DE10139315A1 - Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor (10) beschrieben, welches zwei im Wesentlichen funktional parallele Kühlkreise, jedoch lediglich eine Kühlmittelpumpe (24) aufweist, welche vorzugsweise mechanisch von dem Verbrennungsmotor (10) angetrieben wird und welche den Flüssigkeitsstrom in beiden Kühlkreisen aufrechterhält. In einem ersten Kühlkreis ist der Auslass der Kühlmittelpumpe (24) mit der Eintrittsseite eines Motorkühlsystems verbunden. An das Motorkühlsystem schließt sich ein Motorkreiswärmetauscher (18) an, der vorzugsweise als Hochtemperatur-Wärmetauscher ausgelegt ist. Die im Motorkreiswärmetauscher (18) abgekühlte Flüssigkeit fließt zum Einlass der Kühlmittelpumpe (24) zurück. Die Kühlmittelpumpe (24) versorgt gleichzeitig einen zweiten Kühlkreis, wobei der Auslass der Kühlmittelpumpe (24) mit der Eintrittsseite eines weiteren Wärmetauschers (20), der vorzugsweise als Niedertemperatur-Wärmetauscher ausgelegt ist, in Verbindung steht. Von dem weiteren Wärmetauscher (20) fließt die Kühlflüssigkeit zu wenigstens einem nachgeordneten Kühler (36, 38), welcher der Kühlung einer Fahrzeugkomponente dient. Die Austrittsseite des Kühlers (38) ist mit dem Einlass der Kühlmittelpumpe (24) verbunden, wo sich die Flüssigkeitsströme der beiden Kühlkreise vereinen und vermischen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, bei dem in einem ersten Kühlkreis eine Kühlmittelpumpe, ein der Kühlmittelpumpe nachgeordnetes Motorkühlsystem und ein dem Motorkühlsystem nachgeordneter Motorkreiswärmetauscher angeordnet sind. In einem zweiten Kühlkreis sind ein weiterer Wärmetauscher, der einer Kühlmittelpumpe nachgeordnet ist, und wenigstens ein dem weiteren Wärmetauscher nachgeordneter Kühler zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente angeordnet.
• Aus der US-A-6,145,480 geht ein derartiges Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor mit Turbolader hervor, bei dem eine Hauptpumpe die Kühlflüssigkeit in einem Kühlkreis von einem ersten Wärmetauscher zum Verbrennungsmotor und zurück zum ersten Wärmetauscher pumpt. An der Ausgangsseite des ersten Wärmetauschers ist neben der Hauptpumpe auch eine weitere separate Pumpe angeschlossen, welche Kühlflüssigkeit durch einen weiteren Wärmetauscher und einen Ladeluftkühler zurück in den ersten Wärmetauscher pumpt. Auf der Saugseite der Hauptpumpe ist ein oberhalb dieser Pumpe angeordneter Flüssigkeitsvorratsbehälter angeschlossen, der einen statischen Pumpeneingangsdruck gewährleisten soll. Die Verwendung von zwei Pumpen führt zu erhöhten Herstellungs- und Wartungskosten.
• Die DE 34 33 370 C2 (und ähnlich auch die US-A-4,697,551) offenbart ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, bei dem lediglich eine gemeinsame Kühlmittelpumpe für einen Motorkreislauf und einen zu diesem parallel geführten Kühlerkreislauf vorgesehen ist. Hierbei wird lediglich ein Wärmetauscher verwendet, der im Kühlkreislauf liegt. Der Motorkreislauf enthält hingegen keinen eigenen Wärmetauscher. Im Kühlerkreislauf sind am Auslass der Kühlmittelpumpe hintereinander ein Ölkühler, der Wärmetauscher und ein Ladeluftkühler für einen Turbolader angeordnet. Zum Wärmetauscher ist eine Wärmetauscher-Bypassleitung mit Thermostatventil parallel geschaltet. Die Anordnung des Ölkühlers zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Wärmetauscher soll zu einer Erhöhung der Eingangstemperatur am Wärmetauscher führen, so dass dieser eine größere Wärmeabfuhr ermöglicht und damit verhältnismäßig klein ausgelegt werden kann. Da jedoch für beide Kreisläufe lediglich ein Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen Eingangstemperatur hoch liegt und der einen hohen Volumenstrom bewältigen muss, kann mit vertretbarem Aufwand die Ausgangstemperatur des Wärmetauschers und damit die Eingangstemperatur des Ladeluftkühlers nicht beliebig abgesenkt werden. Für einen hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ist es jedoch wünschenswert, wenn die durch den Turbolader strömende Ladeluft im Ladeluftkühler möglichst tief herunter gekühlt wird. Dies erfordert eine niedrige Eingangstemperatur der den Ladeluftkühler durchströmenden Kühlflüssigkeit.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Kühlsystem der eingangs genannten Art anzugeben, durch welches die vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll das Kühlsystem einen einfachen kostengünstigen Aufbau aufweisen, effizient arbeiten und es ermöglichen, dass die in den Ladeluftkühler eintretenden Luft auf möglichst niedrige Temperaturen abgekühlt wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist zwei im wesentlichen funktional parallele Kühlkreise jedoch lediglich eine Kühlmittelpumpe auf, die vorzugsweise mechanisch von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird und die den Flüssigkeitsstrom in beiden Kühlkreisen aufrechterhält. In einem ersten Kühlkreis ist der Auslass der Kühlmittelpumpe mit der Eintrittseite eines Motorkühlsystems verbunden. An das Motorkühlsystem schließt sich ein Motorkreiswärmetauscher an, der vorzugsweise als Hochtemperatur-Wärmetauscher ausgelegt ist. Die im Motorkreiswärmetauscher abgekühlte Flüssigkeit fließt zum Einlass der Kühlmittelpumpe zurück. Die Kühlmittelpumpe versorgt gleichzeitig einen zweiten Kühlkreis, indem ihr Auslass mit der Eintrittsseite eines weiteren Wärmetauschers, der vorzugsweise als Niedertemperatur- Wärmetauscher ausgelegt ist, in Verbindung steht. Von dem weiteren Wärmetauscher fließt die Kühlflüssigkeit zu wenigstens einem nachgeordneten Kühler, welcher der Kühlung einer Fahrzeugkomponente dient. Die Austrittsseite dieses Kühlers ist mit dem Einlass der Kühlmittelpumpe verbunden, wo sich die Flüssigkeitsströme der beiden Kühlkreise vereinen und vermischen.
• Der Niedertemperatur-Kühlkreis wird in den Hochtemperatur- Kühlkreis integriert, indem der Kühlflüssigkeitsstrom des Niedertemperatur-Kühlkreises durch die bereits für den Hochtemperatur-Kühlkreis vorhandene mechanische Kühlmittelpumpe aufrechterhalten wird. Die Kühlflüssigkeit für den zweiten Kühlkreis wird der kühlsten Stelle des ersten Kühlkreises entnommen, welche hinter dem Hochtemperatur-Wärmetauscher und vor dem Eintritt in das Motorkühlsystem liegt. Für die Verzweigung hinter der mechanischen Kühlmittelpumpe kann beispielsweise am Motorölkühlergehäuse, vor dem Eintritt in den Motorblock eine Abzweigung für den zweiten Kreis vorgesehen sein. Dies muss gegebenenfalls bei der Ausgestaltung des Motorblocks und der Kühlmittelpumpe berücksichtigt werden.
• Das erfindungsgemäße Kühlsystem bildet eine kostengünstige und sehr effektive Art zwei Kühlkreise miteinander zu kombinieren. Dies liegt insbesondere daran, das lediglich eine Kühlmittelpumpe erforderlich ist. Da bereits die Eingangstemperatur des Tieftemperatur-Wärmetauschers niedrig ist, kann durch diesen sehr effektiv eine weitere Temperaturabsenkung erfolgen. Für einen dem Tieftemperatur- Wärmetauscher nachgeordneten Ladeluftkühler kann damit eine Kühlflüssigkeit mit niedriger Eingangstemperatur bereitgestellt werden. Das Kühlmittel für den Tieftemperatur-Kühlkreis wird erfindungsgemäß der Auslassseite der Kühlmittelpumpe entnommen und nicht, wie es bisher üblich war, der Ausgangsseite des Motorkühlsystems, wo sich gewöhnlich ein Thermostat befindet.
• Bei dem weiteren Wärmetauscher, der im zweiten Kühlkreis angeordnet ist, handelt es sich vorzugsweise um einen luftgekühlten Niedertemperatur-Wärmetauscher. Dabei enthält der Wärmetauscher mehrere Kammern, die nacheinander durchströmt werden. Es ergeben sich somit lange Strömungswege, die bei relativ geringen Flüssigkeitsmengen eine Abkühlung auf niedrige Ausgangstemperaturen ermöglichen. Beispielsweise kühlt der weitere Wärmetauscher im Normalbetrieb das Kühlmittel von ca. 93°C auf ca. 45°C herunter. Bei dem Wärmetauscher handelt es sich um einen sogenannten Superkühler. Bei üblichen Wärmetauschern erfolgt eine Abkühlung um 5°C. Der Superkühler ermöglicht hingegen ein Herunterkühlen um bis zu 50°C.
• Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem zweiten Kühlkreis der wassergekühlte Ladeluftkühler eines Turboladers angeordnet ist. Der Ladeluftkühler kann damit mit Kühlflüssigkeit versorgt werden, die eine vergleichsweise tiefe Temperatur aufweist. Dies liegt daran, dass die Kühlflüssigkeit für den zweiten Kühlkreis an der kühlsten Stelle des ersten Kühlkreises abgezapft wird, nämlich vor dem Eintritt in den Motorblock. Die vergleichsweise kühle Kühlflüssigkeit wird dann im Wärmetauscher des zweiten Kühlkreises weiter abgesenkt.
• Einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Folge ist in dem zweiten Kühlkreis ein Getriebeölkühler angeordnet. Es handelt sich vorzugsweise um den Getriebeölkühler eines Automatikgetriebes. Die Verwendung von flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühlern und/oder Ölkühlern führt im Vergleich zu luftgekühlten Komponenten, die üblicher Weise im Kühlluftstrom des Hauptwärmetauschers im vorderen Bereich des Motors angeordnet werden, zu erheblichen Raumeinsparungen.
• Dies liegt daran, dass die wassergekühlten Komponenten an nahezu beliebiger Stelle im Motorraum untergebracht werden können und dass sie wesentlich kleiner sind als luftgekühlte Komponenten.
• Durch den zweiten Kühlkreis können auch andere oder weitere Wärmetauscher-Anforderungen des Fahrzeugs bedient werden.
• Vorzugsweise sind in dem zweiten Kühlkreis hintereinander die Kühlmittelpumpe, der Tieftemperatur-Wärmetauscher, ein Ladeluftkühler, ein Getriebeölkühler und gegebenenfalls weitere Kühler angeordnet. Dabei wird der Ladeluftkühler unmittelbar von dem durch den weiteren Wärmetauscher heruntergekühlten Kühlflüssigkeit durchströmt, wodurch sich seine Kühlleistung optimieren lässt. Der Ölkühler ist hingegen nicht auf besonders tiefe Eintrittstemperaturen des Kühlmittels angewiesen, da hier höhere Öltemperaturen zugelassen sind.
• Es ist zweckmäßig, dass in dem ersten Kühlkreis an der Austrittsseite des Motorkühlsystems ein Thermostat mit einem Bypass vorgesehen ist, der bei Unterschreiten eines ersten vorgebbaren Temperaturwertes den Motorkreiswärmetauscher überbrückt. Damit sich der Motorblock beim Starten rasch erwärmen kann, ist der Motorwärmetauscher bei Temperaturen, die unter 83°C liegen, abgetrennt, was zur Folge hat, dass keine Flüssigkeit durch den Motorkreiswärmetauscher fließt. Oberhalb von 83°C beginnt der Thermostat die Leitung zu dem Motorwärmetauscher zu öffnen, so dass eine mit der Temperatur zunehmende Flüssigkeitsmenge aus dem Motorblock zu dem Motorkreiswärmetauscher fließt. Bei ca. 90°C ist die Leitung zu dem Motorwärmetauscher vollständig offen und die gesamte Kühlflüssigkeit strömt durch den Motorkreiswärmetauscher. Die maximale Kühlmitteltemperatur an der Austrittsseite des Motorkühlkreises kann beispielsweise bei 105°C liegen. Die Ausgangstemperatur des Motorkreiswärmetauschers kann hingegen zwischen 90°C und 93°C liegen und hängt u. a. von der Leistungsaufnahme einem Lüfters ab, der Kühlluft durch den Motorkreiswärmetauscher treibt.
• Es ist auch von Vorteil, in dem zweiten Kühlkreis einen Thermostat vorzusehen, der bei Unterschreiten eines vorgebbaren zweiten Temperaturwertes die Leitung zu dem weiteren Wärmetauscher schließt. Beispielsweise schließt der zweite Thermostat die Leitung zu dem weiteren Wärmetauscher, sofern die Durchflusstemperatur unter 65°C liegt. Dadurch kann bei tiefen Temperaturen, zum Beispiel beim Starten des Fahrzeugs, eine Kühlung des Verbrennungsmotors durch den zweiten Kühlkreis vermieden werden.
• Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Durchflussmenge des zweiten Kühlkreises zu begrenzen, so dass der überwiegende Teil der Kühlflüssigkeit durch den ersten Kühlkreis fließt. Zu diesem Zweck schlägt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, auf der Eintrittsseite des weiteren Wärmetauschers, insbesondere im Bereich des zweiten Thermostats eine die Durchflussmenge begrenzende Drossel vorzusehen.
• Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben und erläutert.
• Die einzige Figur zeigt die schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems für einen Verbrennungsmotor.
• Aus der Figur geht der Antriebsstrang eines Arbeitsfahrzeugs, beispielsweise eines Ackerschleppers, hervor der im wesentlichen einen Verbrennungsmotor 10 und ein Getriebe 14 enthält, wobei das Getriebe über eine Kardanwelle 12 von dem Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird. Bei dem Getriebe 14 handelt es sich beispielsweise um ein ölgekühltes Automatikgetriebe, dem ein Differentialgetriebe 16 sowie nicht näher dargestellte Antriebsräder nachgeordnet sind.
• Auf der Vorderseite des Verbrennungsmotors 10 sind zwei Wärmetauscher 18, 20 angeordnet. Ein durch den Verbrennungsmotor 10 angetriebener Lüfter 22 saugt einen Luftstrom 23 durch die Wärmetauscher 18, 20, um das durch die Wärmetauscher 18, 20 zirkulierende Kühlmedium abzukühlen.
• Bei dem ersten Wärmetauscher 18 handelt es sich um einen üblichen Motorkreiswärmetauscher, der in einem ersten Kühlkreis - nämlich dem Motorkühlkreis - liegt. Das in dem Motorkreiswärmetauscher 18 abgekühlte Kühlmedium wird über eine Leitung 26 von der Kühlmittelpumpe 24 in das Kühlsystem des Verbrennungsmotors 10 gepumpt, um dessen Motorblock und Zylinderköpfe zu kühlen. An der Austrittseite des Verbrennungsmotors 10 befindet sich ein Thermostatventil 28. Bei geöffnetem Thermostatventil 28 fließt das Kühlmedium über eine Leitung 30 zurück zum Motorkreiswärmetauscher 18. Beim Starten des Verbrennungsmotors ist der Motorblock kalt und das Thermostatventil 28 geschlossen, so dass das Kühlmedium durch die Kühlmittelpumpe 24 in einem Kreis durch den Verbrennungsmotor 10 und die Bypassleitung 32 umgepumpt wird. Oberhalb von 83°C beginnt das Thermostatventil 28 zu öffnen, so dass mit steigender Temperatur eine zunehmende Flüssigkeitsmenge durch den Motorkreiswärmetauscher 18 fließt und durch diesen gekühlt wird. Mit Überschreiten von ca. 90°C wird die Bypassleitung 32 vollständig geschlossen, so dass das gesamte umgepumpte Kühlmedium durch den Motorkreiswärmetauscher fließt und gekühlt wird.
• Es wird zwar ein überwiegender Teil, jedoch nicht die gesamte von der Kühlmittelpumpe 24 geförderte Kühlmittelmenge durch den Motorkühlkreis gepumpt. Vielmehr wird eine kleinere Kühlmittelmenge unmittelbar am Auslass der Kühlmittelpumpe 24 abgezweigt und über eine Leitung 34 in einen zweiten Kühlkreis geleitet. In diesem zweiten Kühlkreis wird das Kühlmedium von der Kühlmittelpumpe 24 durch einen weiteren Wärmetauscher 20, einen Ladeluftkühler 36 und einen Getriebeölkühler 38 umgepumpt, bis es schließlich in die Leitung 26 mündet, sich mit dem Kühlmittelstrom des Motorkühlkreises mischt und wieder dem Eingang der Kühlmittelpumpe 24 zugeführt wird.
• In der Leitung 34 des zweiten Kühlkreises ist ein zweites Thermostatventil 40 angeordnet, welches bei Unterschreiten eines vorgebbaren Temperaturwertes den weiteren Wärmetauscher überbrückt und eine Bypassleitung 42 öffnet, welche die Leitung 34 mit einer aus dem zweiten Wärmetauscher austretende Leitung 44 verbindet. Die Öffnungstemperatur liegt vorzugsweise bei 65°C. Bei Überschreiten dieser Temperatur wird die Bypassleitung 42 durch das zweite Thermostatventil 40 geschlossen, so dass die gesamte Kühlflüssigkeit des zweiten Kühlkreises durch den weiteren Wärmetauscher strömt und gekühlt wird. Die Auslegung erfolgt derart, dass auch bei Temperaturen unter 65°C ein kleiner Kühlmittelteilstrom durch den zweiten Wärmetauscher 20 fließt.
• In das zweite Thermostatventil 40 ist eine nicht näher dargestellte Drossel integriert, durch die der Durchfluss im weiteren Kühlkreis auf beispielsweise 20 bis 30 Liter pro Minute begrenzt wird, so dass der überwiegende Teil der von der Kühlmittelpumpe 24 geförderten Kühlmittelmenge durch den Motorkühlkreis fließt.
• Die von dem Verbrennungsmotor 10 mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe 24 kann auf bekannte Weise unmittelbar an die Eingangseite des Motorblocks angepasst und angeflanscht sein. Der Verbrennungsmotor 10 und die Kühlmittelpumpe 24 sind zu diesem Zweck baulich aufeinander angepasst. Eine derartige Ausbildung kann auch unter Verwendung der erfinderischen Lehre beibehalten werden. Allerdings ist hierbei eine Verzweigung am Pumpenauslass vorzusehen, so dass ein Teilflüssigkeitsstrom für den zweiten Kühlkreis abgezweigt wird.
• Der Verbrennungsmotor 10 enthält einen Turbolader 46 mit einem Ladeluftkühler 36, durch den die Verbrennungsluft abgekühlt wird. Der Luftstrom 23 tritt durch ein nicht näher dargestelltes Luftfilter und wird im Turbolader 46 verdichtet. Dabei erwärmt sich die Frischluft auf ca. 140°C. Die erwärmte Luft wird über die Leitung 48 dem Ladeluftkühler 36 zugeführt, hier auf ca. 60°C abgekühlt und dann über die Leitung 49 dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt. Die Abkühlung der Ladeluft dient der Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors 10 und der Reduzierung der Stickoxide in der Verbrennungsluft.
• Das Getriebeöl des Automatikgetriebes 14 wird über eine Zuleitung 50 dem Getriebeölkühler 38 zugeführt, wird dort abgekühlt und gelangt durch eine Abflussleitung 52 zurück in das Automatikgetriebegehäuse.
• Auch wenn die Erfindung lediglich anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.

Claims (7)

1. Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor (10), bei dem in einem ersten Kühlkreis eine Kühlmittelpumpe (24), ein der Kühlmittelpumpe (24) nachgeordnetes Motorkühlsystem und ein dem Motorkühlsystem nachgeordneter Motorkreiswärmetauscher (18) sowie in einem zweiten Kühlkreis ein weiterer, einer Kühlmittelpumpe nachgeordneter Wärmetauscher (20) und wenigstens ein dem weiteren Wärmetauscher (20) nachgeordneter Kühler zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Kühlkreise lediglich eine Kühlmittelpumpe (24) verwendet wird, deren Auslass sowohl mit der Eintrittsseite des Motorkühlsystems als auch mit der Eintrittseite des weiteren Wärmetauschers (20) und deren Einlass sowohl mit der Austrittsseite des Motorkreiswärmetauschers (18) als auch mit der Austrittseite eines Kühlers (36, 38) zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente in Verbindung steht.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmetauscher (20) ein luftgekühlter Niedertemperatur-Wärmetauscher mit mehreren Kühlflüssigkeitspfaden ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kühlkreis ein Ladeluftkühler (36) angeordnet ist.

4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kühlkreis ein Getriebeölkühler (38) angeordnet ist.

5. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kühlkreis ein Ladeluftkühler (36), ein Getriebeölkühler (38) und gegebenenfalls weitere Kühler angeordnet sind, wobei der Getriebeölkühler (38) und gegebenenfalls die weiteren Kühler dem Ladeluftkühler (36) hinsichtlich der Flüssigkeitsfließrichtung nachgeordnet sind.

6. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kühlkreis ein weiterer Thermostat (40) vorgesehen ist, der bei Unterschreiten eines vorgebbaren zweiten Temperaturwertes den weiteren Wärmetauscher (20) überbrückt.

7. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Eintrittsseite des weiteren Wärmetauschers (20), insbesondere im Bereich des zweiten Thermostats (40), eine die Durchflussmenge begrenzende Drossel vorgesehen ist.