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Die
Erfindung geht von einem elektrisch ansteuerbaren Mehrwegeventil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
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Aus
der
DE 41 09 498 A1 sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer Regelung der Temperatur
einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine Steuereinrichtung erhält mehrere
Eingangssignale, wie z.B. die Temperatur der Brennkraftmaschine,
die Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine, die Fahrzeuggeschwindigkeit,
der Betriebszustand einer Klimaanlage bzw. der Heizung des Fahrzeugs
und die Temperatur des Kühlmittels.
Aus diesen Eingangssignalen ermittelt ein Sollwertgeber der Steuereinrichtung
einen Temperatursollwert für
die Brennkraftmaschine. Entsprechend einem Vergleich der Istwerte mit
den Sollwerten wirkt die Steuereinrichtung auf ein Dreiwegeventil,
das im Mündungsbereich
der Bypassleitung in einer Rohrleitung zwischen der Brennkraftmaschine
und dem Kühler
angeordnet ist. Je nach Stellung des Dreiwegeventils wird der Zulaufstrom
durch einen Schließkörper bzw.
Drosselkörper auf
den Kühlzweig
und auf den Bypass aufgeteilt.
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Ferner
ist aus der
DE 199
60 931 A1 ein Dreiwegeventil mit einem kugelförmigen Drosselkörper bekannt.
Dieser ist als Ventilküken
ausgebildet und weist mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal
auf, der quer zu einer Drehachse verläuft und an einer Mantelfläche offen
ist, während
die gegenüberliegende
Mantelfläche
geschlossen ist. Der Drosselkörper
ist in einem geometrisch angeglichenen Lagerbett in einem Ventilkörper gelagert
und wird in Abhängigkeit
von Betriebs- und
Umgebungsparametern entsprechend einem der Steuereinheit zugeordneten
Kennfeld durch einen Elektromotor um die Drehachse verstellt. An
den Verbindungsstellen zu den Leitungen befinden sich Dichtringe,
die als Dichtkanten an der Oberfläche des Drosselkörpers anliegen.
Entsprechend der Stellung des Drosselkörpers werden die Wege zu den
weiterführenden
Leitungen freigegeben, gedrosselt bzw. versperrt. Wird beispielsweise
der Strömungsweg
zum Kühler
freigegeben, gelangt das Kühlmittel
durch einen Öffnungsquerschnitt,
welcher durch die Dichtkante und die Verschneidungskontur zwischen
dem Verteilerkanal und der Oberfläche des Drosselkörpers gebildet
wird, in den Kühler.
Aus der Geometrie der Verschneidungskontur, die im Wesentlichen
durch den Durchmesser des Verteilerkanals bestimmt wird, ergibt
sich die Ventilkennlinie. Diese weist im Öffnungsbereich einen relativ
steilen Anstieg auf. Demzufolge vergrößert sich der Kühlmittelvolumenstrom
in diesem Bereich über
den Stellweg des Drosselkörpers
sehr schnell, sodass innerhalb kurzer Zeit viel Kühlmittel über den
Kühler
zur Brennkraftmaschine gelangt.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach
der Erfindung ist in einem elektrisch ansteuerbaren Mehrwegeventil
mindestens von einer Zulaufleitung zu einer Ablaufleitung parallel
zum Schließkörper ein
Bypasskanal vorgesehen, der die Zulaufleitung mit mindestens einer
der Ablaufleitungen verbindet und in dem ein elektrisch betätigtes Notlaufventil
vorgesehen ist, das den Bypasskanal im bestromten Zustand schließt, während der
Bypasskanal im unbestromten Zustand durch den Druck der Zulaufleitung
geöffnet
wird.
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Ist
das elektrisch ansteuerbare Mehrwegeventil beispielsweise im Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine eingebaut, wird der Kühlmittelfluss im Normalbetrieb
durch eine Steuereinheit entsprechend den Betriebs- und Umgebungsparametern
zu jeder Zeit optimal gesteuert. Für den Fall, dass eine Störung, beispielsweise
eine unterbrochene Spannungsversorgung durch ein defektes Kabel
oder eine gelöste
Steckverbindung auftritt, ist das nicht mehr möglich. Damit die Brennkraftmaschine
in diesem Zustand nicht beschädigt
wird und die Möglichkeit gegeben
ist, die Fahrt mit verringerter Geschwindigkeit bis zu einer Werkstatt
fortzusetzen, ist eine Notlauffunktion vorzusehen. Nach der Erfindung
wird dies durch einen Bypasskanal mit einem Notlaufventil erreicht.
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Wenn
die Stromversorgung ausgefallen und der Verbindungskanal der Hauptleitung
durch den Schließkörper weitgehend
geschlossen ist, öffnet
das ebenfalls stromlose Notlaufventil, indem der Druck des Kühlmittels
in der Zulaufleitung und dem Bypasskanal den Schließkörper des
Notlaufventils in eine geöffnete
Position verstellt. Im Notfall kann somit Kühlmittel, wenn auch in verminderter
Menge, über den
parallel zum Schließkörper angeordneten
Bypasskanal zur Anschlussleitung fließen, beispielsweise zur Kühlerleitung.
Der Strömungsquerschnitt
des Bypasskanals und des Notlaufventils ist so bemessen, dass das
Fahrzeug, wenn auch mit verminderter Leistung, nach Hause oder zur
nächsten
Werkstatt fahren kann. Ist die Stromversorgung wieder hergestellt,
schließt
der nun bestromte Elektromagnet das Notlaufventil, indem es den
Schließkörper gegen
den Ventilsitz anzieht.
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Um
den Bauaufwand und das Bauvolumen des Notlaufventils klein zu halten,
besitzt dieses in Verlängerung
einer Magnetspule eine Ventilkammer, die einerseits an ihrem Umfang
mit dem Bypasskanal und andererseits stirnseitig über eine
Steueröffnung in
einem Ventilboden mit der zugeordneten Anschlussleitung verbunden
ist, z.B. mit der Kühlerleitung.
Auf der Seite zur Kühlerleitung
hin besitzt der Ventilboden einen Ventilsitz für den Schließkörper, der
zweckmäßigerweise
als Stahlkugel ausgebildet ist. Durch die rotationssymmetrische
Form der Stahlkugel kann auf eine präzise Führung des bewegten Teils verzichtet
werden, da sich die Kugel sowohl am Ventilsitz als auch an der kugelförmigen Polfläche des
Elektromagneten selbst zentriert. Das Notlaufventil ist dadurch
robust, schmutzunempfindlich und kostengünstig, zumal eine preisgünstige Kugellagerkugel
verwendet werden kann. Ferner übernimmt
die Stahlkugel zwei Funktionen, nämlich die Funktionen des Schließkörpers und
die Funktionen eines Magnetankers. Im Vergleich zu bekannten elektromagnetisch
betätigten
Ventilen weist das Notlaufventil nur ein bewegtes Teil und eine
geringe Anzahl von Komponenten auf, wodurch der Aufbau wesentlich
vereinfacht ist.
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Damit
die Stahlkugel mit geringen Kräften am
Ventilsitz gehalten werden kann, ist sie in Schließrichtung
durch eine Ventilfeder belastet, die die Stahlkugel gegen den Ventilsitz
drückt,
solange kein Kühlmittel
umgesetzt wird. Dadurch muss das Notlaufventil nicht gegen eine
Druckdifferenz schließen, sondern
nur die Haltekraft im geschlossenen Zustand aufbringen, weil das
Notlaufventil bestromt wird, bevor die Kühlmittelpumpe anläuft. Ferner
besitzt der Elektromagnet einen Weicheisenkern, der an seinem der
Stahlkugel zugewandten Ende eine Polfläche bildet. Diese ist der Oberfläche der
Stahlkugel angepasst und bildet mit dieser einen geringen Spalt.
Dadurch sind nur kleine Magnetkräfte
erforderlich, um die Stahlkugel zu halten. Auf den Spalt kann verzichtet
werden, wenn gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung der Ventilsitz von einem Sitzring aus
einem elastischen Werkstoff gebildet wird. Die Elastizität des Sitzrings
ist so groß,
dass die Stahlkugel den normalerweise vorgesehenen Spalt überbrückt. Das Notlaufventil
arbeitet durch den elastischen Sitzring äußerst geräuscharm.
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Im
geöffneten
Zustand ermöglicht
die strömungsgünstige Form
der Stahlkugel einen optimalen Kühlmitteldurchfluss.
Das ist im Bypasskanal und im Notlaufventil sehr wichtig, da diese
Teile aufgrund ihrer Anordnung im Ventilgehäuse des Mehrwegventils einen
relativ geringen Bauraum aufweisen und trotzdem einen ausreichenden
Kühlmittelstrom
ermöglichen
sollen.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematisch dargestellten Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Mehrwegeventil,
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2 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil
und
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3 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
das Notlaufventil nach 2.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Ein
Kühlkreislauf 12 einer
Brennkraftmaschine 10 umfasst im Wesentlichen einen Kühler 14 und eine
Pumpe 18, die ein Kühlmittel
in Pfeilrichtung fördert
(1). Das Kühlmittel
strömt
von der Brennkraftmaschine 10 über eine Zulaufleitung 22 entweder über eine
Kühlerleitung 24 und
den Kühler 14 oder über eine
Bypassleitung 26 sowie eine Rücklaufleitung 28 zur
Pumpe 18 zurück.
Der Kühler 14 arbeitet
mit einem Ventilator 16 zusammen und entzieht dem Kühlmittel überschüssige Wärme. Ein elektrisch
ansteuerbares Mehrwegeventil 20, das zwischen der Zulaufleitung 22,
der Kühlerleitung 24 und
der Bypassleitung 26 angeordnet ist, verteilt den Kühlmittelstrom
auf die Kühlerleitung 24 und/oder
die Bypassleitung 26. Die Zulaufleitung 22, die
Kühlerleitung 24 und
die Bypassleitung 26 bilden die Anschlussleitungen des
Mehrwegeventils 20.
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Die
Volumenströme
im Kühlkreislauf 12 der Brennkraftmaschine 10 werden
mithilfe einer Steuereinheit 32 geregelt. Dazu empfängt die
Steuereinheit 32 Eingangsignale 34 und verarbeitet
diese zu Ausgangssignalen 36 für die Stelleinrichtung des Mehrwegeventils 20.
Als Eingangssignale 34 werden der Steuereinheit 32 Betriebs-
und Umgebungsparameter zugeführt,
wie beispielsweise die Drehzahl, die Last und die Temperatur der
Brennkraftmaschine 10, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
sowie die Temperatur der Umgebungsluft usw. Zudem wird der Temperaturistwert
des Kühlmittels
als Eingangsignal 34 zur Steuereinheit 32 übertragen,
wobei dieser an mehreren Stellen des Kühlkreislaufs 12 durch
Temperatursensoren 30 erfasst wird.
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Das
Mehrwegeventil 20 besitzt einen Schließkörper 42 in Form eines
kugelförmigen
Ventilglieds, dass in einem Ventilgehäuse 38 (2)
drehbar gelagert ist. Das Ventilgehäuse 38 bildet den äußeren Teil
des Mehrwegeventils 20. Am Ventilgehäuse 38 sind die Zulaufleitung 22,
die Kühlerleitung 24 und
die Bypassleitung 26 angeschlossen, die vorzugsweise in
einer Ebene liegen. Die Zulaufleitung 22 und die Kühlerleitung 24 sind
diametral zueinander angeordnet. Die Bypassleitung 26 ist
im Längsschnitt
in 2 nicht dargestellt. Die Verbindung der Zulaufleitung 22 und
der Kühlerleitung 24 bildet
eine Ventilkammer 40, in der der kugelförmige Schließkörper 42 drehbar
gelagert ist. Der Schließkörper 42 wird
am Umfang von den Lagerelementen 52 und 54 gehalten,
die jeweils im Anschlussbereich der Zulaufleitung 22 und
der Kühlerleitung 24 angeordnet
sind. Zur Abdichtung weisen die Lagerelemente 52 und 54 Dichtungen 56 auf.
Ein Zapfen 44, der zweckmäßigerweise am Umfang des Schließkörpers 42 angeformt
ist, stellt die Verbindung zu einer Antriebswelle 46 eines
nicht näher
dargestellten Aktuators dar, der den Schließkörper 42 entsprechend
eines Ausgangssignals 36 der Steuereinheit 32 dessen
Drehachse verstellt. Der Schließkörper 42 weist
die Verbindungskanäle 48 und 50 auf,
die quer zur Drehachse des Schließkörpers 42 verlaufen
und einen Kühlmitteldurchfluss
von der Zulauf leitung 22 zur Kühlerleitung 24 und/oder
Bypassleitung 26 ermöglichen.
Gemäß der Stellung
des Schließkörpers 42 werden
die Kühlerleitung 24 und/oder
die Bypassleitung 26 freigegeben, gedrosselt bzw. versperrt.
Für den
Fall, dass der Temperaturistwert innerhalb des Mehrwegeventils 20 erfasst
werden soll, ist eine Bohrung 58 zum Anschließen eines
Temperatursensors 30 vorgesehen.
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Tritt
am Mehrwegeventil 20 eine Störung durch eine unterbrochene
Spannungsversorgung auf, kann der Schließkörper 42 nicht mehr
durch die Antriebswelle 46 verstellt werden und der Kühlmittelstrom
wird nicht mehr bedarfsgerecht geregelt. Das ist besonders kritisch,
wenn die Brennkraftmaschine 10 ihre Betriebstemperatur
erreicht hat und bei einer im Wesentlichen geschlossenen Kühlerleitung 24 dem
Kühlmittel
die überschüssige Wärme durch
den Kühler 14 nicht
entzogen werden kann. In diesem Notfall wird erfindungsgemäß ein Bypasskanal 60 freigegeben,
der parallel zum Schließkörper 42 von der
Zulaufleitung 22 zur Kühlerleitung 24 verläuft. Das
Kühlmittel
strömt
dann in verminderter Menge über
den Bypasskanal 60 zum Kühler 14 und die Fahrt
kann mit verminderter Leistung und Geschwindigkeit fortgesetzt werden.
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Den
Kühlmittelfluss
durch den Bypasskanal 60 regelt ein elektrisch betätigtes Notlaufventil 62.
Es ist an der Einmündung
des Bypasskanals 60 in die Kühlerleitung 24 angeordnet.
Das Notlaufventil 62 sitzt in einer Ausfräsung im
Ventilgehäuse 38 des Mehrwegeventils 20 und
wird durch einen Ventildeckel 90 gehalten, der Entlüftungsbohrungen 86 aufweist.
Zwei Dichtungen 56 dichten das Notlaufventil 62 am
Umfang ab. Ein Ventilgehäuse 64 bildet
den äußeren Teil
des Notlaufventils 62 (3). Es besitzt einen
kreisförmigen
Querschnitt und eine Ventilkammer 88, die mit dem Bypasskanal 60 und über eine Steueröffnung 82 in
einem Ventilboden 78 mit der Kühlerleitung 24 verbunden
ist.
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Im
bestromten Zustand, wenn der Bypasskanal 60 nicht benötigt wird,
verschließt
ein Schließkörper 76 in
Form einer Stahlkugel die Steueröffnung 82. Die
Stahlkugel 76 wirkt gleichzeitig als Magnetanker und wird
in diesem Zustand von einem Elektromagneten, der im Wesentlichen
aus einer Magnetspule 72 und einem Weicheisenkern 68 zusammengesetzt ist,
in der Schließstellung
gehalten.
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Die
Magnetspule 72 ist auf einen Spulenträger 74 aufgewikkelt,
der auf dem Weicheisenkern 68 sitzt. Der Weicheisenkern 68 ist
an einer Stirnseite mit einem Deckel 66 verbunden, der
den Abschluss des Ventilgehäuses 64 bildet,
während
er an der anderen Stirnseite aus dem Spulenträger 74 herausragt und
stirnseitig eine Polfläche 70 besitzt,
die an die Oberfläche
der Stahlkugel 76 angepasst ist. Im geschlossenen Zustand,
wenn die Stahlkugel 76 an einem Ventilsitz 80 in
Form eines Ventilsitzrings anliegt, der in den Ventilboden 78 eingelassen
ist und die Steueröffnung 82 umgibt,
bildet die Stahlkugel 76 mit der Polfläche 70 in der Regel
einen geringen Spalt. Dadurch ist die Leistungsaufnahme des Notlaufventils 62 im
Normalbetrieb sehr gering. Der Spalt kann von der Stahlkugel 76 vollständig überbrückt werden,
wenn der Ventilsitzring 80 aus einem elastischen Werkstoff
besteht und entsprechend unter der Schließkraft des Elektromagneten 68, 72 nachgibt.
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Außerdem wird
dieser zweckmäßigerweise durch
eine Ventilfeder 84 unterstützt, welche die Stahlkugel 76 in
Schließrichtung belastet
und gegen den Ventilsitz 80 drückt, wenn im unbestromten Zustand
kein Kühlmittel
umgewälzt
wird.
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Im
Notfall, wenn im unbestromten Zustand des Mehrwegeventils 20 Kühlmittel
umgewälzt
wird, wird die Stahlkugel 76 nicht mehr durch den Elektromagneten 66, 68, 72 in
der Schließstellung
gehalten, sondern durch den Druck des in die Ventilkammer 88 einströmenden Kühlmittels
entgegen der Kraft der Ventilfeder 84 geöffnet. Um
einen definierten Druck des Kühlmittels
zu erzeugen, sollte der Querschnitt der seitlichen Einströmöffnung etwa
8 mm betragen. Ist der notwendige Druck des Kühlmittels vorhanden, öffnet die
Stahlkugel 76 den Ventilsitz 80, sodass die im
Ventilboden 78 angeordnete Steueröffnung 82 freigegeben
wird. Im geöffneten
Zustand kann das Kühlmittel
seitlich an der Stahlkugel 76 vorbeifließen, wobei
deren rotationssymmetrische Form strömungstechnisch sehr günstig wirkt.
Des Weiteren erübrigt
die Form der Stahlkugel 76 ein Führungselement für den Stellweg,
wodurch der Aufbau des Notlaufventils 62 ebenfalls vereinfacht
ist.
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Kühlkreislauf
- 14
- Kühler
- 16
- Ventilator
- 18
- Pumpe
- 20
- Mehrwegeventil
- 22
- Zulaufleitung
- 24
- Kühlerleitung
- 26
- Bypassleitung
- 28
- Rücklaufleitung
- 30
- Temperatursensor
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Eingangsignal
- 36
- Ausgangssignal
- 38
- Ventilgehäuse
- 40
- Ventilkammer
- 42
- Schließkörper
- 44
- Zapfen
- 46
- Antriebswelle
- 48
- Verbindungskanal
- 50
- Verbindungskanal
- 52
- Lagerelement
- 54
- Lagerelement
- 56
- Dichtung
- 58
- Bohrung
- 60
- Bypasskanal
- 62
- Notlaufventil
- 64
- Ventilgehäuse
- 66
- oberer
Deckel
- 68
- Weicheisenkern
- 70
- Polfläche
- 72
- Magnetspule
- 74
- Spulenträger
- 76
- Stahlkugel
- 78
- Ventilboden
- 80
- Ventilsitz
- 82
- Steueröffnung
- 84
- Ventilfeder
- 86
- Entlüftungsbohrung
- 88
- Ventilkammer
- 90
- Ventildeckel