DE202010017836U1 - Electrically heated by means of PTC heating element map-controlled thermostat device - Google Patents

Abstract

Für die elektrisch beheizten, kennfeldgesteuerten Thermostate mit PTC-Heizelementen: wobei ein PTC-Heizelement (8) innerhalb eines geschlossenen Randbereichs eines Kolbens (6) platziert ist.For the electrically heated, map-controlled thermostats with PTC heating elements: a PTC heating element (8) being placed within a closed edge area of a piston (6).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten, kennfeldgesteuerten Thermostat, der ein in dessen Kolben platziertes PTC-Heizelement verwendet, um eine Temperatur eines Kühlmittels, das im Innern von Kühlsystemen von Verbrennungsmotoren zirkuliert, in einem definierten Bereich zu halten, wobei Öffnungs- und Schließbewegungen eines Thermostatventils bewerkstelligt werden.The invention relates to an electrically heated, map-controlled thermostat, which uses a PTC heating element placed in its piston to maintain a temperature of a coolant circulating inside cooling systems of internal combustion engines in a defined range, wherein opening and closing movements of a thermostatic valve be accomplished.

Stand der TechnikState of the art

Bei Verbrennungsmotoren mit Flüssigkeitskühlung wird eine Aufheizung, die durch die Verbrennung von Kraftstoff eintritt, über ein Kühlmittel weitergeleitet, das durch Kanäle im Motorblock und Zylinderkopf zirkuliert. Auf diese Weise kann der Motor in einem geeigneten Temperaturbereich laufen. Heutzutage ist eine Reduzierung der Gesamtemissionen der gesundheitsschädlichen Gase aus Verbrennungsmotoren für die Umwelt eines der größten Entwicklungsanliegen aufgrund von Regulierungen, die die zulässige Emissionsrate Jahr für Jahr reduzieren. In den Phasen, in denen Motoren bei Temperaturen laufen, die sich vom ausgelegten Temperaturbereich unterscheiden, stoßen die Motoren gesundheitsschädliche Gase mit hohen Emissionswerten aus. Um einen Motorlauf aufgrund dieser Ursache in einem geeigneten Temperaturbereich zu gewährleisten, verhilft eine Stabilisierung der Kühlmitteltemperatur und Motortemperatur zu einer effizienten Kraftstoffverbrennung und einem reduzierten Freisetzen von gesundheitsschädlichen Gasemissionen. Daher ist eine Stabilisierung der Motortemperatur ein wichtiges Anliegen für Auslegungsstudien zur Reduzierung der gesundheitsschädlichen Emissionsraten.In liquid-cooled internal combustion engines, heating due to the combustion of fuel is passed through a coolant circulating through passages in the engine block and cylinder head. In this way, the engine can run in a suitable temperature range. Today, reducing the total emissions of harmful gases from internal combustion engines to the environment is one of the biggest development concerns due to regulations that reduce the allowable emission rate year by year. In the phases in which engines run at temperatures that differ from the designed temperature range, the engines emit harmful gases with high emission levels. To ensure engine running due to this cause in a suitable temperature range, stabilizing the coolant temperature and engine temperature helps to efficiently burn the fuel and reduce the release of noxious gas emissions. Therefore, stabilization of engine temperature is a major concern for design studies to reduce harmful emission rates.

Wachs-Thermostate sind bei heutigen Motoren die meist verbreitete Lösung, um den Motor in einem geeigneten Temperaturbereich zu halten. Ihre Arbeitsweise basiert auf einer durch einen Temperaturanstieg ausdehnbaren Wachsmasse. Diese Ausdehnung bewirkt eine Öffnung eines Ventils für das kalte Kühlmittel durch einen Mechanismus, der sich entsprechend der Thermostatauslegung verändert.Wax thermostats are the most common solution in today's engines to keep the engine in a suitable temperature range. Their mode of operation is based on an expandable by an increase in temperature wax mass. This expansion causes an opening of a valve for the cold coolant through a mechanism that varies according to the thermostat design.

Die Verbrennung im Motor bewirkt eine Überhitzung des Motors und demzufolge des Kühlmittels am Thermostat. Die im Inneren eines definierten Volumens im Thermostat zusammengepresste Wachsmasse dehnt sich aus. Die Ausdehnung des Wachses erzeugt eine lineare Bewegung durch einen Kolben. Die lineare Bewegung des Kolbens öffnet ein Ventil, das die Kühlmittelströmung in Richtung zu einem Kühler leitet, um die Kühlmitteltemperatur im System zur Kühlung des Motors zu reduzieren.The combustion in the engine causes overheating of the engine and consequently of the coolant on the thermostat. The mass of wax compressed inside a defined volume in the thermostat expands. The expansion of the wax creates a linear motion through a piston. The linear movement of the piston opens a valve which directs the flow of coolant toward a radiator to reduce the coolant temperature in the system for cooling the engine.

Die Wärmeübertragung vom Motor zur Wachsmasse durch das Kühlmittel und die Ausdehnung der Wachsmasse benötigt Zeit, die als Thermostat-Ansprechzeit bezeichnet wird. Während dieser Zeitspanne behält die Motortemperatur ihren ansteigenden Trend bei, da sich das Thermostatventil noch nicht geöffnet hat und das Kühlmittel zur Kühlung nicht zum Kühler strömen lässt. Während dieser Ansprechzeitspanne ist die die Motortemperatur höher als eine geeignete Motorbetriebstemperatur, die Kraftstoffverbrennungseffizienz ist geringer und der Motor muss unter weit höheren als für ihn ausgelegten Temperaturbedingungen laufen.The heat transfer from the engine to the wax mass by the coolant and the expansion of the wax mass requires time called the thermostat response time. During this period, the engine temperature maintains its increasing trend because the thermostatic valve has not yet opened and the coolant does not flow to the radiator for cooling. During this response time period, engine temperature is higher than a suitable engine operating temperature, fuel combustion efficiency is lower, and the engine must run at much higher temperature conditions than it is designed for.

Am Ende der Ansprechzeit lässt das Thermostatventil das Kühlmittel zum Kühler strömen und das Kühlmittel bewirkt folglich einen Motor-Temperaturabfall in den vorgesehenen Auslegungstemperaturbereich. Wenn die Kühlmitteltemperatur unter die vorgesehene Auslegungstemperatur fällt, beginnt das Thermostatventil aufgrund der Schrumpfung der Wachsmasse sich nach einer Ansprechzeitdauer zurück zur Schließposition zu bewegen. Das Thermostatventil nimmt die Schließposition ein und stoppt die Kühlmittelzirkulation zum Kühler und das Kühlmittel beginnt sich wieder zu erwärmen. Während dieser Ansprechzeitdauer ist die Motortemperatur jedoch niedriger als die geeignete Motorbetriebstemperatur, die Kraftstoffverbrennungseffizienz ist geringer, und der Motor muss mit einer niedrigeren als für ihn ausgelegten Temperatur laufen.At the end of the response time, the thermostatic valve allows the coolant to flow to the radiator and thus the coolant causes a motor temperature drop to the designed design temperature range. When the coolant temperature drops below the design design temperature, due to shrinkage of the wax compound, the thermostat valve begins to move back to the closed position after a response time period. The thermostatic valve takes the closed position and stops the coolant circulation to the radiator and the coolant starts to warm up again. However, during this response period, the engine temperature is lower than the appropriate engine operating temperature, the fuel combustion efficiency is lower, and the engine must run at a lower than designed temperature.

Eine Stabilisierung und Beibehaltung der Kühlmitteltemperatur im ausgelegten Bereich kann aufgrund der Ansprechzeit der Wachsmasse unter einigen Motorbetriebsbedingungen nicht möglich sein. In diesen Fällen erhöhen sich die gesundheitsschädlichen Emissionsraten aufgrund einer unzureichenden Kraftstoffverbrennung.Stabilization and maintenance of the coolant temperature in the designed range may not be possible due to the response time of the wax compound under some engine operating conditions. In these cases, the harmful emission rates increase due to insufficient fuel combustion.

Motorentwickler berechnen diese Bedingungen. Um Ansprechzeitverzögerungen vor einer Motorüberhitzung oder einer niedrigen Temperatur des Kühlmittels zu eliminieren, kann die Wachsmasse durch eine erzwungene Konvektion unter einer von der Kühlmitteltemperatur unabhängigen Steuerung erhitzt werden, um die Öffnungs- und Schließbewegung des Thermostatventils entsprechend den von den Motorentwicklern berechneten Motorzuständen zu bestimmen.Engine developers calculate these conditions. In order to eliminate response delays prior to engine overheat or coolant low temperature, the wax mass may be heated by forced convection under a coolant temperature independent control to determine the opening and closing movement of the thermostatic valve in accordance with the engine conditions calculated by the engine designers.

Daher werden elektrische Widerstandsdrahtheizungen zum Aufheizen der Wachsmasse verwendet. Wenn eine Spannung am elektrischen Widerstandsdraht angelegt ist, heizt dieser die Wachsmasse durch eine erzwungene Konfektion auf, worauf folgend sich die Wachsmasse ausdehnt. Ein kontinuierliches Anlegen der Spannung bewirkt aber eine Überhitzung (diese kann über 800°C erreichen) der Wachsmasse. Im Laufe der Zeit verliert das Wachs seine physikalischen Eigenschaften und Dichtungsbauteile werden aufgrund der Überhitzung geschädigt. Um diese Fehler zu vermeiden, wird der elektrische Strom am Widerstand mit Unterbrechungen angelegt.Therefore, electrical resistance wire heaters are used to heat the wax mass. When a voltage is applied to the electrical resistance wire, it heats up the wax mass by a forced confection, whereafter the wax mass expands. However, a continuous application of the voltage causes overheating (this can reach over 800 ° C) of the wax mass. Over time, the wax loses its physical properties and sealing components are damaged due to overheating. To avoid these errors, the electrical current is applied to the resistor with interruptions.

Da jedoch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf die Wachsmasse geringer als eine Aufheizung des elektrischen Widerstandsdrahts ist, ist es nicht vollständig möglich, eine Überhitzung auf einer Kontaktfläche zwischen der Wachsmasse und dem elektrischen Widerstandsdraht zu verhindern. Andererseits können im Falle einer unzureichenden Wärmeübertragung zwischen der Wachsmasse und der Kühlmittelumgebung eine Überhitzung der gesamten Wachsmasse und Schädigungen der Dichtkomponenten unvermeidbar sein.However, since the rate of heat transfer to the wax mass is less than heating of the electric resistance wire, it is not completely possible to prevent overheating on a contact surface between the wax mass and the electric resistance wire. On the other hand, in the case of insufficient heat transfer between the wax mass and the coolant environment, overheating of the entire wax mass and damage to the sealing components may be unavoidable.

Weitere Risiken der Widerstandsdrahtheizungen sind: diese werden durch ein Relais geschaltet. Im Falle einer Relaisstörung führt die Widerstandsheizung eine Nonstop-Aufheizung aus und verursacht aufgrund einer Überhitzung Schädigungen der Wachsmasse und der Dichtkomponenten. Außerdem kann deren Heizdraht aufgrund einer Übermüdung im Falle einer elektrischen Überlastung brechen. Dieser Ausfall bewirkt eine Funktionsstörung.Other risks of resistance wire heaters are: these are switched by a relay. In the case of a relay failure, the resistance heater performs a non-stop heating and caused due to overheating damage to the wax compound and the sealing components. In addition, their heating wire may break due to over-fatigue in the event of electrical overload. This failure causes a malfunction.

Bei elektrisch beheizten Thermostaten ist ein Einsatz unter Verwendung eines PTC-(positiver Temperaturkoeffizient-)Heizelements eine Option gegenüber dem Widerstandsdraht. Bis zur vorliegenden Erfindung platziert ein Industriestandard ein PTC-Heizelement (in Form einer Pille oder Scheibe) an der Außenfläche eines Wachsaktuators. Auf diese Weise geht einiges an Wärme, die vom PTC-Heizelement erzeugt wird, an das Motorkühlmittel verloren, da dieses mit dem Kühlmittel in Kontakt steht.For electrically heated thermostats, use of a PTC (Positive Temperature Coefficient) heater is an option over the resistance wire. Until the present invention, an industry standard places a PTC heating element (in the form of a pill or disk) on the outside surface of a wax actuator. In this way, some of the heat generated by the PTC heater is lost to the engine coolant since it is in contact with the coolant.

In der vorliegenden Erfindung wird ein PTC-Heizelement in einem Kolben platziert, der vollständig mit der Wachsmasse im Thermostat überzogen ist. Auf diese Weise wird die gesamte vom PTC-Heizelement abgeleitete Wärme mit hoher Effizienz direkt auf die Wachsmasse übertragen. Für eine optimale Betriebssicherheit sollte das PTC-Heizelement nahe an einem Ende des Kolbens platziert werden, wo es während der Thermostatkolben- und Ventil-Hubbewegungen (Schließen – Öffnen) ständig in Kontakt mit der Wachsmasse steht.In the present invention, a PTC heating element is placed in a flask which is completely covered with the wax mass in the thermostat. In this way, all of the heat dissipated by the PTC heating element is transferred directly to the wax mass with high efficiency. For optimum reliability, the PTC heater should be placed close to one end of the piston where it is constantly in contact with the wax mass during the thermostat piston and valve strokes (close-open).

Die Vorzüge der Neuanordnung von PTC-Heizelementen im Innern des Kolbens bestehenden darin, dass sich die Ansprechzeit des von der Wachsmasse umgebenen PTC-Heizelements reduziert und sich Energieverluste verringern, die durch die Dichtelemente bei den konventionellen PTC-Anwendungen verursacht werden. Im Übrigen ist eine Anwendung im Inneren des Kolbens einfacher als bei den herkömmlichen PTC-Anwendungen mit Dichtelementen. Dies weist auch einen Kostenvorteil gegenüber den konventionellen Anwendungen auf.The benefits of rearranging PTC heating elements in the interior of the piston are that the response time of the PTC heating element surrounded by the wax mass is reduced and energy losses caused by the sealing elements in the conventional PTC applications are reduced. Incidentally, an application inside the piston is easier than in the conventional PTC applications with sealing elements. This also has a cost advantage over conventional applications.

Falls ein elektronisches Motorsteuergerät den Start der Kühlflüssigkeitsströmung zum Kühler bestimmt, schaltet dieses die PTC-Heizelemente ein und heizt die Wachsmasse relativ schneller als dessen konventionelle alternative Anordnungen auf, um das Thermostatventil zu öffnen und die Kühlflüssigkeitsströmung zum Kühler zu führen. Auf diese Weise wird die Kühlmitteltemperatur abgesenkt.If an electronic engine control unit determines the start of the coolant flow to the radiator, this turns on the PTC heating elements and heats up the wax mass relatively faster than its conventional alternative arrangements to open the thermostatic valve and direct the flow of cooling liquid to the radiator. In this way, the coolant temperature is lowered.

Aufgrund der selbstbegrenzenden Temperaturcharakteristik der PTC-Heizelemente sind diese sogar kontinuierlich eingeschaltet und steigen niemals auf eine höhere als deren regulierte Referenztemperatur an. Diese Charakteristik gewährleistet die Vermeidung von Beschädigungen der Wachsmasse und Schädigungen der Dichtelemente. Oberhalb der Referenztemperatur werden die Halbleiter- und ferroelektrischen Eigenschaften der Keramik dazu verwendet, um einen Widerstandsanstieg von mehreren Größenordnungen zu erzeugen und somit dessen selbstbegrenzende Eigenschaften herzustellen. Diese selbstbegrenzenden Eigenschaften garantieren die Betriebssicherheit der Vorrichtung.Due to the self-limiting temperature characteristics of the PTC heating elements, these are even switched on continuously and never rise to a higher than their regulated reference temperature. This characteristic ensures the avoidance of damage to the wax mass and damage to the sealing elements. Above the reference temperature, the semiconductor and ferroelectric properties of the ceramic are used to produce several orders of magnitude increase in resistance, thus producing its self-limiting characteristics. These self-limiting properties guarantee the operational safety of the device.

Der Temperaturwert, bei dem sich der elektrische Widerstandswert des PTC-Heizelements schlagartig dramatisch erhöht, wird als Schalttemperatur bezeichnet. Die Schalttemperatur kann während der Produktion strukturiert werden. Die Schalttemperatur kann während der Produktion zwischen 50°C–250°C einstellbar sein. Ein PTC-Heizelement, dessen Schalttemperatur z. B. 250°C beträgt, heizt seine Umgebung, sobald es eingeschaltet wird, bis zum Erreichen von 250°C auf. Wenn diese Temperatur erreicht ist, erhöht sich sein elektrischer Widerstandswert dramatisch und es verliert seine Heizeigenschaften, selbst wenn es immer noch eingeschaltet ist. Wenn die Umgebungstemperatur unter 250°C abfällt, beginnt es erneut, die Umgebung aufzuheizen. Diese Charakteristik des PTC-Heizelements wird als Temperatur-Selbstregulierung bezeichnet und die vorliegende Erfindung setzt diese Charakteristik ein.The temperature value at which the electrical resistance of the PTC heating element increases abruptly dramatically is referred to as switching temperature. The switching temperature can be structured during production. The switching temperature can be set between 50 ° C and 250 ° C during production. A PTC heating element whose switching temperature z. B. 250 ° C, its environment heats up as soon as it is turned on until reaching 250 ° C. When this temperature is reached, its electrical resistance increases dramatically and it loses its heating properties even when it is still on. When the ambient temperature drops below 250 ° C, it starts to heat up the environment again. This characteristic of the PTC heating element is called temperature self-regulation and the present invention employs this characteristic.

Eine Überhitzung am Produkt tritt aufgrund dieser PTC-Charakteristik niemals ein, die physikalischen Eigenschaften der Wachsmasse und Dichtelemente werden niemals geschädigt und sichern deren lange Standzeit im Gegensatz zu den Widerstandsdraht-Heizvorrichtungen, deren Wachsmasse und Dichtelemente aufgrund einer Überhitzung Ermüdungserscheinungen zeigen. Die Ansprechzeit ist sehr kurz, da das PTC-Heizelement von der Wachsmasse umgeben ist.Overheating of the product never occurs due to this PTC characteristic, the physical properties of the wax compound and sealing elements are never damaged and ensure their long life unlike the resistance wire heaters whose wax mass and sealing elements show fatigue due to overheating. The response time is very short because the PTC heating element is surrounded by the wax mass.

Beschreibung der Figuren:Description of the figures:

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren detailliert beschrieben. Die Figuren sind nur beispielhaft.The invention will be described in detail by the following figures. The figures are only examples.

Darin zeigt:It shows:

1 eine Querschnittsansicht, die Aufbau und Funktion der Erfindung veranschaulicht; 1 a cross-sectional view illustrating the structure and function of the invention;

2 eine detaillierte Ansicht eines Aufbaus von PTC-Heizelementen; 2 a detailed view of a structure of PTC heating elements;

3 ein Anwendungsbeispiel eines Thermostats mit einem PTC-Heizelement. 3 an application example of a thermostat with a PTC heating element.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Wachsbehälterwax container

22

Wachsmassewax material

33

Dichtelement 1Sealing element 1

44

Dichtelement 2Sealing element 2

55

Deckelcover

66

Kolben mit PTC-HeizelementPiston with PTC heating element

77

Sockel und EnergiekabelSocket and power cable

88th

PTC-HeizelementPTC heating element

99

VentilValve

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Ein Wachsbehälter (1) ist oben offen. Eine Wachsmasse (2) ist im Inneren des Wachsbehälters (1) platziert. Zum Platzieren im Innern entspricht die Form der Wachsmasse (2) dem Wachsbehälter (2). Auf diese Weise erzeugt eine Ausdehnung und eine Schrumpfung der Wachsmasse (2) durch eine Temperaturänderung eine Linearbewegung eines Kolbens (6) axial zum Wachsbehälter (1) nach oben oder unten.A wax container ( 1 ) is open at the top. A wax mass ( 2 ) is inside the wax container ( 1 ). For placing inside, the shape of the wax mass ( 2 ) the wax container ( 2 ). In this way, an expansion and a shrinkage of the wax mass ( 2 ) by a temperature change, a linear movement of a piston ( 6 ) axially to the wax container ( 1 ) up or down.

Der Kolben (6) ist im Inneren einer Ausnehmung der Wachsmasse (2) platziert. Der Kolben (6) wandelt die Ausdehnung und die Schrumpfung der Wachsmasse (6) in eine lineare Bewegung um. Diese Bewegung öffnet oder schließt ein Ventil (9), um die Kühlmittelströmung auszurichten.The piston ( 6 ) is inside a recess of the wax mass ( 2 ). The piston ( 6 ) converts the expansion and shrinkage of the wax mass ( 6 ) into a linear motion. This movement opens or closes a valve ( 9 ) to align the coolant flow.

Ein Deckel (5) verschließt und dichtet die offene Seite des Wachsbehälters (1) ab, hält zudem den Kolben (6), um dessen axiale Linearbewegung sicher sicherzustellen, Ein Dichtelement 1 (3) wird zur Abdichtung von der äußeren Umgebung verwendet, ein Dichtelement 2 (4) wird verwendet, um die Wachsmasse (2) im Innern des Wachsbehälters (1) zu halten.A lid ( 5 ) closes and seals the open side of the wax container ( 1 ), also holds the piston ( 6 ) to ensure its axial linear movement sure, a sealing element 1 ( 3 ) is used for sealing from the external environment, a sealing element 2 ( 4 ) is used to make up the wax mass ( 2 ) inside the wax container ( 1 ) to keep.

Ein PTC-Heizelement (8) ist innerhalb eines geschlossenen Randbereichs des Kolbens (6) platziert, um die Wärme, die es produziert, effektiv zu nutzen und eine rasche Wärmeübertragung auf die Wachsmasse (2) zu gewährleisten. Dem PTC-Heizelement (8) wird Energie über Energiekabel (7) zugeführt, die durch einen Sockel mit dem Kolben verbunden sind.A PTC heating element ( 8th ) is within a closed edge region of the piston ( 6 ) to effectively utilize the heat it produces and to rapidly transfer heat to the wax mass ( 2 ) to ensure. The PTC heating element ( 8th ) is energy via power cable ( 7 ), which are connected by a socket to the piston.

Claims (1)

Für die elektrisch beheizten, kennfeldgesteuerten Thermostate mit PTC-Heizelementen: wobei ein PTC-Heizelement (8) innerhalb eines geschlossenen Randbereichs eines Kolbens (6) platziert ist.For electrically heated, map-controlled thermostats with PTC heating elements: where a PTC heating element ( 8th ) within a closed edge region of a piston ( 6 ) is placed.

Images