-
Die Erfindung betrifft eine Bypass-Ventilvorrichtung
zur Regelung bzw. Steuerung der Temperatur eines Kühlmittelstroms
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.
-
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.
-
Nachteilig an den genannten Ausführungen ist,
daß sie
temperaturabhängig
durch das Dehnstoffelement 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.
-
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 Volumenstrom 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.
-
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß das
Stellelement eine Drehwalze ist, die zwei Bohrungen aufweist, über die
die Einlaßkanäle mit dem
Auslaßkanal
fluidisch verbindbar und die beiden einlaßseitigen Kühlmittelströme abhängig voneinander regelbar bzw.
steuerbar sind. 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.
-
Erfindungsgemäß sind die Bohrungen so angeordnet,
daß der
gesamte für
den Kühlmittelstrom aus
beiden Einlaßkanälen zur
Verfügung
stehende hydraulische Querschnitt bei Drehung der Drehwalze konstant
ist, da jeweils der in einem Kanal vom Gehäuse überdeckte Abschnitt am anderen
Kanal frei wird. Dadurch ist ein gleichmäßiger Volumenstrom und somit
eine im wesentlichen lineare Kennlinie in jedem Betriebszustand
gewährleistet.
-
Entsprechend ist, um Druckverluste
zu vermeiden, der für
den Kühlmittelstrom
zur Verfügung stehende
freie Querschnitt jeder Bohrung im Einlaßbereich in jeder Dreh walzenstellung
gleich dem freien Querschnitt im Auslaßbereich der Drehwalze, so daß Strömungsverluste
gering gehalten werden.
-
In einer weiterführenden Ausführungsform wird
die Drehwalze durch eine elektromotorische Antriebseinheit, das
heißt über beispielsweise
in der Motorsteuerung hinterlegte Kennfelder kann zu jedem Betriebszustand
des Motors auch abhängig
von Umgebungsdaten die optimale Ventilstellung eingestellt werden.
Eine Abhängigkeit
von der Temperatur besteht somit nur indirekt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
wird das Gehäuse
zweiteilig ausgeführt
und die Drehwalze im Gehäuse
drehbar gelagert, wodurch die Montage vereinfacht und Kosten eingespart
werden können.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
jeweils in Höhe
der beiden Einlaßkanäle am Umfang
der Drehwalze ein klappenförmiges
Element fest angeordnet ist, welches jeweils in den beiden Endstellungen
der Drehwalze mit seiner gesamten Außenkontur gegen einen Anschlag
im Sammelraum am Gehäuse
anliegt und den jeweiligen Einlaßkanal dicht verschließt. Durch
diese Ausführungsform
wird die Dichtigkeit der Ventilvorrichtung in den Endlagen sichergestellt,
so daß die
Drehwalze selbst mit einem ausreichend großen Spiel gegenüber dem
Gehäuse
ausgeführt
werden kann, wodurch sie unempfindlich gegen Verschmutzungen im
Kühlmittel
wird und so ein Verklemmen ausgeschlossen werden kann. Die Lagerung
erfolgt dann separat auf einem kleinen Wellendurchmesser. Durch
diese Maßnahmen
verringern sich die benötigten
Stellkräfte
beträchtlich,
so daß der
Antrieb klein und preisgünstig
ausgeführt
werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind
die beiden klappenförmigen
Elemente einstückig
mit der Drehwalze ausgeführt,
wodurch zusätzliche
Montagekosten entfallen.
-
Dabei sollte das klappenförmige Element
an die jeweilige Bohrung der Drehwalze anschließend angeordnet sein, so daß bei Drehung
der Drehwalze das klappenförmige
Element dann in Anschlagstellung gerät, wenn gerade kein Querschnitt
der je weiligen Bohrung mehr den zugehörigen Einlaßkanal überdeckt, wodurch ein sofortiges
und vollständiges Verschließen des
jeweiligen Einlaßkanals
ohne Übergangszeiten
weitgehend sichergestellt ist.
-
Durch diese erfindungsgemäßen Ausführungen
wird eine Bypass-Ventilvorrichtung geschaffen, die kostengünstig herzustellen
und funktionssicher ausgeführt
ist. Gleichzeitig wird eine kennfeldabhängige Steuerung ermöglicht bei
gleichmäßigen Durchsätzen und
linearer Kennlinie, 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 und eine Komforterhöhung durch
schnellere Motorerwärmung
und damit schnellere Aufheizung des Fahrgastraumes erreicht werden.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt
und wird nachfolgend beschrieben.
-
1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Bypass-Ventilvorrichtung
in geschnittener Darstellung in Seitenansicht.
-
2 zeigt
eine geschnittene Darstellung der Bypass-Ventilvorrichtung in Draufsicht
entlang der Linie A–A
aus 1.
-
3 zeigt
eine geschnittene Darstellung der Bypass-Ventilvorrichtung in Draufsicht
entlang der Linie B–B
aus 1.
-
Die in den Figuren dargestellte Bypass-Ventilvorrichtung
besteht aus einem Gehäuseoberteil 1, einem
Gehäuseunterteil 2 und
einer darin gelagerten im wesentlichen zylinderförmigen Drehwalze 3,
die in einem zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 2 gebildeten
Sammelraum 4 angeordnet ist. Das Gehäuse weist im zusammengebauten
Zustand an seiner ersten Seite zwei Öffnungen zur Aufnahme zweier
Einlaßkanäle 5, 6 auf,
wobei der erste Einlaßkanal 5 mit einer
nicht dargestellten Kühlvorrichtung
verbunden ist und der zweite Einlaßkanal 6 den Bypasskanal
zur Umgehung der Kühlvorrichtung
verlängert.
An seiner zweiten Seite weist das Gehäuse eine weitere Öffnung zur
Aufnahme eines Auslaßkanals 7 auf,
der zu einer nicht dargestellten elektrisch gesteuerten Kühlmittelpumpe
führt.
-
In den 2 und 3 ist zu erkennen, daß die Drehwalze 3 zwei
im wesentlichen übereinander
angeordnete Bohrungen 8, 9 aufweist, die je nach
Stellung der Drehwalze 3 eine fluidische Verbindung zwischen
den Einlaßkanälen 5, 6 und
dem Auslaßkanal 7 herstellen.
Im vorliegenden Fall sind die Bohrungen 8, 9 aufgrund
der zueinander seitlich versetzten Lage der beiden Einlaßkanäle 5, 6 nicht
gerade sondern mit einem Radius versehen ausgeführt. Durch diese Radien werden
die beiden Bohrungen 8, 9 im stromabwärtigen Bereich
der Drehwalze 3 wieder senkrecht übereinander geführt, wodurch
sichergestellt wird, daß beim Übergang
in den freien Sammelraum 4, dessen Breite etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht,
der somit insgesamt zur Verfügung
stehende Austrittsquerschnitt aus der Drehwalze 3 dem insgesamt
zur Verfügung
stehenden Eintrittsquerschnitt der Drehwalze 3 und dem
Eintrittsquerschnitt des Auslaßkanals 7 entspricht,
wodurch Strömungsverluste
verringert werden.
-
Des weiteren wird ersichtlich, daß die Drehwalze 3 jeweils
in Höhe
der beiden Einlaßkanäle 5, 6 je
ein klappenförmiges
Element 10, 11 aufweist, das einstückig mit
der Drehwalze 3 hergestellt sein kann. Dieses klappenförmige Element 10 verschließt in 2 den Einlaßkanal 6 des
Bypasskanals, indem es mit seiner gesamten äußeren Kontur gegen einen Anschlag 12 des
Gehäuseoberteils 1 anliegt.
Durch diesen dichten Verschluß ist
es möglich,
die Lage der Drehwalze 3 im Gehäuse 1, 2 mit
einem deutlichen Spiel auszuführen.
Die drehbare Lagerung der Drehwalze 3 erfolgt im hier gezeichneten
Beispiel in einem Sackloch 13 im Gehäuseoberteil 1, in
welchem ein vom Durchmesser klein wählbarer Wellenabsatz 14 der
Drehwalze 3 mündet
und in einer Durchgangsbohrung 15 im Gehäuseunterteil 2,
durch die ein entgegengesetzt zum ersten Wellenabsatz 14 angeordneter
zweiter Wellenabsatz 16 der Drehwalze 3 in den
Außenbereich
führt. Über eine
Dichtung 17 wird das Innere des Ventils gegen die Außenseite
abgedichtet. Am Ende des zweiten Wellenabsatzes 16 greift
eine Stellvorrichtung in Form eines Kulissenschiebers 18 an
und wird über
eine Imbussschraube 19 fest mit dem Wellenabsatz 16 verbunden.
Der Kulissenschieber 18 und damit die Drehwalze 3 können beispielsweise über eine
nicht dargestellte elektromotorische Antriebseinheit temperaturunabhängig bewegt
werden. Durch die durchmesserkleine Lagerung über die Wellenabsätze 14, 16 und
die sonst freie Beweglichkeit der Drehwalze 3 im Bereich
ihres Gesamtdurchmessers sind nur geringe Stellkräfte notwendig,
so daß eine
relativ kleine Antriebseinheit für
den Betrieb ausreicht.
-
Erhält nun die Antriebseinheit
beispielsweise von der Motorsteuerung die Anweisung entsprechend
eines hinterlegten Kennfeldes die Bypassleitung zu öffnen, so
beginnt die Drehwalze 3 sich aus der gezeichneten Stellung
zu bewegen. Das klappenförmige
Element 10 wird aus seiner Anschlagstellung bewegt, wobei
gleichzeitig zunächst
ein erster Teilquerschnitt der Bohrung 8 gegenüber einem
Teilquerschnitt des Einlaßkanals 6 für die Kühlmittelströmung freigelegt
wird. Zur selben Zeit wird der gleiche Querschnitt der Bohrung 9 vom
Gehäuseunterteil 2 überdeckt
und steht als Durchströmungsquerschnitt der
Verbindung des Einlaßkanals 5 mit
der Bohrung 9 nicht mehr zur Verfügung. Dies bedeutet jedoch, daß der insgesamt
zur Verfügung
stehende Querschnitt in jeder Drehwalzenstellung in etwa gleich bleibt.
Gleiches gilt auch für
den Übergang
der Auslaßquerschnitte
der Drehwalze 3 zum Sammelraum 4. Die Drehwalze 3 kann
nun falls erforderlich so weit weitergedreht werden bis das klappenförmige Element 11 wiederum
mit seiner gesamten Außenkontur gegen
einen Anschlag 20 des Gehäuseunterteils 2 anliegt
und so den Einlaßkanal 5 vollständig verschließt. Dies
ist aufgrund der Lage des klappenförmigen Elementes unmittelbar
neben der Bohrung 9 wiederum gerade dann der Fall, wenn
auch der letzte freie Querschnitt der Bohrung 9 durch das
Gehäuseunterteil 2 überdeckt
wird. Zur möglichen
Aufnahme der klappenförmigen
Elemente 10, 11 sind im Gehäuseober- und -unterteil 1, 2 Aussparungen 21, 22 vorgesehen,
durch die die klappenförmigen
Elemente 10, 11 frei bewegbar sind.
-
Die beschriebene Drehwalze 3 kann
des weiteren auch mit einer nicht dargestellten Rückstellfeder
in eine vorgegebene Störfallstellung
gedreht werden. Auch eine Regelung und Winkelerfassung der Drehwalze 3 beispielsweise über einen
berührungslosen
Sensor ist möglich.
-
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Drehwalzenventils
liegt eine Konstruktion vor, die einfach und kostengünstig auszuführen ist
und gleichzeitig ein hohes Maß an
Funktionssicherheit gewährt.
Die Regelung ist bei gleichmäßigen Durchsätzen und
geringen Strömungsverlusten
temperaturunabhängig
möglich.
Dadurch kann eine Verbrauchs- und Emissionsreduzierung sowie eine Komforterhöhung eines
Kraftfahrzeugs erreicht werden.
-
Veränderungen bezüglich der
Lage des Ventils im Kreislauf oder der Ansteuerung und des Antriebs,
der beispielsweise auch direkt ohne Kulissenschieber erfolgen kann,
werden ebenfalls durch die Erfindung erfaßt. Auch eine Änderung
der Gehäuseform
oder bezüglich
der Form und Lage der Bohrungen in der Drehwalze beispielsweise
aufgrund von Lageveränderungen
der Anschlußkanäle ist vorstellbar
und Bestandteil dieser Erfindung.