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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abblaseventil, insbesondere
auf ein Abblaseventil zum Ablassen eines Ladedrucks eines Turboladers.
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Um
immer höher
werdende Anforderungen an die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen
sowie an die Senkung eines Kraftstoffverbrauchs zu erfüllen, müssen Stellglieder
für die
Motorsteuerung und -regelung, wie ein derartiges Abblaseventil,
möglichst
rasch und präzise
auf ein entsprechendes Stellsignal einer Motorsteuerung reagieren.
Diese Anforderung wird jedoch erschwert durch die Tatsache, daß eine Feder
zum Zudrücken
eines derartigen Abblaseventils eine hohe Kraft aufbringen muß, um das Ventil
gegen den anstehenden Staudruck des Turboladers geschlossen zu halten.
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Um
diesen Nachteil zu überwinden,
schlägt die
Offenlegungsschrift
DE
102 48 125 A1 ein sogenanntes balanciertes Ventil vor,
bei dem Fluiddurchtritte in einem Ventilkörper angeordnet sind, um auch die
Rückseite
des Ventilkörpers
mit dem anstehenden Fluiddruck zu beaufschlagen. Die Abdichtung der
Rückseite
des Ventilkörpers
erfolgt über
eine Membran. Da auf jeder Seite des Ventilkörpers somit dieselbe Druckkraft
ansteht, können
eine schwächere
Feder und ein schwächerer
Aktuator eingebaut werden.
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Die
Patentschrift
DE
10 2004 044 439 B4 schlägt
ein Abblaseventil für
einen Turbolader mit einem lippenförmigen Dichtelement vor, um
eine Rückseite
des Ventilkörpers
bei geschlossenem Ventilkörper
abzudichten, so daß eine
auf die Rückseite
des Ventilkörpers
wirkende Fluidkraft den Ventilkörper geschlossen
hält, während der
auf die Rückseite
wirkende Fluiddruck bei sich öffnendem
Ventil über einen
radialen Ringspalt des Dichtelements
4 abgelassen wird,
um den Ventilkörper
durch den an einer Stirnseite des Ventilkörpers anstehenden Staudruck zu öffnen. Dabei
hat das lippenförmige
Dichtelement einen größeren wirksamen
Durchmesser als ein Dichtsitz des Ventilkörpers, so dass eine Überschußkraft in
Schließrichtung
erzeugt wird, die dazu benutzt wird, das Ventil geschlossen zu halten.
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GB 773 643 A offenbart
Verbesserungen einer Fülldüse mit einem
Hauptventil und einem in einer Entlüftungsventilkammer axial gleitfähigen Entlüftungsventil.
DE 10 2005 051 937
A1 beschreibt eine Schubumluftventilvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
mit einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilverschlußkörper, der
im unbestromten Zustand in Offenstellung verbleibt, weil er durch
ein zweites Federelement vorgespannt ist, das sich gegenüber dem
zweiten Ventilsitz abstützt.
DE 10 2005 042 679
A1 beschreibt ein Bypassventil für Verbrennungskraftmaschinen
mit Druckausgleichsöffnungen,
die in einem Spalt zwischen einem Ventilschließkörper und einem Ventilsitz angeordnet
sind, um eine in Schließrichtung
wirkende Kraft zu verringern.
GB 2 164 423 A offenbart ein Steuerventil
mit einem Kolben zum Ausgleichen einer auf eine Schließscheibe
wirkenden Kraft.
DE
10 2005 028 141 A1 beschreibt ein Bypassventil für Verbrennungskraftmaschinen
mit einer in einem Ventilgehäuse
bewegbar aufgenommenen Schließkomponente,
die einen in einem Strömungskanal
bewegbaren druckbeaufschlagten Ventilkörper und ein schaltbares Dichtelement
aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten
Abblaseventils, das sehr schnell öffnen kann und eine geringe
Baugröße aufweist,
um vorzugsweise als Stellglied für
die Steuerung bzw. Regelung eines Turboladers einer Brennkraftmaschine
zu dienen. Darüber
hinaus soll die erforderliche Kraft eines Aktuators minimiert werden, so
daß das
Abblaseventil selbst eine geringe Wärme erzeugt, wenn das Abblaseventil
beispielsweise durch einen wärmeerzeugenden,
elektromagnetischen Aktuator betätigt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen nach Anspruch 1,
ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 12, ein Verfahren
mit den Merkmalen nach Anspruch 13, einen Turbolader mit den Merkmalen
nach Anspruch 16 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
nach Anspruch 17 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das
erfindungsgemäße Abblaseventil
weist folgendes auf:
einen ersten Ventilkörper zum Öffnen und Schließen eines
Fluiddurchtritts zwischen wenigstens einem ersten Ventilanschluß und wenigstens
einem zweiten Ventilanschluß;
einen
in dem ersten Ventilkörper
angeordneten zweiten Ventilkörper
zum Öffnen
und Schließen
eines in dem ersten Ventilkörper
angeordneten Ventildurchlasses zwischen dem ersten Ventilanschluß und einem
Ventilinnenraum;
einen Drosselkanal, der eine Verbindung zwischen dem
Ventilinnenraum und einer Stirnseite des ersten Ventilkörpers schafft,
vorzugsweise eine Vielzahl von Drosselkanälen;
eine Feder zum Bewegen
bzw. Drücken
des zweiten Ventilkörpers
in eine Öffnungsrichtung
des zweiten Ventilkörpers
und zum Halten in dieser Position;
einen Aktuator zum Bewegen
des zweiten Ventilkörpers
in eine Schließrichtung,
wobei ein bewegliches Glied des Aktuators so angeordnet ist, um
nach dem Schließen
des zweiten Ventilkörpers
weiter in dieselbe Richtung beweglich zu sein, so dass über einen Eingriff
des zweiten Ventilkörpers
mit dem an dem ersten Ventilkörper
angeordneten Ventilsitz der erste Ventilkörper in eine Öffungsrichtung
des ersten Ventilkörpers
bewegbar ist, und
wobei ein mit dem zweiten Ventilkörper und/oder
dem beweglichen Glied in Wirkverbindung stehendes Anschlagelement
durch die Federkraft der Feder mit dem ersten Ventilkörper in
Eingriff bringbar ist, um den ersten Ventilkörper mit Hilfe der Feder in
eine Schließrichtung
zu bewegen.
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Indem
bei geschlossenem ersten Ventilkörper
der zweite Ventilkörper
den Fluiddurchlaß in
den Ventilinnenraum hinein freigibt, wirkt ein Fluiddruck auf eine
Rückseite
des ersten Ventilkörpers,
um die Feder beim Zudrücken
des ersten Ventilkörpers
gegen den an der Stirnseite des ersten Ventilkörpers anstehenden Druck zu
unterstützen.
Um den ersten Ventilkörper
zu öffnen,
muß der
Aktuator lediglich den zweiten Ventilkörper zuziehen und den ersten Ventilkörper gegen
die Federkraft und den Fluiddruck im Ventilinnenraum geringfügig öffnen, so
daß bei dieser
geringfügigen Öffnung des
ersten Ventilkörpers
der Fluiddruck in dem Ventilinnenraum über den Drosselkanal und einen
in dem Fluiddurchtritt des ersten Ventilkörpers wirkenden Venturi-Effekt
abgesaugt wird. Demgemäß wird der
Fluiddruck aus dem Ventilinnenraum über den Drosselkanal abgelassen, während der
zweite Ventilkörper
den in dem ersten Ventilkörper
angeordneten Ventildurchlaß verschließt, um den
Zufluß von Überdruck
in den Ventilinnenraum hinein zu verhindern. Die weitere Öffnung des
ersten Ventilkörpers
bis zur vollständigen Öffnung des
Abblaseventils kann nun durch den an dem ersten Ventilanschluß anstehenden
Staudruck erfolgen. Somit kann der Aktuator sehr klein gestaltet
werden, da nur eine geringe Kraft zum Öffnen des kleinen zweiten Ventilkörpers und
zum geringfügigen Aufziehen
des ersten Ventilkörpers
am Anfang des Öffnungsvorgangs
erforderlich ist. Der Hauptöffnungsvorgang
hingegen erfolgt über
den an dem ersten Ventilanschluß anstehenden Überdruck.
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Wenn
bei geöffnetem
Abblaseventil die Öffnungskraft
des Aktuators entfällt,
drückt
die Feder den zweiten Ventilkörper
auf, so daß nun
wieder Überdruck
aus dem ersten Ventilanschluß in
den Ventilinnenraum einströmen
kann. Der sich in dem Ventilinnenraum aufbauende Fluiddruck zusammen mit
der Kraft der Feder schließt
nun den ersten Ventilkörper
gegen den Staudruck, der gegen eine Stirnseite des ersten Ventilkörpers wirkt.
Aufgrund dieser Gestaltung des Abblaseventils können sowohl eine schwache Feder
als auch ein schwacher Aktuator eingesetzt werden. Trotzdem kann
das Ventil aufgrund der pneumatischen Steuerung sehr schnell öffnen und
schließen.
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Vorzugsweise
ist ein Strömungswiderstand des
in dem ersten Ventilkörper
ausgebildeten Ventildurchlasses geringer als ein Strömungswiderstand des
Drosselkanals bzw. der Drosselkanäle. Durch entsprechendes Abstimmen
der Strömungswiderstände des
Ventildurchlasses einerseits und des Drosselkanals andererseits,
kann ein gewünschter Druckaufbau
in dem Ventilinnenraum bei geöffnetem ersten
Ventilkörper
zum Bewirken einer Schließbewegung
erzielt werden.
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Vorzugsweise
ist das Anschlagelement als ein Federteller ausgebildet, der an
seinem Umfang Fluiddurchtritte hat und zwischen dem beweglichen Glied
und dem zweiten Ventilkörper
sandwichartig angeordnet ist.
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Weiter
bevorzugt sind die Kraft der Feder und die des Aktuators so dimensioniert,
dass der erste Ventilkörper
durch die Betätigungskraft
des Aktuators im drucklosen Zustand nur unvollständig öffnet und eine vollständige Öffnung des
ersten Ventilkörpers
durch den in dem ersten Ventilanschluß herrschenden Fluiddruck bewirkt
wird, indem dieser Fluiddruck gegen die Stirnseite des ersten Ventilkörpers wirkt
und das Fluid aus dem Ventilinnenraum bei geschlossenem zweiten
Ventilkörper
und geringfügig geöffnetem
ersten Ventilkörper über den
Drosselkanal entweicht, so dass sich eine Druckdifferenz zwischen
der Stirnseite und einer Rückseite
des ersten Ventilkörpers
einstellt, wie in 6 dargestellt ist.
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Wenn
beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Magnetkern und einer
Magnetspule als Aktuator eingesetzt wird, ist die Betätigungskraft
bei niedriger Versorgungsspannung zu der Magnetspule und hoher Betriebstemperatur
niedrig, weil in diesem Zustand die Stromstärke niedrig wird.
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Vorzugsweise
ist der erste Ventilkörper
im wesentlichen zylindrisch gestaltet und weist mehrere über den
Umfang seiner Stirnseite verteilte Drosselkanäle auf, vorzugsweise drei im
Abstand von 120°, die
in einem Bereich in Gegenüberlage
zu einem Ventilsitz und in Strömungsrichtung
stromaufwärts von
einer Dichtung des ersten Ventilkörpers positioniert sind.
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Indem
die Drosselkanäle
in Gegenüberlage zu
dem Ventilsitz des ersten Ventilkörpers angeordnet sind, kann
ein sich einstellender Venturi-Effekt genutzt werden, um den Fluiddruck
aus dem Ventilinnenraum über
die Drosselkanäle
abzusaugen. Ein hoher Venturi-Effekt stellt sich insbesondere aufgrund
des dynamischen Druckabfalls bei leicht geöffentem ersten Ventilkörper ein,
so daß bei
diesem Zustand eine besonders wirksame Absaugung des Fluiddruck
aus dem Ventilinnenraum erfolgt. Des weiteren kann ein Flattern
des ersten Ventilkörpers
in der Anfangsphase des Öffnungsvorgangs
des ersten Ventilkörpers
verhindert werden, der ansonsten aufgrund des Venturi-Effekts entstehen
würde.
Dieses Flattern könnte
unter ungünstigen
Umständen
zu einer Regelschwingung bzw. Resonanz in der Motorsteuerung bzw.
-regelung führen.
Darüber
hinaus wird die Lebensdauer des Ventilsitzes und der Dichtung des
ersten Ventilkörpers
durch Aufschlagen auf dem Ventilsitz beeinträchtigt, wenn dieses Flattern auftritt.
Da jedoch der Venturi-Effekt genutzt wird, um den Fluiddruck aus
dem Ventilinnenraum abzusaugen, wird dieses Flatterphänomen auf
sichere Weise verhindert, wodurch die Motorsteuerung bzw. -regelung
verbessert und die Lebensdauer des Abblaseventils erhöht wird.
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Vorzugsweise
ist der Drosselkanal mittels des Anschlagelements zumindest teilweise
verschließbar.
Indem der Drosselkanal bei sich öffnendem
zweiten Ventilkörper
beispielsweise über
das Anschlagelement verschlossen wird, kann ein Druckaufbau in dem
Ventilinnenraum beschleunigt und/oder erhöht werden. Dadurch kann einerseits
die Zeitdauer zum Schließen
des ersten Ventilkörpers verkürzt und
andererseits die Feder mit geringerer Federkraft dimensioniert werden,
weil der hohe Fluiddruck in dem Ventilinnenraum die Feder bei dem Schließvorgang
des Abblaseventils unterstützt.
Eine schwache Feder ist wiederum vorteilhaft, weil somit ein schneller Öffnungsvorgang
des ersten Ventilkörpers
ermöglicht
wird, wenn nur eine geringe Federkraft zu überwinden ist.
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Vorzugsweise
weist der erste Ventilkörper
an seinem Umfang ein Dichtelement auf, um den Ventilinnenraum gegenüber dem
zweiten Ventilanschluß abzudichten.
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Weiter
bevorzugt ist das Dichtelement so gestaltet, dass es durch axiales
Anlegen einer Dichtlippe gegen einen korrespondierenden Dichtsitz
bei geschlossenem ersten Ventilkörper
zumindest nahezu vollständig
abdichtet und bei geöffnetem
ersten Ventilkörper
eine vorgegebene Strömung
zwischen dem Ventilinnenraum und dem zweiten Ventilanschluß über ein
radiales Spiel der Dichtlippe zuläßt.
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Das
Ablassen des Fluiddrucks aus dem Ventilinnenraum kann noch weiter
beschleunigt werden, wenn das Dichtelement zum Abdichten des ersten Ventilkörpers gegenüber dem
zweiten Ventilanschluß als
eine Dichtlippe ausgebildet ist, die ein vorgegebenes radiales Spiel
in der Zylinderbohrung des Ventilgehäuses hat, so daß sich eine
Strömung
innerhalb des radialen Spiels von dem Ventilinnenraum zu dem zweiten
Ventilanschluß hin
ausbilden kann.
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Vorzugsweise
weist das Dichtelement zusätzlich
eine Ringscheibe auf, um ein radiales Spiel des Dichtelements zu
begrenzen, so dass nur eine geringe vorgegebene Strömung ermöglicht wird. Blow-by-Gase,
d.h. Verbrennungsgase, die im Verbrennungsmotor zwischen den Kolben
und Zylindern in das Kurbelgehäuse
und von dort in den Ansaugtrakt gelangen, gelangen auch in den Turbolader
und somit in das Abblaseventil. Diese Blow-by-Gase enthalten Verbrennungsrückstände sowie
Motoröl.
Aufgrund der Verbrennungsrückstände und
des Motoröls
kann es zu einem Aufquellen der Dichtlippe kommen. Indem an dem
Dichtelement zusätzlich
die Ringscheibe angeordnet ist, kann ein radialer Spalt über eine
lange Lebensdauer hinweg exakt definiert werden, weil der Ringspalt
immer gleich groß bleibt und
nicht durch ein Aufquellen der Dichtlippe aufgrund von in Blow-by-Gasen
enthaltenen Öl-
und Verbrennungsrückständen beeinflußt wird.
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Vorzugsweise
ist das Abblaseventil als ein Ventil der Einsetzart gestaltet, das
in ein Gehäuse einzusetzen
ist und mittels eines Flansches mit Dichtung einen Innenraum des
Gehäuses
abdichtet, der als zweiter Ventilanschluß dient, wobei der Ventilsitz in
dem Gehäuse
angeordnet ist.
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Weiter
bevorzugt ist der erste Ventilkörper
so in dem Abblaseventil geführt,
dass eine Achse des ersten Ventilkörpers um einen vorgegebenen
Winkel gegenüber
einer Achse des Aktuators schwenkbar ist, um Toleranzen der Fertigung
und des Einbaus auszugleichen, so dass eine gleichmäßige Anlage der
Dichtung des ersten Ventilkörpers
an einem Ventilsitz des Gehäuses
gewährleistet
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird des weiteren durch ein Verfahren zum Öffnen eines
Abblaseventils gelöst,
das folgende Schritte aufweist:
Hochziehen des beweglichen
Glieds gegen die Federkraft, so dass der zweite Ventilkörper den
Ventildurchlaß schließt;
weiteres
Hochziehen des beweglichen Glieds, so dass der erste Ventilkörper durch
den Eingriff zwischen dem zweiten Ventilkörper und dem Ventilsitz des
ersten Ventilkörpers
angehoben wird, um den Fluiddurchtritt des ersten Ventilkörpers zumindest teilweise
zu öffnen;
Absaugen
des Fluids aus dem Ventilinnenraum über den Drosselkanal aufgrund
eines Venturieffekts bei teilweise geöffnetem Fluiddurchtritt;
Aufschieben
des ersten Ventilkörpers
mittels des auf die Stirnseite des ersten Ventilkörpers wirkenden Staudrucks,
um das Abblasventil zu öffnen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird des weiteren durch ein Verfahren zum
Schließen
eines Abblaseventils gelöst,
das folgende Schritte aufweist:
Bewegen bzw. Drücken des
Anschlagelements mittels der Feder, um den zweiten Ventilkörper zu öffnen und
den zweiten Ventilkörper
in der geöffneten
Position zu halten;
Einleiten des Fluids in den Ventilinnenraum über den geöffneten
zweiten Ventilkörper,
um eine Druckkraft auf den ersten Ventilkörper in Schließrichtung
aufzubringen;
Zudrücken
des ersten Ventilkörpers
mit Hilfe der Feder und des Fluiddrucks in dem Ventilinnenraum gegen
den an der Stirnseite wirkenden Staudruck, um das Abblaseventil
zu schließen.
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Vorzugsweise
hat das Verfahren zum Schließen
des Abblaseventils des weiteren den Schritt des Schließens des
Drosselkanals, um das Schließen des
ersten Ventilkörpers
durch einen Venturieffekt in dem Fluiddurchtritt zu unterstützen.
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Des
weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Turbolader mit
einem derartigen Abblaseventil zum Ablassen eines Ladedrucks gelöst.
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Außerdem wird
erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine
mit einem Turbolader und einem derartigen Abblaseventil geschaffen,
bei der ansprechend auf ein Drosselklappenschließsignal das Ventil geöffnet wird,
um den Ladedruck in den Ansaugtrakt vor dem Turbolader abzulassen.
Indem das Ventil beim Erhalten eines Drosselklappenschließsignals sehr
schnell öffnet
und demgemäß den Ladedruck sehr
schnell abläßt, wird
ein vorteilhaftes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine erzielt.
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Die
Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
einen Schnitt durch das Abblaseventil, das in ein Turboladergehäuse 50 eingesetzt ist.
Dabei zeigt 1 den geschlossenen Zustand des
Abblaseventils.
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2 zeigt
ebenfalls einen Schnitt durch das Abblaseventil, wobei eine Magnetspule
mit Strom versorgt wird und der erste Ventilkörper bereits teilweise geöffnet ist.
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3 zeigt
einen Schnitt durch das Abblaseventil im vollständig geöffneten Zustand.
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4 zeigt
den vollständig
geöffneten
Zustand des ersten Ventilkörpers
nach dem Wegnehmen der Aktuatorkraft, wobei der zweite Ventilkörper geöffnet ist.
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5 zeigt
eine Detailansicht des in 1 gezeigten,
geschlossenen Zustands des Abblaseventils.
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6 zeigt
eine Detailansicht des teilweise geöffneten Zustands des Abblaseventils,
wie dieser in 2 gezeigt ist.
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7 zeigt
eine Detailansicht des vollständig
geöffneten
Zustands des Abblaseventils, wie dieser in 3 gezeigt
ist.
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8 zeigt
als Detailansicht den vollständig geöffneten
Zustand des ersten Ventilkörpers,
wobei der zweite Ventilkörper
nach dem Wegnehmen der Aktuatorkraft durch die Federkraft geöffnet ist,
wie auch in 4 gezeigt ist.
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Das
Abblaseventil ist, wie insbesondere in den 1 bis 4 gezeigt,
beispielsweise als ein 2/2-Wege-Magnetventil (2 Anschlüsse/2 Stellungen) der
stromlos geschlossenen Art (normally closed two-way two position
valve) und/oder als ein Ventil der sogenannten Einsetzart ausgebildet.
Ein derartiges Magnetventil hat eine elektromagnetische Spule 7,
die vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und über einen
elektrischen Anschluß 8 mit
Strom versorgt werden kann. Innerhalb einer axialen Längsöffnung der
zylindrischen Spule 7 ist ein Magnetanker 2 angeordnet,
der ansprechend auf eine Stromzufuhr zu der elektrischen Spule 7 in
der Ansicht in den Figuren nach oben gezogen wird. Der Magnetanker 2 ist
vorzugsweise mittels einer teflonbeschichteten Lagerschale 12 geführt und
aus einem magnetischen Material hergestellt, beispielsweise aus
Eisen.
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Die
Lagerschale
12 ist vorzugsweise als ein Spulenkörper mit
einem Trägerelement
12A ausgebildet,
wie in der
DE
10 2005 000 985 A1 beschrieben ist, deren Spulenaufnahmevorrichtung
hierin unter Bezugnahme eingeschlossen ist. In dieser Spulenaufnahmevorrichtung
sind der Spulenkörper
12 und dessen
Trägerelemente
12A hohlzylindrisch
ausgebildet, wobei das Trägerelement
12A über den
Umfang verteilte Ausnehmungen oder Öffnungen aufweist, die sich
in einer bevorzugten Ausführungsform durch
die Wandung des Trägerelements
12A hindurch
erstrecken.
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Vorzugsweise
ist an einer oberen Anschlagposition des Magentankers
2 ein
nicht gezeigter Abstandhalter angeordnet, um ein zu starkes Anhaften des
Magentankers
2 an seiner oberen Anschlagposition zu verhindern,
wie in der
DE
10 2004 044 439 B4 offenbart ist, deren Aktuator mit Magentanker
2 und Spule
7 hierin
unter Bezugnahme eingeschlossen ist. An einem distalen unteren Ende
des Magnetankers
2 ist ein zweiter Ventilkörper
4 sowie
ein Anschlagelement
13 vorzugsweise in der Gestalt eines
Federtellers angeordnet. Der zweite Ventilkörper
4 ist aus einem
geeigneten Material wie beispielsweise Metall (rostfreiem Stahl),
um eine lange Lebensdauer zu haben. Der Federteller
13 ist
aus einem geeigneten Material wie beispielsweise einem Kunststoff,
der hohen Temperaturen standhält.
Hierzu eignen sich beispielsweise glasfaserverstärkte Polyamide und/oder Mineral
verstärkte
Polyamide.
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Der
Federteller 13 wird zunächst
auf den Abschnitt 2A mit geringerem Durchmesser des Magnetankers 2 aufgesteckt
und danach wird der zweite Ventilkörper 4 aufgesteckt,
wobei die Elemente 4, 13 durch eine Verdickung 2B des
Magnetankers 2 an dem distalen Ende (an dem in den 1 bis 4 unteren
Ende) des Magnetankers 2 gehalten werden, um sich integral
mit dem Magnetanker 2 zu bewegen. Alternativ kann das distale
Ende des Magnetankers 2 jedoch auch einen sogenannten (nicht
gezeigten) Kerbnagel aufweisen, um den Federteller 13 und
den zweiten Ventilkörper 4 an
dem distalen Ende des Magnetankers 2 zu befestigen. Ein
derartiger Kerbnagel wird in eine Bohrung des Magnetankers 2 eingepresst,
um die Elemente 13 und 4 an dem Magnetanker 2 zu
befestigen. Vorzugsweise wird ein Kerbnagel nach DIN 1476 (ISO 8746)
mit einer Verdickung an einem Ende verwendet. Es kann jedoch auch
ein anderer Kerbnagel verwendet werden, beispielsweise ein Kerbnagel
nach DIN 1471 (ISO 8744), DIN 1472 (ISO 8745) oder DIN 1473 (ISO
8740).
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Der
Federteller 13 schafft eine formschlüssige Verbindung zwischen einer
Feder 10 und dem Magentanker 2, um den Magnetanker 2 zusammen
mit dem Federteller 13 und dem zweiten Ventilkörper 4 nach
unten zu bewegen. Der Federteller 13 weist in den Fig.
nicht dargestellte Fluiddurchtritte zu den Drosselkanälen 11 auf.
Vorzugsweise werden die Fluiddurchtritte bei abgesenktem Federteller 13 teilweise
oder vollständig
verschlossen, um den Durchfluß durch
die Drosselkanäle 11 teilweise
oder ganz zu verschließen.
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Darüber hinaus
wirkt der Federteller 13 als ein Anschlagelement, um über einen
Eingriff des Federtellers 13 mit einem ersten Ventilkörper 3 eine
Federkraft auf den ersten Ventilkörper 3 aufzubringen, so
dass der erste Ventilkörper 3 in
Schließrichtung bewegt
werden kann. Der erste Ventilkörper 3 weist an
seiner Stirnseite 3B eine Dichtung 3E auf, um
mit einem Dichtsitz 52 in Eingriff zu treten, so daß ein Fluiddurchtritt 33 zwischen
einem ersten Ventilanschluß 31 und
einem zweiten Ventilanschluß 32 verschlossen
wird.
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Der
Ventilsitz 52 ist vorzugsweise in einem Turboladergehäuse 50 ausgebildet.
Das Abblaseventil ist als sogenanntes Ventil der Einsetzart konfiguriert,
das über
einen Flansch 6, der über
eine Dichtung 5 an dem Turboladergehäuse 50 abgedichtet wird,
in das Turboladergehäuse 50 eingesetzt
wird. Dabei dient ein unterhalb des ersten Ventilkörpers 3 angeordneter
Raum als der erste Ventilanschluß 31, der mit einer
Druckseite des Turboladers verbunden ist, während ein am Außenumfang
des im wesentlichen zylindrischen ersten Ventilkörpers 3 ausgebildeter
Ringraum innerhalb des Turboladergehäuses 50 als der zweite
Ventilanschluß 32 dient.
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Wenn
ein an der Druckseite des Turboladers anstehender Druck P1 abgelassen
werden soll, muß der
erste Ventilkörper 3 geöffnet werden,
um den Fluiddurchtritt 33 zwischen dem ersten Ventilanschluß 31 und
dem zweiten Ventilanschluß 32 zu öffnen. Das
Ventil kann sowohl an der Verdichterseite zum Steuern bzw. Regeln
des Ladedrucks als auch auf der Turbinenseite eingesetzt werden,
um als sogenanntes Waste-Gate-Ventil zu dienen.
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In
dem ersten Ventilkörper 3 ist
des weiteren ein Drosselkanal 11 angeordnet, der eine Verbindung zwischen
einer Stirnseite 3B des Ventilkörpers 3 und einer
Rückseite 3D des
Ventilkörpers 3 bzw.
einem Ventilinnenraum 9 schafft. Der Ventilinnenraum 9 ist als
ein Druckraum gestaltet, der einen Fluiddruck P3 auf die Rückseite 3D des
ersten Ventilkörpers 3 ausüben kann,
um eine Fluiddruckkraft in Schließrichtung des ersten Ventilkörpers 3 auszuüben. Hierzu
ist dieser Ventilinnenraum 9 mittels eines Dichtelements 14 gegenüber dem
als Ringraum gestalteten zweiten Ventilanschluß 32 abgedichtet.
Diese Abdichtung kann durch eine Membran oder einen Kolbenring erfolgen.
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Vorzugsweise
wird jedoch ein lippenförmiges Dichtelement 14A eingesetzt,
das bei geschlossenem ersten Ventilkörper 3 an einem axialen
Dichtsitz 15 des Ventilgehäuses anliegt, um eine nahezu
vollständige
Abdichtung des Ventilinnenraums 9 gegenüber dem zweiten Ventilanschluß 32 zu
gewährleisten.
Bei geöffnetem
ersten Ventilkörper 3 läßt dieses lippenförmige Dichtelement 14A über ein
radiales Spiel eine große,
vorgegebene Strömung
zwischen dem Ventilinnenraum 9 und dem zweiten Ventilanschluß 32 zu.
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Vorzugsweise
ist des weiteren eine Ringscheibe 14B benachbart zu der
Dichtlippe 14A angeordnet. Blow-by-Gase, d.h. Verbrennungsgase,
die im Verbrennungsmotor zwischen den Kolben und Zylindern in das
Kurbelgehäuse
und von dort in den Ansaugtrakt gelangen, gelangen auch in den Turbolader
und somit in das Abblaseventil. Diese Blow-by-Gase enthalten Verbrennungsrückstände sowie
Motoröl.
Aufgrund dieser Verbrennungsrückstände und
des Motoröls
kann es zu einem Aufquellen der aus Fluorsilikon-Kautschuk (MFQ(FVMQ) oder
Silikon-Kautschuk (MVQ/VMQ) hergestellten Dichtlippe 14a kommen.
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Die
Strömung
zwischen dem Ventilinnenraum 9 und dem zweiten Ventilanschluß 32 wird
jedoch vorzugsweise durch einen verhältnismäßig engen radialen Spalt an
der Ringscheibe 14B begrenzt, so daß an dieser Stelle eine Drosselwirkung
entsteht. Der radiale Spalt des Dichtelementes 14A sollte
dabei eine sehr große
Querschnittsfläche
haben, so dass das an dem lippenförmigen Dichtelement 14A vorbeiströmende Fluid
die Lippe des Dichtelements 14A nicht verformt. Dabei sollte
der Durchlaßquerschnitt
der Ringscheibe 14B kleiner bis maximal doppelt so groß als der
Durchlaßquerschnitt
des Ventildurchlasses 3A sein.
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Durch
ein Aufquellen der Dichtlippe 14A aufgrund von Ölrückständen und
Verbrennungsrückständen würde sich
ein Drosselspalt über
die Lebensdauer hinweg verändern,
was unerwünscht
ist. Durch die Ringscheibe 14B kann somit ein definierter Ringspalt
mit definierter Drosselwirkung geschaffen werden. Dabei hat die
Dichtlippe 14A einen größeren Ringspalt
als die Ringscheibe 14B, um eine Verformung der Dichtlippe 14A aufgrund
einer starken Fluidströmung
zu verhindern, so daß die
Drosselwirkung in erster Linie durch die Ringscheibe 14B erzeugt wird.
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Der
erste Ventilkörper 3 weist
vorzugsweise an seiner Rückseite 3D einen
Montagering 3H auf, die in eine Nut des Ventilkörpers 3 eingeclipst
wird. Der Montagering 3H kann jedoch auch durch Bördeln oder
Schweißen
mit dem ersten Ventilkörper 3 verbunden
werden. Das Dichtelement 14 wird durch den Montagering 3H an
dem ersten Ventilkörper 3 befestigt.
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Ein
wirksamer Durchmesser der Abdichtung der Dichtlippe 14A ist
in etwa gleich groß wie
ein wirksamer Durchmesser der Dichtung 3E des ersten Ventilkörpers 3,
so daß auf
die Stirnseite 3B des ersten Ventilkörpers 3 in etwa derselbe
Fluiddruck P1 wirkt wie auf die Rückseite 3D des Ventilkörpers 3.
Je nach Auslegung des Abblaseventils kann jedoch der wirksame Durchmesser
des Dichtelements 14 auch größer oder kleiner als der wirksame
Durchmesser der Dichtung 3E gestaltet werden. Im Zusammenhang mit
der Betätigungskraft
des Magnetankers 2 sowie der Feder 10 mit ausgewählter Federrate
und Vorspannung kann der Konstrukteur die Durchmesser des Dichtelements 14 und
der Dichtung 3E entsprechend gestalten, um eine gewünschte Charakteristik des
Abblaseventils zu erzielen.
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Das
Anschlagelement 13 kann neben seiner Wirkung als Federteller
und als Anschlagelement zum nach unten Drücken bzw. Bewegen des ersten Ventilkörpers 3 auch
als ein Ventilelement zum teilweisen oder vollständigen Verschließen des
Drosselkanals 11 dienen, wenn sich das Anschlagelement 13 in
seiner unteren Position befindet, in der es in Eingriff mit dem
ersten Ventilkörper 3 tritt.
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Darüber hinaus
wird der erste Ventilkörper 3 vorzugsweise
durch einen kolbenförmigen
Abschnitt 3G innerhalb einer zylindrischen Fläche 13A des
Anschlagelements 13 mit einem gewissen Spiel geführt, wie
in 5 gezeigt. Dieses Spiel ist erforderlich, um ein
gewisses Schwenken einer Achse 3F des ersten Ventilkörpers 3 gegenüber einer
Achse 2C des Magnetankers 2 zuzulassen, wenn das
Ventil als ein Ventil der Einsetzart gestaltet ist, wobei der Ventilsitz 52, mit
dem der erste Ventilkörper 3 in
Eingriff tritt, kein Bestandteil des Ventils, sondern des Gehäuses 50 ist,
in das das Abblaseventil eingesetzt wird. Aufgrund von Fertigungstoleranzen
soll durch diese vorgegebene Verschwenkung der Achse 3F des
Ventilkörpers 3 ein
gleichmäßiges Anliegen
der Dichtung 3E des Ventilkörpers 3 an dem Ventilsitz 52 des
Turboladergehäuses 50 gewährleistet
werden. Aus demselben Grund ist die Ringscheibe 14B an
dem ersten Ventilkörper 3 radial
beweglich angeordnet, um ein Kippen des ersten Ventilkörpers 3 zu
ermöglichen.
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Es
soll nun die Betriebsweise zum Öffnen und
Schließen
des Abblaseventils anhand der Figuren näher erläutert werden.
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In
dem in den 1 und 5 dargestellten geschlossenen
Zustand des Abblaseventils liegt die Dichtung 3E des ersten
Ventilkörpers 3 an
dem Dichtsitz 52 des Turboladergehäuses 50 an, um zwischen dem
ersten Ventilanschluß 31 und
dem zweiten Ventilanschluß 32 abzudichten,
so daß kein
Durchfluß zwischen
den beiden Ventilanschlüssen 31, 32 möglich ist.
In diesem Zustand ist der zweite Ventilkörper 4 geöffnet und
ermöglicht,
daß der
an dem ersten Ventilanschluß 31 anstehende Überdruck
P1 in den Ventilinnenraum 9 gelangt, der wiederum über das Dichtelement 14 gegenüber dem
zweiten Ventilanschluß 32 abgedichtet
ist. Auf diese Weise wirken auf die Stirnseite 3B des ersten
Ventilkörpers 3 und
die Rückseite 3D des
ersten Ventilkörpers 3 bei
gleichem Druck (P1 = P3) im wesentlichen dieselben Fluidkräfte, wenn
der wirksame Durchmesser der Dichtung 3E gleich dem des
Dichtelements 14 ist. Je nach Auslegung des Ventils kann
der Durchmesser des Dichtelements 14 jedoch auch etwas
größer oder
kleiner als der Durchmesser der Dichtung 3E gestaltet werden. Auf
diese Weise kann der Konstrukteur gewünschte Kräfteverhältnisse in Verbindung mit der
Kraft des Aktuators 2 und der Kraft der Feder 10 einstellen.
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Wenn
das Ventil geöffnet
werden soll, wird elektrischer Strom über den elektrischen Anschluß 8 zu
der Spule 7 zugeführt,
um die Spule 7 zu erregen. Dadurch wird der Magnetanker 2 nach
oben gezogen und nimmt den zweiten Ventilkörper 4 sowie den Federteller 13 mit.
Dadurch wird der zweite Ventilkörper 4 mit
dem Ventilsitz 3C in Eingriff gebracht, der innerhalb des
Ventilkörpers 3 ausgebildet
ist, wie in den 2 und 6 gezeigt
ist. Durch den Eingriff des zweiten Ventilkörpers 4 mit dem Ventilsitz 3C wird
der Ventildurchlaß 3A zwischen
dem ersten Ventilanschluß 31 und
dem Ventilinnenraum 9 geschlossen. Wenn durch die weitere
Aufwärtsbewegung
des Magnetankers 2 mit dem zweiten Ventilkörper 4 der
erste Ventilkörper 3 geringfügig von
seinem Sitz 52 abgehoben wird, kann der Druck P3 in dem
Ventilinnenraum 9 über
den Drosselkanal 11 abströmen.
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Aufgrund
der geringfügigen Öffnung des
ersten Ventilkörpers 3 stellt
sich in dem Fluiddurchtritt 33 zwischen dem ersten Ventilanschluß 31 und
dem zweiten Ventilanschluß 32 ein
Venturi-Effekt aufgrund des dynamischen Druckabfalls ein, der zu
einem starken Unterdruck P4 führt.
Dieser dynamische Druckabfall wird genutzt, um über den Drosselkanal 11 den
Fluiddruck P3 aus dem Ventilinnenraum 9 schnell abzulassen.
Aufgrund der Verringerung des Fluiddrucks P3 in dem Ventilinnenraum 9 wird
nun der Ventilkörper 3 aufgrund
des Überdrucks
P1 an dem ersten Ventilanschluß 31 nach
oben, d.h. in eine Öffnungsrichtung
bewegt. Der Venturi-Effekt kann sogar dazu führen, daß sich in dem Ventilinnenraum 9 zumindest
zeitweise ein Unterdruck einstellt, der den Ventilkörper 3 nach
oben saugt. Der vollständig geöffnete Zustand
des Abblaseventils, d.h. des Ventilkörpers 3, ist in den 3 und 7 dargestellt.
In diesem Zustand ist der zweite Ventilkörper 4 aufgrund der
Zugkraft des Magnetankers 2 geschlossen.
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Wenn
ausgehend von dem in 3 und 7 dargestellten
vollständig
geöffneten
Zustand des Abblaseventils dieses geschlossen werden soll, erfolgt
dies einfach durch Unterbrechen der Stromzufuhr zu der Spule 7 über den
elektrischen Anschluß 8.
Dadurch wird die elektromagnetische Kraft auf den Magnetanker 2 aufgehoben,
so daß die
Feder 10 den Federteller 13 mit dem zweiten Ventilkörper 4 und dem
Magnetanker 2 nach unten drücken kann, um den zweiten Ventilkörper 4 von
dem Dichtsitz 3C des ersten Ventilkörpers 3 abzuheben.
In anderen Worten öffnet
der zweite Ventilkörper 4 den
Ventildurchlaß 3A,
wie insbesondere in den 4 und 8 dargestellt.
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Dadurch
wird eine Verbindung des Ventilinnenraums 9 mit einer Staudruckseite,
d.h. der Stirnseite 3B des ersten Ventilkörpers 3,
geschaffen, um den Staudruck bzw. Überdruck P1 in den Ventilinnenraum 9 einzuleiten.
Dieser in den Ventilinnenraum 9 eingeleitete Überdruck
P1 hilft zusammen mit der Feder 10 den Ventilkörper 3 in
eine Schließrichtung
zu bewegen. Dies kann vorzugsweise dadurch beschleunigt werden,
daß der
Drosselkanal 11 durch das Anschlagelement 13 teilweise
oder vollständig geschlossen
wird. Alternativ oder zusätzlich
kann der Drosselkanal 11 vorzugsweise so gestaltet sein,
daß ein
Strömungswiderstand
durch den Drosselkanal 11 bzw. die Vielzahl der Drosselkanäle 11 höher ist
als ein Strömungswiderstand
durch den Ventildurchlaß 3A.
Durch entsprechendes Anpassen dieser Strömungswiderstände sowie
des Strömungswiderstands
an dem Ringspalt des Dichtelements 14 kann eine gewünschte Charakteristik
des Abblaseventils erzielt werden.
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Somit
wird der erste Ventilkörper 1 im
geschlossenen, in den 1 und 5 gezeigten
Zustand durch die auf die Rückseite 3D wirkende
Fluidkraft zugehalten, so daß nur
eine geringe Federkraft der Feder 10 erforderlich ist,
um das Abblaseventil geschlossen zu halten. Andererseits wird nur
eine geringe Kraft des Aktuators 2, 7 benötigt, um
zum Öffnen
des Abblaseventils den kleinen zweiten Ventilkörper 4 zu schließen, weil
der erste Ventilkörper 3 nach
dem Ablassen des Ventilinnendrucks P3 durch den an der Stirnseite 3B anstehenden
Staudruck P1 geöffnet
wird. Vorzugsweise stellt sich in dem Ventilinnenraum 9 sogar
ein Unterdruck ein, wenn das Fluid aus dem Ventilinnenraum 9 über den
Drosselkanal 11 mittels des Venturi-Effekts an dem Fluiddurchtritt 33 abgesaugt
wird.
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Somit
kann eine schwache Feder eingesetzt werden und/oder ein kleiner
verhältnismäßig schwacher
Aktuator 2, 7, der einen geringen Strombedarf sowie
eine geringe Wärmeentwicklung
hat. Trotzdem kann das Abblaseventil in sehr kurzer Zeit geöffnet und
geschlossen werden. Darüber
hinaus kann ein Flattern des ersten Ventilkörpers 3 in der Anfangsphase
des Öffnens
aufgrund des dynamischen Druckabfalls in dem Fluiddurchtritt aufgrund
des Venturi-Effekts durch das Vorhandensein des Drosselkanals 11 verhindert
werden. Vorzugsweise sind am Umfang der Stirnseite 3B in
Gegenüberlage
zu dem Ventilsitz 52 mehrere Drosselkanäle 11, vorzugsweise
drei, im Abstand von 120° voneinander
angeordnet, um einen gleichmäßigen Druck
am Umfang des Fluiddurchtritts 33 zu gewährleisten.
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Die
in dem Abblaseventil auftretenden Öffnungs- und Schließkräfte werden
vorzugsweise so ausgelegt, dass das Abblaseventil, d.h. der erste Ventilkörper 3 des
Abblaseventils, zumindest bei niedriger Versorgungsspannung der
Magnetspule 7 und hoher Betriebstemperatur, d.h. bei niedrigem Stromfluß durch
die Magnetspule 7 hindurch, im drucklosen Zustand nur geringfügig öffnet, beispielsweise
ca. 0,5 bis 2 mm und erst durch den am ersten Ventilanschluß 31 wirkenden
Betriebsüberdruck
P1 vollständig
geöffnet
wird, beispielsweise ca. 3 bis 8 mm. Es soll jedoch nicht auf diesen
Bereich beschränkt
sein, sondern es können
je nach Einsatzzweck und Baugröße des Ventils
auch andere Bereiche gewählt
werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche abgewandelt
werden. Insbesondere muß der
Aktuator nicht ein elektromagnetischer Aktuator sein, sondern es
kann jeder andere Aktuator wie beispielsweise ein pneumatischer
oder hydraulischer Aktuator oder ein Stellmotor eingesetzt werden.
Darüber
hinaus müssen
der zweite Ventilkörper 4 und
der Federteller 13 nicht über die Verdickung 2A an
dem Magnetanker 2 befestigt werden, sondern es kann auch ein
Kardangelenk oder eine andere Art der Befestigung zum Einsatz kommen.
Das Abblaseventil muß nicht
zwangsläufig
in einem Turbolader eingesetzt werden, sondern kann auch an anderer
Stelle zur Anwendung kommen. Dabei kann das Ventil neben dem Steuern
von Gasen auch zum Absperren von Flüssigkeiten verwendet werden.
Das Ventil muß auch nicht
in der sogenannten Einsetzart gestaltet sein, sondern kann ein eigenes
Untergehäuse
aufweisen, das den entsprechenden Ventilsitz 52 aufweist.
-
- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Magnetanker
- 2A
- Abschnitt
mit geringem Durchmesser
- 2B
- Verdickung
- 2C
- Achse
- 3
- erster
Ventilkörper
- 3A
- Ventildurchlaß
- 3B
- Stirnseite
- 3C
- Ventilsitz
- 3D
- Rückseite
- 3E
- Dichtung
- 3F
- Achse
- 3G
- kolbenförmiger Abschnitt
- 3H
- Montagering
- 4
- zweiter
Ventilkörper
- 5
- Dichtung
- 6
- Flansch
- 7
- Magnetspule
- 8
- elektrischer
Anschluß
- 9
- Ventilinnenraum
- 10
- Feder
- 11
- Drosselkanal
- 12
- Lagerschale
- 12A
- Trägerelement
- 13
- Anschlagelement
- 13A
- Zylinderführung
- 14
- Dichtelement
- 14A
- Dichtlippe
- 14B
- Ringscheibe
- 15
- axialer
Dichtsitz
- 31
- erster
Ventilanschluß
- 32
- zweiter
Ventilanschluß
- 33
- Fluiddurchtritt
- 50
- Turboladergehäuse
- 52
- Dichtsitz