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Die Erfindung betrifft ein Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff.
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Im Bereich der Fahrzeugentwicklung sind gasförmige Kraftstoffe eine Alternative zu den herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen, insbesondere Wasserstoff. Werden zur Steuerung der Wasserstoffgasströme herkömmliche Schaltventilen mit zwei Schaltzuständen eingesetzt, haben diese den Nachteil, dass der Übergang zwischen den beiden Schaltzuständen zu schnell erfolgt und es zu einem steilen Druckanstieg am Ausgang des Ventils kommt. Dieser steile Druckanstieg kann zu einer Druckwellen-Ausbreitung im nachfolgenden Pneumatik-Kreis führen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Pneumatikventil, vorzugsweise für Wasserstoff anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Pneumatikventils, vorzugsweise für Wasserstoff anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Pneumatikventil mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfasst ein Gehäuse mit wenigstens einem Eingang und einem Ausgang, einen Hauptkolben, welcher mit einem Hauptdichtsitz im Gehäuse eine Haupt-Stufe bildet und zum Öffnen und Schließen einer direkten Volumenstromverbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang entlang einer Längsachse axial verschiebbar in einer Gehäusebohrung angeordnet ist, sowie einen Pilotkolben, welcher mit einem Pilotdichtsitz am bzw. im Hauptkolben eine Pilot-Stufe bildet, wobei der Pilotkolben mit einem Aktuator zum Öffnen oder Schließen einer Drosselbohrung im Hauptkolben in Wirkverbindung steht, wobei mittels der Drosselbohrung der Eingang mit dem Ausgang indirekt über den Hauptkolben verbindbar ist, wobei bei stromlosem Pneumatikventil die Haupt- und die Pilot-Stufe geschlossen sind.
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Die Pilot-Stufe ermöglicht vorteilhafterweise eine Volumenstromverbindung von Ein- und Ausgang über die Drosselbohrung und damit eine Verringerung der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang. So kann ein steiler Druckanstieg am Ausgang wirkungsvoll vermieden werden. Erst beim Öffnen der Haupt-Stufe wird eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Ein- und Ausgang hergestellt.
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Durch die Erfindung werden somit nicht mehrere Ventile für den Druckausgleich und den Haupt-Volumenstrom mit der entsprechenden Anzahl an Gehäusen, Aktuatoren etc. benötigt. Stattdessen vereint das erfindungsgemäße Pneumatikventil zwei Ventile in einem Gehäuse, dass diese über einen Aktuator kraft- und/oder druckgesteuert verstellt werden können. Bauteilanzahl, Bauraum und Kosten können gezielt reduziert werden.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, in einer Brennstoffzellenanordnung mittels eines Pneumatikventils gelöst, bei welchem bei stromlosem Aktuator die Haupt-Stufe und die Pilot-Stufe geschlossen sind, bei einer kontanten Bestromung des Aktuators die Pilot-Stufe geöffnet ist, so dass eine Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang geringer wird bzw. ein Druckausgleich über die Drosselbohrung im Hauptkolben erfolgt, die Haupt-Stufe öffnet, sobald bei Erreichen einer Schaltschwelle die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang unter einen vorbestimmten Schaltdruck fällt, wobei der Hauptkolben gegen die Schließkraft in eine Öffnungsstellung bewegt wird und die Haupt-Stufe geschlossen bleibt, solange die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang über dem vorbestimmten Schaltdruck liegt.
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Das Öffnen der Pilot-Stufe ermöglicht vorteilhafterweise eine Volumenstromverbindung von Ein- und Ausgang über die Drosselbohrung und damit eine Verringerung der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang. So kann ein steiler Druckanstieg am Ausgang wirkungsvoll vermieden werden. Erst beim Öffnen der Haupt-Stufe bei einer Druckdifferenz unter dem vorbestimmten Schaltdruck wird eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Ein- und Ausgang über die Haupt-Stufe hergestellt.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
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Die zu der Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen in:
- 1 einen Längsschnitt des Pneumatikventils gemäß der vorliegenden Erfindung in einer geschlossenen Stellung mit geschlossener Haupt- und Pilot-Stufe;
- 2 den Längsschnitt des Pneumatikventils gemäß 1 mit geöffneter Pilot-Stufe und
- 3 den Längsschnitt des Pneumatikventils gemäß 1 geöffneter Pilot- und Haupt-Stufe.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Pneumatikventil 1 im Längsschnitt in einer geschlossenen Stellung, welches zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen ist.
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Es umfasst ein Gehäuse 2 mit wenigstens einem Eingang P und einem Ausgang A, wobei der Eingang P sowie der Ausgang A als Gehäusebohrungen ausgebildet sind, an welche Leitungen einer Brennstoffstoffzellenanordnung anschließbar sind.
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In dem Gehäuse 2 ist ein Hauptkolben 3 zum Öffnen und Schließen einer direkten Volumenstromverbindung zwischen dem Eingang P und dem Ausgang A entlang einer Längsachse L des Pneumatikventils 1 axial verschiebbar in einer Gehäusebohrung 5 angeordnet und bildet mit einem Hauptdichtsitz 4 im Gehäuse 2 eine Haupt-Stufe.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, öffnet und schließt die Haupt-Stufe die direkte Volumenverbindung der Gehäusebohrungen von Eingang P und Ausgang A. Bei geschlossener Haupt-Stufe liegt der Hauptkolben 3 an dem Hauptdichtsitz 4 an. Dabei weist der Hauptkolben 3 an seiner Stirnfläche, welche an den Hauptsitz 4 anlegbar ist, ein umlaufendes Dichtelement 16 auf. Dieses kann in einer umlaufenden Nut an der Stirnseite des Hauptkolbens 3 angeordnet sein. Der Hauptdichtsitz 4 ist in der gezeigten Ausführung als umlaufender Vorsprung ausgebildet.
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Weiter weist das Pneumatikventil 1 eine Pilot-Stufe auf, welche einen Pilotkolben 6 und einen Pilotdichtsitz 7 umfasst. Der Pilotdichtsitz 7 ist am bzw. im Hauptkolben 3 angeordnet. Zur dichten Anlage weist der Pilotkolben 6 ein scheibenförmiges Dichtelement 17 auf, welches an den als umlaufenden Vorsprung ausgebildeten Pilotdichtsitz 7 dichtend anlegbar ist und somit die Pilot-Stufe verschließt. Der Pilotkolben 7 steht mit einem Aktuator 8 zum Öffnen oder Schließen einer Drosselbohrung 9 im Hauptkolben 3 in Wirkverbindung. Mittels der Drosselbohrung 9 ist der Eingang P mit dem Ausgang A indirekt über den Hauptkolben 3 verbindbar.
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Der Aktuator 9 ist als elektromagnetischer Aktuator vorgesehen, welcher
weist einen mit dem Pilotkolben 6 wirkverbundenen
Anker 10 auf, der koaxial zum Gehäuse 2 angeordnet ist. Weiter ist der Anker
10 mit Hilfe der den Anker 10 umfassenden Magnetspule 18 bewegbar in dem Aktuatorgehäuse 13 des Aktuators 8 aufgenommen, welches die Magnetspule
18 an einem Außenumfang und an wenigstens einer dem Gehäuse 2 abgewandten Stirnseite umschließt.
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Weiter weist der Aktuator 8 einen im Inneren des Aktuatorgehäuses 13 angeordneten Polhut 19 auf, welcher in Richtung Stirnseite der Magnetspule 18 axial aufeinander folgend einen Polkern 20 und ein Polrohr 21 umfasst. Polkern 20 und Polrohr 21 sind durch einen Verbindungssteg 22 einstückig verbunden. Koaxialfehler können damit ausgeschlossen werden. Der Anker 10 kann in einer im Innenraum 23 (auch Ankerraum genannt) angeordneten Folienstruktur gleitend gelagert sein. Alternativ kann der Anker 10 beschichtet sein. Eine Folienstruktur oder Beschichtung dient der magnetischen Trennung von Anker 10 und Polhut 19, wodurch die magnetischen Querkräfte reduziert werden.
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Das Polrohr 21 ist an der dem Gehäuse 2 abgewandten Stirnseite einstückig verschlossen, wobei ebenso ein separater Abschlussdeckel möglich ist.
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Das Aktuatorgehäuse 13 ist weiter abgedichtet am Gehäuse 2 befestigt.
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Wie ferner aus 1 ersichtlich ist, sind der Hauptkolben 3 und der Pilotkolben 6 jeweils mittels Federmitteln in eine Schließstellung drängbar, in welcher die Haupt-Stufe bzw. die Pilotstufe geschlossen sind und keine Volumenstromverbindung zwischen Eingang P und Ausgang A möglich ist. Dabei sind als Federmittel Druckfedern 11, 12 vorgesehen sind, wobei eine den Hauptkolben 3 beaufschlagbare erste Druckfeder 11 zwischen dem Hauptkolben 3 und dem Gehäuse 2 und eine den Pilotkolben 6 beaufschlagbare zweite Druckfeder 12 zwischen dem Anker 10 und dem Pilotkolben 6 oder zwischen dem Anker 10 und einem Aktuatorgehäuse 13 bzw. einem Polhut 14 angeordnet sind. Die zweite Druckfeder 12 bzw. deren Enden sind jeweils in Ausnehmungen 24 bzw. 25 des Polhuts 14 bzw. des Ankers 10 geführt, so dass ein Verknicken der Druckfeder 12 ausgeschlossen werden kann.
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Die erste Druckfeder 11 kann an einem im Gehäuse 2 befestigten Anschlag 26 anliegen.
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Das gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, der Brennstoffzellenanordnung wird mittels des Pneumatikventils 1 gesteuert. Dabei sind bei stromlosem Aktuator 8 die Haupt-Stufe und die Pilot-Stufe durch die Federkraft der Druckfedern 11, 12 und/oder die Druckkraft des am Eingang P anliegenden Mediumdruckes geschlossen. Der am Ausgang A anliegende Mediumdruck ist geringer und es herrscht eine Druckdifferenz zwischen P und A.
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Die Druckbeaufschlagung des Hauptkolbens 3 und des Pilotkolbens 6 kann mittels Durchbrüchen 27 bzw. 28 am Hauptkolben 3 bzw. an einem Anschlag 15 für den Pilotkolben 6 erfolgen. Der Anschlag 15 ist am Hauptkolben 3 befestigt und bildet eine Hub-Begrenzung für den Pilotkolben 6.
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Bei einer kontanten Bestromung des Aktuators 8 wird zunächst die Pilot-Stufe geöffnet, indem der Aktuator 8 den Pilotkolben 6 in seine Öffnungsstellung zieht und der Pilotkolben 6 von seinem Pilotdichtsitz 7 abgehoben wird. Diese Stellung des Pneumatikventils 1 ist in 2 dargestellt
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Die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A wird geringer, da ein Druckausgleich über die Durchbrüche 27 und 28 sowie der Drosselbohrung 9 im Hauptkolben 3 erfolgt.
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Sobald die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A durch den fortscheitenden Druckausgleich unter einen vorbestimmten Schaltdruck fällt, wird eine Schaltschwelle erreicht und die Haupt-Stufe öffnet durch Abheben des Hauptkolbens 3 vom Hauptdichtsitz 4, wie in 3 dargestellt ist. Dabei wird der Hauptkolben 3 gegen die Schließkraft insbesondere der Druckfeder 11 in eine Öffnungsstellung bewegt wird.
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Mit anderen Worten öffnet die Haupt-Stufe zwangsgesteuert, sobald die Summe der schließenden Kräfte aus Druck und Federvorspannung unter die Aktuator-Kraft fällt.
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Die Haupt-Stufe bleibt geschlossen, solange die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A über dem vorbestimmten Schaltdruck liegt.
