DE102019106498B4

DE102019106498B4 - Vorgesteuertes Kühlmittelventil

Info

Publication number: DE102019106498B4
Application number: DE102019106498.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hurst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: CN113544422B; EP3938689A1; DE102019106498A1; WO2020182257A1; CN113544422A; US20220163981A1; US11822357B2

Abstract

Vorgesteuertes Kühlmittelventil (1) umfassend:- einen Druckraum (7) mit einem Zulauf (2) und einem Ablauf (4) für das Kühlmittel,- einen Druckentlastungsraum (8),- eine Steuerbohrung (9), die den Druckentlastungsraum (8) mit dem Druckraum (7) verbindet,- einen Druckentlastungskanal (10), der den Druckentlastungsraum (8) permanent mit dem Ablauf (4) verbindet,- einen Aktuator (11) mit einem Stößel (12),- einen vom Stößel (12) in Richtung des Zulaufs (2) hubbetätigten Steuerkolben (13), der die Steuerbohrung (9) bei Hubbetätigung durch den Stößel (12) bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche (27) des Steuerkolbens (13) und der Innenmantelfläche (28) der Steuerbohrung (9) verschließt,- einen im Druckraum (7) verfahrenden Schließkolben (15), dessen axiale Stirnseiten (16, 17) einerseits einen Staudruckraum (18), in dem die Steuerbohrung (9) mündet, und andererseits einen Durchflussraum (19), in dem der Zulauf (2) mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben (15) durchsetzender Druckkanal (22) den Staudruckraum (18) permanent mit dem Zulauf (2) verbindet,- und einen Ventilsitz (23), der die Mündung des Zulaufs (2) im Durchflussraum (19) begrenzt, wobei der Steuerkolben (13) den Schließkolben (15) in Richtung des Ventilsitzes (23) hubbetätigt und wobei der Schließkolben (15) bei verschlossener Steuerbohrung (9) dichtend am Ventilsitz (23) anliegt und die Verbindung des Durchflussraums (19) mit dem Zulauf (2) unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Kühlmittelventil, das insbesondere den Kühlmittelfluss durch den Motorblock eines Verbrennungsmotors steuert und Folgendes umfasst:

- einen Druckraum mit einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmittel,
- einen Druckentlastungsraum
- eine Steuerbohrung, die den Druckentlastungsraum mit dem Druckraum verbindet,
- einen Druckentlastungskanal, der den Druckentlastungsraum permanent mit dem Ablauf verbindet,
- einen Aktuator mit einem Stößel,
- einen vom Stößel in Richtung des Zulaufs hubbetätigten Steuerkolben, der die Steuerbohrung bei Hubbetätigung durch den Stößel verschließt,
- einen im Druckraum verfahrenden Schließkolben, dessen axiale Stirnseiten einerseits einen Staudruckraum, in dem die Steuerbohrung mündet, und andererseits einen Durchflussraum, in dem der Zulauf mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben durchsetzender Druckkanal den Staudruckraum permanent mit dem Zulauf verbindet,
- und einen Ventilsitz, der die Mündung des Zulaufs im Durchflussraum begrenzt.

Der Schließkolben liegt bei verschlossener Steuerbohrung dichtend am Ventilsitz an und unterbricht die Verbindung des Durchflussraums mit dem Zulauf.
Ein derartiges Kühlmittelventil ist aus der DE 10 2017 122 271 A1 bekannt. Bei verschlossener Steuerbohrung bewirkt die permanente Verbindung des Staudruckraums mit dem Zulauf, dass der Schließkolben nur durch den Druck des Kühlmittels in Schließstellung, d.h. in dichtender Anlage am Ventilsitz verharrt. Die Schließbewegung des Schließkolbens von der offenen in diese geschlossene Ventilstellung wird durch die Differenz der statischen Drücke erzeugt, die seitens des Staudruckraums und - strömungsbedingt in kleinerer Höhe - seitens des Durchflussraums auf die jeweilige axiale Stirnseite des Schließkolbens wirken.
Die Höhe dieser Druckdifferenz nimmt mit abnehmendem Volumenstrom über den Durchflussraum ab, so dass im Arbeitsbereich kleiner Volumenströme die hydrodynamisch bedingten Druckkräfte auf den Schließkolben nicht mehr ausreichen, um das Kühlmittelventil zu schließen oder ausreichend schnell zu schließen. Dies gilt besonders in dem Fall, in dem der Schließkolben mit der Kraft einer Rückstellfeder in Öffnungsrichtung belastet ist.
Weitere vorgesteuerte Ventile sind bekannt aus US 2017 / 0 284 277 A1 , EP 2 778 364 B1 , DE 11 2013 004 902 T5 und DE 10 2004 014 068 A1 sowie EP 2 853 795 B1 und EP 3 273 124 A1 .
Die US 6 152 088 A offenbart ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Kühlmittelventil der eingangs genannten Art konstruktiv so zu verbessern, dass das Kühlmittelventil auch bei kleinen Volumenströmen und dementsprechend kleinen Differenzdrücken am Schließkolben ausreichend schnell schließt.
Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll das Kühlmittelventil Folgendes umfassen:

- einen Druckraum mit einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmittel,
- einen Druckentlastungsraum,
- eine Steuerbohrung, die den Druckentlastungsraum mit dem Druckraum verbindet,
- einen Druckentlastungskanal, der den Druckentlastungsraum permanent mit dem Ablauf verbindet,
- einen Aktuator mit einem Stößel,
- einen vom Stößel in Richtung des Zulaufs hubbetätigten Steuerkolben, der die Steuerbohrung bei Hubbetätigung durch den Stößel bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche des Steuerkolbens und der Innenmantelfläche der Steuerbohrung verschließt,
- einen im Druckraum verfahrenden Schließkolben, dessen axiale Stirnseiten einerseits einen Staudruckraum, in dem die Steuerbohrung mündet, und andererseits einen Durchflussraum, in dem der Zulauf mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben durchsetzender Druckkanal den Staudruckraum permanent mit dem Zulauf verbindet,
- und einen Ventilsitz, der die Mündung des Zulaufs im Durchflussraum begrenzt,

Das erfindungsgemäße Kühlmittelventil unterscheidet sich von dem eingangs genannten Kühlmittelventil folglich dadurch, dass der Stößel nicht nur den Steuerkolben, sondern auch den Schließkolben hubbetätigt. Die gleichsam mechanische Betätigung des Schließkolbens durch den Aktuator ergänzt bei kleinen Volumenströmen die für das Schließen des Ventils bzw. dessen Schließgeschwindigkeit unzureichende Druckdifferenz am Schließkolben und wird dadurch ermöglicht, dass der Steuerkolben die Steuerbohrung bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche des Steuerkolbens und der Innenmantelfläche der Steuerbohrung verschließt und gleichzeitig oder darauffolgend den Schließkolben in Richtung des Ventilsitzes hubbetätigt.
Die mechanische Betätigung des Schließkolbens kann in Abhängigkeit der am Schließkolben wirkenden Kräfte- und Druckbilanz

- bezüglich des Kühlmitteldurchflusses entweder nur bei kleinen Volumenströmen oder im gesamten Kennfeld des Kühlmittelventils und
- bezüglich des Betätigungshubs entweder nur teilweise, d.h. mit beschränktem Initialhub, oder vollständig, d.h. bis zur dichtenden Anlage des Schließkolbens am Ventilsitz erfolgen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmittelventils teilweise schematisch dargestellt ist. Es zeigen:

1 das Kühlmittelventil im Längsschnitt;
2a - 2d den Schließ- und Öffnungsvorgang des Kühlmittelventils in verschiedenen Sequenzen.

Das in 1 dargestellte Kühlmittelventil 1 steuert den Kühlmittelfluss durch den Motorblock eines Verbrennungsmotors. Das Kühlmittelventil 1 ist vorgesteuert und hat einen den Zulauf 2 für das Kühlmittel bildenden Einlassstutzen 3 und einen den Ablauf 4 für das Kühlmittel bildenden Auslassstutzen 5, die an einem Ventilgehäuse 6 befestigt sind. Das Ventilgehäuse 6 hat einen Druckraum 7, an dem der Zulauf 2 und der Ablauf 4 angeschlossen sind, und einen Druckentlastungsraum 8 sowie eine Steuerbohrung 9, die den Druckentlastungsraum 8 mit dem Druckraum 7 verbindet. Der Druckentlastungsraum 8 ist über einen Druckentlastungskanal 10 permanent mit dem Ablauf 4 verbunden.
Die Vorsteuerung erfolgt mittels eines Aktuators 11, der ein elektrisch betätigter Hubmagnet ist und einen im Druckentlastungsraum 8 verfahrenden Stößel 12 umfasst, der einen Steuerkolben 13 in Richtung der Steuerbohrung 9 und des Zulaufs 2 hubbetätigt. Der Steuerkolben 9 ist mit dem Stößel 12 einteilig ausgebildet und mit einer der Hubmagnetkraft entgegengerichteten Federkraft einer Steuerfeder 14 beaufschlagt.
Im Druckraum 7 verfährt ein koaxial zum Stößel 12 und zum Steuerkolben 13 angeordneter Schließkolben 15, dessen axiale Stirnseiten 16 und 17 einerseits einen Staudruckraum 18, in dem die Steuerbohrung 9 mündet, und andererseits einen Durchflussraum 19, in dem der Zulauf 2 mündet, begrenzen. Die Führung des Schließkolbens 15 im Druckraum 7 erfolgt über einen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche 20 des Schließkolbens 15 und der Innenmantelfläche 21 des Druckraums 7. Ein den Schließkolben 15 durchsetzender Druckkanal 22 verbindet den Staudruckraum 18 permanent mit dem Zulauf 2, dessen Mündung im Durchflussraum 19 durch einen Ventilsitz 23 begrenzt ist. Die vom Ventilsitz 23 begrenzte Querschnittsfläche ist kleiner als die Querschnittsfläche des Druckraums 7.
Im geschlossenen Zustand des Kühlmittelventils 1 liegt der Schließkolben 15 dichtend am Ventilsitz 23 an und unterbricht die Verbindung des Durchflussraums 19 mit dem Zulauf 2. Eine Kolbenfeder 24 beaufschlagt den Schließkolben 15 in dessen Öffnungsrichtung mit einer vom Zulauf 2 weg gerichteten Federkraft.
Die Funktionsweise des Kühlmittelventils 1 ist nachfolgend anhand der 2a bis 2d erläutert, die jeweils den für die Vorsteuerung des Kühlmittelventils 1 relevanten Ausschnitt im Bereich der Steuerbohrung 9 zeigen. Dort nicht eingezeichnete Bezugszahlen sind 1 zu entnehmen.
2a: Das Kühlmittelventil 1 ist für maximalen Durchfluss zwischen dem Zulauf 2 und dem Ablauf 4 vollständig geöffnet. Der Steuerkolben 13 befindet sich bei abgeschaltetem Aktuator 11 in eingefahrener Position, in der die druckentlastende Verbindung des Druckentlastungsraums 8 mit dem Staudruckraum 18 über die Steuerbohrung 9 hergestellt ist. Die den Staudruckraum 18 begrenzende Stirnseite 16 des Schließkolbens 15 ist von der betätigenden Stirnseite 25 des Steuerkolbens 13 beabstandet und liegt mit dem geführten Außendurchmesserbereich an der Trennwand 26 zwischen dem Staudruckraum 18 und dem Druckentlastungsraum 8 an.
2b: Der Schließvorgang des Kühlmittelventils 1 beginnt damit, dass der Aktuator 11 elektrisch bestromt wird und den Stößel 12 mit dem Steuerkolben 13 in Richtung des Schließkolbens 15 entgegen der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Steuerfeder 14 hubbetätigt. Dabei gelangen die Stirnseiten 25 und 16 des ausfahrenden Steuerkolbens 13 bzw. des Schließkolbens 15 in gegenseitig zugkraftfreien Kontakt. Darunter ist zu verstehen, dass im Kontakt Quer- und Druckkräfte, nicht aber Zugkräfte zwischen dem Steuerkolben 13 und dem Schließkolben 15 übertragen werden können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Steuerbohrung 9 vom Steuerkolben 13 gerade verschlossen, während die Position des an der Trennwand 26 anliegenden Schließkolbens 15 gegenüber 2a unverändert ist. Dieser Spezialfall kann durch eine demgegenüber frühere oder spätere Kontaktierung des Schließkolbens 15 in Bezug auf das Verschließen der Steuerbohrung 9 modifiziert werden. Das Verschließen der Steuerbohrung 9 erfolgt durch die Außenmantelfläche 27 des Steuerkolbens 13, die mit der Innenmantelfläche 28 der Steuerbohrung 9 einen Dichtspalt bildet (s. 2c). Die Führung des Steuerkolbens 13 in der Steuerbohrung 9 kann erforderlichenfalls durch nicht dargestellte Führungsrippen verbessert werden, die axial seitens des Schließkolbens 15 neben der dichtenden Außenmantelfläche 27 am Steuerkolben 13 verlaufen.
Bei verschlossener Steuerbohrung 9 bewirkt die durch den Kühlmitteldurchfluss über den Durchflussraum 19 hydrodynamisch bedingte Differenz der statischen Drücke, dass die den Staudruckraum 18 begrenzende Stirnseite 16 des (noch) offenen Schließkolbens 15 mit höherem Druck als die den Durchflussraum 19 begrenzende Stirnseite 17 beaufschlagt wird und folglich der Schließkolben 15 in Schließrichtung zum Ventilsitz 23 hin druckkraftbeaufschlagt wird. Bei zu geringem Kühlmitteldurchfluss kann jedoch diese Druckdifferenz zu klein werden, um den Schließkolben 15 entgegen der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Kolbenfeder 24, Reibkräften und auch Staudruckkräften aus dem durchfließenden Kühlmittel auszufahren und in dichtende Anlage an den Ventilsitz 23 zu bewegen.
2c: Die auf den Schließkolben 15 wirkende Schließkraft resultiert aus der hydrodynamisch bedingten Druckdifferenz und der mechanischen Kraft, mit der der vom Aktuator 11 hubbetätigte Steuerkolben 13 auf den ausfahrenden Schließkolben 15 drückt, bis dieser in dichtende Anlage am Ventilsitz 23 gelangt und dort in dessen Schließstellung gehalten wird, in der die Verbindung des Durchflussraums 19 mit dem Zulauf 2 unterbrochen ist. Das Halten des Schließkolbens 15 in der Schließstellung erfolgt entweder nur über die Druckkraft im Staudruckraum 18 oder zusätzlich über die elektromagnetische Betätigungskraft des Aktuators 11. Die Druckkraft im Staudruckraum 18 entspricht dem Kühlmitteldruck im Zulauf 2, der über den Druckkanal 22 und eine stirnseitige Sicke 29 im Steuerkolben 13 permanent mit dem Staudruckraum 18 verbunden ist.
Falls die Druckkraft im Staudruckraum 18 alleinig ausreicht, um den Schließkolben 15 in dessen Schließstellung zu halten, kann die elektromagnetische Betätigungskraft auf den Schließkolben 15 durch Einfahren des Steuerkolbens 13 in eine Position aufgehoben werden, in der die Steuerbohrung 9 nach wie vor verschlossen ist.
2d: Der Öffnungsvorgang des Kühlmittelventils 1 beginnt damit, dass der vom Druck im Staudruckraum 18 und von der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Steuerfeder 14 beaufschlagte Steuerkolben 13 vollständig einfährt. Die sich dabei öffnende Steuerbohrung 9 verbindet den Druckentlastungsraum 8 mit dem Staudruckraum 18, dessen Druck sich über den Druckentlastungsraum 8 und von dort über den Druckentlastungskanal 10 in den Ablauf 4 entlastet.
Der von der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Kolbenfeder 24 und vom Kühlmitteldruck im Zulauf 2 beaufschlagte Schließkolben 15 fährt in dessen Öffnungsstellung gemäß 2a zurück, so dass das Kühlmittelventil 1 erneut für maximalen Durchfluss zwischen dem Zulauf 2 und dem Ablauf 4 geöffnet ist.

Claims

Vorgesteuertes Kühlmittelventil (1) umfassend: - einen Druckraum (7) mit einem Zulauf (2) und einem Ablauf (4) für das Kühlmittel, - einen Druckentlastungsraum (8), - eine Steuerbohrung (9), die den Druckentlastungsraum (8) mit dem Druckraum (7) verbindet, - einen Druckentlastungskanal (10), der den Druckentlastungsraum (8) permanent mit dem Ablauf (4) verbindet, - einen Aktuator (11) mit einem Stößel (12), - einen vom Stößel (12) in Richtung des Zulaufs (2) hubbetätigten Steuerkolben (13), der die Steuerbohrung (9) bei Hubbetätigung durch den Stößel (12) bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche (27) des Steuerkolbens (13) und der Innenmantelfläche (28) der Steuerbohrung (9) verschließt, - einen im Druckraum (7) verfahrenden Schließkolben (15), dessen axiale Stirnseiten (16, 17) einerseits einen Staudruckraum (18), in dem die Steuerbohrung (9) mündet, und andererseits einen Durchflussraum (19), in dem der Zulauf (2) mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben (15) durchsetzender Druckkanal (22) den Staudruckraum (18) permanent mit dem Zulauf (2) verbindet, - und einen Ventilsitz (23), der die Mündung des Zulaufs (2) im Durchflussraum (19) begrenzt, wobei der Steuerkolben (13) den Schließkolben (15) in Richtung des Ventilsitzes (23) hubbetätigt und wobei der Schließkolben (15) bei verschlossener Steuerbohrung (9) dichtend am Ventilsitz (23) anliegt und die Verbindung des Durchflussraums (19) mit dem Zulauf (2) unterbricht.
Kühlmittelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steuerkolben (13) und der Schließkolben (15) zugkraftfrei kontaktieren.
Kühlmittelventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (13) einteilig mit dem Stößel (12) ausgebildet ist.
Kühlmittelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (12), der Steuerkolben (13) und der Schließkolben (15) koaxial zueinander angeordnet sind.
Kühlmittelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) ein elektrisch betätigter Hubmagnet ist.
Kühlmittelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (13) und der Schließkolben (15) jeweils mit einer vom Zulauf (2) weg gerichteten Federkraft beaufschlagt sind.