DE4409547A1 - Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage für einen Verbrennungs­ motor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und einem Thermo­ statventil, das eine Strömung eines Kühlmittels zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler derart regelt, daß während ei­ ner Warmlaufphase das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühl­ mittel im wesentlichen unter Umgehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zu dem Verbrennungsmotor zurückströmt, daß während einer Betriebsphase in einem Mischbetrieb das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel teilweise durch den Küh­ ler hindurch und teilweise durch den Kurzschluß hindurch zu dem Verbrennungsmotor zurückströmt, und daß in einer weiteren Be­ triebsphase in einem Kühlbetrieb das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen durch den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt, wobei das Thermostatventil, dessen Arbeitsbereich für den Mischbetrieb mittels Auslegung des Dehnstoffelementes auf eine vorbestimmte Temperatur fest­ gelegt ist, ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthält, das zum Vergrößern des Öffnungsquerschnittes gegenüber einer durch die Temperatur des Kühlmittels bedingten Stellung mittels einer Steuerung mit elektrischer Energie versorgbar ist, die Betriebsdaten des Verbrennungsmotors erhält und die abhängig von diesen Betriebsdaten die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Dehnstoffelement steuert, um den Arbeitsbereich des Thermostatventils vom Mischbetrieb hin zum Kühlbetrieb und zurück zuverlagern.

Bei einer bekannten Kühlanlage (DE 30 18 682 A1) ist in einem Dehnstoffelement eines Thermostatventils ein elektrischer Heiz­ widerstand angeordnet, dem elektrische Energie durch einen sta­ tionär gehaltenen Arbeitskolben hindurch zuführbar ist. Die Zu­ fuhr der elektrischen Energie erfolgt über eine Regeleinrich­ tung, um die von dem Thermostatventil eingeregelte Kühlmittel­ temperatur besser als bei einem normalen Thermostatventil kon­ stant halten zu können, d. h. um eine Korrektur vorzunehmen und die Regelintervalle zu verkürzen. Hierzu wird die IST-Kühlmit­ teltemperatur gemessen und mit einem vorgegebenen oberen und mit einem vorgegebenen unteren Temperaturwert verglichen. Wird der obere Temperaturwert erreicht, so wird der Heizwiderstand mit elektrischer Energie versorgt, so daß das Thermostatventil weiter öffnet, um eine erhöhte Kühlleistung und damit eine Ab­ senkung der IST-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Sinkt die IST-Kühlmitteltemperatur danach unter den unteren Temperatur­ wert, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Heiz­ widerstand unterbrochen, so daß das Dehnstoffelement von dem kälteren Kühlmittel abgekühlt wird. Dadurch wird der Ventil­ querschnitt wieder verringert, so daß die IST-Kühlmitteltempe­ ratur wieder ansteigt. Diese Regelspiele werden ständig wieder­ holt, um eine Kühlmitteltemperatur von beispielsweise 95°C mög­ lichst konstant einzuhalten.

Es ist auch bekannt (DE 37 05 232 A1), anstelle eines üblichen Thermostatventils mit einem Dehnstoffelement ein mittels eines Stellmotors regelbares Ventil vorzusehen. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel ist der Stellmotor ein thermostatisches Arbeits­ element, dessen Gehäuse außerhalb des Ventilgehäuses stationär angeordnet ist. Innerhalb des Ventilgehäuses befindet sich ein Ventilkörper, der einen Hauptventilteller und einen Kurzschluß­ ventilteller in der bei Thermostatventilen bekannten Anordnung trägt. Der Arbeitskolben des als Stellmotor dienenden thermo­ statischen Arbeitselementes ist mit dem Ventilkörper verbunden. Das Gehäuse dieses thermostatischen Arbeitselementes erstreckt sich quer zu einer zum Motor zurückführenden Kühlmittelleitung, die um das Ventilgehäuse herumgeführt wird. Aus dieser Leitung ragt das Gehäuse des Arbeitselementes heraus, das in diesem Be­ reich mit einem Heizelement umgeben ist. Dieser Heizeinrichtung ist eine Steuereinrichtung zugeordnet, der einzelne, beispiels­ weise von Sensoren der Brennkraftmaschine erfaßte, Kennfeldgrö­ ßen zugeführt werden. Als Kennfeldgrößen sollen außer der in einer Vorlaufleitung erfaßten Kühlmitteltemperatur die Abgas­ temperatur und/oder die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Brennkraftmaschine und/oder der Unterdruck im Saugrohr und/oder eine Druckdifferenz in einer Unterdruckdose und/oder die Öltem­ peratur o. dgl. erfaßt werden.

In einer nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung (P 42 33 913.8) ist ein elektrisch beheizbares Thermostatventil für einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors offen­ bart. Bei diesem Thermostatventil ist das Gehäuse des Dehn­ stoffelementes mit seinem einem Arbeitskolben gegenüberliegen­ den Ende stationär gehalten und mit einem elektrischen Heizele­ ment versehen. Der Arbeitskolben ist mit einem Kurzschlußven­ tilteller und mit einem topfartig ausgebildeten Hauptventiltel­ ler versehen, der käfigartig das Gehäuse des Dehnstoffelementes umgibt und der einem Ventilsitz zugeordnet ist und mit einer zusätzlichen Dichtstelle gegenüber dem Gehäuse des Dehnstoff­ elementes oder einem dieses umgebenden Halterung abgedichtet ist. Durch Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Heizelement kann der üblichen, kühlmitteltemperaturabhängigen Regelung des Thermostatventils eine zusätzliche Regelgröße überlagert wer­ den, durch die das Hauptventil weiter geöffnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Kühlanlage der eingangs genannten Art eine möglichst einfach aufgebaute Steuerung zu schaffen, die einerseits ein Senken des Kraft­ stoffverbrauches und ein Verbessern der Abgaszusammensetzung gestattet, jedoch andererseits die Betriebssicherheit und die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors nicht beeinträchtigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerung wenigstens drei parallel geschaltete, jeweils einen IST-Wert mit einem vorgegebenen Wert vergleichende und bei Überschreiten dieses vorgegebenen Wertes die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Dehnstoffelement freigebende Vergleichsstufen enthält, die als eine die IST-Ge­ schwindigkeit des Fahrzeuges mit einem vorgegebenen Geschwin­ digkeitswert vergleichende Geschwindigkeits-Vergleichsstufe, als eine den IST-Lastzustand des Verbrennungsmotors mit einem vorgegebenen Lastzustands-Wert vergleichende Lastzustands-Ver­ gleichsstufe und als eine die IST-Temperatur der vom Verbren­ nungsmotor angesaugten Luft mit einem vorgegebenen Temperatur­ wert vergleichende Ansaugluft-Temperatur-Vergleichsstufe ausge­ bildet sind.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß einerseits durch die von der Temperatur des Kühlmittels abhängige Funktion des Ther­ mostatventils eine hohe Kühlmitteltemperatur und damit eine ho­ he Motortemperatur eingeregelt werden, während gleichzeitig be­ darfsorientiert mittels der Steuerung jeweils eine erhöhte Kühlleistung zur Verfügung gestellt wird. Durch die erhöhte Mo­ tortemperatur verringern sich beispielsweise Reibungen, so daß die Leistungsaufnahme des Verbrennungsmotors geringer ist. Da­ durch läßt sich der Kraftstoffverbrauch senken, während gleich­ zeitig die Abgaszusammensetzung verbessert wird. Die Vergleichs­ stufen sorgen dafür, daß dann, wenn eine erhöhte Kühlleistung erwünscht wird, auf ein niedrigeres Temperaturniveau umgeschal­ tet wird. Mittels der Geschwindigkeits-Vergleichsstufe wird erreicht, daß bis zu bestimmten Richtgeschwindigkeiten der Ver­ brauch minimiert und die Abgaszusammensetzung verbessert werden. Mit der Lastzustands-Vergleichsstufe, die ab einem vorgegebenen Lastzustand elektrische Energie der Heizeinrichtung des Dehn­ stoffelementes zuführt, wird sichergestellt, daß die Leistungs­ abgabe des Verbrennungsmotors nicht durch eine zu hohe Betriebs­ temperatur reduziert wird, die nämlich zu einem verschlechterten Füllungsgrad und damit zu einer verringerten Leistungsabgabe führen könnte. Mittels der Ansaugluft-Temperaturvergleichsstufe wird sichergestellt, daß beispielsweise bei langsamer Fahrt oder in einem Stau die Ansauglufttemperatur nicht so stark an­ steigt, daß auch bei einer relativ geringen Leistung des Ver­ brennungsmotors ein ungenügendes Brennstoffgemisch zugeführt wird, durch welches der Betrieb des Verbrennungsmotors gestört werden könnte. Die drei Vergleichsstufen führen somit zu einer relativ einfachen Steuerung, die dennoch in vorteilhafter Weise die wesentlichsten Betriebszustände des Verbrennungsmotors und des Fahrzeuges berücksichtigt und jeweils eine bedarfsorien­ tierte Kühlung vorsieht.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Steue­ rung eine die IST-Temperatur des Kühlmittels mit einer SOLL- Temperatur vergleichende und bei unterhalb der SOLL-Temperatur liegenden Werten der IST-Temperatur das Zuführen von elektri­ scher Energie zu dem Dehnstoffelement sperrende Kühlmittel- Temperatur-Vergleichsstufe enthält. Damit wird sichergestellt, daß eine Steuerung der Kühlmitteltemperatur in Richtung zu ei­ nem verringerten Temperaturniveau nur dann vorgenommen wird, wenn eine Mindesttemperatur, d. h. die SOLL-Temperatur, bereits erreicht ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schemabild einer erfindungsgemäßen Kühlan­ lage,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein für die erfindungsgemäße Kühlanlage geeignetes Thermostatventil,

Fig. 3 ein Flußdiagramm einer für die erfindungsgemäße Kühlanlage geeigneten Steuerung,

Fig. 4 einen Logikplan für eine Steuerung der Kühlanlage und

Fig. 5 den bei der erfindungsgemäßen Kühlanlage erreichten Temperaturverlauf der Kühlmitteltemperatur.

Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage für einen Verbrennungsmo­ tor (10) enthält einen Kühlmittelkühler (11) , dem in üblicher Weise ein Kühlgebläse (61) zugeordnet ist. Bei dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist das Kühlgebläse (61) mit einem elektrischen Antriebsmotor (62) versehen, der ein- und aus­ schaltbar ist und der in der Regel auch mit verschiedenen Leistungsstufen betreibbar ist. Bei einer anderen Ausführungs­ form ist das Kühlgebläse (61) über eine Flüssigkeitskupplung mit dem Verbrennungsmotor (10) verbunden, deren Füllmenge veränderbar ist, um das Kühlgebläse ein- und auszuschalten und mit verschiedenen Leistungsstufen zu betreiben. Zwischen dem Verbrennungsmotor (10) und dem Kühler (11) wird mittels einer Kühlmittelpumpe (12) eine Strömung eines Kühlmittels erzeugt, insbesondere eines mit einem Zusatz versetzten Wassers. Von dem Verbrennungsmotor (10) führt über einen Motoraustritt (14) eine Vorlaufleitung (13) zu dem Kühler (11) und von dem Kühler (11) zurück zu dem Verbrennungsmotor (10) eine Rücklaufleitung. In der Rücklaufleitung ist ein Thermostatventil (15) angeordnet, dessen konkrete Gestaltung anhand von Fig. 2 noch erläutert werden wird. Von der Leitung (13) zweigt eine Kurzschlußleitung (16) zu dem Thermostatventil (15) ab.

Die Kühlanlage arbeitet im wesentlichen in drei Betriebsphasen. In einer ersten Betriebsphase nach dem Start des Verbrennungs­ motors (10), der sogenannten Warmlaufphase, ist das Thermostat­ ventil (15) so eingestellt, daß die von dem Verbrennungsmotor (10) kommende Kühlmittelströmung über die Kurzschlußleitung (16) im wesentlichen vollständig zu dem Verbrennungsmotor (10) zurückgeführt wird. In einer weiteren Betriebsphase arbeitet die Kühlanlage im Mischbetrieb, d. h. das von dem Verbrennungs­ motor (10) kommende Kühlmittel läuft teilweise durch den Kühler (11) und teilweise über die Kurzschlußleitung (16) zurück zum Verbrennungsmotor (10). In einer weiteren Betriebsphase arbei­ tet die Kühlanlage im Kühlbetrieb, d. h. das von dem Verbren­ nungsmotor (10) kommende Kühlmittel wird im wesentlichen voll­ ständig durch den Kühler (11) hindurch zu dem Verbrennungsmotor (10) zurückgeführt.

Wenn die Kühlanlage im Mischbetrieb arbeitet, kann sie durch Zufuhr von elektrischer Energie über eine Leitung (17) zu dem Thermostatventil in Richtung zu dem Kühlbetrieb verstellt oder vollständig auf Kühlbetrieb umgeschaltet werden. Damit verrin­ gert sich das Temperaturniveau des Kühlmittels. Wird danach die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Thermostatventil (15) wieder unterbrochen, so kühlt das jetzt kühlere Kühlmittel das Thermostatventil derart, daß es wieder seine Stellung für den Mischbetrieb einnimmt, so daß die Kühlmitteltemperatur wieder angehoben wird. Die Versorgung des Thermostatventils (15) mit elektrischer Energie wird von einem Steuergerät (18) veranlaßt, das mehrere Signale erhält und auswertet. An dem Motoraustritt (14) ist ein Temperatursensor (19) angeordnet, der die IST-Tem­ peratur des Kühlmittels erfaßt und in das Steuergerät (18) ein­ gibt. In einem Sammler der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors (10) ist ein weiterer Temperatursensor (20) angeordnet, der die Temperatur der Ansaugluft (Frischluft) erfaßt und in die Steu­ ereinrichtung (18) eingibt. Ferner ist die Steuereinrichtung (18) an eine bekannte elektronische Motorsteuerung (21) ange­ schlossen, beispielsweise an eine unter dem Warenzeichen "Mo­ tronik" von der Firma Robert Bosch AG vertriebene elektronische Motorsteuerung. Diese Motorsteuerung (21) stellt Signale über den Lastzustand des Verbrennungsmotors (10) zur Verfügung, die jeweils von dem Verbrennungsverfahren (Ottoverfahren oder Die­ selverfahren) des Verbrennungsmotors (10) abhängig sind, bei­ spielsweise direkt oder indirekt von der Stellung einer Dros­ selklappe im Ansaugrohr. Ferner stellt die Motorsteuerung (21) Signale entsprechend der jeweiligen IST-Fahrgeschwindigkeit eines mit dem Verbrennungsmotor und der Kühlanlage ausgerüste­ ten Fahrzeuges zur Verfügung. Selbstverständlich ist es mög­ lich, die Steuerung (18) mit ihren Funktionen in die elektroni­ sche Motorsteuerung (21) zu integrieren, beispielsweise durch Ablegen entsprechender Software.

Das in Fig. 2 dargestellte Thermostatventil (15) enthält ein in einem aus zwei Teilen (22, 23) gebildeten Ventilgehäuse ange­ ordnetes Dehnstoffelement (24), das auch als thermostatisches Arbeitselement bezeichnet wird. Das Dehnstoffelement (24) besitzt ein Gehäuse (25), das stationär an einem Ansatz (26) des Teils (22) des Ventilgehäuses gehalten ist. Das Gehäuse (25) ist in einen etwa topfförmigen Halter (27) eingesteckt, der das Gehäuse (25) bis annähernd zur Hälfte seiner axialen Länge umgibt. Der Halter (27) ist mit einem Fortsatz (28) in den Ansatz (26) eingesteckt. In dem Gehäuse (25) befindet sich ein Dehnstoff, insbesondere eine Wachsmischung. Das offene Ende des Gehäuses (25) ist mit einem eingebördelten Führungseinsatz (29) verschlossen, der eine taschenartige, sich in das Innere des Gehäuses (25) erstreckende Membran (30) hält. Die taschen­ artige Membran (30) umgibt einen Arbeitskolben (31), der bei einer Ausdehnung des Dehnstoffes, die bei einer vorgegebenen Temperatur erfolgt, aus dem Gehäuse (25) ausfährt. Der Arbeits­ kolben (31) ist mit einem Ventilteller (32) verbunden, der eine im wesentlichen topfförmige Gestalt besitzt und ausgehend von dem offenen Ende des Gehäuses (25) dieses bis hin zu dem Halter (27) umgibt. Dem Ventilteller (32) ist ein Ventilsitz (33) des Teils (22) des Ventilgehäuses zugeordnet. Der Ventilteller (32) besitzt einen geschlossenen Kragen (34), der in dem dargestell­ ten geschlossenen Zustand eine Dichtungsstelle mit dem Halter (27) bildet. Im Bereich dieser Dichtungsstelle ist der Halter (27) mit einem Dichtungsring (35) versehen, der insbesondere als O-Ring ausgebildet ist. An den geschlossenen Kragen (34) schließen sich einzelne Stege (36) an, die zu dem mit dem Ar­ beitskolben (31) verbundenen Boden (37) des Ventiltellers (32) führen. Der Ventilteller (32) ist mit einer Schließfeder (38) in Richtung zu dem Ventilsitz (33) belastet. Das gegenüberlie­ gende Ende der vorgespannten Schließfeder (38) ist auf einem Federteller (39) abgestützt, der mittels mehrerer Arme (40) ge­ halten ist, die parallel zu dem Gehäuse (25) und der Schließfe­ der (38) verlaufen.

Der Boden (37) des Ventiltellers (32) ist mit einem koaxial zum Arbeitskolben (31) verlaufenden Zapfen (41) verlängert, auf welchem ein Kurzschlußventilteller (42) gleitend geführt ist. Die Ausgangsposition des Kurzschlußventiltellers (42), die in Fig. 2 dargestellt ist, ist mittels einer Bördelung festgelegt. Der Kurzschlußventilteller (42) ist in axialer Richtung gegen die Wirkung einer Kurzschlußfeder (44) auf dem Zapfen (41) ver­ schiebbar, die sich zwischen dem Kurzschlußventilteller (42) und dem Boden (37) des Ventiltellers (32) befindet.

Das Teil (22) des Ventilgehäuses ist mit einer Anschlußöffnung (48) für die Kühlerrücklaufleitung versehen. In Strömungsrich­ tung nach diesem Anschluß (48) befindet sich der Ventilteller (32), der bestimmt, ob und wieviel von dem Kühler (11) kommen­ des Kühlmittel über einen Anschluß (49) an den Verbrennungs­ motor (10) zurückgeführt wird. Der Teil (23) des Ventilgehäuses ist ferner mit einer Anschlußöffnung (50) für die Kurzschluß­ leitung (16) versehen. Dieser Anschluß befindet sich auf der dem Kurzschlußteller (42) abgewandten Seite der Kurzschlußöff­ nung (46). Der Teil (23) des Ventilgehäuses ist ferner auf der dem Kurzschlußteller (42) abgewandten Seite der Kurzschlußöff­ nung (46) mit einer Anschlußöffnung (51) versehen, an die eine zum Kühler (11) zurückführende Leitung anschließt.

Beim Starten des kalten Verbrennungsmotors (10) befinden sich die Elemente des Thermostatventils (15) in den in Fig. 2 dar­ gestellten Positionen. Das von der Kühlmittelpumpe (12) geför­ derte Kühlmittel wird über die Anschlußöffnung (50) durch die Kurzschlußleitung (16) hindurch zugeführt, da der Ventilteller (32) die Anschlußöffnung (48) versperrt. Das geförderte Kühl­ mittel strömt zum Teil über die Kurzschlußöffnung (46) zu der zum Verbrennungsmotor (10) führenden Anschlußöffnung (49) und zum Teil über die Anschlußöffnung (51) zum Kühler (11).

Das in diesem Zustand von der Anschlußöffnung (50) zu der An­ schlußöffnung (49) strömende Kühlmittel umströmt auch das Ge­ häuse (25) des thermostatischen Arbeitselementes, so daß dieses und der darin enthaltene Dehnstoff bei steigender Kühlmittel­ temperatur zunehmend erwärmt werden. Wenn die durch die Wahl des Dehnstoffes (festgelegte Wachsmischung) vorgegebene Tempe­ ratur erreicht wird, dehnt sich der Dehnstoff im wesentlichen linear aus, so daß der Arbeitskolben (31) ausgefahren wird. Mit dem Ausfahren des Arbeitskolbens (31) wird der Ventilteller (32) von dem Ventilsitz abgehoben, so daß Kühlmittel über die Anschlußöffnung (48) von dem Kühler (11) zu der Anschlußöffnung (49) zu dem Verbrennungsmotor (10) strömt. Beim Ausfahren des Arbeitskolbens (31) wird der Kurzschlußteller (42) zu der Kurz­ schlußöffnung (46) hin bewegt. In vollständig ausgefahrenem Zu­ stand des Arbeitskolbens (31) legt sich der Kurzschlußventil­ teller (42) an die Kurzschlußöffnung (46) an und dichtet diese ab. In der bereits erwähnten Zwischenstellung ergibt sich ein Mischbetrieb, bei welchem sowohl von dem Kühler (11) kommendes gekühltes Kühlmittel als auch von dem Verbrennungsmotor (10) kommendes ungekühltes Kühlmittel über die Anschlußöffnung (49) zu dem Verbrennungsmotor (10) zurückgeführt werden. Der Dehn­ stoff des Dehnstoffelementes (24) ist so ausgelegt, daß in dieser Stellung des Mischbetriebes eine definierte Betriebstem­ peratur für das Kühlmittel und damit für den Verbrennungsmotor (10) eingeregelt wird. Wenn der Arbeitskolben (31) so weit aus­ gefahren wird, daß der Kurzschlußteller (42) die Kurzschlußöff­ nung (46) verschließt, so wird ein reiner Kühlbetrieb erhalten, d. h. es strömt ausschließlich von dem Kühler (11) gekühltes Kühlmittel durch die Anschlußöffnung (48) hindurch über die An­ schlußöffnung (49) zum Verbrennungsmotor (10).

Innerhalb des Gehäuses (25) des Dehnstoffelementes (24) ist ein elektrisches Heizelement (52) angeordnet, das über eine elek­ trische Leitung (17) (genaugenommen zwei Leitungen) mit elek­ trischer Spannung versorgt wird, insbesondere mit einer Gleich­ spannung von 12 Volt. Wenn das Heizelement (52) mit elektri­ scher Energie versorgt wird, so wird der Dehnstoff über die ihm von dem strömenden Kühlmittel gegebene Temperatur hinaus aufge­ heizt, so daß der Arbeitskolben (31) weiter ausgefahren wird. Der Betriebszustand des Thermostatventils (15) wird dadurch in Richtung zu dem reinen Kühlbetrieb hin verlagert,so daß dadurch die Kühlmitteltemperatur und damit die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors (10) abgesenkt werden kann. Dabei können Zwischenstellungen des Mischbetriebes angefahren oder von dem Mischbetrieb auf den Kühlbetrieb umgeschaltet werden.

In Fig. 5 ist in einem Diagramm (Temperatur über Zeit) der Ver­ lauf der Kühlmitteltemperatur bei Teillast und Vollast darge­ stellt, wie er sich mittels der beschriebenen Kühlanlage und dem beschriebenen Thermostatventil (15) erreichen läßt. Das Dehnstoffelement (24) des Thermostatventils (15) wird durch die Zusammensetzung des Dehnstoffes auf eine Betriebstemperatur von über 100°C ausgelegt, wobei in der Praxis 120°C nicht über­ schritten werden sollen. Bei dem dargestellten Beispiel ist ei­ ne Temperatur von 110°C gewählt. Diese Temperatur ist mit einer oberen, gestrichelten Linie dargestellt. Während eines Teil­ lastbetriebes regelt das Thermostatventil (15) mittels des Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur auf das Temperatur­ niveau von 110°C. Dies ist zweckmäßig, um durch Verminderung von Reibung o. dgl. den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Abgaszusammensetzung zu verbessern. Bei Vollast wird dem Heizelement (52) des Dehnstoffelementes (24) des Thermostatventils (15) elektrische Energie zugeführt, wie dies mit der strichpunktierten Kurve dargestellt ist, so daß der Dehnstoff weiter aufgeheizt und der Arbeitskolben (31) entspre­ chend ausgefahren wird. In der maximalen Ausfahrstellung verschließt der Kurzschlußventilteller (42) die Kurzschlußöff­ nung (46), so daß ein reiner Kühlbetrieb erhalten wird. Unter der Voraussetzung, daß die Kühlleistung des Kühlers (11) (ge­ gebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Kühlgebläses) ausreichend ist, wird dann in dem Kühlmittel und damit in dem Verbrennungs­ motor (10) ein Temperaturniveau von beispielsweise 90°C er­ reicht, das in Fig. 5 mit der unteren gestrichelten Linie dar­ gestellt ist. Geht der Betrieb des Verbrennungsmotors (10) von Vollast wieder auf Teillast zurück, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Heizelement (52) unterbrochen. Das nun kältere Kühlmittel, das das Dehnstoffelement (24) umströmt, kühlt den Dehnstoff und bewirkt, daß der Arbeitskolben (31) mittels der Schließfeder (38) in die Stellung zurückgeführt wird, die der Kühlmitteltemperatur entspricht. Das Thermostat­ ventil (15) regelt dann wieder die Kühlmitteltemperatur und da­ mit die Temperatur des Verbrennungsmotors (10) auf das Tempera­ turniveau von z. B. 110°C ein. Die Absenkung der Kühlmitteltem­ peratur und damit der Temperatur des Verbrennungsmotors (10) im Vollastbetrieb auf beispielsweise ein Temperaturniveau von 90°C hat den Vorteil, daß dann von dem Verbrennungsmotor (10) die volle Leistung erbracht werden kann. Es wird damit vermie­ den, daß aufgrund einer zu hohen Temperatur ein geringerer Füllungsgrad bei der Verbrennung erhalten wird, der zu einer Leistungsverminderung führt. Um das untere Temperaturniveau schneller zu erreichen, wird zusätzlich vorgesehen, daß das Kühlgebläse (61) während dieser Absenkphase eingeschaltet wird, oder falls es schon eingeschaltet war, mit einer höheren Lei­ stungsstufe betrieben wird. Dadurch läßt sich der links in Fig. 5 eingezeichnete Temperaturverlauf erhalten. Diese Zusatzküh­ lung wird nur über eine beschränkte, wählbare Zeitspanne vorge­ sehen.

Für die Praxis ist es sinnvoll, die anhand von Fig. 5 für Teil­ last und Vollast dargestellte Temperaturregelung auch für ande­ re Fahrzustände vorzusehen. Bei sehr langsamen Fahrten und ho­ hen Außentemperaturen und/oder wenn sich das Fahrzeug in einem Stau befindet, besteht die Gefahr, daß die Ansaugluft in einem Sammler so stark aufgeheizt wird, daß sich kaum noch eine kor­ rekte Mischung aus Frischluft und Kraftstoff erhalten läßt, um das Fahrzeug sicher zu betreiben. Auch in diesem Fall wird des­ halb vorgesehen, daß mittels des Thermostatventils (15) die Kühlanlage von dem Mischbetrieb bei 110°C auf den reinen Kühl­ betrieb umgeschaltet wird, bei welchem eine Temperatur von bei­ spielsweise 90°C für das Kühlmittel und den Verbrennungsmotor (10) erhalten wird. Des weiteren wird vorgesehen, daß die Um­ schaltung von dem ein hohes Temperaturniveau von beispielsweise 110°C einregelnden Mischbetrieb auf den ein Temperaturniveau von beispielsweise 90°C bewirkenden reinen Kühlbetrieb abhängig von der Geschwindigkeit vorgenommen wird, mit der das Fahrzeug fährt. Hierbei wird vorgesehen, daß bei Erreichen oder Über­ steigen einer SOLL-Geschwindigkeit von dem Mischbetrieb auf den Kühlbetrieb umgeschaltet wird. Die SOLL-Geschwindigkeit kann dabei so festgelegt werden, daß sie den Richtgeschwindigkeiten in den einzelnen Ländern Rechnung trägt. Das höhere Temperatur­ niveau wird deshalb so lange aufrechterhalten, so lange die Ge­ schwindigkeit nicht überschritten wird, beispielsweise eine Ge­ schwindigkeit von 130 km/h.

In Fig. 3 ist in einem Flußdiagramm dargestellt, wie die vorge­ nannten Betriebszustände miteinander verknüpft werden, bei wel­ chen jeweils ein Umschalten des Thermostatventils (15) von dem Mischbetrieb auf den reinen Kühlbetrieb der Kühlanlage erfolgt. Die Steuereinrichtung (18) enthält drei Vergleichsstufen (53, 54, 55), die jeweils das Schließen eines Schalters (56) bewir­ ken, der in geschlossenem Zustand eine elektrische Energiequel­ le (57) mit der Heizeinrichtung (52) des Dehnstoffelementes (24) des Thermostatventils (15) verbindet. Die Vergleichsstufe (53) vergleicht die IST-Fahrzeuggeschwindigkeit (VFZG) mit ei­ ner SOLL-Fahrzeuggeschwindigkeit (VFZG_Soll). Die SOLL-Fahrzeug- Geschwindigkeit wird beispielsweise auf 130 km/h festgelegt. Damit wird sichergestellt, daß das hohe Kühlmitteltemperatur­ niveau z. B. während eines Abgastests oder Teillastzustandes aufrechterhalten bleibt, wenn nicht andere Bedingungen auftre­ ten. Die IST-Fahrzeuggeschwindigkeit kann der Steuereinrichtung (18) über einen Tachogenerator zugeführt werden. Moderne Kraft­ fahrzeuge sind jedoch mit einer elektronischen Motorsteuerung versehen, an der bereits ein der Fahrzeuggeschwindigkeit ent­ sprechendes Signal gebildet wird, das in die Steuereinrichtung (18) eingegeben und mit der SOLL-Geschwindigkeit verglichen werden kann.

Die Vergleichsstufe (54) vergleicht ein Lastsignal (TL) mit ei­ nem vorgegebenen Schwellwert (TL_Soll). Dieser vorgegebene Schwellwert kann beispielsweise auf 50% bis 70% der Vollast des Verbrennungsmotors (10) festgelegt werden. Erreicht oder überschreitet das Lastsignal (TL) den vorgegebenen Schwellwert (TL₅₀₁₁) so wird entsprechend der Schalter (56) wieder ge­ schlossen. Das Lastsignal (TL) kann beispielsweise über die Stellung einer Drosselklappe im Ansaugkanal des Verbrennungsmo­ tors gewonnen werden oder über eine Ermittlung einer dieser Stellung entsprechenden angesaugten Luftmenge pro Hub. Auch dieses Signal (TL) liegt bereits an den heute üblicherweise verwendeten elektronischen Motorsteuereinrichtungen (21) vor und kann dort abgegriffen werden.

Die Vergleichsstufe (55) vergleicht ein aus der IST-Temperatur der Ansaugluft gebildetes Signal (TS) des Sensors (20) mit ei­ nem vorgegebenen Schwellwert (TS_Soll). Dieser SOLL-Wert oder Schwellwert kann beispielsweise auf 50°C festgelegt werden. Er­ reicht oder überschreitet der IST-Wert der angesaugten Frisch­ luft diesen Schwellwert, so wird auch hier wieder der Schalter (56) geschlossen und das Thermostatventil (15) in der beschrie­ benen Weise von dem Mischbetrieb auf den Kühlbetrieb umgeschal­ tet.

Da es keinen Sinn macht, vor Erreichen des unteren Temperatur­ niveaus von beispielsweise 90°C (Fig. 5) auf den Kühlbetrieb umzuschalten, wird den bereits erläuterten Vergleichsstufen (53, 54, 55) eine weitere Vergleichsstufe (58) vorgeschaltet, die mit dem Start des Verbrennungsmotors in Betrieb genommen wird. Diese Vergleichsstufe (58) vergleicht die mittels des Sensors (19) erfaßte IST-Kühlmitteltemperatur (TMOT) mit einem Temperatur-SOLL-Wert (T_Soll), der beispielsweise 90°C beträgt, d. h. dem unteren Kühlmitteltemperaturniveau entspricht. Erst wenn diese Vergleichsstufe (58) angibt, daß die IST-Kühlmittel­ temperatur (TMOT) den SOLL-Wert (T_Soll) erreicht oder über­ schritten hat, wird die Weiterleitung der Signale der Ver­ gleichsstufen (53, 54, oder 55) an den Schalter (56) freigege­ ben.

Der Schalter (56) schaltet mit der Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Thermostatventil (15) auch gleichzeitig den Antrieb (62) des Kühlgebläses (61) ein, d. h. er bewirkt eine Stromzufuhr zu dem zugehörigen elektrischen Antriebsmotor oder eine Erhöhung der Füllmenge einer Flüssigkeitskupplung. Damit wird erreicht, daß das untere Temperaturniveau schneller erreicht wird. Die Einschaltung des Kühlgebläses wird deshalb nur für eine begrenzte Zeitspanne vorgenommen. Das Festlegen der Zeitspanne erfolgt mittels eines in Fig. 3 und 4 nur angedeuteten Zeitgliedes (64).

Fig. 4 zeigt einen Logikplan für das Flußdiagramm nach Fig. 3. Die Vergleichsstufen (53, 54, 55) sind an ein ODER-Glied (59) angeschlossen, das jedes der Signale der Vergleichsstufen (53, 54, 55) zu einem UND-Glied (60) weiterleitet. Die Vergleichs­ stufe (58) ist ebenfalls an einen Eingang des UND-Gliedes (60) angeschlossen. Von dem UND-Glied (60) wird der Schalter (56) angesteuert, wenn das Signal der Vergleichsstufe (58) und ein Signal einer der Vergleichsstufen (53, 54 oder 55) vorliegt. Das Beheizen des Thermostatventils (15) zum Umschalten auf das untere Temperaturniveau erfolgt mithin nur dann, wenn in der ODER/UND-Verknüpfung eine Vorzeichenumkehr infolge einer Schwellwertüberschreitung des Spannungsdifferenz-Signals auf­ tritt. Solange kein derartiges Signal auftritt, übernimmt das Thermostatventil (15) als mechanisches Element die Regelung des oberen Temperaturniveaus (äußerer Regelkreis). Bei Zufuhr elek­ trischer Energie zu dem Thermostatventil (15) wird über die Schaltlogik entsprechend den inneren thermodynamischen Bedin­ gungen des Verbrennungsmotors (10) auf ein wählbares unteres Temperaturniveau umgeschaltet (innerer Regelkreis). Eine Aus­ kühlung des Verbrennungsmotors wird auch dadurch vermieden, daß die Kühlmittel-Temperatur-Vergleichsstufe (58) ein weiteres Bestromen des Thermostatventils (15) unterbindet, wenn die vorgewählte untere Temperatur unterschritten wird.

In den meisten Fällen wird es sinnvoll sein, die von den Be­ triebsdaten abhängigen Signale direkt zu ermitteln. Jedoch ist auch eine indirekte Ermittlung möglich. Beispielsweise kann an­ stelle der direkten Messung der Temperatur des Kühlmittels auch die Temperatur an einem repräsentativen Bauteil gemessen wer­ den, dessen Temperatur in einem bestimmten Verhältnis zur Kühl­ mitteltemperatur steht. Ebenso ist es möglich, anstelle einer direkten Messung der Ansaugluft-Temperatur die Temperatur eines für diesen Wert repräsentativen Bauteils oder die Motorraum­ temperatur zu messen. Der Lastzustand kann auch über die Öffnungszeit von Einspritzventilen, über die zugeführte Kraft­ stoffmenge erfaßt werden. Die Fahrgeschwindigkeit kann auch über die Drehzahl des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung der Getriebestufe erfaßt werden, oder über die Geschwindigkeit der das Fahrzeug anströmenden Luft.

In Fig. 4 ist eine Weiterbildung gestrichelt dargestellt, mit der das Kühlgebläse (61) mittels einer weiteren Vergleichsstufe (65) noch stärker einbezogen wird. Diese Vergleichsstufe (65) vergleicht das IST-Lastzustandssignal (TL) mit einem Schwell­ wert (TL_SOLL1) bei dessen Überschreiten ein Signal abgegeben wird. Der Schwellwert (TL_SOLL1) liegt deutlich oberhalb des Schwellwertes (TL_SOLL). Der Logikplan sieht vor, daß erst bei Auftreten dieses Signals (TL₁) das Gebläse (61) eingeschaltet wird. Hierzu wird mittels dieses Signals ein Schalter (68) der Kühlgebläsesteuerung (67) geschlossen, der erst das Einschalten des Kühlgebläses (61) ermöglicht.

Die vorgegebenen Werte für die Zustandsbeschreibung der Ansaug­ luft (Kenngröße für den Füllungsgrad des Brennraumes), die Zu­ standsbeschreibung der Motorlast (Kenngröße für den Motorbe­ triebspunkt), und die Zustandsbeschreibung der Fahrzeugbewegung (Kenngröße für die Fahrzeuggeschwindigkeit) müssen in der Steuerung (18) nicht als jeweils ein absoluter einziger Wert abgelegt sein. Es ist ohne weiteres möglich, eine Vielzahl von vorgegebenen Werten in der Art eines Kennfeldes abzulegen. Die­ se abgelegten Werte entsprechen einem Grundwert, der aufgrund des Einflusses von weiteren Betriebsdaten korrigiert worden ist. Der korrigierte Wert, der in einer Art Kennfeld abgelegt ist, wird dann bei Vorliegen dieser Betriebsdaten aufgerufen und in der Vergleichsstufe mit dem IST-Wert verarbeitet. Selbstverständlich wird dann zusätzlich vorgesehen, daß die weiteren Betriebsdaten erfaßt und in die Steuerung (18) einge­ geben werden. Zum Teil werden diese Betriebsdaten bereits heute bei elektronischen Motorsteuerungen (21) erfaßt, so daß sie be­ reits von diesen zur Verfügung gestellt werden können.

Das Kennfeld für die Zustandsbeschreibung der Ansaugluft (TS_SOLL) wird aus einem Grundwert der Ansauglufttemperatur gebildet, der abhängig von der Außentemperatur und/oder der Motorraumtemperatur korrigiert ist. Ein Kennfeld für die Zu­ standsbeschreibung der Fahrzeugbewegung (VFZG_SOLL) kann aus einem Grundwert gebildet werden, der abhängig von der Motor­ drehzahl und/oder einem die Fahrstufe anzeigenden Signal korri­ giert werden. Ein Kennfeld für die Zustandsbeschreibung der Motorlast (TL_SOLL) kann beispielsweise aus einem der Drossel­ klappenstellung oder einer davon abhängigen Größe entsprechen­ den Grundwert bestehen, der abhängig von dem Einspritzzeitpunkt und/oder der Einspritzmenge und/oder der Abgastemperatur und/ oder der Motoröltemperatur und/oder der Getriebeöltemperatur und/oder der Motordrehzahl und/oder dem Signal einer Lambdasonde und/oder der Temperatur eines Bauteils des Zylinderkopfes oder des Kurbelgehäuses korrigiert wird.

Auch die SOLL-Temperatur (TMOT_SOLL) des Kühlmittels muß nicht nur ein einziger vorgegebener Wert sein. Vielmehr können der Kühlmittel-Temperatur-Vergleichsstufe (58) unterschiedliche SOLL-Werte eingegeben werden, die aus den in der elektronischen Motorsteuereinrichtung (21) abgelegten Kennfeldern aufgerufen werden können. Jede dieser eingegebenen SOLL-Temperaturen (TMOT_SOLL) bewirkt, daß dann, wenn die IST-Kühlmitteltemperatur unter den vorgegebenen Wert abfällt, die Zufuhr von elektri­ scher Energie zu dem Dehnstoffelement (24) unterbrochen wird. Die Kühlmitteltemperatur wird dann etwa auf diesen SOLL-Wert (TMOT_SOLL) eingeregelt.

Claims (5)

1. Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahr­ zeuges mit einem Kühler und einem Thermostatventil, das eine Strömung des Kühlmittels zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler derart regelt, daß während einer Warmlaufphase das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Umgehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zu dem Ver­ brennungsmotor zurückströmt, daß während einer Betriebsphase in einem Mischbetrieb das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühl­ mittel teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise durch den Kurzschluß hindurch zu dem Verbrennungsmotor zurückströmt, und daß in einer weiteren Betriebsphase in einem Kühlbetrieb das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentli­ chen durch den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurück­ strömt, wobei das Thermostatventil, dessen Arbeitsbereich für den Mischbetrieb mittels Auslegung des Dehnstoffelementes auf eine vorbestimmte Temperatur festgelegt ist, ein elektrisch be­ heizbares Dehnstoffelement enthält, das zum Vergrößern des Öff­ nungsquerschnittes gegenüber einer durch die Temperatur des Kühlmittels bedingten Stellung mittels einer Steuerung mittels elektrischer Energie versorgbar ist, die Betriebsdaten des Ver­ brennungsmotors erhält und die abhängig von diesen Betriebsda­ ten die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Dehnstoffelement steuert, um den Arbeitsbereich des Thermostatventils vom Misch­ betrieb hin zum Kühlbetrieb und zurückzuverlagern, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerung (18) wenigstens drei parallel geschaltete, jeweils einen IST-Wert (VFZG; TL; TS) mit einem vorgegebenen Wert (VFZG_Soll; TL_Soll; TS_Soll) vergleichende und bei Überschreiten dieses vorgegebenen Wertes die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Dehnstoffelement freigebende Ver­ gleichsstufen enthält, die als eine die IST-Geschwindigkeit des Fahrzeuges (VFZG) mit einem vorgegebenen Geschwindigkeitswert (VFZG_Soll) vergleichende Geschwindigkeits-Vergleichsstufe (53), als eine den IST-Lastzustand (TL) des Verbrennungsmotors (10) mit einem vorgegebenen Lastzustandswert (TL_Soll) vergleichende Lastzustands-Vergleichsstufe (54) und als eine die IST-Tempera­ tur der vom Verbrennungsmotor (10) angesaugten Luft mit einem vorgegebenen Temperaturwert (TS_Soll) vergleichende Ansaugluft- Temperatur-Vergleichsstufe (55) ausgebildet sind.

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (18) eine die IST-Temperatur (TMOT) des Kühlmit­ tels mit einer SOLL-Temperatur (TMOT_Soll) vergleichende und bei unterhalb der SOLL-Temperatur liegenden Werten der IST-Tempera­ tur das Zuführen von elektrischer Energie zum Dehnstoffelement (24) sperrende Kühlmittel-Temperatur-Vergleichsstufe (58) ent­ hält.

3. Kühlanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel-Temperatur-Vergleichsstufe (58) mit Vorrang be­ züglich der Geschwindigkeits-Vergleichsstufe (53), der Lastzu­ stands-Vergleichsstufe (54) und der Ansaugluft-Temperatur-Ver­ gleichsstufe (55) geschaltet ist.

4. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem dem Kühler (11) zugeordneten, mittels einer Kühlgebläsesteue­ rung (67) ein- und ausschaltbares und/oder auf unterschiedliche Leistungsstufen umschaltbaren Kühlgebläse (61), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung (18) an die Kühlgebläsesteuerung angeschlossen ist, um das Kühlgebläse bei einem Umschalten auf das niedrigere Temperaturniveau einzuschalten und/oder auf eine höhere Leistungsstufe umzuschalten.

5. Kühlanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (18) über ein vorzugsweise einstellbares Zeit­ glied (64) mit der Kühlgebläsesteuerung (67) verbunden ist, das nach einer vorgegebenen Zeitspanne das Kühlgebläse (61) ab­ schaltet und/oder auf eine niedrigere Leistungsstufe zurück­ schaltet.