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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Failsafe-Ventil für einen Kühlwasserkreislauf eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 9.
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Aus der
DE 101 55 386 A1 ist ein Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors dargestellt und beschrieben, bei dem zur bedarfsgerechten Regelung der Kühlmittelströme steuerbare Ventile vorgesehen sind. Um bei einer Fehlfunktion (z. B. durch Ausfall der Ansteuerung oder durch Blockieren dieser Ventile) ein Überhitzen des Motors zu verhindern, wird vorgeschlagen, diese Ventile mit einer Vorrichtung zur Zwangsöffnung zu versehen, die auch bei einem Ausfall der Steuerelektronik oder bei einer Blockade des Ventils den Motor vor Überhitzung schützt. Ein Ventil mit einer derartigen Failsafe-Funktion stellt sicher, dass der sogenannte große Kühlkreislauf über den Kühler freigegeben wird. In der
DE 101 55 386 A1 sind dazu Ventilausführungen mit verschiedenen Öffnungsmechanismen vorgeschlagen, bei denen beispielsweise durch temperaturempfindliche Schnappelemente ein Öffnen des Ventils bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Kühlmitteltemperatur sichergestellt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es im vorliegenden Fall, ein konstruktiv einfaches, kostengünstiges und zuverlässig funktionierendes Ventil bereit zu stellen, welches bei einer Fehlfunktion eines im Kühlwasserkreislauf angeordneten Regelventils eine Grundkühlleistung sicherstellt, die eine Überhitzung des Motors bzw. entsprechender Komponenten davon, zuverlässig verhindert.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt dabei durch die im Anspruch 1 und 9 angegebenen Merkmale.
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Das Failsafe-Ventil besteht im wesentlichen aus einem Failsafe-Kanal, der durch eine temperaturempfindliches Stellglied in Form eines Bimetallelements überwacht ist. Durch den Einsatz nur weniger Bauteile ist das Failsafe-Ventil robust und funktionssicher und schützt damit den Motor bei einem Ausfall der Ansteuerung oder bei einem Blockieren des Ventils zuverlässig vor Überhitzung.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs sowie des Failsafe-Ventils aufgeführt.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist das Bimetallelement in einem Ventilgehäuse einseitig fixiert und dichtet den Failsafe- Kanal in axialer Richtung ab.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist das Bimetallelement wiederum einseitig im Ventilgehäuse eingespannt bzw. befestigt und verschließt bzw. öffnet den Failsafe- Kanal in tangentialer Richtung.
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In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform sind zwei Bimetallelemente als Stellglied vorgesehen, die jeweils diametral gegenüber liegend am bzw. im Failsafe- Kanal befestigt sind und sich entsprechend überlappen, so dass der Failsafe- Kanal stirnseitig verschlossen, oder freigeben wird.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufes von einem Verbrennungsmotor,
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2 eine schematische Darstellung eines Ventils mit Notfunktion (Failsafe) in einer ersten (geschlossenen) Betriebsstellung,
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3 das Failsafe-Ventil gemäß 2 in einer zweiten (geöffneten) Betriebsstellung,
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4 eine Draufsicht auf das Stellglied des Failsafe-Ventils,
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5 ein Failsafe-Ventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer ersten (geschlossenen) Betriebsstellung,
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6 das Failsafe-Ventil gemäß 5 in einer zweiten (geöffneten) Betriebsstellung,
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7 ein Failsafe-Ventil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer ersten (geschlossenen) Betriebsstellung und
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8 das Failsafe-Ventil gemäß 7 in einer zweiten (geöffneten) Betriebsstellung.
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In 1 ist in vereinfachter schematischer Form der Kühl- und Heizkreislauf 2 eines Verbrennungsmotors 4 dargestellt. Der Motor 4 weist dabei einen Kühlmitteleinlass 6 sowie einen Kühlmittelauslass 8 auf, wobei letzterer über eine Rücklaufleitung 10 und einen Kühlereinlass 12 mit einem im Kühlkreislauf 2 eingebundenen Kühler 14 verbunden ist. Der Kühler 14 wiederum ist über einen Kühlerauslass 16 und einen weiteren Abschnitt 18 der Rücklaufleitung 10 mit dem Kühfmitteleinlass 6 des Motors 4 verbunden. Zur Umwälzung des Kühlmittels im Kühlkreislauf 2 ist im Leitungsabschnitt 18 eine Kühlmittelpumpe 20 angeordnet.
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Zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlkreislaufs 2 ist dem Kühler 14 ein Kühlgebläse 22 zugeordnet. Parallel zum Kühler 14 ist zwischen der Rücklaufleitung 10 und dem Leitungsabschnitt 18 eine Bypassleitung 24 geschaltet. Über diese Bypassleitung 24 und einem in der Bypassleitung 24 angeordneten Steuerventil 26 wird der sogenannte kleine Kühlkreislauf (ohne Einbindung des Kühlers 14) gesteuert, während über ein zweites – in der Rücklaufleitung 10 angeordnetes-Steuerventil 28 der sogenannte große Kühlkreislauf (mit Einbindung des Kühlers 14) gesteuert wird. Selbstverständlich kann die Funktion der beiden Ventile 26, 28 auch durch ein Drei-Wege-Mischventil ersetzt werden.
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Die beiden Ventile 26, 28 sowie die Kühlmittelpumpe 20 werden durch ein Steuergerät 30 geregelt. Dabei werden dem Steuergerät 30 durch diverse Sensoren (nicht dargestellt) aktuelle Parameter des Kühlkreislaufs 2 bzw. des Motors 4 übermittelt, die dann wiederum mit entsprechend im Steuergerät hinterlegten Kennlinien verglichen werden, um daraus die entsprechenden Stellgrößen – beispielsweise für die beiden Ventile 26, 28 zur Steuerung des großen und des kleinen Kühlkreislaufs- zu ermitteln.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist parallel zum Motor 4 im Kühlkreislauf 2 ein zusätzlicher Heizungszweig 32 ausgebildet, der einen Teil des durch den Motor 4 erwärmten Kühlmittels nutzt, um über einen Heizungswärmetauscher 34 Wärmeenergie zur Beheizung bspw. des Fahrzeuginnenraumes zu übertragen. Die bedarfsgerechte Regelung der Heizung ist in diesem Fall schematisch durch das Regelventil 36 angedeutet.
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Zur Einstellung der optimalen Motortemperatur wird mit Hilfe der ansteuerbaren Ventile 26 und 28 der relative Kühlmittelvolumenstrom durch den Kühler 14 bzw. durch die Bypassleitung 24 geregelt. So ist beispielsweise bei einem Kaltstart des Motors 4 das Ventil 28 vollständig geschlossen, während das Ventil 26 in der Bypassleitung vollständig geöffnet ist. Auf diese Weise ist eine schnelle Erreichung der optimalen Arbeitstemperatur des Motors 4 bei geringem Kraftstoffverbrauch und geringer Schadstoffemission möglich. Nach Erreichen der optimalen Betriebstemperatur wird das (Kühler-)Ventil 28 geöffnet und das (Bypass-)Ventil 26 entsprechend teilweise geschlossen, so dass die durch den Motor 4 erzeugte Wärmeenergie über den Kühler 14 an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Für den Fall, dass insbesondere das in der Rücklaufleitung 10 angeordnete Ventil 28 beim Erreichen der Betriebstemperatur des Motors den Kühlmittelzweig zum Kühler 14 nicht freigibt (bspw. durch ein Blockieren oder durch ein Ausfall der Steuerelektronik), ist ein weiteres Ventil 38 mit einer Failsafe- Funktion vorgesehen, wobei das Ventil 38 funktional mit im Ventil 28 integriert ist oder als separates Bauteil ausgebildet ist.
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In 2 ist in einer ersten Ausführungsform der Aufbau des Failsafe-Ventils näher dargestellt. Dazu ist in einem Ventilgehäuse 40 ein Bimetallelement 42 angeordnet, das als Stellglied den zum Kühler 14 führenden Auslasskanal 43, im Folgenden auch als Failsafe- Kanal bezeichnet, überwacht. Das aus zwei verschiedenen Metallen 44 und 46 bestehende Bimetallelement 42 ist im Ventilgehäuse 40 entsprechend befestigt (Schnapphaken, eingespritzt o. ä., siehe Bezugszeichen 47), wobei die beiden Metallstreifen 44 und 46 in Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet und flächig durch Kraft- oder Formschluss miteinander verbunden sind. Das Metall 44 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (z. B. Messing) ist auf der freien Seite, das Metall 46 mit dem geringeren Wärmeausdedehnungskoeffizienten (z. B. Stahl) auf der dem Auslasskanal 43 zugewandten Seite angeordnet. Der Metallstreifen 46 wirkt mit einem Dichtungselement 48, das vorzugsweise aus einem Elastomer in Form eines O-Ringes besteht, zusammen. Das Dichtungselement 48 wird in eine im Ventilgehäuse 40 integrierte Dichtungsnut (nicht dargestellt) eingelegt oder in das Ventilgehäuse 40 eingespritzt. Anstelle der Elastomerdichtung kann auch eine metallische Abdichtung verwendet werden. Für die Auswahl sind neben den Stoffparametern das umgebende Medium, dessen Zusammensetzung (bspw. Feststoffanteile) und die Temperatureinsatzgrenzen entscheidend. Im vorliegenden Fall (siehe 2) dichtet das Bimetallelement 42 entgegen der Strömungsrichtung ab, so dass der zwischen Einlass- und Auslasskanal 43 herrschende Differenzdruck eine entsprechende Dichtfunktion sicherstellt. Es ist natürlich auch möglich, dass das Bimetallelement 42 den Auslasskanal 43 in Strömungsrichtung abdichtet; dies erfordert jedoch deutlich höhere Schließkräfte und damit andere Materialdicken für das Bimetallelement.
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Die Auslösetemperatur des Bimetallelements 42, bei dem die Öffnung des Auslasskanals 43 entsprechend freigegeben wird (siehe 3), so dass ein Mindestvolumenstrom zum Kühler 14 sichergestellt ist, wird den jeweiligen Systemanforderungen angepasst und kann durch geeignete Materialpaarung in den stoffeigenschaftlichen Grenzen frei definiert werden. Das System mit dem Failsafe-Ventil 38 ist beim Unterschreiten der Grenz- bzw. Auslösetemperatur reversible und verschliesst den Auslasskanal 43 wieder entsprechend.
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In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Failsafe-Ventils 50 dargestellt, bei dem wiederum ein in einem Ventilgehäuse 52 angeordnetes Bimetallelement 54 einen Auslass- bzw. Failsafekanal 56 überwacht. In diesem Fall dichtet jedoch das Bimetallelement 54 mit seiner Stirnseite den Auslasskanal 56 ab, so dass die Öffnung des Auslasskanals 56 tangential erfolgt; diese Ausführung kann unabhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmittels eingesetzt werden.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel (siehe 7 und 8) eines Failsafe-Ventils 57 wird der Auslasskanal 58 durch jeweils zwei Bimetallelemente 60 und 62 überwacht, die jeweils diametral gegenüberliegend am bzw. im Auslasskanal 58 einseitig befestigt sind. Beide Bimetallelemente 60 und 62 liegen im unbelasteten Zustand übereinander und übernehmen somit die Abdichtfunktion für den Auslasskanal 58. Bei einem unzulässig hohen Anstieg der Kühlmitteltemperatur erfolgt ein Auseinanderscheren der beiden Bimetallstreifen 60, 62 (das Metall des jeweiligen Bimetallelements 60, 62 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ist jeweils außen angeordnet), so dass der Auslasskanal 58 zentral freigegeben wird. Damit sind kleine Querschnitte mit hohen Durchflussraten für den Failsafe- Anwendungsfall möglich.
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Alternativ bzw. zusätzlich kann das in den drei verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Failsafe-Vetnil auch dem in der Bypassleitung 24 angeordneten Ventil zugeordnet sein, so dass bei einem Ausfall der Steuerelektronik bzw. bei einem Blockieren des Ventils 26 in der Kaltstartphase des Motors ein Kühlmittel-Mindestvolumenstrom für den kleinen Kühlkreislauf sichergestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10155386 A1 [0002, 0002]