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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisch gesteuertes
Kühlsystem
für die
Steuerung der Temperatur eines Kühlmittels
eines Fahrzeugsmotors zur Verhinderung der globalen Erwärmung.
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2. Beschreibung der in
Verbindung stehenden Technik
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Mit
Bezug auf 6, die ein herkömmliches
Kühlsystem
für einen
Fahrzeugmotor zeigt, hat das System einen Thermostat 1,
der in einem Einlassseitendurchlass von Wassermänteln 20 angeordnet
ist.
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Das
Kühlsystem
weist einen zwischen einem oberen Auslass 21 der Wassermäntel 20 und
einem oberen Einlass 23 eines Kühlers 22 angeordneten
ersten Kühlmitteldurchlass 24 und
einen zwischen einem unteren Auslass 25 des Kühlers 22 und
einem unteren Einlass 29 der Wassermäntel 20 angeordneten
zweiten Kühlmitteldurchlass 30 auf,
umfassend eine Thermostatkappe 26, ein Thermostatgehäuse 27 und
eine Wasserpumpe 28. Ein Umgehungsdurchlass 31 ist
zwischen einem Anschluss J des ersten Durchlasses 24 und dem
Thermostatgehäuse 27 angeordnet,
um eine Verbindung zwischen dem ersten Durchlass 24 und
dem zweiten Durchlass 30 herzustellen, ohne den Kühler 22 zu
durchlaufen. Der Thermostat 1 ist durch die Thermostatkappe 26 hermetisch
sicher an dem Gehäuse 27 befestigt.
Der Thermostat hat ein Hauptventil 12 zum Schließen des
zweiten Durchlasses 30 und ein Umgehungsventil 15 zum
Schließen
einer Umgehungsöffnung 32 des
Umgehungsdurchlasses 31.
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In 6 bezeichnet
das Bezugszeichen A' einen
Messpunkt zum Messen der Temperatur des Kühlmittels in dem Gehäuse 27 und
das Bezugszeichen B' einen
Messpunkt, der in dem der Thermostatkappe 26 benachbarten
zweiten Durchlass 30 angeordnet ist. Das Bezugszeichen
C bezeichnet einen Messpunkt zum Messen der Durchflussrate des Kühlmittels
im zweiten Durchlass 30. Die Bezugszahl 33 bezeichnet
einen Kühlungsventilator.
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Der
Thermostat 1 wird von einem Thermoaktuator betätigt. Der
Thermoaktuator weist eine Betätigungstange
aus Stahl und eine federnd nachgiebige Dichtungsspule auf, die gleitbar
an der Stange angreift. Die Dichtungsspule wird in einen wärmeempfindlichen,
mit Wachspellets gefüllten
Zylinder eingeführt.
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Wie
in 7 gezeigt, ist in einem Flansch 16 des
Thermostats 1 eine Perforation 19 gebildet und
ein Hin- und Her-Ventilmechanismus 17 mit einem Hin- und
Her-Ventil ist beweglich in die Perforation eingesetzt.
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Während des
Betriebs des Motors wird das Hin- und Her-Ventil 18 durch
den Druck des Kühlmittels
im zweiten Kühldurchlass 30,
wie in 7 gezeigt, geschlossen. Wenn der Motor zum Stillstand
kommt, öffnet sich
das Hin- und Her-Ventil.
Folglich kann das Kühlmittel
in Richtung des Pfeils ergänzt
werden.
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Während der
Motor in einem kalten Zustand ist, wird das Hauptventil 12 des
Thermostats 1, wie in 6 gezeigt,
geschlossen und das Hin- und Her-Ventil 18 wird durch den
Kühlmitteldruck
auch geschlossen, während
das mit dem Hauptventil 12 in integraler Form gebildete
Umgehungsventil 15 vollständig geöffnet wird. Folglich durchläuft das
von dem Auslass 21 der Wassermäntel 20 bezogene Kühlmittel
den Kühler 22 nicht.
Das Kühlmittel
wird von der Wasserpumpe 28 durch den Anschluss J des ersten
Durchlasses 24, den Umgehungsdurchlass 31, das
Gehäuse 27 und
den Einlass 29 der Wassermäntel 20 zur Zirkulation
gebracht, wie durch Pfeile angezeigt. Folglich steigt die Temperatur
des Kühlmittels
im Gehäuse 27 schnell.
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Da
das Kühlmittel
in dem Kühler 22 und
der Thermostatkappe 26 jedoch nicht zur Zirkulation gebracht wird,
ist die Temperaturanstiegsrate der Kühlmitteltemperatur B darin
langsam. Wie in einer Aufzeichnung in 8 gezeigt,
beträgt
deshalb, sogar nachdem die Temperatur A am Punkt A' 87°C wird, was
eine Öffnungstemperatur
des Hauptventils 12 ist, die Temperatur B am Punkt B' nur 45°C. Zwischen
den Temperaturen A und B besteht ein Unterschied von 42°C.
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Wenn
sich das Hauptventil 12 des Thermostats 1 öffnet, wird
das Kühlmittel,
das eine niedrige Temperatur hat, von dem unteren Auslass 25 des
Kühlers 22 bezogen
und dem Thermostatgehäuse 27 durch
den zweiten Durchlass 30 zugeführt. Infolgedessen wird die
Temperatur B des Kühlmittels
am Punkt B' weiter
um 13°C
gesenkt. Folglich steigt der Unterschied zwischen der Temperatur
B des Kühlmittels
im Durchlass 30 und der Temperatur A des Kühlmittels
in dem Gehäuse 27 auf
55°C. Der
Bereich des durch die Schraffierung gezeigten Teils zeigt den Energieverlust
in der Zeitperiode an. Es wird zu verstehen sein, dass die Zeit
der X-Koordinate den Ablauf von Zeit bei 60°C der Temperatur A zeigt.
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Da
die Wärmeempfindlichkeit
des Thermostats 1 niedrig ist, verzögert sich die Reaktion des
Thermostats bezüglich
der Änderung
der Kühlmitteltemperatur.
Deshalb öffnet
sich das Hauptventil 12, nachdem die Temperatur beträchtlich
höher geworden
ist als die vorherbestimmte Öffnungstemperatur
87°C. Das
Hauptventil 12 schließt,
nachdem die Kühlmitteltemperatur
beträchtlich
niedriger gesunken ist als eine vorherbestimmte Schließungstemperatur.
Folglich wird das Hauptventil 12 wiederholt geöffnet und
geschlossen. Wenn das Hauptventil 12 schließt, tritt
stromaufwärts
von dem Hauptventil 12 ein Stoßdruck auf.
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Die
Wärmeüberschreitung
verursacht Risse des Zylinderblocks und des Zylinderkopfs des Motors
und der Stoßdruck
verursacht das Versagen des Thermostats 1 und des Kühlers 22.
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Da
der Hin- und Her-Ventilmechanismus, wie oben erwähnt, die Quelle von Energieverlust
und Motorstörungen
ist, wird der Hin- und Her-Ventilmechanismus von dem vorliegenden
Thermostat entfernt. Ferner wird in dem Flansch 16 des
Thermostats ein kleines Loch 19a gebildet (4).
Der auf die äußere Seite
und die innere Seite des Hauptventils 12 aufgebrachte Druck
werden gleich. Die Federkonstante der Rückholfeder wird um die Hälfte reduziert.
Ferner ist die Dicke der Dichtungsspule extrem dünn (Dicke zwischen 25% und 5%
des Durchmessers der Betätigungsstange)
und der Druck des Wachses für
die Hebung des Ventils wird reduziert.
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1 ist
ein Diagramm, das die Hebung bezüglich
der Kühlmitteltemperatur
zeigt. Eine Linie X ist die Hebung des Ventils der vorliegenden
Erfindung und die Linie Y ist die Hebung des herkömmlichen
Ventils. Der Bereich der steilen Kurvelinie ist der Zustand, in
dem das Wachs fest ist.
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Das
Hauptventil des herkömmlichen
Ventils Y öffnet
sich bei 72°C,
die Hebung bei der Endtemperatur 87°C des Zustands, in dem das Wachs
fest ist, beträgt
nur 9,6 mm. Danach reduziert sich die Hebungsrate auf Grund des
Zustands, in dem das Wachs flüssig
ist, und wenn die Hebung 12 mm wird, erreicht die Kühlmitteltemperatur
eine solch hohe Temperatur wie 123°C.
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Das
Hauptventil 12 der vorliegenden Erfindung öffnet sich
außerdem
bei 72°C,
wenn die Hebung 12 mm erreicht, und die Kühlmitteltemperatur 85°C ist, wie
von der Linie X gezeigt, was innerhalb des Bereichs des Zustands
ist, in dem das Wachs fest ist.
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Die
Linie Z-Z' in 1 zeigt
die obere Grenze von 81°C.
Der schraffierte Bereich zeigt den Unterschied zwischen der Durchflussrate
der vorliegenden Erfindung und der Durchflussrate in dem herkömmlichen
Ventil. Die Hebung der Linie X bei 81°C ist 6 mm und die Hebung der
Linie Y ist 3 mm. Deshalb ist die Durchflussrate von X doppelt so
hoch wie die Durchflussrate von Y.
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Es
bestehen keine Bedenken, dass das durch ein kleines Loch 19a (4)
an dem Flansch 16 fließende
Kühlmittel
eine längere
Aufwärmzeit
für einen
Leerlauf braucht, weil die Kaltstart-Einspritzdüse in dem von einem Computer
gesteuerten Drosselkörper
angeordnet ist.
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In
dem Kühlsystem
ist der Ventilatorschalter der vorliegenden Erfindung mit dem Thermostat
verbunden, wenn die Kühlmitteltemperatur
81°C erreicht,
ist der Kühlungsventilator
in Betrieb. Da die Durchflussrate des Kühlmittels bei 81°C die Doppelte
der des herkömmlichen
Thermostats ist, sinkt die Kühlmitteltemperatur schnell.
Daher wird die Kühlmitteltemperatur
auf 81°C
gehalten.
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Die
obere Grenze für
den Kühlungsventilator
ist jedoch nicht auf 81°C
begrenzt. Es ist wünschenswert, die
Temperatur auf einen effektiven Wert einzustellen, der, abhängig von
Tests, so niedrig wie möglich
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines
Kühlsystems,
das einen Wachstyp-Thermostat hat, der ein Hauptventil aufweist,
das eine doppelte Durchflussrate von einem herkömmlichen Thermostat hat.
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Zusätzlich ergibt
ein durch ein elektronisches Steuersystem mit dem Thermostat verbundener
Kühlungsventilator
die Verhinderung der globalen Erwärmung.
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Diese
und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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In
den beiliegenden Zeichnungen sind:
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1 ein
Graph, der Änderungen
einer Hebung eines Ventils in einem Thermostat der vorliegenden Erfindung
und einer Hebung eines herkömmlichen
Ventils bezüglich
der Temperatur zeigt;
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2 und 3 Schnittseitenansichten
des Thermostats der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Seitenansicht des Thermostats der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht, die eine Prüfmaschine
für eine
Ventilhebung zeigt;
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6 ein
schematisches Diagramm eines herkömmlichen Kühlsystems für einen Fahrzeugmotor;
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7 ein
Hin- und Her-Ventilmechanismus eines herkömmlichen Thermostats;
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8 ein
Graph, der Änderungen
der Temperatur und der Durchflussrate des Kühlmittels des herkömmlichen
Systems in Beziehung zur Zeit zeigt;
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9a eine
Schnittansicht eines Kühlungsventilatorschalters;
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9b eine
Seitenansicht, die den Kühlungsventilatorschalter
gemäß 9a in
voller Größe zeigt;
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10 ein
Graph, der die Änderung
der Kühlmitteltemperatur
in Beziehung zur abgelaufenen Zeit zeigt;
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11 eine
Schaltung, die ein elektronisches Steuerungssystem zeigt; und
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12 ein
schematisches Diagramm, das ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 zeigt
einen geschlossenen Zustand des Hauptventils 12 und 3 zeigt
einen offenen Zustand des Hauptventils 12. Ein Thermostat 1 der
vorliegenden Erfindung hat ein Gehäuse 10, das einen
Ventilsitz 9 bildet (3), einen
Rahmen 11, der an einem Flansch 16 des Gehäuses 10 sicher
befestigt ist.
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Ein
Thermoaktuator 2 umfasst eine Betätigungsstange aus Stahl 3,
ein gleitbar an der Stange 3 montiertes Führungsglied 4 und
eine federnd nachgiebige Dichtungsspule 5, die hermetisch
an dem Führungsglied 4 befestigt
ist und in gleitbarem Eingriff mit der Stange 3 steht.
Die Dicke eines Taschenteils der federnd nachgiebigen Dichtungsspule 5 ist
zwischen 25% und 5% des Durchmessers der Stange 3. Ein
Schmieröl 6 füllt den
Raum zwischen der Dichtungsspule 5 und der Stange 3.
Die Dichtungsspule 5 ist in einen wärmeempfindlichen Zylinder 8 eingeführt, der
mit Wachspellets 7 gefüllt
ist. Ein Ende des Zylinders 8 steht in festem Eingriff mit
dem Führungsglied 4,
wodurch der Thermoaktuator 2 gebildet wird. Die Stange 3 des
Thermoaktuators ist an einem oberen Teil 14 an dem Gehäuse 10 befestigt
und das Hauptventil 12 ist an dem Führungsglied 4 befestigt.
Eine den Zylinder 8 umgebend angeordnete Rückholfeder 13 ist
zwischen dem Hauptventil 12 und dem Boden des Rahmens 11 angeordnet.
Ein Umgehungsventil 15 ist gleitbar an einer an dem Zylinder 8 befestigten
Welle 14A befestigt und durch eine Spi ralfeder 14a federnd
nachgiebig an der Welle 14A gehalten. Der Flansch 16 hat
ein kleines Loch 19a (4) zur Verbindung
des Raums (A' gemäß 12)
in dem Thermostatgehäuse
mit dem Durchlass (B' gemäß 12)
in der Thermostatkappe 26. Infolgedessen kann die Federkonstante
der Rückholfeder 13 auf
die Hälfte
der der herkömmlichen
Feder reduziert werden.
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2 zeigt
das Hauptventil 12 im geschlossenen Zustand. Wenn die Temperatur
des Kühlmittels über einen
vorherbestimmten Wert des Thermostats 1 hinaus steigt,
dehnt sich das Wachs 7 in dem wärmeleitenden Zylinder 8 aus.
Das drückt
die Dichtungsspule 5 gegen die Stange 3. Da die
Stange 3 an dem Gehäuse 10 befestigt
ist, wird der Zylinder 8 gegen die Kraft der Feder 13 nach
unten bewegt, wobei das Hauptventil 12 geöffnet wird
und die Umgehungsöffnung 32 mit
dem Umgehungsventil 15 geschlossen wird (3).
Wenn die Kühlmitteltemperatur
sinkt, zieht sich das Wachs zusammen. Folglich veranlasst die Spiralfeder 13 das Hauptventil 12 dazu,
sich in die geschlossene Position zu bewegen.
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5 zeigt
eine Prüfmaschine
zum Messen der Hebung des Hauptventils 12 in Beziehung
zu dem auf die Dichtungsspule aufgebrachten Druck. In der Maschine
wird Öldruck
anstatt von Wachsdruck verwendet.
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Ein
Thermoaktuator 36 wird in der Prüfmaschine befestigt, wobei
der wärmeempfindliche
Zylinder geschnitten ist, um eine federnd nachgiebige Dichtungsspule 39 zu
beobachten. Der Raum zwischen der Dichtungsspule 39 und
einer Stange 40 ist mit einem Schmieröl 41 versehen. Die
Dichtungsspule 39 kann durch die Öffnung 37 und ein
durchsichtiges Plastikrohr 38 beobachtet werden. Die Prüfmaschine
hat eine bewegliche Stange 34, die von einer Feder 42 nach
unten gedrückt
wird. Die Spitze der Stange 34 kommt mit einer Stange 43 eines
Messgeräts
(nicht gezeigt) in Kontakt. Das Öl
wird von einem Einlass 35 zugeführt.
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Tabelle
1 zeigt von der Prüfmaschine
gemäß 5 tatsächlich gemessene
Werte für
die Beziehung zwischen dem Öldruck
und der Hebung des Hauptventils 12.
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Tabelle 1
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In
der Tabelle 1 hat ein Thermoaktuator (A) eine Stange 3 mit
einem Durchmesser von 3,8 mm und eine Dichtungsspule mit einer Dicke
von 1,7 mm (45% des Durchmessers), ein Thermoaktuator (B) eine Stange
mit einem Durchmesser von 4,5 mm und eine Dichtungsspule von 1,25
mm (25%), und ein Thermoaktuator (C) eine Stange mit einem Durchmesser
von 4,5 mm und eine Dichtungsspule von 0,225 mm (5%). Die Federkonstante
der Rückholfeder 13 ist
0,55 Kg/mm. Da der Thermoaktuator (A) eine große Dicke von 1,7 mm hat, beträgt die Hebung
bei dem Anfangsdruck von 80 Kg/cm2 0,6 mm.
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Obwohl
der Anfangsdruck für
die Stange 3 sowohl für
den Thermoaktuator (B) als auch für den Thermoaktuator (C) 50
Kg/cm2 beträgt und die Hebung die gleiche,
0,4 mm, ist, wird die Stange von (C) auf Grund der extrem schmalen
Dicke 0,225 mm durch den Druck von 90 Kg/cm2 um
10 mm gehoben. Aber für
(B) ist der starke Druck von 100 Kg/cm2 notwendig.
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Tabelle
2 zeigt tatsächlich
gemessene Werte.
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Tabelle 2
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Ein
Thermoaktuator (D) hat den gleichen Stangendurchmesser und die gleiche
Dichtungsspulendicke wie der Thermoaktuator (C), aber die Federkonstante
ist von dem herkömmlichen
Wert von 0,55 Kg/mm auf 0,27 Kg/mm reduziert. Die Stange wird bei
dem Anfangsdruck von 30 Kg/cm2 um 0,3 mm
und bei dem Druck von 60 Kg/cm2 um 13,5
mm gehoben.
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9a ist
eine Schnittansicht eines Kühlungsventilatorschalters 45 mit
einem Halbleiter-Thermosensor 44 und 9b ist
eine Seitenansicht des Schalters 45 im Originalmaßstab. Der
Kühlungsventilatorschalter 45 weist
einen Körper 46 und
einen Plus-Anschluss 47 auf, der durch eine mit einer isolierten
Platte befestigte Buchse 52 an dem Dichtungskabel 49 befestigt
ist. Ein Minus-Anschluss 48 des Sensors 44 ist
mit dem Minus-Dichtungskabel 50 ähnlich wie das Plus-Dichtungskabel 49 verbunden.
In das Innere des Schalters 45 wird durch eine Öffnung 53 isolierendes
Harz, wie z.B. Epoxidharz, gefüllt,
um die inneren Teile zu verfestigen. Der Kühlungsventilatorschalter wird
zum Beispiel bei 75,5°C
auch geschlossen.
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10 ist
ein Diagramm, das die Änderung
der Kühlmitteltemperatur
in Beziehung zu der abgelaufenen Zeit zeigt. Wenn die Kühlmitteltemperatur
A (bei A' gemäß 12)
75,5°C erreicht,
wird der Kühlungsventilatorschalter
geschlossen, so dass der Kühlungsventilator
in Betrieb gesetzt wird. Deshalb sinkt und steigt die Kühlmitteltemperatur
und folglich ändert
sich die Temperatur zyklisch bei einer konstanten Amplitude zwischen 75,5°C und einer
niedrigeren Temperatur, wie in dem Diagramm gezeigt. Die Temperatur überschreitet
75,5°C nicht.
Die Temperatur B wird auf ungefähr
75,5°C gehalten.
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Zu
dem Zeitpunkt, wenn der Kühlungsventilatorschalter 45 geschlossen
wird, rotiert der Kühlungsventilator
durch seine Trägheit
weiter. Deshalb ist das Drehmoment zum in Betrieb Setzen des Motors
sehr klein, was zur Reduzierung von Vibration und Lärm führt.
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11 zeigt
ein elektronisches Steuerungssystem, in dem der Kühlungsventilatorschalter 45,
ein Kühlungsventilatormotor 54 und
eine Energiequelle 12V durch Dichtungskabel 49, 50 und
einen Verbinder 56 mit einer elektronischen Steuerungseinheit 55 als
einem Zentrum verbunden sind und ferner der Kühlungsventilator 33 und
der Kühler 22 enthalten
sind.
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Die
elektronische Steuerungseinheit 55 besteht aus einem kubischen
(44 mm × 34
mm × 20
mm) Aluminiumbehälter,
an den die Leiterplatte der elektronischen Schaltungsteile montiert
sind.
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Entsprechend
dem Gleichstrom/Gleichstromwandler teilt die X-Y-Mittellinie in
die 5V-Systemsteuerungsschaltung auf der rechten Seite und die 12V-Systemsteuerungsschaltung
auf der linken Seite.
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Der
Spannungskomparator in der ersten Stufe ist für das Verstärken und das Schalten des Signals
für den
Kühlungsventilatorschalter 45 vorgesehen
und nachfolgende Schaltungen sind Signalwandlungsschaltungen zur
Stabilisierung von 5V.
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Der
Leistungs-MOS-FET-Treiber in der letzten Stufe ist zum EIN/AUS-Schalten
des Kühlungsventilatormotors
vorgesehen. Der Treiber ist eine stabile 5V-Systemsteuerungsschaltung,
der Schaltvorgang ist dementsprechend stabilisiert.
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In
der allgemeinen Ventilatormotorschaltung ist die Spannung am Anfang
von 12V auf 7,5V reduziert, wodurch Funktionsstörungen des Motors verursacht
werden. Die elektronische Steuerungseinheit 55 hält jedoch
die 12V konstant und steuert dabei den EIN/AUS-Vorgang beständig ruhig.
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Dementsprechend
ist es nicht erlaubt, dass der Kühler 22 und
der Kühlungsventilator 32 auch
für die Kühlung des
Kondensators zur Kondensierung der Klimaanlage verwendet werden,
wofür sie
in dem herkömmlichen
Kühlsystem
verwendet werden. Der Kühler
und der Kühlungsventilator
für die
Klimaanlage sind an einem anderen Platz angeordnet.
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12 zeigt
ein Beispiel des Kühlsystems
des Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die gleichen Teile wie in dem in 6 gezeigten
Motorkühlsystem
sind durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Trotz der Einfachheit
der Erklärung
sind das Gehäuse 27 und
die Wasserpumpe 28 getrennt. Das Gehäuse 27 und die Wasserpumpe 28 sind
eigentlich direkt an dem Wassermantel 20 befestigt. Deshalb
ist der Kühlungsventilatorschalter 45 an
einer geeigneten Position befestigt (es gibt viele Möglichkeiten),
in der das Kühlwasser
des Wassermantels fließt.
In dem Thermostat hat die Dichtungsspule eine schmale Dicke, ist ein
kleines Loch anstatt eines Hin- und Her-Ventils gebildet und ist
die Federkonstante der Rückholfeder
auf die Hälfte
reduziert; und ferner ist ein Kühlungsventilatorschalter
durch das elektronische Steuerungssystem mit dem Thermostat verbunden
und ist die obere Grenze des Kühlmittels
der vorliegenden Erfindung von 123°C des herkömmlichen Thermostats auf 81°C oder weniger
reduziert. Folglich verlängert
sich die Lebenszeit des Motors und werden der Treibstoffverbrauch
und die NOx- und CO2-Emission ähnlich weit
reduziert, wodurch zu der Verhinderung der globalen Erwärmung beigetragen
wird.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit bevorzugten speziellen Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird zu verstehen sein, dass diese Beschreibung
beabsichtigt, den durch die folgenden Ansprüche definierten Anwendungsbereich
der Erfindung zu veranschaulichen und nicht einzugrenzen.
