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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Membran-Druckregelventil
zum Einstellen eines Unterdrucks in einem Druckraum, insbesondere
in einem Zylinderkurbelgehäuse
einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse mit
einem mit dem Druckraum verbindbaren Anschluß und einen mit einer Unterdruckquelle
verbindbaren Anschluß,
eine Regelmembran, welche das Ventilgehäuse in eine druckraumseitige innere
Kammer und in eine äußere Kammer
unterteilt und abhängig
von der Druckdifferenz zwischen beiden Kammern hin- und herbewegbar
ist, sowie einen mittels der Regelmembran betätigbaren Schließkörper, welcher
in dem Ventilgehäuse
entlang eines Verstellweges verschiebbar angeordnet ist und einen Ventilsitz
in Abhängigkeit
von der Membranbewegung wahlweise öffnet oder schließt.
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Stand der
Technik
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Bei Verbrennungsmotoren, wie Otto-
oder Dieselmotoren, besteht ein grundsätzliches Problem in einer gewissen
Leckrate von Verbrennungsgasen aus den Verbrennungsräumen in
das Kurbelgehäuse.
Um hier eine Anreicherung von Verbrennungsgasen und damit verbunden
einen Überdruckaufbau
zu verhindern, müssen
diese Verbrennungsgase aus dem Kurbelgehäuse entfernt werden. Dazu ist
ein sogenanntes Druckregelventil vorgesehen, dessen Strömungs-Eintrittsstutzen
mit dem Kurbelgehäuse und
dessen Strömungs-Austrittsstutzen
mit einer Unterdruckquelle, beispielsweise dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors,
verbunden ist. Durch den dort herrschenden Unterdruck werden die
Verbrennungsgase über
das Entlüftungsventil
abgesaugt. Andererseits ist ein zu hoher Unterdruck im Kurbelgehäuse zu vermeiden.
Das Kurbelgehäuse
würde bei
zu hohen Unterdruck im Ansaugtrakt über das Entlüftungsventil
wegen der dabei geringen Leckrate so stark leergesaugt, dass sich
dort ein gefährliches
Unterdruckniveau einstellen würde.
Dieser starke Unterdruck würde
die Dichtungen und Lager des Kurbelwellengehäuses beaufschlagen, was zu
einer Öffnung
der Dichtungen und damit verbunden zu einem Ölverlust an der Dichtungsstelle,
was zu einer irreversiblen Schädigung
der Dichtung führen
würde.
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Die Aufgabe des Druckregelventils
in der Kurbelgehäuse-Entlüftung ist,
den Druck im Kurbelgehäuse
durch passive Regelung des Volumenstroms zum Saugrohr konstant zu
halten. Gesetzlich vorgeschrieben ist ein Unterdruck, überlicherweise werden
Werte zwischen –20
bis –50mbar
im Kurbelgehäuse
im gesammten Kennfeld angestrebt.
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Membran-Druckregelventile der gattungsgemäßen Art
besitzen hierzu einen mit Unterdruck beaufschlagbaren Anschluss,
zum Beispiel zum Saugrohr einer Brennkraftmaschine, und einen mit
dem Kurbelgehäuse
als Druckraum verbindbaren Anschluss, wobei ein mittels einer Regelmembran
betätigbarer
Schließkörper den
mit dem Druckraum verbindbaren Anschluss und den mit Unterdruck
beaufschlagbaren Anschluss voneinander trennt beziehungsweise verbindet.
Die Regelmembran, die das Ventilgehäuse in eine innere, druckkammerseitige und
eine äußere Kammer
unterteilt, ist dabei so ausgelegt, dass sie bei einem sich im Kurbelgehäuse aufbauenden
Druck mit dem Schließkörper gegen
Atmosphären-
und den Saugrohrunterdruck nach oben bewegt und das Ventil öffnet, so
dass der Unterdruck das Kurbelgehäuse evakuieren kann. Nach der
Evakuierung wird die Membran wieder nach unten bewegt, so dass der
Schließkörper in
seine Schließposition
gelangt. Der Schließkörper wird
hierbei gegen die Kraft eines Federelementes bewegt.
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Nachteilig an dem bekannten Druckregelventil
ist, dass der Öffnungsbewegung
des Schließkörpers bei
ansteigendem Kurbelgehäusedruck
nicht nur der Atmosphärendruck,
sondern auch noch der Saugrohrdruck entgegenwirken. Insbesondere
in geschlossenem Zustand des Ventils besteht dadurch die Gefahr,
dass der Schließkörper durch
den Saugrohrunterdruck in Schließstellung gehalten wird, unabhängig vom
Druck im Kurbelgehäuse.
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Darstellung
der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Membran-Druckregelventil
der gattungsgemäßen Art
so weiter zu entwickeln, dass das Regelverhalten des Ventils von
den Rückwirkungen
durch die Unterdruckquelle, beispielsweise durch den Saugrohrunterdruck,
weitgehend entkoppelt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem
Membran-Druckregelventil mit allen Merkmalen des Patentanspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist bei
einem Membran-Druckregelventil zum Einstellen eines Unterdrucks
in einem Druckraum, insbesondere in einem Zylinderkurbelgehäuse einer
Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse mit einem mit dem Druckraum
verbindbaren Anschluß und
einen mit einer Unterdruckquelle verbindbaren Anschluß, eine
Regelmembran, welche das Ventilgehäuse in eine druckraumseitige innere
Kammer und in eine äußere Kammer
unterteilt und abhängig
von der Druckdifferenz zwischen beiden Kammern hin- und herbewegbar
ist, sowie einen mittels der Regelmembran betätigbaren Schließkörper, welcher
in dem Ventilgehäuse
entlang eines Verstellweges verschiebbar angeordnet ist und einen Ventilsitz
in Abhängigkeit
von der Membranbewegung wahlweise öffnet oder schließt, vorgesehen, dass
der Verstellweg so angeordnet ist, dass die unterdruckquellenseitig
auf den Schließkörper wirkenden
Kräfte
senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung angreifen.
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Die erfindungsgemäße Schließkörperführung senkrecht zur Krafteinwirkung
durch die Unterdruckquelle hat zur Folge, dass diese Kräfte bezüglich der
Ventilbewegung weitgehend wirkungslos bleiben. Unterstützt wird
dieses Verhalten noch durch den bei solchen Ventilen üblicherweise
realisierten radialsymetrischen Aufbau, durch welchen sich die an
dem Schließkörper angreifenden
Kräfte
Idealerweise sogar gegenseitig aufheben. Die erfindungsgemäße Entkopplung
der Schließkörperbewegung vom
angelegten Unterdruck, beispielsweise vom Saugrohrunterdruck, hat
insbesondere zur Folge, dass der Durchfluss allein von der Ventilgeometrie und
nicht von der Regelcharakteristik der Membran abhängig ist.
Damit wird eine Funktionentrennung hinsichtlich der Druckregelung
und der Durchflusscharakteristik vorgenommen. Dies erlaubt die Realisierung
größerer Volumenströmen über die
Ventilgeometrie beziehungsweise ermöglicht bei gleichem Volumenstrom
eine Verringerung der Ventilgröße und damit
des Bauraums.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich
in einfacher Weise dadurch realieren, dass der Schließkörper als
Schieber ausgebildet ist, der im Ventilgehäuse in axialer Richtung zwischen
einer Öffnungs-
und Schließposition
hin- und herbewegbar ist. Der Schließkörper wird bei dieser Ausgestaltung
nicht, wie im Stand der Technik üblich,
senkrecht, sondern parallel zu dem sich bei dieser Ausführungsform ebenfalls
in axialer Richtung erstreckenden Ventilsitz bewegt. Die Durchflussrichtung
ist bei dieser Ausführungsform
senkrecht zur Schließkörperbewegung, ebenso
greifen die durch den Unterdruck verursachten Druckkräfte senkrecht
zur Bewegungsrichtung des Schließkörpers an. Sie bleiben dadurch
weitgehend wirkungslos.
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Aufgrund der bei Membran-Druckregelventile üblicherweise
vorhandenen Radialsymmetrie ist der Schieber in einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung als konzentrisch zur Mündungsöffnung des Anschlusses zur
Unterdruckquelle angeordneter Hülsenkörper ausgebildet,
wobei der Hülsenkörper sich
der Einfachheit halber radial außerhalb von der üblicherweise
zentrisch angeordneten Mündungsöffnung des
Anschlusses zur Unterdruckquelle befindet. Die dadurch realisierbare
ringförmige
Ausbildung der Durchtrittsöftnung
durch das Ventil hat den Vorteil, dass selbst mit einem relativ kleinen
Hub ein großer
Volumenstrom erzielbar ist.
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Um Druckraumpulsationen wie auch
Pulsationen durch die Unterdruckquelle, beispielsweise Saugrohrpulsationen,
die das Regelverhalten der Membran stören, von der Membran fernzuhalten, sind
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Mittel
zur Dämpfung
solcher Pulsationen vorgesehen.
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Diese Mittel können beispielsweise eine in der
inneren, druckraumseitigen Kammer horizontal verlaufende Zwischenwandung
umfassen, welche diese in zwei Teilkammern, eine druckraumseitige und
eine membranseitige Teilkammer, unterteilt, wobei Durchtrittsöffnungen
zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen den beiden Teilkammern
vorgesehen sind. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen muss hierbei so klein
gehalten werden, dass die Pulsationen nicht in die membranseitige
Teilkammer übergreifen
können.
Andererseits muss sichergestellt sein, dass sich der sich in dem
Druckraum aufbauende Druck auf die Regelmembran wirken kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die druckraumseitige Teilkammer als radial umlaufender äußerer Ringkanal
ausgebildet, welcher sich radial einwärts zur Mündungsöffnung des Anschlußstutzens
zur Unterdruckquelle hin zu einem sich im wesentlichen in horizontaler Richtung
erstreckenden Ringspalt verjüngt.
Vorzugsweise werden der Schließkörper und
der Ventilsitz im Bereich des Ringspalts angeordnet. Dies hat den Vorteil,
dass der Hub zwischen der Öffnungs-
und Schließposition
relativ klein ist. Wie bereits oben erwähnt, lassen sich aufgrund der
radialsymmetrischen Ausbildung der Durchtrittsöffnung gleichwohl große Volumenströme realisieren.
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Eine Vergrößerung des Volumenstroms durch
das Ventil lässt
sich zusätzlich
noch dadurch erreichen, dass der Übergang vom ZKG-seitigen Rohranschluss
in den Ringkanal und der Übergang zwischen
dem Ringkanal und dem Ringspalt bzw. zwischen dem Ringspalt und
der Mündungsöffnung des
Anschlusses zur Unterdruckquelle eine strömungsmechanisch optimierte
Geometrie aufweisen. Damit ist insbesondere bei der Verwendung des
erfindungsgemäßen Ventils
zur Entlüftung
des Zylinderkurbelgehäuses
bei Verbrennungsmotoren gewährleistet,
dass selbst bei nur niedrigem Saugrohrunterdruck große Volumenströme erreicht
werden.
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So hat es sich strömungsmechanisch
als vorteilhaft erwiesen, den Übergang
vom Ringkanal in den Ringspalt im wesentlichen tropfenförmig auszubilden.
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Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft,
die Mündungsöffnung des
Anschlusses zur Unterdruckquelle im wesentlichen als Lavalle-Düse auszubilden.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein,
ein Federelement vorzusehen, welches sich am Schließkörper abstützt und
so angeordnet ist, dass der Schließkörper gegen die Federkraft in
Schließposition
bringbar ist. Durch den Einsatz der Feder ist gewährleistet, dass
das Ventil erst bei einer von der Federspannung vorbestimmten Druckdifferenz
schließt.
Mit der Vorspannung der Feder wird dabei ein maximaler Unterdruck
eingestellt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Figuren näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1:
in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung
ein Membran-Druckregelventil nach
dem Stand der Technik;
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2:
in der gleichen Darstellungsweise wie 1 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Membran-Druckregelventils gemäß der Erfindung;
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3:
in der gleichen Darstellungsweise wie 1 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform
eines Membran-Druckregelventils gemäß der Erfindung.
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Ausführung der
Erfindung
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Man erkennt in 1 ein Membran-Druckregelventil 10 gemäß dem Stand
der Technik mit einem Ventilgehäuse 11,
das ein unteres Gehäuseteil 11a und
einen Gehäusedeckel 11b umfasst.
In dem Gehäuse 11 befindet
sich eine Regelmembran 30, die das Gehäuse in eine äußere 28 und
eine innere, druckraumseitige Kammer 20 unterteilt. Die äußere Kammer 28 ist
mit der Umgebung, beispielsweise mit der Atmosphäre, verbunden. Die Regelmembran 30 weist
an ihrem Außenumfang
eine ringförmige
Wulst 31 auf, die in eine entsprechende ringförmige Nut 11c im
Gehäusedeckel 11b einlegbar
ist. Durch Zusammenfügen
des unteren Gehäuseteils 11a und
dem Gehäusedeckel 11b wird
die ringförmige
Wulst 31 zusammengepresst, wodurch die innere 20 und
die äußere Kammer 28 druckdicht
voneinander getrennt sind. An der Regelmembran 30 ist weiterhin
ein Schließkörper 32 angeordnet,
der mit der Regelmembran 30 in axialer Richtung verschiebbar
ist. Die Kammer 20 weist einen Anschluß 22 zu einem nicht dargestellten
Druckraum und einen weiteren Anschluß 24 auf, der mit
Unterdruck beaufschlagbar ist, beispielsweise durch Verbinden mit
einer ebenfalls nicht dargestellten Unterdruckquelle, z. B. mit
einem Saugrohr, An der Mündungsöffnung des
Anschlußstutzens
zur Unterdruckquelle 24 ist der Ventilsitz 26 für den Schließkörper 32 angeordnet.
Ein Federelement 33 stützt
sich an dem Grund der Kammer 22 sowie an dem Grund des
Schließkörpers 32 ab,
in der Weise, dass der Schließkörper 32 gegen
die Federkraft des Federelements 33 in Schließstellung
bringbar ist.
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Im Folgenden wird am Beispiel der
Zylinderkurbelgehäuseentlüftung die
Funktionsweise des bekannten Membran-Druckregelventils 10 näher erläutert.
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Beim Auftreten von Verbrennungsgasen
im Zylinderkurbelgehäuse
eines Verbrennungmotors, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, baut
sich in dem Zylinderkurbelgehäuse
ein Überdruck
auf, der über
den Anschlußstutzen 22 und
die innere Kammer 20 die Regelmembran 30 beaufschlagt.
Diesem Überdruck
wirkt der Umgebungsdruck, beispielsweise der Atmosphärendruck,
in der Kammer 28 entgegen. Übersteigt der Überdruck
den Umgebungsdruck, so bewegt sich die Regelmembran 30 mit
dem Schließkörper 32 nach
oben, das Ventil 10 wird geöffnet. Der Anschlußstutzen 24 ist
mit dem nicht dargestellten Saugrohr der Brennkraftmaschine, verbunden.
Durch den Unterdruck im Anschlußstutzen 24 wird
das Zylinderkurbelgehäuse
evakuiert, das heißt der Überdruck
im Zylinderkurbelgehäuse
wird abgebaut. Mit steigendem Unterdruck im Zylinderkurbelgehäuse wird
die Regelmembran 30 mit dem Schließkörper 32 gegen die
Federkraft des Federelements 33 so lange nach unten bewegt,
bis der Schließkörper 32 auf
dem Ventilsitz 26 zum Anliegen kommt. Damit ist das Zylinderkurbelgehäuse von
der Unterdruckquelle getrennt, eine weitere Druckabsenkung, die
zu einer Schädigung
der Dichtungen im Zylinderkurbelgehäuse führen könnte, wird dadurch verhindert.
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Man erkennt in der Figur, dass der
Verstellweg des Schließkörpers 32 und
die Wirkrichtung des Saugrohrunterdrucks in der gleichen Richtung
liegen. Insbesondere bei geschlossenem Ventil besteht hierdurch
die Gefahr, dass der Schließkörper 32 durch den
angreifenden Saugrohrunterdruck fest auf seinem Ventilsitz 26 gehalten
wird, unabhängig
von dem Druck im Zylinderkurbelgehäuse.
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In 2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Membran-Druckregelventils 10 gemäß der Erfindung
dargestellt, die Funktionsweise wird im Folgenden ohne Beschränkung der
Allgemeinheit ebenfalls am Beispiel der bevorzugten Verwendung eines
erfindungsgemäßen Membran-Druckregelventils
in der Zylinderkurbelgehäuseentlüftung beschrieben.
Von ihrer Funktion her gleich wirkende Teile sind in der 2 mit den gleichen Bezugszeichen
wie in 1 versehen.
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Auch das erfindungsgemäße Membran-Druckregelventil 10 weist
ein Ventilgehäuse 11 mit
einem unteren Gehäuseteil 11a und
einem Gehäusedeckel 11b auf.
In dem Ventilgehäuse 11 ist analog
zu dem bekannten Membran-Druckregelventil 10 eine Regelmembran 30 angeordnet,
welche das Ventilgehäuse 11 in
eine obere Kammer 28, die über eine Öffnung 29 mit Umgebungsdruck,
beispielsweise Atmosphärendruck,
beaufschlagbar ist, und eine innere, mit einem nicht dargestellten
Druckraum verbindbare Kammer 20 untereilt. Im Gegensatz
zu dem bekannten Ventil ist die innere Kammer 20 mittels
einer Zwischenwandung 11c in zwei Teilkammern, eine druckraumseitige 20a und
eine membranseitige Teilkammer 20b unterteilt. Beide Teilkammern
stehen über
Durchtrittsöffnungen 11d in
Wirkverbindung miteinander. In die erste, druckraumseitige Teilkammer 20a münden die
Anschlußstutzen 22 und 24 zum Druckraum
bzw. Saugrohr. Die druckraumseitige Teilkammer 20a ist
als äußerer umlaufender
Ringkanal ausgebildet, dessen Durchmesser sich radial nach innen
hin zu einem sich im Wesentlichen in horizontaler Richtung erstreckenden
Ringspalt 25 verjüngt.
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Der Ringspalt 25 stellt
die Durchtrittsöffnung zum
Anschlußstutzen
zum Saugrohr 24 dar. Die Zwischenwandung 11c weist
eine weitere ringförmige Durchtrittsöffnung 11e auf,
die als Führungshülse für einen
im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildeten Schließkörper 32 dient.
Der hülsenförmige Schließkörper 32 ist
mit seinem oberen Ende mit der Regelmembran 30 verbunden
derart, dass er bei einer Bewegung der Regelmembran 30 in
axialer Richtung in der Hülse 11e axial
verschiebbar ist. Zum Schließen des
Ventils greift der hülsenförmige Schließkörper 32 nach
Art eines Schiebers in den Ringspalt 25 ein. Der Ventilsitz 26 erstreckt
sich erfindungsgemäß im Gegensatz
zum Stand der Technik ebenfalls in axialer Richtung. Ein Federelement 33,
das sich einerseits an der Zwischenwandung 11c und andererseits
am Grund des hülsenförmigen Schließkörpers 32 abstützt, wirkt
mit seiner Federkraft, so wie aus dem Stand der Technik bekannt,
der Schließbewegung des
Schließkörpers 32 entgegen.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils
ist folgende:
Bei Aufbau eines Überdrucks im Kurbelgehäuse durch
Anreicherung von Verbrennungsgasen wirkt dieser über die Durchtrittsöffnungen 11d in
der Zwischenwandung 11c auf die Regelmembran 30.
Diesem Druck wirkt über
die äußere Kammer 28 der
Umgebungsdruck entgegen. Sobald der Kurbelgehäusedruck den Umgebungsdruck übersteigt,
wird die Regelmembran 30 mit dem Schließkörper 32 nach oben bewegt,
das Ventil wird geöffnet.
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Hierbei ist die Bewegung des Schließkörpers 32 unabhängig von
Druckkräften,
die durch den Unterdruck im Gasabströmkanal 24 ausgeübt werden. Diese
greifen senkrecht zum Verstellweg des Schließkörpers 32 an und heben
sich auf Grund der Radialsymmetrie des Membran-Druckregelventils 10 sogar
gegenseitig auf. Das Regelverhalten des erfindungsgemäßen Membran-Druckregelventils
ist somit vom Saugrohrunterdruck entkoppelt.
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Durch die tropfenförmige Ausbildung
des Übergangs
vom äußeren Ringkanal
zum Ringspalt und der Ausbildung der Mündungsöffnung des Anschlußstutzens 24 zum
Saugrohr als Lavalle-Düse
ist gewährleistet,
dass selbst bei niedrigem Saugrohrunterdruck ein hoher Volumenstrom
durch das Ventil 10 erzielbar ist.
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3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Dieses Ventil 10 zeichnet sich durch einen
besonders einfachen Aufbau aus. Im Gegensatz zu der Ausführungsform
aus 2 wird die Regelmembran 30 durch
eine Blattfeder gebildet. Die Anordnung eines zusätzlichen
Federelements ist dadurch überflüssig. Die
Blattfeder kann als einfaches Ausstanzteil hergestellt werden.