aus Metall oder einem Elastomer,
die im Ausführungsbeispiel der
1 als Membran
17 ausgeführt
ist. Hierzu ist in den Ventilkörper
11 eine Aussparung
18 und in
den Grund
181 der Aussparung
18 eine die Ventilkammer
12 bildende
Ringnut
19 eingebracht. Die Membran
17 überdeckt
die Ringnut
19 und ist mit ihrem äußeren
Randbereich auf dem Grund
181 der Aussparung
18 befestigt,
vorzugsweise verschweißt, wie es durch die in
1 eingezeichnete
Schweißnaht
20 symbolisiert ist. Auf der Stirnfläche
des von der Ringnut
19 umschlossenen Ventilkörper-Sockels
111 ist
ein Ventilsitz
21 ausgebildet, der eine Ventilöffnung
22 umgibt.
Die Ventilöffnung
22 bildet die Mündung
eines den Ventilkörper
11 durchdringenden Abspritzkanals
23,
dem eine an der Stirnseite des Ventilkörpers
11 befestigte
Zerstäubungsscheibe
24 vorgesetzt ist. Aufbau
und Funktion der Zerstäubungsscheibe
24 ist beispielsweise
in der
DE 10 2006
041 471 A1 beschrieben.
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Das
Dosierventil weist ferner einen Ventilstößel 25 auf,
an dessen dem Ventilkörper 11 mit Ventilsitz 21 zugekehrten
Stirnseite ein mit dem Ventilsitz 21 zum Schließen
und Freigeben der Ventilöffnung 22 zusammenwirkender
Schließkopf 251 ausgebildet ist. Der Schließkopf 251 ist
vorzugsweise einstückig mit dem Ventilstößel 25 ausgeführt.
Der Ventilstößel 25 ist zusammen mit
einer den Ventilstößel 25 beaufschlagenden
Ventilschließfeder 26 und einem den Ventilstößel 25 beaufschlagenden,
elektromagnetischen Antrieb 27 in einem Antriebsgehäuse 28 aufgenommen,
das in die Aussparung 18 im Ventilkörper 11 eingesetzt
und mit dem Ventilkörper 11 verschweißt
ist. Die dabei entstehende Schweißnaht 29 ist
in 1 eingezeichnet. Der elektromagnetische Antrieb 27 besteht
in bekannter Weise aus einer außen auf dem Antriebsgehäuse 28 aufsitzenden
Magnetspule 30, einem am Antriebsgehäuse 28 innen
anliegenden, hohlzylindrischen Magnetkern 31 und einem
dem Magnetkern 31 mit Spaltabstand gegenüberliegenden
Magnetanker 32, der im Antriebsgehäuse 28 axial
verschieblich geführt und mit dem Ventilstößel 25 fest
verbunden ist. Die als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 26 stützt
sich am Magnetanker 32 und am Boden des topfförmigen
Antriebsgehäuses 28 ab. Bei unerregter Magnetspule 30 liegt
der Schließkopf 251 des Ventilstößels 25 unter
der Wirkung des Ventilschließfeder 26 kraftschlüssig
auf der von dem Ventilsitz 21 abgekehrten Rückseite
der Membran 17 auf, wodurch diese im Bereich des Schließkopfes 251 auf
den Ventilsitz 21 aufgepresst wird und die Ventilöffnung 22 verschließt.
Der vom Schließkopf 251 abgekehrte Bereich der
Membran 17 bildet somit eine an den Ventilsitz 21 sich
anpassende Dichtfläche. Wird die Magnetspule 30 bestromt,
so wird der Mangetanker 32 gegen die Kraft der Ventilschließfeder 26 in
Richtung Magnetkern 31 verschoben, so dass der Ventilstößel 25 mit
Schließkopf 251 vom Ventilsitz 21 abhebt.
Der in der Ventilkammer 12 herrschende Druck bewirkt dabei,
dass die Membran 17 weiterhin am Schließkopf 251 anliegt
und an der Hubbewegung des Schließkopfes 251 teilnimmt.
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Der
Ventilstößel 25 ist im Antriebsgehäuse 28 axial
verschieblich geführt, was durch ein z. B. scheibenförmiges
Führungsglied 33 bewirkt wird, das am Antriebsgehäuse 28 befestigt
ist und ein zentrales Führungsloch 34 für
den Ventilstößel 25 aufweist. Das Führungsglied 33 dient
zugleich als Gegenanschlag für einen am Ventilstößel 25 angeordneten Anschlag 35,
um beim Montieren oder Demontieren von Antriebsgehäuse 28 und
Ventilkörper 11 ein Herausfallen des Ventilstößels 25 mit
Magnetanker 32 aus dem Antriebsgehäuse 28 zu
verhindern.
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Ist
die Oberflächengüte oder -härte der Membran 17 nicht
ausreichend für einen verschleißfreien Betrieb
und die benötigte Sitzdichtheit am Ventilsitz 21,
wird gemäß einer in 2 dargestellten
Modifikation des Dosierventils auf die vom Schließkopf 251 abgekehrte,
also dem Ventilsitz 21 zugekehrte, Vorderseite der Membran 17 eine
Ventilkappe 36 aufgesetzt, die z. B. aus Keramik, Stahl
oder einem anderen verschleißfesten Material besteht. Die
dem Ventilsitz 21 zugekehrte Außenseite der Ventilkappe 36 besitzt
eine an den Ventilsitz 21 angepasste Dichtfläche.
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In
der in 3 dargestellten Modifikation des Dosierventils
ist am stirnseitigen Ende des Schließkopfs 251 eine
an den Ventilsitz 21 angepasste Dichtfläche ausgebildet,
wobei der Schließkopf 251 unmittelbar mit seiner
Dichtfläche auf dem Ventilsitz 21 dichtend aufliegt.
Die elastisch verformbare Kammerwand 16, die im Ausführungsbeispiel
der 3 wiederum als Membran 17 ausgebildet
ist, ist mittig am Schließkopf 251 im geringen
Abstand von der Dichtfläche befestigt. Hierzu kann z. B.
die Membran ein zentrales Durchgangsloch 37 aufweisen,
durch das der Schließkopf 251 teilweise soweit
hindurchgeschoben ist, bis der Lochrand in eine in den Schließkopf 251 eingebrachte
Ringnut 38 einschnappt. Membran 17 und Schließkopf 251 sind
fest miteinander verbunden, wozu auf der von der Ventilkammer 16 abgekehrten
Seite der Membran 17 eine am Schließkopf 251 umlaufende
Schweißnaht 39 angebracht ist.
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Das
in 4 ausschnittweise im Schnitt dargestellte weitere
Ausführungsbeispiel des Dosierventils ist gegenüber
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel insoweit
modifiziert, als die elastisch verformbare Kammerwand 16 nicht
als Membran sondern als Wellbalg 40 ausgebildet ist, der
mit seinem Außenrand auf der Stirnseite des hier topfförmig ausgebildeten
Ventilkörpers 11, z. B. mittels einer Schweißnaht 41,
befestigt ist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 2 presst
sich der Schließkopf 251 des Ventilstößels 25 unter
der Wirkung der Ventilschließfeder mittig an den Wellbalg 40 an
und drückt über diesen die dem Wellbalg 40 im
Bereich des Schließkopfs 251 vorgesetzte Ventilkappe 36 auf den
Ventilsitz 21 auf. Das Antriebsgehäuse 28,
das in gleicher Weise wie in 1 ausgebildet
ist, übergreift hier den topfförmigen Ventilkörper 11 und
ist wiederum an dessen äußeren Topfrand mittels
der Schweißnaht 29 festgelegt. Der Ventilsitz 21 ist
am Topfboden des Ventilkörpers 11 ausgebildet,
und die Ventilkammer 16 ist einerseits von dem Topfboden und
dem Topfmantel und andererseits durch den Wellbalg 40 begrenzt.
Der Flüssigkeitszulauf 13 ist durch den Topfmantel
geführt und wiederum durch einen einstückig an
den Topfmantel angeformten Anschlussstutzen 14 realisiert,
auf den die Anschlussleitung 15 aufgeschoben ist. Dem der
Ventilöffnung 22 nachgeordneten, den Topfboden
durchdringenden Abspritzkanal 23 ist wiederum die Zerstäubungsscheibe 24 vorgesetzt.
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Bei
ausreichender Oberflächengüte und -härte
des Weltbalgs 40 kann die Ventilkappe 36 entfallen,
so dass – wie die Membran 17 in 1 – der Wellbalg 40 selbst
auf dem Ventilsitz 21 aufliegt.
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Selbstverständlich
kann der Wellbalg 40 auch so am Schließkopf 251 des
Ventilstößels 25 befestigt sein, wie
dies für die Membran 17 in 3 dargestellt
und beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004025062
B4 [0002]
- - DE 102006041471 A1 [0015]