EP3938689A1 - Vorgesteuertes kühlmittelventil - Google Patents

Vorgesteuertes kühlmittelventil

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EP3938689A1
EP3938689A1 EP20714474.2A EP20714474A EP3938689A1 EP 3938689 A1 EP3938689 A1 EP 3938689A1 EP 20714474 A EP20714474 A EP 20714474A EP 3938689 A1 EP3938689 A1 EP 3938689A1
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EP
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piston
control
flow
chamber
inlet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20714474.2A
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Inventor
Sebastian Hurst
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves

Definitions

  • FIG. 1 the coolant valve in longitudinal section
  • a closing piston 15 arranged coaxially with the tappet 12 and with the control piston 13 moves in the pressure chamber 7, the axial end faces 16 and 17 of which on the one hand have a back pressure chamber 18 in which the control bore 9 opens, and on the other hand one Limit the flow space 19 in which the inlet 2 opens.
  • the closing piston 15 is guided in the pressure chamber 7 via a sealing gap between the outer circumferential surface 20 of the closing piston 15 and the inner circumferential surface 21 of the pressure chamber 7.
  • a pressure channel 22 penetrating the closing piston 15 connects the dynamic pressure chamber 18 permanently with the inlet 2, whose opening in the flow chamber 19 is limited by a valve seat 23.
  • the cross-sectional area delimited by the valve seat 23 is smaller than the cross-sectional area of the pressure chamber 7.
  • FIGS. 2a to 2d show the section in the area of the control bore 9 that is relevant for the pilot control of the coolant valve 1. Reference numbers not drawn in there are shown in FIG.
  • FIG. 2a The coolant valve 1 is completely open for maximum flow between the inlet 2 and the outlet 4.
  • the control piston 13 When the actuator 11 is switched off, the control piston 13 is in the retracted position, in which the pressure-relieving connection between the pressure relief chamber 8 and the dynamic pressure chamber 18 is established via the control bore 9.
  • the end face 16 of the closing piston 15 delimiting the dynamic pressure space 18 is spaced from the actuating end face 25 of the control piston 13 and rests with the guided outer diameter area on the partition 26 between the dynamic pressure space 18 and the pressure relief space 8.
  • control bore 9 is just closed by the control piston 13, while the position of the closing piston 15 adjacent to the partition 26 is unchanged compared to Figure 2a.
  • This special case can be modified by an earlier or later contact with the closing piston 15 in relation to the closing of the control bore 9 who the.
  • the control bore 9 is closed by the outer circumferential surface 27 of the control piston 13, which forms a sealing gap with the inner circumferential surface 28 of the control bore 9 (see FIG. 2c).
  • the guidance of the control piston 13 in the control bore 9 can, if necessary, be improved by guide ribs, not shown, which run axially on the side of the closing piston 15 next to the sealing outer jacket surface 27 on the control piston 13.

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Abstract

Vorgeschlagen ist ein vorgesteuertes Kühlmittelventil (1) umfassend: - einen Druckraum (7) mit einem Zulauf (2) und einem Ablauf (4) für das Kühlmittel, - einen Druckentlastungsraum (8), - eine Steuerbohrung (9), die den Druckentlastungsraum mit dem Druckraum verbindet, - einen Druckentlastungskanal (10), der den Druckentlastungsraum permanent mit dem Ablauf verbindet, - einen Aktuator (11) mit einem Stößel (12), - einen vom Stößel in Richtung des Zulaufs hubbetätigten Steuerkolben (13), der die Steuerbohrung bei Hubbetätigung durch den Stößel bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche (27) des Steuerkolbens und der Innenmantelfläche (28) der Steuerbohrung verschließt, - einen im Druckraum verfahrenden Schließkolben (15), dessen axiale Stirnseiten (16, 17) einerseits einen Staudruckraum (18), in dem die Steuerbohrung mündet, und andererseits einen Durchflussraum (19), in dem der Zulauf mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben durchsetzender Druckkanal (22) den Staudruckraum permanent mit dem Zulauf verbindet, - und einen Ventilsitz (23), der die Mündung des Zulaufs im Durchflussraum begrenzt, wobei der Steuerkolben den Schließkolben in Richtung des Ventilsitzes hubbetätigt und wobei der Schließkolben bei verschlossener Steuerbohrung dichtend am Ventilsitz anliegt und die Verbindung des Durchflussraums mit dem Zulauf unterbricht.

Description

Vorgesteuertes Kühlmittelventil
Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Kühlmittelventil, das insbesondere den Kühlmittelfluss durch den Motorblock eines Verbrennungsmotors steuert und Fol gendes umfasst:
- einen Druckraum mit einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmittel,
- einen Druckentlastungsraum
- eine Steuerbohrung, die den Druckentlastungsraum mit dem Druckraum verbin det,
- einen Druckentlastungskanal, der den Druckentlastungsraum permanent mit dem Ablauf verbindet,
- einen Aktuator mit einem Stößel,
- einen vom Stößel in Richtung des Zulaufs hubbetätigten Steuerkolben, der die Steuerbohrung bei Hubbetätigung durch den Stößel verschließt,
- einen im Druckraum verfahrenden Schließkolben, dessen axiale Stirnseiten ei nerseits einen Staudruckraum, in dem die Steuerbohrung mündet, und anderer seits einen Durchflussraum, in dem der Zulauf mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben durchsetzender Druckkanal den Staudruckraum permanent mit dem Zulauf verbindet,
- und einen Ventilsitz, der die Mündung des Zulaufs im Durchflussraum begrenzt. Der Schließkolben liegt bei verschlossener Steuerbohrung dichtend am Ventilsitz an und unterbricht die Verbindung des Durchflussraums mit dem Zulauf.
Ein derartiges Kühlmittelventil ist aus einer nicht vorveröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2017 122 271.5 bekannt. Bei verschlossener Steu erbohrung bewirkt die permanente Verbindung des Staudruckraums mit dem Zu lauf, dass der Schließkolben nur durch den Druck des Kühlmittels in Schließstel lung, d.h. in dichtender Anlage am Ventilsitz verharrt. Die Schließbewegung des Schließkolbens von der offenen in diese geschlossene Ventilstellung wird durch die Differenz der statischen Drücke erzeugt, die seitens des Staudruckraums und - strömungsbedingt in kleinerer Höhe - seitens des Durchflussraums auf die jeweili ge axiale Stirnseite des Schließkolbens wirken.
Die Höhe dieser Druckdifferenz nimmt mit abnehmendem Volumenstrom über den Durchflussraum ab, so dass im Arbeitsbereich kleiner Volumenströme die hydro dynamisch bedingten Druckkräfte auf den Schließkolben nicht mehr ausreichen, um das Kühlmittelventil zu schließen oder ausreichend schnell zu schließen. Dies gilt besonders in dem Fall, in dem der Schließkolben mit der Kraft einer Rückstell feder in Öffnungsrichtung belastet ist.
Weitere vorgesteuerte Ventile sind bekannt aus US 2017/0284277, EP 2 778 364 B1 , DE 11 2013 004 902 T5 und DE 10 2004 014 068 A1.
Die US 6,152,088 A offenbart ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Kühl mittelventil der eingangs genannten Art konstruktiv so zu verbessern, dass das Kühlmittelventil auch bei kleinen Volumenströmen und dementsprechend kleinen Differenzdrücken am Schließkolben ausreichend schnell schließt.
Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll das Kühlmittelventil Folgendes umfassen:
- einen Druckraum mit einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmittel,
- einen Druckentlastungsraum,
- eine Steuerbohrung, die den Druckentlastungsraum mit dem Druckraum verbin det,
- einen Druckentlastungskanal, der den Druckentlastungsraum permanent mit dem Ablauf verbindet,
- einen Aktuator mit einem Stößel,
- einen vom Stößel in Richtung des Zulaufs hubbetätigten Steuerkolben, der die
Steuerbohrung bei Hubbetätigung durch den Stößel bis auf einen radialen Dicht- spalt zwischen der Außenmantelfläche des Steuerkolbens und der Innenmantel fläche der Steuerbohrung verschließt,
- einen im Druckraum verfahrenden Schließkolben, dessen axiale Stirnseiten ei nerseits einen Staudruckraum, in dem die Steuerbohrung mündet, und anderer- seits einen Durchflussraum, in dem der Zulauf mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben durchsetzender Druckkanal den Staudruckraum permanent mit dem Zulauf verbindet,
- und einen Ventilsitz, der die Mündung des Zulaufs im Durchflussraum begrenzt, wobei der Steuerkolben den Schließkolben in Richtung des Ventilsitzes hubbetä- tigt und wobei der Schließkolben bei verschlossener Steuerbohrung dichtend am Ventilsitz anliegt und die Verbindung des Durchflussraums mit dem Zulauf unter bricht.
Das erfindungsgemäße Kühlmittelventil unterscheidet sich von dem eingangs ge- nannten Kühlmittelventil folglich dadurch, dass der Stößel nicht nur den Steuerkol ben, sondern auch den Schließkolben hubbetätigt. Die gleichsam mechanische Betätigung des Schließkolbens durch den Aktuator ergänzt bei kleinen Volumen strömen die für das Schließen des Ventils bzw. dessen Schließgeschwindigkeit unzureichende Druckdifferenz am Schließkolben und wird dadurch ermöglicht, dass der Steuerkolben die Steuerbohrung bis auf einen radialen Dichtspalt zwi schen der Außenmantelfläche des Steuerkolbens und der Innenmantelfläche der Steuerbohrung verschließt und gleichzeitig oder darauffolgend den Schließkolben in Richtung des Ventilsitzes hubbetätigt. Die mechanische Betätigung des Schließkolbens kann in Abhängigkeit der am Schließkolben wirkenden Kräfte- und Druckbilanz
- bezüglich des Kühlmitteldurchflusses entweder nur bei kleinen Volumenströmen oder im gesamten Kennfeld des Kühlmittelventils
und
- bezüglich des Betätigungshubs entweder nur teilweise, d.h. mit beschränktem Initialhub, oder vollständig, d.h. bis zur dichtenden Anlage des Schließkolbens am Ventilsitz erfolgen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Kühlmittelventils teilweise schematisch dargestellt ist. Es zeigen:
Figur 1 das Kühlmittelventil im Längsschnitt;
Figuren 2a - 2d den Schließ- und Öffnungsvorgang des Kühlmittelventils in ver- schiedenen Sequenzen.
Das in Figur 1 dargestellte Kühlmittelventil 1 steuert den Kühlmittelfluss durch den Motorblock eines Verbrennungsmotors. Das Kühlmittelventil 1 ist vorgesteuert und hat einen den Zulauf 2 für das Kühlmittel bildenden Einlassstutzen 3 und einen den Ablauf 4 für das Kühlmittel bildenden Auslassstutzen 5, die an einem Ventil gehäuse 6 befestigt sind. Das Ventilgehäuse 6 hat einen Druckraum 7, an dem der Zulauf 2 und der Ablauf 4 angeschlossen sind, und einen Druckentlastungs raum 8 sowie eine Steuerbohrung 9, die den Druckentlastungsraum 8 mit dem Druckraum 7 verbindet. Der Druckentlastungsraum 8 ist über einen Druckentlas- tungskanal 10 permanent mit dem Ablauf 4 verbunden.
Die Vorsteuerung erfolgt mittels eines Aktuators 11 , der ein elektrisch betätigter Hubmagnet ist und einen im Druckentlastungsraum 8 verfahrenden Stößel 12 um fasst, der einen Steuerkolben 13 in Richtung der Steuerbohrung 9 und des Zulaufs 2 hubbetätigt. Der Steuerkolben 9 ist mit dem Stößel 12 einteilig ausgebildet und mit einer der Hubmagnetkraft entgegengerichteten Federkraft einer Steuerfeder 14 beaufschlagt.
Im Druckraum 7 verfährt ein koaxial zum Stößel 12 und zum Steuerkolben 13 an- geordneter Schließkolben 15, dessen axiale Stirnseiten 16 und 17 einerseits einen Staudruckraum 18, in dem die Steuerbohrung 9 mündet, und andererseits einen Durchflussraum 19, in dem der Zulauf 2 mündet, begrenzen. Die Führung des Schließkolbens 15 im Druckraum 7 erfolgt über einen Dichtspalt zwischen der Au ßenmantelfläche 20 des Schließkolbens 15 und der Innenmantelfläche 21 des Druckraums 7. Ein den Schließkolben 15 durchsetzender Druckkanal 22 verbindet den Staudruckraum 18 permanent mit dem Zulauf 2, dessen Mündung im Durch flussraum 19 durch einen Ventilsitz 23 begrenzt ist. Die vom Ventilsitz 23 begrenz te Querschnittsfläche ist kleiner als die Querschnittsfläche des Druckraums 7.
Im geschlossenen Zustand des Kühlmittelventils 1 liegt der Schließkolben 15 dich- tend am Ventilsitz 23 an und unterbricht die Verbindung des Durchflussraums 19 mit dem Zulauf 2. Eine Kolbenfeder 24 beaufschlagt den Schließkolben 15 in des sen Öffnungsrichtung mit einer vom Zulauf 2 weg gerichteten Federkraft.
Die Funktionsweise des Kühlmittelventils 1 ist nachfolgend anhand der Figuren 2a bis 2d erläutert, die jeweils den für die Vorsteuerung des Kühlmittelventils 1 rele vanten Ausschnitt im Bereich der Steuerbohrung 9 zeigen. Dort nicht eingezeich nete Bezugszahlen sind Figur 1 zu entnehmen.
Figur 2a: Das Kühlmittelventil 1 ist für maximalen Durchfluss zwischen dem Zulauf 2 und dem Ablauf 4 vollständig geöffnet. Der Steuerkolben 13 befindet sich bei abgeschaltetem Aktuator 11 in eingefahrener Position, in der die druckentlastende Verbindung des Druckentlastungsraums 8 mit dem Staudruckraum 18 über die Steuerbohrung 9 hergestellt ist. Die den Staudruckraum 18 begrenzende Stirnsei te 16 des Schließkolbens 15 ist von der betätigenden Stirnseite 25 des Steuerkol- bens 13 beabstandet und liegt mit dem geführten Außendurchmesserbereich an der Trennwand 26 zwischen dem Staudruckraum 18 und dem Druckentlastungs raum 8 an.
Figur 2b: Der Schließvorgang des Kühlmittelventils 1 beginnt damit, dass der Ak- tuator 11 elektrisch bestromt wird und den Stößel 12 mit dem Steuerkolben 13 in Richtung des Schließkolbens 15 entgegen der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Steuerfeder 14 hubbetätigt. Dabei gelangen die Stirnseiten 25 und 16 des ausfahrenden Steuerkolbens 13 bzw. des Schließkolbens 15 in ge genseitig zugkraftfreien Kontakt. Darunter ist zu verstehen, dass im Kontakt Quer- und Druckkräfte, nicht aber Zugkräfte zwischen dem Steuerkolben 13 und dem Schließkolben 15 übertragen werden können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Steuerbohrung 9 vom Steuerkolben 13 gerade verschlossen, während die Position des an der Trennwand 26 anlie genden Schließkolbens 15 gegenüber Figur 2a unverändert ist. Dieser Spezialfall kann durch eine demgegenüber frühere oder spätere Kontaktierung des Schließ kolbens 15 in Bezug auf das Verschließen der Steuerbohrung 9 modifiziert wer den. Das Verschließen der Steuerbohrung 9 erfolgt durch die Außenmantelfläche 27 des Steuerkolbens 13, die mit der Innenmantelfläche 28 der Steuerbohrung 9 einen Dichtspalt bildet (s. Figur 2c). Die Führung des Steuerkolbens 13 in der Steuerbohrung 9 kann erforderlichenfalls durch nicht dargestellte Führungsrippen verbessert werden, die axial seitens des Schließkolbens 15 neben der dichtenden Außenmantelfläche 27 am Steuerkolben 13 verlaufen.
Bei verschlossener Steuerbohrung 9 bewirkt die durch den Kühlmitteldurchfluss über den Durchflussraum 19 hydrodynamisch bedingte Differenz der statischen Drücke, dass die den Staudruckraum 18 begrenzende Stirnseite 16 des (noch) offenen Schließkolbens 15 mit höherem Druck als die den Durchflussraum 19 be grenzende Stirnseite 17 beaufschlagt wird und folglich der Schließkolben 15 in Schließrichtung zum Ventilsitz 23 hin druckkraftbeaufschlagt wird. Bei zu geringem Kühlmitteldurchfluss kann jedoch diese Druckdifferenz zu klein werden, um den Schließkolben 15 entgegen der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichne ten) Kolbenfeder 24, Reibkräften und auch Staudruckkräften aus dem durchflie ßenden Kühlmittel auszufahren und in dichtende Anlage an den Ventilsitz 23 zu bewegen.
Figur 2c: Die auf den Schließkolben 15 wirkende Schließkraft resultiert aus der hydrodynamisch bedingten Druckdifferenz und der mechanischen Kraft, mit der der vom Aktuator 11 hubbetätigte Steuerkolben 13 auf den ausfahrenden Schließ kolben 15 drückt, bis dieser in dichtende Anlage am Ventilsitz 23 gelangt und dort in dessen Schließstellung gehalten wird, in der die Verbindung des Durchfluss- raums 19 mit dem Zulauf 2 unterbrochen ist. Das Halten des Schließkolbens 15 in der Schließstellung erfolgt entweder nur über die Druckkraft im Staudruckraum 18 oder zusätzlich über die elektromagnetische Betätigungskraft des Aktuators 11. Die Druckkraft im Staudruckraum 18 entspricht dem Kühlmitteldruck im Zulauf 2, der über den Druckkanal 22 und eine stirnseitige Sicke 29 im Steuerkolben 13 permanent mit dem Staudruckraum 18 verbunden ist.
Falls die Druckkraft im Staudruckraum 18 alleinig ausreicht, um den Schließkolben 15 in dessen Schließstellung zu halten, kann die elektromagnetische Betätigungs kraft auf den Schließkolben 15 durch Einfahren des Steuerkolbens 13 in eine Posi- tion aufgehoben werden, in der die Steuerbohrung 9 nach wie vor verschlossen ist.
Figur 2d: Der Öffnungsvorgang des Kühlmittelventils 1 beginnt damit, dass der vom Druck im Staudruckraum 18 und von der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Steuerfeder 14 beaufschlagte Steuerkolben 13 vollständig ein fährt. Die sich dabei öffnende Steuerbohrung 9 verbindet den Druckentlastungs raum 8 mit dem Staudruckraum 18, dessen Druck sich über den Druckentlas tungsraum 8 und von dort über den Druckentlastungskanal 10 in den Ablauf 4 ent lastet.
Der von der Federkraft der (im Ausschnitt nicht eingezeichneten) Kolbenfeder 24 und vom Kühlmitteldruck im Zulauf 2 beaufschlagte Schließkolben 15 fährt in des sen Öffnungsstellung gemäß Figur 2a zurück, so dass das Kühlmittelventil 1 er neut für maximalen Durchfluss zwischen dem Zulauf 2 und dem Ablauf 4 geöffnet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorgesteuertes Kühlmittelventil (1 ) umfassend:
- einen Druckraum (7) mit einem Zulauf (2) und einem Ablauf (4) für das Kühlmittel,
- einen Druckentlastungsraum (8),
- eine Steuerbohrung (9), die den Druckentlastungsraum (8) mit dem Druck raum (7) verbindet,
- einen Druckentlastungskanal (10), der den Druckentlastungsraum (8) per- manent mit dem Ablauf (4) verbindet,
- einen Aktuator (11 ) mit einem Stößel (12),
- einen vom Stößel (12) in Richtung des Zulaufs (2) hubbetätigten Steuerkol ben (13), der die Steuerbohrung (9) bei Hubbetätigung durch den Stößel (12) bis auf einen radialen Dichtspalt zwischen der Außenmantelfläche (27) des Steuerkolbens (13) und der Innenmantelfläche (28) der Steuerbohrung (9) verschließt,
- einen im Druckraum (7) verfahrenden Schließkolben (15), dessen axiale Stirnseiten (16, 17) einerseits einen Staudruckraum (18), in dem die Steuer bohrung (9) mündet, und andererseits einen Durchflussraum (19), in dem der Zulauf (2) mündet, begrenzen, wobei ein den Schließkolben (15) durchset zender Druckkanal (22) den Staudruckraum (18) permanent mit dem Zulauf (2) verbindet,
- und einen Ventilsitz (23), der die Mündung des Zulaufs (2) im Durchfluss raum (19) begrenzt,
wobei der Steuerkolben (13) den Schließkolben (15) in Richtung des Ventilsit zes (23) hubbetätigt und wobei der Schließkolben (15) bei verschlossener
Steuerbohrung (9) dichtend am Ventilsitz (23) anliegt und die Verbindung des
Durchflussraums (19) mit dem Zulauf (2) unterbricht.
2. Kühlmittelventil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der
Steuerkolben (13) und der Schließkolben (15) zugkraftfrei kontaktieren.
3. Kühlmittelventil (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (13) einteilig mit dem Stößel (12) ausgebildet ist.
4. Kühlmittelventil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Stößel (12), der Steuerkolben (13) und der Schließ kolben (15) koaxial zueinander angeordnet sind.
5. Kühlmittelventil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11 ) ein elektrisch betätigter Hubmagnet ist.
6. Kühlmittelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (13) und der Schließkolben (15) jeweils mit einer vom Zulauf (2) weg gerichteten Federkraft beaufschlagt sind.
EP20714474.2A 2019-03-14 2020-03-12 Vorgesteuertes kühlmittelventil Withdrawn EP3938689A1 (de)

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