DE10249449A1 - Bypass-Ventilvorrichtung - Google Patents
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Abstract
In der Erfindung wird ein Kühlmittelkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Bypass-Ventilvorrichtung beschrieben, die als Stellelement eine Drehwalze (3) mit zwei Bohrungen (8, 9) verwendet, über die zwei einlaßseitige Kühlmittelströme abhängig voneinander regelbar sind. Die Temperatur des Kühlmittelstroms ist bei im wesentlichen konstanten Durchflüssen regel- bzw. steuerbar. Zusätzlich sind Elemente (10, 11) vorgesehen, die in den jeweiligen Endstellungen der Drehwalze (3) den jeweiligen Einlaßkanal (5, 6) dicht verschließen.
Description
- 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 derDE 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 aus1 . -
3 zeigt eine geschnittene Darstellung der Bypass-Ventilvorrichtung in Draufsicht entlang der Linie B–B aus1 . - Die in den Figuren dargestellte Bypass-Ventilvorrichtung besteht aus einem Gehäuseoberteil
1 , einem Gehäuseunterteil2 und einer darin gelagerten im wesentlichen zylinderförmigen Drehwalze3 , die in einem zwischen den beiden Gehäuseteilen1 ,2 gebildeten Sammelraum4 angeordnet ist. Das Gehäuse weist im zusammengebauten Zustand an seiner ersten Seite zwei Öffnungen zur Aufnahme zweier Einlaßkanäle5 ,6 auf, wobei der erste Einlaßkanal5 mit einer nicht dargestellten Kühlvorrichtung verbunden ist und der zweite Einlaßkanal6 den Bypasskanal zur Umgehung der Kühlvorrichtung verlängert. An seiner zweiten Seite weist das Gehäuse eine weitere Öffnung zur Aufnahme eines Auslaßkanals7 auf, der zu einer nicht dargestellten elektrisch gesteuerten Kühlmittelpumpe führt. - In den
2 und3 ist zu erkennen, daß die Drehwalze3 zwei im wesentlichen übereinander angeordnete Bohrungen8 ,9 aufweist, die je nach Stellung der Drehwalze3 eine fluidische Verbindung zwischen den Einlaßkanälen5 ,6 und dem Auslaßkanal7 herstellen. Im vorliegenden Fall sind die Bohrungen8 ,9 aufgrund der zueinander seitlich versetzten Lage der beiden Einlaßkanäle5 ,6 nicht gerade sondern mit einem Radius versehen ausgeführt. Durch diese Radien werden die beiden Bohrungen8 ,9 im stromabwärtigen Bereich der Drehwalze3 wieder senkrecht übereinander geführt, wodurch sichergestellt wird, daß beim Übergang in den freien Sammelraum4 , dessen Breite etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht, der somit insgesamt zur Verfügung stehende Austrittsquerschnitt aus der Drehwalze3 dem insgesamt zur Verfügung stehenden Eintrittsquerschnitt der Drehwalze3 und dem Eintrittsquerschnitt des Auslaßkanals7 entspricht, wodurch Strömungsverluste verringert werden. - Des weiteren wird ersichtlich, daß die Drehwalze
3 jeweils in Höhe der beiden Einlaßkanäle5 ,6 je ein klappenförmiges Element10 ,11 aufweist, das einstückig mit der Drehwalze3 hergestellt sein kann. Dieses klappenförmige Element10 verschließt in2 den Einlaßkanal6 des Bypasskanals, indem es mit seiner gesamten äußeren Kontur gegen einen Anschlag12 des Gehäuseoberteils1 anliegt. Durch diesen dichten Verschluß ist es möglich, die Lage der Drehwalze3 im Gehäuse1 ,2 mit einem deutlichen Spiel auszuführen. Die drehbare Lagerung der Drehwalze3 erfolgt im hier gezeichneten Beispiel in einem Sackloch13 im Gehäuseoberteil1 , in welchem ein vom Durchmesser klein wählbarer Wellenabsatz14 der Drehwalze3 mündet und in einer Durchgangsbohrung15 im Gehäuseunterteil2 , durch die ein entgegengesetzt zum ersten Wellenabsatz14 angeordneter zweiter Wellenabsatz16 der Drehwalze3 in den Außenbereich führt. Über eine Dichtung17 wird das Innere des Ventils gegen die Außenseite abgedichtet. Am Ende des zweiten Wellenabsatzes16 greift eine Stellvorrichtung in Form eines Kulissenschiebers18 an und wird über eine Imbussschraube19 fest mit dem Wellenabsatz16 verbunden. Der Kulissenschieber18 und damit die Drehwalze3 können beispielsweise über eine nicht dargestellte elektromotorische Antriebseinheit temperaturunabhängig bewegt werden. Durch die durchmesserkleine Lagerung über die Wellenabsätze14 ,16 und die sonst freie Beweglichkeit der Drehwalze3 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 Element10 wird aus seiner Anschlagstellung bewegt, wobei gleichzeitig zunächst ein erster Teilquerschnitt der Bohrung8 gegenüber einem Teilquerschnitt des Einlaßkanals6 für die Kühlmittelströmung freigelegt wird. Zur selben Zeit wird der gleiche Querschnitt der Bohrung9 vom Gehäuseunterteil2 überdeckt und steht als Durchströmungsquerschnitt der Verbindung des Einlaßkanals5 mit der Bohrung9 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 Drehwalze3 zum Sammelraum4 . Die Drehwalze3 kann nun falls erforderlich so weit weitergedreht werden bis das klappenförmige Element11 wiederum mit seiner gesamten Außenkontur gegen einen Anschlag20 des Gehäuseunterteils2 anliegt und so den Einlaßkanal5 vollständig verschließt. Dies ist aufgrund der Lage des klappenförmigen Elementes unmittelbar neben der Bohrung9 wiederum gerade dann der Fall, wenn auch der letzte freie Querschnitt der Bohrung9 durch das Gehäuseunterteil2 überdeckt wird. Zur möglichen Aufnahme der klappenförmigen Elemente10 ,11 sind im Gehäuseober- und -unterteil1 ,2 Aussparungen21 ,22 vorgesehen, durch die die klappenförmigen Elemente10 ,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 Drehwalze3 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.
Claims (8)
- 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement eine Drehwalze (
3 ) ist, die zwei Bohrungen (8 ,9 ) aufweist, über die die Einlaßkanäle (5 ,6 ) mit dem Auslaßkanal (7 ) fluidisch verbindbar und die beiden einlaßseitigen Kühlmittelströme abhängig voneinander regelbar bzw. steuerbar sind. - Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (
8 ,9 ) so angeordnet sind, daß der gesamte für den Kühlmittelstrom aus beiden Einlaßkanälen (5 ,6 ) zur Verfügung stehende hydraulische Querschnitt bei Drehung der Drehwalze (3 ) konstant ist. - Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Kühlmittelstrom zur Verfügung stehende freie Querschnitt jeder Bohrung (
8 ,9 ) im Einlaßbereich in jeder Drehwalzenstellung gleich dem freien Querschnitt im Auslaßbereich der Drehwalze (3 ) ist. - Bypass-Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwalze (
3 ) durch eine elektromotorische Antriebseinheit ansteuerbar ist. - Bypass-Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (
1 ,2 ) zweiteilig ausgeführt und die Drehwalze (3 ) im Gehäuse (1 ,2 ) drehbar gelagert ist. - Bypass-Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Höhe der beiden Einlaßkanäle (
5 ,6 ) am Umfang der Drehwalze (3 ) ein klappenförmiges Element (10 ,11 ) fest angeordnet ist, welches jeweils in den beiden Endstellungen der Drehwalze (3 ) mit seiner gesamten Außenkontur gegen einen Anschlag (12 ,20 ) im Sammelraum (4 ) am Gehäuse (1 ,2 ) anliegt und den jeweiligen Einlaßkanal (5 ,6 ) dicht verschließt. - Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden klappenförmigen Elemente (
10 ,11 ) einstückig mit der Drehwalze (3 ) ausgeführt sind. - Bypass-Ventilvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die klappenförmigen Elemente (
10 ,11 ) an die jeweilige Bohrung (8 ,9 ) der Drehwalze (3 ) anschließend angeordnet ist, so daß bei Drehung der Drehwalze (3 ) das jeweilige klappenförmige Element (10 ,11 ) in Anschlagstellung gerät, wenn gerade kein Querschnitt der jeweiligen Bohrung (8 ,9 ) mehr den zugehörigen Einlaßkanal (5 ,6 ) überdeckt.
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