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Die Erfindung betrifft ein temperatur- und druckabhängiges Thermostatventil zum Steuern einer Kühlmittelströmung, eine Anordnung mit dem Thermostatventil sowie ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung.
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Die Reduktion der Emission von Kohlendioxid ist eine große Herausforderung für aktuelle und zukünftige Technologie von Brennkraftmaschinen. Es wurden z.B. verschiedene Verfahren entwickelt, um dem Kohlendioxid-Ausstoß durch Verringern der inneren Reibung im Motor entgegenzuwirken. Eine übliche Maßnahme ist beispielsweise, die Brennkraftmaschine während niedriger Lasten nicht zu stark abkühlen zu lassen, indem die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Verglichen mit hohen Lasten ist bei niedrigen Lasten keine starke Kühlung erforderlich, und die Einstellungen der Verbrennungsparameter (z.B. der Klopfgrenze) erlauben ebenfalls höhere Temperaturen der Wandungen der Brennkraftmaschine. Zum Steuern der Temperatur des Kühlmittels werden typischerweise z.B. Thermostate oder steuerbare Ventile in einem Kühlmittelkreislauf verwendet. Herkömmliche Thermostate sind preiswert und relativ robust, weisen aber eine verzögerte Reaktionszeit auf (typischerweise mindestens 10 s). Steuerbare Ventile sind dagegen vergleichsweise schnell, benötigen jedoch eine komplexe Steuerstrategie; zudem sind aufwändige Mechanismen erforderlich, um bei Fehlfunktionen einem Überhitzen der Brennkraftmaschine entgegenzuwirken. Es besteht daher die Aufgabe, die Kühlung einer Brennkraftmaschine schnell und zuverlässig zu steuern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Thermostatventil gemäß Anspruch 1, eine Anordnung gemäß Anspruch 7 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafterweise kombinierbar.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Thermostatventil zum Steuern der Strömung eines fluiden Mediums in einem Kühlmittelkreislauf einer aufladbaren Brennkraftmaschine, das ein Dehnstoffelement aufweist, das wirksam mit einem Übertragungsstift des Ventils verbunden ist, um durch eine von der Temperatur des fluiden Mediums abhängige Volumenänderung die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil zu steuern. Das Thermostatventil weist weiterhin einen durch Druck regelbaren Aktor auf, der zusätzlich mit dem Übertragungsstift des Ventils wirksam verbunden ist, um die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil zu steuern.
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Das erfindungsgemäße Thermostatventil ist vorteilhaft, weil es durch die Kombination eines Dehnstoffelements mit einem druckempfindlichen Aktor eine steuerbare, schnelle und robuste Kontrolle der Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf ermöglicht. Durch den Einfluss des Drucks wird ein Öffnen des Thermostatventils bei unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Das Thermostatventil ermöglicht daher eine einfache und effiziente Steuerung der Kühlm itteltemperatur.
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Der Begriff der Last bezieht sich auf das Verhältnis von Drehzahl zu Drehmoment. Dem Fachmann ist dabei klar, wann bei einer bestimmten Brennkraftmaschine eine hohe Last (Volllast) oder eine vergleichsweise niedrige Last (Teillast) anliegt.
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Der druckempfindliche Aktor ist vorteilhafterweise mittels einer Verbindungsleitung mit einer druckvariablen Umgebung verbindbar. Auf diese Weise kann ein von einem im Ansaugtrakt angeordneten Kompressor generierter Druck (Ladedruck) auf den Aktor übertragen werden. Ein hoher Ladedruck, der mit einer hohen Last der Brennkraftmaschine korreliert, bewirkt dabei eine Bewegung des Übertragungsstifts und damit eine niedrigere Öffnungstemperatur des Thermostatventils zum Kühler. Das erfindungsgemäße Thermostatventil ermöglicht also bei hohen Lasten eine niedrigere Öffnungstemperatur des Ventils zum Wärmetauscher als herkömmliche Ventile. Damit kann bei beginnender hoher Last frühzeitig Wärme von der Brennkraftmaschine abgeführt werden.
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Vorzugsweise weist das Dehnstoffelement Wachs auf. In einem bestimmten Temperaturbereich schmilzt das Wachs und erfährt dabei eine Volumenänderung, d.h. das Volumen des Dehnstoffelements wird erhöht. Das Dehnstoffelement nimmt also die Temperatur des Kühlmittels an und ändert in Abhängigkeit von der Temperatur sein Volumen, wodurch es auf den Übertragungsstift des Ventils wirkt. Das Dehnstoffelement kann auch andere zweckmäßige volumenändernde Stoffe aufweisen.
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Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Thermostatventil mindestens einen ersten Anschluss, mindestens einen zweiten Anschluss und mindestens einen dritten Anschluss auf, wobei der jeweilige Öffnungszustand und Öffnungsgrad des zweiten und dritten Anschlusses in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und den auf den Aktor wirkenden Druck steuerbar ist. Mit anderen Worten sind besonders der zweite und der dritte Anschluss als Ventilöffnungen zu sehen, die durch die Wirkung von Kühlmitteltemperatur und Ladedruck geöffnet und geschlossen werden können. Im Sinne der Erfindung ist vorgesehen, das Thermostatventil in einem Kühlmittelkreislauf über den ersten Anschluss mit einer ersten Kühlmittelleitung, über den zweiten Anschluss mit einer zweiten Kühlmittelleitung und über den dritten Anschluss mit einer dritten Kühlmittelleitung zu verbinden. Idealerweise ist dabei die erste Kühlmittelleitung eine zuführende Leitung und sind die zweite Kühlmittelleitung sowie die dritte Kühlmittelleitung wegführende Leitungen.
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Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Thermostatventil mindestens ein dämpfendes Element auf, das ausgebildet ist, die Bewegung des Übertragungsstifts zu verzögern. Das dämpfende Element ist vorteilhaft, weil es die veränderte Öffnungstemperatur somit nicht bei jeder kurzfristigen Änderung des Ladedrucks verändert. Weiterhin wird ein Kühlmittelfluss zum Kühler über die Zeit des erhöhten Ladedrucks hinaus ermöglicht, und damit kühleres Kühlmittel für eine Zeit bereitgestellt, in der die Last zwar verringert ist, aber noch hohe Temperaturen der Brennkraftmaschine vorliegen.
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Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Thermostatventil in einem ersten Arbeitszustand der zweite Anschluss geschlossen und der dritte Anschluss geöffnet, in einem zweiten Arbeitszustand der zweite Anschluss zumindest teilweise geöffnet und der dritte Anschluss geschlossen und in einem dritten Arbeitszustand der zweite Anschluss vollständig geöffnet und der dritte Anschluss geschlossen ist. Die möglichen Arbeitszustände sind nicht auf diese Aufzählung beschränkt. Der erste Anschluss ist dabei stets geöffnet.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem Abgastrakt, wobei in dem Ansaugtrakt ein Kompressor angeordnet ist, und einem Kühlmittelkreislauf mit mindestens einer ersten, zweiten und dritten Kühlmittelleitung, der ein erfindungsgemäßes Thermostatventil aufweist. Die Vorteile der Anordnung entsprechen dabei denen des Thermostatventils. Der Kompressor kann ein beispielsweise ein Kompressor eines Turboladers sein, oder ein anderweitig mechanisch oder elektrisch angetriebener Kompressor.
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Bevorzugt ist in der erfindungsgemäßen Anordnung der druckempfindliche Aktor des Thermostatventils über eine Verbindungsleitung stromabwärts des Kompressors mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden. Diese Anordnung ermöglicht ein Übertragen des Drucks aus dem Ansaugtrakt auf den Aktor, der bei ausreichend hohem Druck das Ventil betätigen kann.
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Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung die erste Kühlmittelleitung mit dem Kühlmantel der Brennkraftmaschine verbunden, die zweite Kühlmittelleitung mit einem Wärmetauscher, und ist dritte Kühlmittelleitung die Bypassleitung des Wärmetauschers.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Anordnung;
- 2 Diagramm zur Bewegungscharakteristik des Übertragungsstiftes eines herkömmlichen Thermostatventils;
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung;
- 4 Diagramm zur Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils;
- 5 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem ersten Arbeitszustand;
- 6 das Thermostatventil gemäß 5 in einem weiteren Arbeitszustand,
- 7 das Thermostatventil gemäß 5 in einem weiteren Arbeitszustand;
- 8 das Thermostatventil gemäß 5 in einem weiteren Arbeitszustand;
- 9 das Thermostatventil gemäß 5 in einem weiteren Arbeitszustand; und
- 10 das Thermostatventil gemäß 5 in einem weiteren Arbeitszustand.
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In einer herkömmlichen Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 1 einer Brennkraftmaschine 3 mit einem Kühlmittelkreislauf 10 wird Kühlmittel von der Brennkraftmaschine 3 zu einem Wärmetauscher 4 geleitet. Die Brennkraftmaschine 3 ist dabei üblicherweise zumindest teilweise von einem Kühlmantel umgeben, in dem das Kühlmittel strömt, Wärme von der Brennkraftmaschine 3 aufnimmt und ableitet. In dem Wärmetauscher 4, der auch als Kühler bezeichnet werden kann, wird die Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung oder einen anderen Wärmeträger übertragen. Als Kühlmittel wird z.B. Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet.
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Die Brennkraftmaschine 3 ist mit einem Ansaugtrakt 5 zum Zuleiten von Verbrennungsluft und einem Abgastrakt 6 zum Ableiten von Abgas verbunden. Im Abgastrakt 6 ist eine Turbine 7 und im Ansaugtrakt ein über eine Welle 8 mit der Turbine 7 verbundener Kompressor 9 eines Abgasturboladers angeordnet.
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Zum Steuern der Kühlmittelströmung in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels ist ein herkömmliches Thermostatventil 20 in dem Kühlmittelkreislauf 10 angeordnet. In dem Kühlmittelkreislauf 10 führt eine erste Kühlmittelleitung 11 von der Brennkraftmaschine 3 zum Thermostatventil 20. Das Thermostatventil 20 ist ausgebildet, das Kühlmittel in Abhängigkeit von seiner Temperatur durch eine zweite Kühlmittelleitung 12 zu leiten, in der der Wärmetauscher 4 angeordnet ist, oder durch eine dritte Kühlmittelleitung 13, die als Bypassleitung des Wärmetauschers 4 vorgesehen ist. Stromabwärts des Wärmetauschers 4 vereinigen sich die zweite und die dritte Leitung zu einer vierten Kühlmittelleitung 14. In der vierten Kühlmittelleitung ist eine Kühlmittelpumpe 15 angeordnet, die zum Bewirken der Strömung in dem Kühlmittelkreislauf 10 vorgesehen ist.
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Das Thermostatventil 20 weist einen ersten Anschluss 21 für die erste Kühlmittelleitung 11, einen zweiten Anschluss 22 für die zweite Kühlmittelleitung 12 und einen dritten Anschluss 23 für die dritte Kühlmittelleitung 13 auf. Das Thermostatventil weist als Temperatursensor ein Dehnstoffelement 24 auf. Das Dehnstoffelement 24 erfasst die Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennkraftmaschine 3 kommt. Das Dehnstoffelement 10 weist Wachs als Dehnstoff in einem Gehäuse auf. Im Bereich von etwa 85 - 95°C kommt es durch einen Phasenübergang zu einer signifikanten Volumenänderung des Wachses. Die Volumenänderung wird in eine Bewegung eines Übertragungsstiftes 25 umgewandelt, wodurch der jeweilige Öffnungsstatus des zweiten Anschlusses 22 und des dritten Anschlusses 23 gesteuert werden. Kühlt sich das Wachs wieder ab, wird der Übertragungsstift 25 z.B. durch einen Federmechanismus 26 in seine Ausgangsposition zurückgedrückt.
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Die Abhängigkeit der Bewegung des Übertragungsstiftes 25 von der Temperatur des Kühlmittels ist in dem Diagramm von 2 veranschaulicht. Bis zu einer Temperatur von 85°C weist das Dehnstoffelement 24 seine geringste Ausdehnung auf. Der Übertragungsstift 25 befindet sich in einer Ausgangsstellung (0 mm). Bei 85°C beginnt sich das Dehnstoffelement 24 auszudehnen. Bis zu einer Temperatur von 95°C besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen der Temperatur und der Bewegung des Übertragungsstiftes 25. Bei 95°C ist die maximale Bewegung des Übertragungsstiftes 25 erreicht (10 mm).
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2 gemäß der Darstellung von 3 weist im Unterschied zu der herkömmlichen Anordnung gemäß 1 ein erfindungsgemäßes Thermostatventil 30 auf. Das erfindungsgemäße Thermostatventil 30 weist im Unterschied zu dem herkömmlichen Thermostatventil 20 in 1 zusätzlich einen druckempfindlichen Aktor 31 auf. Die weiteren Merkmale entsprechen denen des herkömmlichen Thermostatventils 20, weshalb im Übrigen dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Der druckempfindliche Aktor 31 ist ausgebildet, auf Druckunterschiede zu reagieren und bei erhöhtem Druck eine Bewegung des Übertragungsstiftes 25 zu bewirken.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 3 eine Verbindungsleitung 40 vom Ansaugtrakt 6 zum Aktor 31 auf. Die Verbindungsleitung 40 zweigt stromabwärts des Kompressors 9 vom Ansaugtrakt 6 ab, so dass die Druckverhältnisse vor der Brennkraftmaschine 3 auf den Aktor 31 übertragen werden können. Der Aktor 31 beeinflusst dadurch die Öffnungstemperatur des Thermostatventils 30 entsprechend des Ladedrucks.
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In 4 ist die Abhängigkeit des Öffnungszustandes des Anschlusses 22 von der Temperatur des Kühlmittels und dem Ladedruck veranschaulicht. Dabei wird durch die durchgezogene Linie die Öffnungscharakteristik bei niedrigem Ladedruck und durch die gestrichelte Linie die Öffnungscharakteristik bei hohem Ladedruck dargestellt. Bei niedrigem Ladedruck beginnt die Ventilöffnung bei 90°C, die bei 95% mit einer Ventilöffnung von 50% abgeschlossen ist. Gleichzeitig schließt sich in gleichem Maße das Ventil des Anschlusses 23, so dass das Schließen bei 90°C beginnt und bei 95°C abgeschlossen ist.
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Bei hohem Ladedruck beginnt die Ventilöffnung des Anschlusses 22 bei 85°C. Bei 90% beträgt die Ventilöffnung 50% und bei 95°C beträgt die Ventilöffnung 100%. Das Ventil des Anschlusses 23 beginnt sich bei 85°C zu schließen und ist bei 90°C abgeschlossen.
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Bei Verringerung der Temperatur des Kühlmittels und/oder des Ladedrucks bewegen sich die Ventile der Anschlüsse 22 und 23 wieder entsprechend zurück. Diese Bewegung und das Halten in der Ausgangsstellung (0 mm Hub des Übertragungsstiftes und damit 0 % Öffnung des Anschlusses 22) wird durch die Wirkung des Federmechanismus 26 unterstützt.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Thermostatventils 30 kann anhand verschiedener Arbeitszustände des Thermostatventils 30 gemäß der 5 - 10 beschrieben werden. In einem ersten Arbeitszustand gemäß 5 liegt die Temperatur des Kühlmittels liegt bei unter 85°C. Das Dehnstoffelement 24 weist dabei seine geringste Ausdehnung auf. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 31 nicht aktiviert wird. Der zweite Anschluss 22 ist geschlossen, der dritte Anschluss 23 ist geöffnet. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 4.
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In einem weiteren Arbeitszustand gemäß 6 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 90°C und ist damit leicht erhöht. Das Dehnstoffelement 24 beginnt sich durch den Phasenübergang des in ihm enthaltenen Wachses zu dehnen und bewegt dadurch den Übertragungsstift 25, jedoch nicht im ausreichenden Maße, um den Anschluss 23 zu schließen und Anschluss 22 zu öffnen. Im Ansaugtrakt liegt ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 31 nicht aktiviert wird. Der zweite Anschluss 22 ist geschlossen, der dritte Anschluss 23 ist geöffnet. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 4.
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In einem weiteren Arbeitszustand gemäß 7 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 95°C und ist damit hoch. Das Dehnstoffelement 24 hat seine maximale Ausdehnung erreicht. Der Ladedruck ist immer noch niedrig. In dieser Einstellung ist der Übertragungsstift 25 durch die Wirkung des Dehnstoffelements 24 derart bewegt, dass der zweite Anschluss zu 50% geöffnet und der dritte Anschluss 23 geschlossen ist. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die zweite Kühlmittelleitung 12, d.h. zum Wärmetauscher 4.
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In einem weiteren Arbeitszustand gemäß 8 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei unter 85°C, wobei der Ladedruck hoch ist. Das Dehnstoffelement 24 weist seine geringste Ausdehnung auf. Der Aktor 31 ist durch den Ladedruck aktiviert und wirkt auf den Übertragungsstift 25, allerdings reicht die Wirkung nicht aus, um den zweiten Anschluss 22 zu öffnen. Der zweite Anschluss 22 ist damit geschlossen, der dritte Anschluss 23 ist geöffnet. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 4.
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In einem weiteren Arbeitszustand gemäß 9 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 90°C, wobei der Ladedruck hoch ist. Das Dehnstoffelement 24 beginnt sich durch den Phasenübergang des in ihm enthaltenen Wachses zu dehnen und wirkt dadurch auf den Übertragungsstift 25. Der Aktor 31 ist durch den erhöhten Ladedruck aktiviert und wirkt auf den Übertragungsstift 25, der durch die gemeinsame Wirkung des Dehnstoffelements 24 und des Aktors 31 derart bewegt wird, dass sich der zweite Anschluss 22 zu 50% öffnet und der dritte Anschluss 23 schließt. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die zweite Kühlmittelleitung 12, d.h. zum Wärmetauscher 4.
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In einem weiteren Arbeitszustand gemäß 10 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 95°C und ist damit hoch. Das Dehnstoffelement 24 hat seine maximale Ausdehnung erreicht und wirkt damit auf den Übertragungsstift 25. Der Ladedruck ist hoch. Der Aktor 31 ist durch den erhöhten Ladedruck aktiviert und wirkt auf den Übertragungsstift 25, der durch die gemeinsame Wirkung des Dehnstoffelements 24 und des Aktors 31 derart bewegt wird, dass sich der zweite Anschluss 22 zu 100% öffnet und der dritte Anschluss 23 schließt. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 3 kommende Kühlmittel in die zweite Kühlmittelleitung 12, d.h. zum Wärmetauscher 4, und zwar mit erhöhter Strömung verglichen mit einem zu 50% geöffneten Anschluss. Bei einem hohen Ladedruck und hoher Kühlmitteltemperatur wird dadurch eine schnelle Strömung des Kühlmittels zum Gewährleisten einer effizienten Kühlung der Brennkraftmaschine 3 bereitgestellt.
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In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform kann das Thermostatventil 30 noch ein zusätzliches Element aufweisen, das die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 und damit das Öffnen und Schließen der Anschlüsse 22, 23 verzögert. Damit wird auch nach Verringern des Ladedrucks noch für einen gewissen Zeitraum ein schnelles Fließen von Kühlmittel zum Wärmetauscher 4 ermöglicht, wenn die Brennkraftmaschine 3 noch erhöhte Temperaturen aufweist. Als verzögerndes Element könnte beispielsweise eine Drosselstelle in der Zuführleitung 40 zum Aktuator 31 oder auch direkt am Aktuator 31 vorgesehen werden, die das Übertragen des Ladedrucks in und aus dem Aktuator verzögert. Durch entsprechende Auslegung der Drossel kann so eine gezielte zeitliche Verzögerung erreicht werden. Möglich ist auch eine Drossel mit einer Art „Ventilfunktion“, die das Ein- bzw. Ausströmen der Ladeluft in bzw. aus dem Aktuator unterschiedlich verzögert. Auf die diese Weise könnte eine kurze Reaktionszeit bei einem Sprung von geringer auf hoher Last erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- herkömmliche Anordnung
- 2
- erfindungsgemäße Anordnung
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Ansaugtragt
- 6
- Abgastrakt
- 7
- Turbine
- 8
- Welle
- 9
- Kompressor
- 10
- Kühlmittelkreislauf
- 11
- erste Kühlmittelleitung
- 12
- zweite Kühlmittelleitung
- 13
- dritte Kühlmittelleitung
- 14
- vierte Kühlmittelleitung
- 15
- Kühlmittelpumpe
- 20
- herkömmliches Thermostatventil
- 21
- erster Anschluss
- 22
- zweiter Anschluss
- 23
- dritter Anschluss
- 24
- Dehnstoffelement
- 25
- Übertragungsstift
- 26
- Federmechanismus
- 30
- erfindungsgemäßes Thermostatventil
- 31
- Aktor
- 40
- Verbindungsleitung
