-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkreis zum Kühlen einer
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Aus
der
DE 37 15 002 A1 ist
ein Kühlkreis
für eine
Brennkraftmaschine bekannt, der einen Motorpfad sowie einen Kühlerpfad
aufweist. Der Motorpfad versorgt zu kühlende Bereiche der Brennkraftmaschine
mit Kühlmittel.
Im Kühlerpfad
ist eine Kühleranordnung
mit wenigstens einem Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager
angeordnet. Der Kühlkreis
umfasst außerdem
ein Thermostatventil zum Aktivieren und Deaktivieren des Kühlerpfads
sowie eine Kühlmittelpumpe
zum Antreiben des Kühlmittels
im Kühlkreis. Außerdem weist
der Kühlkreis
eine Kurzschlussleitung auf, die eine Druckseite der Kühlmittelpumpe
mit einer Saugseite der Kühlmittelpumpe
verbindet und in der ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist, das
bei einem vorbestimmten Druckgrenzwert öffnet. Beim bekannten Kühlkreis
ist die Kurzschlussleitung druckseitig an einen Vorlauf des Motorpfads
angeschlossen. Saugseitig ist die Kurzschlussleitung an ein Kühlmittelreservoir
angeschlossen, an das auch die Kühlmittelpumpe
saugseitig angeschlossen ist. Des Weiteren handelt es sich beim
bekannten Kühlkreis
um einen Ölkühlkreis,
der die Brennkraftmaschine mit einem Öl als Kühlmittel kühlt und gleichzeitig schmiert.
-
Aus
der
DE 691 22 968
T2 ist ein weiterer Kühlkreis
für eine
Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ebenfalls ein Thermostatventil
zum Aktivieren und Deaktivieren eines Kühlerpfads vorgesehen ist. Darüber hinaus
ist im Motorpfad ein weiterer Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager
angeordnet, mit dessen Hilfe ein Fahrzeuginnenraum beheizt werden kann.
Um während
einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine einen Wärmeabgang
durch den im Motorpfad angeordneten Wärmeübertrager zu vermeiden, ist
im Motorpfad ein elektrisch betätigbares Sperrventil
angeordnet, das während
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine den Motorpfad sperrt. Des
Weiteren ist eine die Saugseite mit der Druckseite der Kühlmittelpumpe
verbindende Bypassleitung vorgesehen, in der ein elektrisch betätigbares
Bypassventil angeordnet ist. Während
des Warmlaufbetriebs ist das Bypassventil zum Öffnen der Bypassleitung betätigt, um
eine Kavitation in der nach wie vor arbeitenden Kühlmittelpumpe
zu vermeiden. Sobald das Kühlmittel
in der Brennkraftmaschine hinreichend vorgewärmt ist, wird das Sperrventil
zum öffnen
des Motorpfads angesteuert, während
gleichzeitig das Bypassventil zum Sperren der Bypassleitung betätigt wird.
Bei hinreichend aufgewärmtem
Kühlmittel
kann bei Bedarf zusätzlich
mit Hilfe des Thermostatventils der Kühlerpfad aktiviert werden.
-
Leistungsstarke
Brennkraftmaschinen, wie sie vorzugsweise bei Sportfahrzeugen zum
Einsatz kommen, benötigen
einen entsprechend leistungsfähigen
Kühlkreis.
Hohe Kühlleistungen
lassen sich insbesondere durch hohe Förderleistungen der Kühlmittelpumpe
erzielen, was bei kleinen Strömungsquerschnitten
mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten
einhergeht. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten führen, insbesondere
in Verbindung mit relativ großen
Leitungslängen,
zu vergrößerten Druckverlusten innerhalb
des Kühlkreises.
Besonders hohe Druckverluste ergeben sich bei Sportfahrzeugen mit
heckseitig angeordneter Brennkraftmaschine und frontseitig angeordnetem
Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher, da
sich bei einer derartigen Konstellation zwangsläufig lange Kühlmittelleitungen
ergeben.
-
Bei
derartigen Hochleistungs-Kühlkreisen muss
die Kühlmittelpumpe
einen entsprechend hohen Druck erzeugen, um die im Kühlkreis
auftretenden Druckverluste auffangen zu können und um den gewünschten
Kühlmittelmassenstrom
zu erzielen. Die hohe Pumpleistung der Kühlmittelpumpe wirkt sich jedoch
während
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, während der der Kühlerpfad
deaktiviert ist, nachteilig aus. Denn bei deaktiviertem Kühlerpfad
tritt der darin im Normalbetrieb stattfindende Druckverlust nicht
auf, so dass die Kühlmittelpumpe für diesen
Warmlaufbetrieb einen zu hohen Druck bereitstellt. Der hohe Druck
im Kühlmittel
kann beispielsweise das Thermostatventil aufdrücken, wodurch kaltes Kühlmittel
aus dem Kühlerpfad
in den Motorpfad gelangt. Dies kann beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine,
die mit einer die Warmlaufphase überwachenden
On-Board-Diagnose ausgestattet ist, zu Fehlalarm führen, da
sich das Warmlaufverhalten der Brennkraftmaschine bei aufgedrücktem Thermostatventil
drastisch ändert.
Darüber hinaus
kann der hohe Druck im Kühlmittel
bei einem Kühlkreis,
bei dem das Thermostatventil in einem Rücklauf des Kühlerpfads
angeordnet ist, zu unerwünscht
hohen Belastungen des Kühlerpfads
und der darin angeordneten Komponenten, insbesondere der Luft Kühlmittel-Wärmeübertrager,
führen.
-
Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Kühlkreis
der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, bei der
insbesondere ein übermäßiger Druckanstieg
im Kühlmittel
während
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine vermieden wird.
-
Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
-
Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Druckgrenzwert
für das
Druckbegrenzungsventil so zu wählen,
dass die Kurzschlussleitung bei deaktiviertem Kühlerpfad geöffnet und bei aktiviertem Kühlerpfad
gesperrt ist. Während
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine deaktiviert das Thermostatventil
den Kühlerpfad.
Hierdurch kommt es – wie
oben erläutert – zu einem
Druckanstieg im Kühlmittel.
Dieser Druckanstieg ist jedoch mit Hilfe des Druckbegrenzungsventils
auf den vorgegebenen Druckgrenzwert begrenzt, der so gewählt ist,
dass der Kühlmitteldruck
das Thermostatventil nicht aufdrücken
kann und/oder dass Beschädigungen
der Kühlmittel
führenden
Komponenten, insbesondere im Kühlerpfad,
vermieden werden können. Mit
Beendigung der Warmlaufphase aktiviert das Thermostatventil den
Kühlerpfad,
wodurch im Kühlmittel
ein Druckabfall erfolgt. Der vorbestimmte Druckgrenzwert des Druckbegrenzungsventils
ist dabei so festgelegt, dass sich der bei aktiviertem Kühlerpfad
einstellende Kühlmitteldruck
unterhalb des Druckgrenzwerts befindet. Beim erfindungsgemäßen Kühlkreis
wird somit durch eine gezielte Auslegung des Druckgrenzwerts ein
effektiver Schutz des Kühlkreises
vor Beschädigungen
und Fehlfunktionen erreicht, wobei der hierzu erforderliche bauliche
Aufwand vergleichsweise gering ist.
-
Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher die Kurzschlussleitung druckseitig an einen Rücklauf des
Motorpfads oder an einen an den Rücklauf angeschlossenen Sammler
angeschlossen ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass in jedem Fall
der Motorpfad von der gesamten von der Pumpe geförderten Kühlmittelmenge durchströmt ist.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
-
Die
einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte
Prinzipdarstellung eines Kühlkreises
nach der Erfindung.
-
Entsprechend 1 umfasst
ein Kühlkreis 1 nach
der Erfindung einen Motorpfad 2 und einen Kühlerpfad 3.
Der Kühlkreis 1 dient
zum Kühlen
einer durch ihre Zylinder 4 angedeutete Brennkraftmaschine 5.
Brennkraftmaschine 5 und Kühlkreis 1 sind vorzugsweise
in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet. Dabei kann
es sich hierbei insbesondere um ein Sportfahrzeug handeln, dessen Brennkraftmaschine 5 besonders
leistungsfähig
ist. Dementsprechend verfügt
auch der Kühlkreis 1 über eine
entsprechende Leistungsfähigkeit.
-
Der
Motorpfad 2 führt
durch die Brennkraftmaschine 5 und versorgt nicht näher bezeichnete,
zu kühlende
Bereiche der Brennkraftmaschine 5 mit Kühlmittel.
-
Beispielsweise
werden Wandungen der Zylinder 4 vom Kühlmittel umströmt. Beim
Kühlmittel handelt
es sich zweckmäßig um mit
Frostschutz versehenes Wasser.
-
Der
Kühlerpfad 3 enthält eine
Kühleranordnung 6,
die wenigstens einen, hier exemplarisch drei Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7,
umfasst. Diese Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 7 sind innen
vom Kühlmittel
durchströmt
und von außen
mit Luft beaufschlagt bzw. durchströmt. Die drei Wärmeübertrager 7 sind
hier parallel geschaltet, also parallel vom Kühlmittel durchströmt. Bei
einem Kraftfahrzeug sind die Wärmeübertrager 7 bzw.
ist die Kühleranordnung 6 üblicherweise
möglichst
weit vorne, also in einem Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet.
Im Unterschied dazu ist bei einem Sportfahrzeug die Brennkraftmaschine 5 vorzugsweise
in einem Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet. Hierdurch entstehen
zumindest für
den Kühlerpfad 3 vergleichsweise
große Leitungslängen, was
mit entsprechenden Druckverlusten einhergeht.
-
Der
Kühlkreis 1 ist
außerdem
mit einem Thermostatventil 8 ausgestattet, mit dessen Hilfe
der Kühlerpfad 3 aktiviert
und deaktiviert werden kann. Das Thermostatventil 8 deaktiviert
den Kühlerpfad 3 in
herkömmlicher
Weise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 5 während einer
Warmlaufphase, um auf diese Weise die Brennkraftmaschine 5 möglichst
rasch auf eine gewünschte
Nennbetriebstemperatur zu bringen. Beispielsweise weist die Brennkraftmaschine 5 bei
der gewünschten
Nennbetriebstemperatur besonders günstige Abgas- und Kraftstoffverbrauchswerte
auf. Erst bei höheren
Temperaturen, also bei warmer Brennkraftmaschine 5, aktiviert
das Thermostatventil 8 den Kühlerpfad 3, um die
Brennkraftmaschine 5 bedarfsgerecht zu kühlen. Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist das Thermostatventil 8 in
einem Rücklauf 9 des
Kühlerpfads 3 angeordnet.
Hierzu ist der Rücklauf 9 an
einen ersten Einlass 10 des Thermostatventils 8 angeschlossen,
der sich dadurch charakterisiert, dass er bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 gesperrt ist.
-
Der
Kühlkreis 1 enthält außerdem eine
Kühlmittelpumpe 11,
die zum Antreiben des Kühlmittels im
Kühlkreis 1 dient.
Zweckmäßig ist
die Kühlmittelpumpe 11 in herkömmlicher
Weise mit der Brennkraftmaschine 5 antriebsgekoppelt. Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist die Kühlmittelpumpe 11 druckseitig
an einen Vorlauf 12 des Motorpfads 2 angeschlossen.
Des Weiteren ist die Kühlmittelpumpe 11 saugseitig über eine
Verbindungsleitung 13 an einem Auslass 14 des
Thermostatventils 8 angeschlossen.
-
Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
ist außerdem
ein Rücklauf 15 des
Motorpfads 5 an einen Sammler 16 angeschlossen,
der beispielsweise in einem Motorblock der Brennkraftmaschine 5 untergebracht
sein kann. Im vorliegenden Beispiel sind der Vorlauf 12 und
der Rücklauf 15 des
Motorpfades 2 jeweils zweiflutig ausgestaltet, beispielsweise
um zwei räumlich
voneinander getrennte Zylinderbänke
der Brennkraftmaschine 5 parallel mit dem Kühlmittel
zu versorgen. An diesen Sammler 16 ist hier ein Vorlauf 17 des
Kühlerpfads 3 angeschlossen.
Außerdem
ist der Sammler 16 über
eine Rücklaufleitung 18 an
einen zweiten Einlass 19 des Thermostatventils 8 angeschlossen.
Dieser zweite Einlass 19 charakterisiert sich dadurch,
dass er bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 geöffnet ist.
-
Erfindungsgemäß ist der
Kühlkreis 1 außerdem mit
einer Kurzschlussleitung 20 ausgestattet, in der ein Druckbegrenzungsventil 21 angeordnet
ist. Die Kurzschlussleitung 20 verbindet dabei eine Druckseite
der Kühlmittelpumpe 11 mit
einer Saugseite der Kühlmittelpumpe 11.
Im gezeigten Beispiel ist die Kurzschlussleitung 20 hierzu
druckseitig an den Rücklauf 15 des
Motorpfads 2 bzw. an den Sammler 16 angeschlossen.
Saugseitig ist die Kurzschlussleitung 20 an die Verbindungsleitung 13,
also stromab des Thermostatventils 8 an die Saugseite der
Kühlmittelpumpe 11 angeschlossen.
-
Darüber hinaus
ist der Kühlkreis 1 hier
noch mit einem Heizungspfad 22 ausgestattet. In diesem Heizungspfad 22 ist
zumindest ein weiterer Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 23 angeordnet,
mit dessen Hilfe eine Luftströmung
beheizt werden kann. Beispielsweise ist dieser Wärmeübertrager 23 ein Bestandteil
einer Innenraumheizung des Fahrzeugs. Zweckmäßig ist ein Vorlauf 24 des
Heizungspfads 22 ebenfalls an den Sammler 16 angeschlossen.
Ein Rücklauf 25 des
Heizungspfads 22 ist hier an einen dritten Einlass 26 des
Thermostatventils 8 angeschlossen. Dieser dritte Einlass 26 charakterisiert sich
z.B. dadurch, dass er sowohl bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 als auch
bei aktiviertem Kühlerpfad 3 offen
sein kann. Dementsprechend ist der Heizungspfad 22 sowohl
bei aktivem als auch bei inaktivem Kühlerpfad 3 vom Kühlmittel
durchströmbar,
um zur Komfortsteigerung der Fahrzeuginsassen möglichst rasch den Innenraum
beheizen zu können.
-
Der
erfindungsgemäße Kühlkreis 1 funktioniert
wie folgt:
Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 5 ist
es erwünscht,
die Brennkraftmaschine 5 möglichst rasch auf eine gewünschte Betriebstemperatur
zu bringen. Hierzu ist es üblich,
mit Hilfe des Thermostatventils 8 den Kühlerpfad 3 zu deaktivieren.
Bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 ist
der erste Einlass 10 des Thermostatventils 8 gesperrt,
während
dessen zweiter Einlass 19 geöffnet ist. Die Kühlmittelpumpe 11 fördert das
Kühlmittel
entsprechend Pfeilen 27 durch den Motorpfad 2,
wodurch das Kühlmittel über den
Vorlauf 12, die zu kühlenden
Bereiche und den Rücklauf 15 in
den Sammler 16 gelangt. Das Kühlmittel strömt des Weiteren
entsprechend einem Pfeil 28 über die Rücklaufleitung 18 durch
das Thermostatventil 8 und über die Verbindungsleitung 13 zurück zur Kühlmittelpumpe 11.
-
Die
Leistung der Kühlmittelpumpe 11 hängt von
deren Drehzahl ab, die ihrerseits regelmäßig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 5 abhängt. Bei deaktiviertem
Kühlerpfad 3 kann
der von der Kühlmittelpumpe 11 im
Kühlmittel
erzeugte Druck, insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine 5,
auf Werte ansteigen, die größer sind
als sie bei aktiviertem Kühlerpfad 3 normalerweise
auftreten. Um eine Beschädigung
des Kühlkreises 1 sowie eine
ordnungsgemäße Funktion
des Kühlkreises 1 gewährleisten
zu können,
ist ein Druckgrenzwert des Druckbegrenzungsventils 21,
bei dem das Druckbegrenzungsventil 21 die Kurzschlussleitung 20 öffnet, gezielt
so gewählt,
dass bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 ein
unzulässig
hoher Druckanstieg im Kühlmittel vermieden
werden kann. Besagter Druckgrenzwert liegt somit oberhalb eines
Kühlmitteldrucks,
der sich bei aktiviertem Kühlerpfad 3 üblicherweise
einstellt. Dementsprechend öffnet
das Druckbegrenzungsventil 21 bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 die
Kurzschlussleitung 20, während es die Kurzschlussleitung 20 bei aktiviertem
Kühlerpfad 3 sperrt.
-
Bei
entsprechendem Druckanstieg im Kühlmittel
strömt
das Kühlmittel
entsprechend Pfeilen 30 durch die Kurzschlussleitung 20,
wenn das Druckbegrenzungsventil 21 öffnet. Bemerkenswert ist dabei, dass
das Druckbegrenzungsventil 21 vorzugsweise rein mechanisch
und automatisch arbeitet. Beispielsweise enthält das Druckbegrenzungsventil 21 hierzu ein
federbelastetes Ventilglied in an sich bekannter Bauweise.
-
Bei
deaktiviertem Kühlerpfad 3 kann
somit eine Beschädigung
des Kühlkreises 1 bzw.
eine Fehlfunktion des Kühlkreises 1,
beispielsweise durch ein Aufdrücken
des Thermostatventils 8, vermieden werden, indem das Druckbegrenzungsventil 21 den Druckanstieg
an der Druckseite der Kühlmittelpumpe 11 auf
besagten Druckgrenzwert begrenzt.
-
Der
mit Öffnen
der Kurzschlussleitung 20 einhergehende Abfall an Förderleistung
der Kühlmittelpumpe 11 ist
dabei für
die Brennkraftmaschine 5 unbedenklich, da diese während der
Warmlaufphase ohnehin nicht gekühlt
werden muss.
-
Am
Ende der Warmlaufphase, wenn also die Brennkraftmaschine 5 ihre
Betriebstemperatur erreicht hat, aktiviert das Thermostatventil 8 den
Kühlerpfad 3,
insbesondere kontinuierlich. Dabei wird in dem Maße, wie
der erste Einlass 10 geöffnet
wird, gleichzeitig der zweite Einlass 19 geschlossen. Bei aktiviertem
Kühlerpfad 3 sinkt
der Druck im Kühlmittel.
Insbesondere fällt
der Druck am ersten Einlass 10 deutlich ab, da sich bei
durchströmten
Kühlerpfad 3 die
Strömungswiderstände des
Kühlerpfads 3 dann bemerkbar
machen. Der Druckgrenzwert des Druckbegrenzungsventils 21 ist
dabei so ausgelegt, dass der mit der Aktivierung des Kühlerpfads 3 einhergehende
Druckabfall im Kühlmittel
so groß ist,
dass der Druck im Kühlmittel
unter den Druckgrenzwert absinkt. In der Folge sperrt das Druckbegrenzungsventil 21 die
Kurzschlussleitung 20. Somit steht wieder die volle Pumpenleistung
zum Antreiben des Kühlmittels
im gesamten Kühlkreis 1 zur
Verfügung.
Bei aktiviertem Kühlerpfad 3 strömt das Kühlmittel
entsprechend Pfeilen 29 durch den Kühlerpfad 3.
-
Der
Heizungspfad 22 kann zweckmäßig so ausgestaltet sein, dass
er sowohl bei aktiviertem als auch bei deaktiviertem Kühlerpfad 3 entsprechend Pfeilen 31 vom
Kühlmittel
durchströmbar
ist.
-
Durch
die hier gewählte
Anordnung der Kurzschlussleitung 20 öffnet das Druckbegrenzungsventil 21 die
Kurzschlussleitung 20 in Abhängigkeit des im Sammler 16 herrschenden
Kühlmitteldrucks.
Ebenso kann durch eine entsprechende Anordnung der Kurzschlussleitung 20 das
Druckbegrenzungsventil 21 in Abhängigkeit des im Motorpfad 2 bzw.
des im Rücklauf 15 des
Motorpfads 2 herrschenden Drucks arbeiten. Alternativ ist
es grundsätzlich
auch möglich,
die Kurzschlussleitung 20 stromauf des Motorpfads 2 an die
Druckseite der Kühlmittelpumpe 11 oder
an den Vorlauf 12 des Motorpfads 2 anzuschließen, so
dass das Druckbegrenzungsventil 21 durch den direkt an der
Druckseite der Kühlmittelpumpe 11 herrschenden
Druck gesteuert ist. Bevorzugt wird jedoch die hier gewählte Anordnung
der Kurzschlussleitung 20 stromab der zu kühlenden
Bereiche der Brennkraftmaschine 5, um in jedem Fall eine
ausreichende Kühlmittelversorgung
dieser Bereiche gewährleisten zu
können.