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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, und insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden insbesondere Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
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Bei Proportionalventilen des Standes der Technik weisen Bauteile im Innern des Proportionalventils jedoch kantenförmige Geometrien auf, die eine verlustarme Strömung des gasförmigen Mediums wesentlich beeinträchtigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Kanten an einem Düsenkörper und/oder an einem Schließelement, an denen das zu steuernde Medium vorbeiströmt, abgerundet sind. Dadurch können Strömungsabrisse des Mediums verhindert sowie die effektiven Strömungsquerschnitte erhöht werden, was zu einer deutlichen Reduzierung der Drosselverluste führt. Vorzugsweise sind alle Kanten am Düsenkörper und/oder Schließelement abgerundet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Düsenkörper wenigstens zwei nierenförmige Durchlassöffnungen auf und alle Kanten an einer Einlassmündung und einer Auslassmündung sind abgerundet. Dadurch können Verwirbelungen sowie der Strömungswiderstand des Gasstroms am Düsenkörper wesentlich verringert werden.
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Weiterhin bevorzugt weist das Schließelement einen durch das Schließelement hindurchgehenden Mediumspfad auf und alle Kanten des Mediumspfades sind abgerundet. Hierdurch wird eine optimierte Strömung sowie eine deutlich reduzierte Drosselung des Gasstroms in allen im Schließelement ausgebildeten Strömungskanälen, insbesondere an mit konventionellen Werkzeugen nur schwer zugänglichen Bohrungsverschneidungen, erreicht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Kanten elektrochemisch abgerundet. Hierbei wird ein Verfahren zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke (ECM-Verfahren) eingesetzt, das einen gezielten Werkstoffabtrag an den Kanten der Innenoberflächen der Bauteile ermöglicht. Hierbei wird eine Elektrolytlösung eingesetzt, die Metall-Ionen von den Bauteilen des Proportionalventils ohne eine Übertragung von mechanischen Kräften ablöst. Die Kanten werden hierbei nicht nur entgratet, sondern durch einen weiterführenden Werkstoffabtrag strömungsgünstig verrundet. Ferner werden alle Innenoberflächen geglättet, was zu einen weiteren Verringerung des Strömungswiderstands bzw. Entdrosselung des Proportionalventils beiträgt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung entspricht beim elektrochemischen Abrunden der Kanten eine Strömungsrichtung des Elektrolyten einer späteren Durchströmungsrichtung des Mediums durch das Proportionalventil. Hierdurch wird insbesondere an den neuralgischen Bereichen mit Strömungsumlenkungen ein der Strömung entsprechender Werkstoffabtrag erreicht, der die strömungsmechanischen Gegebenheiten für das Medium im Einsatz verbessert, woraus ein optimierter Strömungsverlauf resultiert.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Proportionalventils mit mehreren Bauteilen, wobei Kanten wenigstens eines der Bauteile mittels elektrochemischem Verrunden abgerundet werden, wobei eine Strömungsrichtung eines Elektrolyten durch das Bauteil einer späteren Strömungsrichtung des Mediums durch das Bauteil entspricht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können selbst schwer zugängliche Strömungsbereiche an den das Medium kontaktierenden Innenoberflächen der Bauteile effektiv abgerundet werden. Somit ist eine zeit- und kosteneffektive Fertigung und Montage der Bauteile erreichbar, deren Kanten in einem einzigen Verfahrensschritt elektrochemisch abgerundet werden. Ferner kann das Verfahren zur Strömungsoptimierung bei allen Typen bzw. Baureihen von Proportionalventilen in einem zusätzlichen Prozessschritt nach dem Zusammenbau eingesetzt werden.
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Vorzugsweise werden durch das Verfahren alle Durchgangsöffnungen elektrochemisch abgerundet. Hierdurch können sämtliche Strömungsbehinderungen beseitigt und die Drosselverluste wesentlich gemindert werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein 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 Proportionalventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Teilausschnitts des Proportionalventils von 1,
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3 eine weitere Darstellung des Teilausschnitts des Proportionalventils von 2, und
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4 eine perspektivische Darstellung des Düsenkörpers des Proportionalventils von 1.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das in den 1 bis 4 gezeigte Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zugeführt wird.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil 1 ein Ventilgehäuse 6 mit einem Magnetanker 12, einer Magnetspule 13 und einem mit dem Magnetanker 12 verbundenen Stift 11. Eine Schließfeder 14 ist über eine Federaufnahme 15 mit dem Stift 11 verbunden. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Einstellbolzen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Die Magnetspule 13 ist in einer Umspritzung 17 aus Kunststoff am Ventilgehäuse 6 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Proportionalventil 1 vorgesehen. An dem der Schließfeder 14 entgegengesetzten Ende des Stifts 11 ist ein Schließelement 4 befestigt. Das Schließelement 4 verschließt Durchlassöffnungen 3, welche in einem Düsenkörper 2 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 3 sind dabei nierenförmig ausgebildet und um eine Mittelachse X-X des Proportionalventils 1 angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei drei Durchlassöffnungen 3 vorgesehen, es können jedoch auch nur zwei oder aber vier oder fünf Durchlassöffnungen ausgebildet sein. Zwischen den einzelnen Durchlassöffnungen sind jeweils Stege 24 ausgebildet (vgl. 4).
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Düsenkörper 2 ein Filter 19 vorgesehen, durch welchen eine Zuströmung des gasförmigen Mediums in einer mit einem Pfeil gekennzeichneten ersten Strömungsrichtung A erfolgt. Zur Abdichtung des Proportionalventils in einem Bauelement sind O-Ringe 20 vorgesehen. Eine Abströmung des gasförmigen Mediums erfolgt in radialer Richtung (Pfeile C).
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Am Schließelement 4 sind, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, eine senkrechte Abströmöffnung 9 sowie mehrere waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen, wobei die waagrechten Abströmbohrungen 10 einen größeren Durchmesser als die senkrechte Abströmöffnung 9 aufweisen. Weiterhin ist am Schließelement 4 ein ringförmiges, elastisches Dichtelement 5 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 5 dichtet die Durchlassöffnungen 3 an einem Ventilsitz 21 ab. Der Ventilsitz 21 umfasst zwei kreisförmige Dichtbereiche 50, 60 und verläuft jeweils um den inneren und äußeren Umfang der Durchlassöffnungen 3. Wie in 4 dargestellt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel drei nierenförmige Durchlassöffnungen 3 vorgesehen, die durch den ringförmig umlaufenden äußeren Dichtbereich 50 sowie den ringförmig umlaufenden inneren Dichtbereich 60 eine linienförmige Abdichtung zum Dichtelement 5 bilden. Wie aus 2 ferner ersichtlich ist, sind Mündungsbereiche der Durchlassöffnungen 3 in einer Vertiefung 26 im Düsenkörper 2 gebildet.
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Im Ventilgehäuse 6 sind weiter Ausströmbohrungen 7, 8 angeordnet, welche in radialer Richtung verlaufen. Beim Öffnen des Ventils hebt das Schließelement 4 mitsamt dem Dichtelement 5 vom Ventilsitz 21 am Düsenkörper 2 ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt entsprechend dem Hub des Schließelements 4 frei. Da in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Strömungsweg im Schließelement 4 über die Abströmöffnung 9 und die Abströmbohrungen 10 gebildet ist, strömt Gas, wie durch Pfeile D und E in 2 gekennzeichnet, sowohl durch das Schließelement 4 als auch direkt seitlich am Schließelement 4 vorbei in die Ausströmbohrungen 7, 8. Hierdurch kann eine größere Gasmenge am Schließelement 4 bei einem relativ kleinen Hub ausströmen.
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Wie in 3 dargestellt, sind im Düsenkörper 2 an einer Einlassmündung 31 und einer Auslassmündung 41 im Bereich des Ventilsitzes 21, sowie in einem Mediumspfad M, der durch die in Richtung der Mittelachse X-X verlaufende Abströmöffnung 9 und die senkrecht dazu verlaufenden Abströmbohrungen 10 im Schließelement 4 gebildet ist, jeweils Verrundungen V vorgesehen. Wie detailliert aus 4 ersichtlich, sind ferner beidseitige Verrundungen V an den dem Schließelement 4 zugewandten Stirnseiten der Stege 24 zwischen den drei Durchgangsöffnungen 3 und an den umlaufenden inneren und äußeren Dichtbereichen 50, 60 vorgesehen. Obwohl in dieser Darstellung nicht sichtbar, sind auch beidseitige Verrundungen an den der Einlassmündung 31 zugewandten Stirnseiten der Stege 24 vorgesehen.
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Diese Verrundungen V werden in einem nachfolgenden Prozessschritt mittels eines elektrochemischen Verfahrens (ECM-Verfahrens) hergestellt. Hierfür wird eine Elektrolytlösung in einer späteren Durchströmungsrichtung des Mediums durch das Proportionalventil 1 geleitet, die entlang der ersten Strömungsrichtung A weiter in Richtung der Pfeile E und D (siehe 2) bzw. dem Mediumspfad M bis zu den Abströmbohrungen 10 verläuft. Dadurch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt ein Werkstoffabtrag an allen Kanten der dem Medium zugewandten Innenoberflächen am Düsenkörper 2 und am Schließelement 4. Da die Kantenverrundung durch das elektrochemische Verfahren in Richtung der späteren Durchströmung der Bauteile erfolgt, können strömungsoptimierte Bauteile erhalten werden. Wird das Verfahren über einen größeren Zeitraum ausgeführt, werden nicht nur die Kanten verrundet, sondern es erfolgt auch ein zusätzlicher Materialabtrag von strömungshindernden Bereichen der Bauteile.
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Das Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ermöglicht aufgrund der Verrundung aller Kanten im Düsenkörper 2 und Schießelement 4 einen optimierten Strömungsverlauf mit größeren effektiven Strömungsquerschnitten und reduzierten Drosselverlusten, woraus eine verbesserte Regelbarkeit resultiert.
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Es sei angemerkt, dass alternativ zum obigen Ausführungsbeispiel das Dichtelement 5 auch am Düsenkörper 2 angeordnet sein kann und entsprechend der Dichtsitz am Schließelement gebildet sein kann.
