DE102008047187B4

DE102008047187B4 - Maschine mit einem Teilkreise aufweisenden betriebssicheren Kühlmittelkreislauf

Info

Publication number: DE102008047187B4
Application number: DE102008047187.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Störmer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: DE102008047187A1

Abstract

Maschine mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkreise mittels eines angetriebenen Drehschiebers (3) geöffnet oder geschlossen werden können, wobei Mittel vorgesehen sind, die bei einem Ausfall des Antriebs den Drehschieber (3) durch die Kraft des Kühlmittels (8) des Kühlmittelkreislaufs in eine für die Maschine betriebssichere Position verdrehen, und wobei ein Kühlmittelvolumenstrom (17) zum Drehen eines Drehelements (4) des Drehschiebers (3) auf eine strukturierte Oberfläche (9) des Drehelements (4) auftrifft, oder wobei die Mittel Leitschaufeln (21) des Drehschiebers (3) sind, die von mindestens einem Teilstrom des Kühlmittels (8) beaufschlagt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.
Mittels eines Mediums gekühlte Maschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, weisen Drehschieber auf, die verstellbare Querschnitte, Zu- und Abgänge aufweisen, um Teilkreise eines solchen Kühlmittelkreislaufs wählbar zu durchströmen. Hierzu werden angetriebene Drehschieber verwendet, die beispielsweise von einem Stellmotor verdreht werden. Fällt der Stellmotor in ungünstigen Fällen aus, ist es möglich, dass der Kühlmittelkreislauf in einer für den Weiterbetrieb der Maschine ungünstigen Stellung stehen bleibt, beispielsweise dergestalt, dass der Teilkreis, der zu einem Hauptwärmetauscher führt, nicht durchströmt wird und so eine Überhitzung der Maschine erfolgen kann. Um dies zu vermeiden, können kräftige Torsionsfedern an Stirnseiten von Drehelementen dieser Drehschieber angebracht werden, wobei der Stellmotor das Drehelement des Drehschiebers gegen die Wirkung der Torsionsfeder verdreht, die Torsionsfeder also eine rückstellende Wirkung auf das Drehelement zur Einnahme einer solchen Stellung aufbringt, in der ein sicherer Weiterbetrieb der Maschine bei Ausfall des Stellmotors möglich ist. Hieran ist nachteilig, dass zusätzliche Bauteile wie nämlich Torsionsfedern und deren Befestigungsmaterial benötigt werden. Weiter ist nachteilig, dass sowohl Montage- als auch Bauraumaufwand für diese Lösungen relativ groß sind, da die Torsionsfedern regelmäßig außerhalb des Drehschiebers oder in einem separaten Bauraum des Drehschiebers angeordnet werden müssen. Ferner muss der Stellmotor stets gegen die Kraft der relativ starken Torsionsfeder arbeiten und muss daher unnötig kräftig ausgelegt sein.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 101 55 386 A1 bekannt. Diese beschreibt ein Ventil mit einem Ventilgehäuse und einer Ventilkammer, von der mindestens ein Einlass-Kanal und mindestens ein Auslass-Kanal abzweigen, sowie mit mindestens einem Ventilglied, das mit mindestens einem Ventilsitz der Ventilkammer zusammenwirkt, sowie mit einem angetriebenen Aktuator für das mindestens eine Ventilglied. Dabei weist das Ventil Mittel zur Öffnung mindestens eines Auslasskanals auf, die unabhängig von dem Aktuator sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine mit einem Kühlmittelkreislauf bereitzustellen, die solche angetriebenen Drehschieber aufweist, in denen die genannten Nachteile vermieden werden und die einen sicheren Betrieb der Maschine auch bei Ausfall eines Drehschieber-Antriebs sicherstellen.
Hierzu wird eine Maschine, insbesondere Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf, die mittels eines angetriebenen Drehschiebers geöffnet oder geschlossen werden können. Hierbei sind Mittel vorgesehen, die bei einem Ausfall des Antriebs den Drehschieber durch die Kraft des Kühlmittels des Kühlmittelskreislaufs in eine für die Maschine betriebssichere Position verdrehen. Durch die Mittel wird der Drehschieber in die betriebssichere Position verdreht. Die Mittel werden hierbei von der Kraft des strömenden Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs angetrieben. Dabei ist vorgesehen, dass ein Kühlmittelvolumenstrom zum Drehen eines Drehelements des Drehschiebers auf eine strukturierte Oberfläche des Drehelements auftrifft, oder dass die Mittel Leitschaufeln des Drehschiebers sind, die von mindestens einem Teilstrom des Kühlmittels beaufschlagt werden.
In einer Ausführungsform sind die Mittel Leitschaufeln des Drehschiebers, die von mindestens einem Teilstrom des Kühlmittels beaufschlagt werden. Leitschaufeln sind hierbei solche strömungsdynamisch geformten Elemente in Schaufel- oder Flügelform, die eine Anströmung des Kühlmittels beziehungsweise des Teilstroms des Kühlmittels in eine Bewegung umsetzen, insbesondere in eine Drehbewegung, oder zu einer Lenkung des Kühlmittelstroms führen.
In einer weiteren Ausführungsform trifft der Kühlmittelstrom auf eine strukturierte Oberfläche eines Drehelements des Drehschiebers auf. Die strukturierte Oberfläche des Drehelements bietet dem Kühlmittelstrom Widerstand, so dass der Kühlmittelstrom das Drehelement mitzunehmen, nämlich zu drehen, bestrebt ist.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittel eine tangentiale oder sekantenartige Anströmung des Drehschiebers mit einem Kühlmittelstrom bewirken. Damit die kinetische Energie des strömenden Kühlmittels in eine Drehbewegung des Drehschiebers umgesetzt werden kann, muss eine Anströmung des Drehschiebers stattfinden, die eine bezogen auf seine Drehachse und seinen Umfang, außermittige Kraftbeaufschlagung bewirkt. Dies ist dann der Fall, wenn der Drehschieber tangential oder sekantenartig angeströmt wird, also bezogen auf seine Drehachse eine oberhalb beziehungsweise unterhalb der Drehachse liegende Mantelfläche mit einer höheren Kraft beaufschlagt wird als die jeweils andere Hälfte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die strukturierte Oberfläche von Erhebungen und Vertiefungen der Oberfläche gebildet. Das Drehelement weist an seiner Oberfläche hierzu Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, die dem anströmenden Kühlmittel einen Widerstand entgegenbringen. Hierdurch erfolgt eine Kraftbeaufschlagung des Drehelements über die strukturierte Oberfläche, die zu einer Drehbewegung führt.
Bevorzugt ist der Kühlmittelvolumenstrom ein Kühlmittelteilstrom des Kühlmittels. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine betriebssichere Verstellung des rehschiebers über den Kühlmittelteilstrom auch dann erfolgt, wenn der Kühlmittelvolumenstrom im Sinne eines Hauptstromes durch den Drehschieber abgesperrt ist; sollte der Antrieb des Drehschiebers ausfallen, reicht der Kühlmittelteilstrom aus, um das Drehelement des Drehschiebers in eine betriebssichere Position zu verdrehen, insbesondere in eine solche, in der der Hauptstrom des Kühlmittelvolumenstroms durch für den sicheren Betrieb der Maschine erforderliche Teilkreise des Kühlmittelkreislaufs läuft.
Bevorzugt weist das Drehelement einen Passierkanal für das Kühlmittel zur Zuführung von Kühlmittel zur Maschine, insbesondere Brennkraftmaschine, in Fail-Safe-Stellung auf. In der Position, die also zur Sicherstellung des betriebssicheren Zustands eingenommen werden soll, weist das Drehelement einen Passierkanal für das Kühlmittel auf. Das Kühlmittel wird dadurch der Brennkraftmaschine und/oder einem Hauptkühle/Wärmetauscher zugeführt, so dass die thermische Stabilität der Maschine nicht beeinträchtigt wird und ein sicherer Betrieb der Maschine auch bei ausgefallenem Antrieb des Drehschiebers möglich ist.
Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben einer Maschine, insbesondere Brennkraftmaschine, wie vorstehend beschrieben, mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf, die mittels eines angetriebenen Drehschiebers geöffnet oder geschlossen werden können. Dabei ist vorgesehen, dass bei einem Ausfall des Antriebs der Drehschieber durch die Kraft des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs in eine für die Maschine betriebssichere Position verdreht wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher beschrieben, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigen
1 einen im Bereich einer Kühlmittelpumpe angeordneten Drehschieber mit angeströmter strukturierter Oberfläche in Geschlossen-Stellung;
2 denselben Drehschieber in Offen-Stellung und
3 einen Drehschieber mit einem in einem Kühlmittelteilstrom des Kühlmittel liegenden Leitschaufelkranz.
1 zeigt abschnittsweise einen zunächst in etwa spiralförmigen, sich dann linear erstreckenden Kühlmittelkanal 1 druckseitig einer nur abschnittsweise dargestellten Kühlmittelpumpe 2. Im Verlauf des Kühlmittelkanals 1 ist ein Drehschieber 3 stromabwärts der Kühlmittelpumpe 2 angeordnet, mit einem Drehelement 4, das in einem Drehschiebergehäuse 5 des Drehschiebers 3 drehbar gelagert ist und im Wesentlichen die Ausgestaltung eines Zylinderstabs 6 aufweist, der sekantenartig von einem Passierkanal 7 für den Durchtritt von Kühlmittel 8 durchdrungen ist. In der gezeigten Stellung ist der Passierkanal 7 im Wesentlichen quer zum in Richtung des Kühlmittelkanals 1 anströmenden Kühlmittel 8 durch entsprechende Verdrehung des Drehelements 4 im Drehschieber 3 verdreht, so dass das Kühlmittel 8 den Drehschieber 3 nicht passieren kann. Der Drehschieber 3 befindet sich in einer Geschlossen-Stellung. Das Drehelement 4 weist stromaufwärts, also in Richtung des anströmenden Kühlmittels 8, eine strukturierte Oberfläche 9 auf, die dadurch ausgebildet ist, dass in einem in der gezeigten Geschlossen-Stellung dem anströmenden Kühlmittel 8 zugewandten Abschnitt einer Drehelementmantelfläche 10 Erhebungen 11 und Vertiefungen 12 ausgebildet sind, die im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse 13 des Drehelements 4 in der Drehelement-Mantelfläche 10 zur Ausbildung der strukturierten Oberfläche 9 ausgebildet sind. Die Anströmung des Drehelements 4 durch das Kühlmittel 8 erfolgt außermittig, nämlich sekantenartig. Eine Anströmungsachse beziehungsweise Anströmungsebene 14 schneidet das Drehelement 4 außerhalb einer durch die Drehachse 13 definierten Mittelebene 15 und des Drehelements 4, so dass eine umfangsseitige Kraftbeaufschlagung des Drehelements 4 durch das anströmende Kühlmittel 8 in einer solchen Art und Weise erfolgt, dass das Drehelement 4 eine Drehbewegung in Richtung des Drehrichtungspfeils R durchführen will, sofern es nicht durch hierfür vorgesehene Gegenkräfte, wie sie beispielsweise ein Antrieb, beispielsweise ein elektrischer Stellantrieb für den Drehschieber 3, aufbringt (Antrieb nicht dargestellt), daran gehindert wird. Fällt ein solcher Antrieb aus, wird das Drehelement 4 die durch den Drehrichtungspfeil R beschriebene Drehbewegung durchführen, so dass der Passierkanal 7 mit dem Kühlmittelkanal 1 fluchtet und das Kühlmittel 8 durchtreten kann.
2 zeigt denselben Drehschieber 3 nach Durchführung der vorstehend zu 1 beschriebenen Drehbewegung und den Durchtritt des Kühlmittels 8 durch den Passierkanal 7 des Drehelements 4. Dadurch, dass der Passierkanal 7 nun mit dem Kühlmittelkanal 1 fluchtet und das Kühlmittel 8 durchtritt, ist eine weitere Kraftbeaufschlagung zur Erzeugung einer Drehbewegung des Drehelements 4 mittels des Kühlmittels 8 nicht mehr möglich; die strukturierte Oberfläche 9 ist von dem Angriff des anströmenden Kühlmittels 8 weggedreht. Das Drehelement 4 bleibt somit in einer die Durchströmung mit Kühlmittel 8 gestattenden Offen-Stellung.
3 zeigt einen anderen Drehschieber 3 unter Weglassung seines Drehschiebergehäuses. Das Drehelement 4 ist wiederum in der Form eines Zylinderstabs 6 ausgebildet, wobei das Drehelement 4 sich kreuzende Passierkanäle 7 für den Durchtritt von Kühlmittel 8 aufweist. Das Kühlmittel 8 bildet, von einer Kühlmittelpumpe 2 kommend, in einer Verrohrung 16 einen Kühlmittelvolumenstrom 17 aus, wobei durch eine Verrohrungsabzweigung 18 stromabwärts der Kühlmittelpumpe 2 vom Kühlmittelvolumenstrom 17 ein Kühlmittelteilstrom 19 abgezweigt wird, der an einer Stirnseite 20 des Drehelements 4 randoffene, zur Drehachse 13 des Drehelements 4 im Wesentlichen parallele und sich entlang der Axialausdehnung des Drehelements 4 abschnittsweise erstreckende Leitschaufeln 21 anströmt, wobei die Leitschaufeln 21 von dem Kühlmittelteilstrom 19 zur Bewirkung einer Drehbewegung entsprechend Drehrichtungspfeil R beaufschlagt werden. Die Leitschaufeln 21 verlaufen hierbei nicht genau radial, um eine (Dreh-)Kraftwirkung auch mittig anströmenden Kühlmittels 8 zu bewirken. Das Drehelement 4 wird die Drehbewegung in Drehrichtungspfeil R solange nicht vornehmen, wie es von einem hierzu vorgesehenen Antrieb (nicht dargestellt) an dieser Drehbewegung gehindert wird, wobei bevorzugt der Antrieb ein Servomotor oder Stellmotor ist, der in einer gewünschten Stellung ohne weiteren Energieaufwand diese Stellung im Betrieb hält. Fällt der Motor aus, fällt diese (durch Aufbringung der Gegenkraft bewirkte) Haltewirkung weg, und das Drehelement 4 wird eine Drehbewegung in Richtung des Drehrichtungspfeils R durchführen, wobei der Kühlmittelteilstrom 19 durch eine Kühlmittelrücklaufleitung 22 aus dem Bereich der Leitschaufeln 21 zu Kühlmittelpumpe 2 zurückgefördert werden kann. In Ausführung dieser Drehbewegung werden die Passierkanäle 7 fluchtend zum Durchtritt des Kühlmittelvolumenstroms 17, gegebenenfalls durch fortlaufende Drehbewegung des Drehelements 4 in Richtung des Drehrichtungspfeils R periodisch, in ihrer Ausbildung als kreuzende Passierkanäle 7. Eine Weiterförderung 23 von Kühlmittel 8 bei Durchtritt des Kühlmittelvolumenstroms 17 durch die Passierkanäle 7 erfolgt demzufolge periodisch.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelkanal
2: Kühlmittelpumpe
3: Drehschieber
4: Drehelement
5: Drehschiebergehäuse
6: Zylinderstab
7: Passierkanal
8: Kühlmittel
9: strukturierte Oberfläche
10: Drehelementmantelfläche
11: Erhebung
12: Vertiefung
13: Drehachse
14: Anströmungsebene
15: Mittelebene
16: Verrohrung
17: Kühlmittelvolumenstrom
18: Verrohrungsabzweigung
19: Kühlmittelteilstrom
20: Stirnseite
21: Leitschaufeln
22: Kühlmittelrücklaufleitung
23: Weiterförderung
R: Drehrichtungspfeil

Claims

Maschine mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkreise mittels eines angetriebenen Drehschiebers (3) geöffnet oder geschlossen werden können, wobei Mittel vorgesehen sind, die bei einem Ausfall des Antriebs den Drehschieber (3) durch die Kraft des Kühlmittels (8) des Kühlmittelkreislaufs in eine für die Maschine betriebssichere Position verdrehen, und wobei ein Kühlmittelvolumenstrom (17) zum Drehen eines Drehelements (4) des Drehschiebers (3) auf eine strukturierte Oberfläche (9) des Drehelements (4) auftrifft, oder wobei die Mittel Leitschaufeln (21) des Drehschiebers (3) sind, die von mindestens einem Teilstrom des Kühlmittels (8) beaufschlagt werden.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine tangentiale oder sekantenartige Anströmung des Drehschiebers (3) mit einem Kühlmittelvolumenstrom (17) bewirken.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (9) von Erhebungen (11) und Vertiefungen (12) der Oberfläche gebildet ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelvolumenstrom (17) ein Kühlmittelteilstrom (19) des Kühlmittels (8) ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (4) einen Passierkanal (7) für das Kühlmittel (8) zur Zuführung von Kühlmittel (8) zur Maschine in Fail-Safe-Stellung aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Maschine mit einem Teilkreise aufweisenden Kühlmittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkreise mittels eines angetriebenen Drehschiebers (3) geöffnet oder geschlossen werden können, wobei der Drehschieber (3) durch die Kraft des Kühlmittels (8) des Kühlmittelkreislaufs bei Ausfall von dessen Antrieb in eine für die Maschine betriebssichere Position verdreht wird, und wobei ein Kühlmittelvolumenstrom (17) zum Drehen eines Drehelements (4) des Drehschiebers (3) auf eine strukturierte Oberfläche (9) des Drehelements (4) auftrifft, oder wobei Mittel zum Verdrehen des Drehschiebers (3) als Leitschaufeln (21) des Drehschiebers (3) vorliegen, die von mindestens einem Teilstrom des Kühlmittels (8) beaufschlagt werden.