2.6 Thermostate zur Kühlkreislaufregelung

In Kühlkreisläufen von Verbrennungsmotoren werden zur Kreislaufregelung überwiegend temperaturbeeinflusste Regelventile (Thermostate) mit Dehnstoffelementen verwendet. Sie halten die Kühlmitteltemperatur unabhängig von der Außentemperatur, der Belastung des Motors und der Fahrgeschwindigkeit in einem vorgesehenen Temperaturbereich und sorgen bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges für eine rasche Erwärmung des Verbrennungsmotors. Die Kühlmitteltemperaturregelung über Kurzschlussleitung ist zweckmäßiger als eine einfache Drosselung, weil beim Anfahren und bei Fahrten in der Ebene sowie auf Steigungs- und Gefällestrecken annähernd gleichbleibende Temperaturverhältnisse am Motor erzielt werden. Die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmitteleintritt und -austritt am Motor ist bei kurzschlussregelnden Thermostaten kleiner als bei Drosselthermostaten, womit auch die Werkstoffbeanspruchung der vom Kühlmittel berührten Teile des Motors abnimmt.

Bei größeren Kühlmittelströmen werden statt der Tellerthermostate (Bild links) Ringschieberthermostate (Bild rechts) eingesetzt, die einem wesentlich kleineren Durchflusswiderstand aufweisen.
Bei hohen Kühlmitteldurchsätzen wird häufig auch eine Parallelschaltung von zwei Thermostaten verwendet, um den relativ großen Strömungswiderstand der Thermostate zu verringern.
Die Thermostatanordnung im Kühlkreislauf – z.B. am Motoraustritt oder -eintritt bzw. an anderer Stelle – ist vom Gesamtkühlkreislaufaufbau abhängig und sollte so gewählt werden, dass bei allen Motorbetriebsbedingungen eine ausreichende Umspülung des Dehnstoffelementes mit Kühlmittel gewährleistet ist, um etwa bei Motorleerlauf und damit sehr kleinen Kühlmittelvolumenströmen ein korrektes Regelverhalten des Thermostaten sicherzustellen. Dazu kann z.B. der Heizungsvolumenstrom oder auch zusätzlich Volumenströme von Ausgleichbehälter-, Getriebeölkühler- und Ölwärmetauscherrückläufen über den Thermostatkörper geführt werden.

Vermehrt werden Thermostate mit beheizbarem Dehnstoffelement, auch Kennfeldthermostat genannt, verwendet. Dabei wird der Dehnstoff an ein um ca. 20 K höheres Temperaturniveau angepasst und die Dehnstoffheizung nach bestimmten motorischen Kriterien vom Motorsteuergerät angesteuert. Damit ist es möglich, im Teillastbereich zur Verringerung der Reibleistung eine höhere Kühlmitteltemperatur zuzulassen und im Volllastfall im Sinne eines besseren Zylinderfüllungsgrades die Kühlmitteltemperatur abzusenken. Dabei ist allerdings mit einer zeitlichen Verzögerung der Thermostatöffnung zu rechnen, da der Dehnstoff ja erst extern aufgeheizt werden muss und dann das Thermostat langsam öffnet.

Zur kühlmittelseitigen Regelung des Kühlkreislaufes können auch mittels Stellmotor oder Schrittmotor elektrisch verstellbare Regelventile verwendet werden. Sie haben den Vorteil einer zeitlich verzögerungsfreien Regelung des Kühlmittelvolumenstromes bei sehr genauer Positionierung des hydraulischen Stellgliedes. Außerdem werden sehr kleine Druckverluste erreicht. Nachteilig sind die vergleichsweise sehr hohen Kosten gegenüber den konventionellen Thermostaten mit Dehnstoffelement.

Im Gegensatz zu kurzschlussregelnden Thermostaten regeln Drosselthermostaten nur einen Volumenstromdurchgang. Sie haben also nur einen Thermostatteller (Eintellerthermostaten), der die Strömung temperaturabhängig öffnet oder schließt. Drosselthermostaten können zur Kühlkreislaufregelung verwendet werden, wenn sie lediglich den Kühlerzweig absperren bzw. zuschalten. Im Allgemeinen werden Drosselthermostaten jedoch nur für die Volumenstromregelung einzelner Kreislaufzweige wie z.B. den ATF-Zweig verwendet. Dabei ist darauf zu achten, dass immer ein Leckvolumenstrom über das Thermostat fließt, damit das Dehnstoffelement auch bei geschlossenem Teller auf Temperaturerhöhung reagieren kann.

Man unterscheidet  zwischen untensteuernder und obensteuernder Anordnung des Thermostaten im Kühkkreislauf. Obensteuernde Thermostaten sind nach dem Motorausgang und untensteuernde Thermostaten nach dem Kühlerausgang oft vor der Pumpensaugseite angeordnet. Bei obensteuernden Thermostaten wird also ein höheres Temperaturniveau des Kühlmittels zur Kreislaufregelung verwendet als bei untensteuernden.

Der Druckverlust eines Tellerthermostaten ist meist ein Hauptwiderstand im Kühlkreislauf. Je nach Thermostatausführung weisen die in Motoren verwendeten Thermostate große Unterschiede in ihren Druckverlusten auf. Die Abbildung unten zeigt vergleichend aus ausgeführten Kühlkreisläufen verschiedene Thermostatdruckverluste und zur Einordnung der Größe dieser Thermostatdruckverluste vergleichend einen üblichen Hauptwasserkühlerdruckverlust :

Der Druckverlustvergleich zeigt, dass der Thermostatdruckverlust mitunter wesentlich höher ist als der des Kühlers. Damit ergibt sich Optimierungspotential z.B. zur Verringerung der Pumpenantriebsleistung und zur Reduzierung der Bauteiledruckbelastung.

 

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