DE102012204104A1

DE102012204104A1 - Absperrventil

Info

Publication number: DE102012204104A1
Application number: DE201210204104
Authority: DE
Inventors: Frank Gottwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Absperrventil (38, 50, 200), insbesondere ein selbsthaltendes, bidirektionales 2/2-Wegeventil für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung, für ein SCR-System (10) zur Entstickung eines Abgasstroms (18) eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, mit einer zwischen einem Gehäuseoberteil (52, 202) und einem Gehäuseunterteil (54, 204) aufgenommenen elastischen Membran (56, 206) mit einem Membranschieber (58, 208), wobei das Gehäuseunterteil (54, 202) zwei Anschlüsse (64, 66, 216, 218) für das Reduktionsmittel aufweist, und die Membran (56, 206) mittels des Membranschiebers (58, 208) und einer Membranfeder (62, 214) in einem Sperrzustand des Absperrventils auf mindestens einen Anschluss (64, 66, 216, 218) dichtschließend anpressbar ist. Erfindungsgemäß ist eine elektromechanische Haltevorrichtung (102, 254) vorgesehen, mittels der das Absperrventil (38, 50, 200) in einem Durchlasszustand festsetzbar ist und die Haltevorrichtung (102, 254) zum Erreichen des Sperrzustandes entriegelbar ist. Bei einer ersten Ausführungsform erfolgt der Übergang in den Durchlasszustand selbsttätig bei einem Systemdruck des Reduktionsmittels von zum Beispiel p > 9,0 bar + x bar oder p > 5,0 bar + x bar, während im Fall einer zweiten Ausführungsform der Übergang erst durch das Aktivieren der Haltevorrichtung (254) bis zum Erreichen des selbsthaltenden Durchlasszustandes möglich ist. Das erfindungsgemäße Absperrventil (38, 50, 200) weist in beiden Ausführungsformen unter anderem einen stromlosen, leckagefreien Sperrzustand auf, verfügt über einen stromlosen, selbsthaltenden Durchlasszustand und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Druckschwankungen des Reduktionsmittels.

Description

Stand der Technik
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, insbesondere mit Dieselmotoren, benötigen aufgrund der sich stetig verschärfenden Abgasgrenzwerte eine aufwändige Abgasnachbehandlung, um zum Beispiel Stickoxide (NO_x) im Abgasstrom zumindest teilweise abzubauen. Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die sich zur Entstickung von Kraftfahrzeugabgasen besonders eignet, ist ein so genanntes SCR-System ("Selective Catalytic Reduction"-System).
In einem SCR-Katalysator, der in das Abgasrohr des Verbrennungsmotors eingeschleift ist, wird NO_x mit Hilfe von NH₃ in N₂ und H₂0 umgewandelt, wobei das NH₃ in Form einer wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel (s.g. "AdBlue^®") dem SCR-Katalysator mittels eines Dosiermoduls in exakt der benötigten Menge zugeführt wird. Im Dosiermodul sind im Wesentlichen eine Düse und ein Filter zusammengefasst. In einem Fördermodul sind die wesentlichen, zur Bereitstellung des AdBlue^® notwendigen Komponenten, wie zum Beispiel ein Vorratstank, eine elektrische (Membran-)Förderpumpe, ein 4/2-Wegeventil, eine Drossel, Filter, Druckmesssensoren, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie diverse Rohr- und Schlauchleitungen zusammen gefasst. Das Fördermodul und das Dosiermodul bilden gegebenenfalls mit weiteren Komponenten das SCR-System. Ein Problem der wässrigen Harnstoff-Wasserlösung (HWL) liegt darin, dass diese bei Temperaturen unterhalb von –12 °C vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergeht, wobei der Feststoff im Vergleich zur flüssigen Phase ein deutlich größeres Volumen hat. Dies kann zu Berstschäden innerhalb des SCR-Systems und damit zumindest zu einer temporären Funktionsbeeinträchtigung führen. Um solche Berstschäden zu vermeiden, kann das Fördermodul mit Hilfe des 4/2-Wegeventils vom normalen Förderbetrieb in einen Rücksaugbetrieb zur vollständigen Restentleerung des SCR-Systems umgeschaltet werden. Hierdurch wird die Fließrichtung im SCR-System bei gleichbleibender Förderrichtung der Membranpumpe umgekehrt, so dass das Reduktionsmittel vollständig aus dem SCR-System abgesaugt und in den Vorratstank zurückgeführt werden kann.
Die vorbekannten Ventilanordnungen in SCR-Systemen sind nicht dafür vorgesehen, ein komplexes Anforderungsprofil, wie zum Beispiel die Dichtigkeit unter Eisdruck, die Unempfindlichkeit gegenüber Druckschwankungen, die Möglichkeit zum aktiven Öffnen des Ventils im Fall einer Mengenabweichungsüberwachung oder die Option, das Ventil im unbestromten Zustand dauerhaft in einem geschlossenen oder in einem offenen Status zu halten, zu erfüllen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Absperrventil, insbesondere ein selbsthaltendes, bidirektionales 2/2-Wegeventil für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung, für ein SCR-System zur Entstickung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, mit einer zwischen einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil aufgenommenen elastischen Membran mit einem Membranschieber vorgeschlagen, wobei das Gehäuseunterteil zwei Anschlüsse für das Reduktionsmittel aufweist, und die Membran mittels des Membranschiebers und einer Membranfeder in einem Sperrzustand des Absperrventils auf mindestens einen Anschluss dichtschließend anpressbar ist.
Erfindungsgemäß ist eine elektromechanische Haltevorrichtung vorgesehen, mittels der das Absperrventil in einem Durchlasszustand festsetzbar ist und die Haltevorrichtung zum Erreichen des Sperrzustandes entriegelbar ist.
Hierdurch ist unter anderem der Rücksaugbetrieb in einem SCR-System im unbestromten Durchlasszustand des Absperrventils möglich. Zudem ist das Absperrventil im unbestromten Sperrzustand leckagefrei. Das in einer ersten Ausführungsform monostabile Absperrventil wird durch einen ausreichend hohen Druckstoß des Reduktionsmittels vom Sperrzustand in den Durchlasszustand versetzt, wobei der erreichte Durchlasszustand mittels der Haltevorrichtung selbsttätig aufrechterhalten wird. Bei einer zweiten, bistabilen Ausführungsform erfordert jeder Übergang zwischen dem Sperrzustand und dem Durchlasszustand eine Aktivierung der Haltevorrichtung. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Absperrventils sieht vor, dass die Haltevorrichtung mit einem an einem Membranschieber angeordneten Rastelement, insbesondere mit einem Rastteller, und mit einem in einem Elektromagneten axial verschiebbar aufgenommenen Anker mit einem Rastvorsprung gebildet ist.
Hierdurch ist eine zuverlässige aktive Selbsthaltung des Absperrventils mittels der Haltevorrichtung realisierbar.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung des Absperrventils ist der Anker mittels einer zwischen dem Elektromagneten und einem Ankerflansch angeordneten Ankerfeder vorgespannt.
Hierdurch wird eine axiale Ankerruhelage definiert, wenn der Elektromagnet der Haltevorrichtung stromlos ist.
Gemäß einer günstigen Ausbildung des Absperrventils ist der Membranschieber im Gehäuseoberteil axial verschiebbar geführt und die Membran separiert einen Reduktionsmittelraum von einem Betätigungsraum.
Hierdurch ist eine konstruktiv einfache axiale Lagerung des Membranschiebers gegeben. Die empfindlichen elektromechanischen Komponenten des Absperrventils sind darüber hinaus durch die Membran vor einer Einwirkung des unter Umständen korrosiven Reduktionsmittels geschützt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Federkraft F₁ der Membranfeder so bemessen ist, dass im Sperrzustand mittels der Membran ein dichtschließender Abschluss des mindestens einen Anschlusses bis zu einem Systemdruck p des Reduktionsmittels gewährleistet ist.
Hierdurch ist die erste Ausführungsform des Absperrventils im Sperrzustand bis zu einem Systemdruck p leckagefrei, wobei die Membran im Sperrzustand bevorzugt beide Anschlüsse im Gehäuseunterteil abdichtet. Vorzugsweise ist die Federkraft F₁ so bemessen, dass die Abdichtwirkung bis zu einem in SCR-Systemen üblichen Systemdruck von p < 9,0 bar + x bar oder p < 5,0 bar + x bar gewährleistet ist, wobei die Variable für einen Druckoffset größer oder gleich 0,0 bar steht. Umgekehrt öffnet das Absperrventil selbsttätig bei einem Systemdruck p > 9,0 bar + x bar oder p > 5,0 bar + x bar.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung ist der Membranschieber beim Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand mittels der Haltevorrichtung selbsttätig festsetzbar.
Hierdurch kann das Absperrventil auch unbestromt dauerhaft im Durchlasszustand verharren und beispielsweise den Rücksaugbetrieb eines SCR-Systems ermöglichen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Membranschieber mindestens einen Konus aufweist, der zumindest bereichsweise von der Membran eingehüllt ist. Der im Fall der zweiten Ausführungsform vorgesehene membranüberzogene Konus erlaubt im Vergleich zur ersten Ausführungsform – bei der die Membran im Wesentlichen vollflächig auf einem konkaven Ventilsitz aufliegt – eine weitere Optimierung der Abdichtungswirkung. Die Membranbeschichtung des Konus erlaubt darüber hinaus einen Ausgleich von kleinen Unebenheiten im Bereich des Ventilsitzes. Bei einer günstigen Fortbildung liegt der von der Membran eingehüllte Konus im Sperrzustand zumindest bereichsweise an einem Anschlusskonus mindestens eines Anschlusses an.
Hierdurch wird ein Toleranzausgleich zwischen dem Anschlusskonus und dem membranüberzogenen Konus erleichtert, wobei sich zugleich eine weitere Verbesserung der Abdichtungswirkung, insbesondere aufgrund einer kleineren Dichtfläche mit einer höheren Flächenpressung, einstellt. Der Konus wird mittels der Membranfeder und dem Membranschieber mit der Federkraft F₁ in den Anschlusskonus gedrückt. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Abdichtungswirkung im Sperrzustand muss die Membranfeder daher eine ausreichend hohe Federkraft F₁ entwickeln.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung des Absperrventils ist der Membranschieber mittels der Haltevorrichtung im Sperrzustand und im Durchlasszustand festsetzbar. Dies ermöglicht die stromlose Aufrechterhaltung des Durchlasszustandes und des Sperrzustandes des Absperrventils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben werden.
Es zeigt:
1 ein hydraulisches Blockschaltbild eines SCR-Systems mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil,
2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils im Sperrzustand,
3 das Absperrventil nach 2 während des Übergangs vom Sperrzustand in den Durchlasszustand,
4 das Absperrventil nach 2 im Durchlasszustand,
5 eine zweite Ausführungsform des Absperrventils im Sperrzustand,
6 das Absperrventil nach 5 beim Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand,
7 das Absperrventil nach 5 im Sperrzustand, und
8 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes VIII aus der 5 zur Veranschaulichung der im Sperrzustand auf das Absperrventil einwirkenden Lasten.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt ein hydraulisches Blockschaltbild eines SCR-Systems zur Abgasnachbehandlung, das mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil ausgerüstet ist. Das SCR-System 10 umfasst unter anderem ein Fördermodul 12, ein Dosiermodul 14 sowie einen Katalysator 16 zur Entstickung eines Abgasstroms 18 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Das Fördermodul 12 beinhaltet im Wesentlichen einen Tank 20 mit einem Reduktionsmittel 22, mehrere Filter 24 und Leitungen 26 bzw. Schlauchleitungen, eine Drossel 28 mit einem Rücklauf 30, eine (Membran-)Pumpe 32, ein 4/2-Wegeventil 34, einen Drucksensor 36 sowie ein Absperrventil 38 (bidirektionales 2/2-Wegeventil) – das nach Maßgabe einer der beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen realisiert sein kann (vgl. 2 bis 8). Wie durch den kleinen schwarzen Doppelpfeil im Symbol des Absperrventils 38 angedeutet, kann das Reduktionsmittel 22 das Absperrventil 38 im Durchlasszustand in beiden Richtungen (bidirektional) durchströmen. Das Dosiermodul 14 beinhaltet einen weiteren Filter 24 mit einer nachgeschalteten Düse 40. Ferner benötigt das SCR-System 10 eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung. Mittels der Düse 40 wird das Reduktionsmittel 22 fein zerstäubt und in einer dem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors exakt angepassten Dosierung in den Abgasstrom 18 eingegeben. In der mit durchgezogenen Linien angedeuteten Stellung des 4/2-Wegeventils 34 mit den beiden gekreuzten internen Leitungszweigen befindet sich das SCR-System 10 im so genannten Rücksaugbetrieb bei abgestelltem Verbrennungsmotor. Hierbei wird das Reduktionsmittel 22 ausgehend von der Düse 40 und dem Filter 24, über das geöffnete Absperrventil 38, den linken Leitungszweig des 4/2-Wegeventils 34, die Pumpe 32, den Filter 24, den rechten Leitungszweig des 4/2-Wegeventils 34 und die Filter 24 bis zurück in den Tank 20 gefördert. Der Rücksaugbetrieb dient zur vollständigen Restentleerung des SCR-Systems, um etwaige Berstschäden durch gefrierendes Reduktionsmittels 22 zu verhindern. Wird das 4/2-Wegeventil 34 in die mit gestrichelten Linien angedeutete Position mit zwei parallelen Leitungszweigen verbracht, so befindet sich das SCR-System 10 im normalen Förderbetrieb. Im Förderbetrieb wird das Reduktionsmittel 22 aus dem Tank 20 über die Filter 24, den rechten Leitungsweg des 4/2-Wegeventils 34, die Pumpe 32, einen weiteren Filter 24, den linksseitigen Leitungsweg des 4/2-Wegeventils 34, das offene Absperrventil 38, den Filter 24 bis in die Düse 40 gefördert. Überschüssiges Reduktionsmittel 22 fließt hinter der Pumpe 32 und dem Filter 24 durch den Abzweig zur Drossel 28 und von dort über die Rückleitung 30 in den Tank 20 ab. Beim Umschalten zwischen Rücksaugbetrieb und Förderbetrieb ändert sich lediglich die Fließrichtung des Reduktionsmittels 22, wohingegen die Förderrichtung der (Membran-)Pumpe 32 unverändert beibehalten wird.
Nach dem Start des Verbrennungsmotors und des SCR-Systems 10 wird das Absperrventil 38 – wenn es nach Maßgabe der ersten monostabilen Ausführungsform (vgl. 2 bis 4) ausgeführt ist – durch kurzeitiges Anlegen eines Systemdruckes p > 9,0 bar + x bar oder p > 5,0 bar + x bar in den selbsthaltenden Durchlasszustand versetzt, wobei die Variable für einen Druckoffset steht, der größer oder gleich 0,0 bar ist. Der zum Umschalten des Absperrventils 38 benötigte Druckstoß kann hierbei auf einfache Art und Weise mithilfe der Pumpe 32 aufgebaut werden. Im Anschluss wird der Systemdruck p des Reduktionsmittels 22 auf zum Beispiel 9,0 bar oder 5,0 bar abgesenkt und das Fördermodul 12 kann im normalen Förderbetrieb arbeiten. Nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors wird das 4/2-Wegeventil 34 umgesteuert, wodurch sich die Durchflussrichtung im Fördermodul 12 umkehrt. Der Systemdruck p sinkt auf etwa 0,0 bar bzw. einen geringen Saugunterdruck im Bereich des Absperrventils 38 ab. Das Absperrventil 38 verbleibt weiterhin im Durchlasszustand und gewährleistet den Rücksaugbetrieb bis zur vollständigen Entleerung aller berstgefährdeten Bereiche des SCR-Systems 10. Nach dem Abschluss des Rücksaugbetriebs kann das Absperrventil 38 in den Sperrzustand versetzt werden, was durch kurzzeitiges Bestromen des Elektromagneten erfolgt. Das Absperrventil 38 schließt beispielsweise bei einem Systemdruck p < 9,0 bar + x bar oder p < 5,0 bar + x bar, so dass in diesem Druckbereich eine leckagefreie Absperrung der Leitungen 26 zwischen der Düse 40 und dem 4/2-Wegeventil 34 im stromlosen Sperrzustand gewährleistet ist. Eine Mengenabweichungsüberwachung (s.g. CDM = "Consumption Deviation Monitoring") nutzt eine vom Fördermodul 12 abgesperrte Leitung 26, um einen definierten Druckabbau bei einer definierten Einspritzmenge des Reduktionsmittels 22 auszuwerten. Im Zuge einer solchen Mengenabweichungsüberwachung wird das Absperrventil 38 in den Sperrzustand versetzt und anschließend zur Wiederaufnahme des normalen Förderbetriebs durch einen Druckstoß in den Durchlasszustand versetzt.
Alternativ kann das Absperrventil 38 auch analog zur zweiten, bistabilen Ausführungsform des Absperrventils nach Maßgabe der 5 bis 8 ausgebildet sein. In einer solchen Konstellation ist vor einem Wechsel vom Sperrzustand in den Durchlasszustand und umgekehrt stets eine Betätigung der Haltevorrichtung notwendig. Der Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand ist – unbeschadet der Notwendigkeit der Betätigung der Haltevorrichtung im Fall der zweiten Ausführungsform – nur möglich, wenn das Reduktionsmittel unter einem hinreichend hohen Systemdruck p steht.
Die 2 bis 4 zeigen in einer Prinzipdarstellung jeweils die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absperrventils in unterschiedlichen Betriebszuständen, so dass im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich auf die 2 bis 4 Bezug genommen werden kann. Bei dieser ersten Ausführungsform ist der Sperrzustand nicht elektromechanisch verriegelt, so dass ein Wechsel in den Durchlasszustand einfach durch die Beaufschlagung des Absperrventils mit einem Druckstoß geeigneter Höhe erfolgen kann.
Ein Absperrventil 50 umfasst unter anderem ein Gehäuseoberteil 52 und ein Gehäuseunterteil 54, zwischen denen eine elastische Membran 56 eingespannt ist. Die Membran 56 kann zum Beispiel mit einem Elastomer, zum Beispiel einer Gummimischung, gebildet sein. Zur Befestigung der Membran 56 kann diese eine umlaufende Wulst aufweisen, die in einer von beiden Gehäuseteilen 52, 54 gebildeten Nut aufgenommen ist. Ein Membranschieber 58 ist im Gehäuseoberteil 52 axial verschiebbar in einer nicht näher dargestellten Führung aufgenommen. Der Membranschieber 58 ist mittels eines scheibenförmigen Stempels 60 mit der Membran verbunden. Damit ist der Membranschieber 58 im Gehäuseoberteil 52 längsverschiebbar und der hiervon weggerichtete Endabschnitt ist schwimmend mittels der Membran 56 axial verschiebbar gelagert, woraus sich eine beidseitige Lagerung des Membranschiebers 58 ergibt. Die Verbindung zwischen dem Stempel 60 und der Membran 56 kann zum Beispiel durch Anvulkanisieren des Stempels 60 an die Membran 56 oder andere Verbindungstechniken erfolgen. Zwischen dem Stempel 60 und dem Gehäuseoberteil 52 ist eine Membranfeder 62 fest eingespannt. Das Gehäuseunterteil 54 verfügt über zwei Anschlüsse 64, 66, über die die Zufuhr sowie die Abfuhr des Reduktionsmittels erfolgen.
Die Membran 56 liegt in dem in 2 gezeigten Sperrzustand des Absperrventils 50 vollflächig auf einem Ventilsitz 68 und verschließt hierbei die beiden Anschlüsse 64, 66 druckdicht. Dadurch ist die Reduktionsmittelströmung, wie durch die beiden weißen Pfeile angedeutet, im Sperrzustand unterbrochen. Die Membranfeder 62 bewirkt eine Federkraft F₁, die so hoch ist, dass sich die Membran 56 erst bei einem Systemdruck p des Reduktionsmittels von p > 9,0 bar + x bar oder p > 5,0 bar + x bar zunehmend vom Ventilsitz 68 abzuheben beginnt und somit der Übergang vom Sperrzustand in einen Durchlasszustand beginnt. Ein druckdichter Abschluss gegenüber einem hiervon abweichenden Systemdruck p ist durch eine entsprechend weichere oder härtere Auslegung der Membranfeder 62 realisierbar. Die Federkraft F₁ gewährleistet bei dem Systemdruck einen druckdichten Abschluss der beiden Anschlüsse 64, 66, so dass im Sperrzustand keine Leckströme auftreten. Die Membran 56 separiert darüber hinaus einen Betätigungsraum 70 druckdicht von einem Reduktionsmittelraum 72 im Bereich der Anschlüsse 64, 66, so dass konstruktive Elemente innerhalb des Betätigungsraums 70 nicht mit einem unter Umständen korrosiven Reduktionsmittel in Kontakt kommen. In einem nicht bezeichneten, von der Membran 56 wegweisenden Ende des Membranschiebers 58, ist ein hier exemplarisch kegelstumpfförmig ausgebildeter Rastteller 74 als ein mögliches Rastelement vorgesehen. Der Rastteller 74 wirkt mit einem keilförmigen Rastvorsprung 76 eines Ankers 78 zusammen. Der Anker 78 ist in einer Spule 80 eines Elektromagneten 82, wie durch den schwarzen Doppelpfeil angedeutet, axial verschiebbar aufgenommen. In der Ventilposition nach Maßgabe der 2 ist der Elektromagnet 82 stromlos. Zwischen einem hier exemplarisch scheibenförmigen Ankerflansch 84 und einem Gehäuse 86 des Elektromagneten 82 ist eine Ankerfeder 88 platziert. Durch diese wird der Anker 78 soweit aus der Spule 80 heraus gedrückt, bis der Vorsprung 76 am Rastteller 74 anliegt. Das Gehäuse 86 des Elektromagneten 82 verfügt über einen nicht bezeichneten Innenanschlag zur axialen, rechtseitigen Wegbegrenzung für den Anker 78. Aufgrund der Federkraft der Ankerfeder 88 liegt eine Keilfläche 90 des Rastvorsprungs 76 mit Pressschluss an einer korrespondierend angeschrägten Anlauffläche 92 des Rasttellers 74 an. Die Keilfäche 90 bzw. Anlauffläche 92 weisen jeweils einen Neigungswinkel α von etwa 45° auf, so dass diese unter geringem Widerstand aneinander vorbeigleiten können. Zum Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand muss im Bereich der Anschlüsse 64,66 das Reduktionsmittel – je nach Auslegung der Membranfeder 62 – kurzzeitig mit einem Systemdruck p > 9,0 bar + x bar oder p > 5,0 bar + x bar anstehen, so dass die Membran 56 entgegen der Wirkung der Membranfeder 62 vom konkaven Ventilsitz 68 soweit abgehoben wird, dass der Rastteller 74 hinter dem Rastvorsprung 76 einrastet.
In der in 3 illustrierten Stellung befindet sich das Absperrventil 50 im Übergangszustand zwischen dem Sperrzustand und dem Durchlasszustand. Die Membran 56 ist bereits so weit vom Ventilsitz 68 abgehoben, dass das Reduktionsmittel entlang der weißen Pfeile durch die Anschlüsse 64, 66 fließen kann. Aufgrund der Wirkung des Druckstoßes werden der Membranschieber 58 und der Stempel 60 mit Membran 56 entgegen der Wirkung der Membranfeder 62 immer weiter in Richtung des schwarzen Pfeils 94 angehoben. Hierbei gleitet die Anlauffläche 92 des Rasttellers 74 auf die Keilfläche 90 des Rastvorsprungs 76 auf, wodurch der Anker 78 in Richtung des schwarzen Pfeils 96 nach rechts in die Spule 80 des hier gleichfalls noch stromlosen Elektromagneten 82 hineingeschoben wird.
Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis – wie in der 4 angedeutet – die Keilfläche 90 und die Anlauffläche 92 aneinander vorbeigeglitten sind und der Anker 78 aufgrund der Kraftwirkung der Ankerfeder 88 aus der Spule 80 des Elektromagneten 82 herausgeschnappt ist und eine plane Oberseite 98 des Rastvorsprungs 76 zumindest bereichsweise formschlüssig und kraftschlüssig an einer Unterseite 100 des Rasttellers 74 zur Anlage kommt, wodurch sich das Absperrventil 50 im erreichten Durchlasszustand unabhängig vom aktuellen Systemdruck p des Reduktionsmittels hält. Im Ergebnis stellen der Rastteller 74 sowie der Rastvorsprung 76 des Ankers 78 in Verbindung mit der Membranfeder 62 und der Ankerfeder 88 eine selbsttätig einrastende Haltevorrichtung 102 dar. In dem in 4 illustrierten Durchlasszustand ist die Membran 56 vollständig vom Ventilsitz 68 abgehoben und das Reduktionsmittel kann ungehindert durch die Anschlüsse 66, 68 hindurch strömen. Die jeweils unter dem Winkel α von etwa 45° in Bezug zur Horizontalen bzw. der Vertikalen angeschrägte Keilfläche 90 und die Anlauffläche 92 ermöglichen hierbei das selbsttätige Einrasten der Haltevorrichtung 102 in den Durchlasszustand aufgrund eines Druckstoßes und damit die monostabile Funktionalität des Absperrventils 50.
Um den in 4 gezeigten selbsthaftenden Durchlasszustand, d.h. den geöffneten Zustand des Absperrventils 50, wieder zu verlassen, wird die Spule 80 des Elektromagneten 82 kurzzeitig bestromt, wodurch der Anker 78 in Richtung des Pfeils 96 in die Spule 82 hingezogen wird und der Rastvorsprung 76 den Rastteller 74 frei gibt, so dass dieser aufgrund der Wirkung der Membranfeder 62 entgegen der Richtung des Pfeils 94 nach unten gedrückt wird. Hierdurch verschließt die Membran 56 die Anschlüsse 64, 66. Das Ventil schließt hierbei gegen den Systemdruck p, so dass kein Reduktionsmittel mehr durch das Absperrventil 50 strömen kann und eine leckagefreie Abdichtung der beiden Anschlüsse 64, 66 gegeben ist.
Ein Vorteil dieser ersten Ausführungsform liegt darin, dass ein Übergang in den Durchlasszustand ohne vorherige Betätigung der Haltevorrichtung 102 möglich ist. Darüber hinaus kann das Absperrventil 50 den Sperrzustand und den Durchlasszustand stromlos beliebig lange aufrechterhalten und lässt sich bei der Überprüfung von Mengenabweichungen aktiv schließen. Daneben ist das Öffnungsverhalten des Absperrventils 50 weitgehend unabhängig von Druckschwankungen. Ferner schließt das Absperrventil 50 im stromlosen Sperrzustand leckagefrei ab und erlaubt den drucklosen Rücksaugbetrieb in einem SCR-System.
Die 5 bis 7 zeigen in einer vereinfachten Darstellung jeweils eine zweite, bistabile Ausführungsform des Absperrventils in verschiedenen Stellungen, so dass im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich auf die 5 bis 7 Bezug genommen wird. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nach Maßgabe der 2 bis 4 erfolgt bei dieser Ausführungsform eine elektromechanische Verriegelung sowohl des Sperrzustandes als auch des Durchlasszustandes.
Das Absperrventil 200 umfasst ein Gehäuseoberteil 202 und ein Gehäuseunterteil 204, zwischen denen wiederum eine elastische Membran 206 aufgenommen ist. Im Gehäuseoberteil 202 ist ein Membranschieber 208 längsbeweglich aufgenommen. An einem membranseitigen Endabschnitt des Membranschiebers 208 ist ein Konus 210 ausgebildet, der mit der Membran 206 überzogen ist. Der Konus 210 verfügt über eine näherungsweise kegelstumpfförmige Formgebung. In das Gehäuseunterteil 204 sind ferner zwei Anschlüsse 216, 218 für das Reduktionsmittel eingebracht. Zwischen einem Membranschieberflansch 212 und dem Gehäuseoberteil 202 ist eine Membranfeder 214 eingespannt, die den Membranschieber 208 einschließlich des Konus 210 und der Membran 206 mit einer Federkraft F₁ in einen Anschlusskonus 220 hineindrückt, wodurch eine leckagefreie, hermetische Abdichtwirkung des Absperrventils 200 im gezeigten Sperrzustand gegeben ist. Der Anschlusskonus 220 bildet hier den Ventilsitz für den von der Membran 206 umgegebenen Konus 210.
Die Membran 206 separiert einen Betätigungsraum 222 von einem Reduktionsmittelraum 224. Am Membranschieber 208 ist ferner ein hier lediglich exemplarisch kegelstumpfförmiger bzw. kegelförmiger Rastteller 226 ausgebildet, der mit einem Rastvorsprung 228 eines Ankers 230 zusammenwirkt. Der Anker 230 ist in einer Spule 232 eines Elektromagneten 234 axial verschiebbar aufgenommen. Zwischen einem Ankerflansch 236 und einem Gehäuse 238 des Elektromagneten 234 ist eine Ankerfeder 240 angeordnet. Durch die Wirkung der Ankerfeder 240 wird der Anker 230 soweit aus der Spule 232 herausgedrückt, bis der Rastvorsprung 228 am Rastteller 226 zur Anlage kommt. Der Rastvorsprung 228 verfügt über eine Keilfläche 242, die auf einer Anlauffläche 244 des Rasttellers 226 gleiten kann. Die Neigungen der Keilfläche 242 und der Anlauffläche 244 sind so klein gewählt, dass eine Bewegung des Membranschiebers 208 in Richtung eines schwarzen Pfeils 246 zuverlässig verhindert wird und ein hermetisch dichter Abschluss des Absperrventils 200 gegeben ist. Das Absperrventil 200 ist im in 5 illustrierten Sperrzustand durch das Zusammenwirken von Rastteller 226 und Rastvorsprung 228 verriegelt. Die Federkraft F₁ der Membranfeder 214 ist so bemessen, dass sich im Zusammenspiel mit der Verriegelung zwischen Rastteller 226 und Rastvorsprung 228 eine ausreichende Absperrwirkung bzw. ein "Dichtdruck" im stromlosen Zustand des Elektromagneten 234 – insbesondere bei einem üblichen Systemdruck p des Reduktionsmittels von 5,0 bar oder 9,0 bar – ergibt (Ziel: Null-Leckage).
Um das Absperrventil 200 in den selbsthaltenden Durchlasszustand zu bringen, wird die Spule 232 des Elektromagneten 234 mit Strom beaufschlagt, so dass der Anker 230 entgegen der Federkraft der Ankerfeder 240 in Richtung des schwarzen Pfeils 248 in die Spule 232 hineingezogen wird. Hierdurch gibt der Rastvorsprung 228 des Ankers 230 – wie in der 6 gezeigt – den Rastteller 226 frei, so dass sich der Membranschieber 208 in Richtung des Pfeils 246 nach links bewegen kann, wodurch der mit der Membran 206 überzogene Konus 210 den Anschlusskonus 220 zunehmend frei gibt und das Reduktionsmittel, wie durch die beiden weißen Pfeile angedeutet, durch die Anschlüsse 216,218 fließen kann. Der axiale Vorschub des Membranschiebers 208 in Richtung des schwarzen Pfeils 246 erfolgt aufgrund des unter dem Systemdruck p stehenden Reduktionsmittels entgegen der Federkraft F₁ der Membranfeder 214. In der Darstellung der 6 befindet sich das Absperrventil in einem Durchgangszustand, da der vollständig verriegelte Durchlasszustand noch nicht erreicht ist.
In der Darstellung der 7 hat das Absperrventil 200 schließlich den Durchlasszustand erreicht. Der mit der Membran 206 überzogene Konus 210 hat den Ventilsitz vollständig freigegeben, so dass das Reduktionsmittel ungehindert durch die Anschlüsse 216, 218 gelangt. Eine plane bzw. ebene Rückseite 250 des Rastvorsprungs 228 liegt an einer gleichfalls planen Vorderseite 252 des Rasttellers 226 an, wodurch der Membranschieber 208 in der gezeigten Position wieder verriegelt ist und sich nicht mehr zurückbewegen kann. Die Spule 232 des Elektromagneten 234 muss beim Übergang vom Sperrzustand nach 5 in den Durchlasszustand gemäß der 7 solange mit Strom beaufschlagt werden, bis der Membranschieber 208 diese Verriegelungsposition eingenommen hat.
In dem in der 7 gezeigten, verriegelten Durchlasszustand verbleibt der Membranschieber 208 so lange, bis die Spule 232 des Elektromagneten 234 erneut unter Strom gesetzt wird und der Anker 230 entgegen der Federkraft der Ankerfeder 240 in die Spule 232 zurückgezogen wird, so dass der Rastvorsprung 228 den Rastteller 226 freigibt und der Membranschieber 208 zusammen mit dem mit der Membran 206 überzogenen Konus 210 durch die Federkraft F₁ der Membranfeder 214 gegen den aktuellen Systemdruck p wieder in den Anschlusskonus 220 hineingedrückt wird und den Anschluss 218 verschließt. Erst nach dem Erreichen dieses noch unverriegelten Sperrzustandes wird der Elektromagnet 234 wieder abgeschaltet, so dass der Anker 230 aufgrund der Federkraft der Ankerspule 240 entgegen der Richtung des Pfeils 248 nach unten gedrückt wird und der Rastvorsprung 228 den Rastteller 226 verriegelt. Damit hat das Absperrventil 200 den auch stromlos selbsthaltenden, verriegelten Sperrzustand gemäß der 5 erreicht.
Der Rastvorsprung 228, der Rastteller 226 sowie die beiden Federn 214, 240 stellen die wesentlichen Funktionselemente einer Haltevorrichtung 254 dar, um das unbestromte Absperrventil 200 sowohl dauerhaft im Durchlasszustand als auch permanent im Sperrzustand halten zu können. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform nach Maßgabe der 2 bis 4 kann das Absperrventil 200 nicht durch eine kurzzeitige Erhöhung des Systemdrucks p des Reduktionsmittels vom Sperrzustand in den Durchlasszustand versetzt werden.
Die 8 zeigt zur Veranschaulichung der im Sperrzustand des Absperrventils 200 einwirkenden Kräfte eine Vergrößerung des Ausschnittes aus der 5. In der 8 wirkt ein hohe Eisdruckkraft F_Eisdruck zusammen mit der entgegengerichtet wirkenden, jedoch deutlich kleineren Federkaft F₁ – der hier nicht eingezeichneten Membranfeder – auf den Rastteller 226 des Membranschiebers 208 ein. Aus beiden Kräften ergibt sich eine resultierende Kraft F_Resultierend. Die Keilfäche 242 des Rastvorsprungs 228 und die Anlauffläche 244 des Rasttellers 226 weisen jeweils in Bezug zur Vertikalen einen kleinen Neigungswinkel β von etwa 10° auf. Aufgrund dieser nur leicht angeschrägten Ausführung kann der Anker 230 auch durch die vergleichsweise große Kraft F_Resultierend nicht entgegen der vergleichsweise kleinen Federkraft F_Ankerfeder aus der gezeigten Verriegelungsposition nach oben heraus gedrängt werden. Aufgrund dieser selbsthemmenden Keilverriegelung zwischen dem Rastteller 226 und dem Rastvorsprung 228 ergibt sich eine sehr zuverlässige Abdichtungswirkung (Ziel: Null-Leckage) des Absperrventils 200 im selbsthaltenden Sperrzustand. Darüber hinaus wird eine hohe Eisdruckfestigkeit des Absperrventils 200 bei gefrierendem Reduktionsmittel erreicht. Unbeschadet hiervon ist es zur Vermeidung von Berstschäden in einem SCR-System unabdingbar, zusätzlich hydraulische Kompensatoren vorzusehen.
Darüber hinaus ist durch den jeweils gleichen Neigungswinkel β der Keilfläche 242 und der Anlauffläche 244 ein Toleranzausgleich gegeben, da der Rastteller 226 des Membranschiebers 226 durch den mittels der Ankerfeder 240 stets nach unten getriebenen Rastvorsprung 228 festgekeilt wird. Ein sich etwaig auftuendes Spiel im Ventilsitz wird sofort durch das Nachrücken des Rastvorsprungs 228 in Richtung des schwarzen Pfeils 256 ausgeglichen, woraus ein hermetisch dichter Abschluss des Absperrventils 200 im selbsthaltenden Sperrzustand resultiert. Das Nachrücken erfolgt wegen des Abstandes 258 (Spiel) zwischen dem Ankerflansch 236 und dem Gehäuseoberteil 202, wodurch letztendlich ein selbstnachstellender Ventilsitz im Sperrzustand ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Absperrventil 200 behält auch unter hohem Eisdruck im unbestromten Sperrzustand zuverlässig seine Abdichtungswirkung (s.g. Eisdrucksperre). Daneben verharrt das stromlose Absperrventil 200 beliebig lange im leckagefreien Sperrzustand oder im Durchlasszustand und ermöglicht den drucklosen Rücksaugbetrieb in einem SCR-System.
Beide Ausführungsformen des Absperrventils 50, 200 erfordern beim Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand einen ausreichend hohen Systemdruck p des Reduktionsmittels, um die Federkraft F₁ der Membranfeder 62, 214 zu überwinden. Beide Absperrventile 50, 200 sind bevorzugt in ein Fördermodul eines SCR-Systems integriert (vgl. 1).

Claims

Absperrventil (38, 50, 200), insbesondere selbsthaltendes, bidirektionales 2/2-Wegeventil für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung, für ein SCR-System (10) zur Entstickung eines Abgasstroms (18) eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, mit einer zwischen einem Gehäuseoberteil (52, 202) und einem Gehäuseunterteil (54, 204) aufgenommenen elastischen Membran (56, 206) mit einem Membranschieber (58, 208), wobei das Gehäuseunterteil (54, 204) zwei Anschlüsse (64, 66, 216, 218) für das Reduktionsmittel aufweist, und die Membran (56, 206) mittels des Membranschiebers (58, 208) und einer Membranfeder (62, 214) in einem Sperrzustand des Absperrventils (38, 50, 200) auf mindestens einen Anschluss (64, 66, 216, 218) dichtschließend anpressbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromechanische Haltevorrichtung (102, 254) vorgesehen ist, mittels der das Absperrventil (38, 50, 200) in einem Durchlasszustand festsetzbar ist und die Haltevorrichtung (102, 254) zum Erreichen des Sperrzustandes entriegelbar ist.
Absperrventil (38, 50, 200) nach Anspruch 1, wobei die Haltevorrichtung (102, 254) mit einem an einem Membranschieber (58, 208) angeordneten Rastelement, insbesondere mit einem Rastteller (74, 226), und mit einem in einem Elektromagneten (82, 234) axial verschiebbar aufgenommenen Anker (78, 230) mit einem Rastvorsprung (76, 228) gebildet ist.
Absperrventil (38, 50, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anker (78, 230) mittels einer zwischen dem Elektromagneten (82, 234) und einem Ankerflansch (84, 236) angeordneten Ankerfeder (88, 240) vorgespannt ist.
Absperrventil (38, 50, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Membranschieber (58, 208) im Gehäuseoberteil (52, 202) axial verschiebbar geführt ist und die Membran (56, 206) einen Reduktionsmittelraum (72, 224) von einem Betätigungsraum (70, 222) separiert.
Absperrventil (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Federkraft F₁ der Membranfeder (62) so bemessen ist, dass im Sperrzustand mittels der Membran (56) ein dichtschließender Abschluss des mindestens einen Anschlusses (64, 66) bis zu einem Systemdruck p des Reduktionsmittels gewährleistet ist.
Absperrventil (50) nach Anspruch 5, wobei der Membranschieber (58) beim Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand mittels der Haltevorrichtung (102) selbsttätig festsetzbar ist.
Absperrventil (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Membranschieber (208) mindestens einen Konus (210) aufweist, der zumindest bereichsweise von der Membran (206) eingehüllt ist.
Absperrventil (200) nach Anspruch 7, wobei der von der Membran (206) eingehüllte Konus (210) im Sperrzustand zumindest bereichsweise an einem Anschlusskonus (220) mindestens eines Anschlusses (216, 218) anliegt.
Absperrventil (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Membranschieber (208) mittels der Haltevorrichtung (254) im Sperrzustand und im Durchlasszustand festsetzbar ist.