DE102017223026A1

DE102017223026A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102017223026A1
Application number: DE102017223026.6A
Authority: DE
Inventors: Rosario Bonanno
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019121306A1; EP3728918A1; US11384859B2; CN111417812A; US20200340597A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift und einem mit dem Stift verbundenen topfförmigen Kolben, einer im Bodenbereich des Kolbens angeordneten mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtung und einer im Bereich des offenen Endes des Kolbens angeordneten Dichtung, die den Kolben gegen das Gehäuse abdichtet. Die mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkende Dichtung 10 besitzt einen Außendurchmesser, der in etwa dem Außendurchmesser der Dichtung 13 am offenen Ende des Kolbens 8 entspricht.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift und einem mit dem Stift verbundenen topfförmigen Kolben, einer im Bodenbereich des Kolbens angeordneten mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtung und einer im Bereich des offenen Endes des Kolbens angeordneten Dichtung, die den Kolben gegen das Gehäuse abdichtet.
Solche Ventile werden unter anderem als Schubumluftventil am Turbolader in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um im Schubbetrieb einen Bypass zur Saugseite freizugeben 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 wird vom Gehäuse des Turboladers gebildet, an dem das Ventil angeflanscht wird. Darüber hinaus muss der axial verschiebliche Kolben gegen das Gehäuse abgedichtet sein. Hierzu ist es bekannt, den Kolben mit einer Dichtung zu versehen, wobei die Dichtung die gesamte Außenseite überdeckt, damit beide Dichtungsaufgaben von einer Dichtung wahrgenommen werden. Am offenen Ende des Kolbens weist die Dichtung eine relativ große Dichtlippe auf. Die Größe der Dichtlippe ist erforderlich, da der Kolben beim Öffnen und Schließen des Ventils gegenüber dem Ventil verschoben wird und sowohl um Ruhezustand als auch während der Kolbenbewegung die Abdichtung gewährleistet sein muss. Die Dichtung weist daher am offenen Ende einen größeren Durchmesser als im Bodenbereich des Kolbens auf, wodurch die projizierten Flächen ungleich sind. Das hat zur Folge, dass zusätzlich eine in Schließrichtung wirkende, resultierende Kraft auftritt, die den Kolben in der geschlossenen Position hält. Nachteilig daran ist, dass beim Öffnen des Ventils das Solenoid eine entsprechend große magnetische Kraft erzeugen muss, um zusätzlich die resultierende Kraft zu überwinden. Infolgedessen benötigt ein derartiges Ventil ein groß gestaltetes Solenoid, welches mit einem entsprechend Strom beaufschlagt werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ventil zu schaffen, welches eine geringere Stromaufnahme beim Öffnen und Schließen benötigt.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung einen Außendurchmesser besitzt, der in etwa dem Außendurchmesser der Dichtung am offenen Ende des Kolbens entspricht. Mit dieser erfindungsgemäßen Gestaltung wird erreicht, dass die projizierten Flächen beider Dichtungen annähernd gleich sind. Bei einer Druckbeaufschlagung des Kolbens ergibt sich somit eine resultierende Kraft, die nahezu Null oder geringfügig von Null verschieden ist. Eine von Null verschiedene Kraft ist dabei so gering, dass sie für die Auslegung des Solenoids, insbesondere der Spule und der Bestromung vernachlässigbar ist. Der Vorteil besteht darin, dass damit die Spule kleiner dimensioniert werden kann. Das erfindungsgemäße Ventil benötigt somit weniger Bauraum und weist ein deutlich verringertes Gewicht auf. Die damit einhergehende geringere Bestromung führt zu einer Entlastung des Bordnetzes und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.
Sofern die beiden Außendurchmesse der Dichtungen exakt gleich sind, ist die resultierende Kraft gleich Null. Das setzt jedoch hohe Anforderungen bei der Herstellung voraus, um fertigungsbedingte Toleranzen entsprechend klein zu halten. Ein solch hoher und damit kostenintensiver Fertigungsaufwand, lässt sich vermeiden, wenn sich gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die Abmaße beider Außendurchmesser geringfügig, vorzugsweise maximal 5% und insbesondere maximal 3% unterscheiden. Die dadurch entstehende resultierende Kraft ist in Bezug auf magnetische Kraft des Solenoids vernachlässigbar.
Hierbei hat es sich zudem als weiterer Vorteil herausgestellt, wenn die Dichtung im Bodenbereich einen geringeren Außendurchmesser als die Dichtung am offenen Ende besitzt. Da die Dichtlippe der Dichtung am offenen Ende des Kolbens im montierten Zustand am Gehäuse des Ventils anliegt, ist deren Außendurchmesser in Einbaulage bereits reduziert und nähert sich dadurch dem Außendurchmesser der Dichtung im Bodenbereich des Kolbens durch die Montage an.
Eine gute Medienbeständigkeit der Dichtung ist mit der Verwendung von Gummi, vorzugsweise einem Fluorkautschuk als Dichtungsmaterial gegeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine derartige Gummidichtung bis zu 180°C temperaturbeständig ist.
Eine zuverlässige Verbindung der Dichtungen mit dem Trägermaterial wird vorteilhafterweise erreicht, wenn der Gummi für die beiden Dichtungen aufvulkanisert ist.
Eine Dichtung am offenen Ende des Kolbens mit einer hohen Langzeitstabilität wird in einer weiteren Ausgestaltung dadurch erreicht, dass diese Dichtung einen Grundkörper besitzt, an den sich in Richtung des Kolbenbodens eine radial umlaufende Dichtlippe anschließt. Der Grundkörper bildet eine gute Basis für die Anbindung der Dichtlippe, was die Funktionsfähigkeit über die Lebenszeit des Ventils garantiert.
Für eine verbesserte und langzeitstabile Verbindung der Dichtung mit dem Kolben, besitzt dieser in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung am offenen Ende im Bereich des Grundkörpers der Dichtung eine radial umlaufende Sicke.
Die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung besitzt vorteilhafte Weise eine Dichtlippe. Da diese nur im geschlossenen Zustand mit einem anderen Bauteil in Kontakt ist, kann beim Bewegen des Kolbens durch die Druckverhältnisse die Dichtlippe verformt werden, was zu einer neuen resultierenden Kraft führt. Derartige Verhältnisse lassen sich gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vermeiden, wenn eine metallische Scheibe im Bodenbereich der Kolben mit diesem verbunden ist und dass die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung zumindest am äußeren Umfang der Scheibe angeordnet ist. Der Vorteil der metallischen Scheibe besteht darin, dass die Formstabilität der Dichtung deutlich erhöht wird.
Verformungen der Dichtung aufgrund sich ändernder Drücke lassen sich dabei zuverlässig vermeiden, wenn die Dichtung an jeder Stelle der Scheibe annähernd die gleiche Schichtdicke besitzt.
Zur zuverlässigen Abdichtung der Dichtung gegen den Ventilsitz hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der radial äußere Rand der Scheibe in Richtung des Ventilsitzes ausgerichtet ist.
Die metallische Scheibe lässt sich in einer weiteren Ausgestaltung besonders einfach und sicher mit dem Kolben verbinden, wenn sie mit diesem verschweißt oder verlötet ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird eine zuverlässige Verbindung von der metallischen Scheibe mit dem Kolben dadurch erreicht, dass sie mittels einer Rast- und Steckverbindung oder einer Pressverbindung mit dem Kolben verbunden ist. Die Pressverbindung kann in weiterer Ausgestaltung auch dadurch erreicht werden, dass Scheibe und Kolben mittels des Metallstifts gegeneinander verpresst sind.
Sowohl der Bodenbereich des Kolbens als auch die Scheibe besitzen Ausnehmungen, die einen Druckausgleich zwischen dem Inneren des Ventils und den Leitungen ermöglichen. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, die Scheibe gegen den Kolben abzudichten. Erreicht wird das in einfacher Weise dadurch, dass die Dichtung vom radial äußeren Rand der Scheibe soweit nach radial innen erstreckt, dass die Dichtung zwischen Scheibe und Kolben abdichtet. Durch diese Ausgestaltung werden zudem die Nachteile von Relativbewegungen zwischen Kolben und Scheibe zuverlässig vermieden.
Eine größere Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und damit eine längere Lebensdauer sind gegeben, wenn der Kolben aus Edelstahl, vorzugsweise einem Chrom-Nickel-Stahl, besteht Ein Metallkolben hat zudem den Vorteil einer höheren Temperaturbeständigkeit, so dass das erfindungsgemäße Ventil ein breiteres Einsatzgebiet, insbesondere bei höheren Temperaturen, abdecken kann.
Aufgrund der höheren Stabilität von Metall gegenüber Kunststoff, kann die Wandstärke des Kolbens deutlich geringer ausgebildet werden. In Abhängigkeit vom Einsatzgebiet hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Metall des Kolbens eine Dicke von 0,3mm bis 1mm, vorzugsweise von 0,4mm bis 0,8mm und insbesondere von 0,5mm besitzt.
Der Kolben lässt gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, besonders kostengünstig in einem Arbeitsschritt herstellen, wenn der Kolben und oder die Scheibe ein Tiefziehteil sind.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt in

1 eine Schnittdarstellung eines Ventils nach dem Stand der Technik und
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Kolbens des erfindungsgemäßen Ventils.

1 zeigt das Ventil, umfassend ein Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 besitzt weiter einen angeformten Flansch 3, über den 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. Der Metallstift 7 ist mit einem topfförmigen Kolben 8 verbunden, der am Umfang seines Bodens 9 eine Dichtung 10 besitzt. In der gezeigten Schließstellung liegt die Dichtung 10 auf dem Ventilsitz 11 an, um die Bypassleitung 4 zu verschließen, so dass kein Medium von aus der Leitung 4 in die Leitung 12 strömen kann. Eine Feder 7a drückt dabei den Kolben 8 in Richtung Ventilsitz 11. Am offenen Ende des Kolbens 8 ist eine weitere Dichtung 13 mit einer Dichtlippe 14 angeordnet. Sofern das Solenoid 5 bestromt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf den Anker 2, wodurch der Kolben 8 in Richtung Gehäuse 1 bewegt wird. Die Dichtlippe 14 dichtet dabei den Kolben 8 gegen das Gehäuse 1 ab.
Der erfindungsgemäße Kolben 8 in 2 besitzt ebenfalls eine Dichtung 13 am offenen Ende des Kolbens 8 und eine Dichtung 10 im Bodenbereich des Kolbens 8. Die Dichtung 13 umfasst einen Grundkörper 15 von dem sich die Dichtlippe 14 in Richtung Kolbenboden erstreckt. Zur verbesserten Verbindung zwischen Dichtung 13 und Kolben 8 besitzt dieser im Bereich des Grundkörpers 15 eine radial umlaufende Sicke 16.
Im Bodenbereich des Kolbens 8 ist dieser mit einem Stanzteil in Form einer metallischen Scheibe 17 verschweißt, wobei die Schweißverbindung im Zentrum des Bodens angeordnet ist. Der radial äußere Rand 18 der Scheibe 17 ist in Richtung des Ventilsitzes ausgerichtet. Auf den radial äußeren Rand 18 ist die Dichtung 10 aufvulkanisiert. Sie erstreckt sich vom radial äußeren Rand 18 soweit radial nach innen, dass sie die Scheibe 17 gegen den Kolben 8 abdichtet. Diese Abdichtung erfolgt in radialer Sichtweise im Bereich der zylindrischen Wandung des topfförmigen Kolbens 8. Die Dichtung 10 besitzt dabei an jeder Stelle der Scheibe 17 annähernd die gleiche Schichtdicke. Der Außendurchmesser der Dichtung 10 ist dabei nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Dichtung 13.

Claims

Ventil mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Solenoid, einem von dem Solenoid bewegbaren Stift und einem mit dem Stift verbundenen topfförmigen Kolben, einer im Bodenbereich des Kolbens angeordneten mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtung und einer im Bereich des offenen Endes des Kolbens angeordneten Dichtung, die den Kolben gegen das Gehäuse abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkende Dichtung (10) einen Außendurchmesser besitzt, der in etwa dem Außendurchmesser der Dichtung (13) am offenen Ende des Kolbens (8) entspricht.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Außendurchmesser der Dichtungen (10, 13) maximal 5% unterscheiden.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (10, 13) aus einem Gummi, vorzugsweise einem Fluorkautschuk bestehen.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gummi für die beiden Dichtungen (10, 13) aufvulkanisert ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (13) am offenen Ende des Kolbens (8) einen Grundkörper (15) besitzt, an den sich in Richtung des Kolbenbodens eine radial umlaufende Dichtlippe (14) anschließt.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) im Bereich des Grundkörpers (15) der Dichtung (13) eine radial umlaufende Sicke (16) besitzt.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Scheibe (17) im Bodenbereich der Kolben (8) mit diesem verbunden ist und dass die mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkende Dichtung (10) zumindest am äußeren Umfang der Scheibe (17) angeordnet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Rand (18) der Scheibe (17) in Richtung des Ventilsitzes (11) ausgerichtet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (17) mit dem Kolben (8) verschweißt oder verlötet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Scheibe (17) mittels einer Rast- und Steckverbindung oder einer Pressverbindung mit dem Kolben (8) verbunden ist.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtung (10) vom radial äußeren Rand (18) der Scheibe (17) soweit nach radial innen erstreckt, dass die Dichtung (10) zwischen Scheibe (17) und Kolben (8) abdichtet.