DE10003102A1

DE10003102A1 - Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10003102A1
Application number: DE10003102A
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Suzuki; Eizou Takahashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2001-07-26
Also published as: US6390031B1; JP3552543B2; US6314920B1; JP2000045774A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor. Der Austragdurchsatz einer elektrischen Pumpe (500) der Kühlvorrichtung ist derart gesteuert, daß eine Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelauslaß eines Motors (100) und der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleinlaß des Motors (100) auf einem vorbestimmten Wert DELTAT gehalten ist. Der Austragdurchsatz nimmt damit ab, wenn die Motorlast abnimmt. Die Motortätigkeit ist damit verringert, und die Temperaturverteilung des Motors ist eingeschränkt bzw. reduziert. Die Motorlebensdauer ist damit verbessert, während die Wärmeüberlastung des Motors (100) verhindert werden kann, und der Kraftstoffverbrauch ist reduziert bzw. die Verbrauchswirtschaftlichkeit ist verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor, und insbeson dere ist die Erfindung anwendbar auf einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs.

Wie in der JP-A-8-128559 offenbart, ist es bekannt, die Kühl wassertemperatur unter geringer Motorlast höher zu halten als unter hoher Motorlast, um den Kraftstoffverbrauch eines Flüs sigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors (auf den nachfolgend als "Motor" bezug genommen wird) zu verbessern.

Da eine Umwälzpumpe zum Umwälzen des Kühlwassers üblicherweise durch den Motor angetrieben ist, variiert der Umwälzdurchsatz des Kühlwassers, welches durch den Motor zirkuliert, propor tional zu der Motordrehzahl, wie in Fig. 9 gezeigt.

Andererseits nimmt die Kühlwassertemperatur entsprechend der Abnahme des Umwälzdurchsatzes zu. Der Umwälzdurchsatz kann deshalb verringert werden, indem die Pumpendrehzahl verringert wird, wenn die Motorlast gering ist, weil die Kühlwassertempe ratur erhöht werden kann, wenn die Motorlast gering ist.

Bei der durch den Motor angetriebenen Pumpe kann die Pumpen tätigkeit gering gemacht werden, indem der Umwälzdurchsatz verringert wird, wenn die Motorlast gering ist. Da der Umwälz durchsatz entsprechender Motorlasten nicht variabel ist, nimmt unnötige Pumpentätigkeit zu.

Die vorliegende Erfindung ist angesichts des vorstehend genannten Problems gemacht worden. Eine Aufgabe der vorliegen den Erfindung besteht demnach darin, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, bei welcher unnötige Pumpentätigkeit verringert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung umfaßt diese einen Kühler zum Abkühlen eines Kühlmittels, wel ches zwischen einem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler zirkuliert. Außerdem umfaßt die Kühlvorrichtung eine Pumpe, die unabhängig von dem Flüssigkeit-gekühlten Ver brennungsmotor angetrieben ist, um das Kühlmittel zwischen dem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler derart umzuwälzen, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmit teltemperatur eines Kühlmittels am Auslaß des Flüssigkeit- gekühlten Verbrennungsmotors und der Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlaß des Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Damit nimmt der Umwälzdurchsatz ab, wenn die Last des Flüssig keit-gekühlten Verbrennungsmotors abnimmt. Unnötige Pumpen tätigkeit ist dadurch verringert.

Da das Kühlmittel derart zirkuliert bzw. umgewälzt wird, daß eine Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelauslaß des Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors und der Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlaß des Flüssig keit-gekühlten Verbrennungsmotors auf einem Vorbestimmten Wert gehalten ist, wird die Temperaturverteilung des Flüssigkeit- gekühlten Verbrennungsmotors verringert bzw. reduziert. Da die thermische Überlastung des Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungs motors demnach verhindert wird, ergibt sich eine verbesserte Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs und die Motor lebensdauer ist verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen bei spielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A eine perspektivische Ansicht der Integration des Durch satzströmungsventils und der Pumpe in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2B eine Draufsicht der Integration des Durchsatzsteuerven tils und der Pumpe in Übereinstimmung mit der Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A eine teilweise geschnittene Ansicht entlang der Linie IIIA-IIIA in Fig. 2A in Übereinstimmung mit der Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3B einen Teil einer Schnittansicht entlang der Linie IIIB- IIIB in Fig. 3A in Übereinstimmung mit der Ausführungs form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Arbeitsablaufs der Kühlvorrichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Durchsatzkoeffizienten und der Motordrehzahl in Über einstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine Steuertabelle der Einzelheiten von Fig. 5 in Über einstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der Kühl verlustwärmemenge und der Motordrehzahl in Übereinstim mung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 8 eine Tabelle verschiedener Eigenschaften, wie etwa des Umwälzdurchsatzes einer elektrischen Pumpe und einer mechanischen Pumpe in Übereinstimmung mit der Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Umwälzdurchsatz und der Motordrehzahl in Übereinstim mung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung.

Die Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbren nungsmotor in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung ist auf einen Wasser gekühlten Motor eines Fahrzeugs angewendet.

In Fig. 1 kühlt ein Kühler 200 Kühlwasser (Kühlmittel), wel ches in dem Wassergekühlten Motor 100 zirkuliert bzw. umgewälzt wird. Das Kühlwasser zirkuliert durch den Kühler 200 über einen Kühlerdurchlaß 210.

Ein Teil des Kühlwassers, welches aus dem Motor 100 ausströmt, kann zu einer Auslaßseite des Kühlers 200 an dem Kühlerdurch laß 210 eingeleitet werden, und zwar unter Umgehung des Küh lers 200 über einen Umgehungsdurchlaß 300. Ein Durchsatzsteu erventil 400 vom Dreh-Typ ist an einer Verbindung 220 zwischen dem Umgehungsdurchlaß 300 und dem Kühlerdurchlaß 210 vorge sehen, um den Durchsatz des Kühlwassers zu steuern, welches den Kühlerdurchlaß 210 durchsetzt (auf den nachfolgend als "Kühlerdurchsatz Vr" bezug genommen ist) und den Durchsatz des Kühlwassers, der durch den Umgehungsdurchlaß 300 hindurchtritt (auf den nachfolgend als "Umgehungsdurchsatz Vb" bezug genom men ist).

Eine elektrische Pumpe 500 zum Umwälzen des Kühlwassers, die unabhängig von dem Motor 100 betätigt bzw. betrieben ist, ist auf der stromabwärtigen Seite des Durchsatzsteuerventils 400 in bezug auf die Wasserströmungsrichtung angeordnet.

Wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, sind das Durchsatzsteuerventil 400 und die Pumpe 500 miteinander über ein Pumpengehäuse 510 und ein Ventilgehäuse 410 integriert. Das Ventilgehäuse 410 und das Pumpengehäuse 510 sind aus Harz bzw. Kunstharz herge stellt.

Wie in Fig. 2A bis 3B gezeigt, ist ein zylindrisches Drehven til 420 mit einer Öffnung an einem Ende (in Becherform) dreh bar in dem Ventilgehäuse 410 untergebracht. Das Ventil 420 wird um seine Drehwelle durch ein Betätigungsorgan 410, wie etwa einem Servomotor 432, und einen Drehzahluntersetzungsmechanismus in Drehung versetzt, der mehrere Zahnräder 431 umfaßt.

Wie in Fig. 3A gezeigt, sind eine erste Ventilöffnung 421 und eine zweite Ventilöffnung 422 mit identischen Durchmessern zur Verbindung der Innenseite mit der Außenseite einer zylindri schen Seitenfläche 420a auf der zylindrischen Seitenfläche 420a des Ventils 420 gebildet. Die Ventilöffnung 421 weicht von der Ventilöffnung 422 um etwa 90° ab bzw. ist um 90° zu dieser versetzt angeordnet.

Eine Kühleröffnung (Kühlereinlaß) 411, die mit dem Kühler durchlaß 410 in Verbindung steht, und eine Umgehungsöffnung (Umgehungseinlaß) 412, die mit dem Umgehungsdurchlaß 300 damit in Verbindung steht, sind auf einem Teil des Ventilgehäuses 410 gebildet, der der zylindrischen Seitenfläche 420a ent spricht. Eine Pumpenöffnung (Auslaß) 413 zum Verbinden der Saugseite der Pumpe 500 mit einem zylindrischen Innenabschnitt 420b des Ventils 420 ist auf einem Teil des Ventilgehäuses 410 gebildet, der einem axialen Ende der Drehwelle des Ventils 420 entspricht.

Eine Dichtung 440 dichtet einen Spalt zwischen der zylindri schen Seitenfläche 420a und der Innenwand des Ventilgehäuses 410 ab, um zu verhindern, daß Kühlwasser, welches in das Ven tilgehäuse 410 über die Kühleröffnung 411 und die Umgehungs öffnung 412 geströmt ist, den zylindrischen Innenabschnitt 420b des Ventils 420 umgeht und zu der Pumpenöffnung 413 strömt.

Wie in Fig. 2A gezeigt, ist ein Potentiometer 424 auf einer Drehwelle 423 des Ventils 420 vorgesehen, um einen Drehwinkel des Ventils 420 zu ermitteln, d. h. einen Ventilöffnungsgrad des Durchsatzsteuerventils 400. Ermittelte Signale am Poten tiometer 424 werden in die nachfolgend erläuterte ECU 600 ein gegeben.

Die ECU bzw. die elektronische Steuereinheit 600 steuert das Durchsatzsteuerventil 400 und die Pumpe 500. Ermittlungs signale von einem Drucksensor 610, ersten, zweiten und dritten Wassertemperatursensoren 621, 622 und 623 und einem Drehsensor 624 werden in die ECU 600 eingegeben. Der Drucksensor 610 ermittelt den Verteilerunterdruck des Motors 100. Die ersten bis dritten Wassertemperatursensoren 621 bis 623 ermitteln die Kühlwassertemperatur. Der Drehsensor 624 ermittelt die Dreh zahl des Motors 100. Die ECU 600 steuert das Durchsatzsteuer ventil 400, die Pumpe 500 und das Gebläse 230, basierend auf diesen ermittelten Signalen.

Die Betriebsabläufe der Pumpe 500 werden nunmehr aufgrund des in Fig. 4 gezeigten Flußdiagramms erläutert.

Wenn der Motor 100 nach Drehen eines (nicht gezeigten) Zünd schalters des Fahrzeugs gestartet wird, werden die Ermitt lungssignale des Drucksensors S100 und des Drehsensors 624 durch die ECU 600 im Schritt 600 eingelesen.

Im Schritt S110 wird ein Durchsatzkoeffizient α aus einer in Fig. 5 gezeigten Tabelle auf Grundlage der ermittelten Motor drehzahl und des Verteilerdrucks ermittelt. Es wird bemerkt, daß der Ermittlungswert des Drucksensors 610 der Motorlast entspricht. Die in Fig. 5 gezeigte Tabelle wird erstellt durch Gewinnen verschiedener Motordrehzahlen und Motorlasten aus Tests, so daß die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlwassertemperatur auf der Kühlwasserauslaßseite des Motors 100 (Aus laßwassertemperatur) und der Kühlwassertemperatur auf der Kühlwassereinlaßseite des Motors 100 (Einlaßwassertemperatur) auf einer vorbestimmten Temperaturdifferenz ΔT liegt, wie in Fig. 6 gezeigt. Der in Fig. 6 gezeigte Durchsatz fällt zusam men mit bzw. entspricht dem später erläuterten Ziel- bzw. Solldurchsatz V_WP.

Im Schritt S120 wird der Zielaustragdurchsatz V_WP (Umwälzdurch satz des im Motor 100 zirkulierenden Kühlwassers) der Pumpe 500 auf Grundlage der folgenden Gleichung 1 ermittelt.

V_WP = a . Ne . α [Gleichung 1]

wobei "a" ein Koeffizient und Ne die Motordrehzahl (UpM) ist.

Im Schritt S130 wird die angelegte Spannung E_WP der Pumpe 500 zur Erzielung des Zielaustragdurchsatzes V_WP auf Grundlage der folgenden Gleichung 2 ermittelt.

E_WP = b₁ . (V_WP)ⁿ + b₂ . (V_WP)^n-1 + . . . . . + b_n . (V_WP) + c [Gleichung 2]

wobei b₁, b₂, . . ., b_n und c Koeffizienten sind.

Im Schritt S140 wird die angelegte Spannung E_WP, die im Schritt S130 ermittelt wird, an die Pumpe 500 angelegt und es erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S100.

Es wird bemerkt, daß die Ermittlungswerte der ersten bis drit ten Wassertemperaturensensoren 621 bis 623 ermittelt werden, um den Öffnungsgrad des Steuerventils 400 zu steuern, und daß sie nicht direkt verwendet werden, um die Pumpe 500 gemäß die ser Ausführungsform zu steuern.

In Fig. 5 und 7 bezeichnen schwarze Kreise die volle Last und weiße Kreise bezeichnen drei Viertel der vollen Last, schwarze Dreiecke bezeichnen die Hälfte der vollen Last, weiße Dreiecke bezeichnen ein Viertel der vollen Last und schwarze Rechtecke bezeichnen keine Last.

In Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung nimmt erzeugte Wärmemenge des Motors 100 zusammen mit einer Zunahme des Kraftstoffs, der dem Motor 100 zugeführt wird, zu, wenn die Motorlast steigt. Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Motors 100, d. h. der Temperatur des Zylinders bzw. des Zylinderkopfs oder dergleichen, und der Kühlwassertemperatur nimmt damit zu, und die Wärmemenge (Kühlverlustwärmemenge), die auf das Kühlwasser vom Motor 100 übertragen wird, nimmt zu, wie in Fig. 7 gezeigt, und eine Überhitzung des Motors 100 wird verhindert werden.

Wenn die Motordrehzahl konstant ist, nimmt die Kühlverlustwär memenge ebenfalls zu, wie in Fig. 7 und 8 gezeigt, wenn die Motorlast steigt. In Übereinstimmung mit der Ausführungsform wird jedoch die Temperaturdifferenz zwischen der Auslaßwasser temperatur und der Einlaßwassertemperatur ungefähr konstant gehalten, und zwar ungeachtet der Motorlast, wie in Fig. 8 gezeigt. In Übereinstimmung mit einer herkömmlichen Kühlvor richtung, deren mechanische Pumpe durch einen Motor angetrieben ist, nimmt jedoch der Umwälzdurchsatz pro bestimmter Kühl verlustwärmemenge zu, wenn die Motorlast abnimmt, weil der Austragdurchsatz (Umwälzdurchsatz) sich nicht mit der Motor last ändert.

Da der Druckverlust (Austragdruck der Pumpe) des Wasserumwälz systems etwa proportional zu dem ins Quadrat gesetzten Durch satz zunimmt, ist die Pumpentätigkeit der herkömmlichen Kühl vorrichtung, welche die mechanische Pumpe aufweist, größer als diejenige gemäß der vorliegenden Erfindung. In Übereinstimmung mit der Kühlvorrichtung der bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpentätigkeit deshalb verringert und die Kühlwassertem peratur wird in Übereinstimmung mit der Motorlast in geeigne ter Weise gesteuert. Da die Temperaturverteilung des Motors 100 reduziert bzw. verringert ist, wird die thermische Belastung bzw. Überlastung des Motors 100 verhindert und die Motorlebensdauer ist verbessert, während der Kraftstoffver brauch verringert bzw. dessen Wirtschaftlichkeit verbessert ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine bevor zugte Ausführungsform unter bezug auf die anliegenden Zeich nungen erläutert wurde, erschließen sich dem Fachmann zahlrei che Abwandlungen und Modifikationen dieser Ausführungsform, die sämtliche im Umfang der anliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbren nungsmotor (100) unter Verwendung eines Kühlmittels, auf weisend:
Einen Kühler (200) zum Kühlen des Kühlmittels, welches zwischen dem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler zirkuliert, und
eine Pumpe (500), die von dem Flüssigkeit-gekühlten Ver brennungsmotor unabhängig angetrieben ist, um das Kühlmit tel zwischen dem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler derart umzuwälzen, daß eine Temperaturdif ferenz zwischen der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmit telauslaß des flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors und der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleinlaß des Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors auf einem vorbe stimmten Wert ΔT gehalten ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Wert auf Grundlage der Motordrehzahl des Flüssigkeit- gekühlten Verbrennungsmotors festgelegt ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpe elektrisch angetrieben ist.

4. Kühlvorrichtung für einen Flüssigkeit-gekühlten Verbren nungsmotor (100) unter Verwendung eines Kühlmittels, auf weisend:
Einen Kühler (200) zum Kühlen des Kühlmittels, welches zwischen dem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler umgewälzt wird, und
eine Pumpe (500), die von dem Flüssigkeit-gekühlten Ver brennungsmotor unabhängig angetrieben ist, um das Kühlmit tel zwischen dem Flüssigkeit-gekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler derart umzuwälzen, daß die Pumpe so gesteu ert ist, daß sie eine Zielaustragmenge V_WP beibehält, die ermittelt ist auf Grundlage der Motordrehzahl des Flüssig keit-gekühlten Verbrennungsmotors und einer Last des Flüs sigkeit-gekühlten Verbrennungsmotors.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Pumpe elek trisch angetrieben ist.