DE10047081A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, deren Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf von Kühlmittel druchströmt werden, das von einer Kühlmittelpumpe gefördert und nach dem Druchströmen dieser beiden Baugruppen einer Verteilereinrichtung zugeführt wird, wobei in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur unterschiedliche Strömungspfade zwischen dieser Verteilereinrichtung und der Kühlmittelpumpe verfügbar sind. Es wird die Aufgabe gelöst, eine Reduzierung der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine und der Aufheizdauer der Fahrzeugkabine zu erzielen. Dies wird möglich, indem in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch das Zylinderkurbelgehäuse lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendig ist, während durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils und - falls nötig - für den Heizungswärmetauscher notwendig ist. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer
Brennkraftmaschine, deren Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf von Kühlmittel
durchströmt werden, das von einer Kühlmittelpumpe gefördert und nach dem
Durchströmen von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf einer Verteilereinrichtung
zugeführt wird, die zumindest ein Thermostatventil aufweist und mit einem
Ausgleichsbehälter, einem Kühler, einem Heizungswärmetauscher und der
Kühlmittelpumpe in Wirkverbindung steht, wobei in Abhängigkeit der
Kühlmitteltemperatur unterschiedliche Strömungspfade zwischen Verteilereinrichtung
und Kühlmittelpumpe verfügbar sind.
Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch
begründete Forderungen zu beachten, wobei insbesondere eine Verminderung von
Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission angestrebt wird. Eine wesentliche
Komponente ist hierbei die Kühlung der Brennkraftmaschine. So bewirken z. B.
überdimensionierte Kühlmittelkanäle mit großen Kühlmittelmengen eine Erhöhung der
Masse und eine lange Warmlaufphase. Deshalb müssen für die konstruktive
Ausgestaltung des Kühlsystems zahlreiche Parameter beachtet werden, um eine
funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Aus DE 44 07 984 A1 ist ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte
Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf
von Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe
gefördert wird. Hierbei ist im Zylinderkurbelgehäuse ein erstes (unteres) Kanalsystem
vorgesehen, über dem ein zweites (mittleres) Kanalsystem ausgestaltet ist. Das mittlere
Kanalsystem ist über mehrere Durchlässe mit einem dritten (oberen) Kanalsystem
verbunden, das im Zylinderkopf ausgestaltet ist. Das obere Kanalsystem ist über eine
weitere Leitung ebenfalls mit dem unteren Kanalsystem verbunden. In dieser Leitung ist
ein erstes Thermostatventil angeordnet, das die Leitung solange verschließt, bis das
Kühlmittel im unteren Kanalsystem eine Temperatur erreicht hat, die nahe der optimalen
Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine liegt. Vom oberen Kanalsystem führt ein
weiterer Kanal zu einem zweiten Thermostatventil. Nachdem das Kühlmittel das
Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf durchströmt hat, wird es nach dem zweiten
Thermostatventil über alternative Strömungspfade erneut der Kühlmittelpumpe zugeführt.
Mit diesem Kühlsystem ist grundsätzlich eine Verbesserung der Motorparameter möglich.
Allerdings ist hierfür ein erheblicher Aufwand notwendig. Weiterhin ist nachteilig, dass
der im Kühlmittelkreislauf angeordnete Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung auch
bei noch ungenügender Betriebstemperatur vom Kühlmittel beaufschlagt wird. Zu diesem
Zeitpunkt ist noch keine Heizleistung verfügbar, so dass auch keine - zumindest bei
kalten Außentemperaturen angestrebte - schnellere Aufheizung der Fahrzeugkabine
erreicht wird.
Die DE 44 32 292 A1 beschreibt das Kühl- bzw. Heizsystem einer Brennkraftmaschine
mit getrennten Kühlkreisen für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf. Das
Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe zunächst zum Zylinderkurbelgehäuse und zum
Zylinderkopf gefördert. Nach dem Durchströmen dieser Baugruppen wird das Kühlmittel
über jeweils einen Kanal der Eingangsseite einer sog. "Verteilereinrichtung" zugeführt.
Die Verteilereinrichtung weist mindestens ein Thermostatventil auf und steht über ihre
Ausgangsseite mit einem Kühler, einem Ausgleichsbehälter, einem Wärmetauscher für
die Fahrzeugheizung und der Kühlmittelpumpe in Wirkverbindung. Das Kühlmittel kann
somit in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebstemperaturen unterschiedlichen
Strömungspfaden zugeführt werden. Sofern das Kühlmittel bereits die geforderte
Betriebstemperatur aufweist, wird es zunächst zum Kühler geführt, bevor es erneut zur
Kühlmittelpumpe strömen kann. Gleichzeitig strömt zumindest ein Teilstrom durch den
Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung. Ist hingegen die Betriebstemperatur noch nicht
erreicht, wird der Leitungsweg zum Kühler gesperrt und das Kühlmittel fließt über eine
Kurzschlußleitung unter Umgehung des Kühlers direkt zur Kühlmittelpumpe. In diesem
Betriebszustand ist auch die Verbindung zum Heizungswärmetauscher gesperrt. Somit
ergeben sich funktionelle Vorteile gegenüber der oben beschriebenen DE 44 07 984 A1.
Nachteilig ist allerdings, dass in allen Betriebszuständen relativ hohe Kühlmittelvolumina
umlaufen. Demzufolge wird das Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur der
Brennkraftmaschine in der Warmlaufphase verzögert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem zu schaffen, das eine Reduzierung der
Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine und der Aufheizdauer der Fahrzeugkabine bewirkt.
Dies soll mit einem neuartigen Verfahrensablauf in der Warmlaufphase erreicht werden,
wobei gleichzeitig eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens geschaffen
werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch
das Zylinderkurbelgehäuse lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum
Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendig ist,
während durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die
zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils und - falls
nötig - für den Heizungswärmetauscher notwendig ist. Hierfür wird eine Vorrichtung
vorgeschlagen, bei welcher der Kühlmittelkanal vom Zylinderkopf in zwei Kanäle
aufgezweigt wird, von denen der eine Kanal zum Kühler und der andere Kanal zum
Heizungswärmetauscher führt, wobei in den Kanal zum Kühler der Kühlmittelkanal vom
Zylinderkurbelgehäuse mündet, dem ein erstes Thermostatventil zugeordnet ist und
wobei vom Kanal zum Heizungswärmetauscher ein weiterer Kanal abzweigt, der mit
einer Rücklaufleitung vom Kühler verbunden ist, wobei die Rücklaufleitung in
Strömungsrichtung nach der Mündung dieses Kanals ein zweites Thermostatventil
aufweist und im weiteren Verlauf in zwei Kanäle zum Ausgleichsbehälter und zur
Kühlmittelpumpe aufgezweigt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Ansprüche 3 bis 10.
Durch Anwendung dieser technischen Lösung werden die Kühlmittelströme im
Zylinderkurbelgehäuse und im Zylinderkopf während der Warmlaufphase deutlich
vermindert. Das wirksame Kühlmittelvolumen wird sich somit schneller erwärmen, so
dass die Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine erheblich reduziert werden kann. In der
Warmlaufphase sind die Parameter Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission und
Verschleiß grundsätzlich höher als im späteren Motorbetrieb bei ausreichenden
Betriebstemperaturen. Diese Parameter werden durch die erreichte Verkürzung der
Warmlaufzeit vorteilhaft verändert. Gleichzeitig kann die erforderliche Zeit für eine
ausreichende Aufheizung der Fahrzeugkabine verkürzt werden. Demzufolge wird mit
dem erfindungsgemäßen Kühlsystem nicht lediglich eine Verbesserung der
Motorparameter erreicht, sondern ebenfalls ein besserer Komfort für den Nutzer des
jeweiligen Fahrzeuges.
Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung eine Vorrichtung dargestellt, mit der das
Verfahren realisiert werden kann. Es zeigen:
Fig. 1: den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in stilisierter Darstellung
Fig. 2: einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit Darstellung der einzelnen Baugruppen der
Verteilereinrichtung
In der Zeichnung ist das Kühlsystem einer Brennkraftmaschine stilisiert dargestellt. Die
Brennkraftmaschine besteht aus einem Zylinderkurbelgehäuse und einem Zylinderkopf,
die in an sich bekannter Weise zu einem Zylinderblock 1 zusammengefügt sind. Das
Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf werden von Kühlmittel durchströmt, das von
einer Kühlmittelpumpe 2 gefördert wird. Die Kühlmittelführungen dieser beiden
Baugruppen sind vorzugsweise voneinander getrennt ausgestaltet. Vom
Kühlmittelmantel des Zylinderkurbelgehäuses zweigt ein Kanal ab, der beispielsweise
durch den Zylinderkopf geführt wird und aus diesem an einer Stirnseite als
Kühlmittelkanal 3 austritt. Vom Kühlmittelraum des Zylinderkopfes zweigt ein
Kühlmittelkanal 4 ab, der vorzugsweise an der gleichen Stirnseite wie der Kanal 3 aus
dem Zylinderblock 1 geführt wird.
Die von den Kühlmittelräumen des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes
kommenden Kühlmittelkanäle 3 und 4 sind mit einer Verteilereinrichtung 5 verbunden.
Von der Verteilereinrichtung 5 werden in Abhängigkeit der jeweiligen
Kühlmitteltemperatur unterschiedliche Strömungspfade geregelt. Die
Verteilereinrichtung 5 steht dabei neben den Kanälen 3 und 4 auch mit einem
Ausgleichsbehälter 6, einem Kühler 7, einem Heizungswärmetauscher 8 und mit der
Kühlmittelpumpe 2 in Wirkverbindung. Die Strömungsrichtungen innerhalb der jeweiligen
Verbindungsleitungen sind in Fig. 1 durch Pfeile stilisiert. Für eine effektive Fertigung der
Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, dass die einzelnen Baugruppen der
Verteilereinrichtung 5 in einer gemeinsamen Baueinheit integriert werden. Eine solche
Variante ist in Fig. 2 dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Für die Funktionsfähigkeit
des vorliegenden Kühlsystems ist eine derart integrierte Bauweise jedoch nicht zwingend
notwendig, die entsprechenden Baugruppen können auch als separate Teile montiert
werden.
Der Kühlmittelkanal 4 vom Zylinderkopf wird in jedem Fall in zwei Kanäle aufgezweigt.
Hierbei führt der eine Kanal 9 zum Kühler 7 und der andere Kanal 10 zum
Heizungswärmetauscher 8. In den Kanal 9 zum Kühler 7 mündet auch der
Kühlmittelkanal 3 vom Zylinderkurbelgehäuse. Diesem Kanal 3 ist vor der Mündung in
den Kanal 9 ein erstes Thermostatventil 11 zugeordnet. Vom Kanal 10 zum
Heizungswärmetauscher 8 zweigt ein weiterer Kanal 12 ab, der mit einer
Rücklaufleitung 13 vom Kühler 7 verbunden ist. Diese Rücklaufleitung 13 weist in
Strömungsrichtung nach der Mündung des Kanals 12 ein zweites Thermostatventil 14
auf. In ihrem weiteren Verlauf wird die Rücklaufleitung 13 nach dem Thermostatventil 14
aufgezweigt in einen Kanal 15 zum Ausgleichsbehälter 6 und in einen Kanal 16 zur
Kühlmittelpumpe 2.
Die Thermostatventile 11 und 14 können in an sich bekannter Weise durch
Wachselemente oder Elektromotoren bewegt werden. Für die Funktionsfähigkeit ist es
wesentlich, dass diese Thermostatventile 11 und 14 jeweils einen Bypasskanal 11 B und
14 B aufweisen. Weiterhin ist es möglich, dass die Thermostatventile 11 und 14
kennfeldgesteuert beheizt werden. Somit ist zumindest innerhalb bestimmter Grenzen
eine variable Aufteilung der Kühlmittelströme zwischen Zylinderkurbelgehäuse und
Zylinderkopf möglich. Im Kanal 10 zum Heizungswärmetauscher 8 ist gemäß Fig. 1 ein
Ventil 17 für den Heizungsvorlauf integriert. Sofern der Fahrzeugnutzer Heizleistung
abfordert, wird über dieses Ventil 17 der Durchgang zum Heizungswärmetauscher 8
auch in der Warmlaufphase freigegeben. Obwohl dadurch der Kraftstoffverbrauch etwas
höher wird, ist eine solche Option sinnvoll, um beispielsweise im Winterfahrbetrieb ein
schnelles Auftauen vereister Fahrzeugscheiben zu ermöglichen. Zur schnelleren
Aufheizung des Motors sollte der Heizungswärmetauscher 8 allerdings nur durchströmt
werden, wenn tatsächlich Heizungsbedarf besteht.
Zusätzlich zum Kühlmittelkanal 3, der zur Verteilereinrichtung 5 führt, kann der
Kühlmittelmantel des Zylinderkurbelgehäuses eine weitere Verbindung mit einem Öl-
Wasser-Wärmetauscher 18 aufweisen. Von diesem Öl-Wasser-Wärmetauscher 18 führt
wiederum eine Leitung 19 zurück zum Kühlmittelkreislauf. Diese Leitung 19 mündet
vorzugsweise in die Rücklaufleitung 13 vom Kühler 7. Diese Variante ist in Fig. 1 mit
vollständig durchgezogenen Linien dargestellt. Ebenso kann diese Leitung auch in den
Kanal 186 zur Kühlmittelpumpe 2 münden. Eine solche Variante ist in Fig. 1 mit
Strichlinien dargestellt, wobei die entsprechende Leitung mit dem Bezugszeichen 20
gekennzeichnet ist. Desweiteren kann diese Leitung auch in den Kanal 3 vom
Zylinderkurbelgehäuse zur Verteilereinrichtung 5 münden. Eine derartige Variante ist in
Fig. 1 mit Strichpunktlinien dargestellt, die entsprechende Leitung hat das
Bezugszeichen 21.
Durch die beschriebene Konstruktion wird erreicht, dass bei ungenügender Temperatur
der Kühlflüssigkeit - z. B. in der Warmlaufphase oder im Winterfahrbetrieb mit niedriger
Last - die Thermostatventile 11 und 14 fast vollständig geschlossen bleiben, so dass
auch der motorinterne Kühlmittelumlauf weitgehend gesperrt ist. Lediglich durch die
Bypasskanäle 11 B und 14 B kann in diesem Betriebszustand noch eine sehr geringe
Kühlmittelmenge fließen. Demzufolge wird durch das Zylinderkurbelgehäuse lediglich
eine solche Kühlmittelmenge geleitet, die zum Abführen von Dampfblasen und zur
Beheizung des Thermostatventils 11 notwendig ist. Gleichzeitig wird durch den
Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet, die zum Abführen von
Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils und - falls nötig - für den
Heizungswärmetauscher notwendig ist. Dies bewirkt in der Warmlaufphase eine
Verminderung von Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission und Verschleiß sowie eine
schnellere Aufheizung der Fahrzeugkabine.
1
Zylinderblock
2
Kühlmittelpumpe
3
Kühlmittelkanal vom Zylinderkurbelgehäuse
4
Kühlmittelkanal vom Zylinderkopf
5
Verteilereinrichtung
6
Ausgleichsbehälter
7
Kühler
8
Heizungswärmetauscher
9
Kanal zum Kühler
10
Kanal zum Heizungswärmetauscher
11
Thermostatventil im Kühlmittelkanal
11
B
Bypasskanal am Thermostatventil
11
12
Kanal zum Kühler-Rücklauf
13
Rücklaufleitung vom Kühler
14
Thermostatventil in Rücklaufleitung
14
B
Bypasskanal am Thermostatventil
14
15
Kanal zum Ausgleichsbehälter
16
Kanal zur Kühlmittelpumpe
17
Ventil für Heizungsvorlauf
18
Öl-Wasser-Wärmetauscher
19
Leitung vom Öl-Wasser-Wärmetauscher zur Kühler-
Rücklaufleitung
20
Leitung vom Öl-Wasser-Wärmetauscher zum Kühlmittelpumpen-Kanal
21
Leitung vom Öl-Wasser-Wärmetauscher zum Kühlmittelkanal vom
Zylinderkurbelgehäuse zur Verteilereinrichtung
Claims (11)
1. Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, deren Zylinderkurbelgehäuse
und Zylinderkopf von Kühlmittel durchströmt werden, das von einer
Kühlmittelpumpe gefördert und nach dem Durchströmen von
Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf einer Verteilereinrichtung zugeführt wird,
die zumindest ein Thermostatventil aufweist und mit einem Ausgleichsbehälter,
einem Kühler, einem Heizungswärmetauscher und der Kühlmittelpumpe in
Wirkverbindung steht, wobei in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur
unterschiedliche Strömungspfade zwischen Verteilereinrichtung und
Kühlmittelpumpe verfügbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch das Zylinderkurbelgehäuse
lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von
Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendig ist, und daß
durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die
zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils
notwendig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Warmlaufphase
der Brennkraftmaschine durch den Zylinderkopf neben der zum Abführen von
Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendigen
Kühlmittelmenge bei Bedarf zusätzlich eine für die Funktion des
Heizungswärmetauschers benötigte Kühlmittelmenge geleitet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur
Kühlung einer Brennkraftmaschine, deren Zylinderkurbelgehäuse und
Zylinderkopf von Kühlmittel durchströmt werden, das von einer Kühlmittelpumpe
gefördert und nach dem Durchströmen von Zylinderkurbelgehäuse und
Zylinderkopf einer Verteilereinrichtung zugeführt wird, die zumindest ein
Thermostatventil aufweist und mit einem Ausgleichsbehälter, einem Kühler, einem
Heizungswärmetauscher und der Kühlmittelpumpe in Wirkverbindung steht, wobei
in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur unterschiedliche Strömungspfade
zwischen Verteilereinrichtung und Kühlmittelpumpe verfügbar sind, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (4) vom Zylinderkopf in zwei Kanäle (9;
10) aufgezweigt wird, von denen der eine Kanal (9) zum Kühler (7) und der
andere Kanal (10) zum Heizungswärmetauscher (8) führt, wobei in den Kanal (9)
zum Kühler (7) der Kühlmittelkanal (3) vom Zylinderkurbelgehäuse mündet, dem
ein erstes Thermostatventil (11) zugeordnet ist und wobei vom Kanal (10) zum
Heizungswärmetauscher (8) ein weiterer Kanal (12) abzweigt, der mit einer
Rücklaufleitung (13) vom Kühler (7) verbunden ist, wobei die Rücklaufleitung (13)
in Strömungsrichtung nach der Mündung dieses Kanals (12) ein zweites
Thermostatventil (14) aufweist und im weiteren Verlauf in zwei Kanäle (15; 16)
zum Ausgleichsbehälter (6) und zur Kühlmittelpumpe (2) aufgezweigt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Thermostatventile (11; 14) jeweils einen Bypasskanal (11 B; 14 B) aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden
Thermostatventile (11; 14) kennfeldgesteuert beheizt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide
Thermostatventile (11; 14) kennfeldgesteuert beheizt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kanal (10) zum
Heizungswärmetauscher (8) ein Ventil (17) für den Heizungsvorlauf zugeordnet
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kühlmittelmantel des Zylinderkurbelgehäuses mit einem Öl-Wasser-
Wärmetauscher (18) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-
Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (19) in die Rücklaufleitung (13)
vom Kühler (7) mündet.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-
Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (20) in den Kanal (16) zur
Kühlmittelpumpe (2) mündet.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-
Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (21) in den Kühlmittelkanal (3)
vom Zylinderkurbelgehäuse zur Verteilereinrichtung (5) mündet.
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