-
Die
Erfindung betrifft ein Wärmemanagementmodul des Kühlsystems
einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem an 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. Weiterhin
betrifft die Erfindung auch ein Kühlsystem, welches ein
derartiges Wärmemanagementmodul umfasst.
-
Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf die
Verbrennungsmotorentechnik. Ein Verbrennungsmotor weist in der Regel zwei
Kühlmittelkreise auf. Dabei führt ein Bypasskreis,
welcher auch Kurzschlusskreis genannt wird, der Verbrennungskraftmaschine
das Kühlwasser ohne Kühlung wieder zu. Im außerdem
vorgesehenen 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 auch einer raschen
Innenraumklimatisierung Rechnung getragen werden. Bei modernen Kühlsystemen
des Standes der Technik wird dies gewöhnlich durch flexibel
ansteuerbare Ventile, wie eine elektrische Kühlmittelpumpe,
deren Drehzahl nicht fest an die Drehzahl der Kurbelwelle gekoppelt
ist, sowie ein elektrisch ansteuerbarer Kennlinienthermostat, 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 Schallemission reduzieren. Besonders geeignet dafür
sind eine extern gekühlte Abgasrückführung
sowie die Verkürzung der Warmlaufphase durch Kühlmittelstillstand
und einer Abkoppelung von thermischen Massen. Durch die Anpassung
der Kühlmitteltemperatur an den vorliegenden Lastbereich
des Verbrennungsmotors mit Hilfe eines Wärmemanagementmoduls
lassen sich diese Ziele erreichen.
-
Die
US 4,644,909 offenbart ein
derartiges Wärmemanagementmodul. Das Wärmemanagementmodul
umfasst einen Ventilmechanismus, mit welchem eine 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 Kühlwassertemperatur
den Ventilmechanismus zu betätigen, damit das Mixverhältnis
des Kühlwassers zwischen den beiden Kühlkreisen
und mit einer vorgebbaren Kühlwassertemperatur eingestellt
wird. Der Ventilmechanismus umfasst einen Ventilschieber, der je
nach Ausführungsform entweder eine lineare oder eine rotatorische
Schaltbewegung durchführt. Insbesondere für die
lineare Schaltbewegung wird ein hohlzylindrisches Ventilglied verwendet,
dessen geschlossene Mantelflächen abwechselnd zueinander
versetzte Kühlmittelanschlüsse verschließen.
Der elektromotorische Antrieb ist für die translatorische
Schaltbewegung als Linearantrieb ausgeführt, beispielsweise
in Form eines Proportionalmagneten, oder als elektrischer Schrittmotor
zur Erzeugung der rotativen Schaltbewegung.
-
Nachteilhaft
wirkt sich prinzipiell der elektromotorische Antrieb der Ventilmechanik
aus. Denn ein elektromotorischer Antrieb bei einem Wärmemanagementmodul,
welches eine kühlwasserdurchströmte Ventilmechanik
aufweist, muss eine zuverlässig dauerdichte Trennung von
kühlwasserdurchströmten und elektrisch/mechanischen
Bauteilbereichen 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.
-
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.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmemanagementmodul
eines Kühlsystems für eine Brennkraftmaschine
zu schaffen, welches kompaktbauend und robust konstruiert ist und sich
mit wenigen einfachen Bauteilen zuverlässig im Kühlsystem
betreiben lässt.
-
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.
-
Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Antriebsmittel
einen eine translatorische Antriebsbewegung ausführenden
und mit mantelflächenseitigen Regelöffnungen versehenden
Schiebe-Kolben mit rundem Querschnitt umfassen, der mit mindestens
einem Axialschlitz oder Führungszapfen zur Verdrehsicherung
ausgestattet ist.
-
Im
Rahmen der Erfindung kann der Axialschlitz also entweder seitens
des Schiebe-Kolbens eingebracht werden, wogegen ein hierzu korrespondierender
Führungszapfen als Materialanformung ventilgehäuseseitig
angeordnet ist und im Sinne einer kinematischen Umkehr kann auch
mindestens ein Führungszapfen radial von der Mantelfläche
des Schiebe-Kolbens überstehen, der mit einem korrespondierenden
Axialschlitz seitens des Ventilgehäuses zusammenwirkt.
Durch diese fertigungstechnisch einfach umzusetzende Verdrehsicherung
kann der Schiebe-Kolben mit einem kreisrunden Querschnitt versehen
werden und die Regelöffnungen an der Mantelfläche
des Schiebe-Kolbens bleiben gegenüber dem ventilgehäuseseitigen
Zuführanschlüssen korrekt ausgerichtet. Der Schiebe-Kolben
lässt sich somit ausschließlich gegenüber
dem Ventilgehäuse in Axialrichtung bewegen, nicht jedoch
verdrehen. Durch den vorzugsweise durchgängig runden Querschnitt
des Schiebe-Kolbens lässt sich in Folge dessen eine fertigungstoleranzarme
Passung gegenüber einer hierzu im Ventilgehäuse
korrespondierenden Bohrung herstellen.
-
Vorzugsweise
ist der Schiebe-Kolben in der Axialrichtung in einen Durchflussbereich
sowie einen hiervon funktional getrennten Antriebsbereich unterteilt,
wobei die Regelöffnungen für Kühlmittelströme mantelflächenseitig
in den Durchflussbereich eingebracht sind. Ein dazwischen angeordneter
Zwischenboden verhindert das Überströmen von zu
schaltendem Kühlmittel in den Antriebsbereich, der die
Kolbenfunktion übernimmt.
-
Vorteilhafterweise
sollte der mindestens eine Axialschlitz bodenseitig im Durchflussbereich
des Schiebe-Kolbens angeordnet sein. Von der Stirnseite her ist
der hohlzylindrische Schiebe-Kolben also geschlitzt, worin vorzugsweise
ein zugeordneter am Ventilgehäuse angeformter Zapfen zum
Eingriff kommt.
-
Vorteilhaft
ist die Anordnung von vier zueinander äquidistant beabstandeten
Axialschlitzen am Schiebe-Kolben, welchen je ein gehäuseseitiger Zapfen
zugeordnet ist. Diese Zapfen können dabei gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme gleichzeitig auch
als stabile gehäuseseitige Auflage für ein in
den Innenraum des Durchflussbereiches vom Schiebe-Kolben integriertes
Federelement genutzt werden. Somit ergibt sich eine bauraumsparende
Gehäusekonstruktion.
-
Das
Federelement wirkt insoweit entgegengesetzt zu dem von der Steuerkammern
auf den Schiebe-Kolben ausgeübten hydraulischen Druck, um
eine monostabile Ventilfunktion zu realisieren.
-
Der
Antriebsbereich des Schiebe-Kolbens ist gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme nach Art eines hydraulischen
Kolbens ausgeführt, welcher über eine zugeordnete
ventilgehäuseseitige Steuerkammer mit dem Kühlsystemdruck
beaufschlagbar ist.
-
Um
den Antriebsbereich vom Durchflussbereich des Schiebe-Kolbens abzutrennen,
ist dazwischen ein elastomeres Dichtelement angeordnet. Das elastomere
Dichtelement verhindert insbesondere ein Eindringen von Kühlmit tel
aus dem Durchflussbereich in die Steuerkammer des Schiebe-Kolbens,
was dessen Schalten beeinflussen würde.
-
Zur
besonders leckagefreien Abdichtung wird vorgeschlagen, dass elastomere
Dichtelement als eine geschlossene ballonartige Druckmembran mit
Steuerdruckanschluss auszubilden. Daneben ist es jedoch auch möglich,
im Bereich der Steuerkammer des Ventilgehäuses einen ringförmigen
Elastomerdichtring einzulegen, der dichtend außenradial am
Antriebsbereich des kreisrunden Schiebe-Kolbens zur Anlage kommt.
Der runde Querschnitt des Schiebe-Kolbens bietet die günstige
Voraussetzung zum Einsatz eines solchen dynamischen Dichtrings. Natürlich
kann dieser auch im Sinne eines außendichtenden Systems
vom Antriebsbereich des Schiebe-Kolbens getragen werden und dichtend
gegenüber der Innenwandung des Ventilgehäuses
im Bereich der Steuerkammer zur Anlage kommen.
-
Die
Richtung, in welche sich der translatorisch arbeitende Schiebe-Kolben
als Regelelement bewegt, wird nach den jeweiligen Druckverhältnissen am
Steuerdruckanschluss der Steuerkammer bestimmt, welche bedarfsgerecht
von einem vorgeschaltetem Mehrwegeventil mit der Druckseite oder der
Saugseite der adaptierten Wasserpumpe verbunden wird. Ein Wechsel
der Bewegungsrichtung des Schiebe-Kolbens erfolgt in Verbindung
mit dem permanent wirkenden bereits vorstehend erwähnten
Federelement. Das vorgeschaltete Wegeventil kann in Sitz- oder Schieberbauweise
realisiert sein und wird vorzugsweise elektromagnetisch betätigt.
Dabei kann eine mechanisch wirkende Feder integriert sein, welche
das Wegeventil im stromlosen Zustand des Elektromagneten in eine
Vorzugsposition schaltet, um so eine Notlauffunktion des Wärmemanagementmoduls
zu realisieren.
-
Die
erfindungsgegenständliche Speisedruckleitung zur Betätigung
des vorstehend beschriebenen Wärmemanagementmoduls geht
vorzugsweise vom Bereich des abflussseitigen Anschlusses einer im
Kühlsystem integrierten Wasserpumpe aus. Denn hier ist
der Kühlwasserdruck im Gesamtsystem noch druckabfallfrei
und dabei am Größten, so dass die Auslegung des
Antriebs für den Schiebe-Kolben anhand des dort herrschenden
maximalen Kühlwasserdrucks erfolgen kann. Hierdurch lässt
sich dieser so kleinbauend wie möglich dimensionieren,
so dass das Wärmemanagementmodul sehr kompaktbauend ausfällt.
-
Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine
mit integriertem Wärmemanagementmodul,
-
2 einen
schematischen Längsschnitt durch das bei 1 verwendete
Wärmemanagementmodul, und
-
3 eine
perspektivische Detailansicht eines Schiebe-Kolbens des Wärmemanagementmoduls
nach 2.
-
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 zur Kühlung
zur Verfügung steht.
-
Während
Kühlerkreis 2 und Bypasskreis 3 meist
im normalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 genutzt
werden, wobei eine Einstellung der gewünschten Kühlwassertemperatur über
eine Mischung aus beiden Kreisen möglich ist, wird der
Bypasskreis 3 insbesondere während der Aufwärmphase
der Verbrennungskraftmaschine 1 genutzt, um unter Umgehung
des Kühlers 4 das Kühlwasser möglichst
schnell nahe der optimalen Temperatur aufzuheizen. Die Auswahl zwischen
Kühlerkreis 2 sowie Bypasskreis 3 oder
auch ein Mix zwischen beiden Kreisen erfolgt durch ein Wärmemanagementmodul 6.
Zur Betätigung des Wärmemanagementmoduls 6 wird über
eine vom Kühlsystem abzweigende Speisedruckleitung 7 Druck
aus dem Kühlsystem entnommen.
-
Die
Kühlmittelpumpe 5 ist dabei nicht durchflussgeregelt
und mechanisch an die Kurbelwellendrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 gekoppelt.
Ein klassischer Thermostat entfällt, da dessen Funktion
vollständig vom Wärmemanagementmodul 6 übernommen
wird. Hiermit wird eine lastabhängige Temperierung der
Verbrennungskraftmaschine 1 erzielt, um den Verbrennungsprozess
zu optimieren, den Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemission
zu verringern. Die Temperaturvorgabe für das Kühlwasser
wird lastabhängig vom Motorsteuergerät bereitgestellt
und vom Wärmemanagementmodul 6 als Stellglied
eingestellt.
-
Nach 2 umfasst
das Wärmemanagementmodul 6 ein Ventilgehäuse 12,
an dem ein Zuführanschluss 9 für das
Kühlwasser des – hier nicht dargestellten – Bypasskreises 3 sowie
ein am Ventilgehäuse 12 angeordneter zweiter Zuführanschluss 8 für
das Kühlwasser – das ebenfalls hier nicht dargestellten – Kühlerkreises 2 angeordnet
ist. Je nach Stellung des je als zylindrischer Schiebe-Kolben 10 ausgebildeten
und innerhalb des Ventilgehäuses 12 angeordneten
Ventilgliedes sind die beiden Zuführanschlüsse 8 und 9 wahlweise
mit einem ebenfalls am Ventilgehäuse 2 angeordneten
Abführanschluss 11 verbindbar. Der Abführanschluss 11 steht
mit der Saugseite der – hier nicht dargestellten – Kühlmittelpumpe 5 in
Verbindung.
-
Die
axiale Verstellung des Schiebe-Kolbens 10 erfolgt über
eine stirnseitige Druckbeaufschlagung durch den von der – hier
ebenfalls nicht dargestellten – Speisedruckleitung 7 entnommenen
Kühlsystemdruck nach Maßgabe eines Wegeventils. Hierfür
ist am Schiebe-Kolben 10 ein Steuerdruckanschluss 13 vorgesehen,
der in eine integrierte Steuerkammer 14 mündet.
Die Abdichtung der Steuerkammer 14 gegenüber dem
Ventilgehäuse 12 erfolgt über eine seitens
des Ventilgehäuses 12 fixierten und dynamisch
gegenüber dem Schiebe-Kolben 10 abdichtenden elastomeren
Dichtelement 15. Gegenüber der Steuerkammer 14 wirkt
auf den Schiebe-Kolben 10 der Druck eines Federelements 16,
welches sich ventilgehäuseseitig an ihren angeformten Zapfen 17a–17c abstützt
und seitens des Schiebe-Kolbens 10 stirnflächig
an einem Zwischenboden 18 zur Anlage kommt. Der Zwischenboden 18 trennt
den Schiebe-Kolben 10 in Axialrichtung gesehen von einem
die Steuerkammer 14 beinhaltenden Antriebsbereich 19 gegenüber
einem die Kühlmittelströme zwischen den äußeren
Anschlüssen 8, 9 und 11 schaltenden
Durchflussbereich 20. Zum geregelten Schalten der Kühlmittelströme
weist der Schiebe-Kolben 10 im Durchflussbereich mantelflächenseitige
Regelöffnungen 21a, 21b auf, die mit
je einem Zuführanschluss 8 bzw. 9 korrespondieren.
Damit trotz des runden Querschnitts des Schiebe-Kolbens 10 eine
Verdrehsicherung bezüglich der Anschlüsse gewährleistet
ist, greifen die Zapfen 17a–17c in je
zugeordneten und endseitig des Schiebe-Kolbens 1 angeordnete
Axialschlitze 22 (exemplarisch) ein.
-
Gemäß 2 ist
der Schiebe-Kolben 10 hohlzylinderförmig ausgebildet,
wobei der Zwischenboden in dieser Darstellung nicht erkennbar ist.
Die mantelflächenseitig eingebrachten Regelöffnungen 21a und 21b können
mit einem unterschiedlichen Querschnitt versehen sein, um verschiedene
Regelcharakteristika zu realisieren. Dabei ist die Regelöffnung 21a hier
tropfenförmig ausgebildet und die Regelöffnung 21b ist
rombenförmig gestaltet.
-
Die
Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene
bevorzugte Ausführungsbeispiel, sondern umfasst auch Abwandlungen
hiervon, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche
mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich,
dass der Schiebe-Kolben mehr oder weniger als die beiden in 3 dargestellten
Axialaschlitze 17a und 17b zur Verdrehsicherung
aufweist. An dieser Stelle sei auch noch einmal auf die Alternative
einer kinematischen Umkehr hingewiesen.
-
- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Kühlkreis
- 3
- Bypasskreis
- 4
- Kühler
- 5
- Kühlwasserpumpe
- 6
- Wärmemanagementmodul
- 7
- Speisedruckleitung
- 8
- erster
Zuführanschluss
- 9
- zweiter
Zuführanschluss
- 10
- Schiebe-Kolben
- 11
- Abführanschluss
- 12
- Ventilgehäuse
- 13
- Speisedruckanschluss
- 14
- Steuerkanal
- 15
- Dichtelement
- 16
- Federelement
- 17
- Zapfen
- 18
- Zwischenboden
- 19
- Antriebsbereich
- 20
- Durchflussbereich
- 21
- Regelöffnung
- 22
- Axialschlitz
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-