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Dokumentenidentifikation DE19755042A1 24.06.1999
Titel Stellvorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Regelung der Kühlmitteltemperatur
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Lehmann, Kai, Dipl.-Ing., 14974 Ludwigsfelde, DE;
Ullrich, Sven, Dipl.-Ing., 08289 Wildbach, DE
DE-Anmeldedatum 11.12.1997
DE-Aktenzeichen 19755042
Offenlegungstag 24.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.06.1999
IPC-Hauptklasse F01P 7/14
IPC-Nebenklasse G05D 23/13   
Zusammenfassung Eine Stellvorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine weist ein Stellelement zum Öffnen und Schließen einer Kurzschlußleitung im Kühlkreislauf und ein das Stellelement beaufschlagendes Steuerglied auf.
Damit last- oder temperaturabhängig die Kurzschlußleitung bei geringem Aufwand mit hoher Funktionssicherheit geöffnet oder geschlossen werden kann, ist vorgesehen, daß das Steuerglied eine Druckmembrane ist, deren eine Seite über einen Druckanschluß mit dem Kühlkreislauf kommuniziert und die in Abhängigkeit des Druckes im Kühlkreislauf zwischen zwei Schaltpositionen verstellbar ist, wobei eine Änderung der Schaltposition mittels eines Übertragungsglieds auf das Stellelement übertragbar ist.
Gemäß dem Verfahren ist vorgesehen, daß der Druck im Kühlkreislauf als Stellgröße des Stellelements verwendet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Regelung der Kühlmitteltemperatur nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 5.

Aus der DE 44 38 552 C1 ist es bekannt, im Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine eine Kurzschlußleitung vorzusehen, die über eine Schaltklappe abgesperrt oder freigegeben werden kann. Über die Kurzschlußleitung wird heißes Wasser im Kurzschluß zum Motorblock der Brennkraftmaschine geführt, um einen kalten Motor beschleunigt auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Bei betriebswarmem Motor ist die Kurzschlußleitung abgesperrt und es wird von einem Kühler kommendes kaltes Wasser zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine geführt. Das Kühlwasser wird mittels einer Kühlmittelpumpe im Kühlkreislauf umgetrieben.

Die Steuerung der Schaltklappe erfolgt über ein Temperatur- Dehnstoffelement, das unter dem Einfluß der Kühlmitteltemperatur eine Längenänderung erfährt und eine Änderung der Schaltklappenstellung bewirkt. Parallel zum Dehnstoffelement ist eine Rückstellfeder angeordnet, die einer Ausdehnung des Dehnstoffelements entgegenwirkt. Um Bauraum für die Rückstellfeder und das Dehnstoffelement zu schaffen, ist ein von der Kurzschlußleitung abzweigender Seitenkanal vorgesehen, der über eine Abdeckplatte von der Kurzschlußleitung abgetrennt ist. Für einen funktionssicheren Betrieb muß das Kühlmittel in den Seitenkanal einströmen, damit eine Temperaturübertragung vom Kühlmittel auf das Dehnstoffelement möglich ist; dies kann Strömungswirbel zur Folge haben.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die gattungsgemäße Stellvorrichtung bzw. das gattungsgemäße Verfahren dahingehend auszubilden, daß last- oder temperaturabhängig die Kurzschlußleitung bei geringem Aufwand mit hoher Funktionssicherheit geöffnet oder geschlossen werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 5 gelöst.

Das Steuerglied der Stellvorrichtung wird unabhängig von der Kühlmitteltemperatur nur über den Druck im Kühlkreislauf betätigt. Das temperaturunabhängige Steuerglied kann hierbei außerhalb der Kühlmittelleitungen angeordnet sein; der Kühlkreislauf und das Steuerglied sind räumlich entkoppelt. Die Übertragung des Druckes vom Kühlkreislauf zum Steuerglied erfolgt mit Hilfe eines außerhalb der Kühlmittelleitung verlaufenden Druckanschlusses. Die Kühlmittelströmung wird durch das Steuerglied und den Druckanschluß nicht behindert. Das Steuerglied, das als Druckmembrane ausgeführt ist, ändert unter dem Einfluß einer Druckänderung in der Kühlmittelleitung seine Schaltposition. Die Schaltbewegung der Druckmembrane wird mit Hilfe eines Übertragungsgliedes auf das Stellelement übertragen. Das Stellelement befindet sich je nach Schaltposition der Druckmembrane entweder in Öffnungsstellung, in der der Strömungsquerschnitt der Kurzschlußleitung freigeschaltet ist, oder in Schließstellung, in der die Kurzschlußleitung abgesperrt ist, bzw. in einer Zwischenstellung.

Die Druckmembrane ist preiswert auszuführen und kann leicht in die Stellvorrichtung integriert werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druck als Systemparameter im Kühlkreislauf als Stellgröße des Stellelements verwendet. In Abhängigkeit der Druckhöhe im Kühlkreislauf nimmt das Stellelement, über das der freie Strömungsquerschnitt in der Kurzschlußleitung eingestellt wird, verschiedene Positionen ein und gibt die Kurzschlußleitung frei bzw. versperrt diese. Die Steuerung über das druckabhängige Stellelement reagiert direkter und schneller als herkömmliche temperaturabhängige Thermostatventile, so daß eine präzisere Einstellung möglich ist.

Die Regelung der Temperatur erfolgt zweckmäßig in Abhängigkeit der Drehzahl der Kühlmittelpumpe, über die das Kühlmittel im Kühlkreislauf umgewälzt wird. Über die Drehzahl ergibt sich wiederum eine Abhängigkeit vom Druck im Kühlkreislauf. Bei kleiner Drehzahl, beispielsweise nach dem Start des Motors oder bei kleinen Lasten, ist die Fördermenge des Kühlmittels im Kühlkreislauf gering. Dementsprechend liegt im Kühlkreislauf auch nur ein geringer Druck an, der über den Druckanschluß auf die Druckmembrane geleitet wird. Die Druckmembrane befindet sich unterhalb eines einstellbaren Drehzahl-Grenzwertes - und damit einhergehend unterhalb eines bestimmten Druckwertes - in derjenigen Schaltposition, die der Öffnungsstellung des Stellelements entspricht; in dieser Stellung kann Kühlmittel durch die Kurzschlußleitung strömen. Bei einer höheren Drehzahl steigt der Druck in der Kühlmittelleitung an und die Druckmembrane nimmt eine andere Schaltposition ein. Mittels des Übertragungsgliedes wird die Änderung der Schaltposition auf das Stellelement übertragen, das entsprechend in seine Schließstellung versetzt wird. Die Lageänderung des Stellelements kann dabei kontinuierlich oder näherungsweise schlagartig erfolgen.

In bevorzugter Ausführung sind beide Seiten der Druckmembrane mit unterschiedlich hohen Drücken beaufschlagt. Insbesondere wird der Druck aus der Kühlmittelleitung unmittelbar vor und hinter der Kühlmittelpumpe abgegriffen und auf jeweils eine Seite der Druckmembrane geleitet. In dieser Ausführung wird die Schaltposition der Druckmembrane durch den Differenzdruck zwischen Einlaß und Auslaß der Kühlmittelpumpe bestimmt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist.

In dem in der Figur dargestellten Kühlkreislauf 8 wird über eine Kühlmittelpumpe 7 ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, umgewälzt, um im Fahrbetrieb den betriebswarmen Motor zu kühlen. Das Kühlmittel wird über die Saugseite 7b von der Pumpe 7 aus einer Saugleitung 9 angesaugt. Das Kühlmittel strömt über die Druckseite 7a der Pumpe in eine Druckleitung 10. In der Druckleitung 10 ist ein Stellelement 2 angeordnet, das gemeinsam mit einem Steuerglied 3, einem Übertragungsglied 4 und Druckanschlüssen 5 und 6 eine Stellvorrichtung 1 bildet. Hinter dem Stellelement 2 verzweigt die Druckleitung in einen Druckleitungsabschnitt 11 und eine Kurzschlußleitung 12. Das Stellelement 2, das beispielsweise als 2-Wege-Ventil ausgebildet ist, ist bei betriebswarmem Motor so geschaltet, daß das Kühlmittel in den Druckleitungsabschnitt 11 geleitet wird, d. h. in dieser Schaltstellung befindet sich das Stellelement 2 in einer die Kurzschlußleitung 12 sperrenden Schließstellung. Der Druckleitungsabschnitt 11, der Teil des Hauptkreislaufs des Kühlmittels ist, führt zu einem nicht dargestellten Kühler. Nach Durchlaufen des Kühlers durchströmt das Kühlmittel den Motor und kühlt diesen. Anschließend ist das Kühlmittel in die Rücklaufleitung bzw. Saugleitung 9 zurückgeführt.

Gegebenenfalls ist die Kühlmittelpumpe 7 unmittelbar vor dem Motor im Kühlkreislauf plaziert, damit eine sichere Durchströmung des Motorblocks mit Kühlmittel gewährleistet ist.

In der Öffnungsstellung des Stellelements 2, in der die Kurzschlußleitung 12 freigeschaltet ist, strömt das Kühlmittel unter Umgehung des Kühlers unmittelbar über die Kurzschlußleitung 12 zum Motorblock. Das ungekühlte Kühlmittel dient der Erwärmung des Motors, beispielsweise nach einem Kaltstart oder bei kleinen Lasten, um diesen schneller auf Betriebstemperatur zu bringen.

Die Änderung des Schaltzustandes des Stellelements 2 erfolgt über das Steuerglied 3, das als Druckmembrane ausgeführt ist. Die Druckmembrane 3 wird über Druckanschlüsse 5, 6 mit dem im Kühlkreislauf 8 herrschenden Systemdruck beaufschlagt. Über den Druckanschluß 5 liegt an einer Seite 3a der Druckmembrane 3 der Druck p1 aus der Druckleitung 10 an. Zweckmäßig wird unmittelbar hinter der Kühlmittelpumpe 7 auf der Druckseite 7a der Druck p1 des Kühlkreislaufes 8 abgegriffen und auf die Seite 3a der Druckmembrane 3 geleitet. Die andere Seite 3b der Druckmembrane kommuniziert über den Druckanschluß 6 mit der Saugseite 7b des Pumpe 7; auf dieser Seite liegt der Druck p2an, der kleiner als der Druck p1 auf der Druckseite 7a ist. Die Stellung der Druckmembrane 3 wird vom Differenzdruck Δp zwischen den beiden Seite 3a, 3b der Druckmembrane 3 bestimmt.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Seite 3b der Druckmembrane 3 über den Druckanschluß 6' mit Atmosphärendruck beaufschlagt.

Je nach Vorspannung der Druckmembrane und Höhe des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten 3a, b nimmt die Druckmembrane unterschiedliche Schaltpositionen ein, die über das Übertragungsglied 4 auf das Stellelement 2 übertragen werden. Eine Änderung der Druckdifferenz Δp bewirkt eine Änderung der Schaltposition der Druckmembrane, die über das Übertragungsglied 4 auf das Stellelement 2 weitergegeben wird. Es ist dadurch möglich, in Abhängigkeit des Druckes p im Kühlkreislauf 8 den Schaltzustand des Stellelements 2 einzustellen. Bei einem kleinen Druck p, der sich bei einer geringen Förderung durch die Kühlmittelpumpe einstellt, befindet sich das Stellelement 2 in Öffnungsstellung, in der die Kurzschlußleitung 12 freigeschaltet ist. Bei einem größeren Druck p, der sich bei einer größeren Förderung einstellt, befindet sich das Stellelement 2 in Schließstellung, in der die Kurzschlußleitung 12 gesperrt ist und das Kühlmittel ausschließlich im Hauptkreislauf durch den Druckleitungsabschnitt 11 zirkuliert. Die Stellung des Stellelements 2 ist somit abhängig vom Druck im Kühlkreislauf und indirekt vom geförderten Kühlmittelstrom, der eine Funktion der Pumpendrehzahl ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Stellvorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Stellelement (2) zum Öffnen und Schließen einer Kurzschlußleitung (12) im Kühlkreislauf (8), und mit einem das Stellelement (2) beaufschlagenden Steuerglied (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (3) eine Druckmembrane (3) ist, deren eine Seite (3a) über einen Druckanschluß (5) mit dem Kühlkreislauf (8) kommuniziert und die in Abhängigkeit des Druckes (p1) im Kühlkreislauf (8) zwischen zwei Schaltpositionen verstellbar ist, wobei eine Änderung der Schaltposition mittels eines Übertragungsglieds (4) auf das Stellelement (2) übertragbar ist.
  2. 2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Seite (3b) der Druckmembrane (3) über einen weiteren Druckanschluß (6) mit einem abweichenden Druck (p2) beaufschlagt ist.
  3. 3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckanschlüsse (5, 6) mit der Druckseite (7a) und mit der Saugseite (7b) einer Kühlmittelpumpe (7), die im Kühlkreislauf (8) angeordnet ist, verbunden sind.
  4. 4. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Druckanschluß (6) mit der Atmosphäre verbunden ist.
  5. 5. Verfahren zur Regelung der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betrieb der Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kühlmittel im Kühlkreislauf (8) umgewälzt wird und unterhalb eines Systemgrenzwertes (pg) durch eine Kurzschlußleitung (12) geleitet wird, deren Öffnungsquerschnitt über ein Stellelement (2) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p) im Kühlkreislauf (8) als Stellgröße des Stellelements (2) verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung ausschließlich über die Drehzahl (n) einer Kühlmittelpumpe (7) erfolgt, wobei in einem Drehzahlbereich unterhalb eines einstellbaren Grenzwertes (ng) die Kurzschlußleitung (12) geöffnet ist.






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