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Die
Erfindung betrifft ein 3/2-Wege-Ventil nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Mit derartigen Ventilen, meist Magnetventilen, kann
der Zufluss aus zwei verschiedenen Zuführungen gesteuert einem Abfluss
zugeleitet werden. Während
des Umschaltvorgangs von einem Zufluss auf den anderen Zufluss gibt
es jedoch stets eine Phase, bei der die Schalteinheit bzw. der Magnetanker
sich zwischen den beiden Endpositionen befindet und beide Zuflüsse zumindest
geringfügig
freigegeben sind. Dadurch kann es zu einer Durchmischung der zugeführten Medien
kommen, und es ist möglich,
dass ein Medium zumindest in geringem Umfang in den Zufuhrleitungsbereich
für das
andere Medium eintritt. Für
Medien bzw. Fluide, die strikt voneinander getrennt werden müssen, sind
derartige Ventile daher nicht geeignet.
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Beispielsweise
für die
umschaltbare Dosierung von Harnstofflösung oder Druckluft kommen
daher bislang insbesondere bei Großmotoren, Schiffsdieseln oder
schwerölbetriebenen
Motoren 3/2-Wege-Kugelhahnventile zum Einsatz. Bei diesen ist zwar
stets nur entweder die Harnstofflösung-Zufuhr oder die Druckluftzufuhr
geöffnet,
und eine Vermischung beider Substanzen wird sicher vermieden, jedoch
handelt es sich bei der Regelung über Kugelhahnventile nicht
um eine Dosierung im eigentlichen Sinne. Der 3/2-Wege-Kugelhahn
wird über
einen Elektromotor und eine Kupplung gesteuert. Diese Steuerung
ist einerseits träge
und bietet andererseits keine Ausfallsicherheit. Bei Stromausfall
soll nämlich stets
die Harnstofflösungszufuhr
geschlossen und die Luftzufuhr geöffnet sein, wenn der Motor
steht. Dies könnte
bei den herkömmlichen
Kugelhahnventilen nur mit umständlichen
mechanischen Lösungen bewerkstelligt
werden.
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Dem
gegenüber
sind insbesondere Magnetventile präziser und verzögerungsarm
steuerbar, und es kann problemlos ein Ruhezustand festgelegt werden,
das das Ventil in jedem Fall einnimmt, wenn es unbestromt ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein 3/2-Wege-Ventil
zu schaffen, das eine Vermischung der zugeführten Medien bzw. Fluide sicher
ausschließt
und auch als Magnetventil ausführbar
ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ventil mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Ausschluss einer Vermischung der dosierten Fluide kann dabei dadurch
sichergestellt werden, dass die zwei Ventilsitzdichtelemente der Schalteinheit
relativ zueinander so weit beweglich bzw. verschiebbar mit der Schalteinheit
verbunden sind, dass eine Zwischenposition herbeigeführt werden
kann, in der beide Ventilsitze durch die Ventilsitzdichtelemente
abgedichtet werden. Erst nach Erreichen dieser Zwischenposition
wird dann der jeweils andere Ventilsitz freigegeben, so dass das
bisher geblockte Medium einströmen
kann.
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Die
Ventilsitzdichtelemente sind dabei in Bezug zur Schalteinheit so
anzuordnen, dass bei einer Umschaltbewegung des Ventils von einem
auf das andere Fluid die Schalteinheit zunächst einen ersten Teilhub bzw.
Leerhub ausführt,
durch den das bisher nicht am Ventilsitz anliegende Ventilsitzdichtelement an
seinem Ventilsitz zur Anlage kommt, während das bisher abdichtende
Ventilsitzdichtelement in abdichtender Lage verbleibt. Anschließend wird
ein zweiter Teilhub bzw. Haupthub ausgeführt, durch den das bisher abdichtende
Ventilsitzdichtelement sich vom Ventilsitz abhebt und die Zufuhr
des nun gewählten Fluids
freigibt.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen und
einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das im Folgenden beschrieben wird; es zeigen jeweils im Schnitt:
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1 ein
erfindungsgemäßes Ventil
als Magnetventil in stromlosem Ruhezustand,
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2 das
Ventil aus 1 während des Umschaltvorgangs,
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3 das
Ventil aus 1 im bestromten Schaltzustand
und
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1a bis
c den Gegenstand der 1 bis 3 mit durch
Pfeilen symbolisiertem Fluidfluss.
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Bei
dem dargestellten 3/2-Wege-Ventil handelt es sich um ein Magnetventil,
das über
einen Magneten 1 mit Steueranschluss 2 verfügt, der
auf eine im Inneren eines Ventilkörpers 3 angeordnete
Schalteinheit 4 wirkt, die hier als Magnetanker 4 ausgebildet
ist. Der Ventilkörper 3 hat
einen Zufuhranschluss 5 mit Zufuhröffnung 6, über die
ein erstes Fluid, hier Harnstofflösung bzw. Urea einströmen kann,
wenn die Zufuhröffnung 6 nicht
verschlossen ist. Ein zweiter Zufuhranschluss 7 führt zu einer
zweiten Zufuhröffnung 8,
die das Einströmen
eines zweiten Fluides, hier Luft, er möglicht. Die Zufuhröffnung 6 mündet in einen
Ventilsitz 16, der mittels eines Ventilsitzdichtelementes 26 verschlossen
werden kann, während
die Zufuhröffnung 8 einen
Ventilsitz 18 aufweist, der über ein Ventilsitzdichtelement 28 verschließbar ist.
Beide Ventilsitzdichtelemente 26 und 28 verfügen über elastische
Dichtkörper 29,
vorzugsweise aus EPDM.
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Im
unbestromten Grundzustand entsprechend 1 sitzt
das untere Dichtelement 26 auf dem Ventilsitz 16 auf.
Dies wird dadurch sichergestellt, dass der Magnetanker 4 in
diese Richtung vorgespannt ist, nämlich bei der dargestellten
Ausführungsform
durch zwei Druckfedern 9. Die zugeführte Druckluft 20,
symbolisiert durch Pfeile 20, umströmt dabei den Magnetanker durch
zwei Schlitze 11 und verlässt das Ventil über eine
Abströmöffnung 12 und einen
Abströmanschluss 13.
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Zum
Umschalten des Ventils von dem in 1 dargestellten
stromlosen Ruhezustand mit Zufuhr von Fluid 2 bzw. Druckluft 20 in
den in 3 dargestellten bestromten Zustand zur Dosierung
von Fluid 1 bzw. Urea 10, symbolisiert durch Pfeile 10, wird
der Magnet 1 bestromt, wobei das Magnetventil zwischenzeitlich
die in 2 dargestellte Umschaltphase einnimmt, in der
beide Fluidzuführungen 6, 8 geschlossen
sind. Dabei wird der Magnetanker 4 durch die Bestromung
des Magneten 1 nach oben gezogen. Das Ventilsitzdichtelement 26,
das bevorzugt verschieblich im Magnetanker 4 gelagert ist,
verbleibt dabei zunächst
während
eines ersten Teilhubs oder Leerhubs des Magnetankers 4 in
der in 2 dargestellten, die Zufuhröffnung 6 verschließenden Position.
Dazu ist das Ventilsitzdichtelement 26 gegen das Ventilsitzdichtelement 28 vorgespannt,
vorzugsweise wie dargestellt durch eine innere Druckfeder 14.
Der Magnetanker 4 ist vorzugsweise als Hülse ausgebildet
und nimmt die Ventilsitzdichtelemente 26 und 28 in
seinem Inneren auf. Um eine leichte Bewegung der Ventilsitzdichtelemente 26 und 28 im
Magnetanker 4 sicherzustellen, ist zwischen der Oberfläche der
Ventilsitzdichtelemente 26, 28 und der berührenden
Oberfläche
des Magnetankers 4 jeweils ein reibungsvermindernder Luftspalt 15 vorgesehen. Außerdem verfügen die
Dichtelemente 26, 28 über Öffnungen 17 zum Druckausgleich.
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Während das
obere Ventilsitzdichtdichtelement 28 im Ruhezustand gemäß 1 vom
oberen Ventilsitz 18 beabstandet war, wandert es während der
Umschaltphase gemäß 2 mit
dem Magnetanker 4 nach oben und verschließt den oberen Ventilsitz 18.
Dass dies nicht bereits im Ruhezustand gemäß 1 eintritt,
wird bei der dargestellten Ausführungsform
dadurch sichergestellt, dass die Ventilsitzdichtelemente 26, 28 jeweils
Schultern 21 aufweisen, die mit zugeordneten Vorsprüngen 22 des
Magnetankers 4 die Bewegung der Ventilsitzdichtelemente 26, 28 begrenzende
Anschläge 21/22 bilden.
Diese Anschläge 21/22 veranlassen
schließlich
bei weiterer Bewegung des Magnetankers 4 nach oben, bis dieser
am Polschuh 19 zur Anlage kommt, dass beim zweiten Teilhub
bzw. Haupthub des Magnetankers 4 in die Position gemäß 3 das
untere Ventilsitzdichtelement 26 nach oben mitbewegt wird
und den Ventilsitz 16 zur Zuführung von Fluid 1 bzw.
Urea 10 freigibt.
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Der
Magnetanker 4 mit den Ventilsitzdichtelementen 26, 28 ist
besonders einfach herstellbar und montierbar, wenn er eine Buchse 23 umfasst,
die die Ventilsitzdichtelemente 26, 28 – bei der
dargestellten Ausführungsform
mit innen liegenden Ventilsitzdichtelementen 26, 28 gegen
Herausfallen – sichert.
Die Buchse 23 kann ein- oder
aufgepresst sein oder für
eine eventuelle Demontage auch durch eine Schraubverbindung mit
dem Magnetanker 4 verbunden sein. Bei der dargestellten
Ausführungsform
bildet die Buchse 23 gleichzeitig die unteren Vorsprünge 22 und
stellt sicher, dass im unteren Bereich des Ventils ein Ringspalt
für den
Abfluss des Fluides verbleibt, auch wenn die untere Zufuhröffnung 6 durch Aufliegen
des Ventil sitzdichtelementes 26 geschlossen ist. Die Buchse 23 nimmt
dabei eine Anschlagposition ein und dient als Abstandhalter zwischen
Magnetanker 4 und Abströmöffnung 12 (siehe 1).
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Um
eine sichere Funktion des Ventils in jedem Arbeitszustand zu gewährleisten,
sind vorteilhaft die Vorspannkräfte
F1, die auf den Magnetanker 4 wirken, sowie die Vorspannkräfte F2,
die auf die Ventilsitzdichtelemente 26, 28 wirken,
so aufeinander abgestimmt, dass F1 > F2 ist. Eine ähnliche Sicherheit in der Funktion
wird dadurch erreicht, dass die Summe der Bewegungsstrecken der
Ventilsitzdichtelemente 26, 28, nämlich h1
+ h2 gleich oder geringfügig
größer als
der Gesamthub- bzw. maximale Hub H des Magnetankers 4 ist,
auch wenn dies sich in gewissem Umfang auch durch die Elastizität des Materials
der elastischen Dichtkörper 29 verwirklichen lässt.
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Die
Aufteilung der Bewegungen auf zwei Teilhübe bzw. einen Leerhub und einen
Haupthub kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der maximale
Abstand V1, V2 zwischen einem Ventilsitzdichtelement 26, 28 und
seinem zugeordneten Ventilsitz 16, 18 bevorzugt
geringfügig
kleiner oder gleich der Bewegungsstrecke h2, h1 des jeweils anderen,
gegenüberliegenden
Ventilsitzdichtelementes 28, 26 ist. Der Unterschied
zwischen den Abständen V1,
V2 und den Bewegungsstrecken h2, h1 entspricht dabei dem Einfederweg,
mit dem ein Ventilsitzdichtelement 26, 28 von
seinem Ventilsitz 16, 18 auch im Leerhub eventuell
bereits zurückgedrückt wird.
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Das
erfindungsgemäße 3/2-Wege-Ventil stellt
sicher, dass sich die zugeführten
Fluide 1 und 2 niemals vermischen. Insbesondere
kann Fluid 1/Urea 10 nicht in die zuführenden
Kanäle
hinter der Zufuhröffnung 8 für das Fluid 2/Druckluft 20 gelangen.
Dies ist sehr wichtig, da Harnstofflösung extrem korrosiv ist. Auf
diese Art und Weise kann kostensparend das gesamte Druckluftsystem
aus Materialien gefer tigt werden, die den erhöhten Anforderungen an das Urea-System
nicht gerecht werden müssen.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil
sind aber bevorzugt die Teile, die mit dem Fluid 1/Urea 10 in
Berührung kommen
aus hoch korrosionsbeständigem
Material, insbesondere einem entsprechenden Stahl gefertigt.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
stellt als Magnetventil zudem auf einfache Weise sicher, dass in
einem unbestromten Ruhezustand die Zuführung des Fluides 1/Urea 10 sicher
gestoppt ist und die Zufuhr von Fluid 2/Druckluft 20 offen
ist, da der Magnetanker 4 bei unbestromtem Magneten 1 durch
seine Vorspannung stets die in 1 dargestellte
Ruheposition einnimmt. Das erfindungsgemäße Magnetventil ist in besonderem
Maße ausfallsicher.
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Auch
wenn dies nicht dem primären
Verwendungszweck des Ventils entspricht, ist es selbstverständlich,
dass das erfindungsgemäße Magnetventil auch
als Proportionalventil ausgelegt werden kann, bei dem die Stromstärke des
Magneten 1 so gesteuert wird, dass die Position der 2 während der Umschaltphase
nicht nur temporär,
sondern dauerhaft erhalten wird. Dazu müssen Magnet- und Federkräfte ausgeglichen
sein. Beide Öffnungen 6 und 8 bleiben
so wenn gewünscht
dauerhaft verschlossen.
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Die
dargestellte Ausführungsform
der Erfindung zeigt ein 3/2-Wege-Magnetventil. Die Erfindung kann
aber auch auf andere Weise, d. h. nicht als Magnetventil verwirklicht
werden. Dabei ist dann die Schalteinheit kein Magnetanker und wird
beispielsweise über
einen externen Motor zur Veränderung der
Schaltzustände
zum Beispiel über
eine Excenterwelle betätigt.