DE102009057162A1

DE102009057162A1 - Schaltventil für einen Ladeluftkreislauf

Info

Publication number: DE102009057162A1
Application number: DE102009057162A
Authority: DE
Inventors: Ewald Krieger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-05
Filing date: 2009-12-05
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-06
Also published as: DE102009057162B4; WO2011066877A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Schaltventil für einen Ladeluftkreislauf einer Brennkraftmaschine, der eine Umschaltklappe aufweist, mit
– einem Ventilgehäuse (2), das eine mit einer ersten Druckquelle verbindbare erste Drucköffnung (9), eine mit einer zweiten Druckquelle verbindbare zweite Drucköffnung (10) und eine mit der Umschaltklappe verbindbare Schaltöffnung (7) aufweist;
– einem ersten Ventilelement (14) und einem zweiten Ventilelement (15), die beide in dem Ventilgehäuse (2) angeordnet und sowohl relativ zu diesem als auch relativ zueinander verschieblich sind; und
– einem Stellelement (5), das eingerichtet ist, in einer ersten Schaltstellung der beiden Ventilelemente (14, 15) die Schaltöffnung (7) mit der zweiten Drucköffnung (10) zu verbinden und bezüglich der ersten Drucköffnung (9) zu verschließen, in einer zweiten Schaltstellung die Schaltöffnung (7) bezüglich sowohl der ersten Drucköffnung (9) als auch der zweiten Drucköffnung (10) zu verschließen, und in einer dritten Schaltstellung die Schaltöffnung (7) mit der ersten Drucköffnung (9) zu verbinden und bezüglich der zweiten Drucköffnung (10) zu verschließen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für einen Ladeluftkreislauf einer Brennkraftmaschine, der eine Umschaltklappe aufweist.
Es ist bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen bereits bekannt, Ladeluftkühler zu verwenden, um die Ladeluft zu kühlen, bevor sie in die Brennräume eingeleitet wird. Je nach Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ist es dabei oftmals erwünscht, den Ladeluftkühler nicht mit dem gesamten Volumenstrom der Ladeluft zu beaufschlagen, sondern die Kühlleistung des Ladeluftkühlers zu reduzieren.
Aus der DE 10 2008 009 152 A1 ist ein derartiger Ladeluftkühler zur Reduzierung der Kühlleistung bekannt, bei der zumindest zwei jeweils eine Teilfläche der Wärmetauscherfläche bildende Bereiche vorgesehen sind. Die Ladeluft ist mittels eines Strömungsleitelementes beziehungsweise einer Umschaltklappe bedarfsweise einem Bereich und/oder mehreren Bereichen zuführbar. Die Umschaltklappe ist dabei in einem Sammelkasten des Ladeluftkühlers integriert.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltventil für die Betätigung einer Umschaltklappe eines Ladeluftkühlers anzugeben, das in einfacher und zuverlässiger Weise eine bedarfsgerechte Schaltung der Umschaltklappe realisiert.
Diese Aufgabe wird durch ein Schaltventil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bei einem Schaltventil der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß Folgendes vorgesehen: ein Ventilgehäuse, das eine mit einer ersten Druckquelle verbindbare erste Drucköffnung, eine mit einer zweiten Druckquelle verbindbare zweite Drucköffnung und eine mit der Umschaltklappe verbindbare Schaltöffnung aufweist; ein erstes Ventilelement und ein zweites Ventilelement, die beide in dem Ventilgehäuse angeordnet und sowohl relativ zu diesem als auch relativ zueinander verschieblich sind; und ein Stellelement, das eingerichtet ist, in einer ersten Schaltstellung der beiden Ventilelemente die Schaltöffnung mit der zweiten Drucköffnung zu verbinden und bezüglich der ersten Drucköffnung zu verschließen, in einer zweiten Schaltstellung die Schaltöffnung bezüglich sowohl der ersten Drucköffnung als auch der zweiten Drucköffnung zu verschließen, und in einer dritten Schaltstellung die Schaltöffnung mit der ersten Drucköffnung zu verbinden und bezüglich der zweiten Drucköffnung zu verschließen.
Für das erfindungsgemäße Schaltventil zum Betätigen der Umschaltklappe eines Ladeluftkühlers sind somit lediglich auf zwei unterschiedlichen Druckniveaus befindliche Druckquellen erforderlich, so dass das Schaltventil rein pneumatisch-mechanisch und vollkommen unabhängig von elektronischen Signalen eines Motorsteuergerätes der Brennkraftmaschine funktioniert. Somit steht mit dem erfindungsgemäßen Schaltventil auch eine nachrüstbare Lösung für einen bedarfsgerechten Betrieb eines Ladeluftkühlers zur Verfügung.
Erfindungsgemäß ist eine erste Feder zwischen dem Ventilgehäuse und dem ersten Ventilelement vorgesehen, die das erste Ventilelement gegen eine an dem Ventilgehäuse vorgesehenen Anlagefläche drückt, so dass die erste Drucköffnung verschlossen ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die erste Drucköffnung nur mit einer Arbeit gegen die Federkraft geöffnet wird.
Bevorzugt weist das erste Ventilelement eine in im Wesentlichen hohlzylindrische Form auf und das zweite Ventilelement ragt zumindest teilweise in das erste Ventilelement hinein, um eine Öffnung des Hohlzylinders verschließen zu können.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist eine zweite Feder zwischen dem ersten Ventilelement und dem zweiten Ventilelement vorgesehen, die das zweite Ventilelement von dem ersten Ventilelement fortdrückt, und das zweite Ventilelement gegen die Federkraft der zweiten Feder das erste Ventilelement verschließt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Öffnung des Hohlzylinders nur mit einer Arbeit gegen die Federkraft der zweiten Feder versperrt wird.
Um auch bei tieferen Temperaturen einer Fahrzeugumgebung eine Kondensatbildung in dem Ladeluftkühler zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Stellelement temperaturabhängig zwischen den einzelnen Schaltstellungen der beiden Ventilelemente wechselt.
Ein einfacher und zuverlässiger Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltventils wird durch die Verwendung eines Wachs-Dehn-Elementes als Stellelement realisiert. Alternativ kann ein Bi-Metall-Element verwendet werden.
Erfindungsgemäß verschiebt das Stellelement durch seine veränderliche Ausdehnung das zweite Ventilelement und/oder das erste Ventilelement. Auf diese Weise wird eine zuverlässige und rein pneumatisch-mechanische Betätigung der Umschaltklappe ohne elektronisches Signal ermöglicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, in denen:
1 eine Querschnittsdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Schaltventil zeigt, das an einer Ladeluftleitung angeordnet ist;
2 eine vergrößerte Teildarstellung des Schaltventils aus 1 in einer ersten Schaltstellung zeigt;
3 eine vergrößerte Teildarstellung des Schaltventils aus 1 in einer zweiten Schaltstellung zeigt;
4 eine vergrößerte Teildarstellung des Schaltventils aus 1 in einer dritten Schaltstellung zeigt; und
5 eine vergrößerte Teildarstellung des Schaltventils aus 1 zwar in der dritten Schaltstellung aber mit zur Darstellung der 4 variierter Ventilstellung zeigt.
1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein erfindungsgemäßes Schaltventil 1 mit einem Ventilgehäuse 2. Das Ventilgehäuse 2 ist mittels einer Flanschverbindung 3 an einer Ladeluftleitung 4, beispielsweise dem Ladeluft-Rücklaufschlauch, angeordnet. im Bereich der Flanschverbindung 3 ist ein Stellelement 5 vorgesehen, das mit seinem Endbereich 5a in die Ladeluftleitung 4 hineinragt. Der dem Endabschnitt 5a gegenüberliegende Endabschnitt 5b des Stellelementes 5 ragt zumindest teilweise in das Ventilgehäuse 2 hinein. Bevorzugt ist das Stellelement 5 ein Wachs-Dehn-Element mit einem temperaturabhängig aus dem Stellelement 5 hervorragenden Stellglied 6, welches in seiner Längenausdehnung veränderlich in das Innere des Ventilgehäuses 2 hineinragt. Das Stellelement 5 ist zwischen einem Flansch 3a der Ladeluftleitung 4 und einem Flansch 3b des Ventilgehäuses 2 durch geeignete Anlageflächen stabil gehaltert.
Das Ventilgehäuse 2 weist eine Schaltöffnung 7 auf, an der sich ein Schaltanschluss 8 an der Außenseite des Ventilgehäuses 2 anschließt. Der Schaltanschluss 8 kann über eine geeignete, nicht dargestellte Druckleitung mit einer Umschaltklappe im Ladeluftkühler (nicht dargestellt) verbunden werden. Das Ventilgehäuse 2 weist ferner eine erste Drucköffnung 9 und eine zweite Drucköffnung 10 auf, an denen sich jeweils Druckanschlüsse 11 bzw. 12 an der Außenseite des Ventilgehäuses 2 anschließen. Hierbei kann beispielsweise die erste Drucköffnung 9 über den ersten Druckanschluss 11 über eine entsprechende Druckleitung mit einer Unterdruck- bzw. Vakuumpumpe der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) verbunden werden. Die zweite Drucköffnung 10 ist beispielsweise über den zweiten Druckanschluss 12 und eine entsprechende Druckleitung mit der Umgebung verbunden, sodass die zweite Drucköffnung zur Belüftung des erfindungsgemäßen Schaltventils 1 dient.
Das Ventilgehäuse 2 ist an der der Ladeluftleitung 4 gegenüberliegenden Seite mit einem geeigneten Gehäusedeckel 13 abgedichtet verschlossen. In dem Innenvolumen des Ventilgehäuses 2 befinden sich ein erstes Ventilelement 14 und ein zweites Ventilelement 15, die sowohl relativ zu dem Ventilgehäuse 2 als auch relativ zueinander verschoben werden können. Das erste Ventilelement 14 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form auf. Eine Öffnung des Hohlzylinders ist durch das zweite Ventilelement 15 verschließbar, das zumindest teilweise in das erste Ventilelement 14 hineinragt.
Das Schaltventil 1 weist ferner eine erste Feder 16 auf, die sich zwischen dem Gehäusedeckel 13 und dem ersten Ventilelement 14 abstützt. Weiterhin ist eine zweite Feder 17 vorgesehen, die sich an einer Innenwandung des ersten Ventilelementes 14 und an dem zweiten Ventilelement 15 abstützt. Die beiden Federn 16 bzw. 17 sind bei dem dargestellten Schaltventil 1 als Spiralfedern ausgebildet. Schließlich sind bei dem Schaltventil 1 mehrere Dichtringe 18, beispielsweise O-Ringe vorgesehen, die das Schaltventil luftdicht abdichten.
Die Funktionsweise des Schaltventils 1 aus 1 wird nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 5 ausführlicher erläutert, in denen für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
2 gibt die erste Schaltstellung des Schaltventils 1 wieder und entspricht einer Situation, bei der beispielsweise die Temperatur von Ladeluft in der Ladeluftleitung 4 (1) etwa 2°C beträgt. Das Stellglied 6 des Stellelementes 5 ist bei dieser Temperatur weitgehend zurückgezogen. Die erste Feder 16 drückt das erste Ventilelement 14 gegen eine Anlagefläche 19 des Ventilgehäuses 2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Anlagefläche 19 zur Außenwand des Ventilgehäuses 2 geneigt. Eine ebenfalls geneigte Fläche ist an dem ersten Ventilelementes 14 ausgebildet, die mit der Anlagefläche 19 in Kontakt kommt. Das erste Ventilelement 14 befindet sich in dieser Schaltstellung vor der ersten Drucköffnung 9 und verschließt diese. Zur Abdichtung sind zwei Dichtringe 18 zwischen dem ersten Ventilelement 14 und dem Ventilgehäuse 2 vorgesehen.
Ferner druckt die zweite Feder 17 das zweite Ventilelement 15 von dem ersten Ventilelement 14 fort und gegen einen Anschlag 20 des Ventilgehäuses 2. Der Anschlag 20 zeigt im bereich des Flansches 3b radial nach innen. Aus dieser Darstellung der 2 ist ersichtlich, dass für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Schaltventils 1 die Federkraft der ersten Feder 16 größer als die Federkraft der zweiten Feder 17 sein sollte. Durch das Fortdrücken des zweiten Ventilelementes 15 von dem ersten Ventilelement 14 ist zwischen diesen beiden ein Strömungsweg eröffnet, sodass Umgebungsluft sich über die erste Drucköffnung 10 in den Innenraum des Ventilgehäuses 2 und durch eine Durchtrittsöffnung 21 im ersten Ventilelement 14 zwischen dem ersten Ventilelement 14 und dem zweiten Ventilelement 15 hindurch zur Schaltöffnung 7 austauschen kann. Somit wird die Umschaltklappe des Ladeluftkühlers (nicht dargestellt) mit der Umgebungsluft belüftet. Dieser Belüftungsweg der ersten Schaltstellung ist in der 2 durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet.
In der 3 wird die zweite Schaltstellung des erfindungsgemäßen Schaltventils 1 dargestellt. Die Ladeluft in der Ladeluftleitung 4 (1) weist in dieser gezeigten Situation eine etwas höhere Temperatur, beispielsweise etwa 5°C auf. Das Stellglied 6 ragt deshalb zumindest teilweise aus dem Stellelement 5 hervor und drückt in Eingriff milder zweiten Ventilelement 15 dieses gegen das erste Ventilelement 14. Hierbei überwindet das Stellglied 6 die Federkraft der zweiten Feder 17. Das erste Ventilelement 14 kommt hierbei in Anlage an das zweite Ventilelement 15. Zur Abdichtung dieser Anlage ist der Dichtring 18 zwischen dem ersten Ventilelement 14 und dem zweiten Ventilelement 15 vorgesehen.
Da die Federkraft der zweiten Feder 17 etwas kleiner als die Federkraft der ersten Feder 16 ist, kann das zweite Ventilelement 15 gegen das erste Ventilelement 14 verschoben werden, ohne dass gleichzeitig das erste Ventilelement 14 verschoben wird. In dieser Schaltstellung ist die Schaltöffnung 7 sowohl bezüglich der ersten Drucköffnung 9 als auch bezüglich der zweiten Drucköffnung 10 verschlossen. Der durch den Pfeil 22 in der 2 angedeutete Belüftungsweg ist in dieser in 3 gezeigten zweiten Schaltstellung des Schaltventils 1 versperrt und es findet kein Luftaustausch statt.
In 4 ist die dritte Schaltstellung des erfindungsgemäßen Schaltventils 1 dargestellt. Die dritte Schaltstellung tritt bei noch höheren Temperaturen der Ladeluft in der Ladeluftleitung 4 (1) ein, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 7°C. Das Stellglied 6 ist gegenüber der Situation aus der 3 noch etwas weiter hervorgetreten, sodass das Stellglied 6 nun gegen die Federkraft der ersten Feder 16 das zweite Ventilelement 15 und das erste Ventilelement 14 zusammen verschiebt. Das zweite Ventilelement 15 verschließt dabei weiterhin das erste Ventilelement 14.
Die erste Drucköffnung 9, die beispielsweise mit der Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden ist, wird folglich freigegeben, wodurch Luft aus dem Bereich der Umschaltklappe des Ladeluftkühlers mit einem im Wesentlichen den Umgebungsdruck entsprechenden Druckniveau über die Schaltöffnung 7 an dem ersten Ventil 14 vorbei von der Vakuumpumpe abgesaugt wird. Der Strömungspfad der abgesaugten Luft ist in der 4 durch den Pfeil 23 angedeutet.
Somit liegt nun an der Umschaltklappe in dem Ladeluftkühler ein Unterdruck der Vakuumpumpe an und die Umschaltklappe wird betätigt. Bei einer nur geringen Verschiebung der beiden Ventilelemente 14 und 15 kann der schmale Spalt als Drossel dienen, der sich zwischen der Anlagefläche 19 des Ventilgehäuses 2 und dem ersten Ventilelement 14 herausbildet.
5 zeigt wie die 4 prinzipiell die dritte Schaltstellung des erfindungsgemäßen Schaltventils 1, allerdings bei noch höheren Temperaturen. Deshalb ragt das Stellglied 6 noch weiter von dem Stellelement 5 hervor. In dieser gezeigten Situation ist der Strömungspfad 23 zwischen der Umschaltklappe und der Vakuumpumpe ungedrosselt freigegeben.
Wenn aufgrund eines Temperaturabfalls der Ladeluft das Stellglied 6 sich wieder in das Stellelement 5 zurückzieht, werden aufgrund der stärker wirkenden Federkraft der ersten Federn 16 die beiden Ventilelemente 14 und 15 zunächst zusammen wieder in die zweite Schaltstellung gemäß 3 zurückgeschoben, in der alle Strömungspfade versperrt sind. Bei einem weiteren Zurückziehen des Stellgliedes 6 bei tieferen Temperaturen der Ladeluft wird aufgrund der nun wirkenden Federkraft der zweiten Feder 17 das zweite Ventilelement 15 von dem ersten Ventilelement 14 fortgedrückt, sodass die erste Schaltstellung gemäß 2 erreicht wird, in der der Bereich der Umschaltklappe des Ladeluftkühlers belüftet wird und ein zuverlässiges Zurückschalten der Umschaltklappe stattfinden kann.
Bezugszeichenliste

1: Schaltventil
2: Ventilgehäuse
3: Flanschverbindung
3a, 3b: Flansche
4: Ladeluftleitung
5: Stellelement
5a, 5b: Endabschnitte
6: Stellglied
7: Schaltöffnung
8: Schaltanschluss
9: erste Drucköffnung
10: zweite Drucköffnung
11: erster Druckanschluss
12: zweiter Druckanschluss
13: Gehäusedeckel
14: erstes Ventilelement
15: zweites Ventilelement
16: erste Feder
17: zweite Feder
18: Dichtringe
19: Anlagefläche
20: Anschlag
21: Durchtrittsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008009152 A1 [0003]

Claims

Schaltventil für einen Ladeluftkreislauf einer Brennkraftmaschine, der eine Umschaltklappe aufweist, mit: – einem Ventilgehäuse (2), das eine mit einer ersten Druckquelle verbindbare erste Drucköffnung (9), eine mit einer zweiten Druckquelle verbindbare zweite Drucköffnung (10) und eine mit der Umschaltklappe verbindbare Schaltöffnung (7) aufweist; – einem ersten Ventilelement (14) und einem zweiten Ventilelement (15), die beide in dem Ventilgehäuse (2) angeordnet und sowohl relativ zu diesem als auch relativ zueinander verschieblich sind; und – einem Stellelement (5), das eingerichtet ist, in einer ersten Schaltstellung der beiden Ventilelemente (14, 15) die Schaltöffnung (7) mit der zweiten Drucköffnung (10) zu verbinden und bezüglich der ersten Drucköffnung (9) zu verschließen, in einer zweiten Schaltstellung die Schaltöffnung (7) bezüglich sowohl der ersten Drucköffnung (9) als auch der zweiten Drucköffnung (10) zu verschließen, und in einer dritten Schaltstellung die Schaltöffnung (7) mit der ersten Drucköffnung (9) zu verbinden und bezüglich der zweiten Drucköffnung (10) zu verschließen.
Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Feder (16) zwischen dem Ventilgehäuse (2) und dem ersten Ventilelement (14) vorgesehen ist, die das erste Ventilelement (14) gegen eine an dem Ventilgehäuse (2) vorgesehene Anlagefläche (19) drückt, sodass die erste Drucköffnung (9) verschlossen ist.
Schaltventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (14) eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und das zweite Ventilelement (15) zumindest teilweise in das erste Ventilelement (14) hineinragt.
Schaltventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Feder (17) zwischen dem ersten Ventilelement (14) und dem zweiten Ventilelement (15) vorgesehen ist, die das zweite Ventilelement (15) von dem ersten Ventilelement (14) fortdrückt, und das zweite Ventilelement (15) gegen die Federkraft der zweiten Feder (17) das erste Ventilelement (14) verschließt.
Schaltventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (5) temperaturabhängig zwischen den Schaltstellungen der beiden Ventilelemente (14, 15) wechselt.
Schaltventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (5) ein Wachs-Dehn-Element ist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement ein Bi-Metall-Element ist.
Schaltventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (5) durch seine veränderliche Ausdehnung das zweite Ventilelement (15) und/oder das erste Ventilelement (14) verschiebt.