DE10155386A1

DE10155386A1 - Ventil mit Notfunktion

Info

Publication number: DE10155386A1
Application number: DE2001155386
Authority: DE
Inventors: Roland Schmidt; Guenther Riehl; Thomas Peitz; Gerta Rocklage-Marliani; Joerg Wolf; Dirk Vollmer; Nizar Taghouti; Claude Berling; Mathieu Firmery; Martin Hager; Ottmar Kern; Bican Samray
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-10
Filing date: 2001-11-10
Publication date: 2003-05-22
Also published as: WO2003042517A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere zur Steuerung von Volumenströmen im Heiz- und/oder Kühlsystem (10) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Ventilgehäuse (58, 110, 156, 188) und einer Ventilkammer (60, 118, 182), von der mindestens ein Einlass-Kanal (112, 150, 180) und mindestens ein Auslass-Kanal (116, 152, 184) abzweigen, sowie mit mindestens einem Ventilglied (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189), das mit mindestens einem Ventilsitz (69, 71, 115, 117, 163) der Ventilkammer (60, 118, 182) zusammenwirkt, sowie mit einem angetriebenen Aktuator (74, 124, 164, 190) für das mindestens eine Ventilglied (66, 68, 120, 122, 160, 162, 186, 187, 189). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Ventil Mittel (84, 86, 88, 90, 94, 96, 104, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur Öffnung mindestens eines Auslass-Kanals (116, 152, 184) aufweist, die unabhängig vom Aktuator (74, 124, 164, 190) sind. Des Weiteren beschreibt die Erfindung einen Kühl- und Heizkreislauf (10) mit mindestens einem solchen erfindungsgemäßen Ventil.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ventil beziehungsweise von einem Kühl- und Heizkreislauf mit einem solchen Ventil zur Steuerung von Volumenströmen in einem Kraftfahrzeug nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Um den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges vor dem Überhitzen zu schützen und die Abwärme des Motors gegebenenfalls zur Heizung des Fahrgastraumes nutzen zu können, wird im Kühlsystem, das heisst im Kühl- und Heizkreislauf des Fahrzeuges ein Kühlmittel umgepumpt, das die überschüssige Wärme des Motors aufnehmen und im gewünschten Maße abführen kann. Der Heiz- beziehungsweise Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges umfasst im Ällgemeinen verschiedene, miteinander verbundene Teilzweige, wie beispielsweise einen Kühlerzweig, einen Bypass-Zweig oder auch einen Heizungswärmetauscher-Zweig. So kann beispielsweise über einen Kühler im Kühlerzweig eine überschüssige Wärmemenge des Kühlmittels an die Umgebung abgegeben werden oder in einen Heizungswärmetauscher einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Die Verteilung des Kühlmittelstroms auf die verschiedenen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufes eines Kraftfahrzeuges wird über diverse Ventile gesteuert. So kann etwa die gewünschte Kühlmitteltemperatur beispielsweise durch Mischen eines gekühlten und eines ungekühlten Kühlmittelstroms eingestellt werden.
Zur bedarfsgerechten Regelung, das heisst zur Erzielung einer optimierten Verteilung der Kühlmittelströme im Kühlkreislauf werden im Rahmen eines Thermomanagements für das Kraftfahrzeug seit einiger Zeit steuerbare Ventile vorgeschlagen, die die bisherigen, in der Regel verwendeten Thermostatventile in Zukunft ersetzen sollen.
Aus der DE 35 16 502 A1 ist eine Temperatur-Regeleinrichtung für das Kühlmittel von Brennkraftmaschinen bekannt, die in der Vorlaufleitung beziehungsweise der Bypassleitung eines Kühlkreislaufs ein Kühlmittelsteuerventil aufweist, welches in Abhängigkeit, beispielsweise der Kühlmitteltemperatur, mittels eines Stellmotors betätigbar ist. Der Stellmotor besteht aus einem elektrischen Stellantrieb, dessen abgangsseitiges Stellorgan Betrieblich mit einem Ventilverschlussglied des Kühlmittelsteuerventils verbunden ist. Dem Ventil ist ein Steuerglied zugeordnet, dem einzelne, von Sensoren der Brennkraftmaschine erfasste Kennfeldgrößen, insbesondere die Kühlmitteltemperatur sowie die Außentemperatur, zugeführt werden können.
Das in der DE 35 16 502 A1 offenbarte elektrisch getriebene Kühlmittelsteuerventil weist keinerlei Vorrichtung auf, eine Fehlfunktion des Ventils zu detektieren beziehungsweise zu kompensieren, was bei einer Störung beispielsweise des Ventilantriebes oder einer Blockade des Ventilverschlussgliedes aufgrund eines Ausfalls der Elektrik schwerwiegende Folgen für die zu kühlenden Aggregate des Fahrzeugs haben kann.
In der DE 41 09 498 A1 wird eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die mit einer Kühleinrichtung und einer diese beeinflussenden Steuereinrichtung versehen ist. Der Steuereinrichtung werden in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine unterschiedliche Temperatursollwerte vorgegeben, die als Daten im Steuergerät abgelegt sind. Darüber hinaus existiert im Steuergerät ein sogenannter Sollwertgeber, der der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen Einsatzbedingungen des Kraftfahrzeuges unterschiedliche Bereiche beispielsweise von Temperatursollwerten vorgibt.
Bei dem in der DE 41 09 498 A1 offenbarten Verfahren zur Temperaturregelung kann der relevante Temperatursollwert auch in Abhängigkeit von Störungen der Brennkraftmaschine, der Temperatursteuerung und/oder der zugehörigen Stellglieder ausgewählt werden. Es ist so möglich, die Temperatur der Brennkraftmaschine im Sollwertbereich zu halten, auch wenn beispielsweise ein Element der Steuerung ausfällt. Gegebenenfalls wird, um ein Ansteigen der Motortemperatur zu vermeiden, ein Notlauf der Brennkraftmaschine eingeleitet. Auch eine komplette Abschaltung der Brennkraftmaschine zur Verhinderung einer Überhitzung des Motors ist möglich.
Die DE 41 09 498 A1 sieht dazu beispielsweise ein Mischventil vor, dessen Stellung über eine Steuerleitung von einer Steuereinrichtung eingestellt wird, so dass mehr oder weniger Wasser durch einen Kühler geleitet wird. Der Kühler ist mit einem Kühlergebläse versehen, das über eine separate Leitung von der Steuereinrichtung angesteuert wird. Zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Funktion des Mischventils ist eine Diagnoseleitung vorgesehen, die in regelmäßigen Abständen eine Diagnose sowohl der wichtigsten Elemente der Brennkraftmaschine als auch der Steuerung des Klimasystems an sich, beziehungsweise der der Steuerung zugeordneten Stellglieder vornimmt. Sobald anhand dieses Diagnosesignals ein Fehler ermittelt wird, kann über eine zweite Leitung ein entsprechendes Korrektursignal an die Steuereinrichtung des Kühlsystems geleitet werden.
Das in der DE 41 09 498 A1 beschriebene Verfahren zur Sicherung der Verbrennungsmaschine vor Überhitzung aufgrund einer Störung oder eines Defektes der Komponenten des Kühlkreislaufes des Motors ist recht kompliziert gestaltet, und damit selbst störanfällig.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Motor auf einfache und damit zuverlässige Art vor dem Überhitzen aufgrund einer Fehlfunktion, beispielsweise eines Kühlmittel-Mischventils, geschützt wird. In vorteilhafter Weise weist das erfindungsgemäße Ventil Mittel zu seiner Zwangsöffnung auf, die unabhängig vom Aktuator des Ventils sind und zumindest einen Auslasskanal derart öffnen, dass eine Verbindung zwischen einem Einlasskanal des Ventils und dem mindestens einen Auslasskanal erzeugt wird. Sollte es aufgrund einer Fehlfunktion der Ansteuerung des Ventils zu einer gefährlichen Erhöhung der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors kommen, so wird das Ventil, unabhängig von der Funktionstüchtigkeit und der Stellung des Aktuators, derart geöffnet, dass zumindest der Kühlmittelzweig des Kühlkreislaufs freigegeben wird und das Kühlmittel direkt vom Verbrennungsmotor kommend über den Kühler fließend wieder zurück zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass nicht der Auslasskanal des Ventils zwangsweise geöffnet wird, sondern der Einlasskanal. Bei entsprechender Anordnung des Ventils im Kühlsystem mit entsprechender Konstruktion des Ventils kann aber auch die Zwangsöffnung eines Einlasskanals vorteilhaft oder auch erforderlich sein.

Auf diese Weise ist eine schnelle und zuverlässige Kühlung des Motors möglich. Ein derart konzipierter Kühl- und/oder Heizkreislauf für ein Fahrzeug hat daher den Vorteil, dass der Motor auch bei einem Ausfall der Steuerelektronik der Aggregate des Kühlkreislauf oder bei einer Blockade des Ventils vor einer Überhitzung geschützt ist. Kühlkreisläufe, die eine solche Vorrichtung nicht vorgesehen haben, können auch nachträglich noch umgerüstet werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den Hauptansprüchen angegebenen Ventils beziehungsweise des Kühl- und Heizsystems mit einem solchen Ventil möglich.

In vorteilhafter Weise lässt sich diese aktuatorunabhängige Öffnung des Ventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels ausführen. Besteht aufgrund einer erhöhten Kühlmitteltemperatur die Gefahr der Beschädigung des Verbrennungsmotors, so detektiert ein temperatursensitives Element die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur über einen vorher gewählten, als noch unkritisch anzusehenden Grenzwert T_G der Kühlmitteltemperatur. Mit Überschreiten dieses Grenzwertes löst das temperatursensitive Element die Zwangsöffnung, das heisst eine vom Aktuator unabhängige Öffnung des Ventils in zu beschreibender Weise aus.

Vorteilhafter Weise befindet sich dieses temperatursensitive Element im Ventil selbst und steht in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittelvolumenstrom. Da die Notfunktion des Ventils thermisch anspricht, wird eine ungewollte Öffnung des Ventils ohne einen kritischen Zustand des Kühlsystems verhindert. Als kritischer Zustand wird hier das Erreichen beziehungsweise Überschreiten einer kritischen Kühlmitteltemperatur, die zu Schäden am Verbrennungsmotor oder anderen Aggregaten des Fahrzeuges führen kann, angesehen.

Zur Zwangs- beziehungsweise Notöffnung des erfindungsgemäßen Ventils wird in vorteilhafter Weise ein temperaturabhängiges Stellelement benutzt, welches sich beispielsweise aufgrund der erhöhten Kühlmitteltemperatur ausdehnt oder verformt und so den Kühlerzweig des Kühlkreislaufs für das Kühlmittel öffnet. Neben einem sogenannten Dehnstoff-Element lassen sich in vorteilhafter Weise auch Bimetall-Elemente, insbesondere Bimetall-Schnappelemente verwenden, die in Abhängigkeit von der Temperatur einen gewissen Hub erzeugen können und daher zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils besonders geeignet sind.

In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Ventil derart realisieren, dass die temperatursensitiven Mittel zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils eine im Ventil selbst gespeicherte Energiemenge freisetzen und diese zur Öffnung des Ventils nutzen. Weder für die Auslösung noch für die Durchführung der Notfunktion des Ventils ist somit eine äussere Hilfsenergie notwendig. Auf diese Weise ist die Zwangs- beziehungsweise Notöffnung des Ventils vollständig von der Ansteuerung des Aktuators getrennt und bedarf keiner äußeren Einwirkung auf das Ventil. Die Notöffnung des Ventils ist damit in zuverlässiger Weise auch bei einem gestörten Ventilantrieb möglich, so dass eine größtmögliche Unabhängigkeit der Notfunktion erreicht wird.

So lässt sich eine entsprechende, zur Öffnung des Ventils notwendige Energiemenge schon bei der Montage, beispielsweise in einem Federelement, speichern. Auch kann über ein Dehnstoff-Element, einen Gedächniswerkstoff beziehungsweise ein Bimetall-Element die Wärmeenergie des sich im Ventil befindlichen Kühlmittels genutzt werden, um über die Formänderung des Dehnstoff-Elementes beziehungsweise des Formelementes eine zuverlässige Zwangsöffnung des Ventils herbeizuführen.

Gegenüber der Verstellung gegen ein permanentes Rückstellmoment, welches das Ventil bei einem Ausfall der externen Antriebsenergie ebenfalls in ein definierte Lage zurückstellen würde, kann der Antrieb leistungsmäßig und bezüglich seiner Lebensdauer kleiner dimensioniert werden. Es sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils möglich, bei denen ein thermisch gesteuerter Zwangsöffnungsprozess des Ventils reversibel gestaltet ist, so dass die Notöffnung des Ventils bei Wegfall der zur Notöffnung geführten Parameter entsprechend wieder rückgängig gemacht werden kann.

Insbesondere sind selbsttätige, eventuell ebenfalls thermisch gesteuerte, Rücknahmen des Notöffnungsprozesses möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils bewirken die Mittel zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils eine Entkopplung des Ventilgliedes vom Aktuator. Das so entkoppelte Ventilglied wird dann durch die Freisetzung der ursprünglich im Ventil gespeicherten Energiemenge derart verschoben, dass der gewünschte Auslasskanal, insbesondere der Auslasskanal zum Kühler des Kühlkreislaufs, freigegeben wird.

Bei einer alternativen, sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils geben die ventilinternen Mittel zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils eine direkte Verbindung zwischen dem Einlasskanal des Ventils und dem gewünschten Auslasskanal frei. Durch diese Verbindung, die einen ventilinternen Bypasskanal darstellt, kann das Kühlmittel unabhängig von der Stellung des Ventilgliedes in der Ventilkammer durch das Ventil strömen. Sowohl eine Störung des Ventilantriebes, als auch eine Blockade des Ventilgliedes selbst kann bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils bei der Notöffnung umgangen werden.

Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Ventil im Bereich der elektrisch angetriebenen Ventile, das heisst für den Fall, dass der Aktuator einen elektrischen Stellantrieb aufweist, nutzen. Elektrische Stellantriebe, beispielsweise über einen Motor, insbesondere über einen Gleichstrommotor beziehungsweise einen Schrittmotor, lassen sich in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Ventil für die Heiz- und Kühlkreisläufen von Kraftfahrzeugen nutzen. Aufgrund der erfindungsgemäßen, aktuatorunabhängigen Zwangsöffnung des Ventils ist das Risiko einer Beschädigung des Verbrennungsmotors aufgrund seiner Überhitzung durch die Blockade oder den Ausfall eines elektrisch angesteuerten Ventils auf ein Minimum gesunken. Selbst ein Totalausfall der Steuerelektronik eines Ventils führt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils nicht unweigerlich zu einer Überhitzung oder sogar zur Zerstörung des Verbrennungsmotors.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils besitzt dieses einen zweiten Auslasskanal mit zugehörigem Ventilsitz. In dieser Ausführungsform lässt sich das erfindungsgemäße Ventil, beispielsweise als Mischventil beziehungsweise als Ventilabzweigung nutzen. So kann das erfindungsgemäße Ventil beispielsweise mit einem Einlasskanal und zwei Auslasskanälen als Bypassventil zur Überbrückung des Kühlers des Heiz- und Kühlkreislaufs eines Verbrennungsmotors genutzt werden. Sollte das Ventil durch einen Ausfall der Steuerelektronik oder eine andersartige Störung den Durchgang des Kühlmittels durch das Kühlerelement des Kühlkreislaufs blockieren, was unweigerlich zu einer gefährlichen Erhöhung der Kühlmitteltemperatur und einer Überhitzung des Motors führen würde, so kann das erfindungsgemäße Ventil mit seinen Mitteln zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils dafür sorgen, dass der Kühlerzweig des Kühlkreislaufs unabhängig von der Steuerelektronik wieder freigegeben wird und eine Beschädigung des Verbrennungsmotors oder anderer, an den Kühlkreislauf gekoppelter Komponenten oder Aggregate vermieden werden kann.

Ein solches Bypassventil wird in vorteilhafter Weise ein zweites Ventilglied in der Ventilkammer aufweisen, das durch den gleichen Aktuator angetrieben werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform eines solchen Bypassventils wird das Ventilglied durch eine um die Achse einer Welle drehbaren Ventilklappe gebildet.

In vorteilhafter Weise lässt sich ein Kühl- und Heizkreislauf für ein Kraftfahrzeug realisieren, bei dem mindestens ein Ventil erfindungsgemäße Mittel zu seiner Öffnung unabhängig von seiner Ansteuerung aufweist.

Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Kühlsystem für einen Motor mit elektrisch angetriebenen, erfindungsgemäßen Ventilen in vereinfachter, schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel für ein temperaturabhängiges Mittel zur aktuatorunabhängigen Öffnung eines erfindungsgemäßen Ventils beispielsweise nach Fig. 2 unterhalb einer Grenztemperatur T_G,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch das temperaturabhängige Mittel zur aktuatorunabhängigen Öffnung aus Fig. 3 oberhalb der Grenztemperatur T_G
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Weg-Temperatur- Charakteristik eines Öffnungsmittels für das erfindungsgemäße Ventil gemäß Fig. 3 oder Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils für eine Kühlmitteltemperatur unterhalb der Grenztemperatur T_G,
Fig. 7 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Ventil gemäß Fig. 6 für eine Kühlmitteltemperatur oberhalb der Grenztemperatur T_G,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils,
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Ventil,
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Ventil,
Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Ventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist in vereinfachter, schematischer Darstellung ein Kühl- und Heizkreislauf 10 zur Kühlung eines Motors 12 dargestellt. Der Motor 12 verfügt über einen Kühlmitteleinlass 14 sowie über einen Kühlmittelauslass 16, der über eine Rücklaufleitung 18 und einem Kühlereinlass 19 mit einem Kühler 20 des Kühlkreislaufs 10 verbunden ist. Der Kühler 20 ist wiederum über einen Kühlerauslass 21 und eine Verbindungsleitung 28 mit dem Kühlmitteleinlass 14 des Motors 12 verbunden. Zur Umwälzung des Kühlmittels im Kühlkreislauf 10 des Verbrennungsmotors 12 befindet sich in der Verbindungsleitung 28 eine Kühlmittelpumpe 30.
Zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlsystems 10 ist dem Kühler 20 ein Kühlgebläse 22 zugeordnet, das aus einem Lüfter 24 und einem diesen antreibenden Motor 26 besteht. Parallel zum Kühler 20 ist zwischen der Rücklaufleitung 18 und der Verbindungsleitung 28 über eine Verzweigung 33 eine Bypassleitung 32 geschaltet. Zur relativen Verteilung des Kühlmittelstroms durch den Kühler 20 beziehungsweise die Bypassleitung 32 befindet sich in der Bypassleitung 32 ein Bypassventil 34, welches in dem in Fig. 1 dargestellten Kühlkreislauf 10 als Zwei-Wege-Drosselventil realisiert ist. Analog befindet sich in der Rücklaufleitung 18, zwischen Bypassleitung 32 und dem Kühler 20 ein Zwei-Wege- Kühlerventil 36.
In alternativen Ausgestaltungen eines Kühlkreislaufs für den Verbrennungsmotor 12 kann anstelle des Bypassventils 34 und des Kühlerventils 36 auch ein Drei-Wege-Mischventil als Steuerventil für die Bypassleitung 32 und die Rücklaufleitung 18 vorgesehen sein. Das Drei-Wege- Mischventil kann dann in vorteilhafter Weise auch direkt die Funktion der Verzweigung 33 übernehmen.
Die Ventile im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 werden durch ein Steuergerät 38 angesteuert, das beispielsweise auch das Motorsteuergerät des Fahrzeuges sein kann. Im Speziellen kann es sich bei diesen Ventilen beispielsweise um hydraulische, pneumatische oder auch um elektrisch angetriebene Ventile handeln. Dem Steuergerät 38 werden durch diverse Sensor, die in Fig. 1 der Übersicht halber nicht dargestellt sind, aktuelle Parameter des Kühlkreislaufs beziehungsweise des Motors zugeleitet, die dann mit einer im Steuergerät abgelegten Bedatung verglichen werden, um daraus entsprechende Stellgrößen für die aktiven Komponenten des Kühlkreislaufs zu ermitteln. Das Steuergerät 38 dient somit auch gleichzeitig der bedarfsgerechten Ansteuerung sowohl des Kühlgebläses 22, als auch der Kühlmittelpumpe 30.
Parallel zum Motor ist im Kühlkreislauf 10 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ein zusätzlicher Heizungszweig 40 des Kühl- und Heizsystems 10 vorhanden. In diesem Heizungszweig 40 wird ein Teil des aus dem Motor 12 austretenden, erwärmten Kühlmittels genutzt, um über einen Heizungswärmetauscher 42 die im heißen Kühlmittel gespeicherte Wärmeenergie zur Beheizung, beispielsweise eines nicht weiter dargestellten Fahrzeuginnenraumes, zu nutzen. Die bedarfsgerechte Regelung der Heizfunktion ist in Fig. 1 schematisch nur durch ein Heizungsventil 44 angedeutet. Das Heizungsventil 44 wixd im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ebenso wie das Kühlerventil 36 sowie das Bypassventil 34 über das Steuergerät 38 angesteuert.
Zur Einstellung der optimalen Motortemperatur wird mit Hilfe der ansteuerbaren Ventile der relative Kühlmittelvolumenstrom durch den Kühler 20 beziehungsweise durch die Bypassleitung 32 geregelt. So kann beispielsweise in der Startphase des Motors 12 das Kühlerventil 36 vollständig geschlossen werden und das Bypassventil 34 hingegen vollständig geöffnet werden. Auf diese Weise ist eine schnelle Erreichung der optimalen Arbeitstemperatur des Motors 12 möglich, die einher geht mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch sowie mit geringerer Schadstoffemission des Motors. Nach Erreichen der optimalen Motortemperatur wird das Kühlerventil 36 geöffnet und das Bypassventil 34 entsprechend teilweise geschlossen, so dass die überschüssige, durch den Motor 12 erzeugte Wärmeenergie über den Kühler 20 sowie das Kühlgebläse 22 an die Umgebung abgegeben werden kann. Sollte beispielsweise das Kühlerventil 36 im geschlossenen Zustand blockieren und auch über den Heizungswärmetauscher 42 nicht genügend Wärmeenergie abgeführt werden können, so würde die Kühlmitteltemperatur und somit zwangsläufig auch die Motortemperatur unweigerlich ansteigen, was in letzter Konsequenz eine Beschädigung des Motors nach sich ziehen würde. Um diese vollständige Blockade eines Ventils und die daraus resultierende Zerstörung des Motors zu verhindern, sind im erfindungsgemäßen Ventil Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, das Ventil unabhängig vom Aktuator, das heisst unabhängig auch von den Steuersignalen des Steuergerätes 38 zu öffnen. Die Funktionsweise und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils sollen anhand der folgenden Figuren beschrieben werden.
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ventil in einer Prinzipskizze dargestellt. Das erfindungsgemäße Ventil weist einen externen Antrieb 50 auf, der beispielsweise ein elektrischer Antrieb, ein hydraulischer Antrieb oder auch ein pneumatischer Antrieb sein kann. Der externe Antrieb 50 wird über eine Signalleitung 52 durch ein nicht dargestelltes Steuergerät 38 angetrieben beziehungsweise geregelt. Der externe Antrieb 50 treibt im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über ein Getriebe 54, das eine abtriebsseitige Selbsthemmung aufweist, eine Welle 56. Die Welle 56 tritt mittels nicht weiter dargestellter Dichtmittel in das Ventilgehäuse 58 des erfindungsgemäßen Ventils ein. Das Ventilgehäuse 58 weist eine Ventilkammer 60 auf, die die Verbindung zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal 59 darstellt. Als aktives Ventilelement befindet sich in der Ventilkammer 60 ein Ventilglied 66, das in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils nach Fig. 2 in Form einer Ventilklappe 68 aufgebaut ist. Der Auslasskanal 59 des Ventils befindet sich in der dargestellten Ventilstellung hinter der Ventilklappe 68 und ist daher in Fig. 2 nur gestrichelt angedeutet, wohingegen der Ventilauslass ausserhalb der Zeichnungsebene liegt. Sowohl der Einlasskanal als auch Auslasskanal 59 weisen jeweils einen, einstückig mit dem Ventilgehäuse 58 ausgeformten Ventilsitz 69 beziehungsweise 71 auf, von denen in Fig. 2 ebenfalls nur der Ventilsitz 71 des Auslasskanals 59 eingezeichnet ist. Die Ventilklappe 68 wird durch eine zweite Welle 70 in der Ventilkammer 60 positioniert. Ein im Wesentlichen zweikomponentiges Verbindungselement 72 sorgt für eine Kopplung der zweiten Welle 70 an die Antriebswelle 56 des Ventils.
Die Antriebswelle 56 bildet zusammen mit dem Getriebe 54 und dem externen Antrieb 50 einen Aktuator 74 des erfindungsgemäßen Ventils. Die Wirkkopplung des Ventilgliedes 66 an die Antriebswelle 56 und damit an den Aktuator 74 ist über das Verbindungselement 72 lösbar, so dass eine Bewegung des Ventilgliedes 66 unabhängig vom Aktuator 74 und insbesondere unabhängig vom externen Antrieb 50 möglich wird. Eine mögliche Ausführungsform der Wirkentkopplung des Ventilgliedes 66 vom Aktuator 74 des Ventils wird im Folgenden anhand der Fig. 2 bis 5 dargestellt.
Auf der Antriebsswelle 56 des erfindungsgemäßen Ventils ist ein erstes Teilelement 76 des Verbindungselementes 72 starr angebracht. Ein zweites Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 sitzt starr auf der zweiten Welle 70, die das in der Ventilkammer 60 angeordnete Ventilglied 66 positioniert. Zwei Hubkolben 80 beziehungsweise 82, die im ersten Teilelement 76 des Verbindungselementes 72 angebracht sind, greifen jeweils mit einem ihrer Enden 84 beziehungsweise 86 in das zweite Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 ein. Auf diese Weise wird, wie in einer Detailansicht dieser Kopplung in Fig. 3 zu erkennen ist, das zweite Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 starr an das erste Teilelement 76 des Verbindungselementes 72 gekoppelt. Gleichzeitig wird durch diese Kopplung auch eine Wirkverbindung der zweiten welle 70 an die Antriebswelle 56 des Aktuators 74 realisiert. Bei Vorliegen dieser Wirkverbindung kann das Ventilglied 66 vermittelt über die zweite Welle 70, das Verbindungselement 72, die Antriebswelle 56 und das Getriebe 54 durch den externen Antrieb 50 über das Steuergerät 38 gestellt werden, so dass das Ventil beispielsweise entsprechend den aktuellen Erfordernissen weiter geöffnet oder geschlossen werden kann.
Zur erfindungsgemäßen Zwangsöffnung des Ventils, unabhängig vom Aktuator 74, sind die Hubkolben 80 beziehungsweise 82 des ersten Teilelementes 76 des Verbindungselementes 72 auf Schnappelementen 88 beziehungsweise 90 gelagert. Ein dem jeweiligen Hubkolben 80 beziehungsweise 82 zugeordnetes Federelement 92 beziehungsweise 94 wirkt innerhalb des ersten Teilelementes 76 des Verbindungselementes 72 auf den zugehörigen Hubkolben ein und drückt den Hubkolben mit seinem zugehörigen Ende 84 beziehungsweise 86 in eine entsprechende Ausnehmung 100 beziehungsweise 102 des zweiten Teilelementes 78 des Verbindungselementes 72.
Die Hubkolben 80 beziehungsweise 82, die jeweils auf einen Hubkolben einwirkende Federelemente 92 beziehungsweise 94 sowie die Schnappelemente 88 beziehungsweise 90, befinden sich dazu in einer entsprechenden Ausnehmung 96 beziehungsweise 98 des ersten Teilelementes 76, so dass sich die Federelemente 92 beziehungsweise 96 an einer Innenwandung der zugehörigen Ausnehmung 96 beziehungsweise 98 abstützen kann. Die Ausnehmungen 96 beziehungsweise 98 stehen mit dem im Kühlkreislauf umgewälzten Kühlmittel in Verbindung, so dass die, die Hubkolben tragenden Schnappelemente 88 beziehungsweise 90 thermisch an die Kühlmitteltemperatur gekoppelt sind. Überschreitet die Kühlmitteltemperatur und damit auch die Temperatur des vom Kühlmittel umströmten Schnappelementes 88 beziehungsweise 90 einen Grenzwert T_G, so kommt es zu einer Verformung des Schnappelementes 88 beziehungsweise 90, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 mit einer Zunahme der Schnappelementhöhe einher geht. Die Schnappelemente können beispielsweise in Form einer tellerförmigen Scheibe mit einer zentralen Öffnung ausgeformt sein, die eine entsprechende Verbreiterung der Hubkolbens 80 beziehungsweise 82 umgreifen. Die Schnappelemente 88 beziehungsweise 90 stützen sich in diesem Fall einerseits an einer Wandung der Ausnehmung 96 beziehungsweise 98 und andererseits am Hubkolben 80 beziehungsweise 82 ab. Erreicht die Temperatur der Schnappelemente durch den Kontakt mit dem Kühlmittel einen entsprechende Grenzwert T_G, so nimmt deren Höhe mit Überschreitung der Grenztemperatur sprunghaft zu.
Die charakteristische Hubkurve eines solchen Schnappelementes ist in schematischer Darstellung in Fig. 5 in Form einer Weg-Temperatur-Charakteristik aufgezeigt. Dabei entspricht der aufgetragende Weg S bei der entsprechende Temperatur T dem Hub, den ein Schnappelement beispielsweise an einem Hubkolben nach Fig. 4 erzeugt. Bis zu einer definierten Grenztemperatur T_G nimmt der Weg, das heisst die Höhe des tellerförmigen Schnappelementes und damit die Hubhöhe des vom Schnappelement getragenen Hubkolbens, mit steigender Temperatur nur leicht zu. Erreicht das Schnappelement seine Grenztemperatur T_G, so kommt es zu einer sprunghaften Verformung des Schnappelementes, die einher geht mit einer überproportional großen Erhöhung des Schnapphubs.
Die Höhe des Schnappelementes, dass heisst die Größe des Schnapphubes, im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 nimmt bei der Grenztemperatur T_G entsprechend deutlich zu und das Schnappelement 88 beziehungsweise 90 leistet eine gewisse Arbeit gegen das zugeordnete Federelement 92 beziehungsweise 94. Das Federelement 92 beziehungsweise 94 wird zusammengedrückt und der Hubkolben 80 beziehungsweise 82 wird durch das verformte Schnappelement 88 beziehungsweise 90 aus der Ausnehmung 100 beziehungsweise 102 des zweiten Teilelementes 78 des Verbindungselementes 72 gehoben. Auf diese Art ist es möglich, eine temperaturabhängige Kopplung der beiden Teilelemente 76 und 78 des Verbindungselementes 72 und damit der Wellen 56 und 70 zu realisieren.
Aufgrund des recht geringen Arbeitsvermögens von Thermo- Bimetall-Schnappelementen eignen sich diese bei den üblichen Kühlmittelvolumenströmen nur als Auslösemechanismus für die thermische Zwangsöffnung, nicht jedoch für die aktive Verstellung des Ventils. Durch die Schnappbewegung und die damit verbundene Zunahme der Schnappelementhöhe wird zwar ein Hubkolben 80 beziehungsweise 82 gegen die entsprechende Anpressfeder 92 beziehungsweise 94 derart gedrückt, dass die formschlüssige Wirkverbindung des Ventilglieds 66 mit dem externen Ventilantrieb 50 getrennt wird. Zur Betätigung des Ventilglieds 66 derart, dass das Ventil auch geöffnet wird, bedarf es jedoch noch der aktiven Verstellung des Ventilgliedes.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 ist aus diesem Grunde zwischen dem ersten Teilelement 76 und dem zweiten Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 eine Drehfeder 104 jeweils mit einem ihrer Ende am ersten 76 beziehungsweise zweiten 78 Teilelement des Verbindungselementes 72 befestigt. Geben die Hubkolben 80 beziehungsweise 82 nach erfolgter Verformung der Schnappelemente 88 beziehungsweise 90 die Verbindung des ersten Teilelementes 76 mit dem zweiten Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 frei, so kann sich die vorgespannte Drehfeder 104 entspannen und dabei das zweite Teilelement 78 des Verbindungselementes 72 beispielsweise in Pfeilrichtung 106 relativ zum ersten Teilelement 76 gegen ein Haltemoment verdrehen. Das erforderliche Haltemoment wird dabei durch das abtriebsseitige, selbsthemmende Getriebe 54 bereitgestellt. Auf diese Weise wird das Ventilglied 66 unabhängig vom Aktuator 74 verstellt. Die Verstellrichtung des Ventilgliedes 66 durch das vorgespannte Drehfeder- Element 104 ist so zu wählen, dass das Ventil den Durchfluss in Richtung Kühlerzweig (Kühler 20) des Kühlkreislaufs freigibt, so dass ein genügend großer Kühlmittelvolumenstrom über den Kühler 20 fließen kann und die im Motor aufgenommen, überschüssige Wärmemenge wieder an die Umgebung abgeben kann.
Der maximale Drehwinkel der abtriebsseitigen Welle ist durch die konstruktive Anordnung der Schnappelemente begrenzt. Bei Verwendung von zwei Schnappelementen, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 dargestellt, beträgt der maximale Drehwinkel < 180°, bei Verwendung von drei Schnappelementen ergibt sich entsprechend ein maximaler Drehwinkel von < 120°.
Die sprunghafte Weg-Temperatur-Charakteristik der Schnappelemente ermöglicht somit die Realisierung eines binären Schaltverhaltens für den Hub und damit für die Zwangsöffnung. Thermo-Bimetall-Schnappelemente sind hier insbesondere deshalb von Vorteil, da durch entsprechende Formgebung beziehungsweise die gezielte Werkstoffwahl die Schnapptemperaturen T_G in einem weiten Bereich über mehrere hundert Kelvin eingestellt werden können. Thermo-Bimetall- Schnappelemente stellen sich zudem - nach ihrer Abkühlung - mit einer Hysterese selbständig zurück. Wenn durch entsprechende, konstruktive Maßnahmen sichergestellt ist, dass beispielsweise die Hubkolben 80 beziehungsweise 82 wieder in die zugehörigen gegenüberliegenden Ausnehmungen 100 beziehungsweise 102 finden, ist eine reversible Ausführung der beschriebenen, erfindungsgemäßen Zwangsöffnung möglich. Dabei kann durch entsprechende Betätigung des Ventilantriebs die Drehfeder zunächst wieder gespannt werden, bevor die Hubkolben anschließend, angepresst durch die Anpressfedern 92 beziehungsweise 94, wieder in die Ausnehmung 100 beziehungsweise 102 eintauchen, um somit wieder eine starre Kopplung des Ventilgliedes 66 an den externen Antrieb 50 zu erreichen.
In Fig. 6 und Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Fig. 6 zeigt ein Ventilgehäuse 110, in das ein Kühlmitteleinlasskanal 112 hinein führt, sowie zwei Auslasskanäle 114 beziehungsweise 116 mit den zugeordneten Ventilsitzen 115 beziehungsweise 117 wieder heraus führen. Die beiden Auslasskanäle 114 beziehungsweise 116 sind mit dem Kühlmitteleinlasskanal 112 über eine Ventilkammer 118 verbunden. In der Ventilkammer 118 befinden sich zwei Ventilglieder 120 und 122, in der Form von Ventilklappen 129 beziehungsweise 131, die über eine gemeinsame Welle 124 angesteuert werden können. Die Ventilklappen 129 beziehungsweise 131 bestehen ihrerseits jeweils aus einem pilzförmigen Ventildichtkopf 126 beziehungsweise 128 sowie einem, den jeweiligen Ventildichtkopf 126 beziehungsweise 128 mit der Antriebswelle 124 verbindenden Ventilgestänge 130 beziehungsweise 132. Die Welle 124 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 6 beziehungsweise Fig. 7 exzentrisch im Ventilgehäuse 110 gelagert. Zwischen dem Ventildichtkopf 126 beziehungsweise 128 und dem jeweiligen Ventilgestänge 130 beziehungsweise 132 kann ein Gelenk angeordnet sein, dass zu einem besseren Schließverhalten der Ventilklappen führt.
Die Antriebswelle 124 wird aus dem Ventilgehäuse 110 herausgeführt und kann durch eine in Fig. 6 nicht weiter dargestellte Antriebseinheit, beispielsweise durch einen elektrischen Motor nebst zugeordnetem Getriebe, angetrieben werden.
Der Auslasskanal 114 verbindet den Kühlmitteleinlasskanal 112 mit einer Bypassleitung des zugehörigen Kühlkreislauf, wie sie beispielsweise in Fig. 1 als Bypassleitung 32 parallel zum Kühler 20 dargestellt ist. Der Auslasskanal 116 des erfindungsgemäßen Ventils nach Fig. 6 verbindet den Kühlmitteleinlasskanal 112 bei geöffneter Stellung des Ventils mit einem Kühler des zugehörigen Kühlkreislaufs, wie er beispielsweise im Kühl- und Heizkreislauf der Fig. 1 als Kühler 20 dargestellt ist. Über die Antriebswelle 124 lässt sich die Stellung der Ventilglieder 120 beziehungsweise 122 in der Ventilkammer 118 des erfindungsgemäßen Ventils nach den Vorgaben eines Steuergerätes variieren, so dass auf diese Art die relativen Kühlmittelvolumenströme durch die Bypassleitung 32 beziehungsweise den Kühler 20 des Kühlkreislaufs 10 des Kühlkreislauf in Fig. 1 eingestellt werden können. Das erfindungsgemäße Ventil in der Ausführungsform nach Fig. 6 oder 7 kann damit die beiden Ventile 34 und 36 des Kühlkreislaufs 10 aus Fig. 1 gleichzeitig ersetzen.
Neben dem Kühlmitteleinlasskanal 112 und den beiden Auslasskanälen 114 beziehungsweise 116 verfügt das erfindungsgemäße Ventil in der Ausführungsform nach Fig. 6 über einen Notlauf-Bypass 134, der über eine Bypassöffnung 135 in der Ventilkammer 118 direkt mit dem Auslasskanal 116 verbunden werden kann. Im Notlauf-Bypass 134 befindet sich ein Schließkegel 136, der die Verbindung des Notlauf- Bypasses 134 mit dem Auslasskanal 116 im Normalbetrieb des Ventils abdichtet, so dass kein Kühlmittel aus der Ventilkammer 118 über die Bypassöffnung 135 und den Notlauf- Bypass 134 in den Auslasskanal 116 gelangen kann. Der Schließkegel 136 ist gegen eine Spiralfeder 138 vorgespannt und mittels eines Hubkolbens 140 gesichert.
Die Funktionsweise des Hubkolbens 140 entspricht der beschriebenen Funktionsweise der Hubkolben 80 beziehungsweise 82 aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 und soll daher hier nur noch kurz und zusammenfassend dargestellt werden. Der Hubkolben 140 ist in einer Ausnehmung 142 des Ventilgehäuses 110 angeordnet und wird durch eine Anpressfeder 144 in eine Ausnehmung 146 des Schließkegels 136 gedrückt, so dass der Schließkegel 136 gegen die vorgespannte Spiralfeder 138 gesichert ist und in dieser Stellung den Notlauf-Bypass verschließt. Der Hubkolben 140 dient in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils als ein Sicherungsbolzen für den Schließkegel 136 des Notlauf-Bypass 134. In der Ausnehmung 142 des Ventilgehäuses 110 befindet sich zudem ein Schnappelement 148, das sich einerseits am Ventilgehäuse 110 und andererseits am Hubkolben 140 abstützt. Das Schnappelement 148 wirkt dem Federelement 144 entgegen und steht in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittelvolumenstrom, der durch das erfindungsgemäße Ventil geregelt werden soll.
In der in Fig. 6 aufgezeigten Stellung des Ventils wird der Kühlmittelvolumenstrom hauptsächlichen durch den Auslasskanal 114 und damit durch eine Bypassleitung des zugehörigen Kühlkreislaufs entsprechend der Bypassleitung 32 in Fig. 1 geleitet. Durch den Auslasskanal 116 des Ventils, der beispielsweise mit dem zu kühlenden Motor 12 der Fig. 1 verbunden ist, fließt nur ein geringer Kühlmittelstrom. Würde ein Ventil in dieser Stellung blockieren oder der externe Antrieb des Ventils ausfallen, könnte es aufgrund des geringen Kühlmittelvolumenstroms durch den Motor zu einer Motorüberhitzung kommen.
Übersteigt hingegen die Kühlmitteltemperatur bei dem erfindungsgemäßen Ventil nach Fig. 6 eine Grenztemperatur T_G, so kommt es, wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 beschrieben worden ist, zu einer sprunghaften Erhöhung des Hubes des Schnappelementes 148, wie es auch in Fig. 7 oder im Detail in Fig. 5 dargestellt ist. Wie in Fig. 7 gezeigt, drückt das so verformte Schnappelement 148 den Hubkolben 140 gegen die Kraft der Anpressfeder 144 in die Ausnehmung 142 des Ventilgehäuses 110. Der Hubkolben 140 wird dabei aus der Ausnehmung 146 des Schließkegels 136 angehoben, so dass die Versperrung des Schließkegels 136 aufgehoben ist. Wie in Fig. 7 dargestellt, kann die in der Spiralfeder 138 gespeicherte Energie den Schließkegel 136 verschieben und den Notlauf-Bypasskanal 134 freigeben. Damit wird beispielsweise ein hoher Kühlmittelvolumenstrom über den Kühler 20 des Kühlkreislaufs 10 in Fig. 1 möglich, obwohl das Ventilglied 120 des Ventils in einer nahezu geschlossenen Position verbleibt. Unabhängig von der Ventilstellung ist somit ein Mindestströmungsquerschnitt in Richtung Kühlerzweig des Kühlkreislaufs freigegeben. Eine Blockade des Ventilgliedes 120 selbst bei vollständig geschlossenem Kühlerzweig-Ventilauslasskanal 116 führt somit nicht unweigerlich zu einer Überhitzung des Kühlmittels und der zu kühlenden Aggregate.
Wird die Spiralfeder 138 durch ein temperaturabhängiges Material, beispielsweise ein Memory-Metall, realisiert, das sich bei Unterschreiten einer gewissen Temperatur wieder zusammenzieht, so lässt sich die Zwangsöffnung des Notlauf- Bypasses 134 technisch auch in reversibler Art realisieren: Bei Unterschreitung einer unteren Grenztemperatur des Kühlmittels zieht sich auch die Spiralfeder 138 selbsttätig wieder zusammen, das Schnappelement 148 nimmt seine ursprüngliche Form und Höhe wieder ein und der Hubkolben 140 kann somit getrieben von dem Federelement 144 zurück in die Ausnehmung 146 des Schließkegels 136 fallen, so dass der Notlauf-Bypasskanal 134 wiederum geschlossen ist.
Die Sicherungsfunktion für den Schließkegel 136 kann auch auf andere Art und Weise als mit Hilfe des dargestellten Hubkolben 140 realisiert werden. So kann beispielsweise eine Schmelzsicherung verwendet werden, die bei einer entsprechenden oberen Grenztemperatur T_G des Kühlmittels aufschmilzt und damit den Schließkegel freigibt. Solch eine Schmelzsicherung lässt sich einfach realisieren und durch die spezielle Materialauswahl der Schmelzmedien auch sehr genau auf eine Grenztemperatur einstellen, hätte allerdings den in Kauf zu nehmenden Nachteil, dass die Zwangsöffnung des Ventils nicht reversibel wäre.
In den folgenden Fig. 8 bis 11 sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils vorgestellt, die unterschiedliche Arten der Zwangsöffnung eines ventilinternen Notlauf-Bypasskanals beziehungsweise einer ventilinternen Notverbindung zwischen einem Einlasskanal 150 und einem Auslasskanal 152 aufweisen. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele wird im Wesentlichen nur auf die Funktion der temperaturabhängigen Mittel zur Zwangsöffnung eingegangen. Weitere Details, die die entsprechenden Ventile darüber hinaus selbstverständlich auch aufweisen, wie beispielsweise deren Ansteuerung, sollen an dieser Stelle nicht mehr explizit ausgeführt werden.
Fig. 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil in Form eines Drei-Wege-Kugelhahnventils mit einer ventilinternen, in einem Ventilgehäuse 156 angebrachten Notlauf-Bypassleitung 158. Das Ventil besitzt einen Einlasskanal 150, einen ersten Auslasskanal 152, der den Einlasskanal 150 bei entsprechender Öffnung eines Ventilgliedes 160 mit beispielsweise einem Kühler 20 eines Kühlkreislaufs 10 gemäß Fig. 1 verbindet, sowie einen zweiten Auslasskanal 154, der den Einlasskanal 150 bei entsprechender Stellung des Ventilgliedes mit der Bypassleitung 32 des Kühlkreislaufs 10 verbindet. Das Ventilglied 160 ist in Form eines Kugelhahns 162 ausgebildet und wirkt mit einem Ventilsitz 163 zusammen. Am Kugelhahn 162 ist eine Welle 164 angeformt. Über die Welle 164, die aus dem Ventilgehäuse 156 herausgeführt ist, kann der Kugelhahn 162 im Ventilsitz 163 gestellt werden, und somit eine entsprechende Regelung der Kühlmittelvolumenströme im zugehörigen Heiz- und Kühlkreislauf durch das Ventil erreicht werden.
Zwischen dem Einlasskanal 150 des erfindungsgemäßen Ventils gemäß Fig. 8 und dem einen Auslasskanal 152 des Ventils ist, unter Umgehung des Kugelhahns 162 die Notlauf- Bypassleitung 158 im Ventilgehäuse 156 ausgebildet. Diese Notlauf-Bypassleitung 158 ist unter normalen Betriebsbedingungen durch ein Klappenelement 166 verschlossen. Unter normalen Betriebsbedingungen sei hier eine Temperatur des Kühlmittels unterhalb einer zu wählenden Kühlmittel-Grenztemperatur verstanden. Das Klappenelement 166 ist an seinem einen Ende 168 mit dem Ventilgehäuse 156 verbunden, beispielsweise in das Ventilgehäuse eingelassen. Das Klappenelement 166 liegt für Kühlmitteltemperaturen, die unterhalb der Kühlmittel-Grenztemperatur liegen, dichtend an einer Gehäusekante 170 der Notlauf-Bypassleitung 158 an. Das Klappenelement 166 kommt dabei mit einem zweiten Ende 172 an ein temperaturabhängiges Element 174 zur Anlage. Das temperaturabhängige Element 174, das ein Dehnstoffelement sein kann, sitzt in einer taschenförmigen Vertiefung 176 des Ventilgehäuses 156, welche in Richtung auf das Klappenelement 166 geöffnet ist. Das temperaturabhängige Element 174 steht zudem in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs.
Überschreitet die Kühlmitteltemperatur die Kühlmittel- Grenztemperatur, so dehnt sich das temperaturabhängige Element 174 aus und drückt gegen das Klappenelement 166, insbesondere dessen zweites freies Ende 172, welches blattfederartig von der dichtenden Gehäusekante 170 weggedrückt wird. Auf diese Weise wird die Notlauf- Bypassleitung 158 bei Überschreiten der kritischen Grenztemperatur für das Kühlmittel selbständig, das heisst ohne äußere Ansteuerung des Ventils, geöffnet. Es ergibt sich ein über die Dehnungscharakteristik des temperaturabhängigen Elementes 174 und die federnden Eigenschaften des Klappenelementes 166 einstellbarer Kühlmittelvolumenstrom vom Einlasskanal 150 des erfindungsgemäßen Ventils zum Auslasskanal 152, der direkt mit dem Kühler 20 des Kühlkreislaufs 10 verbunden ist. Auch diese Notöffnung des erfindungsgemäßen Ventils ist prinzipiell reversibel realisierbar. Die erforderliche Energie zur Zwangsöffnung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils wird durch die Wärmeenergie des Kühlmittels zur Verfügung gestellt.
Fig. 9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils ein Zwei-Wege-Klappenventil mit integrierter Zwangsöffnung. Das Ventil verbindet einen Einlasskanal 180 über eine Ventilkammer 182 mit einem Auslasskanal 184. In der Ventilkammer 182 angeordnet ist als aktives Ventilelement eine Ventilklappe 186, die über eine zugehörige Welle 190 gestellt werden kann. Die Welle 190 ist zu diesem Zweck aus dem Ventilgehäuse 188 hinaus geführt und über ein abtriebsseitig selbsthemmendes Getriebe mit einem Stellantrieb, beispielsweise einem Gleichstrommotor, verbunden. Erreicht die Kühlmitteltemperatur eine obere Kühlmittel-Grenztemperatur, so wird die Welle zum Antrieb der Ventilklappe 186 vom antreibenden Getriebe entkoppelt. Dies kann beispielsweise mit einer Vorrichtung analog der in Fig. 2 beschriebenen Hubkolben-Entkopplung geschehen. Andere, thermisch aktivierte Entkopplungen der Ventilklappe vom externen Antrieb des Ventils, wie beispielsweise eine Schmelzsicherung, sind aber ebenso möglich.
Ebenfalls in der Ventilkammer 182 angeordnet ist ein temperaturabhängiges Dehnstoff-Element 196, das mit seinem einen Ende 220 am Ventilgehäuse 188 befestigt ist oder sich gegen diese abstützt und mit seinem zweiten Ende 222 gegen die Ventilklappe 186 zur Anlage kommt. Mit Überschreitung der oberen Kühlmittel-Grenztemperatur dehnt sich das temperaturabhängige Element 196 aus und übt somit ein Drehmoment auf die von der Antriebswelle entkoppelte Ventilklappe 186 aus, was zu einer temperaturabhängigen Öffnung der Ventilklappe 186 in der Ventilkammer 182 führt. Somit ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Ventil gemäß der Ausführungsform in Fig. 9 auch bei einem Ausfall des externen, beispielsweise elektrischen oder hydraulischen Antriebs der Ventils bei Überschreiten einer kritischen Kühlmittel-Grenztemperatur derart geöffnet wird, dass eine Verbindung zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal des Ventils erzeugt wird, die es ermöglicht, dass ein hinreichender Kühlmittelvolumenstrom durch das eventuell blockierte oder auch gestörte Ventil fließen kann, um eine notwendige Wärmeabfuhr von thermisch empfindlichen Komponenten des Kühlkreislaufs zu gewährleisten.
Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils in Fig. 10 zeigt ein Zwei-Wege-Klappenventil mit ein Dehnelement zur Aktivierung eines Bypasses. Ein Einlasskanal 180 des Ventils ist über eine Ventilkammer 182 mit einem Auslasskanal 184 verbunden. In der Ventilkammer 182 befindet sich eine Ventilklappe 187, die über eine aus dem Ventilgehäuse 188 hinausgeführte Welle 190 gesteuext werden kann. Die Ventilklappe 187 besteht im Wesentlichen aus zwei Teilelementen 192 und 194, deren relative Stellung zueinander über zwei Dehnstoff-Elemente 196 beziehungsweise 198 verändert werden kann. Die Dehnstoff-Elemente 196 beziehungsweise 198 sind an dem ersten Teilelement 192 der Ventilklappe 187 durch entsprechende Halterungen 197 beziehungsweise 199 befestigt und liegen bündig mit ihrem einen Ende 200 beziehungsweise 202 an dem zweiten Teilelement 194 der Ventilklappe an. Kommt es aufgrund einer erhöhten Kühlmitteltemperatur zu einer thermischen Ausdehnung der Dehnstoff-Elemente 196 und 198, so drücken diese gegen das zweite Teilelement 194 der Ventilklappe 186, derart, dass das zweite Teilelement 194 aus der gemeinsamen Ebene des Klappenventils 187 gedrückt wird. Somit liegt auch für den Fall einer an sich geschlossenen Ventilklappe 187 das zweite Teilelement 194 der Ventilklappe 187 nicht mehr bündig an der Innenwand 206 der Ventilkammer 182 an. Es entsteht eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal 180 und dem Auslasskanal 184 des in Fig. 10 dargestellten Ventils.
Die thermische Zwangsöffnung der Ventilklappe 187 ermöglicht es, dass selbst im Falle einer in der "Geschlossen-Stellung" des Ventils blockierten Ventilklappe ein Mindestvolumenstrom, beispielsweise zur Kühlung des Verbrennungsmotors oder anderer, thermisch anfälliger Komponenten eines Kühlkreislaufs, zur Verfügung gestellt werden kann.
Fig. 11 zeigt eine zu Fig. 10 alternative Ausführungsform eines Klappenventils mit integrierter Zwangsöffnung. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Ventilklappe 189 eine Durchgangsöffnung 210, die durch ein Bimetall-Element 212 im normalen Betriebsfall des Ventils, dass heisst für eine Kühlmitteltemperatur, die unterhalb der Kühlmittel- Grenztemperatur liegt, abgedichtet ist. Übersteigt die Kühlmitteltemperatur die Grenztemperatur, so verformt sich das Bimetall-Element 212 derart, dass die Durchgangsöffnung 210 in der Ventilklappe 189 geöffnet wird. Dazu kann das Bimetall-Element 212 beispielsweise mit seinem einen Ende 214 fest mit der Ventilklappe 189 verbunden sein und an seinem zweiten Ende 216 federnd gegen die Ventilklappe 189 gelagert sein. Im Bedarfsfall kann ein zusätzlicher Dichtsitz auf der Ventilklappe 189 angebracht sein, gegen den das Bimetall-Element 212 im Normalbetrieb anliegt. Andererseits ist jedoch auch eine leichte Leckage durch die Notlaufverbindung im Normalbetrieb tolerierbar. Sollte die Ventilklappe 189 in der "Geschlossen-Stellung" blockieren und somit die Kühlmitteltemperatur einen oberen Grenzwert überschreiten, wird die Durchgangsöffnung 210 durch das Bimetall-Element 212 ohne eine äussere Ansteuerung des Ventils freigegeben, so dass sich auf diese Weise ein im Schließelement (Ventilklappe 189) selbst integrierter Bypass öffnet, der den Einlasskanal 180 des erfindungsgemäßen Ventils nach Fig. 11 mit dem Auslasskanal 184 verbindet.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht auf die in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Ventil nicht auf die Verwendung eines elektrischen, externen Antriebs beschränkt. Ebenso möglich ist die Verwendung eines hydraulischen, pneumatischen, oder sonstwie gearteten Antriebs für das Ventil.
Auch ist das erfindungsgemäße Ventil nicht beschränkt auf die Verwendung von temperaturabhängigen Mitteln zur Zwangsöffnung. Ebenso vorstellbar ist eine druckabhängige Zwangsöffnung des Ventils, wobei die zur Ventilöffnung benötigte Energie innerhalb des Ventils gespeichert ist, so dass eine Zwangsöffnung des Ventils für den Fall einer Störung der Ventilansteuerung ohne äußere Hilfsenergien wirksam werden kann. Die Auslösung der erfindungsgemäßen Zwangsöffnung kann jedoch hier auch thermisch gesteuert erfolgen. Der vollständige Verzicht auf eine externe Hilfsenergie, die bei dem Auftreten eines kritischen Zustandes des Ventils von außen zur Verfügung zu stellen wäre, ist gleichzeitig ein entscheidender Vorteil der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht beschränkt auf die vorgestellten Auslösemechanismen, wie beispielsweise thermische Ausdehnung von Bimetallen, Volumenausdehnung von Dehnstoff-Elementen oder Formänderung von Schnappelementen. Ebenso vorstellbar ist eine thermische Auslösung der Notfunktion über Formgedächtnis-Stellelemente oder andere, thermisch sensitive Stellelemente. Eine entsprechende thermoelastische Umwandlung (Formgedächtnis) ermöglicht die definierte Formänderung solcher Stellelemente mit einer Genauigkeit der Auslösung in einem Temperaturintervall von einigen Kelvin.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht beschränkt auf die Verwendung zur Zwangsöffnung des Kühlerzweiges des Kühlkreislaufs. Als Variante kann, innerhalb der Notfunktion, auch beispielsweise der Bypasszweig des Kühlkreislaufs zwangsweise geschlossen werden, um einen maximalen Volumenstrom über den Fahrzeugkühler zu gewährleisten. Ebenso selbstverständlich ist die Kombination beider Ausführungen der Notfunktion.
Durch die Zwangsöffnung des Kühlerzweiges beziehungsweise die Zwangsschließung des Bypasszweiges im Kühlkreislauf kann darüber hinaus in weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils die Funktionsfähigkeit des Ventils bewusst zerstört werden. Beispielsweise kann die Zwangsverstellung des Ventilkörpers durch ein solch hohes Moment oder eine solch große Kraft erfolgen, dass ein selbsthemmendes Getriebe zerstört wird.
Der Ventilantrieb und die Steuerung des erfindungsgemäßen Ventils können beliebiger Art sein, beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder auch hydraulisch. Zur aktuatorunabhängigen Zwangsöffnung des Ventils, das heisst zur Realisierung der erfindungsgemäßen Notfunktion für das Ventil bedarf es bei einigen Ausführungsformen, zum Einen des Einbringens eines Verstellmomentes über eine Welle in das Ventil und zum Anderen des Vorhandenseins eines selbsthemmenden Getriebes zwischen der Antriebseinheit und dem aktiven Ventilelement, das heisst dem Ventilglied.

Claims

1. Ventil, insbesondere zur Steuerung von Volumenströmen im Heiz- und/oder Kühlsystem (10) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Ventilgehäuse (58, 110, 156, 188) und einer Ventilkammer (60, 118, 182), von der mindestens ein Einlass-Kanal (112, 150, 180) und mindestens ein Auslass-Kanal (59, 116, 152, 184) abzweigen, sowie mit mindestens einem Ventilglied (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189) das mit mindestens einem Ventilsitz (69, 71, 115, 117, 163) der Ventilkammer (60, 118, 182) zusammenwirkt, sowie mit einem angetriebenen Aktuator (74, 124, 164, 190) für das mindestens eine Ventilglied (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur Öffnung mindestens eines Auslasskanals (59, 116, 152, 184) aufweist, die unabhängig vom Aktuator (74, 124, 164, 190) sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur aktuatorunabhängigen Öffnung des mindestens einen Auslasskanals (59, 116, 152, 184) temperaturgesteuerte Komponenten (88, 90, 148, 174, 196, 198, 212) aufweisen.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur Öffnung unabhängig vom Aktuator (74, 124, 164, 190) mindestens ein temperaturabhängiges Stellelement (88, 90, 148, 174, 196, 198, 212) umfassen.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperaturabhängige Stellelement (88, 90, 148, 174, 196, 198, 212) ein Dehnstoff-Element (174, 196, 198) ist.

5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperaturabhängige Stellelement (88, 90, 148, 174, 196, 198, 212) ein Bimetall-Thermoelement (88, 90, 148, 212) ist.

6. Ventil nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Stellelement (88, 90, 148, 174, 196, 198, 212) ein Bimetall-Schnappelement (88, 90, 148) ist.

7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur aktuatorunabhängigen Öffnung eine innerhalb des Ventils gespeicherte Energiemenge zur Öffnung des Ventils freisetzen.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Ventil gespeicherte Energiemenge zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils in einem Federelement (104, 138) gespeichert ist.

9. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Ventil gespeicherte Energiemenge zur aktuatorunabhängigen Öffnung des Ventils in dem vom Ventil zu regelnden Fluid gespeichert ist.

10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die aktuatorunabhängige Öffnung des Ventils reversibel, insbesondere thermisch reversibel ist.

11. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur aktuatorunabhängigen Öffnung eine Wirkentkopplung des mindestens einen Ventilgliedes(66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189) vom Aktuator (74, 124, 164, 190) erzeugen.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktuator (124, 164, 190) und dem mindestens einen Ventilglied (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189) oder im Aktuator (74) ein Getriebe (54), insbesondere ein abtriebsseitig selbsthemmendes Getriebe (54) vorgesehen ist.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil mindestens eine Verbindung (60, 134, 158, 182, 210) zwischen dem mindestens einen Einlass- Kanal (112, 150, 180) und dem mindestens einen Auslass-Kanal (59, 116, 152, 184) aufweist, der durch die Mittel (80, 82, 88, 90, 92, 94, 104, 138, 138, 140, 144, 148, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur Öffnung unabhängig vom Aktuator (74, 124, 164, 190) freigegeben wird, unabhängig von der Stellung des mindestens einen Ventilgliedes (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189).

14. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (74, 124, 164, 190) des Ventils einen elektrischen Stellantrieb (50) aufweist.

15. Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (50) einen Motor, insbesondere einen Gleichstrommotor umfasst.

16. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (60, 118, 182) des Ventils einen zweiten Auslasskanal (114, 154) mit zugehörigem Ventilsitz (115, 163) aufweist.

17. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventilglied (66, 68, 120, 160, 162, 186, 187, 189) eine um die Achse einer Welle (70, 124, 190) drehbare Ventilklappe (68, 131, 186, 187, 189) ist.

18. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (74, 124, 164, 190) ein zweites Ventilglied (122) treibt.

19. Kühl- und Heizkreislauf (10) mit mindestens einer Wärmequelle (12), einem Kühler (20) und einer Bypassleitung (32), die einen Kühlerzulauf (19) mit einem Kühlerrücklauf (21) verbindet und an deren mindestens einen Abzweigung (33) mindestens ein Steuerventil (34, 36) angeordnet ist, dessen Drosselkörper in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern durch mindestens eine Steuereinheit (38) ansteuerbar ist und den Kühlmittelstrom zwischen dem Kühlerzulauf (19) und der Bypassleitung (32) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil Mittel (84, 86, 88, 90, 94, 96, 104, 138, 140, 144, 148, 138, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zu seiner Öffnung, unabhängig von seiner Ansteuerung (38), aufweist.

20. Kühl- und Heizkreislauf (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (84, 86, 88, 90, 94, 96, 104, 138, 140, 144, 148, 138, 166, 174, 194, 196, 198, 212) zur ansteuerungsunabhängigen Öffnung des Ventils temperaturgesteuert sind.