DE102020213110B3

DE102020213110B3 - Thermostatventil für einen Kühlmittelkreislauf

Info

Publication number: DE102020213110B3
Application number: DE102020213110.4A
Authority: DE
Inventors: Hans Günter Quix; Antonio Farina; Jan Mehring; Stefan Quiring
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2040-10-17
Also published as: CN114382583A; US11846473B2; US20220120521A1

Abstract

Es wird ein Thermostatventil zum Steuern der Strömung eines fluiden Mediums in einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei das Thermostatventil ausgebildet ist, durch ein Dehnstoffelement auf die Temperatur des Kühlmittels und durch einen druckempfindlichen Aktor auf den Ladedruck im Ansaugtrakt zu reagieren. Es werden weiterhin eine Anordnung mit dem Thermostatventil und ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein temperatur- und druckabhängiges Thermostatventil zum Steuern einer Kühlmittelströmung, eine Anordnung mit dem Thermostatventil sowie ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung.
Die Reduktion der Emission von Kohlendioxid ist eine große Herausforderung für aktuelle und zukünftige Technologie von Brennkraftmaschinen. Es wurden z.B. verschiedene Verfahren entwickelt, um dem Kohlendioxid-Ausstoß durch Verringern der inneren Reibung im Motor entgegenzuwirken. Eine übliche Maßnahme ist beispielsweise, die Brennkraftmaschine während niedriger Lasten nicht zu stark abkühlen zu lassen, indem die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Verglichen mit hohen Lasten ist bei niedrigen Lasten keine starke Kühlung erforderlich, und die Einstellungen der Verbrennungsparameter (z.B. der Klopfgrenze) erlauben ebenfalls höhere Temperaturen der Wandungen der Brennkraftmaschine. Zum Steuern der Temperatur des Kühlmittels werden typischerweise z.B. Thermostate oder steuerbare Ventile in einem Kühlmittelkreislauf verwendet. Ein Steuerventil zum Steuern einer Kühlmittelströmung, das unter anderem ein Thermostat aufweist, wird z.B. für einen Kühlmittelkreislauf eines Ladeluftkühlers in der Druckschrift DE 10 2018 207 621 B3 beschrieben. Weitere Kühlsysteme mit Thermostateinrichtungen werden z.B. in den Druckschriften DE 10 2019 000 836 A1 , US 5 404 842 A , DE 34 21 284 A1 , US 5 738 048 A und US 4 964 371 A beschrieben. Herkömmliche Thermostate sind preiswert und relativ robust, weisen aber eine verzögerte Reaktionszeit auf (typischerweise mindestens 10 s). Steuerbare Ventile sind dagegen vergleichsweise schnell, benötigen jedoch eine komplexe Steuerstrategie; zudem sind aufwändige Mechanismen erforderlich, um bei Fehlfunktionen einem Überhitzen der Brennkraftmaschine entgegenzuwirken. Es besteht daher die Aufgabe, die Kühlung einer Brennkraftmaschine schnell und zuverlässig zu steuern.
Diese Aufgabe wird durch ein Thermostatventil gemäß Anspruch 1, eine Anordnung gemäß Anspruch 7 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafterweise kombinierbar.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Thermostatventil zum Steuern der Strömung eines fluiden Mediums in einem Kühlmittelkreislauf einer aufladbaren Brennkraftmaschine,
das ein Dehnstoffelement aufweist, das wirksam mit einem Übertragungsstift des Ventils verbunden ist, um durch eine von der Temperatur des fluiden Mediums abhängige, eine Bewegung des Übertragungsstiftes bewirkende Volumenänderung die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil zu steuern,
weiterhin einen durch Druck regelbaren Aktor aufweist, der zusätzlich mit dem Übertragungsstift des Ventils wirksam verbunden ist, um die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil zu steuern,
und mindestens einen ersten Anschluss, mindestens einen zweiten Anschluss und mindestens einen dritten Anschluss aufweist, wobei der jeweilige Öffnungszustand und Öffnungsgrad des zweiten Anschlusses mittels eines mit dem Übertragungsstift verbundenen ersten Ventiltellers und eines Ventilsitzes im Öffnungsbereich des zweiten Anschlusses und des dritten Anschlusses mittels eines mit dem Übertragungsstift verbundenen zweiten Ventiltellers und eines äußeren Ventilsitzes im Öffnungsbereich des dritten Anschlusses in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und den auf den Aktor wirkenden Druck steuerbar sind. Im Bereich des Öffnungsbereiches des dritten Anschlusses ist stromaufwärts vom äußeren Ventilsitz ein innerer Ventilsitz angeordnet, an dem durch Kontakt mit dem zweiten Ventilteller der Strömungsweg verschließbar ist, so dass der Öffnungszustand und Öffnungsgrad des dritten Anschlusses ebenfalls über den inneren Ventilsitz steuerbar sind.
Das erfindungsgemäße Thermostatventil ist vorteilhaft, weil es durch die Kombination eines Dehnstoffelements mit einem druckempfindlichen Aktor eine steuerbare, schnelle und robuste Kontrolle der Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf ermöglicht. Durch die zwei Verschlussmöglichkeiten des dritten Anschlusses und durch ein Ansteuern des Thermostatventils durch Temperatur und Druck wird ein Öffnen des Thermostatventils bei unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Das erfindungsgemäße Thermostatventil ermöglicht daher eine einfache, aber sehr flexible und effiziente Steuerung der Kühlmitteltemperatur.
Im Sinne der Erfindung ist vorgesehen, das Thermostatventil in einem Kühlmittelkreislauf über den ersten Anschluss mit einer ersten Kühlmittelleitung, über den zweiten Anschluss mit einer zweiten Kühlmittelleitung und über den dritten Anschluss mit einer dritten Kühlmittelleitung zu verbinden. Idealerweise ist dabei die erste Kühlmittelleitung eine zuführende Leitung und sind die zweite Kühlmittelleitung sowie die dritte Kühlmittelleitung wegführende Leitungen.
Der Begriff der Last bezieht sich auf das Verhältnis von Drehzahl zu Drehmoment. Dem Fachmann ist dabei klar, wann bei einer bestimmten Brennkraftmaschine eine hohe Last (Volllast) oder eine vergleichsweise niedrige Last (Teillast) anliegt.
Das Dehnstoffelement weist beispielsweise Wachs auf. In einem bestimmten Temperaturbereich schmilzt das Wachs und erfährt dabei eine Volumenänderung, d.h. das Volumen des Dehnstoffelements wird erhöht. Das Dehnstoffelement nimmt also die Temperatur des Kühlmittels an und ändert in Abhängigkeit von der Temperatur sein Volumen, wodurch es auf den Übertragungsstift des Ventils wirkt. Das Dehnstoffelement kann auch andere zweckmäßige volumenändernde Stoffe aufweisen.
Der innere Ventilsitz im dritten Anschluss ist als rundum laufender Haltesteg ausgebildet. Mit anderen Worten ist der innere Ventilsitz z.B. als Erhebung des Materials der innenliegenden Wandung des Thermostatventils zu verstehen. Der innere Ventilsitz kann alternativ auch aus anderem Material als das der Wandung des Thermostatventils bestehen, und von außen in das Thermostatventil eingebracht werden. Dabei ist innere Ventilsitz gleichmäßig ausgebildet, so dass ein vollständiger Verschluss des Strömungsweges durch Kontakt mit der oberen Ventilplatte möglich ist.
Vorzugsweise ist der druckempfindliche Aktor des erfindungsgemäßen Thermostatventils mittels einer Verbindungsleitung mit einer druckvariablen Umgebung verbindbar. Vorteilhafterweise ist die druckvariable Umgebung der Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Dadurch wirken Veränderungen des Ladedrucks auf die Bewegung des Übertragungsstiftes. Auf diese Weise kann ein von einem im Ansaugtrakt angeordneten Kompressor generierter Druck (Ladedruck) auf den Aktor übertragen werden. Ein hoher Ladedruck, der mit einer hohen Last der Brennkraftmaschine korreliert, bewirkt dabei eine Bewegung des Übertragungsstifts und damit eine niedrigere Öffnungstemperatur des Thermostatventils zum Kühler. Das erfindungsgemäße Thermostatventil ermöglicht also bei hohen Lasten eine niedrigere Öffnungstemperatur des Ventils zum Wärmetauscher als herkömmliche Ventile. Damit kann bei beginnender hoher Last frühzeitig Wärme von der Brennkraftmaschine abgeführt werden.
Vorzugsweise steht der zweite Ventilteller in geschlossenem Kontakt mit dem inneren Ventilsitz, wenn der Übertragungsstift in seiner Ausgangsposition ist. Dabei sind die Strömungswege durch den dritten und zweiten Anschluss verschlossen, da in dieser Position ein Fluss von Kühlungsmittel weder über den zweiten noch über den dritten Anschluss ermöglicht wird. Damit fließt bei einer Verbindung des zweiten Anschlusses zu einem Wärmetauscher (auch als Kühler bezeichnet) und des dritten Anschlusses zu einer Bypassleitung des Wärmetauschers überhaupt kein Kühlmittel im Kreislauf. Dieser Zustand bewirkt unter Bedingungen niedriger Temperaturen des Kühlmittels und eines niedrigen Ladedrucks, d.h. besonders nach dem Start einer entsprechenden Brennkraftmaschine, dass kein Kühlmittel fließt und sich die Brennkraftmaschine schneller erwärmt. Vorteilhaft werden dadurch schneller Temperaturen der Brennkraftmaschine erreicht, die eine günstige Verbrennung des Kraftstoffs im Blick auf einen niedrigen Kohlendioxid-Ausstoß bewirken.
Vorzugsweise steht der zweite Ventilteller in geschlossenem Kontakt mit dem äußeren Ventilsitz, wenn der Übertragungsstift in seiner Endposition ist. Dadurch wird der Strömungsweg über den dritten Anschluss verschlossen. Der zweite Anschluss ist dabei zumindest durch die Temperaturwirkung auf das Dehnstoffelement zumindest teilweise geöffnet (bei geringem Ladedruck), und kann auch vollständig geöffnet sein (bei hohem Ladedruck). Damit wird ermöglicht, dass unter Betriebsbedingungen hoher Temperaturen der Brennkraftmaschine das Kühlmittel vollständig durch den Kühler geleitet wird, und die Strömung des Kühlmittels zusätzlich in Abhängigkeit von der Last geregelt wird.
Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Thermostatventil in einem ersten Arbeitszustand der zweite Anschluss und der dritte Anschluss geschlossen, in einem zweiten Arbeitszustand der zweite Anschluss geschlossen und der dritte Anschluss zumindest teilweise geöffnet, in einem dritten Arbeitszustand der zweite Anschluss zumindest teilweise geöffnet und der dritte Anschluss teilweise geöffnet, in einem vierten Arbeitszustand der zweite Anschluss teilweise, aber in einem höheren Maße als im dritten Zustand geöffnet und der dritte Anschluss geschlossen, und in einem fünften Arbeitszustand der zweite Anschluss vollständig geöffnet und der dritte Anschluss geschlossen. Die Arbeitszustände sind durch unterschiedliche Dehnungen des Dehnstoffelements, bewirkt durch unterschiedliche Temperaturen des Kühlmittels, und durch unterschiedliche Stellungen des Aktors, bewirkt durch unterschiedliche Druckzustände im Ansaugtrakt, die wiederum jeweils auf den Übertragungsstift wirken, charakterisiert. Die möglichen Arbeitszustände sind nicht auf diese Aufzählung beschränkt. Der erste Anschluss ist dabei stets geöffnet.
Besonders bevorzugt ist der dritte Anschluss im ersten Arbeitszustand durch Kontakt des zweiten Ventiltellers mit dem inneren Ventilsitz und im vierten und fünften Arbeitszustand durch Kontakt des zweiten Ventiltellers mit dem äußeren Ventilsitz geschlossen. Im dritten Arbeitszustand ist der zweite Ventilteller vom inneren Ventilsitz weiter entfernt als im zweiten Arbeitszustand.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem Abgastrakt, wobei in dem Ansaugtrakt ein Kompressor angeordnet ist, und einem Kühlmittelkreislauf mit mindestens einer ersten, zweiten und dritten Kühlmittelleitung, der ein erfindungsgemäßes Thermostatventil aufweist. Die Vorteile der Anordnung entsprechen dabei denen des Thermostatventils. Der Kompressor kann ein beispielsweise ein Kompressor eines Turboladers sein, oder ein anderweitig mechanisch oder elektrisch angetriebener Kompressor.
Bevorzugt ist in der erfindungsgemäßen Anordnung der druckempfindliche Aktor über eine Verbindungsleitung stromabwärts des Kompressors mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden. Diese Anordnung ermöglicht ein Übertragen des Drucks aus dem Ansaugtrakt auf den Aktor, der bei ausreichend hohem Druck das Ventil betätigen kann.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung die erste Kühlmittelleitung mit einem Kühlmantel der Brennkraftmaschine verbunden, die zweite Kühlmittelleitung mit einem Wärmetauscher, und ist die dritte Kühlmittelleitung die Bypassleitung des Wärmetauschers.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Anordnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
2 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem ersten Arbeitszustand,
3 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
4 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
5 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
6 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
7 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
8 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
9 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermostatventils in einem weiteren Arbeitszustand,
10 Diagramm zur Bewegungscharakteristik des Übertragungsstiftes des erfindungsgemäßen Thermostatventils,
11 ein Diagramm zur Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils unter Bedingungen niedrigen Ladedrucks und
12 ein Diagramm zur Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils unter Bedingungen hohen Ladedrucks.

Eine erfindungsgemäße Anordnung weist in der Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 eine Brennkraftmaschine 2 auf, von der Kühlmittel über einen Kühlmittelkreislauf 10 zu einem Wärmetauscher 3 geleitet wird. Die Brennkraftmaschine 2 ist dabei zumindest teilweise von einem Kühlmantel umgeben, in dem das Kühlmittel strömt, Wärme von der Brennkraftmaschine 2 aufnimmt und ableitet. In dem Wärmetauscher 3, der auch als Kühler bezeichnet werden kann, wird die Wärme vom Kühlmittel an die Umgebung oder einen anderen Wärmeträger übertragen. Als Kühlmittel wird z.B. Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet.
Die Brennkraftmaschine 2 ist mit einem Ansaugtrakt 4 zum Zuleiten von Verbrennungsluft und einem Abgastrakt 5 zum Ableiten von Abgas verbunden. Im Abgastrakt 5 ist eine Turbine 6 und im Ansaugtrakt ein über eine Welle 7 mit der Turbine 6 verbundener Kompressor 8 eines Abgasturboladers angeordnet.
Zum Steuern der Kühlmittelströmung im Kühlmittelkreislauf 10 weist die Anordnung 1 ein erfindungsgemäßes Thermostatventil 20 auf. In dem Kühlmittelkreislauf 10 führt eine erste Kühlmittelleitung 11 von der Brennkraftmaschine 2 zum Thermostatventil 20. Das Thermostatventil 20 ist ausgebildet, das Kühlmittel in Abhängigkeit von seiner Temperatur durch eine zweite Kühlmittelleitung 12 zu leiten, in der der Wärmetauscher 3 angeordnet ist, oder durch eine dritte Kühlmittelleitung 13, die als Bypassleitung des Wärmetauschers 3 vorgesehen ist. Stromabwärts des Wärmetauschers 3 vereinigen sich die zweite Kühlmittelleitung 12 und die dritte Kühlmittelleitung 13 zu einer vierten Kühlmittelleitung 14. In der vierten Kühlmittelleitung 14 ist eine Kühlmittelpumpe 15 angeordnet, die zum Bewirken der Strömung in dem Kühlmittelkreislauf 10 vorgesehen ist.
Das Thermostatventil 20 weist einen ersten Anschluss 21 für die erste Kühlmittelleitung 11, einen zweiten Anschluss 22 für die zweite Kühlmittelleitung 12 und einen dritten Anschluss 23 für die dritte Kühlmittelleitung 13 auf. Die Strömung des Kühlmittels durch die Anschlüsse wird in dem Thermostatventil 20 gesteuert. Dazu weist das Thermostatventil 20 ein Dehnstoffelement 24 als temperatursensitives Element auf. Das Dehnstoffelement 24 erfasst die Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennkraftmaschine 2 kommt. Das Dehnstoffelement 10 weist Wachs als Dehnstoff in einem Gehäuse auf. Im Bereich von etwa 85 - 95°C kommt es durch einen Phasenübergang zu einer signifikanten Volumenänderung des Wachses. Die Volumenänderung wird in eine Bewegung eines Übertragungsstiftes 25 umgewandelt.
Das Thermostatventil 20 weist weiterhin einen druckempfindlichen Aktor 39 auf. Der druckempfindliche Aktor 39 ist ausgebildet, auf Druckunterschiede zu reagieren und bei erhöhtem Druck eine Bewegung des Übertragungsstiftes 25 zu bewirken. Zum Bewirken des Drucks auf den Aktor 39 weist die Anordnung 1 eine Verbindungsleitung 40 vom Ansaugtrakt 4 zum Aktor 39 auf. Die Verbindungsleitung 40 zweigt stromabwärts des Kompressors 8 vom Ansaugtrakt 4 ab, so dass die Druckverhältnisse vor der Brennkraftmaschine 2 auf den Aktor 39 übertragen werden können. Der Aktor 39 beeinflusst dadurch die Öffnungstemperatur des Thermostatventils 20 in Abhängigkeit vom Ladedruck.
Der jeweilige Öffnungsstatus des zweiten Anschlusses 22 und des dritten Anschlusses 23 werden damit durch die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und vom Ladedruck gesteuert. Kühlt sich das Wachs wieder ab bzw. verringert sich der Ladedruck wieder, wird der Übertragungsstift 25 z.B. durch einen Federmechanismus 26 in seine Ausgangsposition zurückgedrückt.
Zum Steuern des jeweiligen Öffnungsstatus ist im Öffnungsbereich 221 des zweiten Anschlusses 22 ein erster Ventilsitz 27 ausgebildet. Der Übertragungsstift 25 ist mit einem ersten Ventilteller 31 verbunden, der zum Verschließen des Strömungsweges im Bereich der zweiten Anschlussöffnung 22 vorgesehen ist. Dabei hat der erste Ventilteller 31 den ersten Ventilsitz 27 als Gegenstück, an dem durch Kontakt mit dem ersten Ventilteller 31 der Strömungsweg im zweiten Anschluss 22 verschlossen wird.
Im Öffnungsbereich 231 des dritten Anschlusses ist ein äußerer Ventilsitz 28 und stromaufwärts davon ein innerer Ventilsitz 29 ausgebildet, die die Gegenstücke für einen mit dem Übertragungsstift 25 verbundenen zweiten Ventilteller 32 sind. An den Ventilsitzen 28 und 29 kann wechselweise der Strömungsweg im Bereich des dritten Anschlusses 23 geschlossen werden. Somit sind im Bereich des dritten Anschlusses 23 zwei Stellen zum Verschließen des Strömungsweges vorgesehen, nämlich einmal in der Ausgangsstellung des Übertragungsstiftes 25, und einmal in der Endstellung des Übertragungsstiftes 25.
Der innere Ventilsitz 29 ist als rundum laufender Haltesteg ausgebildet. Dieser ist als Erhebung des Materials der innenliegenden Wandung des Thermostatventils 20 zu verstehen. Das Material kann dabei aus dem Material der Wandung ausgebildet sein, d.h. ausgewölbt, oder als ringförmiges Material in das Thermostatventil 20 eingebracht und mit der innenliegenden Wandung verbunden werden, z.B. durch einen Schweißprozess. Dabei ist der Haltesteg gleichmäßig ausgebildet, so dass ein vollständiger Verschluss des Strömungsweges durch Kontakt mit dem zweiten Ventilteller 32 möglich ist.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Thermostatventils 20 kann anhand verschiedener Arbeitszustände des Thermostatventils 20 gemäß der 2 - 9 beschrieben werden. Alle verwendeten Werte sind beispielhaft und können je nach Anwendung durch entsprechende Auslegung der Komponenten variiert werden. Die gefüllten Pfeile innerhalb des Thermostatventils 20 zeigen dabei die Strömung des Kühlmittels an.
In einem ersten Arbeitszustand gemäß 2 liegt die Temperatur des Kühlmittels liegt bei unter 80°C. Das Dehnstoffelement 24 weist dabei seine geringste Ausdehnung auf. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 nicht aktiviert wird. Der Übertragungsstift 25 befindet sich dabei in seiner Ausgangsstellung. Dabei sind sowohl der zweite Anschluss 22 durch vollständigen Kontakt mit des ersten Ventiltellers 31 mit dem ersten Ventilsitz 27 als auch der dritte Anschluss 23 durch Kontakt des zweiten Ventiltellers 32 mit dem inneren Ventilsitz 29 geschlossen. Dadurch strömt überhaupt kein Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 10. Der Arbeitszustand gemäß 2 liegt z.B. kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine 2 vor, d.h. wenn sich die Brennkraftmaschine 2 erwärmen soll. Dabei ist es vorteilhaft, dass überhaupt kein Kühlmittel fließt, das Wärme von der Brennkraftmaschine 2 ableiten könnte.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 3 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 87°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 nicht aktiviert wird. Das Dehnstoffelement 24 dehnt sich derart aus, dass durch die entsprechende Bewegung des Übertragungsstiftes 25 der zweite Ventilteller 32 sich von dem inneren Ventilsitz 29 löst, wodurch ein Öffnen des dritten Anschlusses 23 bewirkt wird, der zweite Anschluss 22 jedoch noch durch den ersten Ventilteller 31 verschlossen wird. Damit strömt das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel nur in die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 3. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. ebenfalls kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine 2 vor, bei dem sich die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 bereits einer ersten Betriebstemperatur annähert.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 4 liegt die Temperatur des Kühlmittels zwischen 87°C und 95°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 nicht aktiviert wird. Das Dehnstoffelement 24 dehnt sich derart aus, dass durch die entsprechende Bewegung des Übertragungsstiftes 25 der zweite Ventilteller 32 sich weiter von dem inneren Ventilsitz 29 entfernt und sich äußeren Ventilsitz 28 annähert, wodurch der dritte Anschluss 23 geöffnet bleibt. Im Öffnungsbereich des zweiten Anschlusses 221 wird durch die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 ein Lösen des ersten Ventiltellers 31 vom ersten Ventilsitz 27 bewirkt. In diesem Arbeitszustand strömt damit das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel sowohl durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3 als auch durch die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 3. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. vor, wenn sich die Brennkraftmaschine 2 die erste Betriebstemperatur erreicht hat. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei einer niedrigen Last und niedrigen Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 2.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 5 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei über 95°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein niedriger Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 nicht aktiviert wird. Das Dehnstoffelement 24 ist bei dieser Temperatur maximal ausgedehnt. Dabei ist durch die entsprechende Bewegung des Übertragungsstiftes 25 der zweite Ventilteller 32 in vollständigem Kontakt mit äußeren Ventilsitz 28. Der erste Ventilteller 31 ist weiter von dem ersten Ventilsitz 27 entfernt als in dem Arbeitszustand gemäß 4. In diesem Arbeitszustand strömt damit das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3, aber nicht durch die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. nicht durch die Bypassleitung. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. vor, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 oberhalb der ersten Betriebstemperatur liegt. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei einer niedrigen Last und niedrigen Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 2.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 6 liegt die Temperatur des Kühlmittels liegt bei unter 80°C. Das Dehnstoffelement 24 weist dabei seine geringste Ausdehnung auf. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein hoher Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 aktiviert wird. Die dadurch bewirkte Bewegung des Übertragungsstiftes 25 bewirkt eine Öffnung der Anschlüsse wie unter 3 erklärt, so dass Kühlmittel durch die dritte Kühlmittelleitung 13 fließt, aber nicht durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3. Der Arbeitszustand gemäß 2 liegt z.B. kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine 2 vor, d.h. wenn sich die Brennkraftmaschine 2 erwärmen soll. Gleichzeitig liegt bereits eine hohe Last an, so dass bei einer zu erwartenden schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine 2 ein Fluss von Kühlmittel bereitgestellt wird.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 7 liegt die Temperatur des Kühlmittels zwischen 80 und 90°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein hoher Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 aktiviert wird. Die Dehnung des Dehnstoffelements 24 und die entsprechende Wirkung auf die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 entsprechen denen wie zu 3 beschrieben. Durch die Wirkung des Aktors 39 wird jedoch eine weitere Bewegung des Übertragungsstiftes 25 bewirkt, so dass sich der zweite Ventilteller 32 weiter von dem inneren Ventilsitz 29 entfernt und sich dem äußeren Ventilsitz 28 annähert, wodurch der dritte Anschluss 23 geöffnet bleibt, und sich der erste Ventilteller 31 ebenfalls von ersten Ventilsitz 27 entfernt. In diesem Arbeitszustand strömt damit das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel sowohl durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3 als auch in die dritte Kühlmittelleitung 13, d.h. durch die Bypassleitung des Wärmetauschers 3. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. vor, wenn die Brennkraftmaschine 2 eine zweite Betriebstemperatur erreicht hat. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei einer hohen Last und einer hohen Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 8 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei 90°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein hoher Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 aktiviert wird. Die Dehnung des Dehnstoffelements 24 und die entsprechende Wirkung auf die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 entsprechen denen wie zu 4 beschrieben. Durch die Wirkung des Aktors wird jedoch eine weitere Bewegung des Übertragungsstiftes 25 bewirkt, so dass der dritte Anschluss 23 durch den zweiten Ventilteller 32 am äußeren Ventilsitz 28 verschlossen wird, und der zweite Anschluss 22 durch den ersten Ventilteller 31 zu etwa 50% geöffnet wird. In diesem Arbeitszustand strömt damit das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3, aber nicht durch die dritte Kühlmittelleitung 13. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. vor, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 oberhalb der zweiten Betriebstemperatur liegt. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei einer hohen Last und einer hohen Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine.
In einem weiteren Arbeitszustand des Thermostatventils 20 gemäß 9 liegt die Temperatur des Kühlmittels bei über 95°C. Gleichzeitig liegt im Ansaugtrakt 4 ein hoher Ladedruck vor, so dass der Aktor 39 aktiviert wird. Das Dehnstoffelement 24 ist bei dieser Temperatur maximal ausgedehnt. Dabei ist durch die entsprechende Bewegung des Übertragungsstiftes 25 der zweite Ventilteller 32 in vollständigem Kontakt mit dem äußeren Ventilsitz 28. Der erste Ventilteller 31 wird durch die Wirkung des Aktors 39 noch weiter von dem ersten Ventilsitz 27 gedrückt als z.B. in dem Arbeitszustand gemäß 8, so dass der zweite Anschluss 22 zu 100% geöffnet ist. In diesem Arbeitszustand strömt damit das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3, aber nicht durch die dritte Kühlmittelleitung 13. Dieser Arbeitszustand liegt z.B. vor, wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 oberhalb der zweiten Betriebstemperatur liegt. Die Betriebsbedingungen entsprechen dabei einer hohen Last und hohen Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine 3.
In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform kann das Thermostatventil 20 noch ein zusätzliches Element aufweisen, das die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 und damit das Öffnen und Schließen der Anschlüsse 22, 23 verzögert. Damit wird auch nach Verringern des Ladedrucks noch für einen gewissen Zeitraum ein schnelles Fließen von Kühlmittel zum Wärmetauscher 3 ermöglicht, wenn die Brennkraftmaschine 2 noch erhöhte Temperaturen aufweist. Als verzögerndes Element könnte beispielsweise eine Drosselstelle in der Zuführleitung 40 zum Aktuator 39 oder auch direkt am Aktuator 39 vorgesehen werden, die das Übertragen des Ladedrucks in und aus dem Aktuator 39 verzögert. Durch entsprechende Auslegung der Drossel kann so eine gezielte zeitliche Verzögerung erreicht werden. Möglich ist auch eine Drossel mit einer Art „Ventilfunktion“, die das Ein- bzw. Ausströmen der Ladeluft in bzw. aus dem Aktuator 39 unterschiedlich verzögert. Auf die diese Weise könnte eine kurze Reaktionszeit bei einem Sprung von geringer auf hoher Last erreicht werden.
In 10 ist die Abhängigkeit der Bewegung des Übertragungsstiftes 25 von der Temperatur des Kühlmittels in einem Diagramm veranschaulicht. Bei Temperaturen über 80°C beginnt sich das Dehnstoffelement 24 auszudehnen. Bis zu einer Temperatur von 95°C besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen der Temperatur und der Bewegung des Übertragungsstiftes 25. Bei 95°C ist die maximale Bewegung des Übertragungsstiftes 25 erreicht (10 mm).
Bei einem hohen Ladedruck wird eine weitere Bewegung des Übertragungsstiftes 25 bewirkt. Dabei bewirkt durch einen Ladedruck die Bewegung des Übertragungstiftes 25 beeinflusst und damit die Öffnungszeiten der Anschlüsse beeinflusst. Bei einem hohen Ladedruck würden sich die o.g. Kreuze und damit der gesamte Graph nach oben verschieben.
Die in den Graphen von 10 eingezeichneten Kreuze charakterisieren Schwellenwerte der Temperatur und des Drucks, die einen bestimmten Öffnungsstatus des Thermoventils 20 bewirken. Bei dem ersten Kreuz liegt die Temperatur des Kühlmittels bei einem ersten Schwellenwert (80°C). Der Übertragungsstift befindet sich in seiner Ausgangstellung (0 mm). Bei einem niedrigen Ladedruck sind der zweite Anschluss 22 und der dritte Anschluss 23 geschlossen, bei einem hohen Ladedruck würde sich der dritte Anschluss 23 öffnen. Bei einem zweiten Schwellenwert (87°C) öffnet sich bei einem niedrigen Ladedruck der zweite Anschluss 22. Bei einem dritten Schwellenwert (90°C) schließt sich bei einem hohen Ladedruck der dritte Anschluss 23, wobei der zweite Anschluss 22 bereits offen ist. Der zweite Schwellenwert und der dritte Schwellenwert könnten z.B. auch in einen Schwellenwert zusammengefasst werden, wobei eine Temperatur bei unterschiedlichen Ladedrücken verschiedenen Wirkungen auf die Bewegung des Übertragungsstiftes 25 hat (d.h. bei gleicher Temperatur bewirkt ein hoher Ladedruck eine stärkere Bewegung des Übertragungsstiftes 25), oder ein gleicher Ladedruck bei verschiedenen Temperaturen (d.h. bei gleichem Ladedruck bewirkt eine höhere Temperatur eine stärkere Bewegung des Übertragungsstiftes 25). Bei einem vierten Schwellenwert (95°C) ist der dritte Anschluss 23 geschlossen, und der zweite Anschluss 22 bei niedrigem Ladedruck zu 100% geschlossen, und bei hohem Ladedruck zu 100% geöffnet.
Zur detaillierten Darstellung der Öffnungscharakteristik des Thermostatventils 20 sind in den 11 und 12 Diagramme gezeigt. Der Öffnungsstatus des Anschlusses 23 im Bereich des Haltestegs 27 wird durch eine Punkt-Strich-Linie veranschaulicht, im Bereich der Öffnung des Anschlusses 23 durch eine gepunktete Linie, und der Öffnungsstatus im Bereich des zweiten Anschlusses 22 durch eine gestrichelte Linie.
In 11 ist ein Diagramm zur Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils 20 unter Bedingungen niedrigen Ladedrucks zu sehen. Bei Verschließen des Strömungsweges am inneren Ventilsitz 29 wird Kühlmittel, bedingt durch die Stellung des Übertragungsstiftes 25 in seiner Ausgangsstellung, weder durch den Anschluss 23 noch durch den Anschluss 22 geleitet. Dieser Status liegt bei einer Temperatur von unter 80°C vor und wird hier als Status 1 N bezeichnet (N wie niedrig). Bei einer Temperatur von 80°C beginnt sich der Anschluss 23 am inneren Ventilsitz 29 zu öffnen. Der Verschluss am äußeren Ventilsitz 28 ist bei einer Temperatur von unter 80°C geöffnet und beginnt sich in gleichem Maße zu schließen, wie sich Anschluss 23 am inneren Ventilsitz 29 öffnet. Damit findet bei Temperaturen zwischen 80°C und 87°C ein Fluss von Kühlmittel durch die Bypassleitung (dritte Leitung 13) statt. Dieser Status, bei dem Kühlmittel durch die Bypassleitung, aber nicht zum Wärmetauscher 3 fließt, wird hier als Status 2N bezeichnet. Bei einer Temperatur von etwa 87°C beginnt sich der erste Ventilteller 31 vom ersten Ventilsitz 27 zu lösen und damit der zweite Anschluss 22 zu öffnen. Damit beginnt Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3 zu fließen. Dieser Status, in dem Kühlmittel sowohl zum Wärmetauscher 3 als auch durch die dritte Kühlmittelleitung 13 fließt, wird hier als Status 3N bezeichnet. Bei einer Temperatur von 95°C hat der zweite Ventilteller 32 den äußeren Ventilsitz 28 erreicht und verschließt damit den dritten Anschluss 23, so dass kein Kühlmittel durch die Bypassleitung fließt. Gleichzeitig ist der zweite Anschluss 22 zu etwa 50% geöffnet, so dass Kühlmittel nur zum Wärmetauscher 3 geleitet wird. Dieser Status wird hier als Status 4N bezeichnet.
In 12 ist ein Diagramm zur Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils 20 unter Bedingungen hohen Ladedrucks zu sehen. Dabei sind bei Temperaturen des Kühlmittels von bis zu 80°C sowohl der innere Ventilsitz 29 als auch der äußere Ventilsitz 28 nicht in Kontakt mit dem zweiten Ventilteller 32, so dass der dritte Anschluss 23 geöffnet ist. Der zweite Anschluss 22 ist geschlossen, so dass Kühlmittel durch die dritte Kühlmittelleitung 13 (Bypassleitung), aber nicht zum Wärmetauscher fließt. Dieser Status wird als Status 1H bezeichnet (H wie hoch). Bei einer Temperatur von 80°C beginnt sich das Dehnstoffelement 24 zu dehnen und den Übertragungsstift 25 zu bewegen, so dass sich der zweite Ventilteller 32 von dem innere Ventilsitz 29 entfernt und dem äußere Ventilsitz 28 annähert. Bis zu einer Temperatur von 90°C fließt damit Kühlmittel sowohl durch die zweite Kühlmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 3 als auch durch die dritte Kühlmittelleitung 13 (Bypassleitung). Dieser Status wird als Status 2H bezeichnet. Bei einer Temperatur von 90°C ist der äußere Ventilsitz 28 geschlossen. Damit fließt kein Kühlmittel mehr durch die Bypassleitung und nur zum Wärmetauscher 3, weil der zweite Anschluss 22 zu etwa 50% geöffnet ist. Dieser Status wird als Status 3H bezeichnet. Bei einer Temperatur von 95°C ist der zweite Anschluss 22 vollständig geöffnet (100%), während der dritte Anschluss 23 geschlossen ist. Dadurch wird eine größtmögliche Kühlung bereitgestellt. Dieser Status wird als Status 4H bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Anordnung
2: Brennkraftmaschine
3: Wärmetauscher
4: Ansaugtrakt
5: Abgastrakt
6: Turbine
7: Welle
8: Kompressor
10: Kühlmittelkreislauf
11: erste Kühlmittelleitung
12: zweite Kühlmittelleitung
13: dritte Kühlmittelleitung
14: vierte Kühlmittelleitung
15: Kühlmittelpumpe
20: Thermostatventil
21: erster Anschluss
22: zweiter Anschluss
221: Öffnungsbereich des zweiten Anschlusses
23: dritter Anschluss
231: Öffnungsbereich des dritten Anschlusses
24: Dehnstoffelement
25: Übertragungsstift
26: Federmechanismus
27: Ventilsitz im zweiten Anschluss
28: äußerer Ventilsitz im dritten Anschluss
29: innerer Ventilsitz im dritten Anschluss
31: erster Ventilteller
32: zweiter Ventilteller
39: Aktor
40: Verbindungsleitung

Claims

Thermostatventil (20) zum Steuern der Strömung eines fluiden Mediums in einem Kühlmittelkreislauf (10) einer aufladbaren Brennkraftmaschine (2), das ein Dehnstoffelement (24) aufweist, das wirksam mit einem Übertragungsstift (25) des Ventils (20) verbunden ist, um durch eine von der Temperatur des fluiden Mediums abhängige, eine Bewegung des Übertragungsstiftes (25) bewirkende Volumenänderung die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil (20) zu steuern, weiterhin einen durch Druck regelbaren Aktor (39) aufweist, der zusätzlich mit dem Übertragungsstift (25) des Ventils (20) wirksam verbunden ist, um die Strömung des fluiden Mediums durch das Ventil (20) zu steuern, und mindestens einen ersten Anschluss (21), mindestens einen zweiten Anschluss (22) und mindestens einen dritten Anschluss (23) aufweist, wobei der jeweilige Öffnungszustand und Öffnungsgrad des zweiten Anschlusses (22) mittels eines mit dem Übertragungsstift (25) verbundenen ersten Ventiltellers (31) und eines ersten Ventilsitzes (27) im Öffnungsbereich des zweiten Anschlusses (221) und des dritten Anschlusses (23) mittels eines mit dem Übertragungsstift (25) verbundenen zweiten Ventiltellers (32) und eines äußeren Ventilsitzes (28) im Öffnungsbereich des dritten Anschlusses (231) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und den auf den Aktor (39) wirkenden Druck steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Öffnungsbereiches des dritten Anschlusses (231) stromaufwärts vom äußeren Ventilsitz (28) ein innerer Ventilsitz (29) angeordnet ist, an der durch Kontakt mit dem zweiten Ventilteller (32) der Strömungsweg verschließbar ist, so dass der Öffnungszustand und Öffnungsgrad des dritten Anschlusses (23) ebenfalls über den inneren Ventilsitz (29) steuerbar sind.
Thermostatventil (20) nach Anspruch 1, bei dem der druckempfindliche Aktor (39) mittels einer Verbindungsleitung (40) mit einer druckvariablen Umgebung verbindbar ist.
Thermostatventil (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Ventilteller (32) in geschlossenem Kontakt mit dem inneren Ventilsitz (29) steht, wenn der Übertragungsstift (25) in seiner Ausgangsposition ist.
Thermostatventil (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Ventilteller (32) in geschlossenem Kontakt mit dem äußeren Ventilsitz (28) steht, wenn der Übertragungsstift (25) in seiner Endposition ist.
Thermostatventil (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einem ersten Arbeitszustand der zweite Anschluss (22) und der dritte Anschluss (23) geschlossen sind, in einem zweiten Arbeitszustand der zweite Anschluss (22) geschlossen und der dritte Anschluss (23) zumindest teilweise geöffnet ist, in einem dritten Arbeitszustand der zweite Anschluss (22) zumindest teilweise geöffnet und der dritte Anschluss (23) teilweise, aber in einem höheren Maße als im zweiten Zustand geöffnet ist, in einem vierten Arbeitszustand der zweite Anschluss (22) teilweise, aber in einem höheren Maße als im dritten Zustand geöffnet und der dritte Anschluss (23) geschlossen ist, und in einem fünften Arbeitszustand der zweite Anschluss (22) vollständig geöffnet und der dritte Anschluss (23) geschlossen ist.
Thermostatventil (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der dritte Anschluss (23) im ersten Arbeitszustand durch Kontakt des zweiten Ventiltellers mit dem inneren Ventilsitz (29) und im vierten und fünften Arbeitszustand durch Kontakt des zweiten Ventiltellers (32) mit dem äußeren Ventilsitz (28) geschlossen ist.
Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Ansaugtrakt (4) und einem Abgastrakt (5), wobei in dem Ansaugtrakt (4) ein Kompressor (8) angeordnet ist, und einem Kühlmittelkreislauf (10) mit mindestens einer ersten (11), zweiten (12) und dritten Kühlmittelleitung (13), der ein Thermostatventil (20) gemäß einem der Ansprüche 1-6 aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 7, bei der der druckempfindliche Aktor (39) über eine Verbindungsleitung (40) stromabwärts des Kompressors (8) mit dem Ansaugtrakt (4) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die erste Kühlmittelleitung (11) mit einem Kühlmantel der Brennkraftmaschine verbunden ist, die zweite Kühlmittelleitung (12) mit einem Wärmetauscher (3) verbunden ist, und die dritte Kühlmittelleitung (13) die Bypassleitung des Wärmetauschers (3) ist.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 7, 8 oder 9.