EP3844374A1 - Ventil - Google Patents

Ventil

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Publication number
EP3844374A1
EP3844374A1 EP19725707.4A EP19725707A EP3844374A1 EP 3844374 A1 EP3844374 A1 EP 3844374A1 EP 19725707 A EP19725707 A EP 19725707A EP 3844374 A1 EP3844374 A1 EP 3844374A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spring
valve
closure body
spring rate
armature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19725707.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Oskar Grueneis
Rosario Bonanno
Joachim Von Willich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP3844374A1 publication Critical patent/EP3844374A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F02B37/186—Arrangements of actuators or linkage for bypass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644—One-way valve
    • F16K31/0655—Lift valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2260/60—Fluid transfer
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2270/62—Electrical actuators
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a valve for blocking and releasing a flow path, which can be actuated by means of an electromagnetic actuator unit.
  • valves are used, for example, as Schubumluftventi le on the turbocharger in motor vehicles in order to release a bypass to the intake side in overrun operation.
  • Schubumluftventi le on the turbocharger in motor vehicles in order to release a bypass to the intake side in overrun operation.
  • rapid opening and closing operations of the valve are sought.
  • valves on the turbocharger are designed either as flap valves actuated by a drive motor with a gear or as slide or piston valves.
  • Membrane valves are also common. Flap valves have the advantage that they allow intermediate positions of the flap, which can be set with the help of a corresponding sensor system and allow partial openings of the bypass line. However, this requires considerable technical effort.
  • Slider or piston valves have the advantage that they have a particularly simple structure and are therefore inexpensive and also have good response behavior. However, they conventionally only allow a completely closed or a fully open position.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a valve for blocking and releasing a flow path, which is suitable for use as a recirculation valve on a turbocharger egg nes motor vehicle and which is also simply built up, works reliably and reliable control of the mass flow in a bypass line allowed.
  • This object is achieved with the subject of the independent claim.
  • Advantageous further developments result from the dependent claims.
  • a valve for blocking and releasing a flow path which has an electromagnetic actuator unit and an armature which can be moved axially in the direction of a longitudinal axis of the valve by means of the electromagnetic actuator unit and a closure body connected to the armature, the Closure body for blocking and releasing a flow path is trained. Furthermore, the valve has at least the armature and a connected to the armature first axial end of the closure body Ver housing and a Ven tilsitz forming housing part against which a second axial end of the closure body in a closed position of the Ven valve is pressed by means of a spring device .
  • the spring device has at least one spring compressible with a first spring rate starting from a completely closed position of the valve to a partially open intermediate position of the valve and a second spring rate starting from a partially open intermediate position of the valve to a fully open position of the valve compressible spring.
  • the first spring rate is different from the second spring rate.
  • the spring rate of a spring also called spring stiffness, spring hardness or spring constant, indicates the ratio of the force acting on a spring to the deflection of the spring caused thereby. It depends on various factors, in particular on the material and the type of spring used.
  • the valve has the advantage that, in a technically particularly simple manner, it is possible to assume intermediate positions of the closure body, in which the flow path is partially blocked, so that a completely open reduced mass flow through the bypass line.
  • the intermediate position is achieved in that the spring device can be compressed with two different spring rates, the second spring rate in particular being greater than the first spring rate, i.e. the spring, starting from a completely closed position of the valve, can first be compressed to a partially open intermediate position by means of a relatively small first force and the fully open position of the valve can only be achieved when a second force acts on the spring which is greater than the first force.
  • the electromagnetic actuator unit can then be controlled such that it first provides a relatively small first force Fl on the armature and thus on the spring compressed by the closure body.
  • the first force Fl is dimensioned such that it is sufficient to overcome the counterforce exerted by the spring with the first spring rate, but not the counterforce exerted by the spring with the second spring rate.
  • Dl and D2 mean the first and second spring rate and ALI and AL2 a deflection of the spring device under the influence of the magnetic force, in particular ALI meaning the deflection of the spring device until the desired intermediate position is reached .
  • the closure body Only when a sufficiently high second force F2 is applied, in particular by applying a higher voltage or a corresponding pulse width modulation of the voltage. the closure body can be moved from the intermediate position into the fully open position.
  • the higher second force is dimensioned such that it is sufficient to overcome the force exerted by the spring at the second spring rate.
  • the valve thus has the advantage that it enables the closure body to take intermediate positions in a particularly simple manner.
  • Technically manoeuvrable devices such as sensors can be dispensed with.
  • the intermediate positions are predefined by the selection of appropriate spring rates and the electromagnetic actuator unit is controlled accordingly.
  • the different spring rates result in a particularly clear predefinition of the intermediate positions and a particularly precise positioning of the closure body.
  • the spring device has at least one first spring compressible with the first spring rate and a second spring compressible with the second spring rate.
  • first spring there is a jump in the force required for the displacement of the closure body in that, in a first step, the first spring must first be compressed until the intermediate position is reached, in which the second spring is not yet compressed, but is straight begins to exert a counterforce on the closure body.
  • a higher force In order to open the valve further, a higher force must be applied by the electromagnetic actuator unit, since a higher counterforce of the spring device must now be overcome.
  • first spring and the second spring can be arranged coaxially and, in particular, can be formed as spiral springs arranged symmetrically about a longitudinal axis of the valve.
  • the two Springs between the intermediate position and the fully open position be connected in parallel and the restoring forces exerted by them on the closure body add up.
  • Such an arrangement has the advantage that it takes up little installation space.
  • the two springs or several springs can also be connected in series.
  • the second spring in particular can have a smaller diameter than the first spring, i.e. be arranged within the first spring.
  • an inverted arrangement is also conceivable, in which the first spring has a smaller diameter than the second spring.
  • the first spring is supported on a bottom of the closure body and the second spring is supported on an inside of the first spring and concentrically to the collar, the collar being axially displaceable.
  • a stop angeord net for example in the form of a circumferential or partially circumferential web, which is in contact with the collar during the compression of the second spring.
  • the first spring is compressed when the electromagnetic actuator unit provides a first magnetic force.
  • An intermediate position is reached when the closure body has moved axially so far that the stop comes into contact with the collar.
  • the second spring begins to exert a counterforce on the collar and the stop on the closure body, which can only be overcome by a correspondingly increased magnetic force.
  • the spring device can also have a single spring which is designed such that it can be compressed with different spring rates. For example, a spring with a progressive winding can be used.
  • the spring device thus has a single spring which can be compressed with a first spring rate up to an intermediate position and then with a second spring rate, in particular the first spring rate being smaller than the second spring rate.
  • the actuator unit can be actuated in order to exert either a first force Fl or a second force F2 on the armature, where Fl is not equal to F2.
  • a motor vehicle with a turbocharger device comprising an intake side with a compressor and a turbine side with a turbine, a bypass line to the compressor being provided on the intake side, the valve to be released or being described in the bypass line Blocking the bypass line is arranged.
  • Figure 1 shows schematically a valve in a closed
  • Figure 2 shows schematically the valve of Figure 1 in a partially open intermediate position
  • Figure 3 shows schematically the valve of Figure 1 in a fully open position.
  • FIG. 1 schematically shows a valve 1 designed as a diverter air valve for a turbocharger (not shown) of a vehicle in a closed position according to an embodiment of the invention.
  • the valve 1 is shown in Figure 1 as in all figures in longitudinal section, i.e. cut parallel to a longitudinal axis of the valve.
  • the valve 1 comprises a housing 2 with an integrally formed flange, which has bores through which the housing 2 is flanged to the turbocharger (not shown) in the region of a bypass line 4. In the installation position shown, a second housing part 13 of the valve 1 connects to the housing 2.
  • housing part 13 and the further Ge housing part 18 can also be formed in one piece with the housing 2.
  • An electromagnetic actuator unit 5 with a coil 6 and a metallic pin 7 connected to an armature 8 is arranged in the housing 2.
  • the pin 7 is by means of egg nes upper bearing 24 and a lower bearing 26 in the Ge housing 2 axially displaceably and firmly connected to a topfförmi gene closure body 10.
  • the cup-shaped closure body 10 serving as a piston interacts with a valve seat 12 in order to block or release the bypass line 4.
  • the closure body 10 has an annular sealing surface 14 which cooperates with a valve seat 16 in order to seal the cross section of the bypass line 4.
  • a spring device 17 presses the closure body 10 in the direction of the valve seat 16. Against the force generated by the spring device 17 acts when not actuated Valve 1 only the force acting on the bottom 12 of the closure body 10 due to the pressure in the line 4.
  • the closure body 10 is sealed against the housing part 42 by means of an annular seal 38 with a V-shaped profile.
  • the spring device 17 has a first spring 32 and a second spring 34.
  • the first spring 32 and the second spring 34 are coaxial with the first spring 32 and the second spring 34.
  • the longitudinal axis L of the valve 1 is arranged and designed as spiral springs, the second spring 34 being less
  • the first spring 32 Has a diameter than the first spring 32 and is arranged within the first spring 32.
  • the first spring 32 and the second spring 34 have spring rates D1 and D2, respectively.
  • the second spring 34 is shorter than the first spring 32.
  • the first spring 32 is supported at one end on the bottom 12 of the closure body 10 and at the other end on an annular disk 40 which is coaxial with the longitudinal axis L in the housing 2 is arranged.
  • the second spring 34 is also supported at one end on the washer 40, but with its other end on a collar 30 which is held by a guide sleeve 28.
  • the guide sleeve 28 is arranged concentrically to the pin 7 and the armature 8 in the housing 2 axially displaceable.
  • the guide sleeve 28 is also relative to the pin 7 and the ker 8 axially displaceable. It has the task of holding the lower bearing 26 and also wearing the collar 30.
  • a stop 36 in the form of a partially interrupted, radially circumferential web is arranged coaxially to the longitudinal axis L.
  • the distance of the stop 36 from the longitudinal axis L corresponds essentially to the distance of the collar 30 from the longitudinal axis L, so that the stop 36 by moving the closure body 10 can be brought into contact with the collar 30 in the axial direction.
  • the two springs 32, 34 together form the spring device 17.
  • the spring device 17 has approximately two different spring rates in the embodiment shown. In a compression of the spring device 17 coming from the closed position of the valve 1 shown in Figure 1, the Federra te Dl of the first spring 32 is effective because initially only this spring 32 is compressed. If the valve 1 is opened further, however, the second spring 34 is simultaneously compressed from a defined intermediate position, so that the spring constant D1 + D2 becomes effective overall. This process is described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
  • Figure 2 shows the valve 1 according to Figure 1 in a partially opened position in which the bypass line 4 is partially released, i.e. a reduced mass flow through this is possible.
  • a voltage was applied to the magnetic coil 6, which resulted in a magnetic force that was sufficient to compress the first spring 32.
  • the valve 1 then opened until the stop 36 came to rest on the underside of the collar 30. This position is shown in Figure 2.
  • bypass line 4 is only to be partially released, a voltage is therefore applied to the coil 6 which is sufficient to overcome the counterforce of the first spring 32 and to achieve the intermediate position shown in FIG. 2, which is too low to overcome the additional counterforce of the second spring 34 and the position shown in FIG. 3, fully open to reach.
  • the valve 1 thus enables not only a fully closed and a fully open position, but also an intermediate position. If the spring device 17 is designed such that it has more than two different spring constants, further intermediate positions are also conceivable, between which the spring constant typically increases gradually.
  • the electromagnetic actuator unit 5 is controlled accordingly in order to overcome the respective counterforce of the spring device 17. In this way it is possible, by means of an electromagnetic valve and dispensing with position sensors, to provide a diverter valve which has one or more defined and selectively controllable intermediate positions of the closure body 10.

Abstract

Ventil (1) zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs, aufweisend - eine elektromagnetische Aktuatoreinheit (5); - einen mittels der elektromagnetischen Aktuatoreinheit (5) axial bewegbaren Anker (8) und einen mit dem Anker (8) verbundenen Verschlusskörper (10), wobei der Verschlusskörper (10) zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs ausgebildet ist; - ein zumindest den Anker (8) und ein mit dem Anker (8) verbundenes erstes axiales Ende (20) des Verschlusskörpers (10) aufnehmendes Gehäuse (2), - ein einen Ventilsitz (16) bildendes Gehäuseteil (18), gegen das ein zweites axiales Ende (22) des Verschlusskörpers (10) in einer Schließstellung des Ventils (1) mittels einer Federeinrichtung (17) gepresst ist, wobei die Federeinrichtung (17) zumindest eine mit einer ersten Federrate ausgehend von einer vollständig geschlossenen Stellung des Ventils (1) bis zu einer teilweise offenen Zwischenstellung des Ventils (1) komprimierbare Feder (32, 34) und eine mit einer zweiten Federrate ausgehend von einer teilweise geöffneten Zwischenstellung des Ventils (1) bis zu einer vollständig geöffneten Stellung des Ventils (1) komprimierbare Feder (32, 34) aufweist, wobei die erste Federrate von der zweiten Federrate verschieden ist.

Description

Beschreibung
Ventil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs, das mittels einer elektromag netischen Aktuatoreinheit betätigbar ist.
Derartige Ventile werden beispielsweise als Schubumluftventi le am Turbolader in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um im Schub betrieb einen Bypass zur Ansaugseite freizugeben. Um ein zu starkes Abbremsen der Turbine des Turboladers bei niedrigen Drehzahlen zu verhindern, aber auch um ein schnelles Anfahren zu gewährleisten, werden schnelle Öffnungs- und Schließvor gänge des Ventils angestrebt.
Typischerweise sind Ventile am Turbolader entweder als durch einen Antriebsmotor mit Getriebe betätigte Klappenventile ausgebildet oder als Schieber- bzw. Kolbenventile. Auch Memb ranventile sind verbreitet. Dabei haben Klappenventile den Vorteil, dass sie Zwischenstellungen der Klappe erlauben, die mithilfe einer entsprechenden Sensorik eingestellt werden können und Teilöffnungen der Bypassleitung ermöglichen. Dies erfordert jedoch einen erheblichen technischen Aufwand.
Schieber- oder Kolbenventile haben dagegen den Vorteil, dass sie besonders einfach aufgebaut und somit kostengünstig sind und zudem ein gutes Ansprechverhalten aufweisen. Sie erlauben aber herkömmlicherweise nur eine vollständig geschlossene o- der eine vollständig geöffnete Stellung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs anzugeben, das sich für den Einsatz als Umluftventil an einem Turbolader ei nes Kraftfahrzeugs eignet und das gleichzeitig einfach aufge baut ist, zuverlässig arbeitet und eine zuverlässige Steue rung des Massenstroms in einer Bypassleitung erlaubt. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen An spruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Ventil zum Blockie ren und Freigeben eines Fließwegs angegeben, das eine elekt romagnetische Aktuatoreinheit und einen mittels der elektro magnetischen Aktuatoreinheit axial in Richtung einer Längs achse des Ventils bewegbaren Anker und einen mit dem Anker verbundenen Verschlusskörper aufweist, wobei der Verschluss körper zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs ausgebil det ist. Ferner weist das Ventil ein zumindest den Anker und ein mit dem Anker verbundenes erstes axiales Ende des Ver schlusskörpers aufnehmendes Gehäuse auf sowie ein einen Ven tilsitz bildendes Gehäuseteil, gegen das ein zweites axiales Ende des Verschlusskörpers in einer Schließstellung des Ven tils mittels einer Federeinrichtung gepresst ist.
Die Federeinrichtung weist zumindest eine mit einer ersten Federrate ausgehend von einer vollständig geschlossenen Stel lung des Ventils bis zu einer teilweise offenen Zwischenstel lung des Ventils komprimierbare Feder und eine mit einer zweiten Federrate ausgehend von einer teilweise geöffneten Zwischenstellung des Ventils bis zu einer vollständig geöff neten Stellung des Ventils komprimierbare Feder auf. Die ers te Federrate ist dabei von der zweiten Federrate verschieden.
Die Federrate einer Feder, auch Federsteifigkeit, Federhärte oder Federkonstante, genannt, gibt das Verhältnis der auf ei ne Feder wirkenden Kraft zur dadurch bewirkten Auslenkung der Feder an. Sie ist von verschiedenen Faktoren abhängig, insbe sondere vom Material und von der Art der verwendeten Feder.
Das Ventil hat den Vorteil, dass es auf technisch besonders einfache Weise das Einnehmen von Zwischenstellungen des Ver schlusskörpers ermöglicht, bei denen der Fließweg teilweise blockiert ist, sodass ein gegenüber der vollständig geöffne- ten Stellung reduzierter Massenstrom durch die Bypassleitung fließt .
Die Zwischenstellung wird dabei dadurch erreicht, dass die Federeinrichtung mit zwei unterschiedlichen Federraten kom primierbar ist, wobei insbesondere die zweite Federrate grö ßer ist als die erste Federrate, d.h. die Feder ausgehend von einer vollständig geschlossenen Stellung des Ventils zunächst mittels einer verhältnismäßig geringen ersten Kraft bis zu der teilweise offenen Zwischenstellung komprimierbar ist und die vollständig geöffnete Stellung des Ventils erst erreicht werden kann, wenn eine zweite Kraft auf die Feder wirkt, die größer ist als die erste Kraft.
Vorteilhafterweise kann die elektromagnetische Aktuatorein heit dann derart angesteuert werden, dass sie zunächst eine verhältnismäßig geringe erste Kraft Fl auf den Anker und so mit auf die durch den Verschlusskörper komprimierte Feder be reitstellt. Die erste Kraft Fl ist dabei derart bemessen, dass sie ausreicht, um die durch die Feder mit der ersten Fe derrate ausgeübte Gegenkraft zu überwinden, nicht jedoch die durch die Feder mit der zweiten Federrate ausgeübte Gegen kraft. Somit gilt für die erste Kraft Fl:
Dl · ALI < Fl < D2 · AL2 , wobei Dl und D2 die erste bzw. zweite Federrate bedeuten und ALI und AL2 eine Auslenkung der Federeinrichtung unter dem Einfluss der Magnetkraft, wobei insbesondere ALI die Auslen kung der Federeinrichtung bis zum Erreichen der angestrebten Zwischenstellung bedeutet.
Durch eine derartige Ansteuerung bewegt sich der Verschluss körper lediglich bis in die teilgeöffnete Zwischenstellung.
Erst wenn eine ausreichend hohe zweite Kraft F2 aufgebracht wird, insbesondere durch das Anlegen einer höheren Spannung oder eine entsprechende Pulsweitenmodulation der Spannung, kann der Verschlusskörper aus der Zwischenstellung in die vollständig geöffnete Stellung bewegt werden. Dabei wird die se höhere, zweite Kraft derart bemessen, dass sie ausreicht, um die durch die Feder mit der zweiten Federrate ausgeübte Kraft zu überwinden.
Das Ventil hat somit den Vorteil, dass es auf besonders ein fache Weise die Einnahme von Zwischenstellungen durch den Verschlusskörper ermöglicht. Dabei kann auf technisch auf wendige Einrichtungen wie beispielsweise Sensoren verzichtet werden. Die Zwischenstellungen werden durch die Auswahl ent sprechender Federraten vordefiniert und die elektromagneti sche Aktuatoreinheit entsprechend angesteuert. Die unter schiedlichen Federraten bewirken dabei eine besonders klare Vordefinition der Zwischenstellungen und eine besonders ge naue Positionierung des Verschlusskörpers.
Gemäß einer Ausführungsform werden für die Federeinrichtung mehrere Federn mit unterschiedlichen Federraten eingesetzt. Dazu weist die Federeinrichtung zumindest eine erste mit der ersten Federrate komprimierbare Feder und eine zweite mit der zweiten Federrate komprimierbare Feder auf. In diesem Fall ergibt sich ein Sprung in der für die Verschiebung des Ver schlusskörpers benötigten Kraft dadurch, dass in einem ersten Schritt zunächst die erste Feder komprimiert werden muss, bis die Zwischenstellung erreicht wird, in der die zweite Feder noch nicht komprimiert ist, aber gerade beginnt, eine Gegen kraft auf den Verschlusskörper auszuüben. Um das Ventil an schließend weiter zu öffnen, muss durch die elektromagneti sche Aktuatoreinheit eine höhere Kraft aufgebracht werden, da nun eine höhere Gegenkraft der Federeinrichtung zu überwinden ist .
Insbesondere können die erste Feder und die zweite Feder koa xial angeordnet sein und insbesondere als symmetrisch um eine Längsachse des Ventils herum angeordnete Spiralfedern ausge bildet sein. Bei einer derartigen Anordnung können die beiden Federn zwischen der Zwischenstellung und der vollständig ge öffneten Stellung parallel geschaltet sein und die durch sie auf den Verschlusskörper ausgeübten Rückstellkräfte addieren sich. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass sie wenig Bauraum beansprucht.
Alternativ können die beiden Federn oder mehrere Federn auch in Reihe geschaltet sein.
Bei einer Parallelschaltung der Federn kann insbesondere die zweite Feder einen kleineren Durchmesser aufweisen als die erste Feder, d.h. innerhalb der ersten Feder angeordnet sein. Es ist jedoch auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, bei der die erste Feder einen geringeren Durchmesser aufweist als die zweite Feder. Welche Ausführungsform vorteilhafter ist, hängt beispielsweise von der Konstruktion des Verschlusskörpers ab.
Gemäß einer Ausführungsform stützt sich die erste Feder an einem Boden des Verschlusskörpers und die zweite Feder an ei nem innerhalb der ersten Feder und konzentrisch zu dieser an geordneten Kragen ab, wobei der Kragen axial verschiebbar ist. Am Boden des Verschlusskörpers ist ein Anschlag angeord net, beispielsweise in Form eines umlaufenden oder teilweise umlaufenden Stegs, der während der Komprimierung der zweiten Feder mit dem Kragen in Kontakt ist.
Bei dieser Ausführungsform, die besonders einfach und kompakt ist, wird die erste Feder komprimiert, wenn die elektromagne tische Aktuatoreinheit eine erste Magnetkraft bereitstellt . Eine Zwischenstellung wird erreicht, wenn sich der Ver schlusskörper axial so weit verschoben hat, dass der Anschlag mit dem Kragen in Kontakt kommt. Bei dieser Zwischenstellung beginnt die zweite Feder, eine Gegenkraft über den Kragen und den Anschlag auf den Verschlusskörper auszuüben, die nur durch eine entsprechend erhöhte Magnetkraft überwunden werden kann . Die Federeinrichtung kann jedoch auch eine einzige Feder auf weisen, die derart beschaffen ist, dass sie mit unterschied lichen Federraten komprimierbar ist. Beispielsweise kann eine Feder mit einer progressiven Wicklung verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Federeinrichtung somit eine einzige Feder auf, die mit einer ersten Federrate bis zu einer Zwischenstellung und anschließend mit einer zweiten Fe derrate komprimierbar ist, wobei insbesondere die erste Fe derrate kleiner als die zweite Federrate ist.
Dabei ist auch ein kontinuierlicher Anstieg der Federraten denkbar und/oder mehr als zwei unterschiedliche Federraten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Aktuatoreinheit ansteuer bar, um entweder eine erste Kraft Fl oder eine zweite Kraft F2 auf den Anker auszuüben, wobei Fl ungleich F2 ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einer Turboladereinrichtung angegeben, umfassend eine Ansaug seite mit einem Verdichter und eine Turbinenseite mit einer Turbine, wobei auf der Ansaugseite eine Bypassleitung zu dem Verdichter vorgesehen ist, wobei in der Bypassleitung das be schriebene Ventil zum Freigeben oder Blockieren der Bypass leitung angeordnet ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beige fügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch ein Ventil in einer geschlossenen
Stellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt;
Figur 2 zeigt schematisch das Ventil gemäß Figur 1 in einer teilweise offenen Zwischenstellung und Figur 3 zeigt schematisch das Ventil gemäß Figur 1 in einer vollständig offenen Stellung.
Figur 1 zeigt schematisch ein als Schubumluftventil ausgebil detes Ventil 1 für einen nicht gezeigten Turbolader eines Fahrzeugs in einer geschlossenen Stellung gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung. Das Ventil 1 ist in Figur 1 wie in allen Figuren im Längsschnitt dargestellt, d.h. parallel zu einer Längsachse des Ventils geschnitten.
Das Ventil 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem angeformten Flansch, welcher Bohrungen aufweist, über die das Gehäuse 2 an den nicht gezeigten Turbolader im Bereich einer Bypasslei tung 4 angeflanscht ist. In der gezeigten Einbaulage schließt sich an das Gehäuse 2 ein zweites Gehäuseteil 13 des Ventils 1 an .
Alternativ können das Gehäuseteil 13 und auch das weitere Ge häuseteil 18 auch einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein .
In dem Gehäuse 2 ist eine elektromagnetische Aktuatoreinheit 5 mit einer Spule 6 und einem mit einem Anker 8 verbundenen metallischen Stift 7 angeordnet. Der Stift 7 ist mittels ei nes oberen Lagers 24 und eines unteren Lagers 26 in dem Ge häuse 2 axial verschiebbar gelagert und mit einem topfförmi gen Verschlusskörper 10 fest verbunden.
Der als Kolben dienende topfförmige Verschlusskörper 10 wirkt mit einem Ventilsitz 12 zusammen, um die Bypassleitung 4 zu blockieren oder freizugeben. Dazu weist der Verschlusskörper 10 eine ringförmige Dichtfläche 14 auf, die mit einem Ventil sitz 16 zusammenwirkt, um den Querschnitt der Bypassleitung 4 abzudichten. Eine Federeinrichtung 17 drückt den Verschluss körper 10 in Richtung des Ventilsitzes 16. Gegen die von der Federeinrichtung 17 erzeugte Kraft wirkt bei nicht betätigtem Ventil 1 nur die aufgrund des Drucks in der Leitung 4 auf den Boden 12 des Verschlusskörpers 10 wirkende Kraft.
Der Verschlusskörper 10 ist gegen das Gehäuseteil 42 mittels einer ringförmigen Dichtung 38 mit einem V-förmigen Profil abgedichtet .
In der gezeigten Ausführungsform weist die Federeinrichtung 17 eine erste Feder 32 und eine zweite Feder 34 auf. Die ers te Feder 32 und die zweite Feder 34 sind koaxial zu der
Längsachse L des Ventils 1 angeordnet und als Spiralfedern ausgebildet, wobei die zweite Feder 34 einen geringeren
Durchmesser aufweist als die erste Feder 32 und innerhalb der ersten Feder 32 angeordnet ist. Die erste Feder 32 und die zweite Feder 34 weisen Federraten Dl bzw. D2 auf.
Die zweite Feder 34 ist kürzer ausgebildet als die erste Fe der 32. Die erste Feder 32 stützt sich mit einem Ende an dem Boden 12 des Verschlusskörpers 10 ab und mit dem anderen Ende an einer Ringscheibe 40, die koaxial zur Längsachse L in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Die zweite Feder 34 stützt sich mit ihrem einen Ende ebenfalls an der Ringscheibe 40 ab, mit ih rem anderen Ende jedoch an einem Kragen 30, der von einer Führungshülse 28 gehalten ist.
Die Führungshülse 28 ist konzentrisch zu dem Stift 7 und dem Anker 8 in dem Gehäuse 2 axial verschiebbar angeordnet. Die Führungshülse 28 ist auch relativ zu dem Stift 7 und dem An ker 8 axial verschiebbar. Sie hat die Aufgabe, das untere La ger 26 zu halten und außerdem den Kragen 30 zu tragen.
Auf dem Boden 12 des Verschlusskörpers 10 ist ein Anschlag 36 in Form eines teilweise unterbrochenen, radial umlaufenden Stegs koaxial zu der Längsachse L angeordnet. Dabei ent spricht der Abstand des Anschlags 36 zur Längsachse L im We sentlichen dem Abstand des Kragens 30 zur Längsachse L, so- dass der Anschlag 36 durch Verschieben des Verschlusskörpers 10 in axialer Richtung mit dem Kragen 30 in Kontakt gebracht werden kann.
Die beiden Federn 32, 34 bilden zusammen die Federeinrichtung 17. Die Federeinrichtung 17 weist in der gezeigten Ausfüh rungsform zwei verschiedene Federraten auf. Bei einer Kom pression der Federeinrichtung 17 aus der in Figur 1 gezeigten geschlossenen Stellung des Ventils 1 kommend ist die Federra te Dl der ersten Feder 32 wirksam, weil zunächst nur diese Feder 32 komprimiert wird. Wird das Ventil 1 weiter geöffnet, so wird jedoch ab einer definierten Zwischenstellung gleich zeitig auch die zweite Feder 34 komprimiert, sodass insgesamt die Federkonstante Dl + D2 wirksam wird. Dieser Vorgang wird anhand der Figuren 2 und 3 näher beschrieben.
Figur 2 zeigt das Ventil 1 gemäß Figur 1 in einer teilgeöff neten Stellung, in der die Bypassleitung 4 teilweise freige geben ist, d.h. ein reduzierter Massenstrom durch diese mög lich ist. Um die teilgeöffnete Stellung zu erreichen, wurde eine Spannung an die magnetische Spule 6 angelegt, die in ei ner Magnetkraft resultierte, die ausreichend war, um die ers te Feder 32 komprimieren. Daraufhin öffnete sich das Ventil 1, bis der Anschlag 36 an der Unterseite des Kragens 30 zum Anliegen kam. Diese Stellung ist in Figur 2 gezeigt.
In dieser Stellung stoppt jedoch der Verschlusskörper 10 in seiner axialen Bewegung, da für eine weitere Öffnung des Ven tils 1 nicht mehr nur die Gegenkraft der ersten Feder 32 zu überwinden ist, sondern auch die weitere Gegenkraft durch die zweite, nun parallel geschaltete Feder 34. Durch den Kontakt zwischen dem Anschlag 36 und dem Kragen 30 müssen nämlich für eine weitere Öffnung des Ventils nunmehr beide Federn 32, 34 komprimiert werden, wozu eine höhere Magnetkraft notwendig ist .
Wenn die Bypassleitung 4 nur teilweise freigegeben werden soll, wird daher an die Spule 6 eine Spannung angelegt, die ausreicht, um die Gegenkraft der ersten Feder 32 zu überwin den und die in Figur 2 gezeigte Zwischenstellung zu errei chen, die aber zu gering ist, um die zusätzliche Gegenkraft der zweiten Feder 34 zu überwinden und die in Figur 3 gezeig te, vollständig geöffnete Stellung zu erreichen.
Um ausgehend von der in Figur 2 gezeigten Zwischenstellung die vollständig geöffnete Stellung des Ventils 1, die in Fi gur 3 gezeigt ist, zu erreichen, wird somit eine höhere Mag netkraft durch die Aktuatoreinheit 5 bereitgestellt. Hierzu wird beispielsweise eine höhere Spannung angelegt. Ist die Kraft ausreichend, um die durch die beiden nun parallel ge schalteten Federn 32, 34 bereitgestellte Gegenkraft zu über winden, so bewegt sich der Verschlusskörper 10 so weit in axialer Richtung, bis er die Bypassleitung 4 vollständig freigibt. Diese Stellung des Ventils 1 ist in Figur 3 ge zeigt .
Das Ventil 1 ermöglicht somit nicht nur eine vollständig ge schlossene und eine vollständig geöffnete Stellung, sondern auch eine Zwischenstellung. Falls die Federeinrichtung 17 derart ausgebildet ist, dass sie mehr als zwei unterschiedli che Federkonstanten aufweist, sind auch weitere Zwischenstel lungen denkbar, zwischen denen typischerweise die Federkon stante stufenweise ansteigt.
Die elektromagnetische Aktuatoreinheit 5 wird entsprechend angesteuert, um die jeweilige Gegenkraft der Federeinrichtung 17 zu überwinden. Auf diese Weise ist es möglich, mittels ei nes elektromagnetischen Ventils und unter Verzicht auf Posi tionssensoren ein Schubumluftventil bereitzustellen, das eine oder mehrere definierte und gezielt ansteuerbare Zwischenpo sitionen des Verschlusskörpers 10 aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Ventil (1) zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs, aufweisend
- eine elektromagnetische Aktuatoreinheit (5) ;
- einen mittels der elektromagnetischen Aktuatoreinheit (5) axial bewegbaren Anker (8) und einen mit dem Anker (8) verbundenen Verschlusskörper (10), wobei der Ver schlusskörper (10) zum Blockieren und Freigeben eines Fließwegs ausgebildet ist;
- ein zumindest den Anker (8) und ein mit dem Anker (8) verbundenes erstes axiales Ende (20) des Verschlusskör pers (10) aufnehmendes Gehäuse (2),
- ein einen Ventilsitz (16) bildendes Gehäuseteil (18), gegen das ein zweites axiales Ende (22) des Verschluss körpers (10) in einer Schließstellung des Ventils (1) mittels einer Federeinrichtung (17) gepresst ist, wobei die Federeinrichtung (17) zumindest eine mit einer ersten Federrate ausgehend von einer vollständig ge schlossenen Stellung des Ventils (1) bis zu einer teil weise offenen Zwischenstellung des Ventils (1) kompri mierbare Feder (32, 34) und eine mit einer zweiten Fe derrate ausgehend von einer teilweise geöffneten Zwi schenstellung des Ventils (1) bis zu einer vollständig geöffneten Stellung des Ventils (1) komprimierbare Feder (32, 34) aufweist, wobei die erste Federrate von der zweiten Federrate verschieden ist.
2. Ventil (1) nach Anspruch 1,
wobei die zweite Federrate größer ist als die erste Fe derrate .
3. Ventil (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Federeinrichtung (17) zumindest eine erste, mit der ersten Federrate komprimierbare Feder (32) und eine zweite, mit der zweiten Federrate komprimierbare Feder (34) aufweist.
4. Ventil (1) nach Anspruch 3,
wobei die erste Feder (32) und die zweite Feder (34) ko axial angeordnet sind.
5. Ventil (1) nach Anspruch 4,
wobei die zweite Feder (34) einen kleineren Durchmesser aufweist als die erste Feder (32) .
6. Ventil (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
wobei sich die erste Feder (32) an einem Boden (12) des Verschlusskörpers (10) und die zweite Feder (34) an ei nem innerhalb der ersten Feder (32) und konzentrisch zu dieser angeordneten Kragen (30) abstützen und am Boden (12) des Verschlusskörpers (10) ein Anschlag (36) ange ordnet ist, der während der Komprimierung der zweiten Feder (34) mit dem Kragen (30) in Kontakt ist.
7. Ventil (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Federeinrichtung (17) eine einzige Feder um fasst, die mit einer ersten Federrate bis zu einer Zwi schenstellung des Verschlusskörpers (10) und anschlie ßend mit einer zweiten Federrate komprimierbar ist, wo bei die erste Federrate kleiner als die zweite Federrate ist .
8. Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Aktuatoreinheit (5) ansteuerbar ist, um entwe der eine erste Kraft Fi oder eine zweite Kraft F2 auf den Anker (8) auszuüben, wobei Fi + F2 gilt.
9. Kraftfahrzeug mit einer Turboladeeinrichtung, umfassend eine Ansaugseite mit einem Verdichter und eine Turbinen seite mit einer Turbine, wobei auf der Ansaugseite eine Bypassleitung zu dem Verdichter vorgesehen ist, wobei in der Bypassleitung ein Ventil (1) nach einem der Ansprü- che 1 bis 8 zum Freigeben oder Blockieren der Bypasslei tung angeordnet ist.
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