DE102013209582A1

DE102013209582A1 - Drehschieberkugel für ein Thermomanagementmodul

Info

Publication number: DE102013209582A1
Application number: DE201310209582
Authority: DE
Inventors: Michael Weiss; Klaus Hahn; Uli Grosskopf
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27
Also published as: WO2014187452A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, das zumindest zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist und zur Regelung von Kühlmittelströmen ein Thermomanagementmodul einschließt, bestehend aus einem Drehschiebergehäuse (2), das von Kühlmittel durchströmbare Anschlüsse umfasst und in dem ein um eine Drehachse (23) drehbarer, mit Abgängen (22a–22c) zusammenwirkender Drehschieber (20) eingesetzt ist, der über einen Stellantrieb verstellbar ist. Der als Hohlkugel ausgebildete Drehschieber (20) weist zumindest zwei zueinander versetzte Regelspuren (21a–21c) auf, die mit den radial ausgerichteten Abgängen (22a–22c) in Verbindung stehen. Zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen dem Drehschieber (20) und dem Drehschiebergehäuse (2) sind Dichtungspakete (26a–26c) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, das zumindest zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist und zur Steuerung von Kühlmittelströmen ein Thermomanagementmodul einschließt, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
In heutigen Brennkraftmaschinen umfasst das Kühlsystem mehrere Kühlmittelkreise, die gleichzeitig oder zeitlich verschoben eingeschaltet bzw. beaufschlagt werden können. Durch eine gezielte Verteilung des Kühlwasserstroms auf die Kühlmittelkreise kann die Brennkraftmaschine im Bereich der optimalen Kühlmitteltemperatur betrieben werden. Gleichzeitig kann mit dieser Maßnahme die Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen für Motor und Getriebe sichergestellt werden. Dazu sind Kühlsysteme bekannt, die ein Thermomanagement- oder ein Wärmemanagementmodul einschließen, bei dem eine Kühlmittelpumpe, ein elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb sowie als Drehschieber ausgebildete Ventilglieder in einem Gehäuse integriert sind. Der Drehschieber regelt einen Kühlmittelstrom, indem ein Durchflussquerschnitt in Abhängigkeit der Drehwinkelposition des Drehschiebers verändert wird. Der drehbar in dem Gehäuse gelagerte Drehschieber steht mit Gehäuseöffnungen des Drehschiebergehäuses in Wirkverbindung, über die dem Drehschieber der Kühlmittelstrom zugeführt wird.
Aus der DE 198 49 492 A1 ist ein Thermomanagementmodul bekannt, das einen Drehschieber als Ventilglied aufweist, mit dem Kühlerkreise von einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine beaufschlagt werden können. Der elektromotorisch angetriebene Drehschieber kann wahlweise in eine Sperrstellung für den Kühlerkreis, in den Bypasskreis oder in eine Offenstellung zwischen dem Kühlerkreis oder dem Bypasskreis verstellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Mischbetrieb durch gleichzeitige Verbindung des Kühlerkreises und des Bypasskreises mit dem Abgang herzustellen, um ein Wärmemanagement innerhalb des Kühlsystems durch eine kennfeldgeregelte Kühlung zu realisieren. Durch Auswahl einer geeigneten Schaltstellung der Ventilmechanik ist für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine optimale Kühlmitteltemperatur erreichbar.
Die DE 10 2009 020 187 A1 zeigt ein weiteres Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Thermomanagementmodul, mit dem unterschiedliche Kühlerkreise des Kühlsystems beaufschlagbar sind. Der Aufbau des Thermomanagementmoduls umfasst ein Drehschiebergehäuse, in dem eine elektronische Stelleinheit, eine Kühlmittelpumpe sowie zwei zueinander versetzte Drehschieber integriert sind. Übereinstimmend ist jedem Drehschieber eine radial ausgerichtete Durchströmöffnung des Drehschiebergehäuses zugeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine ein bauraumoptimiertes Thermomanagementmodul bereitzustellen, durch dessen Aufbau der erforderliche Bauraum des Thermomanagementmoduls reduziert werden kann.
Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen, auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, den Forderungen von Fahrzeugherstellern nach bauraumoptimierten Komponenten (downsizing) entsprechend für den Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine ein angepasstes Thermomanagementmodul zu entwickeln. Erfindungsgemäß ist dazu ein Thermomanagementmodul mit einem als Hohlkugel ausgebildeten Drehschieber vorgesehen, der in einem komplementären Hohlraum des Drehschiebergehäuses eingesetzt ist. Dabei umfasst der Drehschieber zumindest zwei zueinander versetzte mit Abgängen zusammenwirkende Regelspuren. Zur Abdichtung sind erfindungsgemäß zwischen dem Drehschieber und dem Drehschiebergehäuse abschottende Dichtungspakete vorgesehen.
Durch das erfindungsgemäße Konzept, bei dem der als Kugel gestaltete, auch als Ventilkörper oder Ventilglied zu bezeichnende Drehschieber, mehrere versetzte Regelspuren oder Strömungspfade bildet, kann der erforderliche Bauraum für das Thermomanagementmodul vorteilhaft deutlich verkleinert werden. Zur Darstellung mehrerer Abgänge bzw. Durchströmöffnungen wurden bisher entsprechend mehrere Drehschieberkugeln eingesetzt, wodurch sich ein Nachteil hinsichtlich des Bauraums sowie erhöhter Herstellkosten ergab. Im Vergleich zu bisherigen Lösungen bietet die Erfindung die Möglichkeit, innerhalb eines vorgegebenen bzw. vorhandenen Bauraums die Anzahl von Abgängen des Drehschiebers für die Kühlmittelströme zu erhöhen. Die Erfindung sieht weiterhin die Anordnung von nebeneinander axial versetzten und/oder zueinander abgewinkelten schmaleren Regelspuren an einer Drehschieberkugel vor. Dabei besteht die Möglichkeit, dass schmale, nebeneinander angeordnete Regelspuren gemeinsam einen größeren Abgang oder Durchströmöffnung bilden. Durch eine Drehbewegung des Drehschiebers können dessen Abgänge zumindest teilweise in Überschneidung mit entsprechenden Durchströmöffnungen des Drehschiebergehäuses gebracht werden, wodurch vorteilhaft stufenlos und variabel verschiedene Strömungspfade geöffnet und geschlossen werden. Der erfindungsgemäß aufgebaute Drehschieber oder Drehsteller weist gegenüber den im Stand der Technik bekannten mehrstufigen Drehstellern eine kompaktere Bauform auf und kann im Vergleich zu mehrstufigen Drehschiebern deutlich kostengünstiger hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Drehschieber ist vorteilhaft modular in einem komplementären Hohlraum des Drehschiebergehäuses eingesetzt zur Schaffung eines bauraumoptimierten Thermomanagementmoduls.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließt der Drehschieber sowohl in Umfagsrichtung als auch in axialer bzw. in Richtung einer Drehachse des Drehschiebers jeweils zumindest zwei zueinander versetzte Regelspuren ein, die auch als Strömungspfade zu bezeichnen sind. Für die zwischen dem Drehschieber und dem Drehschiebergehäuse eingesetzten Dichtungspakete ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese beispielsweise zu einer Vertikalachse des Drehschiebers versetzt angeordnet sind. Unabhängig von der nahezu beliebigen Lage der Dichtungspakete ist generell vorgesehen, dass sich die Achsen der Dichtungspakete in einem Zentrum des als Kugel ausgebildeten Drehschiebers schneiden.
In weiterer Ausgestaltung bietet es sich an, dass die Dichtungspakete von kleiner dimensionierten Regelspuren gemeinsam ein Dichtungspaket für eine große Regelspur bilden. Durch diese Auslegung können schmal ausgeführte Regelspuren gemeinsam einen größeren Abgang darstellen. Vorteilhaft sind die Dichtungspakete jeweils als eine ringförmige elastische Dichtung ausgebildet, die dichtend an einer Mantelfläche des Drehschiebers anliegen. Zur Erzielung einer erhöhten Dichtwirkung bietet es sich an, dass die Dichtung jeweils von einem Federelement beaufschlagt kraftschlüssig an dem Drehschieber abgestützt ist.
Der erfindungsgemäße Drehschieber schließt außerdem Regelspuren ein, die eine von einer Kreisform abweichende Form aufweisen. Beispielsweise können die Regelspuren in einer länglichen oder ovalen Form ausgeführt werden. Des Weiteren können auch unterschiedliche Ausformungen der Enden vorgesehen werden. Der weitestgehend als eine Hohlkugel gestaltete Drehschieber umfasst weiterhin radiale Streben, die eine Verbindung zwischen der kugelförmigen Außenkontur bzw. Mantelfläche und einer Drehachse herstellen, die in dem Drehschiebergehäuse geführt und gelagert ist.
Im Betriebszustand des Thermomanagementmoduls wird der Drehschieber sowohl axial als auch radial von dem Kühlmittel angeströmt, das anschließend axial oder radial umgelenkt über die Regelspuren des Drehschiebers in die Abgänge, Durchströmöffnungen oder Verteilerkanäle des zugehörigen Drehschiebergehäuses geleitet wird. Der erfindungsgemäße Drehschieber ist insbesondere mittels eines elektromotorischen Stellantriebs stufenlos zwischen zwei Anschlägen verstellbar. Dem bevorzugt in dem Thermomanagementmodul integrierten Stellantrieb ist Zur Steuerung bzw. Regelung vorteilhaft eine separate Sensorik zugeordnet. Alternativ kann der Drehschieber über einen pneumatisch oder hydraulisch wirkenden Stellantrieb verstellt werden. Zur Erzielung eines Kostenvorteils bietet es sich an, einen aus Kunststoff hergestellten Drehschieber einzusetzen, der in einem Spritz- oder Spritzgießverfahren herstellbar ist. Alternativ dazu ist ein aus einem Metallwerkstoff hergestellter, erfindungsgemäßer Drehschieber einsetzbar.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es zeigen:
1 den Aufbau eines bekannten Drehschiebers in Verbindung mit einem Drehschiebergehäuse im Längsschnitt;
2 eine schematische Darstellung von den Achsen der zueinander versetzten Abgänge des erfindungsgemäßen Drehschiebers;
3 in einer Perspektive einen erfindungsgemäßen Drehschieber mit zugehörigen Dichtungspaketen; und
4 den Drehschieber gemäß 3 in einer geänderten Lageposition.
Die 1 zeigt in einer Schnittdarstellung den Aufbau eines bekannten Drehschiebers 1, der in einem Thermomanagementmodul (nicht gezeigt) zur Temperaturregelung von Kühlmittel einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Der drehbar in einem Drehschiebergehäuse 2 gelagerte Drehschieber 1 weist zwei auch als Durchströmquerschnitte zu bezeichnende Abgänge 3, 4 in Form von kreisförmigen Öffnungen auf, die mit Bezug auf eine Drehachse 5 des Drehschiebers 1 zueinander entgegengesetzt ausgerichtet sind. Zumindest im Bereich der Abgänge 3, 4 bildet der Drehschieber 1 jeweils eine Kugelkalotte 6, 7, die aufgrund des als Hohlkörper gestalteten Drehschiebers 1 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Das Drehschiebergehäuse 2 ist innenseitig korrespondierend zur Außenkontur des Drehschiebers 1 angepasst. An einer Endseite schließt das Drehschiebergehäuse 2 eine Zulauf- oder Ablauföffnung 8 ein, die mit einer Öffnung 9 des Drehschiebers 1 übereinstimmt, über die im Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Kühlmittel in den Drehschieber 1 einströmt oder ausströmt. Die Abgänge 3, 4 des Drehschiebers 1 korrespondieren jeweils mit einem Abgang 10, 11 des Drehschiebergehäuses 2. In der dargestellten Position besteht eine Lageübereinstimmung zwischen den Abgängen 3, 4 und den Anschlüssen 10, 11, so dass die maximalen Durchströmöffnungen freigegeben sind. Strömt das Kühlmittel in Pfeilrichtung in den Drehschieber 1, so kann es über die Abgänge 3, 4 und die Anschlüsse 10, 11 des Drehschiebergehäuses 2 ausströmen. Durch ein Verdrehen des Drehschiebers 1 um seine Drehachse 5 können die Abgänge 3, 4 eingestellt bzw. verschlossen werden. Der Drehschieber 1 weist weiterhin zwei Dichtungspakete 12, 13 auf, welche kreisförmig ausgebildet jeweils auf der Außenseite der Kugelkalotte 6, 7 des Drehschiebers 1 aufliegen und koaxial zu den Abgängen 3, 4 ausgerichtet sind. Die Dichtungspakete 12, 13 sind jeweils von einem Federelement 14, 15 beaufschlagt, das jeweils gegenseitig zum Dichtungspaket 12, 13 an einem Vorsprung 16, 17 des Drehschiebergehäuses 2 eingesetzt ist. Der Drehschieber 1 kann mittels eines Stellmotors (nicht gezeigt) von einer Steuereinheit betätigt werden, welche in Verbindung mit einem Temperaturfühler und eines hinterlegten Kennfeldes eine entsprechende Verstellung vornimmt.
Die 2 zeigt den erfindungsgemäßen Drehschieber 20 in einer schematischen Darstellung, wobei zur Verdeutlichung von zueinander versetzten, abgewinkelten Regelspuren 21a–21c eine Achslage von Abgängen 22a–22c dargestellt ist, die den Regelspuren 21a–21c zugeordnet sind. Bezogen auf eine Drehachse 23 des Drehschiebers 20 ist der Abgang 22a vertikal nach unten zeigend und die weiteren Abgänge 22b, 22c übereinstimmend um ca. 30° von der Vertikalachse geneigt nach oben zeigend ausgerichtet. Alle Achsen 28a–28c der Abgänge 22a–22c treffen sich in einem Zentrum 24 des Drehschiebers 20.
3 zeigt den weitestgehend als Hohlkugel ausgebildeten, erfindungsgemäßen Drehschieber 20 in einer dreidimensionalen Ansicht, der in einem komplementär gestalteten Hohlraum eines Drehschiebergehäuses (nicht gezeigt) von einem Thermomanagementmodul eingesetzt ist. Eine Mantelfläche 31 des Drehschiebers 20 ist über radiale Streben 25a, 25b mit der Drehachse 23 verbunden, die drehbar in dem Drehschiebergehäuse 2 gelagert ist. Der Drehschieber 20 umfasst drei mit den Abgängen 22a–22c zusammenwirkende Regelspuren 21a–21c, von denen die Regelspur 2a verdeckt ist. Gemäß der Drehschieberstellung in 3 ist der größte Abgang 22a geschlossen. Jedem Abgang 22a-22c ist ein Dichtungspaket 26a–26c zugeordnet, das eine Abdichtung des Drehschiebers 20 gegenüber dem Drehschiebergehäuse 2 sicherstellt. Der Aufbau der Dichtungspakete 26a–26c schließt jeweils eine ringförmige, elastische Dichtung 29a–29c ein, die von einem am Drehschiebergehäuse 2 abgestützten Federelement 30a–30c beaufschlagt wird zur kraftschlüssigen Anlage an der Mantelfläche 31 des Drehschiebers 20. Im Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird der Drehschieber 20 über eine stirnseitige Öffnung 27 axial von dem Kühlmittel angeströmt. In Abhängigkeit von Zustandsgrößen, beispielsweise der Öltemperatur der Brennkraftmaschine, erfolgt in Verbindung mit einem Stellmotor eine entsprechende Einstellung des Drehschiebers 20, wodurch das Kühlmittel radial umgelenkt über zumindest eine Regelspur 21a–21c bzw. wenigstens einen Abgang 22a, 22b, 22c der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
In der 4 ist der Drehschieber 20 gegenüber der 3 in einer geänderten Lage dargestellt. Dabei bilden die Regelspuren 21b, 21c der kleineren Abgänge 22b, 22c die Regelspur 21a des großen Abgangs 22a.
Bezugszeichenliste

1: Drehschieber
2: Drehschiebergehäuse
3: Abgang
4: Abgang
5: Drehachse
6: Kugelkalotte
7: Kugelkalotte
8: Zulauföffnung
9: Öffnung
10: Abgang
11: Abgang
12: Dichtungspaket
13: Dichtungspaket
14: Federelement
15: Federelement
16: Vorsprung
17: Vorsprung
20: Drehschieber
21a: Regelspur
21b: Regelspur
21c: Regelspur
22a: Abgang
22b: Abgang
22c: Abgang
23: Drehachse
24: Zentrum
25a: Strebe
25b: Strebe
26a: Dichtungspaket
26b: Dichtungspaket
26c: Dichtungspaket
27: Öffnung
28a: Achse
28b: Achse
28c: Achse
29a: Dichtung
29b: Dichtung
29c: Dichtung
30a: Federelement
30b: Federelement
30c: Federelement
31: Mantelfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19849492 A1 [0003]
DE 102009020187 A1 [0004]

Claims

Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, das zumindest zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist und zur Regelung von Kühlmittelströmen ein Thermomanagementmodul einschließt, bestehend aus einem Drehschiebergehäuse (2), das von Kühlmittel durchströmbare Anschlüsse umfasst und in dem ein um eine Drehachse (5, 23) drehbarer, mit Abgängen (10, 11; 22a–22c) oder Durchströmöffnungen (3, 4) zusammenwirkender Drehschieber (1, 20) eingesetzt ist, der über einen Stellantrieb verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Hohlkugel ausgebildeter Drehschieber (20) in einem komplementären Hohlraum des Drehschiebergehäuses (2) eingesetzt ist, wobei der Drehschieber (20) zumindest zwei zueinander versetzte Regelspuren (21a–21c) aufweist, die mit radial ausgerichteten Abgängen (22a–22c) in Verbindung stehen und zur Abdichtung Dichtungspakete (26a–26c) vorgesehen sind, die zwischen dem Drehschieber (20) und dem Drehschiebergehäuse eingesetzt sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (20) sowohl in Umfangsrichtung als auch axial in Richtung der Drehachse (23) des Drehschiebers (20) zumindest zwei zueinander versetzte Regelspuren (21a–21c) umfasst.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Dichtungspakete (26a–26c) so angeordnet sind, dass dessen Achsen (28a–28c) sich in einem Zentrum (24) des Drehschiebers (20) treffen.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungspakete (26b–26c) der kleiner dimensionierten Regelspuren (21b, 21c) gemeinsam ein Dichtungspaket für eine große Regelspur bilden.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungspakete (26a–26c) jeweils eine ringförmige elastische Dichtung (29a–29c) sowie ein Federelement (30a–30c) einschließen.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelspur (21a–21c) des Drehschiebers (20) in einer von einer Kreisform abweichenden Form ausgeführt ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Hohlkugel gestaltete Drehschieber (20) über radiale Streben (25a, 25b) mit einer in dem Drehschiebergehäuse (2) geführten Drehachse (23) verbunden ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axial angeströmte Drehschieber (20) über die Abgänge (22a–22c) mit zugehörigen Anschlüssen oder Durchströmöffnungen des Drehschiebergehäuses (2) zusammenwirkt.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (20) mittels eines dem Thermomanagementmodul zugeordneten Stellantriebs verstellbar ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (20) in einem Spritz- oder Spritzgießverfahren herstellbar ist.