DE102008028543B3 - Adaptives Druckregelventil mit variablem Schaltpunkt - Google Patents

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Abstract

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.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (17)

  1. Ventil (1) zur Steuerung eines Gasstromes mit einem Ventilgehäuse (2), das einen Ventilinnenraum umschließt, mindestens einem druckseitigen Einlass (3) und mindestens einem saugseitigen Auslass (4), wobei zwischen dem druckseitigen Einlass (3) und dem saugseitigen Auslass (4) mindestens eine Ventilöffnung (6) angeordnet ist, die den druckseitigen Einlass (3) mit dem saugseitigen Auslass (4) des Ventils (1) verbindet, einer an dem Gehäuse (2) angeordneten elastisch beweglichen Steuermembran (12), die in Abhängigkeit von dem in dem Ventilinnenraum herrschenden Innendruck und einem Referenzdruck den Strömungsquerschnitt im Bereich der mindestens einen Ventilöffnung (6) verkleinert oder vergrößert und/oder die mindestens eine Ventilöffnung (6) verschließt oder öffnet, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (14, 19) zum Erzeugen einer ersten weiteren Kraft auf die Steuermembran (12) in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem an das Ventil (1) einlassseitig angelegten Druck und dem in dem Ventilinnenraum auf die Steuermembran (12) wirkenden Druck derart, dass bei größer werdender Druckdifferenz die durch die erste Einrichtung (14, 19) auf die Steuermembran (12) ausgeübte erste weitere Kraft gegen die Schließrichtung des Ventils (1) größer wird.
  2. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) einen mittels der Steuermembran (12) bewegbaren Ventilverschluss (7) und einen mittels des Ventilverschlusses (7) verschließbaren Ventilsitz aufweist, wobei der Ventilsitz eine Saugleitung (5) abschließt, die den Innenraum des Ventils (1) mit dem saugseitigen Auslass fluidisch verbindet.
  3. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilverschluss (7) ein Ventilteller ist.
  4. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass (3) und dem Ventilinnenraum mindestens ein druckreduzierendes Element (16) angeordnet ist.
  5. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass (3) und dem Ventilinnenraum als druckreduzierendes Element (16) ein Fluid- und/oder Nebelabscheider angeordnet ist.
  6. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass (3) und dem Ventilinnenraum als druckreduzierendes Element (16) ein Öl- und/oder Ölnebelabscheider angeordnet ist.
  7. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung eine erste Hilfsmembran (14) aufweist, deren erste Seite mit der Einlassöffnung (3) und deren zweite Seite mit dem Ventilinnenraum fluidisch verbunden ist, wobei die erste Hilfsmembran (14) mit der Steuermembran (12) kraftschlüssig gekoppelt ist.
  8. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (17, 19') zum Erzeugen einer zweiten weiteren Kraft auf die Steuermembran (12) in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Referenzdruck und dem an dem Auslass (4) anliegenden Druck derart, dass bei größer werdender Druckdifferenz die durch die zweite Einrichtung (17, 19') auf die Steuermembran (12) ausgeübte zweite weitere Kraft gegen die Schließrichtung des Ventils (1) größer wird.
  9. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung eine zweite Hilfsmembran (17) aufweist, deren erste Seite mit dem Referenzdruck verbunden ist und deren zweite Seite mit dem Auslass (4) fluidisch verbunden ist, wobei die Hilfsmembran (17) mit der Steuermembran (12) kraftschlüssig gekoppelt ist.
  10. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdruck der Atmosphärendruck oder ein hiervon abgeleiteter Druck ist.
  11. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elastisches Ele ment (23), das die Steuermembran (12) mit einer Vorspannung beaufschlagt.
  12. Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element eine elastische Feder (23) ist.
  13. Ventil (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (23) die Steuermembran (12) mit einer Zug- oder Druckkraft beaufschlagt.
  14. Entlüftungssystem mit einer Entlüftungsleitung für Gase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlüftungsleitung ein Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
  15. Entlüftungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) im Hauptströmungsweg der Gase von einem Kurbelgehäuse zum Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der mindestens eine druckseitige Einlass (3) mit dem Kurbelgehäusedruck oder einem hiervon abgeleiteten Druck und der mindestens eine saugseitige Auslass (4) mit dem Saugdruck des Ansaugtraktes oder einem hiervon abgeleiteten Druck beaufschlagbar sind.
  16. Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse und einem Ansaugtrakt zur Versorgung des Motors mit Verbrennungsluft, gekennzeichnet durch ein Entlüftungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch.
  17. Verwendung eines Ventils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Entlüftungssystems nach einem der Ansprüche 14 und 15 zum Entlüften eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors.
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