Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.

Stand der Technik

Im Bereich der Fahrzeugentwicklung sind gasförmige Kraftstoffe eine Alternative zu den herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen, insbesondere Wasserstoff. Bei

Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelle als Antrieb ist es dabei notwendig, Wasserstoffgasströme zu steuern, wobei die Gasströme nicht diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert werden, sondern es werden beispielsweise Proportionalventile verwendet, welche in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt anpassen. Die Menge des Wasserstoffgasstroms von dem Proportionalventil zur Brennstoffzelle ist durch einen Hub eines Ankernadel des Proportionalventils einstellbar. Für eine genaue Justierung und Feineinstellung, ist eine präzise Einstellung des Hubs der Ankernadel notwendig.

Die Genauigkeit des Proportionalventils hängt unter anderem von Fertigungstoleranzen der verwendeten Feder ab, welche eine Vorspannkraft auf das Dichtelement ausübt. Für eine präzise Justierung ist aus der Druckschrift US 4610080 A ein Verfahren zum Steuern einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, wobei der Hub der Ankernadel gemessen wird und in Abhängigkeit von dem gemessenen Hub Zwischenscheiben eingesetzt werden, welche die Vorspannkraft beeinflussen. Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist den Vorteil auf, dass die Feinjustierung des Hubs der Ankernadel auf eine einfache Weise mit einem fest integrierten Bauteil erfolgt, wobei gleichzeitig eine lokale Anpassung der Materialeigenschaften des Bauteils an die Funktion im Proportionalventil erzielt wird. Hierzu weist Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, einen Ventilkörper auf, in welchem ein Hohlraum ausgebildet ist. In dem Hohlraum ist eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung angeordnet. Weiterhin weist die Dosiervorrichtung eine Magneteinrichtung auf, durch welche eine Magnetkraft auf die Magnetankervorrichtung erzeugbar und die Magnetankervorrichtung hubbewegbar ist. Darüber hinaus umfasst der Ventilkörper eine Hülse, wobei die Hülse die Magneteinrichtung gegen den Hohlraum abdichtet und wobei die Hülse einen ersten Hülsenteil und einen zweiten Hülsenteil umfasst.

Durch den Einsatz einer Hülse ist eine Feinjustierung des Hubs der Ankernadel möglich. Weiterhin kann durch die Aufteilung der Hülse in einen ersten Hülsenteil und einen zweiten Hülsenteil eine optimale Anpassung an die Funktion in der Dosiervorrichtung erzielt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Abdichtung der Magneteinrichtung von dem Hohlraum der Dosiervorrichtung. So kann die Magneteinrichtung nicht mit dem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, in Kontakt treten, was andernfalls zu Verschleiß und Abnutzung der Magneteinrichtung führen würde.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das erste Hülsenteil und das zweite Hülsenteil aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Dadurch kann das erste Hülsenteil und das zweite Hülsenteil je nach räumlicher Anordnung in der Dosiervorrichtung an die funktionalen Gegebenheiten an der jeweiligen Position angepasst werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Hülsenteil aus einem magnetischen Werkstoff, beispielsweise einem ferritischen Stahl, hergestellt. Dies eignet sich besonders bei der Anbringung des ersten Hülsenteils in der Nähe eines magnetischen Flusses.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Hülsenteil aus einem schwach magnetischen Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, hergestellt. Dadurch eignet sich das zweite Hülsenteil besonders zur magnetischen Trennung in der Dosiervorrichtung.

Durch die Anpassung der Materialeigenschaften des ersten Hülsenteils und des zweiten Hülsenteils an die jeweilige räumliche Anordnung wird ebenfalls geringer Verschleiß und damit eine hohe Lebensdauer der Hülse begünstigt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Hülsenteil und das zweite Hülsenteil formschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise durch eine Schweißnaht. So wird eine kompakte Anordnung und Ausrichtung der Hülse in der Dosiervorrichtung erzielt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens umgibt das erste Hülsenteil einen in dem Hohlraum angeordneten Pol umgibt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Magnetankervorrichtung eine Ankernadel und einen Magnetanker umfasst.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Magnetankernadel mit einem Dichtelement zum Öffnen und Schließen mindestens einer Durchlassöffnung zusammenwirkt.

Durch die Hubbewegung des Magnetankers und damit der Ankernadel kann über die Durchlassöffnung auf einfache Weise ein Wasserstoffdurchfluss gesteuert werden. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen einem Wandabschnitt des Düsenkörpers und der Magnetankernadel eine Feder angeordnet ist und die Feder die Ankernadel in Richtung des Dichtelements federbeaufschlagt. Dies gewährleistet die Abdichtung der Dosiervorrichtung bei ausgeschalteter Magnetspule, so dass kein Wasserstoffdurchfluss möglich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wandabschnitt des Düsenkörpers eine Vertiefung umfasst, wodurch der Wandabschnitt durch eine Krafteinwirkung von außen in axialer Richtung derart verformbar ist, dass die Vorspannkraft der Feder einstellbar ist. So kann auf einfache Weise im Betrieb Fehlertoleranzen bei der Herstellung der Dosiervorrichtung ausgeglichen werden. Durch Ausüben einer Kraft auf den Wandabschnitt kann die Vorspannkraft der Feder erhöht und somit der Hub der Ankernadel beeinflusst werden. Der Wandabschnitt ist dabei derart verformbar, so dass auch nach Beendigung der Krafteinwirkung die Verformung anhält. Dies ermöglicht ohne konstruktive Umgestaltung der Dosiervorrichtung eine präzise Justierung der Dosiervorrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform umgibt das zweite Hülsenteil zumindest teilweise den Magnetanker. Somit wird eine kompakte Bauweise des Dosierventils erzielt.

Die beschriebene Dosiervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit einer Hülse im Längsschnitt,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Dosiervorrichtung mit einer Hülse aus der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung und im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 1 im Längsschnitt. Die Dosiervorrichtung 1 weist einen Ventilkörper 2 mit einem Hohlraum 3 auf. An dem Ventilkörper 2 ist eine Magneteinrichtung 7 angeordnet, wobei die Magneteinrichtung 7 eine Magnetspule 12 und einen Pol 22 umfasst. Der Pol 22 ist in dem Hohlraum 3 angeordnet und wird von einer Hülse 21 umgeben, wobei die Hülse 21 einen Teil des Ventilkörpers 2 bildet.

In dem Hohlraum 3 ist weiterhin eine Magnetankervorrichtung 5 angeordnet, welche eine Ankernadel 51 und einen Magnetanker 52 umfasst. Die Ankernadel 51 und die Hülse 21 begrenzen einen Federraum 32, wobei der Federraum 32 als Teil des Hohlraums 3 ausgebildet ist. In dem Federraum 32 ist eine Feder 6 angeordnet, welche sich einerseits an einem Wandabschnitt 10 der Hülse 21 und andererseits an einem an der Ankernadel 51 ausgebildeten Federteller 25 abstützt. Die Ankernadel 51 weist einen ersten Führungsabschnitt 13 mit einer ersten Dichtung 24 an der Hülse 21 auf und ragt über den Federraum 32 hinaus in einen Magnetankerraum 33 hinein.

Der Magnetankerraum 33 ist durch den Ventilkörper 2 und eine zweite Dichtung 26 an einem zweiten Führungsabschnitt 14 der Ankernadel 51 in dem Ventilkörper 2 begrenzt und ist als Teil des Hohlraums 3 ausgebildet. Die Ankernadel 51 ist über die erste Dichtung 24 und die zweite Dichtung 26 in dem Ventilkörper 2 geführt. In dem Magnetankerraum 33 ist der Magnetanker 52 angeordnet. Die Ankernadel 51 ragt im Bereich des zweiten Führungsabschnitts 14 über den Magnetankerraum 33 hinaus in einen Austrittsbereich 31, wobei der Austrittsbereich 31 als Teil des Hohlraums 3 ausgebildet ist. In dem Austrittsbereich 31 ist eine Austrittsöffnung 91 ausgebildet. Weiterhin ist in dem Austrittsbereich 31 ein Schließelement 8 angeordnet, welches mit der Ankernadel 51 fest verbunden ist. Das Schließelement 8 weist an seinem der Ankernadel 51 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 15 auf. Der Ventilkörper 2 umfasst einen Düsenkörper 28, welcher eine Durchlassöffnung 4 aufweist, wodurch der Eintrittsbereich 92 mit dem Austrittsbereich 31 verbindbar ist. An dem Düsenkörper 28 ist ein flacher Ventilsitz 16 ausgebildet, welcher mit dem elastischen Dichtelement 15 des Schließelements 8 zusammenwirkt, so dass beim Aufliegen des elastischen Dichtelements 15 auf dem flachen Ventilsitz 16 die Durchlassöffnung 4 geschlossen ist.

Der Ventilkörper 2 der Dosiervorrichtung 1 ist zum Schutz vor äußeren Einflüssen von einer Kunststoffumspritzung 23 umgeben.

Fig.2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Ausführungsbeispiels der Fig.l im Bereich der Hülse 21. Die Hülse 21 umfasst einen ersten Hülsenteil 211 und einen zweiten Hülsenteil 212. Das erste Hülsenteil 211 umgibt den Pol 22 vollständig, wobei das zweite Hülsenteil 212 teilweise den Magnetanker 52 umgibt. Das erste Hülsenteil 211 und das zweite Hülsenteil 212 sind mittels eines Umformprozesses kostengünstig hergestellt und durch eine Schweißnaht fest miteinander verbunden.

Das erste Hülsenteil 211 ist aus einem magnetischen Werkstoff, beispielsweise einem ferritischen Stahl, hergestellt. Dies begünstigt den magnetischen Fluss um den Pol 22.

Das zweite Hülsenteil 212 ist aus einem schwach magnetischen Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, hergestellt, so dass eine magnetische Trennung ermöglicht wird.

Der Wandabschnitt 10 des ersten Hülsenteils 211 und die Kunststoffumspritzung 23 an dem Wandabschnitt 10 weisen in einer axialen Richtung 34 eine Vertiefung 11 auf, so dass durch eine Krafteinwirkung von außerhalb der Dosiervorrichtung, beispielsweise durch ein Werkzeug oder ein anderes Bauteil, ein Hülsenbodenabschnitt 213 des ersten Hülsenteils 211 verformt werden kann. Durch die Krafteinwirkung wird eine dauerhafte Verformung des Hülsenbodenabschnitts 213 des ersten Hülsenteils 211 erreicht. So kann die Vorspannkraft der Feder 6 flexibel an die Betriebsbedingungen der Dosiervorrichtung 1 angepasst werden. Funktionsweise der Dosiervorrichtung 1

Bei nicht bestromter Magnetspule 12 wird das Schließelement 8 über die Feder 6 an den Ventilsitz 16 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Eintrittsbereich 92 und dem Austrittsbereich 31 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.

Wird die Magnetspule 12 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 52 erzeugt, welche der Schließkraft der Feder 6 entgegengerichtet ist. Diese magnetische Kraft wird über die Ankernadel 51 auf das Schließelement 8 übertragen, so dass die Schließkraft der Feder 6 überkompensiert wird und das Schließelement 8 vom Ventilsitz 16 abhebt. Ein Gasdurchfluss vom Eintrittsbereich 92 über die Durchlassöffnung 4 in den Austrittsbereich 31 ist freigegeben.

Der Hub des Schließelements 8 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 12 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 12, desto größer ist der Hub des Schließelements 8 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss in der Dosiervorrichtung 1, da die Kraft der Feder 6 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 12 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 8 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.

Wird der Strom an der Magnetspule 12 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 52 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 8 mittels der Ankernadel 51 reduziert wird. Das Schließelement 8 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 4 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 15 an dem Ventilsitz 16 ab. Der Gasdurchfluss in der Dosiervorrichtung 1 ist unterbrochen.

Alternativ können der Eintrittsbereich 92 und der Austrittsbereich 31 vertauscht werden, so dass eine Durchflussumkehr in der Dosiervorrichtung 1 erfolgt. Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels der Dosiervorrichtung 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 12 der Dosiervorrichtung 1 , durch welche der Hub des Schließelements 8 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 4 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.

Die Dosiervorrichtung 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 4 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.