DE10127711A1

DE10127711A1 - Dreiwegeventil

Info

Publication number: DE10127711A1
Application number: DE2001127711
Authority: DE
Inventors: Manfred Schmitt; Karsten Mann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE10127711B4

Abstract

Die Erfindung geht von einem Dreiwegeventil (10) für einen Kühl-/Heizkreislauf einer Brennkraftmaschine aus, dessen Drosselkörper (12) elektrisch in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern durch eine Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei der Drosselkörper (12) als Ventilküken ausgebildet ist, mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal (30) aufweist und durch einen Elektromotor um eine Drehachse (20) entsprechend einem der Steuereinheit zugeordneten Kennfeld (46) verstellbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Verteilerkanal (30) mit der Oberfläche des Drosselkörpers (12) eine Verschneidungskontur (34) besitzt, die beim Öffnen eines Strömungswegs (24, 26) mit einer Dichtkante (32) zunächst einen schmalen, sich in Drehrichtung erstreckenden Öffnungsquerschnitt (40) bildet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Dreiwegeventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Es ist bekannt, in einem Kühl-/Heizkreislauf einer Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur mit Hilfe eines Thermostatventils zu regeln. Dabei wird das Mischverhältnis zwischen einer Zulaufleitung zu einem Kühler und einer Bypassleitung durch ein dehnstoffgetriebenes Thermostatventil in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur eingestellt. Nachteilig ist allerdings, dass die Regelung träge ist und nur über die Kühlmitteltemperatur und nicht extern bzw. von einer übergeordneten Steuereinheit erfolgt. Viele Einflussgrößen werden dadurch erst nach der Veränderung der Kühlmitteltemperatur und demzufolge mit Verzögerung wirksam.

Aus der DE 41 09 498 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer externen und feinfühligen Regelung der Temperatur einer Brennkraftmaschine bekannt. Nach dieser Schrift erhält eine Steuereinrichtung mehrere Eingangssignale, wie z. B. die Temperatur der Brennkraftmaschine, die Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine, die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Betriebszustand einer Klimaanlage bzw. der Heizung des Fahrzeugs und die Temperatur des Kühlmittels. Aus diesen Eingangssignalen ermittelt ein Sollwertgeber der Steuereinrichtung einen Temperatursollwert für die Brennkraftmaschine. Entsprechend einem Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten wirkt die Steuereinrichtung auf ein Dreiwegeventil, das im Mündungsbereich der Bypassleitung in einer Rohrleitung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kühler angeordnet ist. Je nach Stellung des Dreiwegeventils wird der Zulaufstrom auf den Kühlzweig und auf den Bypass aufgeteilt. Die Kühlung der Brennkraftmaschine wird nach diesem Prinzip in Abhängigkeit von unmittelbar für die Temperaturentwicklung wichtigen Betriebsparametern und Parametern von Zusatzaggregaten, welche die Temperatur nur mittelbar beeinflussen, erfasst. Weiterhin werden die Möglichkeiten der Einstellung der optimalen Temperatur wesentlich erweitert, weil auch Störungen erfasst und berücksichtigt werden können. Durch die Zuordnung verschiedener Einsatzbedingungen zu unterschiedlichen Bereichen von Temperatursollwerten ist eine schnelle Einstellung der gewünschten Temperatur möglich, was durch unterschiedliche Prioritäten der Einsatzbedingungen weiter verfeinert werden kann.

Ferner ist in der DE 199 60 931.4 ein Dreiwegeventil mit einem kugelförmigen Drosselkörper beschrieben. Dieser ist als Ventilküken ausgebildet und weist mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal auf, der quer zu einer Drehachse verläuft und an einer Mantelfläche offen ist, während die gegenüberliegende Mantelfläche geschlossen ist. Der Drosselkörper ist in einem geometrisch angeglichenen Lagerbett in einem Ventilkörper gelagert und wird in Abhängigkeit von Betriebs- und Umgebungsparametern entsprechend einem der Steuereinheit zugeordneten Kennfeld durch einen Elektromotor um die Drehachse verstellt. An den Verbindungsstellen zu den Leitungen befinden sich Dichtringe, die als Dichtkanten an der Oberfläche des Drosselkörpers anliegen. Entsprechend der Stellung des Drosselkörpers werden die Wege zu den weiterführenden Leitungen freigegeben, gedrosselt bzw. versperrt. Wird beispielsweise der Strömungsweg zum Kühler freigegeben, gelangt das Kühlmittel durch einen Öffnungsquerschnitt, welcher durch die Dichtkante und die Verschneidungskontur zwischen dem Verteilerkanal und der Oberfläche des Drosselkörpers gebildet wird, in den Kühler. Aus der Geometrie der Verschneidungskontur, die im Wesentlichen durch den Durchmesser des Verteilerkanals bestimmt wird, ergibt sich die Ventilkennlinie. Diese weist im Öffnungsbereich einen relativ steilen Anstieg auf. Demzufolge vergrößert sich der Kühlmittelvolumenstrom in diesem Bereich über den Stellweg des Drosselkörpers sehr schnell, so dass innerhalb kurzer Zeit viel Kühlmittel über den Kühler zur Brennkraftmaschine gelangt und ungewünschte Temperaturschwankungen auftreten.

Vorteile der Erfindung

Nach der Erfindung besitzt der Verteilerkanal mit der Oberfläche eines Drosselkörpers eine Verschneidungskontur, die beim Öffnen eines Strömungswegs mit der Dichtkante zunächst einen schmalen, sich in Drehrichtung erstreckenden Öffnungsquerschnitt bildet. Der Drosselkörper besitzt zweckmäßigerweise eine kugelförmige Außenkontur und wird von einem Verteilerkanal durchdrungen, der quer zur Drehachse verläuft. Abweichend von einer im Wesentlichen kreis- oder halbreisförmigen Verschneidungskontur des Verteilerkanals mit der Oberfläche des Drosselkörpers bei bekannten Dreiwegeventilen, ist die Verschneidungskontur beim erfindungsgemäßen Dreiwegeventil zur Modifizierung der Ventilkennlinie so gestaltet, dass der Öffnungsquerschnitt über den Stellweg beim Öffnen des Dreiwegeventil zunächst nur wenig zunimmt. Die Verschneidungskontur weist in diesem Bereich eine sich in Drehrichtung erstreckende spaltförmige Gestalt auf, die sich in einem anschließenden Übergangsbereich auf dem vollen Durchmesser des Verteilerkanals erweitert. Die Verschneidungskontur und dadurch die Ventilkennlinie kann zum jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden, um einen Strömungszweig sehr feinfühlig zu öffnen und den Kühlmittelvolumenstrom genau zu dosieren. Das ist besonders beim Öffnen des Kühlerzweigs wichtig, um zu vermeiden, dass dem Bypassvolumenstrom zu viel Kühlmittel aus dem Kühlerzweig beigemischt wird und ungewünschte Temperaturschwankungen auftreten, die zu Materialbelastungen der Brennkraftmaschine führen.

Durch eine entsprechende Wahl der Kontur des Verteilerkanals wird eine optimale Kennlinie des Dreiwegeventils erreicht und der Volumenstrom des Kühlmittels bedarfsgerecht und auf einfache Weise geregelt, ohne dabei hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des Aktuators stellen zu müssen. In der Regel unterscheidet sich der Verlauf der optimalen Kennlinie für verschiedene Systeme. Vorteilhafterweise kann durch Verändern der Verschneidungskontur nahezu jede beliebige Kennlinie eines Ventils realisiert werden. Um die Volumenströme in einem Kreislauf optimal zu steuern, werden Drosselkörper mit entsprechenden Konturen ausgewählt, die auf Grund der identischen Außenkontur problemlos mit dem Ventilkörper eines Dreiwegeventils kombiniert werden können.

Das Dreiwegeventil wird vorzugsweise im Montagespritzgussverfahren hergestellt, und zwar wird der Drosselkörper mit der Antriebswelle in einem ersten Fertigungsschritt als Spritzgussteil aus thermoplastischem Kunststoff erzeugt. Das Teil verbleibt in der Spritzgussmaschine und wird mit einem Trennmittel besprüht, damit sich der in einem zweiten Spritzgießprozess eingebrachte thermoplastische Kunststoff für den Ventilkörper nicht mit dem Drosselkörper verbindet und dieser im späteren Ventilkörper drehbar gelagert ist. Vorzugsweise werden für dieses Verfahren gleiche Kunststoffe für die Spritzgussteile verwendet, um eine sortenreine Wiederverwertung zu gewährleisten. Der Einsatz eines Zweikomponenten-Spritzgussverfahrens ist prinzipiell aber auch möglich. Dieses Verfahren wird angewendet, um durch unterschiedliche Materialeigenschaften der beiden Spritzgussteile z. B. eine bessere Reibpaarung oder ein kostengünstigeres Ventil zu erzielen. Ein metallischer Drosselkörper mit Antriebswelle oder ein Drosselkörper aus Kunststoff, welche mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt werden, ist ebenfalls denkbar. Außerdem eignet sich das Fertigungsverfahren besonders zum Erzeugen komplizierter Konturen, die sonst nur aufwendig herzustellen sind.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dreiwegeventils,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Drosselkörpers in Pfeilrichtung II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Gegenüberstellung verschiedener Öffnungsquerschnitte beim Öffnen eines Strömungszweigs,
Fig. 4 eine Gegenüberstellung verschiedener Öffnungsquerschnitte in einer Mittelstellung,
Fig. 5 schematische Draufsicht entsprechend dem Pfeil V in Fig. 1 und
Fig. 6 ein Diagramm mit Kennlinien unterschiedlicher Verschneidungskonturen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Ein Dreiwegeventil 10 besteht im Wesentlichen aus einem Drosselkörper 12 und einem Ventilkörper 14 (Fig. 1). Der Ventilkörper 14 bildet den äußeren Teil des Dreiwegeventils 10. Er besitzt drei Anschlüsse 22, 24, 26, die vorzugsweise in einer Ebene liegen. Die Anschlüsse 24 und 26 sind diametral bzw. nahezu diametral zueinander angeordnet und können zum Anschluss 22 einen rechten Winkel aufweisen. Wird das Dreiwegeventil 10 zur Regelung eines Kühl-/Heizkreislaufs einer Brennkraftmaschine eingesetzt, führt der Anschluss 26 zu einer Bypassleitung, der Anschluss 24 zu einem Kühler und der Anschluss 22 stellt eine direkte Verbindung zur Brennkraftmaschine dar.
An der Verbindungsstelle der drei Anschlüsse 22, 24, 26 ist der Drosselkörper 12 angeordnet, der in der dargestellten Ausführung eine kugelförmige Oberfläche aufweist. Es sind aber auch andere Oberflächenformen denkbar, wie beispielsweise zylindrische oder konische. Der Drosselkörper 12 besteht aus thermoplastischem Kunststoff und ist im Spritzgussverfahren hergestellt. Vorzugsweise wird eine Antriebswelle 16 in einem Arbeitsgang angespritzt und ein innerer Verteilerkanal 30 durch Einlegeteile ausgeformt.
Der Verteilerkanal 30 verläuft quer zu einer Drehachse 20 des Drosselkörpers 12 und ist an einer im Wesentlichen zur Drehachse 20 parallelen Mantelfläche 18 offen, während er an der gegenüberliegende Mantelfläche 28 geschlossen ist (Fig. 2). Erfindungsgemäß weist der Verteilerkanal 30 an der geschlossenen Mantelfläche 28 eine bestimmte Verschneidungskontur 34 auf, die sich ausgehend von einer Längsmittelebene durch die Drehachse 20 allmählich verengt und im Endbereich die Form eines schmalen Schlitzes 50 aufweist. Der besondere Teil der Verschneidungskontur 34 und der Schlitz 50 liegen zweckmäßigerweise an der den Anschluss 24 zum Kühler verschließenden Seite des Drosselkörpers 12 und ist so gestaltet, dass die Kühlleistung des Kühlsystems möglichst linear mit dem Öffnungswinkel des Drosselkörpers 12 bezüglich des Anschlusses 24 zum Kühler ansteigt. Ferner ist der Verteilerkanal 30 in dem kugelförmigen Drosselkörper so geformt, dass bei vollständig geöffnetem Anschluss 24 zum Kühler die Strömung 52 vom Anschluss 22 zum Anschluss 24 mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand umgelenkt wird (Fig. 5).
In Abhängigkeit von Betriebs- und Umgebungsparametern der Brennkraftmaschine wird der Drosselkörper 12 des Dreiwegeventils 10 elektrisch über die Antriebswelle 16 um die Drehachse 20 verstellt. Dabei wird die Stellgröße durch eine zentrale, nicht dargestellte Steuereinheit entsprechend eines zugeordneten Kennfelds ermittelt. Gemäß der Stellung des Drosselkörpers 12 werden die Anschlüsse 24 und/oder 26 freigegeben, gedrosselt bzw. versperrt. Der Volumenstrom und das Mischverhältnis des Kühlmittels werden durch die Öffnungsfläche 40 einer freigegebenen Öffnung bestimmt. Diese wird durch die Verschneidungskontur 34 des Verteilerkanals 30 mit der Oberfläche des Drosselkörpers 12 und einer Dichtkante 32 im Ventilkörper 14 gebildet (Fig. 3 und Fig. 4).
Fig. 3 zeigt Öffnungsflächen 38, 40 eines bekannten Drosselkörpers und des erfindungsgemäßen Drosselkörpers 12 im Vergleich bei wenig geöffneten Strömungswegen 24 oder 26. Hier besteht ein deutlicher Unterschied zwischen der Öffnungsfläche 38, die sich aus einer bekannten Verschneidungskontur 36 und der Dichtkante 32 ergibt, und der Öffnungsfläche 40, die durch die erfindungsgemäße Verschneidungskontur 34 und die Dichtkante 32 gebildet wird. In Fig. 4 ist der Strömungsweg 24 oder 26 weiter geöffnet. Die unterschiedlich schraffierten Öffnungsflächen 38 und 40 machen die charakteristischen Unterschiede deutlich.
Fig. 6 zeigt den Volumenstrom durch den Kühler in Abhängigkeit der Ventilstellung bei jeweils in einem Kühlkreissystem eingebautem Dreiwegeventil 10. In dem Diagramm sind als Koordinate 42 der Volumenstrom bzw. das Mischverhältnis und als Abszisse 44 die Stellung des Drosselkörpers 12 angegeben. Die Ventilkennlinie 48 verläuft vom Nullpunkt aus langsam ansteigend, der zugleich einem geschlossenen Kühlerzweig entspricht, bis zu einem Endpunkt, der den voll geöffneten Kühlerzweig darstellt. Der konkrete Verlauf kann auf das jeweilige System abgestimmt werden. Dabei ist es zweckmäßig, dass Drosselkörper 12 für verschiedene Ventilkennlinien in einen gleichen Ventilkörper 14 einsetzbar sind.

Claims

1. Dreiwegeventil (10) für einen Kühl-/Heizkreislauf einer Brennkraftmaschine, dessen Drosselkörper (12) elektrisch in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern durch eine Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei der Drosselkörper (12) als Ventilküken ausgebildet ist, mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal (30) aufweist und durch einen Elektromotor um eine Drehachse (20) entsprechend einem der Steuereinheit zugeordneten Kennfeld (46) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (30) mit der Oberfläche des Drosselkörpers (12) eine Verschneidungskontur (34) besitzt, die beim Öffnen eines Strömungswegs (24, 26) mit einer Dichtkante (32) zunächst einen schmalen, sich in Drehrichtung erstreckenden Öffnungsquerschnitt (40) bildet.

2. Dreiwegeventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der besonders gestaltete Teil der Verschneidungskontur (34, 50) an der den Anschluss (24) zum Kühler verschließenden Seite des Drosselkörpers (12) vorgesehen ist.

3. Dreiwegeventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschneidungskontur (34) so gestaltet ist, dass die Kühlleistung des Kühlsystems möglichst linear mit dem Öffnungswinkel des Drosselkörpers (12) bezüglich des Anschlusses (24) zum Kühler ansteigt.

4. Dreiwegeventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschneidungskontur (34) so gestaltet ist, dass der Verteilerkanal (30) so geformt ist, dass bei voll geöffnetem Anschluss (24) zum Kühler die Strömung vom Anschluss (22), durch den das Kühlmittel zuströmt, zum Anschluss (24) zum Kühler optimal mit möglichst geringem Strömungswiderstand umgelenkt wird.

5. Dreiwegeventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (12) eine kugelförmige Oberfläche und einen inneren Verteilerkanal (30) hat, der quer zu einer Drehachse (20) verläuft und an einer im Wesentlichen zur Drehachse (20) parallelen Mantelfläche (18) offen ist, während die gegenüberliegende Mantelfläche (28) geschlossen ist.

6. Dreiwegeventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Drosselkörper 12 für verschiedene Ventilkennlinien (48) in einen gleichen Ventilkörper (14) einsetzbar sind.

7. Dreiwegeventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (12) aus thermoplastischem Kunststoff besteht und im Spritzgussverfahren hergestellt ist.

8. Dreiwegeventil (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Drosselkörper (12) eine Antriebswelle (16) angespritzt ist.