DE4325975A1 - Thermostatventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermostatventil für eine Kühlanlage eines Verbrennungsmotors mit einem thermostatischen Arbeitsele­ ment, das ein Gehäuse aufweist, das einen Dehnstoff enthält, der temperaturabhängig einen Arbeitskolben aus dem Gehäuse aus­ treibt und damit abhängig von der Temperatur eines Kühlmittels die Positionen eines Hauptventiltellers und eines Kurzschluß­ ventiltellers einregelt, die eine Mischkammer für von einem Kühler durch ein Hauptventil zuströmendes und für direkt von dem Verbrennungsmotor durch ein Kurzschlußventil zuströmendes und anschließend zum Verbrennungsmotor zurückgeführtes Kühlmit­ tel begrenzen.

Bei einem bekannten Thermostatventil der eingangs genannten Art (DE-AS 12 95 255) ist der Arbeitskolben des thermostatischen Arbeitselementes stationär abgestützt. Das Gehäuse dieses Ar­ beitselementes trägt einen Hauptventilteller und einen Kurz­ schlußventilteller. Das Gehäuse des thermostatischen Arbeits­ elementes, das das Temperatur-Fühlglied ist, befindet sich vollständig in der Mischkammer, die im wesentlichen von dem Hauptventilteller und dem Kurzschlußventilteller begrenzt wird. Beim Starten des kalten Verbrennungsmotors wird dieses Tempera­ tur-Fühlglied mit der sich erwärmenden Kurzschlußströmung der Kühlflüssigkeit beaufschlagt, so daß es öffnet, wenn diese Kurzschlußströmung eine bestimmte Temperatur erreicht hat, die durch die Wahl des Dehnstoffes (Wachsmischung) vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Regelverhalten eines Thermostatventils der eingangs genannten Art insbesondere beim Starten des kalten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeu­ ges zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gehäuse des Arbeits­ elementes stationär gehalten ist, daß der Arbeitskolben mit dem das Gehäuse des Arbeitselementes topfartig umgebenden, im Be­ reich seiner Seitenwände mit Durchbrechungen versehenen Haupt­ ventilteller und dem Kurzschlußventilteller versehen ist, daß der Hauptventilteller wenigstens im Bereich seiner Schließposi­ tion dichtend auf dem Gehäuse des thermostatischen Arbeitsele­ mentes oder einem Halter dieses Gehäuse geführt ist, und daß das Gehäuse des Arbeitselementes auf der dem Arbeitskolben ab­ gewandten Seite des Hauptventiltellers wenigstens teilweise frei in dem vom Kühler zuströmenden Kühlmittel liegt.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß der Einfluß sehr niedriger Außentemperaturen und sich daraus ergebender entspre­ chend niedriger Kühlerrücklauftemperaturen stärker berücksich­ tigt wird, insbesondere beim Starten des Verbrennungsmotors. Da das Temperatur-Fühlglied, nämlich das Gehäuse des thermostati­ schen Arbeitselementes, teilweise in dem kalten Kühlmittel liegt, ergibt sich in dem auch von der sich erwärmenden Kurz­ schlußströmung umströmten Gehäuse eine Mischtemperatur, so daß das Öffnen des Thermostatventils bei sehr niedrigen Außentempe­ raturen verzögert wird. Damit wird erreicht, daß sich eine hö­ here Betriebstemperatur einstellt. Da das Gehäuse des thermo­ statischen Arbeitselementes stationär gehalten ist und sich nicht mit dem Hauptventilteller in den Bereich der Mischkammer hineinbewegt, wird auch während des Betriebszustandes der Ein­ fluß sehr niedriger Außentemperaturen und damit entsprechend niedrigerer Temperaturen im Kühlerrücklauf stärker berücksich­ tigt. Im Teillastbereich wird deshalb bei niedrigen Außentempe­ raturen ein höheres Temperaturniveau für die Betriebstemperatur eingeregelt. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich das Ther­ mostatventil automatisch auf einen Sommer- oder Winterbetrieb einstellt, wobei im Winter bei tiefen Außentemperaturen im Teillastbetrieb auf ein höheres Temperaturniveau eingeregelt wird, so daß auch der Komfort für die Fahrzeugheizung erhöht wird, der eine höhere Heiztemperatur zur Verfügung gestellt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Thermostatventil und

Fig. 2 den mit einem erfindungsgemäßen Thermostatventil er­ reichbaren Verlauf der Betriebstemperatur (Temperatur im Motorvorlauf) bei verschiedenen Lastzuständen und unterschiedlichen Umgebungstemperaturen.

Das in Fig. 1 dargestellte Thermostatventil besitzt ein aus zwei Teilen 10, 11 gebildetes Ventilgehäuse. In dem Ventilge­ häuse ist ein thermostatisches Arbeitselement 12 angeordnet. Das thermostatische Arbeitselement 12 besitzt ein Gehäuse 13 aus einem gut leitenden Metall, beispielsweise Messing. Dieses Gehäuse 13 ist stationär angeordnet und mittels eines beispielsweise aus Kunststoff hergestellten Halters 14 an dem Teil 10 des Ventilgehäuses gehalten. In dem Gehäuse 13, das nach außen mit einer sackartigen Membran 15 abgedichtet ist, ist ein Dehnstoff untergebracht, insbesondere eine Wachsmi­ schung. Die sackartige Membran 15 wird an dem offenen Gehäu­ serand mittels eines Führungsteils 16 gehalten, das an dem Gehäuse 13 mittels eines umgebördelten Randes gehalten ist.

In die sackartige Membran 15 ist ein Arbeitskolben 17 ein­ gesteckt, der von dem Führungsteil 16 geführt ist. Der Ar­ beitskolben 17 wird bei einer temperaturbedingten Volumens­ vergrößerung des Dehnstoffes aus dem Gehäuse 13 ausgetrieben.

Der Arbeitskolben 17 ist mit einem Hauptventilteller 18 verbunden, der eine im Querschnitt im wesentlichen topfförmige Gestalt besitzt. Dem Hauptventilteller 18 ist ein Ventilsitz 19 des Teils 10 des Ventilgehäuses zugeordnet. Der Haupt­ ventilteller 18 ist mit einem geschlossenen Kragen 20 ver­ sehen, der in Ausfahrrichtung des Arbeitskolbens 17 auf dem Halter 14 des Gehäuses 13 des thermostatischen Arbeitsele­ mentes geführt ist. In eine Ringnut des Halters 14 ist ein Dichtungsring 21 eingelegt, der für eine sichere Abdichtung zwischen dem Halter 14 und dem Hauptventilteller 18 sorgt. In dem an den Kragen 20 anschließenden Bereich ist der Haupt­ ventilteller 18 mit Durchbrechungen versehen, so daß im we­ sentlichen nur Stege 22 verbleiben, die den Kragen 20 mit dem Boden 23 verbinden. Der Boden 23 ist mit einer Ausspa­ rung 24 versehen, in die das äußere Ende des Arbeitskolbens 17 eingesteckt ist. Der Hauptventilteller 18 ist mit einer Schließfeder 25 belastet, die sich an dem Teil 11 des Ven­ tilgehäuses abstützt.

In axialer Verlängerung zu dem Arbeitskolben 17 ist der Hauptventilteller 18 mit einem Führungszapfen 26 versehen, auf welchem ein Kurzschlußventilteller 27 gleitend geführt ist. Der Kurzschlußventilteller 27 ist mit einer Kurzschluß­ feder 28 belastet, die sich an dem Boden des Hauptventiltel­ lers 18 abstützt. Dem Kurzschlußventilteller 27 ist eine Kurzschlußöffnung 29 des Teils 11 des Ventilgehäuses zuge­ ordnet. Der Bereich zwischen dem Hauptventilteller 18 und dem Kurzschlußventilteller 27 bildet eine Mischkammer 30, wel­ cher während des Normalbetriebs kaltes Kühlmittel über einen Kühlerrücklauf 31 sowie heißes Kühlmittel über einen Motor­ rücklauf 32 zugeführt wird. Aus der Mischkammer 30 strömt das Kühlmittel über einen Motorvorlauf 33 zu dem Verbren­ nungsmotor. Das Kurzschlußventil, das von dem Kurzschlußventil­ teller 27 und der Kurzschlußöffnung 29 gebildet wird, legt die Anteile des Kühlmittels des Motorrücklaufes 32 fest, die zur Mischkammer 30 gelangen.

Das Hauptventil aus Hauptventilteller 18 und Ventilsitz 19 regelt den Ventilquerschnitt, mit welchem der Kühlerrücklauf 31 zur Mischkammer 30 geöffnet wird. Der Halter 14 für das Gehäuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes ist mit Durchbrechungen 35 versehen, so daß das Gehäuse 13 wenig­ stens teilweise frei in dem Kühlerrücklauf 31 liegt.

Beim Starten des kalten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeu­ ges befindet sich das Thermostatventil in dem in Fig. 1 gezeig­ ten Zustand, d. h. das Hauptventil 18, 19 sperrt den Kühler­ rücklauf, während das Kurzschlußventil 27, 29 die Verbindung vom Motorrücklauf 32 zum Motorvorlauf 33 freigibt. Es wird somit in diesem Zustand das sich erwärmende Kühlmittel direkt vom Motorrücklauf 32 zum Motorvorlauf 33 geführt. Das sich erwärmende Kühlmittel dieser Kurzschlußströmung umströmt das Gehäuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes, das in der Mischkammer 30 liegt, da es durch die Durchbrechungen der Seitenwände des Ventiltellers 18 für diese Strömung zugäng­ lich ist. Die sich erwärmende Kurzschlußströmung heizt das Ge­ häuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes 12 und damit auch den darin enthaltenen Dehnstoff auf. Wenn der Dehnstoff die durch seine Wachsmischung vorgegebene Temperatur erreicht hat, ändert er seinen Aggregatzustand von fest zu flüssig, wo­ bei danach bei weiterer Temperaturerhöhung der Arbeitskolben 17 im wesentlichen linear ausgetrieben wird. Sobald der Ar­ beitskolben 17 ausfährt, beginnt das Hauptventil 18, 19 sich zu öffnen, während sich das Kurzschlußventil 27, 29 ent­ sprechend schließt, d. h. den Querschnitt für die Kurzschluß­ strömung verringert. Es strömt dann sowohl von dem Kühlerrück­ lauf 31 gekühltes Kühlmittel als auch von dem Motorrücklauf 32 ungekühltes Kühlmittel in die Mischkammer 30 und von dort in den Motorvorlauf 33. Dabei regelt das Thermostatven­ til eine vorwählbare Temperatur möglichst konstant ein, mit der das Kühlmittel in den Motorvorlauf 33 einströmt. Steigt die Temperatur in der Mischkammer 30 weiter an, so wird schließ­ lich das Kurzschlußventil 27, 28 geschlossen, während das Hauptventil 18, 19 weiter geöffnet wird. Das Thermostatventil hat dann auf reinen Kühlbetrieb umgeschaltet, d. h. es erfolgt kein Mischen in der Mischkammer 30, da dieser dann nur noch gekühltes Kühlmittel zugeführt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Thermostatventil ist das Temperatur- Fühlglied, nämlich das Gehäuse 13 des thermostatischen Ar­ beitselementes 12, nicht nur der Kühlmittelströmung in der Mischkammer 30 ausgesetzt, sondern unmittelbar auch dem ge­ kühlten Kühlmittel im Kühlerrücklauf 31. Hierzu ist vorgese­ hen, daß das Gehäuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes 12 in diesen Kühlerrücklauf 31 hineinragt und dort diesem gekühlten Kühlmittel zugänglich ist, da sein Halter 14 mit Durchbrechungen 35 versehen ist, die das Gehäuse 13 für dieses Kühlmittel der Kühlerrücklaufleitung freilegen. Dadurch wird erreicht, daß die Temperatur des Kühlmittels im Kühler­ rücklauf 31 stärker als bisher in das Regelverhalten mit ein­ bezogen wird, insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen.

In Fig. 2 ist schematisch in einem Diagramm das Regelverhalten des Thermostatventils bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen (Kurve mit ausgezogener Linie) und bei höheren Außentemperatu­ ren (gepünkelte Kurve) während verschiedener Betriebszustände dargestellt. Das Diagramm zeigt die Temperatur (T) im Motorvor­ lauf über der Zeit (t) bei verschiedenen Lastzuständen. Wird ein Verbrennungsmotor, dessen Kühlanlage mit dem erfindungsge­ mäßen Thermostatventil ausgerüstet ist, bei niedrigen Außentem­ peraturen gestartet, so steigt die in der Kurzschlußströmung (vom Motorrücklauf 32 zum Motorvorlauf 33) an. Dabei wird das Gehäuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes 12 be­ heizt. Dieses Gehäuse 13 ist jedoch nicht nur dieser sich re­ lativ schnell erwärmenden Kurzschlußströmung des Kühlmittels ausgesetzt, sondern auch dem weiterhin kalten Kühlmittel des Kühlerrücklaufs 31. Dadurch bildet sich für das Gehäuse 13 und den darin enthaltenen Dehnstoff eine Mischtemperatur. Erst wenn diese Mischtemperatur die vorgegebene Öffnungstemperatur erreicht, beginnt der Arbeitskolben 17 auszufahren. Diese Öffnungstemperatur wird daher bei einer höheren Temperatur in dem Motorvorlauf 32 erreicht, als wenn höhere Außentemperatu­ ren vorliegen und damit das Kühlmittel im Kühlerrücklauf 31 einen geringeren Einfluß auf die sich in dem Gehäuse 13 und dem Dehnstoff einstellende Mischtemperatur hat. Wird nach dem Öffnen der Verbrennungsmotor weiter mit Teillast betrieben, so bleibt die Temperatur des Kühlmittels im Kühlerrücklauf relativ niedrig, so daß der von ihr bewirkte Kühleffekt des thermosta­ tischen Arbeitselements 12 weiter besteht und das Thermostat­ ventil auf ein höheres Betriebstemperaturniveau einregelt. Die­ ses Betriebstemperaturniveau wird weitgehend konstant eingehal­ ten, so lange der Betriebszustand (Teillast) besteht. Wird der Verbrennungsmotor dann in einer nächsten Fahrstufe mit Vollast betrieben, so wird der Kühlbedarf für den Verbrennungsmotor er­ höht. Auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen wird dann das Kühlmittel in dem Kühler auf eine deutlich höhere Tempera­ tur gelangen, so daß das Kühlmittel des Kühlerrücklaufs 31 das Gehäuse 13 des thermostatischen Arbeitselementes und da­ mit den Dehnstoff weniger beeinflußt. Es wird dann auf ein niedrigeres Temperaturniveau in dem Motorvorlauf 33 eingere­ gelt.

Die in Fig. 2 dargestellten Unterschiede zwischen der gepünkel­ ten Kurve des Temperaturverlaufs bei relativ hoher Umgebungs­ temperatur (Sommerbetrieb) und der mit durchgezogenen Linien gezeigten Kurve (Winterbetrieb) des Temperaturverlaufes sind um so stärker, je niedriger die Umgebungstemperatur und damit die Temperatur des Kühlmittels im Kühlerrücklauf 31 ist.

Der vorstehend beschriebene Effekt ist darüber hinaus auch von der Kühlleistung abhängig. Je höher die Kühlleistung des Küh­ lers ist, um so größer sind die Unterschiede zwischen den bei­ den in Fig. 2 dargestellten Kurven.

Der Einfluß der Kühlmitteltemperatur in dem Kühlerrücklauf 31 ist auch davon abhängig, wie stark das Temperatur-Fühlglied dieser Kühlmittelströmung ausgesetzt ist. Dies läßt sich durch die Größe der freien Fläche des Gehäuses 13 des thermostati­ schen Arbeitselementes beeinflussen, die in dem Kühlmittelstrom des Kühlerrücklaufs 31 liegt. Dies ist wiederum von der Größe des Gehäuses 13 und der Art des Halters 14 abhängig. Bei­ spielsweise ist es möglich, mit einem abgewandelten Halter das Gehäuse nur im Bereich seines geschlossenen Endes zu halten. Der Kragen 20 des Hauptventiltellers 18 ist dann so ausge­ bildet, daß er auf dem Gehäuse 13 gleitend geführt ist. Bei dieser Ausführungsform ist dann ein Dichtungsring in dem Kragen vorgesehen. Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform wird vorgesehen, daß der Kragen (in der Zeichnung nach oben) über den Ventilteller 18 hinausragt und somit bestimmt, mit welcher Fläche das Gehäuse 13 des Arbeitselementes 12 der Kühlmittelströmung des Kühlerrücklaufs 31 ausgesetzt ist, die sich dann mit der Bewegung des Hauptventiltellers 18 bei hö­ heren Temperaturen im Kühlerrücklauf 31 vergrößert.

Claims (4)

1. Thermostatventil für eine Kühlanlage eines Verbrennungs­ motors mit einem thermostatischen Arbeitselement, das ein Ge­ häuse aufweist, das einen Dehnstoff enthält, der temperaturab­ hängig einen Arbeitskolben aus dem Gehäuse austreibt und damit abhängig von der Temperatur eines Kühlmittels die Positionen eines Hauptventiltellers und eines Kurzschlußventiltellers ein­ regelt, die eine Mischkammer für von einem Kühler durch ein Hauptventil zuströmendes und für direkt von dem Verbrennungsmo­ tor durch ein Kurzschlußventil zuströmendes und anschließend zum Verbrennungsmotor zurückgeführtes Kühlmittel begrenzen, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) des Arbeitselementes (12) stationär gehalten ist, daß der Arbeitskolben (17) mit dem das Gehäuse des Arbeitselementes topfartig umgebenden, im Be­ reich seiner Seitenwände mit Durchbrechungen versehenen Haupt­ ventilteller und dem Kurzschlußventilteller (27) versehen ist, daß der Hauptventilteller wenigstens im Bereich seiner Schließ­ position dichtend auf dem Gehäuse des thermostatischen Arbeits­ elementes oder einem Halter (14) dieses Gehäuses geführt ist, und daß das Gehäuse des Arbeitselementes auf der dem Arbeits­ kolben abgewandten Seite des Hauptventiltellers wenigstens teilweise frei in dem vom Kühler zuströmenden Kühlmittel liegt.

2. Thermostatventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hauptventilteller (18) mit einem geschlossenen Kragen (20) auf dem Gehäuse (13) des Arbeitselementes (12) oder auf einem dieses aufnehmenden Halters (14) geführt ist.

3. Thermostatventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem Kragen (20) des Hauptventiltellers (18) über Stege (22) ein Boden (23) verbunden ist, der sich auf dem Ar­ beitskolben (17) des Arbeitselementes (12) abstützt.

4. Thermostatventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß von dem Boden (23) des Hauptventiltellers (18) in Ver­ längerung des Arbeitskolbens (17) ein Zapfen (26) abragt, der den Kurzschlußventilteller (27) trägt.