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Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementmodul, das zur Steuerung eines Kühlsystems einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Wärmemanagementmodule mit zugehöriger Drehschiebertechnologie sind bekannt, die als eine Kühlmittelverteileinheit und/oder als eine Sperreinheit für Kühlsysteme von Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Weiterhin sind die auch als ein Drehschiebersteller zu bezeichnenden Wärmemanagementmodule in Ölkreisläufen von Brennkraftmaschinen einsetzbar.
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Über das auch als Thermomanagementmodul zu bezeichnende Wärmemanagementmodul ist die Temperatur einer Brennkraftmaschine präzise in einem optimalen Temperaturfenster einstellbar. Damit lässt sich beispielsweise die Kaltlaufphase durch eine Vollsperrung der Kühlmittelströmung signifikant verkürzen. Andererseits kann die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bei Volllast abgesenkt werden. Die Möglichkeit einer effizienzsteigernden Temperatursteuerung durch das Wärmemanagementmodul erstreckt sich weiterhin auf Aggregate oder Zusatzeinrichtungen der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs, wie beispielsweise Turbolader, Ladeluftkühler, Getriebe, Hybridmodule, Heizung oder Batterien, um diese bedarfsgerecht zu kühlen oder zu beheizen.
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Wärmemanagementmodule enthalten bevorzugt einen auch als Drehsteller oder Kühlmittelverteiler bezeichneten, im Wärmemanagementmodul integrierten Drehschieber, der zur Regulierung und Verteilung des Kühlmittelstroms in einem beispielsweise mehrere Teilkreisläufe aufweisenden Kühlsystem der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Damit kann ein Mischverhältnis des Kühlmittels zwischen unterschiedlichen Kühlmittelkreisen in Abhängigkeit einer vorgegebenen Kühlmitteltemperatur eingestellt werden.
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Die
US 4,644,909 A zeigt ein Wärmemanagementmodul mit einem Drehschieber, über den zwei Kühlmittelkreise eines Kühlsystems beeinflussbar sind. Der Drehschieber ist mittels eines Stellantriebs verdrehbar, welcher durch eine elektronische Steuerung ansteuerbar ist, die ein Signal eines Kühlwassertemperatursensors auswertet, um abhängig von der Kühlmitteltemperatur den Drehschieber zu betätigen.
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Aus der
DE 10 2009 024 028 A1 ist ein Drehschieber für ein Wärmemanagementmodul bekannt, bestehend aus einem Gehäuse und einer im Gehäuse drehbar gelagerten Drehschieberwelle. Das Gehäuse umfasst Durchströmöffnungen, die mit mindestens einer Öffnung des Drehschiebers durch eine Verstellung des Drehschiebers in eine variable Überschneidung gebracht werden kann, zur Bildung eines Strömungspfades für das Kühlmittel. Eine Verstellung des Drehschiebers bzw. der Drehschieberwelle erfolgt über eine Bestromung des Schrittmotors eines elektrischen Stellantriebs. Zur Erfassung des Drehwinkels des Drehschiebers ist ein Sensor vorgesehen, der einen Abgleich mit einem definierten Soll-Drehwinkel vornimmt.
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Bei bisherigen Drehschiebern werden die Endlagen von Drehschieber-Arbeitsbereichen über eine insbesondere kostenaufwändige Drehlagen- oder Positionssensorik erkannt und entsprechend angefahren. Die Sensorik wird eingesetzt, um eine Übereinstimmung zwischen einer gewünschten Drehschieber-Durchströmöffnung mit der Gehäuse-Durchströmöffnung zu gewährleisten.
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Die
WO 2010/086662 A1 offenbart ein Mischersystem zur Wassertemperaturregulierung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, für eine Drehschieberverstellung eine indirekte, mittelbare und einfach umsetzbare Endlagenpositionierung anzubieten, die sowohl bauraumoptimiert als auch kostenoptimiert ausführbar ist.
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Diese Problemstellung der Erfindung wird durch ein Wärmemanagementmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Figurenbeschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe ein Stellantrieb vorgesehen, der einen DC-Motor bzw. einen Gleichstrommotor einschließt, mit dem der Drehschieber eines Wärmemanagementmoduls zwischen zwei Endpositionen verstellbar ist. Dabei sind die Endpositionen als elastische oder welche Endanschläge ausgelegt.
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Das erfindungsgemäße Konzept ist bevorzugt für die Schaltung bzw. Verstellung von zwei Schaltzuständen eines Drehschiebers anwendbar, die die Endpositionen eines Arbeitsbereichs darstellen. Vorteilhaft ermöglicht dieser Aufbau, dass keine kostenaufwändige Sensorik erforderlich ist. Anstelle der bisherigen Sensorik wird erfindungsgemäß eine Methode vorgestellt, bei welcher eine Endposition oder Endlage des Drehschiebers mittelbar bzw. indirekt über eine sprunghafte Änderung der Stromaufnahme des antreibenden Gleichstrommotors bzw. DC-Motors von dem Stellantrieb bestimmt wird.
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Der Stellantrieb des Wärmemanagementmoduls verfügt dabei anstelle von starren, die Endpositionen bestimmenden Endanschlägen, beispielsweise in Form von anschlagenden Geometrien zwischen dem Drehschieber und dem Drehschiebergehäuse, über elastisch oder weich ausgelegte Endanschläge. Vorteilhaft bietet die Erfindung die Möglichkeit, für eine Drehschiebereinstellung in zwei Zuständen eine mittelbare, einfach umsetzbare Endlagenpositionierung anzubieten, die ohne Verwendung einer vollausgebildeten Lagesensorik kostengünstig ausführbar ist. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Konzept in vorteilhafterweise bauraumoptimiert mit bekannten Wärmemanagementmodulen kombiniert werden.
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In einer Endphase der Verstellung kommt der Drehschieber jeweils mittelbar in Kontakt mit einem bevorzugt an dem Drehschiebergehäuse vorgesehenen weichen, insbesondere von einem Federelement kraftbeaufschlagten Endanschlag. Ab diesem Zeitpunkt, welcher die Endanschlagsposition markiert, erhöht sich schlagartig die Motorstromaufnahme, da die Aktuatorik, der Gleichstrommotor des Stellantriebs versucht ist, sowohl das Reibmoment des Drehschiebers als auch das Federmoment des vorgespannten Federelementes zu überwinden. Mit dem Erkennen einer erhöhten Stromaufnahme des Gleichstrommotors von dem Stellantrieb kann die Bestromung zurückgenommen werden, da faktisch die Endanschlagsposition erreicht ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehschieber über ein beispielsweise einen radialen Ansatz einschließendes Sperrglied in Verbindung mit einem Führungsansatz mit zueinander versetzten, bevorzugt dem Drehschiebergehäuse zugeordneten elastischen bzw. weichen Endanschlägen zusammenwirkt.
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Weiter wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass den Endanschlägen des Wärmemanagementmoduls zur Realisierung von elastischen oder weichen Endanschlägen ein Federelement zugeordnet ist. Bevorzugt bietet sich dazu an, ein mit beiden Endanschlägen zusammenwirkendes Federelement einzusetzen. Alternativ kann jedem Endanschlag gesondert ein getrenntes Federelement zugeordnet werden. Durch diese Maßnahme werden die bisherigen starren Endanschlagsgeometrien durch elastische oder weiche Endanschläge ersetzt. Vorteilhaft ist das Federelement so platziert und ausgeführt, dass bei einem unmittelbaren oder mittelbaren Anschlagen durch den Drehschieber die Federenden bzw. die mit dem Federelement zusammenwirkenden Endanschläge eine begrenzte Stellbewegung in Richtung einer weiteren Vorspannung durchführen.
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Als Federelement eignet sich insbesondere eine vorgespannt eingebaute Torsionsfeder oder Bogenfeder. Zur Erreichung einer dauerfesten Funktion ist das Federelement im Einbauzustand beispielsweise in oder an dem Drehschiebergehäuse geführt oder steht mit einem anderen Bauteil des Wärmemanagementmoduls in Verbindung. Alternativ zu einem beide Endanschläge verbindenden Federelement kann gemäß der Erfindung jedem Endanschlag eine separate Druckfeder zugeordnet werden, die bevorzugt in einer Topfhülse eingesetzt ist.
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Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, den DC- bzw. den Gleichstrommotor in einem dem Drehschiebergehäuse zugeordneten Antriebsgehäuse zu integrieren. Dadurch kann eine bauraumoptimierte Anordnung und folglich ein eine kompakte Baueinheit bildendes Wärmemanagementmodul realisiert werden. Ferner schließt die Erfindung einen Stellantrieb ein, der zwischen dem Gleichstrommotor und dem Drehschieber ein selbsthemmendes Getriebe vorsieht. Durch die Verwendung eines selbsthemmenden Getriebes führt das auf den Drehschieber wirkende Federmoment nicht zu einem Rückstellen des Drehschiebers bzw. zum Verlassen der Endanschlagsposition. Vielmehr unterstützt dieses Moment beim nächsten Verlassen der Endanschlagsposition, die Verstellung des Drehschiebers in Richtung des gegenüberliegenden Endanschlags. Die Verstellung kann somit ohne Gefahr von einem Getriebeklemmen fortgesetzt werden.
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Ferner sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, den erfindungsgemäßen Stellantrieb mit einer bestehenden Gehäusekonfiguration des Wärmemanagementmoduls zu kombinieren oder anzupassen, um insbesondere ein kompaktes Wärmemanagementmodul zu schaffen. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Maßnahme, dass deren Stellantrieb in vorteilhafter Weise vereinfacht mit einer Steuerung oder einem Steuergerät der Brennkraftmaschine in Verbindung kombiniert werden kann.
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Anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend erläutert, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellen. Dabei zeigt:
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1: in einer schematischen Darstellung ein Wärmemanagementmodul mit zugehörigem erfindungsgemäßen Stellantrieb;
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2: eine Schnittansicht durch die Ebene 2-2 gemäß 1 mit einer Drehschieberposition, in der ein Sperrglied des Drehschiebers beabstandet zu den elastischen Endanschlägen positioniert und zwischen den Endanschlägen eine Bogenfeder eingesetzt ist;
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3: die Ansicht gemäß 2, wobei abweichend das Sperrglied des Drehschiebers an dem elastischen Endanschlag abgestützt ist;
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4: eine Schnittansicht durch die Ebene 2-2 gemäß 1 mit einer Drehschieberposition, in der ein Sperrglied des Drehschiebers beabstandet zu den elastischen Endanschlägen positioniert und zwischen den Endanschlägen eine Torsionsfeder eingesetzt ist;
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5: die Ansicht gemäß 4, wobei abweichend das Sperrglied des Drehschiebers an dem elastischen Endanschlag abgestützt ist; und
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6: eine Schnittansicht durch die Ebene 2-2 gemäß 1 mit einer Drehschieberposition, in der ein Sperrglied des Drehschiebers beabstandet zu den elastischen Endanschlägen positioniert ist, wobei jedem Endanschlag eine Druckfeder zugeordnet ist.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Wärmemanagementmodul 1 mit einem bekannten Grundaufbau dargestellt, das für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) bestimmt ist. Der Aufbau des Wärmemanagementmoduls 1 umfasst einen drehbar in einem Drehschiebergehäuse 2 eingesetzten Drehschieber 3. Im Betriebszustand beaufschlagt ein Kühlmittel das Wärmemanagementmodul 1, das in Pfeilrichtung über einen Kühlmitteleintritt 4 in das Drehschiebergehäuse 2 eintritt und über einen Kühlmittelaustritt 5 verlässt. Dabei strömt das Kühlmittel innerhalb des beispielsweise als Drehschieberkugel ausgebildeten Drehschiebers 3 über Strömungspfade, die mit dem Kühlmitteleintritt 4 und zumindest einem Kühlmittelaustritt 5 des Drehschiebergehäuses 2 kommunizieren. Zur gezielten Einstellung oder Verdrehung des Drehschiebers 3 ist ein dem Wärmemanagementmodul 1 zugeordneter und mit einer Drehschieberwelle 6 verbundener Stellantrieb 7 vorgesehen. Ein den Stellantrieb 7 umschließendes Antriebsgehäuse 8 ist unmittelbar an dem Drehschiebergehäuse 2 angeflanscht. Mittels des einen DC- bzw. Gleichstrommotor 9 einschließenden Stellantriebs 7 kann der Drehschieber 3 zwischen zwei Endpositionen verstellt werden.
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Die 2 und 3 zeigen die Schnittansicht durch die Ebene 2-2 gemäß der 1 und verdeutlichen Details des Stellantriebs 7, insbesondere den Aufbau von elastischen Endanschlägen 10, 11, zwischen denen als Federelement eine Bogenfeder 12 eingesetzt ist. Die um ca. 90° zueinander versetzten, starr an dem Drehschiebergehäuse 2 fixierten Endanschläge 10, 11 umfassen jeweils zwei radial durch einen Spalt 15, 16 beabstandete Haltelemente 13', 13'' und 14', 14''. Die Bogenfeder 12 ist in einer Führung 17 des Drehschiebergehäuses 2 eingesetzt und über endseitige Stützplatten 18, 19 an den Haltelementen 13', 13'' und 14', 14'' abgestützt. Über ein an dem Drehschieber 3 fixiertes Sperrglied 20 besteht in den Endpositionen des Drehschiebers 3 eine mittelbare Verbindung zu den Endanschlägen 10, 11. Das Sperrglied 20 bildet einen radial ausgerichteten Ansatz, an den sich beidseitig in Umfangsrichtung des Drehschiebers 3 jeweils ein Führungsansatz 21', 21'' anschließt. In der 3 ist eine Endposition des Drehschiebers 3 gezeigt, bei der der Führungsansatz 21' in den Spalt 15 zwischen den Halteelementen 13', 13'' eingreift und an der mit der Bogenfeder 12 zusammenwirkenden Stützplatte 18 anliegt. Dadurch wird eine Endlagenposition des Drehschiebers 3 definiert, bei der sich schlagartig die Stromaufnahme von dem Gleichstrommotor 9 erhöht, da die Aktuatorik, der Stellantrieb 7 versucht ist, sowohl das Reibmoment des Drehschiebers 3 als auch das Federmoment der vorgespannten Bogenfeder 12 zu überwinden. Sobald die erhöhte Stromaufnahme des Gleichstrommotors 9 von dem Stellantrieb 7 erfasst wird, kann beispielsweise mittels einer Informationsverarbeitungseinheit und/oder einem Steuergerät der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) die Bestromung zurückgenommen werden, da faktisch eine Endanschlagsposition des Drehschiebers 3 erreicht ist.
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Die 4 und 5 stimmen bis auf ein alternatives Federelement mit den 2, 3 überein. Die Stützplatten 18, 19 sind dabei durch eine Torsionsfeder 22 verbunden, die den Drehschieber 3 über einen Winkel von ca. 270° umschließt. Anstelle einer Torsionsfeder 22 kann alternativ eine Zugfeder eingesetzt werden.
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Eine weitere Alternative ist in 6 gezeigt, in der jedem Endanschlag 10, 11 eine Druckfeder 23', 23'' zugeordnet ist. Dabei ist jede Druckfeder 23', 23'' zusammen mit einer Stützplatte 18, 19 in einer topfartigen Hülse 24', 24'' eingesetzt, die jeweils an den Haltelementen 13', 13'' oder den Halteelementen 14', 14' der Endanschläge 10, 11 fixiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmemanagementmodul
- 2
- Drehschiebergehäuse
- 3
- Drehschieber
- 4
- Kühlmitteleintritt
- 5
- Kühlmittelaustritt
- 6
- Drehschieberwelle
- 7
- Stellantrieb
- 8
- Antriebsgehäuse
- 9
- Gleichstrommotor
- 10
- Endanschlag
- 11
- Endanschlag
- 12
- Bogenfeder
- 13', 13''
- Halteelement
- 14', 14''
- Halteelement
- 15
- Spalt
- 16
- Spalt
- 17
- Führung
- 18
- Stützplatte
- 19
- Stützplatte
- 20
- Sperrglied
- 21', 21''
- Führungsansatz
- 22
- Torsionsfeder
- 23', 23''
- Druckfeder
- 24', 24''
- Hülse
