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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Regulieren einer Strömung einer Kühlflüssigkeit zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Kühler in einem Kraftfahrzeug.
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Ein gattungsgemäßes Ventil im oberbegrifflichen Merkmal von Anspruch 1 ist beispielsweise aus der
DE 41 25 366 C1 bekannt.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Verbrennungskraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge erzeugen Wärme durch die Verbrennung von Kraftstoff und die Reibung zwischen den vielen sich bewegenden Teilen innerhalb des Motors, wie z. B. zwischen dem Motorblock und den Kolben. Ein motorangetriebenes Flügelrad pumpt Kühlflüssigkeit zwischen einer Wärmesenke oder einem Kühler, die oder der einem über die Oberfläche des Kühlers vorüberziehenden äußeren Luftstrom ausgesetzt ist, um die Wärme vom Motorblock wegzutransportieren, und Kanälen innerhalb des Motorblocks. Typischerweise werden Schläuche verwendet, um die Kühlflüssigkeit zwischen dem Motorblock und dem Kühler hin und her zu leiten.
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Typischerweise ist ein Wachsventil oder Temperaturregler zwischen dem Motorblock und dem Kühler zur Steuerung des Kühlflüssigkeitsstroms vom Motorblock zum Kühler angebracht. Unterhalb einer vorbestimmten Temperatur ist das Temperaturreglerventil zum Begrenzen des Flüssigkeitsstroms vom Motorblock zum Kühler geschlossen, was ein Erwärmen des Motors fördert. Oberhalb der vorbestimmten Temperatur dehnt sich ein Wachselement innerhalb des Temperaturreglers als Reaktion auf die steigende Kühlflüssigkeitstemperatur proportional aus, um ein Ventil innerhalb des Temperaturreglers zur Freigabe des Kühlflüssigkeitsstroms vom Motorblock zum Kühler mechanisch zu betätigen und zu öffnen. In dem Kühler wird die Kühlflüssigkeit des Motors durch einen Wärmeaustausch mit einem über die Oberfläche des Kühlers hinwegströmenden äußeren Luftstrom gekühlt. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit läuft von dem Kühler zu dem Motorblock und die Kühlflüssigkeit wird durch den Verbrennungszyklus und die Reibung, die innerhalb des Motors erzeugt wird, erneut aufgeheizt. Das Ventil ist federvorgespannt geschlossen, so dass innerhalb eines Temperaturbereichs um die vorbestimmte Temperatur die Größe der Ventilöffnung ungefähr im Verhältnis zur Kühlflüssigkeitstemperatur variiert. Dennoch sind Wachstemperaturregler im Allgemeinen langsam in der Reaktion auf die Motorblocktemperatur und anfällig für eine Fehlfunktion in Folge eines Verstopfens durch Verschmutzungen, die häufig in der Kühlflüssigkeit in Folge von Korrosion innerhalb des Motorblocks und des Kühlers enthalten sind.
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Es bleibt wünschenswert, ein Temperaturregler oder Ventil zu liefern, das aktiv geöffnet und geschlossen werden kann, um die Kühlflüssigkeitsströmung zwischen dem Motorblock und dem Kühler als Antwort auf eine größere Anzahl von Motorvariablen und Motorzuständen als bei konventionellen Wachstemperaturreglern zu öffnen oder zu schließen. Weiter bleibt es wünschenswert, ein Ventil zu liefern, das widerstandsfähig gegen die Verschmutzungen in der Kühlflüssigkeit ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im Lichte des aus der
DE 41 25 366 C1 bekannten Ventils ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ventilkonstruktion zu vereinfachen.
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Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung ein Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein Ventil steuert proportional den Flüssigkeitsstrom zwischen einem Motor und einem Kühler in einem Kraftzeug. Das Ventil umfasst ein Gehäuse mit einer Kammer, das zwischen dem Motor und dem Kühler angebracht ist. Ein Kühleranschluss erstreckt sich zwischen dem Kühler und dem ersten Ende der Kammer zum Durchleiten von Kühlmittel zwischen dem Kühler und der Kammer. Ein Bypassanschluss erstreckt sich zwischen einer Auslassöffnung des Motors und der Kammer zum Durchleiten von Kühlmittel, das zwischen dem Motor und der Kammer strömt. Ein Motoranschluss erstreckt sich zwischen einer Einlassöffnung des Motors und der Kammer zum Durchleiten von Kühlmittel, das von dem Kühler- und/oder dem Bypassanschluss zwischen der Einlassöffnung des Motors und der Kammer strömt. Ein Schieber ist innerhalb der Kammer angeordnet und drehbar an der Kammer angebracht, um einen bogenförmigen Kolben in einen bogenförmigen Stutzen hinein- und hinauszubewegen, um den Flüssigkeitsstroms durch das Gehäuse zwischen dem Kühler und dem Motor jeweils zu erhöhen oder zu erniedrigen und um den Flüssigkeitsstrom innerhalb der Kammer einzustellen. Eine Antriebsbaugruppe ist funktionell mit dem Schieber zum automatischen Einstellen der Schieber-Position innerhalb der Kammer zur proportionalen Steuerung der Flüssigkeitsstrommenge zwischen dem Kühler und dem Motor als Reaktion auf Flüssigkeitstemperaturänderungen innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht anerkannt werden, wenn dieselbe durch Bezug auf folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird und wenn sie in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
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1 eine Explosionszeichnung eines Ventils gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt;
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2 eine perspektivische Schnittansicht des offenen Ventils zeigt;
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3 eine perspektivische Schnittdarstellung des geschlossenen Ventils zeigt;
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4 eine perspektivische Draufsicht des Ventils und einer Antriebseinheit zur Betätigung des Ventils zeigt; und
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5 eine perspektivische Ansicht des Ventils und der Antriebseinheit zur Betätigung des Ventils von unten zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1–5 zeigen ein Proportionalventil 10 zum Regulieren der Kühlflüssigkeitsströmung zwischen einem Motor (nicht dargestellt) und einem Kühler (nicht dargestellt) in einem Kraftfahrzeug. Das Ventil 10 umfasst ein gegossenes Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 umfasst einen im Allgemeinen zylindrischen Schieberaufnahmebereich 14. Gegenüberliegende erste und zweite Kammerwände 16, 18 erstrecken sich radial von dem Schieberaufnahmebereich 14. Eine von dem Schieberaufnahmebereich 14 beabstandete, dritte Kammerwand 20 erstreckt sich bogenförmig zwischen der ersten und der zweiten Kammerwand 16, 18. Eine obere Kammerwand 20 und eine untere Kammerwand 24 erstreckt sich jeweils zwischen der ersten, zweiten und dritten Kammerwand 16, 18, 20, um eine im Allgemeinen keilförmige und im Wesentlichen geschlossene Flüssigkeitskammer 26 zwischen sich zu definieren.
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Ein Motorströmungsanschluss 28 ist in der dritten Kammerwand 20 zum Durchlassen der Flüssigkeit zwischen dem Motor und der Kammer 26 ausgeformt. Ein Bypassflüssigkeitsanschluss 30 ist in der zweiten Kammerwand 18 zum Durchlassen von Flüssigkeit zwischen dem Motor und der Kammer 26 ausgeformt. Ein Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 ist in einem Teil der ersten Kammerwand 16 zum Durchlassen der Flüssigkeit zwischen dem Kühler und der Kammer 26 ausgeformt. Ein bogenförmiger Stutzen 34 ist in dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 30, angrenzend an die erste Kammerwand 16 ausgestaltet.
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Ein Schieber 36 ist drehbar gehalten durch den Schieberaufnahmebereich 14 für eine Drehbewegung innerhalb der Kammer 26 zwischen der ersten und der zweiten Kammerwand 16, 18 zum Steuern der Flüssigkeitsströmung zwischen der Kammer 26 und jedem von Motor-, Bypass- und Flüssigkeitsanschluss 28, 30, 32.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schieber 36 eine zylindrische Grundplatte 38, die durch den Schieberaufnahmebereich 14 drehbar aufgenommen ist. Eine Schieberwand 40 erstreckt sich radial von der Grundplatte 38 nach außen zwischen der Grundplatte 38 und der dritten Kammerwand 20. Die Schieberwand 40 bewegt sich schwenkbar zwischen einer ersten Position, in der die Schieberwand 40 die erste Kammerwand 16 berührt, und einer zweiten Position, in der die Schieberwand 40 die zweite Kammerwand 18 berührt. Die Schieberwand 40 bewegt sich zwischen der ersten und der zweiten Position als Reaktion auf eine entsprechende Drehbewegung der Grundplatte 38 innerhalb des Schieberaufnahmebereichs 14.
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Wenn in der ersten Position die Schieberwand 40 den Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und der Kammer 26 eingrenzt, erlaubt sie einen Flüssigkeitsstrom zwischen dem Motor 28 und dem Bypassflüssigkeitsanschluss 30. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine ringförmige Nut 42 in die erste Kammerwand 16 in Richtung der Kammer 26 ausgeformt. Eine ringförmige Schieberdichtung 44 ist fest innerhalb der ringförmigen Nut 42 gehalten und ragt axial aus der ersten Kammerwand 16 zur elastischen Verformung gegen die Schieberwand 40, wenn die Schieberwand 40 an der ersten Kammerwand 16 anliegt, heraus. Die Schieberdichtung 44 verhindert, während sie durch die Schieberwand 40 deformiert wird, einen Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und der Kammer 26.
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Ein Kolben 46 verläuft bogenförmig zwischen der Schieberwand 40 und einem distalen Ende 48 für eine Bewegung in den Stutzen 34 des Kühlerflüssigkeitsanschlusses 30 hinein und hinaus, wenn die Schieberwand 40 sich jeweils in Eingriff mit der ersten Kammerwand 16 hinein- und hinausbewegt. Der Kolben 46 verjüngt sich von der Schieberwand 40 zu dem distalen Ende 48 in einer Weise, die die Verjüngung des Stutzens 34 spiegelt. Die Verjüngung des Stutzens 34 definiert ein Profil, so dass der Spalt zwischen dem inneren Durchmesser des Stutzens 34 und dem äußeren Durchmesser des Kolbens 46 entlang der gesamten Länge des Kolbens 46 konstant bleibt, wenn die Schieberwand 40 im Eingriff mit der ersten Kammerwand 16 ist. Der Stutzen 34 und der Kolben 46 sind gekrümmt und stumpfartig, um der Drehbewegung des Schiebers 36 entgegenzukommen.
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Wenn die Schieberwand 40 in der zweiten Position den Flüssigkeitsstrom zwischen der Kammer 26 und dem Bypassflüssigkeitsanschluss 30 eingrenzt, wird der Flüssigkeitsstrom zwischen dem Motor 28 und dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 freigegeben.
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Eine Antriebsbaugruppe 50 ist innerhalb eines Getriebegehäuses 51, das fest an dem Gehäuse 12 angebracht ist, für ein Bewegen und ein Halten des Schiebers 36 zwischen der ersten und der zweiten Position 16, 18 aufgenommen. Die Antriebsbaugruppe 50 umfasst einen elektrischen Gleichstrommotor 52 zum Antreiben einer Schnecken-54- und Schneckenrad-56-Anordnung. Eine rotatorische Bewegung der Schnecke 54 durch den Motor 52 ruft eine rotatorische Bewegung des Schneckenrades 56 hervor. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Gleichstrommotor 52 eine Welle, die mit einem Ritzel 70 verbunden ist, das wiederum durch eine Halterung 74 gehaltene Planetenräder 72 dreht und einen Ring 71, der die Rotationsbewegung zu dem Schneckenrad 56 leitet. Eine Kupplung, die im Allgemeinen mit 57 bezeichnet ist, ist zwischen dem Schneckenrad 56 und der Grundplatte 38 des Schiebers 36 zur Übertragung der Rotationsbewegung von dem Schneckenrad 56 zu dem Schieber 36 angebracht. Die Kupplung erlaubt auch eine Relativbewegung oder einen Schlupf zwischen dem Schneckenrad 56 und dem Schieber 36 für ein Abbauen der Spannung auf dem Motor 52, wenn der Schieber 36 beim Eingriff mit der ersten und der zweiten Kammer 16, 18 stoppt. Bevorzugterweise umfasst die Kupplung 57 ein Kupplungsgehäuse 58, eine Welle 60, eine Reibscheibe 62 und eine Federscheibe 64. Das Getriebegehäuse 58 ist an der Grundplatte 38 des Schiebers 36 befestigt. Die Welle 60 verläuft axial von dem Getriebegehäuse 58 durch eine Bohrung in der Mitte des Schneckenrades 56. Die Reibscheibe 62 und die Federscheibe 64 werden axial zwischen dem Getriebegehäuse 58 und dem Schneckenrad 56 zusammengedrückt. Die Reibscheibe 62 ist für eine Drehbewegung mit dem Getriebegehäuse 58 verkeilt. Die Federscheibe 64 drückt die Reibscheibe 62 gegen das Schneckenrad 56, so dass die Drehbewegung des Schneckenrades 56 durch ein Reibmoment hervorgerufen durch die Reibscheibe 62 und das Schneckenrad 56 auf den Schieber 36 übertragen wird. Das Reibmoment, hervorgerufen durch die axiale Verformung der Federscheibe 64, ist vorbestimmt und im Allgemeinen kleiner als das Moment, das durch den gelegentlichen plötzlichen Eingriff des Schiebers 36 mit der ersten oder zweiten Kammerwand 18, 20 hervorgerufen wird.
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Die Antriebsbaugruppe 50 wird durch einen Zentralprozessor (nicht dargestellt) in Abhängigkeit von Temperatur- oder Drucksensoren, die innerhalb des Motors angeordnet sind, gesteuert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Reed-Schalter (Näherungsschalter) 66 mit der Schnecke 54 gekoppelt, um eine Positionsrückmeldung des Schiebers 36 basierend auf der Drehung und der Position der Schnecke 54 an den Zentralprozessor zu liefern. Ein Geber 76 kann mit der Schnecke 54 durch eine geeignete Buchse 75 gekoppelt sein, um durch den Reed-Schalter 66 zur Bestimmung der Position der Schnecke 54 gelesen zu werden. Die Antriebsbaugruppe 50 kann vor der Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 durch eine O-Ringdichtung 77 abgedichtet sein, was am besten in 1 zu sehen ist.
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Im Betrieb wird die Flüssigkeit durch ein Flügelrad, das durch den Motor angetrieben wird, durch den Motorblock geleitet. Bis der Motor eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht, lässt der Zentralsteuerungsprozessor den Schieber 36 in seiner ersten Position, in der er im Eingriff mit der ersten Kammerwand 16 ist. In der ersten Position ist die Schieberwand 40 gegen die Schieberdichtung 44 zur Verhinderung des Flüssigkeitsstroms zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und der Kammer 26 gedrückt. Als ein Resultat wird ein Gegendruck in dem Kühler erzeugt, der die Flüssigkeitsströmung durch den Kühler hindurch verhindert und den Wärmeaustausch der Flüssigkeit zu dem über den Kühler strömenden äußeren Luftstrom verhindert. Die Flüssigkeit, die durch das Flügelrad angetrieben wird, nimmt den Niederdruckdurchlauf durch den Bypassflüssigkeitsanschluss 30. Die Flüssigkeit strömt frei zwischen dem Bypassflüssigkeitsanschluss 30 und dem Motoranschluss 28 durch die Kammer 26. Ein andauernder Betrieb des Motors ruft ein Steigen der Flüssigkeitstemperatur hervor. Erreicht die Flüssigkeit einmal die vorbestimmte Betriebstemperatur, befiehlt der zentrale Steuerungsprozessor der Antriebsbaugruppe 50 die Schieberwand 40 von der Schieberdichtung 44 und der ersten Kammerwand 16 wegzudrehen, um einen Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und dem Motorflüssigkeitsanschluss 28 durch die Kammer 26 zuzulassen. Der Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und der Kammer 26 gleicht den Gegendruck in dem Kühler aus, was der Flüssigkeit erlaubt, von dem Motor und durch den Kühler zu strömen. Wärmeenergie wird von der Flüssigkeit durch den Kühler zu der über den Kühler strömenden, äußeren Luft geleitet, um die Temperatur der Flüssigkeit zu senken.
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Die Bewegung der Schieberwand 40 entgegen und weg von der ersten Kammerwand 16 ruft eine Bewegung des Kolbens 46 in den Stutzen 34 des Kühlerflüssigkeitsanschlusses 32 hinein und hinaus hervor. Die Bewegung des Kolbens 46 in den Stutzen 34 des Kühlerflüssigkeitsanschlusses 32 hinein und hinaus erhöht und senkt jeweils den Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühlerflüssigkeitsanschluss 32 und der Kammer 25. Die Schieberwand 40 kann durch die Antriebsbaugruppe 50 zwischen der ersten und der zweiten Kammerwand 16, 18 bewegt und in jeder Position gehalten werden, um die Flüssigkeitsströmungsmenge zwischen dem Bypassund Motorflüssigkeitsanschluss 30, 28 und dem Kühler- und Motorflüssigkeitsanschluss 32, 28 zu variieren. Im Allgemeinen verändert sich der Flüssigkeitsstrom zwischen dem Bypass- und dem Motorflüssigkeitsanschluss 30, 28 entgegengesetzt und proportional mit dem Flüssigkeitsstrom zwischen dem Kühler- und dem Motorflüssigkeitsanschluss 32, 28.
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Die Erfindung wurde in einer erläuternden Art beschrieben und es ist so zu verstehen, dass die verwendete Terminologie eher in der Art beschreibender Worte als begrenzender Worte gedacht ist.
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Viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind in dem Licht der oben genannten Lehren möglich. Es ist deshalb so zu verstehen, dass die Erfindung anders als ausdrücklich beschrieben innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche angewendet werden kann.
