DE10047081B4

DE10047081B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10047081B4
Application number: DE2000147081
Authority: DE
Inventors: Manfred Kloft; Rüdiger Knobel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: DE10047081A1

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Kühlmittelkanal (4) vom Zylinderkopf in zwei Kanäle (9, 10) aufgezweigt wird, von denen der eine Kanal (9) zu einem Kühler (7) und der andere Kanal (10) zu einem Heizungswärmetauscher (8) führt, wobei in den Kanal (9) zum Kühler (7) ein Kühlmittelkanal (3) vom Zylinderkurbelgehäuse mündet, dem ein erstes Thermostatventil (11) zugeordnet ist und eine Rücklaufleitung (13) vom Kühler (7), die ein zweites Thermostatventil (14) aufweist, wobei in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch das Zylinderkurbelgehäuse lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (11) notwendig ist, während durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (14) notwendig ist.

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 des 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.
Aus DE 43 08 002 C1 ist eine Verteilereinrichtung bekannt, bei der ein Thermostatventil den Zu- und Abfluss der Verteilers steuert.
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:
1: den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in stilisierter Darstellung
2: einen Ausschnitt aus 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 1 durch Pfeile stilisiert. Für eine effektive Fertigung der Brennkraftma-schine ist es zweckmäßig, dass die einzelnen Baugruppen der Verteilereinrichtung 5 in einer gemeinsamen Baueinheit integriert werden. Eine solche Variante ist in 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 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 1 mit vollständig durchgezogenen Linien dargestellt. Ebenso kann diese Leitung auch in den Kanal 16 zur Kühlmittelpumpe 2 münden. Eine solche Variante ist in 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 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.
Bezugszeichenliste

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

Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Kühlmittelkanal (4) vom Zylinderkopf in zwei Kanäle (9, 10) aufgezweigt wird, von denen der eine Kanal (9) zu einem Kühler (7) und der andere Kanal (10) zu einem Heizungswärmetauscher (8) führt, wobei in den Kanal (9) zum Kühler (7) ein Kühlmittelkanal (3) vom Zylinderkurbelgehäuse mündet, dem ein erstes Thermostatventil (11) zugeordnet ist und eine Rücklaufleitung (13) vom Kühler (7), die ein zweites Thermostatventil (14) aufweist, wobei in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch das Zylinderkurbelgehäuse lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (11) notwendig ist, während durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (14) notwendig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermostatventile (11; 14) jeweils einen Bypasskanal (11 _B; 14 _B) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Thermostatventile (11; 14) kennfeldgesteuert beheizt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Thermostatventile (11; 14) kennfeldgesteuert beheizt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kanal (10) zum Heizungswärmetauscher (8) ein Ventil (17) für den Heizungsvorlauf zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelmantel des Zylinderkurbelgehäuses mit einem Öl-Wasser-Wärmetauscher (18) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (19) in die Rücklaufleitung (13) vom Kühler (7) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (20) in den Kanal (16) zu einer Kühlmittelpumpe (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-Wasser-Wärmetauscher (18) über eine Leitung (21) in den Kühlmittelkanal (3) vom Zylinderkurbelgehäuse zu einer Verteilereinrichtung (5) mündet.
Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine gemäß einer Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf von Kühlmittel durchströmt werde, das von einer Kühlmittelpumpe (2) gefördert und nach dem Durchströmen von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf einer Verteilereinrichtung (5) zugeführt wird, die zumindest ein Thermostatventil (11, 14) aufweist und mit einem Ausgleichsbehälter (6), einem Kühler (7), einem Heizungswärmetauscher (8) und der Kühlmittelpumpe (2) in Wirkverbindung steht, wobei in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur unterschiedliche Strömungspfade zwischen Verteilereinrichtung (5) und Kühlmittelpumpe (2) 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 (11) notwendig ist, und dass durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, die zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (14) notwendig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch den Zylinderkopf neben der zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils (14) notwendigen Kühlmittelmenge bei Bedarf zusätzlich eine für die Funktion des Heizungswärmetauschers (8) benötigte Kühlmittelmenge geleitet wird.