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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit Vorsteuerung, insbesondere für die Verwendung als Tankabsperrventil eines Kraftstoffdampfrückhaltesystems. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftstoffdampfrückhaltesystem.
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In einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs entstehende Kraftstoffdämpfe werden heutzutage aus Umweltschutzgründen nicht mehr ins Freie abgelassen, sondern in einem Aktivkohlebehälter gesammelt, um die Kraftstoffdämpfe während des Betriebs des Motors einer Ansaugleitung zuzuführen und diese zu verbrennen. Um den Aktivkohlebehälter zu regenerieren bzw. zu spülen, kann eine Verbindungsleitung zwischen dem Kraftstofftank und dem Aktivkohlebehälter zeitweise abgesperrt werden. Hierzu sind entsprechende meist elektromagnetisch betätigte Tankabsperrventile in der Verbindungsleitung zwischen Kraftstofftank und Aktivkohlebehälter angeordnet.
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Aufgrund des verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitts eines derartigen Tankabsperrventils werden verhältnismäßig große Aktuatoren bzw. Stellglieder erforderlich, um trotz der relativ geringen Druckdifferenz einen Schaltvorgang des Ventils auf zuverlässige Weise sicherzustellen. Es ist in der Technik bekannt, Pilotventile mit kleinem Strömungsquerschnitt zusätzlich zu einem Hauptventil vorzusehen, um vor dem Schalten des Hauptventils einen Druckausgleich zwischen Einlass und Auslass des Hauptventils herzustellen. Auf diese Weise kann eine für den Aktuator erforderliche Kraft wesentlich verringert werden. Diese pilotgesteuerten Ventile haben jedoch den Nachteil, daß viele Teile erforderlich sind, weil ein derartiges Ventil aus zwei Ventilen besteht und somit zwei Ventilkörper bzw.
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Ventilteller mit entsprechenden Vorspannmitteln, wie beispielsweise Federn, und entsprechende Betätigungsmittel wie Aktuatoren, Stößelstangen usw. benötigt.
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WO 2009/100 484 A1 offenbart ein Ventil mit einem Hauptventilsitz und einer Ventilbaugruppe, die gegenüber dem Hauptventilsitz zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position beweglich ist.
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DE 10 2010 042 607 A1 offenbart ein Ventil für eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen verflüchtigtem Kraftstoff aus einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs.
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US 6 668 807 B2 offenbart ein Dampfemissionskontrollsystem mit einem Kraftstofftankisolationsventil.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung eines kompakten Ventils, das nur wenig Bauteile aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird ein Ventil mit folgenden Bauteilen zur Verfügung gestellt: einem Hauptventil, das einen Ventilkörper bzw. eine Ventilplatte bzw. einen Ventilteller zum Öffnen und Schließen eines Fluiddurchtritts aufweist,
einem Vorsteuerventil bzw. Pilotventil, das zum Öffnen und Schließen eines in dem Ventilkörper angeordneten Kanals an dem Ventilkörper angeordnet ist und eine elastisch verformbare Membran aufweist, und
einem Stößel zum Drücken der Membran gegen eine Mündung des Kanals, um den Kanal zu schließen, und zum Verschieben des Ventilkörpers in Schließrichtung, um den Ventilkörper gegen einen Ventilsitz zu drücken,
wobei der Ventilkörper durch eine Feder in die geöffnete Stellung gedrängt wird.
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Der Begriff ”Membran” bezeichnet hier ein plattenartiges elastisches Element, das einerseits die Eigenschaft besitzt, durch Anlage an die Mündung des Kanals diesen abzudichten, d. h. die Eigenschaft einer elastischen Dichtung aufweist. Andererseits kann die Membran elastisch durchgebogen werden, um ohne vollständige Bewegung der gesamten Membran einen Dichtabschnitt der Membran an die Mündung anzulegen und von dieser wegzubewegen. In anderen Worten ist ein Randabschnitt der Membran im wesentlich fix angebracht, während ein zentraler Dichtabschnitt die Funktion eines beweglichen Ventilkörpers bzw. Ventiltellers erfüllt. Das elastische Durchbiegen der Membran führt zu der Funktion eines Vorspann- bzw. Federelements.
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Indem der Stößel durch einen entsprechenden Aktuator die Membran gegen die Mündung des Kanals drückt und somit den Kanal verschließt und gleichzeitig dadurch den Ventilkörper gegen den Ventilsitz schiebt und an diesem zur Anlage bringt, um das Hauptventil zu schließen, kann das Vorsteuerventil sowie das Hauptventil durch das gleiche Betätigungsglied, nämlich den Stößel, betätigt werden. Es ist nicht erforderlich, für das Pilot- oder Vorsteuerventil ein separates Betätigungsglied vorzusehen. Indem des weiteren das Vorsteuerventil die elastisch verformbare Membran aufweist, kann die Membran zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen. Die Membran wirkt somit als Vorspannmittel, so daß keine separate Feder für das Vorsteuerventil erforderlich ist. Darüber hinaus erfüllt die Membran die Aufgabe des Ventilkörpers bzw. Ventiltellers zum Abdichten der Mündung des Kanals. Somit hat das Vorsteuerventil lediglich die Membran als zusätzliches Bauteil gegenüber einem herkömmlichen Tankabsperrventil ohne Pilot- oder Vorsteuerung.
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Der Ventildurchtritt mit entsprechendem Ventilsitz ist in dem Ventilkörper des Hauptventils angeordnet. Darüber hinaus erfüllt die Membran die zwei oben genannten Funktionen und der Stößel zum Betätigen des Ventilkörpers des Hauptventils betätigt auch gleichzeitig das Vorsteuerventil. Derart hat dieses pilotgesteuerte bzw. vorgesteuerte Ventil einen sehr einfachen Aufbau mit einer minimalen Anzahl an Teilen.
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Vorzugsweise ist die Membran elastisch rückstellfähig, um die Öffnung des Kanals im unbelasteten Zustand freizugeben.
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Als unbelasteter Zustand soll hier ein Zustand ohne Druckbelastung von dem Stößel gelten, das heißt, wenn der Stößel von der Membran abhebt und diese freigibt. Der unbelastete Zustand kann auch ein Zustand sein, bei dem lediglich ein Fluiddruck auf die Membran wirkt, während der Stößel keine Druckkraft auf die Membran ausübt. In anderen Worten ist die Rückstellkraft der Membran so hoch, daß die Membran sich in die Ausgangsform zurückverformt, selbst wenn ein Fluiddruck gegen die Membran wirkt.
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Erfindungsgemäß wird der Ventilkörper durch eine Feder in die geöffnete Stellung gedrängt. Somit wird das Ventil ohne Druckbeaufschlagung auf den Stößel, d. h. ohne Betätigung eines Aktuators, offen gehalten bzw. beim Entlasten des Stößels aus der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung überführt.
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Vorzugsweise wird der Stößel durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigt. Dadurch kann das Ventil elektrisch gesteuert bzw. geregelt werden, um im Falle der Verwendung als Absperrventil in einem Kraftstoffdampfrückhaltesystem von einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs betätigt zu werden.
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Weiter bevorzugt weist die Membran Gummi oder kraftstoffresistentes und kälteflexibles Elastomer, wie beispielsweise Fluorsilikon (FVMQ) auf.
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Vorzugsweise weist der Ventilkörper eine Scheibe auf, in der der Kanal angeordnet ist, und/oder die eine Dichtung zum Abdichten des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz. Die Scheibe hat dabei vorzugsweise eine Form für die formschlüssige Aufnahme der Dichtung des Ventilkörpers zum Abdichten gegenüber dem Ventilsitz sowie eine formschlüssigen Aufnahme für die Festlegung der Membran.
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Dabei ist die Membran in dem Ventilkörper vorzugsweise schwimmend gelagert ist, d. h. lediglich in den Ventilkörper bzw. die Scheibe eingelegt. In dieser Lage wird die Membran nach oben hin durch den Stößel gehalten, so dass keine Befestigungsmittel für die Membran erforderlich sind. Hierzu weist der Ventilkörper bzw. die Scheibe vorzugsweise eine entsprechend geformte Aufnahme für die Membran auf, beispielsweise einen vertieften kreisrunden Abschnitt bzw. einen Ringraum.
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Weiter bevorzugt weist die Membran einen Abschnitt mit großem Durchmesser und geringer Dicke und einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und größerer Dicke auf. Der Abschnitt mit der geringeren Dicke und dem größeren Durchmesser unterliegt bei der Druckausübung durch den Stößel einer entsprechenden Durchbiegung, um die Membran in Richtung zu der Mündung des Kanals zu verschieben. Dieser Abschnitt mit dem größeren Durchmesser wird dabei vorzugsweise in den Ringraum eingelegt. Demgegenüber unterliegt der Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und größerer Dicke keiner oder nur einer geringen Durchbiegung, um im wesentlichen flach an der Mündung des Kanals zur Anlage zu kommen. Auf diese Weise wird eine hervorragende Abdichtung des Kanals geschaffen.
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Vorzugsweise wird das Ventils als Tankabsperrventil eines Kraftstoffverdunstungssystems eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Die Erfindung betrifft des weiteren ein Kraftstoffdampfrückhaltesystem mit einem Aktivkohlebehälter zum Absorbieren von Kraftstoffdampf und einem Ventil, wie es vorstehend beschrieben ist, zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Verbindungsleitung zwischen einem Kraftstoffbehälter und dem Aktivkohlebehälter.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt einen Schnitt durch das Ventil in der geöffneten Stellung.
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2 zeigt den Schnitt von 1 jedoch in der geschlossenen Stellung des Ventils.
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3 zeigt den Schnitt von 1 jedoch in der geöffneten Stellung des Vorsteuerventils und der noch geschlossenen Stellung des Hauptventils.
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4 zeigt eine schematische Skizze zum Erläutern der Funktion des Ventils.
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Wie in 1 und 4 gezeigt ist, gibt das Ventil in der geöffneten Stellung einen Fluiddurchtritt zwischen einem ersten Ventilanschluß 50 und zweiten Ventilanschluß 60 frei. Ein Ventilkörper 12 kann gegen einen Ventilsitz 11 gedrückt werden, um den Fluiddurchtritt des Hauptventils 10 zu schließen. Darüber hinaus kann eine Membran 22 des Vorsteuerventils 20 eine Mündung eines Kanals 14, der in dem Ventilkörper 12 des Hauptventils 10 angeordnet ist, verschließen, um einen Fluiddurchtritt durch den Kanal 14 zu verhindern.
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Die geschlossene Stellung des Hauptventils 10 sowie des Vorsteuerventils 20 ist in 2 gezeigt. Um das Ventil zu schließen, wird ein Stößel 30 gegen die Oberseite der Membran 22 gedrückt, so daß sich die Membran 22 durchbiegt und aufgrund der Durchbiegung an der Mündung des Kanals 14 anliegt. Derart wird der Kanal 14 mittels einer Dichtfläche 22a der Membran 22 verschlossen, um einen Fluiddurchtritt vom dem ersten Ventilanschluß 50 über Öffnungen 16 am radialen Umfang des Ventilkörpers 12 und den Kanal 14 zu dem zweiten Ventilanschluß 60 zu schließen. Darüber hinaus wird durch die von dem Stößel 30 ausgeübte Druckkraft der Ventilkörper 12 gegen eine Vorspannkraft einer Feder 40 (in den Figuren nach unten) bewegt, um an dem Ventilsitz 11 zur Anlage zu kommen. Derart wird auch das Hauptventil 10 geschlossen.
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Um das Ventil zu öffnen, wird die auf den Stößel 30 ausgeübte Druckkraft weggenommen, so daß sich die Membran 22 aufgrund ihrer Elastizität wieder in ihre Ausgangsstellung verformt und somit die Mündung des Kanals 14 freigibt. Auf diese Weise wird das Vorsteuerventil 20 geöffnet, so daß der Fluiddurchtritt von dem ersten Ventilanschluß 50 über die Öffnungen 16 und den Kanal 14 zu dem zweiten Ventilanschluß 60 freigegeben wird. Aufgrund der Freigabe des Fluiddurchtritts des Vorsteuerventils 20 erfolgt ein Druckausgleich zwischen erstem Ventilanschluß 50 und zweitem Ventilanschluß 60. Danach kann selbst eine schwach dimensionierte Feder 40 den Ventilkörper 12 von dem Ventilsitz 11 abheben, um das Hauptventil 10 zu öffnen. Es ist keine hohe Kraft zum Öffnen des Hauptventils 10 erforderlich, weil im wesentlichen keine Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Ventilanschluß 50, 60 zu überwinden ist.
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Vorzugsweise liegt der höhere Druck an dem ersten Anschluß 50 an. Dieser erste Ventilanschluß 50 ist somit beispielsweise mit einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs verbunden, während der zweite Ventilanschluß 60 mit einem (nicht gezeigten) Aktivkohlebehälter eines Kraftstoffdampfrückhaltesystems verbunden sein kann. In diesem Fall muß die Membran 22 eine entsprechende elastische Rückstellkraft haben, um gegen den anliegenden Druck von dem ersten Ventilanschluß 50 sich im unbelasteten Zustand, das heißt, im Zustand ohne Druckkraft von dem Stößel 30, nach oben zu heben. Auf diese Weise wird der Kanal 14 gegen den an dem ersten Ventilanschuß 50 anstehenden Druck aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Membran 22 freigegeben. Darüber hinaus muß die Feder 40 eine entsprechende Vorspannung haben, um den Ventilkörper 12 im druckausgeglichenen Zustand, das heißt, bei geöffnetem Vorsteuerventil 20, den Ventilkörper 12 von dem Ventilsitz 11 abzuheben.
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Da die Feder 40 somit nicht gegen einen Differenzdruck arbeiten muß, kann diese mit nur geringer Vorspannung bzw. Kraft ausgestattet sein. Somit sind andererseits auch beim Schließen des Hauptventils 10 keine großen Kräfte eines Aktuators 70 erforderlich, um den Ventilkörper 12 gegen die Kraft der Feder 40 gegen den Ventilsitz 11 zu drücken.
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Der Stößel 30 wird über den Aktuator 70 betätigt, der vorzugsweise ein elektromagnetischer Aktuator ist und dementsprechend einen Elektromagneten 72 aufweist, der bei der Beaufschlagung mit Strom den Stößel 30 gegen die Membran 22 drückt. Es handelt sich bei dem Ventil somit um ein sogenanntes 2/2-Wege-Magnetventil der stromlos offenen Bauart. Dieses Magnetventil schließt beim Beaufschlagen des Elektromagneten 72 mit Strom und öffnet, sobald der Strom weggenommen wird. Die Bezeichnung 2/2 bezeichnet ein Ventil mit zwei Ventilanschlüssen sowie zwei Positionen, das heißt, der geöffneten und geschlossenen Position.
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Die Membran 22 wird vorzugsweise lediglich formschlüssig in einen entsprechenden Abschnitt des Ventilkörpers 12 eingelegt, wie schematisch in 4 dargestellt ist. Dort ist ein Abschnitt 22b mit größerem Durchmesser der Membran 22 in einen entsprechenden Ringraum des Ventilkörpers 12 eingelegt. In der tatsächlichen Ausführung des Ventils weist der Ventilkörper 12 vorzugsweise eine Scheibe 18 auf, wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, die die entsprechende Aufnahme der Membran 22 aufweist. In den Figuren wird die Membran nach oben hin durch den Stößel 30 in der Aufnahme des Ventilkörpers 12 bzw. der Aufnahme der Scheibe 18 gehalten.
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Vorzugsweise weist die Membran 22 des weiteren einen Abschnitt 22c mit kleinerem Durchmesser und größerer Dicke als der Abschnitt 22b mit größerem Durchmesser und geringerer Dicke auf. Auf diese Weise biegt sich im wesentlichen der Abschnitt 22b mit größerem Durchmesser der Membran 22 bei Druckbeaufschlagung durch den Stößel 30, während der Abschnitt 22c mit kleinerem Durchmesser und größerer Dicke im wesentlichen keine Durchbiegung erfährt. Derart wird der Abschnitt 22c mit kleinerem Durchmesser in eine im wesentlichen plane Anlage an die Mündung des Kanals 14 gedrückt, um eine wirksame Abdichtung des Kanals 14 in der geschlossenen Stellung des Vorsteuerventils 20 vorzusehen.
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Die Membran 22 ist vorzugsweise ein entsprechender Formkörper aus Silikon, Kautschuk, Gummi oder kraftstoffresistentem und kälteflexiblem Elastomer, wie beispielsweise Fluorsilikon (FVMQ).
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Weiter bevorzugt weist der Ventilkörper 12 an seinem unteren Bereich eine Dichtung 13 auf, die in Verbindung mit dem Ventilsitz 11 den Fluiddurchtritt des Hauptventils 10 abdichtet. Die Dichtung 13 wird vorzugsweise ebenfalls an der Scheibe 18 angeordnet, die auch den Kanal 14 aufweist. Diese Dichtung 13 ist vorzugsweise ebenfalls aus einem elastomeren Material, wie beispielsweise kraftstoffresistentem und kälteflexiblem Elastomer, wie beispielsweise Fluorsilikon (FVMQ), gebildet.
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Weiter bevorzugt ist der Ventilkörper 12 in einem Gehäuse 1 des Ventils in der radialen Richtung entsprechend geführt, um sich lediglich in der axialen Richtung, das heißt Längsrichtung des Stößels 30 und des zweiten Ventilanschlusses 60, zwischen der geöffneten in 1 gezeigten Stellung und der geschlossenen in 2 gezeigten Stellung bewegen zu können. Diese Führung wird vorzugsweise durch einstückig an dem Gehäuse 1 angeformte Vorsprünge 1a oder Vertiefungen gebildet.
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Das beschriebene Ventil wird vorzugsweise in eine Verbindungsleitung zwischen einem Kraftstofftank und einem Aktivkohlebehälter eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, um die Verbindung zwischen Kraftstoffbehälter und Aktivkohlebehälter zwecks Regenerierung des Aktivkohlebehälters zeitweise zu unterbrechen. Normalerweise ist die Verbindung über das Absperrventil geöffnet, um in dem Kraftstofftank entstehende Kraftstoffdämpfe zu dem Aktivkohlebehälter zu leiten und dort zu absorbieren.
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Der Einsatz des beschriebenen Ventils als Absperrventil für ein entsprechendes Kraftstoffverdunstungs- und Sammelsystem ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern das Ventil kann auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Betankungsventil, Entlüftungsventil oder dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 1a
- Vorsprung
- 10
- Hauptventil
- 11
- Ventilsitz
- 12
- Ventilkörper
- 13
- Dichtung
- 14
- Kanal
- 16
- Öffnung
- 18
- Scheibe
- 20
- Vorsteuerventil
- 22
- Membran
- 22a
- Dichtfläche
- 22b
- Abschnitt großen Durchmessers
- 22c
- Abschnitt kleinen Durchmessers
- 30
- Stößel
- 40
- Feder
- 50
- erster Ventilanschluss
- 60
- zweiter Ventilanschluss
- 70
- Aktuator
- 72
- Elektromagnet
