DE102018207621B3

DE102018207621B3 - Steuerventil für einen Kühlerkreislauf, Anordnung mit dem Steuerventilund Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms in der Anordnung

Info

Publication number: DE102018207621B3
Application number: DE102018207621.9A
Authority: DE
Inventors: Hans Günther Quix; Jan Mehring; Herbert Ernst; Antonio Farina
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: CN110500170A; US20190353087A1; US10941698B2

Abstract

Es wird ein Steuerventil zum Steuern der Strömung eines ersten fluiden Mediums in einer Leitung einer Strömungsanordnung sowie eine Anordnung mit dem Steuerventil bereitgestellt, wobei das Steuerventil Zugänge zu einem zweiten und dritten fluiden Medium und zum Erfassen der Temperatur des ersten fluiden Mediums aufweist, und wobei der Öffnungszustand des Steuerventils in Abhängigkeit vom Druck des zweiten, Druck des dritten und/oder Temperatur des ersten fluiden Mediums gesteuert wird. Weiterhin wird eine Anordnung mit dem Ventil in einem Kühlmittelkreislauf eines Ladeluftkühlers für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil zum Steuern eines Kühlmittelkreislaufs für einen Ladeluftkühler, eine Anordnung mit dem Steuerventil und ein Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms in der Anordnung.
Brennkraftmaschinensysteme werden häufig mit Turbolader ausgerüstet, um die Effizienz der Brennkraftmaschine zu steigern. Zum weiteren Effizienzsteigern wird die durch einen Kompressor des Turboladers verdichtete Ladeluft in der Regel gekühlt, da durch die Verdichtung erwärmte Ladeluft ein größeres Volumen benötigt und damit eine geringere Dichte aufweist als gekühlte Luft. Ein entsprechender Ladeluftkühler ist dabei mit einem ihm zugeordneten Kühlmittelkreislauf verbunden, der auch als Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf bezeichnet wird. Als Kühlmittel wird häufig ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Flüssigkeitskühlungen mit einem Kühlmittelkreislauf sind beispielsweise für Verdichter bekannt ( DE 20 2013 101 511 U1 ). Zum Steuern eines Kühlmittelkreislaufs für einen Verbrennungsmotor wird in der Druckschrift DE 10 2010 001 321 A1 ein Thermostatventil offenbart.Die Druckschrift DE 10 2017 200 876 A1 offenbart eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einer druckgesteuerten Ventileinrichtung. Die Druckschrift DE 10 2014 207 280 A1 offenbart einen Kühlmittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug mit einer mechanisch steuerbaren Ventileinrichtung zum Regeln einer Kühlmittelströmung. Die Druckschrift GB 2 541 006 A offenbart ein Kühlsystem für einen Ladeluftkühler und eine elektrische Einrichtung in einem Kraftfahrzeug. Eine temperaturgeregelte Steuereinrichtung steuert dabei die Geschwindigkeit einer Pumpe für die Kühlflüssigkeit im Kühlsystem. Die Druckschrift DE 10 2015 216 420 A1 offenbart ein Kühlsystem zum Kühlen eines Ladeluftkühler, in dem ein Kühlmittelstrom durch verschiedene Zweige eines entsprechenden Kühlmittelkreislauf durch ein Stellventil geregelt werden kann. Die Druckschrift WO 2007/ 122 345 A1 offenbart ein Temperatursteuersystem für eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler. Die Druckschrift DE 10 2009 014 050 A1 offenbart 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.
Typischerweise weist der Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf eine elektrische Pumpe auf, mittels der die Strömung des Kühlmittels gesteuert werden kann. Ein effizientes Steuern erfordert eine komplexe Steuerstrategie und mindestens einen zusätzlichen Temperatursensor im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf, was aufwändig und kostenverursachend ist. Es besteht die Aufgabe, eine effiziente Steuerung der Strömung im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Steuerventil mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 8 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerventil zum Steuern der Strömung eines ersten fluiden Mediums in einer Leitung einer Strömungsanordnung, umfassend ein Gehäuse, das einen Strömungsweg für das erste fluide Medium mit einem Einlass und einem Auslass aufweist, einen Verschluss zum mindestens teilweisen Öffnen und Schließen des Strömungsweges, einen Zugang für mindestens ein zweites fluides Medium, einen Zugang für mindestens ein drittes fluides Medium, und ein Thermostat mit einer fluiden Verbindung zu der Leitung des ersten fluiden Mediums, wobei der Verschluss durch den Druck des zweiten fluiden Mediums, den Druck des dritten fluiden Mediums und das Thermostat gegen den Widerstand einer Feder des Verschlusses bewegt werden kann, so dass der Verschluss den Strömungsweg des ersten fluiden Mediums in einem ersten Arbeitszustand verschließt und in einem zweiten Arbeitszustand mindestens teilweise öffnet.
Das erfindungsgemäße Steuerventil ermöglicht vorteilhaft eine automatische Steuerung der Strömung des ersten fluiden Mediums. Dabei sind die Zugänge für das zweite und das dritte fluide Medium sowie das Thermostat vorteilhafterweise auf derselben Seite des Steuerventils angeordnet, so dass von derselben Seite mindestens eine Kraft auf den Verschluss ausgeübt werden kann, um seine Bewegung gegen die Federkraft zu bewirken. Der Druck des zweiten und dritten fluiden Mediums sowie die Temperatur des ersten fluiden Mediums werden als Parameter bezeichnet, auf deren Basis der Öffnungszustand des Steuerventils gesteuert werden kann.
Bevorzugt ist das erste fluide Medium ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs für einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Der Kühlmittelkreislauf für den Ladeluftkühler wird hier auch als erste Kühlmittelkreislauf oder Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf bezeichnet. Mittels des Steuerventils wird vorteilhaft eine automatische Steuerung der Strömung des Kühlmittels im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf eines Ladeluftkühlers ermöglicht.
Bevorzugt weist der Zugang für das zweite fluide Medium eine fluide Verbindung zu einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine auf. Als zweites fluides Medium ist dementsprechend komprimierte Ladeluft vorgesehen, die stromabwärts eines im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Kompressors abgezweigt und zu dem Steuerventil geleitet wird. Der Ladedruck ist dabei von der Last der Brennkraftmaschine abhängig, d.h. je höher die Last, desto höher der Ladedruck. Dadurch wird vorteilhaft ein Fluss in einer bestimmten Stärke in Abhängigkeit vom Ladedruck ermöglicht, um bei einem vergleichsweise hohen Ladedruck eine Kühlung des Kühlmittels im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf zu ermöglichen, die bei den mit einem hohen Ladedruck einhergehenden hohen Temperaturen der Ladeluft notwendig sind.
Bevorzugt weist der Zugang für das dritte fluide Medium eine fluide Verbindung zu einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine auf. Der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine wird hier auch als zweiter oder Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf bezeichnet. Die entsprechende verbindende Leitung zweigt dabei unmittelbar stromabwärts von der Hauptpumpe des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs von diesem ab. Dadurch wird die Strömung des ersten fluiden Mediums in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittels des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs gesteuert. Da die Hauptpumpe für die Strömung des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, ist der Druck des Kühlmittels des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs von der Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine abhängig. Es wird durch das Steuerventil vorteilhaft eine schnellere Strömung des ersten fluiden Mediums ermöglicht, wenn die Brennkraftmaschine bei einer hohen Drehzahl läuft. Dadurch wird die Ladeluft effizienter gekühlt, und es steht mehr (dichtere) Ladeluft für die Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Steuerventil einen weiteren Zugang für das Kühlmittel der Brennkraftmaschine aufweist, über den ein statischer Druck des Kühlmittels der Brennkraftmaschine auf den Verschluss wirkt, um eine thermisch bedingte Druckwirkung des Kühlmittels der Brennkraftmaschine auf den Verschluss auszugleichen. Der Zugang für die statische Druckwirkung wird über eine fluide Verbindung zu einer Leitung von einem Ausgleichsbehälter bereitgestellt.
Die Verbindung des Thermostats des Steuerventils zu der Leitung des ersten fluiden Mediums kommt durch eine Leckpassage zustande, bei der eine Leitung mit im Vergleich zur Leitung des ersten fluiden Mediums kleinen Durchmesser von dieser stromaufwärts von dem Einlass des Steuerventils abzweigt und stromabwärts von dem Auslass des Steuerventils wieder in diese mündet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Steuerventils ist ein Überschreiten eines Schwellenwertes eines Parameters ausreichend für ein Öffnen des Verschlusses. Ebenfalls bevorzugt kann auch eine Schwellenwertüberschreitung durch zwei Parameter notwendig sein, um den Verschluss zu öffnen. Ein Parameter kann auch Priorität gegenüber den anderen Parametern genießen, so dass zwei Parameter zusammenwirken müssen, aber der dritte allein ausreicht. Vorzugsweise ist dabei die Wirkung des Thermostats prioritär gegenüber dem Druck des zweiten fluiden Mediums und dem Druck des dritten fluiden Mediums.
Vorzugsweise werden die Öffnungseigenschaften des Steuerventils durch die Ausbildung der druckbeaufschlagten Oberflächen des Verschlusses und die Kraft der Feder des Verschlusses bestimmt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler im Ansaugtrakt, der mit einem ersten Kühlmittelkreislauf verbunden ist, bei der die Brennkraftmaschine mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf verbunden ist, und der erste und der zweite Kühlmittelkreislauf mit einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter verbunden sind. Zum Steuern der Strömung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf ein erfindungsgemäßes Steuerventil in der Leitung des ersten Kühlmittels angeordnet ist, und wobei das Steuerventil zum Steuern der Stellung des Verschlusses eine fluide Verbindung zum Ansaugtrakt, eine fluide Verbindung zum zweiten Kühlmittelkreislauf, eine fluide Verbindung zum Ausgleichbehälter und ein mit der Leitung des ersten Kühlmittels fluide verbundenes Thermostat aufweist.
Die Vorteile der Anordnung entsprechen dabei den Vorteilen des erfindungsgemäßen Steuerventils. Besonders vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung eine einfache und robuste Steuerung eines Niedrigtemperatur-Kühlkreislaufs für einen Ladeluftkühler.
Die fluide Verbindung des Steuerventils zum Ansaugtrakt zweigt stromabwärts des Kompressors eines Turboladers vom Ansaugtrakt ab. Die fluide Verbindung des Steuerventils zum zweiten Kühlmittelkreislauf zweigt stromabwärts der Hauptpumpe vom zweiten Kühlmittelkreislauf ab.
Das erste und zweite Kühlmittel sind vorteilhafterweise identisch, so dass für sie derselbe Ausgleichsbehälter verwendet werden kann. Beispielsweise kann ein Wasser-Glykol-Gemisch sowohl für den Niedrigtemperatur- als auch für den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf verwendet werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Betrieb der Brennkraftmaschine, wobei sich das Steuerventil des Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislaufs in einem ersten Arbeitszustand befindet, wobei der Strömungsweg des ersten Kühlmittelkreislaufs verschlossen ist,
- Öffnen des Verschlusses durch den Druck der Ansaugluft mindestens teilweise, wenn ein bestimmter erster Schwellenwert des Drucks der Ansaugluft überschritten wird, so dass sich das Steuerventil in einem zweiten Arbeitszustand befindet, und/oder
- Öffnen des Verschlusses durch den Druck des Kühlmittels des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs mindestens teilweise, wenn ein bestimmter erster Schwellenwert des Drucks des zweiten Kühlmittels überschritten wird, so dass sich das Steuerventil in einem zweiten Arbeitszustand befindet, und/oder
- Öffnen des Verschlusses durch die Wirkung des Thermostats mindestens teilweise, wenn ein bestimmter erster Schwellenwert der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf überschritten wird, so dass sich das Steuerventil in einem zweiten Arbeitszustand befindet.

Vorzugsweise reicht das Überschreiten des Schwellenwertes mindestens eines Parameters aus, um den Verschluss mindestens teilweise zu öffnen. Mit anderen Worten sind vorzugsweise jeweils allein Druck der Ansaugluft, des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf und die die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf ausreichend für ein Öffnen des Steuerventils.
Bevorzugt hängt ein Öffnungsgrad des Verschlusses von der Höhe der Parameterwerte über dem ersten Schwellenwert ab. In diesem Zusammenhang wird der Begriff des ersten Schwellenwertes verwendet, um eine Beziehung zum Öffnen des Verschlusses an sich im Unterschied zum geschlossenen Zustand zu setzen. Es können weitere Schwellenwerte bestimmt werden, die mit verschiedenen Öffnungsgraden des Verschlusses korrespondieren. Beispielhaft kann der erste Schwellenwert zu einem 50%igen Öffnen dienen und ein zweiter Schwellenwert zu einem vollständigen (100%igen) Öffnen des Verschlusses.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Anordnung eines Ladeluftkühler-Kühlsystems gemäß dem Stand der Technik.
2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils im geschlossenen Zustand.
4 das Steuerventil gemäß 3 in einem geöffneten Zustand.
5 das Steuerventil gemäß 3 in einem geöffneten Zustand.
6 das Steuerventil gemäß 3 in einem geöffneten Zustand.
7 ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen Druck und Ventilbewegung.
8 ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen der Last der Brennkraftmaschine und dem Ladedruck im Ansaugtrakt.
9 ein Diagramm zum Zusammenhang zwischen der Umdrehungszahl und dem Druck des Kühlmittels der Brennkraftmaschine.
10 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
11 eine tabellarische Darstellung zum Zusammenhang zwischen dem Öffnungszustand des Steuerventils und den ihn beeinflussenden Parametern.

In 1 ist eine herkömmliche Anordnung 1 einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Ansaugtrakt 3 dargestellt, der zur Zuführung von Ladeluft zur Brennkraftmaschine 2 vorgesehen ist. Im Ansaugtrakt 3 ist stromabwärts eines Kompressors 4, der Teil eines Turboladers ist, ein Kühler 5 zum Kühlen der Ladeluft angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 ist mit einem ersten Kühlmittelkreislauf 6 verbunden, der auch als Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 bezeichnet wird. Im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 sind eine elektrische Pumpe 7, ein erster Kühlradiator 8 zum Kühlen des Kühlmittels und ein erster Temperatursensor 9 angeordnet. Das Kühlmittel wird z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Der Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 ist über eine erste Ausgleichsleitung 61, in der ein Durchflussbegrenzer 62 angeordnet ist, und eine erste Zuleitung 63 mit einem Ausgleichsbehälter 10 verbunden.
Vom Ladeluftkühler 5 wird die Ladeluft weiter zum Zylinderkopf 21 der Brennkraftmaschine 2 geleitet. Der Zylinderkopf 21 ist mit dem Zylinder 22 verbunden. In dem Zylinder 22 befindet sich der Kolben, dessen durch die Verbrennung von Kraftstoff bewirkte Längsbewegung in eine Rotationsbewegung einer Kurbelwelle umgewandelt wird.
Die Brennkraftmaschine ist mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf 11 verbunden, der auch als Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 bezeichnet wird. Die Strömung des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 11 wird durch die Hauptpumpe 23 bewirkt, die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird. Der Druck des Kühlmittels des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 11, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, steht deshalb in einem funktionellen Zusammenhang mit der Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 2 (siehe 8). Im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 und Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 wird dasselbe Kühlmittel, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, verwendet. Im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 sind ein zweiter Kühlradiator 12 und ein zweiter Temperatursensor 13 angeordnet. Die Kühlflüssigkeit kann dabei in Abhängigkeit von ihrer Temperatur wahlweise über eine erste Teilleitung 121 durch den zweiten Kühlradiator 12 oder über eine zweite Teilleitung 122 an ihm vorbeigeleitet werden. Zum Steuern des Stroms der Kühlflüssigkeit dient ein Dreiwegeventil 14, an dem die Teilleitungen 121, 122 zu einer gemeinsamen Leitung 123 zusammenlaufen. Der zweite Kühlmittelkreislauf 11 ist über die zweite Ausgleichsleitung 111, dritte Ausgleichsleitung 112 und zweite Zuleitung 113 ebenfalls mit dem Ausgleichsbehälter 10 verbunden.
Der erste und zweite Temperatursensor 9, 13 sind mit einer Steuereinrichtung 15 verbunden. Die Steuereinrichtung ist mit der elektrischen Pumpe 7 verbunden. In Abhängigkeit von der Temperatur der jeweiligen Kühlflüssigkeit im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 und Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 wird die elektrische Pumpe 7 gemäß einem Steuerbefehl von der Steuerungseinrichtung 15 eingeschaltet bzw. ihre Leistung gesteuert.
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 dargestellt. Im Vergleich zu 1 weist die Anordnung 1 ein Steuerventil 30 auf, das im Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf 6 angeordnet ist. Das Steuerventil 30 weist über einen Ladedruck-Steuerzulauf 40 eine Verbindung zum Ansaugtrakt auf, die stromabwärts vom Kompressor 4 vom Ansaugtrakt 3 abzweigt. Über den Ladedruck-Steuerzulauf 40 wird der Öffnungszustand des Steuerventils 30 in Abhängigkeit vom Ladedruck gesteuert. Weiterhin weist das Steuerventil 30 über einen Kühlmitteldruck-Steuerzulauf 41 eine Verbindung zum Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 auf. Über den Kühlmitteldruck-Steuerzulauf 41 wird der Öffnungszustand des Steuerventils 30 in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittels im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 gesteuert. Weiterhin weist das Steuerventil 30 über einen Kühlmitteldruck-Kompensationszulauf 42 eine Verbindung zur Leitung 113 auf, die vom Ausgleichsbehälter 10 zum Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 führt. Über den Kühlmitteldruck-Kompensationszulauf 42 wird eine Druckerhöhung im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf 11 kompensiert, die durch eine Temperaturerhöhung des Kühlmittels bedingt ist.
In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils 30 dargestellt. Das Steuerventil 30 weist ein zylindrisches Gehäuse 31 auf, wobei die Form des Gehäuses auch anders gestaltet sein kann. Durch das Steuerventil 30 führt ein Strömungsweg 32, durch den Kühlflüssigkeit des Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislaufs 6 geleitet wird. Dabei weist der Strömungsweg 32 einen Einlass 33 und einen Auslass 34 auf. In den 3 - 6 zeigen die Pfeile mit Füllung die in der dargestellten Situation wirkenden Drücke, wogegen die nicht gefüllten Pfeile die in der dargestellten Situation nicht wirkenden Drücke anzeigen.
In dem Gehäuse 31 befindet sich ein Verschluss 35. Der Verschluss 35 wird durch die Kraft einer Feder 36 nach oben, d.h. in Richtung der Steuerzuläufe 40 und 41, gedrückt. Dadurch wird das Steuerventil 30 gemäß der Darstellung von 3 in einer geschlossenen Position gehalten. Dabei wird der durch das Ventil 30 führende Strömungsweg 32 versperrt.
An der oberen Seite des Gehäuses münden der Ladedruck-Steuerzulauf 40 und der Kühlmitteldruck-Steuerzulauf 41 in das Gehäuse 31. Der Ladedruck und der Kühlmitteldruck üben oberhalb bestimmter Schwellenwerte einen ausreichenden Druck auf den Verschluss 35 aus.
An der oberen Seite des Gehäuses 31 ist ebenfalls ein Thermostat 37 angeordnet. Von der Leitung des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 zweigt stromaufwärts von dem Steuerventil 30 eine Leckpassage 38 ab. Die Leckpassage 38 stellt eine fluide Verbindung vom ersten Kühlmittelkreislauf 6 zum Thermostat 37 her. Das Thermostat 37 erfasst die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 6 und übt in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 6 eine Kraft auf den Verschluss 35 auf, um den Öffnungszustand des Steuerventils 30 zu steuern. Stromabwärts vom Steuerventil 30 mündet die Leckpassage 38 wieder in die Leitung des ersten Kühlmittelkreislaufs 6.
Im Bereich der Mündung des Ladedruck-Steuerzulaufs 40 ist eine Membran 39 im Steuerventil 30 angeordnet, auf die ein Druck der Ladeluft wirkt. Oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes des Ladedrucks wird die Membran 39 gedehnt und dadurch der Verschluss 35 bewegt.
In 4 ist das Steuerventil 30 in einem geöffneten Zustand gezeigt. Der Verschluss 35 wird dabei durch die Wirkung des Ladedrucks gegen die Kraft der Feder 36 heruntergedrückt, so dass der Strömungsweg 32 geöffnet wird und Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 durch das Steuerventil 30 strömen kann. Dabei ist der Strömungsweg 32 vollkommen geöffnet dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Membran 39 gedehnt ist. In Abhängigkeit von der Höhe des Ladedrucks kann das Steuerventil 30 auch nur teilweise geöffnet sein, wobei dann die Menge des durchströmenden Kühlmittels begrenzt wird. Der Öffnungszustand des Steuerventils 30 steht dabei im Zusammenhang mit der Höhe des Drucks Δp (7). Der Ladedruck ist dabei abhängig von der Höhe der Last der Brennkraftmaschine 2 (8).
In 5 ist das Steuerventil 30 ebenfalls in einem geöffneten Zustand gezeigt. Der Verschluss 35 wird dabei durch die Wirkung des Kühlmitteldrucks des zweiten Kühlmittelkreislaufs 11 gegen die Kraft der Feder 36 heruntergedrückt. Hierbei ist ebenfalls der Strömungsweg 32 vollständig geöffnet dargestellt, so dass das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 durch das Steuerventil 30 ungehindert strömen kann. In Abhängigkeit von der Höhe des besagten Kühlmitteldrucks kann das Steuerventil 30 auch nur teilweise geöffnet sein, wobei dann die Menge des durchströmenden Kühlmittels begrenzt wird. Die Wirkung des Kühlmitteldrucks wird durch den statischen Kühlmitteldruck begrenzt, der durch den Kühlmitteldruck-Kompensationszulauf 42 bewirkt wird, so dass nur der durch die Wirkung der Hauptpumpe 23 bewirkte Druck des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs 11 einen Einfluss auf die Bewegung des Verschlusses 35 hat, nicht aber die Druckerhöhung durch die Temperatur. Der Öffnungszustand des Steuerventils 30 steht dabei auch hier im Zusammenhang mit der Höhe des Drucks Δp, konkret mit der Höhe des Druckunterschieds Δp zwischen dem Druck des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 11 (7). Der Druckunterschied ist dabei abhängig von der Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 2 (9).
In 6 ist das Steuerventil 30 ebenfalls in einem geöffneten Zustand gezeigt. Der Verschluss 35 wird dabei durch die Wirkung des Thermostats 37 bewirkt. Beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes der Temperatur des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs 6, das durch das Thermostat 37 erfasst wird, wird ein Aktuator 371 des Thermostats 37 betätigt, der den Verschluss 35 gegen die Kraft der Feder 36 heruntergedrückt. Hierbei ist ebenfalls der Strömungsweg 32 geöffnet, so dass das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 durch das Steuerventil 30 strömen kann. In Abhängigkeit von der Höhe der Temperatur des Kühlmittels kann das Steuerventil 30 auch nur teilweise geöffnet sein, wobei dann die Menge des durchströmenden Kühlmittels begrenzt wird.
Die besagten teilweisen Öffnungen werden ebenfalls durch verschiedene Schwellenwerte der einzelnen erläuterten Parameter gesteuert, so dass ein bestimmter Öffnungsgrad des Steuerventils 30 mit dem Erreichen eines bestimmten Wertes (weiteren Schwellenwertes) des Ladedrucks, des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 11 und/oder der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 6 korrespondiert. Es bleibt dabei dem Fachmann überlassen, das Steuerventil 30 in Abhängigkeit von im System herrschenden konkreten Werten die Schwellenwerte entsprechend zu justieren.
In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb einer Anordnung gemäß 2 wird gemäß 10 in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 2 betrieben. Die Last und die Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 2 sind niedrig, so dass weder der Ladedruck noch der Druck des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs 11 über die entsprechenden vorbestimmten Schwellenwerte steigen. Das Steuerventil 30 ist dabei geschlossen (3), so dass der Strömungsweg des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 verschlossen ist. Es strömt mit anderen Worten kein Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkreislauf, so dass der Ladeluftkühler 5 nicht gekühlt wird.
In einem zweiten Schritt S2 wird der Verschluss 35 durch den Druck der komprimierten Ansaugluft (Ladedruck) gegen die Kraft der Feder 36 nach unten gedrückt, nachdem ein bestimmter Schwellenwert des Ladedrucks überschritten wird. Dabei wird das Steuerventil 30 geöffnet (4). Gemäß 4 ist das Steuerventil vollständig geöffnet, so dass das Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf mit voller Kraft strömen kann und der Ladeluftkühler 5 mit hoher Effizienz gekühlt wird. Der Kühlradiator 8 wird dabei ebenfalls eingeschaltet, sofern er nicht schon eingeschaltet ist.
In einem dritten Schritt S3 wird der Verschluss 35 durch den durch die Leistung der Hauptpumpe 23 bereitgestellten Druck des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs gegen die Kraft der Feder 36 nach unten gedrückt, nachdem ein bestimmter Schwellenwert des Kühlmitteldrucks überschritten wird. Dabei wird das Steuerventil 30 geöffnet (5). Gemäß 5 ist das Steuerventil vollständig geöffnet, so dass das Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf mit voller Kraft strömen kann und der Ladeluftkühler 5 mit hoher Effizienz gekühlt wird. Der Kühlradiator 8 wird dabei ebenfalls eingeschaltet, sofern er nicht schon eingeschaltet ist.
In einem vierten Schritt S4 wird der Verschluss durch die Wirkung des Thermostats gegen die Kraft der Feder 36 nach unten gedrückt, wenn ein bestimmter Schwellenwert der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf überschritten wird. Dabei wird das Steuerventil 30 geöffnet (6). Gemäß 6 ist das Steuerventil vollständig geöffnet, so dass das Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf mit voller Kraft strömen kann und der Ladeluftkühler 5 mit hoher Effizienz gekühlt wird. Der Kühlradiator 8 wird dabei ebenfalls eingeschaltet, sofern er nicht schon eingeschaltet ist.
Die Schritte S2 - S4 können parallel, d.h. zeitgleich, oder zeitlich überlappend stattfinden. Damit wird das Steuerventil 30 auf jeden Fall geöffnet, wenn bestimmte Schwellenwerte aller besagten Parameter überschritten werden. Das Steuerventil 30 kann so eingestellt sein, dass ein Überschreiten eines Schwellenwertes eines Parameters ausreichend ist, um den Verschluss 35 nach unten zu drücken. Dabei wird besonders die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 6 als alleiniger ausreichender Parameter herangezogen. Das Steuerventil kann auch so eingestellt sein, dass zwei Parameter zusammenwirken müssen, dass der Verschluss 35 nach unten gedrückt wird, wobei besonders der Ladedruck und der Druck des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 11 als entsprechende Parameter herangezogen werden.
In 11 sind tabellarisch einige exemplarische Situationen erläutert, in denen die das Steuerventil 30 in Abhängigkeit von den Parametern Ladedruck, Kühlmitteldruck im zweiten Kühlmittelkreislauf 11 und Kühlmitteltemperatur im ersten Kühlmittelkreislauf unterschiedliche Öffnungszustände aufweist.
Gemäß 11 ist das Steuerventil 30 geschlossen, d.h. es fließt kein Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf, wenn die Kühlmitteltemperatur unter 70°C, der Kühlmitteldruck unter 0,3 bar und der Ladedruck unter 0,2 bar liegt (Spalte 1). Die besagten Werte werden als erste Schwellenwerte bezeichnet.
Werden diese teilweise überschritten, wird das Steuerventil 30 teilweise, d.h. zwischen 0 und 100%, besonders aber zu einem Teil bis zu 20%, ganz besonders 10%, geöffnet. Das geschieht z.B. mit den Werten in der Spalte 2, worin die Kühlmitteltemperatur unter 70°C und der Kühlmitteldruck unter 0,3 bar liegen, der Ladedruck jedoch zwischen 0,2 und 0,6 bar. Analog wird das Steuerventil 30 teilweise geöffnet, wenn wie in Spalte 3 die Kühlmitteltemperatur unter 70°C und der Ladedruck unter 0,2 bar liegen, der Kühlmitteldruck jedoch zwischen 0,2 und 0,6 bar. Die 0,6 bar können als zweite Schwellenwerte für den Ladedruck und Kühlmitteldruck angenommen werden, wobei das Steuerventil 30 vollständig geöffnet wird, wenn diese jeweils überschritten werden.
Das Steuerventil 30 wird vollständig geöffnet, wenn die Kühlmitteltemperatur noch unter 70°C liegt, der Ladedruck und Kühlmitteldruck jedoch beide jeweils einen Wert von 0,4 überschreiten (Spalte 4). Diese Situation kann ebenfalls als Schwellenwert definiert werden.
Das Steuerventil 30 wird ebenfalls vollständig geöffnet, wenn die Temperatur ihren ersten Schwellenwert von 70°C überschreitet (Spalte 5). Wie aus Spalte 5 ersichtlich, sind die beiden anderen Parameter hier unerheblich, wenn die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf den gesetzten (ersten) Schwellenwert überschreitet.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Brennkraftmaschine
21: Zylinderkopf
22: Zylinder
23: Hauptpumpe
3: Ansaugtrakt
4: Kompressor
5: Ladeluftkühler
6: erster Kühlmittelkreislauf
61: erste Ausgleichsleitung
62: Durchflussbegrenzer
63: erste Zuleitung
7: elektrische Pumpe
8: erster Kühlradiator
9: erster Temperatursensor
10: Ausgleichsbehälter
11: zweiter Kühlmittelkreislauf
111: zweite Ausgleichsleitung
112: dritte Ausgleichsleitung
113: zweite Zuleitung
12: zweiter Kühlradiator
121: erste Teilleitung
122: zweite Teilleitung
123: gemeinsame Leitung
13: zweiter Temperatursensor
14: Dreiwegeventil
15: Steuereinrichtung
30: Steuerventil
31: Gehäuse
32: Strömungsweg
33: Strömungswegeinlass
34: Strömungswegauslass
35: Verschluss
36: Feder
37: Thermostat
371: Aktuator
38: Leckpassage
39: Membran
40: Ladedruck-Steuerzulauf
41: Kühlmitteldruck-Steuerzulauf
42: Kühlmitteldruck-Kompensationszulauf

Claims

Steuerventil (30) zum Steuern der Strömung eines ersten fluiden Mediums in einer Leitung einer Strömungsanordnung, umfassend ein Gehäuse (31), das einen Strömungsweg (32) für das erste fluide Medium mit einem Einlass (33) und einem Auslass (34) aufweist, einen Verschluss (35) zum mindestens teilweisen Öffnen und Schließen des Strömungsweges, einen Zugang für mindestens ein zweites fluides Medium (40), einen Zugang für mindestens ein drittes fluides Medium (41), und ein Thermostat (37) mit einer fluiden Verbindung zu der Leitung des ersten fluiden Mediums (38), wobei der Verschluss (35) durch den Druck des zweiten fluiden Mediums, den Druck des dritten fluiden Mediums und einen Aktuator (371) des Thermostats (37) gegen den Widerstand einer Feder des Verschlusses (36) bewegt werden kann, so dass der Verschluss (35) den Strömungsweg des ersten fluiden Mediums (32) in einem ersten Arbeitszustand verschließt und in einem zweiten Arbeitszustand mindestens teilweise öffnet.
Steuerventil (30) nach Anspruch 1, bei dem das erste fluide Medium ein Kühlmittel eines Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislaufs (6) für einen Ladeluftkühler (5) für eine Brennkraftmaschine (2) eines Fahrzeugs ist.
Steuerventil (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Zugang für das zweite fluide Medium (40) eine fluide Verbindung zu einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine aufweist.
Steuerventil (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zugang für das dritte fluide Medium (41) eine fluide Verbindung zu einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (11) einer Brennkraftmaschine aufweist.
Steuerventil (30) nach Anspruch 4, bei dem das Steuerventil einen weiteren Zugang (42) für das Kühlmittel der Brennkraftmaschine aufweist, über den ein statischer Druck des Kühlmittels der Brennkraftmaschine auf den Verschluss wirkt, um eine thermisch bedingte Druckwirkung des Kühlmittels der Brennkraftmaschine auf den Verschluss (35) auszugleichen.
Steuerventil (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Wirkung des Thermostats (37) prioritär gegenüber dem Druck des zweiten fluiden Mediums und dem Druck des dritten fluiden Mediums ist.
Steuerventil (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Öffnungseigenschaften des Steuerventils (30) durch die Ausbildung der druckbeaufschlagten Oberflächen des Verschlusses (35) und die Kraft der Feder (36) des Verschlusses (35) bestimmt sind.
Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Ladeluftkühler (5) in einem Ansaugtrakt (3), der mit einem ersten Kühlmittelkreislauf (6) verbunden ist, bei der die Brennkraftmaschine (2) mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf (11) verbunden ist, der erste (6) und der zweite Kühlmittelkreislauf (11) mit einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter (10) verbunden sind, zum Steuern der Strömung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf (6) ein Steuerventil (30) gemäß einem der Ansprüche 1-7 in der Leitung des ersten Kühlmittels angeordnet ist, und wobei das Steuerventil (30) zum Steuern der Stellung des Verschlusses (35) eine Verbindung zum Ansaugtrakt (40), eine Verbindung zum zweiten Kühlmittelkreislauf (41), eine Verbindung zum Ausgleichbehälter (42) und ein mit der Leitung des ersten Kühlmittels fluide verbundenes Thermostat (37) aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß Anspruch 8, mit den Schritten: - Betrieb der Brennkraftmaschine (2), wobei sich das Steuerventil (30) des ersten Kühlmittelkreislaufs (6) in einem ersten Arbeitszustand befindet, wobei der Strömungsweg des ersten Kühlmittelkreislaufs (32) verschlossen ist, - Öffnen des Verschlusses (35) durch den Druck der Ansaugluft mindestens teilweise, wenn ein bestimmter Schwellenwert des Drucks der Ansaugluft überschritten wird, so dass sich das Steuerventil (30) in einem zweiten Arbeitszustand befindet, und/oder - Öffnen des Verschlusses (35) durch den Druck des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs (11) mindestens teilweise, wenn ein bestimmter Schwellenwert des Drucks des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf (11) überschritten wird, so dass sich das Steuerventil (30) in einem zweiten Arbeitszustand befindet, und/oder - Öffnen des Verschlusses (35) durch die Wirkung des Thermostats (37) mindestens teilweise, wenn ein bestimmter Schwellenwert der Temperatur des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf (6) überschritten wird, so dass sich das Steuerventil (30) in einem zweiten Arbeitszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Überschreiten des Schwellenwertes mindestens eines Parameters ausreicht, um den Verschluss (35) mindestens teilweise zu öffnen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Öffnungsgrad des Verschlusses (35) von der Höhe der Parameterwerte über dem Schwellenwert abhängt.