WO2019121305A1 - Ventil - Google Patents

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Rosario Bonanno
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a valve comprising a housing, a solenoid arranged in the housing, a pin movable by the solenoid and a cup-shaped piston connected to the pin, a seal cooperating with a valve seat in the bottom region of the piston and a seal or abutment in the piston Area of the open end of the piston.
  • valves are used, inter alia, as a diverter valve on the turbocharger in motor vehicles to release a bypass to the suction side in overrun and are thus known.
  • rapid opening and closing of the valve is an essential prerequisite.
  • when closing it depends on the immediate closing Ver by the application of the piston to a valve seat.
  • the valve seat is formed by the housing of the turbocharger to which the valve is flanged.
  • the axially displaceable piston must be sealed against the housing or its movement must be limited.
  • the seal At the open end of the piston, the seal has a relatively large sealing lip.
  • the size of the sealing lip is required because the piston is displaced with respect to the valve during opening and closing of the valve and the seal must be ensured both at rest and during the piston movement. The same applies to a stop.
  • This also has a large outer diameter to form a stable stop.
  • the seal in the bottom region of the piston however, has a smaller outer diameter, whereby the projected areas are unequal. This has the consequence that in addition acts in the closing direction, resulting force, the holding the piston in the closed position.
  • the disadvantage of this is that when opening the valve, the solenoid must generate a correspondingly large magnetic force in order to additionally overcome the re sulting force. As a result, such a valve requires a large-sized solenoid, which must be supplied with a corresponding current.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a valve which requires a lower power consumption when opening and closing.
  • the cooperating with the valve seat seal has an outer diameter which corresponds approximately to the outer diameter of the seal or the stop at the open end of the piston.
  • the resulting force is zero.
  • the dimensions of both outer diameters differ slightly, preferably maximally 5% and in particular maximally 3%. The result The resulting resulting force is negligible with respect to the magnetic force of the solenoid.
  • the seal in the bottom area has a smaller outer diameter than the seal at the open end. Since the sealing lip of the seal rests against the housing of the valve at the open end of the piston in the assembled state, its outer diameter is already reduced in the installed position and thereby approaches the outer diameter of the seal in the bottom region of the piston by the mounting.
  • a good media resistance of the seal is given with the use of rubber, preferably a fluorine rubber as sealing material. Another advantage is that such a rubber seal is temperature resistant up to 180 ° C.
  • a reliable connection of the seals or the stop with the piston is advantageously achieved when the rubber is vulcanized.
  • the valve can be manufactured with a low weight if the seal cooperating with the valve seat and the seal or stop at the open end of the piston are separate components.
  • valve seat cooperating with the seal and the seal or the stopper at the open end of the piston are mounted as a coating on the piston.
  • the advantage is that the coating can be made separately and then mounted on the piston.
  • the outer diameter of the seal has an axial height of 10% to 50% of the piston height.
  • the thickness of the seal or the stopper at the open end of the piston is 0.4 mm to 1 mm, preferably 0.5 mm to 0.8 mm.
  • the housing part cooperates in the closing direction of the valve with the housing or a Ge.
  • the stop may be formed in the manner of a sealing lip radially outward and in the direction of the solenoid. An angle of 45 ° to 60 ° has proved to be advantageous here. In this case, the stop acts as a seal.
  • the stop additionally has a cylindrical abutment surface. This can be used as a stop during the movement of the piston in the open position. In this way, a stop for the two movement directions of the piston is created with only one component and little effort ever.
  • a greater resistance to aggressive media and thus a longer life are given when the piston is made of stainless steel, preferably a chrome-nickel steel Metal piston also has the advantage of a higher temperature resistance, so that the valve according to the invention can cover a wider field of application, especially at higher temperatures.
  • the wall thickness of the piston can be made significantly smaller.
  • the metal of the piston has a thickness of 0.3 mm to 1 mm, preferably from 0.4 mm to 0.8 mm and in particular of 0.5 mm.
  • the piston can according to a further advantageous Substituted staltung, particularly inexpensive to produce in one step, when the piston is a deep-drawn part.
  • the piston from plastic and to form the stop and the seal as a one-piece coating over the piston.
  • FIG. 1 is a sectional view of a valve according to the prior art
  • Fig. 2 is an enlarged sectional view of the inventions
  • Fig. 3 is an enlarged view of a piston.
  • Figure 1 shows the valve comprising a housing 1.
  • the housing 1 further has a molded flange 3, via which the housing 1 is flanged to a turbocharger, not shown, in the region of the By pass line 4.
  • a solenoid 5 with a coil 6 and a metal pin 7 is arranged in the housing 1.
  • the Metal pin 7 is connected to a cup-shaped piston 8, which has a seal 10 at the periphery of its bottom 9.
  • the seal 10 is located on the Ven tilsitz 11 to close the bypass line 4, so that no medium can flow from the line 4 into the conduit 12.
  • a spring 7a presses the piston 8 in the direction of the valve seat 11.
  • a further seal 13 with a sealing lip 14 is arranged. If the solenoid 5 is energized, a magnetic force acts on the armature 2, whereby the piston 8 is moved in the direction of the housing 1.
  • the sealing lip 14 seals the piston 8 against the housing 1 from.
  • the metallic piston 8 in Figure 2 has a stop 13 at the open end of the piston 8 and a seal 10 in the bottom region of the piston 8.
  • the stop 13 extends at an angle of 45 ° radially outward and in the direction of the solenoid 5 and has a Thickness of 0.8mm. In the closing direction of the valve, the stop 13 moves against a housing part 15 and seals the piston 8 there against the housing 1.
  • Radially inside, the stopper 13 has a cylindrical abutment surface 16 which cooperates with the movement of the piston in the open position with a correspondingly formed surface of the housing 1 and thus limits the further movement of the piston 8.
  • Seal 10 and stop 13 are made in one piece from fluororubber, this component is mounted as a coating on the piston 8.
  • the seal 10 has an outer diameter which corresponds approximately to the outer diameter of the stop 13, or is slightly smaller. A resultant resultant force is negligible with respect to the magnetic force generated by the solenoid.
  • the outer diameter of the seal 10 is constant over an axial height of 40% of the piston height. In the further axial course of the outer diameter of the coating decreases in the form of a slope 17 to about 1mm thickness. With this thickness, the coating at the open end of the piston 8 in the stop 13 on.
  • the piston 8 in Figure 3 is made of plastic with a coating of elastomer, which forms the stop 13 and the seal 10.
  • the piston 8 corresponds to the basic construction of the piston in Fig. 2. The difference is that the elastomeric coating has a nearly constant thickness. The enlargement of the outer diameter in the region of the seal 10 is achieved by a correspondingly greater wall thickness of the plastic piston 8 in this area.

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

Beschreibung
Ventil
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 Dichtung oder eines Anschlags im Bereich des offenen Endes des Kolbens.
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 Ver schließen 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 oder seine Bewegung muss begrenzt werden. Hierzu ist es bekannt, den Kolben mit einer Dichtung oder einem Anschlag zu versehen, wobei die Dichtung oder Anschlag 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. Gleiches gilt für einen Anschlag. Auch dieser besitzt einen großen Außendurchmesser, um formstabil als Anschlag zu wirken. Die Dichtung im Bodenbereich des Kolbens besitzt dagegen einen kleineren Außendurchmesser, 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 re sultierende 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 oder dem Anschlag am offenen Ende des Kolbens entspricht. Mit dieser erfindungs gemäßen Gestaltung wird erreicht, dass die projizierten Flächen beider Dichtungen annähernd gleich sind. Bei einer Druckbe aufschlagung 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 er findungsgemäße 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 ferti gungsbedingte 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 ma ximal 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 Außen durchmesser 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 Außen durchmesser 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 Dichtungs material gegeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine derartige Gummidichtung bis zu 180 °C temperaturbeständig ist.
Eine zuverlässige Verbindung der Dichtungen oder des Anschlags mit dem Kolben wird vorteilhafterweise erreicht, wenn der Gummi aufvulkanisiert ist.
Das Ventil lässt sich mit einem geringen Gewicht fertigen, wenn die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung und die Dichtung oder der Anschlag am offenen Ende des Kolbens separate Bauteile sind .
Ein zuverlässige Verbindung zwischen Dichtung und Kolben wir gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung dadurch er reicht, dass die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung und die Dichtung oder der Anschlag am offenen Ende des Kolbens einteilig ausgebildet sind.
Die Herstellung des Ventils wird nach einer anderen Ausgestaltung vereinfacht, wenn die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtung und die Dichtung oder der Anschlag am offenen Ende des Kolbens als ein Überzug auf dem Kolben montiert sind. Der Vorteil besteht darin, dass der Überzug separat hergestellt werden kann und anschließend auf den Kolben montiert wird.
Für eine hinreichende Stabilität der Dichtung am Ventilsitz ist es von Vorteil, dass der Außendurchmesser der Dichtung eine axiale Höhe von 10% bis 50% der Kolbenhöhe aufweist.
Zur Gewichts- und Kostenersparnis trägt es bei, dass der Au ßendurchmesser der Dichtung in Richtung des offenen Endes des Kolbens kleiner wird. Diese Verringerung des Außendurchmessers kann stufenartig oder in Form einer Schräge oder eines Radius erfolgen. Letzteres erlaubt eine einfachere Herstellung.
Im Hinblick auf einen sparsamen Materialeinsatz bei ausrei chender Funktionalität hat es sich als vorteilhaft herausge stellt, dass die Dicke der Dichtung oder des Anschlags am offenen Ende des Kolbens 0,4mm bis 1mm, vorzugsweise 0,5mm bis 0,8 mm beträgt .
Unter dem Anschlag wird dabei der Anschlag verstanden, der in Schließrichtung des Ventils mit dem Gehäuse oder einem Ge häuseteil zusammenwirkt. Der Anschlag kann dabei nach Art einer Dichtlippe nach radial außen und in Richtung des Solenoids ausgebildet sein. Als vorteilhaft hat sich hierbei ein Winkel von 45° bis 60° erwiesen. In diesem Fall wirkt der Anschlag als Dichtung .
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Anschlag zusätzlich eine zylindrische Anschlagsfläche aufweist. Diese kann als Anschlag bei der Bewegung des Kolbens in die Offenstellung Verwendung finden. Auf diese Weise wird mit nur einem Bauteil und geringem Aufwand je ein Anschlag für die beiden Bewegungs richtungen des Kolbens geschaffen.
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 Temperatur beständigkeit, 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 Ausge staltung, besonders kostengünstig in einem Arbeitsschritt hersteilen, wenn der Kolben ein Tiefziehteil ist.
In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen ist es aber auch denkbar, den Kolben aus Kunststoff zu fertigen und den Anschlag und die Dichtung als einteiligen Überzug über den Kolben auszubilden .
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher be schrieben. Es zeigt in
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ventils nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des erfin
dungsgemäßen Ventils im Bereich des Kolbens
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Kolbens.
Figur 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 By passleitung 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 Ven tilsitz 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 metallische Kolben 8 in Figur 2 besitzt einen Anschlag 13 am offenen Ende des Kolbens 8 und eine Dichtung 10 im Bodenbereich des Kolbens 8. Der Anschlag 13 erstreckt sich in einem Winkel von 45° nach radial außen und in Richtung des Solenoids 5 und besitzt eine Dicke von 0,8mm. In Schließrichtung des Ventils fährt der Anschlag 13 gegen ein Gehäuseteil 15 und dichtet dort den Kolben 8 gegen das Gehäuse 1 ab. Radial innen besitzt der Anschlag 13 einen zylindrische Anschlagsfläche 16, die beim Bewegen des Kolbens in die Offenstellung mit einer entsprechend ausge bildeten Fläche des Gehäuses 1 zusammenwirkt und so die weitere Bewegung des Kolbens 8 begrenzt.
Dichtung 10 und Anschlag 13 sind einteilig aus Fluorkautschuk hergestellt, wobei dieses Bauteil als Überzug auf den Kolben 8 montiert ist. Die Dichtung 10 besitzt einen Außendurchmesser, der in etwa dem Außendurchmesser des Anschlags 13 entspricht, beziehungsweise geringfügig kleiner ist. Eine sich daraus ergebende resultierende Kraft ist in Bezug auf die vom Solenoid erzeugte magnetische Kraft vernachlässigbar. Der Außendurch messer der Dichtung 10 ist über eine axiale Höhe von 40% der Kolbenhöhe konstant. Im weiteren axialen Verlauf verringert sich der Außendurchmessers des Überzugs in Form einer Schräge 17 auf ungefähr 1mm Dicke. Mit dieser Dicke geht der Überzug am offenen Ende des Kolbens 8 in den Anschlag 13 über. Der Kolben 8 in Figur 3 besteht aus Kunststoff mit einem Überzug aus Elastomer, welches den Anschlag 13 und die Dichtung 10 bildet. Der Kolben 8 entspricht vom Grundaufbau dem Kolben in Fig. 2. Der Unterschied besteht darin, dass der Elastomerüberzug eine nahezu konstante Dicke besitzt. Die Vergrößerung des Außendurchmessers im Bereich der Dichtung 10 wird durch eine entsprechend stärkere Wanddicke des Kunststoffkolbens 8 in diesem Bereich erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. 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 Dichtung oder eines Anschlags im Bereich des offenen Endes des Kolbens, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilsitz (11) zusam menwirkende Dichtung (10) einen Außendurchmesser besitzt, der in etwa dem Außendurchmesser der Dichtung oder des Anschlags (13) am offenen Ende des Kolbens (8) entspricht.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Außendurchmesser der Dichtungen oder des An schlags (10, 13) maximal 5% unterscheiden.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen oder der Anschlag (10, 13) aus einem Gummi, vorzugsweise einem Fluorkautschuk bestehen.
4. Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gummi aufvulkanisiert ist.
5. Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkende Dichtung (10) und die Dichtung oder der Anschlag (13) am offenen Ende des Kolbens (8) separate Bauteile sind.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkende Dichtung (10) und die Dichtung oder der Anschlag (13) am offenen Ende des Kolbens (8) einteilig ausgebildet sind.
7. Ventil nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilsitz (11) zusammenwirkende Dichtung (10) und die Dichtung oder der Anschlag (13) am offenen Ende des Kolbens (8) als ein Überzug auf dem Kolben (8) montiert sind.
Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Dichtung (10) eine axiale Höhe von 10% bis 50% der Kolbenhöhe aufweist .
Ventil nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Dichtung (10) in Richtung des offenen Endes des Kolbens (8) kleiner wird.
10. Ventil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dichtung oder des Anschlags (13) am offenen Ende des Kolbens (8) 0,4mm bis 1mm, vorzugsweise 0,5mm bis 0,8 mm beträgt.
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