DE102013012818A1

DE102013012818A1 - Schaltbares Druckbegrenzungsventil

Info

Publication number: DE102013012818A1
Application number: DE102013012818.8A
Authority: DE
Inventors: Olaf Ohligschläger; René Schulz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Aufgabe: Schaltbares Druckbegrenzungsventil mit einem Gehäuse (21), einem Elektromagneten (1), einer Vorrichtung (2) zum Öffnen und Verschließen eines Durchlasses für einen Fluidstrom zwischen einem P-Anschluss (4) und einem T-Anschluss (13), wobei eine Feder (6) mit geringer Federrate zur Betätigung der Ventilfunktion über den Stößel (3) eingesetzt wird. Lösung: Die Feder (6) ist im ausgeschalteten Zustand des Magneten einerseits durch eine relativ zum Stößel (3) bewegliche Scheibe (24) und eine an einer Verlängerung (23) des Stößels festen Scheibe (25) und andererseits durch einen Absatz (26) oder einen Bund (27) am Stößel (3) in einer durch die Lage der festen Scheibe (24) vorgegebenen Vorspannung gehalten. Anwendung: Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil findet Anwendung in SCR-Systemen von Fahrzeugen und fahrenden Arbeitsmaschinen, die von Dieselmotoren angetrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein durch einen Elektromagneten schaltbares Druckbegrenzungsventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 016 819 A1 desselben Anmelders beschreibt ein Druckbegrenzungsventil mit einer Betätigung durch einen Elektromagneten. Es eignet sich für Abgasbehandlungssysteme nach dem SCR-Verfahren. Dabei steht die Ad-blue-Leitung im Betrieb unter einem konstanten oder pulsierenden Druck von beispielsweise ca. 12 bar. Bei diesem Druck oder einem niedrigeren Druck verschließt das Gerät im eingeschalteten Zustand eine angeschlossene Leitung. Der Leitungsdruck wird auch auf einen Maximaldruck von beispielsweise 20 bar begrenzt. Wenn der Druck den Grenzwert überschreitet, öffnet das Druckbegrenzungsventil, bis der Druck wieder unter dem Grenzwert liegt. Im ausgeschalteten Zustand des Gerätes ist die angeschlossene Leitung zu einem Tank hin bis zum nächsten Anschalten geöffnet, auch bei einem sehr niedrigen Druck. In der bekannten Ausführung des Druckbegrenzungsventils besitzt die eingesetzte Druckfeder zur Betätigung der fluidischen Ventilfunktion über einen Stößel eine hohe Federrate, damit während eines geringen Ankerhubs des Elektromagneten die notwendige Kraft aufgebaut wird. Mit dieser hohen Federrate können nur sehr geringe Längentoleranzen hingenommen werden, wenn eine vorgegebene Drucktoleranz eingehalten werden soll. Es stellt sich daher die Aufgabe, das Druckbegrenzungsventil so weiterzuentwickeln, dass eine Feder mit erheblich geringerer Federrate zur Betätigung der Ventilfunktion über den Stößel eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die charakteristischen Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst; die weiteren Ansprüche bilden die Lösung weiter fort.
Gemäß der Aufgabenstellung wird anstelle der bisher eingesetzten Druckfeder, die eine hohe Federrate besitzt, eine Feder geringer Federrate eingesetzt, die weitgehend in der Lage ist, mechanische Toleranzen zu kompensieren. Damit diese Kraftwirkung im ausgeschalteten Zustand des Magneten vollständig abfällt, wird der Federweg durch Bauteile begrenzt, die im Kraftfluss zwischen dem Stößel und der Feder liegen. Dabei bildet der Stößel einen in der Längsachse der Feder liegenden Zugstab, der beispielsweise zwei Scheiben in ihrem maximalen Abstand begrenzt. Die Feder wird darin in einem vorgespannten Zustand in ihrer maximalen Länge begrenzt. Eine dritte, auf dem Stößel beweglich angeordnete Scheibe ermöglicht allerdings ein weiteres Verkürzen der Feder im eingeschalteten Zustand des Magneten. Dabei ergibt sich aufgrund der geringen Federsteifigkeit der Feder nur eine moderate Kraftänderung. Diese moderate Kraftänderung ermöglicht die Einhaltung enger Drucktoleranzen auch bei einem Einsatz von Federn mit üblichen Krafttoleranzen. Die Feder mit einer geringen Federrate muss eine erhebliche Länge aufweisen, wenn sie in dem Raum zwischen dem Magnetanker und dem Pol des Magneten angeordnet werden soll. Dann ist sie wegen des geringen Außendurchmessers nicht knickstabil und muss entsprechend geführt werden. Ordnet man alternativ die Feder innerhalb des Magnetankers an, so kann die Feder einen größeren Außendurchmesser erhalten und daher knickstabil sein. Auch die spezifische Materialbelastung kann gegebenenfalls reduziert werden, so dass das Setzverhalten der Feder verbessert werden kann.
Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil findet Anwendung in SCR-Systemen von Fahrzeugen und fahrenden Arbeitsmaschinen, die von Dieselmotoren angetrieben werden.
Bilder
1: Druckbegrenzungsventil gemäß dem Stand der Technik.
2: Erste Ausführung der Baugruppe zur Krafterzeugung
3: Zweite Ausführung der Baugruppe zur Krafterzeugung mit einer Anordnung der Feder im Anker.
Beispielhafte Ausführung
1 zeigt das schaltbare Druckbegrenzungsventil mit seinem Elektromagneten 1 entsprechend dem Stand der Technik. In dem Elektromagneten ist eine Spule 11 enthalten, die im bestromten Zustand einen Magnetfluss erzeugt, der am Luftspalt zwischen dem Anker 8 und dem Magnetpol 10 eine Kraft hervorruft, die den Anker zum Anschlag 9 bewegt. Dabei spannt der Anker die Feder 6 stärker, und diese Feder drückt auf den Stößel 3. Die Feder 6 ist so ausgelegt, dass sie bei dem auslegungsgemäßen Strom durch die Spule 11 dem Anker 8 ermöglicht, den Anschlag 9 zu erreichen und die Feder um einen eng tolerierten Weg zu spannen. Damit ist die Kraft der Feder 6 bei bestromter Spule 11 in ihrer Größe unabhängig von dem genauen Wert des Stroms, geringe Schwankungen dieses Stroms, die durch die Spulentemperatur oder durch Änderungen der Versorgungsspannung hervorgerufen werden, wirken sich nicht auf die Kraft der Feder 6 aus.
Der Stößel 3 wird von der Feder 6 gegen die Feder 5 und gegen die Membran 7 oder gedrückt, die Membran wird zusätzlich vom Druck des Fluids unter der Membran beaufschlagt. Solange die Membran auf dem Dichtsitz 12 aufliegt, wirkt der Druck am P-Anschluss 4 mit der inneren Fläche des Dichtsitzes auf die Membran und der Druck am T-Anschluss 13 mit der äußeren ringförmigen Fläche. Die Kraftbilanz an der Membran und an dem auf ihr aufliegenden Stößel 3 bewirkt ein Öffnen oder Schließen des Ventils, überschreitet der Druck am P-Anschluss 4 eine durch die Summe der anderen Kräfte vorgegebene Grenze, so öffnet das Ventil und ermöglicht ein Abfließen des Fluids vom P-Anschluss 4 zum T-Anschluss 13. Dadurch fällt der Druck am P-Anschluss 4 ab, das Ventil wirkt für das Fluid am P-Anschluss 4 druckbegrenzend. Der Grenzdruck für diese Druckbegrenzungsfunktion wird durch die Kraft des Stößels 3 beeinflusst, ist der Elektromagnet eingeschaltet, liegt der Anker 8 am Magnetpol 10 an, die Feder 6 ist stärker gespannt, die Kraft des Stößels auf die Membran 7 ist größer und der sich einstellende Grenzdruck ist ebenfalls größer. Die Membran 7 erfüllt zwei zusätzliche Abdichtfunktionen, nämlich eine Abdichtung zwischen dem T-Anschluss 13 und der Umgebung sowie zwischen dem T-Anschluss 13 und dem Arbeitsraum des Stößels 20. Damit die Membran diese Abdichtfunktionen erfüllen kann, wird sie zwischen einer Distanzscheibe 19 und dem Gehäuse 21 verspannt.
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführung des Ankers 8 und der Feder 6. Die Feder ist in dem Raum zwischen dem Magnetpol 10 und dem Anker 8 angeordnet. Die Feder 6 ist im ausgeschalteten Zustand des Magneten für die Kraft an der Membran 7 nicht wirksam, weil die Feder einerseits durch eine relativ zum Stößel 3 bewegliche Scheibe 24 und eine an einer Verlängerung 23 des Stößels festen Scheibe 25 und andererseits durch einen Absatz 26 am Stößel 3 in einer durch die Lage der festen Scheibe 25 vorgegebenen Vorspannung gehalten ist. Die Feder 5 hält das Ventil offen.
Erst im eingeschalteten Zustand des Magneten wird die bewegliche Scheibe 24 von dem Anker 8 oder von der am Anker festen Scheibe 28 von der festen Scheibe 25 abgehoben, dadurch erhöht sich die resultierende Kraft der Feder 6 auf den Stößel 3 und dieser drückt mit der aus allen Federkräften resultierenden Kraft auf die Membran 7.
3 zeigt eine zweite Ausführung der aus dem Anker 8 und der Feder 6 bestehenden Baugruppe. Hier ist die Feder räumlich im Inneren des Ankers angeordnet und zwischen einem Bund 27 an dem Stößel 3 und der beweglichen Scheibe 24 gespannt, wobei die bewegliche Scheibe 24 im ausgeschalteten Zustand des Magneten von der am Stößel 3 festen Scheibe 25 gehalten wird. Im eingeschalteten Zustand des Magneten hebt die am Anker 8 feste Scheibe 28 die beweglichen Scheibe 24 von der stößelfesten Scheibe 25 ab. Wie in der ersten Ausführung erhöht sich dadurch die resultierende Kraft der Feder 6 auf den Stößel 3 und dieser drückt mit der aus allen Federkräften resultierenden Kraft auf die Membran 7.
Eine nicht bildlich dargestellte Abwandlung des schaltbaren Druckregelventils enthält einen Anker 8, der im stromlosen Zustand des Magneten von der Feder 22 an den vorderen, dem Stößel 3 zugewandten Anschlag zur Anlage gebracht wird. Dabei wird die Feder 6 gespannt. Wird der Magnet bestromt, bewegt sich der Anker zum hinteren Anschlag und entlastet die Feder 6. Im Vergleich zu der Ausführung mit einem drückenden Magneten ergibt sich eine Umkehr der Funktion des Magneten, alle anderen Funktionen des Ventils bleiben gleich. Im stromlosen Zustand des Magneten stellt sich der hohe Grenzdruck und im bestromten Zustand stellt sich der niedrige Grenzdruck am P-Anschluss 4 ein.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Vorrichtung zu Öffnen und Schließen
3: Stößel
4: P-Anschluss für das Fluid
5: Feder
6: Feder
7: Membran
8: Anker
9: Anschlag
10: Magnetpol
11: Spule
12: Dichtsitz
13: T-Anschluss für das Fluid
18: Ankerraum
19: Distanzscheibe (nicht gezeigt)
20: Arbeitsraum des Stößels
21: Gehäuse
22: Feder (nicht gezeigt)
23: Verlängerung des Stößels
24: Scheibe (beweglich)
25: Scheibe (fest)
26: Absatz
27: Bund
28: Scheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011016819 A1 [0001]

Claims

Schaltbares Druckbegrenzungsventil mit einem Gehäuse (21), einem Elektromagneten (1), einer Vorrichtung (2) zum Öffnen und Verschließen eines Durchlasses für einen Fluidstrom zwischen einem P-Anschluss (4) und einem T-Anschluss (13), einem Stößel (3), einer schließenden Feder (6) und optional einer öffnenden Feder (5), wobei das Öffnen des Ventils durch die Kraftbilanz am Stößel (3) bestimmt ist, und wobei auf den Stößel die Druckkraft des Fluids am P-Anschluß (4), die Druckkraft des Fluids am T-Anschluss (13), optional die Kraft der öffnenden Feder (5) und die Kraft der schließenden Feder (6) einwirken, und wobei die Kraft der schließenden Feder (6) durch die Lage des Ankers (8) des Elektromagneten (1) verändert wird, und wobei das Ventil öffnet, wenn die Druckkraft am P-Anschluß (4) die Bilanz der anderen Kräfte überwiegt, wobei die Vorrichtung (2) aus einer Membran (7) oder einem Dichtkörper und einem Dichtsitz (12) besteht, und wobei der Anker (8) des Elektromagneten (1) nicht direkt oder indirekt auf die Membran (7) aufschlägt, sondern im eingeschalteten Zustand des Magneten die Feder (6) weiter spannt, die ihrerseits mittels des Stößels (3) die Membran (7) gegen den Dichtsitz (12) drückt, und wobei die Membran (7) zwischen dem Gehäuse (21) einerseits und dem Magnetpol (10) oder einer daran abgestützen Distanzscheibe (19) andererseits abdichtend eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) im ausgeschalteten Zustand des Magneten einerseits durch eine relativ zum Stößel (3) bewegliche Scheibe (24) und eine an einer Verlängerung (23) des Stößels festen Scheibe (25) und andererseits durch einen Absatz (26) oder einen Bund (27) am Stößel (3) in einer durch die Lage der festen Scheibe (25) relativ zu dem Absatz (26) oder dem Bund (27) vorgegebenen Vorspannung gehalten ist.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) räumlich zwischen dem Anker (8) und dem Magnetpol (10) angeordnet ist und zwischen einem Absatz (26) an dem Stößel (3) und der beweglichen Scheibe (24) gespannt ist, wobei im ausgeschalteten Zustand des Magneten die Lage der beweglichen Scheibe von der am Stößel (3) festen Scheibe (25) bestimmt ist und wobei im eingeschalteten Zustand des Magneten die Lage der beweglichen Scheibe (24) von dem Bund (27) am Anker (8) bestimmt ist.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) räumlich im Anker (8) angeordnet ist und zwischen einem Bund (27) an dem Stößel (3) und der beweglichen Scheibe (24) gespannt ist, wobei die bewegliche Scheibe (24) im ausgeschalteten Zustand des Magneten von der am Stößel (3) festen Scheibe (25) gehalten wird und im eingeschalteten Zustand des Magneten die am Anker (8) feste Scheibe (28) die Lage der beweglichen Scheibe (24) bestimmt.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (5) und (6) gegensinnig auf den Stößel (3) wirken, wobei im ausgeschalteten Zustand des Elektromagneten die Kraft der Feder (5) überwiegt.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im eingeschalteten Zustand des Elektromagneten (1) die Feder (6) über den Stößel (3) die Membran (7) in die Richtung zum Dichtsitz (12) drückt, aber die Feder (6) aufgrund ihrer Auslegung dem Anker (8) des Magneten ermöglicht, bis zu einem mechanischen Anschlag (9) vorzufahren.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) im eingeschalteten Zustand des Magneten (1) von dem Dichtsitz (12) weg gegen eine Feder (22) drückt und die Feder (6) entlastet, wobei im ausgeschalteten Zustand des Magneten die Feder (22) den Anker (8) gegen den Anschlag (9) drückt und die Feder (6) belastet.