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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung innerhalb
einer Strömungsleitung
eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen, mit einer derartigen
Ventileinrichtung ausgestatteten Verbrennungsmotor sowie ein, mit
einem derartigen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Ein
Großteil
der Energie von Förderpumpen in
Kreisläufen
von Verbrennungsmotoren, bspw. in Öl- oder Kühlkreisläufen, wird üblicherweise dadurch verbraucht,
dass die Förderpumpe
gegen Strömungswiderstände fördern muss.
Untersuchungen haben dabei gezeigt, dass lediglich 10% der Förderenergie
einer Förderpumpe
für die
eigentliche Förderung
der Flüssigkeit
verwendet werden, während 90%
der Förderenergie
für das Überwinden
der Strömungswiderstände innerhalb
des Kreislaufs aufgezehrt werden.
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Die
Erfindung beschäftigt
sich daher mit dem Problem, für
eine Ventileinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder
zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, die insbesondere den Einsatz leistungsschwächerer Förderpumpen bei
gleicher Förderleistung
ermöglicht.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine gattungsgemäße Ventileinrichtung derart
auszubilden, dass sie zumindest in vollständig geöffnetem Zustand keinen oder
nur einen äußerst geringen
Strömungswiderstand
bietet. Die Ventileinrichtung kann dabei in bekannter Weise innerhalb
einer Strömungsleitung
eines Verbrennungsmotors, insbesondere innerhalb eines Kühl- oder Ölkreislaufs,
angeordnet sein. Im Unterschied zu herkömmlichen Ventileinrichtungen,
bei welchen auch in vollständig
geöffnetem
Zustand, ein Ventilkörper
noch in einen Strömungsquerschnitt
hineinragt und dadurch einen nicht zu unterschätzenden Strömungswiderstand erzeugt, ist
die erfindungsgemäße Ventileinrichtung
derart ausgebildet, dass ein derartiger Ventilkörper bei vollständig geöffneter
Ventileinrichtung vollständig
außerhalb
des Strömungsquerschnitts
zu liegen kommt und dadurch die Ventileinrichtung vorzugsweise keinen
Strömungswiderstand
mehr bietet. Durch die hohe Anzahl an Ventileinrichtungen in Kreisläufen von
Verbrennungsmotoren, können
sich jeweils nur geringe Strömungswiderstände aufsummieren
und dadurch eine Pumpenleistung zur Förderung einer durch die Strömungsleitungen
fließenden Flüssigkeit
erforderlich machen, die einen Hauptteil ihrer Förderleistung dafür benötigt, um
die im Strömungsleitungsnetz
vorhandenen Strömungswiderstände zu überwinden.
Werden jedoch beispielsweise die Ventileinrichtungen strömungstechnisch
derart ausgelegt, dass sie im geöffnetem
Zustand vorzugsweise gar keinen Strömungswiderstand mehr bieten, kann
die von der Förderpumpe
zum Überwinden
der Strömungswiderstände aufzubringende
Förderleistung
gering gehalten und damit die Förderpumpe
bei an sich gleicher Förderleistung
kleiner dimensioniert werden, wodurch insbesondere Kosten und Bauraumvorteile
realisiert werden können.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist
die Ventileinrichtung eine drehbare Lochwalze auf. Die drehbare Lochwalze
ist dabei leicht gelagert, so dass zum Verstellen derselben äußerst wenig
Energie aufgewendet werden muss. Die Lochwalze ist darüber hinaus derart
konzipiert, dass sie zumindest ein Durchgangsloch aufweist, welches
bei geöffneter
Ventileinrichtung mit der Strömungsleitung
fluchtend kommuniziert, so dass die Ventileinrichtung selbst in
deren geöffnetem
Zustand nahezu keinen Strömungswiderstand
für die
strömende
Flüssigkeit
darstellt. Durch ein Verdrehen der Walze, was – wie vorher beschrieben – äußerst einfach
und energiearm möglich
ist, wird das zunächst
fluchtend zur Strömungsleitung angeordnete
Durchgangsloch verdreht und irgendwann verschlossen, so dass ein
Strömungsfluss durch
die Ventileinrichtung unterbrochen ist. Mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung
ist es vorzugsweise möglich,
in deren geöffnetem
Zustand, eine Druckdifferenz Δp
von ungefähr
Null zu erhalten, wobei die Druckdifferenz Δp eine Differenz eines Fluiddrucks
vor und nach der Ventileinrichtung darstellt. Durch den insgesamt
geringeren Strömungswiderstand
bei der Verwendung derartiger Ventileinrichtungen, ist es möglich, die
für die
Förderung
der Flüssigkeiten
verantwortlichen Pumpen kleiner zu dimensionieren und dadurch einerseits
Energie und andererseits Bauraum einsparen zu können. Insbesondere verbessert
sich mit dem Einsatz einer derartigen Ventileinrichtung die CO2-Bilanz eines damit ausgestatteten Verbrennungsmotors,
da die Pumpe nunmehr ihre Leistung hauptsächlich zur Förderung
der Flüssigkeit
und nicht, wie bisher üblich,
zur Überwindung der
leitungsinternen Strömungswiderstände aufbringen
muss.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist
die Ventileinrichtung zumindest einen Ventilkolben auf, der bei
vollständig
geöffneter
Ventileinrichtung nicht in einen Querschnitt der Strömungsleitung
hineinragt. Der zumindest eine Ventilkolben ist dabei vorzugsweise quer
zur Strömungsrichtung
verstellbar und wird bei vollständig
geöffneter
Ventileinrichtung außerhalb des
Strömungsquerschnitts
positioniert. Hierdurch erzeugt auch der Ventilkolben keinen Strömungswiderstand
und reduziert dadurch die üblicherweise
bei derartigen Ventileinrichtungen auftretende Druckdifferenz Δp. Selbstverständlich sind
Lochwalze und Ventilkolben lediglich zwei, rein exemplarisch zu
betrachtende, Ausführungsformen
der Ventileinrichtung, so dass auch andere dreh-, schwenk- oder translatorisch
verstellbare Ventilkörper
denkbar sind, denen jedoch allen gemein ist, dass sie bei vollständig geöffneter
Ventileinrichtung den Strömungsquerschnitt
nicht beeinflussen, insbesondere nicht in diesen hineinragen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
mögliche
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ventileinrichtung,
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
mit einer als Kugelventil ausgebildeten Ventileinrichtung,
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4a die als Kugelventil ausgebildete Ventileinrichtung
in geöffnetem
Zustand,
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4b die als Kugelventil ausgebildete Ventileinrichtung
in geschlossenem Zustand.
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Entsprechend
den 1 und 2, ist in einer Strömungsleitung 1 eines
Kreislaufs, bspw. eines Kühl-
oder Ölkreislaufs
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung 2 angeordnet.
Bei den gemäß den 1 und 2 gewählten Darstellungen,
befindet sich die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 2,
jeweils in einer Bypassleitung 3 zu einer Wärmetauschereinrichtung 4.
Erfindungsgemäß ist nun
die Ventileinrichtung 2 derart ausgebildet, dass sie zumindest
in geöffnetem
Zustand keinen oder nur einen äußerst geringen
Strömungswiderstand
aufweist bzw. bildet.
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Hierzu
kann die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 2 bspw.
eine drehbare Lochwalze 5 aufweisen, wie dies gemäß der 1 dargestellt
ist. Die Lochwalze 5 besitzt dabei zumindest ein Durchgangsloch 6,
welches vorzugsweise einen, zum Innendurchmesser der Strömungsleitung 1,
in diesem Fall zur Bypassleitung 3, fluchtenden Innendurchmesser
aufweist. Die Lochwalze 5 ist dabei gemäß der 1 im Wesentlichen
quer zur Bypassleitung 3 angeordnet und über besonders
leichtgängige
Lager 7 und 7' gelagert.
Befindet sich die Ventileinrichtung 2 in vollständig geöffnetem
Zustand, so ist das Durchgangsloch 6 der Lagerwalze 5 fluchtend
zur Bypassleitung 3 angeordnet und erzeugt dadurch keinen
oder lediglich einen äußerst geringen
Strömungswiderstand.
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Betrachtet
man moderne Kühl-
bzw. Ölkreisläufe in Kraftfahrzeugen,
so sind in deren Verlauf jeweils eine Vielzahl von Ventileinrichtungen
angeordnet, die je nach Ausführungsform
einen nicht zu unterschätzenden
Strömungswiderstand darstellen. Dies
geht soweit, dass eine nicht gezeigte Pumpe zur Förderung
von Flüssigkeit,
bspw. Kühlmittel
oder Öl, 90%
ihrer Leistung nicht zur Förderung
der Flüssigkeit,
sondern zur Überwindung
der im Leitungssystem vorhandenen Strömungswiderstände benötigt. Ist
es somit möglich,
den Strömungswiderstand
in der Strömungsleitung 1 bzw.
im gesamten Leitungsnetz zu reduzieren, so kann die Leistung der
Pumpen insgesamt kleiner gewählt
werden, was sich ebenfalls positiv auf eine Energie und CO2-Bilanz auswirkt. Derartig kleinere Pumpen
benötigen
auch einen geringeren Bauraumbedarf, was heutzutage im Hinblick auf
ein immer enger werdendes Bauraumangebot in modernen Motorräumen ebenfalls
von großem
Vorteil ist.
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Betrachtet
man die Ventileinrichtung 2 gemäß der 1, so ist
erkennbar, dass eine Lagerachse der Lagerwalze 5 im Wesentlichen
quer zur Strömungsleitung 1 bzw.
quer zur Bypassleitung 3 verläuft, ebenso wie das zumindest
eine Durchgangsloch 6 in der Lochwalze 5. Dies
ermöglicht
ein besonders energiearmes Verdrehen der Lochwalze 6 zum Öffnen bzw.
Schließen
der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 2.
Bei der gemäß der 2 gezeigten
Ausführungsform
der Ventileinrichtung 2, weist diese einen Ventilkolben 8 auf,
der bei vollständig
geöffneter
Ventileinrichtung 2 nicht in einen Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung 1 bzw.
der Bypassleitung 3 hineinragt. Auch so kann eine Reduzierung des
Strömungswiderstands
bei geöffneter
Ventileinrichtung 2 erreicht werden. Generell können dabei die
Ventileinrichtungen 2 bspw. als Thermostatventile, als
Bypassventile oder als Druckregelventile ausgebildet sein, zu deren
Betätigung,
dass heißt
zum Öffnen
und Schließen
der Ventileinrichtung 2, bspw. ein Kennfeldthermostat,
eine Magneteinrichtung und/oder ein elektrischer Motor vorgesehen
sind.
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Gemäß den 3 und 4 ist
eine Ausführungsform
der Ventileinrichtung 2 gezeigt, bei welcher diese als
Kugelventil ausgebildet ist. Kugelventile haben eine durchbohrte
Kugel 9 als Absperrkörper.
In den meisten Fällen
werden sie als Absperrventile eingesetzt. Im Sanitärbereich
wird häufig auch
von Kugelhähnen
gesprochen. Eine Bohrung in der Kugel 9 entspricht in etwa
dem Innendurchmesser der Bypassleitung 3, wodurch sich
geringe Strömungsverluste
ergeben. Die Betätigung,
das heißt ein
Verdrehen der Kugel 9 erfordert üblicherweise einen 90°-Drehantrieb 10 (vgl. 3).
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Zu
beachten ist dabei, dass Temperaturänderungen in der Flüssigkeit
auf ein Volumen innerhalb der Kugel 9 im abgesperrten Zustand
einen so hohen hydraulischen Druck erzeugen können, dass diese platzt. Abhilfe
kann beispielsweise eine kleine Entlastungsbohrung schaffen. Generell
gibt es Kugelventile mit schwimmender Kugel 9 oder mit
geführter
Kugel 9. Zwischen Kugel 9 und einem Ventilgehäuse sind
in der Regel Dichtringe aus Kunststoff (häufig PTFE) eingebaut. Beim
Konstruktionsprinzip ”geführte Kugel” ist dabei
nur ein Dichtring erforderlich.
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Generell
lässt sich
mit den erfindungsgemäßen Ventileinrichtungen 2 ein
Strömungswiderstand innerhalb
eines Strömungsleitungsnetz
reduzieren, wodurch zum einen weniger Energie zum Fördern der
in dem Strömungsleitungsnetz
strömenden
Flüssigkeit
erfordert wird und zum anderen die für die Förderung der Flüssigkeit
erforderliche Förderpumpe kleiner
dimensioniert werden kann. Insgesamt kann dadurch der Wirkungsgrad
der Pumpe bzw. des Strömungsleitungsnetzes
verbessert werden, wodurch sich auch die Energiebilanz und insbesondere
die CO2-Bilanz positiv entwickelt.