DE10143109A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung definierter Kühlmittelströme in Kühlsystemen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Bei einem Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem eine motorseitige Kühlmittelpumpe 7 einen Druck aufbaut, der ausreicht, um in Verbindung mit einem Stellglied 6 den Kühlmitteldurchfluss und die Kühlmitteltemperatur innerhalb der Brennkraftmaschine bei den verschiedensten Betriebszuständen sicherzustellen und dass mittels des Stellgliedes 6 oder weiterer Stellglieder 6z eine hinreichende Durchströmung der einzelnen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufs einstellbar ist, wird in Zweigen außerhalb der Brennkraftmaschine, die einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss benötigen, dieser unabhängig von der Motordrehzahl und unabhängig von der Stellung der Stellglieder 6 und 6z dadurch auf die Sollwerte des Durchflusses eingestellt, dass jeweils eine elektrische Zusatzpumpe 2 einen genau definierten Fördervolumenstrom einstellt, der unabhängig von den momentan durch die motorseitige Kühlmittelpumpe 7 aufgeprägten Druckrandbedingungen ist. DOLLAR A Neben den Vorteilen des Verfahrens werden Beispiele zur vorteilhaften Anpassung der einzelnen Komponenten des Kühl- und Heizsystems beschrieben. DOLLAR A Das Verfahren ermöglicht bei Verwendung serienüblicher Zusatzpumpen 2 nicht nur eine präzise Einstellung definierter Kühlmittelvolumenströme unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, sondern es ermöglicht auch eine Absenkung der Leistung der motorseitigen Zusatzpumpe 7.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem eine motorseitige Kühlmittelpumpe 7 einen Druck aufbaut, der ausreicht, um in Verbindung mit einem Stellglied 6 den Kühlmitteldurchfluss und die Kühlmitteltemperatur innerhalb der Brennkraftmaschine bei den verschiedensten Betriebszuständen sicherzustellen, und dass mittels des Stellgliedes 6 oder weiterer Stellglieder 6z eine hinreichende Durchströmung der einzelnen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufs einstellbar ist.
• Es ist bei Kraftfahrzeugen mit durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschinen üblich, die Kühlmitteldurchsätze durch die Brennkraftmaschine sowie die einzelnen Zweige des Kühl und Heizkreislaufs dadurch zu definieren, dass eine durch die mechanische Leistung der Brennkraftmaschine angetriebene Kühlmittelpumpe 7 den Förderdruck bereitstellt und mittels eines Thermostaten 6 oder sonstiger Stellglieder 6z eine Aufteilung auf die einzelnen Zweige erfolgt. Dabei stellt die Dimensionierung des Systems sicher, dass bei allen Betriebsbedingungen und insbesondere bei allen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein hinreichendes Druckpotential der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 zur Verfügung steht. Dies ist zum einen wichtig für einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine ohne Überhitzungsgefahr. Zum andern gibt es aber in den einzelnen Zweigen des Kühl- und Heizkreislaufs Komponenten, die einen Mindestkühlmitteldurchsatz benötigen. Ein bekanntes Beispiel ist hier der Kabinenwärmetauscher, für den gemäß des Lastenhefts der Fahrzeugklimatisierung i. a. Mindestkühlmittelvolumenströme definiert sind, die von den Verantwortlichen für die Motor- bzw. Fahrzeugkühlung im Entwicklungsprozess sichergestellt werden müssen. Andere Beispiele sind die Mindestkühlmitteldurchsätze durch den Ladeluftkühler, Kühlung für die Leistungselektronik, etc.
• Die Wechselwirkungen zwischen der Pumpencharakteristik der Kühlmittelpumpe und den Widerstandskennlinien des Motors und der einzelnen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufs führen in diesem Zusammenhang dazu, dass der Zweig mit dem größten Druckverlust bei dem jeweils geforderten Durchfluss die Anforderungen an die Kühlmittelpumpe bzw. die Durchflüsse in den andern Zweigen maßgeblich mitbestimmt. Stark vereinfacht betrachtet, kann dabei eine Anpassung an einen erhöhten Druckbedarf wahlweise durch die Pumpengröße bzw. Pumpendrehzahl erfolgen oder durch eine entsprechende Drosselung in den Zweigen mit relativ geringem Druckbedarf.
• Eleganter, und mit entsprechenden Wirkungsgradvorteilen verbunden, ist es, zur Anpassung den Druckbedarf dadurch zu reduzieren, dass der kritische Zweig Design-Änderungen zur Druckverlustminderung unterworfen wird.
• Moderne Berechnungsmethoden erlauben in diesem Zusammenhang inzwischen eine hochpräzise Abstimmung der einzelnen Zweige des Kühlkreislaufs und auch des Gesamtsystems. Dennoch ist eine Abstimmung sehr stark von der Motordrehzahl abhängig und auch von den jeweiligen Applikationen des Motors in verschiedenen Fahrzeugen. Dabei ergeben sich insbesondere sehr komplexe Optimierungsaufgaben, wenn neben der eigentlichen Funktion auch das Package und die Synergieeffekte bei Verwendung von Gleichteilen über ganze Fahrzeugplattformen hinweg in die Betrachtungen einfließen müssen. In der Serienpraxis bedeutet dies, dass in vielen Fällen erhöhte Druckverluste, insbesondere im Kühlerzweig 6a und im Bypasszweig 6b, sowie deutlich überhöhte Pumpenantriebsleistungen vorliegen.
• Aber selbst wenn nur die Optimierung für einen Fahrzeugtyp vorgenommen wird, ergibt sich aufgrund der stark unterschiedlichen Dimensionen von Fahrzeugkühler und Kabinenwärmetauscher und der relativ strengen Anforderungen für den Mindestkühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher bei geringer Motordrehzahl i. a. eine Systemauslegung, die auf eine erhöhte Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe führt. Aufgrund der Charakteristik der üblicherweise eingesetzten Kreiselpumpen führt das insbesondere bei Nenndrehzahl zu einem etwas zu hohen Kühlmittelvolumenstrom bzw. Wirkungsgradabfall der motorseitigen Kühlmittelpumpe.
• Diese hydraulischen Verluste sind zum einen mit Kraftstoffverbrauchsnachteilen verbunden. Speziell bei hoher Motordrehzahl ist aber sogar die Nennleistung beeinflusst.
• Vor diesem Hintergrund wird bei modernen Kühlsystemen u. a. versucht, mittels einer von der Motordrehzahl abhängigen Einflussnahme auf die Pumpendrehzahl einen Teil dieser Verluste einzusparen.
• Im einfachsten Fall kann das über eine Visko-Kupplung des Pumpenantriebs erfolgen, die bei hoher Pumpendrehzahl einen gewissen Schlupf zwischen Pumpen- und Motordrehzahl bewirkt. Der Aufwand und das Großserienrisiko ist hier jedoch nicht gerade klein, wobei insbesondere der Nachteil einer übergroßen Pumpe, z. B. zur Bereitstellung des Leerlaufdurchflusses, bestehen bleibt und durch die Masse und das Bauvolumen der Visko-Kupplung weitere Nachteile hinzukommen.
• Aufwendigere Lösungsansätze sehen sogar eine Trennung der Kühlwasserpumpe vom Motor vor, bis hin zu rein elektrischem Antrieb der Motorkühlwasserpumpe 7. Ob letztendlich mit einem rein elektrischen Pumpenantrieb wirklich eine kosteneffiziente Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades möglich ist, hängt in starkem Maße vom Wirkungsgrad der el. Komponenten und insbesondere der Lichtmaschine ab und ist derzeit noch eine offene Frage.
• Neben diesen Fragen der Effizienz der Kühlwasserpumpe im gesamten Kennfeldbereich des Heiz- und Kühlsystems gibt es Anwendungen, bei denen es vorteilhaft ist, einen genau definierten Kühlmittelmassenstrom einzustellen. Ein Beispiel ist hier die Heizungsregelung mittels Drosselung des Kühlmittelstroms durch den Kabinenwärmetauscher. Der übliche Weg ist hier wiederum die Bereitstellung eines hinreichend hohen Druckpotentials mittel der Kühlwasserpumpe 7 in Verbindung mit einer Drosselung, z. B. über die Taktfrequenz eines Magnetventils, welche je nach Kühlmitteltemperatur, Heizbedarf und Motordrehzahl eingestellt wird. Neben dem zusätzlichen Druckverlust am offenen Ventil, erfordert insbesondere die Bereitstellung des Druckpotentials unabhängig vom eingestellten Volumenstrom eine entsprechende Antriebsleistung und damit eine Überdimensionierung der Kühlwasserpumpenleistung. Dabei ist die Einstellung eines definierten Kühlmittelstroms mittels der beschriebenen Taktung oder gar mit einer reinen Drosselregelung relativ ungenau und träge und nur für relativ hohe Kühlmittelvolumenströme geeignet, was sie für zukünftige Varianten der Kabinenbeheizung, bei denen auch sehr kleine Volumenströme relativ genau und vielfach auch sehr schnell auf geänderte Werte eingestellt werden müssen, problematisch macht.
• Vereinfacht lässt sich zusammenfassen, dass bei Verwendung von Kühlmittelpumpen, die von der Brennkraftmaschine angetrieben werden, die Pumpenantriebsleistung und auch die Pumpenmasse in vielen Betriebspunkten überdimensioniert ist, damit Extremanforderungen in einzelnen Kühl- bzw. Heizzweigen erfüllt werden. Dabei führen hohe Kühlmittelvolumenströme bei hohen Druckdifferenzen in den Zweigen ohne Extremanforderungen zu Leistungs- und Kraftstoffverbrauchsnachteilen, insbesondere bei hoher Motordrehzahl.
• Die Realisierung von Regelungen mit definierten Kühlmitteldurchsätzen ist in Zweigen, die eine besonders genaue und schnelle Einstellung des Kühlmitteldurchsatzes benötigen, nur bedingt möglich. Für sehr geringe Kühlmitteldurchsätze und hohe Regelgenauigkeit bei schneller Änderung der Motordrehzahl sind bisher keine geeigneten Systeme bekannt. Solche Systeme werden aber genau für die Anwendung in zukünftigen Konzepte der Motor- und Bauteilkühlung sowie der Kabinenbeheizung benötigt.
• Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge der oben beschriebenen Bauart zu entwerfen, bei dem einerseits weiterhin die Mindestkriterien für den Kühlmitteldurchsatz in allen Zweigen des Kühl- und Heizkreislaufs sichergestellt sind, andererseits aber auch möglichst wenig Potential zur Minimierung der Pumpenantriebsleistung dadurch verloren wird, weil zur Erfüllung von Mindestkühlmitteldurchsätzen einzelner Zweige in bestimmten Betriebspunkten oder für spezielle Fahrzeuginstallationen übergroße Pumpenleistungen verwendet werden.
• Dabei ist eine Ausgestaltung des Kühl- und Heizkreislaufs einschließlich eines Verfahrens zur Steuerung oder Regelung der Durchflüsse von besonders großem Interesse, die es erlaubt, nicht nur die Mindestdurchflüsse sicherzustellen, sondern möglichst genau definierte Werte einzustellen. Dabei soll sich der potentielle Regelbereich von kleinsten bis hin zu höchsten Motordrehzahlen und bis hinab zu sehr kleinen Durchflüssen erstrecken.
• Insbesondere soll das Kühl- und Heizsystem auch bei Verwendung in verschiedenen Fahrzeugbaureihen und über Fahrzeugplattformen hinweg eine Verwendung von Gleichteilen begünstigen, ohne hierdurch die Pumpenantriebsleistung der Basisvariante zu erhöhen.
• Diese Aufgaben werden von dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Dabei wird in Zweigen außerhalb der Brennkraftmaschine, die einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss benötigen, der Kühlmitteldurchfluss unabhängig von der Motordrehzahl und unabhängig von Stellgliedern außerhalb des jeweiligen Zweiges, in welchem der Durchflusssollwert eingestellt werden soll, mit einer elektrischen Zusatzpumpe 2 ein genau definierter Fördervolumenstrom eingestellt. Dies geschieht so, dass der Fördervolumenstrom unabhängig von den momentan durch die motorseitige Kühlmittelpumpe 7 aufgeprägten Druckrandbedingungen ist. Hierdurch wird es möglich, eine Minimierung der Pumpenantriebsleistung der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 vorzunehmen, ohne dass sich negative Auswirkungen auf die Zweige ergeben, in welchen der Durchflusssollwert mittels der Zusatzpumpen eingestellt wird. Gleichzeitig lässt sich das erfindungsgemäßes Kühl- und Heizsystem mittels einfacher Eingriffe in den Zusatzpumpenkreislauf zur bedarfsgerechten Einstellung unterschiedlichster Durchflüsse heranziehen, um beispielsweise die Kabinenheizleistung zu regeln. Die große Flexibilität und die Kostenersparnis durch den potentiellen Entfall von Stellgliedern, z. B. der luftseitigen Temperaturregelklappe 5 zur Regelung der Kabinentemperatur, machen das Verfahren zusätzlich attraktiv.
• Fig. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Motor- und Fahrzeugkühlsystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Kühlmittel wird durch die Kühlwasserpumpe 7 des Motors durch den Motor 1 gefördert. Vom Motoraustritt strömt das Kühlmittel in einem ersten Kreislauf 9a zum Wasserbehälter 9 und dann über den Thermostaten 6 zurück zum Motor 1. Ein zweiter Zweig des Kühlsystems geht über die Leitung 6a und den Fahrzeug-Kühler 8zum Thermostaten 6 bzw. über den Bypass-Zweig 6b direkt zum Thermostaten 6. Ab einer bestimmten Betriebstemperatur öffnet der Thermostat 6 den Kühler-Zweig 6a mehr und mehr und schließt in analoger Weise den Bypass-Zweig 6b.
• Neben den Zweigen 6a, 6b, und 9a zur Fahrzeugkühlung bzw. Entlüftung des Kühlsystems dient der Zweig 4a der Beheizung der Fahrzeugkabine. Das Kühlmittel wird von der Zusatzpumpe 2 über den zusätzlichen Temperatursensor 15 zum Kabinenwärmetauscher 4 und dann zurück zum Thermostaten 6 gefördert.
• Der Kühlmittelvolumenstrom durch den Kabinenheizzweig 4a wird z. B. mittels der Motorsteuerung 16 ganz bewusst auf geringe Werte von beispielsweise nur 2 l/min eingestellt, wobei die Leitungsquerschnitte anstelle der üblichen 16-20 mm Innendurchmesser nur 4-6 mm Innendurchmesser aufweisen. Der Kabinenwärmetauscher ist ebenfalls auf einen relativ hohen Druckverlust ausgelegt, um in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels und einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Bevorzugt kommt hier im Gegensatz zum serienüblichen Kreuzstromwärmetauscher die Gegenstrombauweise zum Einsatz, die üblicherweise ohnehin einen größeren wasserseitigen Druckverlust aufweist.
• Durch den Einbau einer elektrischen Zusatzpumpe 2, die im Gegensatz zu den bei der Fahrzeugkühlung üblichen Kreiselpumpen besonders vorteilhaft als Membran-, Kolben- oder Zahnradpumpe ausgeführt ist, ergibt sich im Heizkreislauf in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Kabinenwärmetauschers und der Kühlmittelleitungen auf einen sehr geringen Kühlmittelvolumenstrom und hohe Druckverluste ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmitteldurchsatz. An diesem Sachverhalt ist nicht zuletzt die Tatsache beteiligt, dass für das Kühlsystem heutiger Verbrennungsmotoren üblicherweise ein möglichst moderater Druck- und Leistungsbedarf der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 angestrebt wird. Beim Einsatz beispielsweise einer Zahnradpumpe als Zusatzpumpe 2 wird daher der Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher primär durch die elektrische Leistung der Zahnradpumpe bestimmt und nicht von der Motorpumpe. Durch den geringen Volumenstrom ist die elektrische Leistungsaufnahme der Zusatzpumpe 2 auch bei hohem Förderdruck nahezu vernachlässigbar für das Bordspannungsnetz.
• Zur weiteren energetischen Optimierung wird nicht nur der Druckverlust im Heizkreislauf 4a bewusst auf ein Vielfaches des Druckverlustes im Kühlerzweig 6a bzw. Bypasszweig 6b eingestellt, sondern gleichzeitig der Grundmotor und dessen Kühlkreislauf geändert. In diesem Zusammenhang ist es bei der Auslegung von Kühlsystemen in PKW bisher übliche Praxis, die Dimensionierung so vorzunehmen, dass die Motorpumpe bereits bei Leerlauf einen relativ hohen Kühlwassermassenstrom durch die einzelnen Zweige des Kühlkreislaufs und insbesondere durch den Kabinenwärmetauscher liefert. Aufgrund der Charakteristik der üblicherweise eingesetzten Kreiselpumpen führt das dann bei Nenndrehzahl zu einem etwas zu hohen Kühlmittelvolumenstrom bzw. Wirkungsgradabfall der motorseitigen Kühlmittelpumpe. Hinzu kommt als weitere Auslegungsmaßnahme heutiger Serienpraxis, dass im Kühler- und Bypasszweig 6a und 6b ganz bewusst ein gewisser Mindestdruckverlust vorgesehen wird, damit bei geringer Motordrehzahl im Heizungszweig ein hinreichend hoher Kühlmittelvolumenstrom erzielt wird. Beide Auslegungsmaßnahmen führen über einen erhöhten Druckverlust in den Komponenten bzw. den etwas zu hohen Kühlmittelvolumenstrom mit Wirkungsgradabfall der Kühlmittelpumpe zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der motorseitigen Kühlmittelpumpe, insbesondere bei hoher Motordrehzahl.
• Dies ist zum einen mit Kraftstoffverbrauchsnachteilen verbunden. Speziell bei hoher Motordrehzahl ist aber sogar die Nennleistung der Brennkraftmaschine beeinflusst. Eine Abschätzung des Durchflusses und des Förderdruckes bei Nennleistung unter Berücksichtigung des Pumpenwirkungsgrades zeigt, dass hier durchaus 0,5 bis 1 kW an Motorleistung unnötig verloren gehen können. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 1 die el. Zusatzpumpe den Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher kontrolliert, ist dieser Zielkonflikt entschärft.
• Noch genauer als mit einer Zahnradpumpe ist der konstante Volumenstrom mit einer Kolbenpumpe oder jeder anderen Art von Dosierpumpe einstellbar.
• Bei entsprechender Auslegung der el. Zusatzpumpe 2 und ganz besonders großen Druckverlusten im Heizkreislauf lässt sich aber auch mit einer konventionellen el. Kreiselpumpe ein genau definierter Volumenstrom unabhängig von der Motordrehzahl einstellen. Dabei ist es bereits vorteilhaft, den Druckverlust im Heizungszweig mindestens 2 mal so groß einzustellen, wie im Kühler- bzw. Bypasszweig. Wesentlich höhere Druckverlustunterschiede sind jedoch nicht nur zulässig, sondern sogar erwünscht.
• Dabei ist es eine besonders vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Fig. 1, dass der Gesamtdruckverlust beim Öffnen des Kühlerzweigs 6a nicht durch gleichzeitiges Schließen des Bypasszweigs konstant gehalten werden muss, z. B. um Schwankungen der Heizleistung zu verhindern. Die hierzu notwendige Drosselung im Bypasszweig 6b zur Kompensation des Druckverlustes im Kühler 8 kann hierdurch entfallen. Zur Minimierung des Druckverlustes ist es hier u. a. vorteilhaft, wenn der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a deutlich größer ist als im Bypasszweig 6b.
• Bei entsprechender Optimierung aller beteiligten Bauteile, insbesondere bei Anpassung der Druckverluste im Thermostaten, kann der Druckverlust des Heizungszweigs 4a ohne Probleme durchaus eine ganze Größenordnung und mehr über den Druckverlust des Kühlerzweigs 6a angehoben werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit und die Konstanz des Volumenstroms im Heizkreislauf erheblich verbessern. Die Möglichkeit, konventionelle elektrische Klein-Kreiselpumpen zu verwenden, und mittels des absichtlich sehr hoch gewählten Druckverlustunterschiedes dennoch eine sehr feine und schnelle Dosierung zu bewirken ist nicht zuletzt deshalb von sehr großem wirtschaftlichen Interesse, weil bereits in sehr großen Stückzahlen im Serieneinsatz befindliche Pumpen verwendet werden können. Dies minimiert nicht nur die Kosten, sondern erleichtert auch eine schnelle Serieneinführung, unter Minimierung des Großserienrisikos. Selbst diese mit vergleichsweise hohen Druckverlusten arbeitende Variante mit el. Kreiselpumpe 2 und auf sehr hohen Druckverlust ausgelegtem Heizzweig 4a ist energetisch gesehen immer noch sehr effektiv. Dies liegt u. a. daran, dass die motorseitige Kühlmittelpumpe 7 nicht nur kleiner und leichter gewählt werden kann, sondern im gesamten Betriebskennfeld mit wesentlich geringerer Leistung arbeitet, und diese Effekte den Energieaufwand für die el. Kreiselpumpe 2 überkompensieren. Dies ist bereits bei Anwendungen mit relativ hohen Kühlmittelvolumenströmen im Heizzweig 4a der Fall. Hieran beteiligt ist nicht zuletzt die Synergie zwischen Druckverlusteinsparung im Kühlerzweig 6a und Bypasszweig 6b einerseits und dem erforderlichen Druckverlustunterschied zwischen diesen Zweigen und dem Heizungszweig 4a andererseits: Je geringer der Druckverlust in den Zweigen 6a und 6b ist, desto weniger Druckpotential muss im Heizungszweig 4a dissipiert werden, um einen möglichst definierten Durchfluss durch den Heizzweig 4a unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu realisieren. Die hier vorgestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die bereits bei einem Kühlmitteldurchsatz von 2 l/min Wasser/Glycol-Gemisch die volle Kabinenheizleistung erzielen kann, hat darüber hinaus den Vorteil einer besonders kleinen el. Zusatzpumpe 2 und aufgrund des geringen Volumenstroms, selbst bei für Kabinenbeheizungen als extrem hoch geltenden Druckverlusten, nur eine sehr geringe elektrische Leistungsaufnahme.
• Dabei ist bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise des Heizsystems eine so hohe Regelgenauigkeit des Kühlmitteldurchsatzes realisierbar, dass z. B. eine hochgenaue Regelung der Kabinenheizleistung mittels einer el. Zusatzpumpe 2 erfolgen kann. Die luftseitige Regelung der Kabinenluftausblastemperatur 5 kann hier gegebenenfalls entfallen.
• Soll jedoch das volle Potential des Kühlsystems gemäß Fig. 1 für die Kabinenheizung und für das Wärmemanagement des Motors zur Kraftstoffeinsparung genutzt werden, so wird sich der Durchfluss im Heizungszweig nicht alleine am Heizleistungsbedarf orientieren, sondern insbesondere an der stark veränderlichen Kühl- und Heizsituation, die sich z. B. im Stadtverkehr aufgrund der starken Variation des Abwärmeangebots der Brennkraftmaschine ergibt. Zur Steuerung der Wärmeflüsse im gesamten Kühl- und Heizsystem ist es hier z. B. erforderlich, schnelle Veränderungen im Kühlmitteldurchfluss vorzunehmen, so dass wahlweise ein Fokussierung der Motorabwärme auf die Kabine und wahlweise eine Fokussierung auf den Motor selbst resultiert. Dabei kann diese Optimierung des Durchflusses im Heizzweig so erfolgen, dass sich keine Temperaturschwankungen in der Kabine ergeben aber u. U. nicht das volle Kraftstoffeinsparpotential genutzt wird. Die Beibehaltung des luftseitigen Regeleingriffs eröffnet hier zusätzliche Freiheitsgrade zur Variation des definierten Kühlmitteldurchflusses im Heizzweig 4a.
• Insbesondere bei Motoren, bei denen der Bypasszweig 6b auch bei geschlossenem Kühlerzweig 6a durch die Motorsteuerung bedarfsweise geschlossen werden kann, um die Heizleistung zu steigern oder den Kraftstoffverbrauch zu senken, sind die Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und der Verstellbarkeit des definierten Kühlmittelvolumenstroms durch den Heizzweig 4a sehr hoch. Speziell im hier ausgeführten Beispiel gemäß Fig. 1, mit sehr geringem Kühlmittelvolumenstrom und sehr geringen Leitungsquerschnitten, wird zusätzlich eine sehr schnelle Anpassung an veränderte Vorgaben für den Durchfluss benötigt, weil durch die geringe wärmeaktive Masse Schwankungen der Motoraustrittstemperatur sehr schnell im Kabinenwärmetauscher wirksam werden. Die schnelle und präzise Anpassung des Kühlmittelvolumenstroms des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hier sehr vorteilhaft, um das volle Potential zur Reduktion der wärmeaktiven Massen im Heizkreislauf zu realisieren. Bei Einbindung einer Zusatzwärmequelle 3, so wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, kommt der präzisen Einstellung definierter Kühlmittelströme durch den Heizzweig 4a eine noch viel weitreichendere Bedeutung zu. Dies betrifft u. a. die Empfindlichkeit auf Änderungen der Motordrehzahl und ganz besonders die Ausregelung potentieller Leistungsschwankungen der Zusatzwärmequelle 3, wie sie z. B. bei Verwendung eines Abgaswärmetauschers unvermeidbar sind.
• Je nach geforderter Präzision für den Kühlmitteldurchsatz, Maximalwert des erforderlichen Kühlmitteldurchsatzes und Spielraum für den Druckverlust, aber auch je nach Kostensituation kann es vorteilhaft sein, mit weniger Druckverlust zu arbeiten und den definierten Kühlmittelvolumenstrom im Zweig mit der el. Zusatzpumpe durch eine separate Regelung zu realisieren.
• In seiner einfachsten Variante wird der definierte Kühlmittelvolumenstrom, z. B. zur Kabinenbeheizung nach einem Kaltstart, mit einer el. Miniaturzahnradpumpe unter Vorgabe einer Spannung eingestellt. Da sich das Kühlwasser nach und nach erwärmt, wird die Viskosität abnehmen. Bei Verwendung konventioneller Gleichstrommotoren mit fester Spannung wird die Pumpendrehzahl und damit die Förderleistung aufgrund einer Reduktion des Druckverlustes leicht zunehmen.
• Dies ist für diese Anwendung kein Problem, kann aber gegebenenfalls einfach mittels der Motorsteuerung unter Verwendung der Kühlwassertemperatur kompensiert werden. Essenziell für die vorliegende Anwendung ist es im Gegensatz hierzu, dass der Volumenstrom nicht bei einer plötzlichen Drehzahlveränderung der Brennkraftmaschine eine dramatische Durchflussänderung durchläuft, da sonst u. a. eine definierte Einstellung der Kabinenheizleistung nicht sichergestellt werden kann. Die speziellen Anforderungen jedes einzelnen Zweigs, und insbesondere die Genauigkeit der Dosierung und des Regelbereichs werden letztendlich darüber entscheiden, welcher Pumpentyp und welcher Zusatzaufwand für diejenigen Zweige verwendet wird, die einen definierten Kühlmitteldurchfluss unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine benötigen. Energetisch optimal ist es in vielen Fällen, alle kritischen Zweige, insbesondere wenn diese mit einem relativ geringem Kühlmittelvolumenstrom auskommen, mit einer el. Zusatzpumpe 2 zu versehen, so dass keinerlei Rücksicht auf die Erfordernisse der Zweige mit Zusatzpumpe 2, insbesondere des Heizkreislaufs 4a, genommen werden muss. Kostengünstiger ist es jedoch vielfach, nur besonders schlechte Zweige mit einer el. Zusatzpumpe 2 auszustatten und sich mit den Verlusten auf reduziertem Niveau zu begnügen. Dabei ist es vorteilhaft, den Druckverlust in den Zweigen, die keine el. Zusatzpumpe 2 aufweisen, so zu reduzieren, dass der Mindestkühlmitteldurchsatz im Zweig mit dem höchsten Druckbedarf erreicht wird. Im Beispiel in Fig. 1 bringt dies aufgrund der Möglichkeit, den Thermostaten und den Bypass zu optimieren, bereits eine drastische Verbesserung mit entsprechendem Potential die Pumpenantriebsleistung zu senken.
• Je nach Anwendung und je nach Pumpenbauart können die Förderdrücke der el. Kühlmittelpumpe 2 so hoch sein, dass eine Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Kühlmittels für die Einstellung des Kühlmittelvolumenstroms vorteilhaft ist. Zur Minimierung der Spitzendrücke ist es insbesondere bei Systemen mit starkem Druckanstieg bei tiefen Kühlmitteltemperaturen vorteilhaft, wenn die Zusatzpumpe 2 stromab des Kabinenwärmetauschers angeordnet ist.
• In Situationen ohne Bedarf an Kabinenheizung ist es bei vielen Anwendungen vorteilhaft, die el. Zusatzpumpe 2 auszuschalten, so dass die Pumpe geschont wird und die el. Leistungsentnahme entfällt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft für eine schnelle Motorerwärmung, wenn die Durchströmung des Heizzweigs 4a vollkommen unterbunden wird. Je nach Pumpenbauart wird dies die Pumpe selbst sicherstellen. Wird jedoch z. B. eine konventionelle elektrische Kreiselpumpe verwendet, so wird sich trotz des hohen Druckverlustes des erfindungsgemäßen Verfahrens ein nicht zu vernachlässigender Leckmassenstrom einstellen. Dieser ist aus Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsgründen nicht erwünscht. Darüber hinaus wirkt er vielfach auch für die Fahrzeugklimatisierung störend.
• Deshalb schlägt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 2 vor, dass der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe 2 ein Ventil 40 zur Unterbindung der Durchströmung der elektrischen Zusatzpumpe 2 aufweist, welches beim Einschalten der elektrischen Zusatzpumpe 2 öffnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Ventil zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe 7 des Motors alleine geöffnet werden kann. Ein Öffnen bei sehr großer Motordrehzahl kann in diesem Zusammenhang nötig werden, um z. B. Kavitation der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 zu vermeiden.
• Die Einbindung des Zweigs mit der Zusatzpumpe erfolgt in Fig. 1 und Fig. 2 in Form eines eigenen Kreislaufs 4a. Dies ist jedoch nicht zwingend nötig, insbesondere wenn der entnommene Kühlmittelstrom relativ klein ist.
• So zeigt das Beispiel in Fig. 3 eine Vorrichtung, bei der der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe 2 am Kühlmittelaustritt des Motors, also an einen Zweig mit vergleichsweise hohem Kühlmittelstrom, angeschlossen ist. Bei konventionellem Thermostaten 6 wird an dieser Stelle immer ein relativ hoher Kühlmittelvolumenstrom vorliegen. Wenn an dieser Stelle ein relativ geringer Kühlmittelvolumenstrom entnommen wird, und dieser stromab dem gleichen Zweig mit hohem Kühlmittelvolumenstrom wieder zugeführt, so bleibt der Kühlerzweig 6a bzw. der Bypasszweig 6b und damit die Motorkühlung unbeeindruckt. Ebenso wichtig ist aber auch die Tatsache, dass der relativ große Gesamtdurchfluss dieser beiden Zweige ein Rückströmen des am Heizungswärmetauscher abgekühlten Kühlmittels in die el. Zusatzpumpe ohne besondere Zusatzmaßnahmen verhindert. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Fig. 1 bei relativ geringer Entnahme von Kühlmittel nahezu an beliebiger Stelle in bestehende Zweige eingebunden werden kann. Darüber hinaus kann diese vorteilhafte Eigenschaft sogar so eingesetzt werden, dass der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe an einer beliebigen Stelle an einen ersten Zweig mit wenig Sensitivität für Veränderungen des Kühlmittelstroms eingebunden wird, dort den benötigten Kühlmittelvolumenstrom entnimmt und stromab einem beliebigen Zweig mit wenig Sensitivität für Veränderungen des Kühlmittelstroms wieder zuführt.
• Dabei ist es eine ausgesprochen vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass durch die Flexibilität der Einbindung ins Motorkühlsystem sehr kurze Kühlmittelleitungen für die Kabinenbeheizung realisiert werden können. Das vereinfacht nicht nur das Package, sondern reduziert neben den Kosten insbesondere auch Gewicht und wärmeaktive Masse des Heizkreislaufs.
• Die bisherigen Ausführungen sind unter der Annahme erfolgt, dass die Zusatzpumpe 2 einen elektrischen Antrieb aufweist. Dies ist angesichts des geringen Leistungsbedarfs und angesichts der Freiheitsgrade zur Einstellung verschiedener Werte des Durchflusses auch die vorteilhafteste Antriebsmethode. Dennoch bleiben viele Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch noch erhalten, wenn anstelle des elektrischen Antriebs der Zusatzpumpe eine andere Antriebsart, insbesondere ein hydraulischer oder mechanischer Antrieb, verwendet wird.

Claims (20)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem eine motorseitige Kühlmittelpumpe 7 einen Druck aufbaut, der ausreicht, um in Verbindung mit einem Stellglied 6 den Kühlmitteldurchfluss und die Kühlmitteltemperatur innerhalb der Brennkraftmaschine bei den verschiedensten Betriebszuständen sicherzustellen und dass mittels des Stellgliedes 6 oder weiterer Stellglieder 6z eine hinreichende Durchströmung der einzelnen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufs einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Zweigen außerhalb der Brennkraftmaschine, die einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss benötigen, dieser unabhängig von der Motordrehzahl und unabhängig von der Stellung der Stellglieder 6 und 6z dadurch auf die Sollwerte des Durchflusses eingestellt wird, dass jeweils eine elektrische Zusatzpumpe 2 einen genau definierten Fördervolumenstrom einstellt, der unabhängig von den momentan durch die motorseitige Kühlmittelpumpe 7 aufgeprägten Druckrandbedingungen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzelnen Zweig außerhalb des Motors, der einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss benötigt, eine elektrische Zusatzpumpe 2 den genau definierten Fördervolumenstrom einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Zweigen außerhalb des Motors, die einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss benötigen, jeweils eine elektrische Zusatzpumpe 2 den genau definierten Fördervolumenstrom einstellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust im Thermostaten 6 dadurch minimiert ist, dass keinerlei Rücksicht auf die Erfordernisse der Zweige mit Zusatzpumpe 2 genommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in den Zweigen, die keine el. Zusatzpumpe 2 aufweisen, so reduziert ist, dass der Mindestkühlmitteldurchsatz im Zweig mit dem höchsten Druckbedarf erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderdruck der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 abgesenkt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des definierten Kühlmittelvolumenstroms eine definierte Spannung, Leistung oder Drehzahl der elektrischen Zusatzpumpe 2 eingesetzt wird und die Dimensionierung der Bauteile mit kleinen Strömungsquerschnitten und relativ hohen Druckverlusten den Kühlmittelvolumenstrom von der Drehzahl der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 weitgehend unabhängig macht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Kühlmittelvolumenstrom durch die Pumpenbauart selbst realisiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranpumpe oder eine Zahnradpumpe Verwendung findet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Zusatzpumpe 2 in Verbindung mit einem zusätzlichem Regelventil verwendet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzpumpe 2 stromab des Kabinenwärmetauschers angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungen im Zweig der Zusatzpumpe 2 einen Innendurchmesser von maximal 6 mm aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe 2 ein Ventil zur Unterbindung der Durchströmung der elektrischen Zusatzpumpe 2 aufweist, welches beim Einschalten der elektrischen Zusatzpumpe 2 öffnet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch den Volumenstrom der elektrischen Zusatzpumpe 2 öffnet und zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe 7 des Motors alleine geöffnet werden kann.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a weniger als halb so groß ist, wie im Zweig mit der Zusatzpumpe 2.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Bypasszweig 6b weniger als halb so groß ist, wie im Zweig mit der Zusatzpumpe.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a deutlich größer ist als im Bypasszweig 6b.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe an einer beliebigen Stelle an einen Zweig mit vergleichsweise hohem Kühlmittelstrom angeschlossen ist, dort einen relativ geringen Kühlmittelvolumenstrom entnimmt und diesen stromab dem gleichen Zweig mit hohem Kühlmittelvolumenstrom wieder zuführt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweig mit der elektrischen Zusatzpumpe an einer beliebigen Stelle an einen ersten Zweig mit wenig Sensitivität für Veränderungen des Kühlmittelstroms eingebunden wird, dort den benötigten Kühlmittelvolumenstrom entnimmt und stromab einem beliebigen Zweig mit wenig Sensitivität für Veränderungen des Kühlmittelstroms wieder zuführt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des elektrischen Antriebs der Zusatzpumpe eine andere Antriebsart, insbesondere ein hydraulischer oder mechanischer Antrieb, verwendet wird.