DE10023508B4

DE10023508B4 - Kühlanlage eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10023508B4
Application number: DE2000123508
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing.(FH) Winkler; Marcus Dipl.-Ing.(FH) Hafkemeyer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-05-13
Filing date: 2000-05-13
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2020-05-14
Also published as: DE10023508A1

Abstract

Kühlanlage eines flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlten Verbrennungsmotors, mit einer eine Antriebswelle (24) aufweisenden Kühlflüssigkeitspumpe (20), wobei mit der Antriebswelle (24) der Kühlflüssigkeitspumpe (20) eine E-Maschine (28) verbunden ist, welche zum Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe (20) geeignet ist, wobei zur Ankupplung der Antriebswelle (24) an den Abtrieb des Verbrennungsmotors eine Kupplung (32) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebswelle (24) der Kühlflüssigkeitspumpe (20) mit der E-Maschine (28) starr gekoppelt ist,
daß eine Steuerung (40) oder Regelung zur Steuerung der Drehzahl der E-Maschine (28) im Motorbetrieb und zur Einstellung des Schaltzustands der Kupplung (32) in Abhängigkeit von den Temperaturdaten des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage eines flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlten Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch1.
Aus der Praxis sind Kühlanlagen für wassergekühlte Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen eine Wasserpumpe für einen Zwangsumlauf der Kühlflüssigkeit sorgt. Solche Kühlanlagen werden daher auch als Zwangsumlaufkühlanlagen oder Pumpenumlaufkühlanlagen bezeichnet. Bei diesen Kühlanlagen wird die Wasserpumpe über einen Keil- oder Zahnriemenantrieb von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Die Steuerung der Kühlwassertemperatur erfolgt über ein Thermostatventil, welches in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur das von dem Verbrennungsmotor zurückfließende erwärmte Kühlwasser entweder durch einen Kühler leitet oder wieder direkt in Flüssigkeitskammern des Verbrennungsmotors. Auch eine Aufteilung des Volumenstromes ist mit dem Thermostatventil möglich.
Bei den bekannten Kühlanlagen besteht das Problem, dass eine präzise Einstellung der Kühlflüssigkeitstemperatur nicht möglich ist und dass die Kühlflüssigkeitspumpe groß dimensioniert sein muss, um unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle eine hohe Förderleistung zur Verfügung stellen zu können.
Ein weiteres Problem bei bekannten Kühlanlagen ist ihre mangelnde Eignung bei stehendem Verbrennungsmotor zur Eignung zur Fahrzeugklimatisierung.
Neben Kühlanlagen für Verbrennungsmotoren sind aus der Praxis auch Klimaanlagen bekannt, bei welchen über die Kühlanlage Abwärme des Verbrennungsmotors zu Heizzwecken verwendet wird. Dies gilt insbesondere für Kraftfahrzeugklimaanlagen.

Eine Kraftfahrzeugklimaanlage, bei der bereits eine elektrische Wasserpumpe für einen wassergekühlten Verbrennungsmotor vorgesehen ist, ist aus DE l97 38 250 A1 bekannt.

Darüber hinaus offenbart DE 197 48 423 A1 verschiedene Schaltungsanordnungen eines Verbrennungsmotors und seiner Nebenaggregate.

Die US 1 167 509 beschreibt eine Kühlanlage eines flüsigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors, bei der eine Kühlmittelpumpe wahlweise über den Verbrennungsmotor oder einen Hilfsantrieb angetrieben werden kann. Bei dieser Kühlanlage sind zwei mechanisch miteinander gekoppelte, mechanisch betätigbare Kupplungen vorgesehen, die es einem Benutzer ermöglichen, die Zirkulation des Kühlwassers unabhängig von dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine einzustellen.

JP 60-119318 A und US 5 415 134 A beschreiben Kühlanlagen, bei denen jeweils zwei Überholkupplungen vorgesehen sind, mit denen erreicht werden soll, daß die Kühlmittelpumpe eine Mindestdrehzahl einhält. Dazu ist in US 5 415 134 A angegeben, daß die Kühlmittelpumpe einen elektrischen Antrieb aufweisen soll, der über eine Steuerung angesprochen wird, wenn bei Stillstand der Verbrennungskraftmaschine oder bei geringer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine eine Kühlflüssigkeitstemperatur vorliegen sollte, die eine höhere Drehzahl der Kühlmittelpumpe erfordert.

DE 44 02 233 A1 , DE 26 56 361 A1 , DE 38 10 174 C2 und US 6 032 618 A beschreiben ausschließlich elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen, wobei DE 44 02 233 A1 insbesondere einen getakteten Antrieb beschreibt, DE 26 56 361 A1 insbesondere eine Thermostatsteuerung für den elektrischen Antrieb der Kühlmittelpumpe, DE 38 10 174 C2 insbesondere eine Sperreinrichtung, mit der in bestimmten Betriebszuständen auf die Solltemperatur des Kühlmittels Einfluß genommen werden soll, und US 6 032 618 A diverse Sensoren und Sensoranordnungen, mit denen unter anderem auf die Drehzahl des Elektromotors der Kühlmittelpumpe und ggf. ein Regelventil am Kühler Einfluß genommen werden soll.

DE 197 38 250 A1 schließlich beschreibt eine Kraftfahrzeugklimaanlage. Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser Schrift eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe angesprochen ist und daß für die Kraftfahrzeugklimaanlage es von zentraler Bedeutung ist, daß die Kompressoreinheit so ausgeführte ist, daß deren Kältemittelfördermenge bei gegebener Drehzahl abregelbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Kühlanlage eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors mit einer Kühlflüssigkeitspumpe vorgesehen, dass zur Ankupplung der Antriebswelle an den Antrieb des Verbrennungsmotors eine Kupplung vorgesehen ist, wobei auf der Antriebswelle der Kühlflüssigkeitspumpe mit dieser starr gekoppelt eine E-Maschine angeordnet ist, welche zum Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe geeignet ist. Dadurch ist es möglich, den Flüssigkeitsumlauf präzise vorzugeben und eine sehr genaue Einstellung der Flüssigkeitstemperatur und damit der Motortemperatur zu erreichen. Die Anordnung hat ferner den Vorteil, dass die Kühlflüssigkeitspumpe relativ klein dimensioniert werden kann, da die Kühlleistung über die Drehzahl der E-Maschine steuerbar ist und somit nicht schon bei kleinen Drehzahlen, wie beispielsweise bei langsamer Bergauffahrt eines Kfz schon hohe Förderleistungen der Kühlflüssigkeitspumpe zur Verfügung stehen müssen. Zur Steuerung der Drehzahl der E-Maschine im Motorbetrieb zum Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe ist eine Steuerung oder Regelung vorgesehen, mit der auch der Schaltzustand der Kupplung in Abhängigkeit von Temperaturdaten des Verbrennungsmotors eingestellt wird.

Vorzugsweise ist die E-Maschine als Motor/Generatormaschine ausgebildet, so dass bei eingekuppelter Kupplung die E-Maschine im Generatorbetrieb laufen kann und zur Stromerzeugung zur Verfügung steht.

Wenn die Steuerung oder Regelung einen Temperaturfühler aufweist, ist eine sehr genaue Temperatureinstellung der Kühlflüssigkeit möglich. Insbesondere ist es auch möglich, die Kühlflüssigkeitspumpe durch Ausschalten der Kupplung und Ausschalten der E-Maschine gänzlich auszuschalten, wodurch der Verbrennungsmotor in kürzester Zeit in einen umweltschonenden Betriebszustand warm gefahren werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuerung der Kühlanlage einen Betriebszustandserfassungsmodul auf, welches den Belastungszustand des Verbrennungsmotors erfasst und die E-Maschine nur dann in einen Generatorbetrieb schaltet, wenn die Leistungsreserven des Verbrennungsmotors nicht ausgeschöpft sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Verbrennungsmotor zunächst zur Erfüllung seiner Hauptaufgaben herangezogen werden kann. Wenn die Kühlanlage in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist, ist es vorteilhaft, wenn das Betriebszustandserfassungsmodul neben dem Belastungszustand des Verbrennungsmotors die Fahrsituation des Kfz und insbesondere eine Beschleunigungssituation erfasst. Dazu kann beispielsweise die Stellung des Gaspedals herangezogen werden.

Wenn die Kühlanlage in einem Kfz Verwendung findet und einen Wärmetauscher zur Erwärmung der durch ein Lüftungssystem des Kfz geführten Luft aufweist, ist es möglich, bei abgestelltem Verbrennungsmotor und im Motorbetrieb laufender E-Maschine die Restwärme des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes zu verwenden. Wenn die Kühlanlage darüber hinaus über ein elektrisch betriebenes Motorvorwärmsystem verfügt, kann dieses zugeschaltet und zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.

In der beigefügten Figur ist eine erfindungsgemäße Kühlanlage für einen Vierzylinder-Pkw-Verbrennungsmotor gezeigt.
Die in der Figur gezeigte Kühlanlage 10 weist einen Kühler 12 auf, welcher über eine erste Kühlwasserleitung 14 mit einem Motorblock 16 und über eine zweite Kühlwasserleitung 18 mit einer Kühlflüssigkeitspumpe 20 verbunden ist. Die Kühlflüssigkeitspumpe 20 ihrerseits ist über eine dritte Kühlwasserleitung 22 mit dem Motorblock 16 verbunden.
Die Kühlflüssigkeitspumpe 20 weist eine Antriebswelle 24 auf, welche starr mit einer Welle 26 einer E-Maschine 28 gekoppelt ist. Die Welle 26 ihrerseits ist starr mit der Abtriebsseite 30 einer Kupplung 32 gekoppelt, wobei die Antriebsseite 34 der Kupplung 32 über einen Riemenantrieb 36 mit der Kurbelwelle 38 des Verbrennungsmotors gekoppelt ist.
Zur Beeinflussung des Schaltzustandes der Kupplung 32 und zur Beeinflussung der Drehzahl der E-Maschine 28 im Motorbetrieb ist eine Steuerung 40 vorgesehen, welche über einen Temperaturfühler 42 die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors erfasst.
Wenn die gezeigte Kühlanlage 10 mit einem Verbrennungsmotor mit einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, wird bei einem Motorstart zunächst die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors erfasst. Ist der Verbrennungsmotor kalt, wird die Kupplung 32 geöffnet und die E-Maschine 28 stromlos gehalten. Dadurch bleibt die Kühlflüssigkeitspumpe 20 antriebslos und das in dem Kühlkreislauf befind liche Kühlwasser zirkuliert allenfalls aufgrund einer sich allmählich einstellenden unterschiedlichen Dichte des Wassers im Motorblock 16 und außerhalb desselben. In diesem Betriebszustand der Kupplung 32 und der E-Maschine 28 läuft der Verbrennungsmotor schnell warm.
Hat der Verbrennungsmotor eine minimale Betriebstemperatur erreicht, wird je nach Fahrsituation entweder die Kupplung 32 geschlossen oder die E-Maschine 28 eingeschaltet. Bei hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors und hoher benötigter Kühlleistung wird die Kupplung 32 geschlossen. Bei hohem Kühlflüssigkeitsbedarf und niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors wird die Kupplung 32 geöffnet und ein Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe 20 erfolgt aufgrund eines Motorbetriebes der E-Maschine 28. Bei einer mittleren Drehzahl und einem mittleren Kühlwasserbedarf wird die E-Maschine 28 in einen Generatorbetrieb geschaltet und speist in diesem Zustand die Fahrzeugbatterie.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich im Gegensatz zum Stand der Technik wahlweise folgende Betriebszustände im Rahmen eines Verfahrens zum Betrieb eines Motors mit Kühlanlage realisieren:

a) der Motor kann ohne Nebenaggregate laufen, wobei die Kupplung 32 offen und die E-Maschine 28 stromlos ist;
b) der Motor kann mit Nebenaggregaten laufen, wobei die Kupplung 32 geschlossen und die E-Maschine 28 stromlos ist;
c) der Motor kann mit Nebenaggregaten laufen, wobei die Kupplung 32 geschlossen ist und die E-Maschine 28 als Generator läuft;
d) Standklimatisierung oder -kühlung, wobei die Kupplung 32 offen ist und die E-Maschine 28 als Motor läuft.

Claims

Kühlanlage eines flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlten Verbrennungsmotors, mit einer eine Antriebswelle (24) aufweisenden Kühlflüssigkeitspumpe (20), wobei mit der Antriebswelle (24) der Kühlflüssigkeitspumpe (20) eine E-Maschine (28) verbunden ist, welche zum Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe (20) geeignet ist, wobei zur Ankupplung der Antriebswelle (24) an den Abtrieb des Verbrennungsmotors eine Kupplung (32) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (24) der Kühlflüssigkeitspumpe (20) mit der E-Maschine (28) starr gekoppelt ist, daß eine Steuerung (40) oder Regelung zur Steuerung der Drehzahl der E-Maschine (28) im Motorbetrieb und zur Einstellung des Schaltzustands der Kupplung (32) in Abhängigkeit von den Temperaturdaten des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die E-Maschine (28) als Motor/Generatormaschine ausgebildet ist.
Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (40) oder Regelung einen Temperaturfühler (42) aufweist, welcher Temperaturdaten des Verbrennungsmotors ermittelt, die zur Drehzahleinstellung der Kühlflüssigkeitspumpe (20) herangezogen werden.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (40) ein Betriebszustandserfassungsmodul aufweist, welches den Belastungszustand des Verbrennungsmotors erfaßt und die E-Maschine (28) in einen Generatorbetrieb schaltet, sofern die Leistungsreserven des Verbrennungsmotors nicht ausgeschöpft sind.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Kfz-Kühlanlage.
Kühlanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebszustandserfassungsmodul neben dem Belastungszustand des Verbrennungsmotors die Fahrsituation des Kfz und insbesondere eine Beschleunigungssituation erfaßt.
Kühlanlage nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher zur Erwärmung der durch ein Luftsystem des Kfz geführten Luft.