DE102009003894A1

DE102009003894A1 - Flüssigkeitskühlsystem für einen Motor mit innerer Verbrennung

Info

Publication number: DE102009003894A1
Application number: DE102009003894A
Authority: DE
Inventors: Kevin P. Saline O'Flynn; Jody Michael Farmington Hills Slike
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2009-01-02
Publication date: 2009-08-06
Also published as: CN101487415A; CN101487415B; US20090183696A1

Abstract

Ein Flüssigkeitskühlsystem für einen Motor mit innerer Verbrennung enthält eine Kühlmittelpumpe, einen Luft-/Flüssigkeitswärmetauscher und einen Bypass-Kreis, damit das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe zum Motor zirkulieren kann, ohne den Wärmetauscher zu passieren. Ein Thermostatventil ist in einem Thermostatgehäuse installiert und enthält ein temperaturempfindliches Hauptventilelement, und eine Bypass-Strömungssteuerung steuert die Kühlmittelströmung mittels eines federbelasteten Ventiltellers mit einer konischen ringförmigen Dichtoberfläche, die für den linearen Kontakt mit dem Ventilsitz konfiguriert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Offenbarung betrifft ein Flüssigkeitskühlsystem für einen Kolbenmotor mit innerer Verbrennung.
Verwandte Technik
Kraftfahrzeugmotore mit innerer Verbrennung arbeiten unter verschiedenen Temperaturextremen. Die Hauptaufgabe eines Kühlsystems besteht darin, die Betriebstemperatur des Motors in einem ziemlich schmalen Bereich zu halten. Mit strenger werdenden Anforderungen hinsichtlich der Abgasreinigung nimmt die Bedeutung dieser Funktion zu.
Zusätzlich zur Regelung der Grenztemperatur, bei der ein Motor nach dem Warmlaufen arbeitet, sorgt das Kühlsystem wünschenswerterweise für ein rasches Warmlaufen des Motors, um den Innenraum eines Fahrzeugs so rasch wie möglich zu erwärmen. Zu diesem Zweck zirkuliert Kühlmittel durch einen Bypass, wodurch das Kühlmittel den Motor durchströmen kann, ohne den Luft-/Flüssigkeits-Wärmetauscher, der allgemein als Kühler bezeichnet wird, zu passieren. Sobald der Motor die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Strömung durch den Kühler eingeleitet.
Der Übergang von der Strömung durch den Bypass zur Strömung durch den Kühler muss sorgfältig geregelt werden, um unerwünschte instationäre Strömungsbedingungen wie Ventilklappern zu vermeiden, bei dem es sich um einen Zustand handelt, der gekennzeichnet ist durch hochfrequentes Springen des Ventiltellers in seinem Sitz. Dadurch entstand bei bekannten Thermostat-Temperaturreglern ein Problem.
Ein Kühlsystem mit einem Thermostatventil wäre wünschenswert, das eine feinere Regelung der Temperatur und der Strömung des Kühlmittels während des Warmlau fens des Motors erlaubt, vor allem während des Umschaltens von der Bypass-Strömung auf Volldurchströmung durch den Kühler.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Flüssigkeitskühlsystem für einen Motor mit innerer Verbrennung eine Kühlmittelpumpe, einen Luft-/Flüssigkeits-Wärmetauscher und einen Bypass-Kreis, damit das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe zum Motor zirkulieren kann, ohne den Wärmetauscher zu passieren. Ein Thermostatgehäuse ist funktional mit der Kühlmittelpumpe sowie mit dem Wärmetauscher und dem Bypass-Kreis verbunden. Ein Thermostatventil, das im Thermostatgehäuse eingebaut ist, enthält ein temperaturempfindliches Hauptventilelement zum Steuern der Strömung des Kühlmittels zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Wärmetauscher und eine Bypass-Strömungssteuerung, die mit dem Hauptventilelement gekoppelt ist, um die Kühlmittelströmung durch den Bypass zu steuern. Die Bypass-Strömungssteuerung enthält einen elastisch vorgespannten Ventilteller mit einer konischen ringförmigen Dichtoberfläche, die für den linearen Kontakt mit dem Ventilsitz ausgeführt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der Ventilteller außerdem eine Reihe ständig offener Bypass-Öffnungen, die im Ventilteller ausgebildet sind. Der Ventilteller selbst ist auf einem Schaft angebracht, der sich von einem temperaturempfindlichen Element aus erstreckt, das das Hauptventilelement betätigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das Thermostatventil mindestens eine erste Position, in der das Hauptventilelement geschlossen und die Bypass-Strömungssteuerung maximal geöffnet ist, und eine zweite Position, in der das Hauptventilelement offen und die Bypass-Strömungssteuerung minimal geöffnet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Bypass-Strömungssteuerung einen Ventilteller mit einer konischen ringförmigen Dichtoberfläche, die für den linearen Kontakt mit dem im Thermostatgehäuse integrierten Ventilsitz ausgeführt ist. Anders ausgedrückt, enthält die Bypass-Strömungssteuerung einen federbelasteten Ventilteller mit einer kegelstumpfförmigen ringförmigen Dichtoberfläche, die für einen Keilkontakt mit dem Ventilsitz des Thermostatgehäuses ausgeführt ist.
Ein Vorteil eines Flüssigkeitskühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Übergänge zwischen der Bypass-Strömung, bei der der Kühler des Motors nicht beteiligt ist, und der Volldurchströmung, bei der der Kühler mitbeteiligt ist, auf eine solche Weise geregelt werden, dass unerwünschte Temperaturausschläge verhindert werden.
Ein weiterer Vorteil eines Flüssigkeitskühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Thermostatventil im Vergleich zu Ventilen im Stand der Technik überragende Dauerhaftigkeitseigenschaften aufweist.
Für den Leser dieser Beschreibung werden sich noch andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung erschließen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Motors in V-Zylinderblockanordnung mit einem Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht eines Thermostatventils gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das Ventil von 2 befindet sich in der geschlossenen Position bezüglich der Strömung durch den Kühler des Motors, aber das Bypass-Strömungssteuerventil befindet sich in der offenen Position.
3 gleicht 2, zeigt aber das Hauptventilelement des Thermostatventils in der offenen Position, wodurch die Strömung durch den Kühler des Motors möglich ist, wobei aber das Bypass-Strömungssteuerventil in der geschlossenen Position ist, in der nur die Flüssigkeit durch den Bypass durch eine Reihe Öffnungen fließt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1 dargestellt ist, hat der Motor 10 einen Zylinderblock 11, auf dem ein Paar Zylinderköpfe 12 angebracht ist, wobei nur einer der Zylinderköpfe 12 dargestellt ist. Der Motor 10 enthält außerdem eine Kühlmittelpumpe 14, ein Kühlmittelüberführungrohr 16, einen Luft-/Flüssigkeits-Wärmetauscher ("Kühler") 18, und eine Reihe Schläuche. Das Kühlmittel zirkuliert im Allgemeinen von der Wasserpumpe 14 durch den Zylinderblock 11 und nach oben durch die Zylinderköpfe 12. Nach dem Durchströmen der Zylinderköpfe 12 fließt das Kühlmittel in das Thermostatgehäuse 26, das wie seine Bezeichnung nahe legt, eine Anbaustelle für das Thermostatventil 34 einschließlich eines Bypass-Ventilsitzes 72 bereitstellt (2 und 3). Wenn sich das Thermostatventil 34 in der in 3 dargestellten offenen Position befindet, fließt das Kühlmittel durch das Thermostatventil 34 nach oben, dann durch den Kühlmittelauslass 30 und den oberen Kühlerschlauch 20 und schließlich in den Kühler 18. Das gekühlte Fluid fließt dann durch den unteren Kühlerschlauch 24 und dann durch die Wasserpumpe 14. Nach dem Austritt aus der Wasserpumpe 14 fließt das Fluid wie oben beschrieben durch den Zylinderblock 11 zurück.
Wenn der Motor 10 unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur arbeitet, lässt das Thermostatventil 34 keine Kühlmittelströmung durch den Kühlerschlauch 20 und in den Kühler 18 zu. Das Kühlmittel fließt stattdessen durch einen Bypass-Kreis 22, der mit einem Durchgang zur und von der Wasserpumpe 14, durch die Zylinderköpfe 12 und den Zylinderblock 11, aber ohne Strömung durch den Kühler 18 dargestellt ist. Diese Bypass-Strömung ermöglicht eine raschere Erwärmung des Motors 10. 2 zeigt das Ventil 34 im Zustand bei niedrigerer Temperatur, in dem das Ventil 34 bezüglich der Strömung zum Kühler 18 geschlossen ist. In 2 wird also das Hauptventil 46 mittels der Hauptfeder 54 in Kontakt mit dem Ventilkäfig 50 gehalten. Es ist zu beachten, dass 2 auch den elastisch vorgespannten Bypass-Ventilteller 58, der gleitend auf einem Schaft 52 sitzt, in der vollständig offenen Position zeigt. Dies gestattet eine maximale Strömung durch den Bypass-Kreis 22.
Das Hauptventilelement 38 hat einen temperaturempfindlichen Motor in Form eines Wachspelletmotors 42, der einen Kolben 44 hat. Wenn der Motor 10 kalt ist, befindet sich der Wachspelletmotor 42 in der eingefahrenen Position, so dass das Hauptventilelement 46 die Strömung zum Kühler 18 sperren kann. Sobald der Motor 10 eine höhere Betriebstemperatur erreicht hat, wird jedoch wie aus 3 ersichtlich ist, der Kolben 44 aus dem Wachspelletmotor 42 ausgefahren, was dazu führt, dass das Hauptventilelement 46 nun vom Ventilkäfig 50 abgehoben ist, wodurch eine Strömung durch den Wasserauslass 30 und den oberen Kühlerschlauch 20 zum Kühler 18 möglich ist.
Nunmehr sei erneut auf 2 verwiesen, aus der ersichtlich ist, dass die kegelstumpfförmige ringförmige Dichtoberfläche 64 des Ventiltellers 58 nicht in Kontakt mit dem Ventilsitz 72 steht, wodurch eine Bypass-Strömung durch den Bypass-Kreis 22 und deshalb eine rasche Erwärmung des Motors 10 möglich ist. Geht man jedoch wieder zu 3 zurück, zeigt sich, dass aufgrund der Wirkung des Wachspelletmotors 42 und vor allem des Kolbens 44 der Bypass-Ventilteller 58 nunmehr ela stisch in Kontakt mit dem Ventilsitz 72 gepresst wird, so dass die Kraft der Feder 62 die kegelstumpfförmige Dichtoberfläche 64 in Kontakt mit dem Ventilsitz 72 hält.
Wenn das Thermostatventilelement 34 die in 3 dargestellte Position einnimmt, wird eine minimale Strömung durch die Bypass-Öffnungen 68 zugelassen, die im Bypass-Ventilteller 58 ausgebildet sind. Die Öffnungen 68 sind von Bedeutung, da sie selbst dann eine minimale Strömung durch den Motor 10 zulassen, wenn das Thermostatventilelement 34 fehlerhaft arbeiten und nicht korrekt öffnen würde. Die Öffnungen 68 unterstützen außerdem einen "sanften" Temperaturübergang, da sie ein zu rasches Schließen des Ventiltellers 58 verhindern. Außerdem trägt die kegelstumpfförmige Dichtoberfläche 64 dazu bei, zu verhindern, dass der Ventilteller 58 auf instabile Weise schließt, indem sie die auf den Ventilteller 58 wirkenden Druckkräfte mindert. Dies wiederum verbessert die Dauerhaftigkeit des Thermostatventilelements 34.
Dies zeigt, dass der Wachspelletmotor 42 als ein wärmeempfindlicher linearer Aktor fungiert, der den Bypass-Ventilteller 58 gegen den Sitz 72 positioniert. Wie oben angegeben wird der Bypass-Ventilteller 58 durch die als elastisches Element dienende Bypass-Feder 62 in Kontakt mit dem Sitz 72 gehalten, wenn sich das Thermostatventilelement 34 in der in 3 dargestellten Position befindet.
Obwohl das Thermostatventilelement 34 mit einer ersten Position, in der das Hauptventilelement 46 geschlossen und der Bypass-Ventilteller 58 offen ist, und einer zweiten Position, in der das Hauptventilelement 46 offen und der Bypass-Ventilteller 58 minimal geöffnet, aber gegen den Sitz 72 geschlossen ist, können auch andere Typen thermostatgeregelter Vorrichtungen das vorliegende temperaturempfindliche Hauptventilelement sowie den Bypass-Ventilteller in zahlreichen Einbauorten oder Einsatzkonfigurationen nutzen.
Die oben stehende Erfindung ist gemäß den relevanten gesetzlichen Normen beschrieben worden und somit von eher beispielhafter als einschränkender Natur. Für den Fachmann können sich Variationen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform ergeben, die in den Gültigkeitsbereich der Erfindung fallen. Der Umfang des dieser Erfindung gewährten gesetzlichen Schutzes kann sich deshalb nur aus den nachfolgenden Ansprüchen bestimmen lassen.

Claims

Flüssigkeitskühlsystem für einen Verbrennungsmotor (10) aufweisend: eine Kühlmittelpumpe (14); einen Luft-/Flüssigkeits-Wärmetauscher (18); einen Bypass-Kreis (22), der dem Kühlmittel die Zirkulation von der Kühlmittelpumpe (14) zum Motor (10) gestattet, ohne den Wärmetauscher (18) zu durchströmen; ein Thermostatgehäuse (26), das funktional mit der Kühlmittelpumpe (14) sowie mit dem Wärmetauscher (18) und dem Bypass-Kreis (22) verbunden ist; und ein Thermostatventil (34), das im Thermostatgehäuse (26) installiert ist, wobei das Thermostatventil (34) aufweist: ein temperaturempfindliches Hauptventilelement (46) zur Steuerung der Kühlmittelströmung zwischen der Kühlmittelpumpe (14) und dem Wärmetauscher (18); und eine Bypass-Strömungssteuervorrichtung, die mit dem Hauptventilelement gekoppelt ist, um die Kühlmittelströmung durch den Bypass zu steuern, wobei die Bypass-Strömungssteuervorrichtung einen elastisch vorgespannten Ventilteller (58) mit einer konischen ringförmigen Dichtoberfläche (64) aufweist, die für den linearen Kontakt mit einem Ventilsitz (72) konfiguriert ist.
Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1, bei dem der Ventilteller ferner eine Mehrzahl ständig offener Bypass-Öffnungen aufweist, die im Ventilteller ausgebildet sind.
Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Ventilteller auf einem Schaft angebracht ist, der sich von einem temperaturempfindlichen Element aus erstreckt, das das Hauptventilelement betätigt.
Flüssigkeitskühlsystem nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem der Ventilsitz im Thermostatgehäuse integriert ist.
Flüssigkeitskühlsystem nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem das Thermostatventil mindestens eine erste Position, in der das Hauptventilelement geschlossen und die Bypass-Strömungssteuerung maximal geöffnet ist, und eine zweite Position aufweist, in der das Hauptventilelement offen und die Bypass-Strömungssteuerung minimal geöffnet ist.
Flüssigkeitskühlsystem nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem der Ventilteller federbelastet ist.
Thermostatventil zur Verwendung in einem Kühlsystem eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors, aufweisend: ein temperaturempfindliches Hauptventilelement zur Steuerung der Kühlmittelströmung zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Wärmetauscher; und eine Bypass-Strömungssteuerung, die mit dem Hauptventilelement gekoppelt ist, um die Kühlmittelströmung durch einen Bypass zur Vorerwärmung zu steuern, wobei die Bypass-Strömungssteuerung einen Ventilteller mit einer konischen ringförmigen Dichtfläche aufweist, die für einen linearen Kontakt mit einem Ventilsitz konfiguriert ist.
Thermostatventil nach Anspruch 7, bei dem das Hauptventilelement durch ein elastisches Element normalerweise in der geschlossenen Position gehalten und durch einen wärmeempfindlichen linearen Aktor geöffnet wird.
Thermostatventil nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Ventilteller so konfiguriert ist, dass eine partielle Strömung um den Teller zugelassen wird, wenn der Teller mit einem Ventilsitz in Kontakt steht.
Thermostatventil zur Verwendung in einem Kühlsystem eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors, aufweisend: ein temperaturempfindliches, linear betätigtes Tellerhauptventil zur Steuerung der Kühlmittelströmung zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Wärmetauscher; und eine Bypass-Strömungssteuerung, die mit dem Tellerventil elastisch gekoppelt ist, um die Kühlmittelströmung durch den Bypass zur Vorerwärmung zu steuern, wobei die Bypass-Strömungssteuerung einen elastisch vorgespannten Ventilteller mit einer kegelstumpfförmigen ringförmigen Dichtoberfläche hat, die für einen linearen Keilkontakt mit einem Ventilsitz konfiguriert ist.
Thermostatventil nach Anspruch 10, bei dem der elastisch vorgespannte Ventilteller für den Kontakt mit einem in einem Thermostatgehäuse integrierten Ventilsitz konfiguriert ist.
Thermostatventil nach Anspruch 10, dem der elastisch vorgespannte Ventilteller federbelastet ist.