DE10253469A1

DE10253469A1 - Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine

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Publication number: DE10253469A1
Application number: DE10253469A
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Dipl.-Ing. Finkbeiner; Harald Dipl.-Ing. Gellner; Telse Dipl.-Ing. Hollander (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-11-16
Filing date: 2002-11-16
Publication date: 2004-05-27
Also published as: EP1561020A1; WO2004046516A1; US7096831B2; US20050268866A1

Abstract

Es wird ein Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einem Eingangsanschluss (32), der mit einer Kühlmittel-Rückführleitung (20) von einer Brennkraftmaschine (12) verbindbar ist; einem ersten Ausgangsanschluss (34a), der mit einer Kühlmittel-Kühlerleitung (22) zu einem Kühler (24) verbindbar ist; einem zweiten Ausgangsanschluss (34b), der mit einer Kühlmittel-Kurzschlussleitung (28) zu der Brennkraftmaschine (12) verbindbar ist; einem ersten Ventilelement (48; 56, 57) zum Schließen und Öffnen eines ersten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ventilelement (49; 56, 58) zum Schließen und Öffnen eines zweiten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei dem Thermostatventil zur Realisierung der Schaltzustände eines Drehschieber-Thermostatventils und zur Erzielung geringer Schaltzeiten mindestens ein Wachspatronenthermostat (46, 47; 64, 66) zum Betätigen der Ventilelemente (48, 49; 56, 57, 58) vorgesehen, wobei der Wachspatronenthermostat (46, 47; 64, 66) mit einem elektrischen Heizelement (54, 55) verbunden ist, um die auf den Wachspatronenthermostaten wirkende Temperatur zu beeinflussen. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine umfasst üblicherweise einen Kühlmittelkreislauf 10, in dem auch die vorliegende Erfindung einsetzbar ist und der schematisch in 1 dargestellt ist.

Das Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, wird der Brennkraftmaschine 12 über eine Kühlmittel-Zuführleitung 14 mittels einer Pumpe 16 zugeleitet. Nach Durchlaufen der Brennkraftmaschine 12 und entsprechender Erwärmung aufgrund Wärmeaustausch strömt das Kühlmittel über eine Kühlmittel-Abführleitung 18, eine Kühlmittel-Rückführleitung 20 und eine Kühlmittel-Kühlerleitung 22 zu einem Kühler 24, um in diesem mittels Wärmeaustausch mit Kühlluft wieder gekühlt zu werden. Das so gekühlte Kühlmittel wird dann von dem Kühler 24 wieder über die Zuführleitung 14 der Brennkraftmaschine 12 zugeführt.

Falls die Temperatur des aus der Brennkraftmaschine 12 strömenden Kühlmittels, welche durch einen geeigneten Temperatursensor 26 zum Beispiel in der Abführleitung 18 erfasst wird, beispielsweise während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach deren Start relativ niedrig ist und deshalb eine Kühlung des Kühlmittels nicht erforderlich ist, wird das Kühlmittel über eine Kühlmittel-Kurzschlussleitung 28 direkt wieder der Zuführleitung 14 zugeführt, ohne durch den Kühler 24 zu laufen. Das Kühlmittel gelangt somit ohne Kühlung wieder in die Brennkraftmaschine 12, so dass es sich nach und nach erwärmt bis es eine Temperatur erreicht, die eine Kühlung erfordert, und es deshalb dann durch den Kühler 24 geleitet wird.

Für die Leitung des Kühlmittels von der Rückführleitung 20 in die Kühlerleitung 22 und/oder die Kurzschlussleitung 28 ist üblicherweise ein Thermostatventil 30 vorgesehen. Das Thermostatventil 30 steuert das Öffnen und Schließen eines ersten Durchgangs von einem Eingangsanschluss 32, der mit der Rückführleitung 20 verbunden ist, zu einem ersten Ausgangsanschluss 34a, der mit der Kühlerleitung 22 verbunden ist, sowie eines zweiten Durchgangs von dem Eingangsanschluss 32 zu einem zweiten Ausgangsanschluss 34b, der mit der Kurzschlussleitung 28 verbunden ist, in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor 26 erfassten Temperatur des Kühlmittels am Ausgang der Brennkraftmaschine 12.

Darüber hinaus kann das in der Brennkraftmaschine 12 erwärmte Kühlmittel auch zum Heizen einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges genutzt werden. Hierzu weist der Kühlmittelkreislauf 10 eine Kühlmittel-Heizungsleitung 36 auf, die von der Abführleitung 18 abzweigt und durch die das Kühlmittel mittels einer Pumpe 38 einem Wärmetauscher 40 zugeleitet wird. In dem Wärmetauscher 40 steht das warme Kühlmittel mit einem Luftstrom in Wärmeaustausch, der in die Fahrgastzelle geblasen wird. Durch die Abgabe von Wärme an den Luftstrom der Heizung der Fahrgastzelle wird das Kühlmittel gekühlt; anschließend wird das so gekühlte Kühlmittel wieder der Zuführleitung 14 zugeführt.

Zum Heizen der Fahrgastzelle bei stillstehender Brennkraftmaschine 12 kann optional ein Zusatzheizgerät (nicht dargestellt) vorgesehen sein (sog. Standheizung), das parallel zu dem Kühlmittelkreislauf 10 an den Wärmetauscher 40 angeschlossen ist.

Als Thermostatventil 30 zur Regelung der Temperatur des der Brennkraftmaschine 12 zugeleiteten Kühlmittels ist aus dem Stand der Technik zum Beispiel ein sogenanntes Drehschieber-Thermostatventil bekannt, dessen Funktionsweise bzw. Schaltzustände schematisch in den 2A bis 2D dargestellt sind.

Wie in den Figuren dargestellt, weist das Drehschieber-Thermostatventil 30 eine Ventilkammer 42 auf, welche in axialer Richtung den Eingangsanschluss 32 und in radialer Richtung den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss 34a, 34b aufweist. In der Kammer 42 ist ein um die senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Achse drehbarer Drehschieber 44 vorgesehen, der mit zwei Verschlussbereichen und zwei Öffnungsbereichen derart ausgebildet ist, dass die nachfolgend beschriebenen Schaltzustände eingestellt werden können.

In dem ersten Schaltzustand des Thermostatventils 30, der in 2A dargestellt ist, zur sog. Volldrosselung ist der Drehschieber 44 in einer solchen Drehstellung gesteuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Ausgangsanschluss 34a, 34b geschlossen sind. Somit wird ein Kreislauf des Kühlmittels verhindert und das Kühlmittel steht u.a. auch in der Brennkraftmaschine 12, wo es sich demzufolge erwärmt. Durch diese Volldrosselung kann der Warmlauf der Brennkraftmaschine 12 unterstützt werden.

Im Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 12 wird der zweite Ausgangsanschluss 34b durch den Drehschieber 44 freigegeben, während der erste Ausgangsanschluss 34a geschlossen bleibt, wie in 2B dargestellt. Auf diese Weise wird das Kühlmittel der Brennkraftmaschine 12 nur über die Kurzschlussleitung 28 zurückgeführt, so dass es sich nach und nach erwärmt.

Bei steigender Temperatur des Kühlmittels wird eine teilweise Kühlung des Kühlmittels erforderlich, so dass das Thermostatventil 30 in den Mischbetrieb geschaltet wird. In diesem Misch betrieb befindet sich der Drehschieber 44 in einer solchen Drehstellung, dass beide Ausgangsanschlüsse 34a und 34b geöffnet sind (siehe 2C), so dass ein Teil des Kühlmittels durch den Kühler 24 strömt und der andere Teil der Brennkraftmaschine 12 direkt zurückgeleitet wird.

Bei maximaler Kühlleistungsanforderung wird der erste Ausgangsanschluss 34a voll geöffnet und der zweite Ausgangsanschluss 34b geschlossen (Kühlbetrieb gemäß 2D), so dass das gesamte Kühlmittel zur Kühlung durch den Kühler 24 geleitet wird.

Die Betriebsstellungen des Drehschieber-Thermostatventils 30 sind durch eine geeignete elektromechanische Steuerung schnell und genau einstellbar, außerdem ist die Drehstellung des Drehschiebers 44 elektronisch erfassbar. Nachteilig an einem solchen Drehschieber-Thermostatventil sind die hohen Kosten insbesondere für seine Steuerung und sein großes Gewicht und seine Größe.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine vorzusehen, mit dem die Schaltzustände eines Drehschieber-Thermostatventils einstellbar sind und die Schaltzeiten möglichst gering sind. Außerdem soll das Thermostatventil einen Aufbau von möglichst kleiner Größe und kleinem Gewicht sowie geringe Herstellungskosten haben.

Diese Aufgaben werden durch ein Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine umfasst einen Eingangsanschluss, der mit einer Kühlmittel-Rückführleitung von einer Brennkraftmaschine verbindbar ist; einen ersten Ausgangsanschluss, der mit einer Kühlmittel-Kühlerleitung zu einem Kühler verbindbar ist; einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit einer Kühlmittel-Kurzschlussleitung zu der Brennkraftmaschine verbindbar ist; ein erstes Ventilelement zum Schließen und Öffnen eines ersten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss; und ein zweites Ventilelement zum Schließen und Öffnen eines zweiten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss. Das Thermostatventil gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wachspatronenthermostat zum Betätigen der Ventilelemente vorgesehen ist, wobei der Wachspatronenthermostat mit einem elektrischen Heizelement verbunden bzw. gekoppelt ist, um die auf den Wachspatronenthermostaten wirkende Temperatur zu beeinflussen. Die beiden Ventilelemente können mit Hilfe des zumindest einen Wachspatronenthermostaten beispielsweise derart gesteuert werden, dass in einem ersten Temperaturbereich (T < T_X) der erste und der zweite Durchgang geschlossen sind, in einem zweiten Temperaturbereich (T_X < T < T_Y) der erste Durchgang geschlossen ist und der zweite Durchgang geöffnet ist, in einem dritten Temperaturbereich (T_Y < T < T_Z) der erste und der zweite Durchgang geöffnet sind, und in einem vierten Temperaturbereich (T_Z > T) der erste Durchgang geöffnet ist und der zweite Durchgang geschlossen ist.

Mit diesem Thermostatventil können die Schaltzustände eines eingangs beschriebenen Drehschieber-Thermostatventils, in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung auch der Schaltzustand der Volldrosselung, nachgestellt werden. Durch die Ausbildung des Thermostatventils mit Wachspatronenthermostaten ist ein kostengünstigerer Aufbau von kleinerer Größe und geringerem Gewicht als ein Drehschieber-Thermostatventil realisierbar. Da die auf den Wachspatronenthermostaten wirkende Temperatur durch das elektrische Heizelement erhöht werden kann, kann der Schaltzustand des Thermostatventils schneller bzw. bei einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur eingestellt werden. Dies ist insbesondere bei Lastsprüngen der Brennkraftmaschine von Vorteil, die sonst eine zu starke Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels bewirken würden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Heizelement in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter steuerbar, der ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine ist. Insbesondere ist dieser Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Temperatur des Kühlmittels, der Temperatur des Thermostatventils, der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Einspritzmenge der Brennkraftmaschine, dem Drehmoment der Brennkraftmaschine und der Gaspedalstellung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Thermostatventil weiter mit einem Kühlmittel-Bypassdurchgang zwischen dem Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss der Kühlmittel-Kurzschlussleitung versehen. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass der Wachspatronenthermostat des Thermostatventils der Erfindung unabhängig von dem Schaltzustand des Thermostatventils eine ständige Umspülung durch das Kühlmittel erfährt und deshalb eine genauere Steuerung der Schaltzustände bei geringeren Schaltzeiten möglich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und das zweite Ventilelement durch Rückstellfedern in ihre den Durchgang zwischen dem Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss bzw. den Durchgang zwischen dem Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verschließende Stellung vorgespannt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Ventilelement auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Hierbei kann der Wachspatronenthermostat zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement angeordnet sein (Ausführungsform von 3).

Wahlweise kann das erste Ventilelement aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs bestehen und das zweite Ventilelement aus einem zweiten Ventilteller und einem dritten Ventilteller bestehen, die den zweiten Durchgang wechselseitig schließen und öffnen, wobei ein Wachspatronenthermostat zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventilteller angeordnet ist und der zweite Durchgang durch den Druck des Kühlmittels geöffnet wird (Ausführungsform von 5).

In einer alternativen Ausgestaltung der einachsigen Konstruktion sind ein erster und ein zweiter Wachspatronenthermostat vorgesehen, die Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten enthalten, wobei der erste Wachspatronenthermostat auf das erste Ventilelement wirkt und der zweite Wachspatronenthermostat auf das zweite Ventilelement wirkt und der erste und der zweite Wachspatronenthermostat unabhängig voneinander arbeiten.

In diesem Fall kann das erste Ventilelement aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs und das zweite Ventilelement aus einem zweiten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des zweiten Durchgangs bestehen, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat hintereinander zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventilteller angeordnet sind (Ausführungsform von 6), oder das erste Ventilelement besteht aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs und das zweite Ventilelement besteht aus einem zweiten Ventilteller und einem dritten Ventilteller, die den zweiten Durchgang wechselseitig schließen und öffnen, wobei der erste Wachspatronenthermostat zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventilteller angeordnet ist und der zweite Wachspatronenthermostat zwischen dem zweiten und dem dritten Ventilteller angeordnet ist (Ausführungsform von 4).

Es ist aber bei der einachsigen Konstruktion des Thermostatventils ebenso möglich, dass der erste Wachspatronenthermostat auf das erste Ventilelement und der zweite Wachspatronenthermostat auf das zweite Ventilelement in einer solchen Weise wirkt, dass der erste und der zweite Wachspatronenthermostat gegenläufig miteinander gekoppelt sind (Ausführungsform von 8).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Ventilelement auf zwei verschiedenen Achsen angeordnet und es sind ein erster und ein zweiter Wachspatronenthermostat vorgesehen, die Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten enthalten.

Bei dieser zweiachsigen Konstruktion des Thermostatventils kann der erste Wachspatronenthermostat auf das erste Ventilelement wirken und der zweite Wachspatronenthermostat auf das zweite Ventilelement wirken, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat unabhängig voneinander arbeiten (Ausführungsform von 7).

Alternativ kann bei dieser zweiachsigen Konstruktion des Thermostatventils auch das erste Ventilelement aus einem den ersten Ausgangsanschluss verschließenden zweiten Ventilteller und einem den Eingangsanschluss verschließenden ersten Ventilteller bestehen und das zweite Ventilelement aus einem den zweiten Ausgangsanschluss verschließenden dritten Ventilteller und dem den Eingangsanschluss verschließenden ersten Ventilteller bestehen; und der zweite Wachspatronenthermostat kann auf den zweiten und den dritten Ventilteller in zueinander entgegengesetzter weise wirken, und der erste Wachspatronenthermostat auf den ersten Ventilteller wirken (Ausführungsform von 9).

Weitere Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine, in dem das Thermostatventil gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
2A bis 2D vier verschiedene Schaltzustände eines Beispiels eines herkömmlichen Drehschieber-Thermostatventils, das in dem Kühlmittelkreislauf von 1 eingesetzt werden kann;
3A bis 3C drei verschiedene Schaltzustände eines ersten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit zwei Ventiltellern und einem Wachspatronenthermostaten auf einer gemeinsamen Achse gemäß der vorliegenden Erfindung, das in dem Kühlmittelkreislauf von 1 eingesetzt werden kann;
4A bis 4D vier verschiedene Schaltzustände eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit drei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten auf einer gemeinsamen Achse gemäß der vorliegenden Erfindung;
5A bis 5D vier verschiedene Schaltzustände einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils von 4 mit drei Ventiltellern und einem Wachspatronenthermostaten auf einer gemeinsamen Achse;
6A bis 6D vier verschiedene Schaltzustände eines dritten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit zwei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten auf einer gemeinsamen Achse gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A bis 7D vier verschiedene Schaltzustände eines vierten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit zwei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten auf zwei verschiedenen Achsen gemäß der vorliegenden Erfindung;
8A bis 8D vier verschiedene Schaltzustände eines fünften Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit zwei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten auf einer gemeinsamen Achse gemäß der vorliegenden Erfindung; und
9A bis 9D vier verschiedene Schaltzustände eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils mit drei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten auf zwei verschiedenen Achsen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Anhand der 3 bis 9 werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele eines Thermostatventils gemäß der vorliegenden Erfindung sowie deren Funktionsweisen näher erläutert. Die Thermostatventile sind alle in einem Kühlmittelkreislauf, wie er anhand von 1 beschrieben wurde, oder ähnlichen Kühlsystem von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf eine nochmalige Beschreibung des Kühlsystems von 1 wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen an dieser Stelle verzichtet. Ähnliche oder entsprechend wirkende Bauteile wurden in allen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Das Thermostatventil 30 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in 3 dargestellt ist, enthält eine Ventilkammer 42, die über einen Eingangsanschluss 32 mit der Kühlmittel-Rückführleitung 20 (siehe 1), über einen ersten Ausgangsanschluss 34a mit der Kühlmittel-Kühlerleitung 22 sowie über einen zweiten Ausgangsanschluss 34b mit der Kühlmittel-Kurzschlussleitung 28 verbindbar ist. In der Ventilkammer 42 ist ein Wachspatronenthermostat 46 angeordnet, der auf einen ersten Ventilteller 48 als erstes Ventilelement zum Verschließen einer ersten Durchgangsöffnung 50 von der Ventilkammer 42 zu dem ersten Ausgangsanschluss 34a und einen zweiten Ventilteller 49 als zweites Ventilelement zum Verschließen einer zweiten Durchgangsöffnung 51 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 34b wirkt. Da der Aufbau und die Funktionsweise eines Wachspatronenthermostaten dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind, wird an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung derselben verzichtet.
Das erste und das zweite Ventilelement 48, 49 sowie der Wachspatronenthermostat 46 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, wie deutlich in 3 zu erkennen. Ferner ist der Wachspatronenthermostat 46 mit einem elektrischen Heizelement 54 verbunden bzw. gekoppelt. Das elektrische Heizelemente 54 kann die auf den Wachspatronenthermostaten 46 wirkende Temperatur bei Bedarf erhöhen und dabei den Schaltvorgang des Thermostatventils 30 beschleunigen bzw. bei einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur veranlassen. Das elektrische Heizelement 54 ist dabei in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter steuerbar, der ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine ist. Beispiele eines solchen Parameters sind die Temperatur des Kühlmittels, die Temperatur des Thermostatventils, die Temperatur der Brennkraftmaschine, die Einspritzmenge der Brennkraftmaschine, das Drehmoment der Brennkraftmaschine und die Gaspedalstellung.
3A zeigt schematisch den Kurzschlussbetrieb des Wachspatronen-Thermostatventils 30, in dem in einem Temperaturbereich T < T_y die erste Durchgangsöffnung 50 geschlossen und die zweite Durchgangsöffnung 51 geöffnet ist, so dass das von der Rückführleitung 20 zugeführte Kühlmittel ausschließlich zu der an den zweiten Ausgangsanschluss 34b angeschlossenen Kurzschussleitung 28 geleitet wird. Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_y oder, falls das elektrische Heizelement 54 betätigt wird, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_y-T₂ wechselt das Thermostatventil 30 in den in 3B gezeigten Schaltzustand des Mischbetriebs. Hier sind beide Ausgangsanschlüsse 34a und 34b mit der Ventilkammer 42 und damit mit dem Eingangsanschluss 32 verbunden, so dass der Kühlmittelstrom entsprechend der Temperatur des Kühlmittels auf die Kühlerleitung 22 und die Kurzschlussleitung 28 aufgeteilt wird. Bei noch höherer Temperatur des Kühlmittels, d.h. bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z oder, falls das elektrische. Heizelement 54 betätigt wird, bereits bei erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_z-T₃ wird der zweite Ausgangsanschluss 34b durch den Wachspatronenthermostaten 46 verschlossen, so dass das gesamte Kühlmittel zur Erzielung einer maximalen Kühlleistung des Kühlmittelkreislaufs 10 dem Kühler 24 zugeführt wird.
Das in 3 dargestellte Thermostatventil 30 mit einem Wachspatronenthermostaten ist in der Lage, bis auf den in 2A dargestellten Schaltzustand der Volldrosselung für ein schnelleres Aufheizen der Brennkraftmaschine alle Schaltzustände des herkömmlichen Drehschieber-Thermostatventils nachzustellen. Außerdem wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit des Thermostatventils erzielt, und das Thermostatventil der Erfindung ist kleiner und leichter und erfordert geringere Herstellungskosten als das herkömmliche Drehschieber-Thermostatventil.
Um auch mit einem Wachspatronenthermostaten eine Volldrosselung wie bei einem Drehschieber-Thermostatventil einstellen zu können, wird ferner ein zweites Ausführungsbeispiel eines Thermostatventils 30 mit drei Ventiltellern und zwei Wachspatronenthermostaten vorgeschlagen, wie es in 4A bis 4D veranschaulicht ist.
Dieses Thermostatventil 30 besitzt ebenfalls eine Ventilkammer 42, die einerseits mit dem Eingangsanschluss 32 zu der Kühlmittel-Rückführleitung 20 und andererseits über eine erste Durchgangsöffnung 50 mit dem ersten Ausgangsanschluss 34a zu der Kühlmittel-Kühlerleitung 22 sowie über eine zweite Durchgangsöffnung 51 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28 verbunden ist. Die erste Durchgangsöffnung 50 ist mittels eines ersten Ventiltellers 48, der ein erstes Ventilelement bildet, verschließbar, während die zweite Durchgangsöffnung 51 wechselweise mittels eines zweiten Ventiltellers 49a und eines dritten Ventiltellers 49b, die ein zweites Ventilelement bilden, verschließbar ist, wobei der dritte Ventilteller 49b durch eine Rückstellfeder 52 in seine Verschlussstellung vorgespannt ist. Ein erster Wachspatronenthermostat 46, der mit einem elektrischen Heizelement 54 verbunden ist, ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilteller 48 und 49a angeordnet, und ein zweiter Wachspatronenthermostat 47, der mit keinem elektrischen Heizelement gekoppelt ist, dies aber dennoch sein könnte, ist zwischen dem zweiten Ventilteller 49a und dem dritten Ventilteller 49b angeordnet, wobei die beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 außerdem Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten enthalten, so dass die folgende Funktionsweise erzielt wird.
Bei sehr niedriger Temperatur des Kühlmittels erfolgt eine Volldrosselung, indem die erste Durchgangsöffnung 50 zu dem ersten Ausgangsanschluss 34a durch den ersten Ventilteller 48 geschlossen ist und die zweite Durchgangsöffnung 51 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 34b durch die Rückstellfeder durch den dritten Ventilteller 49b geschlossen ist (4A). Im Kurzschlussbetrieb des Thermostatventils 30 zum Warmlauf der Brennkraftmaschine 12 wird die zweite Durchgangsöffnung 51 geöffnet, indem der dritte Ventilteller 49b durch den zweiten Wachspatronenthermostaten 47 gegen die Kraft der Rückstellfeder 52 von der zweiten Durchgangsöffnung 51 weggedrückt wird, wie dies in 4B gezeigt ist. Das Kühlmittel aus der Rückführleitung 20 wird somit ausschließlich der Kurzschlussleitung 28 zugeführt. Bei höheren Temperaturen des Kühlmittels, die eine Kühlung des Kühlmittels erfordern, wird das Thermostatventil 30 in die Stellung des Mischbetriebs geschaltet, die in 4C dargestellt ist. In dieser Betriebsstellung wird der erste Ventilteller 48 durch den ersten Wachspatronenthermostaten 46 von der ersten Durchgangsöffnung 50 zu dem ersten Ausgangsanschluss 34a abgehoben, der zweite Ventilteller 49a wird nur teilweise in Richtung auf die zweite Durchgangsöffnung 51 be wegt, und der dritte Ventilteller 49b bleibt in der zuvor geöffneten Stellung. Auf diese Weise werden sowohl die erste Durchgangsöffnung 50 als auch die zweite Durchgangsöffnung 51 durch entsprechendes Zusammenwirken beider Wachspatronenthermostaten 46 und 47 geöffnet. Wird bei sehr hohen Kühlmitteltemperaturen eine maximale Kühlleistung des Kühlmittelkreislaufs 10 notwendig, so wird der zweite Ventilteller 49a gegen die zweite Durchgangsöffnung 51 gedrückt, um diese zu verschließen, während die erste Durchgangsöffnung 50 zu dem mit der Kühlerleitung 22 verbundenen ersten Ausgangsanschluss 34a offen bleibt, wie dies in 4D zu erkennen ist.
Durch das anhand von 4 erläuterte Thermostatventil 30 mit zwei Wachspatronenthermostaten können grundsätzlich alle Schaltzustände des Drehschieber-Thermostatventils von 2 nachgestellt werden. Außerdem sind mit dem Wachspatronenthermostaten 46 durch die Verbindung mit dem elektrischen Heizelement 54 geringe Schaltzeiten möglich.
Im Falle eines Kühlmittelkreislaufs 10 mit einer abstellbaren Kühlmittelpumpe 16 ist eine Variante des zweiten Ausführungsbeispiels bevorzugt, die in 5 dargestellt ist. Der konstruktive Unterschied des Thermostatventils 30 von 5 gegenüber dem von 4 liegt in der Weglassung des zweiten Wachspatronenthermostaten 47. Die Funktionsweise dieses Thermostatventils 30 ist wie folgt.
Bei sehr niedriger Temperatur des Kühlmittels und wenn die Kühlmittelpumpe 16 außer Betrieb ist, erfolgt eine Volldrosselung, indem die erste Durchgangsöffnung 50 zu dem ersten Ausgangsanschluss 34a durch den ersten Ventilteller 48 geschlossen ist und die zweite Durchgangsöffnung 51 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 34b durch die Rückstellfeder durch den dritten Ventilteller 49b geschlossen ist (5A). Sobald die Kühlmittelpumpe 16 im Betrieb Kühlmittel fördert und somit einen Druck aufbaut, wird der dritte Ventilteller 49b gegen die Kraft der Rückstellfeder 52 aufgedrückt. Im Kurzschlussbetrieb des Thermostatventils 30 zum Warmlauf der Brennkraftmaschine 12 ist somit die zweite Durchgangsöffnung 51 geöffnet, indem der dritte Ventilteller 49b durch den Druck des Kühlmittels gegen die geringe Kraft der Rückstellfeder 52 von der zweiten Durchgangsöffnung 51 weggedrückt wird, wie dies in 5B gezeigt ist. Sobald die Kühlmittelpumpe 16 in Betrieb ist, funktioniert das dargestellte Thermostatventil 30 analog dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel.
Das Thermostatventil 30 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, enthält eine Ventilkammer 42, die über einen Eingangsanschluss 32 mit der Kühlmittel-Rückführleitung 20 (siehe 1), über einen ersten Ausgangsanschluss 34a mit der Kühlmittel-Kühlerleitung 22 sowie über einen zweiten Ausgangsanschluss 34b mit der Kühlmittel-Kurzschlussleitung 28 verbindbar ist. Der Eingangsanschluss 32 ist über einen ersten Durchgang bestehend aus der Ventilkammer 42 und einer ersten Durchgangsöffnung 50 mit dem ersten Ausgangsanschluss 34a verbunden. Ferner ist der Eingangsanschluss 32 über einen zweiten Durchgang bestehend aus der Ventilkammer 42 und zwei zweiten Durchgangsöffnungen 51, 51' mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden.
Das Thermostatventil 30 weist weiter ein erstes und ein zweites Ventilelement auf. Das erste Ventilelement wird durch einen ersten Ventilteller 48 gebildet, der die erste Durchgangsöffnung 50 öffnet und schließt und der durch eine erste Rückstellfeder 52a in die Verschlussstellung gegen die erste Durchgangsöffnung 50 vorgespannt ist. Das zweite Ventilelement wird durch einen zweiten Ventilteller 49 gebildet, der wechselweise die zwei zweiten Durchgangsöffnungen 51, 51' öffnet und schließt und der durch eine zweite Rückstellfeder 52b in die Verschlussstellung gegen die zweite Durchgangsöffnung 51 vorgespannt ist. Wie in 6 zu erkennen, sind die beiden Ventilelemente 48 und 49 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
In der Ventilkammer 42 sind ferner ein erster Wachspatronenthermostat 46 und ein zweiter Wachspatronenthermostat 47 vorgesehen, die in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilteller 48, 49 angeordnet sind. Die beiden Wachspatronenthermostaten enthalten Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, so dass die nachfolgend beschriebenen Schaltzustände einstellbar sind. Ferner ist der erste Wachspatronenthermostat 46 mit einem ersten elektrischen Heizelement 54 verbunden, und der zweite Wachspatronenthermostat 47 ist mit einem zweiten elektrischen Heizelement 55 verbunden.
Die beiden elektrischen Heizelemente 54, 55 können die auf die Wachspatronenthermostate 46, 47 wirkenden Temperaturen bei Bedarf erhöhen und dabei den Schaltvorgang des Thermostatventils 30 beschleunigen bzw. bei einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur veranlassen. Die elektrischen Heizelemente 54, 55 sind dabei in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter steuerbar, der ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine ist. Beispiele eines solchen Parameters sind die Temperatur des Kühlmittels, die Temperatur des Thermostatventils, die Temperatur der Brennkraftmaschine, die Einspritzmenge der Brennkraftmaschine, das Drehmoment der Brennkraftmaschine und die Gaspedalstellung.
Außerdem ist das Thermostatventil 30 mit einem Bypassdurchgang 56 versehen, der in dem Ausführungsbeispiel von 6 die zweite Durchgangsöffnung 51 umgeht, wenn diese durch den zweiten Ventilteller 49 verschlossen ist. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die beiden Wachspatronenthermostaten 46 und 47 in allen Schaltzuständen des Thermostatventils 30 von Kühlmittel umströmt werden und deshalb eine genaue Steuerung mit geringen Schaltzeiten ermöglichen, wie in den 6A bis 6D zu erkennen.
In einem ersten Temperaturbereich T < T_X befindet sich das Thermostatventil 30 in dem Schaltzustand der Volldrosselung, der in 6A dargestellt ist. In diesem Schaltzustand wirken die beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 derart auf die Ventilelemente, dass der erste Ventilteller 48 durch die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a gegen die erste Durchgangsöffnung 50 gedrückt wird, um den ersten Durchgang zu verschließen, und dass der zweite Ventilteller 49 durch die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b gegen die vordere 51 der zwei zweiten Durchgangsöffnung gedrückt wird, um den zweiten Durchgang zu verschließen.
Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X-T₁ wechselt das Thermostatventil 30 in den Schaltzustand des Kurzschlussbetriebs, der in 6B dargestellt ist. Im zweiten Temperaturbereich T_X < T < T_Y wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass zwar die Kraft auf den ersten Ventilteller 48 zum Öffnen der ersten Durchgangsöffnung 50 noch nicht ausreicht, um die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a zu überwinden, dass aber die eine zweite Durchgangsöffnung 51 durch Wegdrücken des zweiten Ventiltellers 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b geöffnet wird. Auf diese Weise wird der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 aus dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28 strömen.
Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Y oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Y-T₂ wechselt das Thermostatventil 30 in den in 6C gezeigten Schaltzustand des Mischbetriebs. Im dritten Temperaturbereich T_Y < T < T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart weiter ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermo staten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass nun der erste Ventilteller 48 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a von der ersten Durchgangsöffnung 50 weggedrückt wird, um diese zu öffnen, aber die Kraft des zweiten Wachspatronenthermostaten 47 noch nicht ausreicht, um den zweiten Ventilteller 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b gegen die hintere 51' der zwei zweiten Durchgangsöffnungen zu drücken. So sind sowohl der erste als auch der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 aus dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28 und auch aus dem ersten Ausgangsanschluss 34a zu der Kühlerleitung 22 strömen.
Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z-T₃ wechselt das Thermostatventil 30 für eine maximale Kühlleistung des Kühlmittelkreislaufs 10 in den Schaltzustand des Kühlerbetriebs von 6D. Im vierten Temperaturbereich T > T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass der erste Ventilteller 48 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 52 weiter von der ersten Durchgangsöffnung 50a weggedrückt wird und nun die Kraft auf den zweiten Ventilteller 49 zum Schließen der zweiten Durchgangsöffnung 51' ausreicht, um die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b zu überwinden. Daher ist nun nur noch der erste Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 ausschließlich aus dem ersten Ausgangsanschluss 34a in die Kühlerleitung 22 zu dem Kühler 24 strömen.
Entsprechend dem vorhandenen Bauraum für das einzusetzende Thermostatventil 30 kann es sinnvoll sein, die Ventilelemente und die Wachspatronenthermostaten auf zwei verschiedenen Achsen anzuordnen. Dies ist in dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den 7A bis 7D veranschaulicht ist, realisiert.
Das Thermostatventil 30 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel enthält ebenfalls eine Ventilkammer 42, die über einen Eingangsanschluss 32 mit der Rückführleitung 20, über einen ersten Ausgangsanschluss 34a mit der Kühlerleitung 22 sowie über einen zweiten Ausgangsanschluss 34b mit der Kurzschlussleitung 28 verbindbar ist. Der Eingangsanschluss 32 ist über einen ersten Durchgang bestehend aus der Ventilkammer 42 und einer ersten Durchgangsöffnung 50 mit dem ersten Ausgangsanschluss 34a und über einen zweiten Durchgang bestehend aus der Ventilkammer 42 und zwei zweiten Durchgangsöffnungen 51, 51' mit dem zweiten Ausgangsanschluss 34b verbunden.
Weiterhin ist ein erstes und ein zweites Ventilelement vorgesehen. Das erste Ventilelement wird durch einen ersten Ventilteller 48 gebildet, der die erste Durchgangsöffnung 50 öffnet und schließt und der durch eine erste Rückstellfeder 52a in die Verschlussstellung gegen die erste Durchgangsöffnung 50 vorgespannt ist. Das zweite Ventilelement wird durch einen zweiten Ventilteller 49 gebildet, der wechselweise die zwei zweiten Durchgangsöffnungen 51, 51' öffnet und schließt und der durch eine zweite Rückstellfeder 52b in die Verschlussstellung gegen die zweite Durchgangsöffnung 51 vorgespannt ist. Im Gegensatz zu dem dritten Ausführungsbeispiel von 6 sind die beiden Ventilelemente 48 und 49 bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel auf zwei verschiedenen Achsen angeordnet, die beispielsweise parallel zueinander orientiert sein können, wie deutlich in 7 zu erkennen.
Ein erster Wachspatronenthermostat 46 wirkt auf den ersten Ventilteller 48, und davon unabhängig wirkt ein zweiter Wachspatronenthermostat 47 auf den zweiten Ventilteller 49. Die beiden Wachspatronenthermostaten enthalten wiederum Wachs material mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, so dass die nachfolgend beschriebenen Schaltzustände einstellbar sind. Außerdem sind beide Wachspatronenthermostaten 46, 47 jeweils mit einem elektrischen Heizelement 54, 55 verbunden, deren Wirkungsweise entsprechend der oben anhand der vorherigen Ausführungsbeispiele beschriebenen ist. Ein Bypassdurchgang 56 verbindet die Ventilkammer 42 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 34b unter Umgehung der zweiten Durchgangsöffnungen 51, 51'.
Im ersten Temperaturbereich T < T_X befindet sich das Thermostatventil 30 in dem Schaltzustand der Volldrosselung, der in 7A dargestellt ist, d.h. beide Durchgänge sind durch die Ventilteller 48, 49 verschlossen, die durch die jeweiligen Rückstellfedern 52a, 52b in diese Stellung vorgespannt sind. Bei Erreichen der Kühlmitteltemperatur T_X oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X-T₁ wechselt das Thermostatventil 30 in den Schaltzustand des Kurzschlussbetriebs, der in 7B dargestellt ist. Im zweiten Temperaturbereich T_X < T < T_Y wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken, dass zwar die Kraft auf den ersten Ventilteller 48 zum Öffnen der ersten Durchgangsöffnung 50 noch nicht ausreicht, um die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a zu überwinden, dass aber die eine zweite Durchgangsöffnung 51 durch Wegdrücken des zweiten Ventiltellers 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b geöffnet wird. Auf diese Weise wird der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 aus dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28 strömen.
Bei Erreichen einer höheren Kühlmitteltemperatur T_Y oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Y-T₂ wechselt das Thermostatventil 30 dann in den in 7C gezeigten Misch betriebs. Im dritten Temperaturbereich T_Y < T < T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart weiter ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken, dass der erste Ventilteller 48 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a von der ersten Durchgangsöffnung 50 weggedrückt wird, um diese zu öffnen, aber die Kraft des zweiten Wachspatronenthermostaten 47 noch nicht ausreicht, um den zweiten Ventilteller 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b gegen die hintere 51' der zweiten Durchgangsöffnungen zu drücken. So sind sowohl der erste als auch der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 zu der Kurzschlussleitung 28 und auch zu der Kühlerleitung 22 strömen. Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z-T₃ wechselt das Thermostatventil 30 in den Kühlerbetrieb von 7D. Im vierten Temperaturbereich T > T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken, dass der erste Ventilteller 48 weiter von der ersten Durchgangsöffnung 50 weggedrückt wird und nun die Kraft auf den zweiten Ventilteller 49 zum Schließen der zweiten Durchgangsöffnung 51' ausreicht, um die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b zu überwinden. Daher kann nun das Kühlmittel von der Rückführleitung 20 ausschließlich aus dem ersten Ausgangsanschluss 34a in die Kühlerleitung 22 zu dem Kühler 24 strömen.
Es werden nun anhand von 8A bis 8D der Aufbau und die Funktionsweise eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Thermostatventils 30 gemäß der Erfindung erläutert.
wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel von 6 sind die beiden Ventilelemente in Form von Ventiltellern 48, 49 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und die beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 sind hintereinander zwischen den Ventiltellern 48, 49 positioniert. Im Gegensatz zu dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Wachspatronenthermostate 46, 47 in Zusammenwirkung mit den jeweiligen Rückstellfedern 52a, 52b so gegenläufig miteinander gekoppelt, dass sich die Schaltzustände auf die folgende Weise einstellen. Außerdem ist der zweite Durchgang von dem Eingangsanschluss 32 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 34b durch die Ventilkammer 42 und nur eine zweite Durchgangsöffnung 51 gebildet.
Im ersten Temperaturbereich T < T_X liegt der Schaltzustand der Volldrosselung vor, wie er in 7A dargestellt ist; beide Durchgänge sind durch die Ventilteller 48, 49 verschlossen, die durch die jeweiligen Rückstellfedern 52a, 52b in diese Stellung vorgespannt sind. Bei einer Kühlmitteltemperatur von T_X oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X-T₁ wechselt der Schaltzustand des Thermostatventils 30 in den Kurzschlussbetrieb, der in 8B dargestellt ist. Im zweiten Temperaturbereich T_X < T < T_Y wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass zwar die Kraft auf den ersten Ventilteller 48 zum Öffnen der ersten Durchgangsöffnung 50 noch nicht ausreicht, um die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a zu überwinden, dass aber die eine zweite Durchgangsöffnung 51 durch Heranziehen des zweiten Ventiltellers 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b geöffnet wird. Auf diese Weise wird der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel strömt von der Rückführleitung 20 aus dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28.
In 8C wechselt das Thermostatventil bei Erreichen einer höheren Kühlmitteltemperatur T_Y oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Y-T₂ dann in den Mischbetriebs. Im dritten Temperaturbereich T_Y < T < T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart weiter ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass der erste Ventilteller 48 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 52a von der ersten Durchgangsöffnung 50 weggezogen wird, um diese zu öffnen, aber der zweite Wachspatronenthermostat 47 den zweiten Ventilteller 49 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b noch offen halten kann. Auf diese Weise sind sowohl der erste als auch der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 zu der Kurzschlussleitung 28 und auch zu der Kühlerleitung 22 strömen. Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z-T₃ wechselt das Thermostatventil 30 in den Kühlerbetrieb von 8D. Im vierten Temperaturbereich T > T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 auf die Ventilelemente 48, 49 so wirken und die axiale Position der beiden Wachspatronenthermostaten 46, 47 in der Ventilkammer 42 so verändert wird, dass der erste Ventilteller 48 weiter von der ersten Durchgangsöffnung 50 weggezogen wird und der zweite Wachspatronenthermostat 47 den zweiten Ventilteller 49 nicht mehr gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 52b von der zweiten Durchgangsöffnung 51 wegziehen kann. Daher strömt das Kühlmittel nun von der Rückführleitung 20 ausschließlich in die Kühlerleitung 22 zu dem Kühler 24.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das anhand der 9A bis 9D erläutert wird, ist wieder eine zweiachsige Anordnung der Komponenten des Thermostatventils 30 gewählt.
Das in 9 veranschaulichte Thermostatventil 30 enthält insgesamt drei Ventilteller 56-58, die drei zugehörige Durch gangsöffnungen 60-62 öffnen und verschließen, sowie zwei Wachspatronenthermostaten 64, 66 mit zwei zugehörigen elektrischen Heizelementen 54, 55.
Das erste Ventilelement wird in diesem Fall durch den ersten Ventilteller 56 und den zweiten Ventilteller 57 gebildet, das zweite Ventilelement wird durch den ersten Ventilteller 56 und den dritten Ventilteller 58 gebildet, der erste Durchgang von dem Eingangsanschluss 32 zu dem ersten Ausgangsanschluss 34a wird durch die erste Durchgangsöffnung 60, die Ventilkammer 42 und die zweite Durchgangsöffnung 61 gebildet, und der zweite Durchgang von dem Eingangsanschluss 32 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 34b wird durch die erste Durchgangsöffnung 60, die Ventilkammer 42 und die dritte Durchgangsöffnung 62 gebildet.
Der erste Wachspatronenthermostat 64 wirkt ausschließlich auf den ersten Ventilteller 56, der durch eine erste Rückstellfeder 68 in seine Verschlussstellung vorgespannt ist, und ist mit einem ersten elektrischen Heizelement 54 gekoppelt. Der zweite Wachspatronenthermostat 66 ist zwischen dem zweiten und dem dritten Ventilteller 57, 58 angeordnet und wirkt auf diese in Zusammenspiel mit einer zweiten Rückstellfeder 69, welche den zweiten Ventilteller 57 in seine Verschlussstellung vorspannt, und einer dritten Rückstellfeder 70, welche den dritten Ventilteller 58 in seine Verschlussstellung vorspannt, in einer zueinander gegensätzlichen Weise, wie nachfolgend beschrieben.
Zwischen dem Eingangsanschluss 32 und der Ventilkammer 42 ist zur Umgehung der ersten Durchgangsöffnung 60 der Bypassdurchgang 56 vorgesehen.
Im ersten Temperaturbereich T < T_X ist das Thermostatventil 30 im Schaltzustand der Volldrosselung, der in 9A dargestellt ist. In diesem Schaltzustand wirken die beiden Wachspatronenthermostaten 64 und 66 in Zusammenspiel mit den Rückstellfedern 68, 69 und 70 derart auf die Ventilelemente, dass der erste Ventilteller 56 durch die Kraft der ersten Rückstellfeder 68 gegen die erste Durchgangsöffnung 60 gedrückt wird, der zweite Ventilteller 57 durch die Kraft der zweiten Rückstellfeder 69 gegen die zweite Durchgangsöffnung 61 gedrückt wird, und der dritte Ventilteller 58 durch die Kraft der dritten Rückstellfeder 70 gegen die dritte Durchgangsöffnung 62 gedrückt wird, so dass der erste und der zweite Durchgang geschlossen sind.
Bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_X-T₁ wird in den Schaltzustand des Kurzschlussbetriebs gewechselt, der in 9B dargestellt ist. Im zweiten Temperaturbereich T_X < T < T_Y wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 64, 66 derart auf die Ventilteller 56-58 wirken, dass der erste Ventilteller 56 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 68 von der ersten Durchgangsöffnung 60 weggedrückt wird und der dritte Ventilteller 58 gegen die Kraft der dritten Rückstellfeder 70 von der dritten Durchgangsöffnung 62 weggezogen wird, so dass der zweite Durchgang geöffnet wird, dass aber die Kraft des zweiten Wachspatronenthermostaten 66 auf den zweiten Ventilteller 57 zum Öffnen der zweiten Durchgangsöffnung 61 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 69 noch nicht ausreicht, so dass der erste Durchgang zu der Kühlerleitung 22 geschlossen bleibt.
Bei Erreichen der Kühlmitteltemperatur T_Y oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Y-T₂ wechselt das Thermostatventil 30 in den in 9C gezeigten Mischbetriebs. Im dritten Temperaturbereich T_Y < T < T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart weiter ausgedehnt, dass der erste Ventilteller 56 durch den ersten Wachspatronenthermostaten 64 gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 68 von der ersten Durchgangsöffnung 60 weggedrückt bleibt, und dass der zweite Wachpatronenthermostat 66 gegen die Kräfte der zweiten und der dritten Rückstellfeder 69, 70 den zweiten Ventilteller 57 von der zweiten Durchgangsöffnung 61 und den dritten Ventilteller 58 von der dritten Durchgangsöffnung 62 wegzieht. Auf diese Weise werden sowohl der erste als auch der zweite Durchgang des Thermostatventils 30 geöffnet und das Kühlmittel kann von der Rückführleitung 20 aus dem zweiten Ausgangsanschluss 34b zu der Kurzschlussleitung 28 und auch aus dem ersten Ausgangsanschluss 34a zu der Kühlerleitung 22 strömen.
Bei Erreichen einer noch höheren Kühlmitteltemperatur T_Z oder, falls die elektrischen Heizelemente 54, 55 betätigt werden, bereits bei Erreichen einer Kühlmitteltemperatur T_Z-T₃ wechselt das Thermostatventil 30 für eine maximale Kühlleistung des Kühlmittelkreislaufs 10 in den Schaltzustand des Kühlerbetriebs von 9D. Im vierten Temperaturbereich T > T_Z wird das Wachs in verschiedenem Ausmaß derart ausgedehnt, dass die Betätigungselemente der beiden Wachspatronenthermostaten 64, 66 auf die Ventilelemente derart wirken, dass der erste Ventilteller 56 weiterhin gegen die Kraft der ersten Rückstellfeder 68 von der ersten Durchgangsöffnung 50a weggedrückt wird, dass der zweite Ventilteller 57 gegen die Kraft der zweiten Rückstellfeder 69 von der zweiten Durchgangsöffnung 61 weggezogen wird, und dass aber die Kraft des zweiten Wachspatronenthermostaten 66 auf den dritten Ventilteller 58 zum Öffnen der dritten Durchgangsöffnung 62 gegen die Kraft der dritten Rückstellfeder 70 nicht mehr ausreicht. Somit bleibt der erste Durchgang zu der Kühlerleitung 22 geöffnet, aber der zweite Durchgang zu der Kurzschlussleitung 28 wird geschlossen.
Allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass durch eine gezielte Steuerung der elektrischen Heizelemente, die mit den Wachspatronenthermostaten gekoppelt sind, die Schaltzeiten beschleunigt werden können bzw. der Schaltvorgang des Thermostatventils bei einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur ablaufen kann. Auf diese Weise kann die Kühlmitteltemperatur jederzeit optimal geregelt werden.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Vorteile von Wachspatronenthermostaten zum Aufbau eines kostengünstigen Thermostatventils von relativ geringer Größe und relativ geringem Gewicht und gewährleistet gleichzeitig die bei einem Drehschieber-Thermostatventil vorhandenen Vorteile der Realisierung einer Volldrosselung und von schnelleren Schaltzeiten als bei einem herkömmlichen Thermostatventil.

Claims

Thermostatventil für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Eingangsanschluss (32), der mit einer Kühlmittel-Rückführleitung (20) von einer Brennkraftmaschine (12) verbindbar ist; einem ersten Ausgangsanschluss (34a), der mit einer Kühlmittel-Kühlerleitung (22) zu einem Kühler (24) verbindbar ist; einem zweiten Ausgangsanschluss (34b), der mit einer Kühlmittel-Kurzschlussleitung (28) zu der Brennkraftmaschine verbindbar ist; einem ersten Ventilelement (48; 56, 57) zum Schließen und Öffnen eines ersten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss; und einem zweiten Ventilelement (49; 56, 58) zum Schließen und Öffnen eines zweiten Durchgangs zwischen dem Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss, wobei mindestens ein Wachspatronenthermostat (46, 47; 64, 66) zum Betätigen der Ventilelemente (48, 49; 56, 57, 58) vorgesehen ist, und wobei der Wachspatronenthermostat (46, 47; 64, 66) mit einem elektrischen Heizelement (54, 55) verbunden ist, um die auf den Wachspatronenthermostaten wirkende Temperatur zu beeinflussen.
Thermostatventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (54, 55) in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter steuerbar ist, der ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine (12) ist.
Thermostatventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil (30) weiter mit einem Kühlmittel-Bypassdurchgang (56) zwischen dem Eingangsanschluss (32) und dem zweiten Ausgangsanschluss (34b) zu der Kühlmittel-Kurzschlussleitung (28) versehen ist.
Thermostatventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Ventilelement (48, 49; 56, 57, 58) durch Rückstellfedern (52a, 52b; 68, 69, 70) in ihre den ersten Durchgang bzw. den zweiten Durchgang verschließende Stellung vorgespannt sind.
Thermostatventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Ventilelement (48, 49) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Thermostatventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wachspatronenthermostat (46) zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement (48, 49) angeordnet ist.
Thermostatventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (48) aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs besteht und das zweite Ventilelement (49) aus einem zweiten Ventilteller (49a) und einem dritten Ventilteller (49b) besteht, die den zweiten Durchgang wechselseitig schließen und öffnen, wobei ein Wachspatronenthermostat (46) zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventilteller (48, 49a) angeordnet ist und der zweite Durchgang durch den Druck des Kühlmittels geöffnet wird.
Thermostatventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Wachspatronenthermostat (46, 47) vorgesehen sind, die Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten enthalten.
Thermostatventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wachspatronenthermostat (46) auf das erste Ventilelement (48) wirkt und der zweite Wachspatronenthermostat (47) auf das zweite Ventilelement (49) wirkt, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat unabhängig voneinander arbeiten.
Thermostatventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (48) aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs besteht und das zweite Ventilelement (49) aus einem zweiten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des zweiten Durchgangs besteht, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat (46, 47) hintereinander zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventilteller (48, 49) angeordnet sind.
Thermostatventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (48) aus einem ersten Ventilteller zum Öffnen und Schließen des ersten Durchgangs besteht und das zweite Ventilelement (49) aus einem zweiten Ventilteller (49a) und einem dritten Ventilteller (49b) besteht, die den zweiten Durchgang wechselseitig schließen und öffnen, wobei der erste Wachspatronenthermostat (46) zwischen dem ersten Ventilteller und dem zweiten Ventil teller (48, 49a) angeordnet ist und der zweite Wachspatronenthermostat (47) zwischen dem zweiten und dem dritten Ventilteller (49a, 49b) angeordnet ist.
Thermostatventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wachspatronenthermostat (46) auf das erste Ventilelement (48) und der zweite Wachspatronenthermostat (47) auf das zweite Ventilelement (49) wirkt, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat gegenläufig miteinander gekoppelt sind.
Thermostatventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Ventilelement (48, 49; 56, 57, 58) auf zwei verschiedenen Achsen angeordnet sind.
Thermostatventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Wachspatronenthermostat (46, 47; 64, 66) vorgesehen sind, die Wachsmaterialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten enthalten.
Thermostatventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wachspatronenthermostat (46) auf das erste Ventilelement (48) wirkt und der zweite Wachspatronenthermostat (47) auf das zweite Ventilelement (49) wirkt, wobei der erste und der zweite Wachspatronenthermostat unabhängig voneinander arbeiten.
Thermostatventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (56, 57) aus einem den ersten Ausgangsanschluss (34a) verschließenden zweiten Ventilteller (57) und einem den Eingangsanschluss (32) verschließenden ersten Ventilteller (56) besteht, und das zweite Ventil element (56, 58) aus einem den zweiten Ausgangsanschluss (34b) verschließenden dritten Ventilteller (58) und dem den Eingangsanschluss verschließenden ersten Ventilteller (56) besteht; und dass der zweite Wachspatronenthermostat (66) auf den zweiten und den dritten Ventilteller (57, 58) in zueinander entgegengesetzter Weise wirkt, und der erste Wachspatronenthermostat (64) auf den ersten Ventilteller (56) wirkt.
Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Thermostatventil (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16.