BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verbrennungs
kraftmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung und be
trifft im besonderen die Kühlsysteme, die dazu verwendet wer
den, die durch derartige Verbrennungskraftmaschinen oder
-motoren erzeugte Wärme zu kontrollieren. Im einzelnen be
trifft die Erfindung Thermostate, die dazu verwendet werden,
den Fluß des Kühlmittels zwischen einem Motor und einem Wär
metauscher, so etwa einem Kühler, zu steuern oder zu regeln.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verwendung von Thermostaten zum Steuern oder Regeln des
Kühlmittelumlaufs in Verbrennungskraftmaschinen oder Motoren
mit innerer Verbrennung ist bekannt und weitverbreitet. In
der Vergangenheit sind die Thermostate als Ventile konzipiert
worden, die in das Kühlmittel in zum Beispiel einem Kühlmit
telkanal eingetaucht sind. In der gebräuchlichsten Ausführung
umfassen die Ventile ein Ventilelement, welches sich über den
Kanal erstreckt und gegen einen Ventilsitz anliegt. In der
Geschlossen-Stellung wird das Ventil demnach den Kühlmittelfluß
- beispielsweise zu dem Kühler - im wesentlichen sperren
und so das Kühlmittel durch den Motor rezirkulieren und sich
schneller aufheizen lassen.
Typisch umfassen derartige Ventile einen geschlossenen Kör
per, der ein thermisch expandierbares Material enthält, so
etwa Wachs. Es ist ein Kolben vorgesehen, der sich bei Aus
dehnung des Wachses infolge der höheren Kühlmitteltemperatu
ren auswärts verschiebt. Der Kolben hebt das Ventil von dem
Ventilsitz ab, um so das Kühlmittel durch einen Wärmetau
scher, beispielsweise einen Kühler, zirkulieren zu lassen.
Dadurch wird die Temperatur des Kühlmittels gesenkt und Wärme
von dem Motor abgeführt. Es ist eine Feder vorgesehen, die
das Ventil in eine Geschlossen-Stellung drängt, so daß in
einem Ruhe- oder abgekühlten Zustand das Ventil geschlossen
ist. Beim erstmaligen Anlassen eines Motors wird das Ventil
also geschlossen sein, so daß der Motor seine optimale Be
triebstemperatur schneller erreichen kann.
Bislang hat man Thermostate so ausgeführt, daß sie dem Motor
erlauben, über die Zeit bei einer konstanten optimalen Tempe
ratur zu laufen. Der Thermostat bewerkstelligt dies durch
Öffnen eines Ventils in dem Kühlsystem, wenn die Motortempe
ratur und damit die Temperatur des flüssigen Kühlmittels an
steigen. Das Öffnen des Ventils erlaubt mehr Durchfluß zu
einem Wärmetauscher, so etwa zu einem Kühler, wodurch mehr
Wärme dissipiert und dadurch wiederum die Motortemperatur ge
senkt werden kann. Mit abnehmender Motortemperatur und damit
auch abnehmender Kühlmitteltemperatur schließt das Ventil,
wodurch die dissipierte Wärmemenge verringert und wieder eine
optimale Betriebstemperatur gehalten wird.
Derartige Thermostate nach dem Stand der Technik sind wirk
sam, einfach und zuverlässig, leiden aber unter einer Reihe
von Nachteilen. Ein Nachteil liegt darin, daß der Thermostat
den Motorenkonstrukteur im wesentlichen dazu zwingt, eine
einzige optimale Motortemperatur festzulegen. In der Praxis
ist es aber bekanntlich so, daß die Motorbetriebstemperatur
Einfluß auf das Motorverhalten nimmt. Im einzelnen erzeugt
ein heißer laufender Motor weniger Emissionen, indem er eine
vollständigere Verbrennung erlaubt, was wiederum zu einer
Kraftstoffverbrauchsverbesserung führt. Ein heißer laufender
Motor wird weniger Leistung abgeben, wohingegen ein kühler
laufender Motor mehr Leistung abgibt. Eine einzige optimale
Motortemperatur ist also immer ein Kompromiß zwischen Lei
stung und Emission.
Ein weiterer Nachteil ist, daß Thermostate langsam anspre
chend sind. Die Kühlmitteltemperaturänderung geht im wesent
lichen allmählich vonstatten, und weil die Änderung der Kühl
mitteltemperatur die Bewegung des Kolbens steuert, öffnet
sich das Ventil nur langsam. Im wesentlichen ist es so, daß
die Antwort des Thermostats der Anforderung des Motors nach
hinkt und so als gedämpftes System wirkt. So kann zum Bei
spiel der Thermostat im Winter, bei sehr kaltem Motorstart,
12 Minuten zum Ansprechen benötigen und etwa 5 Minuten im
Sommer, wenn die Motorstarttemperatur höher ist. Scharfe Än
derungen der Motortemperatur, die in Erscheinung treten und
dann schnell zurückgehen, kann der Thermostat nicht gut handhaben.
Indes können derartige scharfe Änderungen durchaus
entstehen, so etwa beim Beschleunigen aus dem Stillstand,
beim Beschleunigen zum Überholen oder bei Fahrten auf Stei
gungsstrecken. Es hat deshalb Bestrebungen gegeben, einen
Thermostaten zu entwickeln, der auf Anforderung anspricht
statt einfach der Kühlmitteltemperatur zu folgen. Selbstver
ständlich muß der Thermostat weiterhin zuverlässig auf Kühl
mitteltemperaturänderungen in der Weise ansprechen, daß ein
Überhitzen vermieden wird.
Es wurden verschiedene Hebel und Betätigungseinrichtungen
vorgeschlagen, um Ventilelemente auf Anforderung öffnen und
schließen zu können; diese sind jedoch mit verschiedenen
Nachteilen behaftet. Erstens sind sie relativ teuer. Zweitens
gehen sie mit komplizierten, bewegten Teilen einher, die mit
der Zeit versagen können. Ein Versagen des Systems könnte zu
Überhitzung und Ausfall des Motors führen, was nicht hinnehm
bar ist. Elektromechanische Systeme sind also für die unter
der Motorhaube herrschenden Bedingungen ungeeignet.
Das US-Patent Nr. 4 890 780 und das damit zusammenhängende
Patent Nr. 4 961 530 offenbaren eine bessere thermomechani
sche Lösung mit einem Thermostaten, der ein besseres An
sprechvermögen aufweist als ein Thermostat, der darauf be
schränkt ist, allein auf die Kühlmitteltemperatur anzuspre
chen. Dieses Patent lehrt einen ersten Thermostaten 40, der
sich in der üblichen Lage innerhalb eines Kühlmittelkanals
befindet, und weiter eine zweite, thermostatähnliche Einrich
tung 52 (thermischer Motor genannt), die sich außerhalb des
Kanals befindet und gegen den Kanal isoliert ist. Die Einrichtung
52 umfaßt das gleiche Element wie ein Thermostat der
zuvor beschriebenen Art, nämlich einen geschlossenen Körper,
ein thermisch expandierbares Material innerhalb des Körpers
und einen Kolben, der in Abhängigkeit von einem Temperaturan
stieg in dem thermisch expandierbaren Material ausgefahren
werden kann. Anstatt daß die Kühlmitteltemperatur den Grad
der Ausdehnung bestimmt, umfaßt die Einrichtung 52 aber einen
kleinen elektrischen Heizer innerhalb des geschlossenen Kör
pers, der dazu verwendet werden kann, das ausdehnbare Mate
rial zu erwärmen, um so wiederum das Ausfahren eines Kolbens
zu bewirken. Die Kolben der Einrichtung 52 und des regulären
Thermostats sind koaxial gehalten, so daß, wenn der elek
trisch beeinflußte Kolben ausfährt, das Ventil des Ther
mostats vom Ventilsitz abgehoben wird. Die Patente lehren,
daß auf diese Weise das Ventil in Abhängigkeit von Motorpara
metern wie Last oder dergleichen, die mit anderen Sensoren
gemessen werden, geöffnet werden kann und das Kühlmittel zir
kulieren gelassen werden kann, bevor sich die Wärme in dem
Motor staut. Diese Befähigung, das Öffnen des Ventils zu be
einflussen, soll Kundenbeschwerden über Motorüberhitzung
praktisch ausschließen, verbessert den Kraftstoffverbrauch
und senkt die Emissionen.
Auch wenn in mancher Hinsicht eine annehmbare Lösung, so ist
diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik doch immer noch
mit zahlreichen Nachteilen behaftet und hat keine weit ver
breitete Akzeptanz gefunden. So ragt zum Beispiel der thermi
sche Motor 52, zwar vom Kühlmittel isoliert, aber dennoch et
was exponiert in den Bereich unter der Motorhaube hinein. Die
Lufttemperatur der Umgebung unter der Motorhaube kann, je
nach Außentemperatur, in weiten Grenzen variieren und kann
zudem recht hoch werden, wenn der Motor stationäre oder
Dauerbetriebstemperaturen erreicht, nämlich bis zu ca. 25%
höher als die Kühlmitteltemperatur. Ein derart weiter Tempe
raturbereich für die Betriebsbedingungen des thermisch akti
vierten Motors machen eine Vorhersage, wieviel Wärme von dem
elektrischen Heizer benötigt wird, um den Motor zu einer Be
wegung zu veranlassen, schwierig. Schlimmer noch, die Ein
richtung 52 könnte sogar durch die Umgebungstemperatur akti
viert werden, ohne daß sie durch das Motorsteuerungs- oder
-regelungssystem kontrolliert würde, was inakzeptabel ist.
Weiter hat das koaxiale Verbinden des Kolbens der Einrich
tung 52 mit dem Thermostatkolben zur Folge, daß sich der Ef
fekt der zwei thermisch aktivierten Kolbensysteme verviel
facht, weil ihre Bewegungen kumulativ sind. Dies macht das
Ventilöffnen und -schließen überempfindlich und seine zuver
lässige Steuerung schwierig. Es wird angenommen, daß sich in
der Praxis folgendes abspielt: das Ventil wird sich tenden
ziell zu viel öffnen und dann zu viel schließen und wird im
wesentlichen ungedämpft um den gewünschten Sollwert oszillie
ren. Ein derartiges Oszillieren setzt die Bauteile hohen Be
anspruchungen aus und liefert die wenigste Zeit die ge
wünschte Temperatur, so daß die Vorrichtung, statt effizien
ter zu werden, eher weniger effizient wird. Es besteht dem
nach Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Weg zum Be
reitstellen einer genauen Temperaturkontrolle für Verbren
nungskraftmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung, die
sowohl auf die Kühlmitteltemperatur anspricht als auch ansprechempfindlich
für die Motorlast ist und diese Problematik
vermeidet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht demnach Bedarf an einem kontrollierbaren Ther
mostatsystem, welches einerseits leicht von einem Motor-
Steuerungs- oder -Regelungssystem gesteuert oder geregelt
werden kann, um ein rasches Ansprechen auf kurzzeitige Spit
zenlasten zu ermöglichen, dabei aber immer noch sicher und
zuverlässig auf Veränderungen der Kühlmitteltemperatur an
spricht, um ein Überhitzen zu vermeiden. Auf diese Weise
wird, sollte die Vorrichtung je versagen, der Thermostatteil
weiterhin wirksam bleiben, um ein Überhitzen des Motors zu
vermeiden. Weiter sollte das System aus kostengünstigen Kom
ponenten hergestellt sein, die zuverlässig, sicher und ein
fach zu installieren sind. Das System sollte geeignet anspre
chen und nicht zum Beispiel anfällig sein gegenüber Verände
rungen in der Betriebsumgebung, die ein unerwünschtes Auslö
sen der Vorrichtung bewirken könnten; auch sollte die Vor
richtung nicht zu empfindlich sein und nicht die Neigung zei
gen, eine gewünschte Sollwerttemperatur in ungedämpfter Weise
zu überschwingen. Ferner sollte die Vorrichtung ermöglichen,
die Motortemperatur auf Anforderung zu erniedrigen, so daß
mehr Leistung abgegeben wird, den Motor aber auch bei hohen
Temperaturen laufen lassen, um die Emissionen zu senken. Die
Vorrichtung sollte außerdem rasch ansprechen, um eine Redu
zierung der Motortemperatur zum Beispiel innerhalb des
Zeithorizonts eines Echtzeit-Motorbelastungsereignisses zu
gestatten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird deshalb eine
Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines
Motors durch Steuern oder Regeln eines Stroms eines flüssigen
Motorkühlmittels bereitgestellt, wobei die Vorrichtung um
faßt:
einen Thermostaten, der ein auf Temperatur ansprechendes Ven
til aufweist, um den Strom des flüssigen Kühlmittels zu einem
Kühler im wesentlichen zu sperren und im wesentlichen freizu
geben, wobei der Thermostat einen ersten Aktivierungs-Tempe
raturbereich aufweist;
einen thermisch aktivierten Betätiger, der mit dem Ventil in
Wirkverbindung steht, wobei der Betätiger einen zweiten Akti
vierungs-Temperaturbereich oberhalb des ersten Aktivierungs-
Temperaturbereichs aufweist; und
eine Quelle elektrothermischer Energie zum Aktivieren des Be
tätigers, um zu bewirken, daß das auf Temperatur ansprechende
Ventil den Strom des flüssigen Kühlmittels auf Anforderung
freigibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren
zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors, der
ein Kühlmittelkreislaufsystem umfaßt, bereitgestellt, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Bereitstellen eines thermisch aktivierten Betätigers;
- b) Bereitstellen eines Thermostats, der eine festgehaltene
Druckoberfläche und ein Ventil, das geöffnet werden kann
und einen Ventilkörper umfaßt, aufweist;
- c) In-Wirkverbindung-Bringen des thermisch aktivierten Be
tätigers mit dem Ventilkörper des Thermostats;
- d) Überwachen des Motors, um zu bestimmen, wann das Ventil
geöffnet werden soll; und
- e) Öffnen des Ventils durch Aktivieren des thermisch akti
vierten Betätigers in Abhängigkeit von dem Überwachen
des Motors.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrich
tung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors
bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt:
einen Thermostaten, der ein thermisch gesteuertes oder gere
geltes Ventil aufweist, welches sich in Abhängigkeit von
einer Kühlmitteltemperatur in eine erste Position öffnet, wo
bei die erste Position einer ersten Kühlmittelflußrate ent
spricht, die zum Aufrechterhalten einer optimalen Motortempe
ratur ausreichend ist;
einen thermisch gesteuerten oder geregelten Betätiger zum
Öffnen des Ventils in eine zweite Position, wobei die zweite
Position einer zweiten Kühlmittelflußrate entspricht, die
dazu ausreicht, es dem Motor zu erlauben, sich auf eine Lei
stungsabgabetemperatur unterhalb der optimalen Temperatur ab
zukühlen; und
eine mit dem Betätiger verbundene Heizeinrichtung, wobei die
Heizeinrichtung in Betrieb genommen wird, wenn zusätzliche
Leistung benötigt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es wird nun auf die zeichnerische Darstellung Bezug genommen,
die - rein beispielhaft - bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung veranschaulicht; es zeigen:
Fig. 1 eine querschnittliche Vorderansicht der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühl
mittelkanal und mit dem Ventil in geschlossenem
Zustand;
Fig. 2 ein Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von Fig. 1 von der Seite gesehen;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A von
Fig. 2 in der Draufsicht gesehen;
Fig. 4 eine querschnittliche Vorderansicht der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühl
mittelkanal und mit dem Ventil in einem ersten
Öffnungsmodus;
Fig. 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrich
tung von Fig. 4 von der Seite gesehen;
Fig. 6 eine querschnittliche Vorderansicht der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühl
mittelkanal und mit dem Ventil in einem zweiten
Öffnungsmodus; und
Fig. 7 ein Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von Fig. 6 von der Seite gesehen.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur
eines Motors durch Steuern oder Regeln eines Stroms eines
flüssigen Motorkühlmittels ist insgesamt mit 10 bezeichnet in
Fig. 1 dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Endkappe 12
und einen Hauptkörper 14, der einen Fluidkanal 16 definiert.
Der Hauptkörper 14 umfaßt einen Befestigungsflansch 18 mit
einem Paar einander gegenüberliegender Befestigungsmittelöff
nungen 20 zum Montieren der Vorrichtung 10 am Kühlsystem von
zum Beispiel einem Fahrzeug. Es ist ein O-Ring 22 vorgesehen,
um die Herstellung einer flüssigkeitsdichten Abdichtung zwi
schen dem Teil 10 und dem übrigen Motorsystem zu ermöglichen.
Auch wenn hier eine bestimmte Konfiguration für Endkappen und
Hauptkörper gezeigt ist, so ist die Verwendung verschiedener
Formen von Fittings selbstverständlich möglich, ohne den Be
reich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Verbunden mit der Endkappe 12 ist ein Instrumentierungspaket,
welches ein Paar von elektrischen Kabeln 24 umfaßt, die mit
einem Fitting 26 außerhalb des Kanals 16 verbunden sind. Zu
dem Instrumentierungspaket 26 gehört ein Haltering 28, der
einen O-Ring 30 umfaßt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
gegenüber der Flüssigkeit in dem Kanal 16 zu schaffen. Der
Haltering 28 ist vorzugsweise mit einer geneigten Oberflä
che 32 ausgebildet, um sich mit dem O-Ring 30 kombinieren zu
lassen.
Die elektrischen Kabel 24 sind meistbevorzugt mit einer elek
trischen Schaltung verbunden, die zum Beispiel von einem Mo
torsteuerungs- oder -regelungsmodul (ECM) beeinflußt wird.
Typisch umfaßt ein ECM mehrere Sensoren, die dazu verwendet
werden, verschiedene Motor- und Fahrzeugparameter zu erfas
sen, so daß das Verhalten des Motors optimiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt entweder die Verwendung be
reits vorhandener Sensoren, sofern geeignet und verfügbar,
oder die Verwendung hinzugenommener Sensoren, um das ECM mit
ausreichenden Informationen zu versorgen, um die vorliegende
Erfindung mit Vorteil zu nutzen, wie hierin beschrieben.
Unterhalb des Halterings 28 erstreckt sich ein Körper 34 der
Vorrichtung, der einen geschlossenen Bereich 36 umfaßt, wel
cher einen Behälter für ein thermisch expandierbares Material
(nicht gezeigt) bildet, eine Verlängerung 38 und einen Kol
ben 40. Wie ersichtlich, erstrecken sich Behälter 36, Verlängerung
38 und Kolben 40 in den Kanal 16 hinein, und wären bei
normaler Kühlmittelfüllung von dem Kühlmittelfluid umgeben.
Der Behälter 36, die Verlängerung 38 und der Kolben 40 können
als ein Betätiger betrachtet werden, wie im folgenden be
schrieben.
Das Oberteil 12 ist an dem Hauptkörper 14 gesichert, zum Bei
spiel durch Verschrauben bei 42. Wieder kann ein O-Ring 44
verwendet werden, um für eine sichere flüssigkeitsdichte Ver
bindung zwischen dem oberen Teil 12 und dem Hauptkörper 14 zu
sorgen.
Weiter zeigt Fig. 1 einen herkömmlichen Thermostaten 50, der
einen Körper 52 umfaßt, welcher ein thermisch expandierbares
Material enthält, eine Befestigungsplatte 54, ein Ventil 56,
eine Feder 58, die zwischen der Befestigungsplatte 54 und dem
Ventil 56 liegt, und einen Kolben 60. Ebenfalls in Fig. 1
gezeigt ist eine Aufnahme 80, in die der Kolben 60 paßt. Die
Aufnahme 80 ist lagefixiert und wirkt so als eine Druckober
fläche für den Kolben 60. Gezeigt ist auch ein abgeschrägter
Ventilsitz 82, gegen den das Ventil 56 dichtet. Ein wichtiges
Merkmal des Ventilsitzes 82 liegt darin, daß die Öffnung so
bemessen und gestaltet ist, daß, je weiter das Ventil 56 von
dem Ventilsitz 82 versetzt ist, desto größer der Kühlmittel
strom zu dem Wärmetauscher, bis hinauf zu einer maximalen
Flußrate. Die Funktionsweise dieser Komponenten wird im fol
genden ausführlicher beschrieben.
In der Mitte des Kanals 16 befindet sich eine Verbindungsein
richtung, die ein Lastübertragungselement 83 mit einer Feder
84 umfaßt, welche zwischen einer in Fig. 1 gezeigten
Leiste 8b und einer in Fig. 2 gezeigten Leiste 88 liegt. Das
Element 83 bewirkt eine operative Verbindung des Betätigers
mit dem Thermostaten 50. Auch die Funktionsweise dieser Ele
mente wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die das Element 80
nun im Querschnitt darstellt, woraus hervorgeht, daß sich das
Element 80 von der Seitenwand des Kanals 16 auswärts er
streckt und so - als Druckfläche oder Druckpunkt wirkend -
dem Kolben 60 des Thermostaten 50 dagegenzudrücken erlaubt.
Ebenfalls gezeigt ist die Befestigungsplatte 54, aufgenommen
in mit dem Hauptkörper 14 fest verbundenen nach unten ragen
den Armen 90, die das Thermostat 50 lagefixieren. Meistbevor
zugt sind die Arme 90 so bemessen und gestaltet, daß sie in
den unterhalb des Hauptkörpers 14 befindlichen Kühlmittelka
nal passen, um die Montage zu erleichtern. Man sieht, daß der
Kanal 16 eine Y-Verbindung 100 umfaßt, die es gestattet, das
Kühlmittel durch einen Kühler (nicht gezeigt) zirkulieren zu
lassen. Demnach zeigt der Pfeil 102 den Lageort eines Küh
lers, und der Pfeil 104 zeigt den Zufluß von Kühlmittel von
dem Motor (nicht gezeigt) in den Kanal 16. Der Pfeil 105
zeigt das Kühlmittel ohne Durchlauf durch das Ventil 56, wel
ches in Fig. 2 geschlossen ist.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Elemente von Fig. 2 ent
lang der Schnittlinie A-A von oben gesehen. Im einzelnen ist
der Hauptkörper 14 als ein Kanal 16 mit einer Aufnahme 80 für
den Kolben 60 ausgebildet gezeigt. Ebenfalls dargestellt ist
das Lastübertragungselement 83, welches sich beiderseits der
Aufnahme 80 erstreckt. Das Lastübertragungselement 83 ist so
bemessen und gestaltet, daß es von einer äußeren Oberfläche
der Aufnahme 80 geführt wird. Es können auch andere Formen
von Lastübertragungselementen Verwendung finden; mit der Form
von Element 83 wie gezeigt wurden jedoch vernünftige Ergeb
nisse erzielt.
Es wird nun erneut auf Fig. 2 Bezug genommen, die ferner
eine elektrische Heizeinrichtung 110 zeigt, die sich nach un
ten, in den geschlossenen Bereich 36 des Körpers 34 hinein
erstreckt. Der Anschluß der elektrischen Heizeinrichtung 110
geschieht mit Hilfe von isolierten Kabeln 112, die ihrerseits
Teil des Instrumentierungspakets 26 bilden. Selbstverständ
lich können andere Arten von elektrischen Verbindungen vorge
sehen werden, Wirkverbindung zwischen ECM und Heizeinrich
tung 110 vorausgesetzt.
Fig. 2 zeigt die Stellung des Ventils 56, wenn Kühlmittel
und Motor kalt sind. In diesem Zustand liegt das Ventil 56
dicht gegen den Ventilsitz 82 an und sperrt den Fluß des
Kühlmittels vom Motor zum Kühler. So kann das Kühlmittel
durch den Motor rezirkulieren und damit der Motor seine ge
wünschte Betriebstemperatur schneller erreichen (bei 105 in
Fig. 2 gezeigt).
Es wird nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, denen zu
entnehmen ist, daß sich das Ventil 56 von dem Ventilsitz 82
wegbewegt hat. Zu diesem Zeitpunkt hat die Temperatur des
Kühlmittels die Aktivierungstemperatur des thermisch expan
dierbaren Materials in dem Thermostaten 50 erreicht, so daß
es sich ausdehnt und dadurch den Kolben 60 zum Ausfahren ver
anlaßt. Weil der Kolben 60 gegen eine Druckoberfläche in der
Aufnahme 80 stößt, zwingt das Ausfahren des Kolbens 60 aus
dem Körper 52 das Ventil 56 nach unten, von dem Ventilsitz 82
weg, wobei die Feder 58 zusammengedrückt wird. In dieser
Stellung kann das Kühlmittel durch das Ventil 56 hindurch
und, über den Abzweig 100 des Kanals, hinaus in den Kühler
strömen, wie durch die Pfeile C angedeutet. Aus Fig. 4 kann
man sehen, daß, obgleich das Ventil 50 geöffnet hat, das
Lastübertragungselement 83 sich nicht bewegt hat, in dessen
Folge nun ein Spalt 120 zwischen dem Lastübertragungsele
ment 83 und dem Ventil 56 vorhanden ist. Wenn die Kühlmittel
temperatur unter den thermischen Aktivierungspunkt für den
Thermostaten 50 fällt, wird die Feder 58 bewirken, daß das
Ventil 56 gegen den Ventilsitz 82 schließt, was dazu führt,
daß die Wärmedissipation vermindert wird und die Motortempe
ratur bei der optimalen Sollwerttemperatur erhalten bleibt.
In Einklang mit der vorliegenden Erfindung liegt der Aktivie
rungs-Temperaturbereich des Thermostats 50 mit Vorzug ober
halb des normalen Bereichs für seriengefertigte Fahrzeuge.
Wenn also typisch ein Thermostat so eingestellt wird, daß er
bei einer Temperatur zwischen 90°C und 95°C anzusprechen
beginnt, so liegt für die vorliegende Erfindung die bevor
zugte Aktivierungstemperatur zwischen ungefähr 100°C bis
105°C. Meistbevorzugt beginnt der Aktivierungs-Temperaturbe
reich bei etwa 102°C und endet ungefähr 10°C höher bei ca.
112°C. Dieser Temperaturbereich wird als erster Aktivie
rungsbereich bezeichnet. Wenn also beispielsweise die Tempe
ratur des Kühlmittels 112°C erreicht, wird das Ventil 56 um
einen Abstand D1 von dem Ventilsitz entfernt. D1 ist defi
niert als ein Abstand, der ausreichend ist, um dem Motor zu
erlauben, bei der gewünschten Sollwert-Dauertemperatur zu
laufen. Diese Maß an Kühlung kann erreicht werden mit Kühl
mittelumlaufströmen von ca. 1 bis 2 m3 pro Stunde für einen
typischen mittelgroßen Wagen. Es versteht sich, daß andere
Typen von Autos oder Lastkraftwagen andere Motorwärmebela
stungen haben, die andere Kühlmitteldurchfluß-Bereiche ver
langen. Wie weiter unten ausführlicher erläutert, ist die
Ventilstellung für Temperaturerhaltung bei der optimalen Mo
tortemperatur bevorzugt nicht eine voll geöffnete Stellung
des Ventils 56. Vielmehr ist die Ventilposition bei D1 so,
daß ausreichend Kühlmittelfluß zugelassen wird, um Tempera
turerhaltung zu erzielen. Es ist ferner einzusehen, daß ein
Motor, der über einen Temperaturbereich von 102°C bis 112°C
als Dauerbetriebstemperatur arbeitet, wesentlich heißer läuft
als ein herkömmliches System. Dies begünstigt eine vollstän
digere Verbrennung, weniger Emission und einen besseren
Kraftstoffverbrauch. Schätzungsweise könnten Kraftstoffein
sparungen zwischen 1 und 2% oder sogar noch mehr erzielt
werden, je nach Leistungsdaten des Motors.
Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Konfiguration, wenn der
Kolben 40 ausgeschoben ist. Der Kolben 40 wird ausgefahren,
wenn das Motorsteuerungs- oder -regelungsmodul ein Signal zu
der Heizeinrichtung 110 sendet, welches bewirkt, daß sich die
Heizeinrichtung rasch aufheizt und ihrerseits bewirkt, daß
sich das thermisch expandierbare Material in dem Betätiger
ausdehnt. Wie bereits erwähnt, wird dies als Folge von be
stimmten Belastungszuständen des Motors geschehen, so etwa
bei Beschleunigung oder unter anderen Umständen, die einen
Bedarf an mehr Leistung und damit mehr Kühlung erzeugen. Die
von der Heizeinrichtung 110 ausgehende Wärme bewirkt, daß der
Kolben 40 ausgeschoben wird, wodurch das Lastübertragungsele
ment 83 nach unten gedrückt wird. Das Lastübertragungsele
ment 83 überträgt die Last von dem Kolben 40 auf die Schul
tern des Thermostats 50, wodurch der Ventilteller 56 vom Ven
tilsitz 82 weg versetzt wird. Wieder wird dadurch dem Kühl
mittel erlaubt, den Thermostaten 50 und, über den Ab
zweig 100, den Kühler zu durchlaufen, wie durch die Pfeile C
bezeichnet. Wie aus den Fig. 6 und 7 zu entnehmen ist, be
wirkt das Ausfahren des Kolbens 40 ein Zusammendrücken der
Feder 84. Weiter bewirkt das Ausfahren des Kolbens 40, daß
sich der Kolben 60 innerhalb der Aufnahme 80 bewegt und einen
Spalt entstehen läßt, der bei 130 gezeigt ist. Wieder wird
das Ventil 56 von dem Ventilsitz 82 wegbewegt, diesmal aber
um einen Abstand D2. Erfindungsgemäß ist D2 ein ausreichender
Abstand, um einen Kühlmittelstrom durch das Ventil zuzulas
sen, der viel größer ist als der bei D1 auftretende und der
einen Kühlmittelstrom darstellt, der ausreichend ist, um die
Motortemperatur eher zu erniedrigen als sie in einem statio
nären Zustand zu halten, was bei der Position D1 erreicht
wird. Ferner wird es bevorzugt, daß das Erniedrigen der Tem
peratur rasch, innerhalb des Zeithorizonts eines Lastereig
nisses geschieht, was bedeutet, daß der Kühlmittelstrom aus
reichend sein sollte, um möglichst eine rasche Kühlung des
Motors zu erzielen. Meistbevorzugt erlaubt D2 eine Kühlmit
telströmungsrate von ca. 8 bis 12 m3 pro Stunde für ein her
kömmliches mittelgroßes Auto. Für den Fachmann wird erkennbar
sein, daß andere Autotypen und andere Motorgrößen mehr oder
weniger Kühlmittelfluß benötigen können. Demnach repräsen
tiert D2 eine Stellung, die weiter geöffnet ist als D1. Ein
Verfahren, um dies zu erzielen, besteht erfindungsgemäß
darin, den Kolben 40 bei Aktivierung mehr oder weiter ausfah
ren zu lassen, als der Kolben 60 ausfährt, wenn er aktiviert
wird. Es können jedoch auch andere Verfahren Anwendung fin
den, um zu demselben Ergebnis zu gelangen, nämlich mit Hilfe
des Betätigers eine größere Kühlkapazität bereitzustellen als
der Thermostat 50.
Erfindungsgemäß wird außerdem das thermisch expandierbare Ma
terial, welches für das Ausfahren des Kolbens 40 verantwort
lich ist, auf einen von dem ersten, für das Ausfahren des
Kolbens 60 verantwortlichen Aktivierungs-Temperaturbereich
verschiedenen, oder zweiten Aktivierungs-Temperaturbereich
eingestellt. Meistbevorzugt ist der zweite Aktivierungs-Tem
peraturbereich wesentlich höher als der erste Aktivierungs-
Temperaturbereich des Hauptthermostats und kann beispiels
weise etwa 25°C höher sein. Zum Beispiel könnte das für das
Ausfahren des Kolbens 40 verantwortliche thermisch expandier
bare Material in dem Betätiger so eingestellt sein, daß es
auf Temperaturen von ungefähr 125°C bis 127°C anspricht.
Weil dieser zweite Bereich beträchtlich oberhalb des ersten
Bereichs liegt, wird es nie dazu kommen, daß der Kolben 40
aufgrund der Kühlmitteltemperatur allein zum Ausfahren veran
laßt wird. Ganz einfach liegt der Betriebsbereich des ther
misch expandierbaren Materials in dem Betätiger oberhalb des
Betätigungstemperaturbereichs des Thermostats 50. Demnach
wird im normalen Betrieb der Thermostat 50 verhindern, daß
die Temperatur des Kühlmittels jemals so hoch werden kann wie
die zum Auslösen des Betätigers. Auf diese Weise erfolgt eine
Aktivierung des Betätigers ausschließlich infolge einer elek
trischen Ausgabe von der innerhalb des geschlossenen Kör
pers 56 aufgenommenen elektrischen Heizeinrichtung oder auf
grund eines direkten Befehls von dem ECM.
Es wurde gefunden, daß ein rasches Ausfahren des Kolbens 40
dadurch erzielt werden kann, daß als Heizeinrichtung 110 ein
Heizelement gewählt wird, welches auf eine Temperatur auf
heizt, die noch wesentlich höher ist, zum Beispiel ungefähr
150°C. Ferner wird es bevorzugt, daß das Ansprechen rasch
geschieht. Dies wird dem thermisch expandierbaren Material
erlauben, seine Ausdehnungstemperatur viel schneller zu er
reichen. Es versteht sich, daß die Temperatur nicht so hoch
sein kann, daß sie irgendeine der Komponenten schädigt, ins
besondere das thermisch expandierbare Material. Demnach wird
erfindungsgemäß ein Signal zum Aufheizen der Heizeinrichtung
die Temperatur rasch anheben, so daß der Kolben 40 zum Aus
fahren veranlaßt wird. Eine Ansprechzeit von unter
10 Sekunden wird bevorzugt, und ca. 6 Sekunden sind bisher
erzielt worden, wobei jedoch möglicherweise ein noch besseres
Verhalten erzielbar ist.
Es ist ferner einzusehen, daß neben einer raschen Erwärmung
des thermisch expandierbaren Materials auch ein rasches Ab
kühlen des Motors notwendig ist, wenn die benötigte Lei
stungsverstärkung innerhalb des Zeithorizonts des Ereignisses
geliefert werden soll. Zu diesem Zweck muß das Ventil 56 be
fähigt sein, sich unter den erhöhten Leistungsverhältnissen
weiter zu öffnen als in einem stationären oder Dauerzustand,
um einen größeren Kühlmittelfluß zuzulassen.
Demnach liegt ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung
darin, daß der Bewegungsbereich des Ventils 56 durch den
Thermostaten 50 Strömungsraten von 1 bis 2 m3 pro Stunde ent
spricht. Aufgrund der Größe und der Gestalt der Ventilöffnung
zwischen dem Ventil 56 und dem Ventilsitz 82 öffnet aber der
Kolben 40 das Ventil 56 weiter, auf Strömungsraten, die etwa
10 m3 pro Stunde entsprechen. Auf diese Weise wird für eine
rasche Abkühlung gesorgt, genügend, um die Temperatur des
Kühlmittels reichlich unter die normalen Betriebstemperaturen
abzusenken, beispielsweise auf ungefähr 70°C bis 80°C. Eine
derart niedrige Motortemperatur wird die Leistung erhöhen.
Erfindungsgemäß ist der Körper 36 auf der kalten Seite des
Ventils 56 angeordnet. Der Körper 56 ist vollständig von
Kühlmittel umgeben, was bedeutet, daß die Temperatur des Kör
pers 56 innerhalb des relativ kleinen Dynamikbereichs von
Kühlmitteltemperaturen gehalten werden wird. Dies bedeutet,
daß die erforderliche elektrische Energie zum Erhitzen des
thermisch expandierbaren Materials in dem Körper 36 auf einen
recht engen Bereich beschränkt sein wird, und damit ein ge
naueres und rechtzeitigeres Ausfahren des Kolbens 40 möglich
wird. In anderen Worten: indem der Körper 36 in dem Kühlmit
tel vorgesehen wird, wirkt das Kühlmittel als Temperaturpuf
fer, was wiederum sicherstellt, daß der Kolben 40 zuverlässi
ger und schneller durch die elektrische Heizeinrichtung 110
ausgefahren werden kann.
So wird zum Beispiel der Körper 38 bereits auf Kühlmitteltem
peratur sein, weil er darin eingetaucht ist. Für den Dauerbe
trieb wird das thermisch expandierbare Material also im we
sentlichen auf die z. B. im Bereich von 102°C bis 112°C lie
gende Betriebstemperatur vorgewärmt. Auf diese Weise ist eine
kleinere thermische Kluft zu überwinden, was ein schnelleres
Erwärmen und Ausfahren des Kolbens 40 erlaubt. Die Auslöse
temperatur des Materials in dem Körper 38 kann eine beliebige
Temperatur sein, ist bevorzugt aber eine höhere Temperatur
und meistbevorzugt eine Temperatur, die höher genug ist, um
ein unerwünschtes Ausfahren des Kolbens infolge Umgebungsein
flüssen zu verhindern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, daß, weil der
Körper 36 von Kühlmittel umgeben ist, das Kühlmittel den Ef
fekt haben wird, den Körper 36 rasch abzukühlen, sobald das
Motorsteuerungs- oder -regelungsmodul damit aufhört, elektri
sche Energie an die Heizeinrichtung zu senden. Die dann auf
tretende Differenz zwischen Kühlmitteltemperatur und Tempera
tur des Betätigers wird groß sein, was ein noch schnelleres
Abkühlen zur Folge hat. Im einzelnen öffnet der Betätiger
über den Kolben 40 das Ventil 56 und erlaubt das rasche Ab
kühlen des Motors infolge höherer Strömungsraten. Dies wird
die Temperatur des Motors und des Kühlmittels auf eine nied
rigere Temperatur senken (die eine entsprechend höhere Lei
stung liefert). So liegt zum Beispiel - wiederum für ein mit
telgroßes herkömmliches Auto - eine bevorzugte Leistungsabga
betemperatur zwischen 70 und 80°C und meistbevorzugt bei
ca. 75°C. Somit wird kurz nach Anstoßen der Heizeinrichtung
in dem Betätiger die Motorkühlmitteltemperatur ebenfalls ca.
75 Grad betragen. Weil die Heizeinrichtung auf ca. 150 Grad
aufheizt, wie vorstehend aufgezeigt, ist die Temperaturdiffe
renz groß zwischen dem thermisch expandierbaren Material und
dem Kühlmittel (ca. 75, verglichen mit zwischen 140 und 150),
so daß das thermisch expandierbare Material des Betätigers
aufgrund der großen Temperaturdifferenz rasch abgekühlt wird.
Rasches Abkühlen bewirkt auch, daß der Kolben 40 relativ
rasch wieder einfährt. Dies ermöglicht dem Kolben 60, an der
Aufnahme 80 bei dem geeigneten Öffnungsgrad des Ventils 56
für diese Kühlmitteltemperatur anzugreifen. In dem Beispiel
für eine Temperatur von 75 Grad kann das Ventil 56 des Ther
mostats 50 zum Beispiel voll geschlossen sein, wenn die tie
fere Leistungsabgabetemperatur über einen Zeitraum aufgetre
ten ist, der hinreichend ist, um dem Kolben 60 ein vollstän
diges Einfahren aus seiner Stationärzustandsstellung zu er
lauben.
Es wird ferner erkennbar sein, daß sich das Lastübertragungs
element 80 zwischen dem oberen Kolben 40 und dem Körper des
Thermostats 50 erstreckt. Damit wird beim Ausfahren des obe
ren Kolbens 40 das Ventil 56 durch die Bewegung des Körpers
des Thermostats 50 geöffnet. Sinkt die Kühlmitteltemperatur
infolge des Öffnens des Ventils 56 durch den Betätiger, wird
der Thermostat 50 auf normale Weise reagieren, und der Kol
ben 60 fährt ein. Da aber der Kolben 60 von dem Drucksitz 80
durch das Lastübertragungselement 83 beabstandet ist, hat die
Stellung des Kolbens 60 keinen Einfluß auf die Stellung des
Ventils 56 relativ zu dem Ventilsitz 82. Auf diese Weise sind
die Effekte des Ventilöffnens durch den elektronisch beeinflußten
Betätiger und des Ventilöffnens durch das Kühlmittel
temperatur-Thermostat weder kumulativ noch subtraktiv. Viel
mehr sind die zwei Effekte getrennt und unabhängig voneinan
der. So kann die Temperatur des Kühlmittels entsprechend der
Motorlast eingestellt werden, weil das Ventil unverzüglich
und durch ein geeignetes Signal von dem ECM auf Anforderung
geöffnet werden kann.
Es wird nun erkennbar sein, daß das Ventil 56 veranlaßt wer
den kann, genügend zu öffnen, um Kühlmitteltemperaturen her
beizuführen, die niedriger sind als der Bereich der normalen
Betriebstemperaturen, die durch einen herkömmlichen Thermo
staten eingestellt werden. In Situationen, wo mehr Leistung
gefordert wird, mag es wünschenswert sein, die Temperatur auf
eine Leistungsabgabetemperatur zu senken. Dies kann auf ein
fache Weise dadurch erreicht werden, daß das Motorsteuerungs-
oder -regelungsmodul die elektrische Heizeinrichtung in dem
Betätiger in Betrieb nimmt. In diesem Fall kann das Ventil
geöffnet werden, so daß die Temperatur erniedrigt und ein
Leistungsschub abgegeben werden kann. Andererseits ist be
kannt, daß sich mit einer höheren Sollwerttemperatur ein Mo
torbetrieb mit weniger Emissionen und besserem Kraftstoffver
brauch, aber mit reduzierter Leistung durchführen läßt. Die
ser Kompromiß hat zu Betriebstemperaturen geführt, die nied
riger sind als die, die ansonsten erstrebenswert wären, um
die Emissionen zu verringern. Der erfindungsgemäße Betätiger
erlaubt einen Motorbetrieb bei einer höheren Betriebstempera
tur zu dem Zweck, die Emissionen zu reduzieren, weil eine
Leistungseinbuße auf Anforderung kompensiert werden kann, wie
im vorstehenden erläutert.
Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß die vorstehende Be
schreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung be
trifft, die lediglich beispielhaft sind. Verschiedene Modifi
kationen und Abwandlungen der Erfindung wurden im vorstehen
den vorgeschlagen; weitere Modifikationen und Abwandlungen,
die immer noch in den Bereich der beigefügten Ansprüche fal
len, werden für den Fachmann erkennbar sein. So kann zum Bei
spiel, wenn auch die Differenz in der Auslösetemperatur zwi
schen den oberen und unteren Bereichen bevorzugt etwa 25° be
trägt, ein beliebiger Bereich von Temperaturen verwendet wer
den, vorausgesetzt, daß der Betätiger bei einer höheren Tem
peratur als der Thermostat auslöst, so daß der Betätiger das
Ventil nicht in ungewollter Weise öffnet.
Es wird eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Tempe
ratur eines Motors durch Steuern oder Regeln des Stroms eines
flüssigen Motorkühlmittels zu einem Kühler offenbart. Die
Vorrichtung umfaßt einen Thermostaten mit einem auf Tempera
tur ansprechenden Ventil, um den Kühlmittelstrom zu dem Küh
ler im wesentlichen zu sperren oder freizugeben, um den Motor
bei oder nahe bei einer bevorzugten Motorbetriebstemperatur
zu halten. Ferner umfaßt ist ein thermisch aktivierter Betä
tiger zum Öffnen des Ventils in Abhängigkeit von einer Motor
bedingung, wie Last oder Bedarf an Leistung. Der Betätiger
wird bei einer anderen Temperatur aktiviert als der Thermo
stat. Es ist eine Quelle elektrothermischer Energie zum Anre
gen des Betätigers vorgesehen, so daß das Ventil auf Anforde
rung geöffnet werden kann. Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln der Temperatur des
Motors vorgesehen durch Öffnen des Ventils in Abhängigkeit
von einem Überwachen des Motors.