DE102011002427A1

DE102011002427A1 - Doppelrückschlagventil zur bidirektionalen Durchflusskontrolle von gasförmigen und/oder flüssigen Medien sowie Verwendung des Doppelrückschlagventils

Info

Publication number: DE102011002427A1
Application number: DE102011002427A
Authority: DE
Inventors: Christoph WALETZEK; Markus Weiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Doppelrückschlagventil 10, 60, 90, 150 zur bidirektionalen Durchflusskontrolle von gasförmigen und/oder flüssigen Medien, insbesondere für ein Abgasnachbehandlungssystem 130 einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse 12, 62 und einer ersten und einer zweiten Ventilkammer 14, 16, 74, 76. Erfindungsgemäß sind die Ventilkammern 14, 16, 74, 76 durch ein elastisches Schließorgan voneinander getrennt, wobei das Schließorgan mindestens einen Schlitz 22, 24, 78, 106, 112 aufweist. Infolge der Trennung der Ventilkammern 14, 16, 74, 76 mittels eines bevorzugt mehrfach geschlitzten, elastischen Schließorgans, insbesondere in der Form einer scheibenförmigen Membran 18, 72 oder eines Membrantopfes 92 ergibt sich ein konstruktiv einfacher und ausfallsicherer Aufbau des bidirektional wirkenden Doppelrückschlagventils 10, 60, 90, 150, der einen praktisch wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Darüber hinaus lässt sich aufgrund des konstruktiv einfachen Aufbaus eine hohe Chemikalienresistenz mit geringem Aufwand erreichen, da das elastische Schließorgan aufgrund der bevorzugten Verwendung von Elastomeren bereits über eine hinreichend hohe native Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Vielzahl von chemischen Substanzen verfügt.

Description

Stand der Technik
Doppelrückschlagventile bzw. Ventile, die eine bidirektionale Durchflusskontrolle erlauben, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Derartige Rückschlagventile werden in vielen Bereichen der Technik und insbesondere auch in der Kraftfahrzeugtechnik verbreitet eingesetzt.
Denn bei vielen Kraftfahrzeugen erfolgt eine Abgasnachbehandlung mittels des so genannten ”SCR”-Verfahrens (”Selective Catalytic Reduction”). Hierbei wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein flüssiges Reduktionsmittel mithilfe einer Förderpumpe aus einem Tank zu einem Dosiermodul im Bereich eines in den rohrförmigen Abgasstrang integrierten Katalysators gefördert. Um Frostschäden infolge des Gefrierens des Reduktionsmittels bei Temperaturen unterhalb von –11°C zu verhindern, wird nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine das im System befindliche Reduktionsmittel mithilfe der Förderpumpe ausgehend vom Dosiermodul entgegen der normalen Förderrichtung zurück in den Tank gesaugt. Zwischen dem Tank und der Förderpumpe kann ein Doppelrückschlagventil vorgesehen sein. Das Doppelrückschlagventil verhindert, dass sich die Verbindungsleitungen und die weiteren Komponenten aufgrund des hydrostatischen Drucks im Tank nach dem Abschalten der Förderpumpe erneut langsam mit dem Reduktionsmittel füllen. Darüber hinaus erlaubt das Doppelrückschlagventil das Wiederansaugen des Reduktionsmittels aus dem Tank in normaler Förderrichtung. Das Reduktionsmittel ist jedoch chemisch aggressiv, so dass die mechanisch aufwändig aufgebauten Doppelrückschlagventile regelmäßig gewartet werden müssen, um Ausfälle zu vermeiden.
Aus der US 5,282,492 ist ein Doppelrückschlagventil zur Druckbegrenzung bekannt. Das Ventil umfasst unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse mit zwei im Wesentlichen scheibenförmigen Ventilplatten. Die größere der beiden stützt sich im drucklosen Zustand auf einem linksseitigen Gehäuseteil ab, wobei die Abdichtung mittels eines O-Rings erfolgt und die zur Abdichtung notwendige Andruckkraft mittels einer großen Druckfeder erzeugt wird. Die kleinere Ventilplatte ist in einer Bohrung der größeren Ventilplatte axial verschiebbar aufgenommen. Die Abdichtung zwischen den Ventilplatten erfolgt mittels eines O-Rings, wobei die Andruckkraft mithilfe einer kleineren, koaxial innerhalb der größeren angeordneten Druckfeder aufgebaut wird. Die radiale Führung der Druckfedern erfolgt mithilfe einer Hülse, die eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, um einen ungehinderten Durchtritt des Fluids zu ermöglichen. Bei einer zu geringen Druckdifferenz zwischen beiden Gehäuseteilen befindet sich das Ventil in beiden möglichen Strömungsrichtungen im ”Sperrzustand”. Das Fluid kann nur vom rechten zum linken Gehäuseteil strömen, wenn der Druck im rechten Gehäuseteil im Verhältnis zum linken Gehäuseteil so groß ist, dass sich die kleine Ventilplatte von der großen Ventilplatte abhebt. Die große Ventilplatte wird bei dieser Strömungsrichtung fester gegen ihren Dichtsitz in der linken Gehäusehälfte gedrückt. In der gegenläufigen Strömungsrichtung kann das Fluid nur strömen, wenn der Druck im linken Gehäuseteil in Bezug zum rechten Gehäuseteil so hoch ist, dass die große Ventilplatte von ihrem gehäuseseitigen Dichtsitz abgehoben wird. In dieser Strömungsrichtung wird die kleine Ventilplatte fester gegen ihren Dichtsitz in der großen Ventilplatte gepresst. Das Ventil ermöglicht das bidirektionale Durchströmen eines Fluids, wenn die Druckdifferenz zwischen beiden Gehäuseteilen einen festgelegten Mindestdifferenzdruck überschreitet.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform liegt in der großen Anzahl der zueinander bewegten Komponenten und der hiermit einhergehenden komplexen Bauform, die zudem einen hohen Aufwand zur Sicherstellung einer ausreichend hohen Korrosionsfestigkeit gegenüber chemischen aggressiven Fluiden und der notwendigen Eisdruckfestigkeit erfordert.
Aus der DE 10 2007 056 891 A1 ist es ferner bekannt, ein Rückschlagventil mithilfe eines eine Durchgangsbohrung bedeckenden flexiblen Federbleches zu realisieren. Die Durchgangsbohrung befindet sich in einem Ventilelement. Das Federblech wird mittels Laserschweißen im Bereich der Durchgangsbohrung am Ventilelement befestigt. Das Rückschlagventil ermöglicht jedoch nicht das bidirektionale Durchströmen eines Fluids.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Doppelrückschlagventil für ein breites Anwendungsspektrum zu schaffen, das einen konstruktiv einfachen Aufbau mit einer geringen Anzahl von relativ zueinander bewegten Bauteilen aufweist und das demzufolge weitgehend verschleiß- und wartungsarm ist und das eine hohe Korrosionsfestigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Doppelrückschlagventil zur bidirektionalen Durchflusskontrolle von gasförmigen und/oder flüssigen Medien, insbesondere für ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse und einer ersten und einer zweiten Ventilkammer, offenbart. Erfindungsgemäß sind die Ventilkammern durch ein elastisches Schließorgan voneinander getrennt, das mindestens einen Schlitz aufweist.
Hierdurch sind ein konstruktiv einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Doppelrückschlagventils und ein verschleißarmer sowie praktisch wartungsfreier Betrieb möglich.
Im Fall einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schließorgan mit einer scheibenförmigen Membran gebildet und eine Schlitzlänge des mindestens einen Schlitzes ist kleiner als ein Membrandurchmesser. Hierdurch kann das Schließorgan auf einfache Art und Weise in ein Ventilgehäuse integriert werden und die durch die Schlitze in der Membran entstehenden Klappen weisen eine hinreichend hohe Rückstellkraft auf.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran mindestens zwei Schlitze aufweist, die sich insbesondere im Bereich einer Ventillängsachse schneiden. Infolge dieser Ausgestaltung entstehen im Fall von zwei Schlitzen vier näherungsweise viertelkreisförmige Klappen. Diese Klappen ermöglichen einen bidirektionalen Durchtritt eines Mediums nach dem Erreichen oder dem Überschreiten eines festgelegten Mindestdifferenzdrucks zwischen den von der Membran separierten Ventilkammern. Die Membran kann grundsätzlich mit jedem hinreichend (feder-)elastischen Material gebildet sein. Als Medium wird im Rahmen dieser Anmeldung jedes gasförmige und/oder flüssige Fluid verstanden. Hierbei kann es sich auch um ein Reduktionsmittel zur Durchführung des ”SCR”-Verfahrens handeln, wie z. B. das unter dem Markennamen ”AdBlue^®” vermarktete Reduktionsmittel.
Designparameter zur Festlegung eines definierten Mindestdifferenzdruckes sind unter anderem das Membranmaterial, die Membrandicke, die Anzahl und/oder die Anordnung der Schlitze in der Membran (s. g. Schlitzmuster), die Einspannlänge der Membran im Bereich der Ventilkammern bzw. des Gehäuses sowie die Durchmesser der beiden Ventilkammern.
Die Membran kann unter einer Vorspannung stehen, um insbesondere die Dichtungswirkung des mindestens einen Schlitzes zu erhöhen.
Die Vorspannung kann hierbei durch mechanische Kräfte erzeugt werden, die in radialer und/oder axialer Richtung der Membran auf diese einwirken.
Das Medium strömt beim Erreichen oder Überschreiten des durch die Designparameter definierten Mindestdifferenzdrucks zwischen den Ventilkammern von der ersten in die zweite oder umgekehrt von der zweiten in die erste. Dies ermöglicht die zentrale Funktionalität des Doppelrückschlagventils.
Bei einer Weiterbildung des Doppelrückschlagventils ist vorgesehen, dass mindestens eine Membranseite außerhalb der Schlitze zumindest bereichsweise mit mindestens einer Verstärkung, insbesondere einer Scheibe, versehen ist.
Hierdurch kann ein Mindestdifferenzdruck zwischen den Ventilkammern, ab dem das Doppelrückschlagventil öffnet, gezielt beeinflusst, insbesondere weiter erhöht, werden.
Die Verstärkung ist vorzugsweise mit einem elastischen Material, insbesondere mit einer Metalllegierung und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet.
Im Fall einer scheibenförmigen Membran ist die Membranverstärkung vorzugsweise mit einer kreisförmigen Scheibe aus einer federelastischen Metalllegierung gebildet, wobei die Scheibe im Fall von zwei sich rechtwinklig kreuzenden Schlitzen gleichfalls eine kreuzförmige Ausnehmung aufweist, um eine Überdeckung der Schlitze durch die Scheibe zu vermeiden. Der Durchmesser der federnden (Metall-)Scheibe ist kleiner oder gleich als ein Durchmesser der scheibenförmigen Membran. In bevorzugter Weise ist die Scheibe integral zur elastischen Membran ausgebildet, wobei die Verstärkung innerhalb der Membran oder oberflächlich auf dieser vorgesehen sein kann. Dies kann beispielsweise durch ein- oder beidseitiges Aufvulkanisieren eines Elastomers, z. B. einer Gummimischung, auf die Scheibe oder durch ein- oder beidseitiges Aufkleben mindestens einer Verstärkungsscheibe auf die Membran geschehen. Weitgehend unabhängig von der Materialart der Verstärkung kann eine verstärkte scheibenförmige Membran mithilfe eines Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens (s. g. ”2K”-Spritzgussverfahren) oder im s. g. ”Compression-Molding-Verfahren” einstückig hergestellt werden. Entscheidend ist in jedem Fall, dass sowohl die scheibenförmige Membran als funktionelles Schließorgan – unbeschadet des Vorhandenseins der optionalen Verstärkung – vorzugsweise einstückig ausgebildet ist. Die Anordnung der Verstärkung innerhalb der Membran hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Membranmaterial korrosionsschützend wirkt, so dass zur Verstärkung ein weniger korrosionsfestes Material erforderlich ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Schließorgan als ein Membrantopf ausgestaltet sein, wobei der Membrantopf außerhalb des mindestens einen Schlitzes zumindest bereichsweise mit einer Verstärkung versehen ist. Der Membrantopf hat näherungsweise die Gestalt eines Hohlzylinders mit einem Boden. Zur ordnungsgemäßen Funktion des Doppelrückschlagventils ist lediglich im Bereich des Bodens des Membrantopfes eine ausreichende Federelastizität notwendig. Infolge dieser speziellen geometrischen Ausgestaltung des Schließorgans ergeben sich weitere konstruktive Optionen des Doppelrückschlagventils. Eine optionale, zumindest bereichsweise Verstärkung des Membrantopfes kann mit einer federelastischen Metalllegierung oder einem hinreichend elastischen, gegebenenfalls faserarmierten Kunststoffmaterial gebildet sein. Für die Materialwahl des Membrantopfes und der optionalen Verstärkung gilt im Übrigen das für das Material der scheibenförmigen Membran und der Membranverstärkung weiter oben bereits Ausgeführte entsprechend.
Das Schließorgan ist bevorzugt mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Elastomer und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet.
Der Schlitz oder die Schlitze im Schließorgan werden bevorzugt bereits beim Urformprozess des Schließorgans, also beispielsweise beim Vulkanisieren, Spritzgießen, ”2K-Spritzgießen” oder beim s. g. ”Compression-Molding”, mit ausgebildet. Hierdurch ergeben sich ein vereinfachter Herstellungsprozess und ein einstückiges Schließorgan. Alternativ kann die Membran nachträglich geschlitzt werden, zum Beispiel durch Wasserstrahlschneiden.
Darüber hinaus wird eine Verwendung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Doppelrückschlagventils in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine nach dem ”SCR”-Verfahren offenbart, um ein Zurückströmen des Reduktionsmittels aus einem Vorratstank des Abgasnachbehandlungssystems nach der Beendigung des Rücksaugvorgangs des Reduktionsmittels, insbesondere nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine, zu verhindern.
Das Doppelrückschlagventil ist für diese Verwendung besonders geeignet, da es die notwendige Korrosionsfestigkeit gegenüber dem chemisch aggressiven Reduktionsmittel aufweist und darüber hinaus über einen konstruktiv einfachen Aufbau verfügt, der einen wartungsarmen Betrieb über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs hinweg erlaubt. Daneben ist durch den konstruktiv einfachen Aufbau sowie die geringe Anzahl sich bewegender Teile eine hohe Ausfallsicherheit des Doppelrückschlagventils und damit eine hohe Verfügbarkeit des Abgasnachbehandlungssystems gegeben. Ferner verfügt das Doppelrückschlagventil bereits konstruktionsseitig (elastisches Schließorgan) über eine für diese Applikation in der Regel hinreichende native Eisdruckfestigkeit, wodurch zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung einer Vereisung, wie zum Beispiel eine elektrische Beheizung des Ventils, im Allgemeinen überflüssig sind. Der Mindestdifferenzdruck zum Öffnen des Ventils ist so einstellbar, dass sowohl der normale Fördervorgang des Reduktionsmittels als auch der Rücksaugvorgang des Reduktionsmittels nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine mithilfe einer in der Regel bidirektional arbeitenden Förderpumpe nicht nennenswert beeinträchtigt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Doppelrückschlagventil,
2 eine Draufsicht auf die Membran des Doppelrückschlagventils entlang der Schnittlinie II-II in der 1,
3 eine alternative Ausführungsform des Doppelrückschlagventils im Längsschnitt im geschlossenen Zustand,
4 die Ausführungsform des Doppelrückschlagventils gemäß 3 im geöffneten Zustand,
5 eine weitere Ausführungsform des Doppelrückschlagventils mit einem Membrantopf,
6 eine Draufsicht auf die Membran des Doppelrückschlagventils entlang der Schnittlinie VI-VI in 5, und
7 eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Doppelrückschlagventils in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine nach dem s. g. ”SCR”-Verfahren.
Ausführungsformen
Anhand der 1 soll die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Doppelrückschlagventils näher erläutert werden.
Ein Doppelrückschlagventil 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer ersten und einer zweiten Ventilkammer 14, 16, die hier näherungsweise eine zylindrische Formgebung aufweisen. Die obere und untere Ventilkammer 14, 16 sind von einem Schließorgan separiert, das im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 mit einer scheibenförmigen, elastischen Membran 18 gebildet ist. Die Membran 18 ist zur Befestigung in einer umlaufenden Nut 20 im Gehäuse 12 aufgenommen. Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 12 zur Erleichterung der Montage sowie zur Erzeugung einer axialen Kraft auf einen nicht bezeichneten Rand der Membran 18 auch zweigeteilt ausgebildet sein, wobei eine Trennstelle bevorzugt im Bereich der Membran 18 verläuft. Hierdurch wird die Membran zwischen beiden Gehäusehälften fest eingespannt. In die Membran 18 sind bevorzugt mindestens zwei Schlitze 22, 24 eingebracht, die sich hier unter einem Winkel von etwa 90° im Bereich der Ventillängsachse 26 schneiden. Infolge der beiden Schlitze 22, 24 entstehen insgesamt vier in etwa viertelkreisförmige Klappen innerhalb der Membran 18, von denen lediglich die Klappen 28, 30 sichtbar und mit einer Bezugsziffer versehen sind. Anstelle der zwei sich rechtwinklig schneidenden Schlitze 22, 24 kann die Membran 18 ein beliebiges Schlitzmuster aufweisen, das insbesondere hinsichtlich der Zahl und/oder der Anordnung der Schlitze sowie der Schlitzlängen vom gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 abweicht.
Strömt das nicht dargestellte Medium in Richtung des weißen Pfeils 32 von der ersten in die zweite Ventilkammer 14, 16 durch das Doppelrückschlagventil 10 hindurch, so werden die beiden Klappen 28, 30 nach unten gebogen, wie durch die punktierten Linien angedeutet ist. Strömt das Medium hingegen in umgekehrter Richtung, in Richtung des weißen Pfeils 34 von der zweiten in die erste Ventilkammer 16, 14, so werden die Klappen 28, 30 nach oben gebogen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Doppelrückschlagventil 10, bei einem konstruktiv einfachen Aufbau, einen bidirektionalen Durchgang des Mediums, sofern ein definierter Mindestdifferenzdruck zwischen der ersten und zweiten Kammer 14, 16 erreicht bzw. überschritten wird.
Dieser für den bidirektionalen Durchgang des Mediums notwendige Mindestdifferenzdruck (Δp_min) ist durch eine Vielzahl von Designparametern definiert. Zum Beispiel ist der zum Öffnen des Doppelrückschlagsventils 10 erforderliche Mindestdifferenzdruck von der Membrandicke 36 und dem Membranmaterial abhängig. Je höher die Membrandicke 36 gewählt wird, desto höher ist der zum Öffnen des Ventils 10 notwendige Mindestdifferenzdruck. Die Membrandicke 36 kann beispielsweise auch in Abhängigkeit von der Entfernung zur Ventillängsachse 26 variieren. Entsprechend führt auch ein Membranmaterial mit einem höheren Elastizitätsmodul zu einer Erhöhung des Mindestdifferenzdrucks. Weiterhin lässt sich der Mindestdifferenzdruck durch die geometrische Gestalt des Gehäuses 12 bzw. der Membran 18 beeinflussen. Beispielsweise haben auch die Durchmesser 38, 40 der Ventilkammern 14, 16 sowie die Kragarmlängen 42, 44 der Klappen 28, 30 der Membran 18 einen Einfluss auf den Mindestdifferenzdruck. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist der Durchmesser 38 der ersten Ventilkammer 14 kleiner als ein Durchmesser 40 der zweiten Ventilkammer 16. Eine hiervon abweichende Wahl der Durchmesser 38, 40 ist gleichfalls möglich. Das erfindungsgemäße Doppelrückschlagventil 10 ist gleichermaßen für flüssige als auch gasförmige Medien einsetzbar.
Zur Verhinderung von Leckströmen des Mediums kann es vorteilhaft sein, die Membran 18 unter radiale und/oder axiale Vorspannung zu setzen, wie durch die kleinen schwarzen Pfeile 46 angedeutet ist. Durch eine axiale Vorspannung wird Membranmaterial parallel zur Ventillängsachse 26 gestaucht und damit in Richtung der Ventillängsachse 26 verdrängt, wodurch die Dichtungswirkung der Schlitze 22, 24 weiter optimiert wird. Grundsätzlich erhöht sich die Abdichtungswirkung der Schlitze 22, 24 mit zunehmender axialer Vorspannung, da beispielsweise die gegenüberliegenden Schlitzwände 47 des Schlitzes 22 mit höherer Kraft gegeneinander gepresst werden. Zur Erzeugung einer im Wesentlichen radial wirkenden Vorspannung kann beispielsweise ein ringförmiges Spannelement in die umlaufende Nut 20 eingelegt werden.
Ein der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichneter Membrandurchmesser ist deutlich größer gewählt als die ebenfalls nicht bezeichneten Schlitzlängen der beiden Schlitze 22, 24, um hinreichend hohe Rückstellkräfte der Klappen 28, 30 zu gewährleisten.
Die Membran 18 ist mit einem (feder-)elastischen Material, vorzugsweise mit einem elastischen Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Elastomer, aufgebaut. Als Elastomer kommt insbesondere Gummi in Betracht. Alternativ kann die Membran 18 auch mit einem gegebenenfalls faserverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet sein.
Die 2 zeigt eine Draufsicht auf die Membran 18 mit der Nut 20 entlang der Schnittlinie II-II.
Die Membran 18 wird durch die beiden Schlitze 22, 24 in vier, jeweils in etwa viertelkreisförmige Klappen 28, 30, 48, 50 unterteilt. Wirkt auf die Membran 18 der festgelegte Mindestdifferenzdruck ein, so verbiegen sich die Klappen 28, 30, 48, 50 – wie durch die punktierten Linien angedeutet – in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung des Mediums entweder nach unten in die Zeichenebene hinein oder nach oben aus dieser heraus und ermöglichen den Durchtritt des Mediums.
Mindestens eine nicht bezeichnete Seite (Oberseite/Unterseite) der Membran 18 kann mit einer optionalen Scheibe 52 als Verstärkung versehen sein, um das Elastizitätsmodul der Membran 18 zu erhöhen und hierdurch den Mindestdifferenzdruck, ab dem das Doppelrückschlagventil in beiden möglichen Strömungsrichtungen des Mediums öffnet, zu beeinflussen. Die Scheibe 52 kann auch innerhalb der Membran 18 in der Art eines ”Einlegers” angeordnet sein. Sie ist bevorzugt mit einem hochelastischen Federstahl gebildet. Anstelle eines Federstahls kann auch ein hinreichend elastisches Kunststoffmaterial, das in der Regel mit einer Faserverstärkung ausgerüstet sein wird, zur Verstärkung der Membran 18 herangezogen werden. Als Kunststoffmaterialien kommen hierbei sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe in Betracht.
Die mit gestrichelter Linie angedeutete, optionale Scheibe 52 verfügt im Fall der hier gezeigten kreuzweisen Anordnung der Schlitze 22, 24 über eine Kreuzausnehmung 54, so dass die beiden sich rechtwinklig schneidenden Schlitze 22, 24 nicht von der Scheibe 52 überdeckt werden. Ist die Membran 18 mit einem Gummimaterial bzw. mit einem Elastomer hergestellt, kann die Scheibe 52 gleich beim Herstellungsprozess der Membran 18 mit anvulkansiert bzw. in diese einvulkanisiert werden, so dass die Membran 18 und die Scheibe 52 ein integrales, einstückiges Bauteil bilden. Die Kreuzausnehmung 54 wird im Allgemeinen vorab, zum Beispiel durch Ausstanzen oder Laserstrahlschneiden, eingebracht. Die Scheibe 52 kann neben der Kreuzausnehmung 64 weitere, zumindest bereichsweise Ausnehmungen aufweisen, um ein ”weicheres” Ansprechverhalten des Doppelrückschlagventils 10 zu erreichen. Beim Durchgang des Mediums verbiegen sich die Klappen 28, 30, 48, 50 und die zugehörigen, nicht bezeichneten Abschnitte bzw. viertelkreisförmigen Sektoren der optionalen Scheibe 52 jeweils geringfügig in Strömungsrichtung des Mediums, wodurch sich die Schlitze 22, 24 öffnen.
Die Scheibe 52 hat im Allgemeinen die Wirkung, dass zum Durchtritt des Mediums ein höherer Mindestdifferenzdruck zwischen den Ventilkammern erforderlich ist und stellt somit einen weiteren Designparameter zur definierten Einstellung des zum Öffnen des Doppelrückschlagventils erforderlichen Mindestdifferenzdrucks dar. Weiterhin bilden insbesondere die Anzahl der Schlitze, die Anordnung der Schlitze sowie deren Länge im Verhältnis zum Membrandurchmesser weitere Designparameter zur Festlegung des Mindestdifferenzdrucks. Dasselbe gilt für einen nicht bezeichneten Durchmesser der (Verstärkungs-)Scheibe 52 in Relation zum Membrandurchmesser und zur Größe der Kreuzausnehmung 54.
Abweichend von der vorstehend beschriebenen scheibenförmigen Gestalt der Verstärkung mittels der Scheibe 52, können beispielsweise auch strahlenförmig vom Rand der Membran 18 bis etwa zur Ventillängsachse hin verlaufende Versteifungsstränge mit in die Membran 18 integriert werden oder auf mindestens einer Seite der Membran 18 vorgesehen sein. Diese Versteifungsstränge sind entsprechend zur vorstehend beschriebenen Scheibe 52 gleichfalls mit einem hinreichend elastischen Kunststoffmaterial oder einer federelastischen Metalllegierung gebildet und können erforderlichenfalls eine Faserarmierung aufweisen. Alternativ kann die Materialstärke 38 der Membran 18 auch lokal variieren, z. B. im Bereich der Schlitze verringert oder erhöht werden, um den zum Ansprechen des Ventils notwendigen Mindestdifferenzdruck zu verändern.
Die 3 und 4, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelrückschlagventils im geschlossenen und im geöffneten Zustand.
Ein Doppelrückschlagventil 60 verfügt über ein zweiteiliges Gehäuse 62 mit einem Gehäuseoberteil 64 und einem Gehäuseunterteil 66. Das Gehäuseoberteil 64 verfügt über eine näherungsweise topfförmige bzw. hohlzylindrische Gestalt mit einem am unterseitigen Ende umlaufenden Rand 68, während das Gehäuseunterteil 66 an seinem oberen Ende eine muffenartige Erweiterung 70 aufweist. Eine elastische Membran 72 trennt eine erste Ventilkammer 74 von einer zweiten Ventilkammer 76. Hier jeweils nicht bezeichnete Durchmesser der beiden Ventilkammern 74,76 sind im Gegensatz zur Ausführungsform nach Maßgabe der 1 annähernd gleich groß.
Der Aufbau und die Funktion der Membran 72 entsprechen der bereits im Rahmen der Beschreibung der 1,2 näher erläuterten Membran 18.
Von den bevorzugt zwei Schlitzen ist hier lediglich ein Schlitz 78 vollständig sichtbar. Die Membran 72 ist zwischen dem umlaufenden Rand 68 des Gehäuseoberteils 64 und der muffenartigen Erweiterung 70 bzw. einer darin befindlichen Anlagefläche 80 des Gehäuseunterteils 66 flüssigkeits- und gasdicht eingespannt. Zu diesem Zweck ist der umlaufende Rand 68 zumindest soweit in die Erweiterung 70 einbringbar, bis die Membran 72 zwischen dem Rand 68 des oberen Gehäuseteils 64 und der Anlagefläche 80 im Gehäuseunterteil 66 hinreichend fest eingespannt ist. Ein nicht bezeichneter Außendurchmesser des Gehäuseoberteils 64 ist demzufolge zumindest geringfügig (Pressschluss) kleiner gewählt als ein gleichfalls nicht bezeichneter Innendurchmesser der muffenartigen Erweiterung des Gehäuseunterteils 66. Alternativ können zusätzliche Dichtmittel vorgesehen sein.
Da der zum Öffnen des Doppelrückschlagventils 60 erforderliche Mindestdifferenzdruck zwischen der ersten und der zweiten Ventilkammer 74, 76 in der 3 nicht erreicht bzw. überschritten ist, ist der Schlitz 78 geschlossen und ein Durchtritt des nicht dargestellten Mediums wird in den beiden möglichen Strömungsrichtungen durch das Doppelrückschlagventil 60 unterbunden. Demgegenüber befindet sich der Schlitz 78 in der Darstellung der 4 in einer geöffneten Position, so dass das Medium ausgehend von der ersten Ventilkammer 74 durch die Membran 72 hindurch bis in die zweite Ventilkammer 76 hinein gelangen kann. Der Schlitz 78 befindet sich in der 4 in der geöffneten Stellung, weil der Mindestdifferenzdruck zwischen der ersten und der zweiten Kammer 74, 76 erreicht oder überschritten ist. Kehren sich die Druckverhältnisse zwischen der ersten und der zweiten Ventilkammer 74, 76 um (nicht dargestellt), so öffnet sich der Schlitz 78 nach oben und das Medium strömt ausgehend von der unteren Ventilkammer 76 durch die Membran 72 hindurch in die obere Ventilkammer 74. Der Schlitz 78 öffnet sich somit stets in der Fließrichtung des durchströmenden Mediums.
Eine exakte Festlegung des für die jeweilige Anwendung gewünschten Mindestdifferenzdrucks erfolgt auch bei dieser Ausführungsform entsprechend den, bereits im Rahmen der Beschreibung der 1, 2 dargelegten Designparametern der Membran und des Ventilgehäuses. Insbesondere zur ordnungsgemäßen Abdichtung sowie zur sicheren mechanischen Verbindung der beiden zueinander korrespondierend ausgebildeten Gehäuseteile 64, 66 können weitere, hier jedoch nicht dargestellte und bezeichnete konstruktive Elemente, wie zum Beispiel Dichtungen, Schraub-, Press- und Klemmverbindungen notwendig sein. Beispielsweise kann das obere Gehäuseteil 64 mit einem nicht dargestellten Außengewinde versehen sein, das in ein Innengewinde der muffenartigen Erweiterung der 70 des Gehäuseunterteils 66 einschraubbar ist. Hierdurch können die Gehäuseteile 64, 66 auf einfache Art und Weise miteinander verschraubt werden, wobei zugleich die Membran 72 fest eingespannt wird und zugleich eine axiale Vorspannung der Membran 72 (vgl. insb. 1) variabel ein- und nachstellbar ist, um die Dichtungswirkung der Schlitze zu optimieren.
Die 5 illustriert einen schematischen Längsschnitt durch eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelrückschlagventils, wobei der besseren zeichnerischen Übersicht halber die erforderlichen Gehäuseteile weggelassen wurden.
Ein Doppelrückschlagventil 90 umfasst unter anderem einen Membrantopf 92 als Schließorgan, der mit einem elastischen Material, insbesondere mit einem Elastomer, wie zum Beispiel einem Gummimaterial gebildet ist. Für das Material des Membrantopfes 92 gelten die gleichen Aussagen, die weiter oben in der Beschreibung hinsichtlich des Materials der scheibenförmigen Membran gemacht wurden. Der Membrantopf 92 ist innen mit einer gleichfalls topfförmigen Verstärkung 94 versehen. Die Verstärkung 94 hat einen Zylindermantel 96 mit einem ebenen Verstärkungsboden 98. Im Bereich eines oberen, umlaufenden Membrantopfrandes 100 verfügt der Zylindermantel 96 über einen radial nach außen gerichteten, gleichfalls umlaufenden Flansch 102. Die topfförmige Verstärkung 94 ist bevorzugt mit einem elastischen metallischen Material gebildet. Hinsichtlich der weiteren Einzelheiten der Materialzusammensetzung der Verstärkung 94 sei auf die weiter oben gemachten Ausführungen bezüglich der optionalen Verstärkung der scheibenförmigen Membran verwiesen.
Der Membrantopf 92 und die Verstärkung 94 bilden vorzugsweise eine integrale Einheit, d. h. sie sind bevorzugt einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann das Gummimaterial zur Bildung des Membrantopfes 92 gleich im Zuge des Urformprozesseses mit an die Verstärkung 94 anvulkanisiert bzw. angespritzt werden. Die Verstärkung 94 kann alternativ auch innerhalb des Membrantopfes 92 verlaufen bzw. in diesen integriert sein.
In einen Membrantopfboden 104 sind zwei Schlitze ausgebildet, von denen in der Darstellung der 5 jedoch nur ein Schlitz 106 sichtbar ist. Das nicht eingezeichnete Medium strömt aufgrund des Erreichens des zum Öffnen des Doppelrückschlagventils 90 notwendigen Mindestdifferenzdrucks in Richtung eines weißen Pfeils 108 nach unten. Hierdurch werden der Membrantopfboden 104 und der Verstärkungsboden 98 in nicht bezeichneten Randbereichen des Schlitzes 106 – wie mit den gestrichelten Linien angedeutet – geringfügig nach unten gebogen bzw. gekrümmt, so dass ein Durchtritt des Mediums unter geringem Strömungswiderstand möglich ist. In einer dem Pfeil 108 entgegengesetzten Richtung ist beim Überschreiten des notwendigen Mindestdifferenzdrucks gleichfalls ein Durchtritt des Mediums durch den Schlitz 106 möglich, wobei die Randbereiche des Schlitzes 106 und der Verstärkungsboden 98 in diesem Bereich jedoch leicht nach oben gebogen werden. Die Verstärkung 94 weist im Bereich der sich orthogonal schneidenden Schlitze eine Kreuzausnehmung 110 auf, um die Überdeckung der Schlitze zu vermeiden (vgl. insb. 6).
Die 6 illustriert eine Draufsicht auf das Doppelrückschlagventil entlang der Schnittlinie VI-VI in der 5.
Der Schlitz 106 schneidet sich rechtwinklig mit einem weiteren Schlitz 112 im Bereich der nicht bezeichneten Ventillängsachse. Die nicht bezeichneten, senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Schlitzwände der Schlitze 106, 112 liegen so eng aneinander an, dass sie hier nur als eine Linie dargestellt sind. Abweichend von der gezeigten kreuzförmigen Anordnung der Schlitze 106, 112 kann in den Membrantopfboden 104 jedes beliebige Schlitzmuster eingebracht sein. Die schwarzen Kreise an den nicht bezeichneten Schlitzenden symbolisieren kreisförmige (End-)ausnehmungen, um der Rissentstehung vorzubeugen. Insbesondere können die Anzahl und/oder die räumliche Anordnung der Schlitze 106, 112 von der in 6 gezeigten Darstellung abweichen. Ein Innendurchmesser 114 des Membrantopfes 92 ist deutlich größer als eine Schlitzlänge 116 des Schlitzes 106. Dasselbe gilt für eine nicht bezeichnete Schlitzlänge des zweiten Schlitzes 112. Deutlich zu erkennen ist, dass durch die Kreuzausnehmung 110 innerhalb der Verstärkung 94 bzw. des Verstärkungsbodens 98 die Überdeckung der Schlitze 106, 110 vermieden wird und somit ein ungehinderter Durchgang des Mediums durch die Deformation der Schlitze 106, 112 möglich ist. Aufgrund der topfförmigen Membran 92 mit der gleichfalls topfförmigen Verstärkung 94 kann die Membran auf einfache Art und Weise zum Beispiel in ein asymmetrisch geteiltes (hier nicht dargestelltes) Ventilgehäuse mit einem topfförmigen Unterteil und einem planen Deckel integriert werden.
Die 7 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine, die mit dem ”SCR”-Verfahren arbeitet, als eine Anwendungsmöglichkeit für das erfindungsgemäße Doppelrückschlagventil.
Ein Abgasnachbehandlungssystem 130 umfasst unter anderem einen Vorratstank 132, ein Dosiermodul 134 sowie ein Fördermodul 136. In das Fördermodul 136 ist ein Drucksensor 138, eine Drossel 140, ein Filter 142, eine bidirektionale Förderpumpe 144, ein Hubmagnet 146 zur Kontrolle der Förderpumpe 144, eine Filtereinheit 148 sowie ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Doppelrückschlagventil 150 integriert. Der konstruktive Aufbau des Doppelrückschlagventils 150 folgt hierbei dem Aufbau der oben bereits beschriebenen Doppelrückschlagventile 10, 60, 90 gemäß 1 bis 6. Die genannten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 130 sind jeweils mittels nicht bezeichneter Leitungs-, Rohr- und/oder Schlauchabschnitte miteinander verbunden.
Im normalen Betrieb der nicht dargestellten Brennkraftmaschine gelangt das in dem Vorratstank 132 bevorratete Reduktionsmittel (s. g. ”AdBlue^®”) durch Ansaugen mithilfe der Förderpumpe 144 zunächst in das Doppelrückschlagventil 150, durchläuft die erste Filtereinheit 148 und erreicht dann die Förderpumpe 144. Von dort aus wird das Reduktionsmittel durch eine zweite Filtereinheit 142 gedrückt, über die Drossel 140 geführt und anschließend zum Dosiermodul 134 weitergeleitet. Der Druck des Reduktionsmittels zwischen der Drossel 140 und dem Dosiermodul 134 wird mittels des Drucksensors 138 erfasst. Mithilfe des Dosiermoduls 134 wird das Reduktionsmittel in exakt bemessener Menge und feinst zerstäubt in den Bereich eines nicht dargestellten Katalysators eingespritzt, der in ein nicht eingezeichnetes Abgasrohr der Brennkraftmaschine integriert ist.
Im Katalysator werden die im Abgasstrom der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NO_x) im Wege des ”SCR”-Verfahrens zu Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) reduziert. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine wird die Förderrichtung der Förderpumpe 144 umgekehrt, wodurch das im System noch befindliche Reduktionsmittel aus dem Dosiermodul 134, der Drossel 140, der zweiten Filtereinheit 142 weitgehend zurückgesaugt und über die erste Filtereinheit 148 und über das Doppelrückschlagventil 150 wieder in den Vorratstank 132 zurück gefördert wird.
Das erfindungsgemäße Doppelrückschlagventil 150 verhindert hierbei das Einsickern von Reduktionsmittel aus dem Vorratstank 132 nach der Beendigung des Rücksaugvorgangs in die nachfolgenden Komponenten. Denn aufgrund des in Richtung des Pfeils 152 wirkenden hydrostatischen Drucks würde das Reduktionsmittels ohne das Doppelrückschlagventil 150 nach dem Rücksaugvorgang wieder langsam in das Abgasnachbehandlungssystem 130 bis hin zum Dosiermodul 134 einsickern, wo das Reduktionsmittel bei Temperaturen unterhalb von –11°C gefrieren würde und es zu erheblichen Frostschäden kommen könnte. Der hydrostatische Druck des Reduktionsmittels im Vorratstank 132 reicht selbst bei maximalem Füllstand jedoch nicht aus, um das Doppelrückschlagventil zu öffnen, wodurch das Zurückströmen des Reduktionsmittels zuverlässig unterbunden wird.
Das erfindungsgemäße Doppelrückschlagventil 150 ist für diesen Anwendungsfall besonders geeignet, da es infolge seines konstruktiv einfachen Aufbaus praktisch wartungsfrei ist und es demzufolge eine hohe Ausfallsicherheit aufweist. Darüber hinaus verfügt das Doppelrückschlagventil 150 über eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber Reduktionsmitteln und konstruktionsbedingt ist bereits eine für viele Anwendungsfälle hinreichende Eisdruckfestigkeit gegeben.
Somit verbessert das Doppelrückschlagventil 150 die Frostsicherheit des Abgasnachbehandlungssystems 130. Umgekehrt stellt das bidirektional arbeitende Doppelrückschlagventil 150 beim Ansaugen des Reduktionsmittels mithilfe der Förderpumpe 144 aus dem Vorratstank 132 im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine keinen nennenswerten Widerstand dar, so dass sich die zum Antrieb der Förderpumpe 144 notwendige elektrische Leistung infolge der Verwendung des Doppelrückschlagventil 150 nicht wesentlich erhöht. Lediglich die Innenflächen des Gehäuses des Doppelrückschlagventils 150 sollten ausreichend korrosionsfest beschichtet oder aus einem hinreichend korrosionsfesten Material gefertigt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5282492 [0003]
DE 102007056891 A1 [0005]

Claims

Doppelrückschlagventil (10, 60, 90, 150) zur bidirektionalen Durchflusskontrolle von gasförmigen und/oder flüssigen Medien, insbesondere für ein Abgasnachbehandlungssystem (130) einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (12, 62) und einer ersten und einer zweiten Ventilkammer (14, 16, 74, 76), dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammern (14, 16, 74, 76) durch ein elastisches Schließorgan voneinander getrennt sind, das mindestens einen Schlitz (22, 24, 78, 106, 112) aufweist.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach Anspruch 1, wobei das Schließorgan eine scheibenförmige Membran (18, 72) ist und eine Schlitzlänge des mindestens einen Schlitzes kleiner als ein Membrandurchmesser ist.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran (18, 72) mindestens zwei Schlitze (22, 24, 78) aufweist, die sich insbesondere im Bereich einer Ventillängsachse (26) schneiden.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran (18, 72) unter einer Vorspannung steht, um insbesondere die Dichtungswirkung des mindestens einen Schlitzes (22, 24, 78) zu erhöhen.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Erreichen oder Überschreiten eines festgelegten Mindestdifferenzdrucks zwischen der ersten und der zweiten Ventilkammer (14, 16, 74, 76) das Medium von der ersten in die zweite oder von der zweiten in die erste Ventilkammer (14, 16, 74, 76) strömt.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Membran (18, 72) außerhalb der Schlitze (22, 24, 78) zumindest bereichsweise mit mindestens einer Verstärkung, insbesondere mit einer Scheibe (52), versehen ist.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verstärkung mit einem elastischen Material, insbesondere mit einer Metalllegierung und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, gebildet ist.
Doppelrückschlagventil (90) nach Anspruch 1, wobei das Schließorgan als ein Membrantopf (92) ausgestaltet ist.
Doppelrückschlagventil (90) nach Anspruch 8, wobei der Membrantopf (92) außerhalb des mindestens einen Schlitzes (106, 112) zumindest bereichsweise mit einer Verstärkung (94) versehen ist.
Doppelrückschlagventil (90) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verstärkung (94) mit einem elastischen Material, insbesondere mit einer Metalllegierung und/oder mit einem Kunststoffmaterial, gebildet ist.
Doppelrückschlagventil (90) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verstärkung (94) oberhalb eines Membrantopfrandes (100) einen radial nach außen weisenden, umlaufenden Flansch (102) aufweist.
Doppelrückschlagventil (10, 60, 90, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Schließorgan mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Elastomer und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, gebildet ist.
Verwendung eines Doppelrückschlagventils (10, 60, 90, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Abgasnachbehandlungssystem (130) einer Brennkraftmaschine, um insbesondere das Zurückströmen eines Reduktionsmittels aus einem Vorratstank (132) des Abgasnachbehandlungssystems (130) nach der Beendigung des Rücksaugvorgangs des Reduktionsmittels nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine zu verhindern.