DE20022867U1

DE20022867U1 - Electronically controlled or regulated thermostat

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Publication number: DE20022867U1
Application number: DE20022867U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Fishman Engineering Ltd Il
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-11
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2010-11-12

Description

A 56 713 f Anmelder: 1. Joseph Fishman;A 56 713 f Applicant: 1. Joseph Fishman;

19. Februar 2002 2. EIi ElkayamFebruary 19, 2002 2. EIi Elkayam

TITEL: ELEKTRONISCH GESTEUERTER ODER GEREGELTER TITLE : ELECTRONICALLY CONTROLLED OR REGULATED THERMOSTATTHERMOSTAT BEREICH DER ERFINDUNGSCOPE OF INVENTION

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung und betrifft im besonderen die Kühlsysteme, die dazu verwendet werden, die durch derartige Verbrennungskraftmaschinen oder -motoren erzeugte Wärme zu kontrollieren. Im einzelnen betrifft die Erfindung Thermostate, die dazu verwendet werden, den Fluß des Kühlmittels zwischen einem Motor und einem Wärmetauscher, so etwa einem Kühler, zu steuern oder zu regeln.The invention relates generally to the field of internal combustion engines or motors, and particularly to the cooling systems used to control the heat generated by such internal combustion engines or motors. More particularly, the invention relates to thermostats used to control or regulate the flow of coolant between an engine and a heat exchanger, such as a radiator.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Verwendung von Thermostaten zum Steuern oder Regeln des Kühlmittelumlaufs in Verbrennungskraftmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung ist bekannt und weitverbreitet. In der Vergangenheit sind die Thermostate als Ventile konzipiert worden, die in das Kühlmittel in zum Beispiel einem Kühlmittelkanal eingetaucht sind. In der gebräuchlichsten Ausführung umfassen die Ventile ein Ventilelement, welches sich über den Kanal erstreckt und gegen einen Ventilsitz anliegt. In der Geschlossen-Stellung wird das Ventil demnach den Kühlmittelfluß - beispielsweise zu dem Kühler - im wesentlichenThe use of thermostats to control or regulate the coolant circulation in internal combustion engines or engines with internal combustion is well known and widespread. In the past, the thermostats have been designed as valves that are immersed in the coolant in, for example, a coolant channel. In the most common design, the valves comprise a valve element that extends over the channel and rests against a valve seat. In the closed position, the valve will therefore essentially control the flow of coolant - for example to the radiator.

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sperren und so das Kühlmitte! durch den Motor rezirkulieren und sich schneller aufheizen lassen.and thus the coolant can recirculate through the engine and heat up faster.

Typisch umfassen derartige Ventile einen geschlossenen Körper, der ein thermisch expandierbares Material enthält, so etwa Wachs. Es ist ein Kolben vorgesehen, der sich bei Ausdehnung des Wachses infolge der höheren Kühlmitteltemperaturen auswärts verschiebt. Der Kolben hebt das Ventil von dem Ventilsitz ab, um so das Kühlmittel durch einen Wärmetauscher, beispielsweise einen Kühler, zirkulieren zu lassen. Dadurch wird die Temperatur des Kühlmittels gesenkt und Wärme von dem Motor abgeführt. Es ist eine Feder vorgesehen, die das Ventil in eine Geschlossen-Stellung drängt, so daß in einem Ruhe- oder abgekühlten Zustand das Ventil geschlossen ist. Beim erstmaligen Anlassen eines Motors wird das Ventil also geschlossen sein, so daß der Motor seine optimale Betriebstemperatur schneller erreichen kann.Typically, such valves comprise a closed body containing a thermally expandable material, such as wax. A piston is provided which moves outward as the wax expands due to the higher coolant temperatures. The piston lifts the valve off the valve seat to circulate the coolant through a heat exchanger, such as a radiator. This lowers the temperature of the coolant and removes heat from the engine. A spring is provided which urges the valve to a closed position so that in a resting or cooled state the valve is closed. Thus, when an engine is first started, the valve will be closed so that the engine can reach its optimum operating temperature more quickly.

Bislang hat man Thermostate so ausgeführt, daß sie dem Motor erlauben, über die Zeit bei einer konstanten optimalen Temperatur zu laufen. Der Thermostat bewerkstelligt dies durch Öffnen eines Ventils in dem Kühlsystem, wenn die Motortemperatur und damit die Temperatur des flüssigen Kühlmittels ansteigen. Das Öffnen des Ventils erlaubt mehr Durchfluß zu einem Wärmetauscher, so etwa zu einem Kühler, wodurch mehr Wärme dissipiert und dadurch wiederum die Motortemperatur gesenkt werden kann. Mit abnehmender Motortemperatur und damit auch abnehmender Kühlmitteltemperatur schließt das Ventil, wodurch die dissipierte Wärmemenge verringert und wieder eine optimale Betriebstemperatur gehalten wird.Traditionally, thermostats have been designed to allow the engine to run at a constant optimum temperature over time. The thermostat does this by opening a valve in the cooling system when the engine temperature, and therefore the temperature of the liquid coolant, increases. Opening the valve allows more flow to a heat exchanger, such as a radiator, which dissipates more heat and in turn lowers the engine temperature. As the engine temperature, and therefore the coolant temperature, decreases, the valve closes, reducing the amount of heat dissipated and maintaining an optimum operating temperature.

Derartige Thermostate nach dem Stand der Technik sind wirksam, einfach und zuverlässig, leiden aber unter einer Reihe von Nachteilen. Ein Nachteil liegt darin, daß der Thermostat den Motorenkonstrukteur im wesentlichen dazu zwingt, eine einzige optimale Motortemperatur festzulegen. In der Praxis ist esSuch state-of-the-art thermostats are effective, simple and reliable, but suffer from a number of disadvantages. One disadvantage is that the thermostat essentially forces the engine designer to specify a single optimum engine temperature. In practice, it is

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aber bekanntlich so, daß die Motorbetriebstemperatur Einfluß auf das Motorverhalten nimmt. Im einzelnen erzeugt ein heißer laufender Motor weniger Emissionen, indem er eine vollständigere Verbrennung erlaubt, was wiederum zu einer Kraftstoffverbrauchsverbesserung führt. Ein heißer laufender Motor wird weniger Leistung abgeben, wohingegen ein kühler laufender Motor mehr Leistung abgibt. Eine einzige optimale Motortemperatur ist also immer ein Kompromiß zwischen Leistung und Emission.but it is well known that the engine operating temperature influences the engine's behavior. In particular, a hotter running engine produces fewer emissions by allowing more complete combustion, which in turn leads to an improvement in fuel consumption. A hotter running engine will produce less power, whereas a cooler running engine will produce more power. A single optimal engine temperature is therefore always a compromise between performance and emissions.

Ein weiterer Nachteil ist, daß Thermostate langsam ansprechend sind. Die Kühlmitteltemperaturänderung geht im wesentlichen allmählich vonstatten, und weil die Änderung der Kühlmitteltemperatur die Bewegung des Kolbens steuert, öffnet sich das Ventil nur langsam. Im wesentlichen ist es so, daß die Antwort des Thermostats der Anforderung des Motors nachhinkt und so als gedämpftes System wirkt. So kann zum Beispiel der Thermostat im Winter, bei sehr kaltem Motorstart, 12 Minuten zum Ansprechen benötigen und etwa 5 Minuten im Sommer, wenn die Motorstarttemperatur höher ist. Scharfe Änderungen der Motortemperatur, die in Erscheinung treten und dann schnell zurückgehen, kann der Thermostat nicht gut handhaben. Indes können derartige scharfe Änderungen durchaus entstehen, so etwa beim Beschleunigen aus dem Stillstand, beim Beschleunigen zum Überholen oder bei Fahrten auf Steigungsstrecken. Es hat deshalb Bestrebungen gegeben, einen Thermostaten zu entwickeln, der auf Anforderung anspricht statt einfach der Kühlmitteltemperatur zu folgen. Selbstverständlich muß der Thermostat weiterhin zuverlässig auf Kühlmitteltemperaturänderungen in der Weise ansprechen, daß ein Überhitzen vermieden wird.Another disadvantage is that thermostats are slow to respond. The change in coolant temperature is essentially gradual and because the change in coolant temperature controls the movement of the piston, the valve opens slowly. Essentially, the response of the thermostat lags behind the engine demand and so acts as a dampened system. For example, in winter, when the engine is starting from very cold, the thermostat may take 12 minutes to respond and in summer, when the engine starting temperature is higher, it may take about 5 minutes. Sharp changes in engine temperature which appear and then quickly subside are not well handled by the thermostat. However, such sharp changes can occur, for example when accelerating from a standstill, accelerating to overtake or when driving uphill. Efforts have therefore been made to develop a thermostat which responds on demand rather than simply following the coolant temperature. Of course, the thermostat must still respond reliably to changes in coolant temperature in a way that prevents overheating.

Es wurden verschiedene Hebel und Betätigungseinrichtungen vorgeschlagen, um Ventilelemente auf Anforderung öffnen und schließen zu können; diese sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Erstens sind sie relativ teuer. Zweitens gehen sie mit komplizierten, bewegten Teilen einher, die mit der Zeit versagen können. Ein Versagen des Systems könnte zu ÜberhitzungVarious levers and actuators have been proposed to open and close valve elements on demand, but these have several disadvantages. Firstly, they are relatively expensive. Secondly, they involve complicated moving parts that can fail over time. Failure of the system could lead to overheating.

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und Ausfall des Motors führen, was nicht hinnehmbar ist. Elektromechanische Systeme sind also für die unter der Motorhaube herrschenden Bedingungen ungeeignet.and engine failure, which is unacceptable. Electromechanical systems are therefore unsuitable for the conditions prevailing under the hood.

Das US-Patent Nr. 4 890 780 und das damit zusammenhängende Patent Nr. 4 961 530 offenbaren eine bessere thermomechanische Lösung mit einem Thermostaten, der ein besseres Ansprechvermögen aufweist als ein Thermostat, der darauf beschränkt ist, allein auf die Kühlmitteltemperatur anzusprechen. Dieses Patent lehrt einen ersten Thermostaten 40, der sich in der üblichen Lage innerhalb eines Kühlmittelkanals befindet, und weiter eine zweite, thermostatähnliche Einrichtung 52 (thermischer Motor genannt), die sich außerhalb des Kanals befindet und gegen den Kanal isoliert ist. Die Einrichtung 52 umfaßt das gleiche Element wie ein Thermostat der zuvor beschriebenen Art, nämlich einen geschlossenen Körper, ein thermisch expandierbares Material innerhalb des Körpers und einen Kolben, der in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg in dem thermisch expandierbaren Material ausgefahren werden kann. Anstatt daß die Kühlmitteltemperatur den Grad der Ausdehnung bestimmt, umfaßt die Einrichtung 52 aber einen kleinen elektrischen Heizer innerhalb des geschlossenen Körpers, der dazu verwendet werden kann, das ausdehnbare Material zu erwärmen, um so wiederum das Ausfahren eines Kolbens zu bewirken. Die Kolben der Einrichtung 52 und des regulären Thermostats sind koaxial gehalten, so daß, wenn der elektrisch beeinflußte Kolben ausfährt, das Ventil des Thermostats vom Ventilsitz abgehoben wird. Die Patente lehren, daß auf diese Weise das Ventil in Abhängigkeit von Motorparametern wie Last oder dergleichen, die mit anderen Sensoren gemessen werden, geöffnet werden kann und das Kühlmittel zirkulieren gelassen werden kann, bevor sich die Wärme in dem Motor staut. Diese Befähigung, das Öffnen des Ventils zu beeinflussen, soll Kundenbeschwerden über Motorüberhitzung praktisch ausschließen, verbessert den Kraftstoffverbrauch und senkt die Emissionen.U.S. Patent No. 4,890,780 and related Patent No. 4,961,530 disclose a better thermomechanical solution with a thermostat that has a better response than a thermostat that is limited to responding to coolant temperature alone. This patent teaches a first thermostat 40 located in the usual position within a coolant channel and further a second thermostat-like device 52 (called a thermal motor) located outside the channel and insulated from the channel. The device 52 comprises the same element as a thermostat of the type previously described, namely a closed body, a thermally expandable material within the body and a piston that can be extended in response to a temperature increase in the thermally expandable material. Instead of the coolant temperature determining the degree of expansion, however, the device 52 includes a small electrical heater within the enclosed body which can be used to heat the expandable material, in turn causing a piston to extend. The pistons of the device 52 and the regular thermostat are held coaxially so that when the electrically influenced piston extends, the thermostat valve is lifted off the valve seat. The patents teach that in this way the valve can be opened in response to engine parameters such as load or the like measured by other sensors, and the coolant can be allowed to circulate before heat builds up in the engine. This ability to influence the opening of the valve is said to virtually eliminate customer complaints about engine overheating, improve fuel economy, and reduce emissions.

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Auch wenn in mancher Hinsicht eine annehmbare Lösung, so ist diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik doch immer noch mit zahlreichen Nachteilen behaftet und hat keine weit verbreitete Akzeptanz gefunden. So ragt zum Beispiel der thermische Motor 52, zwar vom Kühlmittel isoliert, aber dennoch etwas exponiert in den Bereich unter der Motorhaube hinein. Die Lufttemperatur der Umgebung unter der Motorhaube kann, je nach Außentemperatur/in weiten Grenzen variieren und kann zudem recht hoch werden, wenn der Motor stationäre oder Dauerbetriebstemperaturen erreicht, nämlich bis zu ca. 25 % höher als die Kühlmitteltemperatur. Ein derart weiter Temperaturbereich für die Betriebsbedingungen des thermisch aktivierten Motors machen eine Vorhersage, wieviel Wärme von dem elektrischen Heizer benötigt wird, um den Motor zu einer Bewegung zu veranlassen, schwierig. Schlimmer noch, die Einrichtung 52 könnte sogar durch die Umgebungstemperatur aktiviert werden, ohne daß sie durch das Motorsteuerungs- oder -regelungssystem kontrolliert würde, was inakzeptabel ist.Although an acceptable solution in some respects, this prior art device still suffers from numerous disadvantages and has not found widespread acceptance. For example, the thermal motor 52, while isolated from the coolant, protrudes into the underhood area in a somewhat exposed manner. The air temperature of the underhood environment can vary widely depending on the outside temperature and can become quite high when the engine reaches steady state or continuous operating temperatures, up to about 25% higher than the coolant temperature. Such a wide temperature range for the operating conditions of the thermally activated engine makes it difficult to predict how much heat will be required from the electric heater to cause the engine to move. Worse still, the device 52 could even be activated by the ambient temperature without being controlled by the engine control system, which is unacceptable.

Weiter hat das koaxiale Verbinden des Kolbens der Einrichtung 52 mit dem Thermostatkolben zur Folge, daß sich der Effekt der zwei thermisch aktivierten Kolbensysteme vervielfacht, weil ihre Bewegungen kumulativ sind. Dies macht das Ventilöffnen und -schließen überempfindlich und seine zuverlässige Steuerung schwierig. Es wird angenommen, daß sich in der Praxis folgendes abspielt: das Ventil wird sich tendenziell zu viel öffnen und dann zu viel schließen und wird im wesentlichen ungedämpft um den gewünschten Sollwert oszillieren. Ein derartiges Oszillieren setzt die Bauteile hohen Beanspruchungen aus und liefert die wenigste Zeit die gewünschte Temperatur, so daß die Vorrichtung, statt effizienter zu werden, eher weniger effizient wird. Es besteht demnach Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Weg zum Bereitstellen einer genauen Temperaturkontrolle für Verbrennungskraftmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung, die sowohl auf die KühlmitteltemperaturFurthermore, the coaxial connection of the piston of the device 52 with the thermostat piston results in the effect of the two thermally activated piston systems being multiplied because their movements are cumulative. This makes valve opening and closing oversensitive and difficult to control reliably. It is believed that in practice the following will occur: the valve will tend to open too much and then close too much and will oscillate essentially undamped about the desired set point. Such oscillation places high stresses on the components and provides the desired temperature for the shortest time, so that the device, rather than becoming more efficient, tends to become less efficient. There is therefore a need for a simple and reliable way of providing accurate temperature control for internal combustion engines, which is sensitive to both coolant temperature and

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anspricht als auch ansprechempfindlich für die Motorlast ist und diese Problematik vermeidet.responsive and sensitive to the engine load, thus avoiding this problem.

Zusammenfassung der ERfindungSummary of the invention

Es besteht demnach Bedarf an einem kontrollierbaren Thermostatsystem, welches einerseits leicht von einem Motor-Steuerungs- oder -Regelungssystem gesteuert oder geregelt werden kann, um ein rasches Ansprechen auf kurzzeitige Spitzenlasten zu ermöglichen, dabei aber immer noch sicher und zuverlässig auf Veränderungen der Kühlmitteltemperatur anspricht, um ein Überhitzen zu vermeiden. Auf diese Weise wird, sollte die Vorrichtung je versagen, der Thermostatteil weiterhin wirksam bleiben, um ein Überhitzen des Motors zu vermeiden. Weiter sollte das System aus kostengünstigen Komponenten hergestellt sein, die zuverlässig, sicher und einfach zu installieren sind. Das System sollte geeignet ansprechen und nicht zum Beispiel anfällig sein gegenüber Veränderungen in der Betriebsumgebung, die ein unerwünschtes Auslösen der Vorrichtung bewirken könnten; auch sollte die Vorrichtung nicht zu empfindlich sein und nicht die Neigung zeigen, eine gewünschte Sollwerttemperatur in ungedämpfter Weise zu überschwingen. Ferner sollte die Vorrichtung ermöglichen, die Motortemperatur auf Anforderung zu erniedrigen, so daß mehr Leistung abgegeben wird, den Motor aber auch bei hohen Temperaturen laufen lassen, um die Emissionen zu senken. Die Vorrichtung sollte außerdem rasch ansprechen, um eine Reduzierung der Motortemperatur zum Beispiel innerhalb des Zeithorizonts eines Echtzeit-Motorbelastungsereignisses zu gestatten.There is therefore a need for a controllable thermostat system which can be easily controlled by an engine control system to enable rapid response to short term peak loads, but still responds safely and reliably to changes in coolant temperature to prevent overheating. In this way, should the device ever fail, the thermostat portion will continue to be effective to prevent overheating of the engine. Furthermore, the system should be constructed from inexpensive components which are reliable, safe and easy to install. The system should respond appropriately and not be susceptible, for example, to changes in the operating environment which could cause the device to operate in an undesirable manner; nor should the device be overly sensitive and tend to overshoot a desired set point temperature in an undamped manner. Furthermore, the device should enable the engine temperature to be lowered on demand so that more power is delivered, but also allow the engine to run at high temperatures to reduce emissions. The device should also respond quickly to allow a reduction in engine temperature, for example, within the time horizon of a real-time engine loading event.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird deshalb eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors durch Steuern oderAccording to a first aspect of the invention, therefore, there is provided a device for controlling or regulating a temperature of an engine by controlling or

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Regeln eines Stroms eines flüssigen Motorkühlmittels bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt:Regulating a flow of a liquid engine coolant, the apparatus comprising:

einen Thermostaten, der ein auf Temperatur ansprechendes Ventil aufweist, um den Strom des flüssigen Kühlmittels zu einem Kühler im wesentlichen zu sperren und im wesentlichen freizugeben, wobei der Thermostat einen ersten Aktivierungs-Temperaturbereich aufweist;a thermostat having a temperature responsive valve for substantially blocking and substantially opening the flow of liquid coolant to a radiator, the thermostat having a first activation temperature range;

einen thermisch aktivierten Betätiger, der mit dem Ventil in Wirkverbindung steht, wobei der Betätiger einen zweiten Aktivierungs-Temperaturbereich oberhalb des ersten Aktivierungs-Temperaturbereichs aufweist; unda thermally activated actuator operatively connected to the valve, the actuator having a second activation temperature range above the first activation temperature range; and

eine Quelle eiektrothermischer Energie zum Aktivieren des Betätigers, um zu bewirken, daß das auf Temperatur ansprechende Ventil den Strom des flüssigen Kühlmittels auf Anforderung freigibt.a source of electrothermal energy for activating the actuator to cause the temperature responsive valve to release the flow of liquid coolant on demand.

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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors, der ein Kühlmittelkreislaufsystem umfaßt, bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: /
According to a further aspect of the invention, there is provided a method for controlling or regulating a temperature of an engine comprising a coolant circulation system, the method comprising the steps of:

a) Bereitstellen eines thermisch aktivierten Betätigers;a) providing a thermally activated actuator;

b) Bereitstellen eines Thermostats, der eine festgehaltene Druckoberfläche und ein Ventil, das geöffnet werden kann und einen Ventilkörper umfaßt, aufweist;b) providing a thermostat having a fixed pressure surface and an openable valve comprising a valve body;

c) In-Wirkverbindung-Bringen des thermisch aktivierten Betätigers mit dem Ventilkörper des Thermostats;c) bringing the thermally activated actuator into operative connection with the valve body of the thermostat;

d) Überwachen des Motors, um zu bestimmen, wann das Ventil geöffnet werden soll; undd) monitoring the engine to determine when to open the valve; and

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e) Öffnen des Ventils durch Aktivieren des thermisch aktivierten Betätigers in Abhängigkeit von dem Überwachen des Motors.e) Opening the valve by activating the thermally activated actuator depending on the monitoring of the motor.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt:According to a further aspect of the invention there is provided an apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine, the apparatus comprising:

einen Thermostaten, der ein thermisch gesteuertes oder geregeltes Ventil aufweist, welches sich in Abhängigkeit von einer Kühlmitteltemperatur in eine erste Position öffnet/wobei die erste Position einer ersten Kühlmittelflußrate entspricht, die zum Aufrechterhalten einer optimalen Motortemperatur ausreichend ist;a thermostat having a thermally controlled or regulated valve that opens to a first position in response to a coolant temperature, the first position corresponding to a first coolant flow rate sufficient to maintain an optimal engine temperature;

einen thermisch gesteuerten oder geregelten Betätiger zum Öffnen des Ventils in eine zweite Position, wobei die zweite Position einer zweiten Kühlmittelflußrate entspricht, die dazu ausreicht, es dem Motor zu erlauben, sich auf eine Leistungsabgabetemperatur unterhalb der optimalen Temperatur abzukühlen; unda thermally controlled or regulated actuator for opening the valve to a second position, the second position corresponding to a second coolant flow rate sufficient to allow the engine to cool to a power output temperature below the optimum temperature; and

eine mit dem Betätiger verbundene Heizeinrichtung, wobei die Heizeinrichtung in Betrieb genommen wird, wenn zusätzliche Leistung benötigt wird.a heating device connected to the actuator, the heating device being activated when additional power is required.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE CHARACTERS

Es wird nun auf die zeichnerische Darstellung Bezug genommen, die - rein beispielhaft - bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht; es zeigen:Reference is now made to the drawings which illustrate preferred embodiments of the invention purely by way of example;

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Figur 1 eine querschnittliche Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühlmittelkanal und mit dem Ventil in geschlossenem Zustand;Figure 1 is a cross-sectional front view of the device according to the invention, installed in a coolant channel and with the valve in the closed state;

Figur 2 ein Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 1Figure 2 is a sectional view of the device according to the invention of Figure 1

von der Seite gesehen;seen from the side;

Figur 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A von Figur 2 in der Draufsicht gesehen;Figure 3 is a cross-section along the line A-A of Figure 2, seen in plan view;

Figur 4 eine querschnittliche Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühlmittelkanal und mit dem Ventil in einem ersten Öffnungsmodus;Figure 4 is a cross-sectional front view of the device according to the invention, installed in a coolant channel and with the valve in a first opening mode;

Figur 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung von Figur 4 von der Seite gesehen;Figure 5 is a section through the device according to the invention of Figure 4, seen from the side;

Figur 6 eine querschnittliche Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in einem Kühlmittelkanal und mit dem Ventil in einem zweiten Öffnungsmodus; undFigure 6 is a cross-sectional front view of the device according to the invention, installed in a coolant channel and with the valve in a second opening mode; and

Figur 7 ein Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 6Figure 7 is a sectional view of the device according to the invention of Figure 6

von der Seite gesehen.seen from the side.

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DETAILBESCHREIBUNG PER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors durch Steuern oder Regeln eines Stroms eines flüssigen Motorkühlmittels ist insgesamt mit 10 bezeichnet in Figur 1 dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Endkappe 12 und einen Hauptkörper 14, der einen Fluidkanal 16 definiert. Der Hauptkörper 14 umfaßt einen Befestigungsflansch 18 mit einem Paar einander gegenüberliegender Befestigungsmittelöffnungen 20 zum Montieren der Vorrichtung 10 am Kühlsystem von zum Beispiel einem Fahrzeug. Es ist ein O-Ring 22 vorgesehen, um die Herstellung einer flüssigkeitsdichten Abdichtung zwischen dem Teil 10 und dem übrigen Motorsystem zu ermöglichen. Auch wenn hier eine bestimmte Konfiguration für Endkappen und Hauptkörper gezeigt ist, so ist die Verwendung verschiedener Formen von Fittings selbstverständlich möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. An apparatus for controlling a temperature of an engine by controlling a flow of liquid engine coolant is shown generally at 10 in Figure 1. The apparatus includes an end cap 12 and a main body 14 defining a fluid passage 16. The main body 14 includes a mounting flange 18 having a pair of opposed mounting apertures 20 for mounting the apparatus 10 to the cooling system of, for example, a vehicle. An O-ring 22 is provided to enable a fluid-tight seal to be made between the member 10 and the remainder of the engine system. Although a particular configuration for the end caps and main body is shown, it will be understood that various forms of fittings can be used without departing from the scope of the present invention.

Verbunden mit der Endkappe 12 ist ein Instrumentierungspaket, welches ein Paar von elektrischen Kabeln 24 umfaßt, die mit einem Fitting 26 außerhalb des Kanals 16 verbunden sind. Zu dem Instrumentierungspaket 26 gehört ein Haltering 28, der einen O-Ring 30 umfaßt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung gegenüber der Flüssigkeit in dem Kanal 16 zu schaffen. Der Haltering 28 ist vorzugsweise mit einer geneigten Oberfläche 32 ausgebildet, um sich mit dem O-Ring 30 kombinieren zu lassen.Connected to the end cap 12 is an instrumentation package which includes a pair of electrical cables 24 connected to a fitting 26 external to the channel 16. The instrumentation package 26 includes a retaining ring 28 which includes an O-ring 30 to provide a fluid-tight seal against the fluid in the channel 16. The retaining ring 28 is preferably formed with an inclined surface 32 to mate with the O-ring 30.

Die elektrischen Kabel 24 sind meistbevorzugt mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die zum Beispiel von einem Motorsteuerungs- oder -regelungsmodul (ECM) beeinflußt wird. Typisch umfaßt ein ECM mehrere Sensoren, die dazu verwendet werden, verschiedene Motor- und Fahrzeugparameter zu erfassen, so daß das Verhalten des Motors optimiert werden kann. Die vorliegende Erfindung umfaßt entweder die Verwendung bereits vorhandener Sensoren, sofern geeignet und verfügbar, oder die Verwendung hinzugenommenerThe electrical cables 24 are most preferably connected to an electrical circuit that is influenced by, for example, an engine control module (ECM). Typically, an ECM includes several sensors that are used to sense various engine and vehicle parameters so that the behavior of the engine can be optimized. The present invention includes either the use of existing sensors, if suitable and available, or the use of added

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Sensoren, um das ECM mit ausreichenden Informationen zu versorgen, um die vorliegende Erfindung mit Vorteil zu nutzen, wie hierin beschrieben.Sensors to provide the ECM with sufficient information to take advantage of the present invention as described herein.

Unterhalb des Halterings 28 erstreckt sich ein Körper 34 der Vorrichtung, der einen geschlossenen Bereich 36 umfaßt, welcher einen Behälter für ein thermisch expandierbares Material (nicht gezeigt) bildet, eine Verlängerung 38 und einen Kolben 40. Wie ersichtlich, erstrecken sich Behälter 36, Verlängerung und Kolben 40 in den Kanal 16 hinein, und wären bei normaler Kühlmittelfüllung von dem Kühlmittelfluid umgeben. Der Behälter 36, die Verlängerung 38 und der Kolben 40 können als ein Betätiger betrachtet werden, wie im folgenden beschrieben.Extending beneath the retaining ring 28 is a body 34 of the device which includes an enclosed region 36 which forms a container for a thermally expandable material (not shown), an extension 38 and a piston 40. As can be seen, the container 36, extension and piston 40 extend into the channel 16 and would be surrounded by the coolant fluid during a normal coolant charge. The container 36, extension 38 and piston 40 may be considered an actuator as described below.

Das Oberteil 12 ist an dem Hauptkörper 14 gesichert, zum Beispiel durch Verschrauben bei 42. Wieder kann ein O-Ring 44 verwendet werden, um für eine sichere flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem oberen Teil 12 und dem Hauptkörper 14 zu sorgen.The upper part 12 is secured to the main body 14, for example by screwing at 42. Again, an O-ring 44 may be used to provide a secure fluid-tight connection between the upper part 12 and the main body 14.

Weiter zeigt Figur 1 einen herkömmlichen Thermostaten 50, der einen Körper 52 umfaßt, welcher ein thermisch expandierbares Material enthält, eine Befestigungsplatte 54, ein Ventil 56, eine Feder 58, die zwischen der Befestigungsplatte 54 und dem Ventil 56 liegt, und einen Kolben 60. Ebenfalls in Figur 1 gezeigt ist eine Aufnahme 80, in die der Kolben 60 paßt. Die Aufnahme 80 ist lagefixiert und wirkt so als eine Druckoberfläche für den Kolben 60. Gezeigt ist auch ein abgeschrägter Ventilsitz 82, gegen den das Ventil 56 dichtet. Ein wichtiges Merkmal des Ventilsitzes 82 liegt darin, daß die Öffnung so bemessen und gestaltet ist, daß, je weiter das Ventil 56 von dem Ventilsitz 82 versetzt ist, desto größer der Kühlmittelstrom zu dem Wärmetauscher, bis hinauf zu einer maximalen Flußrate. Die Funktionsweise dieser Komponenten wird im folgenden ausführlicher beschrieben.Further, Figure 1 shows a conventional thermostat 50 which includes a body 52 containing a thermally expandable material, a mounting plate 54, a valve 56, a spring 58 interposed between the mounting plate 54 and the valve 56, and a piston 60. Also shown in Figure 1 is a receptacle 80 into which the piston 60 fits. The receptacle 80 is fixed in position and thus acts as a pressure surface for the piston 60. Also shown is a beveled valve seat 82 against which the valve 56 seals. An important feature of the valve seat 82 is that the opening is sized and shaped such that the further the valve 56 is offset from the valve seat 82, the greater the flow of coolant to the heat exchanger, up to a maximum flow rate. The operation of these components is described in more detail below.

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In der Mitte des Kanals 16 befindet sich eine Verbindungseinrichtung, die ein Lastübertragungselement 83 mit einer Feder 84 umfaßt, welche zwischen einer in Figur 1 gezeigten Leiste 86 und einer in Figur 2 gezeigten Leiste 88 liegt. Das Element 83 bewirkt eine operative Verbindung des Betätigers mit dem Thermostaten 50. Auch die Funktionsweise dieser Elemente wird weiter unten ausführlicher beschrieben.In the middle of the channel 16 there is a connecting device which comprises a load transfer element 83 with a spring 84 which lies between a bar 86 shown in Figure 1 and a bar 88 shown in Figure 2. The element 83 effects an operative connection of the actuator with the thermostat 50. The operation of these elements is also described in more detail below.

Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, die das Element 80 nun im Querschnitt darstellt, woraus hervorgeht, daß sich das Element 80 von der Seitenwand des Kanals 16 auswärts erstreckt und so - als Druckfläche oder Druckpunkt wirkend - dem Kolben 60 des Thermostaten 50 dagegenzudrücken erlaubt. Ebenfalls gezeigt ist die Befestigungsplatte 54, aufgenommen in mit dem Hauptkörper 14 fest verbundenen nach unten ragenden Armen 90, die das Thermostat 50 lagefixieren. Meistbevorzugt sind die Arme 90 so bemessen und gestaltet, daß sie in den unterhalb des Hauptkörpers 14 befindlichen Kühlmittelkanal passen, um die Montage zu erleichtern. Man sieht, daß der Kanal 16 eine Y-Verbindung 100 umfaßt, die es gestattet, das Kühlmittel durch einen Kühler (nicht gezeigt) zirkulieren zu lassen. Demnach zeigt der Pfeil den Lageort eines Kühlers, und der Pfeil 104 zeigt den Zufluß von Kühlmittel von dem Motor (nicht gezeigt) in den Kanal 16. Der Pfeil 105 zeigt das Kühlmittel ohne Durchlauf durch das Ventil 56, welches in Figur 2 geschlossen ist.Referring now to Figure 2, the element 80 is now shown in cross-section, and it can be seen that the element 80 extends outwardly from the side wall of the passage 16, thereby acting as a pressure surface or pressure point, allowing the piston 60 of the thermostat 50 to bear against it. Also shown is the mounting plate 54 received in downwardly extending arms 90 which are fixedly connected to the main body 14 and which hold the thermostat 50 in position. Most preferably, the arms 90 are sized and shaped to fit into the coolant passage located beneath the main body 14 to facilitate assembly. It can be seen that the passage 16 includes a Y-connection 100 which allows the coolant to be circulated through a radiator (not shown). Accordingly, the arrow shows the location of a radiator, and the arrow 104 shows the flow of coolant from the engine (not shown) into the channel 16. The arrow 105 shows the coolant without passing through the valve 56, which is closed in Figure 2.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt der Elemente von Figur 2 entlang der Schnittlinie A-A von oben gesehen. Im einzelnen ist der Hauptkörper 14 als ein Kanal 16 mit einer Aufnahme 80 für den Kolben 60 ausgebildet gezeigt. Ebenfalls dargestellt ist das Lastübertragungselement 83, welches sich beiderseits der Aufnahme 80 erstreckt. Das Lastübertragungselement 83 ist so bemessen und gestaltet, daß es von einer äußeren Oberfläche der Aufnahme 80 geführt wird. Es können auch andere Formen von Lastübertragungselementen Verwendung finden; mit der Form von Element 83 wie gezeigt wurden jedoch vernünftige Ergebnisse erzielt.Figure 3 shows a cross-section of the elements of Figure 2 taken along line A-A from above. In particular, the main body 14 is shown formed as a channel 16 with a receptacle 80 for the piston 60. Also shown is the load transfer member 83 which extends on either side of the receptacle 80. The load transfer member 83 is sized and shaped to be guided by an outer surface of the receptacle 80. Other shapes of load transfer members may be used, however, reasonable results have been achieved with the shape of member 83 as shown.

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Es wird nun erneut auf Figur 2 Bezug genommen, die ferner eine elektrische Heizeinrichtung 110 zeigt, die sich nach unten, in den geschlossenen Bereich 36 des Körpers 34 hinein erstreckt. Der Anschluß der elektrischen Heizeinrichtung 110 geschieht mit Hilfe von isolierten Kabeln 112, die ihrerseits Teil des Instrumentierungspakets 26 bilden. Selbstverständlich können andere Arten von elektrischen Verbindungen vorgesehen werden, Wirkverbindung zwischen ECM und Heizeinrichtung 110 vorausgesetzt.Referring again to Figure 2, there is also shown an electrical heater 110 extending downwardly into the enclosed area 36 of the body 34. The electrical heater 110 is connected by means of insulated cables 112 which form part of the instrumentation package 26. Of course, other types of electrical connections may be provided provided there is an operative connection between the ECM and the heater 110.

Figur 2 zeigt die Stellung des Ventils 56, wenn Kühlmittel und Motor kalt sind. In diesem Zustand liegt das Ventil 56 dicht gegen den Ventilsitz 82 an und sperrt den Fluß des Kühlmittels vom Motor zum Kühler. So kann das Kühlmittel durch den Motor rezirkulieren und damit der Motor seine gewünschte Betriebstemperatur schneller erreichen (bei 105 in Figur 2 gezeigt).Figure 2 shows the position of valve 56 when the coolant and engine are cold. In this condition, valve 56 is in tight contact with valve seat 82 and blocks the flow of coolant from the engine to the radiator. This allows the coolant to recirculate through the engine and allows the engine to reach its desired operating temperature more quickly (shown at 105 in Figure 2).

Es wird nun auf die Figuren 3 und 4 Bezug genommen, denen zu entnehmen ist_;/daß sich das Ventil 56 von dem Ventilsitz 82 wegbewegt hat. Zu diesem Zeitpunkt hat die Temperatur des Kühlmittels die Aktivierungstemperatur des thermisch expandierbaren Materials in dem Thermostaten 50 erreicht, so daß es sich ausdehnt und dadurch den Kolben 60 zum Ausfahren veranlaßt. Weil der Kolben 60 gegen eine Druckoberfläche in der Aufnahme 80 stößt, zwingt das Ausfahren des Kolbens 60 aus dem Körper 52 das Ventil 56 nach unten, von dem Ventilsitz 82 weg, wobei die Feder 58 zusammengedrückt wird. In dieser Stellung kann das Kühlmittel durch das Ventil 56 hindurch und, über den Abzweig 100 des Kanals, hinaus in den Kühler strömen, wie durch die Pfeile C angedeutet. Aus Figur 4 kann man sehen, daß, obgleich das Ventil 50 geöffnet hat, das Lastübertragungselement 83 sich nicht bewegt hat, in dessen Folge nun ein Spalt 120 zwischen dem Lastübertragungselement 83 und dem Ventil 56 vorhanden ist. Wenn die Kühlmitteltemperatur unter den thermischen Aktivierungspunkt für den Thermostaten 50 fällt, wird die Feder 58 bewirken, daß das Ventil 56 gegen den Ventilsitz 82 schließt, was dazu führt, daßReferring now to Figures 3 and 4, it will be seen _that the valve 56 has moved away from the valve seat 82. At this point, the temperature of the coolant has reached the activation temperature of the thermally expandable material in the thermostat 50 so that it expands, thereby causing the piston 60 to extend. Because the piston 60 strikes a pressure surface in the socket 80, the extension of the piston 60 from the body 52 forces the valve 56 downwardly, away from the valve seat 82, compressing the spring 58. In this position, the coolant can flow through the valve 56 and, via the branch 100 of the passage, out into the radiator as indicated by the arrows C. From Figure 4 it can be seen that although the valve 50 has opened, the load transfer member 83 has not moved, as a result of which a gap 120 now exists between the load transfer member 83 and the valve 56. When the coolant temperature falls below the thermal activation point for the thermostat 50, the spring 58 will cause the valve 56 to close against the valve seat 82, resulting in

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die Wärmedissipation vermindert wird und die Motortemperatur bei der optimalen Sollwerttemperatur erhalten bleibt.heat dissipation is reduced and the engine temperature is maintained at the optimal setpoint temperature.

In Einklang mit der vorliegenden Erfindung liegt der Aktivierungs-Temperaturbereich des Thermostats 50 mit Vorzug oberhalb des normalen Bereichs für seriengefertigte Fahrzeuge. Wenn also typisch ein Thermostat so eingestellt wird, daß er bei einer Temperatur zwischen 90 ⁰C und 95 ⁰C anzusprechen beginnt, so liegt für die vorliegende Erfindung die bevorzugte Aktivierungstemperatur zwischen ungefähr 100 ⁰C bis 105 ⁰C. Meistbevorzugt beginnt der Aktivierungs-Temperaturbereich bei etwa 102 ⁰C und endet ungefähr 10 ⁰C höher bei ca. 112 ⁰C. Dieser Temperaturbereich wird als erster Aktivierungsbereich bezeichnet. Wenn also beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels 112 ⁰C erreicht, wird das Ventil 56 um einen Abstand Dl von dem Ventilsitz entfernt. Dl ist definiert als ein Abstand, der ausreichend ist, um dem Motor zu erlauben, bei der gewünschten Sollwert-Dauertemperatur zu laugen. Diese Maß an Kühlung kann erreicht werden mit Kühlmittelumlaufströmen von ca. 1 bis 2 m3 pro Stunde für einen typischen mittelgroßen Wagen. Es versteht sich, daß andere Typen von Autos oder Lastkraftwagen andere Motorwärmebelastungen haben, die andere Kühlmitteldurchfluß-Bereiche verlangen. Wie weiter unten ausführlicher erläutert, ist die Ventilstellung für Temperaturerhaltung bei der optimalen Motortemperatur bevorzugt nicht eine voll geöffnete Stellung des Ventils 56. Vielmehr ist die Ventilposition bei Dl so, daß ausreichend Kühlmittelfluß zugelassen wird, um Temperaturerhaltung zu erzielen. Es ist ferner einzusehen, daß ein Motor, der über einen Temperaturbereich von 102 ⁰C bis 112 ⁰C als Dauerbetriebstemperatur arbeitet, wesentlich heißer läuft als ein herkömmliches System. Dies begünstigt eine vollständigere Verbrennung, weniger Emission und einen besseren Kraftstoffverbrauch. Schätzungsweise könnten Kraftstoffeinsparungen zwischen 1 und 2 % oder sogar noch mehr erzielt werden, je nach Leistungsdaten des Motors.In accordance with the present invention, the activation temperature range of the thermostat 50 is preferably above the normal range for mass produced vehicles. Thus, while a thermostat is typically set to begin responding at a temperature between 90 ^° C and 95 ^° C, for the present invention the preferred activation temperature is between about 100 ^° C to 105 ^° C. Most preferably, the activation temperature range begins at about 102 ^° C and ends about 10 ^° C higher at about 112 ^° C. This temperature range is referred to as the first activation range. Thus, for example, when the coolant temperature reaches 112 ^° C, the valve 56 is moved a distance Dl from the valve seat. Dl is defined as a distance sufficient to allow the engine to operate at the desired set point steady state temperature. This level of cooling can be achieved with coolant recirculation flows of approximately 1 to 2 m3 per hour for a typical mid-sized car. It will be understood that other types of cars or trucks have different engine heat loads requiring different coolant flow ranges. As will be explained in more detail below, the valve position for temperature maintenance at the optimum engine temperature is preferably not a fully open position of valve 56. Rather, the valve position at Dl is such that sufficient coolant flow is permitted to achieve temperature maintenance. It will also be appreciated that an engine operating over a temperature range of 102 ^° C to 112 ^° C as a continuous operating temperature will run significantly hotter than a conventional system. This promotes more complete combustion, lower emissions and better fuel economy. It is estimated that fuel savings of between 1 and 2% or even more could be achieved depending on the performance characteristics of the engine.

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Figur 6 zeigt die erfindungsgemäße Konfiguration, wenn der Kolben 40 ausgeschoben ist. Der Kolben 40 wird ausgefahren, wenn das Motorsteuerungsoder -regelungsmodul ein Signal zu der Heizeinrichtung 110 sendet, welches bewirkt, daß sich die Heizeinrichtung rasch aufheizt und ihrerseits bewirkt, daß sich das thermisch expandierbare Material in dem Betätiger ausdehnt. Wie bereits erwähnt, wird dies als Folge von bestimmten Belastungszuständen des Motors geschehen, so etwa bei Beschleunigung oder unter anderen Umständen, die einen Bedarf an mehr Leistung und damit mehr Kühlung erzeugen. Die von der Heizeinrichtung 110 ausgehende Wärme bewirkt, daß der Kolben 40 ausgeschoben wird, wodurch das Lastübertragungselement 83 nach unten gedrückt wird. Das Lastübertragungselement 83 überträgt die Last von dem Kolben 40 auf die Schultern des Thermostats 50, wodurch der Ventilteller 56 vom Ventilsitz 82 weg versetzt wird. Wieder Wird dadurch dem Kühlmittel erlaubt, den Thermostaten 50 und, über den Abzweig 100, den Kühler zu durchlaufen, wie durch die Pfeile C bezeichnet. Wie aus den Figuren 6 und zu entnehmen ist, bewirkt das Ausfahren des Kolbens 40 ein Zusammendrücken der Feder 84. Weiter bewirkt das Ausfahren des Kolbens 40, daß sich der Kolben 60 innerhalb der Aufnahme 80 bewegt und einen Spalt entstehen läßt, der bei 130 gezeigt ist. Wieder wird das Ventil 56 von dem Ventilsitz 82 wegbewegt, diesmal aber um einen Abstand D2. Erfindungsgemäß ist D2 ein ausreichender Abstand, um einen Kühlmittelstrom durch das Ventil zuzulassen, der viel größer ist als der bei Dl auftretende und der einen Kühlmittelstrom darstellt, der ausreichend ist, um die Motortemperatur eher zu erniedrigen als sie in einem stationären Zustand zu halten, was bei der Position Dl erreicht wird. Ferner wird es bevorzugt, daß das Erniedrigen der Temperatur rasch, innerhalb des Zeithorizonts eines Lastereignisses geschieht, was bedeutet, daß der Kühlmittelstrom ausreichend sein sollte, um möglichst eine rasche Kühlung des Motors zu erzielen. Meistbevorzugt erlaubt D2 eine Kühlmittelströmungsrate von ca. 8 bis 12 m³ pro Stunde für ein herkömmliches mittelgroßes Auto. Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß andere Autotypen und andere Motorgrößen mehr oder weniger Kühlmittelfluß benötigen können. DemnachFigure 6 shows the configuration of the present invention when the piston 40 is extended. The piston 40 is extended when the engine control module sends a signal to the heater 110 which causes the heater to heat rapidly and in turn causes the thermally expandable material in the actuator to expand. As previously mentioned, this will occur as a result of certain engine load conditions, such as acceleration or other circumstances which create a need for more power and therefore more cooling. The heat from the heater 110 causes the piston 40 to be extended, thereby forcing the load transfer member 83 downward. The load transfer member 83 transfers the load from the piston 40 to the shoulders of the thermostat 50, thereby displacing the valve head 56 away from the valve seat 82. Again, this allows coolant to pass through thermostat 50 and, via branch 100, through the radiator as indicated by arrows C. As can be seen from Figures 6 and 7, extension of piston 40 causes compression of spring 84. Further, extension of piston 40 causes piston 60 to move within seat 80 and create a gap shown at 130. Again, valve 56 is moved away from valve seat 82, but this time by a distance D2. In accordance with the invention, D2 is a sufficient distance to allow a flow of coolant through the valve which is much greater than that occurring at D1 and which represents a flow of coolant sufficient to lower the engine temperature rather than maintain it in a steady state, which is achieved at position D1. Furthermore, it is preferred that the lowering of the temperature occurs rapidly, within the time horizon of a load event, which means that the coolant flow should be sufficient to achieve as rapid cooling of the engine as possible. Most preferably, D2 allows a coolant flow rate of about 8 to 12 m ³ per hour for a conventional medium-sized car. Those skilled in the art will appreciate that other car types and other engine sizes may require more or less coolant flow. Accordingly,

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repräsentiert D2 eine Stellung, die weiter geöffnet ist als Dl. Ein Verfahren, um dies zu erzielen, besteht erfindungsgemäß darin, den Kolben 40 bei Aktivierung mehr oder weiter ausfahren zu lassen, als der Kolben 60 ausfährt, wenn er aktiviert wird. Es können jedoch auch andere Verfahren Anwendung finden, um zu demselben Ergebnis zu gelangen, nämlich mit Hilfe des Betätigers eine größere Kühlkapazität bereitzustellen als der Thermostat 50.D2 represents a position that is more open than D1. One method of achieving this according to the invention is to allow the piston 40 to extend more or further when activated than the piston 60 extends when activated. However, other methods may be used to achieve the same result, namely to provide a greater cooling capacity by means of the actuator than the thermostat 50.

Erfindungsgemäß wird außerdem das thermisch expandierbare Material, welches für das Ausfahren des Kolbens 40 verantwortlich ist, auf einen von dem ersten, für das Ausfahren des Kolbens 60 verantwortlichen Aktivierungs-Temperaturbereich verschiedenen, oder zweiten Aktivierungs-Temperaturbereich eingestellt. Meistbevorzugt ist der zweite Aktivierungs-Temperaturbereich wesentlich höher als der erste Aktivierungs-Temperaturbereich des Hauptthermostats und kann beispielsweise etwa 25 ⁰C höher sein. Zum Beispiel könnte das für das Ausfahren des Kolbens 40 verantwortliche thermisch expandierbare Material in dem Betätiger so eingestellt sein, daß es auf Temperaturen von ungefähr 125 ⁰C bis 127 ⁰C anspricht. Weil dieser zweite Bereich beträchtlich oberhalb des ersten Bereichs liegt, wird es nie dazu kommen, daß der Kolben 40 aufgrund der Kühlmitteltemperatur allein zum Ausfahren veranlaßt wird. Ganz einfach liegt der Betriebsbereich des thermisch expandierbaren Materials in dem Betätiger oberhalb des Betätigungstemperaturbereichs des Thermostats 50. Demnach wird im normalen Betrieb der Thermostat 50 verhindern, daß die Temperatur des Kühlmittels jemals so hoch werden kann wie die zum Auslösen des Betätigers. Auf diese Weise erfolgt eine Aktivierung des Betätigers ausschließlich infolge einer elektrischen Ausgabe von der innerhalb des geschlossenen Körpers 56 aufgenommenen elektrischen Heizeinrichtung oder aufgrund eines direkten Befehls von dem ECM.In accordance with the invention, the thermally expandable material responsible for extending the piston 40 is also set to a different or second activation temperature range than the first activation temperature range responsible for extending the piston 60. Most preferably, the second activation temperature range is substantially higher than the first activation temperature range of the main thermostat and may be, for example, about 25 ^° C higher. For example, the thermally expandable material responsible for extending the piston 40 in the actuator could be set to respond to temperatures of about 125 ^° C to 127 ^° C. Because this second range is considerably higher than the first range, the piston 40 will never be caused to extend due to the coolant temperature alone. Quite simply, the operating range of the thermally expandable material in the actuator is above the operating temperature range of the thermostat 50. Thus, in normal operation, the thermostat 50 will prevent the coolant temperature from ever rising above that required to actuate the actuator. In this way, activation of the actuator will occur solely in response to an electrical output from the electrical heater housed within the enclosed body 56 or in response to a direct command from the ECM.

Es wurde gefunden, daß ein rasches Ausfahren des Kolbens 40 dadurch erzielt werden kann, daß als Heizeinrichtung 110 ein Heizelement gewählt wird, welches auf eine Temperatur aufheizt, die noch wesentlich höher ist, zum BeispielIt has been found that a rapid extension of the piston 40 can be achieved by selecting a heating element as the heating device 110 which heats to a temperature which is even significantly higher, for example

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ungefähr 150 ⁰C. Ferner wird es bevorzugt, daß das Ansprechen rasch geschieht. Dies wird dem thermisch expandierbaren Material erlauben, seine Ausdehnungstemperatur viel schneller zu erreichen. Es versteht sich, daß die Temperatur nicht so hoch sein kann, daß sie irgendeine der Komponenten schädigt, insbesondere das thermisch expandierbare Material. Demnach wird erfindungsgemäß ein Signal zum Aufheizen der Heizeinrichtung die Temperatur rasch anheben, so daß der Kolben 40 zum Ausfahren veranlaßt wird. Eine Ansprechzeit von unter 10 Sekunden wird bevorzugt, und ca. 6 Sekunden sind bisher erzielt worden, wobei jedoch möglicherweise ein noch besseres Verhalten erzielbar ist.about 150 ^° C. It is also preferred that the response be rapid. This will allow the thermally expandable material to reach its expansion temperature much more quickly. It will be understood that the temperature cannot be so high as to damage any of the components, particularly the thermally expandable material. Thus, according to the invention, a signal to heat the heater will rapidly raise the temperature so as to cause the piston 40 to extend. A response time of less than 10 seconds is preferred and about 6 seconds has been achieved, although even better performance may be achievable.

Es ist ferner einzusehen, daß neben einer raschen Erwärmung des thermisch expandierbaren Materials auch ein rasches Abkühlen des Motors notwendig ist, wenn die benötigte Leistungsverstärkung innerhalb des Zeithorizonts des Ereignisses geliefert werden soll. Zu diesem Zweck muß das Ventil 56 befähigt sein, sich unter den erhöhten Leistungsverhältnissen weiter zu öffnen als in einem stationären oder Dauerzustand, um einen größeren Kühlmittelfluß zuzulassen. It will be further appreciated that in addition to rapid heating of the thermally expandable material, rapid cooling of the engine is also necessary if the required power boost is to be delivered within the time horizon of the event. To this end, the valve 56 must be able to open wider under the increased power conditions than in a steady state or steady state to allow greater coolant flow.

Demnach liegt ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, daß der Bewegungsbereich des Ventils 56 durch den Thermostaten 50 Strömungsraten von 1 bis 2 m^ pro Stunde entspricht. Aufgrund der Größe und der Gestalt der Ventilöffnung zwischen dem Ventil 56 und dem Ventilsitz 82 öffnet aber der Kolben 40 das Ventil 56 weiter, auf Strömungsraten, die etwa 10 nri3 pro Stunde entsprechen. Auf diese Weise wird für eine rasche Abkühlung gesorgt, genügend, um die Temperatur des Kühlmittels reichlich unter die normalen Betriebstemperaturen abzusenken, beispielsweise auf ungefähr 70 ⁰C bis 80 ⁰C. Eine derart niedrige Motortemperatur wird die Leistung erhöhen.Accordingly, another aspect of the present invention is that the range of movement of the valve 56 through the thermostat 50 corresponds to flow rates of 1 to 2 cubic meters per hour. However, due to the size and shape of the valve opening between the valve 56 and the valve seat 82, the piston 40 opens the valve 56 further to flow rates corresponding to about 10 cubic meters per hour. In this way, rapid cooling is provided, sufficient to lower the temperature of the coolant well below normal operating temperatures, for example to about 70 ^° C to 80 ^° C. Such a low engine temperature will increase performance.

Erfindungsgemäß ist der Körper 36 auf der kalten Seite des Ventils 56 angeordnet. Der Körper 56 ist vollständig von Kühlmittel umgeben, was bedeutet,According to the invention, the body 36 is arranged on the cold side of the valve 56. The body 56 is completely surrounded by coolant, which means

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daß die Temperatur des Körpers 56 innerhalb des relativ kleinen Dynamikbereichs von Kühlmitteltemperaturen gehalten werden wird. Dies bedeutet, daß die erforderliche elektrische Energie zum Erhitzen des thermisch expandierbaren Materials in dem Körper 36 auf einen recht engen Bereich beschränkt sein wird, und damit ein genaueres und rechtzeitigeres Ausfahren des Kolbens 40 möglich wird. In anderen Worten: indem der Körper 36 in dem Kühlmittel vorgesehen wird, wirkt das Kühlmittel als Temperaturpuffer, was wiederum sicherstellt, daß der Kolben 40 zuverlässiger und schneller durch die elektrische Heizeinrichtung 110 ausgefahren werden kann.that the temperature of the body 56 will be maintained within the relatively small dynamic range of coolant temperatures. This means that the electrical energy required to heat the thermally expandable material in the body 36 will be limited to a fairly narrow range, thus allowing for more accurate and timely extension of the piston 40. In other words, by providing the body 36 in the coolant, the coolant acts as a temperature buffer, which in turn ensures that the piston 40 can be extended more reliably and quickly by the electrical heater 110.

So wird zum Beispiel der Körper 38 bereits auf Kühlmitteltemperatur sein, weil er darin eingetaucht ist. Für den Dauerbetrieb wird das thermisch expandierbare Material also im wesentlichen auf die z.B. im Bereich von 102 °C bis 112 ⁰C liegende Betriebstemperatur vorgewärmt. Auf diese Weise ist eine kleinere thermische Kluft zu überwinden, was ein schnelleres Erwärmen und Ausfahren des Kolbens 40 erlaubt. Die Auslösetemperatur des Materials in dem Körper 38 kann eine beliebige Temperatur sein, ist bevorzugt aber eine höhere Temperatur und meistbevorzugt eine Temperatur, die höher genug ist, um ein unerwünschtes Ausfahren des Kolbens infolge Umgebungseinflüssen zu verhindern. For example, the body 38 will already be at coolant temperature because it is immersed in it. For continuous operation, the thermally expandable material is thus essentially preheated to the operating temperature, eg in the range of 102 °C to 112 ⁰ C. In this way, a smaller thermal gap can be overcome, which allows the piston 40 to heat up and extend more quickly. The trigger temperature of the material in the body 38 can be any temperature, but is preferably a higher temperature and most preferably a temperature that is higher enough to prevent undesirable extension of the piston due to environmental influences.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, daß, weil der Körper 36 von Kühlmittel umgeben ist, das Kühlmittel den Effekt haben wird, den Körper 36 rasch abzukühlen, sobald das Motorsteuerungs- oder -regelungsmodul damit aufhört, elektrische Energie an die Heizeinrichtung zu senden. Die dann auftretende Differenz zwischen Kühlmitteltemperatur und Temperatur des Betätigers wird groß sein, was ein noch schnelleres Abkühlen zur Folge hat. Im einzelnen öffnet der Betätiger über den Kolben 40 das Ventil 56 und erlaubt das rasche Abkühlen des Motors infolge höherer Strömungsraten. Dies wird die Temperatur des Motors und des Kühlmittels auf eine niedrigere Temperatur senken (die eine entsprechend höhere Leistung liefert). So liegt zum BeispielAnother aspect of the invention is that because the body 36 is surrounded by coolant, the coolant will have the effect of rapidly cooling the body 36 once the engine control module stops sending electrical energy to the heater. The difference between the coolant temperature and the actuator temperature will then be large, resulting in even faster cooling. In particular, the actuator opens the valve 56 via the piston 40 and allows the engine to cool rapidly due to higher flow rates. This will lower the temperature of the engine and coolant to a lower temperature (which provides correspondingly higher performance). For example,

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- wiederum für ein mittelgroßes herkömmliches Auto - eine bevorzugte Leistungsabgabetemperatur zwischen 70 und 80 ⁰C und meistbevorzugt bei ca. 75 ⁰C. Somit wird kurz nach Anstoßen der Heizeinrichtung in dem Betätiger die Motorkühlmitteltemperatur ebenfalls ca. 75 Grad betragen. Weil die Heizeinrichtung auf ca. 150 Grad aufheizt, wie vorstehend aufgezeigt, ist die Temperaturdifferenz groß zwischen dem thermisch expandierbaren Material und dem Kühlmittel (ca. 75, verglichen mit zwischen 140 und 150), so daß das thermisch expandierbare Material des Betätigers aufgrund der großen Temperaturdifferenz rasch abgekühlt wird.- again for a medium-sized conventional car - a preferred power output temperature of between 70 and 80 ⁰ C and most preferably at about 75 ⁰ C. Thus, shortly after the heater in the actuator is initiated, the engine coolant temperature will also be about 75 degrees. Because the heater heats to about 150 degrees as indicated above, the temperature difference between the thermally expandable material and the coolant is large (about 75, compared to between 140 and 150), so that the thermally expandable material of the actuator is rapidly cooled due to the large temperature difference.

Rasches Abkühlen bewirkt auch, daß der Kolben 40 relativ rasch wieder einfährt. Dies ermöglicht dem Kolben 60, an der Aufnahme 80 bei dem geeigneten Öffnungsgrad des Ventils 56 für diese Kühlmitteltemperatur anzugreifen. In dem Beispiel für eine Temperatur von 75 Grad kann das Ventil 56 des Thermostats 50 zum Beispiel voll geschlossen sein, wenn die tiefere Leistungsabgabetemperatur über einen Zeitraum aufgetreten ist, der hinreichend ist, um dem Kolben 60 ein vollständiges Einfahren aus seiner Stationärzustandsstellung zu erlauben.Rapid cooling also causes the piston 40 to retract relatively quickly. This allows the piston 60 to engage the seat 80 at the appropriate degree of opening of the valve 56 for that coolant temperature. For example, in the example for a temperature of 75 degrees, the valve 56 of the thermostat 50 may be fully closed if the lower output temperature has been experienced for a period of time sufficient to allow the piston 60 to fully retract from its steady state position.

Es wird ferner erkennbar sein, daß sich das Lastübertragungselement 80 zwischen dem oberen Kolben 40 und dem Körper des Thermostats 50 erstreckt. Damit wird beim Ausfahren des oberen Kolbens 40 das Ventil 56 durch die Bewegung des Körpers des Thermostats 50 geöffnet. Sinkt die Kühlmitteltemperatur infolge des Öffnens des Ventils 56 durch den Betätiger, wird der Thermostat 50 auf normale Weise reagieren, und der Kolben 60 fährt ein. Da aber der Kolben 60 von dem Drucksitz 80 durch das Lastübertragungselement 83 beabstandet ist, hat die Stellung des Kolbens 60 keinen Einfluß auf die Stellung des Ventils 56 relativ zu dem Ventilsitz 82. Auf diese Weise sind die Effekte des Ventilöffnens durch den elektronisch beeinflußten Betätiger und des Ventilöffnens durch das Kühlmitteltemperatur-Thermostat weder kumulativIt will also be seen that the load transfer member 80 extends between the upper piston 40 and the body of the thermostat 50. Thus, as the upper piston 40 extends, the valve 56 is opened by the movement of the body of the thermostat 50. If the coolant temperature drops as a result of the actuator opening the valve 56, the thermostat 50 will respond in the normal manner and the piston 60 will retract. However, since the piston 60 is spaced from the pressure seat 80 by the load transfer member 83, the position of the piston 60 has no effect on the position of the valve 56 relative to the valve seat 82. In this way, the effects of the valve opening by the electronically influenced actuator and the valve opening by the coolant temperature thermostat are neither cumulative

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noch subtraktiv. Vielmehr sind die zwei Effekte getrennt und unabhängig voneinander. So kann die Temperatur des Kühlmittels entsprechend der Motorlast eingestellt werden, weil das Ventil unverzüglich und durch ein geeignetes Signal von dem ECM auf Anforderung geöffnet werden kann.nor subtractive. Rather, the two effects are separate and independent of each other. Thus, the temperature of the coolant can be adjusted according to the engine load because the valve can be opened immediately on demand by an appropriate signal from the ECM.

Es wird nun erkennbar sein, daß das Ventil 56 veranlaßt werden kann, genügend zu öffnen, um Kühlmitteltemperaturen herbeizuführen, die niedriger sind als der Bereich der normalen Betriebstemperaturen, die durch einen herkömmlichen Thermostaten eingestellt werden. In Situationen, wo mehr Leistung gefordert wird, mag es wünschenswert sein, die Temperatur auf eine Leistungsabgabetemperatur zu senken. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß das Motorsteuerungs- oder -regelungsmodul die elektrische Heizeinrichtung in dem Betätiger in Betrieb nimmt. In diesem Fall kann das Ventil geöffnet werden, so daß die Temperatur erniedrigt und ein Leistungsschub abgegeben werden kann. Andererseits ist bekannt, daß sich mit einer höheren Sollwerttemperatur ein Motorbetrieb mit weniger Emissionen und besserem Kraftstoffverbrauch, aber mit reduzierter Leistung durchführen läßt. Dieser Kompromiß hat zu Betriebstemperaturen geführt, die niedriger sind als die, die ansonsten erstrebenswert wären, um die Emissionen zu verringern. Der erfindungsgemäße Betätiger erlaubt einen Motorbetrieb bei einer höheren Betriebstemperatur zu dem Zweck, die Emissionen zu reduzieren, weil eine Leistungseinbuße auf Anforderung kompensiert werden kann, wie im vorstehenden erläutert.It will now be appreciated that the valve 56 can be caused to open sufficiently to provide coolant temperatures lower than the range of normal operating temperatures set by a conventional thermostat. In situations where more power is required, it may be desirable to lower the temperature to a power output temperature. This can be easily accomplished by having the engine control module operate the electrical heater in the actuator. In this case, the valve can be opened so that the temperature can be lowered and a boost in power can be provided. On the other hand, it is known that a higher set point temperature can provide engine operation with lower emissions and better fuel economy, but with reduced power. This compromise has resulted in operating temperatures lower than those that would otherwise be desirable to reduce emissions. The actuator according to the invention allows engine operation at a higher operating temperature for the purpose of reducing emissions because a loss of power can be compensated on demand, as explained above.

Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß die vorstehende Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrifft, die lediglich beispielhaft sind. Verschiedene Modifikationen und Abwandlungen der Erfindung wurden im vorstehenden vorgeschlagen; weitere Modifikationen und Abwandlungen, die immer noch in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen, werden für den Fachmann erkennbar sein. So kann zum Beispiel, wenn auch die Differenz in der Auslösetemperatur zwischen den oberen und unteren Bereichen bevorzugtIt will be apparent to those skilled in the art that the foregoing description relates to preferred embodiments of the invention which are merely exemplary. Various modifications and variations of the invention have been suggested in the foregoing; further modifications and variations which still fall within the scope of the appended claims will be apparent to those skilled in the art. For example, although the difference in the trigger temperature between the upper and lower ranges is preferred,

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etwa 25° beträgt, ein beliebiger Bereich von Temperaturen verwendet werden, vorausgesetzt, daß der Betätiger bei einer höheren Temperatur als der Thermostat auslöst, so daß der Betätiger das Ventil nicht in ungewollter Weise öffnet. is approximately 25°, any range of temperatures may be used provided that the actuator trips at a higher temperature than the thermostat so that the actuator does not open the valve in an inadvertent manner.

Es wird eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Temperatur eines Motors durch Steuern oder Regeln des Stroms eines flüssigen Motorkühlmittels zu einem Kühler offenbart. Die Vorrichtung umfaßt einen Thermostaten mit einem auf Temperatur ansprechenden Ventil, um den Kühlmittelstrom zu dem Kühler im wesentlichen zu sperren oder freizugeben, um den Motor bei oder nahe bei einer bevorzugten Motorbetriebstemperatur zu halten. Ferner umfaßt ist ein thermisch aktivierter Betätiger zum Öffnen des Ventils in Abhängigkeit von einer Motorbedingung, wie Last oder Bedarf an Leistung. Der Betätiger wird bei einer anderen Temperatur aktiviert als der Thermostat. Es ist eine Quelle elektrothermischer Energie zum Anregen des Betätigers vorgesehen, so daß das Ventil auf Anforderung geöffnet werden kann. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Motors vorgesehen durch Öffnen des Ventils in Abhängigkeit von einem Überwachen des Motors.An apparatus is disclosed for controlling a temperature of an engine by controlling the flow of liquid engine coolant to a radiator. The apparatus includes a thermostat having a temperature responsive valve for substantially blocking or opening the flow of coolant to the radiator to maintain the engine at or near a preferred engine operating temperature. Also included is a thermally activated actuator for opening the valve in response to an engine condition such as load or power demand. The actuator is activated at a different temperature than the thermostat. A source of electrothermal energy is provided for energizing the actuator so that the valve can be opened on demand. According to one aspect of the invention, a method is provided for controlling the temperature of the engine by opening the valve in response to monitoring the engine.

Claims

1. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine by controlling or regulating a flow of a liquid engine coolant, the apparatus comprising:
a thermostat having a temperature responsive valve for substantially blocking and substantially opening the flow of liquid coolant to a radiator, the thermostat having a first activation temperature range;
a thermally activated actuator operatively connected to the valve, the actuator having a second activation temperature range above the first activation temperature range; and
a source of electrothermal energy for activating the actuator to cause the temperature responsive valve to release the flow of liquid coolant on demand.

2. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the thermally activated actuator comprises a thermally expandable material.

3. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 2, wherein the thermally expandable material is arranged in a housing which is immersed in the liquid coolant.

4. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the thermally activated actuator comprises a first extendable piston.

5. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 4, wherein the thermostat comprises a second extendible piston and the first extendible piston of the actuator acts on a body of the thermostat.

6. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the thermally activated actuator comprises a spring for returning the actuator to a rest position.

7. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 6, wherein the rest position is a retracted position.

8. The apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the first activation temperature range is the range of approximately 102°C to 112°C.

9. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the second activation temperature range is above an upper end of the first activation temperature range.

10. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 1, wherein the second activation temperature range begins at a temperature approximately 25° higher than an upper end of the first activation temperature range.

11. An apparatus for controlling a temperature of an engine as claimed in claim 1, wherein an engine control module includes one or more sensors for monitoring engine performance, and wherein the electronic control module determines a desired engine temperature based on one or more outputs from those sensors and operates the actuator to achieve the desired engine temperature.

12. Apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 11, wherein the engine control or regulating module comprises sensors to detect one or more of the quantities coolant temperature, acceleration, speed, torque and engine load.

13. A device for controlling or regulating a temperature of an engine, the device comprising:
a thermostat having a thermally controlled or regulated valve that opens to a first position in response to a coolant temperature, the first position corresponding to a first coolant flow rate sufficient to maintain an optimal engine temperature;
a thermally controlled or regulated actuator for opening the valve to a second position, the second position corresponding to a second coolant flow rate sufficient to allow the engine to cool to a power output temperature below the optimum temperature; and
a heating device connected to the actuator, the heating device being activated when additional power is required.

14. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 13, wherein the optimum temperature is between about 102°C and 112°C.

15. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 13, wherein the power output temperature is between about 70°C and about 80°C.

16. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 13, wherein the first coolant flow rate is between about 1 cubic meter per hour and 2 cubic meters per hour.

17. An apparatus for controlling or regulating a temperature of an engine according to claim 13, wherein the second coolant flow rate is approximately 10 cubic meters per hour.