DE102004064336B4

DE102004064336B4 - Vorrichtung und Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung und Entlüftung von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004064336B4
Application number: DE102004064336.9A
Authority: DE
Inventors: Johann Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2024-12-07

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung und Beheizung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, miteinem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Kühlerzweig 6a führenden Kühlerkreislauf mit einem Fahrzeugkühler 8 und einem Thermostaten 6,einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Bypasszweig 6b führenden Bypasskreislauf, welcher den Fahrzeugkühler 8 bypasst,einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Entlüftungszweig 9a führenden Entlüftungskreislauf mit einem Ausgleichsbehälter 9,und einem durch einen Heizungszweig 4a und die Brennkraftmaschine 1 führenden Heizungswärmetauscherkreislauf mit einemHeizungswärmetauscher 4, sowieeinem von einer Motorsteuerung 20 ansteuerbaren Zusatzventil 6bv,dadurch gekennzeichnet, dassder Entlüftungskreislauf und der Bypasskreislauf durch das Zusatzventil 6bv bei geschlossenem Thermostaten gleichzeitig abschaltbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühlerzweig 6a regelt, mit einem Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, einem Heizungszweig 4a sowie einem Entlüftungszweig 9a. Es ist insbesondere für den Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten geeignet.
Es ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur in der Teillast sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren.
Zukünftige Strategien zur Erzielung des vollen Kraftstoffeinsparpotenzials mittels derartiger Maßnahmen beinhalten insbesondere Möglichkeiten, den Öffnungszeitpunkt des Thermostaten mittels der Motorsteuerung frei zu wählen und den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor im Warmlauf in weiten Bereichen zu variieren. Hierfür sind verschiedene Lösungen verfügbar, von der magnetischen Schaltkupplung zur Abschaltung der Kühlmittelpumpe des Motors über pumpeninterne Kurzschlussventile bis hin zur voll variablen el. Wasserpumpe als Ersatz für die riemengetriebene Kühlwasserpumpe.
Allen bekannten Lösungen zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor ist gemeinsam, dass erhebliche Kosten für die erforderlichen Zusatzkomponenten anfallen. Neben den Maßnahmen zur Regelung des Durchflusses durch den Motor ist bei den meisten bekannten Optimierungsstrategien insbesondere der Austausch des heute üblichen Thermostaten mit Regelung des Kühlerdurchflusses mittels Dehnstoffelement durch ein von der Motorsteuerung frei ansteuerbares Ventil vorgesehen. Für die volle Ausnutzung des Potenzials sind in diesem Zusammenhang insbesondere relativ aufwändige Ventile vorgesehen, bei denen der Durchfluss durch den Kühler von der Motorsteuerung vorgegeben und über einen Schrittmotor feinfühlig eingestellt wird. Verschiedene Drehpositionen des Mehrwegeventils stellen dann z.B. bevorzugte Positionen für eine optimale Heißkühlung, eine maximale Kühlwirkung oder eine maximale Kabinenheizleistung ein. Die Kosten für ein derartiges Ventil, um mehrere Zu- und Abflüsse u.a. für den Kühler-, den Bypass- und den Heizkreislauf zu schalten bzw. stufenlos zu variieren, sind nicht unerheblich. Hinzu kommt ein weiterer Zusatzaufwand, wenn ein hinreichendes Fail-Safe-Verhalten für alle möglichen sommerlichen und winterlichen Betriebszustände realisiert werden soll.
Die Kosten sind daher bereits erheblich, selbst wenn unter Verzicht auf das volle Kraftstoffeinsparpotenzial darauf verzichtet wird, gleichzeitig mit der Einführung des Ventils auch eine Zusatzmaßnahme zur Variation der Kühlmittelpumpendrehzahl bzw. der Kühlmittelpumpenförderleistung vorzusehen.
Nicht zuletzt vor dem Hintergrund der Kosten und der Betriebssicherheit hat sich bisher ein wesentlich einfacheres System zur Heißkühlung am Markt durchgesetzt, bei dem ein Dehnstoff-Thermostat mit einem el. beheizbaren Dehnstoffelement den wahlweisen Betrieb bei zwei verschiedenen Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Dabei wird ein Thermostat mit Dehnstoffelement eingesetzt, welcher beispielsweise ab 100°C zwangsläufig beginnt zu öffnen, bei el. Bestromung des Heizelements wird dieser Öffnungszeitpunkt dann mittels der el. Wärmezufuhr zum Dehnstoffelement auf z.B. 80°C verschoben. Die Kraftstoffverbrauchsvorteile sind hier zwar nicht voll ausgeschöpft, u.a. weil die Wirksamkeit des Systems auf Fahrsituationen mit Kühlmitteltemperaturen oberhalb ca. 80°C begrenzt ist, die Mehrkosten sind aber auch wesentlich geringer. Darüber hinaus ist sowohl jegliche Diskussion bezüglich der Robustheit des Systems und deren Fail-Safe-Charakteristik als auch die Frage nach der Verfügbarkeit serienreifer Bauteile angesichts der bereits vorliegenden Serienerfahrung mit dieser Art von el. beheizten Thermostaten weitgehend gegenstandslos.
Dennoch arbeiten die Systemlieferanten für KFZ-Kühlsysteme an den eingangs beschriebenen Varianten zur vollen Ausschöpfung des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen. Der Erfolg dieser neuen Lösungswege ist jedoch einerseits in erheblichem Maße an die Entwicklung der Emissionsvorschriften und der Kraftstoffpreise gekoppelt, andererseits auch sehr stark an die Bereitstellung wesentlich preiswerterer Hardware als bisher verfügbar. Umgekehrt erschwert gerade der ausbleibende Großserienanlauf fallende Hardwarepreise für das el. Mehrwegeventil als Thermostatersatz und gegebenenfalls die schalt- bzw. regelbare Kühlwasserpumpe.
Auch wenn inzwischen ein namhafter Kfz-Hersteller für eine ganze Motorfamilie den hohen Aufwand für ein Kühlsystem mit elektrisch angetriebener Motorkühlwasserpumpe betreibt, um möglichst viel Kraftstoff zu sparen, so verhindern doch die hohen Kosten vielerorts die Einführung eines derartigen Systems.
Nicht zuletzt deshalb sind in jüngster Zeit preiswertere Systeme, wie z.B. der el. Thermostat in Drei-Teller-Ausführung in die Serienanwendung gelangt. Bei derartigen Systemen verschließt einer der drei Teller - der sogenannte Schließtellerden kleinen Kühlmittelkreislauf in der frühen Warmlaufphase und öffnet mit zunehmender Motorerwärmung. Mittels el. Bestromung des Dehnstoffelementes bei hoher thermischer Belastung des Motors wird bei Bedarf der Bypasszweig weiter geöffnet bzw. bei sehr hohem Kühlbedarf und weit geöffnetem Kühlerkreislauf wieder geschlossen. Die el. Bestromung hilft insbesondere, früheren Problemen des Dreitellerthermostaten beim schnellen Umschalten von Teillast auf Volllast speziell bei kaltem Motor zu begegnen. Die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei kaltem Kühlwasser lässt den Einsatz des Dreitellerthermostaten jedoch nach wie vor nicht bei jedem Motor ohne konstruktive Zusatzmaßnahmen zu.
Auch Systeme mit frei ansteuerbarem Bypassventil, z.B. als stufenlos angesteuerter Drehschieber, sind bekannt, die diese Problem nicht aufweisen, allerdings bezüglich der Kosten wieder ungünstiger liegen.
Allen bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten ist gemeinsam, dass spezielle Eingriffe im Heizkreislauf nötig sind, um zu verhindern, dass sich die im Heizkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Um innerhalb des Motors im Warmlauf möglichst kleine wasserseitige Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, sowie um die wärmeaktiven Massen und Wärmeverluste des Heizkreislaufs zu minimieren, sind bei den bisher bekannten Wärmemanagement-Systemen separate Vorrichtungen vorgesehen, die es erlauben den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig im Warmlauf zu unterbinden oder zumindest stark zu drosseln. Speziell bei luftseitiger Regelung der Kabinenheizung fallen damit i.a. zusätzliche Kosten für Kühlmittelventile oder sonstige Bauteile zur Unterbindung/Drosselung des Heizungsvolumenstroms an.
Wie oben bereits ausgeführt, haben alle bekannten Wärmemanagementsystemen außerdem die Eigenheit, dass die technische Umsetzung der Heißkühlung, d.h. höhere Kühlmittel- bzw. Bauteiltemperaturen in der Teillast und niedrigere Werte bei Volllast, erhebliche Kosten verursacht. Das gilt für alle bekannt gewordenen Arten el. geregelter Thermostatventile in Brennkraftmaschinen einschließlich des jüngst in die Serienanwendung gelangten Dreitellerthermostaten. Speziell bei diesem fallen neben den Kosten für die el. Beheizung des Dehnstoffelements die Kosten für die Abschaltung bzw. Drosselung des Heizungskreislaufs an.
Dabei lassen die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit bzw. die Umschaltgeschwindigkeit beim Dreitellerthermostaten durchaus noch Wünsche offen.
Ein wenig beachtetes Detail bei Wärmemanagementmaßnahmen ist vielfach die Durchströmung des Ausgleichsbehälters. Grundsätzlich sind Lösungen am Markt, die wahlweise den Ausgleichsbehälter offen lassen oder diesen mit einem zusätzlichen Ventil verschließen oder den Durchfluss künstlich drosseln.
Die DE 103 11 188 A1 offenbart ein Thermomanagementsystem, bei dem ein Kühlmittelbypass mittels eines Zusatzventils abschaltbar ist. Das Zusatzventil greift dabei nicht in die Durchströmung eines auch bei geschlossenem Thermostaten durchströmbaren Ausgleichsbehälters über ein Zweiwegeventil abgeschaltet werden kann. Die DE 19948160 A1 offenbart ein Thermomanagementsystem bei dem über ein Dreiwegeventil zwischen durchströmtem Bypass und Ausgleichsbehälter umgeschaltet werden kann. Die DE 28 09 187 A1 offenbart ein Abschaltventil in mit einem Bypasskreislauf mit einem durch eine Drosselstelle reduzierten Kühlmitteldurchsatz durch einen Ausgleichsbehälter. Alternativ zum Abschaltventil kann eine Entkupplung der Kühlwasserpumpe vorgesehen sein.
Auch Anwendungen, bei denen der Rücklauf des Ausgleichbehälters auf der kalten Kühlerseite angeschlossen ist und der geschlossene Thermostat 6 im Warmlauf eine Durchströmung unterbindet, sind bekannt. Dies ist - thermisch gesehen - eine ebenso effektive wie kostengünstige Lösung, welche allerdings mit nicht zu unterschätzenden Nachteilen und Risiken für die Motorkühlmittelpumpe einhergeht. Die Kavitationsneigung der Pumpe steigt, verbunden mit erhöhten Risiken bezüglich der Pumpenlebensdauer und teilweise auch einem Abfall der Förderleistung. Thermisch gleichwertig oder gar überlegen ist die Lösung mit dem zusätzlichen Ventil im Entlüftungszweig, insbesondere wenn dieses el. von der Motorsteuerung geschaltet wird. Hier fallen jedoch wiederum erhebliche Kosten an.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein besonders kostengünstiges und dennoch betriebssicheres Kühl- und Heizsystem zu schaffen, bei dem möglichst viel des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen bereits bei Kühlmitteltemperaturen unterhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur genutzt werden kann und welches insbesondere auch dazu genutzt werden kann, einen weitgehenden Teil des Kraftstoffeinsparpotenzials zu realisieren, für das eine Kühlmitteltemperatur oberhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur benötigt wird.
Als insbesondere anzustrebende bzw. zu überbietende Eckpunkte für die Temperaturen und Kosten sind hierbei derzeit die Werte der el. beheizbaren Thermostaten anzusehen, wie sie heute am Markt zu finden sind, d.h. insbesondere Einstellung der Kühlmitteltemperatur auf Werte zwischen 80-85°C bei hoher Last und 100-115°C in der Teillast.
Insbesondere sollen die Leistungsmerkmale bezüglich Kraftstoffeinsparung und schneller Umschaltung von Teillast auf Volllast sowie die Gesamtsystemkosten des dieses Jahr zum ersten Mal in Großserie angewandten Drei-Teller-Thermostaten übertroffen werden.
Darüber hinaus besteht die beigeordnete Anforderung, dass die Anforderungen bezüglich der Kabinenheizwirkung uneingeschränkt erfüllt werden sollen. Noch besser wäre es in diesem Zusammenhang, wenn die Heizwirkung verbessert werden könnte bzw. wenn in der Teillast eine Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch realisiert werden könnte.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
In der einfachsten Variante schaltet dabei ein einziges Zusatzventil 6bv bei geschlossenem Thermostaten 6 gleichzeitig alle übrigen Kühlkreisläufe einschließlich des Entlüftungszweigs 9a bedarfsweise ein und aus. Das reduziert den Kraftstoffverbrauch in der Teillast mittels erhöhter Bauteiltemperaturen ohne Risiken bei erhöhter Last bzw. erhöhtem Kühlbedarf. Gleichzeitig wird das Kavitationsrisiko bei beiden Betriebszuständen dadurch minimiert, dass der Systemdruck immer am Pumpeneintritt anliegt.
Bei el. Ansteuerung des Zusatzventils 6bv besteht darüber hinaus die Möglichkeit, während der ersten Sekunden des Warmlaufs und gegebenenfalls von Zeit zu Zeit durch kurzzeitiges Öffnen für ein gezieltes Entlüften zu sorgen.
In Verbindung mit einem Teil der beigeordneten Ansprüche ist sogar die Zusatzaufgabe der Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch gelöst.
Dabei eröffnen die einzelnen Ausgestaltungsvarianten dem Konstrukteur die Möglichkeit, den Auslegungsschwerpunkt wahlweise auf die Kosten zu legen und insbesondere mit bereits verfügbaren Serienbauteilen einschließlich des Heizungswärmetauschers auszukommen, so dass sich die Zusatzkosten trotz signifikanter Kraftstoffersparnis auf das Zusatzventil beschränken. Wahlweise kann er aber auch durch neue Heizungswärmetauscher in Gegenstrombauart und/oder gegebenenfalls den Einsatz el. Zusatzpumpen im Heizungskreislauf mit etwas erhöhten Kosten sowohl den Kraftstoffverbrauchsvorteil steigern als auch gleichzeitig den Heizkomfort verbessern.
Eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit - im Vergleich zu bekannten Standardkühlsystemen - Beschränkung der Zusatzkosten auf lediglich ein einziges Zusatzventil 6bv ist exemplarisch in 1 gezeigt.
Hier liegt der Fokus auf der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs mit minimalen Kosten mit der Option der Umschaltung auf Normalbetrieb, d.h. auf volle Funktionalität der Kabinenheizung und der Kühlung.
Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv wird das Kühlmittel gemäß 1 von der Motorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert, strömt über das Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b zum konvenzionellen Dehnstoffthermostaten 6. Während des Warmlaufs verschließt der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten den Kühlerkreislauf während der bypasseitige Teller geöffnet ist. Die Entlüftungsleitung 9a des Ausgleichsbehälters 9 ist stromab des Zusatzventils 6bv angeschlossen. Vom Ausgleichsbehälter strömt das Kühlmittel gemeinsam mit dem Wasser des Heizungsrücklaufs in den Thermostaten. Diese Leitung ist üblicherweise bei geöffnetem wie bei geschlossenem Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe 7 hin offen. Ebenfalls stromab des Zusatzventils 6bv wird das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a entnommen. Der Heizungswärmetauscher 4 ist bei dieser Einstellung in herkömmlicher Weise durchströmt. Solange das Zusatzventil 6bv im geöffneten Zustand nur einen relativ kleinen Druckverlust erzeugt muss zum Erzielen der vollen Heizleistung keine weitere Umgestaltung der Bauteile vorgenommen werden. Bevorzugt kommt deshalb als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz, der im geöffneten Zustand den vollen Kanalquerschnitt der Bypassleitung freigibt. Da der Drehschieber nur auf/zu betätigt wird, ist dieser sehr einfach und preiswert herstellbar, am einfachsten mit einem Vakuum-Aktuator der über ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Magnetventil mit Unterdruck versorgt wird. Im Warmlauf ohne Kabinenheizbedarf wird bei geringer bis mittlerer Motorlast das Zusatzventil 6bv durch die Motorsteuerung 20 geschlossen. Damit ist nicht nur der Bypasskreislauf 6b unterbrochen sondern auch der Heizkreislauf 4a, der Entlüftungskreislauf 9a, der Kühlerkreislauf 6a und die Durchströmung des Ölkühlers 40. Mit Ausnahme einer lokalen Strömung im Nahbereich des Pumpenlaufrades und der natürlichen Konvektion liegt somit im Kühlkreislauf stehendes Wasser vor. Damit sinkt in bekannter Weise der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient im Motor und es steigt die motorinterne Kühlmittel- und Bauteiltemperatur. Die Reduktion der Reibleistung durch eine wärmere Zylinderlaufbahn, etwas geringere Antriebsleistung der Motorkühlmittelpumpe, wärmeres Öl und bei Ottomotoren die thermische Entdrosselung der Ansaugluft führen dann letztlich zu der charakteristischen Kraftstoffeinsparung dieser Wärmemanagementmaßnahme. Solange über geeignete Sensoren bzw. thermische Modelle ein Überhitzen des Motors sicher ausgeschlossen wird, kann das Zusatzventil geschlossen bleiben. Ist wegen zu hoher Pumpendrehzahl mit Kavitation an der Kühlmittelpumpe zu rechnen, so öffnet die Motorsteuerung 20 das Zusatzventil 6bv. Ebenso bei zu hoher thermischer Last oder bei Motor-Vollast. Die hohe Stellgeschwindigkeit des Zusatzventils 6bv im Vergleich zur potenziellen Alternative „El. Thermostat“ erweitert hier nicht nur den Spielraum bis zum ersten Öffnen des Thermostaten erheblich, auch in Bezug auf ein konsequentes Vermeiden potentieller Kavitation an der Kühlmittelpumpe bei Drehzahlsprüngen ist die hohe Stellgeschwindigkeit sehr hilfreich. In Bezug auf den Warmlauf sind je nach Motor verschiedene Strategien bis zum ersten Öffnen des Zusatzventils vorteilhaft.
Die einfachste Strategie ist möglichst lange zu warten, bis das Zusatzventil öffnet und den Bypasszweig nebst Ölkühler, Heizkreislauf und Degaskreislauf einbindet und gegebenenfalls den Kühlerkreislauf etwas öffnet. Dabei kann es zur besseren Entlüftung vorteilhaft sein, die ersten Sekunden des Warmlaufs noch mit geöffnetem Zusatzventil 6bv zu arbeiten und gegebenenfalls auch während des Warmlaufs noch von Zeit zu Zeit zu entlüften indem das Zusatzventil für kurze Zeit öffnet. Bei vielen Motoren kann das mehrmalige Entlüften währen der Warmlaufphase aber auch entfallen.
Es kann insbesondere aber auch die Strategie vorteilhaft sein, das Zusatzventil zunächst geschlossen zu halten, dann bei Erreichen einer ersten Temperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur das Zusatzventil zu öffnen, so dass sich ein erster Temperaturausgleich im Bypass- und Heizungszweig einstellt und sich am Ölkühler 40 eine Wärmeübertragung vom Wasser ans Öl einstellt. Gegebenfalls muss hier der Durchfluss in der Entlüftungsleitung zusätzlich gedrosselt werden. Dabei bleibt es dem Anwender unbenommen, das Zusatzventil 6bv wieder zu schließen sobald das Wasser und das Öl weitgehend auf dem Niveau der Thermostatöffnungstemperatur liegt. Solange keine Heizung benötigt wird, bietet dies den Vorteil, dass die Kühlmittel-, Öl- und Bauteiltemperaturen dann noch weiter angehoben werden können, weil sich der Thermostat 6 dann angesichts der mangelnden Anströmung mit heißem Kühlwasser wieder schließt.
Solange keinerlei Strömung im Bypasszweig und damit auch im Heizzweig vorliegt, besteht keine Gefahr, dass ein Teil des erwärmten Kühlwassers über ein Teilöffnen des Kühlerthermostaten entweicht.
Ein sprungartiges Öffnen des Zusatzventils 6bv führt bei erhöhtem Kühlbedarf unmittelbar zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel des Motors und damit zu einer Kühlwirkung. Ein Thermoschock-Risiko besteht nicht, da der Thermostat 6 bei geöffnetem Zusatzventil 6bv in bekannter Weise ein sukzessives Zumischen kalten Kühlwassers aus dem Kühlerzweig sicherstellt.
Gegebenenfalls erfolgt ein getaktetes Öffnen des Zusatzventils, so dass auch ein allmähliches Zuschalten der Heizung bzw. des Kühlers realisierbar ist.
Dabei nimmt das erfindungsgemäße Vorgehen nicht in Anspruch der thermodynamisch beste Weg zu sein. Vielmehr ist hier stets das Verhältnis von Kosten zu Nutzen zu sehen. Speziell wenn der Kraftstoffverbrauch ohne zusätzliche Ansprüche an die Heizwirkung im Vordergrund stehen, ist das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft. Wenn gleichzeitig eine Verbesserung der Heizleistung gefragt wäre, so ist ausgehend von 1 ein Verfahren mit Anschluss des Heizungswärmetauschers 4 stromauf des Zusatzventils 6bv, Schließen des Zusatzventils 6bv zur Verbesserung der Heizleistung, Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und den Heizungswärmetauscher und Gegenstrombauweise des Heizungswärmetauschers 4 wesentlich effektiver. Derartige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden später noch näher beschrieben.
Zunächst zeigt 2 aber noch eine weitere Ausgestaltung des rrfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Auslegungsschwerpunkt auf den Kosten. Bei dieser Ausgestaltung ist der Heizungsrücklauf zwischen Thermostat 6 und Motorkühlmittelpumpeneintritt angeordnet. Der Zulauf zum Heizungszweig 4a erfolgt stromauf des Zusatzventils 6bv. Ohne eigenes Ventil im Heizungszweig ist der Heizungswärmetauscher 4 bereits im Warmlauf permanent durchströmt, d.h. die wärmeaktive Masse des Heizungskreislaufs muss mit aufgeheizt werden, verbunden mit Nachteilen im Kraftstoffverbrauch. Im Gegenzug ist die Heizung auch stets funktionsfähig. Ein Schließen des Zusatzventils 6bv bewirkt - zumindest verglichen mit Standardkühlsystemen mit Bypasszweig und ohne Wärmemanagementkomponenten - dennoch bereits einen Kraftstoffverbrauchsvorteil, weil in der Warmlaufphase der Bypasszweig 6b nicht mit aufgeheizt werden muss, weil der Gesamtkühlmitteldurchfluss durch den Motor 1 reduziert ist und weil die Durchströmung des Ausgleichsbehälters 9 unterbunden ist. Ebenso ist es i.a. günstiger den Ölkühler 40 zumindest in der frühen Warmlaufphase nicht mit Kühlmittel zu durchströmen.
Als weitere Besonderheit im Vergleich zu bekannten Kühlsystemen ist in 2 der Heizungskühlmittelstrom nicht durch den Thermostaten 6 geführt. Dies hat drei ganz besonders vorteilhafte Wirkungen: Zum einen prägt der Druckverlust beim Durchströmen des Thermostaten dem Entlüftungszweig keine Druckdifferenz auf, die ansonsten u.U. zu einer Rückwärtsdurchströmung des Ausgleichsbehälters 9 führen kann. Zum anderen reduzieren sich die wärmeaktiven Massen und die Wärmeverluste durch Wärmeleitung zum Bypass- und zum Kühlerzweig. Als dritter und nicht minder wichtiger Vorteil ermöglicht die Einleitung stromab des Dehnstoffthermostaten 6 es, der Motorsteuerung 20 die Entscheidung zu übertragen, ab welcher Kühlmitteltemperatur oder sonstiger Motorbetriebsbedingung diese durch das Öffnen des Zusatzventils 6bv den Bypasszweig 6b und gegebenenfalls den Kühlerzweig 6a zuschaltet und somit eine erhöhte Kühlwirkung einstellt. Mit anderen Worten, der Motor kann zumindest temporär problemlos bei erhöhter Kühlmitteltemperatur betrieben werden, ohne dass durch ein Teilöffnen des Thermostaten 6 aufgrund einer Anströmung mit heißem Kühlwasser aus dem Heizungsrücklauf Wärme an die Umgebung verloren geht. Das gilt für den Betrieb mit und ohne Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 2 ist speziell die Option, den Kühlmitteldurchfluss durch die Heizung weitgehend frei zu wählen besonders attraktiv. So ist es insbesondere möglich, mit einem ganz gewöhnlichen Dehnstoffthermostaten 6 mit einer Öffnungstemperatur von beispielsweise 85°C zu arbeiten und sowohl ohne Kabinenheizung als auch mit Kabinenheizung alle denkbaren Kühlmitteltemperaturen bis hin zu 110-115°C im Heizkreislauf zirkulieren zu lassen, ohne dass der Dehnstoffthermostat 6 öffnet und unbeabsichtigt Wärme über den Kühler 8 an die Umgebung abgibt. Im einfachsten Fall genügt hierzu die Einbindung eines einfachen Auf/Zu-Zusatzventils 6bv, so wie es z.B. in 2 gezeigt ist. Solange das Zusatzventil 6bv geschlossen bleibt ist das Dehnstoffelement nicht von warmem Kühlmittel umströmt, der Thermostat bleibt geschlossen. Das im Heizkreislauf umlaufende Kühlmittel kann damit wahlweise mittels eines Ventils abgeschaltet oder mittels geeigneter Bauteildimensionierung bzw. den Einsatz von Verdrängerpumpen gedrosselt werden oder ungehindert strömen. Mit anderen Worten das im Heizkreislauf zirkulierende Kühlmittel kann in einem weiten Kennfeldbereich der Kühlmitteltemperatur und des motorinternen Wärmeübergangskoeffizienten zur Homogenisierung oder Erhöhung der Motorbauteiltemperatur bzw. für Heizzwecke herangezogen werden.
Gleichzeitig stellt das Zusatzventil 6bv sicher, dass bei einer plötzlichen Zunahme des Kühlbedarfs, insbesondere bei Volllast, durch das Öffnen des Bypasszweigs eine Bauteilüberhitzung sicher vermieden wird. Die Temperaturüberwachung kann hierbei u.a. durch die Motorsteuerung modellbasiert oder mittels der Temperaturmessstelle 20a erfolgen.
Ausgehend von kaltem Kühlerzweig 6a strömt dabei zunächst ein hoher Kühlmittelstrom bei geöffnetem Zusatzventil 6bv durch den Bypasszweig 6b, wobei unmittelbar mit dem Öffnen des Bypasszweigs bereits eine Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb des Motors einhergeht.
Bei längerem Kühlbedarf führt der sich einstellende Wärmeeintrag in das Dehnstoffelement des Thermostaten 6 zur teilweisen Öffnung des Thermostaten, d.h. zu einer völlig konventionellen Temperaturregelung, gegebenenfalls bis hin zum vollständigen Öffnen des Kühlerzweigs 6a und schließen des Bypasszweigs 6b mittels des Dehnstoffthermostaten 6. Ist der Lastsprung nur kurz, so schließt das Zusatzventil 6bv gegebenenfalls wieder und der Motor arbeitet wieder mit reduziertem Durchfluss auf erhöhter Kühlmittel- und Bauteiltemperatur.
Die Ansteuerung des Zusatzventils 6bv mittels der Motorsteuerung bietet insbesondere den Vorteil, dass unabhängig von der Kühlmitteltemperatur jederzeit auf vollen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor geschaltet werden kann. Speziell Motoren sehr hoher spezifischer Leistung lassen sich somit bei einem Lastsprung sehr gut schützen. Die von el. Thermostaten bekannten Totzeiten beim Öffnen und Schließen entfallen, so dass z.B. länger mit stehendem bzw. besonders heißem Wasser gefahren werden kann. Gegebenenfalls kann auch eine Auf/Zu-Regelung des Zusatzventils 6bv erfolgen.
Als weiterer Vorteil lässt sich mit dieser Ausgestaltung auch das Kavitationsrisiko an der Motorkühlwasserpumpe bei hohen Motordrehzahlen sicherer beherrschen als beispielsweise mit dem Dreitellerthermostaten.
Auch wenn die bisher beschriebenen Einfachvarianten des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizkreislaufs nicht das volle Kraftstoffeinsparpotenzial erschließen und sich im Vergleich zu früheren Patentanmeldungen mit schaltbarem Zusatzventil unter Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes sowie des Heizungswärmetauschers neben geringeren Kraftstoffeinsparungen eine deutlich geringere Kabinenheizwirkung ergibt, so machen speziell die Einfachheit und der Kostenaspekt diese Ausgestaltungen sehr attraktiv.
Die Kosten für ein Auf/Zu-Ventil sind insbesondere deshalb so gering, weil derartige Ventile bereits im Serieneinsatz sind und sich daher die Investitionen in Entwicklung und Fertigung sehr gering halten lassen. Ebenso ist damit auch das Ausfall-Risiko sehr klein. Dieses lässt sich noch zusätzlich reduzieren, wenn man auf Ventilbauarten zurückgreift, die stromlos offen sind. Dies gilt insbesondere für Magnetventile oder Ventile mit Vakuumaktuator.
Die ohnehin geringen Kosten für das Zusatzventil lassen sich noch weiter reduzieren, wenn man unter Verzicht auf die freie Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung 20 das Kühlmittel selbst zur Ansteuerung einer Druckdose verwendet, welche dann z.B. über ein Gestänge das Ventil direkt ansteuert. Bei Überschreitung eines bestimmten Drucks verschiebt das einströmende Kühlwasser die Membrane der Druckdose gegen eine Federkraft einschließlich des Umgebungsdrucks oder des Dosen-Innendrucks und öffnet so das Zusatzventil 6bv. Eine derartige Ausgestaltung hat im Gegensatz zu konventionellen Temperaturüberwachungen den Vorteil, dass nicht eine einzige lokale Übertemperatur überwacht wird, sondern an beliebiger Stelle entstehender Dampf zu einer Druckerhöhung führt und damit letztlich das Ventil öffnet. Gleichzeitig öffnet das Ventil bei geeigneter Einbauposition mit hohem statischem Druck unabhängig von der Temperatur auch bei hohem Druck der durch hohe Motor- und damit Pumpendrehzahl entsteht. Mit anderen Worten, speziell im Bereich der Nennleistung besteht keine Fehlermöglichkeit durch falsche Temperaturinformationen. Darüber hinaus wird damit auch das Kavitationsrisiko der Motorkühlmittelpumpe bei hoher Drehzahl ausgeschaltet.
Speziell der Sachverhalt, dass über eine einzige Kühlmitteldruckleitung und mit einem einzigen autarken Bauteil einerseits die lokale Motorüberhitzung überwacht wird und andererseits über den von der Motorkühlmittelpumpe überlagerten Druck das Kavitationsrisiko beseitigt, ist ein ganz besonders hilfreicher Aspekt des direkt vom Überdruck angesteuerten Zusatzventils 6bv. Dabei wird einerseits sichergestellt, dass bei hoher Motordrehzahl unabhängig von der Motorlast sehr schnell ein Öffnen des Zusatzventils erfolgt und Kavitation vermieden wird, andererseits wird im teillasttypischen Motorkennfeldbereich primär die Kühlung auf ein Mindestmaß begrenzt und gleichzeitig thermisch abgesichert.
Darüber hinaus trägt ein derartiges Ventil zwangsläufig der Tatsache Rechnung, dass bei Annäherung an die Nennleistung und das Nenndrehmoment - diese liegen bei Kfz-typischen Motoren i.a. bei relativ hohen Motordrehzahlen an - sofort mit offenem Zusatzventil 6bv gefahren wird und dass das Zusatzventil selbst bei Teilöffnung des Kühlers 8 offen bleibt.
In der besonders bevorzugten und angesichts der hohen spezifischen Leistungen zukünftiger Motoren mittel- bis langfristig auch weitgehend unumgänglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit konventionellem im Thermostaten 6 integriertem Zweitellerventil für gegensinniges Schließen und Öffnen von Kühlerzweig 6a und Bypasszweig 6b sowie mit Zusatzventil 6bv im Bypasszweig, wird sich z.B. das Zusatzventil 6bv gemäß 10 auch bei geschlossenem Bypassteller des Thermostaten 6, d.h. wenn der Großteil des Kühlmittels über den Kühlerzweig 6a strömt, nicht wieder schließen, da die Entnahmeposition des Steuerdrucks 103 an einer Stelle hohen statischen Drucks liegt, z.B. am Wassermantel des Zylinderblocks oder z.B. in der gemäß 12 stets von einem relativ hohen Druck beaufschlagten Kühlerleitung 6a stromauf des Fahrzeugkühlers und des Zusatzventils 6bv. Die Steuerleitung 20b ist in 12 gestrichelt dargestellt, obwohl diese auch eine Kühlmittelleitung ist, um zu symbolisieren, dass es sich hier lediglich um eine Steuerleitung handelt die in der Druckdose 100 des Zusatzventils 6bv endet.
Wie bereits bei der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung 20 hat die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch hier den besonderen Vorteil, dass durch die weitgehende Trennung der Funktionen des Thermostaten 6 von den Aufgaben des Zusatzventils 6bv bereits eine grobe Auf/Zu-Ansteuerung ausreicht. Diese Funktionstrennung ist nicht nur wichtig, um die Kosten für das Ventil 6bv und deren Ansteuerung zu senken, sondern sie ermöglicht es erst, mit der relativ groben Direktansteuerung über den Kühlmitteldruck dennoch eine brauchbare Temperaturregelung zu realisieren. Kurzfristige Druckspitzen öffnen dabei zwar gegebenenfalls den Bypasszweig 6bv, doch zu Thermoschockeffekten mit Einströmung sehr kalten Kühlmittels aus dem zuvor geschlossenen Kühlerkreis kommt es dennoch nicht, weil der Thermostat 6 dies nicht zulässt. Kurzfristige Druckspitzen werden vielfach weggedämpft, d.h. das Zusatzventil schließt sehr schnell wieder, ohne dass es zu einem Öffnen des Thermostaten 6 kommt. Dies liegt insbesondere daran, dass mit dem Öffnen des Zusatzventils 6bv der Anteil der Kühlmittelpumpe 7 am Steuerdruck i.a. unmittelbar abnimmt und zusätzlich die lokale Dampfblasenbildung durch den höheren Wärmeübergangskoeffizienten reduziert wird.
Im Vergleich zu bekannten Wärmemanagementlösungen, die den Thermostaten 6 durch einen von der Motorsteuerung angesteuerten Drehschieber mit präziser Positioniervorrichtung ersetzen und mit Hilfe der Motorkühlmitteltemperatur und/oder thermischen Modellen ansteuern, bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur eine drastische Verringerung des Bauteil- und Applikationsaufwandes, sondern auch einen drastischen Gewinn an Betriebssicherheit. Selbst wenn Alternativverfahren dazu übergehen, mit Hilfe von Kühlmitteldrucksensoren am Pumpen- oder Motoraustritt auch Motorsteuerungsinformationen bezüglich lokaler Bauteilüberhitzung und potentielle Kavitationsrandbedingungen zu erfassen, stellt die Anpassung der Dosiergenauigkeit und -geschwindigkeit eine weitaus größere Herausforderung dar als beim erfindungsgemäßen Verfahren.
Analoges gilt für alle Versuche, mittels Druckdosen o.ä., welche direkt auf den Drehschieber oder den Dehnstoffthermostaten 6 einwirken und insbesondere sich dem Ausdehnverhalten des Dehnstoffelementes überlagern, eine ähnlich gutmütige Sicherheitsüberwachung zu realisieren wie mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. Die Wahrscheinlichkeit, dass Druckspitzen temporär den Kühlerzweig 6a ungewollt öffnen ist bei diesen Alternativverfahren extrem hoch und bedeutet im günstigsten Fall nur eine Einbuße an Kraftstoffverbrauch und Heizkomfort, weil zusätzlich Wärme über den Kühler verloren geht bzw. plötzlich Kaltwasser am Heizungswärmetauscher 4 anliegt. Im ungünstigsten Fall kann eine häufige Thermoschock-Wechselbeanspruchung aber auch die Motorlebensdauer herabsetzen.
Der Vergleich des Kühlmitteldrucks mit dem Umgebungsdruck zuzüglich einer Vorspannkraft bzw. das direkte Arbeiten mit einer Absolutdruck-Dose ist vor diesem Hintergrund eine durchaus ernst zu nehmende Alternative zur Ansteuerung mittels der Motorsteuerung, ganz speziell weil eine einfache Nachrüstung an bereits bestehenden Motorkühlsystemen möglich ist.
Auch wenn die freie Ansteuerbarkeit des Zusatzventils 6bv mit Ansteuerung über die Motorsteuerung 20 angesichts der besseren Abstimmmöglichkeiten etwas mehr Kraftstoffeinsparpotenzial verspricht, sind diese extrem geringen Kosten des direkt druckbetätigten Ventils sehr attraktiv.
Als Zusatzventile 6bv mit direkter Ansteuerung über den Kühlmitteldruck lassen sich besonders kosteneffektiv Heizungsventile mit Vakuumaktuatoren zweckentfremden, bei denen anstelle des Luft-Vakuums der Kühlmittelsteuerdruck an die ursprüngliche Vakuumdose angelegt wird, mit Anpassung der Vorspannkraft derart, dass der Überdruck und nicht der Unterdruck zur Bewegung des Ventilkörpers führt. Eine entsprechende Federkraft kann wahlweise in die Membrane 101 integriert sein, so wie in 10, oder es kann eine Feder auf die Membrane 101 einwirken, so dass der Ventilkörper 106 erst bei Überschreiten des atmosphärischen Druck um einen definierten Wert von beispielsweise 0,4 bar öffnet.
Das Arbeiten unter atmosphärischem Druck auf der einen Seite der Membran hat dabei den besonderen Vorteil der Einfachheit. Angesichts der zulässigen Bandbreite des Drucks bis zum Öffnen, spielt die naturgemäße Variation des Umgebungsdrucks nur eine untergeordnete Rolle. Speziell in höheren geographischen Lagen öffnet das Ventil angesichts des geringeren atmosphärischen Drucks etwas früher, was angesichts der ohnehin etwas kühlungskritischeren Bergfahrt durchaus erwünscht ist. Falls dieser Umgebungsdruckeffekt unerwünscht ist, kann aber auch problemlos eine Absolutdruckdose verwendet werden, bei der z.B. ein definierter Absolutdruck von Luft zuzüglich einer Federdruckkraft in der einen Kammer auf die Membrane 101 wirkt und der Kühlmitteldruck 103 in der andern Kammer. Der Aufwand, um z.B. den Stößel 104 mit einem zusätzlichen Gummifaltenbalg o.ä. gegen die Druckkammer abzudichten, hält sich dabei durchaus in akzeptablen Grenzen.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer el. Zusatzpumpe 2 anwenden, mit Platzierung der beiden Heizungswärmetauscheranschlüsse stromauf des Zusatzventils 6bv und auf der Druckseite der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpenaustritt oder unten am Wassermantel der Zylinderlaufbahn. Entsprechende Beispiele sind in 3-6 gezeigt.
Bei geschlossenem Zusatzventil 6bv, d.h. geschlossenem Bypasszweig 6b und geschlossenem Kühlerzweig 6a stellt sich dabei eine Druckdifferenz Null am Heizungswärmetauscher 4 ein, ebenso wie im Entlüftungszweig 9a und innerhalb des Motors 1. Hier lässt sich durch Öffnen und Schließen des Auf/Zu-Zusatzventils 6bv verbunden mit Ein- und Ausschalten der el. Zusatzpumpe 2 zwischen kraftstoffverbrauchsorientierten Einstellungen mit und ohne Heizung sowie einer Einstellung mit hohem Kühlbedarf mit geöffnetem Zusatzventil 6bv umschalten. Dabei ist bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und bei geschlossenem Kühlerzweig 6a insbesondere die Förderrichtung durch den Motor mittels Umpolung der el. Zusatzpumpe frei wählbar. Die hieran - je nach Motorabwärmeangebot und Heizleistungsbedarf für die Fahrerkabine - gekoppelten spezifischen Vorteile und die damit verbundnen zusätzlichen Kraftstoffeinsparpotentiale mit und ohne Heizung werden später noch detailliert an Ausführungsbeispielen beschrieben. Und selbst wenn die el. Pumpe 2 eingespart werden soll, kann auch mit diesen Anordnungen noch ein Teil des Kraftstoffeinsparpotentials des erfindungsgemäßen Verfahrens umgesetzt werden, weil es insbesondere möglich ist, den Kühlmitteldurchfluss durch den Motor komplett zu unterbinden indem das Zusatzventil 6bv schließt und bei Bedarf durch Öffnen des Zusatzventils 6bv auf konventionellen Kühl-, Heiz- und Entlüftungsbetrieb umzuschalten.
Zur weiteren Vertiefung des erfindungsgemäßen Gedankenguts werden nachfolgend einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen noch einmal etwas detaillierter anhand der exemplarischen Kühl- und Heizkreisläufe in 2- 6 beschrieben.
Hierzu erhält die Ausgestaltung gemäß 2 insbesondere die folgenden Bauteile und Eigenschaften:

Der Kühlkreislauf mit Brennkraftmaschine 1 umfasst u.a. einen Heizungswärmetauscher 4, einen doppelt wirkendem Dehnstoffthermostaten 6 mit Bypassteller und Kühlerteller, Motorkühlmittelpumpe 7, Zusatzventil 6bv, Ölkühler 40, Motorsteuerung 20, Ausgleichsbehälter 9 sowie Fahrzeugkühler 8.
Der Fokus liegt hier zunächst auf der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs mit minimalen Änderungen an heute auf dem Markt anzutreffenden Kfz. Im einfachsten Fall beschränken sich die Änderungen auf die Verlegung des Heizungsrücklaufs an eine Position hinter dem Dehnstoffthermostaten 6 und vor der Motorkühlmittelpumpe 7, die Einfügung eines druckverlustarmen Zusatzventils 6bv, welches bei erhöhtem Kühlbedarf geöffnet wird sowie gegebenenfalls eine Anpassung der Durchflussrate durch den Heizungswärmetauscher, derart, dass der Durchfluss durch den Heizungszweig 4a bei geöffnetem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerzweig 6a nur einen Bruchteil des Kühlmittelstroms im Bypasszweig 6b beträgt. Diese Abstimmung ist insbesondere vorteilhaft, um schnelle Reaktionszeiten beim Übergang auf hohen Kühlbedarf zu erzielen und um eine hohe Regelgüte unter Einhaltung der Thermostatsolltemperatur bei hohem Kühlbedarf sicherzustellen. Ein zu hoher Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig würde bei Motorvolllast und ausgeschalteter Heizung zwangsläufig zu einer Anhebung der effektiven Thermostat-Nenntemperatur führen, da ein Teil des umlaufenden Kühlmittels nicht in den Regelkreis des Dehnstoffthermostaten 6 miteinbezogen ist.
Dies sei nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht: Bei vielen Motoren liegt bei geschlossenem Kühlerkreis 6a das Verhältnis Bypassstrom 6b zu Heizungsstrom 4a in der Größenordnung 3,5 zu 1. Je nach Motorbetriebszustand liegen dabei i.a. Kühlmitteltemperaturdifferenzen zwischen Motorein- und Motoraustritt bis zu 6K vor, teilweise sogar bis zu 10K und mehr. Die erfindungsgemäße Zumischung von Kühlmittel stromab des Dehnstoffthermostaten 6, welches z.B. 10K wärmer ist als die Thermostatöffnungstemperatur, würde sich bei dem Verhältnis Bypasskühlmittelstrom zu Heizungskühlmittelstrom von 3,5 zu 1 wie eine Anhebung der effektiven Thermostatöffnungstemperatur um etwas mehr als 2 K auswirken. Bis zu mittleren spezifischen Motorleistungen ist dies noch akzeptabel, bei Hochleistungsturbomotoren vielfach jedoch bereits kritisch, so dass für diese Motorenbauart gegebenenfalls eine Reduktion des heizungsseitigen Kühlmittelstroms vorgenommen werden muss. Dies kann bereits in der Basisauslegung des Heizungszweigs erfolgen, unter Reduktion der Leitungsquerschnitte oder mittels Erhöhung des Druckverlustes im Heizungswärmetauscher bzw. in Verbindung mit einem aus heizungstechnischer Sicht ohnehin besonders vorteilhaften Wärmetauscher in Gegenstrombauart.

Die besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Heizkreislaufs derart, dass bei geschlossenem Thermostaten und voll geöffnetem Bypasszweig 80% oder mehr des motorinternen Kühlmitteldurchsatzes durch den Bypasszweig 6b gehen, befreit den Anwender insbesondere von der Notwendigkeit für diese Problematik eine spezielle fahrzeugspezifische Abstimmungsstrategie anzuwenden.
Ist bereits ein zusätzliches Ventil im Heizungskreislauf verfügbar, z.B. bei Fahrzeugen mit wasserseitiger Regelung der Kabinenheizung oder um bei luftseitiger Regelung die ungewollte Erwärmung der Kabinenluft beim Betrieb ohne Heizung zu unterbinden, so ist es insbesondere vorteilhaft, zur Absenkung der effektiven Thermostatöffnungstemperatur mit diesem heizungsseitigen Ventil den Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig zu drosseln oder ganz zu unterbinden.
Die Ansteuerung des Zusatzventils 6bv und gegebenenfalls eines zusätzlichen Ventils im Heizungszweigs kann beispielsweise von der Motorsteuerung 20 erfolgen, welche über den Temperatursensor 20a den Kühlbedarf ermittelt. Gegebenenfalls wird zusätzlich ein thermisches Modell hinterlegt, welches z.B. anhand der in der zurückgelegten Wegstrecke integrierten Verläufe der Motorlast und Motordrehzahl sowie deren Momentanwerte festlegt, welche Betriebsart des Zusatzventils 6bv gewählt wird.
Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv wird das Kühlmittel gemäß 2 von der Motorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert und strömt über das Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b zum konventionellen Dehnstoffthermostaten 6. Während des Warmlaufs verschließt der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten den Kühlerkreislauf 6a während der bypassseitige Teller geöffnet ist. Die Entlüftungsleitung 9a des Ausgleichsbehälters 9 ist stromab des Zusatzventils 6bv angeschlossen. Vom Ausgleichsbehälter strömt das Kühlmittel gemeinsam mit dem Wasser des Ölkühlerrücklaufs in den Bypassthermostaten 6. Da ein konventioneller Bypassthermostat 6 verwendet wird, ist diese bei konventionellen Kühlsystemen üblicherweise für den Heizungsrücklauf verwendete Leitung bei geöffnetem wie bei geschlossenem Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe 7 hin offen. Stromauf des Zusatzventils 6bv wird das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a entnommen. Der Heizungswärmetauscher 4 ist bei dieser Einstellung in herkömmlicher Weise durchströmt. Solange das Zusatzventil 6bv im geöffneten Zustand nur einen relativ kleinen Druckverlust erzeugt, muss zum Erzielen der vollen Heizleistung keine weitere Umgestaltung der Bauteile vorgenommen werden. Bevorzugt kommt deshalb als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz, der im geöffneten Zustand den vollen Kanalquerschnitt der Bypassleitung 6b freigibt. Da der Drehschieber nur auf/zu betätigt wird, ist dieser sehr einfach und preiswert herstellbar, am einfachsten mit einem Vakuum-Aktuator der über ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Magnetventil mit Unterdruck versorgt wird.
Im Warmlauf ohne Kabinenheizbedarf wird bei geringer bis mittlerer Motorlast das Zusatzventil 6bv durch die Motorsteuerung 20 geschlossen. Damit ist nicht nur der Bypasskreislauf 6b unterbrochen sondern auch der Entlüftungskreislauf 9a, der Kühlerkreislauf 6a und die Durchströmung des Ölkühlers 40. Mit dem auf den Durchfluss im Heizungszweig reduzierten Kühlmitteldurchsatz sinkt in bekannter Weise der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient im Motor und es steigt die motorinterne Kühlmittel- und Bauteiltemperatur. Die Reduktion der Reibleistung durch eine wärmere Zylinderlaufbahn, etwas geringere Antriebsleistung der Motorkühlmittelpumpe, wärmeres Öl und bei Ottomotoren die thermische Entdrosselung der Ansaugluft führen dann letztlich zu der charakteristischen Kraftstoffeinsparung dieser Wärmemanagementmaßnahme. Solange über geeignete Sensoren bzw. thermische Modelle ein Überhitzen des Motors sichergestellt ist, kann das Zusatzventil 6bv geschlossen bleiben. Ist wegen zu hoher Pumpendrehzahl mit Kavitation an der Kühlmittelpumpe 7 zu rechnen, so öffnet die Motorsteuerung 20 das Zusatzventil 6bv. Ebenso bei zu hoher thermischer Last oder bei Motor-Vollast. Die hohe Stellgeschwindigkeit des Zusatzventils 6bv im Vergleich zur potenziellen Alternative „El. Thermostat“ erweitert hier den Spielraum bis zum ersten Öffnen des Thermostaten erheblich. Dabei sind je nach Brennkraftmaschinenbauart verschiedene Strategien bis zum ersten Öffnen des Zusatzventils vorteilhaft.
Die einfachste Strategie ist möglichst lange zu warten, bis das Zusatzventil 6bv öffnet und den Bypasszweig nebst Ölkühler sowie den Entlüftungskreislauf einbindet und gegebenenfalls den Kühlerkreislauf etwas öffnet. Dabei kann es zur besseren Entlüftung vorteilhaft sein, die ersten Sekunden des Warmlaufs noch mit geöffnetem Zusatzventil 6bv zu arbeiten.
Es kann insbesondere aber auch vorteilhaft sein, das Zusatzventil 6bv zunächst geschlossen zu halten, dann bei Erreichen einer ersten Temperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur das Zusatzventil zu öffnen, so dass sich ein erster Temperaturausgleich im Bypass- und Heizungszweig einstellt und sich am Ölkühler 40 eine Wärmeübertragung vom Wasser ans Öl einstellt. Gegebenfalls muss hier der Durchfluss in der Entlüftungsleitung durch eine fest eingebaute Drosselstelle zusätzlich gedrosselt werden.
Solange keinerlei Strömung im Bypasszweig 6b vorliegt, besteht keine Gefahr, dass ein Teil des erwärmten Kühlwassers über ein Teilöffnen des Kühlerthermostaten entweicht.
Ein sprungartiges Öffnen des Zusatzventils 6bv führt unmittelbar zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel des Motors und damit zu einer Kühlwirkung. Ein Thermoschock-Risiko besteht dabei nicht, da der Thermostat 6 bei geöffnetem Zusatzventil 6bv in bekannter Weise ein sukzessives Zumischen kalten Kühlwassers aus dem Kühlerzweig sicherstellt.
Gegebenenfalls erfolgt ein getaktetes Öffnen des Zusatzventils 6bv, so dass ein allmähliches Zuschalten des Kühlers realisierbar ist. Auf diesem Wege lassen sich auch noch bei Wärmeabfuhr über den Kühler 8 erhöhte Bauteiltemperaturen realisieren.
Dabei nimmt das erfindungsgemäße Vorgehen gemäß 2 nicht in Anspruch, der thermodynamisch beste Weg zu sein. Vielmehr ist hier stets das Verhältnis von Kosten zu Nutzen zu sehen. Speziell wenn der Kraftstoffverbrauch ohne zusätzliche Ansprüche an die Heizwirkung im Vordergrund stehen, ist das erfindungsgemäße Vorgehen bereits ohne den Einsatz von Spezialheizungswärmetauschern für geringeren Durchfluss vorteilhaft.
Das Schließen des Zusatzventils 6bv bewirkt je nach Fördercharakteristik der Motorkühlmittelpumpe 7 eine gewisse Druckerhöhung und damit einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher 4. Frühere Bemühungen verschiedenster Patentanmeldungen konzentrierten sich darauf, damit eine Verbesserung des Heizungswärmetauscherwirkungsgrades zu bewirken. Sowohl der Druckgewinn als auch die Verbesserung des Heizungswärmetauscherwirkungsgrades ist i.a. aber vergleichsweise gering und rechtfertigen für sich alleine den Aufwand für das Zusatzventil 6bv wohl kaum. Darüber hinaus hat sich inzwischen gezeigt, das es im Gesamtsystem auch bei Fokus auf bessere Heizleistung im Warmlauf und bei Heizleistungsdefizit vielfach günstiger ist, den Heizungswärmetauscher mit geringerem Durchfluss zu betreiben, um die Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren.
Wenn gleichzeitig eine Verbesserung der Heizleistung gefragt ist, so ist es ausgehend von 2 besonders vorteilhaft, das Zusatzventil 6bv zu schließen, gleichzeitig eine Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und den Heizungswärmetauscher vorzunehmen wobei der Heizungswärmetauscher bevorzugt in Gegenstrombauweise auszugestalten ist.
3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer el. Zusatzpumpe 2 im Heizungszweig.
Das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a wird hier hinter der Motorkühlwasserpumpe 7 oder im unteren Bereich des Wassermantels im Motorblock entnommen und strömt bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreislauf 6a über den Zylinderkopf zurück zum Zylinderblock, d.h. die el. Zusatzpumpe 2 invertiert bei geschlossenem Zusatzventil 6bv die Durchströmungsrichtung des Motors 1. Diese Invertierung der Strömung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn am Heizungswärmetauscher 4 Wärme für Heizzwecke entnommen werden muss oder wenn bei Betrieb ohne Heizung nach anfänglich stehendem Kühlwasser eine Homogenisierung der Motortemperatur erforderlich ist. Kaltwasserzonen im besonders reibleistungskritischen Wassermantelbereich entlang der Zylinderlaufbahn werden so abgesaugt, in den Motor zurückgefördertes kaltes Kühlwasser wird am weniger auf kalte Reibflächen sensitiven Zylinderkopf vorgewärmt.
Beim Öffnen des Zusatzventils 6bv fördert die el. Zusatzpumpe gemäß 3 das Kühlmittel mit Unterstützung durch die Motorkühlmittelpumpe 7 durch den Heizungswärmetauscher 4. Die Durchströmungsrichtung des Motors ist nun wieder vom Block zum Kopf, da die hohe Förderleistung der Motorkühlmittelpumpe 7 die Durchflussrichtung bestimmt. Speziell bei Anwendungen mit Gegenstromheizungswärmetauscher und besonders geringem Kühlmittelvolumenstrom im Bereich von 2 l/min und weniger, mit vergleichsweise geringer el. Antriebsleistung der el. Zusatzpumpe, ist es am einfachsten, die el. Pumpe einfach weiterlaufen zulassen. Speziell die Auslegung auf relativ geringen Kühlmittelstrom durch den Heizungswärmetauscher stellt sicher, dass der nicht durch den gesamten Motor geförderte Heizungskühlmittelvolumenstrom nicht zu einem Vollast-Kühldefizit der Brennkraftmaschine führt.
Von besonderem Vorteil ist es bei dieser Ausgestaltung gemäß 3, dass die Förderrichtung der el. Pumpe 2 bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreis je nach Anforderung bezüglich Heizen, Kühlen und Heißkühlen umgedreht werden kann. Insbesondere bei Verdrängerpumpen und Axial-Impellerpumpen kann dies einfach durch Umkehren der Pumpendrehrichtung erfolgen, so wie in 4 gezeigt.
Mit Blick auf das Kosteneinsparpotenzial bei Verwendung bereits verfügbarer Serienbauteile ist es aber durchaus auch möglich, bei der el. Zusatzpumpe 2 keine Neukonstruktion zu verwenden. Um Kraftstoffverbrauchsvorteile mit besonders kostengünstigen konventionellen Kfz-Heizungspumpen, insbesondere mit Radial-Impellerpumpen, zu realisieren, kann die Umkehrung der Strömungsrichtung von invertierter Motordurchströmung auf normale Motordurchströmung bei einer Anordnung gemäß 3 durch Öffnen des Bypassventils 6bv bei gleichzeitigem Abschalten der el. Zusatzpumpe 2 besonders einfach und kostengünstig erfolgen.
Diese Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 3 bzw. mit umgekehrter Förderrichtung der el. Pumpe in 4 ermöglichen es, mit minimalem Bauteilaufwand sowohl stehendes Kühlwasser innerhalb des Motors als auch eine Durchströmung vom Kopf zum Block als auch die Durchströmung vom Block zum Kopf zu realisieren. In Verbindung mit der el. Ansteuerung des el. Zusatzventils und der el. Zusatzpumpe mittels der Motorsteuerung 20 ergibt sich darüber hinaus eine weitgehend freie Einstellbarkeit der Kühlmittel- bzw. Motorbauteiltemperatur. Das Kosten/Nutzen-Verhältnis in Bezug auf den erzielbaren Kraftstoffverbrauchsvorteil ist damit wesentlich günstiger als bei bisher bekannten Wärmemanagementmaßnahmen. Neben dem Kraftstoffverbrauchsvorteil mit und ohne Heizung kommen in Verbindung mit den heizleistungsorientierten Ergänzungsmaßnahmen weitere Vorteile durch eine verbesserte Heizleistung und gegebenenfalls den Entfall der Kosten für Zuheizmaßnahmen hinzu.
Wenn speziell bei Fahrzeugen der gehobenen Preisklasse vielfach ohnehin eine el. Heizungspumpe zum Einsatz kommt, um bei stehender Brennkraftmaschine durch Umwälzen von Kühlmittel eine Aufrechterhaltung der Kabinenheizung sicherzustellen oder um den Turbolader nach Abstellen des Motors zu kühlen, verbessert sich das Kosten/Nutzen-Verhältnis noch weiter.
Dabei wirkt es sich insbesondere kostensenkend aus, wenn die Umschaltung der Förderrichtung in den Normalbetrieb durch einfaches Abschalten der el. Zusatzpumpe 2 realisiert werden kann, da dann die Lebensdaueranforderungen an die Zusatzpumpe deutlich abgesenkt werden können. Verfügbare Low-Cost-Heizungs- bzw. Turbonachlaufpumpen mit einfachen Bürstenmotoren genügen hier bereits.
Wie bereits beschrieben, ermöglichen sowohl die Ausgestaltung gemäß 3 als gemäß 4 die Einstellung stehenden Kühlmittels, wenn die el. Zusatzpumpe 2 zeitgleich mit dem Schließen des Zusatzventils 6bv mittels der Ansteuerung 20c ausgeschaltet wird. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems bietet den ganz besonderen Vorteil, dass es ermöglicht einerseits mit stehendem Kühlwasser zu arbeiten, andererseits aber auch mit - im Vergleich zum offenen Bypasszweig - geringen Mengen zirkulierenden Kühlwassers. Dies ist insbesondere für Betriebssituationen mit Heizung von Vorteil, da sich nun Vorteile bezüglich Kraftstoffverbrauch und Heizwirkung erzielen lassen. Insbesondere ist es auch möglich, die Kühlmitteltemperaturen durch Zuschalten der el. Zusatzpumpe im Verlauf des Warmlaufs ohne die Gefahr lokaler Überhitzung auf ein noch etwas erhöhtes Niveau anzuheben. Dies gilt für die Einbindung gemäß 3 ebenso wie für die Anordnung gemäß 4 mit umgekehrter Strömungsrichtung. In beiden Fällen besteht bei Durchströmung des Heizungswärmetauschers keine Gefahr, dass der Kühler ungewollt geöffnet wird, weil warmes Kühlmittel entlang des Thermostaten 6 strömt. Darüber hinaus bietet die Einbindung gemäß 3 den Vorteil, dass bei geschlossenem Zusatzventil 6bv eine Durchströmung des Motors vom Kopf zum Block erfolgt. Dies bringt Kraftstoffverbrauchsvorteile beim Zuschalten des anfangs kalten Heizkreislaufs und ganz besonders bei Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher. Diese Vorteile sind zum einen dadurch begründet, dass angesichts der tribologischen Erfordernisse im Zylinderkopf kaltes Kühlmittel weniger schädlich ist als im Bereich der Zylinderlaufbahn. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass gegebenenfalls absinkendes Kaltwasser nicht unten im Wassermantel stehen bleibt sondern abgesaugt wird.
Umgekehrt ist speziell bei erhöhten Anforderungen an die Heizung normalerweise die Ausgestaltung gemäß 4 etwas günstiger, da der Zylinderblock und der Bereich Kurbelwelle/Ölwanne etwas weniger erwärmt werden. Das gilt ganz besonders bei der Einbindung des Ölkühlers 40 gemäß 6, wo das am Heizungswärmetauscher 4 abgekühlte Kühlwasser dem Öl zusätzlich Wärme entzieht. Speziell bei relativ geringem Durchfluss durch den Heizungswärmetauscher sind die hier in Richtung besserer Heizwirkung übertragenen Wärmemengen durchaus signifikant. Die Einbindung stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 hat den ganz besonderen Vorteil, dass bei geschlossenem Zusatzventil 6bv die Strömung durch den Motor sehr leicht zwischen dem Zustand gemäß 5 und 6 umgeschaltet werden kann, d.h. es kann sehr leicht zwischen einer heizleistungsorientierten und einer mehr kraftstoffverbrauchsoptimierten Betriebsart umgeschaltet werden. Es genügt hierzu eine einfache Umpolung der el. Zusatzpumpe 2. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, die Zusatzpumpe 2 als Zahnradpumpe, G-Rotor-Pumpe oder Axial-Impellerpumpe auszugestalten, da bei diesen Pumpen prinzipbedingt eine Umkehrung der Förderrichtung sehr einfach ist. Solange das Zusatzventil 6bv geschlossen bleibt, ist der erforderliche Druck der el. Zusatzpumpe 2 für beide Strömungsrichtungen durch den Heizungswärmetauscher annähernd gleich. Dabei spielt es keine Rolle, wie schnell sich die Motorkühlmittelpumpe 7 dreht. Dies vereinfacht insbesondere die Verwirklichung von Durchflusskontrollstrategien durch den Motor bzw. durch den Heizungswärmetauscher erheblich, was sowohl für einen Betrieb in Richtung besserer Heizleistung sehr hilfreich ist aber auch für den Betrieb in Richtung besseren Kraftstoffverbrauchs.
Eine Durchflussstrategie für die gleichzeitige Verbesserung von Heizleistung und Kraftstoffverbrauch unter Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß 6 und 5 könnte damit z.B. folgendermaßen besonders vorteilhaft ausgestaltet werden:

Bei einem Kaltstart bei -10°C Umgebungstemperatur und 50 km/h, d.h. bei rel. geringer Motorlast, wird in einem ersten Schritt das Zusatzventil 6bv geschlossen, die el. Zusatzpumpe fördert das Kühlmittel in der in 6 gezeigten Richtung. Damit wird ein sicheres Defrosten der Windschutzscheiben sichergestellt bzw. ein Beschlagen der Scheiben wird vermieden. Nach Erreichen einer Mindest-Kühlmitteltemperatur wird dann die Gebläseleistung allmählich hochgefahren, so dass der Luftmassenstrom in die Fahrerkabine hinein steigt, wobei gleichzeitig die Luftströmung nun nicht mehr primär durch die Defrosterdüsen geleitet wird, sondern auch in Richtung Fußraum und gegebenenfalls in Richtung Mannanströmer.
Dabei ist es zur Maximierung der Kabinenheizwirkung vorteilhaft, wenn der Kühlmittelmassenstrom durch den Heizungswärmetauscher 4 so eingestellt wird, dass die Kühlmitteltemperatur an dessen Austritt spürbar unterhalb der Öltemperatur des durch den Ölkühler 40 strömenden Motoröls liegt. Je besser der Wärmenutzungsgrad des Heizungswärmetauschers bei relativ geringen Kühlmitteldurchflüssen ist, desto mehr Wärme lässt sich auf diesem Umweg über die Abkühlung des Motoröls für Heizzwecke gewinnen. Die reduzierten Wärmeverluste an die Umgebung überkompensieren bei sorgfältiger Abstimmung von Kühlmittevolumenstrom und Heizungswärmetauscherwirkungsgrad die Einbußen an Heizungswärmetauscherwirkungsgrad bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes. Für maximale Heizleistung ist es dabei insbesondere vorteilhaft, Heizungswärmetauscher in Gegenstrombauart zu verwenden, da diese bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes wesentlich weniger Wirkungsgradeinbuße haben als konventionelle Kreuzstromwärmetauscher.
Wenn in der Fahrerkabine die gewünschte Innenraumtemperatur erreicht ist, verhindert die luftseitige Regelklappe 5, dass die Innenraumtemperatur im Fahrzeug weiter ansteigt, indem ein Teil der in die Kabine geförderten Frischluft am Heizungswärmetauscher 4 vorbei geleitet wird.
Damit steigt die Kühlmitteltemperatur am Heizungswärmetauscheraustritt und dem Öl wird weniger oder gar keine Wärme mehr entzogen. Im weiteren Verlauf der Fahrt wird i.a. die Kühlmitteltemperatur weiter steigen, speziell wenn die am Heizungswärmetauscher entnommene Wärmemenge bei warmem Innenraum zusätzlich durch ein Zurücknehmen der Gebläseleistung abnimmt. Doch auch wenn das Kühlmittel mit Temperaturen oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 88°C aus dem Heizungswärmetauscher bzw. dem Ölkühler zum Motor zurückströmt bleibt der Thermostat 6 geschlossen, da das Kühlmittel nicht entlang des Dehnstoffelementes strömt. Damit wird sichergestellt, dass nicht unbeabsichtigt Wärme über den Kühler 8 abgegeben wird, bevor eine vollständige Erwärmung des Motors einschließlich des Kühlwassers und des Öls erfolgt ist. Optional kann die el. Pumpe 2 nach Erreichen der gewünschten Innenraumtemperatur in der Förderleistung erhöht werden, um den Wärmeeintrag ins Motoröl dadurch zu erhöhen, dass das Kühlwasser wärmer am Ölkühler ankommt und gleichzeitig innerhalb des Ölkühlers ein etwas besserer Wärmeübergangskoeffizient vorliegt. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, weil mit Annäherung an kritische Bauteiltemperaturen bzw. an den kritischen Kühlsystemdruck eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Motors anzustreben ist.
Sobald die Motorlast bzw. die Kühlmitteltemperatur oder die Bauteiltemperatur oder der Kühlmitteldruck einen kritischen Wert überschreitet, öffnet das Zusatzventil 6bv. Damit strömt unmittelbar ein sehr hoher Kühlmittelstrom durch den Bypasszweig 6b und durch den Motor und sorgt für einen Temperaturausgleich. Gegebenfalls öffnet das nun von warmem Kühlmittel umströmte Dehnstoffelement des Thermostaten 6 den Kühlerkreislauf 6a und regelt auf die Thermostat-Solltemperatur von z.B. 88°C. In vielen Fällen wird es mit Blick auf einen optimalen Kraftstoffverbrauch vorteilhaft sein, das Zusatzventil 6bv nach kurzer Zeit wieder zu schließen, da die wärmeaktiven Massen im Ausgleichsbehälter und im Bypasszweig bereits reichen, um thermische Lastspitzen wegzudämpfen. Gegebenenfalls kann eine Ein/Aus-Regelung noch etwas an Kraftstoffverbrauchsvorteil nutzen, da die zeitlich mittlere Motorkühlmitteltemperatur dadurch oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur liegt.

Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv ist es bei der Anwendung gemäß 6 wichtig, dass die el. Zusatzpumpe 2 in der Lage ist, auch gegen die Druckdifferenz, die der bei geöffnetem Zusatzventil 6bv sehr hohe Kühlmitteldurchsatz durch den Motor dem Heizungswärmetauscherkreislauf 4a aufprägt, zu fördern. Das ist aber mit relativ geringem Aufwand realisierbar, zumal die el. Zusatzpumpe nur relativ wenig Kühlmittel durch die Heizung fördern muss.
Die bisherigen Ausführungen zu 6 konzentrierten sich insbesondere auf die Aufgabenstellung „Beste Heizwirkung“. Gleichzeitig kann aber die Ausgestaltung gemäß 6 durch einfaches Umpolen der el. Zusatzpumpe zum Kreislauf gemäß 5 umgeschaltet werden und dann als kraftstoffverbrauchsoptimiertes System arbeiten. Dies ist immer dann von ganz besonderem Interesse, wenn die Erfordernisse der Kabinenheizung relativ leicht zu erfüllen sind, d.h. bei geringem Heizbedarf oder überschüssiger Motorabwärme. Auch wenn in solchen Betriebssituationen bereits ohne Umpolung der el. Zusatzpumpe 2 Kraftstoffeinsparungen realisierbar sind, so führt die Umpolung doch zu einem zusätzlichen Reibleistungsvorteil, da nun das kalte Kühlmittel zuerst durch den Zylinderkopf strömt und vorgewärmt zum Wassermantel der Zylinderlaufbahn gelangt. Weitere Reibleistungsvorteile ergeben sich durch das Absaugen kalter Kühlwasserzonen im unteren Bereich der Zylinderlaufbahn und die Homogenisierung der Kühlmittel- und Öltemperaturen im Ölkühler 40.
Bei erhöhtem Kühlbedarf öffnet auch bei dieser Anwendung gemäß 5 und 6 das Zusatzventil 6bv und sorgt für eine sichere Wärmeabfuhr über den Kühler 8. In der besonders vorteilhaften Anwendung mit el. Impeller-Zusatzpumpe 2 kann in dieser Betriebsart gegebenenfalls auf den el. Antrieb verzichtet werden, da diese angesichts des anliegenden Druckgefälles und der geringen Kühlmittelviskosität bei hohen Kühlmitteltemperaturen frei mitläuft bzw. durchströmt wird. Dies schont die el. Zusatzpumpe.
Die Anordnung gemäß 5 und 6 bietet hier den ganz besonderen Vorteil, dass selbst bei Ausfall der el. Impeller-Zusatzpumpe 2 noch der heute übliche Heizkomfort realisiert werden kann, indem einfach das Zusatzventil 6bv geöffnet wird.
Zusatzventile 6bv zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits am Markt verfügbar. Besonders zu bevorzugen sind hier einfache Auf/Zu-Ventile mit Vakuumdose oder mit Magnet als Aktuator.
Eine zusätzliche Absicherung bzw. Überwachung der Ventilposition ist angesichts der ohnehin vorhandenen Überwachung der Kühlwasser- oder Bauteiltemperatur mittels der Motorsteuerung 20 eigentlich nicht notwendig. Dies gilt insbesondere, wenn die Ventilstellung „Offen bei Ausfall der Aktuatorenergie“ als Grundeinstellung gewählt wird, was bei Magnet- bzw. Vakuumaktuatoren kostenneutral möglich ist. Dennoch ist, insbesondere als redundante Absicherung bei den ersten Serienanwendungen, ein Zusatzventil mit Sicherheits-Dehnstoffelement 6bs besonders vorteilhaft, so wie in 7 exemplarisch gezeigt. Hier steuert die Leitung 63 den Elektromagneten 6bf an und öffnet bei el. Bestromung den Teller 6bv gegen die Kraft der Feder 62. Liegt bei hoher Motordrehzahl ein zu großer Unterdruck an, so wird der Teller 6bv aufgesaugt. Ebenso öffnet der Teller 6bv, wenn der Stempel 66 des Sicherheits-Dehnstoffelements 6bs seine Grenztemperatur von beispielsweise 105°C überschreitet. Diese Sicherheitsfunktionalitäten sind hier exemplarisch an einem Tellerventil gezeigt. In analoger Weise können diese aber auch an einem Drehschieber bzw. Walzen- oder Kugelventil mit externer Hebelmechanik verwirklicht werden. Gegebenfalls muss das Dehnstoffelement dann etwas in das Kühlwasser hineinragen oder eine durchströmte Kühlwasserverbindung zum Dehnstoffelement hergestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Ausführung gemäß 8, bei der anstelle eines Dehnstoffelements ein von einem charakteristischen Kühlwasserdruck mit der Leitung 69 beaufschlagter Aktuator 6bx über einen Hubkolben oder eine Membran mit Stößel 66 das Aufdrücken bei Erreichen eines kritischen Zustands autark, d.h. unter Übersteuerung der Motorsteuerung übernimmt. Wesentlich ist hierbei, dass die dem Kühlmitteldruck entgegenwirkende Seite der Membran bzw. des Hubkolbens so mit einer Federkraft und/oder einem Druck beaufschlagt wird, dass das System erst bei einem Steuerdruck 69 reagiert, der hinreichend über dem atmosphärischen Druck liegt. Steuerdruckwerte zwischen 1,3 und 1,8 bar Absolutdruck haben sich bei heutigen Kühlsystemen mit Öffnungsdrücken des Überdruckdeckels am Ausgleichsbehälter 9 von üblicherweise 2,4-2,6 bar Absolutdruck als gut geeignet gezeigt.
Beim Ventil gemäß 8 ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Einbauposition relativ frei wählbar ist. Bevorzugte Position der Druckentnahme ist dabei der Nahbereich nach dem Motorkühlmittelpumpenaustritt oder der Motorblock, aber auch Positionen am Austritt aus dem Motorkopf können bei entsprechender Feinabstimmung verwendet werden. Als besonderes Merkmal wird bei dieser Ausgestaltung nicht eine lokale Temperatur, wie sie z.B. der Kühlmitteltemperatursensor der Motorsteuerung bereits ohnehin erfasst, zur redundanten Absicherung herangezogen, sondern ein integrierendes Signal. Sobald bei hinreichender Befüllung des Kühlsystems mit Kühlwasser an irgendeiner Stelle des Motors Dampfblasen entstehen, wird der damit einhergehende Anstieg des Drucks der Druckentnahmestelle aufgeprägt und führt beim Überschreiten eines kritischen Wertes zum Öffnen des Zusatzventils 6bv. Diese Zweiteilung der Überwachungsprinzipien mit dem Temperatursensor der Motorsteuerung und dem autarken Aktuator mit Druckbeaufschlagung reduziert das Risiko bei einer Nachrüstung in bereits weitgehend fertig entwickelte Kühlkreisläufe auf ein Minimum. Ganz besonders bei den Varianten mit Durchströmung des Motors vom Kopf zum Block bzw. bei Varianten mit Umschaltung der Durchströmungsrichtung wird hierdurch das Fehlerrisiko drastisch gesenkt.
In einem weiterführenden Schritt zeigt 9 ein Zusatzventil, das nicht mehr über die Motorsteuerung 20 angesteuert wird, sondern direkt von einem Kolben, der mit einem charakteristischen Druck 69 des Kühlwasserkreislaufs beaufschlagt wird.
Bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelabsolutdrucks wird hier der Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig geöffnet. Damit wird zwar ein Teil des Kraftstoffverbrauchseinsparpotenzials aufgegeben, da eine optimale Anpassung des Öffnungsdrucks nicht für den ganzen Kennfeldbereich des Motors, der Motorkühlung und des Heizbedarfs möglich ist, die Vorteile bezüglich der Heizung bleiben aber weitestgehend erhalten.
Dem steht durch den Entfall des Magnetventils beim Vakuumaktuator bzw. durch den Entfall des Hubmagneten beim direkt angesteuerten Kühlwassermagnetventil nahezu eine Halbierung der Kosten gegenüber. Das wird besonders an der erfindungsgemäßen Ventilausgestaltung gemäß 10 deutlich:

Das autarke Zusatzventil arbeitet hier mit einem Drehschieber 106, der über den Hebel 105 und den Stößel 104 der externen Überdruckdose 100 angetrieben wird. Der Kühlmitteldruck gelangt über den Anschluss 103 in die Druckdose und öffnet bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft. Ein erheblicher Vorteil ist hier dadurch gegeben, dass es möglich ist, den Drehschieber so zu gestalten, dass sich die Druckverluste nahezu auf die Verluste der Rohrströmung der Zu- und Ableitung 67 und 68 reduzieren. Dies macht insbesondere die nachträgliche Systemintegration des Zusatzventils 6bv sehr einfach. Noch wichtiger ist aber der Vorteil, dass sich bei diesem Aktuator bereits bewährte Fertigungseinrichtungen und Werkzeuge heutiger Serienanwendungen nutzen lassen. Die Ventilkosten werden damit extrem gering und bieten dennoch sowohl die Funktionalität des Schließens im Warmlauf als auch der gleichzeitigen Sicherheitsüberwachung gegen Überhitzen des Motors sowie der Kavitation der Motorkühlmittelpumpe. Noch geringer werden die Kosten, wenn der Steuerdruck direkt am Ventil 6bv stromauf des Ventilkörpers 106 entnommen wird, so wie in 13 gezeigt. Dies ist insbesondere dann oft ohne Probleme realisierbar, wenn nur ein moderater Druckabfall innerhalb der Brennkraftmaschine und der Bypass- bzw- Kühlerverschlauchung auftritt.

Die Ansteuerung über einen charakteristischen Kühlmitteldruck wird insbesondere dadurch begünstigt, dass die Einbindung des Rücklaufs vom Ausgleichsbehälter 9 zum Thermostaten 6 bzw. zur Motorkühlwasserpumpe 7 immer offen ist, so wie in 1-6 gezeigt. Eine Anbindung des Rücklaufs auf der kalten Kühlerseite wäre hier problematischer, da sich die Systemdrücke dann bei geöffnetem und geschlossenem Thermostaten stärker verschieben. Die erfindungsgemäße Einbindung der Entlüftungsleitung 9a hinter dem Zusatzventil 6bv sowie des Rücklaufs vom Ausgleichsbehälter 9 hilft also nicht nur eine erhöhte Kavitationsgefahr der Motorkühlmittelpumpe 7 und die Wärmeverluste des Entlüftungskreises in der Warmlaufphase zu vermeiden, sondern er ist auch hilfreich auf dem Weg zu einer extrem kostengünstigen Zusatzventil-Hardware zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und gegebenenfalls der Heizleistung.
In den allermeisten Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt eine einfache Auf/Zu-Ventilansteuerung des Zusatzventils 6bv. Dies liegt zum einen daran, dass beim Warmlauf und in einem weiten Teillast-Arbeitsbereich bereits die wärmeaktiven Massen des inneren Kühlkreislaufs und die Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher dafür sorgen, dass der Motor nicht überhitzt. Zum andern hilft aber auch das unmittelbare Ansprechen der Kühlwirkung beim schlagartigen Öffnen des Zusatzventils, bereits lange bevor der Kühlerkreislauf öffnet. Eine sehr schnelle Erwärmung des Dehnstoffelements führt bei voller Anströmung des mit deutlich über der Thermostatöffnungstemperatur liegenden Kühlwassers im plötzlich geöffneten Bypasszweig aber gegebenfalls auch schnell auf die bei längerer Volllast erwünschte Absenkung der Kühlmitteltemperatur.
Wird anstelle der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung 20 die erfindungsgemäße Variante mit autarkem Zusatzventil 6bv eingesetzt, insbesondere mit direkter Druckbeaufschlagung des Aktuators, z.B. mit einem Zusatzventil gemäß 10, so geht ein Teil des Spielraums bezüglich des Kraftstoffeinsparpotentials dadurch verloren, dass für den Umschaltvorgang speziell bei langsamer Erwärmung etwas mehr Zeit benötigt wird bzw. dass etwas mehr Sicherheitsabstand zum kritischen Systemdruck gehalten werden muss. Im Gegenzug fallen nicht nur die Kosten dramatisch, ein Teil der Nachteile wird insbesondere dadurch kompensiert, dass die druckbasierte Führung des Bypassventils Einstellungen mit teilgeöffnetem Kühler und insbesondere Betriebssituationen mit angehobener Motorteillast sehr gut regelt und in diesen Betriebssituationen immer noch für ein erhöhtes Bauteiltemperaturniveau der reibleistungsrelevanten Stellen im Motor sorgt. Dies ist zwar prinzipiell auch mit der Auf/Zu-Ansteuerung eines Vakuumventils oder Magnetventils durch die Motorsteuerung möglich, doch ergibt sich daraus ein etwas erhöhter fahrzeugspezifischer Applikationsaufwand des Motors.
Vor diesem Hintergrund und den weiter oben detailliert beschriebenen Wechselwirkungen der direkten Kühlmitteldruckbetätigung des Aktuators, ist das autarke Ventil gemäß 10 durchaus eine attraktive Alternative zum System mit Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung 20.
Neben der spezifischen Anwendung der Ventile gemäß 9 und 10 im Bypasszweig 6b bei einem der erfindungsgemäßen Verfahren, können diese auch - ganz separat vom erfindungsgemäßen Verfahren - in vielen anderen Anwendungen besonders sicher und kosteneffizient zur Abschaltung oder Zuschaltung einzelner Zweige im Kühlsystem beliebiger Brennkraftmaschinen mit flüssigem Kühlmittel verwendet werden. Das ist insbesondere immer dann der Fall, wenn die bei lokalem Überschreiten einer Solltemperatur entstehenden Dampfblasen einen hinreichend hohen Kühlmitteldruck oberhalb des atmosphärischen Drucks erzeugen, so dass der Aktuator den Ventilkörper 106 verschiebt oder wenn bereits eine Schaltung mit erhöhter Motordrehzahl und damit mit erhöhtem Motorkühlmittelpumpendruck ausreicht bzw. angestrebt ist.
Potenzielle Anwendungen sind z.B. die Abschaltung des Ausgleichsbehälters für sich alleine, d.h. ohne gleichzeitige Einbindung des Bypasszweigs 6b, wobei das Ventil direkt in den Entlüftungszweig 9a eingebaut wird und wobei der Kühlmitteldruck zur Ansteuerung des Aktuators am Motoraustritt entnommen wird. So ist es angesichts der geringen Kosten für ein derartiges autark arbeitendes Ventil bereits vorteilhaft, wenn das Ventil lediglich den Rücklauf des Ausgleichbehälters 9 verschließt und so für ein schnelleres Warmlaufen unter anfänglicher Unterbindung des Durchflusses durch den Ausgleichsbehälter 9 sorgt. Ausgehend von 1 würde das z.B. bedeuten, dass das Zusatzventil 6bv entfällt und dass ein direkt vom Druck gesteuertes Ventil im Rücklauf vom Ausgleichbehälter 9 zum Thermostaten 6 angeordnet ist. Durch die extrem geringen Kosten ist diese Maßnahme immer noch vorteilhaft, ein Magnetventil oder ein Ventil mit Vakuumaktuator wäre hier zu teuer im Vergleich zum erzielbaren Nutzen bezüglich des Warmlaufs. Ein als Kostenalternative zunächst denkbares Ventil mit Dehnstoffaktuator hätte in dieser Anwendung den i.a. nicht akzeptablen Nachteil, dass es beim Befüllen des Kühlsystems im Service lange Zeit oder gar permanent geschlossen bliebe und im Gegensatz zum Ventil gemäß 10 nicht durch ein Erhöhen der Motordrehzahl geöffnet werden könnte.
Die geringen Kosten lassen es hierbei durchaus zu, mehrere druckgesteuerte Ventile einzusetzen, gegebenenfalls mit gestaffelten Öffnungsdruckniveaus, wobei speziell der geringe Druckverlust der Variante gemäß 10 sicherstellt, dass keine Nachteile im geöffneten Zustand zu erwarten sind.
Eine solche Anwendung wäre so z.B. die Einbindung des Ölkühlers 40 parallel zum Heizungswärmetauscher 4, wobei der Ölkühler im Warmlauf angesichts des fehlenden Drucks geschlossen ist und bei erhöhter Motordrehzahl und/oder lokaler Dampfblasenbildung bei hoher Systemtemperatur bzw. hohem Systemdruck öffnet. Diese Konfiguration wäre sowohl bei Kühlsystemen mit Bypassthermostat 6 als auch mit Einfachthermostat 6 vorteilhaft, da damit anfangs der Motor und das Kühlwasser schneller aufgeheizt werden und dennoch später der Ölkühler mit eingebunden wird. Daneben ermöglicht ein derartiges Ventil es, speziell die besonders interessanten Anwendungen mit reduziertem Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher 4, ohne Risiko für die Motorlebensdauer auch bei Kühlmittelsystemen ohne Bypasszweig 6b anzuwenden, wie sie bei Motoren relativ kleiner spezifischer Leistung teilweise noch verwendet werden.
Auch bei diesen Anwendungen ist es aus Kosten- und Funktionsgründen vorteilhaft, wenn der mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagte Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelrelativdrucks relativ zum atmosphärischen Druck den Strömungspfad 67,68 durch das Ventil öffnet.
Aber auch ein Arbeiten auf Absolutdruckbasis, d.h. mit verschlossener zweiter Kammer der Druckdose unter definiertem Gas- und Federdruck ist analog zu den bereits weiter oben gemachten Ausführungen mit wenig Mehraufwand möglich. Auch wenn der eigentliche Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen primär ein Schalten bei Kühlmitteldrücken oberhalb des atmosphärischen Drucks vorsieht und bevorzugt mit der zweckentfremdeten konventionellen Vakuummembrandose relativ zum Atmosphärendruck zuzüglich einer Vorspannkraft arbeitet, lässt sich mit Hilfe der beschriebenen Absolutdruckdose bei Bedarf auch ein Öffnungs- bzw. Schließdruck des Kühlmittels unterhalb des atmosphärischen Drucks realisieren. Damit lassen sich gegebenenfalls auch frühere Schaltpunkte bei geringerer Kühlmitteltemperatur bzw. bei geringerer Motorlast bzw. geringerer Motordrehzahl realisieren.
Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Gedankengutes in Verbindung mit Gegenstromwärmetauschern mit geringen Durchflüssen bietet bei Wärmeentnahme zur Kabinenbeheizung insbesondere auch Vorteile bezüglich der thermischen Schichtung der Luft am Wärmetauscheraustritt. Selbst wenn im Heizbetrieb bei konventionellen Kreuzstrom-Heizungswärmetauschern angesichts einer ausreichenden Kabinentemperatur eine Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor und Heizungswärmetauscher zur Kraftstoffeinsparung erstrebenswert wäre, so würde dies vielfach eine sehr ungleichmäßige Lufttemperatur hinter dem Heizungswärmetauscher ergeben, gekoppelt mit entsprechenden Problemen, speziell bei Mehrzonenklimaanlagen mit luftseitiger Kabinentemperaturregelung.
Bei hoher Wärmeentnahme verstärkt sich dieser Effekt noch, wobei zusätzlich auch der Wirkungsgrad des Heizungswärmetauschers bei Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes stark einbricht und somit ein hoher Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher unerlässlich ist. Dies bedeutet bei konventionellen Kreuzstromheizungswärmetauschern, dass ein kraftstoffverbrauchsoptimaler Betrieb mit reduziertem Kühlmitteldurchsatz sowohl im Warmlauf als auch bei weitgehend betriebswarmem Motor zumindest bei eingeschalteter Kabinenheizung nur sehr eingeschränkt möglich ist. Dieser Nachteil tritt somit bereits bei Fahrsituationen auf, bei denen eigentlich durchaus genügend Abwärme für die Heizung verfügbar ist, verschlimmert sich aber noch, sobald eine sehr große Heizleistung bei geringer Motorlast entnommen wird.
Speziell die Ausgestaltungen mit el. Zusatzpumpe 2 eröffnen hier die Möglichkeit, den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher mittels variabler el. Antriebsleistung so anzupassen, dass je nach entnommener Heizleistung auch bei Kreuzstromheizungswärmetauschern einerseits keine Probleme mit der thermischen Schichtung entstehen, andererseits aber ein annähernd kraftstoffverbrauchsoptimaler Betrieb mit möglichst kleinem Kühlmitteldurchsatz durch den Motor realisierbar wird. Speziell bei geschlossenem Zusatzventil 6bv ist das besonders einfach umsetzbar, da die el. Kühlmittelpumpe 2 weitgehend unabhängig von der Motorkühlmittelpumpe 7 den Durchsatz bestimmt.
Speziell in Verbindung mit der Anwendung von Gegenstromwärmetauschern 4 und/oder Mitteln zur Begrenzung des Durchflusses durch den Heizungswärmetauscher 4 besteht beim erfindungsgemäßen Verfahren mit Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b insbesondere die Möglichkeit, auch bei bereits in der Serie befindlichen Dehnstoffthermostaten 6 den Heizungsrücklauf an der gewohnten Stelle zu belassen, wenn die Durchflussbegrenzung im Heizungszweig sicherstellt, dass der Durchfluss so gering ist, dass die dem Entlüftungszweig 9a bei geschlossenem Zusatzventil 6bv keine ausreichende Druckdifferenz aufgeprägt wird um dessen Durchströmung zu bewirken. In 11 wird dies exemplarisch dadurch gelöst, dass als el. Zusatzpumpe 2 eine Zahnradpumpe mit weitgehend konstanter Drehzahl eingesetzt wird, die den Kühlmitteldurchsatz auch bei erhöhter Motorpumpendrehzahl auf Werte um die 2 l/min begrenzt. Dadurch wird bis auf leichte Thermosyphoneffekte sichergestellt, dass trotz der kavitationsunempfindlichen Einbindung des Ausgleichsbehälters 9 im Warmlauf nur dann eine Zumischung von Kühlmittel aus dem Ausgleichbehälter erfolgt, wenn das Zusatzventil 6bv geöffnet wird. Im Vergleich zur Einspeisung des Heizungsrücklaufs stromab des Thermostaten 6 sind mit dieser Einbindung das Kraftstoffeinsparpotential und auch die Heizleistung i.a. etwas geringer, da eine größere wärmeaktive Masse aufgeheizt werden muss und da bei geringer oder gar keiner Heizleistungsentnahme der Thermostat 6 früher öffnet. Dennoch ist diese Anwendung dann von besonderem Interesse, wenn bereits verfügbare Serienbauteile verwendet werden sollen. Darüber hinaus bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass gegebenenfalls über eine Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig oder geringere Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher auch ganz gezielt ein Teilöffnen des Thermostaten eingestellt werden kann. Dabei hängt es vom jeweiligen Motorkühlsystem ab, ob es günstiger ist, den Betriebszustand mit teilweiser Wärmeabfuhr am Kühler 8 über ein Takten des Zusatzventils 6bv anzufahren oder über eine Variation am Heizungswärmetauscherdurchfluss. Als zusätzlicher Vorteil dieser Ausgestaltung ist der Sachverhalt zu erwähnen, dass es auch bei einem Ausfall des Zusatzventils 6bv in geschlossener Stellung selbst noch bei luftseitiger Abschalten der Heizung die Möglichkeit gibt, mit reduzierter Kühlleistung weiterzufahren. Dabei bleibt es dem Anwender überlassen, inwieweit er konventionelle Magnetventile oder Vakuumventile aus laufender Serienfertigung verwendet und gegebenenfalls eine derartige Fail-Safe-Strategie implementiert oder ob er gleich auf die erfindungsgemäßen Zusatzventile 6bv mit den ausführlich beschriebenen Sicherheitsmerkmalen gegen potenzielles Überhitzen zurückgreift, bei denen ein Stehenbleiben in offener Stellung eigentlich nicht möglich ist, solange sich Kühlwasser im System befindet.
Die bisherige Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten und Vorrichtungen, unter Berücksichtigung der Vorteile der Heißkühlung in der Teillast und der Aufgabenteilung bezüglich sicherem Umschalten von Heißkühlung auf Normal- bzw. Vollastkühlung mit einem druckbetätigten Ventil 6bv einerseits und der Regelung der Kühlerleistung mit einem autarken Dehnstoffthermostaten 6 andererseits, erfolgte anhand exemplarischer Anwendungen, insbesondere in Verbindung mit einer besonders vorteilhaften Einbindung des Entlüftungszweigs 9a. Das erfindungsgemäße Gedankengut ist aber auch ganz allgemein vorteilhaft anwendbar für Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Kühl- und Heizkreisläufen für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen mit kühlmittelbeaufschlagten Thermostatventilen zur Regelung der Kühlerleistung. Eine ebenso kostengünstige wie sichere Überwachung der Heißkühlung mit sehr hoher Regelgüte bei erhöhtem Kühlbedarf ergibt sich dabei ganz grundsätzlich dadurch, dass ein kühlmitteldruckbetätigtes erstes Ventil 6bv bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts für den Kühlmittelabsolutdruck oder den Kühlmittelrelativdruck relativ zu einem Druck außerhalb des Kühlsystems einen Steuerkühlmittelstrom durch das kühlmitteltemperaturbetätigte Thermostatventil 6 freigibt, so dass dieses die Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler 8 auf Temperaturwerte nahe der Thermostatnenntemperatur regelt. Dabei erfolgt insbesondere eine Mischung des Steuerkühlmittelstroms mit dem Kühlervolumenstrom vor oder am Dehnstoffelement des Thermostaten 6, so dass sich zumindest bei entsprechend hohem Steuerkühlmittelstrom für beide Zumischpositionen eine Mischtemperatur nahe der Thermostatnenntemperatur einstellt, d.h. der autarke Thermostat entnimmt aus dem Kühlerzweig nur soviel abgekühltes Kühlmittel, wie gerade benötigt wird, um die Brennkraftmaschine nahe der Thermostatnenntemperatur von beispielsweise 88°C zu kühlen. Damit wird insbesondere sichergestellt, dass eine Unterkühlung oder gar ein Thermoschockrisiko für den Motor nicht entsteht. Eine direkte Betätigung eines Kühlerventils mittels des Kühlmitteldrucks würde im Vergleich zu diesem Umweg über den Thermostaten 6 nicht zu einer akzeptablen Kühlmitteltemperaturregelung führen, da der Regelung zwangsläufig die Information über die Kühlertemperatur bzw. das Kühlpotential des Kühlers fehlen würde. Umgekehrt fehlt den heute üblichen Kühlsystemen mit konventionellen Dehnstoffthermostaten aber auch Wärmemanagementsystemen mit Dreitellerthermostat nicht nur die integrale Druckinformation bezüglich lokaler Bauteilüberhitzung und gegebenenfalls Kavitationsgefahr wegen zu hoher Pumpendrehzahl, sondern i.a. auch ein hinreichend schnelles Ansprechen des Aktuators.
Dabei sind bei der Einbindung des Steuerstroms bestimmte Konstruktionsrichtlinien zu berücksichtigen, wie sie oben bereits teilweise beschrieben sind. Besonders einfach und sicher ist es, wenn der Steuerstrom zumindest in Phasen mit sehr hohem Kühlpotential des Fahrzeugkühlers 8 und hohem Kühlbedarf der Brennkraftmaschine 1 mindestens so groß ist, dass sich innerhalb der Brennkraftmaschine in Verbindung mit nicht durch den Thermostaten 6 geführten Kühlmittelzweigen eine annähernd homogene Kühlmittelsolltemperatur einstellt, so dass insbesondere bei geöffnetem Steuerstrom weniger als 10 K Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt in die Brennkraftmaschine resultieren. Damit wird insbesondere für Teillast wie für Volllast sichergestellt, dass die thermischen Spannungen im Motor gering bleiben.
Speziell wenn eine möglichst niedrige Kühlmitteltemperatur für die Brennkraftmaschine erforderlich ist, ist es vorteilhaft, den Steuerstrom so entlang des temperatursensitiven Bereichs des Thermostatventils 6 zu führen, dass dieser direkt auf das Dehnstoffelement trifft. Damit wird etwas mehr kaltes Kühlmittel aus dem Kühler entnommen als bei homogener Durchmischung. Umgekehrt lässt sich bei guter Durchmischung, speziell wenn die Mischung bereits stromauf des Dehnstoffelementes erfolgt, ein etwas geringerer Gesamtvolumenstrom durch die Brennkraftmaschine realisieren und es ergibt sich eine etwas bessere Regelgüte mit etwas verbessertem Kraftstoffverbrauch. Insbesondere bei guter Mischung stromauf des Dehnstoffelementes stellen sich speziell bei langsamem wie bei schnellem Öffnen des Steuerstroms relativ sanfte Übergänge ein.
Aus Kostengründen, aber auch für eine besonders einfache und sichere Applikation, ist es besonders vorteilhaft, wenn das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen direkt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt. Wird der Öffnungsdruck für das Zusatzventil z.B. auf relativ konservative 1,5 bar Absolutdruck festgelegt und liegt der Öffnungsdruck des Überdruckdeckels im Ausgleichsbehälter bei den heute in vielen Anwendungen zu findenden 2,4 bar Absolutdruck, so ist bereits eine durchaus kraftstoffverbrauchsrelevante Bandbreite sichergestellt, in der man auch bei schwankender Motordrehzahl im Bereich der Heißkühlung fährt. Ein Risiko bezüglich Überhitzen besteht angesichts des relativ niedrigen Ventilöffnungsdrucks von 1,5 bar nicht. Selbst bei einem gewissen Verlust von Kühlwasser, d.h. wenn das Luft/Dampf-Volumen des Ausgleichsbehälters zunimmt und damit insbesondere eine etwas verzögerte Regelcharakteristik bewirkt, ist ein derartiges System noch betriebssicher. Gegebenfalls kann zur Absicherung aber auch die Information des Kühlmittelstandssensors von der Motorsteuerung verarbeitet werden.
Auch wenn bei hoher Heizleistungsentnahme die Temperatur am Heizungsrücklauf in der unteren Teillast stark absinkt und gegebenenfalls bei Stationärfahrt speziell bei sehr kleinem Heizungswärmetauschervolumenstrom unter der Thermostatöffnungstemperatur liegt und sich eine relative hohe Kühlmitteltemperaturzunahme zum Motoraustritt hin einstellt, öffnet das System sicher, sobald sich lokal Dampfblasen innerhalb des Motors bilden. Ein plötzlicher Übergang zu hoher Motorleistung stellt ausgehend von diesem Betriebszustand kein Problem dar, da das Zusatzventil hier ebenfalls angesichts der Dampfblasenbildung bzw. des erhöhten Motorkühlmittelpumpendrucks bei erhöhter Drehzahl öffnet. Selbst wenn bei heutigen Brennkraftmaschinen anstelle des üblichen Wasser-Glykol-Gemischs versehentlich reines Wasser in den Kühlkreislauf eingefüllt wird, ist ein derartiges System noch betriebssicher. Der höhere Dampfdruck im Kühlsystem führt dann lediglich zu einem früheren Öffnen des Zusatzventils.
Diese Verträglichkeit bezüglich der einzelnen Toleranzen und der Betriebsschwankungen der einzelnen Einflussparameter ist ein ganz wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Gegenzug zur direkten Ventilbetätigung können die erfindungsgemäßen Vorteile aber auch mit einem indirekt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator realisiert werden. Dabei erfolgt die indirekte Kühlmitteldruckbetätigung mittels eines Drucksensors über eine Auswerteeinheit, insbesondere die Motorsteuerung 20, die den Aktuator des kühlmitteldruckbetätigten ersten Ventils ansteuert. Die Vorteile der freien Ansteuerung liegen dabei insbesondere in der Möglichkeit, die Hysterese beim Öffnen und Schließen anzupassen und eine verfeinerte und gegebenenfalls zusätzlich kennfeldbasierte Ansteuerung bezüglich der Heizleistung und des Kraftstoffverbrauchs vorzunehmen. Da aus verschiedensten Gründen eine Überwachung des Kühlmitteldrucks ohnehin wünschenswert wäre, u.a. zur redundanten Füllstandsüberwachung, fallen bei solchen Anwendungen die Kosten für einen derartigen Drucksensor gar nicht ins Gewicht sondern lediglich die Mehrkosten für den separaten Aktuator einschließlich dessen Ansteuerung durch die Motorsteuerung.
Die Vorteile der Vorgehensweise, die die Summe aus Systemdruck und überlagertem Motorkühlmittelpumpendruck zur Druckbetätigung des Steuerventils heranzieht, bezüglich der Betriebssicherheit wurden bereits ausführlich beschrieben. Das System kann - verbunden mit einem gewissen Mehraufwand - aber auch mit dem Kühlmittelsystemdruck alleine betrieben werden, wenn entsprechend feinfühlige Drucksensoren in Verbindung mit Motorkennfeldern verwendet werden oder wenn feinfühlige Absolutdruckdosen zum Einsatz kommen, die insbesondere auch im Bereich um 1,0 bar Kühlmittelabsolutdruck hinreichend Kraftreserven zur direkten Druckbetätigung aufbringen. Die Druckentnahme könnte dann insbesondere im Ausgleichsbehälter 9 erfolgen, wo das über dem Wasser liegende Luft/Dampfvolumen eine Dämpfung der über die Motordrehzahlschwankungen entstehenden Druckschwankungen vornimmt. Der Sicherheitsaspekt, dass das Ventil bei hoher Motorleistung zwangsläufig und unmittelbar bei Einstellung einer erhöhten Motordrehzahl auf erhöhte Kühlleistung umschaltet, wäre damit zwar verloren, im Gegenzug resultiert daraus aber der Vorteil, dass bei entsprechender Dimensionierung im zeitlichen Mittel etwas häufiger bei Heißkühlbetrieb gefahren wird. Speziell bei rel. kavitationsunempfindlichen Motoren und Motoren mit nicht bis aufs letzte ausgereizter Kühlreserve, die insbesondere mit rel. großer Volllastkühlmitteltemperaturdifferenz über dem Motor keine Problem aufweisen, ist dies von besonderem Interesse.
Die Erfindung betrifft auch.

1. Ein Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühlerzweig 6a regelt, mit einem Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, einem Heizungszweig 4a sowie einem Entlüftungszweig 9a, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Entlüftungskreislauf 9a sein Wasser stromab eines Zusatzventils 6bv entnimmt, welches den Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b variiert und insbesondere von der elektronischen Motorsteuerung 20 angesteuert wird, und dass der Entlüftungskreis sein Kühlwasser an einer Stelle stromauf der Motorkühlmittelpumpe ins Kühlsystem einspeist, die bei jeder Stellung des autarken Thermostatventils 6 zur Motorkühlmittelpumpe hin geöffnet ist.
2. Verfahren nach Ziffer 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Zusatzventils 6bv im Warmlauf den Kühlmitteldurchsatz durch den Ausgleichsbehälter 8 unterbindet.
3. Verfahren nach einer der Ziffern 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Zusatzventils 6bv den Gesamtkühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine reduziert oder deren Durchströmung vollständig unterbindet.
4. Verfahren nach Ziffer 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich das Schließen des Zusatzventils 6bv den Gesamtkühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine reduziert oder deren Durchströmung vollständig unterbindet.
5. Verfahren nach einer der Ziffern 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Zusatzventils 6bv den Gesamtkühlmitteldurchsatz durch den Motor in Verbindung mit einer Verlegung des niederdruckseitigen Heizungsanschlusses auf die Hochdruckseite der Motorkühlmittelpumpe 7 reduziert oder unterbindet.
6. Verfahren nach einer der Ziffern 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen des Zusatzventils 6bv den Gesamtkühlmitteldurchsatz durch den Motor in Verbindung mit einer Drosselung oder eines Abschaltventils im Heizungszweig 4a reduziert oder unterbindet.
7. Verfahren zur Kühlung von Brennkraftmaschinen, insbesondere unter Verwendung von Merkmalen nach einer der Ziffern 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostatventil 6 durchströmbare Kühlmittelzweige derart stromab des Thermostatventils 6 in das Kühlsystem eingebunden sind, dass das Thermostatventil 6 bei geschlossenem Zusatzventil 6bv einen so geringen Wärmeeintrag erfährt, dass dieses bis weit über die Thermostat-Nenntemperatur hinaus geschlossen bleibt, und dass das Thermostatventil 6 bei geöffnetem Zusatzventil 6bv aufgrund der Anströmung durch den Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b mit seiner Nenntemperatur öffnet.
8. Verfahren nach einer der Ziffern 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a stromauf des Zusatzventils 6bv entnommen und zwischen Thermostatventil 6 und Motorkühlwasserpumpe 7 wieder eingespeist wird.
9. Verfahren nach einer der Ziffern 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a von einer el. Zusatzpumpe 2 stromauf des Zusatzventils 6bv entnommen und stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 wieder eingespeist wird.
10. Verfahren nach einer der Ziffern 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a von einer el. Zusatzpumpe 2 stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 entnommen und stromauf des Zusatzventils 6bv wieder eingespeist wird.
11. Verfahren nach einer der Ziffern 9-10, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Zusatzpumpe 2 bei Öffnen des Zusatzventils 6bv ausgeschaltet wird.
12. Verfahren nach Ziffer 9-10, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Zusatzpumpe 2 eine Umkehrung der Förderrichtung des Kühlmittels durch die Brennkraftmaschine 1 entgegen der Förderrichtung der Motorkühlmittelpumpe 7 bewirkt, die insbesondere bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geringer Motorlast zur Kraftstoffeinsparung eingesetzt wird.
13. Verfahren nach einer der Ziffern 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der autarke Thermostat 6 durch das Geschlossenhalten des Zusatzventils 6bv zumindest temporär aufgrund der mangelnden Anströmung des Aktuators vollständig oder teilweise am Öffnen gehindert wird und somit die Motorkühlmitteltemperatur von der Motorsteuerung 20 frei einstellbar ist.
14. Verfahren nach einer der Ziffern 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler stromab des Zusatzventils 6bv angeordnet ist und erst bei Öffnen des Zusatzventils durchströmt wird.
15. Verfahren nach einer der Ziffern 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Drehrichtungsumkehr der el. Zusatzpumpe 2, eine Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 erfolgt und insbesondere, dass eine Axialpumpe zum Einsatz kommt, die durch Umkehr der Laufrichtung des Laufrades die Umkehrung der Strömungsrichtung bewirkt.
16. Verfahren nach einer der Ziffern 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schließen des Zusatzventils 6bv und gleichzeitigen Betrieb der el. Zusatzpumpe 2 eine Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 erfolgt.
17. Verfahren nach einer der Ziffern 1-13 oder 15-16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler 40 in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher 4 angeordnet ist.
18. Verfahren nach einer der Ziffern 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umkehrung der Förderrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 zwischen einer kraftstoffverbrauchsorientierten und einer heizleistungsorientierten Betriebsart umgeschaltet wird.
19. Verfahren nach einer der Ziffern 1-14 oder 1-18, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv mittels der Motorsteuerung 20 eine autarke Ansteuerung des Zusatzventils 6bv, insbesondere anhand des Kühlmitteldrucks, erfolgt.
20. Verfahren nach Ziffer 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck direkt auf den Aktuator des Zusatzventils 6bv wirkt.
21. Verfahren nach einer der Ziffern 19-20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck in einem Bereich mit hohem statischem Druck, insbesondere im Nahbereich der Motorkühlwasserpumpe 7 oder im Zylinderblock entnommen wird.
22. Verfahren nach einer der Ziffern 19-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck direkt auf einen Aktuator wirkt, der seine Antriebskraft aus dem Druckgleichgewicht zwischen dem Kühlmitteldruck und einer Vorspannkraft, insbesondere dem entgegenwirkenden atmosphärischen Druck zuzüglich einer Vorspannkraft bezieht.
23. Vorrichtung zur Kühlung und Beheizung von Kraftfahrzeugen, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren gemäß einer der Ziffern 1-22 zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühlerzweig 6a regelt, mit einem Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, einem Heizungszweig 4a sowie einem Entlüftungszweig 9a, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskreislauf 9a sein Wasser stromab eines Zusatzventils 6bv entnimmt, welches den Kühlmittelstrom im Bypasszweig variiert und insbesondere von der elektronischen Motorsteuerung 20 angesteuert wird, und dass der Entlüftungskreis sein Kühlwasser an einer Stelle stromauf der Motorkühlmittelpumpe ins Kühlsystem einspeist, die bei jeder Stellung des autarken Thermostatventils 6 zur Motorkühlmittelpumpe hin geöffnet ist.
24. Vorrichtung nach Ziffer 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv in der Bypassleitung 6b vor einem doppelt wirkenden autarken Thermostatventil 6 angeordnet ist, bei dem ein kühlerseitiger Ventilteller den Kühlerzweig 6a bei Erreichen der Regelsolltemperatur nach und nach öffnet und gleichzeitig ein bypassseitiger Ventilteller den Bypasszweig nach und nach schließt.
25. Vorrichtung nach Ziffer 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv in der Bypassleitung 6b eines einfach wirkenden autarken Thermostatventils 6 angeordnet ist, bei dem ein kühlerseitiger Ventilteller den Kühlerzweig 6a bei Erreichen der Regelsolltemperatur nach und nach öffnet und nicht gleichzeitig ein bypassseitiger Ventilteller den Bypasszweig nach und nach schließt.
26. Vorrichtung nach einer der Ziffern 23-25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchsatz durch den Bypasszweig 6b bei geschlossenem Thermostatventil 6 und voll geöffnetem Zusatzventil 6bv mehr als 80% des Gasamtkühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine beträgt.
27. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einer der Ziffern 1-26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dehnstoffelement 6bs bei Überschreiten einer maximal zugelassenen Kühlmitteltemperaturerhöhung über die Nenntemperatur des Kühlerthermostaten 6 hinaus, die elektrische Ansteuerung autark übersteuert und den Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig öffnet.
28. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einer der Ziffern 1-26, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator 6bx bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks die elektrische Ansteuerung autark übersteuert und den Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig öffnet.
29. Autarkes Zusatzventil für Kühlsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung eines der Verfahren oder einer der Kühlvorrichtungen nach einer der Ziffern 1-26, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelabsolutdrucks den Strömungspfad 67,68 durch das Ventil öffnet und insbesondere dass das Ventil einen Bypasszweig 6b öffnet, der parallel zum Fahrzeugkühlerzweig 6a angeordnet ist.
30. Autarkes Zusatzventil für Kühlsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung eines der Verfahren oder einer der Kühlvorrichtungen nach einer der Ziffern 1-26, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelrelativdrucks relativ zum atmosphärischen Druck den Strömungspfad 67,68 durch das Ventil öffnet und insbesondere dass das Ventil einen Bypasszweig 6b öffnet, der parallel zum Fahrzeugkühlerzweig 6a angeordnet ist.
31. Autarkes Zusatzventil nach einer der Ziffern 29-30, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz kommt, der über eine externe Überdruckdose angetrieben wird und insbesondere, dass der Kühlmitteldruck bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft öffnet.
32. Autarkes Zusatzventil nach einem der einer der Ziffern 29-32, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil eine serienerprobte Kühlwasserventilbauart mit Vakuumaktuator ist, bei dem an den ursprünglichen Vakuumanschluss der Druckdose anstelle des Vakuums der Kühlmitteldruck angeschlossen wird.
33. Autarkes Zusatzventil 6bv nach einem der einer der Ziffern 28-31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelsteuerdruck für die Druckdose am Kühlwassereintrittsrohr 67 des Zusatzventils entnommen wird .
34. Verfahren nach einer der Ziffern 1-22, insbesondere unter Verwendung von Vorrichtungen nach einem der Ziffern 23-33, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelstrom im Heizungszweig 4a in Betriebssituationen mit sehr hohem Kühlbedarf gedrosselt oder ausgeschaltet wird.
35. Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizkreislaufs für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen 1 mit kühlmittelbeaufschlagtem Thermostatventil 6 zur Regelung der Kühlerleistung, insbesondere Verfahren nach einer der Ziffern 1-22 und insbesondere unter Verwendung von Vorrichtungen nach einer der Ziffern 23-34, dadurch gekennzeichnet, dass ein kühlmitteldruckbetätigtes erstes Ventil 6bv bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts für den Kühlmittelabsolutdruck oder den Kühlmittelrelativdruck relativ zu einem Druck außerhalb des Kühlsystems einen Steuerkühlmittelstrom durch das kühlmitteltemperaturbetätigte Thermostatventil 6 freigibt, so dass dieses die Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler 8 auf Temperaturwerte nahe der Thermostatnenntemperatur regelt.
36. Verfahren nach Ziffer 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom zumindest in Phasen mit sehr hohem Kühlpotential des Fahrzeugkühlers 8 und hohem Kühlbedarf der Brennkraftmaschine 1 mindestens so groß ist oder so entlang des temperatursensitiven Bereichs des Thermostatventils 6 geführt wird oder so mit dem kalten Kühlmittel des Fahrzeugkühlers gemischt wird, dass sich innerhalb der Brennkraftmaschine in Verbindung mit nicht durch den Thermostaten 6 geführten Kühlmittelzweigen eine annähernd homogene Kühlmittelsolltemperatur einstellt, so dass insbesondere weniger als 10 K Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt in die Brennkraftmaschine resultieren.
37. Verfahren nach einer der Ziffern 35-36, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil 6 durch die Anströmung eines internen Dehnstoffelementes die Temperaturregelung in Wechselwirkung mit der verfügbaren Kühlerleistung autark übernimmt, solange das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv den Steuerstrom durch das Thermostatventil 6 aktiviert hat.
38. Verfahren nach einer der Ziffern 35-37, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen direkt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt.
39. Verfahren nach einer der Ziffern 35-37, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen indirekt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt, wobei die indirekte Kühlmitteldruckbetätigung mittels eines Drucksensors erfolgt, die über eine Auswerteeinheit, insbesondere die Motorsteuerung 20, den Aktuator des kühlmitteldruckbetätigten ersten Ventils ansteuert.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung und Beheizung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Kühlerzweig 6a führenden Kühlerkreislauf mit einem Fahrzeugkühler 8 und einem Thermostaten 6, einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Bypasszweig 6b führenden Bypasskreislauf, welcher den Fahrzeugkühler 8 bypasst, einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7, die Brennkraftmaschine 1 und einen Entlüftungszweig 9a führenden Entlüftungskreislauf mit einem Ausgleichsbehälter 9, und einem durch einen Heizungszweig 4a und die Brennkraftmaschine 1 führenden Heizungswärmetauscherkreislauf mit einem Heizungswärmetauscher 4, sowie einem von einer Motorsteuerung 20 ansteuerbaren Zusatzventil 6bv, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskreislauf und der Bypasskreislauf durch das Zusatzventil 6bv bei geschlossenem Thermostaten gleichzeitig abschaltbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf zeitgleich mit dem Entlüftungskreislauf und dem Bypasskreislauf abschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem durch die Motorkühlmittelpumpe 7 und die Brennkraftmaschine 1 führenden Ölkühlerkreislauf mit einem Ölkühler 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkühlerkreislauf und der Heizungswärmetauscherkreislauf zeitgleich mit dem Entlüftungskreislauf und dem Bypasskreislauf abschaltbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkühlerkreislauf und der Heizungswärmetauscherkreislauf durch das von der Motorsteuerung ansteuerbare Zusatzventil 6bv abschaltbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizungswärmetauscherkreislauf 4a ein Ölkühler 40 in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher 4 angeordnet ist und deren Kühlmitteldurchfluss durch eine Zusatzpumpe 2 gefördert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskreislauf sein Kühlwasser an einer Stelle stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 ins Kühlsystem einspeist, die bei jeder Stellung des Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe hin geöffnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit einer luftseitigen Regelklappe 5 ausgestattet ist, die verhindern kann, dass die Innenraumtemperatur im Fahrzeug weiter ansteigt, wenn in der Fahrerkabine die gewünschte Innenraumtemperatur erreicht ist, indem ein Teil der in die Fahrerkabine geförderten Frischluft am Heizungswärmetauscher 4 vorbei geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv das einzige Ventil ist, das bei geschlossenem Thermostaten 6 in den Heizungswärmetauscherkreislauf eingreift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf sein Kühlwasser an einer Stelle stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 ins Kühlsystem einspeist, die bei jeder Stellung des Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe hin geöffnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzventil 6bv ein Drehschieber zum Einsatz kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber mit einem Vakuum-Aktuator arbeitet, der über ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Magnetventil mit Unterdruck versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber nur auf/zu betätigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv bei geschlossenem Thermostaten 6 gleichzeitig alle übrigen Kühlkreisläufe einschließlich des Entlüftungskreislaufs bedarfsweise ein und aus schaltet.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass im Warmlauf ohne Kabinenheizbedarf bei geringer bis mittlerer Motorlast das Zusatzventil 6bv durch die Motorsteuerung 20 geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv die Strategie verfolgt wird, das Zusatzventil zunächst geschlossen zu halten und dann bei Erreichen einer ersten Temperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur das Zusatzventil zu öffnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-15, dadurch gekennzeichnet, dass es vorsieht, zur besseren Entlüftung die ersten Sekunden des Warmlaufs noch mit geöffnetem Zusatzventil 6bv zu arbeiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung 20 das Zusatzventil 6bv bei zu hoher Pumpendrehzahl öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv bei zu hoher thermischer Last öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-18, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv bei Motor-Volllast öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-19, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkreislauf mit Ausnahme einer lokalen Strömung im Nahbereich des Pumpenlaufrades und der natürlichen Konvektion vorübergehend stehendes Kühlmittel vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 14-20 in der Motorsteuerung hinterlegt ist.
Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 21.