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HINTERGRUND
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Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Wärmetauscher- und Ventilanordnungen und bezieht sich insbesondere auf Wärmetauscher- und Ventilanordnungen zum Regulieren der Temperatur von Fluid für einen Fahrzeugantriebsstrang.
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Wärmetauschsysteme zum Regulieren der Temperatur von Fluiden über einen Minimalschwellenwert, unter einen Maximalschwellenwert oder innerhalb eines erwünschten Bereichs, der durch einen Minimal- und einen Maximalschwellenwert begrenzt ist, sind bekannt. Üblicherweise enthalten diese Wärmetauschsysteme einen oder mehrere Wärmetauscher und eine oder mehrere Strömungssteuervorrichtungen zum Steuern der Strömung von Fluid zu einem oder zu mehreren Wärmetauschern. Insbesondere erfordern Fahrzeugantriebsstränge solche Wärmetauschsysteme, um die Temperatur eines Arbeitsfluids wie etwa eines Kühlmittels, eines Kraftmaschinenöls, eines Getriebeöls und dergleichen richtig zu regulieren.
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Mit ständig zunehmender Motivation, die Gesamtkraftstoffwirtschaftlichkeit und die Systemeffizienz zu verbessern, hat das richtige Regulieren der Temperatur von Fluiden innerhalb eines Fahrzeugantriebsstrangs höhere Bedeutung erlangt. Diese Temperaturregulierung kann sowohl einen Wärmetauscher zum schnellen Erwärmen des Fluids während eines Kaltstarts des Fahrzeugantriebsstrangs als auch einen Wärmetauscher zum Abgeben von Abwärme, die sich während des Betriebs des Fahrzeugantriebsstrangs in dem Fluid angesammelt hat, erfordern. Um das Fluid wahlweise zu den Wärmetauschern zu lenken, um diese Ziele zu erfüllen, können Steuervorrichtungen (einschließlich Ventilen und dergleichen) verwendet werden.
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Beim Integrieren von Abschnitten dieser Wärmetauschsysteme in eine Wärmemanagementeinheit und dadurch beim Verringern der Anzahl von Verbindungen und beim Vereinfachen des Einbaus des Wärmetauschsystems in den Fahrzeugantriebsstrang können Vorteile erhalten werden. Derartige Wärmetauscher, Ventile und Systeme sind aus der
US 2013 / 0 319 634 A1 ,
DE 100 19 029 A1 ,
EP 0 736 703 A1 ,
US 2012 / 0 161 042 A1 ,
US 2008 / 0 029 246 A1 ,
US 2010 / 0 175 640 A1 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Wärmemanagementeinheit für einen Fahrzeugantriebsstrang ein Ventil, das betreibbar ist, Fluid wahlweise zwischen einem Ventilauslass und einem ersten und einem zweiten Ventileinlass zu lenken, einen ersten Fluidanschluss zum Empfangen einer Ölströmung von dem Fahrzeugantriebsstrang, einen zweiten Fluidanschluss zum Liefern einer Ölströmung an den Fahrzeugantriebsstrang, einen dritten Fluidanschluss, der über einen ersten Strömungsweg, der durch die Wärmemanagementeinheit verläuft, mit dem ersten Fluidanschluss fluidtechnisch verbunden ist, und einen vierten Fluidanschluss, der über einen zweiten Strömungsweg, der durch die Wärmemanagementeinheit verläuft, mit dem ersten oder mit dem zweiten Ventileinlass fluidtechnisch verbunden ist. Ferner enthält die Wärmemanagementeinheit eine integrierte Getriebeölheizeinrichtung mit einem Fluideinlassverteiler, einem Fluidauslassverteiler und mehreren Strömungsstrukturen, die zwischen dem Fluideinlassverteiler und dem Fluidauslassverteiler verlaufen. Der Fluideinlassverteiler ist über einen dritten Strömungsweg, der durch die Wärmemanagementeinheit verläuft, mit dem ersten Fluidanschluss fluidtechnisch verbunden und der Fluidauslassverteiler ist über einen vierten Strömungsweg, der durch die Wärmemanagementeinheit verläuft, mit dem anderen des ersten und des zweiten Ventileinlasses fluidtechnisch verbunden. Zwischen dem zweiten Fluidanschluss und dem Ventilauslass verläuft ein fünfter Strömungsweg, der sie fluidtechnisch verbindet. Von dem ersten Fluidanschluss geht ein Nebenschlussströmungsweg aus, der sich mit dem zweiten Strömungsweg oder mit dem vierten Strömungsweg oder mit dem fünften Strömungsweg am Ende des Nebenschlussströmungswegs fluidtechnisch verbindet. Entlang dem Nebenschlussströmungsweg ist ein Überdruckventil angeordnet, um die Ölströmung entlang dem Nebenschlussströmungsweg zu sperren, wenn die Druckdifferenz zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem Ende des Nebenschlussströmungswegs unter einem Schwellenwert liegt, und um die Ölströmung entlang dem Nebenschlussströmungsweg zu ermöglichen, wenn die Druckdifferenz den Schwellenwert übersteigt.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Ventil ein Erfassungselement, das dafür konfiguriert ist, das Ventil als Reaktion auf die Temperatur des über das Erfassungselement gehenden Öls zu betreiben, und in einigen besonderen Ausführungsformen ist das Erfassungselement ein Wachsmotor. In einigen Ausführungsformen wird die gesamte Strömung des durch den ersten Fluidanschluss eintretenden Öls über das Erfassungselement geleitet.
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In einigen Ausführungsformen enthält die Wärmemanagementeinheit eine Gussstruktur, die eine linear durch sie verlaufende Mittelbohrung aufweist. Sowohl das Steuerventil als auch das Überdruckventil sind innerhalb der Mittelbohrung angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Ventil einen beweglichen Wechselkörper, in dem eine oder mehrere Fensteröffnungen angeordnet sind. In einigen dieser Ausführungsformen definieren wenigstens einige der einen oder mehreren Fensteröffnungen den Ventilauslass. In einigen Ausführungsformen definieren wenigstens einige der Fensteröffnungen den ersten oder den zweiten Ventileinlass, wobei die Bewegung des beweglichen Wechselkörpers dahingehend arbeitet, den ersten oder den zweiten Ventileinlass zu öffnen und zu schließen.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält ein Verfahren zum Steuern der Temperatur von Öl für einen Fahrzeugantriebsstrang das Empfangen einer Ölströmung von dem Fahrzeugantriebsstrang in einer Wärmemanagementeinheit mit einem ersten Druck und das Leiten wenigstens eines Teils der Ölströmung durch eine Getriebeölheizeinrichtung und/oder eine Getriebeölkühleinrichtung. Die Ölströmung wird in einem Ventil empfangen, das innerhalb der Wärmemanagementeinheit angeordnet ist, nachdem sie durch die Getriebeölheizeinrichtung und/oder die Getriebeölkühleinrichtung gegangen ist, und jegliche verbleibende Ölströmung wird durch eine Umgehung geleitet, die innerhalb der Wärmemanagementeinheit angeordnet ist, um zu vermeiden, dass sie durch die Getriebeölheizeinrichtung oder die Getriebeölkühleinrichtung geht. Die Temperatur des in dem Ventil empfangenen Öls wird erfasst und die Ölströmung wird von der Wärmemanagementeinheit zu dem Fahrzeugantriebsstrang zurückgeleitet.
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In einigen Ausführungsformen wird das Öl in dem Ventil mit einem zweiten Druck empfangen, der niedriger als der erste Druck ist. In einigen dieser Ausführungsformen wird die Menge des durch die Umgehung gehenden Öls als Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck bestimmt. In einigen Ausführungsformen enthält der Schritt des Erfassens einer Öltemperatur das Leiten der gesamten in der Wärmemanagementeinheit empfangenen Ölströmung über ein innerhalb des Steuerventils angeordnetes, auf Temperatur ansprechendes Element.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Managen von Öl für einen Fahrzeugantriebsstrang bereitgestellt, das das Empfangen einer Ölströmung von dem Fahrzeugantriebsstrang in einer Wärmemanagementeinheit bei einer ersten Temperatur unter einer Schwellentemperatur und das Teilen der Ölströmung in einen ersten Anteil und in einen zweiten Anteil enthält. Der erste Anteil wird in eine Getriebeölheizeinrichtung geleitet, die in die Wärmemanagementeinheit integriert ist, und erwärmt. Daraufhin wird der erste Anteil mit dem zweiten Anteil wiedervereinigt, wobei der zweite Anteil die Getriebeölheizeinrichtung umgangen hat, so dass die wiedervereinigte Strömung auf einer zweiten Temperatur ist, die höher als die erste Temperatur ist. Die wiedervereinigte Ölströmung wird in einem Ventil empfangen, das sich innerhalb der Wärmemanagementeinheit befindet, und über ein innerhalb des Ventils angeordnetes, auf Temperatur ansprechendes Element geleitet, wonach die wiedervereinigte Ölströmung von der Wärmemanagementeinheit bei der zweiten Temperatur zu dem Fahrzeugantriebsstrang zurückgeleitet wird.
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In einigen Ausführungsformen ist die Ölströmung eine erste Ölströmung und eine zweite Ölströmung wird in der Wärmemanagementeinheit eine bestimmte Zeit, nachdem sie die erste Ölströmung an den Fahrzeugantriebsstrang zurückgeleitet hat, von dem Fahrzeugantriebsstrang empfangen. Im Wesentlichen wird die gesamte zweite Ölströmung in die Getriebeölheizeinrichtung geleitet und erwärmt. Die zweite Ölströmung wird in dem Ventil bei einer Temperatur empfangen, die im Wesentlichen gleich der Schwellentemperatur ist, und ein Aktuator des Ventils wird als Reaktion auf den Durchgang der zweiten Ölströmung über das auf Temperatur ansprechende Element in der Weise betätigt, dass nachfolgende Ölströmungen in die Wärmemanagementeinheit wenigstens teilweise durch eine dem Fahrzeugantriebsstrang zugeordnete Ölkühleinrichtung gelenkt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Wärmemanagementeinheit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 ist eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung der Wärmemanagementeinheit aus 1.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers, der Teil der Wärmemanagementeinheit aus 1 ist.
- 4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Wärmetauschers aus 3.
- 5 ist eine Draufsicht der Wärmemanagementeinheit aus 1.
- 6 ist eine Stirnschnittansicht der Wärmemanagementeinheit aus 1, entlang der Linien VI-VI aus 5 gesehen.
- 7 ist eine seitliche Schnittansicht der Wärmemanagementeinheit aus 1, entlang der Linien VII-VII aus 5 gesehen.
- 8 ist eine seitliche Schnittansicht der Wärmemanagementeinheit aus 1, entlang der Linien VIII-VIII aus 5 gesehen.
- 9 ist eine Schnittunteransicht der Wärmemanagementeinheit aus 1, entlang der Linien IX-IX aus 8 gesehen.
- 10A und 10B sind perspektivische Ansichten eines Steuerventils der Wärmemanagementeinheit aus 1, die in zwei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt sind.
- 11A und 11B sind seitliche Schnittansichten des eingebauten Steuerventils aus 10A und 10B in den zwei verschiedenen Betriebszuständen.
- 12 ist eine perspektivische Ausschnittansicht eines Überdruckventils der Wärmemanagementeinheit aus 1.
- 13 ist eine schematische Ansicht einer Wärmemanagementeinheit, die mit einem Fahrzeugantriebsstrang gekoppelt ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erläutert werden, ist zu verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in der folgenden Beschreibung dargelegten oder in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Einzelheiten des Aufbaus und der Anordnung von Komponenten beschränkt ist. Die Erfindung lässt andere Ausführungsformen zu und kann auf verschiedene Weise verwirklicht oder ausgeführt werden. Außerdem dienen die hier verwendeten Formulierungen und die hier verwendete Terminologie selbstverständlich zur Beschreibung und sind nicht als Beschränkung anzusehen. Die Verwendung von „enthaltend“, „umfassend“ oder „aufweisend“ und von Varianten davon soll hier die im Folgenden aufgeführten Elemente und Entsprechungen davon sowie zusätzliche Elemente einschließen. Sofern nicht etwas anderes spezifiziert oder eingeschränkt ist, sind die Begriffe „montiert“, „verbunden“, „gestützt“ und „gekoppelt“ und Varianten davon allgemein verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Montierungen, Verbindungen, Stützungen und Kopplungen ein. Ferner sind „verbunden“ und „gekoppelt“ nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
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Eine Wärmemanagementeinheit 1 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist in 1 gezeigt und ist besonders gut geeignet zur Verwendung mit dem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, wie etwa eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens, eines Busses, einer Landmaschine oder einer Baumaschine usw. Der Fahrzeugantriebsstrang, wie auf ihn in diesem Kontext Bezug genommen wird, enthält jene Fahrzeugteilsysteme, die für die Erzeugung der Bewegung des Fahrzeugs verantwortlich sind, und enthält (ohne Beschränkung) die Kraftmaschine, das Getriebe, Bremsen und die Servolenkung. Die Wärmemanagementeinheit 1 kann genutzt werden, um die Betriebstemperatur des Arbeitsfluids des Fahrzeugantriebsstrangs innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten. Ein bestimmtes Arbeitsfluid, für das die Wärmemanagementeinheit 1 besonders gut geeignet ist, ist das Öl, auf das üblicherweise als Automatikgetriebefluid Bezug genommen wird, das innerhalb des Fahrzeugantriebsstrangs sowohl als ein Schmiermittel als auch als Hydraulikfluid verwendet wird. Das Öl ist mit spezifischen Eigenschaften (z. B. Viskosität, Schmierfähigkeit, Temperaturfähigkeit) entwickelt worden, um sowohl die rauen Betriebsumgebungen von Fahrzeugantriebssträngen auszuhalten als auch die Leistungsfähigkeit des Antriebsstrangs zu optimieren. Einige dieser Eigenschaften variieren beträchtlich mit der Temperatur, so dass es für optimale Leistungsfähigkeit und Lebensdauer besonders wichtig sein kann, die Betriebstemperatur des Öls innerhalb eines recht schmalen Bereichs zu halten.
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Das Diagramm aus 13 veranschaulicht eine beispielhafte Art und Weise, durch die die Wärmemanagementeinheit 1 mit einem Fahrzeugantriebsstrang 2 fluidtechnisch gekoppelt sein kann. Durch Fluidleitungen 73, von denen eine erste sich mit einem Einlassanschluss 11 der Wärmemanagementeinheit 1 verbindet und von denen eine zweite sich mit einem Auslassanschluss 12 der Wärmemanagementeinheit 1 verbindet, wird Öl von dem Fahrzeugantriebsstrang zu und von der Wärmemanagementeinheit 1 gelenkt. Öl, das durch den Einlassanschluss 11 in der Wärmemanagementeinheit 1 empfangen wird, kann wahlweise zu einer mit der Wärmemanagementeinheit 1 integrierten Getriebeölheizeinrichtung 3 und/oder zu einer Getriebeölkühleinrichtung 4, die sich fern von der Wärmemanagementeinheit 1 befinden kann, gelenkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Teil des durch den Einlassanschluss 11 empfangenen Öls sowohl die Getriebeölheizeinrichtung 3 als auch die Getriebeölkühleinrichtung 4 umgehen, indem es durch ein Überdruckventil 6 geht, das innerhalb der Wärmemanagementeinheit 1 angeordnet ist. Außerdem ist innerhalb der Wärmemanagementeinheit 1 ein Steuerventil 5 angeordnet, das das Öl von jedem der drei möglichen Strömungswege empfängt, um das Öl an den Auslassanschluss 12 zu liefern. Wie anhand der spezifischen Ausführungsform aus 1 ausführlicher beschrieben wird, arbeitet das Steuerventil 5 dahingehend, wahlweise die Anteile der Ölströmung durch die Getriebeölkühleinrichtung 4 und die Getriebeölheizeinrichtung 3 zu bestimmen.
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Die Getriebeölkühleinrichtung 4 ist ein Wärmetauscher, der dafür konfiguriert ist, Wärme von dem Öl abzugeben, um die Betriebstemperatur des Öls unter einer oberen Schwellentemperatur zu halten. Ein solcher Wärmetauscher ist üblicherweise als ein luftgekühlter Wärmetauscher konfiguriert, der einen Teil eines Fahrzeugkühlmoduls bildet, obwohl in Abhängigkeit von den Spezifika der Fahrzeuganwendung alternativ andere Wärmetauscheranordnungen verwendet werden könnten. Um die Ölströmung zu und von der Getriebeölkühleinrichtung 4 zu ermöglichen, stellen Fluidleitungen 72 eine Kopplung zwischen der Getriebeölkühleinrichtung 4 und den Anschlüssen 13 und 14 der Wärmemanagementeinheit 1 bereit.
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Die Getriebeölheizeinrichtung 3 ist ein Wärmetauscher, der dafür konfiguriert ist, Wärme für das Öl bereitzustellen, um die Betriebstemperatur des Öls über einer unteren Schwellentemperatur zu halten. Dieser Wärmetauscher ist besonders nützlich während des Starts des Fahrzeugantriebsstrangs, wenn das Öl wahrscheinlich kalt ist. Üblicherweise ist die Viskosität des Öls für Leistungsfähigkeit bei der erhöhten Betriebstemperatur des Fahrzeugantriebsstrangs optimiert, wobei das Öl bei niedrigeren Temperaturen üblicherweise eine wesentlich höhere Viskosität aufweist. Wenn das Fahrzeug über Stunden in einer Umgebung mit niedriger Temperatur in einem betriebslosen Zustand gewesen ist, hat sich das Öl wahrscheinlich auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die Viskosität ein Vielfaches höher als die optimierte Viskosität ist. Um den richtigen Betrieb des Fahrzeugantriebsstrangs aufrecht zu erhalten, ist es wichtig, dass das Öl dort hindurch umgewälzt wird, selbst wenn das Öl noch nicht auf seiner richtigen Betriebstemperatur ist. Üblicherweise wird das Umwälzen des Öls durch eine Ölpumpe ausgeführt, die einen Teil des Fahrzeugantriebsstrangs 2 bildet.
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Das Umwälzen des hochviskosen kalten Öls erfordert eine wesentlich höhere Arbeitseingabe als das Umwälzen des Öls bei der richtigen Betriebstemperatur, was über diese Zeitdauer, wenn das Öl noch nicht innerhalb seines gewünschten Temperaturbereichs ist, zu einer wesentlichen Verringerung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt. Wenigstens teilweise wegen der hohen thermisch wirksamen Masse des Fahrzeugantriebsstrangs 2 ist es nicht unüblich, dass das Öl bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug sein Ziel erreicht und angehalten hat, noch nicht die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, wobei das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt ausreichend lange in einem betriebslosen Zustand bleiben könnte, dass der Fahrzeugantriebsstrang 2 und das Öl zu den niedrigen Anfangstemperaturen zurückkehren, so dass sich der gesamte Zyklus wiederholt. Infolgedessen kann die Gesamtkraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs stark beeinträchtigt sein.
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Die Situation kann dadurch behoben werden, dass das schnelle Erwärmen des Öls unter Verwendung der Getriebeölheizeinrichtung 3 ermöglicht wird. Über die Kühlmittelleitungen 71, die zwischen dem Fahrzeugantriebsstrang 2 und der Wärmemanagementeinheit 1 verlaufen, wird Kühlmittel, das innerhalb des Fahrzeugantriebsstrangs 2 (z. B. dadurch, dass es direkt über die Zylinderköpfe der Kraftmaschine des Fahrzeugantriebsstrangs 2 umgewälzt wird) schnell erwärmt wird, zu und von der Getriebeölheizeinrichtung 3 gelenkt. Das Kühlmittel und das Öl werden beide durch die Getriebeölheizeinrichtung 3 umgewälzt, um die schnelle und effiziente Übertragung von Wärme an das Öl zu bewirken und dadurch ein schnelleres Erwärmen des Öls auf den gewünschten Betriebstemperaturbereich zu ermöglichen.
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Die Ausführungsform aus 1 wird nun zusätzlich anhand von 2-12 ausführlicher beschrieben. Die Wärmemanagementeinheit 1 enthält ein Gussgehäuse 7, das mit einem Wärmetauscher 3 mit geschichtetem Kern, der als eine Getriebeölheizeinrichtung wirkt, verbunden ist. Innerhalb des Gussgehäuses 7 sind Fluidanschlüsse 11 und 12 vorgesehen, um Fluidkopplungen zum Empfangen von Öl von einem Fahrzeugantriebsstrang bzw. zum Zurückführen von Öl an ihn bereitzustellen. Außerdem sind innerhalb des Gussgehäuses 7 Anschlüsse 13 und 14 vorgesehen, um Fluidverbindungen mit einer fern befindlichen Getriebeölkühleinrichtung zu ermöglichen.
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Die Getriebeölheizeinrichtung 3 der beispielhaften Ausführungsform weist eine Bauart auf, bei der verschachtelte Schalen in einem Stapel 21 angeordnet sind, der mit einer Grundplatte 22 verbunden ist. Ein Einlassanschluss 23 und ein Auslassanschluss 24 gehen von der Grundplatte 22 aus und sind mit Öffnungen 47 bzw. 48 (unter Verwendung von O-Ring-Dichtungen 32) dichtend in Eingriff. Die Öffnungen 47 und 48 sind innerhalb einer Montageoberfläche 46 des Gussgehäuses 7 vorgesehen und die Grundplatte 22 ist durch Gewindebefestigungselemente 8, die durch innerhalb der Grundplatte 22 vorgesehene Montagelöcher 33 verlaufen und mit entsprechenden Gewindelöchern 41 des Gussgehäuses 7 in Eingriff sind, an der Montageoberfläche 46 befestigt. Alternativ kann diese Befestigung der Getriebeölheizeinrichtung 3 an dem Gehäuse 7 mit anderen Mitteln wie etwa Federklemmen, Schweißen usw. ausgeführt sein.
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Wie am besten in der Explosionsdarstellung aus 4 zu sehen ist, enthält der Stapel 21 abwechselnde Schalen 27 mit Vertiefungen und Schalen 28 ohne Vertiefungen mit einander entsprechenden, nach oben gewendeten Umfangsflanschen, um zu ermöglichen, dass die Schalen miteinander verschachtelt sind, während zwischen den ebenen Oberflächen angrenzender Schalen Platz für die Fluidströmung bereitgestellt ist. Durch die Schalen verlaufen an zwei der Ecken des Stapels 21 an gegenüberliegenden kurzen Enden der Schalen Verteiler 30, wobei einer der Verteiler 30 als ein Einlassverteiler für das Kühlmittel wirkt und der andere als ein Auslassverteiler wirkt. Das Ende des Stapels 21 ist mit einer Deckplatte 31, die zwei Kühlmittelanschlüsse 36 enthält, von denen jeder mit einem der Kühlmittelverteiler 30 in Verbindung steht, verschlossen. Die Vertiefungen der Schalen 27 mit Vertiefungen verlaufen in Richtung der ebenen Oberfläche einer angrenzenden Schale 28 ohne Vertiefungen, wobei die Zwischenräume zwischen den Vertiefungen einen Kühlmittelströmungsweg zwischen den Kühlmittelverteilern 30 bereitstellen.
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An einer anderen der Ecken der Schalen ist ein Öleinlassverteiler 25 vorgesehen und an der verbleibenden Ecke ist ein Ölauslassverteiler 26 vorgesehen. Strömungsplatten 29 sind innerhalb der Schalen 28 ohne Vertiefungen aufgenommen und stellen einen Ölströmungsweg zwischen den Verteilern 25 und 26 bereit. Die Strömungsplatten 29 können z. B. Platten mit eingeschnittenen und versetzten Rippen sein, die einen kurvenreichen Strömungsweg durch den Stapel 21 bereitstellen, um die Wärmeübertragungsrate zu maximieren.
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Die Grundplatte 22 ist aus drei Einzelplatten 22a, 22b, 22c gebildet. Innerhalb der Platten 22b und 22c ist ein Kanal 35 gebildet, um den Auslassanschluss 24 mit dem Ölauslassverteiler 26 fluidtechnisch zu verbinden. Ähnlich ist innerhalb der Platten 22b und 22c ein Kanal 34 gebildet, um den Einlassanschluss 23 mit dem Öleinlassverteiler 25 fluidtechnisch zu verbinden. Allerdings ist festzustellen, dass die Grundplatte 22 in alternativen Ausführungsformen aus einer anderen Anzahl von Platten aufgebaut sein kann und dass die Grundplatte 22 in einigen Ausführungsformen aus einer einzelnen Platte bestehen kann.
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In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Komponenten der Getriebeölheizeinrichtung 3 Aluminiumlegierungskomponenten, wobei wenigstens einige der Komponenten mit einer Hartlötlegierung kaschiert sind, so dass die Getriebeölheizeinrichtung 3 vollständig oder im Wesentlichen durch Hartlöten der Komponenten miteinander gebildet sein kann.
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Während des Betriebs wird eine Strömung von Kühlmittel, das durch den Fahrzeugantriebsstrang 2 erwärmt worden ist, durch eine Kühlmittelleitung 71 zu einem der an der Getriebeölheizeinrichtung 3 vorgesehenen Anschlüsse 36 umgewälzt und nachfolgend in dem Kühlmittelverteiler 30 empfangen, der in direkter Fluidverbindung mit dem einen der Anschlüsse 36 steht. Die zwischen den Oberflächen mit Vertiefungen der Schalen 27 mit Vertiefungen und den gegenüberliegenden Oberflächen der Schalen 28 ohne Vertiefungen gebildeten Kühlmittelströmungswege stehen mit den Kühlmittelverteilern 30 in Fluidverbindung, so dass die Strömung des in der Getriebeölheizeinrichtung 3 aufgenommenen Kühlmittels entlang dieser mehreren Strömungswege durch die Heizeinrichtung umgewälzt werden kann. Gleichzeitig kann eine Strömung von Getriebeöl in der Getriebeölheizeinrichtung 3 über den Anschluss 23 aufgenommen werden und durch den Kanal 34 zu dem Einlassverteiler 25 gelenkt werden. Die durch die Strömungsplatten 29 gebildeten Strömungswege für das Öl stehen in Fluidverbindung mit dem Einlassverteiler 25 und mit dem Auslassverteiler 26 und das in dem Einlassverteiler 25 aufgenommene Öl wird entlang dieser Strömungswege durch die Getriebeölheizeinrichtung 3 umgewälzt. Während sich die zwei Fluide durch die Getriebeölheizeinrichtung 3 bewegen, wird Wärme von dem Kühlmittel durch die Schalen 27, 28 an die Ölströmung übertragen, um die Ölströmung zu erwärmen. Das erwärmte Öl wird in dem Auslassverteiler 26 gesammelt und durch den Kanal 35 gelenkt, um durch den Anschluss 24 aus der Getriebeölkühleinrichtung 4 entnommen zu werden. Das abgekühlte Kühlmittel wird in dem anderen Kühlmittelverteiler 30 empfangen und wird durch den anderen Kühlmittelanschluss 36 entnommen, um entlang einer anderen Kühlmittelleitung 71 zu dem Fahrzeugantriebsstrang 2 zurückgeführt zu werden.
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Der Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, dass die in den Figuren gezeigte und hier beschriebene Getriebeölheizeinrichtung 3 nur ein beispielhafter Wärmetauscher ist, der für den beschriebenen Zweck besonders gut geeignet ist. Einzelheiten des Wärmetauscheraufbaus können von den Beschriebenen abweichen und die Einzelheiten des Wärmetauscheraufbaus sollen keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung sein.
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Während die Ölströmung durch den Anschluss 11 in der Wärmemanagementeinheit 1 empfangen wird, ermöglichen innere Strömungskanäle innerhalb des Gehäuses 7, dass die Strömung zu mehreren Orten gelenkt wird. Wie am besten in 7 zu sehen ist, verbindet ein Strömungsweg 17 den Anschluss 11 fluidtechnisch mit dem Einlassanschluss 23 der Getriebeölheizeinrichtung 3, so dass wenigstens ein Teil der Ölströmung in die Getriebeölheizeinrichtung 3 gelenkt werden kann. Ein weiterer Strömungsweg 15 verbindet sich fluidtechnisch mit dem Anschluss 13, der als ein Verbindungsanschluss für eine Fluidleitung 72 verwendet werden kann, die die Wärmemanagementeinheit 1 mit einer fernen Getriebeölkühleinrichtung 4 verbindet. Auf diese Weise kann die Strömung von in der Wärmemanagementeinheit1 1 empfangenem Öl entweder zu der Getriebeölkühleinrichtung 4 oder zu der Getriebeölheizeinrichtung 3 oder zu beiden gelenkt werden.
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Der Einlassanschluss 11 ist an einem Ende einer Mittelbohrung 42 angeordnet, die durch das Gehäuse 7 verläuft. Innerhalb der Mittelbohrung 42 sind ein Überdruckventil 6 und ein Steuerventil 5 angeordnet. Abgestufte Durchmesseränderungen der Mittelbohrung 42 ermöglichen, dass sich das Überdruckventil 6 und das Steuerventil 5 richtig innerhalb des Gehäuses 7 befinden und darin gehalten sind. Das Überdruckventil 6 wird von dem Ende der Mittelbohrung 42, das dem Ort des Einlassanschlusses 11 entspricht, eingeführt, während das Steuerventil 5 von dem gegenüberliegenden Ende eingeführt wird. Um das Steuerventil 5 innerhalb der Mittelbohrung 42 zu befestigen, wird ein Sprengring 53 in eine Sprengringrille 43 eingeführt.
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Das Steuerventil 5 enthält einen beweglichen Wechselkörper 54, der zwischen einer ersten Betriebszustandsposition, die in 10A und 11A gezeigt ist, und einer zweiten Betriebszustandsposition, die in 10B und 11B gezeigt ist, entlang einer Längsachse des Steuerventils 5 läuft. Ein Erfassungselement 57 befindet sich zentral innerhalb des beweglichen Wechselkörpers 54 und enthält einen Aktuator 58, der auf die durch das Erfassungselement 57 erfasste Temperatur anspricht. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Erfassungselement 57 ein Wachsmotor und enthält eine Menge Wachs, die spezifisch dafür formuliert ist, bei einer vorgegebenen Schwellentemperatur eine Phasenänderung zu erfahren. Die Phasenänderung führt zu einer Zunahme des Volumens des Wachses, was veranlasst, dass der Aktuator 58 ausfährt und den beweglichen Wechselkörper 54 verlagert. Zwischen dem beweglichen Wechselkörper 54 und einer Schulter 44 der Mittelbohrung 42 befindet sich eine Schraubenfeder 59, so dass die durch das Ausfahren des Aktuators 58 veranlasste Bewegung des Wechselkörpers 54 die Feder 59 zusammendrückt. Wenn der Aktuator 58 als Reaktion auf eine Verringerung der Temperatur, die ausreicht, die Phasenänderung des Wachsmotors rückgängig zu machen, einfährt, stellt die Feder 59 eine Rückstellkraft bereit, um den beweglichen Wechselkörper 54 in seine erste Betriebszustandsposition zurückzustellen.
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Der bewegliche Wechselkörper 54 ist mit in Umfangsrichtung angeordneten Fensteröffnungen 55 versehen. Die beispielhafte Ausführungsform zeigt mehrere dieser Fensteröffnungen 55, die so angeordnet sind, dass sie entlang der gesamten Umfangsperipherie des beweglichen Wechselkörpers 54 verlaufen, obwohl in einigen Ausführungsformen eine einzelne Fensteröffnung genutzt sein könnte, die im Wesentlichen entlang eines größten Teils des Umfangs verläuft. Wenigstens einige der Fensteröffnungen 55 sind auf einen Strömungskanal 19 ausgerichtet, der entlang des gesamten Laufhubs des beweglichen Wechselkörpers 54 in dem Gehäuse 7 vorgesehen ist. Wie am besten in 6 und 9 zu sehen ist, verbindet der Strömungskanal 19 sich fluidtechnisch mit dem Auslassanschluss 12. Somit dienen die Fensteröffnungen 55 als ein Ventilauslass, um zu ermöglichen, dass Öl, das in dem Steuerventil 5 empfangen wird, aus dem Steuerventil 5 austritt und nachfolgend entlang der Fluidleitung 73, die mit dem Auslassanschluss 12 verbunden ist, zu dem Fahrzeugantriebsstrang 2 zurückgeführt wird.
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Wie am besten in 6 und 8-9 zu sehen ist, ist innerhalb des Gehäuses 7 ein zusätzlicher Strömungskanal 16 vorgesehen und mit dem Anschluss 14 verbunden, um eine Ölströmung entlang der Fluidleitung 72 von der Getriebeölkühleinrichtung 4 zu empfangen. Wenn der bewegliche Wechselkörper in der in 11B gezeigten zweiten Betriebszustandsposition ist, kann in dem Strömungskanal 16 empfangenes Öl durch wenigstens einige der Fensteröffnungen 55 in den Innenraum des beweglichen Wechselkörpers 54 geleitet werden, wobei diese Ölströmung aber verhindert wird, wenn der bewegliche Wechselkörper 54 in der ersten Betriebszustandsposition aus 11A ist. Somit fungieren die Fensteröffnungen 55 außerdem als ein Ventileinlass für das Steuerventil 5, das als Reaktion auf die Temperatur des über das Erfassungselement 57 gehenden Öls geöffnet und geschlossen werden kann.
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Durch das offene Ende 66 des beweglichen Wechselkörpers 54 ist ein zusätzlicher Einlass in das Steuerventil 5 vorgesehen. Wenn der bewegliche Wechselkörper 54 in der ersten Betriebszustandsposition aus 11A ist, kann eine Strömung von einem innerhalb des Gehäuses 7 vorgesehenen Strömungskanal 18 in dem offenen Ende 66 empfangen werden. Wie am besten in 8 zu sehen ist, verbindet sich der Strömungskanal 18 mit dem Anschluss 24 der Getriebeölheizeinrichtung 3 und empfängt Öl, das durch die Heizeinrichtung 3 gegangen ist. Wenn der bewegliche Wechselkörper 54 in die zweite Betriebszustandsposition aus 11B übergeht, verhindert er, dass die Strömung in dem Kanal 18 den Einlass 66 erreicht.
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Innerhalb der Mittelbohrung 42 des Gehäuses 7 ist ein Nebenschlussströmungsweg 20 vorgesehen, der ein Mittel bereitstellt, durch das durch den Einlassanschluss 11 in der Wärmemanagementeinheit 1 empfangenes Öl das Steuerventil 5 erreichen kann, ohne entweder durch die Getriebeölheizeinrichtung 3 oder die Getriebeölkühleinrichtung 4 zu gehen. Entlang dem Nebenschlussströmungsweg 20 befindet sich das Überdruckventil 6, das so arbeitet, dass es die Ölströmung durch den Nebenschlussströmungsweg 20 unter den meisten Bedingungen sperrt. Dagegen kann Öl unabhängig von der Position des beweglichen Wechselkörpers 54 durch den Einlass 66 durch das Steuerventil 5 gehen, wenn eine Strömung von Öl durch den Nebenschlussströmungsweg 20 zugelassen wird.
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Die 11A und 11B zeigen die Ölströmung durch das Steuerventil 5 in den zwei verschiedenen Betriebszuständen des Ventils. In 11A ist der bewegliche Wechselkörper 54 in seiner ersten Betriebszustandsposition, die der Tatsache entspricht, dass die Temperatur des über das Erfassungselement 57 gehenden Öls unter dem Minimumschwellenwert liegt. Die durch den durchgezogenen Pfeil abgebildete Ölströmung geht von dem Strömungskanal 18 durch den Einlass 66 in das Steuerventil 5 und tritt durch die Fensteröffnungen 55 in den Strömungskanal 19 aus dem Steuerventil 5 aus. Falls das Überdruckventil 6 irgendeine Ölströmung durch den Nebenschlussströmungsweg 20 zulässt, läuft dieses Öl entlang der Strichlinie und tritt durch den Einlass 66 auch in das Steuerventil 5 ein, wobei es sich mit dem von der Getriebeölheizeinrichtung 3 innerhalb des Wechselkörpers 54 des Steuerventils 5 empfangenen Öl mischt.
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Wenn das Steuerventil 5 in der wie in 11B gezeigten zweiten Betriebszustandsposition ist, ist der Aktuator 58 vollständig ausgefahren und ist der bewegliche Wechselkörper 54 vollständig in seine zweite Betriebszustandsposition verlagert worden, was dazu führt, dass das Ende des beweglichen Wechselkörpers 45 gegen die Schulter 54 anstößt. In dieser Position sperrt der Wechselkörper 54 die Ölströmung von dem Strömungskanal 18, wobei aber nun Öl von dem Strömungskanal 16 in das Steuerventil 54 strömen kann, da jetzt wenigstens ein Teil der Fläche der Fensteröffnungen 55 auf den Strömungskanal 16 ausgerichtet ist. Jegliche Ölströmung durch den Nebenschlussströmungsweg 20 wird wieder durch das offene Ende 66 des beweglichen Wechselkörpers 54 in dem Steuerventil 5 empfangen.
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Insbesondere wird angemerkt, dass in beiden Betriebszuständen sämtliches Öl (d. h. sowohl Öl, das durch die Heizeinrichtung 3 und/oder die Kühleinrichtung 4 gelenkt wird, als auch Öl, das durch den Nebenschlussströmungsweg 20 vorbeigeleitet wird) über das Erfassungselement 57 geht. Dies ermöglicht die präzise Steuerung der Temperatur des Öls, das an den Fahrzeugantriebsstrang 2 geliefert wird. Wenn das Steuerventil in dem 11A entsprechenden ersten Betriebszustand ist und wenn das Öl innerhalb der Ölheizeinrichtung 3 erwärmt wird, kann die Temperatur des über das Erfassungselement 57 gehenden Öls schließlich die Schwellentemperatur erreichen, bei der sich der Aktuator 58 auszudehnen beginnt. Dies veranlasst, dass sich der bewegliche Wechselkörper 54 verlagert, wobei das Steuerventil 5 einen bestimmten Anteil der Strömung von der Getriebeölkühleinrichtung 3 durch den Strömungskanal 16 empfängt, wenn ausreichend Bewegung erzielt worden ist. Es kann eine stationäre Zwischenbedingung erzielt werden, in der der bewegliche Wechselkörper 54 zwischen den äußersten Enden aus 11A und 11B an einer Zwischenposition ist, so dass ein Teil des in dem Ventil 5 empfangenen Öls durch die Ölheizeinrichtung 3 gelenkt wird und ein anderer Teil des in dem Ventil 5 empfangenen Öls durch die Ölkühleinrichtung 4 gelenkt wird.
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Wenn die Temperatur des über das Erfassungselement gehenden Öls den oberen Schwellenwert erreicht, ist der Aktuator 58 ausreichend ausgefahren, um den beweglichen Wechselkörper 54 in der Weise zu verlagern, dass er mit der Schulter 45 in Eingriff ist. Solange die Strömung des über das Erfassungselement 57 gehenden Öls ausreichend warm ist, um die Ausdehnung des Aktuators 58 aufrecht zu erhalten, stellt diese Position des Ventils sicher, dass Öl durch die Ölkühleinrichtung 4 anstatt durch die Ölheizeinrichtung 3 geleitet wird. Durch Aufnahme einer Hubüberschreitungs-Sperrfeder 60 kann eine durch übermäßiges Ausfahren des Aktuators 58 verursachte Beschädigung des Steuerventils 5 (wie sie sich aus Öltemperaturen, die ausreichend über dem oberen Schwellenwert liegen, ergeben könnten) vermieden werden. Die Hubüberschreitungs-Sperrfeder 60 weist eine höhere Federkonstante als die Feder 59 auf, so dass ein Zusammendrücken der Hubüberschreitungs-Sperrfeder 60 erst auftritt, wenn der bewegliche Wechselkörper 54 mit der Schulter 45 in Eingriff gelangt.
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In 12 ist das Überdruckventil 6 der beispielhaften Ausführungsform detaillierter gezeigt. Das Überdruckventil 6 enthält eine Kappe 62, die mit einer Zylinderhülse 61 verbunden ist, wobei die Hülse 61 einen Außendurchmesser aufweist, der etwas kleiner als der Durchmesser der Mittelbohrung 42 in dem Gebiet des Nebenschlussströmungswegs 20 ist. Innerhalb der Zylinderhülse 61 sind eine Vorbelastungsfeder 64 und ein Kolben 63 angeordnet. Die Vorbelastungsfeder 64 ist in einem teilweise zusammengedrückten Zustand gehalten, so dass der Kolben 63 in Kontakt mit einer Sitzoberfläche der Kappe 62 gedrängt ist. Die Kappe 62 kann in die Mittelbohrung 42 pressgepasst sein, so dass eine Strömung durch den Nebenschlussströmungsweg 20 verhindert wird, wenn der Kolben 63 gegen die Sitzoberfläche der Kappe 62 angeordnet ist. Das der Kappe 62 gegenüberliegende Ende der Hülse 61 ist wenigstens teilweise offen, so dass der Kolben 63 sowohl an dem einlassseitigen als auch an dem auslassseitigen Ende des Nebenschlussströmungswegs 20 den Fluiddrücken (d. h. sowohl dem Druck am Einlassanschluss 11 als auch dem Druck am Steuerventil 5) ausgesetzt ist. Wenn die Druckdifferenz über den Kolben 63 ausreicht, um die Vorbelastungskraft der Feder 64 zu überwinden, wird der Kolben von der Kappe 62 abgehoben und wird eine Strömung von Öl durch die in der Zylinderhülse 61 vorgesehenen Fenster 65 in den Nebenschlussströmungsweg 20 zugelassen.
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Dass eine Strömung des Öls durch den Nebenschlussströmungsweg 20 zugelassen wird, kann unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft sein. Es ist möglich, dass einer oder beide Wärmetauscher 3, 4 entlang dem Ölströmungsweg Verstopfungen entwickeln, die den Druck, der erforderlich ist, um das Öl durch den Wärmetauscher zu drängen, wesentlich erhöhen können. Eine solche Zunahme des Verdichtungsdrucks kann für die Ölpumpe oder für die Wärmetauscher selbst oder für eine andere Ausrüstung entlang des Ölkreises schädigend sein. Dadurch, dass die Vorbelastungskraft der Feder 63 ausreichend niedrig gewählt wird, um zu ermöglichen, dass sich der Nebenschlussströmungsweg 20 für die Ölströmung öffnet, bevor ein solcher unerwünschter Druck erreicht ist, kann eine Komponentenbeschädigung oder eine Komponentenstörung verhindert werden. Darüber hinaus kann dadurch, dass das Überdruckventil 6 innerhalb der Wärmemanagementeinheit 1 selbst integriert ist, das System vor Verstopfung sowohl der Getriebeölheizeinrichtung 3 als auch der Getriebeölkühleinrichtung 4 geschützt werden. Das Überdruckventil 6 ist hydraulisch parallel zu den beiden Wärmetauschern, so dass eine bestimmte Menge des Öls durch den Nebenschlussströmungsweg 20 abgeleitet werden kann, um den Verdichtungsdruck unter einem Schwellengrenzwert zu halten, während ermöglicht wird, dass das restliche Öl in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Steuerventils 5 durch einen (oder beide) der Wärmetauscher 3 und 4 strömt.
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Während des Starts des Fahrzeugantriebsstrangs 2 unter Bedingungen niedriger Umgebungstemperatur können aus dem Überdruckventil 6 zusätzliche Vorteile abgeleitet werden. Typische Getriebeöle sind spezifisch so formuliert, dass sie bei der erwarteten Betriebstemperatur eine geeignete Viskosität aufweisen, um die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugantriebsstrangs zu optimieren. Üblicherweise liegen diese Betriebstemperaturen in dem Bereich von 80-120 Grad Celsius. Während die Temperatur des Öls abnimmt, neigt die Viskosität dazu zuzunehmen, wobei die Viskosität bei sehr niedrigen Temperaturen (wie sie in kälterem Klima erfahren werden können) dazu neigt, drastisch zuzunehmen. Der Betrieb des Fahrzeugantriebsstrangs, wenn das Getriebeöl auf einer so niedrigen Temperatur ist, kann dadurch problematisch sein, dass die hohe Ölviskosität der Ölpumpe eine beträchtliche Belastung auferlegt, und kann wegen der zusätzlichen Pumparbeit, die erforderlich ist, um das Getriebeöl durch das System zu bewegen, zu wesentlichen Verringerungen der Kraftstoffwirtschaftlichkeit beitragen. Dennoch ist es erwünscht, dass der Fahrzeugantriebsstrang einen hohen Getriebeöldurchfluss empfängt.
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Dieser hohe Durchfluss von hochviskosem kalten Öl kann, insbesondere in der Getriebeölheizeinrichtung 3, zu einem erheblich hohen Druck über das System hinweg führen, während die Pumpe arbeitet, um den viskosen Widerstand gegen die Strömung zu überwinden. Dieser erhöhte Druck kann wiederum zu einer Beschädigung in dem Ölsystem oder zu einer unerwünschten Verringerung der Ölströmung führen. Die Aufnahme des Überdruckventils 6 mildert dieses Problem, indem es eine gewisse Ölströmung durch den Nebenschlussströmungsweg 20 zulässt, wobei dieses Öl dadurch die Ölheizeinrichtung 3 umgeht und Druckspitzen verringert, während es weiter die volle Ölströmung durch das Getriebe zulässt. Die umgangene Strömung mischt sich in dem Steuerventil 5 mit der erwärmten Strömung, die von der Ölheizeinrichtung 3 empfangen wird, so dass das Erfassungselement im Wesentlichen der Mischungstemperatur des Öls ausgesetzt ist. Dies verhindert das vorzeitige Öffnen des Steuerventils 5, das sich aus einer externen Umgehung ergeben würde, wobei durch das Steuerventil nur die Temperatur des erwärmten Öls erfasst würde. Ein solches vorzeitiges Öffnen würde die Zeit erhöhen, die das Erwärmen des Öls auf die gewünschte Betriebstemperatur dauert, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringert würde.
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Anhand spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Alternativen zu den bestimmten Merkmalen und Elementen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Selbstverständlich sind die in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschriebenen alternativen Merkmale, Elemente und Betriebsarten bis auf diejenigen Merkmale, Elemente und Betriebsarten, die sich gegenseitig ausschließen oder die mit jeder oben beschriebenen Ausführungsform unverträglich sind, auf die anderen Ausführungsformen anwendbar.
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Die oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind nur beispielhaft gegeben und sollen keine Beschränkung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung sein. Somit wird der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstehen, dass an den Elementen und an ihrer Konfiguration und Anordnung verschiedene Änderungen möglich sind, ohne von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
