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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht von einem Dreiwegeventil nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 aus.
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Es
ist bekannt, in einem Kühl-/Heizkreislauf einer
Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur mithilfe
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.
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Aus
der
DE 41 25 366 C1 ist
ein 3/2-Wegeventil, insbesondere für Flüssigkeitskreisläufe in Fahrzeugen
bekannt. Es besitzt einen Drosselkörper in Form eines rotatorisch
verstellbaren, hohlzylindrischen Ventilschiebers mit einer in seiner
Umfangswand vorgesehenen Strömungsöffnung,
deren Axialabmessung beim Fortschreiten in Umfangsrichtung variiert.
Der Drosselkörper
verschließt
in einer ersten Endlage einen ersten Strömungsweg durch das Ventil und
in einer zweiten Endlage einen zweiten Strömungsweg. In Zwischenlage gibt
er die beiden Strömungswege
mit wählbarem
Volumenstromverhältnis frei,
wobei im Wesentlichen die Summe der beiden Volumenströme konstant
ist. Ein elektromotorischer Stellantrieb stellt den Drosselkörper, sodass
das Ventil je nach dem Schema der Anschlüsse als Verteilerventil oder
Mischventil in einem Flüssigkeitskreislauf
zum Kühlen
oder Beheizen von Kraftfahrzeugräumen
eingesetzt werden kann.
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Aus
der
DE 196 08 748
A1 ist ferner ein Kühlwasser-Umwälzsystem
für eine
Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs bekannt, bei dem an einer Verzweigung
eines Kühlwasserstroms
zu einer Heizung eines Fahrgastraums und zu einer Bypassleitung
ein Dreiwegeventil vorgesehen ist. Die Anschlüsse des Ventilkörpers liegen
in einer Ebene quer zu der Drehachse eines zylindrischen Ventilkörpers, der
quer zur Drehachse von einem einzigen Verteilerkanal durchdrungen
wird und aus Kunststoff hergestellt ist. Das Dreiwegeventil wird
von einem Servomotor angetrieben, der von einem elektronischen Regler
geregelt wird. In einer ersten Stellung des Drosselkörpers, bei dem
der Strömungskanal
zur Heizung hin vollständig geschlossen
ist, ist es möglich,
den einlassseitigen Kühlwasserströmungskanal
vom Wärmesammelbehälter aus
etwas zu öffnen,
damit Kühlwasser
kontinuierlich durch die Bypassleitung strömen kann. In einer zweiten
Stellung, die einer Zwischenstellung entspricht, wird der einlassseitige
Kühlwasserstrom
auf den Anschluss zur Heizung und zur Bypassleitung aufgeteilt,
wobei beide Ströme
mehr oder weniger gedrosselt sind. Eine dritte Stellung des Drosselkörpers entspricht
einem vollständig
geöffneten
Zustand, in dem der maximale Öffnungsquerschnitt
zur Heizung gegeben ist und die Bypassleitung vollständig geschlossen
ist. In dieser Stellung erweitert sich der Strömungsquerschnitt am Einlass
und am Auslass des Verteilerkanals abrupt.
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Außerdem ist
aus der
DE 20 38 085
A1 ein Dreiwegemischventil für Heizungsanlagen bekannt, bei
dem alle Anschlüsse
in einer Ebene quer zu einer Drehachse eines zylindrischen Drosselkörpers angeordnet
sind. Der Drosselkörper
bildet einen Hohlzylinder, dessen Mantelfläche auf einer Seite parallel zur
Drehachse offen ist, während
er auf der gegenüberliegenden
Seite geschlossen ist. Ausgehend von der offenen Seite sind in den
Mantel des Drosselkörpers
Steuerkurven eingearbeitet, die beim Öffnen eines Strömungswegs
mit einer Dichtkante zunächst einen
schmalen, sich in Drehrichtung erstreckenden Öffnungsquerschnitt bildet.
In Strömungsrichtung
ergeben sich beim Eintritt in den Hohlzylinder und beim Austritt
aus dem Hohlzylinder abrupte Querschnittsänderungen.
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Aus
der
EP 0 217 988 und
der
DE 25 21 911 A1 sind
Mischventile für
den Sanitärbereich
bekannt, die einen Drosselkörper
mit einer kugelförmigen Oberfläche aufweisen.
In dem Drosselkörper
sind mehrere Verteilerkanäle
vorgesehen, die mit mehreren Anschlussöffnungen des Ventilgehäuses zusammenwirken.
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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.
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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 Steu ereinheit
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, sodass innerhalb kurzer Zeit viel Kühlmittel über den
Kühler
zur Brennkraftmaschine gelangt und ungewünschte Temperaturschwankungen
auftreten.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach
der Erfindung ist der Drosselkörper entsprechend
einem der Steuereinheit zugeordneten Kennfeld verstellbar und weist
eine kugelförmige Oberfläche auf.
Der Drosselkörper
wird von einem einzigen Verteilerkanal durchdrungen, der quer zur Drehachse
verläuft
und mit Anschlüssen
des Ventilkörpers
zusammenwirkt, die alle in einer Ebene quer zur Drehachse des Drosselkörpers liegen.
Dabei ist der Verteilerkanal an einer im Wesentlichen zur Drehachse
parallelen Mantelfläche
offen, während
die gegenüberliegende
Mantelfläche
geschlossen ist, wobei der besondere Teil der Verschneidungskontur
mit dem schmalen Teil so gestaltet ist, dass die Kühlleistung
des Kühlsystems
möglichst
linear mit dem Öffnungswinkel
des Drosselkörpers
ansteigt.
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Zweckmäßigerweise
kann der Verteilerkanal bei einer Ausgestaltung der Erfindung so
geformt sein, dass bei vollständig
geöffnetem
Anschluss zum Kühler
die Strömung
vom Anschluss, durch den das Kühlmittel
zuströmt,
zum Anschluss zum Kühler
mit einem möglichst
geringen Strömungswiderstand
umgelenkt wird.
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Abweichend
von einer im Wesentlichen kreis- oder halbkreisförmigen Verschneidungskontur des
Verteilerkanals mit der Oberfläche
des Drosselkörpers
ist die Verschneidungskontur zur Modifizierung der Ventilkennlinie
so gestaltet, dass der Öffnungsquerschnitt über den
Stellweg beim Öffnen
des Dreiwegeventils 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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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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.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Dreiwegeventils,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Drosselkörpers
in Pfeilrichtung II in 1,
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3 eine
Gegenüberstellung
verschiedener Öffnungsquerschnitte
beim Öffnen
eines Strömungszweigs,
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4 eine
Gegenüberstellung
verschiedener Öffnungsquerschnitte
in einer Mittelstellung,
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5 schematische
Draufsicht entsprechend dem Pfeil V in 1 und
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6 ein
Diagramm mit Kennlinien unterschiedlicher Verschneidungskonturen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Ein
Dreiwegeventil 10 besteht im Wesentlichen aus einem Drosselkörper 12 und
einem Ventilkörper 14 (1).
Der Ventilkörper 14 bildet
den äußeren Teil
des Dreiwegeventils 10. Er besitzt drei Anschlüsse 22, 24, 26,
die 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.
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An
der Verbindungsstelle der drei Anschlüsse 22, 24, 26 ist
der Drosselkörper 12 angeordnet, der
in der dargestellten Ausführung
eine kugelförmige
Oberfläche
aufweist. 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.
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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 (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 (5).
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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 (3 und 4).
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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 4 ist der
Strömungsweg 24 oder 26 weiter
geöffnet.
Die unterschiedlich schraffierten Öffnungsflächen 38 und 40 machen
die charakteristischen Unterschiede deutlich.
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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.