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Die Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil für einen Kühlmittelkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Die Regelung der Kühlmitteltemperatur in Kühlmittelkreisläufen von Verbrennungskraftmaschinen erfolgt zumeist mit Hilfe eines dehnstoffgetriebenen Thermostatventils, das zwischen einem Kühlerzweig und einem Bypasszweig des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist und eine Veränderung des Mischungsverhältnisses des durch den Kühler- bzw. Bypasszweig strömenden Kühlmittels in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels erlaubt. Da derartige Thermostatventile jedoch verhältnismäßig träge sind und nicht extern, d. h. von einer übergeordneten Steuereinheit, angesteuert werden können, wurde in der
DE 199 60 931 A1 der Anmelderin bereits vorgeschlagen, an Stelle eines solchen Thermostatventils ein Dreiwegeventil vorzusehen, das in Abhängigkeit von Betriebs- und Umgebungsparametern durch eine Steuereinheit ansteuerbar ist. Das bekannte Dreiwegeventil weist drei in einer Ebene liegende Anschlüsse auf, von denen einer als Zulaufanschluss an die Verbrennungskraftmaschine angeflanscht werden kann, während die beiden anderen mit dem Kühlerzweig bzw. mit dem Bypasszweig verbindbar sind. Der Anschluss für den Kühlerzweig und der Anschluss für den Bypasszweig münden dort diametral zueinander in das Ventilgehäuse, können jedoch auch unter einem kleineren Winkel in Bezug zueinander und zum Zulaufanschluss angeordnet sein. Innerhalb des Ventils ist ein kugelförmiger Ventil- oder Drosselkörper angeordnet, der mittels eines von der Steuereinheit angesteuerten Ventiltriebs um eine zur Ebene der Anschlüsse senkrechte Drehachse drehbar ist und eine als Verteilerkanal dienende, zur Mantelfläche der Kugel hin offene Ausnehmung begrenzt.
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Aus dem Dokument
DE 100 16 405 A1 ist ein Mehrwegeventil für einen Kühlkreislauf bekannt. Das Mehrwegeventil umfasst Anschlüsse für eine Kühlmittelleitung, einen Kühlerzulauf und eine Bypassleitung, wobei die Anschlüsse in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Ventilkörpers liegen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Vereinfachung des Ventilaufbaus und einer gleichzeitigen Verminderung der Abflachung des Kennlinienverlaufs bei weitgehend geschlossenem Bypassanschluss.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen. Das erfindungsgemäße Mehrwegeventil weist nur zwei Dichtringe auf, welche insbesondere die Einmündung des Kühleranschlusses bzw. die Einmündung des Bypassanschlusses umgeben und gleichzeitig zur Lagerung bzw. Zentrierung des Ventilkörpers im Ventilgehäuse dienen.
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Ferner wird die Kennlinienabflachung, insbesondere aufgrund von Drosselverlusten infolge einer gleichzeitigen Drosselung des Kühleranschlusses und des Bypassanschlusses, verringert, indem eine Öffnung in einem die Einmündung des Bypassanschlusses in das Ventilgehäuse umgebenden Dichtring nicht rund sondern als Oval oder Langloch ausgebildet wird, wobei dessen Längs- oder Hauptachse in Richtung der Drehachse des Ventilkörpers verläuft.
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Ferner ist als vorteilhaft anzusehen, dass durch eine Vergrößerung des Winkels zwischen den Mittelachsen des Zulaufanschlusses und des Kühleranschlusses über 90 Grand hinaus der Strömungswiderstand im Inneren des Ventils zwischen dem Zulaufanschluss und dem Kühleranschluss verringert werden kann. Dadurch sinkt bei geöffnetem Kühleranschluss der Druckverlust im Ventil und somit auch die zum Umwälzen des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf erforderliche Pumpenergie, was die Verwendung einer kleiner dimensionierten Kühlmittelpumpe erlaubt.
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Insbesondere dann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Winkel zwischen den Mittelachsen des Zulaufanschlusses und des Kühleranschlusses größer ist als der Winkel zwischen den Mittelachsen des Zulaufanschlusses und des Bypassanschlusses, kann darüber hinaus ein gewisser Ausgleich dafür geschaffen werden, dass der kürzere Bypasszweig in der Regel einen deutlich geringeren Strömungswiderstand als der Kühlerzweig besitzt. Der Ausgleich der Strömungswiderstände wiederum ermöglicht es, beim Verstellen des Ventils durch Verdrehen des Ventilkörpers den Kühlmittelstrom weitgehend konstant zu halten, wodurch das Regelverhalten des Ventils verbessert werden kann.
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Um für eine weitere Angleichung der Strömungswiderstände des Kühlerzweiges und des Bypasszweigs zu sorgen, weist der Bypassanschluss vorzugsweise eine kleinere Öffnungsweite als der Kühleranschluss auf, wobei sein Durchmesser zweckmäßig nur etwa 2/3 des Durchmessers des Kühleranschlusses beträgt. Dadurch kann gleichzeitig das Kühlmittelvolumen im Bypasszweig verringert und damit der Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine beschleunigt werden. Außerdem werden durch den kleineren Anschluss die Baugröße, das Gewicht und die Kosten des Ventils verringert.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Ventilkörper die Form einer Kugel auf, die in einem komplementären kugelförmigen Hohlraum des Ventilgehäuses drehbar ist. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau und ein sehr geringes Kühlmittel-Totvolumen im Inneren des Ventils, wodurch zum einen das Gewicht des gefluteten Ventils und zum anderen die regelungstechnisch kritischen Totzeiten bei den für Kühlmittelkreisläufen typischen kleinen Volumenströmen verringert werden können. Weiter kann dadurch bei geöffnetem Bypassanschluss der Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine beschleunigt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Ventilkörper eine als Strömungskanal dienende, zu einer Mantelfläche des Ventilkörper hin offene Ausnehmung aufweist, die sich vorzugsweise in Form eines Ringsegments um den Ventilkörper herum erstreckt, so dass sie den Zulaufanschluss und den Kühleranschluss bei voll geöffnetem Kühleranschluss im Wesentlichen in Form eines gebogenen Rohrstücks verbindet und so ebenfalls für einen geringen Strömungswiderstand sorgt. Die Ausnehmung ist zweckmäßig so geformt, dass sie auf der Seite des Bypassanschlusses durch eine geeignete Form ihrer Innenkontur bzw. durch eine Verengung einen größeren Strömungswiderstand als an der Seite des Kühleranschlusses bietet.
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Da die optimalste Regelcharakteristik und die geringsten Genauigkeitsanforderungen an einen Ventilantrieb bei einer linearen Verstellung der Kühlleistung über den Öffnungswinkel des Ventils erreicht werden kann, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, die entgegengesetzten Stirnenden der Ausnehmung bzw. einen von diesen begrenzten Steg mit gerundeten Rändern zu versehen bzw. auf andere Weise so zu formen oder zu bemessen, dass ein bei vielen Ventilen auftretender flacher Kennlinienverlauf (Plateaubildung) im mittleren Verstellbereich vermieden wird. Um unnötig hohe Drosselverluste infolge einer gleichzeitigen Drosselung des Kühleranschlusses und des Bypassanschlusses zu vermeiden, ist der Abstand zwischen den entgegengesetzten Stirnenden der Ausnehmung bzw. die Breite des von den entgegengesetzten Stirnenden der Ausnehmung begrenzten Stegs vorzugsweise kleiner als der Abstand zwischen einander zugewandten, dem Ventilkörper gegenüberliegenden Randabschnitten des Kühleranschlusses und des Bypassanschlusses, so dass jeder der beiden Anschlüsse beim Verdrehen des Ventilkörpers zuerst ganz geöffnet wird, bevor der andere allmählich geschlossen wird. Die Breite des Stegs ist jedoch größer als die lichte Weite der Einmündung des Kühleranschlusses in das Ventilgehäuse, so dass diese vollständig verschlossen werden kann.
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Vorzugsweise wird einer der beiden Dichtringe durch die Kraft einer Feder gegen den Ventilkörper angepresst, während der andere Dichtring entweder fest in das Ventilgehäuse eingesetzt oder als Teil des Ventilgehäuses ausgebildet werden kann.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Dreiwegeventils;
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2 eine andere teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht des Dreiwegeventils;
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3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ventilkörpers des Dreiwegeventils;
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4 eine perspektivische Ansicht eines Ventildeckels des Dreiwegeventils;
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5 eine Draufsicht auf ein Gehäuseunterteil eines Ventilgehäuses des Dreiwegeventils;
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6 eine Seitenansicht des Gehäuseunterteils aus 5;
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7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Dreiwegeventil.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Das in der Zeichnung dargestellte Dreiwegeventil 2 dient zur Regelung der Kühlmitteltemperatur in einem in 7 schematisch dargestellten Kühlmittelkreislauf 4 einer Verbrennungskraftmaschine 6. Der Kühlmittelkreislauf 4 umfasst neben der Verbrennungskraftmaschine 6 einen Kühlerzweig 8 mit einem Kühler 10 und einem Gebläse 12, einen Bypasszweig 14, eine Kühlmittelpumpe 16 zur Umwälzung des Kühlmittels durch die Verbrennungskraftmaschine 6 und den Kühler- und/oder Bypasszweig 8, 14, sowie das mit einem Ventilantrieb 18 versehene Dreiwege-Mischventil 2. Mit Hilfe dieses Mischventils 2 kann der Kühlmittelstrom durch den Kühler- bzw. Bypasszweig 8, 14 durch Ansteuerung des Ventilantriebs 18 in Abhängigkeit von ausgewählten Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 6, wie beispielsweise der Kühlmitteltemperatur beim Austritt aus der Verbrennungskraftmaschine 6 bzw. beim Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 6, bedarfsgerecht eingestellt werden, zum Beispiel um nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 6 das gesamte Kühlmittel über den Bypasszweig 14 direkt in die Verbrennungskraftmaschine 6 zurück zu leiten, oder um im Teillastbereich die Temperatur des in die Verbrennungskraftmaschine 6 zurück geführten Kühlmittels durch eine entsprechende Aufteilung der Volumenströme durch den Kühlerzweig 8 bzw. den Bypasszweig 14 anzuheben. Bei einer solchen Regelung mittels eines extern ansteuerbaren Ventilantriebs 18 kann das Mischungsverhältnis von einer übergeordneten Steuer- oder Regeleinheit 20 vorgegeben werden, zum Beispiel über ein Kennfeld.
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Wie am besten in den 1 und 2 dargestellt, besteht das Dreiwegeventil 2 im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 22, einem innerhalb des Ventilgehäuses 22 um eine Drehachse 24 drehbar gelagerten Ventilkörper 26, sowie dem am Ventilgehäuse 22 angeflanschten Ventilantrieb 18 (nur in 7 dargestellt) zum Verdrehen des Ventilkörpers 26.
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Das Ventilgehäuse 22 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuseunterteil 28 und einem lösbar befestigten Gehäusedeckel 30, der eine zum Einsetzen des Ventilkörpers 26 dienende Öffnung des Gehäuseunterteils 28 verschließt und zusammen mit dem Gehäuseunterteil 28 einen kugelförmigen Hohlraum 32 mit einem abgeflachten oberen Ende begrenzt, in dem der Ventilkörper 26 untergebracht ist.
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Das Gehäuseunterteil 28 ist mit insgesamt drei Anschlüssen versehen, einem in 7 mit der Verbrennungskraftmaschine 6 verbundenen Zulaufanschluss 36, einem in 7 mit dem Kühlerzweig 8 verbundenen Kühleranschluss 38 und einem in 7 mit dem Bypasszweig 14 verbundenen Bypassanschluss 40. Der Zulaufanschluss 36 weist einen austauschbaren Schraubflansch 42 auf, so dass sich das Ventil 2 ohne eine konstruktive Veränderung am Ventilgehäuse 22 an verschiedenen Motortypen anflanschen lässt. Der Kühleranschluss 28 und der Bypassanschluss 40 sind beiderseits des Zulaufanschlusses 36 angeordnet, wobei der erstere als Schlauchstutzen 44 mit größerem Durchmesser und der letztere als Schlauchstutzen 46 mit kleinerem Durchmesser ausgebildet ist.
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Um eine einfache, strömungsgünstige Konstruktion mit gut dosierbarer Verstellcharakteristik zu ermöglichen, sind die drei röhrenförmigen Anschlüsse 36, 38, 40 so angeordnet, dass ihre Mittelachsen 48, 50, 52 (5) eine zur Drehachse 24 des Ventilkörpers 26 senkrechte Ebene aufspannen. Die Mittelachse 50 des Kühleranschlusses 38 schließt mit der Mittelachse 48 des Zulaufanschlusses 36 einen Winkel von etwa 105° ein, während die Mittelachse 52 des Bypassanschlusses 40 mit der Mittelachse 48 des Zulaufanschlusses 36 einen Winkel von etwa 95° einschließt. Der Winkel zwischen den Mittelachsen 50, 52 des Kühleranschlusses 38 und des Bypassanschlusses 40 beträgt etwa 160°. Durch diese Ausrichtung wird der Strömungswiderstand zwischen dem Zulaufanschluss 36 und dem Kühleranschluss 38 innerhalb des Ventilgehäuses 22 verringert, auch im Vergleich zum Strömungswiderstand zwischen dem Zulaufanschluss 36 und dem Bypassanschluss 40, zwischen denen das Kühlmittel stärker umgelenkt wird. Dies ermöglicht es, den Kühlmittelstrom beim Verstellen des Ventils 2 nahezu konstant zu halten und dadurch das Regelungsverhalten des Ventils zu verbessern.
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Die drei Anschlüsse 36, 38, 40 münden jeweils in entsprechenden Winkelabständen in den Hohlraum 32, wobei die Einmündung des Kühleranschlusses 38 und die Einmündung des Bypassanschlusses 40 mit Dichtringen 54 bzw. 56 versehen sind, um bei geschlossenem Kühleranschluss 38 bzw. Bypassanschluss 40 um die Einmündung des jeweiligen Anschlusses 38, 40 herum für eine Abdichtung zum Ventilkörper 26 und gleichzeitig für eine Zentrierung bzw. Lagerung des letzteren zu sorgen. Einer der beiden Dichtringe 54, 56, im vorliegenden Fall der Dichtring 56 am Bypassanschluss 40, wird von einer Feder (nicht sichtbar) gegen den Ventilkörper 26 angepresst, während der andere Dichtring 56 entweder als zusätzliches Bauteil in das Gehäuse eingesetzt oder als integraler Teil desselben ausgebildet werden kann. Im zuerst genannten Fall ist es von Vorteil, wenn der Dichtring 56 am Bypassanschluss 40 gegen einen anderen Dichtring mit kleinerem oder größerem Innendurchmesser ausgetauscht werden kann, um eine exakte Anpassung des Ventils 2 an den jeweiligen Kühlmittelkreislauf 4 zu ermöglichen. Im zuletzt genannten Fall ist es hingegen von Vorteil, den Dichtring 54 am Kühleranschluss 38 wegen der die höheren Dichtigkeitsanforderung mit einer Feder zu versehen und den Dichtring 56 am Bypassanschluss 40 als Teil des Gehäuses 22 auszubilden.
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Wie am besten in 4 dargestellt, ist der Gehäusedeckel 30 mit einem Drehlager 60 für eine entlang der Drehachse 24 über den Ventilkörper 26 überstehende Antriebswelle 62 versehen, mit deren Hilfe der Ventilkörper 26 vom Ventilantrieb 18 zwischen zwei Endstellungen verschwenkt werden kann, wobei in einer der beiden Endstellungen der Kühleranschluss 38 ganz geöffnet und der Bypassanschluss 40 ganz geschlossen ist, während dies in der anderen Endstellung umgekehrt ist. Die beiden Endstellungen des Ventilkörpers 26 werden durch einen auf der Oberseite des Gehäusedeckels 30 angebrachten Anschlag 64 definiert, der mit einem entsprechenden Anschlag des Ventilantriebs 18 zusammenwirkt. Der Zulaufanschluss 36 ist in den beiden Endstellungen und zwischen diesen immer offen, so dass dort auch kein Dichtring benötigt wird.
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Wie am besten in 3 dargestellt, besteht der Ventilkörper 26 aus einer an die Form des Hohlraums 32 angepassten Kugel 66, die an ihrem antriebsseitigen oberen Ende eine abgeflachte Polkappe 68, an ihrem entgegengesetzten unteren Ende eine gerundete Polkappe 70 und dazwischen eine als Strömungskanal für das Kühlmittel dienende Ausnehmung 72 aufweist. Der Durchmesser der Kugel 66 ist geringfügig kleiner als derjenige des Hohlraums 32, so dass sich zwischen dem Ventilgehäuse 22 und dem Ventilkörper 26 ein sehr geringes Kühlmittel-Totvolumen ergibt. Die Ausnehmung 72 erstreckt sich in einer zur Drehachse 24 senkrechten Richtung über den größten Teil des Umfangs der Kugel 66, wobei sie von der Mantelfläche der Kugel 66 bis über die Drehachse 24 hinaus ins Kugelinnere reicht. Die Ausnehmung 72 weist ungefähr die Form eines Abschnitts eines die Drehachse 24 umgebenden zylindrischen Rings mit gerundeten Stirnenden auf, der in der einen Endstellung des Ventilkörpers 26 den Zulaufanschluss 36 und den Kühleranschluss 38 quasi in Form eines gebogenen Rohrs und in der anderen Endstellung den Zulaufanschluss 36 und den Bypassanschluss 40 verbindet, wobei der jeweils andere Anschluss geschlossen ist. Durch die röhrenförmige Kontur des Strömungskanals kann der Strömungswiderstand zwischen den Anschlüssen 36, 38 weiter verkleinert und dadurch der Kühlmittelstrom noch besser konstant gehalten werden. Die Ausnehmung 72 ist zu einer zur Drehachse 24 senkrechten Mittelebene der Kugel 66 spiegelsymmetrisch, nicht jedoch zu einer dazu senkrechten, entlang der Drehachse 24 verlaufenden Mittelebene der Ausnehmung 72 selbst, da ihre zum Kühleranschluss 38 benachbarte Hälfte ein strömungsgünstigeres Profil mit kleinerem Strömungswiderstand als die andere, dem Bypassanschluss 40 zugewandte Hälfte aufweist, was ebenfalls zu einem konstanteren Kühlmittelstrom beim Verstellen des Ventils 2 beiträgt. Die gerundeten Ränder 74 an den entgegengesetzten Stirnenden der Ausnehmung 72 begrenzen einen Steg 76, der die Polkappen 68, 70 am oberen und unteren Ende der Kugel 66 verbindet und nach außen zu durch eine sphärische Oberfläche begrenzt wird. Zum Inneren der Kugel 66 hin weist der Steg 76 eine einstückig angeformte Verstärkungsrippe 78 auf, deren oberes bzw. unteres Ende sich bis über die Innenseite der jeweiligen Polkappe 68, 70 erstreckt. Die schmalste Breite des Stegs 76 im Bereich seiner Taille, d. h. in der Mittelebene der Kugel 66, ist so gewählt, dass der Steg 76 den Kühleranschluss 38 dicht verschließt, wenn er mittig vor dessen Einmündung in den Hohlraum 32 angeordnet ist. Die Stegbreite wird darüber hinaus so mit den Winkelpositionen des Kühleranschlusses 38 und des Bypassanschlusses 40 sowie mit den Durchmessern dieser Anschlüsse 38, 40 abgestimmt, dass erstens ein bei vielen Ventilen auftretender flacher Kennlinienverlauf (Plateaubildung) im mittleren Verstellbereich vermieden wird, und dass zweitens der jeweils geschlossene Anschluss 38, 40 beim Drehen des Ventilkörpers 26 in die andere Endstellung immer erst ganz geöffnet wird, bevor der zuvor geöffnete Anschluss allmählich geschlossen wird. Dadurch werden unnötig hohe Drosselverluste vermieden, die bei einer gleichzeitigen Drosselung beider Anschlüsse 38, 40 auftreten würden.
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Eine Veränderung des Kennlinienverlaufs kann auch dadurch erreicht werden, dass an Stelle einer kreisförmigen Öffnung im Bypassdichtring 56 eine längliche oder ovale Öffnung vorgesehen wird, deren Längs- oder Hauptachse parallel zur Drehachse 24 des Ventilkörpers 26 ausgerichtet ist, wobei die Kennlinie durch eine Veränderung der Öffnungskontur in gewünschter Weise beeinflusst werden kann.
