-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Ventil für ein strömendes Medium, insbesondere einem Dosierventil zum Zumessen einer Flüssigkeit, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bei der Abgasnachbehandlung in Kraftfahrzeugen wird zur Reduzierung von Stickoxiden eine Harnstoff-Wasser-Lösung mittels eines Dosierventils in dosierten Mengen in das Abgas eingespritzt. Aufgrund des hohen Wasseranteils gefriert die im Betrieb des Kraftfahrzeugs unter Druck stehende Lösung schon bei geringen Temperaturen unter dem Nullpunkt. Die dabei im Dosierventil vorhandene Lösung dehnt sich beim Gefrieren aus und schädigt das Ventil, so dass dieses funktionsuntüchtig wird.
-
Um dem zu begegnen weist ein bekanntes, gefriertaugliches Dosierventil zum Einspritzen einer Harnstoff-Wasser-Lösung (
DE 10 2004 025 062 B4 ) einen von einem Magnetteil getrennten Hydraulikteil mit einem Gehäuse und einer darin ausgebildeten Ventilkammer auf, die einerseits von einem Ventilsitz begrenzt und andererseits durch eine elastische, ringförmige Membran abgeschlossen ist. Die Membran ist mit ihrem äußeren Rand im Ventilgehäuse und mit ihrem inneren Rand an einer mit dem Ventilsitz zum Freigeben und Schließen einer Ventilöffnung zusammenwirkenden, vom Magnetteil angetriebenen Ventilnadel jeweils flüssigkeitsdicht festgelegt. In der Ventilkammer mündet ein Zulauf für die unter Druck stehende Harnstoff-Wasser-Lösung. Beim Gefrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung stellt die elastische Membran durch Ausdehnen einen Volumenausgleichsraum zur Verfügung, so dass das Ventil nicht durch das sich vergrößernde Volumen der im Dosierventil vorhandenen Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung beschädigt wird. Im Dosierbetrieb wirkt der Flüssigkeitsdruck in der Ventilkammer auf die elastische Membran, wodurch eine gegen die Federkraft der Ventilschließfeder gerichtete Verschiebekraft am Ventilstößel erzeugt wird. Da das Ventil durch die Abstimmung der Ventilschließfeder und der Magnetkraft abgedichtet bzw. geöffnet wird, führt diese vom Flüssigkeitsdruck in der Ventilkammer erzeugte Verschiebekraft dazu, dass bei gegebener maximaler Magnetkraft des Elektromagneten das Ventil nur in einem eng begrenzten Druckbereich sicher schließen und öffnen kann.
-
Ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen (
DE 10 2004 044 821 A1 ) weist eine an ihrem freien Ende ein kugelförmiges Schließglied tragende, hohle Ventilnadel auf, die mit einem Magnetanker eines Elektromagneten fest verbunden ist und mit einem Kraftstoffzufluss in Verbindung steht. Das Schließglied wirkt mit einem Ventilsitz zum Freigeben und Schließen einer vom Ventilsitz umschlossenen Ventilnadel zusammen. Ventilsitz und Ventilöffnung sind an einem Ventilsitzkörper ausgebildet, der das Ende eines rohrförmigen Ventilsitzträgers abschließt. Eine Ventilschließfeder presst das kugelförmige Schließglied auf den Ventilsitz, so dass das Ventil geschlossen ist. Zum Öffnen des Ventils dient der Elektromagnet, der zusammen mit dem Ventilsitzträger in einem Ventilgehäuse aufgenommen ist. Die stirnseitig offene, hohle Ventilnadel trägt im Bereich zwischen dem Magnetanker und dem Schließglied mehrere radiale Öffnungen, so dass der vom Kraftstoffzufluss in die Ventilnadel gelangende, unter Druck stehende Kraftstoff über die Radialöffnungen in den Ventilsitzträger eintritt und an Schließkopf und Ventilsitz ansteht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass in fertigungstechnisch einfacher Weise im Ventil ein Ausgleichsraum für das gefrierende Medium zur Verfügung steht, ohne dass Einschränkungen hinsichtlich des Druckbereichs, in dem das Ventil bei Betrieb sicher schließt, hingenommen werden müssen. Sobald die im Ventil vorhandene Mediummenge infolge des Gefrierens ihr Volumen vergrößert, beult sich die in die dünnwandige Hülse des Ventilsitzträgers eingebrachte Verformung nach außen aus und gibt sukzessive zusätzliches Volumen frei, das durch das gefrierende Medium eingenommen wird. Dadurch wirkt kein Eisdruck auf irgendein anderes Bauelement im Innern des Ventilgehäuses, so dass eine Schädigung der Ventilfunktion nicht eintreten kann. Da die konstruktive Maßnahme zur Herstellung des Gefriertauglichkeit nicht in die Funktionskette des Ventils eingreift, bleibt die Abstimmung zwischen Magnetkraft des Elektromagneten und der Federkraft der Ventilschließfeder unberührt, so dass das Ventil in einem großen Druckbereich sicher schließen und öffnen kann.
-
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der dünnwandigen Hülse mindestens eine Verformung mit einer gegenüber dem Hülseumfang radial eingedrückten Kontur vorhanden, die elastisch ausbauchbar ist. Vorteilhaft können mehrere solcher Verformungen in Umfangsrichtung versetzt in der Hülse vorhanden sein. Eine solche Verformung bewirkt einerseits eine entsprechende Reduzierung des mit Medium füllbaren Raums in der Hülse und stellt andererseits beim Gefrieren des Mediums einen ausreichenden Ausgleichsraum zur Verfügung, um das vergrößerte Volumen des gefrorenen Mediums aufzunehmen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der Hülse eine hohle Ventilnadel koaxial angeordnet, die ein mit dem Ventilsitz zum Freigeben und Verschließen der Ventilöffnung zusammenwirkendes Schließglied aufweist und über mindestens eine Radialöffnung die Verbindung des Ventilsitzträgers zum Mediumzufluss herstellt. Vorteilhaft ist eine Mehrzahl von Radialöffnungen in der Ventilnadel vorhanden, die z. B. auf zwei im Axialabstand angeordnete Ebenen verteilt sind. Dies hat den Vorteil, dass innerhalb der Ventilnadel gefrierendes Medium sich über die Mehrzahl der Radialöffnungen in die Hülse ausdehnen kann und eine Schädigung der Ventilnadel sicher verhindert ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils für ein strömendes Medium,
-
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1.
-
Das in 1 ausschnittweise mit seinem einspritzseitigen Ende dargestellte Ventil für ein strömendes Medium wird beispielsweise als Dosierventil zum Zumessen einer gefrierfähigen Flüssigkeit eingesetzt. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit ist eine Harnstoff-Wasser-Lösung, die mittels des Dosierventils in dosierter Menge in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, um die Stickoxide im Abgas zu reduzieren. Dabei steht das dosiert abzuspritzende Medium unter einem Systemdruck von einigen bar.
-
Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 11 auf, in dessen einem Ende ein Ventilsitzträger 12 eingesetzt ist und an dessen anderem Ende ein Zufluss für das zuzumessende Medium, z. B. der Harnstoff-Wasser-Lösung, angeordnet ist. Der Mediumzufluss ist symbolisch mit Pfeil 13 angedeutet. Der hohle Ventilsitzträger 12 ist an seinem freien Ende mit einem Ventilsitzkörper 14 abgeschlossen, der mit dem Ventilsitzträger 12 flüssigkeitsdicht verbunden ist, wie es in 1 durch die umlaufende Stichschweißnaht 15 angedeutet ist. Am Ventilsitzkörper 14 ist ein Ventilsitz 16 ausgebildet, der eine Ventilöffnung 17 umgibt und mit einem z. B. kugelförmigen Schließglied 18 zum Freigeben und Schließen der Ventilöffnung 17 zusammenwirkt. Das Schließglied 18 ist an einem Ende einer innerhalb des Ventilsitzträgers 12 koaxial zu diesem angeordneten, hohlen Ventilnadel 19 befestigt, z. B. durch eine umlaufende Schweißnaht 20, wodurch der Schließkopf 18 die Ventilnadel 19 flüssigkeitsdicht abschließt. Das andere Ende der hohlen Ventilnadel 19 ist mit einer Ventilschließfeder 21 belastet, die sich im Ventilgehäuse 11 abstützt und das Schließglied 18 auf den Ventilsitz 16 aufpresst.
-
Zum Öffnen des Ventils durch Abheben des Schließglieds 18 vom Ventilsitz 16 ist ein Magnetanker 22 fest mit der Ventilnadel 19 verbunden, z. B. durch eine umlaufende Stichschweißnaht 23. Der Magnetanker 22 ist im Ventilsitzträger 12 axial verschieblich geführt und ist Teil eines im Ventilgehäuse 11 aufgenommenen Elektromagneten 24, vom dem in 1 ein koaxial zum Magnetanker 22 angeordneter Magnetkern 25 und eine auf den Magnetkern 25 sitzende Magnetspule 26 zu sehen sind. Zwischen Magnetkern 25 und Magnetanker 22 befindet sich in bekannter Weise der Arbeitsluftspalt 27 des Elektromagneten 24. Im Bereich zwischen Magnetanker 22 und Schließglied 18 ist in die hohle Ventilnadel 19 mindestens eine Radialöffnung 28 eingebracht. Das über den Mediumzufluss 13 einströmende, unter Druck stehende Medium kann somit durch die hohle Ventilnadel 19 über die Radialöffnung 28 in einen von Ventilsitzträger 12 und Ventilnadel 19 eingeschlossenen Ringraum 29 gelangen und somit am Schließglied 18 und Ventilsitz 16 anstehen. Beim Öffnen des Ventils wird das Medium über die Ventilöffnung 17, der noch eine Spritzlochscheibe 30 nachgeordnet ist, in dosierter Menge abgespritzt, wobei die Dosierung im wesentlichen durch die Größe der Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe 30 bestimmt ist.
-
Zur Herstellung einer Gefriertauglichkeit des Ventils in dem Sinne, dass das im Ventilgehäuse 11 vorhandene Medium beim Gefrieren keine Schädigung des Ventils bewirkt, ist der hohle Ventilsitzträger 12 als dünnwandige Hülse 31 ausgebildet und die Hülse 31 in einem dem Ventilsitzkörper 14 vorgeordneten Bereich im Sinne einer Querschnittsreduzierung bleibend, aber elastisch nachgiebig verformt. Dabei ist mindestens eine Verformung 32 mit einer gegenüber dem Hülseumfang 38 radial eingedrückten Kontur 34 vorhanden, wobei die Kontur 34 durch eine im Ringraum 29 auftretende Druckkraft elastisch ausbauchbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der Hülse 31 insgesamt drei um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Verformungen 32 mit radial eingedrückter Kontur 34 vorhanden, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Beim Gefrieren des im Ventil unter Druck stehenden Mediums drückt das sich vergrößernde Volumen des gefrierenden Mediums die Konturen 34 nach außen, so dass ein Ausgleichsraum für das wachsende Volumen zur Verfügung steht, damit keine Druckkräfte auf Ventilnadel 19, Ventilsitzkörper 14 und Magnetanker 22 wirken und mechanische Schädigungen des Ventils sicher verhindert werden. Nach Auftauen des gefrorenen Mediums bilden sich die ausgebauchten Konturen 34 infolge ihrer Elastizität wieder zurück und nehmen die in 1 und 2 gezeigte Stellung ein. Der im Ventil beim Betrieb herrschende Mediumdruck, einschließlich der auftretenden Druckschwankungen, ist nicht so groß, dass er die Konturen 34 seinerseits auszubeulen vermag.
-
Um eine Schädigung der mediumgefüllten, hohlen Ventilnadel 19 beim Gefrieren sicher zu verhindern, ist eine Mehrzahl von Radialöffnungen 28 in der Ventilnadel 19 vorgesehen, die z. B. auf zwei verschiedenen Ebenen aufgeteilt sind. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel liegen die Lochachsen von jeweils vier Radialöffnungen 28 in zwei Ebenen, die einen axialen Abstand voneinander aufweisen. Gefrierendes Medium kann durch die Vielzahl der Radialöffnungen 38 „hindurchwachsen”, so dass keine Druckkräfte an der Innenwand der Ventilnadel 19 angreifen.
-
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 102004025062 B4 [0003]
- DE 102004044821 A1 [0004]
