DE4324749A1 - Regelventil - Google Patents
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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.
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