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Bypass-Ventilvorrichtung
zur Regelung bzw. Steuerung der Temperatur eines Kühlmittels
in einem Kühlmittelkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse, in dem Stellelemente angeordnet
sind, und welches einen Sammelraum bildet, der mit zwei Einlaßkanälen und
einem Auslaßkanal fluidisch
verbunden ist, wobei der erste Einlaßkanal zwischen einer Kühlvorrichtung
und dem Sammelraum angeordnet ist, der zweite Einlaßkanal ein
Bypasskanal ist, über
den der Kühlmittelstrom
ungekühlt
den Kühler
umgeht, und der Auslaßkanal
zu einer Kühlmittelpumpe
führt.
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Solche
Bypass-Ventilvorrichtungen in Kühlmittelkreisläufen sind
allgemein bekannt, wobei als Stellelemente zumeist Thermostatventile
eingesetzt werden. Ein entsprechendes Kühlsystem wird beispielsweise
in der
DE 37 15 003
A1 beschrieben. Das verwendete Thermostatventil öffnet dabei
abhängig von
der Temperatur des Kühlmittelstroms über ein Dehnstoffelement
automatisch entweder die Leitung über den Kühler oder die Bypassleitung.
In der
DE 195 37 986
A1 wird ein solches Thermostatventil beschrieben, welches
zusätzlich
als Druckventil ausgebildet ist und so automatisch die Kühlmittelströme durch
den Bypass bzw. den Kühler
abhängig
von Temperatur und Druck steuert. Als Verschlußteil dient bei diesen Ventilen
ein Ventilteller oder ein kegelstumpfförmiges Ventilschließglied.
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In
der
DE 44 38 552 C1 wird
eine Klappenvorrichtung für
Kühlmittelkreisläufe mit
Bypasskanal beschrieben, bei der ein einzelnes zweiflügeliges Klappenelement
die Bypassleitung und die Kühlerleitung
beherrscht. Die Steuerung erfolgt über ein Temperaturdehnstoffelement
und eine Rückstellfeder.
Bei Verschmutzung des Kühlwassers
ist hier jedoch keine ausreichende Dichtheit in den Endstellungen
gegeben.
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In
der
DE 100 53 850
A1 und der
DE
34 44 417 C2 werden Kühlmittelströme über Klappenvorrichtungen
gesteuert, bei denen die Klappenelemente über Verbindungselemente mit
der Klappenwelle verbunden sind. Die Bewegung der Klappen auf den Ventilsitz
erfolgt über
eine scherende Bewegung. Im geöffneten
Zustand entsteht ein hoher Druckverlust, da sich an den Klappenelementen
starke Verwirbelungen bilden.
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Nachteilig
an den genannten Ausführungen ist
auch, daß sie
entweder temperaturabhängig durch
Dehnstoffelemente gesteuert werden, wodurch es nicht mehr möglich ist,
beliebige Kühlmitteltemperaturen
kennfeldabhängig
zu fahren. Das bedeutet, daß bei
bestimmten Betriebszuständen
des Motors beispielsweise auf äußere Einflüsse wie
die Außentemperatur
nicht reagiert werden kann, so daß das im Motor entstehende
Temperaturgefälle
zu groß werden
kann. Des weiteren ist der am Ventil entstehende Druckverlust sehr
hoch und je nach Stellung des Ventilschließgliedes unterschiedlich, so
daß ein
gleichmäßiger Kühlmittelstrom
mit weitestgehend linearer Kennlinie durch die unterschiedlichen
zur Verfügung stehenden
Durchströmquerschnitte
nicht zu gewährleisten
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Bypass-Ventilvorrichtung zu schaffen,
die kennfeldabhängig
steuerbar ist und somit auf jeden Betriebszustand einschließlich veränderter
Außenbedingungen
reagieren kann, also temperaturunabhängig beliebige Kühlmitteltemperaturen
regelt bzw. steuert. Des weiteren soll der Druckverlust über das
Ventil gering gehalten werden und ein möglichst gleichmäßiger Gesamtvolumenstrom über das
Bypassventil mit im wesentlichen linearer Kennlinie sichergestellt
werden. Trotz der dafür
erforderlichen Maßnahmen
soll das Ventil unempfindlich gegen Verschmutzungen sein und kostengünstig hergestellt
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil im Zusammenwirken mit
dem oberbegriffliehen Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dies
bedeutet, daß die
Stellelemente zwei miteinander gekoppelte Klappenelemente, sind,
welche die beiden einlaßseitigen
Kühlmittelströme abhängig voneinander
regeln bzw. steuern und daß die
die Kanäle
verschließenden
Klappenelemente unmittelbar und exzentrisch auf einer im Gehäuse gelagerten
Klappenwelle angeordnet sind und im jeweils geschlossenen Zustand
mit ihrer gesamten Außenkontur
gegen einen Anschlag im Gehäuse
anliegen und so den jeweiligen Einlaßkanal fest verschließen. Dadurch
wird es möglich,
eine im wesentlichen lineare Kennlinie über den gesamten Verstellbereich
zu erhalten, da eine direkte Abhängigkeit
der Kühlmittelströme voneinander
besteht und der zur Durchströmung
zur Verfügung
stehende Querschnitt beider Kanäle
verändert
wird. Durch diese Ausgestaltung der Klappenelemente wird zusätzlich eine
hohe Dichtheit der Ventilvorrichtung in den Endlagen sichergestellt.
Des weiteren wird eine leichte Verstellbarkeit der Klappenelemente
sichergestellt und ein Festklemmen des Ventils durch Verunreinigungen
im Kühlmittel vermieden,
da keine engen Toleranzen zwischen der Außenkontur der Klappen und dem
Gehäuseinneren eingehalten
werden müssen
und die Klappen gerade, das heißt
ohne scherende Bewegung des Klappenelementes auf den Ventilsitz
gefahren werden.
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Erfindungsgemäß sind die
Klappenelemente über
ein Verbindungselement so miteinander gekoppelt, daß das erste
Klappenelement jeweils um den gleichen Winkel öffnet wie das zweite schließt, so daß der gesamte
für den
Kühlmittelstrom
aus beiden Einlaßkanälen zur
Verfügung
stehende hydraulische Querschnitt bei Verstellung der Klappenelemente
in etwa konstant bleibt, da jeweils der durch ein Klappenelement
zusätzlich
frei gegebene Strömungsquerschnitt
dem durch das andere Klappenelement zusätzlich verschlossenen Querschnitt
entspricht. Dadurch ist ein gleichmäßiger Volumenstrom und somit
eine im wesentlichen lineare Kennlinie bei jedem Klappenöffnungswinkel
gewährleistet.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform werden
beide Klappenelemente durch eine gemeinsame elektromotorische Antriebseinheit
angesteuert, wodurch beispielsweise über in der Motorsteuerung hinterlegte
Kennfelder zu jedem Betriebszustand des Motors auch abhängig von
Umgebungsdaten die optimale Klappenstellung eingestellt werden kann.
Eine Abhängigkeit
von der Temperatur besteht somit nur indirekt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Klappenelemente an ihrer im geöffneten
Zustand der Kühlmittelströmung zugewandten
Seite jeweils eine konturierte Platte aufweisen, die im wesentlichen eine
Querschnittsverlängerung
des jeweiligen Einlaßka nals
im Bereich des jeweiligen Klappenelementes erzeugt und eine Verbesserung
der Linearität
ermöglicht.
Dadurch werden im geöffneten
Zustand Strömungsabrisse
und damit verbundene Druckverluste wesentlich verringert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist jedes der beiden
Klappenelemente auf einer eigenen Welle exzentrisch gelagert und
das Verbindungselement zur Kopplung der Klappenelemente ist zwischen
den beiden Wellen und der Antriebseinheit sowie außerhalb
des Gehäuses
angeordnet. Die dabei verwendeten Wellen können mit einem kleinen Wellendurchmesser
ausgeführt
sein. Durch diese Maßnahmen
verringern sich die benötigten
Stellkräfte
beträchtlich,
so daß der
Antrieb klein und preisgünstig
ausgeführt
werden kann. Durch ein zwischengeschaltetes Getriebe oder Gestänge, welches
die Verbindung zwischen beiden Wellen und der Antriebseinheit herstellt
wird auf kostengünstige
und montagetechnisch einfache Weise die gegenläufig synchrone Verstellung
der beiden Klappenelemente sichergestellt. Durch den Einbauort des
Verbindungselementes außerhalb
des Gehäuses
wird ein zusätzlicher
Strömungsverlust
im Innern des Gehäuses
durch ein zusätzliches
Bauteil vermieden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
werden beide Klappenelemente über
das Verbindungselement auf einer Welle gemeinsam exzentrisch gelagert.
Auch hier kann die Welle mit einem kleinen Durchmesser ausgeführt werden
und so die Stellkräfte
aufgrund der geringen Reibung durch die Lagerung über die
kleinen Durchmesser gering gehalten werden. Des weiteren sind keine
zusätzlichen Bauteile
notwendig. Durch das Verbindungselement findet auch hier eine synchrone
gegenläufige
Verstellung der Klappen über
ein Drehen der Klappenwelle statt, die direkt mit einem Antrieb
verbunden werden kann, so daß sich
der Aufbau sehr einfach und somit kostengünstig gestaltet.
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In
einer weiterführenden
Ausgestaltung sind die Klappenelemente und das Verbindungselement einstückig ausgebildet,
so daß das
beispielsweise hohlzylindrisch ausgeführte Verbindungselement mit den
daran beispielsweise angegossenen Klappenelementen einfach auf die
Klappenwelle geschoben und befestigt bzw. ange spritzt werden kann,
wodurch die Montage sehr einfach wird. Auch die Stabilität dieser
Doppelklappe wächst
durch die Einstückigkeit.
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Dabei
können
die beiden Klappenelemente im wesentlichen V-förmig zueinander angeordnet sein,
wodurch beispielsweise eine einfache parallele Lage der Kühlmittelkanäle bei gleichzeitig
geringen Strömungsverlusten
an der Klappe realisierbar ist und gleichzeitig die auftretenden
Strömungskräfte in einem
günstigen
Winkel an den Klappenelementen angreifen, so daß die Klappe weniger belastet
wird.
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Durch
diese erfindungsgemäßen Ausführungen
werden Bypass-Ventilvorrichtungen geschaffen, die kostengünstig herzustellen
und funktionssicher ausgeführt
sind. Gleichzeitig wird eine kennfeldabhängige Steuerung ermöglicht bei
gleichmäßigen Durchsätzen und
weitestgehend linearer Kennlinie, bei geringem Druckverlust, wodurch
die Anforderungen an eine elektromotorisch regelbare Kühlmittelpumpe
geringer werden und auch diese aufgrund gleichmäßig geringer Strömungsverluste
kleiner ausgeführt
werden kann. Durch diese Maßnahmen
können
Kraftstoffverbräuche
und Schadstoffemissionen im Vergleich zu bisher ausgeführten Kühlmittelkreisläufen reduziert
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Bypass-Ventilvorrichtung
in geschnittener Darstellung in Draufsicht.
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2 zeigt
eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Bypass-Ventilvorrichtung
in geschnittener Darstellung in Draufsicht.
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Die
in 1 dargestellte Bypass-Ventilvorrichtung besteht
aus einem Gehäuse 1,
welches im wesentlichen drei Bohrungen 2, 3, 4 und
einen Sammelraum 5 aufweist, über den die Bohrungen 2, 3, 4 im
Innern des Gehäuses 1 fluidisch
miteinander verbunden sind. In die erste Bohrung 2 eingelassen
ist das Ende eines Bypasskanals 6, über den das Kühlmittel
ungekühlt
einen nicht dargestellten Kühler
umgeht. Dieser Kühler
ist über
einen Kühlkanal 7 mit
der zweiten Bohrung 3 des Gehäuses 1 ver bunden.
Diese beiden Kanäle 6, 7 dienen
dementsprechend als Einlaßkanäle für das Kühlmittel,
welches über
den Sammelraum 5 aus einem in der dritten Bohrung 4 angeordneten
Auslaßkanal 8 zu
einer nicht dargestellten Kühlmittelpumpe
strömt.
Im Bereich des Sammelraums 5 sind zwei Klappenelemente 9, 10 angeordnet,
die den Kühlmittelstrom
von den Einlaßkanälen 6, 7 in
Richtung Pumpe steuern. Sie sind über zwei Wellen 11, 12 an
ihrem einen Ende exzentrisch im Gehäuse 1 gelagert. An
ihrem einen Ende sind die beiden Wellen 11, 12 jeweils
durch das Gehäuse
geführt,
so daß eine
nicht dargestellte elektromotorische Antriebseinheit, die beispielsweise
mit der Steuereinheit eines Verbrennungsmotors verbunden ist, an
diesen Enden über
ein Getriebe oder Gestänge
angreifen kann. Das Getriebe oder Gestänge dient dabei gleichzeitig
als Verbindungselement zwischen den beiden Klappenelementen 9, 10 beziehungsweise
Antriebswellen 11, 12, so daß sie gegenläufig synchron
von der einen Antriebseinheit verstellt werden. Jedes Klappenelement 9, 10 besteht dabei
im wesentlichen aus drei funktionellen Teilen, wobei sie dennoch
einstückig
ausgeführt
werden können. Über ein
Befestigungsteil 13, 14 werden die Klappenelemente 9, 10 mit
den Antriebswellen 11, 12 verbunden. Des weiteren
bestehen sie aus flachen Platten 15, 16 deren
Fläche
größer ist
als die mit ihnen korrespondierenden Bohrungen 2, 3 im
Gehäuse 1.
Als drittes Teil sind auf den flachen Platten 15, 16 konturierte
Platten 17, 18 angeordnet, deren Außenmaße etwas
kleiner sind als die der korrespondierenden Bohrungen 2, 3.
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In 1 ist
ein Betriebszustand der Bypassventilvorrichtung dargestellt, bei
dem der Bypasskanal 6 vollständig verschlossen und der Kühlkanal 7 vollständig geöffnet ist,
wodurch die Funktionen der flachen Platten 15, 16 und
der konturierten Platten 17, 18 gut zu erkennen
sind. Im geschlossenen Zustand liegt jeweils die flache Platte 17, 18 des
Klappenelementes 9, 10 mit ihrer gesamten Außenkontur gegen
einen Anschlag 19, 20 im Gehäuse 1 an, so daß der Bypasskanal 6 dicht
verschlossen wird. Die konturierte Platte 17 liegt in dieser
Stellung im Innern der Bohrung 2. Durch diese Form der
Abdichtung ist bei der Herstellung der Klappenelemente 9, 10 keine enge
Toleranz einzuhalten und ein dichtes Verschließen auch bei Verunreinigungen
im Kühlmittel
gewährleistet.
Das andere Klappenelement 10 liegt mit der flachen Seite
der Platte 16 gegen das Gehäuse 1 an. Die gegenüberliegende
konturierte Fläche
der Platte 18 des Klappenelementes 10 ist so ausgeführt, daß sie die
Bohrung 3 im wesentlichen gleichmäßig verlängert, wodurch Strömungsabrisse
verhindert werden und ein gleichmäßiger Übergang ohne Störelemente
zum Auslaßkanal 8 gewährleistet
ist. Kommt von der Motorsteuereinheit nun die Anweisung, den Bypasskanal 6 zumindest
teilweise zu öffnen
und entsprechend den Kühlkanal 7 zu
schließen,
um die Temperatur des zum Motor strömenden Kühlmittels zu erhöhen, werden
beide Klappenelemente 9, 10 um ihre Drehachse,
also Klappenwelle 11, 12 gegenläufig im
gleichen Winkel über
das Koppelelment verstellt. Das bedeutet, daß die für die Kühlmittelströmung zur Verfügung stehende
freie Querschnittsfläche
des Bypasskanals 6 im wesentlichen im gleichen Maß erhöht wird
wie die freie Querschnittsfläche
des Kühlkanals 7 verringert
wird. Dies führt
zu einem im wesentlichen gleich großen Strömungsvolumen und somit zu einer
linearen Kennlinie.
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In 2 ist
eine funktionell ähnliche
Bypassventilvorrichtung dargestellt. Dementsprechend behalten funktionell
gleiche Teile ihre Bezugszahlen. Die beiden Klappenelemente 9, 10 sind
hier über
ein gemeinsames Koppelelement 21 auf einer gemeinsamen
Antriebswelle 22 angebracht, die wiederum über eine
elektromotorische Antriebseinheit betätigt wird. Das Koppel- oder
Verbindungselement 21 erfüllt dabei gleichzeitig den
Zweck der Befestigungsteile 13, 14 aus 1.
Durch die parallele Lage der Einlaßkanäle 6, 7 sind
die beiden Klappenelemente 9, 10 V-förmig zueinander
angeordnet. Die Funktionen der beiden flachen Platten 15, 16 und
der konturierten Platten 17, 18, die in dieser
Bauform zur druckverlustminimierenden kanalverlängernden Funktion keilförmig ausgebildet
sind, bleiben entsprechend der Ausführung aus 1 erhalten.
Versuche bestätigen,
daß auch
in den Zwischenstellungen der Klappenelemente 9, 10 bei
dieser Ausführungsform
extrem geringe Strömungsverluste
und eine nahezu ideal lineare Kennlinie über den gesamten Verstellbereich
besteht.
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Die
beschriebenen Klappenelemente 9, 10 können des
weiteren auch mit einer nicht dargestellten Rückstellfeder in eine vorgegebene
Störfallstellung
gedreht werden. Auch eine Regelung und Winkelerfassung beispielsweise über einen
berührungslosen
Sensor ist möglich.
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Mit
den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
der Bypassventilvorrichtungen liegen Konstruktionen vor, die einfach
und kostengünstig
auszuführen
sind und gleichzeitig ein hohes Maß an Funktionssicherheit auch
bei Verunreinigungen im Kühlmittel
gewähren.
Die Regelung ist bei gleichmäßigen Durchsätzen und
geringen Strömungsverlusten
temperaturunabhängig
möglich.
Dadurch kann eine Verbrauchs- und
Emissionsreduzierung eines Kraftfahrzeugs sowie eine Komforterhöhung durch
schnellere Motorerwärmung
und damit schnellere Aufheizung des Fahrgastraumes erreicht werden.
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Veränderungen
bezüglich
der Lage des Ventils im Kreislauf oder der Klappenelemente im Gehäuse, aber
auch eine andere optimierte Form insbesondere der konturierten Platten 17, 18 oder
eine Veränderung
der Ansteuerung und des Antriebs sind vorstellbar. Auch eine Änderung
bezüglich
der Form anderer Bauteile beispielsweise aufgrund von Lageveränderungen
der Anschlußkanäle ist ebenfalls
vorstellbar.