DE102017209136A1

DE102017209136A1 - Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102017209136A1
Application number: DE102017209136.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018219527A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, umfassend einen Düsenkörper (1) mit wenigstens einer Abströmbohrung (21), einen Aktor (6, 10, 11, 13), ein Stiftelement (5), welches mit dem Aktor (6, 10, 11, 13) verbunden ist, ein Schließelement (2), welches an einer der Abströmbohrung (21) zugewandten Seite ein elastisches Dichtelement (3) aufweist, wobei das elastische Dichtelement (3) die Abströmbohrung (21) in einem Schließzustand des Proportionalventils (100) an einem Dichtsitz (4) abdichtet und die Abströmbohrung (21) in einem Öffnungszustand des Proportionalventils (100) an dem Dichtsitz (4) freigibt, wobei der Dichtsitz (4) im Schließzustand durch einen Versorgungsdruck des gasförmigen Mediums in schließender Richtung beaufschlagt wird, wobei das Stiftelement (5) und das Schließelement (2) an einem Ende des Stiftelements (2) starr miteinander verbunden sind, wobei zum Bringen des Proportionalventils (100) aus dem Schließzustand in den Öffnungszustand der Aktor (6, 10, 11, 13) auf das Stiftelement (2) einwirkt und so das Schließelement (2) gegen den Versorgungsdruck vom Dichtsitz (4) hebt, wobei der Dichtsitz (4) an der Abströmbohrung (21) eine umlaufende Dichtkante (20) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff und insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden vorzugsweise Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
Beispielsweise ist aus DE 10 2014 217 441 A1 ein Proportionalventil bekannt. Vorteile des Proportionalventils sind die geringen Druckschwankungen in der Brennstoffzelle und der leise Betrieb. Hierbei wird als Dichtsitz ein Flachsitz mit Elastomerdichtung verwendet, der vom Versorgungsdruck in öffnender Richtung beaufschlagt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine weitere Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Demgemäß ist ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums vorgesehen, umfassend einen Düsenkörper mit wenigstens einer Abströmbohrung, einen Aktor, ein Stiftelement, welches mit dem Aktor verbunden ist, ein Schließelement, wobei das Schließelement an einer der Abströmbohrung zugewandten Seite ein elastisches Dichtelement aufweist, wobei das elastische Dichtelement die Abströmbohrung in einem Schließzustand des Proportionalventils an einem Dichtsitz abdichtet und die Abströmbohrung in einem Öffnungszustand des Proportionalventils an dem Dichtsitz freigibt, wobei der Dichtsitz im Schließzustand durch einen Versorgungsdruck des gasförmigen Mediums in schließender Richtung beaufschlagt wird, wobei das Stiftelement und das Schließelement an einem Ende des Stiftelements starr miteinander verbunden sind, und wobei zum Bringen des Proportionalventils aus dem Schließzustand in den Öffnungszustand der Aktor auf das Stiftelement einwirkt und so das Schließelement gegen den Versorgungsdruck vom Dichtsitz hebt. Der Dichtsitz weist an der Abströmbohrung eine umlaufende Dichtkante auf.
Des Weiteren wird eine Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, umfassend ein Proportionalventil zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass sich ein Versorgungsdruck in einer Brennstoffzellenanordnung im Falle einer Fehlfunktion erhöhen kann und sich ein in öffnender Richtung beaufschlagter Ventilsitz bei steigendem Versorgungsdruck öffnen kann und so Wasserstoff unkontrolliert in eine Brennstoffzelle einströmen kann, weshalb ein zusätzliches Absperrventil benötigt wird.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Proportionalventil so zu gestalten, dass es die Funktion eines Proportionalventils zur Zumessung von Gasen und die Funktion eines Absperrventils integriert.
Durch die Ausbildung der Dichtkante an der Abströmbohrung wird eine definierte Dichtheit im Bereich eines kleinen Durchmessers einer Sitzfläche an der Abströmbohrung erreicht, wodurch sich die Schließkräfte des Dichtsitzes reduzieren.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist eine um die Dichtkante umlaufende Entlastungsnut in dem Düsenkörper ausgebildet. Durch Vorsehen der Entlastungsnut an der Dichtkante wird ein Klebeeffekt beim Ventilöffnen vermieden, der eine Erhöhung der Schließkräfte zur Folge hätte.
Eine weitere Ausführungsform weist außerdem mindestens einen Zuführkanal auf, wobei der Zuführkanal druckseitig die Entlastungsnut mit einem Zulaufbereich verbindet, so dass in dem Schließzustand in der Entlastungsnut der Versorgungsdruck vorherrscht. Durch Vorsehen der Zuführkanäle wird in der Entlastungsnut eine definierte Druckverteilung erreicht und ein Druckabfall am Dichtsitz findet definiert an der Dichtkante statt. Dadurch wird die Öffnungskraft des Proportionalventils weiter reduziert. Ebenso werden Klebeeffekte beim Öffnen des Proportionalventils vermieden, die eine erhöhte Öffnungskraft am Aktor erfordern würden.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das elastische Dichtelement in dem Schließzustand auf einer Oberfläche des Düsenkörpers auf. Durch Aufliegen des elastischen Dichtelements auf der Oberfläche des Düsenkörpers im Schließzustand wird eine Überlastung des elastischen Dichtelements vermieden und somit der Verschleiß verringert bzw. eine Erhöhung der Lebensdauer des elastischen Dichtelements erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Aktor ein Magnetaktor. Durch das Verwenden eines Magnetaktors wird eine kompakte Bauform des Proportionalventils erreicht.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Proportionalventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Detailansicht des Proportionalventils gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung eines Proportionalventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch die Ausführungsform gemäß 3; und
5 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Proportionalventil gemäß einer der obigen Ausführungsformen.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 ein Proportionalventil 100 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einer Ausführungsform im Detail beschrieben. Das gezeigte Proportionalventil 100 dient zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher z. B. einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zugeführt wird.
Gemäß 1 umfasst das Proportionalventil 100 ein Ventilgehäuse 12 mit einem Magnetaktor, der aus einer Magnetspule 13 sowie einem Außenpol 11, einem Innenpol 10 und einem Magnetanker 6 bestehen kann. Der Magnetanker 6 ist mit einem Stiftelement 5 verbunden. Eine Schließfeder 15 ist über eine Federaufnahme 16 mit dem Stiftelement 5 verbunden. Eine Rückstellkraft der Schließfeder 15 kann beispielsweise über einen Einstellbolzen (hier nicht gezeichnet) einstellbar sein. Das Ventilgehäuse 12 und der Innenpol 10 führen das Stiftelement 5, wobei Führungsbuchsen vorgesehen sein können. Das Ventilgehäuse 12 und der Innenpol 10 sind über eine Distanzbuchse 14 aus nicht magnetischem Metall verbunden. Weiter umfasst das Proportionalventil 100 eine Zuströmbohrung 31 und einen Düsenkörper 1 mit einer Abströmbohrung 21. Zur Abdichtung des Proportionalventils 100 in einem Bauelement kann eine Dichteinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise O-Ringe. Eine Zuströmung des gasförmigen Mediums erfolgt entlang des Pfeils A, eine Abströmung des gasförmigen Mediums erfolgt in Richtung von Pfeil B. Alternativ können auch mehrere Zuströmbohrungen vorgesehen sein.
An einem der Schließfeder 15 entgegengesetzten Ende des Stiftelements 5 ist ein Schließelement 2 angeordnet. Das Schließelement 2 ist starr mit dem Stiftelement 5 verbunden und weist an einer der Abströmbohrung 21 zugewandten Seite ein elastisches Dichtelement 3 auf. Das elastische Dichtelement 3 ist beispielsweise als Elastomerbeschichtung ausgebildet. In 1 sind das Schließelement 2, das Stiftelement 5 und der Magnetanker 6 als drei unterschiedliche Elemente dargestellt, alternativ können sie als ein Teil ausgeführt sein.
In einem Schließzustand des Proportionalventils 100 wird das elastische Dichtelement 3 von der Schließfeder 15 auf eine dem elastischen Dichtelement 3 zugewandten Oberfläche la des Düsenkörpers 1 gedrückt und dichtet die Abströmbohrung 21 an einem Dichtsitz 4 ab. Der Dichtsitz 4 wird im Schließzustand durch einen Versorgungsdruck des gasförmigen Mediums in einem Zulaufdruckbereich 7 des Proportionalventils 100 in schließender Richtung beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, dass das Proportionalventil 100 auch bei einem steigenden Versorgungsdruck seine Absperrfunktion sicher erfüllt.
An der Abströmbohrung 21 ist eine umlaufende Dichtkante 20 ausgebildet. Die umlaufende Dichtkante 20 ist gegenüber der Oberfläche la des Düsenkörpers 1 erhöht, dadurch wird in einem Schließzustand eine definierte Dichtheit im Bereich eines kleinen Durchmessers einer Fläche des Dichtsitzes 4 an der Abströmbohrung 21 erreicht. Die Dichtkante 20 reduziert darüber hinaus die Schließkräfte des Dichtsitzes 4. In dem Schließzustand liegt das elastische Dichtelement 3 auf der Oberfläche la auf.
Zum Öffnen des Proportionalventils 100 wird der Magnetaktor bestromt und der Magnetanker 6 hebt mittels des Stiftelements 5 das Schließelement 2 von dem Düsenkörper 1 und gibt in einem Öffnungszustand die Abströmbohrung 21 frei. Je mehr Strom eingestellt wird, desto mehr öffnet der Ventilsitz und mehr Gas wird zugemessen. Wird die Bestromung beendet, schließt das Proportionalventil 100 aufgrund der Federkraft und der Druckkräfte wieder.
2 zeigt eine Detailansicht des Proportionalventils 100 aus 1, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind.
3 zeigt ein Proportionalventil 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet sind. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 weist das Proportionalventil 100 gemäß 3 zusätzlich zu der Dichtkante 20 noch eine Entlastungsnut 22 um die Dichtkante 20 sowie mindestens einen Zuführkanal 23 auf. Der Zuführkanal 23 verbindet die Entlastungsnut 22 mit dem Zulaufdruckbereich 7. Auch in dieser Ausführungsform findet der Druckabfall definiert an der Dichtkante 20 statt, was die Schließkräfte des Proportionalventils 100 weiter verringert. Der Zuführkanal 23 sorgt dafür, dass in einer Kontaktfläche des elastischen Dichtelements 3 eine definierte Druckverteilung erreicht wird. Dadurch wird ein Klebeeffekt des elastischen Dichtelements 3 an der Oberfläche la des Düsenkörpers 1 bei einem Bringen des Proportionalventils 100 von einem Schließzustand in einen Öffnungszustand verhindert.
4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X in 3. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Zuführkanäle 23 vorgesehen. Das Proportionalventil gemäß der vorliegenden Erfindung kann aber genauso gut einen Zuführkanal, zwei Zuführkanäle oder auch mehr als drei Zuführkanäle aufweisen.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung 150 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Die Brennstoffzellenanordnung 150 umfasst ein Proportionalventil 100 gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, ein Wasserstoffreservoir 101 und eine Brennstoffzelle 102, wobei das Proportionalventil zum Steuern der Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffreservoir 101 zu der Brennstoffzelle 102 ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Brennstoffzellenanordnung 150 elektrisch mit einem elektrischen Verbraucher 103 verbunden sein.
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 102014217441 A1 [0003]

Claims

Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, umfassend: - einen Düsenkörper (1) mit wenigstens einer Abströmbohrung (21), - einen Aktor (6, 10, 11, 13), - ein Stiftelement (5), welches mit dem Aktor (6, 10, 11, 13) verbunden ist, - ein Schließelement (2), welches an einer der Abströmbohrung (21) zugewandten Seite ein elastisches Dichtelement (3) aufweist, wobei das elastische Dichtelement (3) die Abströmbohrung (21) in einem Schließzustand des Proportionalventils (100) an einem Dichtsitz (4) abdichtet und die Abströmbohrung (21) in einem Öffnungszustand des Proportionalventils (100) an dem Dichtsitz (4) freigibt, - wobei der Dichtsitz (4) im Schließzustand durch einen Versorgungsdruck des gasförmigen Mediums in schließender Richtung beaufschlagt wird, - wobei das Stiftelement (5) und das Schließelement (2) an einem Ende des Stiftelements (5) starr miteinander verbunden sind, und - wobei zum Bringen des Proportionalventils (100) aus dem Schließzustand in den Öffnungszustand der Aktor (6, 10, 11, 13) auf das Stiftelement (5) einwirkt und so das Schließelement (2) gegen den Versorgungsdruck vom Dichtsitz (4) hebt dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (4) an der Abströmbohrung (21) eine umlaufende Dichtkante (20) aufweist.
Proportionalventil (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine um die Dichtkante (20) umlaufende Entlastungsnut (22) in dem Düsenkörper (1) ausgebildet ist.
Proportionalventil (100) gemäß Anspruch 2, wobei mindestens ein Zuführkanal (23) druckseitig die Entlastungsnut (22) mit einem Zulaufdruckbereich (7) verbindet, so dass in dem Schließzustand in der Entlastungsnut (22) der Versorgungsdruck vorherrscht.
Proportionalventil (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dichtelement (3) in dem Schließzustand auf einer Oberfläche (1a) des Düsenkörpers (1) aufliegt.
Proportionalventil (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor (6, 10, 11, 13) ein Magnetaktor ist.
Brennstoffzellenanordnung (150), umfassend ein Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle (102).