Kühlkreislauf für eine kühlmittelgekühlte Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für eine kühl¬ mittelgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkühler, dem eine Bypassleitung zugeordnet ist, wobei die Kühlmittelverzweigung zwischen einer Kühlerleitung und der Bypassleitung temperaturabhängig über ein Thermostatventil steuerbar ist, welches einen Anschluss an die Kühlerleitung, einen Anschluss an die Bypassleitung, einen weiteren Anschluss an eine brennkraftmaschinenseitige Zu- oder Abfuhrleitung und einen Anschluss für eine von einer Mischkammer aus zu einem Heizungskreislauf führenden Verbindungsleitung aufweist, und welches ein in der Mischkammer angeordnetes thermostatisches Arbeitselement aufweist, das mit einem die Strömungsverbindung zur Kühlerleitung steuernden Hauptventil und mit einem die Strömungsverbindung zur Bypassleitung steuernden Kurzschlussventil versehen ist.

Aus der DE 102 06 359 Al ist ein gattungsgemäßer Kühl¬ kreislauf mit einem auf der Motoraustrittsseite angeordneten Thermostatventil bekannt. Das Thermostatventil besitzt ein Dehnstoffelement, welches mit einem Hauptventilteller und einem Kurzschlussventilteller (Zwei-Teller-Thermostatventil) derart verbunden ist, dass nach einem Kaltstart zunächst vom Haupt- und Kurzschlussventilteller das Haupt- und Kurz- schlussventil geschlossen werden, so dass der Kühlkreislauf unterbrochen ist (Volldrosselung des Kühlkreislaufes) . Mit zunehmender Erwärmung der Brennkraftmaschine wird zunächst das Kurzschlussventil für einen Kühlkreislauf zwischen Brennkraftmaschine und Bypassleitung geöffnet und mit weiterer Erwärmung der Brennkraftmaschine nachfolgend das Hauptventil geöffnet und das Kurzschlussventil wieder geschlossen. D'amit bei unterbrochenem Kühlkreislauf das sich erwärmende Kühlmittel trotzdem das Dehnstoffelement kontrolliert erreichen kann, ist an die Mischkammer eine in den Heizungskreislauf mündende Temperierleitung angeschlossen. Über diese Temperierleitung kann gesteuert eine geringe KühlmittelStrömung in der Mischkammer erzeugt werden, durch die das Dehnstoffelement zur Einleitung weiterer Steuerbewegungen veranlasst wird.

Aus der DE 197 25 222 Al ist ein Thermostatventil mit einem Dehnstoffelement zur Steuerung eines Haupt- und Kurzschluss- ventils bekannt. Das Kurzschlussventil besitzt einen Kurzschlussventilteller, der relativ am Dehnstoffelement verschiebbar gehalten ist und der in Schließrichtung von einer Feder belastet ist. Bei einem Kaltstart sind sowohl das Haupt- als auch das Kurzschlussventil geschlossen, so dass der Kühlkreislauf unterbrochen ist. Die den Kurzschluss¬ ventilteller belastende Feder ist dabei so ausgelegt, dass sie bis zu einer vorgegebenen Teillastdrehzahl der Brenn¬ kraftmaschine das Kurzschlussventil geschlossen hält und erst danach infolge eines Druckanstieges im Kühlkreislauf der Kurzschlussventilteller gegen die Kraft der Feder in Öffnungsrichtung verstellt wird. Von Nachteil ist bei einem derartigen Thermostatventil dessen aufwendiger konstruktive Aufbau sowie die nur mit geringer Genauigkeit möglichen Öffnungs- und Schließzeitpunkte für die Ventilteller.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkreislauf der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, dass bei einem vereinfachten Kreislaufaufbau mit einer möglichst einfachen Steuerung eine Verringerung der Warmlaufphase erreicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Durch den Anschluss des Heizungskreislaufes an das Thermostatventil kann in vorteilhafter Weise die Temperierung des Dehnstoffelementes über den Heizungskreislauf gesteuert werden. Insbesondere mit einem im Heizungskreislauf vorgesehenen Taktventil kann dabei die Temperierung des Dehnstoffelementes nach vorgegebenen Parametern erfolgen, wodurch die Warmlaufphase weiter verringert werden kann. Außerdem hat die Verwendung des Heizungskreislaufes zur Temperierung des Dehnstoffelementes den Vorteil, dass auf eine besondere Temperierleitung verzichtet werden kann, was zu einer Vereinfachung des Kühlkreislaufes führt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufes mit einem an der Austrittsseite der Brennkraft¬ maschine angeordneten Thermostatventi1;

Fig. 2 ein Thermostatventil für den Kühlkreislauf aus Fig. 1 in einem vereinfachten Längsschnitt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufes mit einem an der Eintrittsseite der Brennkraft¬ maschine angeordneten Thermostatventil;

Fig. 4 ein Thermostatventil für den Kühlkreislauf aus Fig. 3 in einem vereinfachten Längsschnitt;

Fig. 5 einen schematisch dargestellten Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken.

In Fig. 1 ist schematisch ein Kühlkreislauf 1 einer Brennkraftmaschine 2 dargestellt, in dem ein Kühlmittel, z.B. Kühlwasser von einer Kühlmittelpumpe 3 umgewälzt wird. Aus den Kühlräumen der Brennkraftmaschine 2 strömt das Kühlmittel durch eine motorseitige Abfuhrleitung 4 zu einem Thermostatventil 5. Durch die Anordnung des Thermostatventils 5 auf der Austrittsseite des Motors wird diese Kühlmittelregelung als „Austrittsregelung" bezeichnet. Vom Thermostatventil 5 aus wird das Kühlmittel temperaturabhängig in eine Kühlerleitung 6 zu einem Kühler 7 bzw. in eine den Kühler 7 umgehende Bypassleitung 8 verzweigt. Austrittsseitig ist an den Kühler 7 eine zur Brennkraftmaschine 2 führende Zufuhrleitung 9 angeschlossen, in der auch die Kühlmittelpumpe 3 angeordnet ist. Ferner mündet stromab des Kühlers 7 die Bypassleitung 8 in die Zufuhr1eitung 9. Parallel zum Kühlkreislauf 1 ist ein Heizungskreislauf 10 geschaltet, der erfindungsgemäß mit einer Vorlaufleitung 11 an das Thermostatventil 5 angeschlossen ist. Die Vorlaufleitung 11 führt zu einem Heizungswärmetauscher 12, von dessen Austrittsöffnung eine Rücklaufleitung 13 ausgeht, die stromauf der Kühlmittelpumpe 3 mit der Zufuhrleitung 9 verbunden ist. Die Durchströmung des Heizungskreislaufes wird durch ein Heizungsventil 14 in der Rücklaufleitung 13 gesteuert, wobei zur exakten Steuerung der Heizwasserströmung das Heizungsventil 14 vorzugsweise als ein elektrisch oder elektronisch gesteuertes Taktventil ausgebildet ist.

Das im Kühlkreislauf 1 angeordnete Thermostatventil 5 besitzt gemäß Fig. 2 einen Gehäuseeinsatz 15 mit einem Flansch 16 und einer vom Flansch ausgehenden Mischkammer 17. Das Thermostat¬ ventil 5 wird mit der Mischkammer 17 in einen Kühlkanal der Brennkraftmaschine 2 eingesetzt und über den Flansch 16 außen am Motorgehäuse befestigt. An der Mischkammer 17 ist eine im Bereich des Flansches 16 liegende Anschlussöffnung 18 vorgesehen, die beispielsweise als Schlauchanschluss ausgebildet ist und an die die Kühlerleitung 6 zur Zuführung des Kühlmittels aus der Mischkammer 17 zum Kühler 7 angeschlossen ist. Ferner führt zu der Mischkammer 17 eine Anschlussöffnung 19 für die Abfuhrleitung 4, über die das den Motor verlassende Kühlmittel zu der Mischkammer 17 strömt. Der Anschlussöffnung 18 gegenüberliegend ist eine Verbindungsöffnung 20 zu einer Übertrittskammer 21 vorgesehen, die ihrerseits eine Bypassöffnung 22 für den Anschluss der Bypassleitung 8 aufweist. Schließlich besitzt die Mischkammer 17 noch eine der Anschlussöffnung 19 gegenüberliegende Auslassöffnung 23, an welche die Vorlaufleitung 11 angeschlossen ist. In der Mischkammer 17 ist ein thermostatisches Arbeitselement 24 angeordnet, das ein mit dem Gehäuseeinsatz verbundenes Dehnstoffelement 25 mit einem Dehnstoff, insbesondere einer Wachsmischung umfasst. Das Dehnstoffelement 25 ist von einem hülsenartigen Arbeitskolben 26 umgeben, der mit einem bis in die Übertrittskammer 21 reichenden Bolzen 27 ausgebildet ist, auf dem ein die Verbindungs- 20 und Bypassöffnung 22 steuernder Kurzschlussventilteller 28 zwischen zwei Federn 29, 30 ebenfalls verschiebbar angeordnet ist. Dabei wird von der Feder 29 ein eventueller Überweg des Arbeitskolbens 26 ausgeglichen, während die Feder 30 bei einem unzulässig hohen Druck im Kühlkreislauf 1 ein Abheben des Kurzschlussventil- tellers 28 vom Sitz an der Bypassöffnung 22 unterstützt. Die Anschlussöffnung 18 wird von einem Hauptventilteller 31 gesteuert, der am Arbeitskolben 26 verschiebbar geführt ist und von einer Schließfeder 32, die an einem gehäuseseitigen Widerlager 33 abgestützt ist, in Schließrichtung beaufschlagt.

In Fig. 2 ist das Thermostatventil 5 im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 2 dargestellt, d.h. das Dehnstoffelement 25 hat seine geringste Ausdehnung, weshalb der Arbeitskolben 26 sich in der eingefahrenen Position befindet, in der vom Hauptventilteller 31 die Anschlussöffnung 18 und vom Kurzschlussventilteller 28 die Austrittsöffnung 20 verschlossen gehalten werden. In diesem Zustand ist der Kühlkreislauf unterbrochen. Während der Kaltstartphase wird dieser Zustand der Kreislaufunterbrechung solange aufrechterhalten, bis in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern gesteuert, das Heizungsventil 14 taktweise geöffnet wird. Dadurch kommt es zu einer KühlmittelStrömung von der Abfuhrleitung 4 aus durch die Mischkammer 17 zur Vorlaufleitung 11, die als Temperierströmung wirkt und erwärmtes Kühlmittel zum Dehnstoffelement 25 bringt. Das Dehnstoffelement dehnt sich allmählich aus und verschiebt damit den Arbeitskolben 26 in Richtung Übertrittskammer 21. Hierbei wird zunächst nur der Kurzschlussventilteller 28 vom Sitz an der Verbindungsöffnung 20 abgehoben, wobei sich eine KühlmittelStrömung von der Mischkammer 17 aus über die Übertrittskammer 21 zur Bypassleitung 8 einstellt. Mit zunehmender Erwärmung des Kühlmittels und damit weiterer Ausdehnung des Dehnstoffes verschiebt sich der Arbeitskolben 26 weiter, wobei dann ein am Arbeitskolben 26 angeordneter Anschlagbund 34 an den Hauptventilteller 31 stößt und diesen bei weiterer Ausdehnung vom Sitz an der Anschlussöffnung 18 abhebt. In dieser Aufwärmphase der Brennkraftmaschine gelangt damit ein Teil des Kühlmittels durch die Kühlerleitung 6 zum Kühler 7 und ein anderer Teil des Kühlmittels in die Bypassleitung 8, so dass von der Kühlmittelpumpe 3 gekühltes und ungekühltes Kühlmittel zur Brennkraftmaschine gefördert wird. Mit Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur im Kühlmittel haben der Haupt- 31 und der Kurzschluss- ventilteller 28 die gestrichelte Position erreicht, in der die Verbindung zur Bypassleitung 8 gesperrt und die Verbindung zur Kühlerleitung 6 voll geöffnet ist.

Der im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 schematisch dargestellte Kühlkreislauf 35 enthält vom Aufbau her die gleichen Komponenten wie der Kühlkreislauf 1 aus Fig. 1, weshalb für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwandt wurden. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Kühlkreisläufen 1 und 35 besteht in der Anordnung des Thermostatventils 5 beim Kühlkreislauf 1 auf der Ausströmseite der Brennkraftmaschine (Austrittsregelung) und beim Kühlkreislauf 35 auf der Zuströmseite der Brennkraftmaschine (Eintrittsregelung) . Ebenso besteht das in Fig. 4 dargestellte Thermostatventil 5' aus den gleichen Bauelementen, wie das Thermostatventil 5 in Fig. 1 und 2, weshalb auch hier für gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwandt wurden. Unterschiedlich ist nur, dass beim Thermostatventil 5' auf die Feder 30 am Kurzschlussventilteller 28 verzichtet wurde.

Im Kühlkreislauf 35 ist zur Förderung von Kühlmittel die Kühlmittelpumpe 3 in der Zufuhrleitung 9 eingebaut. Dabei verbindet die Zufuhrleitung 9 über die Auslassöffnung 23 die Mischkammer 17 des Thermostatventils 5' mit der Einströmseite der Brennkraftmaschine 2, so das von der Kühlmittelpumpe 3 Kühlmittel aus der Mischkammer 17 in die Kühlräume der Brenn¬ kraftmaschine 2 gefördert wird. Das innerhalb der Kühlräume erwärmte Kühlmittel wird von dort in die Abfuhrleitung 4 und weiter zum Kühler 7 gefördert. Den Kühler 7 verlässt das Kühlmittel durch die Kühlerleitung 6 in Richtung Anschluss- öffnung 18 am Thermostatventil 5' . Von der Abfuhrleitung 4 ist die Bypassleitung 8 abgezweigt und an die Bypassöffnung 22 des Thermostatventils 5' angeschlossen, so dass Kühlmittel aus der Abfuhrleitung ebenfalls an der Bypassöffnung 22 ansteht.

Getrennt vom Kühlkreislauf 35 ist der Heizungskreislauf 10 mit der Vorlaufleitung 11 ausströmseitig an die Kühlräume der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen. Über die zum Heizungswärmetauscher 12 führende Vorlaufleitung 11, die vom Heizungswärmetauscher 12 abführende Rücklaufleitung 13 sowie die Anschlussöffnung 19 ist der Heizungskreislauf 10 mit der Mischkammer 17 des Thermostatventils 5' und damit mit dem Kühlkreislauf 35 gekoppelt. Dabei wird die KühlmittelStrömung innerhalb des Heizungskreislaufes 10 durch das in der Rücklaufleitung 13 angeordnete Heizungsventil 14 gesteuert.

Die Wirkungsweise des Kühlkreislaufes 35 in Verbindung mit dem Thermostatventil 5' und dem Heizungskreislauf 10 ist folgende: In Fig. 4 ist das Thermostatventil 5' im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 2 gezeigt. Das Dehnstoffelement 25 hat seine geringste Ausdehnung, so dass sich der Arbeitskolben 26 in der eingefahrenen Position befindet und damit vom Haupt- ventilteller 31 die Anschlussöffnung 18 und vom Kurzschluss¬ ventilteller 28 die Verbindungsöffnung 20 verschlossen gehalten werden. Der Kühlkreislauf 35 ist damit unterbrochen bzw. voll gedrosselt. Während der Kaltstartphase wird dieser Zustand weiter aufrechterhalten. Dabei kann sich das Kühl¬ mittel in den Kühlräumen der Brennkraftmaschine 2 auf Grund der Volldrosselung des Kühlkreislaufes 25 rasch erwärmen. Erst mit Erreichen einer bestimmten Kühlmitteltemperatur wird dann durch taktweises Öffnen des Heizungsventils 14 eine kontrollierte KühlmittelStrömung in der Mischkammer 17 erzeugt, die als Temperierströmung für das Dehnstoffelement 25 wirkt. Infolge der Temperierströmung von der Rücklauf- leitung 13 aus in die Zufuhrleitung 9 gelangt erwärmtes Kühlmittel zum Dehnstoffelement 25, das sich nun ausdehnt, wodurch zunächst der Kurzschlussventilteller 28 vom Sitz an der Verbindungsöffnung 20 abgehoben wird. Mit der sich nun einstellenden Bypassströmung von der Bypassleitung 8 durch die Mischkammer 17 in die Zufuhrleitung 9 gelangt fortlaufend erwärmtes Kühlmittel zum Dehnstoffelement 25, das sich dabei weiter ausdehnt und den Arbeitskolben 26 weiter in Richtung Bypassöffnung 22 verschiebt. Ab einem gewissen Verschiebeweg stößt der Anschlagbund 34 an den Hauptventilteller 31 und hebt diesen allmählich von seinem Sitz an der Anschluss¬ öffnung ab. In dieser Aufwärmphase gelangt damit sowohl gekühltes als ungekühltes Kühlmittel in die Mischkammer 17 und von dort zur Brennkraftmaschine 2. Mit Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur im Kühlmittel befindet sich der Haupt- 31 und der Kurzschlussventilteller 28 in der gestrichelten Position, in der die Verbindung zur Bypassleitung 8 gesperrt und die Verbindung zur Kühlerleitung 6 für den Kühlerbetrieb voll geöffnet ist.

Durch den Anschluss des Heizungskreislaufes 10 an die Misch¬ kammer 17 des Thermostatventils 5 bzw. 5' kann über eine abgestimmte Öffnung des Heizungsventils 14 in der Aufwärm¬ phase des Motors Einfluss auf die Temperierströmung und damit die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Dehnstoffelementes 25 genommen werden. Dadurch können über eine taktweise Öffnung des Heizungsventils 14 der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsgeschwindigkeit des Haupt- 31 und Kurzschluss- ventiltellers 28 gesteuert werden. Mittels einer elektrischen Widerstandsheizung 36 im Dehnstoffelement 25 kann dabei dessen Ausdehnungsverhalten zusätzlich beeinflusst werden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist ein Kühlkreislauf 37 für eine Brennkraftmaschine 38 mit zwei Zylinderbänken 39 und 40 dargestellt. Die Kühlräume der beiden Zylinderbänke 39 und 40 werden von einer Kühlmittelpumpe 41 in einer gemeinsamen Zufuhrleitung 42 mit sich verzweigenden Leitungssträngen 43 und 44 getrennt mit Kühlmittel beschickt. Von den Kühlräumen wird das Kühlmittel durch getrennte Abfuhrleitungen 45, 46 in eine Mischkammer 47 eines Thermostatventils 5'' weitergefördert. Die Mischkammer 47 hat eine Anschlussöffnung für eine Kühlerleitung 48 und eine im Thermostatgehäuse gegenüberliegend angeordnete Bypassδffnung zum Anschluss einer Bypassleitung 49. Dabei wird die Anschlussöffnung für die Kühlerleitung 48 von einem Hauptventilteller 50 und die Bypassöffnung von einem Bypassventilteller 51 gesteuert. Während die Kühlerleitung 48 mit einem Kühler 52 verbunden ist, der abströmseitig an die Zufuhrleitung 42 angeschlossen ist, verbindet die Bypassleitung 49 die Bypassöffnung des Thermostatventils 5'' direkt mit der Zufuhrleitung 42 an einer stromauf der Kühlmittelpumpe 41 gelegenen Stelle. Neben dem Kühlkreislauf 37 ist ein Heizungskreislauf 53 vorgesehen, der an den Kühlraum der Zylinderbank 40 mit einer Vorlaufleitung 54 angeschlossen ist, die zu einem Heizungswärmetauscher 55 führt, der abströmseitig durch eine Rücklaufleitung 56 ebenfalls mit der Zufuhrleitung 42 an einer stromauf der Kühlmittelpumpe 41 gelegenen Stelle verbunden ist. Durch ein Heizungsventil 57 in der Vorlaufleitung 54 kann zu Heizzwecken die Kühlmittelströmung im Heizungskreislauf gesteuert werden, wobei das Heizungsventil 57 zur bevorzugt als ein elektrisch oder elektronisch steuerbares Taktventil ausgebildet ist.

Im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 38 ist im Thermostatventil 5'' die Anschlussöffnung für die Kühlerleitung 48 durch den Hauptventilteller 50 und die Bypassöffnung für die Bypassleitung 49 durch den Bypassventilteller 51 verschlossen. Innerhalb des Kühlkreislaufes 37 herrscht somit überall der Kühlmitteldruck. Mangels eines geeigneten Druckgefälles kann sich im Kühlkreislauf 37 keine KühlmittelStrömung ausbilden, obwohl der Kühlkreislauf 37 nicht unterbrochen ist. Dieser Zustand bleibt auch während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 38 zumindest so lange erhalten, bis zum Erreichen einer vorbestimmten Kühlmitteltemperatur durch kontrolliertes Öffnen des Heizungsventils 57 sich zwischen der Zylinderbank 39 und der Zylinderbank 40 ein Druckgefälle einstellt, das zu einer KühlmittelStrömung von dem Kühlraum der Zylinderbank 39 durch die Abfuhrleitung 45, die Mischkammer 47, die Abfuhrleitung 46 und durch den Kühlraum der Zylinderbank 40 in den Heizungskreislauf 53 führt. Dabei wird der Kühlraum der Zylinderbank 40 als Teil der Vorlaufleitung 54 benutzt. Die Kühlmittelströmung wirkt dabei als Temperierströmung für das Dehnstoffelement im Thermostatventil 5'' . Die weitere Wirkung der Temperierströmung auf das Dehnstoffelement entspricht den in den Fig. 1 und 2 für den Kühlkreislauf 1 beschriebenen Steuerungsvorgängen im Thermostatventil 5. Durch die Erwärmung des Dehnstoffelementes wird zunächst die vom Kurzschlussventilteller 51 gesteuerte Bypassöffnung freigegeben, so dass Kühlmittel im Kurzschluss zwischen Zufuhrleitung 42 und Abfuhrleitungen 45, 46 gefördert wird. Mit zunehmender Erwärmung des Kühlmittels wird nachfolgend vom Hauptventilteller 50 die Anschlussöffnung zur Kühler¬ leitung 48 geöffnet, so dass ein Gemisch aus gekühltem und nicht gekühltem Kühlmittel zu den Kühlräumen gefördert wird. Sobald das Kühlmittel eine vorgegebene maximale Kühlmitteltemperatur erreicht hat wird die Bypassöffnung geschlossen und vom Hauptventilteller 50 die Verbindung zur Kühlerleitung voll geöffnet. In den Fig. 2 und 4 ist dieser Zustand durch die gestrichelte Position der Haupt- und Kurzschlussventilteller dargestellt. Mit einem derart ausgeführten Kühl- 37 und Heizungskreislauf 53 für eine Brennkraftmaschine 38 mit zwei Zylinderbänken lassen sich auf baulich einfache Weise die gleichen Vorteile erzielen, wie sie für die Kühlkreisläufe in den Ausführungs¬ beispielen der Fig. 1 bis 4 bereits beschrieben wurden.