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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung eines Gasstroms.
Derartige Ventile werden insbesondere in Entlüftungssystemen, insbesondere
für Kurbelgehäuse von
Verbrennungsmotoren, eingesetzt. Sie werden dabei im Hauptströmungsweg
der Gase von einem Kurbelgehäuse
zum Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet, über den
die Durchblasegase (Blow-by-Gase) des Verbrennungsmotors zurück in den
Ansaugtrakt geleitet werden.
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Doch
nicht nur in diesen Bereichen werden Druckregelventile eingesetzt.
Grundsätzlich
werden diese zur Druckminderung und -regulierung in Gasleitungen
verwendet. Im Stand der Technik besitzen Druckregelventile hierzu
einen mit Unterdruck beaufschlagbaren Anschluss (Auslass) und einen
mit Überdruck
beaufschlagbaren Anschluss (Einlass). Mittels einer Regel-/Steuermembran
wird ein Schließkörper betätigt, der
eine in dem Ventil angeordnete Ventilöffnung schließt bzw. öffnet. In
Abhängigkeit
von den Drücken
und damit den Kräften,
die auf die Regel- bzw. Steuermembran einwirken, wird der einlass-
und der auslassseitige Druck eingestellt. Dies dient beispielsweise
in der Kurbelgehäuseentlüftungsleitung
eines Verbrennungsmotors dazu, im Kurbelgehäuse einen zulässigen Druck,
meistens einen geringen Unterdruck gegenüber dem atmosphärischen
Außendruck,
aufrechtzuerhalten, wobei sowohl zu große als auch zu kleine Druckwerte
im Kurbelgehäuse
vermieden werden müssen.
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Einfache
Druckregelventile aus dem Stand der Technik sollen in geöffnetem
Zustand einen kleinen Strömungswiderstand
für die
durchströmenden Gase
besitzen, so dass der Auslassquerschnitt (insbesondere der Ventilöffnung)
möglichst
groß gewählt werden
soll.
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Das
Schließ-
und Öffnungsverhalten
eines Druckregelventils kann mit Hilfe einer Kennlinie beschrieben
werden. Wird bei einem Druckregelventil für Kurbelgehäuseentlüftungen der auslassseitige Saugdruck
an der Abszisse und der einlassseitige Überdruck an der Ordinate aufgetragen,
ergibt sich eine Kennlinie die in ihrem Verlauf den geschlossenen
und auch den geöffneten
Zustand des Ventils beschreibt. Angenommen wird hierbei, dass in
negativer X-Richtung negativere, also größer werdende Saugdrücke und
in positiver Y-Richtung
der größer werdende
Druck am Einlass des Ventils oder an einer anderen Stelle innerhalb
des Ventils gemessen, aufgetragen ist.
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Der
Kennlinienbereich, der den vollständig geöffneten Zustand eines Ventils
ohne druckmindernde Elemente beschreibt, entspricht einer Ursprungsgeraden
im ersten und dritten Quadranten eines kartesischen Koordi natensystems.
Sind zwischen Einlass und Auslass im Strömungsweg des Ventils druckmindernde
Elemente, wie Ölabscheider, angeordnet
so ergibt sich dadurch eine Verschiebung der Kennlinie vertikal
nach oben. Derartige druckmindernde Elemente verursachen also in
diesem Bereich einen von 0 verschiedenen Y-Achsenabschnitt.
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Im
dritten Quadranten geht diese Kennlinie dann über in den Bereich, der einen
zunehmend geschlossenen Zustand des Ventils beschreibt. Dieser Bereich
der Kennlinie des Ventils ist abhängig vom Flächenverhältnis zwischen der Wirkfläche der
Steuermembran, auf die der jeweils wirkende Druck einwirkt und dem
Auslassquerschnitt der Ventilöffnung, auf
die im geschlossenen Zustand der auslassseitige Druck einwirkt.
Dieses Verhältnis
sollte ebenfalls möglichst
groß sein,
damit die Kennlinie des Ventils in diesem Bereich möglichst
flach, also parallel zur Abszisse wird. Für ein großes Flächenverhältnis muss jedoch die Membran
sehr groß und/oder
der Querschnitt der Ventilöffnung
klein sein. Ein kleiner Auslassquerschnitt steht im Widerspruch
zur oben genannten Anforderung an einen großen Auslassquerschnitt. Außerdem hat
eine große
Membran den Nachteil hoher Kosten und einer großvolumigen Bauform des Ventils.
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Selbst
bei relativ flachen Kennlinien ist es jedoch bei herkömmlichen
Druckregelventilen immer noch möglich,
dass aufgrund weiterer in der Entlüftungsleitung angeordneter
Strömungswiderstände, wie
beispielsweise Ölabscheideelemente,
im Kurbelgehäuse
bei hohen Volumenströmen
unzulässig hohe
Drücke
auftreten. Zwar können
durch Einsatz einer Feder, die dem Schließen des Ventils entgegenwirkt,
die unzulässig
hohen Druckwerte bis auf einen vorgegebenen Wert re duziert werden.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass dann bei niedrigen Volumenströmen unzulässig niedrige
Drücke
im Kurbelgehäuse
entstehen können,
da die durch die Feder erzeugte, der Schließbewegung entgegenwirkende Kraft
erst überwunden
werden muss.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zur Verfügung zu
stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und insbesondere
die Möglichkeit
gibt, unabhängig
vom Volumenstrom des durch das Ventil geleiteten Gases, bei gleichen
sonstigen Randbedingungen, gleiche oder nahezu gleiche einlassseitige
Drücke
einzustellen. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein entsprechendes Entlüftungssystem,
einen entsprechenden Verbrennungsmotor und eine entsprechende Verwendung
des erfindungsgemäßen Ventils
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Ventil nach Anspruch 1, das Entlüftungssystem
nach Anspruch 14, den Verbrennungsmotor nach Anspruch 16 und die
Verwendung nach Anspruch 17 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ventils sowie des erfindungsgemäßen Entlüftungssystems sind
in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
gegeben.
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Die
EP 0 724 206 A2 zeigt
ein Ventil, bei dem zusätzlich
zu der Steuermembran eine Hilfsmembran vorgesehen ist. Diese Hilfsmembran
ist auf einer Seite mit dem Saugdruck, wie er sich innerhalb des
Ventiltellers statisch einstellt, und auf ihrer anderen Seite mit
dem atmosphärischen
Druck als Referenzdruck beaufschlagt und wirkt unter normalen Betriebsbedingungen,
bei denen der Saugdruck geringer ist als der Referenzdruck, der
Schließbewegung
des Ventils entgegen. Die
EP
0 724 206 A2 beschreibt darin, dass durch die Anwendung
einer derartigen Hilfsmembran der Druckverlauf in einem Kurbelgehäuse unabhängiger von
der Höhe
des Saugdrucks eines Ansaugtraktes eingestellt werden kann.
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Die
DE 103 21 211 A1 offenbart
ein Ventil bei dem neben der Steuermembran ebenfalls eine Zusatzmembran
vorgesehen ist. Im Gegensatz zur
EP 0 724 206 A2 ist die Zusatzmembran auf
der einen Seite mit einer von dem Kurbelgehäusedruck abhängigen,
von einer Regeleinrichtung über
eine elektromagnetische Ausgleichseinrichtung erzeugten Kraft und
auf der anderen Seite mit dem atmosphärischen Druck als Referenzdruck
beaufschlagt. Durch mechanische Kopplung der Zusatzmembran mit der Steuermembran
wird die von der Ausgleichseinrichtung erzeugte Kraft auf die Steuermembran übertragen
und wirkt entgegen der Schließrichtung
des Ventils.
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In
der
DE 100 44 922
B4 ist eine weitere Ventilanordnung gezeigt, die den Druck
eines Kurbelgehäuses
einer Brennkraftmaschine mittels eines Drosselventils regelt. Das
Drosselventil weist eine Steuermembran auf, die auf ihrer einen
Seite mit dem atmosphärischen
Druck als Referenzdruck und auf der anderen Seite mit dem im Kurbelgehäuse herrschenden
Druck beaufschlagt ist. Die Steuermembran teilt dabei eine Membrankammer
in einen oberen und einen unteren Membrankammerteil. Unterhalb der Trennwand,
welche den unteren Membrankammerteil nach unten hin abschließt, befindet
sich eine Ventilkammer, die einen Ventilsitz enthält, der
mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden ist und mit
einem Ventilkörper
und einem Ventilkörperbetätigungselement
verschlossen werden kann. Die Ventilkammer steht ferner mit einer
Entlüftungsleitung
der Brennkraftmaschine, die in ih rem Verlauf eine Ölabscheideeinrichtung
beinhaltet, in fluidischer Verbindung. Das Ventilkörperbetätigungselement
ist dabei mit der Steuermembran verbunden und durchdringt die Trennwand
zwischen unterer Membrankammer und Ventilkammer. Die dichtende Durchführung des
Ventilbetätigungselements
durch die Trennwand wird dabei mittels einer Dichtmembran sichergestellt,
deren Wirkfläche
sehr klein ist gegenüber der
Wirkfläche
der Steuermembran. Dadurch soll eine Beeinflussung der Kräfte auf
die Steuermembran durch zusätzliche,
an der Dichtmembran wirkende Kräfte
zuverlässig
vermieden werden.
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Ausgehend
von einem derartigen Ventil, wie es in der
EP 0 724 206 A2 beschrieben
ist, stellt sich die vorliegende Erfindung die hiervon abweichende Aufgabe,
den einlassseitigen Druck des Ventils möglichst vom Volumenstrom des
Gases in dem Ventil unabhängig
einzuregeln.
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Hierzu
ist eine erste Einrichtung, beispielsweise eine Hilfsmembran, vorgesehen,
die auf die Stell-/Steuermembran
des Ventils eine Kraft ausübt, die
bei größer werdendem
Druckunterschied zwischen dem einlassseitigen Druck des Ventils
und dem Druck im Innenraum des Ventils, insbesondere unmittelbar
vor der Ventilöffnung,
eine zunehmende Kraft gegen die Schließrichtung des Ventils ausübt. Diese
Einrichtung kann beispielsweise eine (erste) Hilfsmembran sein,
die im Innenraum oder am Einlass des Ventils angeordnet ist und
auf je einer ihrer beiden Seiten vom einlassseitigen Druck bzw.
vom Ventilinnenraumdruck beaufschlagt wird. Diese Hilfsmembran kann
vorteilhafterweise kraft- und/oder formschlüssig mit der Steuermembran
verbunden sein, beispielsweise mittels eines stabilen Gestänges. Dieses
Gestänge
kann mehrere ne beneinander angeordnete Stangen aufweisen, die jeweils
die Hilfsmembran mit der Steuermembran verbinden. Hierdurch wird
eine Verkantung bzw. Verkippung des Gestänges im Betrieb zuverlässig vermieden.
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Die
Hilfsmembran wird vorteilhafterweise bezüglich des Gasstroms parallel
zu weiteren druckmindernden Elementen zwischen dem Einlass und dem Innenraum
des Ventils angeordnet, beispielsweise Ölabscheidern. Parallelität kann in
diesem Falle sowohl räumliche
Parallelität
bedeuten als auch strömungsmechanische
Parallelität,
d. h. dass die ”parallel” angeordneten
Elemente auf ihren beiden Seiten denselben Druckverhältnissen
unterworfen sind bzw. strömungsmechanisch
nebeneinander in derselben Strömung
angeordnet sind.
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Daneben
können
auch zusätzliche
Elemente zur Rückführung von
abgeschiedenem Öl,
beispielsweise Siphons, vor oder nach dem druckmindernden Element
angeordnet sein. Neben der räumlich
parallelen Anordnung sind auch Anordnungen möglich, bei denen die druckmindernden
Elemente räumlich nicht
parallel und auch räumlich
weiter entfernt von der Hilfsmembran angeordnet sind. Gemeinsam
mit derartigen Elementen, z. B. gemeinsam mit einem Ölabscheider,
trennt die Membran dann den Innenraum des Ventils vom einlassseitigen
Druck ab. Je nach Druckabfall über
das druckmindernde Element, beispielsweise den Ölabscheider, wirkt dann eine
unterschiedlich starke Kraft auf die Hilfsmembran, die mittels der
oben beschriebenen kraft- und/oder
formschlüssigen
Verbindung auf die Steuermembran übertragen wird.
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Im
Falle eines Ölabscheiders
oder Ölnebelabscheiders
als druckminderndes Element führt
dies dazu, dass bei ansteigendem Volumenstrom über den ölabscheider/ölnebelabscheider
die durch den ölabscheider/ölnebelabscheider
hervorgerufene Druckdifferenz ansteigt und folglich die erste Hilfsmembran
auf die Steuermembran eine zunehmende Kraft entgegen der Schließrichtung
ausübt.
Dieser zunehmende Druckabfall über
den ölabscheider/ölnebelabscheider
wird also durch einen geringer gehaltenen Druckabfall in der Ventilöffnung ganz
oder teilweise kompensiert. Auch eine Überkompensation ist möglich.
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Erfindungsgemäß kann die
Wirkfläche
der Hilfsmembran kleiner, gleich groß oder auch größer als
die Wirkfläche
der Steuermembran des Druckregelventils sein, so dass der Grad der
Kompensation je nach Bedarf eingestellt werden kann.
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Ist
die Wirkfläche
der ersten Hilfsmembran genau gleich groß wie die Wirkfläche der
Steuermembran des Druckregelventils, wird die Kennlinie des Druckregelventils
vorteilhafterweise genau so weit nach unten verschoben, dass sich
mit den zusätzlichen,
auf die Hilfsmembran wirkenden, Kräften gerade derjenige Druck
am Einlass des Ventils, beispielsweise in einem Kurbelgehäuse, einstellt,
der sich ohne erste Hilfsmembran als Druck unmittelbar vor der Ventilöffnung ergeben
würde.
Man erhält
also für
alle Volumenströme
durch das Ventil unterschiedliche Verschiebungen der Kennlinien,
die idealerweise gerade den Druckabfall über die druckmindernden Elemente
kompensieren. Als Ergebnis erhält
man also insgesamt für
den Innenbereich des Ventils unmittelbar vor der Ventilöffnung gerade
diejenigen einlassseitigen Druckverhältnisse, beispielsweise Kurbelgehäusedrücke, die
sich ohne die erste Hilfsmembran als Druck vor dem Druckregelventil
(Druck unmittelbar vor der Ventilöffnung) ergeben würden. Auf diese
Weise ist es möglich,
in vielen Fällen
unzulässig
hohe Kurbelgehäusedrücke bzw.
einlassseitige Drücke
zu verhindern.
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Ist
die Wirkfläche
der ersten Hilfsmembran kleiner als die Fläche des mit dem Druck im Ventilinnenraum
beaufschlagten Bereichs der Steuermembran, so werden die Kennlinien
ebenfalls vorteilhafterweise nach unten verschoben, allerdings wird
der Druckabfall über
die einlassseitigen Strömungswiderstände (druckmindernde
Elemente) nicht vollständig
kompensiert.
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Ist
die Wirkfläche
der ersten Hilfsmembran größer als
die Wirkfläche
bezüglich
des Innenraumdrucks des Druckregelventils der Steuermembran, so ergibt
sich eine Überkompensation.
Dies kann vorteilhaft sein, da die Kennlinien eines normalen Druckregelventils
aus dem Stand der Technik bei höheren Volumenströmen normalerweise über denjenigen Kennlinien
von niedrigeren Volumenströmen
liegen. Diese systembedingte Spreizung der Kennlinien kann durch
die Überkompensation
reduziert werden, da einzelne Kennlinien der einlassseitigen Drücke (beispielsweise
Kurbelgehäusedrücke) dann
vorteilhafterweise enger beieinander liegen.
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Erfindungsgemäß kann zusätzlich die
Lage der Kennlinien mittels einer optionalen Feder, die auf die
Steuermembran oder die erste Hilfsmembran eine Kraft entgegen der
Schließrichtung
des Ventils ausübt,
weiter verändert
werden.
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Ergänzend zu
der oben beschriebenen ersten Hilfsmembran kann eine zweite Einrichtung,
beispielsweise eine zweite Hilfsmembran, vorgesehen werden, die
auf ihrer ersten Seite mit dem Referenzdruck der Steuermembran und
auf ihrer zweiten Seite mit dem Saugdruck oder einem hiervon abgeleiteten Druck,
insbesondere mittels einer Hilfsleitung, beaufschlagt wird. Die
Hilfsleitung kann vorteilhafterweise in der Saugleitung des Ventils
angeordnet sein. In letzterem Falle wird also nicht der Saugdruck
selbst, wie er als statischer Druck direkt unterhalb des Ventiltellers
anliegt, verwendet, sondern vielmehr der sich in dem Saugrohr, das
zum Auslass des Ventils führt,
aufgrund des Bernoulli-Effekts einstellende Saugdruck verwendet.
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Dadurch
liegt bei hohen Volumenströmen durch
das Saugrohr an der Hilfsmembran ein Unterdruck an, der negativer
ist als der statische Saugdruck direkt unterhalb des Ventiltellers.
Dies führt
dazu, dass die Öffnung
des Ventils bei gleichem Saugdruck und gleichem Volumenstrom geringer
ist als ohne die Anordnung der Hilfsleitung innerhalb der Saugleitung
und hierdurch das Ventil seinen Strömungswiderstand erhöht. Die
Druckdifferenz über
die Ventilöffnung
wird dadurch größer, so
dass der mit einem höheren
Volumenstrom verbundene, negativere Saugdruck nicht voll an den
Einlass des Ventils und damit beispielsweise in das Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors
weitergeleitet wird. Hierdurch wird also erreicht, dass am Ventileinlass
auch bei sehr niedrigem Saugdruck und hohen Volumenströmen der
Druck nicht zu stark erniedrigt wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Hilfsleitung, die von der zweiten Seite der zweiten Hilfsmembran
in das Saugrohr führt,
als starre Leitung ausgeführt,
die zugleich die Hilfsmembran mit der Steuermembran des Ventils
mechanisch koppelt. Hierzu kann sie als starre Leitung durch den
in der Steuermembran angeordneten Ventilteller geführt und
mit diesem starr gekop pelt sein. In diesem Falle übernimmt
die Hilfsleitung also auch die mechanische Kopplung zwischen der
Steuermembran und der zweiten Hilfsmembran und überträgt damit die der Schließung des Ventils
entgegenwirkenden Kräfte
der zweiten Hilfsmembran.
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Es
ist jedoch auch möglich,
die zweite Hilfsmembran in anderer Weise mit der Steuermembran mechanisch
zu koppeln, beispielsweise über
ein von der Hilfsleitung separates Gestänge. Es ist auch möglich, dass
die Hilfsleitung nicht durch die Ventilöffnung in die Saugrohrleitung
eintritt, sondern an einer anderen Stelle in die Saugrohrleitung
eingeführt wird.
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Ist
die Wirkfläche
der zweiten Hilfsmembran kleiner als die Querschnittsfläche der
Ventilöffnung, so
wird die Kraft auf den Innenbereich (Ventilteller) der Steuermembran
lediglich um einen gewissen Betrag reduziert. Die Kennlinie des
Ventils wird dabei in dem Bereich, der den geschlossenen Zustand
beschreibt, vorteilhafterweise flacher. Sind die Fläche der
zweiten Hilfsmembran, die wirksam mit dem Saugdruck oder einem davon
abgeleiteten Druck beaufschlagt wird, und die Fläche der Ventilöffnung gleich
groß,
so werden die Kräfte
auf diese beiden Flächen
weitestgehend kompensiert und die resultierende Kraft geht also
gegen Null. In diesem Falle ergeben sich in diesem Bereich also
idealerweise waagrechte Kennlinien, deren Lage nur von der Größe der Fläche der
Steuermembran und einer ggf. zusätzlich
wirkenden Federkraft abhängen,
wobei die Membranfläche
der Steuermembran als diejenige Fläche definiert ist, die wirksam
dem in dem Ventilinnenraum vor der Ventilöffnung herrschenden Druck ausgesetzt
ist.
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Ist
die Wirkfläche
der zweiten Hilfsmembran größer als
die Fläche
der Ventilöffnung,
so wird im geschlossenen Zustand des Ventils die Kraft auf den Ventilteller überkompensiert.
Die resultierende Kraft wirkt also in die entgegengesetzte Richtung,
so dass in dem Bereich der Kennlinie, der den geschlossenen Zustand
beschreibt, diese mit einer positiven Steigung verläuft. Dies
ist beispielsweise bei Dieselmotoren vorteilhaft, da dort der Volumenstrom
des Blow-by-Gases
bei höherem
Ansaugunterdruck steigt. Höhere
Volumenströme
ergeben jedoch auch größere Differenzdrücke, z.
B. über
zusätzliche Ölabscheideelemente
oder andere Strömungswiderstände in der
Entlüftungsleitung
vor dem Ventil, so dass je nach Steigung der Kennlinien dennoch
optimale Kurbelgehäusedrücke eingestellt
werden können.
In einem solchen Fall ist es dann auch gut möglich, auf den Einsatz einer
weiteren Feder, die dem Schließen des
Ventils entgegenwirkt, zu verzichten.
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Im
Falle, dass das Ventil geöffnet
ist, unterscheiden sich die Drücke,
die auf die zweite Hilfsmembran und auf den Ventilteller ausgeübt werden, da
an der zweiten Hilfsmembran nicht der volle Saugdruck, sondern lediglich
der durch den Bernoulli-Effekt reduzierte Saugdruck anliegt.
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Mit
der zweiten Hilfsmembran kann also, wie auch bereits im Stand der
Technik beschrieben, die Form der Kennlinien beeinflusst werden.
Dies ermöglicht
es, den Querschnitt der Ventilöffnung
(Auslassquerschnitt) zu vergrößern und
hierdurch den Widerstand des Ventils im geöffneten Zustand herabzusetzen.
Die Größe der Steuermembran
kann vorteilhaft verkleinert werden, was zu geringeren Materialkosten
und verringerter Baugröße des Ventils
führt.
Bei einer kleineren Steuermembran ist es weiterhin möglich, eine
er gänzende
Feder kleiner oder weicher auszulegen oder ganz auf ein solches
elastisches Element zu verzichten.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele eines erfindungsgemäßen Ventils
gegeben. Hierbei zeigen die 1 bis 3 verschiedene
erfindungsgemäße Ventile
und die 4 Kennlinien eines Ventils
aus dem Stand der Technik sowie verschiedener erfindungsgemäßer Ventile.
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1a zeigt
ein erfindungsgemäßes Ventil 1,
das ein Gehäuse 2 aufweist.
In das Gehäuse 2 ragt eine
Saugleitung 5, die beispielsweise mit dem Ansaugtrakt eines
Verbrennungsmotors verbunden sein kann und den Auslass 4 des
Ventils 1 bildet. Am anderen Ende der Saugleitung, abgewandt
vom Auslass 4, bildet die Öffnung der Saugleitung 5 eine
Ventilöffnung
bzw. Ventilsitz 6.
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Das
Gehäuse 2 besitzt
eine Einlassöffnung 3,
wobei die Einlassöffnung 3 in 1a als
eine offene Seitenfläche
des Gehäuses 2 ausgebildet
ist. Diese Einlassöffnung 3 ist
beispielsweise mit einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors
fluidisch verbunden. Der Einlass 3 ist nunmehr mit dem
Auslass 4 über
die Ventilöffnung 6 und
das Saugrohr 5 fluidisch verbunden. Die Ventilöffnung 6 trennt
dabei den Innenraum des Gehäuses 2 in
einen Druckraum 8a, 8b, in dem der einlassseitige
Druck bzw. ein hiervon abgeleiteter Druck anliegt, und einen Saugraum 9,
in dem der saugseitige Druck anliegt.
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Derartige
Ventile werden, wie auch im Stand der Technik bereits bekannt, über eine
Steuermembran 12 geregelt, die oberhalb der Ventilöffnung 6 umlaufend
am Gehäuse 2 befestigt
ist. Unmittelbar über der
Ventilöffnung 6 befindet
sich dabei, im vorliegenden Beispiel in die Membran 12 integriert,
ein Ventilteller 7, der durch Auf- und Abbewegung zu der
Ventilöffnung 6 und
von der Ventilöffnung 6 weg
die Ventilöffnung 6 verschließen bzw. öffnen kann.
Durch diese Schließ- und Öffnungsbewegung
verändert
der Ventilteller 7 den Strömungsquerschnitt im Bereich der
Ventilöffnung 6.
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Die
Membran 12 weist, wie ebenfalls bereits aus dem Stand der
Technik bekannt, längs
des Gehäuses 12 umlaufend
eine Aufhängung 13 auf, über die
der Mittelteil der Membran 12 von ihren Randabschnitten
entkoppelt ist. Entscheidend für
die Bewegung der Membran 12 sind folglich die Druckverhältnisse
auf beiden Seiten der Membran innerhalb der Aufhängung 13.
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Die
Membran 12 trennt erfindungsgemäß einen Referenzraum 10 von
dem Innenraum des Ventils 1 fluidisch ab, so dass in dem
Referenzraum 10 ein vom Druckraum 8 und vom Saugraum 9 unabhängiger Druck
eingestellt werden kann. Im vorliegenden Beispiel ist dieser Druck
der atmosphärische Außendruck,
der mittels einer Öffnung 11 im
Gehäuse 2 angelegt
wird.
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Bei
niedrigem Druck im Druckraum 8b bzw. Saugraum 9/Ventilöffnung 6 verglichen
mit dem atmosphärischen
Druck in der Kammer 10 wird die Membran 12 in
Richtung der Ventilöffnung 6 ausgelenkt,
verengt den Strömungsquerschnitt
und verschließt
schließlich
mit dem Ventilteller 7 die Öffnung 6. Zu diesem
Zeitpunkt liegt im Bereich des Ventiltellers 7 auf der
ersten Seite der Membran lediglich noch der in dem Saugraum 9 befindliche
Druck und nicht mehr der höhere
im Druckraum befindliche Druck an, so dass sich ein dichtender Verschluss
der Ventilöffnung 6 ergibt.
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Steigt
der Druck im Druckraum 8b an, so wirkt er auf die Membranfläche der
Membran 12, die sich zwischen der Aufhängung 13 und dem Ventilteller 7 erstreckt.
Bei ausreichend hohem Druck im Druckraum 8b wird die Membran 12 nach
oben ausgelenkt und das Ventil zunehmend geöffnet. Zusätzlich ist bei dem Beispiel
gemäß 1a in
dem Ventil eine Feder 23 gelagert, die eine Kraft (Vorspannung) auf
die Membran 12 ausübt,
die der Schließrichtung des
Ventils entgegengesetzt ist und so das Schließen des Ventils verzögert.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr
in dem Ventil 1 eine erste Hilfsmembran 14 angeordnet,
die den druckseitigen Innenraum des Ventils 1 gemeinsam mit
einem Ölabscheidelement 16 in
zwei Kompartimente 8a und 8b trennt. Das Ölabscheidelement 16 und
die Membran 14 sind ferner so angeordnet, dass die durch
den Einlass 3 einströmende
Luft ausschließlich
durch den Ölabscheider 16 in
die Kammer 8b des Innenraums des Ventils 1 und
damit zu der Ventilöffnung 6 gelangen
kann.
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Auch
die Membran 14, die als erste Hilfsmembran wirkt, ist über eine
Aufhängung 15 von
ihren Randbereichen entkoppelt, so dass lediglich die Druckverhältnisse
zwischen der Aufhängung 15 für eine Auslenkung
der Membran 14 relevant sind.
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Die
Membran 14 und der Ölabscheider 16 trennen
das Innenvolumen des Ventils 1 in eine Kammer 8a und
eine Kammer 8b. Der Ölabscheider 16 erzeugt
nun beim Durchströmen
der Gase einen Druckverlust, so dass der eingangsseitige Druck in der
Kammer 8a, der beispielsweise dem Kurbelgehäusedruck
eines Verbrennungsmotors entspricht, in dem Ölabscheider vermindert wird
und der Druck in der Kammer 8b unmittelbar vor der Ventilöffnung 6 niedriger
liegt als der Druck in der Kammer 8a. Dementsprechend wird
die Steuermembran 12 nunmehr über den Druck in der Kammer 8b gesteuert
und nicht mehr über
den einlassseitigen Druck in der Kammer 8a.
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Die
erste Hilfsmembran 14 ist starr (kraft- und/oder formschlüssig), in
diesem Beispiel über
ein Gestänge 19,
mit der Steuermembran 12 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt über mehrere
Stangen eines Gestänges 19,
um eine Verwindung oder Verkippung des Gestänges zu verhindern.
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Treten
lediglich geringe Volumenströme
auf, so ist der Druckabfall über
den Ölabscheider 16 gering
und damit auch die Druckdifferenz zwischen der Kammer 8a und
der Kammer 8b. Die Membran 14 wird sich dann nur
geringfügig
in Richtung der Membran 12 auswölben und über das Gestänge 19 entgegen
der Schließrichtung
des Ventils eine Kraft auf die Membran 12 ausüben.
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Bei
hohen Volumenströmen,
z. B. bei Betriebszuständen
eines Verbrennungsmotors mit einem hohen Anteil von Blow-by-Gasen,
ist der Druckabfall über
den Ölabscheider 16 erheblich
größer, so dass
auf die Membran 14 eine größere Druckdifferenz zwischen
der Kammer 8a und der Kammer 8b einwirkt. Die
erste Hilfsmembran 14 gibt daher nunmehr eine größere Kraft
auf die Steuermembran 12 aus und verhindert damit ein frühes Schließen des Ventils 1.
Hierdurch ist es also möglich,
bei hohem Druckabfall im Ölabscheider 16 den
Druckabfall über die
Ventilöffnung 6 des
Ventils 1 geringer zu halten und damit dem hohen Volumenstrom
weiterhin ein weiter geöffnetes
Ventil 1 zur Verfügung
zu stellen.
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Das
in 1b gezeigte Ventil entspricht weitestgehend demjenigen
in 1a, wobei hier lediglich das Ölabscheideelement 16 nicht
räumlich
parallel zu der ersten Hilfsmembran 14 angeordnet ist.
Es besteht lediglich eine strömungsmechanische
Parallelität
des Ölabscheidelements
und der ersten Hilfsmembran 14. Ferner befindet sich innerhalb
des Ventils ein Siphon 25 zur Rückführung von abgeschiedenem Öl in das
Kurbelgehäuse
eines Verbrennungsmotors.
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2 zeigt
nun in den Teilfiguren a, b und c weitere erfindungsgemäße Ventile 1,
wobei in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren für gleiche und ähnliche
Elemente wie in 1 gleiche und ähnliche
Bezugszeichen verwendet werden. Für diese wird daher eine Wiederholung
der Beschreibung weggelassen.
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Das
in 2a gezeigte Ventil entspricht weitestgehend
demjenigen in 1, wobei jedoch hier eine
zusätzliche
zweite Hilfsmembran 17 angeordnet ist. Diese Membran 17 ist
wiederum über
eine Aufhängung 18 von
ihrer Umgebung entkoppelt und trennt innerhalb der Saugleitung 5 einen
Raum 20 ab, der mit dem Referenzdruck beaufschlagt ist.
Auf die Membran 17 wirkt also nunmehr auf einer ersten
Seite der Referenzdruck und auf einer zweiten Seite der im Saugrohr
herrschende Saugdruck. Diese Hilfsmembran 17 ist über ein
Gestänge 19' kraft- und/oder formschlüssig mit
der Membran 12 gekoppelt, so dass sich bei einem niedriger
werdendem Saugdruck eine größer werdende
Kraft auf die Membran 12 entgegen der Schließrichtung
des Ventils ergibt. Dabei erfährt
das Gestänge 19' eine Druckbeanspruchung. Dies
bedeutet, dass bei hoher Druckdifferenz zwischen dem Einlass 3 und
dem Auslass 4, die einen hohen Volumenstrom und damit auch
einen hohen Druckverlust in dem Ölabscheider 16 bedeutet, die Ventilöffnung 6 weiter
offen bleibt als ohne Verwendung der zweiten Hilfsmembran 17 und
der Schließvorgang
verschoben wird.
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Die 2b zeigt eine Ausführungsform, bei der die Hilfsmembran 17 oberhalb
der Steuermembran 12 angeordnet ist und vom Referenzraum 10 einen
Saugdruckraum 21 fluidisch abtrennt. Dieser Raum 21 steht über eine
Hilfsleitung 22 mit dem Auslass 4 des Ventils 1 und
der Saugleitung 5 in fluidischer Verbindung, so dass nunmehr
die in der Zeichnung 2b unterhalb der Membran 17 befindliche
erste Seite der Membran mit dem Referenzdruck in der Kammer 10 und
die gegenüberliegende
zweite Seite in der Kammer 21 mit dem Saugdruck beaufschlagt wird.
Die Wirkung der zweiten Hilfsmembran 17 ist dieselbe wie
in 2a.
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In 2c ist ein Ventil gezeigt, das sich aus dem
Ventil, das in 2b dargestellt ist,
dadurch ergibt, dass der Saugraum 21 nicht über eine
Hilfsleitung 22, die abgetrennt von den Räumen 8 bzw. 10 verläuft, mit
dem Auslass 4 verbunden ist, sondern in dem die mechanische
Kopplung 19' zwischen
der zweiten Hilfsmembran 17 und der Steuermembran 12 als
Tauchrohr/Durchgangsrohr 24 ausgebildet ist. Dieses Durchgangsrohr
erstreckt sich von der Membran 17 bis zur Steuermembran 12,
optional auch noch weiter in Richtung und/oder durch die Ventilöffnung 6 hindurch.
Der Raum 21 steht also in fluidischer Verbindung mit dem
am Ventilteller 7 oder dem Saugrohr 5 herrschenden
Saugdruck. Die Wirkung dieser Anordnung ist analog derjenigen aus 2b.
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Soweit
sich das Tauchrohr 24 durch die Membran 12, den
Ventilteller 7 und durch die Ventilöffnung 6 bis in das
Saugrohr 5 erstreckt, wird die zweite Seite der Membran 17 nicht
mit dem statischen Saugdruck, der direkt unterhalb des Ventiltellers 7 herrscht,
beaufschlagt, sondern mit dem Saugdruck, der entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit,
die sich aus dem Volumenstrom und der Querschnittsfläche der
Ventilöffnung 6 abzüglich der Querschnittsfläche des
sich durch die Ventilöffnung 6 erstreckenden
Tauchrohrs 24 ergibt, in dem Saugrohr 5 aufgrund
des Bernoulli-Effekts
verringert ist.
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Die 3a bis 3c stellen
Ventile 1 dar, die nahezu vollständig den Ventilen in den 2a bis 2c entsprechen.
Im Unterschied zu den in den 2a bis
c dargestellten Ventilen wird jedoch in den Ventilen 1 der 3a bis c auf die Feder 23 verzichtet.
Die Kombination der ersten Hilfsmembran 14 und der zweiten
Hilfsmembran 17 kann eine ausreichende Verschiebung der
Kennlinien der Ventile 1 bewirken, so dass auf eine derartige
Vorspannungsfeder 23 gegebenenfalls auch verzichtet werden
kann.
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4a zeigt
schematisch Kennlinien eines Ventils nach dem Stand der Technik,
bei dem im Strömungsweg
zwischen dem Einlass und dem Auslass des Ventils ein Ölabscheider
als druckminderndes Element angeordnet ist. Aufgetragen ist jeweils
der Saugdruck im Saugraum 9 in X-Richtung für einen konstanten
Volumenstrom. Die beiden Kennlinien zeigen in Y-Richtung den Verlauf
der Drücke
zum einen vor dem druckmindernden Element 16 in der gestrichelten
Darstellung mit der Bezeichnung p3 und den
Druckverlauf nach dem Abscheidelement innerhalb des Druckraumes 8b in
der durchgezogenen Darstellung mit der Bezeichnung p8b.
Deutlich zu sehen ist der Einfluss des druckmindernden Elementes, welches
die einzelnen Druckwerte reduziert und so die Kennlinie p8b gegenüber
der Kennli nie p3 nach unten verschiebt.
Durch die angegebenen beispielhaften Achsenbeschriftungen von 10
mbar in X-Richtung
bzw. –10
mbar (Unterdruck) in Y-Richtung soll die gleich bleibende Steigung
der Kennlinie in dem Bereich, der den geöffneten Zustand beschreibt,
gezeigt werden.
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In 4b ist
die Kennlinie eines ersten erfindungsgemäßen Ventils gemäß 1a zu
sehen. Dieses Ventil weist, wie in 1a beschrieben,
eine erste Hilfsmembran 14 auf. Die Kraft auf die erste Hilfsmembran,
die sich aus dem Druck am Einlass 3 des Ventils, beispielsweise
dem Kurbelgehäusedruck,
ergibt, wird durch die mechanische Kopplung der ersten Hilfsmembran 14 mit
der Steuermembran 12 auf letztere übertragen. Die auf die Steuermembran
zusätzlich
entgegen der Schließrichtung
wirkende Kraft ergibt sich aus der Beziehung F = dp·AWH, wobei dp die Druckdifferenz durch die
druckmindernden Elemente (Druckabfall über die druckmindernden Elemente)
und AWH die Wirkfläche der ersten Hilfsmembran
beschreibt. Im Vergleich zu einem Ventil aus dem Stand der Technik,
kompensiert die erste Hilfsmembran 14 also den Druckabfall über das druckmindernde
Element und die Steuermembran 12 kann dadurch so eingeregelt
werden, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ventils unzulässig hohe Kurbelgehäusedrücke vermieden
werden.
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Die
in 4c gezeigten Kennlinien sind charakteristisch
für den
Druckverlauf eines Ventils entsprechend weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen
wie sie in den 2a bis 2c gezeigt sind.
Diese Ventile zeichnen sich gegenüber dem Ventil aus 1 durch eine zusätzliche zweite Hilfsmembran 17 aus.
Der Einfluss der zweiten Hilfsmembran ist in der 4c schematisch
aufgezeigt. Auf die zweite Hilfs membran wirkt auf der einen Seite
der Referenzdruck, welcher dem Atmosphärendruck oder einem davon abgeleiteten
Druck entspricht, und auf der anderen Seite der Druck am Auslass 4.
Die zweite Hilfsmembran erzeugt eine Gegenkraft zur Schließbewegung
der Steuermembran. Durch geeignete Wahl der Flächenverhältnisse der Wirkfläche der
zweiten Hilfsmembran 17 und des Querschnittes der Ventilöffnung 6 kann
die Form der Kennlinie beeinflusst werden. Im Beispiel der 4c sind
diese beiden Flächen
gleich groß.
Daraus resultiert eine Kompensierung der auf den Ventilteller im
Bereich des Querschnittes der Ventilöffnung wirkende Kraft und die
Kennlinie nimmt im Vergleich zu der aus 4b in
Bereichen zunehmend niedriger Saugdrücke (höherer Saugunterdrücke) eine
abgeflachte, annähernd
zur X-Achse parallele (waagrechte) Form an.