DE102017102897B3

DE102017102897B3 - Kühlmittelregler mit einer Hilfsgeometrie zur Erzeugung eines Volumenstroms

Info

Publication number: DE102017102897B3
Application number: DE102017102897.8A
Authority: DE
Inventors: Jonas Baumann; Tom Werner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: WO2018149448A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelregler (1) einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse (2), in dem zumindest zwei Kühlmittelkanäle (3, 4) angeordnet sind, die fluidisch durch einen Drehschieber (5) verbindbar sind, wobei zwischen dem Drehschieber (5) und zumindest einem der Kühlmittelkanäle (3, 4) eine Primärdichtung (6, 7) angeordnet ist, die eine Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) dichtend kontaktiert und bei Verdrehung des Drehschiebers (5) eine die Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) durchsetzende Öffnung (12) überstreicht, um den zumindest einen Kühlmittelkanal (3, 4) mit dem Inneren des Drehschiebers (5) fluidisch zu verbinden, wobei auf der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) eine Hilfsgeometrie (10) mit einer geschlossenen Umrandungskontur (15) ausgebildet ist, die von der Öffnung (12) beabstandet angeordnet ist und bei Verdrehung des Drehschiebers (5) den dichtenden Kontakt zwischen der Primärdichtung (6, 7) und der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) unterbricht. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einer Abtriebseinheit, wobei die Volumenströme des Kühlmediums und/oder des Schmiermediums von einem erfindungsgemäßen Kühlmittelregler (1) gesteuert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelregler einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse, in dem zumindest zwei Kühlmittelkanäle angeordnet sind, die fluidisch durch einen Drehschieber verbindbar sind, wobei zwischen dem Drehschieber und zumindest einem der Kühlmittelkanäle eine Primärdichtung angeordnet ist, die eine Außenfläche des Drehschiebers dichtend kontaktiert und bei Verdrehung des Drehschiebers eine die Außenfläche des Drehschiebers durchsetzende Öffnung überstreicht, um den zumindest einen Kühlmittelkanal mit dem Inneren des Drehschiebers fluidisch zu verbinden, und wobei auf der Außenfläche des Drehschiebers eine Hilfsgeometrie mit einer geschlossenen Umrandungskontur ausgebildet ist, die von der Öffnung beabstandet angeordnet ist und bei Verdrehung des Drehschiebers den dichtenden Kontakt zwischen der Primärdichtung und der Außenfläche des Drehschiebers unterbricht.
Der erfinderische Gedanke umfasst weiterhin einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einer Abtriebseinheit, wobei die Volumenströme des Kühlmediums und/oder des Schmiermediums von einem Kühlmittelregler gesteuert sind.
Der Begriff Kühlmittelregelung bzw. Thermomanagement bezeichnet im Rahmen dieser Erfindung die bedarfsgerechte und effiziente Lenkung der thermischen Energieströme in einem Verbrennungsmotor entsprechend dem jeweils vorherrschenden Betriebs- bzw. Lastzustand. Im Falle eines Verbrennungsmotors, der in einem Fahrzeug eingesetzt wird, können hierdurch die Fahrzeugemissionen reduziert und der thermodynamische und mechanische Motorwirkungsgrad verbessert werden.
Ein gattungsgemäßer Kühlmittelregler, der auch als Thermomanagement-Modul bezeichnet werden kann, wird in Verbindung mit einem Arbeitsmedium als Kühlmittel im Kühlsystem oder alternativ auch mit einem Schmiermittel im Schmiersystem eines Verbrennungsmotors oder eines Getriebes eines Kraftfahrzeuges bzw. eines sonstigen Verbrennungsmotors eingesetzt. Im Stand der Technik werden Kühlmittelkanäle eines Kühlmittelreglers vorzugsweise über Durchbrüche / Öffnungen / Löcher in den Drehschiebern umgesetzt. Bei Öffnung eines entsprechenden Strömungskanals / Kühlmittelkanals, also bei einer Freisetzung der Öffnung, folgt demnach eine Durchströmung des Drehschiebers von dem zu regelnden Medium. Das Strömungsverhalten jenes Mediums wird dabei maßgeblich von der geometrischen Form der Durchbrüche im Drehschieber beeinflusst.
Ein Kühlmittelregler, das auf dem gleichen Gebiet der Erfindung anzusiedeln ist, ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 026 368 A1 offenbart. Neben einer Strömung entlang der jeweiligen Kühlmittelkanäle durch eine radial verlaufende Drehschieber-Durchströmöffnung im Querschnittsverstellglied ist darin auch eine Strömung am Querschnittsverstellglied vorbei ermöglicht. Jene Strömung wird dann induziert, wenn ein temperaturabhängiges Element einen axialen Versatz des Querschnittsverstellglieds hervorruft. Die zugrundeliegende Motivation in jener Ausgestaltung besteht darin, eine Überhitzung von an den Kühlmittelregler angeschlossenen Bauteilen zu vermeiden.
Ein weiterer Kühlmittelregler ist aus der Offenlegungsschrift US 2016/0003126 A1 bekannt. Darin sind Öffnungen eines Drehschiebers offenbart, die entlang ihrer Kontur teilweise Aufstülpungen aufweisen, um mit einem entsprechenden Strömungskanal und einer zwischengeschalteten Dichtung effizient in Kontakt zu gelangen.
Kühlmittelregler der eingangs genannten Art sind aus der DE 10 2006 053 310 A1 und der DE 197 03 042 A1 bekannt.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass eine Umschaltung eines Betriebszustandes des Kühlmittelreglers / Thermomanagement-Moduls damit verbunden ist, dass sich der Drehschieber um eine Winkelspanne / einen Weg bis zur nächsten Strömungsöffnung verdreht / verschiebt. Häufig sind hierfür bei einer Umschaltung von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand sämtliche Zwischenzustände von dem Drehschieber abzufahren. Somit ist einerseits die Regelgüte verhältnismäßig gering, da in den Zwischenzuständen bereits ein Volumenstrom durch den Drehschieber hervorgerufen ist, andererseits ist ein Umschalten mit viel Zeit und viel zuzuführender Leistung, wie etwa Strom, von einem Betätigungselement verbunden. Auch erhöht sich der Verschleiß von Dichtelementen aufgrund der hohen zurückzulegenden Distanzen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben und insbesondere einen Kühlmittelregler bereitzustellen, der einen geringen Aktuierungsweg einnimmt und somit dynamisch regulierbar ist, was wiederum die Regelgüte erhöht. Überdies widmet sich die Erfindung dem Ziel, Regelungenauigkeiten durch Toleranzen und durch unerwünschtes Spiel im Kühlmittelregler auszugleichen bzw. sogar zu verhindern.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hilfsgeometrie als Erhebung auf der Außenfläche des Drehschiebers ausgebildet ist. Demnach ist die Hilfsgeometrie dazu in der Lage, in einem Zustand, in dem die Primärdichtung nicht (teil-)fluchtend mit der Öffnung zusammenwirkt, einen Volumenstrom / Fluidfluss von einem zu regelnden Medium zu gewährleisten. Dies ist mit geringen Aktuierungswegen verbunden, da die Hilfsgeometrie derart angeordnet ist, dass der Drehschieber nur um eine geringe Winkelspanne zu verfahren ist.
Es wird also erreicht, dass die Primärdichtung bei einer Bewegung des Drehschiebers derart mit der Hilfsgeometrie zusammenwirkt, dass durch einen Spalt zwischen der Primärdichtung und der Außenfläche ein Volumenstrom zustande kommt, der ausschließlich außerhalb des Drehschiebers verläuft. Somit wird bewusst der Volumenstrom durch den Drehschieber hindurch vermieden, wenn ein Spalt von der Hilfsgeometrie hervorgerufen ist. Dies erhöht die Regelgüte, da die Hilfsgeometrie derart angepasst ist, dass sie fein unterteilbare Volumenströme hervorruft.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn die Erhebung als Kugeloberfläche auf der Außenfläche des Drehschiebers ausgebildet ist. Die Erhebung ist vorzugsweise dergestalt, dass sie zumindest abschnittsweise eine Kugeloberfläche oder zumindest die Oberfläche eines Rotationsellipsoids ausformt. Die Kugeloberfläche der Erhebung ist hierbei durch einen kleineren Radius bedingt als jener Radius, der für die Kugeloberfläche des Drehschiebers verantwortlich ist. Bei der Erhebung kann es sich überdies um eine Beule / Rampe oder ähnliches handeln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind auf dem Drehschieber mehrere, etwa zwei, vier oder sechs Hilfsgeometrien zur Unterbrechung des dichtenden Kontakts zwischen der Primärdichtung und der Außenfläche des Drehschiebers angeordnet.
Der erfinderische Gedanke umfasst weiterhin einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einer Abtriebseinheit, wobei die Volumenströme des Kühlmediums und/oder des Schmiermediums von einem Kühlmittelregler gesteuert sind. Bei dem Kühlmittelregler handelt es sich um einen zuvor beschriebenen. Somit lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auf eine gesamte Antriebseinheit übertragen.
In anderen Worten kann gesagt werden, dass die Erfindung ein Thermomanagement-Modul betrifft, welches in Verbrennungsmotoren, etwa von Kraftfahrzeugen, Nutzfahrzeugen oder auch von Blockheizkraftwerken, Generatoren sowie Land- und Arbeitsmaschinen eingesetzt wird, um den lokalen Volumenstrom im Kühlkreislauf entsprechend des Betriebszustands zu regeln.
Hierbei zielt die Erfindung etwa darauf ab, eine Öffnung von Kühlmittelkanälen an / auf / in Drehschiebern zu gewährleisten, die einen möglichst geringen Aktuierungsweg auf dem Drehschieber einnimmt. Somit wird die Regelgüte des Thermomanagement-Moduls, etwa eines Kühlmittelreglers, erhöht. Außerdem werden Regelungenauigkeiten aufgrund von Toleranzen im Aktuierungssystem ausgeglichen.
Der erfinderische Gedanke umfasst die Anordnung von Hilfsgeometrien in Form von Erhebungen auf Drehschiebern / Ventilkörpern / Stelleinrichtungen von Thermomanagement-Modulen. Die Hilfsgeometrien erzeugen / ermöglichen einen von dem Drehwinkel des Drehschiebers abhängigen Volumenstrom / Medienfluss. Dieser strömt den Schieber in einem geschlossenen Zustand lediglich an, so dass keine Durchströmung vorliegt. Wird der Schieber betätigt und führt etwa eine gewisse Rotation durch, so verformt die Hilfsgeometrie die Primärdichtung derart, dass ein Spalt zutage tritt, der eine Strömung ermöglicht.
Vor allem für Drehschieber mit großem Verstellbereich sowie großen Öffnungsquerschnitten wird gemäß der Erfindung eine Möglichkeit offenbart, platzsparend und mit geringer Beeinflussung der Regelstrategie eine gute Regelgüte zu erzeugen. Die Erfindung beeinträchtigt weiterhin nicht die Herstellbarkeit des Drehschiebers.
Vorteilhafterweise setzt die Hilfsgeometrie im Zusammenspiel mit der Primärdichtung einen Strömungsquerschnitt frei, der klein ist verglichen mit dem Strömungsquerschnitt der Kühlmittelkanäle. So ist dem Ziel der erhöhten Regelgüte Folge geleistet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Kühlmittelregler im geschlossenen Zustand;
2 eine erfindungsgemäße Hilfsgeometrie auf einer Außenseite eines Drehschiebers sowie eine Primärdichtung;
3 eine zweite Ausführungsform einer nicht erfindungsgemäßen Hilfsgeometrie im Zusammenspiel mit einer Primärdichtung; und
4 den Drehschieber der zweiten Ausführungsform ohne Primärdichtung.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die einzelnen Bezugszeichen können untereinander ausgetauscht werden.
In 1 ist ein Kühlmittelregler / Thermomanagement-Modul 1 dargestellt, dessen Gehäuse 2 zwei zueinander angewinkelte Kühlmittelkanäle 3, 4 zumindest teilweise beherbergt. Mittels einer Rotation eines Drehschiebers 5 kommunizieren die beiden Kühlmittelkanäle 3, 4 derart miteinander, dass der Kühlmittelregler 1 seine Funktion, nämlich die Fluidströme eines Verbrennungsmotors derart zu steuern, dass dieser thermodynamisch optimal betrieben wird, zuverlässig erfüllt.
Der erste Kühlmittelkanal 3 übersteigt in seinem Durchmesser den zweiten Kühlmittelkanal 4. Hieraus resultierend übersteigt auch eine erste Primärdichtung 6 in ihrem Durchmesser eine zweite Primärdichtung 7. Die Primärdichtungen 6, 7 weisen jeweils eine umlaufende Dichtlippe / Dichtanlagefläche 13 auf. Diese ist dazu vorbereitet, mit einer Außenseite 9 des Thermomanagement-Moduls 1 dichtend in Kontakt zu stehen. So ist in einem hier dargestellten Zustand, in dem keine Kommunikation der Kühlmittelkanäle 3, 4 stattfinden soll, auch eine Leckagefreiheit garantiert. Im angehobenen Zustand der Primärdichtung 6, 7 ist diese in Axialrichtung entgegen einer Federkraft, etwa durch eine Wellfeder zur Verfügung gestellt, verschoben.
So blockiert in dem in 1 dargestellten Zustand der Drehschieber 5 eine Kommunikation zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 3 und dem zweiten Kühlmittelkanal 4. Aufgrund der dichtenden Anlage der Primärdichtungen 6, 7 auf der Außenfläche 9 findet also kein Volumenstrom statt. Wird der Drehschieber 5 über ein Betätigungsmittel 8 entlang einer Rotationsrichtung 11 bewegt, so wäre ein Volumenstrom durch den Drehschieber 5 hindurch durch Durchbrüche / Öffnungen 12 ermöglicht. Als Möglichkeit neben dem den Drehschieber 5 durchströmenden Volumenstrom ist erfindungsgemäß auch der Volumenstrom, der durch Hilfsgeometrien 10 hervorgerufen ist, möglich. Dieser sei im Zusammenhang mit 2 vorgestellt. Die Öffnungen 12 werden jeweils von einer Öffnungskontur 16 umlaufen. Diese stellt die Kante zwischen der Außenfläche 9 und der Öffnung 12 dar.
Bezugnehmend auf 2 ist eine erfindungsgemäße Hilfsgeometrie 10 in Form einer Erhebung realisiert. Der zur Primärdichtung 6 gehörige Kühlmittelkanal 3 ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Wird der Drehschieber 5 entlang der Rotationsrichtung 11 bewegt, so kommt die in Axialrichtung zu bewegende Primärdichtung 6 bzw. ihre ringförmige, sich zuspitzende Dichtanlagefläche 13 zunächst mit einer Rampe 17 der als Erhebung ausgestalteten Hilfsgeometrie 10 in Kontakt. Die Rampe 17 ist hierbei derart ausgebildet, dass sie ein schonendes Anheben, ein sogenanntes Anlupfen der Primärdichtung 6 ermöglicht. So hält die Erhebung die Primärdichtung 6 so lange angehoben, bis der Drehschieber 5 über die Länge der Hilfsgeometrie 10 in Umfangsrichtung hinweg rotiert worden ist. Ziel ist es hierbei, unabhängig von der expliziten Form der Erhebung und der Rampe 17 einen Kühlmittelkanal durch Primärdichtungsanheben zu bilden.
Die Rampe 17 ist von einer Umrandungskontur 15 umgeben. Diese gibt die Form der Hilfsgeometrie 10 vor. Die Umrandungskontur 15 stellt den Übergang von der Außenfläche 9 zu Hilfsgeometrie 10 dar und ist somit klar definiert.
Erfindungsgemäß bildet sich bei jenem Anlupfen der Primärdichtung 6 zwischen der Dichtanlagefläche 13 und der Außenfläche 9 ein Spalt, der eine Strömung durch die Kühlmittelkanäle, die zum Drehschieber 5 führen, ermöglicht. Die Geometrie des Spalts, also im Wesentlichen dessen Querschnittsfläche, die sich maßgeblich auf die erzeugte Strömung auswirkt, ist über eine variable Ausgestaltung der Hilfsgeometrie 10 variierbar. In Umfangsrichtung auf dem Drehschieber 5 sind hierbei vorzugsweise mehrere Hilfsgeometrien 10 angeordnet.
In 3 ist ein nicht erfindungsgemäßes Thermomanagement-Modul 1 dargestellt. Dieses bildet die Hilfsgeometrie 10 zur Ausbildung des Kühlmittelkanals durch Taschen 18 im Drehschieber 5. Ein Abschnitt 14 der Umrandungskontur 15 der Tasche 18 verläuft dabei als Schlangenlinie, um lokale Verschleißmaxima auf der Primärdichtung 6 zu verhindern.
In 4 sind die aus 3 bekannten Merkmale nochmals ohne die Primärdichtung 6 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelregler / Thermomanagement-Modul
2: Gehäuse
3: Erster Kühlmittelkanal
4: Zweiter Kühlmittelkanal
5: Drehschieber
6: Erste Primärdichtung
7: Zweite Primärdichtung
8: Betätigungselement
9: Außenfläche
10: Hilfsgeometrie
11: Drehrichtung
12: Öffnung / Durchbruch
13: Dichtanlagefläche
14: Abschnitt
15: Umrandungskontur
16: Öffnungskontur
17: Rampe
18: Tasche

Claims

Kühlmittelregler (1) einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse (2), in dem zumindest zwei Kühlmittelkanäle (3, 4) angeordnet sind, die fluidisch durch einen Drehschieber (5) verbindbar sind, wobei zwischen dem Drehschieber (5) und zumindest einem der Kühlmittelkanäle (3, 4) eine Primärdichtung (6, 7) angeordnet ist, die eine Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) dichtend kontaktiert und bei Verdrehung des Drehschiebers (5) eine die Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) durchsetzende Öffnung (12) überstreicht, um den zumindest einen Kühlmittelkanal (3, 4) mit dem Inneren des Drehschiebers (5) fluidisch zu verbinden, und wobei auf der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) eine Hilfsgeometrie (10) mit einer geschlossenen Umrandungskontur (15) ausgebildet ist, die von der Öffnung (12) beabstandet angeordnet ist und bei Verdrehung des Drehschiebers (5) den dichtenden Kontakt zwischen der Primärdichtung (6, 7) und der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) unterbricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsgeometrie (10) als Erhebung auf der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) ausgebildet ist.
Kühlmittelregler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Drehschieber mehrere Hilfsgeometrien (10) zur Unterbrechung des dichtenden Kontakts zwischen der Primärdichtung (6, 7) und der Außenfläche (9) des Drehschiebers (5) angeordnet sind.
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einer Abtriebseinheit, wobei die Volumenströme des Kühlmediums und/oder des Schmiermediums von einem Kühlmittelregler (1) gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Kühlmittelregler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche handelt.