DE19905466A1 - Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels von Verbrennungskraftmaschinen und ein dazu verwendetes Thermostatventil - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels eines Kühlsystems von Verbrennungskraftmaschinen, bei dem mit Hilfe eines Thermostatventils (1) der Durchfluß des Kühlmittels durch einen Motorkühler geregelt wird, wobei über ein Stellglied (9) eine kernfeldgesteuerte Betätigung eines in einem Durchlaß (5) des Thermostatventils (1) angeordneten Ventilkörpers (7) vorgesehen ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellbewegung des Stellgliedes (9) zuerst eine Überströmöffnung (19) und dann den Durchlaß (5) des Thermostatventils (1) öffnet, wobei der Überströmquerschnitt der Überströmöffnung (19) stets kleiner ist als der kleinste realisierbare Überströmquerschnitt des Durchlasses (5), derart, daß am Anfang der Stellbewegung ein sehr fein dosierbares Überströmen von geringen Mengen Kühlmittel erfolgt. Ferner wird ein zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenes Thermostatventil beschrieben (in Verbindung mit der Figur 1 der Zeichnung).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels von Verbrennungskraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein zur Durchführung des Verfahrens verwendetes Thermostatventil.

Durch die DE 44 10 249 A1 ist bereits ein Thermostatventil zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels eines Kühlsystems von Verbrennungskraftmaschinen bekannt geworden, bei dem in einem Durchlaß für das Kühlmittel ein gegen eine Dichtfläche des Ventilgehäuses bewegbarer Ventilkörper mit einem Antrieb, der ein kennfeldgesteuertes Stellglied aufweist, angeordnet ist. Zur Regelung der Kühlmitteltemperatur wird hier bereits der Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine aus einer Reihe von unterschiedlichen Meßsignalen von der elektronischen Motorsteuerung als Kennfeld berechnet.

Derartige Thermostatventile weisen den Nachteil auf, daß beim Erreichen eines Betriebszustandes, der eine dosierte Zufuhr von kaltem Kühlmittel erfordert, mit dem Öffnen des Durchlasses zwangsläufig sofort relativ viel Kühlmittel überströmt. Dieses resultiert daraus, daß der Durchlaß einen so großen Durchmesser aufweisen muß, daß es sichergestellt ist, daß bei voll geöffnetem Thermostatventil der Durchtritt des gesamten Kühlmittels des Kühlsystems erfolgen kann. Wie sich gezeigt hat, ist auch durch die Anordnung von Überströmnuten im Bereich des Ventilsitzes der sofortige Übertritt einer in gewissen Betriebszuständen zu großen Menge Kühlmittel nicht zu verhindern. Insbesondere im Teillastbereich und/oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen führt der sofortige Übertritt einer relativ großen Menge an Kühlmittel dazu, daß die Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine zu weit abgesenkt wird. Als Folge steigt der Kraftstoffverbrauch, verschlechtert sich das Abgasverhalten und es kann sogar zu einer Schädigung des Katalysators durch Eintreten von überschüssigem Kraftstoff kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kennfeldgesteuerten Regelung zu schaffen, daß es ermöglicht, in der Phase des Bedarfs geringer Mengen von kaltem Kühlmittel dessen Überströmen sehr fein zu dosieren. Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Thermostatventil zur Durchführung des obigen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst. Die weitere Ausgestaltung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dadurch, daß eine Stellbewegung des Stellgliedes zuerst eine Überströmöffnung und dann den Durchlaß des Thermostatventils öffnet, wobei der Überströmquerschnitt der Überströmöffnung stets kleiner ist als der kleinste Überströmquerschnitt des Durchlasses, erfolgt am Anfang der Stellbewegung ein sehr fein dosierbares Überströmen von geringer Mengen Kühlmittel. Es ist somit sichergestellt, daß insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Umgebungstemperaturen das kalte Kühlmittel bei Bedarf und entsprechender Auslegung der Öffnungsquerschnitte dem Kühlsystem sogar tröpfchenweise, exakt dosiert zugeführt werden kann. Insgesamt ergibt ein sehr präzise arbeitendes Verfahren zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels einer Verbrennungskraftmaschine.

Das erfindungsgemäße Thermostatventil weist die Merkmale auf, daß am Stellglied ein mit einer im Ventilkörper vorgesehenen Überströmöffnung korrespondierender Schließkörper angeordnet ist, daß der wirksame Öffnungsquerschnitt der Überströmöffnung kleiner ist als der kleinste realisierbare Öffnungsquerschnitt des Durchlasses des Ventilgehäuses und daß der Ventilkörper am Stellglied als Schleppkolben angeordnet sowie zwischen dem Stellglied und dem Ventilkörper eine in Schließrichtung des Ventilkörpers wirksame Druckfeder angeordnet ist, wobei eine Stellbewegung des Stellgliedes zuerst die Überströmöffnung und dann den Durchlaß öffnet, derart, daß am Anfang der Stellbewegung ein sehr fein dosierbares Überströmen von geringer Mengen Kühlmittel erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Stellglied einen Mitnehmer aufweist, der in eine Kulisse des Ventilkörpers mit einem Anschlag eingreift, derart, daß bei einer Stellbewegung des Stellgliedes zuerst der Schließkörper die Überströmöffnung freigibt, dann der Mitnehmer gegen den Anschlag bewegt wird und schließlich der Ventilkörper von seiner Dichtfläche abgehoben wird.

Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Schließkörper des Stellgliedes an seinem Umfang mit einem Dichtelement versehen ist das in die Überströmöffnung einführbar ist und an deren Innenwandung abdichtend anliegt. Es wird so auf sehr einfache Weise vermieden, daß neben dem Ventilkörper auch der Schließkörper in eine definierte abdichtende Endlage gebracht werden muß. Das Dichtelement ist vorzugsweise als O-Ring ausgebildet.

Vorteilhaft ist es, wenn der Ventilkörper mit einem Dehnwachselement in Wirkverbindung steht, derart, daß dessen Arbeitsstift den Ventilkörper gegen die Kraft der Druckfeder von der Dichtfläche abheben kann, sofern eine vorgegebene Kühlmitteltemperatur überschritten wird, bei der das Thermostatventil im Normalfall durch die Kennfeldsteuerung bereits geöffnet ist. Indem zusätzlich zu einer kennfeldgesteuerten Betätigung des Thermostatventils eine unmittelbar durch die Kühlmitteltemperatur beeinflußte Betätigung des Thermostatventils vorgesehen ist, die nur dann erfolgt bzw. einen Einfluß auf die Temperaturregelung hat, wenn die kennfeldgesteuerte Betätigung fehlerhaft arbeitet, sind die oben dargestellten Vorzüge einer Kennfeldsteuerung und der Vorzug der Verläßlichkeit einer unmittelbar durch die Kühlmitteltemperatur beeinflußten Ventilbetätigung vereinigt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein geschlossenes Thermostatventil im Querschnitt;

Fig. 2 den Ventilkörper mit dem Schließkörper des Thermostatventils gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 den Ventilkörper und den Schließkörper gemäß Fig. 2 in geöffneter Stellung;

Fig. 4 eine Durchflußmengen-Charakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Thermostatventil bezeichnet. Das Thermostatventil 1 ist zur Anordnung in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine bestimmt, das einen Motorkühler und ggf. außerdem einen Wärmetauscher einer Heizung aufweist. Das Thermostatventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in das ein Einlaß 3 für das Kühlmittel einmündet und an dem ein Anschlußstutzen 4 für den Austritt des Kühlmittels in das in der Zeichnung nicht dargestellte Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Der Einfaß 3 mündet in einen Durchlaß 5 des Thermostatventils 1 ein, in dem ein Ventilsitz 6 angeordnet ist. In der Schließstellung des Thermostatventils 1 liegt ein im Ventilgehäuse 2 angeordneter Ventilkörper 7, wie in der Fig. 1 dargestellt, mit seinem Dichtelement 8 auf dem Ventilsitz 6 auf. Im Bereich des Ventilsitzes 6 sind an dessen Umfang verteilt Überströmnuten 26 mit kleinem Überströmquerschnitt angeordnet.

In dem Ventilgehäuse 2 ist ein Stellglied 9 angeordnet, das in einem Gehäuseeinsatz 10 axial verstellbar geführt ist. Das Stellglied 9 ist rückseitig mit einer Spindel 11 versehen, auf der eine im Gehäuseeinsatz 10 und im Ventilgehäuse 2 positionierte Spindelmutter 12 geordnet ist. In die Spindelmutter 12 greift ein Antriebsritzel 13 eines kennfeldgesteuerten Stellmotors 14 ein.

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist in einem hohlzylinderförmigen Ansatz 15 des Stellgliedes 9 der Ventilkörper 7 mit einem Führungsansatz 16 geführt. In dem hohlzylinderförmigen Ansatz 15 ist ein Mitnehmer 16 angeordnet, der in eine Kulisse 17, die am Führungsansatz 16 des Ventilkörpers 7 angeordnet ist, eingreift. Die Kulisse 17 weist einen Anschlag 18 für den Mitnehmer 16 des hohlzylinderförmigen Ansatzes 15 des Stellgliedes 9 auf.

In dem hohlzylinderförmigen Ansatz 15 des Stellgliedes 9 ist koaxial ein Schließkörper 18 angeordnet, der mit einer Überströmöffnung 19 des Ventilkörpers 7 korrespondiert. Der Schließkörper 18 des Stellgliedes 9 ist an seinem Umfang mit einem Dichtelement 20 versehen, das in dessen Schießstellung innerhalb der Überströmöffnung 19 positioniert ist. Das Dichtelement 20 liegt dann an einer Innenwandung 21 der Überströmöffnung 19 abdichtend an. Eine durch den Ventilkörper 9 hindurchgeführte Bohrung 22 verbindet die Überströmöffnung 19 unterseitig mit dem Durchlaß 5 des Thermostatventils 1. Zwischen dem Stellglied 9 und dem Ventilkörper 7 ist eine in dessen Schließrichtung wirksame Druckfeder 23 angeordnet.

Unterhalb des Ventilkörpers 7 ist ein Dehnwachselement 24 angeordnet, das im Ventilgehäuse 2 befestigt ist. Ein Arbeitsstift 25 des Dehnwachselementes 24 liegt in der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung des Thermostatventils 1 unterseitig auf dem Ventilkörper 7 auf.

In der Fig. 1 ist das Thermostatventil 1 in seiner Schließstellung dargestellt, in der dessen Ventilkörper 7 mit seinem Dichtelement 8 auf dem Ventilsitz 6 des Durchlasses 5 aufliegt. Außerdem greift der Schließkörper 18 des Stellgliedes 9 in die Überströmöffnung 19 des Ventilkörpers 7 ein und verschließt die Überströmöffnung 19. Der Ventilkörper 7 liegt im übrigen auf dem Arbeitsstift 25 des Dehnwachselementes 24 auf.

Sofern das Stellglied 9 mittels des Stellmotors 14, der über sein Ritzel 13, die Spindelmutter 12 und die Spindel 11 einwirkt, nach oben bewegt wird, so wird die Überströmöffnung 19 geöffnet. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, gibt der Schließkörper 18, d. h. dessen Dichtelement 20, in dem dieses sich von der Innenwandung 21 der Überströmöffnung 19 entfernt, diese frei. Dabei wird anfänglich ein sehr kleiner Überströmquerschnitt geöffnet, der sich insbesondere auch aus dem kleinen Durchmesser der Überströmöffnung 19 ergibt.

In der in der Fig. 3 dargestellten Stellung des Schließkörpers 18 ist die Überströmöffnung 19 voll geöffnet. Dann legt sich aufgrund der Aufwärtsbewegung des Stellgliedes 9, d. h. des hohlzylinderförmigen Ansatzes 15 der Mitnehmer 19 auf den Anschlag 18 der Kulisse 17 im Führungsansatz 16 des Ventilkörpers 7.

Sobald eine weitere Aufwärtsbewegung des Stellgliedes 9 erfolgt, so wird auch der nach Art eines Schleppkolbens mit dem Stellglied 9 verbundene Ventilkörper 7 nach oben bewegt und hebt mit seinem Dichtelement 8 vom Ventilsitz 6 ab. Als Folge wird der Durchlaß 5 des Thermostatventils 1 in Abhängigkeit vom Stellweg des Stellgliedes 9 geöffnet. Anfänglich strömt dabei das Kühlmittel im Durchlaß 5 über die Überströmnuten 26 über. Aufgrund des großen Durchmessers des Ventilsitzes 6 ist es hier jedoch nicht zu vermeiden, daß bereits beim Beginn des Abhebens des Ventilkörpers 7 vom Ventilsitz 6 eine relativ große Menge Kühlmittel überströmt. Dieses ist auch durch die Anordnung der Überströmnuten 24 im Bereich des Ventilsitzes 6 unvermeidbar.

Sofern die Kühlmitteltemperatur die obere Grenze des Normalbereichs der Temperatur überschreiten sollte, weil die kennfeldgesteuerte Regelung nicht ordnungsgemäß arbeitet, so bewegt sich der Arbeitsstift 25 des Dehnwachselementes 24 aufgrund der Ausdehnung des Wachses gegen den den Durchlaß 5 versperrenden Ventilkörper 7 und schiebt diesen nach oben. Der Ventilkörper 7 hebt dann mit seinem Dichtelement 8 vom Ventilsitz 6 ab, so daß der Durchlaß 5 freigegeben wird. Das Kühlmittel kann folglich auch im Störungsfall das Thermostatventil 1 passieren. Eine Schädigung bzw. ein Ausfall der Verbrennungskraftmaschine wird so sicher vermieden.

Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Anordnung einer im Ventilkörper 7 vorgesehenen zusätzlichen Überströmöffnung 19 kleinen Durchmessers, deren Öffnungsquerschnitt durch die Position des Schließkörpers 18 bestimmt wird, erreicht, daß am Anfang der Stellbewegung des Stellgliedes 9 ein sehr fein dosierbares Überströmen geringer Mengen Kühlmittel erfolgt. In der Fig. 4 ist die Durchflußmengen-Charakteristik des erfindungsgemäßen Thermostatventils 1 dargestellt. Hier ist ersichtlich, daß am Anfang der Stellbewegung des Stellgliedes 9 ein sehr fein dosierbares Überströmen geringer Mengen Kühlmittel erfolgt. Mit dem Öffnen des Durchlasses 5 gelangen dann zunehmend größere Mengen Kühlmittel, entsprechend dem Bedarf des Kühlsystems über den Durchlaß 5 in den Auslaßstutzen 4 des Thermostatventils 1. Diese Charakteristik, die den geringen Bedarf an Kühlmittel im Teillastbereich und bei niedrigen Umgebungstemperaturen berücksichtigt, wurde erzielt, indem erfindungsgemäß eine zusätzliche Überströmöffnung 19 mit einem im Vergleich zum Durchlaß 5 kleinem Durchmesser angeordnet wurde. Aus dem kleinen Durchmesser der Überströmöffnung 19 ergibt sich der Effekt, daß am Anfang der Stellbewegung des Stellgliedes 9 in vorteilhafter Weise stets ein sehr kleinen Öffnungsquerschnitt freigegeben wird. Der vergleichsweise große Durchmesser des Durchlasses 5 ermöglicht im weiteren Verlauf der Stellbewegung des Stellgliedes 9 das dann erforderliche Überströmen der erforderlichen großen Menge Kühlmittel.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels eines Kühlsystems von Verbrennungskraftmaschinen, bei dem mit Hilfe eines Thermostatventils (1) der Durchfluß des Kühlmittels durch einen Motorkühler geregelt wird, wobei über ein Stellglied (9) eine kennfeldgesteuerte Betätigung eines in einem Durchlaß (5) des Thermostatventils (1) angeordneten Ventilkörpers (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellbewegung des Stellgliedes (9) zuerst eine Überströmöffnung (19) und dann den Durchlaß (5) des Thermostatventils (1) öffnet, wobei der Überströmquerschnitt der Überströmöffnung (19) stets kleiner ist als der kleinste realisierbare Überströmquerschnitt des Durchlasses (5), derart, daß am Anfang der Stellbewegung ein sehr fein dosierbares Überströmen von geringer Mengen Kühlmittel erfolgt.

2. Thermostatventil (1) zur Regelung der Temperatur des Kühlmittels eines Kühlsystems von Verbrennungskraftmaschinen, bei dem in einem Durchlaß (5) eines Ventilgehäuses ein gegen eine Dichtfläche (6) des Ventilgehäuses (2) bewegbarer Ventilkörper (7) angeordnet ist, der einem kennfeldgesteuerten Antrieb mit einem Stellglied (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß am Stellglied (9) ein mit einer im Ventilkörper (7) vorgesehenen Überströmöffnung (19) korrespondierender Schließkörper (18) angeordnet ist, daß der wirksame Öffnungsquerschnitt der Überströmöffnung (19) kleiner ist als der kleinste realisierbare Öffnungsquerschnitt des Durchlasses (5) des Ventilgehäuses (2) und daß der Ventilkörper (7) am Stellglied (9) als Schleppkolben angeordnet sowie zwischen dem Stellglied (9) und dem Ventilkörper (7) eine in Schließrichtung des Ventilkörpers (7) wirksame Druckfeder (23) angeordnet ist, wobei eine Stellbewegung des Stellgliedes (9) zuerst die Überströmöffnung (19) und dann den Durchlaß (5) öffnet, derart, daß am Anfang der Stellbewegung ein sehr fein dosierbares Überströmen geringer Mengen Kühlmittel erfolgt.

3. Thermostatventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) einen Mitnehmer (16) aufweist, der in eine Kulisse (17) des Ventilkörpers (7) mit einem Anschlag (16) eingreift, derart, daß bei einer Stellbewegung des Stellgliedes (9) zuerst der Schließkörper (18) die Überströmöffnung (19) freigibt, dann der Mitnehmer (16) gegen den Anschlag (16) bewegt wird und schließlich der Ventilkörper (7) von seiner Dichtfläche (6) abgehoben wird.

4. Thermostatventil (1) nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (18) des Stellgliedes (9) an seinem Umfang mit einem Dichtelement (20) versehen ist das in seiner Schießstellung in der Überströmöffnung (19) positioniert ist.

5. Thermostatventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (20) als O-Ring ausgebildet ist.

6. Thermostatventil (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung (19) zentrisch im Ventilkörper (7) angeordnet ist.

7. Thermostatventil (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (7) mit einem Dehnwachselement (24) in Wirkverbindung steht, derart, daß dessen Arbeitsstift (25) den Ventilkörper (7) gegen die Kraft der Druckfeder (23) von der Dichtfläche (6) abheben kann, sofern eine vorgegebene Kühlmitteltemperatur überschritten wird, bei der das Thermostatventil (1) im Normalfall durch die Kennfeldsteuerung bereits geöffnet ist.