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Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil für ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors.
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Thermostatventile werden eingesetzt, um im Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors die Kühlmitteltemperatur zu regeln. In gängigen Kühlkreisläufen gibt es einen sogenannten kleinen Kühlkreislauf, bei dem das Kühlmittel durch den Motor, aber nicht durch den Kühler eines Fahrzeugs geleitet wird, und den großen Kühlkreislauf, bei dem sowohl der Motor als auch der Kühler durchströmt werden, wobei im Kühler das Kühlmittel die aus dem Motor aufgenommene Wärme wieder abgibt. Um die Strömungsverbindungen zwischen den Teilbereichen des Kühlkreislaufs zu öffnen und zu schließen, weist das Thermostatventil ein temperaturempfindliches Thermostatelement auf, das einen Ventilteller hebt und senkt, der einen kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass öffnet bzw. schließt.
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1 zeigt ein herkömmliches Thermostatventil 10 mit einem Thermostatgehäuse 12, in dem ein motorseitiger Kühlmittel-Einlass 14 und ein kühlerseitiger Kühlmittel-Einlass 16 vorgesehen sind, die sich gegenüberliegen. Im Thermostatgehäuse 12 ist außerdem ein seitlich angeordneter, zum Motor führender Kühlmittel-Auslass 18 vorgesehen. Ein Thermostatelement 20, das eine Längsachse A definiert, ist im Wesentlichen zentriert zu den Kühlmittel-Einlässen 14, 16 im Thermostatgehäuse 12 ausgerichtet. Ein Ventilteller 22 ist fest mit dem Thermostatelement 20 verbunden und kann den kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass 16 verschließen und freigeben, indem es auf einem Ventilsitzes 24 aufliegt oder sich von diesem löst. Außerdem ist ein zweiter Ventilteller 26 fest mit dem Thermostatelement 20 verbunden, der den motorseitigen Kühlmittel-Einlass 14 freigeben oder verschließen kann.
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Bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen ist der kühlerseitige Kühlmittel-Einlass 16 verschlossen, während der motorseitige Kühlmittel-Einlass 14 geöffnet ist, sodass nur der kleine Kühlkreislauf durchströmt wird. Dehnt sich das Thermostatelement 20 mit steigender Temperatur aus, so werden die beiden Ventilteller 22, 26 verschoben (in der Figur nach oben). Mit steigender Temperatur wird daher der motorseitige Kühlmittel-Einlass 14 verschlossen, während der kühlerseitige Kühlmittel-Einlass 16 geöffnet wird, um vom kleinen Kühlkreislauf auf den großen Kühlkreislauf umzuschalten.
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Aufgrund von Bauteiltoleranzen des Ventiltellers 22 und/oder des Ventilsitzes 24 kommt es oft zu einer geringfügigen, ungewollten Schiefstellung des Ventiltellers 22 bzw. des Ventilsitzes 24. Dies kann in einem Grenzfall dazu führen, dass in einem ersten Hubbereich des Ventiltellers 22 beim Öffnen des kühlerseitigen Kühlmittel-Einlasses 16 ungewollt bereits ein Spalt 28 zwischen dem Ventilteller 22 und dem Ventilsitz 24 entsteht, durch den kaltes Kühlmittel vom Kühler in das Thermostatventil einströmt und das Thermostatelement 20 umströmt, bevor es durch den motorseitigen Auslass des Thermostatventils 10 abströmt. Bei diesem in 1 dargestellten Grenzfall hat der Ventilteller 22 aufgrund der Bauteiltoleranzen eine maximale Schrägstellung mit einem Winkel αT gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse A, wobei der Ventilteller 22 so im Thermostatgehäuse 12 ausgerichtet ist, dass der Winkel αT und somit der resultierende Spalt 28 zwischen dem Ventilteller 22 und dessen Ventilsitz 24 zur Wand des Thermostatgehäuses 12 und weg vom Kühlmittel-Auslass 18 geöffnet ist.
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In diesem Fall wird die Temperaturreaktion des Thermostatventils verfälscht, da das vom Motor rückströmende Kühlmittel, das eigentlich die Regeltemperatur vorgeben soll, verdrängt bzw. mit kaltem Kühlmittel gemischt wird. Aufgrund der resultierenden kalten Kühlmittelströmung um das Thermostatelement verschiebt sich die Schalttemperatur des Thermostatventils um den Betrag ΔT nach oben. Die Kühlmitteltemperatur am Thermostatelement liegt daher niedriger als die Temperatur des vom Motor zurückströmenden Kühlmittels, sodass der tatsächliche Schaltpunkt des Thermostatventils bei einer unerwünscht hohen Temperatur liegen kann.
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Der Temperaturunterschied ist im Vergleich in den 2a und 2b dargestellt, wobei 2a eine Temperatur-Zeit-Kennlinie bis zum Schaltpunkt S des Thermostatventils 10 für einen ideal ausgerichteten Ventilteller 22 (αT = 0°) zeigt. 2b hingegen zeigt die in 1 dargestellte Situation, bei der die maximale Bauteiltoleranz, also ein maximal großer Winkel αT sowie eine Schrägstellung des Ventiltellers 22 in Richtung zur Wand des Thermostatgehäuses 12 kombiniert sind. Die Abweichung ΔT kann bis zu 5°C betragen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die durch Bauteiltoleranzen hervorgerufene Streuung der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Motor und der Schalttemperatur des Thermostatventils zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird ein Thermostatventil für ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, mit einem Thermostatgehäuse, das einen motorseitigen und einen kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass aufweist, die sich gegenüberliegen. Das Thermostatventil hat ferner einen seitlichen Kühlmittel-Auslass, der zum Verbrennungsmotor führt, und einen Ventilteller, der eine mit einem Ventilsitz des kühlerseitigen Kühlmittel-Einlasses zusammenwirkende, dem Ventilsitz gegenüberliegende Stirnfläche hat und der zwischen dem kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass und einem im Thermostatgehäuse angeordneten Thermostatelement liegt, wobei eine Schaltrichtung des Ventiltellers eine Längsachse definiert. Der Ventilteller hat einen Scheibenteil und ein mit diesem verbundenes Leitelement am Außenrand des Scheibenteils, wobei das Leitelement außenseitig eine Abweiserfläche hat, die das Thermostatelement vor direkter oder zu starker Anströmung durch die kalte Strömung schützt. Dadurch kann eine stärkere Vermischung des kühlerseitigen, relativ kalten Kühlmittels mit motorseitigem, relativ warmem Kühlmittel vor einem Kontakt mit dem Thermostatelement erreicht werden, was einen Kontakt von unvermischtem, kaltem Kühlmittel mit dem Thermostat – und damit eine unerwünschte Streuung der Schalttemperatur des Thermostatventils – minimieren kann.
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Die Abweiserfläche kann von der Stirnfläche weg zum motorseitigen Kühlmittel-Einlass hin und zusätzlich von der Längsachse weg verlaufen, wodurch das aus dem kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass ausströmende Kühlmittel seitlich von der Längsachse des Thermostatelements weg geleitet wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Leitelement als geschlossen umlaufender Bund ausgebildet ist, insbesondere wobei der Bund ein sich zu seinem freien Rand aufweitender Trichter ist, wodurch unabhängig von der Winkellage der toleranzbedingten Schrägstellung des Ventilsitzes und/oder des Ventiltellers kaltes Kühlmittel von dem Thermostatelement weg geleitet werden kann. Alternativ hierzu kann der Bund aber auch nur abschnittsweise am Umfang der Ventilscheibe vorgesehen sein und damit bereits eine Abschirmungswirkung ausüben.
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Durch die Erfindung kann optional eine Beschleunigung der Strömung des relativ kalten Kühlmittels aus dem kühlerseitigen Kühlmittel-Auslass gegenüber dem relativ warmen Kühlmittel aus dem motorseitigen Kühlmittel-Auslass erreicht werden, um eine gute Durchmischung sicherzustellen, bevor das gemischte Wasser zum Thermostatelement fließen kann
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Zusätzlich kann das Leitelement einen sich in Richtung zum motorseitigen Kühl-Einlass erweiternden Querschnitt aufweisen, wodurch eine Mischung von Kühlmittel aus beiden Kühlmittel-Einlässen weiter unterstützt wird.
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Vorzugsweise ist eine äußere Seitenfläche des Leitelements als wenigstens ein Teil der Abweiserfläche ausgebildet. Das Scheibenteil und/oder das Leitelement können in einer Ausführung auch einstückig miteinander verbunden sein.
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Gemäß einer Weiterbildung grenzt die Abweiserfläche an den Außenrand des Scheibenteils an und weist in einem von dem Scheibenteil in Richtung der Längsachse beabstandeten Bereich einen Durchmesser auf, welcher mehr als 110%, vorzugsweise wenigstens 125%, des Außendurchmessers des Scheibenteils und/oder des Ventiltellers beträgt. Dadurch kann das seitliche Ablenken des Kühlmittels sichergestellt werden.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich das Thermostatelement vom Scheibenteil aus im Wesentlichen in Richtung der Längsachse zum motorseitigen Kühlmittel-Einlass.
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Gemäß einer Weiterbildung ist eine Winkeltoleranz des Ventilsitzes und/oder der zugeordneten Stirnfläche am Ventilteller relativ zu einer Ebene senkrecht zur Längsachse vorgesehen. Bei jedem Winkel innerhalb der Winkeltoleranz, vorzugsweise auch in jeder Drehlage des Winkels um die Längsachse, ist ein radial äußerster Punkt der Abweiserfläche weiter von der Längsachse beabstandet als ein radialer Innenradius des Ventilsitzes. Dadurch ist sichergestellt, dass das kühlerseitige Kühlmittel vor einem Kontakt mit dem Thermostatelement zuerst seitlich davon weggeleitet wird. Durch die Strömungsverhältnisse in dem Thermostatgehäuse kann damit eine stärkere Durchmischung von Kühlmittel aus den beiden Einlässen sichergestellt werden, insbesondere wenn die Winkeltoleranz so ausgebildet ist, dass das kühlerseitige Kühlmittel zuerst auf der dem Kühlmittel-Auslass abgewandten Seite in das Ventil einströmt.
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Dieser Vorteil kann auch erreicht oder verstärkt werden, indem zusätzlich oder alternativ die Abweiserfläche bezüglich einer senkrecht zur Stirnfläche verlaufenden Mittelachse rotationssymmetrisch ist und sich vom Scheibenteil zu einem radial äußersten Punkt der Abweiserfläche durchschnittlich um einen Winkel bezüglich der Mittelachse aufweitet, welcher, vorzugsweise um ein Mehr- oder Vielfaches, größer ist als die Winkeltoleranz, wobei die Abweiserfläche in einem Radialschnitt eine gerade, gestufte und/oder kurvige Form aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich der Ventilteller in Richtung der Längsachse entlang wenigstens eines Viertels, vorzugsweise wenigstens eines Drittels oder wenigstens der Hälfte, der Entfernung zwischen dem motorseitigen und dem kühlerseitigen Kühlmitteleinlass, wodurch die Leitung des Kühler-Kühlmittelstroms hin zu dem Motor-Kühlmittelstrom verbessert wird.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Ventilteller wenigstens in einem dem Kühlmittelauslass abgewandten Umfangsbereich einen im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Thermostatgehäuses entsprechenden Außendurchmesser hat, womit der Ventilteller fast an der Innenseite des Thermostatgehäuses anliegt, wodurch wenigstens in diesem Umfangsbereich das kühlerseitige Kühlmittel maximal seitlich von dem Thermostatelement weggeleitet wird.
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Vorzugsweise bestehen der Scheibenteil, das Leitelement und/oder der Ventilteller aus einem identischen Material und sind insbesondere einstückig miteinander verbunden und/oder als ein Werkstück hergestellt, was hinsichtlich der Fertigung und der Montage dieser Teile vorteilhaft sein kann.
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Das Thermostatventil ist vorzugsweise auf bekannte Weise so ausgelegt, dass es eine Kühlmittelströmung durch den kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass des Verbrennungsmotors zulassen und unterbinden kann, und auch so, dass es eine Kühlmittelströmung durch den motorseitigen Kühlmittel-Einlass zulassen oder unterbinden kann. Nach bekanntem Aufbau kann ein zweiter Ventilteller im Thermostatventil vorgesehen sein, der ebenfalls mit dem Thermostatelement fest verbunden ist und der den motorseitigen Kühlmittel-Einlass verschließen und freigeben kann, um das Schalten des großen und des kleinen Kühlkreislaufs zu regeln.
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Das Thermostatelement kann wie üblich auf der Längsachse angeordnet sein. Der Ventilteller ist dabei vorzugsweise fest mit dem Thermostatelement verbunden. Auf diese Weise entfaltet die Toleranzkompensation die größtmögliche Wirkung.
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Erfindungsgemäß können auch mehrere der oben beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung – soweit dies technisch möglich ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
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Beispielhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen in Zusammenhang mit den Figuren, welche im Einzelnen – wenigstens teilweise schematisiert – zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Thermostatventils nach dem Stand der Technik;
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2a und b Temperatur-Zeit-Kennlinien des aus dem Stand der Technik bekannten Thermostatventils;
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3 ein erfindungsgemäßes Thermostatventil gemäß einer ersten Ausführungsform in einer der beiden Toleranz-Grenzlagen des Ventiltellers;
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4a und b die Temperatur-Zeit-Kennlinien zu den beiden Toleranz-Grenzlagen des Thermostatventils aus 3; und
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5 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Thermostatventils gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Die Bauteile, die mit denen des Thermostatventils 10 der 1 identisch oder funktionsgleich sind, behalten im Folgenden ihre bereits eingeführten Bezugszeichen.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Thermostatventil 100 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Wie bei dem in 1 gezeigten langgestreckten Thermostatventil 10 ist ein Thermostatelement 20, das eine Längsachse A definiert, im Wesentlichen zentriert zu sich gegenüberliegenden motorseitigen und kühlerseitigen Kühlmittel-Einlässen 14 bzw. 16 im Thermostatgehäuse 12 ausgerichtet, wobei ein Ventilteller 22 fest mit dem Thermostatelement 20 verbunden ist.
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Der Hub des Thermostatelements 20 erfolgt entlang der Längsachse A, die somit auch die Schaltrichtung des Thermostatventils 100 definiert. Der Ventilteller 22 kann den kühlerseitigen Kühlmittel-Einlass 16 an einem Ventilsitz 24 verschließen und freigeben. Außerdem ist ein zweiter Ventilteller 26 fest mit dem Thermostatelement 20 verbunden, der den motorseitigen Kühlmittel-Einlass 14 freigeben oder verschließen kann.
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Der Ventilteller 22 umfasst ein Scheibenteil 36 und ein Leitelement 30, die einstückig miteinander verbunden und aus einem gegen Einflüsse des Kühlmittels resistenten Aluminium- oder Stahlmaterial hergestellt sind.
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Das Scheibenteil 34 besitzt eine Stirnfläche 37, die dem Ventilsitz 24 zugewandt ist.
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Das Leitelement 30 ist im vorliegenden Fall, dies ist nicht einschränkend zu verstehen, ein vom Scheibenteil 36, und zwar von dessen radialem Umfangsrand ausgehender, sich trichterförmig erweiternder Bund. Dieser Bund verläuft rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse M, die senkrecht zur Stirnseite 37 verläuft. Der Winkel β, um den sich das Leitelement 30 aufweitet, beträgt zwischen 10 und 60°, wobei auch dies nicht einschränkend zu verstehen ist. Der Winkel β kann auch 0° sein.
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Die axiale Höhe des Ventiltellers 22 beträgt wenigstens ein Viertel des Abstandes zwischen dem Ventilsitz 24 und dem entsprechenden Ventilsitz des motorseitigen Kühlmitteleinlasses 14.
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In 3 ist mit dem Winkel αT die maximale Winkeltoleranz des Ventilsitzes 24 gegenüber der Stirnfläche 37 eingezeichnet. Teile, die über dieser Winkeltoleranz liegen, sind Ausschuss. Die Winkeltoleranz ist jedoch zur Vereinfachung stark übertrieben groß dargestellt, in Wirklichkeit beträgt sie nur wenige Grad. Im vorliegenden Fall stehen der Ventilteller 22 und die Stirnfläche 37 schräg zur Achse A, d. h. dass die Mittelachse M unter einem Winkel zur Achse A steht und nicht mit dieser zusammenfällt. Dadurch ergibt sich für den Fall, dass die Stirnfläche 37 auf dem Ventilsitz 24 am linken Rand anliegt, an dem rechten Rand ein Spalt zwischen diesem Abschnitt des Ventilsitzes 24 und dem gegenüberliegen den Abschnitt der Stirnfläche 37. Über diesen Spalt kann ausströmendes Kühlmittel in das Innere des Ventilgehäuses 12 einströmen. Durch die Abweiserfläche 35 wird das einströmende, kalte Kühlmittel nach außen gedrängt und trifft nahe an der Wand des Ventilgehäuses 12 auf das wärmere Kühlmittel vom Motor. Damit vermischen sich die beiden Kühlmittelströme, bevor sie in Richtung zum Kühlmittel-Auslass 18 strömen und bevor sie auf das Thermostatelement 20 auftreffen.
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Der Winkel β ist so gewählt, dass sich im Bereich des Spaltes zwischen Ventilsitz 24 und Stirnfläche 37 bezogen auf die Schließstellung des Ventiltellers 22, ein radial äußerster Punkt 33 auf der Abweiserfläche 35 ergibt. Zu diesem Punkt 33 hin weitet sich die Abweiserfläche 35 vom Scheibenteil 36 beginnend auf, wobei der Winkel β größer, vorzugsweise um ein Mehrfaches größer, als die Winkeltoleranz αT ist. Mit anderen Worten, selbst in einer maximalen Schrägstellung des Scheibenteils wirkt im Bereich des Spalts die Abweiserfläche 35 noch, um den kalten Kühlmittelstrom seitlich nach außen zu lenken.
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Die Abweiserfläche 35 hat im Radialschnitt gesehen eine gerade, gestufte und/oder kurvige Form.
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Im Betrieb bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen ist der kühlerseitige Kühlmittel-Einlass 16 durch den Ventilteller 22 zumindest weitestgehend geschlossen, der vorerwähnte Spalt ist aufgrund der fertigungsgemäßen Winkeltoleranz αT jedoch möglich. Der motorseitige Kühlmitteleinlass 14 ist geöffnet, sodass nur ein kleiner Kühlkreislauf durchströmt wird. Wird das Kühlmittel wärmer, dehnt sich das Thermostatelement 20 zunehmend, sodass die Ventilteller 22, 26 voneinander weiter beabstandet sind und der Ventilteller 26 in Richtung zu seinem Ventilsitz bewegt wird, um schließlich den Kühlmitteleinlass 14 zu verschließen, wogegen der kühlerseitige Kühlmittel-Einlass 16 geöffnet wird, um vom kleinen Kühlkreislauf auf den großen Kühlkreislauf umzuschalten.
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Der radial äußerste Punkt 33 liegt damit weiter von der Längsachse A beabstandet als ein Innenradius RI des Ventilsitzes 24.
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Dadurch hat im Wesentlichen das gesamte, an das Thermostatelement 20 gelangende Kühlmittel eine höhere Temperatur als das kühlerseitige Kühlmittel ursprünglich hatte. Daher wird das Verformungsverhalten des Thermostatelements 20 und damit der Schaltpunkt S des Thermostatventils 100 nicht oder nur vernachlässigbar ungünstig beeinflusst.
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In 4a ist eine Temperatur-Zeit-Kennlinie für den ersten Toleranz-Grenzfall gezeigt, bei dem sich der Spalt zwischen Ventilteller 22 und Ventilsitz 24 zum Kühlmittel-Auslass 18 hin mit der maximalen, durch die Winkeltoleranz ΔT bestimmten Spaltbreite öffnet.
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4b zeigt eine Temperatur-Zeit-Kennlinie für den zweiten Toleranz-Grenzfall, bei der sich der Spalt mit der maximalen Spaltbreite zu der vom Kühlmittel-Auslass 18 entgegengesetzten Seite hin öffnet. Da aufgrund der Ausführung der Abweiserfläche 35 und des Leitelements 30 des vom Kühler kommende Kühlmittel zuerst seitlich von dem Thermostatelement 20 weg geleitet wird, sodass es sich mit dem vom Motor kommenden, wärmeren Kühlmittel mischt, kommt es nur zu einer geringfügigen Temperaturverringerung am Thermostatelement 20 durch das austretende und zum Kühlmittel-Auslass 18 strömende Kühlmittel und somit nur zu einem deutlich geringeren Temperaturunterschied ΔT in der Schalttemperatur verglichen mit dem in den 2a und 2b dargestellten Fall ohne Leitelement 30 bzw. Abweiserfläche 35.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der das Leitelement 30 mit seiner Abweiserfläche 35 einstückig mit dem kühlerseitigen Ventilteller 22 ausgeführt ist und der radial äußerste Punkt 33 des dem Kühlmittel-Auslass 18 abgewandten Radialquerschnitts des Leitelements 30 im Bereich des Spaltes in der Schließstellung im Wesentlichen auf einem Durchmesser liegt, der dem Innendurchmesser DG des Thermostatgehäuses 12 im Wesentlichen entspricht, sodass die Abweiserfläche 35 fast die Innenseite des Ventilgehäuses 12 kontaktiert.
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In diesem Beispiel ist das Thermostatgehäuse 12 in ein Wasserpumpengehäuse integriert, welches in 5 nur in den dem Thermostatventil 100 benachbarten Bereichen dargestellt ist.
