DE102022122027A1

DE102022122027A1 - Konisches Druckregelventil

Info

Publication number: DE102022122027A1
Application number: DE102022122027.3A
Authority: DE
Inventors: David Krähenbühl
Original assignee: Woco Industrietechnik GmbH
Current assignee: Woco Industrietechnik GmbH
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-02-29
Also published as: WO2024047071A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil (51) zum Regeln eines Fluiddrucks, insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend: ein Ventilgehäuse (53) mit einem Fluideintritt (55), einem Fluidaustritt (59) und einem Ventilsitz (63); ein Ventilglied (65) mit einem sich insbesondere konisch verjüngenden Schließelement (67), wobei das Ventilglied (65) zwischen einer Schließstellung, in der das Schließelement (67) einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz (63) einnimmt, um den Fluidaustritt (59) zu verschließen, und einer Öffnungsstellung verlagerbar ist, in der es den Ventilsitz (63) freigibt und den Fluidaustritt (59) öffnet; eine Membran (69), insbesondere eine Sickenmembran, zum Betätigen des Ventilglieds; und eine Abschirmeinrichtung (71), wie eine Abschirmplatte, zum Abschirmen der Membran (69) von dem Fluid; wobei sich das Ventilglied (65) kontakt- und führungsfrei durch die Abschirmeinrichtung (71) hindurch erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil zum Regeln eines Fluiddrucks insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kurbelgehäuseentlüftungssystem mit einem gattungsgemäßen Druckregelventil.
Gattungsgemäße Druckregelventile werden beispielsweise in der Entlüftungsleitung zwischen Kurbelgehäuse und Ansaugrohr bzw. Luftfilter einer Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei geht es darum, den Druck oder Unterdruck in dem zu entlüftenden Behälter nicht über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigen zu lassen, was durch das in die Entlüftungsleitung zwischen dem Saugrohr und dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine eingebaute Druckregelventil erreicht wird, indem sogenanntes Blow-by-Gas hindurchgesaugt wird. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine soll dabei im Kurbelgehäuse immer ein geringer Unterdruck vorherrschen, damit keine ölhaltigen Blow-by-Gase beispielsweise durch die Dichtungen nach außen gelangen und die Umwelt verschmutzen können. Andererseits soll der angegebene Unterdruck nicht wesentlich unterschritten werden, weil sonst durch Undichtigkeiten ungewollte Fehlluft in das Kurbelgehäuse gesaugt würde.
Die grundsätzliche Aufgabe dieser bekannten Druckregelventile besteht darin, den hohen Unterdruck im Schub-bzw. Teilastbereich von -800 mbar, wenn die Drosselklappe geschlossen ist, zu drosseln, um eine Beschädigung von Komponenten zu vermeiden. Gattungsgemäße Druckregelventile, wie sie beispielsweise aus der DE 102013019885 B4 bekannt sind, nutzen Membrane zum Betätigen eines das Fluid regelnden Ventilglieds. Ein Problem bei der durch eine Membran aktuierten Druckregelventile besteht darin, dass die Membran dem Blow-by-Gas ausgesetzt ist und von diesem angegriffen wird, was zu Verschleiß führt. Diese Problematik kann gemäß der DE 102013019885 B4 dadurch gelöst werden, dass ein Trennboden eingesetzt wird und die Membran weiter nach oben verlagert wird, sodass diese nicht mehr von dem aggressiven Blow-by-Gas direkt und unmittelbar angeströmt wird. An dem Druckregelventil gemäß der DE 102013019885 B4 hat sich jedoch grundsätzlich die Regelgüte als nachteilig erwiesen, die dadurch beeinträchtigt wird, dass es aufgrund des großen Hubs, also dem vertikalen Abstand zwischen Membran und dichtungssitzseitiger Führungsposition des Ventilglieds, während der Stellbewegung zu Verkippungen gegenüber der Stellrichtung des Ventilglieds kommen kann, was dazu führt, dass der Durchströmungsquerschnitt nicht zuverlässig genug eingestellt werden kann. Diesem Phänomen wirkt die DE10201309885B4 durch eine engdimensionierte Durchtrittsöffnung des Ventilgliedstößels in dem Trennboden entgegen sowie dadurch, dass der Ventilgliedstößel von dem Trennboden bei seiner Stellbewegung geführt ist.
Aufgrund des großen Stellhubs bei den Druckregelventilen gemäß der DE 102013019885 B4 ist die Erreichung einer zuverlässigen Regelgüte jedoch weiterhin nur mit großem Aufwand möglich. Ferner ist durch die enge Führung des Ventilglieds bei der Stellbewegung ein hoher Fertigungs- und Montageaufwand gegeben und zusätzlich wirkt sich die Führung nachteilig auf den Verschleiß des Druckregelventils aus. Die enge Führung kann ferner bewirken, dass der Stößel in der Führung in Folge von Feuchtigkeit und kalten Temperaturen fest- bzw. anfriert. Ein weiterer Nachteil an dem Druckregelventil gemäß der DE 10201390885 B4 besteht darin, dass das Ventilglied dazu tendiert, sich an dem Ventilsitz festzusaugen, wodurch die Druckregelung gestört ist, was darauf zurückzuführen ist, dass nur ein sehr geringes Membrandurchmesser- zu Ventilsitzdurchmesser-Verhältnis gegeben ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden, insbesondere ein kompakteres Druckregelventil mit verbesserter Regelgüte und/oder reduzierter Gefahr des Festsaugens sowie Festfrierens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Druckregelventil zum Regeln eines Fluiddrucks, insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt. Das Druckregelventil kann in einer Entlüftungsleitung zwischen Kurbelgehäuse und Ansaugrohr bzw. Luftfilter der Brennkraftmaschine eingesetzt sein. Es dient insbesondere dazu, den Druck oder Unterdruck in dem zu entlüftenden Behälter nicht über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigen zu lassen, um sicherzustellen, dass im Kurbelgehäuse immer ein geringer Unterdruck vorherrscht. Dabei ist das Druckregelventil so ausgelegt, dass es den hohen Unterdruck im Schub- bzw. Teillastbereich von -800 mbar, wenn die Drosselklappe geschlossen ist, drosseln kann, um eine Beschädigung von mechanischen Komponenten zu vermeiden.
Das Druckregelventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einem Fluideintritt, einem Fluidaustritt und einem Ventilsitz. Das Druckregelventil kann eine Strömungsrichtung des Fluids durch das Ventilgehäuse hindurch festlegen. Dabei kann sich der Ventilsitz in Strömungsrichtung betrachtet zwischen dem Fluideinritt und dem Fluidaustritt befinden. Beispielsweise weist das Druckregelventil genau einen Fluidaustritt und genau einen dem Fluidaustritt zugeordneten Ventilsitz auf.
Das erfindungsgemäße Druckregelventil umfasst ferner ein Ventilglied mit einem sich insbesondere konisch, konvex oder konkav verjüngenden Schließelement. Insbesondere verjüngt sich das Schließelement in Richtung des Ventilsitzes. Dabei ist das Ventilglied zwischen einer Schließstellung, in der das Schließelement einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz einnimmt, um den Fluidaustritt zu verschließen, und einer Öffnungsstellung verlagerbar, in der er es den Ventilsitz freigibt und den Fluidaustritt öffnet. Über das Ventilglied erfolgt demnach die Druckregelung, indem entweder eine Fluidströmung durch das Druckregelventil, insbesondere das Gehäuse, zugelassen wird und wenn ja, in welcher Höhe, oder die Fluidströmung unterbunden wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch den Einsatz eines sich insbesondere konisch verjüngenden Schließelements unabhängig von einer etwaigen Verkippung des Ventilglieds, also bei einer Fehlorientierung bzw. Fehlausrichtung in Bezug auf dessen Stell- und/oder Bewegungsrichtung, eine zuverlässige Druckregelung ermöglicht ist und damit zuverlässig die Funktionsfähigkeit des Druckregelventils sichergestellt ist. Bei dem Ventilglied kann es sich um ein Hubventil handeln und/oder das Ventilglied kann zum Durchführen einer axialen Stellbewegung zwischen Öffnungs- und Schließstellung ausgelegt sein.
Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Druckregelventil eine Membran, insbesondere eine Sickenmembran, zum Betätigen des Ventilglieds. Eine Sickenmembran hat zwar beim Einsatz in gattungsgemäßen Druckregelventilen gegenüber einer Rollmembran den Nachteil eines schlechteren Verhältnisses aus starrer Auflagefläche zu beweglichem Abschnitt, welcher die Bewegung des Ventilglieds, mit dem die Membran in einem kraftübertragenden Kontakt steht, insbesondere daran befestigt ist, veranlasst, da das gleiche Ausmaß der Fehlstellung des Ventilglieds bei Anwendung einer Rollmembrane sich weniger stark auf das resultierende Verkippen des Ventilglieds gegenüber der Idealposition und/oder gegenüber der Stellrichtung auswirkt. Es hat sich aber herausgestellt, dass für den Einsatzzweck des vorliegenden erfindungsgemäßen Druckregelventils eine Sickenmembran wegen der Vorteile insbesondere im Hinblick auf die Einspannung sowie dessen Befestigung am Ventilglied vorteilhaft ist.
Ferner umfasst das Druckregelventil eine Abschirmeinrichtung, wie eine Abschirmplatte, zum Abschirmen der Membran von dem Fluid. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere beim Einsatz des Druckregelventils zur Kurbelgehäuseentlüftung die Membran im Stand der Technik vom Blow-By-Gas zugesetzt wurde, was zu dessen Beschädigung geführt hat. Insofern kann über die Abschirmeinrichtung die Membran geschützt werden, sodass diese ihre Funktionstüchtigkeit länger beibehält. Es sei klar, dass durchaus Kriechströmungen des Fluids in geringer Menge in Richtung der Membran vorhanden sein können, jedoch die Abschirmeinrichtung bezüglich der Membran insbesondere so angeordnet ist, dass die Membran nicht unmittelbar bzw. direkt von der eintretenden Fluidströmung angeströmt wird.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das Ventilglied kontakt- und führungsfrei durch die Abschirmeinrichtung hindurch. Auf diese Weise ist es möglich, das Druckregelventil einfacher zu fertigen und zu montieren. Des Weiteren ist die Gefahr des Einfrierens bzw. Festfrierens des Ventilglieds an einer möglichen Führung in der Abschirmeinrichtung infolge von Feuchtigkeit und kalten Temperaturen ausgeschlossen. Damit ergeben sich bei der Fertigung und Montage auch höhere Toleranzen, was sich wiederum positiv auf die Herstellungs- und Fertigungskosten auswirkt.
In einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils weist die Abschirmeinrichtung eine Durchführöffnung für das Ventilglied, insbesondere das Schließelement, auf, und ein insbesondere umlaufender Spalt zwischen Abschirmeinrichtung und Ventilglied beträgt wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20% oder wenigstens 30%, einer Bewegungsamplitude des Ventilglieds zwischen der Öffnungs- und Schließstellung. Mit anderen Worten kann das Ventilglied beim Verlagern zwischen der Öffnungs- und Schließstellung durch die Abschirmeinrichtung hindurchtauchen bzw. sich jedenfalls axial translatorisch relativ dazu bewegen, wobei ein Abstand quer zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds zwischen diesem und der Abschirmeinrichtung besteht. Dieser Abstand kann umlaufend gleich ausgebildet sein und ist groß genug bemessen, sodass insbesondere die Gefahr des Festfrierens des Ventilglieds an der Abschirmeinrichtung ausgeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils weist die Abschirmeinrichtung eine Durchführöffnung für das Ventilglied, insbesondere das Schließelement, auf, dessen Querschnittsfläche wenigstens so groß ist wie eine Innenquerschnittsfläche des Ventilsitzes. Beispielsweise ist die Querschnittsfläche der Durchführöffnung wenigstens 30%, 50%, 70% oder wenigstens 90% größer als die Innenquerschnittsfläche des Ventilsitzes.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit den vorhergehenden Aspekten und beispielhaften Ausführungen kombinierbar ist, ist ein Druckregelventil zum Regeln eines Fluiddrucks, insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt. Das Druckregelventil kann in einer Entlüftungsleitung zwischen Kurbelgehäuse und Ansaugrohr bzw. Luftfilter der Brennkraftmaschine eingesetzt sein. Es dient insbesondere dazu, den Druck oder Unterdruck in dem zu entlüftenden Behälter nicht über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigen zu lassen, um sicherzustellen, dass im Kurbelgehäuse immer ein geringer Unterdruck vorherrscht. Dabei ist das Druckregelventil so ausgelegt, dass es den hohen Unterdruck im Schub- bzw. Teillastbereich von -800 mbar, wenn die Drosselklappe geschlossen ist, drosseln kann, um eine Beschädigung von mechanischen Komponenten zu vermeiden.
Das Druckregelventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einem Fluideintritt, einem Fluidaustritt und einem Ventilsitz. Das Druckregelventil kann eine Strömungsrichtung des Fluids durch das Ventilgehäuse hindurch festlegen. Dabei kann sich der Ventilsitz in Strömungsrichtung betrachtet zwischen dem Fluideinritt und dem Fluidaustritt befinden. Beispielsweise weist das Druckregelventil genau einen Fluidaustritt und genau einen dem Fluidaustritt zugeordneten Ventilsitz auf.
Das erfindungsgemäße Druckregelventil umfasst ferner ein Ventilglied mit einem sich insbesondere konisch, konvex oder konkav verjüngenden Schließelement. Insbesondere verjüngt sich das Schließelement in Richtung des Ventilsitzes. Dabei ist das Ventilglied zwischen einer Schließstellung, in der das Schließelement einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz einnimmt, um den Fluidaustritt zu verschließen, und einer Öffnungsstellung verlagerbar, in der er es den Ventilsitz freigibt und den Fluidaustritt öffnet. Über das Ventilglied erfolgt demnach die Druckregelung, indem entweder eine Fluidströmung durch das Druckregelventil, insbesondere das Gehäuse, zugelassen wird und wenn ja, in welcher Höhe, oder die Fluidströmung unterbunden wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch den Einsatz eines sich insbesondere konisch verjüngenden Schließelements unabhängig von einer etwaigen Verkippung des Ventilglieds, also bei einer Fehlorientierung bzw. Fehlausrichtung in Bezug auf dessen Stell- und/oder Bewegungsrichtung, eine zuverlässige Druckregelung ermöglicht ist und damit zuverlässig die Funktionsfähigkeit des Druckregelventils sichergestellt ist. Bei dem Ventilglied kann es sich um ein Hubventil handeln und/oder das Ventilglied kann zum Durchführen einer axialen Stellbewegung zwischen Öffnungs- und Schließstellung ausgelegt sein.
Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Druckregelventil eine Membran, insbesondere eine Sickenmembran, zum Betätigen des Ventilglieds. Eine Sickenmembran hat zwar beim Einsatz in gattungsgemäßen Druckregelventilen gegenüber einer Rollmembran den Nachteil eines schlechteren Verhältnisses aus starrer Auflagefläche zu beweglichem Abschnitt, welcher die Bewegung des Ventilglieds, mit dem die Membran in einem kraftübertragenden Kontakt steht, insbesondere daran befestigt ist, veranlasst, da das gleiche Ausmaß der Fehlstellung des Ventilglieds bei Anwendung einer Rollmembrane sich weniger stark auf das resultierende Verkippen des Ventilglieds gegenüber der Idealposition und/oder gegenüber der Stellrichtung auswirkt. Es hat sich aber herausgestellt, dass für den Einsatzzweck des vorliegenden erfindungsgemäßen Druckregelventils eine Sickenmembran wegen der Vorteile insbesondere im Hinblick auf die Einspannung sowie dessen Befestigung am Ventilglied vorteilhaft ist. Die Membran ist im Wesentlichen vom Fluid abgeschirmt. Dabei sei klar, dass durchaus Fluid in Richtung der Membran gelangen kann, die Membran bezüglich der Fluidströmung jedoch so angeordnet bzw. abgeschirmt ist, dass eine direkte, unmittelbare Anströmung unterbunden ist. Beispielsweise kann die Membran von einer oben beschriebenen Abschirmeinrichtung abgeschirmt sein.
Gemäß dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis aus maximaler Außenabmessung der Membran zu minimaler Innenabmessung des Ventilsitzes wenigstens 3,5. Beispielsweise handelt es sich um einen Membranaußendurchmesser und/oder diejenige Abmessung der Membran, gemäß welcher diese am Ventilgehäuse befestigt ist. Die Innenabmessung des Ventilsitzes definiert den freien Strömungsquerschnitt bei Öffnungsstellung des Ventilglieds. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass das Verhältnis aus Membranaußenabmessung zu Ventilsitzinnenabmessung entscheidend ist, um ein Festsaugen des Ventilglieds am Ventilsitz zu vermeiden. Es wurde herausgefunden, dass bei zu geringem Membranaußen-/Ventilsitzinnenabmessungsverhältnis die Gefahr besteht, dass sich die Membran am Ventilsitz festsaugt, wodurch die Druckregelung beeinträchtigt ist bzw. die Funktionsfähigkeit des Druckregelventils nicht mehr sichergestellt ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils beträgt das Verhältnis wenigstens 4, 4,5 oder wenigstens 5 und/oder höchstens 10, insbesondere höchstens 9, 8 oder höchstens 7. Die Erfinder konnten herausfinden, dass im genannten Bereich die Tendenz des Festsaugens zuverlässig vermieden werden kann, wobei ein kompaktes Druckregelventil herstellbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Ventilglied derart führungsfrei insbesondere relativ zur Abschirmeinrichtung verlagerbar, dass eine Verkippung relativ zur Stellrichtung, die eine insbesondere axiale Bewegungsrichtung des Ventilglieds festlegt, insbesondere von bis zu 10° zugelassen ist.
Beispielsweise ist in der Öffnungsstellung ein sichelförmiger Spalt zwischen Ventilglied und Ventilsitz bei einer Verkippung gebildet. Gemäß einer beispielhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung entspricht der sichelförmige Spalt bei einer Verkippung des Ventilglieds im Wesentlichen demjenigen Ringspalt zwischen Ventilglied und Abschirmeinrichtung, der sich in einem normalen Betriebszustand einstellen würde, wenn das Ventilglied nicht verkippt bzw. bezüglich der Stellrichtung und/oder des Ventilsitzes optimal ausgerichtet wäre. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Druckregelventil selbst bei einer nicht optimalen Ausrichtung des Ventilglieds die Regelfunktion des Druckregelventils aufrechterhalten bzw. die Regelgüte nicht beeinträchtigt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist das Ventilglied in Richtung der Öffnungsstellung vorgespannt, insbesondere federvorgespannt. Mit anderen Worten kann eine Vorspannkomponente vorgesehen sein, die das Ventilglied in Richtung der Öffnungsstellung drängt. Beispielsweise kann die Vorspannkraft entgegen der Membranstellkraft gerichtet sein. Mit anderen Worten kann die Membranstellkraft in Richtung der Schließstellung des Ventilglieds, also hin zum Ventilglied, orientiert sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung beträgt die Bewegungsamplitude, insbesondere der Hub, des Ventilglieds beim insbesondere axialen und/oder translatorischen Regeln des Fluiddrucks höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 4 mm, 3 mm oder höchstens 2 mm, 1,5 mm, 1 mm oder 0,5 mm. Beispielsweise haben die Erfinder herausgefunden, dass die Hauptdruckregelung in einem äußert geringen Bewegungsamplitudenspektrum abdeckbar ist. Insbesondere bei geringen Volumenströmen kann der Öffnungshub sogar höchstens 0,5 mm oder weniger betragen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils weist das Ventilglied, insbesondere das Schließelement, insbesondere an seiner mit dem Ventilsitz kooperierenden Schließfläche, ein elastisches Material, insbesondere ein Elastomermaterial, wie Fluor-Elastomer (FKM), beispielsweise FluorSilikon (FVMQ), auf. Insbesondere ist das Ventilglied damit beschichtet. Durch das elastische Material wird ferner die Tendenz des Festsaugens vermindert. Ferner können Geräuschentwicklungen durch den Anschlagkontakt zwischen Ventilglied und Ventilsitz reduziert, insbesondere verhindert, werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist das elastische Material mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung oder Lage versehen, insbesondere beschichtet. Beispielsweise ist die reibungsreduzierende Beschichtung ein Thermoplast und/oder basiert auf einer Fluor-Kohlenstoff-Verbindung, beispielsweise PTFE. Die Beschichtung oder die Lage kann beispielsweise auch ein Gleitlack sein. Im Allgemeinen wirkt die reibungsreduzierende Beschichtung oder Lage dem Verschleiß des elastischen Materials entgegen. Unter einer die Reibung reduzierenden Beschichtung oder Lage ist zu verstehen, dass die Haftreibung gegenüber dem Haftreibungswert des elastischen Materials reduziert ist.
Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden werden weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung mittels Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden beispielhaften Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:

1 eine schematische Prinzipskizze eines beispielhaften Einbauortes einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckregelventils;
2 eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführung eines Druckregelventils in einer Öffnungsstellung;
3 das Druckregelventil aus 2 in einer Schließstellung;
4 eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts eines Druckregelventils;
5 eine Ansicht von unten auf das Druckregelventil gemäß 4;
6 eine weitere beispielhafte schematische Prinzipskizze eines Druckregelventils in einer Öffnungsstellung; und
7 eine Unteransicht des Druckregelventils aus 6.

In der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist ein Druckregelventil zum Regeln eines Fluiddrucks im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 51 versehen. Beispielhaft wird dieses zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
1 zeigt eine schematischen Ansicht eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems eines Verbrennungsmotors, das nachfolgend mit der Bezugsziffer 29 versehen ist. Das Kurbelgehäuseentlüftungssystems 29 umfasst ein Kurbelgehäuse 15 mit einer Strömungsaustrittsöffnung 25, durch die Blow-By-Gas aus dem Kurbelgehäuse 15 austreten kann, und ein mit der Strömungsaustrittsöffnung 25 fluidal in Verbindung stehende, erfindungsgemäßes Druckregelventil 51, das in 1 schematisch angedeutet ist. Wie es in 1 zu sehen, kann die fluidale Verbindung zwischen Druckregelventil 51 und Strömungsaustrittsöffnung 25 über ein Rohrleitungssystem, wie eine Austrittsleitung 135, realisiert sein, welche die Strömungsaustrittsöffnung 25 des Kurbelgehäuses fluidal mit einer Strömungsdurchtrittsöffnung 27 hin zum Druckregelventil 51 verbindet. Alternativ kann das Druckregelventil 51 derart an das Kurbelgehäuse 15 moniert werden (nicht dargestellt), dass die Strömungsdurchtrittsöffnung 27 zur Abscheideeinrichtung 51 gehört.
Ferner zeigt 1 ein Beispiel zur Entstehung von Blow-By-Gas und zur allgemeinen Einbauposition eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 51. Darin ist ein Verbrennungsmotor 1 dargestellt, der mit einer Frischluftzufuhr 3, einer Abgasabfuhr 5 und einer Kurbelgehäuseentlüftung 7 fluidal gekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor 1 umfasst eine Zylinderkopfhaube 9, einen Zylinderkopf 11, einen Zylinder 13 und ein Kurbelgehäuse 15. In dem Zylinder wird ein Kolben 17 geführt, der einen Hubraum 19 gegenüber einem Kurbelgehäuseinnenraum 21 abgrenzt. Zur Abdichtung des Hubraums 19 gegenüber dem Kurbelgehäuseinnenraum 21 sind nicht dargestellte Dichtringe zwischen Kolben 17 und Zylinder 13 vorgesehen. Nichtsdestotrotz strömen Verbrennungsgase und/oder unverbrannte Gase zwischen Kolben 17 und Zylinder 13 von dem Hubraum 19 in den Kugelgehäuseinnenraum 21. Der dabei resultierende Gasstrom 23 wird auch als Blow-By-Gasstrom bezeichnet und umfasst neben Luft und Öl auch Verbrennungsgase und unverbrannte Kraftstoffbestandteile.
Um einen Druckanstieg im Kurbelgehäuse 15 zu verhindern, wird der Gasstrom 23 über eine Kurbelgehäuseentlüftung 7 aus dem Kurbelgehäuse 15 abgeführt und der Frischluftzufuhr 3 zugeführt. Dabei umfasst die Kurbelgehäuseentlüftung 7 insbesondere die fluidale Kopplung der Strömungsaustrittsöffnung 25 des Kurbelgehäuses 15 mit dem Druckregelventil 51. Das Druckregelventil 29 ist ferner über eine Rücklaufleitung 31 zum Zurücklaufen von abgeschiedenen Partikeln, wie Öl, fluidal mit dem Kurbelgehäuse 15 verbunden. Insbesondere verbindet die Rücklaufleitung 31 einen Rücklaufauslass 33 der Abscheideeinrichtung 29 fluidal mit einem Rücklaufeinlass 35 an dem Kurbelgehäuse 15. Stromaufwärts der Kurbelgehäuseentlüftung 7 verbindet ferner eine Rückführleitung 37 das Druckregelventil 51 fluidal mit der Frischluftzufuhr 3, um der Frischluftzufuhr 3 einen von Partikeln, wie Öl, bereinigten Gasstrom zuzuführen. Der resultierende Frischluftstrom 41 wird über ein Verdichterrad 39 verdichtet und über einen Ladeluftkühler 43 dem Verbrennungsmotor 1 über den Zylinderkopf 11 zugeführt. Verbrennungsgase, die nicht zwischen Kolben 17 und Zylinder 13 in das Kurbelgehäuse 15 gelangen, werden als Abgas 45 über eine Abgasabfuhr einem Turbolader 47 zugeführt, der über eine Welle 49 das Verdichterrad 39 in der Frischluftzufuhr 3 antreibt.
Es sei klar, dass die Einbauposition des erfindungsgemäßen Druckregelventils 51 im Falle von einer Verwendung als Ölabscheider im Verbrennungsmotor nicht auf die in 1 dargestellte Einbauposition und auch nicht auf den Einsatz in einem Kurbelgehäuseentlüftungssystem 29 beschränkt ist. Beispielsweise kann das Druckregelventil 51 auch dazu verwendet werden, Partikel aus Gasströmen abzuscheiden, die zwischen Zylinder 13 und Zylinderkopf 11 und/oder zwischen Zylinderkopf 11 und Zylinderkopfhaube 9 aus dem Verbrennungsmotor 1 austreten. Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet liegt in der Frischluftzufuhr 3 und/oder in der Abgasabfuhr 5, die insbesondere über die das Verdichterrad 39 und das Turbinenrad 47 verbindende Welle 49 fluidal miteinander gekoppelt sein können.
Die 2 und 3 zeigen eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 51 in unterschiedlichen Betriebsstellungen, nämlich in der Öffnungsstellung gemäß 2 und in der Schließstellung gemäß 3.
Das erfindungsgemäße Druckregelventil 51 umfasst im Wesentlichen folgende Hauptkomponenten: ein Ventilgehäuse 53 mit einem Fluideintritt 55, an dem eine Fluidströmung mit einem gewissen Fluiddruck eintreten kann (Bezugszeichen 57), einem Fluidaustritt 59, an dem eine Fluidströmung mit einem gewissen Fluiddruck aus dem Ventilgehäuse 53 austreten kann (Bezugszeichen 61) und einem in Strömungsrichtung zwischen Fluideinritt 55 und Fluidaustritt 59 angeordneten Ventilsitz 63; ein Ventilglied 65 mit einem sich beispielhaft konisch verjüngenden Schließelement 67, das zwischen der in 2 abgebildeten Öffnungsstellung, in der es den Ventilsitz 63 freigibt und den Fluidaustritt 59 öffnet, und einer in 3 abgebildeten Schließstellung verlagerbar ist, in der es einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz 63 einnimmt, um den Fluidaustritt 59 zu verschließen; eine Membran 69, die beispielhaft als Sickenmembran ausgebildet ist, zum Betätigen des Ventilglieds 65; und eine als Platte ausgebildete Abschirmeinrichtung 71 zum Abschirmen der Membran 69 vom Fluid 57.
Das Ventilgehäuse 53 kann ferner einen Ventilgehäuseboden 73 und einen Ventildeckel 75 umfassen. Die Sickenmembran ist seitlich, insbesondere umlaufend, auf Höhe des Ventilgehäuses 53 mit diesem verbunden, insbesondere zwischen Ventilgehäusebasis 77 und Ventildeckel 75 eingespannt und liegt abschnittsweise flächig auf einer mit dem Schließelement 67 verbundenen Basis 79 auf. Wie es ferner in den 1, 2 und 3 zu sehen ist, umfasst das Druckregelventil 51 eine Feder 81 zum Vorspannen des Ventilglieds 65 in die in 2 abgebildete Öffnungsstellung. Die Feder 81 bewirkt demnach bei einem Schließvorgang des Ventilglieds 65 eine Widerstandskraft, die eine Dämpfung der Bewegung des Ventilglieds 65 zur Folge hat und somit erreicht, dass Beschädigungen durch einen harten Aufprall des Ventilglieds 65 auf dem Ventilsitz 63 hervorgerufen würden, vermieden werden können.
Das wirkende Kräfteverhältnis stellt sich im Betrieb des Druckregelventils 51 so ein, dass die Feder 81 das Ventilglied 65 in die Öffnungsstellung drängt, während die von oben dem Druck beispielsweise im Kurbelgehäuse ausgesetzte Membran 69 eine Kraft nach unten auf das Ventilglied 65 in Richtung der Schließstellung ausübt. Im geschlossenen Zustand gemäß 3 wirkt ferner eine nach unten hin weiter in Richtung der Schließstellung gerichtete Ansaugkraft beispielsweise aus einem stromabwärts des Druckregelventils 51 angeordneten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
Erneut bezugnehmend auf 2 bzw. 3 sind bevorzugte Abmessungsverhältnisse des erfindungsgemäßen Druckregelventils 51 ersichtlich. Ein wesentlicher Aspekt des Druckregelventils 51 ist, dass sich das Ventilglied 65 kontakt- und führungsfrei durch die Abschirmplatte 71 bei deren translatorischer axialer Stellbewegung zwischen Öffnungs- und Schließstellung hindurch erstreckt. Die Abschirmplatte 71 definiert eine Durchführöffnung 83 für das Ventilglied 65, die derart in Bezug auf eine Außenabmessung des Ventilglieds 65 bemessen ist, dass ein insbesondere umlaufender Spalt s zwischen Abschirmplatte 71 und Ventilglied 65 verbleibt. Ferner ist eine Querschnittsfläche der Durchführöffnung in der beispielhaften Ausführung gemäß den 2 und 3 deutlich größer bemessen als eine Innenquerschnittsfläche a einer durch den Ventilsitz 63 begrenzte Fluiddurchgangsöffnung 85. Des Weiteren ist aus der Ausführung gemäß den 2 und 3 ersichtlich, dass eine maximale Außenabmessung b der Sickenmembran 69 deutlich größer bemessen ist als die minimale Innenabmessung des Ventilsitzes 63, welche durch den Fluiddurchgangsquerschnitt a definiert ist.
Bezugnehmend auf die 4-7 werden weitere Aspekte und die Vorteile der vorliegenden Erfindung deutlich. Die 4 bzw. 5 zeigen einen Ausschnitt und eine Unteransicht einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 51 in einer Öffnungsstellung bei einem sehr geringen Hub des Ventilglieds 65 von höchstens 5 mm. Dabei stellen die 4 und 5 einen normalen Betriebszustand des Druckregelventils 51 dar, in dem in der Öffnungsstellung ein umlaufender Ringspalt 87 zwischen Schließelement 67 und Ventilsitz 63 resultiert, um eine Fluidströmung durch den Ventilsitz 63 hindurch zu gewährleisten. Die 6 und 7 stellen schematisch eine Betriebssituation des Druckregelventils 51 dar, in der es zu einer Verkippung des Ventilglieds 65 um einen Winkel α in Bezug auf die axiale Stell- bzw. Bewegungsrichtung A vorliegt. Aus der schematischen Unteransicht gemäß der 7 ist ersichtlich, dass statt des in 5 im normalen Betriebszustand vorhandenen Ringspalts 87 ein sichelförmiger Spalt 89 zwischen Schließelement 67 und Ventilsitz 63 bei gleicher axialer Stellrichtung, d.h. gleicher Öffnungsbewegung des Ventilglieds 65 resultiert.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Druckregelventils 51 besteht darin, wie es insbesondere aus einem Vergleich der 5 und 7 zu sehen ist, dass selbst bei einer Verkippung des Ventilglieds 65 in Bezug auf seine axiale Stellrichtung A die Regelfunktionen insbesondere die Regelgüte erhalten bleibt, da sich bei gleichem Hub im Wesentlichen die gleiche Öffnungsquerschnittsfläche, angedeutet durch den Ringspalt 87 sowie den sichelförmigen Spalt 89, ergibt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
3: Frischluftzufuhr
5: Abgasabfuhr
7: Kurbelgehäuseentlüftung
9: Zylinderkopfhaube
11: Zylinderkopf
13: Zylinder
15: Kurbelgehäuse
17: Kolben
19: Hubraum
21: Kurbelgehäuseinnenraum
23: Gasstrom
25: Strömungsaustrittsöffnung
27: Strömungsdurchtrittsöffnung
29: Kurbelgehäuseentlüftungssystem
31: Rücklaufleitung
33: Rücklaufauslass
35: Rücklaufeinlass
37: Rückführleitung
39: Verdichterrad
41: Frischluftstrom
43: Ladeluftkühler
45: Abgas
47: Turbolader
49: Welle
51: Druckregelventil
53: Ventilgehäuse
55: Fluideintritt
57: einströmesndes Fluid
59: Fluidaustritt
61: ausströmendes Fluid
63: Ventilsitz
65: Ventilglied
67: Schließelement
69: Membran
71: Abschirmeinrichtung
73: Ventilgehäuseboden
75: Ventildeckel
77: Ventilgehäusebasis
79: Ventilgliedbasis
81: Vorspannkomponente
83: Durchführöffnung
85: Fluiddurchgang
87: Ringspalt
89: sichelförmiger Spalt
A: axiale Stellrichtung
a: Öffnungsquerschnitt
s: Spalt
b: Außenabmessung der Membran

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013019885 B4 [0003, 0004]
DE 10201309885 B4 [0003]
DE 10201390885 B4 [0004]

Claims

Druckregelventil (51) zum Regeln eines Fluiddrucks, insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein Ventilgehäuse (53) mit einem Fluideintritt (55), einem Fluidaustritt (59) und einem Ventilsitz (63); - ein Ventilglied (65) mit einem sich insbesondere konisch verjüngenden Schließelement (67), wobei das Ventilglied (65) zwischen einer Schließstellung, in der das Schließelement (67) einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz (63) einnimmt, um den Fluidaustritt (59) zu verschließen, und einer Öffnungsstellung verlagerbar ist, in der es den Ventilsitz (63) freigibt und den Fluidaustritt (59) öffnet; - eine Membran (69), insbesondere eine Sickenmembran, zum Betätigen des Ventilglieds; und - eine Abschirmeinrichtung (71), wie eine Abschirmplatte, zum Abschirmen der Membran (69) von dem Fluid; dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ventilglied (65) kontakt- und führungsfrei durch die Abschirmeinrichtung (71) hindurch erstreckt.
Druckregelventil (51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung (71) eine Durchführöffnung für das Ventilglied, insbesondere das Schließelement (67), aufweist und ein insbesondere umlaufender Spalt zwischen Abschirmeinrichtung (71) und Ventilglied (65) wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20% oder wenigstens 30%, einer Bewegungsamplitude des Ventilglieds zwischen der Öffnungs- und Schließstellung beträgt.
Druckregelventil (51) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung (71) eine Durchführöffnung für das Ventilglied, insbesondere das Schließelement (67), aufweist, dessen Querschnittsfläche wenigstens so groß ist wie eine Innenquerschnittsfläche des Ventilsitzes (63), insbesondere wenigstens 30 %, 50 %, 70 % oder wenigstens 90% größer ist als die Innenquerschnittsfläche des Ventilsitzes (63).
Druckregelventil (51), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Regeln eines Fluiddrucks, insbesondere zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein Ventilgehäuse (53) mit einem Fluideintritt (55), einem Fluidaustritt (59) und einem Ventilsitz (63); - ein Ventilglied (65) mit einem sich insbesondere konisch verjüngenden Schließelement (67), wobei das Ventilglied (65) zwischen einer Schließstellung, in der das Schließelement (67) einen Dichtkontakt mit dem Ventilsitz (63) einnimmt, um den Fluidaustritt (59) zu verschließen, und einer Öffnungsstellung verlagerbar ist, in der es den Ventilsitz (63) freigibt und den Fluidaustritt (59) öffnet; und - eine Membran (69), insbesondere eine Sickenmembran, zum Betätigen des Ventilglieds, die von dem Fluid im Wesentlichen abgeschirmt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus maximaler Außenabmessung der Membran (69) zu minimaler Innenabmessung des Ventilsitzes (63) wenigstens 3,5 beträgt.
Druckregelventil (51) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis wenigstens 4, 4,5 oder wenigstens 5 und/oder höchstens 10, insbesondere höchstens 9, 8 oder höchstens 7, beträgt.
Druckregelventil (51) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (65) derart führungsfrei verlagerbar ist, dass eine Verkippung relativ zur Stellrichtung insbesondere von bis zu 10° zugelassen ist, wobei insbesondere in der Öffnungsstellung ein sichelförmiger Ringspalt zwischen Ventilglied (65) und Ventilsitz (63) gebildet ist.
Druckregelventil (51) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (65) in Richtung der Öffnungsstellung vorgespannt, insbesondere federvorgespannt ist, wobei insbesondere die Vorspannkraft entgegen der Membranstellkraft gerichtet ist.
Druckregelventil (51) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsamplitude des Ventilglieds beim Regeln des Fluiddrucks höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 4 mm, 3 mm oder höchstens 2 mm, 1,5 mm, 1 mm oder 0,5 mm, beträgt.
Druckregelventil (51) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied, insbesondere das Schließelement (67), insbesondere an seiner mit dem Ventilsitz (63) kooperierenden Schließfläche, ein elastisches Material, insbesondere ein Elastomermaterial, wie Fluorelastomer (FKM), beispielsweise Fluorsilikon (FVMQ), aufweist, insbesondere damit beschichtet ist.
Druckregelventil (51) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung oder Lage versehen ist, insbesondere beschichtet ist, wobei insbesondere die reibungsreduzierende Beschichtung ein Thermoplast ist und/oder auf einer Fluor-Kohlenstoff-Verbindung basiert, wie beispielsweise PTFE.