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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmemanagementmodul
des Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens
einem in einem Ventilgehäuse angeordneten ersten Zuführanschluss für
Kühlwasser eines Bypasskreises sowie mindestens einem benachbarten
zweiten Zuführanschluss für Kühlwasser
eines Kühlerkreises, die je nach Stellung eines im Ventilgehäuse
untergebrachten Ventilgliedes mit einem Abführanschluss
verbindbar sind, wobei am Ventilgehäuse Antriebsmittel
zur Betätigung des Ventilgliedes vorgesehen sind. Ferner
betrifft die Erfindung auch ein Kühlsystem, welches ein derartiges
Wärmemanagementmodul umfasst.
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Das
Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine umfasst in der
Regel zwei Kühlmittelkreise. Ein Bypasskreis, oder auch
Kurzschlusskreis genannt, führt der Verbrennungskraftmaschine
das Kühlwasser ohne Kühlung wieder zu. Im Kühlerkreis durchströmt
das Kühlwasser zuvor einen als Kühler bezeichneten
Wärmetauscher, bevor es der Verbrennungskraftmaschine wieder
zugeführt wird. In dem Wärmetauscher wird überschüssige
Wärme abgeführt und an ein sekundäres
Kühlmittel abgegeben. Beide Kühlkreise der Verbrennungskraftmaschine können
gleichzeitig oder zeitlich verschoben eingeschaltet werden. Durch
die gezielte Verteilung des Kühlwasserstroms auf beide
Kreisläufe wird die Verbrennungskraftmaschine im Bereich
der optimalen Kühlmitteltemperatur eingeregelt. Hierdurch
wird in erster Linie die Einhaltung der zulässigen Grenztemperaturen
für Motor und Getriebe sichergestellt. Darüber
hinaus muss den zueinander konkurrierenden Anforderungen hinsichtlich
eines verbrauchsoptimierten Warmlaufs und einer raschen Innenraumklimatisierung
Rechnung getragen werden. Bei modernen Kühlsystemen des
Standes der Technik wird dies gewöhnlich durch flexibel
ansteuerbare Bauteile, wie eine elektrische Kühlmittelpumpe,
deren Drehzahl nicht fest an die Drehzahl der Kurbelwelle gekoppelt ist,
sowie ein elektrisch ansteuerbarer Kennfeldthermostat, Elektrolüfter
und Heizungsventile umgesetzt. Hierdurch ist die Auslegung des Kühlsystems
auf die vorstehend genannten Randbedingungen inklusive eines flexiblen
Wärmemanagements möglich. Durch intelligentes
Wärmemanagement lassen sich daneben auch Kraftstoffverbrauch
und Schadstoffemission reduzieren. Besonders geeignet dafür
sind eine extern gekühlte Abgasrückführung
sowie die Verkürzung der Warmlaufphase durch Kühlmittelstillstand und
einer Abkopplung von thermischen Massen. Durch die Anpassung der
Kühlmitteltemperatur an den vorliegenden Lastbereich des
Verbrennungsmotors mit Hilfe eines Wärmemanagementmoduls
lassen sich diese Ziele erreichen.
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Aus
der
US 4,644,909 geht
ein solches Wärmemanagementmodul hervor. Das Wärmemanagementmodul
umfasst einen Ventilmechanismus, mit welchem ein Kühlerkreis
und/oder ein Bypasskreis eines Kühlsystems schaltbar sind.
Dies erfolgt mit Hilfe eines Elektromotors, welcher durch eine elektronische
Steuerung ansteuerbar ist, die eingangsseitig das Signal eines Kühlwassertemperatursensors
auswertet, um abhängig von der herrschenden Kühlwassertempera
tur den Ventilmechanismus zu betätigen, damit das Mixverhältnis
des Kühlwassers zwischen den beiden Kühlkreisen
anhand einer vorgegebenen Kühlwassertemperatur eingestellt
wird. Der Ventilmechanismus umfasst einen Ventilschieber, der entweder
eine lineare oder eine rotatorische Schaltbewegung durchführt.
Dementsprechend ist der elektromotorische Antrieb entweder als Linearantrieb
ausgeführt, beispielsweise in Form eines Proportionalmagneten,
oder als elektrischer Schrittmotor zur Erzeugung der rotativen Schaltbewegung.
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Aus
der
DE 198 49 492
A1 geht ein weiteres Wärmemanagementmodul hervor,
dass ein Ventilglied zum Schalten eines Bypasskreises sowie eines Kühlerkreises
eines Kühlsystems aufweist. Das Ventilglied ist bei diesem
Stand der Technik als ein Drehschieber ausgeführt, welcher
elektromotorisch angetrieben ist. Mit dem elektromotorischen Antrieb
lässt sich das Ventilglied wahlweise in eine Sperrstellung für
den Kühlerkreis sowie den Bypasskreis bringen oder in eine
Offenstellung zwischen dem Kühlerkreis oder dem Bypasskreis.
Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Mischbetrieb
durch gleichzeitige Verbindung des Kühlerkreises und des
Bypasskreises mit dem Abführanschluss herzustellen, um
ein Wärmemanagement innerhalb des Kühlsystems
durch eine kenn feldgeregelte Kühlung zu realisieren. Durch
Auswahl einer geeigneten Schaltstellung der Ventilmechanik ist für
jeden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine eine optimale
Kühl mitteltemperatur möglich, was zur eingangs
erwähnten Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffemission
bei gleichzeitiger Schonung der Verbrennungskraftmaschine führt.
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Nachteilhaft
bei dem vorstehend diskutierten Stand der Technik wirkt sich allerdings
der elektromotorische Antrieb der Ventilmechanik aus. Denn ein elektromotorischer
Antrieb bei einem Wärmemanagementmodul, welches eine kühlwasserdurchströmte
Ventilmechanik aufweist, muss eine zuverlässig dau erdichte
Trennung von kühlwasserdurchströmten und elektrisch/mechanischen
Bauteilbereich ermöglichen. Ansonsten könnte beispielsweise unerwünscht über
eine Dichtungsleckage überströmendes Kühlmittel
in den Bereich der elektromotorischen Antriebsmittel dort einen
elektrischen Kurzschluss oder fortschreitenden Verschleiß verursachen,
der zum Ausfall des Antriebs für das Wärmemanagementmodul
führt. Weiterhin sind die Anforderungen an elektromechanische
Komponenten im Fahrzeugbau im Hinblick auf die herrschenden Umgebungsbedingungen
im Bereich des Kühlsystems meist nur durch aufwendige Konstruktionen
zu realisieren, welche in der Lage sind, die spezifischen höheren
Temperaturen, je erforderlichen Abdichtungseigenschaften, den gewünschten
Leistungsbedarf sowie Lebensdauer zu erfüllen.
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So
ist es beispielsweise schon versucht worden, den elektromotorischen
Antrieb einer Ventilmechanik eines Wärmemanagementmoduls
in einem getrennten Gehäuse unterzubringen und über
eine Stirnradstufe auf die Ventilmechanik zu übertragen. Durch
die getrennten Gehäuse wird zwar ein dichtungsleckagebedingtes
Eindringen von Kühlwasser in den elektromotorischen Antrieb
verhindert, allerdings erfordert diese räumliche Trennung,
den technischen Aufwand einer zusätzlichen Getriebestufe zur
Kraftübertragung sowie insgesamt einen recht großen
Bauraum.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Wärmemanagementmodul
eines Kühlsystems für eine Brennkraftmaschine
zu schaffen, welches kompaktbauend und robust konstruiert ist und
sich gleichzeitig leckagegefahrfrei über die gesamte Lebensdauer
im Kühlsystem betreiben lässt.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Wärmemanagementmodul gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Antriebsmittel
zur Betätigung des Ventilgliedes eines Wärmemanagementmoduls
als ein eine drehende Antriebsbewegung erzeugender hydrostatischer
Stellmotor ausgeführt sind, der eine vom Kühlsystem
abzweigende Speisedruckleitung zur Druckbeaufschlagung nutzt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass ge genüber elektromechanischen
Antrieben die hohe Leistungsdichte sowie Robustheit hydraulischer
Antriebe nutzbar gemacht wird und zum anderen eine dauerhaft druckdicht
ausgeführte Drehmomentübertragung auf das Ventilglied
sichergestellt wird, weil das erforderliche Antriebsmoment direkt
am Ventilglied entsteht. Die erfindungsgemäße
Lösung arbeitet frei von äußerer Leckage
und macht sich die per se im Kühlsystem zur Verfügung
stehende hydraulische Druckenergie zur Betätigung des Ventilgliedes
zu Nutze.
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Vorzugsweise
sollte der erfindungsgemäße hydrostatische Stellmotor
nach Art eines Innenzahnradmotors ausgebildet sein. Denn ein Innenzahnradmotor
bildet einen sehr kompakt bauenden hydrostatischen Stellmotor, welcher
in der Lage ist, die Antriebsenergie für das Ventilglied
bereitzustellen, das vorzugsweise als ein Drehschieber ausgebildet
ist, um vorteilhafterweise direkt eine rotatorische Antriebsbewegung
des Innenzahnradmotors als Schaltbewegung zu nutzen. Sollte es aufgrund
besonderer konstruktiver Randbedingungen erforderlich sein, das
von einem hydrostatischen Stellmotor gelieferte Drehmoment zur Verwendung
als Schaltbewegung zu erhöhen, so wird vorgeschlagen, zwischen
dem hydrostatischen Stellmotor und dem vorzugsweise als Drehschieber
ausgebildeten Ventilglied ein Untersetzungsgetriebe zwischenzuschalten,
welches beispielsweise als Stirnradstufe ausgebildet sein kann. Diese
Variante gestattet es auch, vorhandene elektromotorische Antriebseinheiten
gegen hydrostatische Stellmotoren der erfindungsgegenständlichen Art
auszutauschen, um die Robustheit eines solchen Wärmemanagementmoduls
zu er höhen.
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Ein
besonders kompaktbauender hydrostatischer Stellmotor, der als Innenzahnradmotor
ausgebildet ist, ergibt sich, in dem ein innenverzahntes Hohlrad
des Innenzahnradmotors den rotativ beweglichen Teil des hydrostatischen
Stellmotors bildet und einstückig mit dem Drehschieber
des Ventilglieds ausgebildet ist. Dabei kann dieses funktionsintegrierte
Bauteil beispielsweise als Spritzgussteil aus Kunststoff oder Leichtmetall
gefertigt werden.
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Im
Zusammenhang damit wird vorgeschlagen, dass das rotativ bewegliche
in nenverzahnte Hohlrad mit einem demgegenüber ortsfest
und exzentrisch angeordneten Sonnenrad kämmt, um das Prinzip
eines Zahnradmotors umzusetzen. Um die Antriebsbewegung per Druckbeaufschlagung
sicherzustellen, sollte sich an das rotativ bewegliche innenverzahnte
Hohlrad ein demgegenüber ortsfest und exzentrisch angeordnetes
bogenförmiges Füllstück einschließen.
Das Füllstück dichtet durch seine äußere
Bogenform den Druckbereich gegenüber der Innenverzahnung
des Hohlrades. Über eine innere Bogenform des Füllstücks
wird die Abdichtung gegenüber dem hieran anliegenden Sonnenrad
realisiert.
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Die
Druckbeaufschlagung des vorzugsweise in vorstehender Weise aufgebauten
Innenzahnradmotors erfolgt gemäß einer weiteren
die Erfindung verbessernden Maßnahme dadurch, dass stirnseitig des
Antriebsbereichs ein erster Druckanschluss sowie ein benachbart
hierzu angeordneter zweiter Druckanschluss angeordnet sind, welche
wechselseitig mit der Speisedruckleitung koppelbar sind, um das
Ventilglied druckgesteuert entlang der beiden zueinander entgegensetzten
Schaltrichtungen bewegen zu können.
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Für
eine solche wechselseitige Kopplung der beiden Druckanschlüsse
mit der Speisedruckleitung wird vorgeschlagen, ein elektromagnetisches
Pilotventil im Rahmen einer hydraulischen Vorsteuerung zu verwenden,
das vorzugsweise als monostabiles 4/3-Wegeventil ausgeführt
wird. Durch die drei Schaltstellungen lassen sich die beiden entgegengesetzt
zueinander ausgerichteten Schaltbewegungen sowie eine zusätzliche
Sperrstellung umsetzen. Um das monostabile 4/3-Wegeventil in eine
definierte Notfallstellung bei Ausfall der elektrischen Ansteuerung
zu bringen, wird vorgeschlagen, dieses federrückgestellt
auszuführen. Durch Verwendung des elektromagnetischen Pilotventils
bleiben bei der erfindungsgemäßen Lösung
die Vorzüge elektrisch angesteuerter Systeme im Bezug auf
die Einbindung in die Funktionalität elektronischer Regler
erhalten, so dass eine Einbindbarkeit des erfindungsgemäßen Wärmemanagementmoduls
in den Regelalgorithmus des Motorsteuergeräts einer Verbrennungskraftmaschine
gegeben ist.
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Die
erfindungsgemäße Speisedruckleitung zur Betätigung
des vorstehend beschriebenen hydrostatischen Stellmotors geht vorzugsweise
vom Bereich des abflussseitigen Anschlusses einer im Kühlsystem
integrierten Kühlwasserpumpe aus. Denn hier ist der Kühlwasserdruck
im Gesamtsystem noch druckabfall frei und damit am größten,
so dass die Auslegung des hydrostatischen Stellmotors anhand des
dort herrschenden maximalen Kühlwasserdrucks erfolgen kann.
Hierdurch lässt sich der hydrostatische Stellmotor so kleinbauend
wie möglich dimensionieren, was der Kompaktheit des Wärmemanagementmoduls
zu Gute kommt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine
mit integriertem Wärmemanagementmodul, und
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2 eine
schematisch perspektivische Darstellung des Wärmemanagementmoduls
nach 1.
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Gemäß 1 besteht
das Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine 1 im
Wesentlichen aus einem Kühlerkreis 2 sowie einem
Bypasskreis 3. Der Kühlerkreis 2 führt
das durch die Verbrennungskraftmaschine 1 aufgeheizte Kühlwasser
durch einen als Wärmetauscher fungierenden Kühler 4,
so dass nach Abkühlung über eine nachgeschaltete
Kühlmittelpumpe 5 das Kühlwasser wieder
in der Verbrennungskraftmaschine 1 zu dessen Kühlung
zur Verfügung steht. Während dieser Kühlerkreis 2 zur
Abkühlung der Verbrennungskraftmaschine 1 genutzt
wird, wird der Bypasskreis 3 zur Aufheizung des Verbrennungskraftmaschine 1 insbesondere
während der Aufwärmphase genutzt, um unter Umgehung
des Kühlers 4 das Kühlwasser möglichst
schnell nahe der optimalen Temperatur aufzuheizen. Die zur Temperierung
der Verbrennungskraftmaschine 1 erforderliche Auswahl zwischen
Kühlerkreis 2 sowie Bypasskreis 3 oder
auch einen Mischbetrieb zwischen beiden Kreisen erfolgt durch ein
Wärmemanagementmodul 6.
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Gemäß 2 umfasst
das Wärmemanagementmodul 6 ein – hier
nur im schematischen Schnitt dargestelltes – Ventilgehäuse 7,
an dem ein erster Zu führanschluss 8 für
das Kühlwasser des – hier nicht dargestellt – Bypasskreises 3 sowie
mindestens ein benachbarter zweiter Zuführanschluss 9 für
das Kühlwasser – das ebenfalls hier nicht dargestellten – Kühlerkreises 2 angeordnet
ist. Je nach Stellung des hier nach Art eines Drehschiebers 10 ausgebildeten, innerhalb
des Ventilgehäuses 7 angeordneten Ventilglieds
sind die beiden Zuführanschlüsse 8 und 9 wahlweise
mit einem ebenfalls am Ventilgehäuse 7 angeordneten
Abführanschluss 11 verbindbar.
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Zur
Betätigung des Drehschiebers 10 ist als Antriebsmittel
ein hydrostatischer Stellmotor 12 vorgesehen, der, eine
drehende Antriebsbewegung erzeugend, direkt den Drehschieber 10 betätigt.
Der hydrostatische Stellmotor 12 ist nach Art eines Innenzahnradmotors
ausgebildet und weist ein innenverzahntes Hohlrad 13 auf,
das rotativ beweglich einstückig mit dem Drehschieber 10 ausgebildet
ist. Das innenverzahnte Hohlrad 13 kämmt mit einem
demgegenüber exzentrisch angeordneten Sonnenrad 14 zur
Bildung eines Zahnradmotors. Im Hohlrad 13 ist ebenfalls
ein demgegenüber ortsfest und exzentrisch angeordnetes
bogenförmiges Füllstück 15 platziert. Das
Füllstück 15 bildet gemeinsam mit dem
gegenüberliegenden und hieran nicht zur Anlage kommenden
Sonnenrad 14 zwei einander gegenüberliegende zahnradmotorinterne
Druckkammern, welche einem ersten Druckanschluss 16a sowie
einem benachbart hierzu angeordneten zweiten Druckanschluss 16b zugeordnet
sind.
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Beide
Druckanschlüsse 16a und 16b sind wechselseitig
mit einer Speisedruckleitung 17 koppelbar, welche den Speisedruck
direkt aus dem Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine
abzweigt. Zur wechselseitigen Kopplung der beiden Druckanschlüsse 16a und 16b des
hydrostatischen Stellmotors 12 mit der Speisedruckleitung 17 ist
ein monostabiles 4/3-Wegeventil 18 vorgesehen, das hier
als elektropneumatisches Pilotventil fungiert. Das 4/3-Wegeventil 18 wird
elektrisch angesteuert von einer elektronischen Wärmemanagementsteuerung 19,
welche hier Bestandteil der Motorsteuerung ist.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel, sondern umfasst auch Abwandlungen
hiervon, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche eingeschlossen
sind. So kann anstelle der Ausführung des Ventilgliedes
als Drehschieber auch eine Drehscheibe oder dergleichen verwendet
werden, um die Ventilmechanik des Wärmemanagementmoduls 6 zu
bilden. Daneben ist es auch möglich, als Ventilglied einen
translatorisch verstellbaren Ventilschieber oder dergleichen zu
wählen. In diesem Falle ist jedoch die drehende Antriebsbewegung
des hydrostatischen Stellmotors in eine insoweit erforderliche translatorische
Antriebsbewegung für ein solches Ventilglied getriebetechnisch
umzuwandeln. Ebenso denkbar ist es, den die Antriebsbewegung erzeugenden
hydrostatischen Stellmotor über ein zwischengeschaltetes
Getriebe mit dem Ventilglied zu koppeln, um dieses zu betätigen,
wozu sich beispielsweise eine Stirnradgetriebestufe, ein Schneckengetriebe
oder dergleichen eignen würde, um vorzugsweise ein Untersetzungsgetriebe
zur Umwandlung einer schnellen Drehzahl des hydrostatischen Stellmotors
in eine niedrigere Drehzahl zur Erzeugung der Schaltbewegung des
Ventilgliedes zu schaffen.
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Kühlerkreis
- 3
- Bypasskreis
- 4
- Kühler
- 5
- Kühlwasserpumpe
- 6
- Wärmemanagementmodul
- 7
- Ventilgehäuse
- 8
- erster
Zuführanschluss
- 9
- zweiter
Zuführanschluss
- 10
- Drehschieber
- 11
- Abführanschluss
- 12
- hydrostatischer
Stellmotor
- 13
- Hohlrad
- 14
- Sonnenrad
- 15
- Füllstück
- 16
- Druckanschluss
- 17
- Speisedruckleitung
- 18
- 4/3-Wegeventil
- 19
- Wärmemanagementsteuerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4644909 [0003]
- - DE 19849492 A1 [0004]