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Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Thermostatventile weisen ein Stellorgan, z. B. einen Ventilteller und einen thermischen Aktor auf. Mit Hilfe des thermischen Aktors kann in Abhängigkeit von der Temperatur eines Fluides das Stellorgan betätigt und dadurch das Thermostatventil in Abhängigkeit von der Temperatur geöffnet und geschlossen werden.
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Kühlsysteme für ein Kraftfahrzeug dienen dazu, mit Hilfe eines von Luft durchströmten Wärmeübertragers Wärme vom Kühlmittel auf die Luft zu übertragen und dadurch einen Verbrennungsmotor zu kühlen, da das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf von dem Verbrennungsmotor zu dem Wärmeübertrager geleitet wird und umgekehrt. Während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors bei einer Temperatur des Verbrennungsmotors unterhalb der Betriebstemperatur ist es erforderlich, das Kühlmittel durch eine Bypasskühlmittelleitung um den Wärmeübertrager herumzuleiten, damit der Wärmeübertrager keine Wärme von dem Kühlmittel an die Umgebung bzw. Luft abgibt und dadurch der Verbrennungsmotor möglichst schnell die erforderliche Betriebstemperatur erreicht. Hierzu ist in das Kühlsystem ein Thermostatventil eingebaut, welches erst ab vorgegebener Temperatur des Kühlmittels, z. B. 80°C, die Bypasskühlmittelleitung schließt und den Zugang zu dem Wärmeübertrager öffnet, so dass dadurch das Kühlmittel durch den Wärmeübertrager geleitet werden kann und Wärme vom Kühlmittel an die Luft abgegeben wird. Die Stellung eines Stellorganes des Thermostatventiles kann dabei nur indirekt über die Temperatur des Kühlmittels erfasst werden, d. h., dass mit einem Temperatursensor die Temperatur des Kühlmittels erfasst und aus dieser erfassten Temperatur ein Rückschluss auf die Stellung bzw. Position des Stellorganes ausgeführt wird. In nachteiliger Weise kann somit nicht unmittelbar erfasst werden, in welcher Position, z. B. einer Schließ- oder Öffnungsstellung, sich das Stellorgan befindet. Ein Schaden am Thermostatventil kann damit nicht erkannt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Thermostatventil und ein Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem die Stellung des Stellorganes und Schäden an dem Stellorgan einfach und zuverlässig mit einem geringen technischen Aufwand erfassbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Thermostatventil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Stellorgan, z. B. ein Ventil, zum Verändern der Durchflussquerschnittsfläche für ein Fluid, insbesondere für Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes, einen thermischen Aktor zum Betätigen des Stellorganes, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluides, vorzugsweise des Kühlmittels, wobei das Thermostatventil einen Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, zur Erfassung der Position des Stellorganes umfasst.
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Das Thermostatventil umfasst somit in vorteilhafter Weise einen Kraftsensor und mit Hilfe des Kraftsensors kann die Stellung bzw. Position des Stellorganes erfasst werden. Die von dem Kraftsensor erfasste Kraft ist somit eine Funktion der Position des Stellorganes, so dass dadurch mittels hinterlegter Kurven von der von dem Kraftsensor erfassten Kraft auf die Position des Stellorganes geschlossen werden kann, z. B. mittels einer Steuerungseinheit eines Kühlsystems. Außerdem kann die mit dem Kraftsensor erfasst Ist-Position des Stellorganes mit einer Soll-Position des Stellorganes aufgrund der Temperatur des Fluides verglichen werden und dadurch ein Schaden an dem Thermostatventil erkannt werden, wenn eine vorgegebene Abweichung zwischen der Ist-Position und der Soll-Position des Stellorganes auftritt. Die Temperatur des Fluides wird von einem Temperatursensor erfasst und aufgrund der Temperatur des Fluides kann die Soll-Position des Stellorganes mit hinterlegten Kurven ermittelt oder mit gespeicherten Funktionen berechnet werden.
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Insbesondere ist auf das Stellorgan von einem elastischen Element, insbesondere eine Feder, eine Kraft in Richtung einer Schließstellung des Stellorganes auf das Stellorgan aufbringbar und von dem Aktor ist eine Kraft in Richtung einer Öffnungsstellung des Stellorganes auf das Stellorgan aufbringbar oder umgekehrt und vorzugsweise ist die Kraft in Richtung der Schließstellung entgegengesetzt zu der Kraft in Richtung der Öffnungsstellung ausgerichtet. Das Stellorgan ist vorzugsweise somit zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung mittels einer Translations- oder Rotationsbewegung bewegbar und die erforderliche Kraft wird von dem elastischen Element und dem Aktor auf das Stellorgan aufgebracht. Zweckmäßig bringt das elastische Element und/oder der Aktor mittelbar mit einem Mechanismus die Kraft auf das Stellorgan auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Kraftsensor dahingehend mittelbar oder unmittelbar an dem thermischen Aktor und/oder dem Stellorgan angeordnet, so dass der Kraftsensor die von dem thermischen Aktor und/oder von dem elastischen Element auf das Stellorgan aufgebrachte Kraft, insbesondere Druckkraft, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, erfasst und/oder die auf den Kraftsensor einwirkende Kraft ist eine Funktion der Position des Stellorganes.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Kraftsensor zwischen einem Lager für den thermischen Aktor und dem thermischen Aktor angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Kraftsensor ein Piezoelement oder ein Dünnschichtsensor.
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In einer Variante ist von dem Kraftsensor oder einem Signalsensor ein, vorzugsweise elektrisches, Signal in Abhängigkeit von der auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft erzeugbar. Von dem Kraftsensor oder dem Signalsensor wird somit ein, vorzugsweise elektrisches, Signal erzeugt und dieses Signal wird in Abhängigkeit von der auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft erzeugt. Das Signal kann zu einer Steuerungseinheit geleitet werden und dadurch kann in Abhängigkeit von dem Signal die Position, d. h. Ist-Position, des Stellorganes, z. B. eine Schließstellung oder eine Öffnungsstellung, erfasst werden und/oder von der Steuerungseinheit wird die Ist-Position mit einer Soll-Position des Stellorganes aufgrund einer von einem Temperatursensor erfassten Temperatur des Fluides verglichen werden und bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung oder Differenz zwischen der Ist-Position und der Soll-Position wird von der Steuerungseinheit ein Schaden an dem Thermostatventil erkannt.
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Zweckmäßig umfasst der thermische Aktor einen Zylinder, ein innerhalb des Zylinders angeordnetes Dehnstoffelement, z. B. ein Gas, eine Flüssigkeit oder Wachs, und einen Kolben und von dem Dehnstoffelement ist eine Kraft auf den Kolben aufbringbar, so dass mittels der von dem Dehnstoffelement auf den Kolben aufbringbaren Kraft des Stellorgan bewegbar ist und/oder das Stellorgan ist zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung bewegbar.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Thermostatventil ein Gehäuse und/oder eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung, wobei vorzugsweise die Ein- und Auslassöffnung an dem Gehäuse ausgebildet ist und vorzugsweise dient das Gehäuse als Lager für den thermischen Aktor und/oder das Stellorgan weist einen von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung führenden Fluidkanal auf und vorzugsweise ist der thermische Aktor an oder innerhalb des Fluidkanales angeordnet.
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Insbesondere umfasst der thermische Aktor eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung, zum Erwärmen des Dehnstoffelements. Das Thermostatventil ist somit ein Kennfeld-Thermostatventil. Mit Hilfe der Heizeinrichtung kann das Dehnstoffelement des thermischen Aktors über die Temperatur des durch das Thermostatventil geleitete Fluid hinaus erwärmt werden und dadurch eine Öffnung oder eine Schließung des thermischen Aktors zusätzlich zu der vorhandenen Temperatur erreicht werden. Bei Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor weist der Verbrennungsmotor bei einer höheren Betriebstemperatur, z. B. 110°C, einen kleineren Spritverbrauch und eine kleinere maximale Leistung auf und bei einer etwas niedrigeren Betriebstemperatur, z. B. 85°C, eine geringfügig größere Leistung und einen geringfügig größeren Spritverbrauch auf. Um bei Vollgas die maximale Leistung des Verbrennungsmotors zu erhalten, wird bei Vollgas von der Steuerung des Verbrennungsmotors die Heizeinrichtung erwärmt und dadurch das Thermostatventil in einem Kühlsystem geöffnet. Dadurch kann die Temperatur des Verbrennungsmotors abgesenkt, z. B. auf ca. 85°C, werden und die Leistung des Verbrennungsmotors kurzfristig erhöht werden.
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Zweckmäßig hängt das Volumen des Dehnstoffelementes, z. B. Wachs, von der Temperatur des Dehnstoffelementes ab und das Volumen des Dehnstoffelementes ist umso größer, je höher die Temperatur des Dehnstoffelementes ist und umgekehrt.
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Erfindungsgemäßes Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen von Kühlmittel durchströmten Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme von dem Kühlmittel an Luft, Kühlmittelleitungen zum Leiten des Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf von dem Wärmeübertrager zu einem Verbrennungsmotor und umgekehrt, eine Bypasskühlmittelleitung zum Umleiten des Wärmeübertragers, ein Thermostatventil zur Steuerung und/oder Regelung der durch den Wärmeübertrager und/oder die Bypasskühlmittelleitung leitbaren Menge an Kühlmittel, vorzugsweise eine Umwälzpumpe zum Fördern des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf, wobei das Thermostatventil als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Thermostatventil ausgebildet ist.
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen stark vereinfachten Längsschnitt eines Thermostatventils.
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Ein in 1 dargestelltes Thermostatventil 1 wird in einem nicht dargestellten Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug eingesetzt, um die durch einen Wärmeübertrager und eine Bypasskühlmittelleitung geleitete Menge an Kühlmittel in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels als Fluid zu steuern und/oder zu regeln.
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Das Thermostatventil 1 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Einlassöffnung 14 zum Einleiten von Kühlmittel als ein Fluid und einer Auslassöffnung 15 zum Ausleiten des Fluides aus dem Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 begrenzt somit einen Fluidkanal 16, der von der Einlassöffnung 14 zu der Auslassöffnung 15 führt. Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Stellorgan 2 als Ventil 3 angeordnet mit einem Ventilteller 4. In 1 ist eine Schließstellung des Ventiltellers 4 dargestellt, in welcher der Ventilteller 4 auf einem Dichtring 5 aufliegt. Der Dichtring 5 liegt dabei seinerseits auf einer Gehäuseabstützung 13 des Gehäuses 12 auf. Ferner sind innerhalb des Fluidkanales 16 ein thermischer Aktor 6 und ein elastisches Element 10 als Feder 11 angeordnet. Der thermische Aktor 6 umfasst einen Zylinder 18 bzw. eine Dose 18 mit einem Führungsteil 19. Innerhalb des Zylinders 18 ist Wachs als Dehnstoffelement (nicht dargestellt) angeordnet. Das Wachs als Dehnstoffelement erhöht sein Volumen bei einer Erhöhung der Temperatur des Dehnstoffelementes bzw. dehnt sich aus, so dass dadurch von dem Wachs auf den Führungsteil 19 eine Druckkraft aufgebracht wird, welche mittels einer Kolben 21 auf den Ventilteller 4 einwirkt. Das mit Dose bzw. der Zylinder 18 bezeichnete Element ist vorteilhaft als ein Dehnstoffelement 18 ausgebildet. Somit umfasst der thermische Aktor 6 ein Dehnstoffelement 18.
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Der thermische Aktor 6 ist mittelbar mittels eines Kraftsensors 7 an dem Gehäuse 12 gelagert, so dass dieser Teil des Gehäuses 12 ein Lager 17 für den thermischen Aktor 6 bildet. Der Kraftsensor 7 stellt dabei einen als Piezoelement 9 ausgebildeten Drucksensor 8 dar. Das Piezoelement 9 erzeugt in Abhängigkeit von der auf das Piezoelement 9 einwirkenden Druckkraft ein elektrisches Signal, das mittels Signalleitungen 20 zu einer nicht dargestellten Steuerungseinheit des Kühlsystems geleitet wird.
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Das Kühlmittel strömt durch die Einlassöffnung 14 in das Thermostatventil 1 ein und wird durch die Auslassöffnung 15 aus dem Thermostatventil 1 ausgeleitet. Dabei ist der thermische Aktor 6 innerhalb des Fluidkanales 16 angeordnet, so dass die Temperatur des thermischen Aktors 6 im Wesentlichen der Temperatur des durch das Thermostatventil 1 geleiteten Kühlmittels entspricht. In 1 ist eine Schließstellung des Thermostatventiles 1 dargestellt, d. h. der Ventilteller 4 liegt auf dem Dichtring 5 auf, so dass dadurch der Fluidkanal 16 von dem Abschnitt unterhalb des Ventiltellers 4 zu dem Abschnitt oberhalb des Ventiltellers 4 im Wesentlichen fluiddicht verschlossen ist. Zweckmäßig weist dabei der Ventilteller 4 eine nicht dargestellte kleine Öffnung auf, so dass auch der in 1 dargestellten Schließstellung in einem sehr geringen Umfang Kühlmittel durch den Fluidkanal 16 strömen kann und dadurch die Temperatur des thermischen Aktors 6 derjenigen Temperatur des Kühlmittels entspricht, welche an der Einlassöffnung 14 anliegt. Erwärmt sich das durch den Fluidkanal 16 geleitete Kühlmittel auf eine Temperatur von z. B. 80°C, dehnt sich das in dem Zylinder 18 enthaltene Dehnstoffelement Wachs derart start aus, dass die auf den Zylinder 18 wirkende Kraft bzw. die von der Kolben 21 auf den Ventilteller 4 aufgebrachte Kraft FKolben größer ist, als die von der Feder 11 auf den Ventilteller 4 aufgebrachte FFeder. Die Kräfte FKolben und FFeder sind dabei entgegengesetzt ausgerichtet. Die Kraft FFeder-Stütz gibt dabei die von der Feder 11 auf das Gehäuse 12 aufgebrachte Kraft als Abstützkraft an. Dadurch kann die von dem thermischen Aktor 6 entgegen der von der Feder 11 aufgrund der elastischen Vorspannung der Feder 11 auf den Ventilteller 4 aufgebrachte Kraft FKolben größer werden als die Kraft FFeder und dadurch wird der Ventilteller 4 von dem thermischen Aktor 6 gemäß der Darstellung in 2 nach unten in eine Öffnungsstellung bewegt (nicht dargestellt). Dies erfolgt solange, bis die Kraft FKolben der Kraft FFeder entspricht. Lediglich in der in 1 dargestellten Schließstellung, in welcher der Ventilteller 4 mittelbar mit dem Dichtring 5 auf der Gehäuseabstützung 13 aufliegt, teilt sich die von der Feder 11 auf den Ventilteller 4 aufgebrachte Kraft FFeder in die beiden Kräfte FGehäuse und FKolben auf. FGehäuse ist diejenige Kraft, welche von dem Ventilteller 4 auf die Gehäuseabstützung 13 aufgebracht wird.
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Der Kraftsensor 7 erfasst die auf den thermischen Aktor 6 bzw. die Kolbenstange 21 einwirkende Kraft FRes, welche der Kraft FKolben entspricht. In der in 1 dargestellten Schließstellung des Thermostatventiles 1 ist die Kraft FRes sehr klein, da einerseits aufgrund der geringen Vorspannung der Feder 11 die Kraft FFeder klein ist und die Kraft FFeder dem Betrag nach der Summe aus der Kraft FGehäuse und FKolben entspricht. Die von der Feder 11 in der Schließstellung auf den Ventilteller 4 aufgebrachte Kraft, d. h. Druckkraft, wird somit einerseits durch den thermischen Aktor 6 und andererseits durch die Gehäuseabstützung 13 aufgenommen. Bei einem Bewegen des Ventiltellers 4 von der in 1 dargestellten Schließstellung in eine Öffnungsstellung tritt kein Kontakt mehr zwischen dem Ventilteller 4 und dem Dichtring 5 auf, so dass die in 1 strichliert dargestellte Kraft FGehäuse gleich Null wird und somit die gesamte von der Feder 11 auf den Ventilteller 4 aufgebrachte Kraft FFeder der Kraft FKolben entspricht. Dabei entspricht in der Öffnungsstellung die Kraft FKolben auch der Kraft FRes an dem Kraftsensor 7.
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Bei einem Bewegen des Thermostatventiles 11 bzw. des Ventiltellers 4 von einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung tritt somit zunächst beim Öffnen des Ventiltellers 4, d. h. dem Abheben des Ventiltellers 4 von dem Dichtring 5, ein Kraftsprung an dem Kraftsensor 7 auf, da bei der Schließstellung von der Gehäuseabstützung 13 die Kraft FGehäuse aufgenommen wird und in einer Öffnungsstellung des Stellorganes 2 diese Kraft FGehäuse von der Kolbenstange 21 und damit dem Kraftsensor 7 aufgenommen wird, und bei einer weiteren Bewegung des Ventiltellers 4 in eine weitere Öffnungsstellung bzw. gemäß der Darstellung in 1 bei einer Bewegung des Ventiltellers 4 weiter nach unten nimmt die Kraft FRes proportional gemäß dem Hookeschen Gesetz und der Federkonstante der Feder 11 entsprechend der Position des Ventiltellers 4 zu. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, mittels der von dem Kraftsensor 7 erfassten Kraft, d. h. Druckkraft, mittels einer Steuerungseinheit die Position des Ventiltellers 4 zu erfassen.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Thermostatventil 1 und dem erfindungsgemäßen Kühlsystem wesentliche Vorteile verbunden. Die Position des Ventiltellers 4 an dem Thermostatventil 1 kann einfach mittels der von dem Kraftsensor 7 erfassten Kraft ermittelt werden. Funktionsstörungen des Thermostatventiles 1, z. B. ein Festsetzen des Ventiltellers 4, können dadurch einfach erkannt und damit Schäden an dem Kühlsystem vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermostatventil
- 2
- Stellorgan
- 3
- Ventil
- 4
- Ventilteller
- 5
- Dichtring
- 6
- Thermischer Aktor
- 7
- Kraftsensor
- 8
- Drucksensor
- 9
- Piezoelement
- 10
- Elastisches Element
- 11
- Feder
- 12
- Gehäuse
- 13
- Gehäuseabstützung
- 14
- Einlassöffnung
- 15
- Auslassöffnung
- 16
- Fluidkanal
- 17
- Lager
- 18
- Zylinder, Dehnstoffelement
- 19
- Führungsteil
- 20
- Signalleitung
- 21
- Kolben
- FRes
- Kraft an Kraftsensor
- FGehäuse
- Kraft, die von Ventilteller auf Gehäuseabstützung aufgebracht wird, falls Ventilteller auf Dichtring aufliegt
- FKolben
- Kraft, die von Kolben auf Ventilteller aufgebracht wird
- FFeder
- Kraft, die von Feder auf Ventilteller aufbebracht wird
- FFeder-Stütz
- Kraft, die von Feder auf Gehäuse aufgebracht wird
