Ausfallsicherer Drehsteller für einen Kühlmittelkreislauf zur Vermeidung von Schäden an einer Brennkraftmaschine infolge unzureichender Kühlleistung bei einem Ausfall des Drehstellers.

Derartige ausfallsichere Drehsteller werden vorzugsweise zur Bereitstellung eines Notlaufbetriebs des Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftmaschine eingesetzt, wenn das durch den Drehsteller gesteuerte Kühlmittel aufgrund einer Fehlfunktion des Drehstellers nicht mehr zur ordnungsgemäßen Kühlung der Brennkraftmaschine ausreicht.

Die DE 102 43 778 A1 zeigt eine Stelleinrichtung mit einem elektromotorischen Drehantrieb, durch den ein Stellelement, insbesondere ein Drehschieber eines Drehschieberventils, um eine Drehachse zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung drehbar antreibbar und von einer Feder aus der ersten Endstellung heraus beaufschlagbar ist. Der elektromotorische Drehantrieb ist dabei als Reversierantrieb ausgebildet und die Fe- derbeauschlagung des Stellelements ist nur zwischen der ersten Endstellung und einer Zwischenstellung wirksam, wobei die Zwischenstellung zwischen der ersten Endstellung und der zweiten Endstellung liegt. Ist das als Drehschieberventil ausgebildete Stellelement ein Regelventil in einem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors, so wird durch die aus der Federbeaufschlagung des Stellelements resultierende Verdrehung des Stellelements bei Ausfall des elektromotorischen Drehantriebs, eine Kühlung des Verbrennungsmotors im Notlaufbetrieb aufrechterhalten. Nachteilig an der gezeigten Stelleinrichtung ist jedoch, dass der Notlaufbetrieb aufgrund der ständig vorhandenen Federbeaufschlagung des Stellelements unmittelbar nach Ausfall des Drehantriebs eingeleitet wird. Dadurch kann sich das Kühlmedium, je nach Umgebungstemperatur, Motorlast und Fahrgeschwindigkeit, nicht mehr bis zur Betriebstemperatur aufheizen, woraus ein Wirkungsgradverlust des Verbrennungsmotors während des Notlaufbetriebs resultiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen ausfallsicheren Drehsteller für einen Kühlmittelkreislauf bereitzustellen, der bedarfsgesteuert einen Notlaufbetrieb für den Kühlmittelkreislauf einleiten kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein ausfallsicherer Drehsteller für einen Kühlmittelkreislauf, insbesondere für einen mehrere Teilkreisläufe aufweisenden Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, hat eine Kühlmittelförderpumpe zur Umwälzung des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelkreislaufs, sowie ein mehrere Gehäuse- Durchströmöffnungen aufweisendes Drehschiebergehäuse, in dem mindestens ein Drehschieber mit wenigstens einer Drehschieber-Durchströmöffnung drehbeweglich gelagert ist, wobei die Gehäuse-Durchströmöffnungen mit wenigstens einem Teilkreislauf strömungstechnisch verbunden sind und durch eine Drehbewegung des Drehschiebers in zumindest teilweise Überschneidung mit den Drehschieber-Durchströmöffnungen gebracht werden können und wobei ein Thermostatventil bei Überschreiten einer Grenztemperatur des Kühlmittels einen parallel zum Drehschieber geführten Strömungspfad von einem der Teilkreisläufe zu der Kühlmittelförderpumpe öffnet.

Indem parallel zum Drehschieber ein temperaturabhängig schaltbares Thermostatventil angeordnet ist, kann bei einem Ausfall der Drehschiebersteuerung ein Notlaufbetrieb dadurch gewährleistet werden, dass das Thermostatventil für das Kühlmittel einen alternativen Strömungspfad zur Kühlmittelför- derpumpe öffnet. Durch die temperaturabhängige Schaltung des Thermostatventils wird dieser Strömungspfad nur geschaltet, wenn die Temperatur des Kühlmittels eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine kritische Grenztemperatur erreicht hat. Dadurch wird die Brennkraftmaschine trotz einer Funktionsstörung des Drehstellers nicht am Erreichen der Betriebstemperatur gehindert, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen beiträgt. Darüber hinaus ist der Drehsteller sehr robust, da keine für den Notlaufbetrieb benötigten Bauteile direkt an dem Drehschieber angreifen, was eine leichte Beweglichkeit des Drehschiebers und einen geringen Bauteilverschleiß ermöglicht. Auch das Thermostatventil weist einen sehr geringen Verschleiß auf, da es nur sehr selten betätigt werden muss.

In einer bevorzugten Ausführung leitet ein Kühlervorlauf Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine zu einem Wärmetauscher und ein Kühlerrücklauf leitet das aus dem Wärmetauscher austretende Kühlmittel zu dem Drehschieber. Das von der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel wird durch den Kühlervorlauf an den Wärmetauscher geleitet, in welchem es sich abkühlen kann. Das aus dem Wärmetauscher austretende, abgekühlte Kühlmittel wird über den Kühlerrücklauf an die entsprechende Gehäuse-Durchströmöffnung des Drehschiebers geleitet. Von dem Kühlervorlauf kann auch ein Bypass abzweigen und erwärmtes Kühlmittel zu einer weiteren Gehäuse- Durchströmöffnung leiten. Durch eine Verdrehung des Drehschiebers können dessen Drehschieber-Durchströmöffnungen mit den entsprechenden Gehäuse-Durchströmöffnungen in zumindest teilweise Überschneidung gebracht werden. Somit ist es möglich den Anteil des in den Drehschieber einströmenden Kühlmittels aus dem Bypass und dem Kühlerrücklauf genau einzuregeln.

In einer bevorzugten Ausführung wird zur Schaltung des Thermostatventils die Temperatur des Kühlmittels im Kühlervorlauf mit der Grenztemperatur des Kühlmittels verglichen. Indem die Temperatur des erwärmten Kühlmittels im Kühlervorlauf zum Vergleich mit der spezifischen Grenztemperatur heran- gezogen wird, kann schneller auf eine kritische Erhöhung der Kühlmitteltemperatur des in der Brennkraftmaschine befindlichen Kühlmittels reagiert werden. Weiterhin ist die Temperaturmessung dadurch unabhängig von der momentan erzielten Abkühlrate des nachgeschalteten Wärmetauschers, die im Betrieb erheblich variieren kann.

In einer bevorzugten Ausführung weist das Thermostatventil ein Absperrventil auf, das in einem Ventilsitz gelagert ist und von einer Feder dichtend gegen diesen gedrückt wird, sowie eine an dem Absperrventil angeordnete Schubstange, die von einem Dehnelement betätigbar ist, wobei sich das mit dem Kühlmittel des Kühlervorlaufs in Verbindung stehende Dehnelement bei Erreichen der Grenztemperatur des Kühlmittels ausdehnt und über die Schubstange das Absperrventil gegen den Druck der Feder aus dem Ventilsitz hebt. Indem das Thermostatventil ein Dehnelement, vorzugsweise in Form einer Wachskapsel, aufweist, welches in Kontakt mit dem Kühlmittel aus dem Kühlervorlauf steht, kann ohne zusätzliche Elektronik die Einhaltung der Grenztemperatur überwacht werden. Die Grenztemperatur wird vielmehr durch die Materialeigenschaften des verwendeten Wachses bestimmt, welches sich bei Erreichen der Grenztemperatur ausdehnt und somit eine Kraft auf die daran angeordnete Schubstange ausübt. Das am anderen Ende der Schubstange montierte Absperrventil, welches vorzugsweise als Tellerventil ausgebildet ist, wird von einer Feder dichtend gegen einen komplementären Ventilsitz gedrückt. Wenn das Dehnelement nun eine Kraft auf die Schubstange ausübt, kann sich das Absperrventil aus dem Ventilsitz abheben, was einen parallel zum Drehschieber geführten Strömungspfad eröffnet.

In einer bevorzugten Ausführung weist das Thermostatventil beiderseitig des Absperrventils angeordnete und mit Kühlmittel beaufschlagbare Kammern auf, wobei eine erste Kammer mit Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf beaufschlagbar ist und eine zweite Kammer eine strömungstechnische Verbindung zum Saugmund der Kühlmittelförderpumpe aufweist. Die Kammern sind vorzugsweise als Käfige ausgebildet, so dass das Kühlmittel möglichst leicht ein- und ausströmen kann. Die erste Kammer ist dabei stets mit Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf befüllt, während die zweite Kammer meist Kühlmittel aus dem Drehschieber enthält.

In einer bevorzugten Ausführung ist zwischen dem Drehschieber und dem Drehschiebergehäuse ein Spalt ausgebildet, durch den das Kühlmittel aus der zweiten Kammer des Thermostatventils zum Saugmund der Kühlmittelförderpumpe strömen kann. Das Kühlmittel kann dabei unabhängig von der momentanen Stellung des Drehschiebers durch den gebildeten Ringspalt zum Saugmund der Kühlmittelförderpumpe gelangen. Zusätzliche radiale Durchgangsöffnungen im Drehschieber können den Übertritt des Kühlmittels aus der zweiten Kammer des Thermostatventils in den Drehschieber erleichtern.

In einer bevorzugten Ausführung fördert die Kühlmittelförderpumpe das aus dem Drehschieber angesaugte Kühlmittel in einen Heizungskreislauf und/oder einen Brennkraftmaschinen-Zulauf.

In einer bevorzugten Ausführung sind in dem Heizungskreislauf ein Heizungswärmetauscher und/oder eine Heizungsförderpumpe und/oder ein Heizungsabsperrventil angeordnet. Indem das Kühlmittel zusätzlich zu dem Wärmetauscher auch noch den Heizungswärmetauscher durchströmt, vergrößert sich die verfügbare Kühlfläche. Die Heizungsförderpumpe ist vorzugsweise elektrisch betrieben und kann somit im Bedarfsfall zusätzlich zur Kühlmittelförderpumpe das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf fördern. Das Heizungsabsperrventil kann bei nicht benötigter Heizleistung geschlossen werden, was im normalen Betrieb ein schnelleres Aufheizen des Kühlmittels in den übrigen Teilkreisläufen bewirkt.

In einer bevorzugten Ausführung ist in dem Brennkraftmaschinen-Zulauf ein weiteres Absperrventil, insbesondere ein weiterer Drehschieber, angeordnet. Durch die Anordnung eines weiteren Absperrventils im Brennkraftmaschinen- Zulauf kann der Kühlmittelstrom zur Brennkraftmaschine im Bedarfsfall unterbrochen und gezielt in den Heizkreislauf umgeleitet werden. Indem das weitere Absperrventil als Drehschieber ausgebildet ist, kann durch eine direkte oder indirekte Verbindung mit dem anderen Drehschieber eine Drehbewegung in Abhängigkeit voneinander ausgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführung wird bei Überschreiten der Grenztemperatur des Kühlmittels das Heizungsabsperrventil geöffnet, so dass das Kühlmittel aus der Kühlmittelförderpumpe über den Heizungswärmetauscher in die Brennkraftmaschine gefördert werden kann. Dies ist insbesondere dann nötig, wenn das als Drehschieber ausgebildete weitere Absperrventil im Brennkraftmaschinen-Zulauf aufgrund einer Fehlfunktion kein Kühlmittel mehr durchleiten kann. In diesem Fall ist es nötig einen Kühlmittelstrom aus dem Drehsteller über den Heizkreislauf zurück in die Brennkraftmaschine zu leiten.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung eines ausfallsicheren Drehstellers in dem Kühlmittelkreislauf;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines ausfallsicheren Drehstellers;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines ausfallsicheren Drehstellers mit geschlossenem (Fig. 3a) und geöffnetem (Fig. 3b) Thermostatventil;

Gemäß Fig. 1 wird eine Brennkraftmaschine 2 mit Kühlmittel aus mehreren Teilkreisläufen, insbesondere einem Hauptkühlkreislauf 3 und einem Heiz- kreislauf 4, beaufschlagt. Die Brennkraftmaschine 2 besteht im Wesentlichen aus einem Zylinderkopf und einem Zylinderkurbelgehäuse, die von einem in einem Wassermantel befindlichen Kühlmittel durchspült werden, wobei die bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehende Wärmemenge zumindest teilweise auf das Kühlmittel übergeht. In dem Kühlkreislauf ist ein ausfallsicherer Drehsteller 1 angeordnet, durch den die Kühlmittelströme der jeweiligen Teilkreisläufe 3 bzw. 4 bedarfsgerecht gesteuert werden können. Der Drehsteller 1 besteht aus mindestens einem Drehschieber 9 der in einem Drehschiebergehäuse 8 drehbar gelagert sind. Das Drehschiebergehäuse weist eine Vielzahl von Gehäuse-Durchströmöffnungen auf, die mit den entsprechenden Drehschieber-Durchströmöffnungen 11 des Drehschiebers 9 durch eine Drehbewegung in zumindest teilweise Überschneidung gebracht werden können. In dem Drehsteller 1 ist eine Kühlmittelförderpumpe 5 angeordnet, deren Saugmund mit Kühlmittel aus dem Drehschieber 9 beaufschlagt werden kann und dieses in den Heizungskreislauf 4, sowie Brennkraftmaschinen-Zulauf 25 einspeist. Die Förderleistung der Kühlmittelförderpumpe 5 und die Verteilung der Kühlmittelvolumenströme in den einzelnen Teilkreisläufen 3 und 4 sind durch eine Verdrehung des Drehschiebers 9 in Verbindung mit einer Betätigung des im Brennkraftmaschinen-Zulauf 25 angeordneten Absperrventils 10 regulierbar. Das Absperrventil 10 kann dabei ebenso als weiterer Drehschieber ausgebildet und an die Bewegung des Drehschiebers 9 gekoppelt sein. Der Hauptkühlkreislauf 3 leitet Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine 2 über den Kühlervorlauf 16 an einen Wärmetauscher 14 und eine Gehäuse-Durchströmöffnung des Bypasses 30. Das aus dem Wärmetauscher 14 austretende Kühlmittel gelangt über den Kühlerrücklauf 15 zu der Gehäuse-Durchströmöffnung des Kühlerrücklaufs 15. In Abhängigkeit der Stellung des ersten Drehschiebers 9 bezüglich des Drehschiebergehäuses 8 kann das ankommende Kühlmittel aus dem Bypass 30 und dem Kühlerrücklauf 15 mit variabler Durchflussrate in den Drehschieber 9 einströmen oder wird am einströmen gehindert. Dies kann beispielsweise bei einem Ausfall des Drehschieberantriebs der Fall sein und würde zu einer nicht ausreichenden Kühlung der angeschlossenen Brennkraftmaschine 2 führen. Daher ist dem Drehschieber 9 ein Thermostatventil 13 zugeordnet, welches bei Bedarf, insbesondere bei einer Überschreitung der Grenztemperatur des Kühlmittels im Kühlervorlauf 16, einen parallelen Strömungspfad unter Umgehung des Drehschiebers 9 öffnet. Bei einem geöffneten Thermostatventil 13 kann das Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf 15 unter Umgehung des Drehschiebers 9 zum Saugmund 24 der Kühlmittelförderpumpe 5 gelangen. Die Kühlmittelförderpumpe 5 fördert das Kühlmittel in den Brennkraftmaschinen-Zulauf 25 und den Heizungskreislauf 4, wobei der Heizungskreislauf 4 aus einem Heizungsabsperrventil 27, einer Heizungsförderpumpe 29 und einem Heizungswärmetauscher 26 besteht. Das Heizungsabsperrventil 27 ist vorzugsweise im Notlaufbetrieb geöffnet und die elektrisch antreibbare Heizungsförderpumpe 29 kann bei einer zu geringen Förderleistung der Kühlmittelförderpumpe 5 zusätzliche Förderleistung bereitstellen. Somit kann unabhängig von der momentanen Stellung des Drehschiebers 9 und des Absperrventils 10 ein Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher 14 und/oder den Heizungswärmetauscher 26 aufrecht erhalten werden.

Gemäß Fig. 2 umfasst ein ausfallsicherer Drehsteller 1 für einen Kühlmittelkreislauf ein Drehschiebergehäuse 8, in dem ein Drehschieber 9 drehbeweglich gelagert ist. Das Drehschiebergehäuse 8 hat mehrere Gehäuse- Durchströmöffnungen 6 und 7, insbesondere eine Gehäuse- Durchströmöffnung 6, die mit Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf 15 beaufschlagbar ist, und eine Gehäuse-Durchströmöffnung 7, die mit Kühlmittel aus dem Bypass 30 beaufschlagbar ist, wobei der Bypass 30 von dem Kühlervorlauf 16 abzweigt. Der Drehschieber 9 hat mehrere Drehschieber- Durchströmöffnungen 11 und 12, - insbesondere eine Drehschieber- Durchströmöffnung 11 , die der Gehäuse-Durchströmöffnung des Kühlerrücklaufs 15 zugeordnet ist, und eine Drehschieber-Durchströmöffnung 12, die der Gehäuse-Durchströmöffnung des Bypasses 30 zugeordnet ist, wobei durch eine Drehbewegung des Drehschiebers 9 die Drehschieber- Durchströmöffnungen 11 und/oder 12 in zumindest teilweise Überschneidung mit den Gehäuse-Durchströmöffnungen 6 und/oder 7 gebracht werden können. An dem Drehschieber 9 ist ein Thermostatventil 13 angeordnet, dessen als Wachskapsel ausgebildetes Dehnelement 21 in dem Kühlervorlauf 16 angeordnet ist und sich bei Überschreiten einer spezifischen Grenztemperatur des Kühlmittels ausdehnt. An das Dehnelement 21 ist eine Schubstange 20 angeordnet, die ein endständiges Absperrventil 17 trägt, welches von einer Feder 19 dichtend gegen einen Ventilsitz 18 gedrückt wird. Beiderseits des Absperrventils 17 sind Kammern 22 und 23 ausgebildet, wobei eine erste Kammer 22 unterhalb des Absperrventils 17 strömungstechnisch mit dem Kühlerrücklauf 15 in Verbindung steht und eine zweite Kammer 23 oberhalb des Absperrventils 17, unabhängig von der momentanen Stellung des Drehschiebers 9, mit dem Saugmund 24 einer Kühlmittelförderpumpe 5 strömungstechnisch in Verbindung steht.

Gemäß Fig. 3 hat ein ausfallsicherer Drehsteller für einen Kühlmittelkreislauf ein Drehschiebergehäuse 8, in dem ein Drehschieber 9 drehbeweglich gelagert ist. Das Drehschiebergehäuse 8 hat mehrere Gehäuse- Durchströmöffnungen 6 und 7, insbesondere eine Gehäuse- Durchströmöffnung 6, die mit Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf 15 beaufschlagbar ist, und eine Gehäuse-Durchströmöffnung 7, die mit Kühlmittel aus dem Bypass 30 beaufschlagbar ist. Der Drehschieber 9 hat mehrere Drehschieber-Durchströmöffnungen 11 und 12, insbesondere eine Drehschieber-Durchströmöffnung 11 für den Kühlerrücklauf 15 und eine Drehschieber-Durchströmöffnung 12 für den Bypass 30, wobei durch eine Verdrehung des Drehschiebers 9 die Drehschieber-Durchströmöffnungen 11 und/oder 12 in zumindest teilweise Überschneidung mit den Gehäuse- Durchströmöffnungen 6 und/oder 7 gebracht werden können. Überschneidet sich wie in Fig. 3a dargestellt zumindest eine Drehschieber- Durchströmöffnung 11 oder 12 mit zumindest einer Gehäuse- Durchströmöffnung 6 oder 7, so kann Kühlmittel in den Drehschieber 9 eindringen und vom Saugmund 24 der Kühlmittelförderpumpe 5 angesaugt werden. Überschneidet sich wie in Fig. 3b keine der Drehschieber- Durchströmöffnungen 11 oder 12 mit einer Gehäuse-Durchströmöffnung 6 oder 7, so kann kein Kühlmittel in den Drehschieber 9 und somit auch nicht zum Saugmund 24 der Kühlmittelförderpumpe 5 gelangen. Dies kann beispielsweise bei einem Ausfall des Drehschieberantriebs der Fall sein und würde zu einer nicht ausreichenden Kühlung der angeschlossenen Brennkraftmaschine führen. Daher ist an dem Drehschieber 9 ein Thermostatventil 13 angeordnet, welches in Abhängigkeit der Temperatur des in einem Kühlervorlauf befindlichen Kühlmittels öffnet oder schließt, insbesondere bei einer Temperatur unterhalb einer Grenztemperatur schließt (Fig. 3a) und bei einer Temperatur oberhalb einer Grenztemperatur öffnet (Fig. 3b). Dazu wird ein Absperrventil 17 von einer Feder 19 dichtend gegen den Ventilsitz 18 gedrückt. Bei Überschreiten der Grenztemperatur drückt ein Dehnelement über eine Schubstange 20 das Absperrventil 17 aus dem Ventilsitz 18, wodurch sich ein alternativer Strömungspfad für das Kühlmittel ergibt. In diesem Fall kann das Kühlmittel aus dem Kühlerrücklauf 15 von der ersten Kammer 22 in die zweite Kammer 23 des Thermostatventils 13 übertreten und von dort über den Spalt zwischen Drehschieber 9 und Drehschiebergehäuse 8 zu dem Saugmund 24 der Kühlmittelförderpumpe 5 strömen. Alternativ ist es möglich den Drehschieber 9 in diesem Bereich mit weiteren radial verteilten Durchströmöffnungen zu versehen, durch die das Kühlmittel aus der zweiten Kammer leichter in den Drehschieber 9 eindringen kann, was eine bessere Förderleistung der Kühlmittelförderpumpe 5 im Notlaufbetrieb ermöglicht.

Liste der Bezugszeichen:

1 Drehsteller

2 Brennkraftmaschine

3 Hauptkühlkreislauf

4 Heizungskreislauf

5 Kühlmittelförderpumpe

6 Gehäuse-Durchströmöffnung Kühlerrücklauf

7 Gehäuse-Durchströmöffnung Bypass

8 Drehschiebergehäuse

9 Drehschieber

10 Drehschieber im Brennkraftmaschinen-Zulauf

11 Drehschieber-Durchströmöffnung Kühlerrücklauf

12 Drehschieber-Durchströmöffnung Bypass

13 Thermostatventil

14 Wärmetauscher

15 Kühlerrücklauf

16 Kühlervorlauf

17 Absperrventil

18 Ventilsitz

19 Feder 0 Schubstange 1 Dehnelement 2 erste Kammer 3 zweite Kammer 4 Saugmund 5 Brennkraftmaschinen-Zulauf 6 Heizungswärmetauscher 7 Heizungsabsperrventil 9 Heizungsförderpumpe 0 Bypass