DE4324749A1 - Regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil, umfassend ein Gehäuse mit einer zylinder­ förmigen Ventilkammer, wobei die Ventilkammer mit zumindest einem Zulauf und zumindest zwei Abläufen versehen ist, wobei der Zulauf und die Abläufe durch einen gemeinsamen, um eine Achse drehbaren und in der Ventilkammer angeordneten Ventilkörper bedarfsweise zumindest teilweise verschließbar sind, wobei der Ventilkörper als Drehschieber ausgebildet und von einem Antrieb be­ tätigbar ist, wobei der Zulauf und/oder zumindest einer der Abläufe auf der dem Ventilkörper zugewandten Seite des Gehäuses von einer Dichtung umschlossen ist und wobei die Dichtung mit dem Ventilkörper unter elastischer Vorspannung dichtend in Eingriff bringbar ist.

Ein solches Regelventil ist aus der DE-OS 26 32 476 bekannt. Das Regelventil ist als Strömungsmitteldurchfluß-Steuerventil ausgebildet und gelangt in einem Mischhahn zum Mischen von kaltem und warmem Wasser zur Anwendung. So­ wohl die Einlässe als auch die Auslässe sind einander jeweils diametral gegen­ überliegend angeordnet, wobei die Einlässe und die Auslässe rechtwinklig zuein­ ander angeordnet sind. Dabei ist allerdings zu beachten, daß die Betätigungs­ kräfte beim Öffnen der Zuläufe durch die starke Beschleunigung der Strömung an der Abströmkante des Ventilkörpers beträchtlich sind, da die beim Öffnen entstehenden Sogeffekte auf den Ventilkörper ventilschließend wirken. Zur Überwindung der Sogkräfte ist der Antrieb entsprechend stark auszulegen, was in wirtschaftlicher Hinsicht und im Hinblick auf kompakte Abmessungen des Ventils von Nachteil ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der vorbekannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die Betätigungskräfte des Ventilkörpers zum Öff­ nen des Zulaufs wesentlich reduziert werden können, daß sich eine gleichmäßi­ gere Öffnungscharakteristik des Ventils einstellt und daß der Antrieb für eine einwandfreie Betätigung des Ventilkörpers schwächer und damit wirtschaftlicher und kompakter ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 ge­ löst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß der Ventilkörper eine Erstreckung in Umfangsrichtung der Ventilkammer aufweist, die jeweils durch eine Kante begrenzt ist und daß die den Zulauf während seiner Öffnung überfahrende Abströmkante eine sich in axialer Richtung erstreckende, ellipti­ sche Einbuchtung aufweist. Hierbei ist von Vorteil, daß beim Öffnen des Zulaufs eine plötzliche, starke Beschleunigung der Strömung an der Abströmkante des Ventilkörpers vermieden wird und dadurch Sogeffekte, die ventilschließend auf den Ventilkörper wirken, vernachlässigbar gering werden. Der statische Druck, der auf den Ventilkörper wirkt, bleibt während der Öffnung des Zulaufs des er­ findungsgemäßen Regelventils nahezu konstant, so daß sich eine gleichmäßige Öffnungscharakteristik, beginnend mit der Öffnung des Zulaufs bis zur Freigabe des gesamten Öffnungsquerschnitts ergibt. Die elliptische Form der Einbuchtung ist insofern besonders vorteilhaft, als zunächst nur ein sehr geringer Durchtritts­ querschnitt am Ventilkörper vorbei freigegeben wird und dadurch der statische Druck und die Betätigungskraft während des Öffnungsvorgangs, bis der ge­ samte Querschnitt des Zulaufs freigegeben ist, weitgehend konstant bleiben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einbuchtung den axialen Be­ grenzungen des Ventilkörpers jeweils mit Abstand benachbart zugeordnet sein. Die Führung des Ventilkörpers im Gehäuse, insbesondere im Bereich der Ab­ strömkante mit der elliptischen Einbuchtung, ist dadurch verbessert. Verkan­ tungserscheinungen des Ventilkörpers im Gehäuse werden durch diese Ausge­ staltung zuverlässig vermieden.

Der Ventilkörper kann durch einen elektrisch angetriebene Schrittmotor betätig­ bar sein, wobei der Schrittmotor bevorzugt signalleitend mit einer elektronischen Regeleinrichtung verbunden ist. In Anhängigkeit von vorgegebenen Parametern, die in der Regeleinrichtung beispielsweise in Form eines Kennfelds gespeichert sind, können die Durchtrittsquerschnitte durch Zulauf und/oder Ablauf einge­ stellt werden. Das erfindungsgemäße Regelventil kann beispielsweise in Flüssig­ keitskreisläufen angeordnet sein, um verschiedene, miteinander in Verbindung stehende Teilbereiche des Flüssigkeitskreislaufs zu schalten. Die Betätigung des Ventilkörpers mit einem elektrisch angetriebenen Schrittmotor ist für derartige Anwendungsfälle besonders vorteilhaft, da eine besonders exakte Regelung des Flüssigkeitsverlaufs in Abhängigkeit von den Kenndaten in der Regeleinrichtung erfolgen kann. Eine Betätigung des Ventilkörpers durch elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Stellelemente ist ebenfalls möglich. Eine besonders einfache und in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstige Betäti­ gung des Ventilkörpers kann beispielsweise durch ein Dehnstoffelement erfol­ gen, wobei der Ventilkörper in Abhängigkeit von der Temperatur, mit der das Dehnstoffelement beaufschlagt ist, den Durchtrittsquerschnitt durch den Zulauf und/oder die Abläufe freigibt.

Der Zulauf und die Abläufe sind dichtend mit dem um seine Achse drehbaren Ventilkörper in Eingriff bringbar, wobei die Dichtungen sowohl einer statischen als auch einer dynamischen Belastung ausgesetzt sind. Insbesondere bei häufi­ ger Betätigung des Ventilkörpers sind Dichtungen, die während der gesamten Gebrauchsdauer nur einem vernachlässigbar geringen abrasiven Verschleiß un­ terliegen und dadurch gute Gebrauchseigenschaften während der gesamten Ge­ brauchsdauer aufweisen, von hervorzuhebendem Vorteil. Zur Erzielung eines ausgezeichneten Abdichtungsergebnisses während der gesamten Gebrauchs­ dauer kann die Dichtung durch eine ringförmige Formteildichtung aus PTFE ge­ bildet sein und auf der dem Ventilkörper abgewandten Seite auf einem Feder­ element in axialer Richtung der Formteildichtung elastisch nachgiebig abgestützt sein. Hierbei ist von Vorteil, daß trotz guter Abdichtung des Zulaufs und/oder der Abläufe gegenüber dem Ventilkörper eine ausgezeichnete, leichtgängige Re­ lativbeweglichkeit des drehbaren Ventilkörpers erhalten bleibt. Durch die in axialer Richtung der Formteildichtung elastische Nachgiebigkeit, ist die Form­ teildichtung aus PTFE auch dann mit dem Ventilkörper dichtend in Eingriff und diesem in optimaler Weise zugeordnet, wenn sich herstellungs- und/oder monta­ gebedingt eine absolut exakte konzentrische Zuordnung von Gehäuse und Ventilkörper nicht erzielen läßt.

Das Federelement kann beispielsweise durch einen O-Ring aus elastomerem Werkstoff gebildet sein. O-Ringe sind Bauteile, die in nahezu allen gewünschten Abmessungen preisgünstig verfügbar sind, und nur ein, im Vergleich zu anderen Federelementen, geringes Gewicht aufweist. Das erfindungsgemäße Regelventil weist insgesamt ein vergleichsweise geringes Eigengewicht auf und ist in gro­ ßen Stückzahlen preisgünstig herstellbar.

Das Gehäuse kann einen Zulauf und drei Abläufe aufweisen. Eine derartige Aus­ gestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Regelventil in Kühlsyste­ men von Verbrennungskraftmaschinen zur Anwendung gelangt.

Zur Verwendung des erfindungsgemäßen Regelventils in einem Flüssigkeits- Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine ist es vorgesehen, daß der Zu­ lauf flüssigkeitsleitend mit dem Kühlwasseraustritt der Verbrennungskraftma­ schine verbunden ist, daß die Abläufe mit dem Kühlerkreislauf, dem Kurzschluß­ kreislauf und dem Kreislauf für die Fahrzeug-Innenraumheizung verbunden sind, daß dem Zulauf der Ablauf zum Kühlerkreislauf einerseits und der Ablauf zum Innenraum-Heizungskreislauf andererseits in Umfangsrichtung der Ventilkammer benachbart zugeordnet sind, daß der Zulauf und die Abläufe für Kühler und In­ nenraumheizung gemeinsam vollständig verschließbar sind und daß der Ablauf des Kurzschlußkreislaufs nur dann vom Ventilkörper vollständig verschlossen ist, wenn der Zulauf und die in Umfangsrichtung beiderseits angrenzenden Auslässe vollständig durchströmbar sind. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Regelventils ist ein besonders teilearmer Aufbau eines Flüssigkeits-Kühlsystems von Verbrennungskraftmaschinen möglich. Lediglich ein Regelventil gelangt zur Anwendung, um sämtliche Kreisläufe des Kühlsystems in Abhängigkeit von bei­ spielsweise der Bauteiltemperatur des Zylinderkopfs und/oder der Kühlmitteltem­ peratur durchströmbar zu schalten. Der Durchtrittsquerschnitt durch den Zulauf in die Ventilkammer und durch die Abläufe aus der Ventilkammer in die angren­ zenden Kreisläufe kann durch den stufenlos betätigbaren Ventilkörper problem­ los den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles angepaßt werden. Ge­ langt das Regelventil im Flüssigkeits-Kühlsystem einer Verbrennungskraftma­ schine zur Anwendung, hat es sich als vorteilhaft bewährt, daß dem Ventilkör­ per eine Rückstellfeder zugeordnet ist, die diesen, beispielsweise bei Ausfall des Antriebs in eine Position bringt, in der die angeschlossene Maschine keinen Schaden nimmt. Eine derartige Position ist beispielsweise dann eingestellt, wenn der Ventilkörper den Zulauf in die Ventilkammer und den Ablauf zum Kühler und zur Fahrzeuginnenraumheizung vollständig frei gibt und den Kurzschlußkreislauf vollständig verschließt. Eine Überhitzung der angeschlossenen Maschine ist da­ durch zuverlässig ausgeschlossen. Durch die Integration des Heizungskreislaufs in das Kühlmittelmischventil ist eine Unterbindung der Kühlmittelumwälzung in der Warmlaufphase möglich, da während der Warmlaufphase auch die Zirkula­ tion des Kühlmittels im Fahrzeug-Innenraumheizungskreislauf unterbunden ist. Der Antrieb des Regelventils kann beispielsweise durch einen elektrisch ange­ triebenen Schrittmotor erfolgen, der signalleitend mit der elektronischen Motor­ steuerung verbunden ist. In Abhängigkeit von Parametern, die in Kennfeldern der elektronischen Motorsteuerung gespeichert sind, kann die Kühlmitteltempe­ ratur während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine auf bedarfsabhängi­ ge Werte eingestellt werden. Dadurch sind Verbrauchs- und Emissionsreduzie­ rungen möglich. Auch eine Bauteiltemperaturregelung, beispielsweise die Tem­ peraturregelung des Zylinderkopfs ist möglich.

Das erfindungsgemäße Regelventil wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Diese zeigen die zu berücksichtigenden Einzelkomponenten teilweise in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Regelventils gezeigt, das die erfindungswesentlichen Merkmale aufweist.

In den Fig. 2 bis 5 ist das in Fig. 1 gezeigte Regelventil in quergeschnittener Darstellung und voneinander abweichenden Einstellungen gezeigt.

In Fig. 6 ist der Ventilkörper aus dem Regelventil gemäß Fig. 1 als Einzelteil in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Regelventils gezeigt, das zur Regelung des Kühlmittelmassenstroms durch ein Flüssigkeits-Kühlsystem einer Verbren­ nungskraftmaschine zur Anwendung gelangt. Das Regelventil umfaßt im we­ sentlichen ein hohlzylindrisches Gehäuse 1, das eine Ventilkammer 2 um­ schließt, wobei innerhalb der Ventilkammer 2 eine Ventilkörper 8 angeordnet ist. Der Ventilkörper 8 ist drehfest mit einer Antriebsachse 19 verbunden und durch einen hier symbolisch angedeuteten Antrieb 9 um die Achse 7 drehbar. Die Ventilkammer 2 ist gegenüber der Umgebung und dem Ventilkörper 8 abgedich­ tet. Die Anschlüsse am Gehäuse 1, die durch einen Zulauf 3 und drei in Fig. 1 nicht dargestellte Abläufe gebildet sind, sind als Rohrstutzen ausgeführt, die flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 1 verbunden sind. Die Abdichtung der Rohr­ stutzen gegenüber dem Ventilkörper 8 erfolgt auf der dem Ventilkörper 8 zuge­ wandten Seite durch eine Dichtung 10, die als Formteil aus PTFE hergestellt ist, wobei die Dichtung 10 auf einem als O-Ring ausgebildeten Federelement 17 in axialer Richtung des Stutzens elastisch nachgiebig abgestützt ist. Die Führung der Antriebsachse 18 innerhalb des Gehäuses 1 erfolgt in Gleitbuchsen 19, um eine möglichst reibungsarme Relativbeweglichkeit des Ventilkörpers 8 bezogen auf das Gehäuse 1 sicherzustellen.

In Fig. 2 ist das in Fig. 1 gezeigte Regelventil in quergeschnittener Darstellung gezeigt. Das Regelventil ist mit einem Zulauf 3 versehen, der in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel flüssigkeitsleitend mit dem Kühlwasseraustritt einer nicht darge­ stellten Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Die Abläufe 4, 5 und 6 ver­ binden die Ventilkammer 2 mit dem Kühlerkreislauf, dem Kurzschlußkreislauf und dem Fahrzeug-Innenraumheizungskreislauf des Kühlsystems. Als Rotations­ begrenzung des Ventilkörpers 8 ist ein Anschlag 20 vorgesehen. Durch die elastische Nachgiebigkeit der als O-Ring ausgebildeten Federelemente 17 sind die aus PTFE bestehenden Dichtungen 10 des Zulaufs 3 und des Ablaufs 4 unter elastischer Vorspannung dichtend mit der Mantelfläche des Ventilkörpers 8 in Eingriff. Der hier dargestellte Betriebszustand, bei dem der Kühlmittelzulauf durch den Zulauf 3 gesperrt ist, bedingt eine kurze Warmlaufphase und eine ra­ sche Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine nach dem Kaltstart. Eine Zir­ kulation des Kühlmittels durch das Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine findet nicht statt.

Mit zunehmender Erwärmung des Kühlmittels und/oder der Bauteile des Motors bewegt sich der Ventilkörper 8 im Uhrzeigersinn vom Anschlag 20 in Richtung "Öffnen des Zulaufs 3", bis der gesamte Öffnungsquerschnitt des Zulaufs 3 freigegeben ist. Die Geometrie des Ventilkörpers 8 und die Anordnung des Zu­ laufs 3 relativ zu den Abläufen 4, 5, 6 bewirken, daß mit vollständig geöffnetem Zulauf 3 auch der Ablauf 5 zum Kurzschlußkreislauf und der Ablauf 6 zum Hei­ zungskreislauf vollständig geöffnet sind. Der Ablauf 4 ist Richtung des Kühler­ kreislaufs ist durch den Ventilkörper 8 verschlossen, um weiterhin eine rasche Erwärmung der Maschine auf die optimale Betriebstemperatur zu erreichen.

Mit weiter zunehmender Temperatur der in der Verbrennungskraftmaschine an­ geordneten Bauteile und/oder des Kühlmittels im Kühlsystem wird der Ventilkör­ per 8 durch den Antrieb 9 weiter in Uhrzeigerrichtung bewegt, bis die Kante 11, die die Abströmkante 13 bildet, einen Teil des Querschnitts des Ablaufs 4 frei­ gibt und die in Umfangsrichtung gegenüberliegende Kante 12 einen Teil des Ablaufs 5 zum Kurzschlußkreislauf verschließt. Ein Teil des im Kühlungssystem zirkulierenden Kühlmittels gelangt durch den Ablauf 4 in den Kühler und wird der Verbrennungskraftmaschine anschließend gekühlt wieder zugeführt.

In Fig. 5 ist der Betriebszustand des Regelventils gezeigt, der sich beispielsweise dann einstellt, wenn die Verbrennungskraftmaschine unter Vollast betrieben wird und maximale Kühlleistung gefordert ist. Die Kante 12 des Ventilkörpers 8 ist mit dem Anschlag 20 in Eingriff und überdeckt den Ablauf 5 des Kurzschluß­ kreislaufs vollständig und dichtend. Um eine maximale Kühlleistung zu erreichen, ist der Ablauf 4 zum Kühler vollständig geöffnet. Das durch den Zulauf 3 in das Regelventil eingespeiste Kühlmittel verteilt sich in diesem Betriebszustand antei­ lig auf den Fahrzeug-Innenraumheizungskreislauf und den Kühlerkreislauf.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsbeispiel eines Ventilkörpers 8 gezeigt, der im vor­ stehend beschriebenen Regelventil zur Anwendung gelangt. Die Kante 11, die als Abströmkante 13 ausgebildet ist, weist eine elliptische Einbuchtung 14 auf, die sich in axialer Richtung zwischen den axialen Begrenzungen 15, 16 des Ventilkörpers 8 erstreckt. Ausgehend von dem Betriebszustand des Regelventils, der in Fig. 2 dargestellt ist, wird der Ventilkörper 8 im Uhrzeigersinn bewegt und gibt, wie in Fig. 3 dargestellt, den Zulauf 3 allmählich frei. Um beim Öffnen des Zulaufs 3 durch eine plötzliche Querschnittserweiterung eine schlagartige Beschleunigung der Strömung und dadurch eine Verringerung des statischen Drucks zu verhindern, ist die Abströmkante 13 mit einer elliptischen Ein­ buchtung 14 versehen. Dadurch werden beim Öffnen des Zulaufs 3 Sogeffekte vermieden, die ein Drehmoment auf den Ventilkörper 8 entgegen der Öffnungs­ richtung bewirken. Die elliptische Einbuchtung 14 bewirkt eine gleichmäßige Öffnungscharakteristik des Ventils bei vergleichsweise geringen Betätigungs­ kräften durch den Antrieb 9.

Claims (7)

1. Regelventil, umfassend ein Gehäuse mit einer zylinderförmigen Ventil­ kammer, wobei die Ventilkammer mit zumindest einem Zulauf und zumin­ dest zwei Abläufen versehen ist, wobei der Zulauf und die Abläufe durch nur einen gemeinsamen, um eine Achse drehbaren und in der Ventilkam­ mer angeordneten Ventilkörper bedarfsweise zumindest teilweise ver­ schließbar sind, wobei der Ventilkörper als Drehschieber ausgebildet und von einem Antrieb betätigbar ist, wobei der Zulauf und/oder zumindest ei­ ner der Abläufe auf der dem Ventilkörper zugewandten Seite des Gehäu­ ses von einer Dichtung umschlossen ist und wobei die Dichtung mit dem Ventilkörper unter elastischer Vorspannung dichtend in Eingriff bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (8) eine Erstreckung in Umfangsrichtung der Ventilkammer (2) aufweist, die jeweils durch eine Kante (11, 12) begrenzt ist, und daß die den Zulauf (3) während seiner Öffnung überfahrende Abströmkante (13) eine sich in axialer Richtung erstreckende, elliptische Einbuchtung (14) aufweist.

2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbuch­ tung (14) den axialen Begrenzungen (15, 16) des Ventilkörpers (8) jeweils mit Abstand benachbart zugeordnet ist.

3. Regelventil nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (8) durch einen elektrisch angetriebenen Schrittmotor betä­ tigbar ist und daß der Schrittmotor signalleitend mit einer elektronischen Regeleinrichtung verbunden ist.

4. Regelventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (10) durch eine ringförmige Formteildichtung aus PTFE gebildet ist und auf der dem Ventilkörper (8) abgewandten Seite auf einem Feder­ element (17) in axialer Richtung der Formteildichtung elastisch nachgiebig abgestützt ist.

5. Regelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder­ element (17) durch einen O-Ring aus elastomerem Werkstoff gebildet ist.

6. Regelventil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (1) einen Zulauf (3) und drei Abläufe (4, 5, 6) aufweist.

7. Verwendung eines Regelventils nach Anspruch 1 bis 6 in einem Flüssig­ keits-Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zulauf (3) flüssigkeitsleitend mit dem Kühlwasseraustritt der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, daß die Auslaßöffnungen (4, 5, 6) mit dem Kühlerkreislauf, dem Kurzschlußkreislauf und dem Kreis­ lauf für die Fahrzeug-Innenraumheizung verbunden sind, daß dem Zulauf (3) der Ablauf (4) zum Kühlerkreislauf einerseits und der Ablauf (6) zum Innenraumheizungskreislauf andererseits in Umfangsrichtung der Ventil­ kammer (2) benachbart zugeordnet sind, daß der Zulauf (3) und die Ab­ läufe (4, 6) für Kühler und Innenraumheizung gemeinsam vollständig ver­ schließbar sind und daß der Ablauf (5) des Kurzschlußkreislaufs nur dann vom Ventilkörper (8) vollständig verschlossen ist, wenn der Zulauf (3) und die in Umfangsrichtung beiderseits angrenzenden Auslässe (4, 6) voll­ ständig durchströmbar sind.