DE102017222628A1

DE102017222628A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102017222628A1
Application number: DE102017222628.5A
Authority: DE
Inventors: Rosario Bonanno
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019115572A1; US20200347955A1; CN111386419A; EP3724542A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift, einem mit dem Stift verbundenen Kolben und einer Feder, die den Kolben gegen die Kraft des Solenoids beaufschlagt. Das Ventil besitzt Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift, einem mit dem Stift verbundenen Kolben und einer Feder, die den Kolben gegen die Kraft des Solenoids beaufschlagt.
Solche Ventile werden unter anderem als Schubumluftventil am Turbolader in Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind somit bekannt. Um ein zu starkes Abbremsen des Turboladers zu verhindern aber auch ein schnelles Anfahren zu gewährleisten, ist ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils eine wesentliche Voraussetzung. Insbesondere beim Schließen kommt es auf das sofortige Verschließen durch das Anlegen des Kolbens an einen Ventilsitz an. Der Ventilsitz trennt dabei einen Bereich höheren Drucks von einem Bereich mit niedrigerem Druck. Beim Schließen des Ventils wird der Kolben mittels einer Feder gegen den höheren Druck bewegt. Dementsprechend stark muss die Feder ausgebildet sein. Beim Öffnen wird durch die Magnetkraft der Spule des Solenoids vom Ventilsitz weg bewegt. Um ein schnelles Öffnen zu gewährleisten, ist eine ausreichende Magnetkraft erforderlich, die durch eine entsprechende Dimensionierung der Spule erreicht wird. Nachteilig dabei ist, dass ein derartiges Ventil aufgrund der Spulengröße ein entsprechend groß dimensioniertes Solenoid aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil mit geringeren Abmaßen zu schaffen. Das Ventil soll dabei kostengünstig sein.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass das Ventil Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens besitzt.
Die Bewegung des Kolbens zwischen der Offen- und der Schließstellung erfolgt in eine Richtung durch die Magnetkraft des Solenoids und in die entgegengesetzte Richtung durch die Federkraft der Feder. In dem erfindungsgemäßen Ventil angeordnete Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens verwenden den am Ventil anliegenden Druck derart, dass die durch den Druck erzeugte Druckkraft eine Bewegungsrichtung des Kolbens unterstützt. Durch die Nutzung der Druckkraft ist in einer Bewegungsrichtung eine geringere Kraft durch das Ventil bereitzustellen. Die entsprechenden Bauteile des Ventils können somit kleiner dimensioniert werden. Das erfindungsgemäße Ventil benötigt daher weniger Bauraum und besitzt ein geringeres Gewicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Solenoid zum Öffnen des Ventils ausgebildet und die Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens unterstützen die Magnetkraft des Solenoids. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Spulengröße. Da die Spule eines der größten Bauteile des Ventils ist, kommen die Vorteile bei dieser Ausgestaltung besonders zum Tragen.
Der Druck zum Bewegen des Kolbens kann durch eine externe Druckquelle bereitgestellt und dem Ventil zugeführt werden.
Entsprechende Verbindungsleitungen können gemäß einer anderen Ausgestaltung entfallen, wenn der zum Bewegen des Kolbens der Druck einsetzbar ist, dem das Ventil ausgesetzt ist, vorzugsweise der Druck, der auf einer Seite des Ventilsitzes anliegt.
Im einfachsten Fall findet zum Bewegen des Kolbens der Druck Verwendung, der in dem Bereich höheren Drucks anliegt. Da dieser Druck systembedingt immer anliegt, sind zusätzliche druckerzeugende Maßnahmen nicht erforderlich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Mittel zum druckunterstützten Bewegen einen zweiten Kolben mit einem Ventilsitz, wobei der zweite Kolben an dem Stift und mit Abstand zum ersten Kolben, vorzugsweise an dem gegenüberliegenden Ende des Stifts, angeordnet ist. Die Anordnung eines zweiten Kolbens mit einem dazugehörigen Ventilsitz stellt eine kostengünstige und einfach herzustellende Ausgestaltung dar, die den Aufwand für das Ventil nur gering erhöhen.
Das Beaufschlagen des zweiten Kolbens mit dem höheren Druck gestaltet sich besonders einfach, wenn ein Druckpfad für den höheren Druck vom Bereich höheren Drucks durch den ersten Kolben und entlang des Stifts bis zum zweiten Kolben ausgebildet ist. Aufwendige Druckleitung lassen sich somit vermeiden. Ein solcher Druckpfad ist durch entsprechende Ausgleichsbohrungen oder größere Durchmesser im Bereich des Stifts ohne größeren zusätzlichen Aufwand herstellbar.
Liegt der höhere Druck permanent an dem zweiten Kolben an, ist ein schnelles Öffnen jederzeit gegeben. Da der Druck aber auch dann anliegt, wenn das Ventil schließen soll, ist eine entsprechende Feder mit ausreichender Federkraft vorzusehen, um das geforderte schnelle Schließen des Ventils zu gewährleisten und um den Kolben zuverlässig in der Schließstellung des Ventils zu halten.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn der höhere Druck nur dann das Bewegen des Kolbens unterstützt, wenn der Kolben tatsächlich bewegt werden soll. Dies wird mit geringem Aufwand bereits dadurch erreicht, dass der Ventilsitz des zweiten Kolbens einen ersten Teilventilsitz und einen zweiten Teilventilsitz umfasst, und dass der Kolben zwei mit den Teilventilsitzen zusammenwirkende Dichtflächen besitzt, beide Dichtflächen unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und beide Dichtfläche derart axial voneinander beabstandet sind, dass die Dichtfläche mit kleinerem Durchmesser näher zum ersten Kolben angeordnet ist. Diese Anordnung bewirkt, dass der höhere Druck zunächst nur auf den Bereich mit der Dichtfläche kleineren Durchmessers wirkt. Die kleinere Fläche wirkt eine kleinere Kraft, wodurch sich die Haltekraft des Ventils in der Schließstellung reduziert. Die Feder, welche diese Haltkraft aufbringt, kann daher kleiner dimensioniert werden. Beim Öffnen des Ventils wird durch die Magnetkraft des Solenoids der Stift bewegt. Mit Beginn dieser Bewegung wird die Dichtfläche kleineren Durchmessers von dem Ventilsitz wegbewegt, so dass der höhere Druck nunmehr auf die Dichtfläche größeren Durchmessers wirkt. Aufgrund der größeren Fläche wirkt eine größere Kraft, welche das Solenoid während der verbleibenden Öffnungsbewegung des Ventils unterstützt. Dies wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die beiden Teilventilsitze von einer topfartigen zylindrischen Bohrung gebildet sind, wobei der erste Teilventilsitz im Bodenbereich der Bohrung angeordnet ist und der zweite Teilventilsitz in der zylindrischen Mantelfläche der Bohrung ausgebildet ist. Der erste Teilventilsitz im Bodenbereich bewirkt, dass es bei einer axialen Bewegung des Stifts beim Öffnen sofort zum Abheben der Dichtfläche kleineren Durchmessers kommt und der Druck auf die Kolbenfläche mit der Dichtfläche größeren Durchmessers wirkt. Diese Dichtfläche ist vorteilhafterweise am Umfang des zweiten Kolbens angeordnet und wirkt mit der den zweiten Teilventilsitz bildenden zylindrischen Wandung der Bohrung zusammen.
Neben dem druckunterstützten Öffnen ist aber auch ein schnelles Schließen des Ventils notwendig. Dieses wird in einer weiteren Ausgestaltung dadurch erreicht, dass der höhere Druck vor dem Schließen des Ventils abgebaut wird. In besonders einfacher Weise erfolgt der Druckabbau dadurch, dass die zylindrische Bohrung in radiale Richtung verlaufende Erweiterung derart besitzt, dass die zweite Dichtfläche des zweiten Kolbens einen Abstand zur Mantelfläche im Bereich der Erweiterung besitzt. Bewegt sich der Stift in Offen-Stellung erfolgt über diesen sich öffnenden Spalt ein Druckabbau des höheren Drucks. In besonders einfacher Weise kann der Druckabbau ohne zusätzlichen Aufwand bereits dadurch erfolgen, dass das im System vorhandene Druckgefälle genutzt wird. Indem der höhere Druck ausschließlich für das Öffnen des Ventils genutzt wird, nicht dagegen zum Schließen und Halten in der geschlossenen Stellung, kann das Solenoid, insbesondere die Spule kleiner dimensioniert werden, ohne dass andere Bauteile, wie die Feder, stärker dimensioniert werden müssen.
Die Erweiterung ist einfach und kostengünstig herstellbar, wenn sie als Fase oder Radius ausgebildet. Der Druckabbau lässt sich dabei gezielt über die axiale Länge der Erweiterung einstellen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Erweiterung in einem Abstand zum Bodenbereich der topfartigen zylindrischen Bohrung angeordnet ist, der mindestens die Hälfte, vorzugsweise 75 Prozent, insbesondere 5 Prozent des Öffnungshubs des Ventils beträgt.
Es ist aber auch denkbar, die Erweiterung nicht radial umlaufend, sondern als Ausnehmung, die nach Art einer Nut in der zylindrischen Wandung angeordnet ist auszubilden. Je nach Ausbildung der Nut bei konstanter Breite kann die Nuttiefe über die Länge konstant oder in Richtung Offen-Stellung zunimmt. In gleicher Weise lässt sich der Druckabbau mittels einer Nut dadurch einstellen, dass die Breite veränderlich ist, vorzugsweise in Richtung der Offen-Stellung zunimmt während die Nuttiefe konstant bleibt.
Damit die Druckunterstützung gezielt einsetzt und auch nur die Bewegung des Kolbens während des Öffnens unterstützt, ist ein dichter Sitz der Dichtfläche am Teilventilsitz erforderlich. Eine solche dichte Verbindung wird in einfacher Weise dadurch erzielt, wenn die Dichtflächen am zweiten Kolben je ein Dichtring, vorzugsweise ein O-Ring, sind. Insbesondere Toleranzen lassen sich dadurch zuverlässig ausgleichen. Zur Nutzung des im System vorhandenen Druckgefälles, gegen das der höhere Druck arbeitet, muss ein niedrigerer Druck dem zweiten Kolben zugeführt werden. Ein entsprechender Druckpfad gestaltet sich besonders einfach, wenn sich dieser vom Bereich niedrigeren Drucks entlang zumindest eines Teils der Außenseite des Solenoids bis zu der Seite des zweiten Kolbens erstreckt, die dem ersten Kolben abgewandt ist. Ein solcher Druckpfad ergibt bereits dadurch, wenn die Außenseite des Solenoids einen Abstand zum Ventilgehäuse hat. Eine unnötige Gehäusevergrößerung, insbesondere des Durchmessers, lässt sich dadurch vermeiden, dass sich der Druckpfad in Umfangsrichtung nur über einen Teil des Durchmessers und in axialer Richtung über die gesamte Höhe des Solenoids erstreckt.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt in

1 eine Schnittdarstellung des Ventils im geschlossenen Zustand,
2 das Ventil nach 1 beim Öffnen,
3 das Ventil nach 1 im geöffneten Zustand.

1 zeigt das Ventil, umfassend ein Gehäuse 1 mit einteilig angeformter Buchse 2 zum elektrischen Verbinden des Ventils. Das Gehäuse 1 besitzt weiter einen angeformten Flansch 3 und drei Bohrungen 3a, über die das Gehäuse 1 an einem nicht dargestellten Turbolader im Bereich der Bypassleitung 4 angeflanscht ist. In dem Gehäuse 1 ist ein Solenoid 5 mit einer Spule 6 und einem Metallstift 7 angeordnet, wobei der Metallstift 7 in einem Anker 12 befestigt ist, der wiederum innerhalb der Spule 6 gelagert ist. Der Metallstift 7 ist an seinem dem Solenoid 5 abgewandten Ende mit einem topfförmigen Kolben 8 verbunden. Eine Feder 9 spannt den Kolben 8 im unbetätigten Zustand des Solenoids 5 gegen einen Ventilsitz 10 vor, um die Bypassleitung 4 zu verschließen, so dass kein Medium aus der Bypassleitung 4 in die Leitung 11 strömen kann. Die Feder 9 stützt sich dabei am Solenoid 5 und am Kolben 8 ab. Im geschlossenen Zustand des Ventils liegt in der Bypassleitung 4 ein Druck von 3 bar an, während in der Leitung 11 der Druck 1 bar beträgt.
An dem dem Kolben 8 abgewandten Ende des Stifts 7 besitzt dieser einen zweiten Kolben 13, der mit einem zweiten Ventilsitz 14 zusammenwirkt. Der zweite Ventilsitz 14 besteht aus einem ersten Teilventilsitz 15 und einem zweiten Teilventilsitz 16. Der zweite Kolben 13 besitzt zwei Dichtflächen 17, 18, von denen jede mit einem Teilventilsitz 15, 16 zusammenwirkt. Die Dichtflächen 17, 18 werden von je einem als O-Ring ausgebildeten Dichtring gebildet. Der zweite Ventilsitz 14 ist in einem Gehäuse 19 ausgebildet, welches von einer oberen Deckscheibe 20 des Solenoids 5 gebildet wird. Das Gehäuse 19 weist eine topfartige Bohrung 21 auf, in deren Bodenbereich 22 sich der erste Teilventilsitz 15 befindet, auf dem die erste Dichtfläche kleineren Durchmessers 17 aufliegt. Der zweite Teilventilsitz 16 ist die zylindrische Mantelfläche 23 der Bohrung 21, an. Die Dichtfläche 18 größeren Durchmessers, welche ebenfalls von einem O-Ring gebildet wird, liegt an der zylindrischen Mantelfläche 23 an. In der gezeigten Position ist die Bypassleitung 4 verschlossen. Über Öffnungen 24 im Stift 7 und Kolben 8 ist das Innere des Ventils mit der Bypassleitung 4 verbunden, so dass in diesem Bereich ebenfalls ein Druck von 3 bar anliegt. Über einen ersten Druckpfad 25 wird der Druck aus der Bypassleitung 4, welche einen Bereich höheren Drucks bildet, entlang des Metallstifts 7 bis an die Unterseite des zweiten Kolbens 13 geführt. Aufgrund der kleinen Fläche, auf die der Druck von 3 bar wirkt, ist die auf den zweiten Kolben 13 gering. Die Feder 9 hält das Ventil im geschlossenen Zustand. Unterstützt wird die Feder 9 durch eine zusätzliche in Schließrichtung wirkende Kraft. Diese Kraft ergibt sich aus dem in der Leitung 11 herrschenden Druck von 1 bar. Über eine Ausnehmung 27 im Gehäuse 1 wird ein zweiter Druckpfad 26 gebildet, der von der Leitung 11 über die Ausnehmung 27 bis zu der Bohrung 21 und damit zur Oberseite des zweiten Kolbens 13 führt. Die Ausnehmung 27 im Gehäuse 1 umgibt die Außenseite der Spule 6 über einen Teil des Umfangs und über die gesamte Höhe.
2 zeigt das Ventil während des Öffnens. Durch Bestromen des Solenoids 5 wird der Metallstift 7geringfügig angezogen. Die zweite Dichtfläche 17 wird dadurch vom ersten Teilventilsitz 15 abgehoben und der Druck von 3 bar baut sich in dem Raum zwischen den beiden die Dichtflächen 17, 18 bildenden O-Ringe auf. Aufgrund der größeren Fläche an der Unterseite des zweiten Kolbens 13 wirkt eine größere Kraft, welche das Öffnen des Ventils unterstützt. Während dieser Bewegung gleitet der zweite O-Ring 18 über den zweiten Teilventilsitz 16, dichtet aber weiter gegen die Teilventilsitz 16 ab.
In der 3 ist das Ventil in der Offenstellung gezeigt, bei der der Kolben 8 die Bypassleitung 4 freigibt. Bei dieser Bewegung bewegt sich der zweite Kolben weiter nach oben. Die zylindrische Bohrung 19 besitzt an ihrem offenen Ende eine als Erweiterung wirkende Fase 28. Gelangt im Zuge der weiteren Bewegung die zweite Dichtfläche größeren Durchmessers 18 in den Bereich der Fase 28, hebt der die zweite Dichtfläche 18 bildende O-Ring vom zweiten Teilventilsitz 16 ab, wodurch eine Verbindung des ersten Druckpfades 25 mit dem zweiten Druckpfad 26 entsteht. Über diese Verbindung baut sich der im ersten Druckpfad 25 anliegende Druck von 3 bar ab. Infolge des Druckausgleichs endet die Druckunterstützung beim Öffnen.
Zum Schließen des Ventils wird das Solenoid 5 stromlos geschaltet. Der Metallstift 7 mit den Kolben wird von der Kraft der Feder 9 in der gezeigten Darstellung nach unten gedrückt, biss der Kolben 8 auf dem Ventilsitz aufliegt und die Bypassleitung 4 verschließt.

Claims

Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift, einem mit dem Stift verbundenen Kolben und einer Feder, die den Kolben gegen die Kraft des Solenoids beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens (8) besitzt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solenoid (5) zum Öffnen des Ventils ausgebildet ist und die Mittel zum druckunterstützen Bewegen des Kolbens (8) die Magnetkraft des Solenoids (5) unterstützen.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewegen des Kolbens (8) der Druck einsetzbar ist, der auf einer Seite (4) des Ventilsitzes anliegt.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Bewegen des Kolbens (8) einsetzbare Druck der Druck ist, der in dem Bereich (4) höheren Drucks anliegt.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen zweiten Kolben (13) mit einem Ventilsitz (14) umfassen, wobei der zweite Kolben (13) an dem Stift (7) und mit Abstand zum ersten Kolben (8), vorzugsweise an dem gegenüberliegenden Ende des Stifts (7) angeordnet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckpfad (25) für den höheren Druck vom Bereich (4) höheren Drucks durch den ersten Kolben (8) und entlang des Stifts (7) bis zum zweiten Kolben (13) ausgebildet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) ein Druckpfad (26) für den niedrigeren Druck ausgebildet ist, der sich vom Bereich (11) niedrigeren Drucks entlang zumindest eines Teils der Außenseite des Solenoids (5) bis der Seite des zweiten Kolbens (13) erstreckt, die dem ersten Kolben (8) abgewandt ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (14) des zweiten Kolbens (13) einen ersten Teilventilsitz (15) und einen zweiten Teilventilsitz (16) umfasst, und dass der zweite Kolben (13) zwei mit den Teilventilsitzen (15, 16) zusammenwirkende Dichtflächen (17, 18) besitzt, beide Dichtflächen (17, 18) unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, beide Dichtflächen (17, 18) derart axial voneinander beabstandet sind, dass die Dichtfläche (17) mit kleinerem Durchmesser näher zum ersten Kolben (8) angeordnet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilventilsitze (15, 16) von einer topfartigen zylindrischen Bohrung (19) gebildet sind, wobei der erste Teilventilsitz (15) im Bodenbereich (22) der Bohrung (19) angeordnet ist und der zweite Teilventilsitz (16) in der zylindrischen Mantelfläche der Bohrung (19) ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Bohrung (19) eine in radialer Richtung verlaufende Erweiterung (28) derart besitzt, dass die zweite Dichtfläche (18) des zweiten Kolbens (13) einen Abstand zur Mantelfläche im Bereich der Erweiterung (28) besitzt.
Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (28) als Fase oder Radius ausgebildet ist.
Ventil nach zumindest einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (28) in einem Abstand zum Bodenbereich (22) der topfartigen zylindrischen Bohrung (19) angeordnet ist, der mindestens die Hälfte, vorzugsweise 75 Prozent, insbesondere 5 Prozent des Öffnungshubs des Ventils beträgt.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (17, 18) am zweiten Kolben (13) je ein Dichtring, vorzugsweise ein O-Ring, sind.