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Title:
ELECTROMAGNETIC VALVE AND AIR DIVERTER VALVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197533
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electromagnetic valve, in particular a pilot valve (5) for controlling a main valve (3), such as a pilot-controlled valve within an air diverter valve, comprising: at least one valve element (31, 31') operatively connected to at least one armature (37, 37') that can move along a first axis (A, A'); at least one coil element (35, 35', 41', 43'), wherein a movement of the armature and/or the valve element can be achieved by energising the coil element; and at least one sensing element by means of which at least one parameter of the coil element can be detected, said parameter allowing the position of the armature and/or the valve element to be determined.

Inventors:
SCHANDER, Klemens (Hanauer Landstraße 16, Bad Soden-Salmünster, 63628, DE)
DIESSL, Björn (Hanauer Landstraße 16, Bad Soden-Salmünster, 63628, DE)
DINGES, Stefan (Hanauer Landstraße 16, Bad Soden-Salmünster, 63628, DE)
Application Number:
EP2019/059264
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 11, 2019
Export Citation:
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Assignee:
WOCO INDUSTRIETECHNIK GMBH (Hanauer Landstraße 16, Bad Soden-Salmünster, 63628, DE)
International Classes:
F16K31/08; F02B37/16; F16K31/06; F16K31/128; F16K37/00; H01F7/18
Domestic Patent References:
WO2002033227A12002-04-25
Foreign References:
DE102005041873A12007-03-08
US3789876A1974-02-05
DE102016002677A12017-09-07
DE102015209195A12015-12-03
DE19631909A11997-02-13
DE102016200118A12017-07-13
DE202016104363U12017-11-10
DE202016104363U12017-11-10
Attorney, Agent or Firm:
SCHMID, Nils T. F. (Boehmert & Boehmert Anwaltspartnerschaft MBB, Pettenkoferstraße 22, München, 80336, DE)
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Claims:
Schiitzanspriiche

1. Elektromagnetisches Ventil (5), insbesondere Pilotventil (5) zur Steuerung eines Hauptventils (3), wie eines vorgesteuerten Ventils innerhalb eines

Schubumluftventils, umfassend zumindest ein mit zumindest einem entlang einer ersten Achse (A,A‘) bewegbaren Anker (37,37‘) in Wirkverbindung stehendes Ventilglied (31, 3G) und zumindest ein Spulenelement (35, 35‘, 4G, 43‘), wobei mittels eine Bestromung des Spulenelementes (35, 35‘, 4G, 43‘) eine Bewegung des Ankers (37, 37‘) und/oder des Ventilgliedes (31, 3 G) erreichbar ist, gekennzeichnet durch

zumindest ein Sensierelement mittels dem zumindest ein Parameter des

Spulenelementes (35, 35‘, 4G, 43‘) erfassbar ist, wobei mittels des Parameters die Position des Ankers (37, 37‘) und/oder des Ventilgliedes (31, 3l‘) bestimmbar ist.

2. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

das Spulenelement (35, 35‘, 4G, 43‘) zumindest bereichs weise, vorzugsweise zumindest bereichs weise koaxial, die erste Achse (A, A‘) und/oder den Anker (37, 37‘) umgibt.

3. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenelement (35‘) zumindest zwei Einzelspulen (4G, 43‘), vorzugsweise genau zwei Einzelspulen( 4l‘, 43‘), umfasst, wobei vorzugsweise die Einzelspulen (41‘, 43‘) entlang der ersten Achse (A‘) hintereinander angeordnet sind und/oder zumindest eine Einzelspule (41*, 43‘), insbesondere alle Einzelspulen (41 *, 43‘), vorzugsweise zumindest bereichsweise, insbesondere bereichsweise koaxial, die erste Achse (A‘) und/oder den Anker (37‘) umgibt bzw. umgeben.

4. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest ein Permanentmagnet (45‘) bezüglich der ersten Achse (A‘) zwischen zwei Einzelspulen (4G, 43‘) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der

Permanentmagnet (45‘) zumindest bereichsweise als Ringmagnet ausgebildet ist, insbesondere zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest bereichsweise koaxial die erste Achse (A‘) und/oder den Anker (37‘) umgibt.

5. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensierelement zumindest einen ersten Parameter einer ersten Einzelspule (4G) und/oder zumindest einen zweiten Parameter einer zweiten Einzelspule (43‘) erfasst, wobei vorzugsweise der Permanentmagnet (45‘) zwischen der ersten Einzelspule (4G) und der zweiten Einzelspule (43‘) angeordnet ist.

6. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit der Sensiereinrichtung, dem Spulenelement (35, 35‘), und/oder der Einzelspule (4G, 43‘), insbesondere der ersten Einzelspule (4G) und/oder der zweiten Einzelspule (43‘) in Wirkverbindung steht und/oder der Anker (37, 37‘) und/oder das Ventilglied (31, 3 G), vorzugsweise mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung, in zumindest zwei unterschiedliche Positionen entlang der ersten Achse (A, A‘) verfahrbar ist.

7. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

das Verfahren des Ankers (37, 37‘) und/oder des Ventilglieds (31, 3 G) durch Ansteuerung des Spulenelementes (35, 35‘), insbesondere der Einzelspule (4G, 43‘), vorzugsweise einer Mehrzahl, vorzugsweise aller Einzelspulen (41‘, 43‘), in

Abhängigkeit von einem, vorzugsweise der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mittels zumindest einem Soll-Wert Eingang zugeführten, Soll-Wert erfolgt.

8. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein Vergleich zwischen dem Soll- Wert und einer mittels der Sensiereinrichtung erfassten Ist-Position des Ankers und/oder des Ventilglieds durchführbar ist.

9. Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, dass

eine erste Position des Ankers (37, 37‘) und/oder des Ventilglieds (31, 3G) einer Geschlossenposition entspricht, in der vorzugsweise das Ventilglied (31, 3 G) auf zumindest einem Ventilsitz (13, 13‘), insbesondere zum Verschließen einer

Verbindung zwischen zumindest einem Ventileingang (11) und zumindest einem Ventilausgang (15), vorzugsweise dichtend, aufliegt und/oder eine zweite Position des Ankers (37, 37‘) und/oder des Ventilgliedes (31, 3G) einer Offenposition entspricht, in der vorzugsweise das Ventilglied (31, 3 G) zumindest bereichs weise von dem Ventilsitz (13, l3‘) abgehoben ist, insbesondere zum Öffnen einer Verbindung zwischen dem Ventileingang (11) und dem Ventilausgang (15).

10. Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Parameter, insbesondere der erste Parameter und/oder der zweite Parameter, zumindest eine Induktivität, zumindest einen ohmschen Widerstand, und/oder zumindest eine Impedanz, des Spulenelementes (35, 35‘) und/oder der Einzelspule (41*, 43‘), vorzugweise der ersten Einzelspule (4G) und/oder der zweiten

Einzelspule (43‘), umfasst.

11. Schubumluftventil (1) umfassend zumindest ein, vorzugsweise pneumatisches und/der hydraulisches, Hauptventil (3) und zumindest ein Pilotventil (5, 5‘) zur Steuerung des Hauptventils (3), wobei das Pilotventil in Form eines

elektromagnetischen Ventils (5, 5‘) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.

Description:
Elektromagnetisches Ventil und Schubumluftventil

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil (Elektromagnetisches Ventil, insbesondere Pilotventil zur Steuerung eines Hauptventils, wie eines vorgesteuerten Ventils innerhalb eines Schubumluftventils, umfassend zumindest ein mit zumindest einem entlang einer ersten Achse bewegbaren Anker in Wirkverbindung stehendes Ventilglied und zumindest ein Spulenelement, wobei mittels eine Bestromung des Spulenelementes eine Bewegung des Ankers und des Ventilgliedes erreichbar ist) sowie ein Schubumluftventil, umfassend ein solches Ventil.

Schubumluft ventile sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 20 2016 104 363 Ul der Anmelderin ein solches Schubumluftventil. Das Schubumluft ventil umfasst ein Hauptventil, mittels dem der Fluss zumindest eines Fluids, insbesondere innerhalb eines Kraftfahrzeugs, entlang eines Fluidpfades gesteuert werden kann. Das Hauptventil arbeitet pneumatisch, wobei eine Ansteuerung des Hauptventils über ein elektromagnetisches Steuer- bzw. Pilotventil erfolgt.

Dieses Schubumluftventil hat sich grundsätzlich bewährt, weil es insbesondere im Vergleich zu Schubumluftventilen, bei denen eine direkte elektromagnetische Ansteuerung des Hauptventils erfolgt, einen geringeren Energieverbrauch aufweist. So werden insbesondere die in dem Fluidpfad vorliegenden Drücke dazu genutzt, die Bewegung des Pilot- bzw. Steuerventils zu unterstützen und so dessen Energieverbrauch zu reduzieren.

Nachteilig an diesem Schubumluftventil ist jedoch, dass eine zusätzliche Sensoreinheit notwendig ist, um die Betriebsposition des Schubumluftventils, insbesondere des Pilotventils zu erfassen. Insbesondere ist es notwendig, dass an dem Ventilglied des Hauptventils bzw. des Pilotventils ein zusätzliches Sensorelement angeordnet werden muss. Dies führt dazu, dass ein gewisser Einbauraum für das Sensorelement zur Verfügung gestellt werden muss, wodurch das Bauvolumen erhöht wird, um eine ausreichende Strukturfestigkeit und damit Betriebssicherheit des Ventilgliedes zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisches Ventil bereitzustellen, welches insbesondere als Steuer und/oder Pilotventil in einem Schubumluftventil einsetzbar ist, mit welchem die aus dem Stand der Technik vorbekannten Nachteile überwunden werden, insbesondere eine konstruktiv einfache und verlässliche Überwachung einer Schaltstellung des Schubumluftventils bzw. des Pilotventils ermöglicht wird. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, den Energieverbrauch des Schubumluftventils bzw. des Pilotventils weiter zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das elektromagnetische Ventil gekennzeichnet ist durch zumindest ein Sensierelement mittels dem zumindest ein Parameter des Spulenelementes erfassbar ist, wobei mittels des Parameters die Position des Ankers und/oder des Ventilgliedes bestimmbar ist.

Dabei wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Spulenelement zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest bereichsweise koaxial, die erste Achse und/oder den Anker umgibt.

In den zuvor genannten Ausführungsformen ist besonderes bevorzugt, dass das Spulenelement zumindest zwei Einzelspulen, vorzugsweise genau zwei Einzelspulen, umfasst, wobei vorzugsweise die Einzelspulen entlang der ersten Achse hintereinander angeordnet sind und/oder zumindest eine Einzelspule, insbesondere alle Einzelspulen, vorzugsweise zumindest bereichsweise, insbesondere bereichsweise koaxial, die erste Achse und/oder den Anker umgibt bzw. umgeben.

Bei der vorgenannten Ausführungsform ist besonders bevorzugt, dass zumindest ein Permanentmagnet bezüglich der ersten Achse zwischen zwei Einzelspulen angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Permanentmagnet zumindest bereichsweise als Ringmagnet ausgebildet ist, insbesondere zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest bereichsweise koaxial die erste Achse und/oder den Anker umgibt.

Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Sensierelement zumindest einen ersten Parameter einer ersten Einzelspule und/oder zumindest einen zweiten Parameter einer zweiten Einzelspule erfasst, wobei vorzugsweise der Permanentmagnet zwischen der ersten Einzelspule und der zweiten Einzelspule angeordnet

Weiterhin kann ein erfindungsgemäß elektromagnetisches Ventil gekennzeichnet sein durch, zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit der Sensiereinrichtung, dem Spulenelement, und/oder der Einzelspule, insbesondere der ersten Einzelspule und/oder der zweiten Einzelspule in Wirkverbindung steht und/oder der Anleer und/oder das Ventilglied, vorzugsweise mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ,in zumindest zwei unterschiedliche Positionen entlang der ersten Achse verfahrbar ist.

Bei der vorgenannten Ausführungsform ist besonders bevorzugt, dass das Verfahren des Ankers und/oder des Ventilglieds durch Ansteuerung des Spulenelementes, insbesondere der Einzelspule, vorzugsweise einer Mehrzahl, vorzugsweise aller Einzelspulen, in Abhängigkeit von einem, vorzugsweise der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mittels zumindest einem Soll-Wert Eingang zugeführten, Soll-Wert erfolgt.

Für diese Ausführungsform wird auch vorgeschlagen, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein Vergleich zwischen dem Soll-Wert und einer mittels der Sensiereinrichtung erfassten Ist-Position des Ankers und/oder des Ventilglieds durchführbar ist.

Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass eine erste Position des Ankers und/oder des Ventilglieds einer geschlossenen Position entspricht, in der vorzugsweise das Ventilglied auf zumindest einem Ventilsitz, insbesondere zum Verschließen einer Verbindung zwischen zumindest einem Ventileingang und zumindest einem Ventilausgang, vorzugsweise dichtend, aufliegt und/oder eine zweite Position des Ankers und/oder des Ventilgliedes einer Offenposition entspricht, in der vorzugsweise das Ventilglied zumindest bereichsweise von dem Ventilsitz abgehoben ist, insbesondere zum Öffnen einer Verbindung zwischen dem Ventileingang und dem Ventilausgang.

Schließlich wird für das elektromagnetische Ventil vorgeschlagen, dass der Parameter, insbesondere der erste Parameter und/oder der zweite Parameter, zumindest eine Induktivität, zumindest einen ohmschen Widerstand, und/oder zumindest eine Impedanz, des Spulenelementes und/oder der Einzelspule, vorzugweise der ersten Einzelspule und/oder der zweiten Einzelspule umfasst.

Ferner liefert die Erfindung ein Schubumluftventil umfassend zumindest ein, vorzugsweise pneumatisches und/oder hydraulisches, Hauptventil und zumindest ein Pilotventil zur Steuerung des Hauptventils wobei das Pilotventil in Form eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ventils ausgebildet ist.

Das Hauptventil kann vorzugsweise als Zwei-Wege-Ventil oder als Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das Hauptventil in zwei Schaltstellungen versetzt werden. Bei einem Zwei-Wege-Ventil ist in einer Schaltstellung vorzugsweise der Fluideingang gegenüber dem Fluidausgang abgedichtet, wohingegen in der zweiten Schaltstellung der Fluideingang mit dem Fluidausgang verbunden ist. Bei einem Drei-Wege- Ventil sind vorzugsweise drei Leitungen, insbesondere ein Fluideingang und zwei Fluidausgänge, vorgesehen. Vorzugsweise ist in einer Schaltstellung der Fluideingang mit einem der zwei Fluidausgänge verbunden, während der andere Fluidausgang gegenüber dem Fluideingang abgedichtet ist. In einer zweiten Schaltstellung ist vorzugsweise der andere Fluidausgang mit dem Fluideingang verbunden, während der eine Fluidausgang gegenüber dem Fluideingang abgedichtet. Dafür weist das Ventilglied des Hauptventils vorzugsweise jeweils ein Dichtelement auf, das in der entsprechenden Schaltstellung mit jeweils einem Ventilsitz des Hauptventils kooperiert, insbesondere jeweils einen Fluidausgang gegenüber dem Fluideingang abdichtet. Vorzugsweise sind bei der Ausgestaltung des Hauptventils als Drei-Wege-Ventil die Fluidausgänge parallel zum Fluideingang ausgerichtet, insbesondere stimmgabelförmig zu einander ausgerichtet.

Vorzugsweise ist das Ventilglied des Hauptventils als Hohlkörper ausgestaltet, der eine dem Fluideingang zugewandte Einlassöffnung und eine dem Pilotventil zugewandte Auslassöffnung aufweist, über die das Pilotventil mit dem fluideingangsseitigen Druck durch das Ventilglied hindurch beaufschlagt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass der Aufbau eines elektromagnetischen Ventils, welches gleichzeitig die Erfassung einer Position eines Ventilgliedes des Ventils ermöglicht, deutlich vereinfacht werden kann, indem eine Sensiereinheit eingesetzt wird, die keine zusätzlichen Anbauten bzw. Aufbauten an dem Ventilglied bzw. bewegbaren Teile notwendig macht, indem eine Auswertung von Parametern eines Spulenelementes des Ventils durchgeführt wird. Insbesondere bietet es sich an, die Induktivität des Spulenelementes beispielsweise durch Erfassung der dem Spulenelement zugeführten Spannung des zugeführten Stroms und/oder der Phasenverschiebung, zu erfassen und mittels einer Sensiereinheit die Position eines Ankers bzw. Ventilgliedes des elektromagnetischen Ventils abzuleiten. Der damit verbundene notwendige Bauraum ist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinheiten deutlich reduziert, da keine zusätzlichen Anbauten wie Sensorelemente an bewegliche Teile notwendig sind, sondern lediglich eine auch bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinheiten notwendige Elektronik vorgesehen werden muss.

Eine besonders einfache Überwachung der Schaltstellung des Pilotventils bzw. Hauptventils ergibt sich in dem Fall, in dem das Pilotventil als bistabiles Ventil ausgebildet wird. Eine derartige bistabile Ausführung des Ventils bietet ferner den Vorteil, dass die Energieeffizienz noch weiter gesteigert werden kann, insbesondere der Energieverbrauch deutlich reduziert werden kann. Bei dieser bistabilen Ausführung des Ventils ist vorgesehen, dass das Spulenelement zumindest zwei Einzelspulen umfasst, zwischen denen ein Permanent- Magnetelement, insbesondere ein Ring-Permanent-Magnetelement angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine energiesparende Steuerung des Mediumflusses zu erreichen.

Gleichzeitig kann auch bei dieser bistabilen Ausführungsform die Schaltung hoher Drücke erreicht werden, insbesondere aufgrund der Ausnutzung der Drücke des geschaltenen Fluids, wobei darüber hinaus ein geringeres Gesamtgewicht erreicht wird. Aufgrund der bistabilen Ausführungsform ist der Energieverbrauch im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen deutlich reduziert, da nur zur eigentlichen Schaltbewegung, insbesondere der Bewegung des Ventilgliedes aus der Geschlossen- in die Öffnungsposition und umgekehrt Energie benötigt wird, jedoch nicht zum Halten des Ventils in der entsprechenden Position. So wird dieses Halten einerseits durch den Permanent-Magneten innerhalb des Pilotventils erreicht und das Halten des Hauptventils andererseits aufgrund der entsprechenden Schaltstellung des Pilotventils für das Hauptventil durch die aus dem Druck des zu schaltenden Fluids resultierenden Kräfte.

Insbesondere der bistabile bzw. bipolare Aufbau durch den Einsatz von zumindest zwei Einzelspulen erleichtert die Positionsbestimmung des Pilotventils und damit des Hauptventils und erhöht die funktionale Sicherheit des gesamten Schubumluftventils. So ist es leicht möglich, Fehlstellungen des Pilotventils und damit des Hauptventils zu erkennen und so geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um das Schubumluftventil in eine Fail- Safe-Position zu überführen. Dabei kann die Auswertung derartig erfolgen, dass ein Parameter des gesamten Spulenelementes erfasst wird, um eine Positionsdetektion durchzufiihren, es ist jedoch auch möglich, dass lediglich ein Parameter einer oder jeder Einzelspule erfasst wird.

Als aufgenommene Parameter kommen insbesondere die Induktivität, ein Ohmscher Widerstand, eine Impedanz oder andere grundsätzlich leicht erfassbare Parameter von elektromagnetischen Spulen in Betracht. Als einziges zusätzliches Element zur Positionserfassung ist somit lediglich eine Elektronik in Form einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung notwendig, die mit der Sensiereinrichtung gekoppelt ist bzw. diese beinhaltet. Durch einen einfachen Vergleich zwischen einem Soll- Wert und einem durch die Sensiereinheit erfassten Ist-Wert wird es möglich, die Position des Ventilgliedes des Pilotventils zu erfassen und mittels entsprechender Steuersignale an das Spulenelement bzw. Einzelspulen, das Pilotventil in die gewünschte Position zu überführen.

Dabei erfolgt eine Bewegung des Pilotventils insbesondere zwischen einer Geschlossenposition und einer Öffnungsposition, mit der es möglich ist, einen in einem Steuerraum des Hauptventils vorhandenen Druck zu verändern, um ein Ventilglied des Hauptventils zu öffnen bzw. zu schliessen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand von Beispielen erläutert sind.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine Teilquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen, als Pilotventil eingesetzten Ventil;

Figur 2a und 2b jeweilige Querschnittsansichten des Schubumluftventils der Figur 1 in unterschiedlichen Schaltpositionen; Figur 3 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ventils, wie es im Schubumluftventils der Figur 1 einsetzbar ist;

Figur 4 eine Teilquerschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen, als Pilotventil eingesetzten Ventils; und

Figur 5 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts A aus Figur 4.

In Figur 1 ist eine Teilquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils 1 dargestellt. Das Schubumluftventil 1 umfasst ein Hauptventil 3 sowie ein als 3-Wege-Ventil aus gebildetes elektromagnetisches Steuer- bzw. Pilotventil 5.

Das Hauptventil 1 weist einen Fluideingang 7 sowie einen Fluidausgang 9 für ein durch das Schubumluftventil 1 zu schaltendes Fluid auf. An dem Fluideingang 7 liegt das Fluid mit einem Druck Pl an, während das Fluid im Bereich des Fluidausgangs 9 einen Druck P2 aufweist.

Der an dem Fluideingang 7 anliegende Druck Pl wird über eine, einen Ventileingang des Pilotventils 5 darstellende Leitung 11 an einen Ventilsitz 13 des Pilotventils 5 angelegt. Durch Schalten des Pilotventils 5 wird der in der Leitung 11 herrschende Fluiddruck Pl wahlweise über eine, einen Ventilausgang des Pilotventils 5 darstellenden Leitung 15 einem Steuerraum 17 des Hauptventils 3 oder über eine Leitung 19, die auch als Bypassleitung bezeichnet wird, dem Fluidausgang 9 zugeführt.

Wie später erläutert wird, fuhrt ein Öffnen des Pilotventils 5 mittels des Antriebs 21 dazu, dass der an dem Fluideingang 7 herrschende Druck Pl auch dem Steuerraum 17 zugeführt wird. Aufgrund der Tatsache, dass in dem Steuerraum 17, also auf einer Oberseite eine Membranwirkfläche 23 des Hauptventils der gleiche Druck herrscht, wie auf der Unterseite der Membranwirkfläche 23, die dem Fluideingang 7 zugewandt ist, wird das Ventilglied 25 des Hauptventils 3 in Richtung eines Ventilsitzes 27 des Hauptventils 3 bewegt und so eine Verbindung zwischen dem Fluideingang 7 und dem Fluidausgang 9 geschlossen. Aufgrund der betragsmäßigen Gleichheit der auf die jeweiligen Seiten der Membranwirkfläche 23 wirkenden Kräfte, erfolgt das Schließen über eine durch ein Federelement 29 auf das Ventilglied 25 wirkende Kraft. Dabei sind jedoch vergleichsweise geringe Kräfte notwendig, sodass das Federelement 29 vergleichsweise klein dimensioniert werden kann.

In den Figuren 2a und 2b ist das Schubumluftventil 1 in den jeweiligen beiden Betriebspositionen dargestellt. Wie Figur 2a zu entnehmen ist, ist das Schubumluftventil 1 in der geöffneten Position des Hauptventils 3 dargestellt. Das Pilotventil 5 befindet sich in einer Position, in der ein Ventilglied 31 des Pilotventils 5 auf einem Ventilsitz 33 aufliegt. Dies führt dazu, dass eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 17 und dem Fluidausgang 9 hergestellt ist und so in dem Steuerraum 17 der Druck P2 anliegt. Dieser Druck P2 ist jedoch geringer als der Druck Pl, sodass das Ventilglied 25 von dem Ventilsitz 27 abgehoben wird und so die Verbindung zwischen dem Fluideingang 7 und dem Fluidausgang 9 freigegeben wird. Insbesondere herrscht an der Membranwirkfläche 23 ein Kräfteungleichgewicht derartig, dass der auf die Unterseite der Membranwirkfläche 23 wirkende Druck größer als der auf der Oberseite in dem Steuerraum 17 wirkende Druck ist. Dieser Druckunterschied ermöglicht es, dass das Ventilglied 25 gegen die durch das Federelement 29 aufgebaute Kraft bewegt werden kann. Wird daraufhin mittels des Antriebs 21 das Ventilglied 31 bzw. der Anker 37 entlang der ersten Achse A derartig bewegt, dass es von dem Ventilsitz 13 abgehoben wird, ergibt sich der in der Figur 2b dargestellte Fluidverlauf. Der an dem Fluideingang 7 wirkende Druck Pl wird über die Leitung 15 dem Steuerraum 17 zugeftihrt, sodass an der Membranwirkfläche ein Druckgleichgewicht herrscht und das Ventilglied 25 über das Federelement 29 in die geschlossene Position, in der das Ventilglied 25 auf den Ventilsitz 27 aufliegt, überführt wird.

Erfmdungs gemäß ist der Antrieb 21 über ein Anschlusselement 33 elektrisch mit einer nicht dargestellten Sensiereinrichtung verbunden. Die Sensiereinrichtung ermöglicht es, dass ein Parameter eines Spulenelementes 35 des Antriebs 21 erfasst wird.

In den Figuren 2a und 2b ist ein monostabiler Antrieb 21 dargestellt. Bei einer Bestromung des Spulenelementes 35 wird ein Anker 37, der mit dem Ventilglied 31 in Wirkverbindung steht, gegen die Kraft eines Federelementes 39 derartig bewegt, dass das Pilotventil 5 geschlossen wird. Wird die Bestromung des Spulenelementes 35 beendet, entsteht die in Figur 2b dargestellte Situation, in der der Anker 37 mittels des Federelementes 39 entlang der ersten Achse A aus dem Spulenbereich herausgedrängt wird und damit gleichzeitig das Ventilglied 13 angehoben wird. Aufgrund der unterschiedlichen Positionen des Ankers 37 innerhalb des Spulenelementes 35 verändert sich die Induktivität der Spulenelemente 35, wodurch es möglich wird, die Position des Ankers 37 und damit des Ventilgliedes 31 zu detektieren.

In Figur 3 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten abgewandelten Ausfuhrungsform eines Pilotventils 5‘ dargestellt. Diejenigen Elemente des erfmdungs gemäßen elektromagnetischen Ventils in Form des Pilotventils 5 4 , die denjenigen des Pilotventils 5 entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen, allerdings einfach gestrichen.

Im Vergleich zu dem Pilotventil 5 weist das Pilotventil 5 4 einen bistabilen Antrieb 2G auf. Dazu umfasst das Spulenelement 35‘ eine erste Einzelspule 41‘, eine zweite Einzelspule 43‘ sowie einen Permanent-Magneten 45‘. Die Einzelspulen 4G, 43 4 sowie der Permanent- Magnet 45 4 sind koaxial zur ersten Achse A 4 des Ankers 37‘ als Ring-Permanent-Magnet ausgebildet.

Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass lediglich für die Bewegung des Ankers 37 4 und damit des Ventilgliedes 31 4 Energie aufgewandt werden muss. In der entsprechenden Endposition, beispielsweise der in der Figur 3 dargestellten Geschlossenposition des Pilotventils 5 4 , in der das Ventilglied 31 4 auf dem Ventilsitz 13 4 aufliegt, wird die notwendige Haltekraft durch den Permanent-Magneten 45 4 aufgebracht.

Durch Erfassung der Parameter der Einzelspulen 41 4 , 43 4 lässt sich verlässlich über die Sensiereinheit die Position des Ankers 37‘ und damit des Ventilgliedes 31 4 erfassen. Dies erfolgt mittels der nicht dargestellten Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die einerseits über den Anschluss 33 4 entsprechende Steuersignale an die Spulenelemente 35 4 bzw. die Einzelspulen 4G und 43 4 liefert und gleichzeitig die Erfassung der Parameter der Einzelspulen 4G und 43 4 , insbesondere der Induktivität ermöglicht und so eine präzise Positionsüberwachung bzw. Positionserkennung ermöglicht.

Für ein Umschalten des Pilotventils 5‘, also einen Schaltvorgang, ist lediglich eine Impulsbestromung der jeweiligen Einzelspulen 41 4 , 43 4 bzw. Spulenelementes 35‘ für ca. 200 Millisekunden notwendig.

In Figur 5 ist eine Teilquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils 1 dargestellt. Das Schubumluftventil 1 umfasst ein als Drei-Wege-Ventil ausgebildetes Hauptventil 3 sowie ein als Drei-Wege-Ventil ausgebildetes elektromagnetisches Steuer- bzw. Pilotventil 5. Dabei handelt es sich bei dem Hauptventil 3 und bei dem Pilotventil 5 jeweils um Drei/Zwei-Wege-Ventile. Das Pilotventil 5 ist im Wesentlichen identisch zu den Pilotventil 5 aus den Figuren 1, 2a und 2b ausgebildet. Das Pilotventil 5 kann aber auch wie das Pilotventil 5' aus Figur 3 ausbildet sein. Ähnliche oder identische der zuvor und folgend beschriebenen Elemente sind mit gleichen oder ähnlichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Das in Figur 4 dargestellte Hauptventil 3 umfasst einen Fluideingang 7 sowie zwei Fluidausgänge 9, 9“. Bei einem erfindungsgemäßen Schubumluftventil 1 mit einem Drei- Wege-Ventil als Hauptventil 3 hat es sich als bevorzugt herausgestellt, den Fluideingang 7 und die Fluidausgänge 9, g‘ parallel zueinander, insbesondere, wie hier dargestellt, stimmgabelförmig auszubilden. Vorzugsweise sind die Fluidausgänge 9, g‘ über ein Ventilgliedgehäuse 47 mit dem Fluideingang 7 verbunden. Innerhalb des Ventilgliedgehäuses 47 ist das Ventilglied 25“ des Hauptventils 3 in zwei Betriebspositionen verbringbar, wobei in einer Betriebsposition der Fluideingang 7 mit dem Fluidausgang g‘ verbunden ist und in der anderen Betriebsposition der Fluideingang 7 mit dem Fluidausgang 9 verbunden ist. Dafür weist das Ventilglied 25“ zwei Dichtmittel 49, 49' auf, die je nach Betriebsposition an einem der zwei Ventilsitze 27“, 27“ des Ventilgliedgehäuses 47 einen der Fluidausgänge 9, g‘ gegenüber dem Fluideingang 9 abdichten.

In Figur 4 ist die Betriebsposition dargestellt, in der der Fluideingang 7 mit dem einen Fluidausgang g‘ verbunden ist und der andere Fluidausgang 9 gegenüber dem Fluideingang 7 über das an dem Ventilsitz 27“ anliegende Dichtmittel 49 abgedichtet ist. Dieser Betriebszustand wird dadurch erreicht, dass das Pilotventil 5 in eine Position versetzt wird, in der das Ventilglied 31 des Pilotventils auf dem Ventilsitz 33 des Pilotventils aufliegt. In dieser Stellung des Pilotventils 5 liegt der Druck Pi am Fluideingang 7, an dem einen Fluidausgang g‘ und in dem Steuerraum 17 an. Dabei wird der Steuerraum 17 über eine einen Ventileingang des Pilotventils 5 darstellende Leitung 11“ und eine einen Ventilausgang des Pilotventils 5 darstellende Leitung 15“ mit dem Druck Pi beaufschlagt. Die dritte Leitung 19“ des Pilotventils 5 fungiert als Bypassleitung, die in der in Figur 4 dargestellten Stellung durch das an dem Ventilsitz 13' anliegende Ventilglied 31' des Pilotventils 5 gegenüber dem Steuerraum 17 abgedichtet ist. Durch die größere effektive Wirkfläche des Druckes Pi auf Seiten des Steuerraums 17 wird das Ventilglied 25' in die dargestellte Stellung getrieben, in der die Dichtung 49 an dem Ventilsitz 27 * des Hauptventils 3 anliegt.

Durch Betätigen des Pilotventils 5 kann das Ventilglied 31 des Pilotventils von dem Ventilsitz 13 des Pilotventils wegbewegt werden, sodass über die Leitungen 19“ und 15“ eine Verbindung zwischen dem Fluidausgang 9 und dem Steuerraum 17' entsteht, über die der Druck Pi abgebaut werden kann. Nach dem Druckabbau liegt der niedrigere Druck P2 des anderen Fluidausgangs 9 in dem Steuerraum 17 an. In diesem Zustand überwiegt die Kraft, die an dem Ventilglied 25“ in Folge des Federelements 29“ und des Drucks Pi wirkt, gegenüber der entgegengesetzten Kraft, die über den Druck P2 in dem Steuerung 17 wirkt. Dadurch wird das Ventilglied 25' des Hauptventils 3 in die nicht dargestellte Stellung verlagert, jn der der Fluideingang 7 mit dem weiteren Fluidausgang 9 verbunden ist und der eine Fluidausgang g‘ gegenüber dem Fluideingang 7 abgedichtet ist.

Demnach kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Ventils sowohl bei Hauptventilen in Form von Zwei-Wege-Ventilen als auch in Form von Drei-Wege-Ventilen vorteilhaft eingesetzt werden.

Diese bistabile Ausftihrungsform wirkt sich insofern positiv auf die Energieeffizienz aus, als das beispielsweise für eine Zyklusdauer von 10 Minuten, in denen das Pilotventil 5 Minuten geöffnet und 5 Minuten geschlossen wird, über 6 Zyklen mit einer Versorgungsspannung von 12 Volt lediglich ein Energiebedarf von 40 Wattsekunden notwendig ist. Im Gegensatz hierzu ist für den Antrieb 21 der Figuren 1 bis 2b ein Energiebedarf von 13000 Wattsekunden notwendig, welcher jedoch immer noch geringer ist, als für eine direkte elektromagnetische Ansteuerung des Hauptventils 3 mittels eines elektromagnetischen Antriebs, bei dem ein Bedarf von 22000 Wattsekunden entsteht.

Insbesondere der reduzierte Energieverbrauch ermöglicht es, dass das erfindungsgemäße Ventil in Elektrofahrzeugen einzusetzen, um entsprechende Fluidströme mit einem um mehrere 1 Oer-Potenzen geringeren Energiebedarf, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Schubumluftventilen, schalten zu können.

Insbesondere ergibt sich also für ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Ventil, welches als Pilotventil innerhalb eines Schubumluftventils eingesetzt werden kann, eine geringere Schaltkraft, wodurch ein Antrieb mit einem geringeren Bauvolumen eingesetzt werden kann und sich somit eine kompakte Bauweise ergibt. Weiterhin wird bei Ausbildung des Antriebs als bistabil bzw. bipolaren Antrieb eine Reduzierung des Energiebedarfs erreicht, woraus sich erneut eine deutliche Gewichtsreduktion ergibt. Aufgrund der Geometrie des Hauptventils ist es jedoch gleichzeitig möglich mit einer geringen Energie hohe Drücke zu schalten und das Ventil, insbesondere Schubumluftventil, kann für verschiedene Anwendungsfälle genutzt werden, da weder der Druck noch der Durchfluss des Fluids die Schaltkraft beeinflusst. Gleichzeitig wird durch die stetige Überwachung der Position des Pilotventils eine hohe Betriebssicherheit erreicht und sichergestellt, dass das Schubumluftventil in eine vordefinierte Fail-Safe-Stellung überfuhrt werden kann, falls es zu Funktionsdefekten kommt. Insgesamt ergibt sich ein kompakter Aufbau auch dadurch, dass sich insbesondere bei einem bipolaren Antrieb eine einfache Positionsauswertung durch Erfassung der Parameter des Spulenelementes ergibt.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.

Bezugszeichenliste

1 S chubumluft ventil

3 Hauptventil

5, 5‘ Pilotventil

7 Fluideingang

9, 9‘ Fluidausgang

11, l l‘, 11“ Leitung

13, 13 * Ventilsitz

15. 15‘, 15“ Leitung

17 Steuerraum

19, 19 * Leitung

21, 21‘ Antrieb

23 Membranwirkfläche

25, 25' Ventilglied

27, 27‘, 27“ Ventilsitz

29, 29‘, 29“ Federelement

31, 31' Ventilglied

33, 33' Anschluss

35, 35' Spulenelement

37, 37' Anker

39 Federelement

4L Einzelspule

43' Einzelspule

45' Permanentmagnet

47 V entilgliedgehäuse

49, 49' Dichtmittel

A, A' Achse