DE102013222644A1 - Multi-stage switchable locking device with an actuator and rotary valves - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mehrstufig schaltbare Sperrvorrichtung (1) für einen Volumenstrom (V) eines Kühl- oder Schmiersystems einer Brennkraftmaschine. Die Sperrvorrichtung (6) teilt den Volumenstrom (V) auf, wobei jedem Teilstrom (T1; T2) ein Drehschieber (2a, 2b) sowie eine ein Getriebeelement (3a, 3b) einschließende Kolbenaktuatorik (4a, 4b) zugeordnet ist. Über eine einen bidirektionalen Hubmagnet (15) einschließende Zentralaktuatorik (5) sind die getrennten Drehschieber (2a, 2b) unabhängig voneinander in Verbindung mit der Kolbenaktuatorik (4a, 4b) aktuierbar.The invention relates to a multi-stage switchable locking device (1) for a volume flow (V) of a cooling or lubricating system of an internal combustion engine. The blocking device (6) divides the volume flow (V), wherein each partial flow (T1, T2) is associated with a rotary valve (2a, 2b) and a piston actuator (4a, 4b) enclosing a gear element (3a, 3b). The separate rotary valves (2a, 2b) can be actuated independently of one another in conjunction with the piston actuators (4a, 4b) via a central actuator (5) enclosing a bidirectional solenoid (15).
Description
Die Erfindung betrifft eine mehrstufig schaltbare Sperrvorrichtung für ein Kühlsystem oder ein Schmiersystem einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to a multi-stage switchable locking device for a cooling system or a lubrication system of an internal combustion engine according to the features of the preamble of
Schaltbare Sperrvorrichtungen sind in Kühlsystemen oder Ölkreisläufen von Brennkraftmaschinen für Pkw und Lkw einsetzbar, die einen von einer Pumpe geförderten Volumenstrom bedarfsabhängig sperren. Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen wird das Arbeitsmedium, insbesondere ein Kühlmittel, mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem bevorzugt geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder und des Zylinderkopfes zum Kühlen der Brennkraftmaschine gepumpt. Eine Rückkühlung des erwärmten Mediums erfolgt insbesondere in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher mittels eines Ventilators. Zum Antrieb der Kühlmittelpumpe ist üblicherweise eine direkte Antriebsverbindung zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorgesehen, die eine Abhängigkeit der Pumpendrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine bewirkt. Dies hat zur Folge, dass im hohen Drehzahlbereich des Motors ein entsprechend großer Volumenstrom der Pumpe zur Verfügung steht, der in diesem Ausmaß nicht zur Kühlung der Brennkraftmaschine benötigt wird. Beim Kaltstart des Motors tritt dagegen das Problem auf, dass das bereits durch die Kühlkanäle zirkulierende Kühlmittel die Erwärmung der Brennräume verzögert und sich somit die Zeit bis zum Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur verlängert.Switchable locking devices can be used in cooling systems or oil circuits of internal combustion engines for cars and trucks, which lock a volume flow pumped by a pump as needed. In liquid-cooled internal combustion engines, the working medium, in particular a coolant, is pumped by means of a coolant pump in a preferably closed circuit through cooling channels in the region of the cylinder and the cylinder head for cooling the internal combustion engine. A re-cooling of the heated medium takes place in particular in an air-water heat exchanger by means of a fan. To drive the coolant pump is usually provided a direct drive connection to the crankshaft of the internal combustion engine, which causes a dependence of the pump speed of the rotational speed of the internal combustion engine. This has the consequence that in the high speed range of the engine, a correspondingly large volume flow of the pump is available, which is not needed to this extent for cooling the internal combustion engine. When cold starting the engine, however, the problem occurs that the already circulating through the cooling channels coolant delays the heating of the combustion chambers and thus extends the time to reach an optimal operating temperature.
Zur Vermeidung dieser Problematik ist es bekannt, regelbare Kühlmittelpumpen für Brennkraftmaschinen einzusetzen, deren geförderter Volumenstrom entsprechend dem Bedarf geregelt werden kann. Dazu offenbart die
Weiterhin sind Kühlsysteme bekannt, die ein Thermomanagementmodul einschließen, bestehend aus einer Kühlmittelpumpe, einem Stellantrieb sowie einem Drehschieber. Der drehbar in einem Gehäuse eingesetzte Drehschieber regelt einen Kühlmittelstrom, indem ein Durchflussquerschnitt in Abhängigkeit der Drehwinkelposition des Drehschiebers verändert wird. Aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für ein Kühlsystem oder Schmiersystem einer Brennkraftmaschine eine bauraumoptimierte Sperrvorrichtung zu schaffen, mit der ein aufgeteilter Volumenstrom in Zwischenstufen sicher abgesperrt werden kann.The object of the present invention is to provide for a cooling system or lubrication system of an internal combustion engine, a space-optimized locking device with which a split volume flow can be shut off safely in intermediate stages.
Diese Problemstellung wird durch eine mehrfach schaltbare Sperrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt, die auf den Anspruch 1 rückbezogen sind.This problem is solved by a multi-switchable locking device with the features of
Gemäß der Erfindung ist eine mehrstufig schaltbare Sperrvorrichtung vorgesehen, mit der ein Volumenstrom aufgeteilt werden kann, wobei jedem Teilstrom ein Drehschieberkonzept oder eine Drehschiebertechnologie sowie eine ein Getriebeelement einschließende Aktuatorik zugeordnet ist. Zur Erreichung einer getrennten Ansteuerung aller Drehschieber ist eine Zentralaktuatorik vorgesehen, deren bidirektionaler Hubmagnet in Verbindung mit getrennten Getriebeelementen die Drehschieberwellen getrennt voneinander pulsierend aktuiert bzw. ansteuert. Der erfindungsgemäße, bidirektionale Eigenschaften aufweisende Hubmagnet der Zentralaktuatorik ermöglicht, dass der Magnet sowohl zur einen als auch zur anderen Seite aktiv aktuieren kann. Die beiden getrennten Arbeitskolben werden hierbei von dem bidirektionalen Hubmagnet pulsierend angesteuert. Somit kann die eine oder die andere Seite oder beide Seiten im schnellen Wechsel betätigt werden, um in Verbindung mit einer Getriebeelemente einschließenden Aktuatorik die Drehschieber in einer gewünschten Weise oder Funktionalität zu schalten. Zur gestuften Drosselung eines Volumenstroms wird der eingehende Volumenstrom über die wenigstens zwei Drehschieber geführt und am Gehäuseausgang wieder vereint. Mit der Erfindung kann ein Sperrsystem realisiert werden, mit dem ohne eine Wegsensorik gewünschte Zwischenstufen der Sperrwirkung erreichbar sind. Damit bietet die Erfindung ein für viele Anwendungen einsetzbares System an, mit dem Zwischenstufen zwischen den Endpositionen genau definierbar sind.According to the invention, a multi-stage switchable locking device is provided with which a volume flow can be divided, each partial flow is associated with a rotary valve concept or a rotary valve technology and a transmission element including actuator. To achieve a separate control of all rotary valve central actuation is provided, the bidirectional solenoid in conjunction with separate gear elements the rotary valve shafts pulsed separately actuated or controls. The invention, bidirectional properties having solenoid of the central actuator allows the magnet can actively actuate both to one side and to the other side. The two separate working pistons are driven in a pulsating manner by the bidirectional lifting magnet. Thus, one or the other side or both sides can be operated in quick change to turn in conjunction with a gear elements enclosing actuator the rotary valve in a desired manner or functionality. For the stepped throttling of a volume flow, the incoming volume flow is passed over the at least two rotary valves and reunited at the housing outlet. With the invention, a locking system can be realized with which desired intermediate stages of the barrier effect can be achieved without a displacement sensor. Thus, the invention offers a system which can be used for many applications, with which intermediate stages between the end positions can be precisely defined.
Die erfindungsgemäße, über Zwischenstufen schaltbare, mehrere Drehschieber beinhaltende Sperrvorrichtung kann vorteilhaft kompakt in einem Gehäuse integriert werden. Dadurch bietet es sich an, diese Sperrvorrichtung in Kühl- oder Schmiersystemen von Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen, insbesondere Pkw und Lkw, einzusetzen. Sie dient beispielsweise zum bedarfsabhängigen Sperren oder Einstellen des von der Kühlmittelpumpe geförderten Volumenstroms auf der Pumpenausgangsseite über jeweils zumindest zwei Zwischenstufen. Unabhängig davon, ob die Sperrvorrichtung zur gestuften Sperrung eines Gesamtkreises nach der Kühlmittelpumpe oder Teilsperrung von Volumenströmen eingesetzt wird, erfolgt eine Aufteilung des in die Sperrvorrichtung eintretenden Volumenstroms in zwei separate Pfade, welche jeweils einen Drehschieber passieren, um auf der Ausgangsseite der Sperrvorrichtung wieder vereint zu werden. Mit der Erfindung kann eine Sperrvorrichtung mit mehreren verstellbaren Drehschiebern realisiert werden, mit der ohne eine Wegsensorik definierte Zwischenstufen der Sperrwirkung erreichbar sind.The locking device according to the invention, which can be switched by means of intermediate stages and contains a plurality of rotary valves, can advantageously be integrated compactly in a housing. This makes it advisable to use this locking device in cooling or lubrication systems of internal combustion engines of vehicles, especially cars and trucks. It serves, for example, for demand-dependent blocking or setting of the volume flow delivered by the coolant pump on the pump outlet side in each case at least two intermediate stages. Regardless of whether the locking device is used for the stepped blocking of a complete circuit after the coolant pump or partial blocking of volume flows, a division of the entering into the locking device flow in two separate paths, which each pass a rotary valve to reunite on the output side of the locking device become. With the invention, a locking device can be realized with a plurality of adjustable rotary valves, with the intermediate steps of the barrier effect defined without a displacement sensor can be achieved.
Erfindungsgemäß umfasst die Zentralaktuatorik einen bidirektional arbeitenden Hubmagneten, der beidseitig einen Magnetanker einschließt, die jeweils pulsierend einen Pumpkolben über einen Endanschlag ansteuern. Die beiden auch als Axialkolben zu bezeichnenden Pumpkolben können von dem Hubmagneten so angesteuert werden, dass in Verbindung mit nachgeschalteten Übertragungselementen die Drehschieber in Stufen einstellbar sind. Die für unterschiedliche Teilströme bestimmten Drehschieber können beispielsweise übereinstimmend in eine vollständig geöffnete Position oder eine den Volumenstrom sperrende Schließstellung verstellt werden. Außerdem ist eine Mittellage oder Teilschließung der Drehschieber einstellbar, um beispielsweise Teilvolumenströme zu realisieren.According to the invention, the central actuator comprises a bi-directionally operating lifting magnet which encloses a magnet armature on both sides, each of which activates a pulsating pump piston via an end stop. The two also known as axial piston pump piston can be controlled by the solenoid so that in conjunction with downstream transmission elements, the rotary valves are adjustable in stages. The rotary valves intended for different partial flows can, for example, be adjusted coincidentally into a completely open position or a closing position blocking the volume flow. In addition, a central position or partial closure of the rotary valve is adjustable to realize, for example, partial volume flows.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Drehschieber der mehrstufig schaltbaren Sperrvorrichtung voneinander abweichende Nennflussdurchmesser aufweisen. Die unterschiedlich ausgelegten bzw. dimensionierten Drehschieber sind über getrennte Drehschieberwellen unabhängig voneinander in einem gemeinsamen Gehäuse drehbar aufgenommen. Bei einer vorteilhaften Auslegung besteht zwischen den Drehschiebern ein Durchflussverhältnis von 1:2, dementsprechend gekoppelt ist das Durchmesserverhältnis. Durch ein Schließen des kleineren der beiden Drehschieber reduziert sich der Volumenstrom auf 2/3 des Nominaldurchflusses, bei Schließen des größeren der beiden Drehschieber wird eine Reduktion auf 1/3 erreicht, bei gleichzeitiger Aktuierung beider Drehschieberachsen kann der nominale Volumenstrom komplett abgesperrt werden. Das gerade Drosselverhältnis wird durch die Wahl der Durchflussverhältnisse der einzelnen Drehschieber zueinander bestimmt. Alternativ zu einem Durchflussverhältnis von 1:2 kann erfindungsgemäß ein davon abweichendes Durchflussverhältnis bestimmt werden. Außerdem kann die Sperrvorrichtung gemäß der Erfindung Drehschieber mit einem übereinstimmenden Durchflussverhältnis einschließen.A preferred embodiment of the invention provides that the rotary valves of the multi-stage switchable locking device have different nominal flow diameters. The differently designed or dimensioned rotary valves are rotatably received independently of each other in a common housing via separate rotary valve shafts. In an advantageous design, there is a flow ratio of 1: 2 between the rotary valves, coupled accordingly is the diameter ratio. By closing the smaller of the two rotary valves, the volume flow reduces to 2/3 of the nominal flow, when closing the larger of the two rotary valves is reduced to 1/3, with simultaneous actuation of both rotary valve axes, the nominal volume flow can be completely shut off. The actual throttle ratio is determined by the choice of the flow ratios of the individual rotary valves to each other. As an alternative to a flow ratio of 1: 2, a flow ratio deviating therefrom can be determined according to the invention. In addition, the locking device according to the invention may include rotary valves with a matching flow ratio.
Bei einer Aktuierung durch den bidirektionalen Hubmagnet wird von dem Pumpkolben über ein Ansaugventil ein Fluid als Arbeitsmedium aus dem Volumenstrom angesaugt. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem Kompressionsraum komprimiert und nach Überschreiten eines Öffnungsdrucks von einem Überschiebeventil ein Arbeitskolben beaufschlagt. Dabei werden die Stell- oder Hubbewegungen des Arbeitskolbens jeweils von einem Rotativ-Translativ-Getriebeelement in Drehbewegungen der in dem Gehäuse der Sperrvorrichtung drehbar gelagerten Drehschieberwelle der getrennten Drehschieber übertragen. Das Getriebeelement umfasst bevorzugt eine Zahnstange, die formschlüssig in ein Verzahnungssegment der Drehschieberwelle eingreift.In an actuation by the bidirectional solenoid is sucked from the pump piston via a suction valve, a fluid as the working fluid from the flow. Subsequently, the working medium is compressed in a compression space and after exceeding an opening pressure of a slide valve a working piston acted upon. In this case, the adjusting or lifting movements of the working piston are each transmitted from a rotary-translational gear element in rotational movements of the rotatably mounted in the housing of the locking device rotary valve shaft of the separate rotary valve. The gear element preferably comprises a rack, which engages positively in a toothed segment of the rotary valve shaft.
Als Maßnahme zur Erzielung einer hohen Funktionalität stehen die Pumpkolben in einer Wirkverbindung zu einer Kolbenrückholfeder, die den Pumpkolben in Richtung eines gehäuseseitigen Endanschlags beaufschlagt. Damit ist sichergestellt, dass sich der Magnetanker des Hubmagneten in die jeweils andere Richtung eines Pumpkolbens entfernen kann, ohne eine Stellbewegung des gegenüberliegenden Pumpkolbens auszulösen. Die Stirnflächen von Magnetanker und Pumpkolben stehen demnach in einer losen Kontaktverbindung. Der Magnet besitzt hierbei bidirektionale Eigenschaften, das heißt, dass man ihn sowohl zur einen als auch zur anderen Seite aktiv aktuieren kann. Somit können die Pumpkolben im schnellen Wechsel von dem Hubmagneten betätigt werden, um die schaltbare Funktionalität darzustellen.As a measure to achieve high functionality, the pump pistons are in operative connection to a piston return spring, which acts on the pump piston in the direction of a housing-side end stop. This ensures that the armature of the solenoid can be removed in the other direction of a pump piston, without triggering an actuating movement of the opposite pump piston. The faces of armature and pump piston are therefore in a loose contact connection. The magnet has bi-directional properties, which means that it can actively actuate both the one and the other side. Thus, the pump piston can be operated in rapid change of the solenoid to represent the switchable functionality.
Der Aufbau der Kolbenaktuatorik umfasst weiterhin einen Arbeitskolben, eine Failsafe-Einrichtung, ein Ansaugventil, ein Ansaugrückschlagventil, ein Überschiebe-Rückschlagventil sowie ein Kompressionsvolumen. Das Ansaugventil ist bevorzugt einer dem Drehschieber vorgelagerten Vorderseite oder auf einer Rückseite des Drehschiebers zugeordnet. Eine Austrittsöffnung des Arbeitskolbens mündet vorzugsweise in einem Bereich nach dem Drehschieber oder alternativ vor dem Drehschieber. Als Failsafe-Einrichtung ist vorzugsweise ein als Druckfeder ausgeführtes Federelement vorgesehen, das nach einer Aktuierung eigenständig eine Rückstellung des Arbeitskolbens vornimmt, wodurch gleichzeitig der Drehschieber in eine Ausgangsstellung verstellt wird.The structure of the Kolbenaktuatorik further comprises a working piston, a failsafe device, a suction valve, a Ansaugrückschlagventil, a push-over check valve and a compression volume. The intake valve is preferably assigned to a front side of the rotary valve or to a rear side of the rotary valve. An outlet opening of the working piston preferably opens in an area downstream of the rotary valve or alternatively in front of the rotary valve. As a fail-safe device designed as a compression spring spring element is preferably provided, which independently after actuation makes a provision of the working piston, whereby at the same time the rotary valve is moved to a starting position.
Ferner ist gemäß der Erfindung zur Darstellung einer bauraumoptimierten Lösung der Sperrvorrichtung vorgesehen, die Pumpkolben rechtwinkelig zu den Arbeitskolben innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Als Maßnahme, mit der die Funktion der Sperrvorrichtung wirksam unterstützt werden kann, ist vorgesehen, dass die Drehschieber über zumindest ein radial angeordnetes Dichtungspaket abgedichtet sind, das in Strömungsrichtung gesehen hinter oder vor dem jeweiligen Drehschieber platziert ist.Furthermore, it is provided according to the invention for representing a space-optimized solution of the locking device to arrange the pump piston perpendicular to the working piston within the housing. As a measure with which the function of the locking device can be effectively supported, it is provided that the rotary valves are sealed via at least one radially arranged seal pack, which is placed behind or in front of the respective rotary valve seen in the flow direction.
Die erfindungsgemäße, mehrfach schaltbare Sperrvorrichtung kann vorteilhaft als eine separate Einheit in dem Kühlsystem oder dem Schmiersystem der Brennkraftmaschine eingesetzt oder unmittelbar einem Bauteil des Kühl- oder Schmiersystems zugeordnet werden. Zur Realisierung einer regelbaren Ausführung bietet es sich an, die mit einer Positionssensorik erweiterte erfindungsgemäße Sperrvorrichtung mit einer elektronischen Steuerung, einer ECU (electronic control unit), der Brennkraftmaschine zu kombinieren. The multiple switchable locking device according to the invention can advantageously be used as a separate unit in the cooling system or the lubrication system of the internal combustion engine or be assigned directly to a component of the cooling or lubrication system. To realize a controllable embodiment, it makes sense to combine with a position sensor extended locking device according to the invention with an electronic control unit, an ECU (electronic control unit), the internal combustion engine.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Die dargestellte Ausführungsform zeigt ein Beispiel von einer erfindungsgemäßen Lösung, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellt. Dabei zeigt:Further features of the invention will become apparent from the following description of the drawings, in which an embodiment of the invention is shown. The illustrated embodiment shows an example of a solution according to the invention, but not a final limitation of the invention. Showing:
Die
Alle Komponenten der Sperrvorrichtung
In der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sperrvorrichtunglocking device
- 2a, 2b2a, 2b
- Drehschieberrotary vane
- 3a, 3b3a, 3b
- Getriebeelementgear element
- 4a, 4b4a, 4b
- KolbenaktuatorikKolbenaktuatorik
- 55
- ZentralaktuatorikZentralaktuatorik
- 66
- Gehäusecasing
- 7a, 7b7a, 7b
- DrehschieberwelleSpool shaft
- 8a, 8b8a, 8b
- Wellenlagerungshaft bearing
- 9a, 9b9a, 9b
- Wellenlagerungshaft bearing
- 10a, 10b10a, 10b
- Dichtungspaketsealing package
- 11a, 11b 11a, 11b
- Federfeather
- 12a, 12b12a, 12b
- Arbeitskolbenworking piston
- 13a, 13b13a, 13b
- Zahnstangerack
- 14a, 14b14a, 14b
- Verzahnungssegmenttoothed segment
- 1515
- Hubmagnetsolenoid
- 16a, 16b16a, 16b
- Magnetankerarmature
- 17a, 17b17a, 17b
- Pumpkolbenpump piston
- 18a, 18b18a, 18b
- Ansaugventilintake valve
- 19a, 19b19a, 19b
- Kompressionsraumcompression chamber
- 20a, 20b20a, 20b
- ÜberschiebeventilAbout slide valve
- 21a, 21b21a, 21b
- Kolbenstangepiston rod
- 22a, 22b22a, 22b
- Endanschlagend stop
- 23a, 23b23a, 23b
- Rückholfederreturn spring
- 24a, 24b24a, 24b
- Failesafe-FederFailesafe Pen
- AA
- Ausgangoutput
- Ee
- Eingangentrance
- T1 T 1
- Teilstrompartial flow
- T2 T 2
- Teilstrompartial flow
- VV
- Volumenstromflow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 19849492 A1 [0004] DE 19849492 A1 [0004]
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |