Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieb eines Motorkühl- und
Heizsystems mit verbesserter Nutzung der Motorabwärme für Kabinenheizzwecke
und zur Kraftstoffeinsparung.The
This invention relates to a method and apparatus for
Operation of an engine cooling and
Heating system with improved utilization of engine waste heat for cabin heating purposes
and to save fuel.
Insbesondere
bezieht sie sich auf ein luftseitig geregeltes Heiz- und Klimagerät in Kraftfahrzeugen,
mit einem Heizungswärmetauscher,
welcher dem Kühlmittel
der Antriebsmaschine Wärme
entzieht und an die mittels eines Heizungsgebläses durch den Heizungswärmetauscher
geförderte
Kabinenluft abgibt, sowie um verschiedene Lösungsansätze, um bei luft- wie wasserseitig
geregelten Klimageräten
Kraftstoff zu sparen.Especially
it refers to an air-conditioning controlled heating and air conditioning unit in motor vehicles,
with a heating heat exchanger,
which the coolant
the prime mover heat
withdraws and to the means of a heating fan through the heating heat exchanger
funded
Cabin air, as well as various approaches to solving on the air and water side
Regulated air conditioners
Save fuel.
Dabei
sind Teilaspekte der Erfindung bereits in der Anmeldung DE 10 2004 058 869.4 des
gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004 beschrieben und werden hier
in besonders effektiven Ausgestaltungen weiterentwickelt.Partial aspects of the invention are already in the application DE 10 2004 058 869.4 of the applicant of the same name of 06.12.2004 and are further developed here in particularly effective embodiments.
Es
ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen
den Kraftstoffverbrauch zu senken. Insbesondere eine schnelle Erwärmung des
Kühlmittels
und des Motoröls
und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur
in der Teillast sind hier probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen
zu realisieren. In diesem Zusammenhang zeigt die Ursprungsanmeldung DE 10 2004 058 869.4 des
gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004 besonders effektive Methoden,
um mit geringen Kosten und z.T sogar mit Kosteneinsparungen im Vergleich
zu heutigen Serienfahrzeugen, den Kraftstoffverbrauch und/oder die
Kabinenheizung verbessern.It is known to reduce fuel consumption in modern cars by means of thermal management measures. In particular, a rapid heating of the coolant and the engine oil and thus also the engine components and the raising of the thermostatic opening temperature in the partial load are proven means to realize fuel consumption improvements. In this context shows the original application DE 10 2004 058 869.4 of the applicant of the same name of 06.12.2004 particularly effective methods to improve at low cost and sometimes even with cost savings compared to today's production vehicles, fuel consumption and / or cabin heating.
Insbesondere
ist es bekannt, bei luftseitig geregelten Heizgeräten, d.h.
bei Heizgeräten,
bei denen die Temperatur der in die Kabine geförderten Luft mittels der Mischung
eines durch den Heizungswärmetauscher
geförderten
Luftstroms mit einem nicht beheizten Bypassluftmassenstrom eingestellt
wird, den Kühlmitteldurchfluss
im Heizungszweig in Fahrsituationen ohne Heizbetrieb mittels Abschaltventilen zu
unterbinden. Eine schnellere Erwrärmung des Motors führt hierbei
zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.Especially
it is known in air-side controlled heaters, i.
for heaters,
where the temperature of the air delivered to the cabin by means of the mixture
one through the heater core
funded
Air flow adjusted with a non-heated bypass air mass flow
is, the coolant flow
in the heating branch in driving situations without heating by means of shut-off valves too
prevention. A faster warming of the engine leads here
to improve fuel economy.
Zusätzlich wird
mit dieser Maßnahme
die bei Einstellung auf maximale Kühlwirkung unerwünschte Wärmeübertragung
an die Kabinenluft minimiert. Dies hilft der Verbesserung des Komforts
und gegebenenfalls bei Fahrzeugen mit Klimaanlagen über die Reduktion
der Antriebsleistung des Klimakompressors auch der Verbesserung
des Kraftstoffverbrauchs.In addition will
with this measure
the heat transfer that is undesirable when set to maximum cooling effect
minimized to the cabin air. This helps to improve comfort
and, where appropriate, for vehicles with air conditioning systems via reduction
the drive power of the air conditioning compressor and the improvement
of fuel consumption.
Zur
kühlwasserseitigen
Abschaltung des Heizungszweigs werden bei bekannten Anwendungen
Magnetventile verwendet bzw. Ventile mit Unterdruckdosen als Aktuator,
die über
ein Vakuummagnetventil angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt
dabei i.a. letztendlich über
einen digitalen I/O-Port der Motorsteuerung oder des Heiz-Klimageräts und ermöglicht die
Einstellungen „auf" und „zu". Regelungen des
Durchflusses, z.B. über
getaktetes Öffnen
und Schließen,
so wie sie von wasserseitig geregelten Heizungen her bekannt sind,
kommen nicht zur Anwendung, da die luftseitige Temperaturregelung
die Regulierung der Kabinentemperatur übernimmt.to
cooling water side
Shutdown of the heating branch are known applications
Solenoid valves used or valves with vacuum cans as an actuator,
the above
a vacuum solenoid valve are controlled. The control takes place
i.a. ultimately over
a digital I / O port of the engine control or the air conditioner and allows the
Settings "on" and "closed". Regulations of the
Flow, e.g. above
clocked opening
and closing,
as they are known from water heaters,
do not apply, because the air-side temperature control
the regulation of the cabin temperature takes over.
In
Bezug auf den Kraftstoffverbrauch haben derartige Systeme den Nachteil,
dass bereits bei geringem Heizbedarf ein Öffnen des Wasseventils im Heizungszweig
notwendig ist. Damit geht bei bisher bekannten Ausgestaltungen dieser
Systeme unmittelbar die Einbuße
der Kraftstoffverbrauchsvorteile aufgrund der „abgeschalteten" wärmeaktiven
Masse im Heizzweig einher.In
With regard to fuel consumption, such systems have the disadvantage
that even with low heating demand opening the water valve in the heating branch
necessary is. This is in previously known embodiments of this
Systems directly the loss
the fuel consumption benefits due to the "deactivated" heat-active
Mass in Heizzweig accompanied.
Die
Anzahl an Fahrten mit der Möglichkeit, völlig auf
eine gewisse Heizleistungsentnahme zu verzichten ist in der Praxis
relativ gering. Vielmehr wird auch im Frühjahr und Herbst fast immer
eine gewisse Beheizung benötigt,
um die Scheiben frei von Beschlag zu halten. Selbst im Sommer kann
oftmals nicht auf eine gewisse Heizleistungsentnahme verzichtet
werden, ganz besonders bei Fahrzeugen mit Klimaanlage, bei denen
dem Heizungswärmetauscher
zu Temperaturregelung und zum Entfeuchten stets eine gewisse Wärmemenge
entnommen wird.The
Number of trips with the possibility of being completely up
dispensing with a certain heat output is in practice
relatively low. Rather, it is almost always in spring and autumn
requires a certain amount of heating,
to keep the discs free of fogging. Even in the summer can
Often not waived a certain amount of heat
especially in vehicles with air conditioning, where
the heating heat exchanger
for temperature control and for dehumidifying always a certain amount of heat
is removed.
Die
Wirksamkeit des zusätzlichen
Wasserventils bei luftseitiger Temperaturregelung in Bezug auf die
Kraftstoffersparnis ist daher fast ausschließlich auf den gesetzlichen
Abgastest begrenzt, der ohne Heizung bzw. Klimaanlage bei Temperaturen von
ca. 22-25°C
gefahren wird und auf Fahrsituationen mit maximaler Kühlanforderung
(„Pull-Down") bei Fahrzeugen
mit Klimaanlage.The
Effectiveness of the additional
Water valve with air-side temperature control in relation to the
Fuel economy is therefore almost exclusively on the legal
Exhaust gas test limited, without heating or air conditioning at temperatures of
about 22-25 ° C
is driven and on driving situations with maximum cooling demand
("Pull-down") in vehicles
with air conditioning.
Die
Kosten für
ein zusätzliches
Abschaltventil im Heizungszweig relativ zur erzielbaren Kraftstoffersparnis
liegen bei den derzeitigen Kraftstoffpreisen vielfach gerade knapp
unter der Grenze für
eine wirtschaftliche Einführung,
so dass bisher in sehr vielen Fahrzeugen nicht von dieser Möglichkeit
Kraftstoff zu sparen Gebrauch gemacht wird.The
costs for
an additional
Shut-off valve in the heating branch relative to the achievable fuel economy
In the current fuel prices often just barely
under the limit for
an economic introduction,
so far in many vehicles not of this possibility
Fuel saving is made use of.
Dem
gegenüber
besteht die Aufgabe, ein Heiz- und Klimagerät, insbesondere ein Heizgerät mit luftseitiger
Regelung der Kabinenbeheizung, so umzugestalten, dass sich mit und
ohne Nutzwärmeentnahme
am Kabinenwärmetauscher
und insbesondere bei Nutzwärmeentnahme
am Kabinenwärmetauscher
bei eingeschränktem
Heizbedarf und damit einem Überangebot
an potentieller Heizleistung, eine Kraftstoffeinsparung ergibt.In contrast, there is the task of a heating and air conditioning unit, in particular a heater with air-side control of the cabin heating, so umzugestalten that results in fuel economy with and without Nutzwärmeantnahme the cabin heat exchanger and in particular Nutzwärmeentnahme the cabin heat exchanger with limited heating demand and thus an overabundance of potential heating power.
Dabei
sollen insbesondere die Kosten dadurch eingeschränkt werden, dass Komponenten zum
Einsatz kommen, die sowohl für
die Verbesserung der Heizung bei hohem Heizbedarf als auch für die Verbesserung
des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt werden können.there
In particular, the costs should be limited by the fact that components for
Come in for both
the improvement of the heating with high heating demand as well as for the improvement
of fuel consumption can be used.
Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.These
Task is solved by the method according to claim 1.
Die
beigeordneten Patentansprüche
lösen diese
Aufgabenstellung ebenfalls und verknüpfen das damit verbundene erfindungsgemäße Gedankengut
insbesondere mit neuen Ausgestaltungen zur Lösung der Aufgabe der Ursprungsanmeldung DE 10 2004 058 869.4 des
gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004.The accompanying claims solve this task as well and link the associated inventive concept in particular with new embodiments for solving the task of the original application DE 10 2004 058 869.4 of the applicant of the same name dated 06.12.2004.
Durch
die Erweiterung des Anwendungsbereichs des Zusatzventils im Heizungszweig
gemäß Patentanspruch
1 auf Betriebspunkte mit Wärmeentnahme
verbessert sich das Kosten/Nutzenverhältnis derart, dass bereits
bei den heutigen Kraftstoffpreisen eine wirtschaftliche Einführung möglich wird.By
the extension of the scope of application of the additional valve in the heating branch
according to claim
1 on operating points with heat extraction
the cost / benefit ratio improves so much that already
economic introduction becomes possible at today's fuel prices.
In
Verbindung mit den beigeordneten Ansprüchen erweitert sich der Nutzungsbereich
des erfindungsgemäßen Gedankenguts
sogar in Bereiche hinein, die weit über die Minimierung der wärmeaktiven
Masse und der Wärmeverluste
im Heizungszweig hinausgehen, bis hin zu der Möglichkeit, sehr kostengünstig Wärmemanagementfunktionalitäten darzustellen
bzw. zu verbessern, die bei bisher bekannten Wärmemanagementmaßnahmen
aufwendige Zusatzkomponenten wie el. Kennfeld-Thermostaten, Dreitellerthermostaten,
stufenlose el. Drehschieber als von der Motorsteuerung angesteuerter
Kühlerthermostatersatz
oder gar el. Motorkühlmittelpumpen
benötigen.In
In connection with the adjoining claims, the scope of use widens
of the inventive concept
even in areas that go far beyond minimizing the heat-reactive
Mass and heat losses
go beyond the heating branch, up to the possibility of very cost-effective heat management functionalities
or to improve the previously known thermal management measures
elaborate additional components such as el. map thermostats, three-disc thermostats,
stepless el. rotary valves as controlled by the engine control
Radiator thermostat replacement
or even el. Engine coolant pumps
need.
Durch
die bedarfsweise Drosselung des Kühlwasserdurchsatzes im Heizungszweig
wird dabei die maximal am Heizungswärmetauscher übertragbare
Wärmemenge
auf einen Wert begrenzt, der unterhalb des bei vollem Kühlmitteldurchsatz
erreichbaren Wertes liegt aber mindestens so groß ist, dass die luftseitige
Temperaturregelung durch geeignetes Mischen von kalter Bypass-Luft
und wärmerer
Luft aus dem Heizungswärmetauscher
die gewünschte Luftausblastemperatur
einstellen kann. Durch die Erfüllung
des Mindest-Heizkriteriums wird also sichergestellt, dass genügend Regelspielraum,
d.h. passende Enthalpiestrom-Paarungen mit kalter und warmer Luftströmung, zur
schnellen Regelung und somit zur Erfüllung der Klimakomfortansprüche verfügbar ist.By
the demand throttling the cooling water flow in the heating branch
will be the maximum transferable to the heat exchanger
heat
limited to a value below that at full coolant flow rate
achievable value, however, is at least so great that the airside
Temperature control by suitable mixing of cold bypass air
and warmer
Air from the heater core
the desired air outlet temperature
can adjust. By the fulfillment
the minimum heating criterion ensures that there is sufficient margin,
i.e. suitable enthalpy current pairings with cold and warm air flow, to
rapid regulation and thus to meet the climate comfort requirements is available.
Im
Vergleich zu einer konventionellen luftseitig geregelten Klimaanlage
fließt
hierdurch bei unverändertem
Arbeitspunkt, d.h. unverändertem
Gesamtluftmassenstrom und unveränderter
Kabineneinblastemperatur, in den meisten Betriebszuständen einerseits
mehr Luft durch den Heizungswärmetauscher und
entsprechend weniger Luft durch den unbeheizten Bypasszweig. Andererseits
wird das Kühlwasser im
Heizungszweig aufgrund des geringeren Kühlmitteldurchsatzes wesentlich
stärker
abgekühlt.in the
Compared to a conventional air-side controlled air conditioning
flows
thereby unchanged
Operating point, i. unchanged
Total mass air flow and unchanged
Cabin injection temperature, in most operating conditions on the one hand
more air through the heater core and
correspondingly less air through the unheated bypass branch. on the other hand
is the cooling water in the
Heating branch substantially due to the lower coolant flow rate
stronger
cooled.
Je
nach Heizleistungsbedarf lässt
sich auf diesem Weg – bei
richtiger Dosierung des Kühlmittelmassenstroms
relativ zur geforderten Heizleistungsentnahme – eine Reduktion der effektiven
wärmeaktiven
Masse im Heizungszweig um 50-75% erzielen. Dies liegt zum einen
daran, dass das Kühlmittel
in weiten Kennfeldbereichen der Wärmeentnahme und speziell auch
bei geringer Wärmeentnahme
den Heizungswärmetauscher
nahezu mit Umgebungstemperatur verlässt, d.h. weite Bereiche des
Heizungswärmetauschers
werden deutlich weniger aufgeheizt als bei hohem Kühlmittelmassenstrom.
Die Rückleitungen
bleiben selbst bei rel. geringer Wärmeentnahme nahezu auf Umgebungstemperatur.ever
according to heating power requirement leaves
on this way - at
correct dosage of the coolant mass flow
relative to the required heat output - a reduction of the effective
thermally active
Achieve mass in the heating branch by 50-75%. This is partly because
Remember that the coolant
in wide map areas of heat extraction and especially
at low heat extraction
the heating heat exchanger
leaves almost at ambient temperature, i. wide areas of the
heater core
are heated much less than at high coolant mass flow.
The return lines
stay with rel. low heat extraction almost to ambient temperature.
Mit
Klimaanlagenbetrieb fällt
die Rückleitungstemperatur
z.T. sogar unter die Umgebungstemperatur, d.h. sie befindet nahezu
auf der Lufttemperatur am Verdampferaustritt. Speziell bei konventionellen
Motorkühlsystemen
mit Motorkühlmittelbypass
(s. z.B. 6b in 1) ist diese extrem niedrige Temperatur
durchaus erwünscht,
da sich damit sogar ein gewisser Wärmepumpeneffekt einstellt,
der letztlich der Motorerwärmung
zu Gute kommt. Ohne Motor-Kühlmittelbypassstrom – entsprechende
Anwendungen werden später
noch beschrieben – wird
man bei kraftstoffverbrauchsoptimalem Betrieb, zumindest bei Fahrten
ohne maximalen Heizbedarf, i.a. nicht das ganze Abkühlpotential
nutzen, u.a. um eine lokale Überhitzung
des Motors zu vermeiden und je nach Motor auch um einen Wärmetransport
vom Zylinderkopf zum Zylinderblock zu realisieren.With air conditioner operation, the return temperature drops in some cases even below the ambient temperature, ie it is almost at the air temperature at the evaporator outlet. Especially in conventional engine cooling systems with engine coolant bypass (s.p. 6b in 1 ), this extremely low temperature is quite desirable, as it even adjusts a certain heat pump effect, which ultimately benefits the engine heating. Without engine coolant bypass flow - appropriate applications will be described later - you will use in fuel consumption optimal operation, at least for trips without maximum heating demand, in general, not the whole cooling potential, inter alia, to avoid local overheating of the engine and depending on the engine and a heat transfer from Cylinder head to realize the cylinder block.
Sogar
die Heizungsvorlaufleitung bleibt speziell bei geringer Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
aufgrund der Oberflächenwärmeverluste über die
Lauflänge
gemittelt betrachtet auf einem reduzierten Temperaturniveau und
benötigt
somit weniger Motorabwärme
für die
Aufheizung.Even
the heating supply line remains especially at low heat extraction
at the heating heat exchanger
due to the surface heat losses over the
yardage
averaged at a reduced temperature level and
needed
thus less engine waste heat
for the
Heating.
Mit
anderen Worten, die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes reduziert
die effektive wärmeaktive Masse
im gesamten Heizzweig. Damit gehen geringere Wärmeleistungen für die Aufheizung
einher und über
die Absenkung der Oberflächentemperaturen auch
Einsparungen an Oberflächenwärmeverlusten.In other words, the reduction of the coolant flow rate reduces the effective heat-active mass in the entire heating branch. This is accompanied by lower heat outputs for the heating and By lowering the surface temperatures also savings in surface heat losses.
Zur
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es besonders vorteilhaft, Hochleistungswärmetauscher, insbesondere Gegenstromwärmetauscher
zu verwenden, die auch bei geringem Kühlwasserdurchsatz noch eine
gute Wärmeübertragung
und Temperaturgleichverteilung sicherstellen. Mit Verzicht auf die
Ausnutzung der vollen Bandbreite des Kraftstoffeinsparpotentials
können aber
auch mit vielen serienüblichen
Heizungswärmetauschern
und selbst mit einfachen Kreuzstrom-Wärmetauschern noch signifikante
Vorteile erzielt werden.to
Implementation of the method according to the invention
it is particularly advantageous, high-performance heat exchanger, in particular countercurrent heat exchanger
to use, even with low cooling water throughput yet another
good heat transfer
and ensure temperature equality. With abandonment of the
Utilization of the full range of fuel saving potential
but can
also with many standard
heating heat exchangers
and even with simple cross-flow heat exchangers still significant
Benefits are achieved.
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn als Mindest-Heizkriterium ein Kennfeld
in der Steuerung des Klimabedienteils oder der Motorsteuerung hinterlegt ist,
das sicherstellt, dass der Kühlmitteldurchsatz
im Heizungszweig bei geringer werdender Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher
sinkt und insbesondere, dass die Kühlmittelaustrittstemperatur
des Heizungswärmetauschers
trotz geringer Wärmeentnahme
möglichst
weit in Richtung Umgebungstemperatur abgesenkt wird.Especially
It is advantageous if as the minimum heating criterion a map
is stored in the control of the climate control part or the engine control,
that ensures the coolant flow rate
in the heating branch with decreasing heat removal at the heating heat exchanger
decreases and in particular, that the coolant outlet temperature
of the heating heat exchanger
despite low heat extraction
preferably
is lowered far in the direction of ambient temperature.
Dadurch
wird sichergestellt, dass stets eine möglichst starke Abkühlung des
Kühlmittels
erfolgt und somit die Motorabwärme
primär
der Motoraufheizung und damit der Kraftstoffersparnis zu Gute kommt.Thereby
it is ensured that the greatest possible cooling of the
refrigerant
takes place and thus the engine heat
primary
the engine heating and thus the fuel economy benefits.
Im
Zusammenhang mit der Regelcharakteristik ist zu beachten, dass bei
rel. hoher Wärmeentnahme
und ausgehend von hohen Kühlmitteldurchsätzen speziell
bei sehr effizienten Heizungswärmetauschern
mit der Reduktion des Kühlmittelmassenstroms
nicht immer eine Absenkung der Heizwirkung in der Kabine einhergeht
sondern z.T. eine Erhöhung der
Kabinenheizwirkung. Zur Ausnutzung des vollen Potentials ist es
hier besonders vorteilhaft, dass ein zusätzliches Kennfeld den Bereich
charakterisiert, in welchem eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes eine Verbesserung
der Kabinenheizleistung ergibt und dass bei einem Überangebot
an Heizpotential eine zusätzliche
Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
unter den Durchsatzwert des Heizleistungsmaximums erfolgt.in the
In connection with the control characteristics, it should be noted that at
rel. high heat extraction
and starting from high coolant flow rates especially
for very efficient heating heat exchangers
with the reduction of the coolant mass flow
not always accompanied by a reduction in the heating effect in the cabin
but z.T. an increase in the
Kabinenheizwirkung. To exploit the full potential it is
Here particularly advantageous that an additional map the area
characterized in that a reduction of the coolant flow rate an improvement
the cabin heat output and that in an oversupply
at heating potential an additional
Reduction of coolant flow rate
below the throughput value of the maximum heating power.
Bei
Mehrzonenklimaanlagen ist es wichtig sicherzustellen, dass für die Zone
mit der größten Wärmeentnahme
genügend
Heizpotential verfügbar
ist. Mit einer ungleichmäßigen Wärmeentnahme
geht hier zwangsläufig
die Einbuße
an Abkühl- und damit Kraftstoffeinsparpotential
einher, solange nicht jede Zone ihre eigene kühlwasserseitige Durchflussdrossel
erhält.
Deshalb ist es bei Beschränkung
auf nur eine Kühlwasserdrossel
besonders vorteilhaft, wenn das Mindest-Heizkriterium bei Mehrzonenklimaanlagen
einen ersten Kennfeldbereich für
annähernd gleichmäßige Wärmeentnahme
für die
einzelnen Zonen aufweist und zusätzliche
Kennfeldbereiche für ungleichmäßige Wärmeentnahme
für die
einzelnen Zonen.at
Multi-zone air conditioners, it is important to ensure that for the zone
with the largest heat extraction
enough
Heating potential available
is. With an uneven heat extraction
inevitably goes here
the loss
cooling and thus fuel saving potential
as long as each zone does not have its own cooling water-side flow restrictor
receives.
That's why it's limited
on only one cooling water throttle
particularly advantageous if the minimum heating criterion in multi-zone air conditioners
a first map area for
nearly uniform heat extraction
for the
has individual zones and additional
Map areas for uneven heat extraction
for the
individual zones.
Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig
bei ungleichmäßiger Wärmeentnahme
höher ist
als bei gleichmäßiger Wärmeentnahme.there
It is particularly advantageous if the coolant flow in the heating branch
with uneven heat extraction
is higher
as with even heat extraction.
Soll
auch bei Mehrzonenklimaanlagen das Optimum an Abkühlung erzielt
werden, so ist es besonders vorteilhaft, wenn zonenabhängige Mindest-Heizkriterien
mittels separater Drosselvorrichtungen für die Kühlwasserdurchsätze durch
die einzelnen Zonen des Heizungswärmetauschers eingehalten werden,
so dass neben der Erfüllung
der lokalen Heizleistungserfordernisse eine möglichst weite Temperaturabsenkung
am Heizungsrücklauf
erfolgt.Should
even in multi-zone air conditioners the optimum cooling achieved
be so it is particularly advantageous if zone-dependent minimum heating criteria
by means of separate throttle devices for the cooling water throughputs
the individual zones of the heating heat exchanger are complied with,
so that in addition to the fulfillment
the local heating power requirements as far as possible lowering the temperature
at the heating return
he follows.
Der
Aufwand hierfür
ist zwar etwas erhöht aber
speziell bei hocheffizienten und primär für geringen Kühlmitteldurchsatz
ausgelegten Heizungswärmetauschern
mit einfachen Thermostaten, z.B. in Bimetall-Ausführung, durchaus
mit vertretbaren Kosten realisierbar. In dieser Konstellation genügt es nämlich vielfach
sicherzustellen, dass der Kühlmittelrücklauf stets
unter einer definierten Grenze von z.B. 20°C liegt und bei höheren Temperaturen
lediglich ein kleiner Leckagestrom zum Transport der Temperaturinformation
erfolgt. Bei hoher Heizleistungsentnahme fällt die Rücklauftemperatur unter 25°C und das
Ventil öffnet.Of the
Effort for this
is a little bit higher though
especially at high efficiency and primarily for low coolant throughput
designed heating heat exchangers
with simple thermostats, e.g. in bimetal design, quite
feasible with reasonable costs. In this constellation, it is sufficient in many cases
Ensure that the coolant return is always
below a defined limit of e.g. 20 ° C and at higher temperatures
only a small leakage current for transporting the temperature information
he follows. At high heat extraction, the return temperature falls below 25 ° C and the
Valve opens.
Da
im Winter oftmals Luftausblastemperaturen oberhalb 50°C und gleichzeitig
vergleichsweise hohe Luftmassenströme benötigt werden, liegt auf der
Hand, dass eine derart einfache Umsetzung im winterlichen Fahrbetrieb
einen Hochleistungswärmetauscher
voraussetzt, der in der Lage ist, bei geringem Kühlmitteldurchsatz und gleichzeitig
rel. hohem Luftdurchsatz zu arbeiten.There
In winter often air outlet temperatures above 50 ° C and at the same time
comparatively high air mass flows are needed, lies on the
Hand that such a simple implementation in wintry driving
a high performance heat exchanger
which is capable of with low coolant flow rate and at the same time
rel. high air flow rate.
1 zeigt
einen exemplarischen Kühl-
und Heizkreislauf zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es weist einen Heizkreislauf 4a mit Wärmetauscher 4 auf,
welcher die Wärme
aus der Kühlung
der Brennkraftmaschine 1 bezieht. Ein elektrisches Ventil 2 stellt
einen definierten Kühlmittelmassenstrom
möglichst
unabhängig
von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein, welcher z.B. mittels der
Kühlmitteltemperatur
des Sensors 15 im Steuergerät 16 und unter Zuhilfenahme
des Wärmetauscherkennfeldes
in Abhängigkeit
von der Gebläsestellung,
der Umgebungstemperatur und der momentanen Stellung der Lufttemperaturregelklappe 5 in eine
theoretische Lufttemperatur des Luftmassenstroms 20 am
Austritt aus dem Heizgerät
umgerechnet wird. Weicht diese Temperatur von der Solltemperatur
ab, so regelt die Lufttemperaturregelklappe 5 nach. 1 shows an exemplary cooling and heating circuit for implementing the method according to the invention. It has a heating circuit 4a with heat exchanger 4 on which the heat from the cooling of the internal combustion engine 1 refers. An electric valve 2 sets a defined coolant mass flow as independent as possible of the speed of the internal combustion engine, which for example by means of the coolant temperature of the sensor 15 in the control unit 16 and with the aid of the heat exchanger map in dependence on the blower position, the ambient temperature and the current position of the air temperature control flap 5 in a theoretical air temperature of the air masses stream 20 is converted at the outlet from the heater. If this temperature deviates from the setpoint temperature, the air temperature control flap regulates 5 to.
Ist
die Stellung der Lufttemperaturregelklappe 5 sehr nahe
an einem der beiden Endanschläge, so
wird der Kühlmittelmassenstrom
durch Öffnen bzw.
Schließen
des Ventils 2 so verändert,
dass wieder eine Stellung mit hinreichendem Sicherheitsabstand für eine robuste
Temperaturregelung mit der Lufttemperaturregelklappe 5 besteht.Is the position of the air temperature control flap 5 very close to one of the two end stops, the coolant mass flow is achieved by opening or closing the valve 2 changed so that again a position with sufficient safety distance for a robust temperature control with the air temperature control flap 5 consists.
Zur
Erhöhung
der Regelgüte
ist es in besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Berechnung der Temperatur
des Luftmassenstroms 20 ein Sensor dessen Temperatur misst.
Bei vielen Fahrzeugen ist ein solcher Sensor ohnehin vorhanden,
bei hinreichender Ansprechgeschwindigkeit kann gegebenenfalls sogar
auf die Rechenoperationen zur totzeitarmen Bestimmung der Austrittstemperatur
des Luftmassenstroms 20 verzichtet werden.To increase the control quality, it is particularly advantageous if, in addition to the calculation of the temperature of the air mass flow 20 a sensor whose temperature measures. In many vehicles, such a sensor is present anyway, with sufficient response speed may possibly even on the arithmetic operations for low-dead time determination of the outlet temperature of the air mass flow 20 be waived.
Vom
Wärmetauscher 4 strömt das Kühlmittel über den
Kühlerthermostaten 6 und
die Kühlmittelpumpe 7 zurück zur Brennkraftmaschine 1.
Neben dem Heizungszweig 4a strömt das Kühlmittel bei geschlossenem
Kühlerthermostaten 6 zusätzlich durch den
Bypasszweig 6b. Der Kühlmitteldurchsatz
im Bypasszweig 6b ist erheblich größer als im Heizungszweig, so
dass dieser letztlich die Motorkühlmitteltemperatur
weitgehend unabhängig
von der Heizungsrücklauftemperatur
homogenisiert und auch die Thermostatöffnungstemperatur des Kühlerthermostaten 6 definiert.From the heat exchanger 4 the coolant flows over the radiator thermostat 6 and the coolant pump 7 back to the internal combustion engine 1 , Next to the heating branch 4a the coolant flows when the radiator thermostat is closed 6 additionally through the bypass branch 6b , The coolant flow rate in the bypass branch 6b is considerably larger than in the heating branch, so that this ultimately homogenized the engine coolant temperature largely independent of the heating return temperature and the thermostat opening temperature of the radiator thermostat 6 Are defined.
Wie
bei luftseitig geregelten Klimaanlagen allgemein üblich, übernimmt
auch beim erfindungsgemäßen Verfahren
bei überschüssigem Wärmeangebot
des Heizungswärmetauschers 4 die
Temperaturregelklappe 5 die Temperaturregelung der Kabineneinblastemperatur 20 indem
dem beheizten Luftmassenstrom 21 ein unbeheizter Bypassluftmassenstrom 22 beigemischt
wird. Die erfindungsgemäße Überlagerung
der Kühlmitteldurchsatzanpassung
bewirkt jedoch im Gegensatz zu bekannten Systemen, dass eine erhebliche
Kühlmittel-
und Bauteiltemperaturabsenkung im gesamten Heizzweig realisiert
wird. Dadurch wird zum einen weniger Motorabwärme für die Aufheizung des Heizzweiges
benötigt
und zum andern reduzieren sich aufgrund der geringeren Oberflächentemperaturen
auch die Wärmeverluste an
die Umgebung.As with air-side regulated air conditioning systems common practice, also takes in the inventive method with excess heat supply of the heating heat exchanger 4 the temperature control flap 5 the temperature control of the cabin inlet temperature 20 by the heated air mass flow 21 an unheated bypass air mass flow 22 is added. However, in contrast to known systems, the superimposition of the coolant throughput adaptation according to the invention causes a considerable coolant and component temperature reduction in the entire heating branch to be realized. As a result, on the one hand, less engine waste heat is needed for heating the heating branch and, on the other hand, due to the lower surface temperatures, the heat losses to the environment are also reduced.
Die
hieraus resultierende Einsparung an Kraftstoff ist insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass sie unter fast allen Betriebsbedingungen
der Heizung und gegebenenfalls der Klimaanlage präsent ist.The
the resulting fuel savings are in particular
characterized in that they are under almost all operating conditions
the heating and possibly the air conditioning is present.
Wesentlich
ist dabei jedoch eine entsprechende Sorgfalt bei der Ausgestaltung
der Bauteile und bei der Abstimmung der Regelparameter. Vor diesem
Hintergrund zeigtEssential
However, there is a corresponding care in the design
of the components and in the tuning of the control parameters. Before this
Background shows
2 ein
exemplarisches Kennfeld mit Kurven für die Durchflussabhängigkeit
der mittleren Temperatur der effektiven wärmeaktiven Masse im Heizungszweig
einerseits und Kurven der zugehörigen
Nutzwärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
andererseits. Die effektive wärmeaktive
Masse setzt sich dabei insbesondere aus der Vorlaufleitung mit Ventil 2,
dem Heizungswärmetauscher 4 und
der Rücklaufleitung
zusammen und ist gemäß ihrer
lokalen Temperaturverteilung und Bauteilmasse massengemittelt. Der
Wärmetauscher 4 ist
bei diesem Datensatz dadurch gekennzeichnet, dass er auch bei kleinen
Kühlmitteldurchsätzen hocheffizient
ist, bei etwas einfacheren Wärmetauschern
sind manche Kennfeldpunkte nicht ganz erreichbar. 2 an exemplary map with curves for the flow dependence of the average temperature of the effective heat-active mass in the heating branch on the one hand and curves of the associated Nutzwärmeantnahme the heater core on the other. The effective heat-active material is made up in particular of the flow line with valve 2 , the heater core 4 and the return line together and is mass-averaged according to their local temperature distribution and component mass. The heat exchanger 4 is characterized in this record in that it is highly efficient even with small coolant flow rates, some simpler heat exchangers some map points are not quite reachable.
Für einen
exemplarischen Betriebspunkt mit +80°C Vorlauftemperatur und +7°C Umgebungstemperatur
bzw. +7°C
Austrittstemperatur aus dem Verdampfer der Klimaanlage richtet sich
die Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
natürlich
in hohem Maße
nach der momentanen Gebläseeinstellung
bzw. dem Luftmassenstrom 21. Aus der Praxis ist bekannt,
dass je nach Fahrer und je nach Umgebungsbedingungen fast die gesamte
Bandbreite der gezeigten Luftmassenströme vorkommen kann.For an exemplary operating point with + 80 ° C flow temperature and + 7 ° C ambient temperature and + 7 ° C outlet temperature from the evaporator of the air conditioner, the heat removal at the heater core, of course, depends largely on the current fan setting or the air mass flow 21 , It is known from practice that, depending on the driver and the environmental conditions, almost the entire range of the air mass flows shown can occur.
Von
den Kurvenscharen sind jeweils Kurvenpaare gleichen Luftmassenstroms
zu vergleichen. Vergleicht man z.B. die zusammengehörenden Kurven
für 5 kg/min
Luftmassenstrom, so zeigt die Kurve für die massengemittelte Temperatur,
dass bei ungedrosseltem d.h. hohem Kühlmittelvolumenstrom die massengemittelte
Temperatur nur wenig unterhalb der Vorlauftemperatur von 80°C liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren
wird im Gegensatz hierzu den Kühlmittelmassenstrom
bei einem Heizleistungsbedarf von beispielsweise 5 kW von 12 l/min
auf ca. 1,4 l/min drosseln und damit eine Absenkung der mittleren
Temperatur auf unter 50°C
erzielen. Beträgt der
Heizleistungsbedarf weniger als 1 kW so ist sogar eine Absenkung
der mittleren Temperatur auf unter 40°C realisierbar, indem der Kühlmitteldurchsatz
auf sehr kleine Werte von 0,3 l/min und weniger abgesenkt wird. 2 macht
deutlich, dass die sich die erfindungsgemäße Reduktion der effektiven
wärmeaktiven
Masse selbst bei sehr geringen Luftmassenströmen und damit zwangsläufig sehr
geringer Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
noch realisieren lässt.
Speziell bei diesen geringen Wärmeentnahmen
genügt
bereits ein weniger leistungsfähiger
Heizungswärmetauscher
zur Nutzung der Vorteile.From the families of curves pairs of curves are the same air mass flow to compare. If, for example, one compares the associated curves for 5 kg / min air mass flow, the curve for the mass-average temperature shows that the mass-averaged temperature is only slightly below the flow temperature of 80 ° C with unthrottled ie high coolant volume flow. In contrast to this, the method according to the invention will throttle the coolant mass flow at a heating power requirement of, for example, 5 kW from 12 l / min to about 1.4 l / min and thus achieve a lowering of the average temperature to below 50 ° C. If the heating power requirement is less than 1 kW, it is even possible to lower the mean temperature to below 40 ° C. by lowering the coolant throughput to very low values of 0.3 l / min and less. 2 makes it clear that the inventive reduction of the effective heat-active mass can still be realized even at very low air mass flows and thus inevitably very low heat removal at the heating heat exchanger. Even with these low heat withdrawals, a less efficient heating heat exchanger is already sufficient to exploit the advantages.
2 macht
aber auch deutlich, wie wichtig eine sorgfältige Abstimmung der oben beschriebenen
Regelstrategie für
das Ventil 2 und die Temperaturregelklappe 5 ist,
um das Einsparpotential weitgehend zu nutzen und dennoch Sicherheitsreserven
für eine
gleichmäßige Temperaturregelung
bereitzustellen. 2 But also makes it clear how important careful coordination of the control strategy described above for the valve 2 and the temperature control flap 5 in order to make the most of the savings potential while still providing safety margins for even temperature control.
Die
Ausgestaltung des Systems gemäß 1 hat
insbesondere den Vorteil, dass im gesetzlichen Abgastest, d.h. bei
komplett ausgeschalteter Heizung und Klimaanlage, eine komplette
Abschaltung des Heizungszweigs möglich
ist und keinerlei Potential verschenkt wird.The embodiment of the system according to 1 has the particular advantage that in the legal exhaust gas test, ie completely switched off heating and air conditioning, a complete shutdown of the heating branch is possible and no potential is given away.
Mit
Blick auf die Kosten für
das Ventil 2 und Blick auf die Tatsache, dass in Kundenhand
nur sehr selten ein Betrieb komplett ohne Heizleistungsentnahme
vorkommt, zeigt 3 eine besonders vorteilhafte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Als Drosselorgan 2 kommt hier kein el. betätigtes Ventil
zum Einsatz, sondern ein rein thermostatisch betätigtes Ventil, das nun im Rücklauf des
Heizungszweiges oder gar in einer weitgehend abgekühlten Zone
des Heizungswärmetauschers 4 angeordnet
ist. Dieses Ventil ist z.B. oberhalb von +25°C in der geschlossenen Endposition
und weist einen kleinen Leckagestrom auf, um die Kühlmitteltemperaturinformation
an das Thermostatventil 2 zu transportieren. Unterhalb
von 25°C öffnet das
Thermostatventil 2 und versucht die Rücklauftemperatur auf +25°C zu regeln.
Damit wird einerseits sichergestellt, dass bei hoher Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
ein hinreichender Durchfluss anliegt, um die Heizbedürfnisse
zu befriedigen und andererseits bei geringer Wärmeentnahme der Durchfluss
so stark gedrosselt wird, dass die gewünschte Absenkung der Kühlmittel-
und Bauteiltemperaturen im gesamten Heizzweig sichergestellt ist.
Mit Blick auf das Kennfeld in 2 wird deutlich,
dass diese Vorgehensweise einen Hochleistungswärmetauscher voraussetzt, der
z.B. in der Lage ist, bereits bei Durchflüssen um die 2 l/min die gleiche
Heizleistung abzugeben wie konventionelle Wärmetauscher bei 10-15 l/min.
Die Mehrkosten für
einen solchen Hochleistungswärmetauscher
werden jedoch dadurch relativiert, dass man ihn zur vollen Ausnutzung
des Potentials ohnehin benötigt
und sich damit zusätzlich
die Applikation signifikant vereinfacht. Gleichzeitig können die
Kosteneinsparungen beim Thermostatventil im Vergleich zu einem el.
Ventil gegengerechnet werden. Angesichts der geringen Kosten für ein einfaches
Thermostatventil mit zugelassener Leckage erscheint dieser Weg durchaus
attraktiv.Looking at the cost of the valve 2 and look at the fact that in the customer's hand very rarely a operation occurs completely without heating power extraction shows 3 a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention. As throttle body 2 Here, no el. Actuated valve is used, but a purely thermostatically actuated valve, which now in the return of the heating branch or even in a largely cooled zone of the heating heat exchanger 4 is arranged. This valve is eg in the closed end position above + 25 ° C and has a small leakage current to the coolant temperature information to the thermostatic valve 2 to transport. Below 25 ° C, the thermostatic valve opens 2 and tries to regulate the return temperature to + 25 ° C. This ensures on the one hand that at high heat removal at the heat exchanger sufficient flow is applied to satisfy the heating needs and on the other hand, with low heat removal, the flow is throttled so much that the desired reduction of the coolant and component temperatures is ensured throughout the heating. Looking at the map in 2 It becomes clear that this procedure requires a high-performance heat exchanger, which is capable, for example, of delivering the same heat output even at flow rates around 2 l / min as conventional heat exchangers at 10-15 l / min. The additional costs for such a high-performance heat exchanger, however, are put into perspective by the fact that it is needed in any case to fully exploit the potential, thereby additionally simplifying the application significantly. At the same time, the cost savings of the thermostatic valve compared to a el. Valve can be counterbalanced. Given the low cost of a simple thermostatic valve with approved leakage, this approach seems quite attractive.
Das
Arbeiten mit grundsätzlich
reduziertem Durchfluss im Heizungszweig erweitert insbesondere den
Spielraum, Heizungswärmetauscher
mit einer höheren
Rohr/Rippen-Dichte zu verwenden und gegebenenfalls auf die effizientere
Gegenstrombauweise überzugehen.
Ein Teil des eingesparten Druckverlustes bei geringerem Durchsatz
wird aber insbesondere dafür
besonders vorteilhaft verwendet, die Vorlaufleitung mit einem etwas
geringeren Querschnitt zu versehen. Hieraus resultieren nicht nur
Vorteile bei der wärmeaktiven
Masse und den Oberflächenwärmeverlusten,
sondern auch bei der Totzeit der Heizungstemperaturregelung, speziell
bei sehr geringem Durchfluss.The
Work with basically
reduced flow in the heating branch extends in particular the
Travel, heating heat exchanger
with a higher one
Use tube / rib density and, if necessary, the more efficient one
To move counter-current construction.
Part of the saved pressure loss at lower throughput
but especially for that
used particularly advantageously, the supply line with a something
to provide a smaller cross-section. This does not only result
Advantages of the heat-active
Mass and surface heat losses,
but also at the dead time of the heating temperature control, specifically
at very low flow.
Zur
Maximierung des Kraftstoffeinsparpotentials aber auch zur Vereinfachung
der Applikation ist insbesondere die Kombination des el. Ventils
mit dem Thermostatventil sehr vorteilhaft. Dabei lässt sich nicht
nur die komplette Abschaltung des Heizungszweigs realisieren sondern
auch der Regelbereich erweitern.to
Maximizing the fuel saving potential but also for simplification
the application is in particular the combination of the el. valve
very advantageous with the thermostatic valve. It does not work
only realize the complete shutdown of the heating branch but
also expand the control area.
Der
Leckagestrom und die Regeltemperatur des Thermostatventils 2 in 3 definieren
naturgemäß die obere
Grenze der Luftaufheiztemperatur bei rel. warmer Umgebungstemperatur.
Bei sehr gutem Wärmetauscher
genügt
hier eine Regeltemperatur um die 25°C um mit und ohne Klimaanlage
auch bei sehr kleinem Leckagestrom auszukommen. Bei einfacheren
Wärmetauschern
ist es vorteilhaft die Regeltemperatur auf etwa 30-35° zu erhöhen und/oder den
Leckagestrom etwas anzuheben, um sicherzustellen, dass stets genügend Heizleistung
verfügbar ist.The leakage current and the control temperature of the thermostatic valve 2 in 3 naturally define the upper limit of the air heating temperature at rel. warm ambient temperature. With a very good heat exchanger, a control temperature of 25 ° C is sufficient to manage with and without air conditioning even with very small leakage current. For simpler heat exchangers, it is advantageous to increase the control temperature to about 30-35 ° and / or to increase the leakage current slightly to ensure that always enough heating power is available.
Speziell
bei Motoren mit Heizleistungsdefizit, aber auch zur Maximierung
der Kabinenaufheizung im Winter ist es besonders vorteilhaft, wenn
im Kühlkreislauf
gemäß 3 bei
hohem Heizbedarf der Kühlmittelbypasszweig 6b ebenso geschlossen
ist wie der Kühlerzweig 6a und
der Entlüftungszweig 9a. Dies
ist für
die Maximierung der Heizwirkung generell vorteilhaft. In Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen System
in der Variante mit Hochleistungswärmetauscher sind jedoch die
Heizleistungsvorteile noch wesentlich größer, da nun bei entsprechend
geringem Kühlmitteldurchsatz
auch die mittlere wärmeaktive
Masse des Motors deutlich herabgesetzt wird.Especially in engines with heating power deficit, but also to maximize the cabin heating in winter, it is particularly advantageous if in the cooling circuit according to 3 with high heating demand, the coolant bypass branch 6b is closed as well as the cooler branch 6a and the venting branch 9a , This is generally advantageous for maximizing the heating effect. In connection with the system according to the invention in the variant with high-performance heat exchanger, however, the Heizleistungsvorteile are still much larger, since now with a correspondingly low coolant throughput and the average heat-reactive mass of the engine is significantly reduced.
In
dem besonders vorteilhaften Kühlsystem gemäß 4 kommt
hierzu das Bypassventil 6bv zum Einsatz und es ist eine
Verlegung des Rücklaufs vom
Wasserbehälter 9 auf
die kalte Seite des Kühlerthermostaten 6 erfolgt.
Bei hohem Heizbedarf und geringer Motorleistung wird das Ventil 6bv geschlossen,
so dass nicht nur die wärmeaktive
effektive Masse des Heizungszweigs minimiert wird, sondern auch die
wärmeaktive
Masse des Motors. Sobald ein Wärmeüberschuss
für die
Kabinenheizung besteht ist es bei dieser Anordnung besonders vorteilhaft,
den Kühlmittelmassenstrom
im Heizungszweig zusätzlich zu
drosseln. Je nach Motorbauart ist es dann für einen kraftstoffverbrauchsoptimalen
Betrieb am günstigsten
das Bypassventil 6bv geschlossen zu halten, um nach wie
vor eine möglichst
kleine wärmeaktive Masse
im Heizungszweig zu realisieren. Dies ist vorteilhaft bei Motorenbauarten,
bei denen sich die extrem niedrige Rücklauftemperatur über motorinterne Strömungsvorgänge und
insbesondere durch natürliche
Konvektion im Motorinnern weitgehend ausgleicht. Der Abfall des
wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten
im Wassermantel der Zylinderlaufbahnen leistet dann, insbesondere über die
Einsparung von Reibungsverlusten der Kolbengruppe und über einen
verstärkten
Wärmeübergang
ans Motoröl,
einen Zusatzbeitrag zur Kraftstoffverbrauchseinsparung.In the particularly advantageous cooling system according to 4 comes to this the bypass valve 6bv used and it is a laying of the return from the water tank 9 on the cold side of the radiator thermostat 6 he follows. At high heating demand and low engine power, the valve 6bv closed, so that not only the heat-active effective mass of the heating branch is minimized, but also the heat-reactive mass of the engine. As soon as there is a heat surplus for the cabin heating, it is particularly advantageous in this arrangement to additionally throttle the coolant mass flow in the heating branch. Depending on the engine type, it is then best for a fuel consumption optimal operation, the bypass valve 6bv Keep closed to the smallest possible heat-active To realize mass in the heating branch. This is advantageous in engine designs in which the extremely low return temperature over engine internal flow processes and in particular by natural convection in the engine interior largely compensates. The drop in the water-side heat transfer coefficient in the water jacket of the cylinder liners then makes an additional contribution to saving fuel, in particular via the savings in friction losses of the piston group and via an increased heat transfer to the engine oil.
Bei
Motorenbauarten, bei denen motorinterne Ausgleichsströmungen weniger
stark ausgeprägt sind,
ist es hingegen besonders vorteilhaft, das Bypassventil 6bv zu öffnen, um
einen Wärmetransport von
heißen
Stellen des Motorkühlkreislaufes,
insbesondere vom Zylinderkopf oder gegebenenfalls vom Abgasrückführkühler, zum
Motoreintritt und damit auch an die Zylinderlaufbahn sicherzustellen.On the other hand, in engine types where engine-internal compensation flows are less pronounced, it is particularly advantageous to use the bypass valve 6bv open to ensure heat transfer from hot spots of the engine cooling circuit, in particular from the cylinder head or optionally from the exhaust gas recirculation cooler, to the engine inlet and thus also to the cylinder liner.
Dabei
ist es besonders vorteilhaft, das Bypassventil 6bv nur
teilweise bzw. getaktet zu öffnen und
damit sicherzustellen, dass nur soviel Kühlmittel durch den Motor strömt, wie
für einen
ausreichenden Wärmetransport
vom Zylinderkopf zum Motoreintritt notwendig ist. Speziell bei geringer
bis mittlerer Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 genügt hier
bei geringer Motorlast i.a. ein Bruchteil der bei voll geöffnetem
Bypassventil am Motor anliegenden Durchsatzmenge. Ein Blick auf
die bei Minimierung der wärmeaktiven
Masse im Heizzweig zu erwartenden Kühlmitteldurchflüsse gemäß 2 zeigt,
dass bereits wenige l/min Bypassvolumenstrom genügen, um die Kühlmitteleintrittstemperaturen
am Motoreintritt annähernd
auf das Motoraustrittstemperaturniveau anzuheben. Ein Rechenbeispiel
soll dies verdeutlichen: Strömt
Kühlmittel
mit 80°C
am Motoraustritt im Heizungswärmetauscherzweig 4a und
wird bei einem Kühlmittelvolumenstrom
von 0,5 l/min auf +7°C
abgekühlt,
so genügt
bei geschlossenem Thermostaten 6 ein Bypassvolumenstrom 6b von
5 l/min um die Motoreintrittstemperatur an der Pumpe 7 auf 73°C anzuheben,
d.h. es liegt dann eine weitgehend homogene Kühlmitteltemperatur im Motor
von 73-80°C
vor. Im Vergleich zu einem konventionellen Kühlsystem ist der Motorkühlmitteldurchsatz
von beispielsweise 50 l/min, d.h. 15 l/min aus dem Heizungszweig 4a und 35 l/min
aus dem Bypasszweig 6b, auf 5,5 l/min gefallen. Gängige Korrelationen
für die
grobe Abschätzung
des Wärmeübergangs
im Wassermantel der Zylinderlaufbahn zeigen einen Zusammenhang des
Wärmeübergangskoeffizienten α mit der
Reynoldszahl und damit dem Kühlmitteldurchsatz
bzw. der Strömungsgeschwindigkeit
u von α ~ u0,8, so dass mit sich mit dieser Faustformel
für den Übergang
von 50 l/min auf 5,5 l/min ein theoretischer Unterschied des wasserseitigen
Wärmeübergangs um
ca. den Faktor 6 ergibt. Auch wenn obige Korrelation speziell in
Richtung sehr geringer Durchflüsse einen
etwas zu starken Abfall des Wärmeübergangs vorhersagt,
so zeigt die Praxis die grundsätzliche Richtigkeit
dieser Betrachtung. Mit dem erheblichen Abfall des Wärmeübergangskoeffizienten
geht nicht nur eine signifikante Erhöhung der Temperatur an den
Zylinderlaufbahnen einher, sondern letztlich auch eine schnellere
Erwärmung
des Motoröls.
Beide Effekte wirken sich nicht nur in der Frühphase des Motorwarmlaufs positiv
auf den Kraftstoffverbrauch aus sondern auch bei längerem Fahrbetrieb
mit geringer Motorlast und Heizleistungsentnahme.It is particularly advantageous, the bypass valve 6bv open only partially or clocked and thus ensure that only as much coolant flows through the engine, as is necessary for a sufficient heat transfer from the cylinder head to the engine inlet. Especially with low to medium heat removal at the heating heat exchanger 4 Here, at low engine load, in general, a fraction of the flow rate applied to the engine when the bypass valve is fully open is sufficient. A look at the expected when minimizing the heat-active mass in the heating branch coolant flows 2 shows that even a few l / min bypass flow are sufficient to raise the coolant inlet temperatures at the engine inlet to approximately the engine outlet temperature level. An example calculation should clarify this: Coolant flows at 80 ° C at the engine outlet in the heating heat exchanger branch 4a and is cooled at a coolant flow rate of 0.5 l / min to + 7 ° C, it is sufficient when the thermostat is closed 6 a bypass volumetric flow 6b of 5 l / min around the motor inlet temperature at the pump 7 to 73 ° C, ie there is then a largely homogeneous coolant temperature in the engine of 73-80 ° C before. For example, compared to a conventional cooling system, the engine coolant flow rate is 50 l / min, ie 15 l / min from the heater branch 4a and 35 l / min from the bypass branch 6b , dropped to 5.5 l / min. Current correlations for the rough estimate of the heat transfer in the water jacket of the cylinder liner show a correlation of the heat transfer coefficient α with the Reynolds number and thus the coolant throughput or the flow velocity u of α ~ u 0.8 , so that with this rule of thumb for the transition of 50 l / min to 5.5 l / min gives a theoretical difference of the water-side heat transfer by about a factor of 6. Even if the above correlation, especially in the direction of very low flows, predicts a somewhat too great drop in the heat transfer, the practice shows the fundamental correctness of this consideration. With the significant drop in the heat transfer coefficient is not only accompanied by a significant increase in the temperature of the cylinder liners, but ultimately a faster heating of the engine oil. Both effects have a positive effect on fuel consumption not only in the early phase of engine warm-up, but also during prolonged driving with low engine load and heat output.
Bei
Erreichen von Motoraustrittstemperaturen oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur
von beispielsweise 85°C
ist speziell bei geringer Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 schnell der
Punkt erreicht, ab welchem das getaktete Öffnen des Bypassventils 6bv den
Kühlerthermostaten 6 öffnet. Ein
kontrolliertes Mischen des Bypassvolumenstroms 6b mit dem
Heizungsvolumenstrom wird ab diesem Punkt dadurch deutlich erschwert
dass nun 3 Volumenströme
sowie das temperaturabhängige Öffnen des
Kühlerthermostaten 6 bei
der Festlegung der Taktfrequenz bzw. Öffnungsdauer des Bypassventils 6bv zu
berücksichtigen
sind. Speziell bei Anwendungen, bei denen als Drosselorgan 2 im
Heizungszweig 4a ein el. schaltbares Ventil zum Einsatz
kommt, ist es vor diesem Hintergrund besonders vorteilhaft, wenn
in Betriebssituationen mit Wärmeüberschuss nach
Erreichen einer Mindesttemperatur der Kühlmittelvolumenstrom im Heizungszweig
teilweise oder vollständig
geöffnet
wird.Upon reaching engine outlet temperatures above the thermostat opening temperature, for example, 85 ° C is especially at low heat removal at the heat exchanger 4 quickly reached the point at which the clocked opening of the bypass valve 6bv the radiator thermostat 6 opens. Controlled mixing of bypass volume flow 6b with the heating volume flow is made from this point significantly more difficult now that now 3 volume flows and the temperature-dependent opening of the radiator thermostat 6 in determining the clock frequency or opening time of the bypass valve 6bv to take into account. Especially in applications where as a throttle body 2 in the heating branch 4a an el. switchable valve is used, it is particularly advantageous against this background, when partially opened or fully opened in operating situations with excess heat after reaching a minimum temperature of the coolant flow in the heating branch.
Dabei
ist es zur Vermeidung temporären
Unterkühlens
des Motors besonders vorteilhaft, wenn die Durchflusserhöhung im
Heizungszweig derart erfolgt, dass während des Übergangs auf hohen Durchfluss
das Bypassventil 6bv zumindest zeitweise geöffnet ist.It is to avoid temporary undercooling of the engine particularly advantageous if the flow rate increase in the heating branch is such that during the transition to high flow, the bypass valve 6bv at least temporarily open.
Um
das temporäre
Einströmen
kalten Kühlmittels
aus dem Kühlerzweig
sicher zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, diese Umschaltung
bei Kühlmittelaustrittstemperaturen
aus dem Motor unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise
85°C vorzunehmen.Around
the temporary one
pour in
cold coolant
from the cooler branch
It is particularly advantageous to avoid this switching
at coolant outlet temperatures
from the engine below the thermostat opening temperature of, for example
85 ° C.
Bei
geringem Überangebot
an Motorabwärme
wird das Bypassventil 6bv auch beim weiteren Ansteigen
der Kühlmitteltemperatur
am Motoraustritt bis hin zu Werten deutlich oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur
wieder geschlossen, so dass alleine der Durchfluss und die Temperatur
im Heizungszweig 4a das Ausmaß der Öffnung des Kühlerthermostaten 6 und
damit die Wärmeabgabe
an die Umgebung definieren. Für
eine hohe Regelgüte
der Motorkühlmitteltemperatur
auf angehobenem Temperaturniveau ist es hier besonders vorteilhaft
wenn der Kühlmitteldurchsatz
im Heizungszweig 4a mittels des el. Ventils 2 auf
Werte gedrosselt wird, die gerade noch eine ausreichende Kühlwirkung
für den
Motor bewirken. Speziell in Verbindung mit einem bereits auf reduzierte
Gesamtdurchsätze
ausgelegten Heizungswärmetauscher
ist hier ein breites Spektrum an Motorteillastbetriebspunkten mit
und ohne Heizung anzutreffen, in welchem der Thermostat 6 automatisch
eine sehr feinfühlige
Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Motor vornimmt. Der geringe Wärmeübergangskoeffizient im Wassermantel
der Zylinderlaufbahn bei dem geringen Gesamtdurchfluss durch den
Motor, der sich aufgrund des geschlossenen Bypassventils 6bv und
des nur minimal geöffneten
Kühlerthermostaten 6 einstellt,
führen letztlich
auf die gewünschte
Erhöhung
der Bauteil- und Öltemperaturen.
Dabei liegt bei konventionellen Kühlerthermostaten und großem Kühlpotential
des Fahrzeugkühlers
die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen
Motoreintritt und Motoraustritt im Bereich um die 20K.With a small excess supply of engine waste heat, the bypass valve 6bv closed again when the coolant temperature at the engine outlet continues to rise to values well above the thermostat opening temperature, so that only the flow and the temperature in the heating branch 4a the extent of the opening of the radiator thermostat 6 and thus define the heat release to the environment. For a high control quality of the engine coolant temperature at a raised temperature level, it is particularly advantageous if the coolant throughput in the heating branch 4a by means of of the el. valve 2 throttled to values that just cause a sufficient cooling effect for the engine. Especially in connection with a already designed for reduced total throughput heat exchanger here is a wide range of engine part load operating points with and without heating can be found in which the thermostat 6 automatically makes a very sensitive throttling of the coolant flow rate through the engine. The low heat transfer coefficient in the water jacket of the cylinder liner at the low total flow through the engine, due to the closed bypass valve 6bv and the minimal open radiator thermostat 6 ultimately, lead to the desired increase in component and oil temperatures. With conventional radiator thermostats and a large cooling potential of the vehicle radiator, the coolant temperature difference between the engine inlet and engine outlet is in the range around 20K.
Es
werden bei dieser Vorgehensweise z.T auch Betriebssituationen erreicht,
bei denen eigentlich ein geringfügig
höherer
Kühlmitteldurchsatz
wünschenswert
wäre, um
eine potentielle Motorüberhitzung
zu vermeiden oder um speziell bei relativ geringem Wärmeüberschuss
des Motors und bereits weitgehend abgesenktem Kühlmittelstrom – und damit weitgehend
abgesenktem Wärmeübergangskoeffizienten – eine höhere Temperatur
am Motoreintritt zu erzielen ohne den Fahrzeugkühler 8 zu öffnen. In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird daher vorgeschlagen, die Kühlmittelrückleitung
des Heizungszweigs stromab des Kühlerthermostaten 6 und
stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 anzuordnen.
Damit geht eine weitgehende Entkoppelung der Öffnung des Kühlerthermostaten 6 von
der Durchströmung
des Heizungszweigs einher, so dass sich nun bei geringer Heizleistungsentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 durchaus
Kühlmitteltemperaturen
am Motoreintritt weit oberhalb der Öffnungstemperatur des Kühlerthermostaten
einstellen lassen. Der Gewinn an Bandbreite für die mittels des Bypassventils 6bv und
des Drosselorgans 2 einstellbaren Motorbauteiltemperaturen
ist durchaus signifikant. Um hier die Nachteile zu kompensieren,
die dadurch entstehen, dass das Zusammenspiel des Kühlerthermostaten 6 mit
dem Heizungsrücklauf
in wichtigen Motorteillastpunkten nicht mehr automatisch eine sehr
feinfühlige Temperaturregelung
liefert, die durch eine el. Betätigung
des Ventils 2 sehr feinfühlig gestuft werden kann, ist
eine entsprechend präzisere
Ansteuerung des Bypassventils 6bv unter besonderer Berücksichtigung
der lokalen Durchflüsse
und Temperaturen vorteilhaft.In some cases, operating conditions are also achieved with this approach, where actually a slightly higher coolant throughput would be desirable to avoid potential engine overheating or especially at relatively low heat surplus of the engine and already largely lowered coolant flow - and thus largely lowered heat transfer coefficient - a higher temperature to achieve at the engine entrance without the vehicle radiator 8th to open. In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is therefore proposed, the coolant return line of the heating branch downstream of the radiator thermostat 6 and upstream of the engine coolant pump 7 to arrange. This is a far-reaching decoupling of the opening of the radiator thermostat 6 accompanied by the flow through the heating branch, so that now at low heat extraction on the heating heat exchanger 4 may well set the coolant temperatures at the engine inlet far above the opening temperature of the radiator thermostat. The gain in bandwidth for by means of the bypass valve 6bv and the throttle body 2 Adjustable engine component temperatures is quite significant. To compensate for the disadvantages caused by the interaction of the radiator thermostat 6 with the heating return in important engine part load points no longer automatically provides a very sensitive temperature control, by an el. Actuation of the valve 2 can be stepped very sensitively, is a correspondingly more precise control of the bypass valve 6bv taking particular account of local flows and temperatures.
Diese
Ausführungen
am Beispiel gemäß 3 zeigen,
dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise
speziell in Verbindung mit einem Zusatzventil 6bv ein erhebliches
Potential zur Kraftstoffverbrauchseinsparung aufweist. Die Kosten
für die
Ausgestaltung gemäß 3 beschränken sich
im einfachsten Fall auf das Bypassventil 6bv und das Thermostatventil 2 im
Heizungszweig bzw. alternativ dazu ein zweites el. Ventil 2 im
Heizungszweig und liegen weit unter den Kosten alternativer Technologien
zur Kraftstoffverbrauchseinsparung.These statements on the example according to 3 show that the procedure according to the invention especially in conjunction with an additional valve 6bv has a significant potential for fuel economy. The costs for the design according to 3 limited in the simplest case to the bypass valve 6bv and the thermostatic valve 2 in the heating branch or, alternatively, a second el. valve 2 in the heating branch and are well below the cost of alternative fuel economy saving technologies.
Die
praktische Umsetzung der Maßnahmen gemäß 3 unter
voller Ausnutzung des aufgezeigten Kraftstoffeinsparpotentials erfordert – bei aller Einfachheit
der Komponenten – einen
nicht zu unterschätzenden
Applikationsaufwand. Speziell bei der Dosierung des Bypassventils 6bv im
Bereich oberhalb der Thermostat-Nenntemperatur
von beispielsweise 85°C
liegt ein gewisses Fehlerpotential bei der Applikation, u.a. durch
unbeabsichtigtes oder zu starkes Öffnen des Kühlerzweigs, verbunden mit Einbußen bei
der Kraftstoffeinsparung. Außerdem
besteht hier auch die Gefahr, dass zu hohe Anforderungen an das
Bauteil und die Ansteuerung einen nicht vernachlässigbaren Teil der Kostenvorteile
aufzehren. Diese Aussage gilt für
die in 4 gezeigte Einbindung des Heizungsrücklaufs
und verstärkt
für die
Einbindung des Heizungsrücklaufs
stromab des Thermostaten. Eine motorbezogene Analyse kann letztlich
erst zeigen, ob es u.U. nicht kosteneffizienter ist, ein etwas ungenauer
dosierbares Bypassventil 6bv zu verwenden und damit dennoch
den Großteil
der Vorteile des erfindungsgemäßen Systems
zu realisieren.The practical implementation of the measures according to 3 Taking full advantage of the indicated fuel saving potential requires - with all the simplicity of the components - a not to be underestimated application costs. Especially when dosing the bypass valve 6bv in the range above the thermostat nominal temperature of, for example, 85 ° C is a certain potential for error in the application, including accidental or excessive opening of the cooler branch, associated with losses in fuel economy. In addition, there is also the danger here that too high demands on the component and the control consume a not negligible part of the cost advantages. This statement applies to the in 4 shown integration of the heating return and reinforced for the integration of the heating return downstream of the thermostat. A motor-related analysis can only show if it is not more cost-efficient, a somewhat inaccurate dosing bypass valve 6bv to use and thus still to realize the majority of the advantages of the system according to the invention.
Eine
weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
findet sich in 5. Zusätzlich zu 4 findet
sich hier der Zusatzbypass 6c, parallel zum Bypasszweig 6b mit Bypass-Ventil 6bv,
welcher aber nicht am Kühlerthermostat 6 endet,
sondern stromab, bevorzugt direkt im Nahbereich des Pumpeneintritts
der Motorkühlmittelpumpe 7.
In der einfachsten Form ist dies eine Leitung geringen Querschnitts
mit entsprechender Drosselwirkung oder eine Leitung mit einem Thermostatventil 6cv,
das z.B. ab 60°C
Kühlmitteltemperatur öffnet. Anstelle
der externen Leitung 6cv können auch motorinterne Kanäle zum Einsatz
kommen.Another particularly advantageous embodiment of the method according to the invention can be found in 5 , In addition to 4 you will find here the additional bypass 6c , parallel to the bypass branch 6b with bypass valve 6bv , which is not on the radiator thermostat 6 ends, but downstream, preferably directly in the vicinity of the pump inlet of the engine coolant pump 7 , In the simplest form, this is a small-diameter pipe with a corresponding throttling action or a pipe with a thermostatic valve 6cv , which opens eg from 60 ° C coolant temperature. Instead of the external line 6cv also internal engine channels can be used.
In
beiden Fällen,
d.h. mit und ohne Thermostat 6cv, ist der Durchfluss im
Bypasszweig 6b bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 und
geöffnetem
Bypassventil 6bv um ein Vielfaches größer als im Zusatzbypasszweig 6c.
Diese Vorgabe bezüglich des
Durchflusses ist zum einen wichtig für eine gute Heizleistung und
zur Begrenzung der durchflussabhängigen
Kühlwirkung
an den Zylinderlaufbahnen mit und ohne Heizung. Zum andern wird
damit aber auch sichergestellt, dass bei hohem Kühlbedarf, d.h. bei Schließen des
Bypasszweigs 6b, eine hinreichende Kühlmittelmenge durch den Fahrzeugkühler 8 strömt.In both cases, ie with and without thermostat 6cv , the flow is in the bypass branch 6b with closed radiator thermostat 6 and opened by-pass valve 6bv many times larger than in the additional bypass branch 6c , This requirement with regard to the flow is important on the one hand for a good heat output and for limiting the flow-dependent cooling effect on the cylinder liners with and without heating. On the other hand, this also ensures that with high cooling demand, ie when closing the bypass branch 6b , a sufficient amount of coolant through the vehicle radiator 8th flows.
Diese
auf den ersten Blick etwas umständlich
wirkende Ausgestaltung des Kühlsystems
ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es mit geschlossenem Bypassventil 6bv in
einer ersten Einstellung eine verbesserte Heizwirkung bei reduziertem
Kraftstoffverbrauch erlaubt und in weiteren Einstellungen mit teilweise
weit unter das Heizleistungsmaximum reduziertem Kühlmittelmassenstrom
im Heizungszweig und nur bei Überhitzungsgefahr
geöffnetem Bypassventil 6bv eine
Minimierung des Kraftstoffverbrauchs unter Berücksichtigung des jeweiligen
Heizleistungsbedarfs bis hin zum gesetzlichen Abgastest ohne Heizung.At first glance, this is a bit complicated Lich acting design of the cooling system is therefore particularly advantageous because it with closed bypass valve 6bv in a first setting, an improved heating effect with reduced fuel consumption allowed and in other settings with partially far below the maximum heat output reduced coolant mass flow in the heating branch and only in case of overheating danger opened by-pass valve 6bv a minimization of the fuel consumption taking into account the respective heating power requirement up to the legal exhaust gas test without heating.
In
Bezug auf die Maximierung der Heizleistung ist der Zusatzthermostat 6cv besonders
hilfreich, da er bis zu einer Mindesttemperatur des motorseitigen
Kühlmittels
sicherstellt, dass der Hauptkühlmittelstrom
durch den Heizungswärmetauscher 4 geht
und damit – über die
Begrenzung des Gesamtdurchsatzes durch den Motor – bei relativ
niedrigen Kühlwassereintrittstemperaturen
des Motors auch am Motor selbst eine sehr starke Temperaturschichtung
anliegt. D.h. die wärmeaktive
Masse des Motors wird ebenso minimiert, wie die wärmeaktive
Masse im Heizungszweig. Der Bypasszweig 6b und der Entlüftungszweig 9a sowie
der Kühlerzweig 6a sind
hier ohnehin geschlossen.In terms of maximizing heating power is the auxiliary thermostat 6cv particularly helpful because it ensures that the main coolant flow through the heater core up to a minimum temperature of the engine side coolant 4 goes and thus - over the limitation of the total throughput by the engine - at relatively low cooling water inlet temperatures of the engine and the engine itself is a very strong temperature stratification. That is, the heat-active mass of the engine is minimized as well as the heat-active mass in the heating branch. The bypass branch 6b and the venting branch 9a and the cooler branch 6a are closed here anyway.
In
vielen Anwendungsfällen
ist aber auch ohne den Zusatzthermostaten 6cv unter allen
winterlichen Fahrzuständen
genügend
Heizleistung verfügbar,
so dass es in Betriebssituationen mit hoher Heizleistungsentnahme
bei manchen Motoren kraftstoffverbrauchsgünstiger sein kann, auf den
Thermostaten 6cv zu verzichten. Noch besser ist es in Bezug auf
die Umschaltung zwischen Kraftstoffverbrauchs- und Heizleistungsoptimum
daher, das Thermostatventil 6cv durch ein bedarfsgerecht
von der Motorsteuerung el. angesteuertes Ventil zu ersetzen. In den
meisten Anwendungen wird aber aus Kostengründen gar kein Ventil oder Thermostat
zum Einsatz kommen.In many applications, but is also without the additional thermostats 6cv sufficient heat output is available under all winter driving conditions, so that it can be more fuel-efficient in operating situations with high heat extraction in some engines, on the thermostat 6cv to renounce. It is even better in terms of switching between fuel consumption and optimum heating performance, the thermostatic valve 6cv to be replaced by a demand-driven by the engine control el. valve. In most applications, however, for cost reasons, no valve or thermostat will be used.
Einen
gewissen Anteil an der Kraftstoffeinsparung mit dem Kühl- und
Heizsystem gemäß 5 hat
wie bereits beschrieben die Tatsache, dass die kalte Rückleitung
des Kühlmittels
im Heizungszweig stromauf des Einleitungspunktes 7e des
Zusatzbypass 6c liegt und dass der Motorkühlmittelbypass 6b so
im Umfeld des Kühlerthermostaten 6 angeordnet ist,
dass dessen Kühlmittelstrom
beim elektrischen Öffnen
des Bypassventils 6bv am Dehnstoffelement des Kühlerthermostaten 6 vorbeiströmt. In Verbindung
mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Heizkreislaufs, die selbst bei geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 eine
Temperatur des zurückströmenden Kühlmittels
deutlich unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur liefert,
bleibt der Kühlerthermostat 6 bei
Bedarf, d.h. ohne Öffnen
des Bypassventils 6bv, bis hin zu sehr hohen Motortemperaturen
geschlossen. Damit bleibt es bei der Anordnung gemäß 5 einzig
der Motorsteuerung 16 überlassen,
den effektiven Thermostatöffnungszeitpunkt
dadurch zu bestimmen, dass sie den Motorkühlmittelbypass 6bv öffnet: Da
der Bypasskühlmittelstrom 6b auslegungsgemäß sehr viel
größer ist
als der Heizungskühlmittelstrom,
definiert beim Öffnen des
Bypassventils 6bv die Motorkühlmitteltemperatur die Öffnung des
Kühlerthermostaten 6.
Auf diesem Wege kann mittels des Bypassventils 6bv je nach Motorbelastung
zwischen einer erhöhten
Motorkühlmitteltemperatur
von beispielsweise 110°C
und einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur
von beispielsweise 85°C
hin und her geschaltet werden. Die Einleitung des gezielt kalt gehaltenen
Heizungsrücklaufs
stromauf des Einleitungspunktes 7e des Zusatzbypass 6c wirkt
in diesem Zusammenhang als thermische Sperrschicht, so dass der
Thermostat nicht durch Wärmeleitung
bzw. natürliche
Konvektion auf ein solches Temperaturniveau aufgeheizt wird, dass
er zeitweise unbeabsichtigt Öffnet
und kaltes Wasser vom Kühler
freigibt. Da im praktischen Fahrbetrieb fast immer eine gewisse
Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
erfolgt, ist hierdurch eine besonders robuste Absicherung gegen
unbeabsichtigtes Öffnen des
Kühlerthermostaten
vorhanden.A certain amount of fuel savings with the cooling and heating system according to 5 As already described, has the fact that the cold return of the coolant in the heating branch upstream of the point of introduction 7e the additional bypass 6c lies and that the engine coolant bypass 6b so in the environment of the radiator thermostat 6 is arranged, that the coolant flow during electrical opening of the bypass valve 6bv on the expansion element of the radiator thermostat 6 flows past. In conjunction with the inventive design of the heating circuit, even with low heat removal at the heating heat exchanger 4 provides a temperature of the recirculating coolant well below the thermostatic opening temperature remains the radiator thermostat 6 if necessary, ie without opening the bypass valve 6bv , closed to very high engine temperatures. Thus, it remains in the arrangement according to 5 only the engine control 16 to determine the effective thermostat opening time by bypassing the engine coolant 6bv opens: Since the bypass coolant flow 6b designed to be much larger than the heating medium flow, defined when opening the bypass valve 6bv the engine coolant temperature the opening of radiator thermostat 6 , In this way, by means of the bypass valve 6bv depending on the engine load between an increased engine coolant temperature, for example, 110 ° C and a lower coolant temperature, for example, 85 ° C back and forth. The introduction of the targeted cold held heating return upstream of the discharge point 7e the additional bypass 6c acts in this context as a thermal barrier layer, so that the thermostat is not heated by heat conduction or natural convection to such a temperature level that he occasionally unintentionally Opens and releases cold water from the radiator. Since almost always a certain heat removal takes place at the heating heat exchanger in practical driving, this is a particularly robust protection against unintentional opening of the radiator thermostat available.
In 4 ist
wie in 3 als Drosselorgan 2 ein Thermostatventil
besonders preiswert. Es kann aber ebenso ein el. Ventil mit entsprechender
Ansteuerung Verwendung finden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft,
eine Failsafe-Absicherung
vorzusehen, die im Falle zu hoher Motortemperatur, z.B. aufgrund
eines Ausfalls des Bypassventils 6bv das Ventil 2 komplett öffnet und
so zu einer zumindest teilweisen Öffnung des Kühlers 8 führt.In 4 is like in 3 as throttle body 2 a thermostatic valve especially cheap. But it can also be an el. Valve with appropriate control use. In this case, it is particularly advantageous to provide a failsafe protection that in case of too high engine temperature, eg due to a failure of the bypass valve 6bv the valve 2 completely opens and so to an at least partial opening of the radiator 8th leads.
Bei
Verwendung eines el. Ventils 2 ist dieses im gesetzlichen
Abgastest, d.h. ohne Heizung, zumindest bis zum Erreichen kritischer
Bauteil- bzw. Kühlmitteltemperaturen,
bevorzugt komplett geschlossen. Der Vorteil der thermischen Sperrschicht besteht
dann nicht mehr, doch zumindest erfolgt kein aktiver Wärmetransport
an den Kühlerthermostaten 6,
der diesen unbeabsichtigt öffnet.When using an el. Valve 2 this is in the statutory exhaust gas test, ie without heating, at least until reaching critical component or coolant temperatures, preferably completely closed. The advantage of the thermal barrier layer is then no longer, but at least no active heat transfer takes place at the radiator thermostats 6 that opens this unintentionally.
Der
Zusatzbypass 6c, mit der Entnahme des Kühlmittels aus warmen bzw. überhitzungsgefährdeten
Zonen des Kühlsystems
bzw. Motors und dessen spezifische Mündung an der Position 7e stromab
des Kühlerthermostaten 6 und
stromauf der Motorkühlwasserpumpe 7 kostet
ohne das Zusatzventil 6cv bzw. ab dessen Öffnung naturgemäß etwas
Potential an maximaler Heizleistung im Winter, da er die Temperaturschichtung
am Motor reduziert.The additional bypass 6c , with the removal of the coolant from warm or overheating vulnerable zones of the cooling system or engine and its specific mouth at the position 7e downstream of the radiator thermostat 6 and upstream of the engine cooling water pump 7 costs without the additional valve 6cv or from its opening, of course, some potential to maximum heating power in winter, since it reduces the temperature stratification of the engine.
U.U.
ergibt sich auch eine minimale Einbuße an maximaler Kühlleistung,
da bei geschlossenem Bypasszweig 6b ein größerer Teilmassenstrom
nicht durch den Fahrzeugkühler 8 strömt. Die
gezielte Dimensionierung auf einen wesentlich geringeren Durchfluss
im Bypasszweig 6c verglichen mit dem Bypasszweig 6b im
geöffneten
Zustand ist vor diesem Hintergrund motorabhängig und mit entsprechender
Sorgfalt vorzunehmen.UU also results in a minimal loss of maximum cooling capacity, since with closed bypass branch 6b a larger partial mass flow not through the vehicle radiator 8th flows. The targeted di dimensioning to a much lower flow in the bypass branch 6c compared with the bypass branch 6b in the open state, it is necessary to make the motor dependent on this background and with due care.
Im
Gegenzug ergibt sich dann aber ein Gesamtsystem, welches im Vergleich
zu heutigen Serien-Kühl-
und Heizsystemen nicht nur eine bessere winterliche Heizung aufweist,
sondern bei reduzierter Wärmeentnahme
an der Heizung erhebliche Kraftstoffverbrauchsvorteile aufgrund
schnellerer Motorerwärmung
aufweist. Darüber
hinaus wird damit nicht nur das Risiko lokaler Überhitzung bei geschlossenem
Bypassventil 6bv reduziert sondern es wird auch in hohem
Maße die
Regelgüte
der Motortemperatur verbessert. Dabei ermöglicht erst die vergleichmäßigende
Wirkung der Strömung
im Zweig 6c die Verwendung eines relativ grob dosierbaren
und langsamem Bypassventils 6bv und vereinfacht den Applikationsaufwand
erheblich. Wie Versuche zeigen, neigen viele serienübliche Kühlerthermostaten 6 mit
typischen Öffnungstemperaturen
zwischen 80 und 90°C
dazu, bei einer zu starken Anströmung
mit einem zuvor bei geschlossenem Bypassventil 6bv auf
beispielsweise 110-120°C
aufgeheiztem Kühlmittel,
kurzzeitig zu öffnen
und eine zu große
Menge kalten Kühlmittels
in den inneren Motorkühlkreis
einströmen
zu lassen. Starke Schwankungen der Motorbauteiltemperatur und insbesondere
ein thermische Schichtung mit unterkühltem Kühlwasser in den unteren Motorzonen
und an der Zylinderlaufbahn können hieraus
resultieren, verbunden mit Einbußen bei der Kraftstoffersparnis.In return, however, then results in a total system, which not only has a better wintry heating compared to today's standard cooling and heating systems, but with reduced heat removal from the heater has significant fuel economy benefits due to faster engine heating. In addition, this not only reduces the risk of local overheating when the bypass valve is closed 6bv reduced but it is also greatly improved the control quality of the engine temperature. It is only the comparative effect of the flow in the branch that makes this possible 6c the use of a relatively coarse dosing and slow bypass valve 6bv and considerably simplifies the application effort. As tests show, many standard radiator thermostats tend 6 with typical opening temperatures between 80 and 90 ° C in addition, with an excessive flow with a previously closed bypass valve 6bv On example 110-120 ° C heated coolant, to open briefly and to allow an excessive amount of cold coolant to flow into the inner engine cooling circuit. Strong fluctuations in the engine component temperature and in particular thermal stratification with undercooled cooling water in the lower engine zones and on the cylinder liner can result from this, combined with losses in fuel economy.
Gepulstes
oder nur teilweises Öffnen
des Bypassventils 6bv schafft hier zwar teilweise Abhilfe,
erhöht
aber wie bereits beschrieben Regelaufwand und Bauteilkosten.Pulsed or only partial opening of the bypass valve 6bv Although this provides a partial remedy, but as already described increases regulatory overhead and component costs.
Die
spezifischen Vorteile der in 5 gezeigten
Einbindung der Heizungsrückleitung
im Wirkbereich des Kühlerthermostaten 6 wurden
bereits beschrieben. In Verbindung mit dem Zusatzbypasszweig 6c mit
und ohne Zusatzventil 6cv ergeben sich Vorteile, die die
Mehrkosten für
diese ungewöhnliche Ausgestaltung
bei vielen Anwendungsfällen
durchaus rechtfertigen. Speziell die Vorteile, wenn die Kühlmitteltemperatur
im Motor die Thermostatnenntemperatur des Kühlerthermostaten 6 von
beispielsweise 85°C überschreitet,
sind ganz erheblich und sollen hier noch einmal mit einigen beispielhaften Zahlenwerten
untermauert werden:
Bei einem konventionellen Kühlsystem
in Pkw ohne Bypassventil 6bv und ohne Zusatzbypasszweig 6cv ist
in der Motorteillast und Motordrehzahlen von 1500 bis 2000 l/min
eine Aufteilung von etwa 15 l/min durch den Heizungszweig und 35
l/min durch den Bypasszweig eine häufig anzutreffende Verteilung
bei geschlossenen bzw. nur wenig geöffnetem Kühlerthermostaten 6.The specific advantages of in 5 integration of the heating return line shown in the effective range of the radiator thermostat 6 have already been described. In conjunction with the additional bypass branch 6c with and without additional valve 6cv There are advantages that justify the additional costs for this unusual design in many applications. Especially the advantages when the coolant temperature in the engine is the thermostatic temperature of the radiator thermostat 6 of 85 ° C, for example, are quite substantial and should be underpinned once more with some exemplary numerical values:
In a conventional cooling system in cars without a bypass valve 6bv and without additional bypass branch 6cv In the engine part load and engine speeds of 1500 to 2000 l / min, a distribution of about 15 l / min through the heater branch and 35 l / min through the bypass branch is a common distribution with the radiator thermostats closed or only slightly open 6 ,
Betrachtet
man exemplarisch einen thermisch stabilen Betriebspunkt mit 5 kW
Wärmeüberschuss
am Motor und ohne Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4,
d.h. die Überschusswärme muss
am Fahrzeugkühler 4 abgeführt werden,
so führt
das bei einem konventionellen Kühlsystem
und Konstantfahrt mit einem 85°C
Kühlerthermostaten auf
beispielsweise 1-3 l/min Durchsatz im Fahrzeugkühler. Der Kühlmittelgesamtdurchsatz durch
den Motor liegt bei leicht geöffnetem
Thermostaten bei ca. 50-55 l/min. Das Schließen des Bypassventils 6bv reduziert
den Gesamtvolumenstrom durch den Motor bei Annahme einer typischen
Pumpenkennlinie auf etwa 20 l/min. Die Regelcharakteristik des Kühlerthermostaten 6 und
die bei mäßiger Fahrgeschwindigkeit
vorliegende Überdimensionierung
des Fahrzeugkühlers
sorgen dafür,
dass die Kühlmitteltemperatur
am Motoreintritt nahe der Thermostatnenntemperatur von 85°C liegen.
Bei 5 kW Wärmeaufnahme
des Kühlmittels
im Motor steigt die Kühlmitteltemperatur
bis zum Motoraustritt bei thermisch stabilen Bedingungen auf ca.
88-89°C.
Dieses Temperaturniveau liegt weit unter dem Wert, der bei diesem
Teillastpunkt für
einen optimalen Kraftstoffverbrauch anzustreben ist. 110-120°C sind hier
eher anzustrebende Temperaturwerte. Der Einsatz eines el. beheizbaren
Kennfeldthermostaten in bisher bekannter Ausführung ist durchaus in der Lage,
ein derartiges Temperaturniveau des Kühlwassers innerhalb des Motors
zu liefern, hat aber den Nachteil, dass er dies bei einem Kühlmittelgesamtmassenstrom
von 50-55 l/min tut und somit die Bauteiltemperatur aufgrund des
erhöhten
Wärmeübergangskoeffizienten nicht
so weit steigt, wie dies zur Verbrauchsoptimierung hilfreich wäre. Eine
weitere Erhöhung
des Kühlmitteltemperaturniveaus über 120°C ist insbesondere
aus Sicherheits- bzw. Kosten-Gründen
nicht zielführend.
Darüber
hinaus hat der el. Thermostat bekanntlich den Nachteil, dass beim
Umschalten auf niedrige Bauteiltemperaturen bei plötzlicher
Motor-Vollast eine unerwünscht
lange Verzögerungszeit auftreten
kann.By way of example, consider a thermally stable operating point with 5 kW heat surplus at the engine and without heat removal at the heating heat exchanger 4 , ie the excess heat must be on the vehicle radiator 4 With a conventional cooling system and constant travel with an 85 ° C radiator thermostat, this leads, for example, to 1-3 l / min throughput in the vehicle radiator. The total coolant flow through the motor is approximately 50-55 l / min with the thermostat slightly open. Closing the bypass valve 6bv reduces the total volume flow through the motor assuming a typical pump characteristic to about 20 l / min. The control characteristics of the radiator thermostat 6 and the over-dimensioning of the vehicle radiator, which occurs at a moderate driving speed, ensure that the coolant temperature at the engine inlet is close to the thermostat nominal temperature of 85 ° C. At 5 kW heat absorption of the coolant in the engine, the coolant temperature rises to approximately 88-89 ° C until the engine exits under thermally stable conditions. This temperature level is well below the value that is desirable at this partial load point for optimum fuel economy. 110-120 ° C are here more desirable temperature values. The use of an el. Heated map field thermostat in previously known design is quite able to provide such a temperature level of the cooling water within the engine, but has the disadvantage that he does so at a total coolant mass flow of 50-55 l / min and thus the Component temperature due to the increased heat transfer coefficient does not increase as much as it would help to optimize consumption. A further increase in the coolant temperature level above 120 ° C is not effective, especially for security or cost reasons. In addition, the el. Thermostat known to have the disadvantage that when switching to low component temperatures at sudden full motor load an undesirably long delay time can occur.
Die
erfindungsgemäße Kombination
der Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes
im Bypasszweig 6bv und im Heizungszweig hilft, die oben
beschriebenen Probleme zu überwinden
und ist daher dem el. beheizten Thermostaten in diesem Punkt ebenso überlegen
wie bei der Umschaltgeschwindigkeit auf niedrige Bauteiltemperaturen.
Hierzu zunächst
die Rechnung ohne Zusatzbypassleitung 6c: Eine Drosselung
des Kühlmitteldurchsatzes
im Heizungszweig auf beispielsweise 1,5 l/min liefert bei geschlossenem
Bypassventil 6bv beispielsweise ca. 1,5 l/min Kühlerstrom,
so dass insgesamt 3 l/min durch den Motor strömen. Systembedingt liefert
der Kühlerthermostat
Kühlmittel
von nur wenig mehr als 85°C,
so dass angesichts der 5 kW Wärmeaufnahme im
Motor eine Motoraustrittstemperatur von ca. 114°C resultiert. Die mittlere Motorkühlmitteltemperatur
ist damit etwas niedriger als mit dem el. beheizten Thermostaten.
Dennoch ist die Erhöhung
der Motorbauteiltemperatur und die Motoröltemperatur aufgrund des um
ca. den Faktor 16-18 kleineren Kühlmitteldurchsatzes
und damit drastisch reduziertem wasserseitigem Wärmeübergangskoeffizienten gleichgut
bzw. besser als mit dem el. beheizten Thermostaten. Die Reserven
für ein
ultraschnelles Umschalten auf hohe Kühlleistung mittels Öffnung des Bypassventils 6bv bzw.
ggfs. auch des el. betätigten Heizungsventils 2 liegen
auf der Hand. Dabei steigt der Wärmeübergangskoeffizient
und damit die Kühlwirkung
ohne Zeitverzögerung
und wird z.T. durch die unterkühlten
Zonen im Bypasszweig 6bv noch unterstützt. Darüber hinaus sind – verglichen
zum Betrieb mit hohem Kühlmitteldurchsatz – primär die Brennraumnahen
Zonen der Motorstruktur und damit auch der Zylinderlaufbahn auf
erhöhtem
Temperaturniveau und nicht die gesamte Motorstruktur einschließlich des
Kühlmittels,
so dass beim Umschalten auf niedrige Bauteiltemperaturen weniger
Motormasse abgekühlt
werden muss. Wie Versuche zeigen, erfolgt das Öffnen des Fahrzeugkühlerzweigs
so schnell, dass hier keine Probleme mit Motorüberhitzung bei plötzlicher
Volllast zu erwarten sind.The inventive combination of throttling the coolant flow in the bypass branch 6bv and in the heating branch helps to overcome the problems described above and is therefore superior to the el. Heated thermostat in this point as well as the switching speed to low component temperatures. For this purpose, first the bill without additional bypass line 6c : A throttling of the coolant throughput in the heating branch to, for example, 1.5 l / min delivers when the bypass valve is closed 6bv For example, about 1.5 l / min cooler flow, so that a total of 3 l / min flow through the engine. Due to the system, the radiator thermostat delivers coolant of only slightly more than 85 ° C, so that in view of the 5 kW heat absorption In the engine an engine exit temperature of about 114 ° C results. The average engine coolant temperature is thus slightly lower than with the el. Heated thermostat. Nevertheless, the increase of the engine component temperature and the engine oil temperature due to the smaller by about the factor 16-18 smaller coolant throughput and thus drastically reduced water-side heat transfer coefficients or better than the el. Heated thermostat. The reserves for an ultrafast switching to high cooling capacity by opening the bypass valve 6bv or, if necessary, also the el. operated heating valve 2 are obvious. This increases the heat transfer coefficient and thus the cooling effect without time delay and is partly due to the subcooled zones in the bypass branch 6bv still supported. Moreover, compared to the operation with high coolant throughput, primarily the combustion chamber near zones of the engine structure and thus also the cylinder path at elevated temperature level and not the entire engine structure including the coolant, so that when switching to low component temperatures less engine mass must be cooled. As tests show, the opening of the vehicle radiator branch takes place so fast that no problems with engine overheating in case of sudden full load are to be expected here.
Diese
spezifischen Vorteile mit geringem Gesamtkühlmitteldurchfluss durch den
Motor kommen insbesondere dann zum tragen, wenn der Motor auf stationärer Betriebstemperatur
ist und überschüssige Wärme abgeführt werden
muss.These
specific advantages with low total coolant flow through the
Engine come especially to bear when the engine at steady-state operating temperature
is and excess heat to be dissipated
got to.
Speziell
bei noch nicht vollständiger
Motorerwärmung,
sehr geringer Überschusswärme und
bei hoher Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher führt die
Minimierung des Kühlmittelgesamtdurchsatzes
durch den Motor auf sehr geringe Durchflusswerte, verbunden mit
sehr hohen Temperaturen im Zylinderkopf und sehr geringen Kühlmitteltemperaturen am
Motoreintritt und stark motorabhängigem
Temperaturniveau an der Zylinderlaufbahn. Mit Veränderung
der Kühlmittelgeschwindigkeit
in Richtung auf den Wert Null wird der Gewinn beim Wärmeübergang zunächst durch
den Übergang
auf laminare Strömung
deutlich geschmälert
bis letztlich durch die Dominanz der überlagerten natürlichen
Konvektion durch eine weitere Reduktion des Durchsatzes keine Reduktion
des Wärmeübergangs
mehr festzustellen ist. Damit kann der Gewinn beim Wärmeübergangskoeffizienten
bei extrem niedrigen Eintrittstemperaturen bei manchen Motoren die
Nachteile der niedrigen Kühlmitteleintrittstemperatur
nicht mehr überkompensieren.
Hier ist es vielfach günstiger
den Durchfluss wieder etwas zu erhöhen und beispielsweise mit einem
temporären Öffnen des
Bypassventils 6bv oder mit Erhöhen des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig
für einen
etwas erhöhten
Gesamtdurchsatz durch den Motor zu sorgen. Liegt die Rücklauftemperatur des
Heizungszweigs 4a bzw. die Kühlmitteltemperatur im Bypasszweig 6b jedoch
oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur
von beispielsweise 85°C
so führt
das bei der Anordnung gemäß 4 speziell
bei sehr geringer Motorüberschusswärme und
insbesondere bereits in der Aufheizphase des Motorkühlmittels
von beispielsweise 85°C
auf 115°C auf
unbeabsichtigte Verluste durch vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6.
Wie bereits beschrieben, hilft hier die Verlegung der Rückleitung
des Heizungszweiges auf eine Position stromab des Kühlerthermostaten 6.
Dies ist allerdings u.a. verbunden mit gewissen Nachteilen bei der
Regelgüte
und beim Failsafe-Verhalten.Especially with incomplete engine warming, very low excess heat and high heat extraction at the heater core minimizes the total coolant flow through the engine to very low flow values, associated with very high temperatures in the cylinder head and very low coolant temperatures at the engine inlet and strong engine-dependent temperature level at the cylinder bore. With a change in the coolant velocity in the direction of zero, the gain in the heat transfer is initially significantly reduced by the transition to laminar flow until finally, due to the dominance of the superimposed natural convection, a further reduction of the throughput no longer results in a reduction of the heat transfer. Thus, the gain in the heat transfer coefficient at extremely low inlet temperatures in some engines can not overcompensate the disadvantages of the low coolant inlet temperature. Here it is often cheaper to increase the flow again something and, for example, with a temporary opening of the bypass valve 6bv or with increasing the coolant flow rate in the heater branch for a slightly increased overall throughput through the engine. Is the return temperature of the heating branch 4a or the coolant temperature in the bypass branch 6b however, above the thermostat opening temperature of, for example, 85 ° C, this results in the arrangement according to 4 especially at very low engine surplus heat and in particular already in the heating phase of the engine coolant from, for example, 85 ° C to 115 ° C to unintentional losses due to premature opening of the radiator thermostat 6 , As already described, the laying of the return line of the heating branch to a position downstream of the radiator thermostat helps here 6 , However, this is, among other things, associated with certain disadvantages in terms of control quality and fail-safe behavior.
Bezieht
man nun in die rechnerische Betrachtung den Zusatzbypasszweig 6c ein
so führt
ein exemplarischer Zusatzmassenstrom von 5 l/min im Zusatzbypasszweig
zu einer erheblichen Reduktion der Temperaturungleichverteilung
innerhalb des Motors. Die Zusatzbypassleitung sorgt für einen
gezielten Wärmetransport
vom Zylinderkopf zum Zylinderblock ohne zu einer unbeabsichtigten Öffnung des Thermostaten
zu führen.
Die Mischung von 3 l/min Kühlmittel
aus Heizungs- und Kühlerzweig
mit annähernd
85°C mit
den 5 l/min im Zusatzbypasszweig 6c führt in diesem Rechenbeispiel
letztlich auf einen stabilen Betriebspunkt von ca. 102°C am Motoreintritt und
113°C am
Motoraustritt. Leichte Schwankungen der Durchsätze und der übertragenen
Wärmemengen
im Kühler-
und im Heizungszweig wirken sich hier wesentlich geringer auf die
Regelgüte
der Motorbauteiltemperatur aus. Mit insgesamt 8 l/min Gesamtdurchsatz
durch den Motor liegt der Wärmeübergangskoeffizient
immer noch deutlich unterhalb der Basis mit 50-55 l/min, wobei die
im Vergleich zur Konstellation mit 3 l/min Gesamtdurchsatz von 85°C auf 102°C erhöhte Kühlmitteleintrittstemperatur
die Nachteile durch den etwas erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten weitgehend
eliminiert.Referring now to the computational consideration of the additional bypass branch 6c Thus, an exemplary additional mass flow of 5 l / min in the additional bypass branch leads to a considerable reduction in the temperature inequality distribution within the engine. The additional bypass line ensures targeted heat transfer from the cylinder head to the cylinder block without leading to an unintentional opening of the thermostat. The mixture of 3 l / min coolant from heating and radiator branch with approximately 85 ° C with the 5 l / min in Zusatzbypasszweig 6c In this calculation example, the result is a stable operating point of approx. 102 ° C at the engine inlet and 113 ° C at the engine exit. Slight variations in the throughputs and the amounts of heat transferred in the radiator and heater branches have a significantly lower effect on the control quality of the engine component temperature. With a total engine throughput of 8 l / min, the heat transfer coefficient is still well below the base at 50-55 l / min, with the coolant inlet temperature increased from 85 ° C to 102 ° C compared to the constellation of 3 l / min total flow Disadvantages largely eliminated by the slightly increased heat transfer coefficient.
Bei
analogen Rechnungen mit noch kleineren Kühlmittelgesamtdurchsätzen durch
den Motor, wie sie mit Blick auf 2 in der
Praxis durchaus häufig
zu erwarten sind, fällt
die Zylinderlaufbahntemperatur mit Bypasszweig 6c bei vielen
Motoren letztlich sogar höher
aus als ohne Bypasszweig 6c, da hier die oben bereits beschriebenen
Effekte unter der Dominanz der natürlichen Konvektion auf den wasserseitigen
motorinternen Wärmeübergang
in den Vordergrund rücken.For analogue bills with even lower total coolant flow rates through the engine, as they are facing 2 In practice, quite often to be expected, falls the cylinder barrel temperature with bypass branch 6c For many engines ultimately even higher than without bypass branch 6c because here the effects already described above under the dominance of the natural convection on the water-side engine-internal heat transfer in the foreground.
Die
bisherigen Ausführungen
zu 5 haben sich in hohem Maße auf Betriebsbedingungen mit
Wärmeabgabe
am Heizungskühler
und gegebenenfalls am Fahrzeugkühler
konzentriert. Aber auch bereits in der Warmlaufphase und ohne jegliche
Wärmeabgabe
am Kühler 8 ist
die Anordnung gemäß 5 besonders
vorteilhaft. Dies betrifft insbesondere die Tatsache, dass eine
zu kalte Motoreintrittstemperatur und eine zu große Temperaturspreizung
mit Nachteilen bezüglich
mechanischer Verspannung und zu kalter Zylinderlaufbahn am Motor
auch dann absolut sicher vermieden werden wenn eine extreme Abkühlung im
Heizungszweig erfolgt um die wärmeaktive
Masse des Heizungszweigs abzuschalten, d.h. Risiken einer falschen
Applikation über
die zulässigen
mechanischen Grenzen des Motors hinaus werden damit minimiert.The previous versions too 5 have focused to a great extent on operating conditions with heat emission to the radiator and possibly on the vehicle radiator. But even in the warm-up phase and without any heat loss on the radiator 8th is the arrangement according to 5 especially advantageous. This is particularly true of the fact that too cold motor entstems Temperature and too high a temperature spread with disadvantages in terms of mechanical stress and cold cylinder running on the engine are then absolutely sure avoided when an extreme cooling in the heating branch to turn off the heat-active mass of the heating branch, ie risks of incorrect application over the permissible mechanical limits of the engine Be minimized with it.
Speziell
im gesetzlichen Abgastest ohne Heizung und mit bevorzugt durch ein
el. Ventil 2 abgeschaltetem Heizungszweig 4a stellt
der Zusatzbypass 6cv sicher, dass das Bypassventil 6bv bzw.
das Heizungsventil 2 erst bei sehr hohen Kühlmitteltemperaturen
weit über
der Thermostatöffnungsgrenze geöffnet werden
muss. Die Gefahr einer unbeabsichtigten Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler besteht
damit in weiten Bereichen des Abgastests erst gar nicht und selbst
mit einer recht groben Regelstrategie und preiswerten Bypassventilen 6bv lässt sich z.B.
auch der EUDC des MVEURO mit wohldosierter Kühlwirkung fahren.Especially in the legal exhaust gas test without heating and preferably with an el. Valve 2 switched off heating branch 4a provides the additional bypass 6cv sure that the bypass valve 6bv or the heating valve 2 only at very high coolant temperatures must be opened well above the thermostat opening limit. The danger of unintentional heat dissipation via the vehicle radiator does not even exist in many areas of the exhaust gas test and even with a rather crude control strategy and inexpensive bypass valves 6bv For example, the EUDC of the MVEURO can also be operated with well-dosed cooling effect.
Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Frühphase des Abgastests das Zusatzventil 6cv die
Durchströmung
des Motors vollständig
unterbindet und erst nach Erreichen einer Mindestkühlmitteltemperatur
im Motor öffnet
und für
einen Wärmetransport
vom Zylinderkopf zum Zylinderblock bzw. zur Zylinderlaufbahn mit
minimalen Wärmeverlusten an
die Umgebung sorgt. Die im Vergleich zum Bypasszweig 6bv geringeren
Leitungsquerschnitte, die geringeren Abmessungen eines entsprechenden Ventils 6cv sowie
der teilweise Entfall der Wärmeverluste
für die
Teilerwärmung
des Thermostaten 6 sowie des Leitungsabschnitts bis zum
Punkt 7e helfen hier insbesondere für einen weitgehend verlustfreien und
totzeitarmen Transport der Wärme,
auch bei relativ gering gewähltem
Durchfluss im Zusatzbypasszweig 6c.It is particularly advantageous if, in the early phase of the exhaust gas test, the additional valve 6cv the flow of the engine is completely prevented and only after reaching a minimum coolant temperature in the engine opens and ensures heat transfer from the cylinder head to the cylinder block or the cylinder bore with minimal heat loss to the environment. The compared to the bypass branch 6bv smaller cable cross-sections, the smaller dimensions of a corresponding valve 6cv and the partial elimination of heat losses for Teilerwärmung the thermostat 6 and the line section to the point 7e help here in particular for a largely lossless and low-dead time transport of heat, even at relatively low flow selected in the additional bypass branch 6c ,
Die
anfängliche
Strömungsgeschwindigkeit Null
ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, weil in dieser Phase
auch im Zylinderkopf noch kein wärmeres
Kühlmittel bereitsteht
als im Block. In dieser Phase dominieren vielmehr die relativ hohen
Reibungsverluste an der kalten Zylinderlaufbahn die Laufbahntemperatur
und den Wärmehaushalt,
so dass hier jegliche konvektive Kühlung schädlich ist. Diese Vorgehensweise
mit der Option den Heizungszweig mit einem el. Ventil 2 komplett
abzuschalten ist speziell im gesetzlichen Abgastest vorteilhaft.The initial flow velocity zero is especially advantageous because even in the cylinder head no warmer coolant is available than in the block. In this phase, rather, the relatively high friction losses on the cold cylinder bore dominate the raceway temperature and the heat balance, so that any convective cooling is harmful here. This procedure with the option the heating branch with an el. Valve 2 switching off completely is particularly advantageous in the legal exhaust gas test.
Steht
im Gegensatz hierzu der Real World Betrieb im Vordergrund, d.h.
es ist liegt fast immer eine Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 vor,
so ist wie bereits erwähnt
die Variante mit einem Thermostatventil als Drosselorgan 2 kosteneffektiver.
Bei Motoren mit Wärmedefizit
oder wenn eine besonders gute Heizwirkung des Fahrzeugs im Vordergrund
steht, wird man das Zusatzventil 6cv dazu verwenden, bis
zu einer Mindestkühlmitteltemperatur
von beispielsweise 60°C
am Motoraustritt den Zusatzbypasszweig zu verschließen und
damit die maximale Heizleistung zu realisieren.In contrast, the Real World operation is in the foreground, ie it is almost always a heat extraction at the heat exchanger 4 before, as already mentioned, the variant with a thermostatic valve as a throttle body 2 more cost effective. For engines with heat deficit or if a particularly good heating effect of the vehicle is in the foreground, you will be the additional valve 6cv Use it to close the additional bypass branch at the engine outlet to a minimum coolant temperature of, for example, 60 ° C and thus to realize the maximum heating power.
Ist
die Heizwirkung dagegen ohnehin ausreichend und kommt als Drosselorgan 2 ein
kostengünstiges
Thermostatventil zum Einsatz, so ist es mit Auslegungsschwerpunkt
auf den Kraftstoffverbrauch speziell bei Auslegung des Zusatzbypasszweigs 6c auf
relativ geringen Durchsatz am effektivsten, ganz auf das Ventil 6cv zu
verzichten. Selbst bei den damit systembedingt bereits bei geringer
Heizleistungsentnahme sehr kalten Rücklauftemperaturen im Heizungszweig
liegt nach Mischung der beiden Kühlmittelströme aus den
Zweig 6c und 4a am Motoreintritt nur noch eine
moderate Unterkühlung
relativ zum Motoraustritt vor. Die Basisauslegung des Kühlmitteldurchflusses
im Zweig 6c auf relativ geringe Werte zielt dabei insbesondere
darauf ab, dass der Gesamtkühlmitteldurchfluss
durch den Motor bei geschlossenem Bypassventil 6bv in dem
Bereich liegt, wo eine Reduktion des Durchflusses nur noch einen begrenzten
Absenkung des Wärmeübergangs
bringt. Bei geringer Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
ist dabei der Durchfluss im Heizungszweig 4a so gering,
dass bereits ein Basisdurchsatz im Zweig 6c von 2-5 l/min
ausreicht, um deutliche Kraftstoffverbrauchsvorteile zu realisieren.The heating effect, however, is sufficient anyway and comes as a throttle body 2 a cost-effective thermostatic valve is used, so it is with design focus on the fuel consumption especially when designing the additional bypass branch 6c most effective at relatively low throughput, all the way to the valve 6cv to renounce. Even with the resulting system due to low heat recovery very cold return temperatures in the heating branch is after mixing the two coolant flows from the branch 6c and 4a at the engine entrance only a moderate subcooling relative to the engine exit before. The basic design of the coolant flow in the branch 6c to relatively low values, in particular aims at the fact that the total coolant flow through the engine with closed bypass valve 6bv lies in the area where a reduction of the flow only brings a limited reduction of the heat transfer. With low heat removal at the heat exchanger is the flow in the heating branch 4a so low that already has a base throughput in the branch 6c of 2-5 l / min is sufficient to realize significant fuel economy benefits.
Besonders
feinfühlig
in Richtung optimalen Kraftstoffverbrauch abstimmbar ist das Gesamtsystem,
wenn auch der Zusatzbypasszweig 6cv eine Regelung des Kühlmitteldurchsatzes
aufweist. Im einfachsten Fall erfolgt das wieder auf elektrischem Wege,
d.h. über
ein von der Motorsteuerung dosierbares Ventil 6cv.The entire system can be tuned particularly sensitively in the direction of optimal fuel consumption, albeit the additional bypass branch 6cv having a control of the coolant flow rate. In the simplest case, this takes place again by electrical means, ie via a valve which can be metered by the engine control 6cv ,
Dieses
stellt für
kraftstoffverbrauchsoptimalen Betrieb insbesondere bei hoher Wärmeentnahme im
Heizungszweig und/oder hoher Überschussabwärme am Motor
einen erhöhten
Zusatzbypassstrom im Zweig 6c ein und bei geringer Überschusswärme bei
gleichzeitig geringer Wärmeentnahme
im Heizungszweig einen reduzierten Zusatzbypassstrom im Zweig 6c.This provides for fuel consumption optimal operation especially at high heat extraction in the heating branch and / or high excess heat at the engine an increased additional bypass flow in the branch 6c one and at low excess heat with low heat removal in the heating branch a reduced additional bypass flow in the branch 6c ,
Bei
hohem Kühlbedarf
und geöffnetem
Bypassventil 6bv schließt das el. Zusatzbypassventil 6cv zunächst nicht,
um die Regelung mit Taktung des Bypassventils 6bv zu unterstützen bzw.
Temperaturschwankungen zu dämpfen.
Erst wenn eine sehr hohe Kühlwirkung
benötigt
wird, schließt
das Ventil 6cv, um den Kühlmitteldurchsatz durch den
Fahrzeugkühler 8 zu
maximieren.With high cooling requirement and opened bypass valve 6bv closes the el. additional bypass valve 6cv initially not to the scheme with timing of the bypass valve 6bv to support or to dampen temperature fluctuations. Only when a very high cooling effect is needed, the valve closes 6cv to the coolant flow through the vehicle radiator 8th to maximize.
Mit
Systemen gemäß 5 reduzieren
sich insbesondere der Applikationsaufwand und die Kosten für das Bypassventil 6bv einschließlich dessen Ansteuerung.
Darüber
hinaus ist das System besonders dazu geeignet, sehr hohe Kühlmitteltemperaturen
am Motoraustritt ohne unbeabsichtigtes Öffnen des Kühlerthermostaten 6 einzustellen.
Dabei ist es insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf
auch am Motoreintritt sehr hohe Kühlmitteltemperaturen anliegen.
Diese hohen Kühlmitteltemperaturen
am Motoreintritt lassen sich bei Motorteillast insbesondere mit
und ohne Wärmeabfuhr
am Fahrzeugkühler 8 einstellen.With systems according to 5 In particular, the application costs and the Kos are reduced for the bypass valve 6bv including its activation. In addition, the system is particularly suitable for very high coolant temperatures at the engine outlet without unintentionally opening the radiator thermostat 6 adjust. It is characterized in particular by the fact that, if required, even very high coolant temperatures are present at the engine inlet. These high coolant temperatures at the engine inlet can be at engine part load in particular with and without heat dissipation on the vehicle radiator 8th to adjust.
Die
Betriebsart mit hoher Kühlmitteltemperatur
mit variablem Kühlmitteldurchsatz
durch den Motor, ist eine der ganz besonderen Stärken dieser Ausgestaltung.
Bisher bekannte Kühlsysteme
mit thermostatischer Regelung des Fahrzeugkühlers 8 sind nicht
in der Lage im unteren Motorteillastbereich ein vergleichbar hohes
mittleres Bauteiltemperaturniveau zu liefern. So ist z.B. beim konventionellem
el. beheiztem Kennfeldthermostaten bei vergleichbarer Kühlmitteltemperatur
der Kühlmitteldurchsatz
und damit die Kühlwirkung
wesentlich höher
als er beim System gemäß 5 eingestellt
werden kann. Insbesondere ist dort im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung
auch der Gesamtkühlmitteldurchsatz
durch den Motor nicht von der Motorsteuerung beeinflussbar, so dass
bei gleicher Maximalkühlmitteltemperatur
unterschiedliche Bauteiltemperaturen realisierbar sind.The high coolant temperature mode of operation with variable coolant flow rate through the engine is one of the most particular strengths of this design. Previously known cooling systems with thermostatic control of the vehicle radiator 8th are unable to deliver a comparatively high average component temperature level in the lower engine part load range. Thus, for example, in the conventional el. Heated map thermostat with comparable coolant temperature, the coolant throughput and thus the cooling effect is much higher than in the system according to 5 can be adjusted. In particular, in contrast to the embodiment according to the invention, the total coolant throughput through the engine can not be influenced by the engine control, so that different component temperatures can be realized at the same maximum coolant temperature.
Um
das hier je nach Ausgestaltungsvariante abdeckbare motorlast- und
motordrehzahlabhängige Kennfeld
der lokalen Bauteil-, Kühlmittel-
und Öltemperaturen
einzustellen ist man bisher davon ausgegangen, dass eine teure el.
regelbare Kühlmittelpumpe
als Ersatz der Motorkühlmittelpumpe
in Verbindung mit einem el. beheizten Kennfeldthermostaten oder
gar mit einem el. stufenlos regelbaren Drehschieberthermostaten
anstelle des wesentlich preiswerteren Standard-Kühlerthermostaten mit Dehnstoffaktuator
benötigt
wird.Around
Depending on the design variant, this can be covered by engine load and
engine speed dependent map
local component, coolant
and oil temperatures
one has previously assumed that an expensive el.
adjustable coolant pump
as a replacement for the engine coolant pump
in conjunction with a el. heated map thermostat or
even with an el. infinitely variable rotary valve thermostat
instead of the much cheaper standard radiator thermostat with Dehnstoffaktuator
needed
becomes.
In
einer weiteren Verfeinerung des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizsystems zeigt 6 zwei
weitere Kühlmittelzweige 6d für einen
optionalen Motorkühler 30 und 6e für einen
optionalen Getriebeölkühler 40.
Wiederum stellen optionale Thermostaten 6dv und 6ev oder
el. Ventile sicher, dass bei kaltem Kühlmittel zum einen die Heizleistung
verbessert wird zum andern während
des Warmlaufs die verfügbare
Wärme zunächst dem
Motor bzw. dessen Zylinderlaufbahnen zu Gute kommt. Auch hier ist
es insbesondere vorteilhaft, über
eine geeignete Dimensionierung der Bauteile und Leitungsquerschnitte
sicherzustellen, dass der Gesamtkühlmitteldurchsatz der Zweige 6c, 6d, 6e bei
warmem Motor deutlich kleiner ist als im geöffneten Bypasszweig 6bv,
so dass mit der Kühlwirkung
des Kühlers
ebenso wenig Probleme auftreten wie mit der Regelgüte des Kühlerthermostaten 6.
Speziell bei mehreren Zusatzzweigen ist dies wichtig, da der Thermostat
auf eine Mischtemperatur aus Kühlerzweig,
Heizungszweig und Bypasszweig 6b einregelt. Diese Regeltemperatur
ist umso ungenauer, je größer die
internen Ströme in
den Zweigen 6c, 6d und 6e sind und kann
im Extremfall mehrere °K
tiefer liegen als die effektive Motorkühlmitteltemperatur ohne die
internen „Kurzschlüsse" 6c, 6d, 6e.
El. schaltbare Ventile 6cv, 6dv und 6ev helfen
hier gegebenenfalls diese Problematik zu entschärfen, doch wird man zur Minimierung der
wärmeaktiven
Massen und für
ein totzeitarmes Ansprechen dennoch deutlich kleinere Leitungsquerschnitte
wählen
als für
den Bypasszweig 6bv, zumal der Kühlmittelgesamtdurchsatz durch
den Motor erfindungsgemäß deutlich
kleiner sein soll als bei geöffnetem
Bypassventil 6bv.In a further refinement of the cooling and heating system according to the invention 6 two more coolant branches 6d for an optional engine cooler 30 and 6e for an optional transmission oil cooler 40 , Again, make optional thermostats 6dv and 6EV or el. valves sure that with cold coolant on the one hand, the heating power is improved and the other during warm-up, the available heat first the engine or its cylinder linings is good. Again, it is particularly advantageous to ensure a suitable dimensioning of the components and cable cross-sections that the total coolant flow rate of the branches 6c . 6d . 6e with a warm engine is significantly smaller than in the open bypass branch 6bv , so that with the cooling effect of the cooler just as little problems occur as with the control quality of the radiator thermostat 6 , This is especially important with several additional branches, since the thermostat is at a mixed temperature of the cooler branch, heating branch and bypass branch 6b adjusts. This control temperature is the more inaccurate the larger the internal currents in the branches 6c . 6d and 6e are and can in extreme cases be several ° K lower than the effective engine coolant temperature without the internal "short circuits" 6c . 6d . 6e , El. switchable valves 6cv . 6dv and 6EV help to alleviate this problem, if necessary, but you will still choose to minimize the heat-active masses and for a dead-time response significantly smaller cross-sections than for the bypass branch 6bv In particular, according to the invention, the total coolant throughput through the engine should be significantly smaller than when the bypass valve is open 6bv ,
In
Bezug auf das Kosten-Nutzenverhältnis
ist in diesem Zusammenhang i.a. die Beschränkung auf Thermostatventile
für die
Zweige 6e und 6d am günstigsten. Die bereits beschriebenen
Aufgaben des Zusatzbypasszweiges 6c können gegebenenfalls auch von
einem der Zweige 6d oder 6e zumindest teilweise übernommen
werden.In terms of the cost-benefit ratio in this context is ia the restriction to thermostatic valves for the branches 6e and 6d the cheapest. The already described tasks of the additional bypass branch 6c may also be from one of the branches 6d or 6e at least partially taken over.
Für besten
Kraftstoffverbrauch bei mit einem el. Ventil 2 abgeschaltetem
Heizungszweig 4a ist es insbesondere vorteilhaft, wenn
ausgehend vom kalten Motorbetriebszustand zunächst kein Kühlmittel durch den Motor strömt, dann
bei einer ersten Schalttemperatur des Kühlmittels der Zusatzbypasszweig 6c öffnet, bei
einer zweiten Schalttemperatur der Ölkühlerbypasszweig 6d öffnet und
nach weiterer Motorerwärmung
bei einer dritten Schalttemperatur der Getriebeölkühlerzweig 6e. Die
erfindungsgemäße Dimensionierung
des Zweigs 6c auf geringen Durchfluss und eine analoge
Vorgehensweise in den Zweigen 6d und 6e stellen
dabei sicher, dass durch Öffnen
des Bypassventils 6bv stets eine ausreichende Motorkühlung einstellbar
ist und dass die Regeltemperatur des Kühlerthermostaten nicht auf
eine unzulässige
Erhöhung
Motoreintrittstemperaturen führt.For best fuel economy with one el. Valve 2 switched off heating branch 4a It is particularly advantageous if, starting from the cold engine operating state, no coolant initially flows through the engine, then at a first switching temperature of the coolant, the additional bypass branch 6c opens, at a second switching temperature of the oil cooler bypass branch 6d opens and after further engine heating at a third switching temperature of the transmission oil cooler branch 6e , The inventive dimensioning of the branch 6c on low flow and a similar procedure in the branches 6d and 6e Make sure that by opening the bypass valve 6bv Sufficient motor cooling is always adjustable and that the control temperature of the radiator thermostat does not lead to an inadmissible increase in engine inlet temperatures.
Insbesondere
sorgt die bevorzugte Ausgestaltung des Systems, mit Hochleistungswärmetauschern
und Absenkung des Kühlmitteldurchflusses
in allen Heizungswärmetauscherbetriebspunkten,
dafür,
dass auch bei den unterschiedlichsten Situationen mit Heizbetrieb
ein reduzierter Gesamtdurchfluss durch den Motor vorliegt, der über die
Absenkung des Wärmeübergangskoeffizienten
im Wassermantel einen Kraftstoffverbrauchsvorteil liefert.Especially
provides the preferred embodiment of the system with high performance heat exchangers
and lowering the coolant flow
in all heating heat exchanger operating points,
for this,
that even in the most diverse situations with heating operation
there is a reduced total flow through the engine exceeding the
Lowering the heat transfer coefficient
provides a fuel economy advantage in the water jacket.
Speziell
die Einbindung der Zweige 6c, 6d, 6e und
bei Bedarf auch des Heizungszweigs 4a im Punkt 7e vor
der Motorkühlmittelpumpe 7 und
hinter dem Kühlerthermostaten 6 ergibt
somit im Wechselspiel mit dem Bypassventil 6bv, welches
im Unterschied zu den genannten Zweigen beim Öffnen direkt auf den Kühlerthermostaten 6 wirkt,
die nötigen
Freiheitsgrade, um die Kühlmitteltemperatur
innerhalb des Motors mittels der Motorsteuerung 16 bei
Bedarf auf Temperaturen weit oberhalb der eigentlichen Öffnungstemperatur
des Kühlerthermostaten 6 von
beispielsweise 85°C
anzuheben. Gleichzeitig bleiben die Kühlmittelgesamtdurchsätze durch
den Motor bevorzugt in einem weiten Teillastbereich des Motors auf
reduzierten Werten, im Gegensatz zu konventionellen Systemen mit
el. beheiztem Thermostaten, so dass sich im unteren Teillastbereich
und beim gesamten Warmlauf Kraftstoffverbrauchsvorteile ergeben.Especially the integration of the branches 6c . 6d . 6e and if necessary also the heating branch 4a at the point 7e in front of the engine coolant pump 7 and behind the radiator thermostat 6 thus results in the interplay with the bypass valve 6bv , which in contrast to the mentioned branches when opening directly on the radiator thermostats 6 acts, the necessary degrees of freedom, the coolant temperature within the engine by means of the engine control 16 if necessary to temperatures far above the actual opening temperature of the radiator thermostat 6 of for example 85 ° C. At the same time, the engine's total coolant flow rates preferably remain at reduced values over a wide part load range of the engine, unlike conventional heated thermostat systems, which provide fuel economy benefits in the lower part load range and throughout the warm-up.
Dabei
ist das System gemäß 6 insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass die hohen Kühlmitteltemperaturen am Motoraustritt,
die durch die erfindungsgemäße Minimierung
der Wärmeverluste
besonders schnell erreicht werden, die Erwärmung des Motoröls bzw.
des Getriebeöls
im Warmlauf begünstigen
und insbesondere eine vorzeitige Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler vermieden
wird. Eine konventionelle Einbindung des aus dem Ölkühler zurückströmenden Kühlwassers
am Heizungsrücklauf
oder am Bypasszweig 6b würde in diesem Zusammenhang
sehr schnell zu einem unbeabsichtigten Öffnen des Kühlerthermostaten 6 führen.The system is according to 6 In particular, characterized in that the high coolant temperatures at the engine outlet, which are achieved particularly quickly by the minimization of heat losses according to the invention favor the heating of the engine oil or the transmission oil during warm-up and in particular a premature heat release is avoided on the vehicle radiator. A conventional integration of the cooling water flowing back from the oil cooler at the heating return or at the bypass branch 6b would in this context very quickly to unintentional opening of the radiator thermostat 6 to lead.
Es
liegt auf der Hand, dass die Abstimmung der Kühlmitteldurchsätze durch
den Motorölkühler 30 und
den Getriebeölkühler 40 eine
gewisse Sorgfalt erfordert, um nicht aufgrund zu geringer Kühlwasserdurchsätze trotz
hoher Vorlauftemperaturen eine ungenügende Wärmeübertragung in den jeweiligen Wärmetauschern
zu bekommen, so dass letztlich doch der Bypasszweig 6b vorzeitig
geöffnet
werden muss, um eine potentielle Motorüberhitzung zu vermeiden.It is obvious that the tuning of the coolant flow rates through the engine oil cooler 30 and the transmission oil cooler 40 requires a certain care in order not to get an insufficient heat transfer in the respective heat exchangers due to low cooling water throughputs despite high flow temperatures, so that ultimately but the bypass branch 6b must be opened prematurely to avoid potential engine overheating.
Umgekehrt
liegen die oben beschriebenen Wechselwirkungen vor, die eine weitgehende
Begrenzung des Kühlmitteldurchsatzes
durch die beiden Ölkühler 30 und 40 nahe
legen bzw. erforderlich machen. Vor diesem Hintergrund ist das Arbeiten
mit Hochleistungsheizungswärmetauschern 4 und grundsätzlich begrenztem
Durchfluss sehr hilfreich, um diesen Zielkonflikt zu entschärfen. Aber
auch konventionelle Heizungswärmetauscher
mit der erfindungsgemäßen Drosselung über el.
Ventile 2 helfen hier in weiten Kennfeldbereichen, den
Kühlmitteldurchsatz
durch die Brennkraftmaschine zu limitieren und dennoch auf einem
für die Ölkühler 30 und 40 sinnvollen
Niveau zu halten. Dabei hilft insbesondere, dass das erfindungsgemäße Vorgehen
speziell gemäß 6 auf
sehr hohe Ölteintrittstemperaturen führt, so
dass keine übergroßen Ölkühler erforderlich sind.
Insbesondere besteht bezüglich 6 das
bereits angesprochene Kosteneinsparpotential, den Zusatzbypasszweig 6c entfallen
zu lassen und nach anfänglichem
Kühlmittelstillstand
direkt einen der Ölkühlerzweige
mit einem Thermostatventil 6dv bzw. 6ev zu öffnen.Conversely, the interactions described above exist that largely limit the coolant flow rate through the two oil coolers 30 and 40 suggest or require. Against this background, working with high-performance heat exchangers 4 and basically limited flow very helpful to defuse this conflict of objectives. But also conventional heating heat exchanger with the throttling according to the invention via el. Valves 2 help here in wide map areas to limit the coolant flow rate through the engine and yet on one for the oil cooler 30 and 40 meaningful level. It helps in particular that the procedure according to the invention specifically according to 6 leads to very high oil inlet temperatures, so that no oversized oil cooler are required. In particular, there is respect 6 the already mentioned cost saving potential, the additional bypass branch 6c to be omitted and after initial coolant shutdown directly one of the oil cooler branches with a thermostatic valve 6dv respectively. 6EV to open.
Zur
weiteren Entschärfung
diese Zielkonfliktes bezüglich
der Durchflüsse
im Motor und durch die Ölkühler zeigt
die besonders vorteilhafte Ausgestaltung gemäß 7 die Möglichkeit,
einen oder beide Ölkühler 30 und 40 so
einzubinden, dass sie das Kühlmittel
direkt am Pumpenaustritt der Motorkühlmittelpumpe 7 bzw.
direkt im Nahbereich des Motoreintritts zu entnehmen. Der Gesamtkühlmitteldurchsatz
durch den Motor ist damit an den für den wasserseitigen Wärmeübergang
maßgeblichen
Stellen wieder auf den Strom im Zusatzbypass 6c beschränkt, so
dass motorintern wieder die gewünschte
Absenkung des Wärmeübergangskoeffizienten
erfolgt bei gleichzeitigem Wärmetransport
vom Zylinderkopf zum Zylinderblock bzw. zu den Ölkühlern 30 und 40 über die
Leitung 6c. Das System gemäß 7 ist insbesondere
deshalb besonders attraktiv, weil es nicht nur wesentlich höhere Kühlmitteldurchsätze durch
die Ölkühler 30 und/oder 40 zulässt, sondern auch
ein höheres
Druckgefälle
verfügbar
ist, um mit etwas kleineren Ölkühlern zu
arbeiten. Die etwas niedrigere Öltemperatur
im Vergleich zur Einbindung gemäß 6 wird
hier zugunsten des höheren Ölskühlerdurchsatzes
und zur Minimierung des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Motor und weiterer Vorteile in Kauf genommen. Im Gesamtsystem
kommt insbesondere der wichtige Vorteil hinzu, dass bei geöffneten
Zweigen 6d bzw. 6e kurzzeitige Kaltwasserphasen
aufgrund zu starken Öffnens
des Bypassventils 6bv und damit des Kühlerthermostaten 6 noch
wesentlich stärker
weggedämpft
werden als dies systembedingt mit dem Zusatzbypasszweig 6c ohnehin bewerkstelligt
wird. Ein sehr gleichförmiger
Motorbauteiltemperaturverlauf über
der Zeit und dies auf gleichbleibend erhöhtem Niveau ist damit selbst
bei gewissen Regelschwächen
des Ventils 6bv sichergestellt. Analoges gilt für starke
Schwankungen im Durchsatz- und Temperaturniveau des Heizungszweigs.To further defuse this conflict of interest regarding the flows in the engine and by the oil cooler shows the particularly advantageous embodiment according to 7 the option of one or both oil coolers 30 and 40 so that you can connect the coolant directly to the pump outlet of the engine coolant pump 7 or directly in the vicinity of the engine inlet. The total coolant throughput through the engine is thus at the relevant for the water-side heat transfer points back to the flow in the additional bypass 6c limited, so that inside the engine again the desired reduction of the heat transfer coefficient takes place with simultaneous heat transfer from the cylinder head to the cylinder block or to the oil cooler 30 and 40 over the line 6c , The system according to 7 is particularly attractive because it not only significantly higher coolant flow rates through the oil cooler 30 and or 40 but also a higher pressure gradient is available to work with slightly smaller oil coolers. The slightly lower oil temperature compared to the integration according to 6 is here in favor of the higher Ölkühlerdurchsatzes and to minimize the coolant throughput through the engine and other benefits accepted. In the overall system in particular the important advantage is added that with open branches 6d respectively. 6e short-term cold water phases due to excessive opening of the bypass valve 6bv and thus the radiator thermostat 6 are damped much stronger than systematically with the additional bypass branch 6c anyway accomplished. A very uniform engine component temperature over time and this at a consistently elevated level is thus even with certain control weaknesses of the valve 6bv ensured. The same applies to strong fluctuations in the throughput and temperature level of the heating branch.
Die
Vorteile dieser spezifischen Einbindung der Ölkühler 30 und/oder 40 bezüglich der
Regelgüte sind
so signifikant, dass es ohne weiteres auch möglich ist, mit einem Anschluss
des Heizungsrücklaufs an
der Position 7e zu arbeiten, so wie in 8 gezeigt.
Die weiter oben beschriebenen, u.U. stark kostenerhöhenden Maßnahmen
an der Bauart und Regelgüte
des Bypassventils 6bv sind hier i.a. nicht notwendig. Diese
Aussage gilt insbesondere für
die bevorzugte Variante mit Hochleistungsheizungswärmetauschern
und reduziertem Basisdurchfluss ebenso wie für die Variante mit konventionellen
Heizungswärmetauschern
mit hohem Basiskühlmitteldurchfluss
und el. angesteuertem Ventil 2 im Heizungszweig.The advantages of this specific integration of the oil cooler 30 and or 40 Regarding the quality of control are so significant that it is easily possible with a connection of the heating return at the position 7e to work, as in 8th shown. The above-described, possibly greatly cost-increasing measures on the design and control quality of the bypass valve 6bv ia are not necessary here. This statement applies in particular to the preferred variant with high-performance heat exchangers and reduced base flow as well as for the variant with conventional heating heat exchangers with a high base coolant flow and el. Controlled valve 2 in the heating branch.
Selbst
bei Entfall des Drosselorgans 2 im Heizungszweig ist das
System mit Bypassventil 6bv, Bypasszweig 6c und
Einbindung des Heizungsrücklaufs
an die Position 7e noch kraftstoffeffizienter als konventionelle
Systeme mit nicht el. kontrolliertem Bypasszweig 6b. Dies
liegt insbesondere daran, dass ein vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6 vermieden
wird und darüber
hinaus auch der Gesamtkühlmittelmassenstrom
durch den Motor im Vergleich zur Basis ohne Bypassventil 6bv bzw.
mit geöffnetem
Bypassventil kleiner ist. Eine konventionelle Einbindung des Heizungsrücklaufs
am Eintritt in den Kühlerthermostaten 6 würde in diesem
Zusammenhang bei hoher Kühlmitteltemperatur
und bei hohem Durchsatz durch die Heizung bzw. ohne Drosselung und
Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 aufgrund
der hohen Rücklauftemperatur
in vielen Betriebspunkten zu einem verfrühten Öffnen des Kühlerthermostaten 6 führen.Even with elimination of the throttle body 2 in the Heating branch is the system with bypass valve 6bv , Bypass branch 6c and integration of the heating return to the position 7e even more fuel efficient than conventional systems with non el. controlled bypass branch 6b , This is especially because of premature opening of the radiator thermostat 6 is avoided and beyond the total coolant mass flow through the engine compared to the base without bypass valve 6bv or smaller with opened bypass valve. A conventional integration of the heating return at the inlet in the radiator thermostats 6 would in this context at high coolant temperature and high throughput through the heater or without throttling and heat removal at the heat exchanger 4 due to the high return temperature in many operating points to premature opening of the radiator thermostat 6 to lead.
Wie
bereits ausführlich
beschrieben, hilft der Zusatzbypass 6c auch hier, in Fällen wo
aufgrund hoher Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 und
rel. kleinem Heizungswärmetauscherdurchfluss eine
Unterkühlung
am Motor anliegen könnte,
Kraftstoff zu sparen. Darüber
hinaus dient er aber auch zur Vergleichmäßigung von Regelschwankungen
bei temporärem Öffnen des
Bypassventils 6bv.As already described in detail, the additional bypass helps 6c here too, in cases where due to high heat extraction at the heating heat exchanger 4 and rel. small heat exchanger flow could cause subcooling on the engine to save fuel. In addition, it also serves to equalize control fluctuations in temporary opening of the bypass valve 6bv ,
Eine
besonders vielseitige und wenig sensitive Konfiguration zeigt 9 mit
zusätzlicher
Einbindung eines Motorölkühlers 30 und
eines Getriebeölkühlers 40.
Dieses System kann mit Hochleistungswärmetauscher und Auslegung auf
geringen Basisdurchfluss sehr effizient zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs
eingesetzt werden aber mit gewissen Einbußen auch mit ganz konventionellen
Heizungswärmetauschern
mit großem
Basisdurchfluss. Dabei ist klar, dass in Bezug auf die im täglichen
Fahrbetrieb erzielbare Bandbreite der Kraftstoffeinsparung bei den
unterschiedlichsten Fahrbedingungen und unterschiedlichsten Wärmeieistungsentnahmen
am Heizungswärmetauscher,
Systeme mit Drosselorgan 2 im Heizungszweig für beide
Varianten besser sind. Umgekehrt sind aber solche Systeme mit Einbindung des
Wärmetauscherrücklaufs
stromab des Kühlerthermostaten
und Bypassventil 6bv mit Zusatzbypasszweigen 6c,
sowie insbesondere Zusatzbypasszweige 6d und/oder 6e mit
Einbindung gemäß 9 für kostenlimitierte
Verbrauchseinsparmaßnahmen durchaus
noch sehr attraktiv. Dies liegt nicht zuletzt an den etwas geringeren
Ansprüchen
an den Heizungswärmetauscher 4,
der Einsparung eines aktiven Drosselorgans 2 sowie am relativ
geringen Applikationsaufwand, der eine schnelle und problemlose Anwendung
an den verschiedensten Motor-Fahrzeugkombinationen ermöglicht.A particularly versatile and less sensitive configuration shows 9 with additional integration of a motor oil cooler 30 and a transmission oil cooler 40 , With high performance heat exchangers and low base flow design, this system can be used very efficiently to improve fuel economy but with some sacrifice even with very conventional basic heat exchanger heat exchangers. It is clear that, with regard to the achievable in daily driving bandwidth of fuel savings in a variety of driving conditions and different Wärmieistungsentnahmen the heat exchanger, systems with throttle body 2 in the heating branch for both variants are better. Conversely, however, such systems with integration of the heat exchanger return downstream of the radiator thermostat and bypass valve 6bv with additional bypass branches 6c , and in particular additional bypass branches 6d and or 6e with integration according to 9 for cost-limited consumption saving measures still very attractive. This is not least due to the somewhat lower demands on the heating heat exchanger 4 , the saving of an active throttle body 2 and the relatively low application cost, which allows a quick and easy application to a variety of engine-vehicle combinations.
Ein
ganz besonderer Vorteil der Konstellationen gemäß 7-9 liegt
darin, dass es sehr leicht möglich
ist, diese wahlweise in Richtung verbesserte Kabinenaufheizung oder
verbesserten Kraftstoffverbrauch zu trimmen. Hierzu sind insbesondere
Maßnahmen
verfügbar,
die eine Wärmeübertragung
im Motorölkühler 30 fördern, unterbinden oder
gar umkehren. Die einfachste Umsetzung erfolgt hier mit einem el.
von der Motorsteuerung 16 betätigten Ventil 6dv.A very special advantage of the constellations according to 7 - 9 This is because it is very easily possible to trim these for either improved cabin heating or improved fuel economy. For this purpose, in particular measures are available that heat transfer in the engine oil cooler 30 promote, prevent or even reverse. The simplest implementation is done here with a el. Of the engine control 16 operated valve 6dv ,
Die
Möglichkeiten
sind hier vielfältig
und sollen hier nur anhand eines Beispiels anhand 7 erklärt werden.
Die Ventile 6cv und 6ev seien nun Thermostatventile
die bei 60°C
den Zweig 6c öffnen und
bei 70°C
den Getriebeölkühlerzweig 6e.
Das Ventil 2 sei ein el. von der Motorsteuerung 16 ansteuerbares
Ventil, ebenso wie das Ventil 6dv des Motorölkühlerzweigs 6d.The possibilities are manifold here and should be based on an example only 7 be explained. The valves 6cv and 6EV Thermostat valves are now the branch at 60 ° C 6c open and at 70 ° C the transmission oil cooler branch 6e , The valve 2 be an el. of the engine control 16 controllable valve, as well as the valve 6dv of the engine oil cooler branch 6d ,
Zur
Maximierung der Heizwirkung kommt ein Hochleistungswärmetauscher 4 zum
Einsatz mit einem auf beispielsweise 2 l/min gedrosselten Kühlmitteldurchsatz.
Bei hoher Heizleistungsentnahme ist somit die Kühlmittelrücklauftemperatur des Heizungszweigs
stark abgesenkt.To maximize the heating effect comes a high performance heat exchanger 4 For use with a throttled to 2 l / min, for example, coolant flow rate. At high heat extraction thus the coolant return temperature of the heating branch is greatly lowered.
Zur
Maximierung der Heizwirkung wird hier das Ventil 6dv zunächst für einige
wenige Minuten geschlossen, bis sich eine Erhöhung der Öltemperatur über die
Rücklauftemperatur
des Kühlwassers
im Heizungszweig eingestellt hat.To maximize the heating effect here is the valve 6dv closed first for a few minutes until an increase in the oil temperature has set above the return temperature of the cooling water in the heating branch.
Ein
einfaches Öffnen
des Ventils 6dv bewirkt danach eine Verbesserung der Heizwirkung,
da nun das Kühlwasser
dem Motoröl
Wärme entzieht.
Damit bleibt das Öl
und die mit Öl
in Berührung
kommenden Motorbauteile etwas kühler,
was die Wärmeverluste an
die Umgebung reduziert. U.U. wird die Motorreibleistung an den Lagerstellen
etwas verschlechtert. Die Gesamtbilanz bezüglich des Kraftstoffverbrauchs
fällt jedoch
angesichts des geringen Kühlmitteldurchsatzes
von nur 2 l/min und der nun etwas vorgewärmten Kühlflüssigkeit am Motoreintritt weitgehend
neutral aus. Im Endeffekt resultiert aus den geringeren Wärmeverlusten
für die
Aufheizung des Motors und des Motoröls sowie den geringeren Oberflächenwärmeverlusten
an der Motoroberfläche
einschließlich Ölwanne eine
schnellere Erwärmung
des Kühlmittels
am Motoraustritt und somit auch eine bessere Heizleistung. Bei Beibehaltung
der Kabinenheizleistung und zusätzlich
in Verbindung mit einer Reduktion des Luftdurchsatzes 20,
der angesichts höherer Kühlwasservorlauftemperaturen
möglich wird,
lassen sich dann letztlich weitere Kraftstoffeinsparungen erzielen.A simple opening of the valve 6dv then causes an improvement in the heating effect, since now the cooling water extracts heat from the engine oil. This keeps the oil and engine parts in contact with oil a little cooler, which reduces the heat loss to the environment. UU motor friction at the bearings is slightly deteriorated. However, the overall balance in terms of fuel consumption is largely neutral in view of the low coolant flow rate of only 2 l / min and the now somewhat preheated coolant at the engine inlet. In the end, the lower heat losses for engine and engine oil heating and the lower surface heat losses on the engine surface, including the oil sump, result in faster coolant heating at the engine exit, and thus better heater performance. Maintaining cabin heating power and, in addition, reducing air flow 20 , which is possible in view of higher cooling water flow temperatures, can then ultimately achieve further fuel savings.
Im
Gegensatz hierzu stellt permanentes Schließen des Ventils 6dv von
Beginn an bis zum Abregeln der Heizung aufgrund von Wärmeüberschuss in
der Kabine einen Mittelweg zwischen guter Heizung und gutem Kraftstoffverbrauch
ein, wobei ab Motorkühlmitteltemperaturen
oberhalb der 60°C Öffnungstemperatur
des Thermostatventils 6cv im Zusatzbypasszweigs 6c und
nach Abregeln der Heizung, der kraftstoffverbrauchsmindernde Wärmetausch
zwischen Motoröl
und Kühlmittel
durch Öffnen des
in diesem Beispiel et. angesteuerten Ventils 6d aktiviert
wird.In contrast, it provides permanent closing of the valve 6dv from the beginning until the heating has been cut off due to excess heat in the cabin, there is a middle ground between good heating and good fuel consumption, with engine coolant temperatures above 60 ° C temperature of the thermostatic valve 6cv in the additional bypass branch 6c and after adjusting the heating, the fuel consumption reducing heat exchange between engine oil and coolant by opening the et in this example. controlled valve 6d is activated.
Es
wurde bereits mehrfach diskutiert, dass das Ventil 6cv im
Zusatzbypasszweig gegebenenfalls entfallen kann bzw. dessen Funktion
zumindest teilweise in das Ventil 6dv oder 6ev der
beiden Ölkühlerzweige 6d oder 6e integriert
werden kann. Im einfachsten Fall ist der Strömungspfad lediglich ein entsprechender
Strömungskanal
vom Zylinderblock zum Pumpengehäuse
oder eine kleine Leitung die zur Kühlung von Zusatzbauteilen,
insbesondere des Turboladers herangezogen wird. Die große Bedeutung
kleiner Querschnitte bei den Leitungen 6c zur Minimierung
der wärmeaktiven
Massen und Totzeiten für
den Wärmetransport
wurde ebenfalls ausführlich
diskutiert, ebenso wie die Notwendigkeit gegebenenfalls sicherzustellen,
dass bei voll geöffnetem Kühler der
Hauptkühlmittelmassenstrom
durch den Kühler
gehen sollte und nicht durch die inneren Bypasszweige, die erst
gar nicht am Kühlerthermostaten 6 in
das Regelgeschehen eingreifen.It has already been discussed several times that the valve 6cv optionally omitted in the additional bypass branch or its function at least partially in the valve 6dv or 6EV the two oil cooler branches 6d or 6e can be integrated. In the simplest case, the flow path is merely a corresponding flow channel from the cylinder block to the pump housing or a small line which is used for cooling additional components, in particular the turbocharger. The great importance of small cross sections in the pipes 6c to minimize the heat-active masses and dead times for the heat transfer has also been discussed in detail, as well as the need to ensure that if the radiator is fully open the main coolant mass flow should pass through the radiator and not through the internal bypass branches, not even the radiator thermostat 6 to intervene in the normal routine.
Je
nach Lastenheft für
das Fahrzeug ist es vor diesem Hintergrund immer noch preiswerter
als alternative Lösungen – sofern
diese überhaupt
existieren – das
Ventil 6cv ebenfalls etwas aufwändiger zu gestatten und eine
et. Ansteuerung des Ventils 6cv vorzusehen, z.B. so wie
dies in 10 und 11 explizit
durch die gestrichelte Verbindungslinie vom Ventil 6cv zur
Motorsteuerung 16 aufgezeigt ist. Mit derartigen Anordnungen
lässt sich
der maximale Regelspielraum für
die Kühlmitteldurchflüsse durch
den Motor und die einzelnen Wärmetauscher im
Kühlsystem,
insbesondere den Heizungswärmetauscher 4,
den Motorölkühler 30 und
den Getriebeölkühler 40 und
den Fahrzeugkühler 8 sowie
gegebenenfalls den Abgasrückführkühler und
weitere Komponenten realisieren.Depending on the specifications for the vehicle, it is still cheaper than alternative solutions - if these exist at all - the valve 6cv also to allow a little more elaborate and an et. Actuation of the valve 6cv to provide, for example, as in 10 and 11 explicitly by the dashed line connecting the valve 6cv for engine control 16 is shown. With such arrangements, the maximum control margin for the coolant flows through the engine and the individual heat exchangers in the cooling system, in particular the heating heat exchanger can be 4 , the engine oil cooler 30 and the transmission oil cooler 40 and the vehicle radiator 8th and optionally realize the exhaust gas recirculation cooler and other components.
Ebenfalls
einen sehr weiten Regelbereich bei etwas günstigeren Kosten zeigt in diesem
Zusammenhang die Ausgestaltung gemäß 12, bei
der das Ventil 6cv ein Differenztemperaturregelventil ist und
insbesondere einen Sensor-Aktuator enthält, der die Temperaturdifferenz
zwischen Motoreintritt und Motoraustritt erfasst und sicherstellt,
dass die Temperaturdifferenz nicht größer als ein definierter Vorgabewert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird hierzu ein erster minimaler Sensorvolumenstrom im Zweig 6t1 zu
einer ersten Dehnstoffzelle geführt
und temperiert diese und ein zweiter minimaler Sensorvolumenstrom
zu einer zweiten Dehnstoffzelle. Die beiden Teilströme werden
dann z.B. über
die Leitung 6t3 abgeleitet. Die geeignete Überlagerung
beider Sensorzellenausschläge
liefert dann letztlich die gewünschte
Differenztemperaturregelung. Im einfachsten Fall erfolgt die Überlagerung über eine
gemeinsame Membran, die die beiden Zellen trennt, und die dann über einen
Stößel das
Ventil öffnet
oder schließt.
Dies ist natürlich
nur eine der vielen denkbaren Methoden der Differenztemperaturregelung.Also, a very wide control range at slightly cheaper costs in this context, the embodiment according to 12 in which the valve 6cv is a differential temperature control valve and in particular includes a sensor actuator, which detects the temperature difference between engine inlet and engine outlet and ensures that the temperature difference is not greater than a defined default value. In the embodiment shown, this is a first minimum sensor volume flow in the branch 6t1 led to a first Dehnstoffzelle and tempered these and a second minimum sensor volume flow to a second Dehnstoffzelle. The two partial streams are then eg over the line 6T3 derived. The appropriate superposition of both sensor cell deflections then ultimately provides the desired differential temperature control. In the simplest case, the overlay takes place via a common membrane, which separates the two cells, and then opens or closes the valve via a plunger. Of course, this is just one of the many conceivable methods of differential temperature control.
Übliche Differenztemperatur-Vorgabewerte für einen
guten Kraftstoffverbrauch liegen hier je nach Motor meist zwischen
2°K und
10°K Differenztemperatur.
Wenn dabei insbesondere sichergestellt ist, dass die Differenztemperaturregelung
erst bei 60°C
aktiv wird, und das Regelventil 6cv bis dahin geschlossen
bleibt, so sind bei geschlossenem Bypassventil 6bv auch
die heizleistungsverbessernden Aspekte des erfindungsgemäßen Kühl- und
Heizsystems weitgehend nutzbar.Depending on the engine, usual differential temperature set values for good fuel consumption are usually between 2 ° K and 10 ° K differential temperature. If it is ensured in particular that the differential temperature control becomes active only at 60 ° C, and the control valve 6cv remains closed until then, so are when the bypass valve is closed 6bv also the Heizleistungsverbessernden aspects of the cooling and heating system according to the invention largely usable.
Zählt man
die Anzahl zusätzlicher
thermostatisch und el. betätigter
Ventile in 5-12, so stellt
sich fast zwangsläufig
die Frage, ob diese hohe Anzahl an Zusatzventilen angesichts des
aktuellen Kostendrucks in der Kfz-Industrie wirklich zielführend bzw.
in die Praxis umsetzbar ist. Vor diesem Hintergrund ist eine vergleichende
Kosten/Nutzen-Betrachtung mit einem aktuell neu auf den Markt gekommenen
Grosserien-Pkw mit el. betriebener Motorkühlmittelpumpe als Orientierungshilfe
sehr nützlich.
Diese soll hier ohne Anspruch auf Vollständigkeit und Angabe genauer
Bauteilpreise exemplarisch im Vergleich mit der Anwendung gemäß 11 erfolgen. Hier
zunächst
einige besonders markante Unterschiede:
- 1.
Die angesprochene Serienanwendung weist insbesondere eine el. Kühlmittelpumpe,
anstelle einer riemengetrieben Kühlmittelpumpe 7 auf.
- 2. Es kommt ein el. beheizter Kennfeldthermostat zum Einsatz,
anstelle des konventionellen Thermostaten 6.
- 3. Der Kennfeldthermostat sitzt wie der Kühlerthermostat 6 in 11 zwischen
Kühleraustritt und
Motoreintritt und hat einen Bypasszweig 6b, jedoch im Gegensatz
zu 11 ohne zusätzliches
Bypassventil 6bv.
- 4. Der Kennfeldthermostat weist im Gegensatz zum Kühlerthermostaten 6 in 11 zwei
Ventilteller im Kühlerzweig
auf und damit einen etwas geringeren Druckverlust. Er ist bereits
deshalb teurer zuzüglich
der Kosten für
das beheizbare Dehnstoffelement einschließlich Ansteuerung. Der Kennfeldthermostat
schließt
bei geöffnetem Kühlerzweig 6a den
Bypasszweig 6b ebenso wie der Kühlerthermostat 6 in 11.
- 5. Die Heizung ist im Gegensatz zu 11 mit Standardkomponenten
auf hohen Kühlmitteldurchfluss
ausgelegt und hat eine luftseitige Regelung ohne zusätzliches
wasserseitiges Abschaltventil 2.
- 6. Der gesamte Motorkühlkreislauf
ist auf geringen Druckverlust ausgelegt, um eine el. Wasserpumpe überhaupt
leistungsmäßig realisierbar
zu machen und weist insbesondere größere Kühlmittelquerschnitte auf als
der Kreislauf gemäß 11.
If one counts the number of additional thermostatically and el. Actuated valves in 5 - 12 It is almost inevitable that the question arises as to whether this high number of additional valves can really be realized or put into practice in view of the current cost pressure in the motor vehicle industry. Against this background, a comparative cost / benefit analysis with a recently launched large-volume passenger car with an elec- trated engine coolant pump as a guide is very useful. This is here without claim to completeness and specification of accurate component prices exemplary in comparison with the application according to 11 respectively. Here are some particularly striking differences: - 1. The mentioned series application has in particular an el. Coolant pump, instead of a belt-driven coolant pump 7 on.
- 2. An el. Heated map thermostat is used instead of the conventional thermostat 6 ,
- 3. The map thermostat sits like the radiator thermostat 6 in 11 between radiator outlet and engine inlet and has a bypass branch 6b but unlike 11 without additional bypass valve 6bv ,
- 4. The map thermostat has in contrast to the radiator thermostat 6 in 11 two valve plates in the cooler branch and thus a slightly lower pressure loss. It is therefore already more expensive plus the cost of the heated expansion element including control. The map thermostat closes when the radiator branch is open 6a the bypass branch 6b as well as the radiator thermostat 6 in 11 ,
- 5. The heating is contrary to 11 with standard components designed for high coolant flow and has air-side control without additional water-side shut-off valve 2 ,
- 6. The entire engine cooling circuit is designed for low pressure loss to a el. Water make pump ever realizable in terms of performance and in particular has larger coolant cross-sections than the circuit according to 11 ,
Werden – im Vergleich
zu einem preiswerten Standardkühlsystem – die Mehrkosten
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
gemäß 11 durch
das
- • el.
Bypassventil 6bv,
- • das
Abschaltventil 2 und den Hochleistungswärmetauscher 4 im Heizungszweig 4a,
- • den
Zusatzzweig 6cv mit el. Ventil 6cv und
- • die
beiden Thermostatventile 6dv und 6ev, bevorzugt
als preiswerte Bi-Metall-Bauteile
ausgeführt,
addiert,
so resultiert nur ein Bruchteil der Mehrkosten, die bereits die
el. Kühlmittelpumpe
und der el. Kennfeldthermostat beim angesprochenen Serienfahrzeug
erzeugen.Be - compared to a cheap standard cooling system - the additional costs of the procedure according to the invention according 11 by the - • el. Bypass valve 6bv .
- • the shut-off valve 2 and the high performance heat exchanger 4 in the heating branch 4a .
- • the additional branch 6cv with el. valve 6cv and
- • the two thermostatic valves 6dv and 6EV , preferably designed as inexpensive bi-metal components,
added, resulting in only a fraction of the additional costs that already produce the el. coolant pump and the el. map thermostat in the addressed series vehicle.
Dabei
ist das Kraftstoffeinsparpotential im gesetzlichen Abgastest, d.h.
ohne Heizung bei der Ausgestaltung gemäß 11 eher
besser als schlechter.The fuel saving potential in the legal exhaust gas test, ie without heating in the embodiment according to 11 rather better than worse.
Dies
liegt zum einen daran, dass die el. Wasserpumpe zwar fast im gesamten
ECE-Teil des MVEURO
Zyklus abgeschalten werden kann, im abgeschalteten Zustand aber
dennoch Leckageverluste durch natürliche Konvektion im Kühlkreislauf
bzw. Thermosyphonwirkung entstehen. Beim erfindungsgemäßen System
ist hier aufgrund des Schließens der
Ventile 6bv, 6cev, 6dv und 6ev in
den ersten Minuten des Zyklus bereits ein gewisser Vorteil vorhanden.This is partly due to the fact that the el. Water pump can be switched off in almost the entire ECE part of the MVEURO cycle, but in the switched-off state leakage losses due to natural convection in the cooling circuit or thermosiphon effect still occur. In the system according to the invention here is due to the closing of the valves 6bv . 6cev . 6dv and 6EV There is already some advantage in the first few minutes of the cycle.
Weitaus
wichtiger ist aber der Sachverhalt, dass es im MVEURO zur optimalen
Nutzung der verfügbaren
Wärme sehr
wichtig ist, zumindest nach einiger Zeit auch den Wärmeübergang
im Motorölkühler 30 und
Getriebeölkühler 40 dazu
zu nutzen, Wärme
vom Kühlmittel
auf das jeweilige Öl
zu übertragen.
Sobald die el. Wasserpumpe im MVEURO aktiv wird, bedeutet dies,
dass der Heizungszweig und der Bypasszweig 6b durchströmt wird,
obwohl dies eigentlich nicht nötig
wäre. Hieraus
folgt, dass sich die damit verbundenen Wärmeverluste im nachfolgenden
Teil des Zyklus zumindest solange negativ auf den Kraftstoffverbrauch
auswirken, bis eine signifikante Überschusswärme am Fahrzeugkühler abgeführt werden
muss. Die bis zu diesem Zeitpunkt i.a. noch nicht abgeschlossene Ölerwärmung sorgt
dafür,
dass die Nachteile vielfach sogar dann noch bestehen, wenn bereits
längst
Wärme am
Fahrzeugkühler
abgeführt
werden muss.Far more important, however, is the fact that it is very important in the MVEURO for optimal use of available heat, at least after some time, the heat transfer in the engine oil cooler 30 and transmission oil cooler 40 to transfer heat from the coolant to the respective oil. As soon as the el. Water pump in the MVEURO becomes active, this means that the heating branch and the bypass branch 6b is flowed through, although this would actually not be necessary. It follows that the associated heat losses in the subsequent part of the cycle have a negative effect on fuel consumption at least until a significant excess heat has to be dissipated on the vehicle radiator. The heating of the oil, which has not yet been completed at this point in time, ensures that the disadvantages often persist even when heat has long been dissipated on the vehicle radiator.
Hinzu
kommt, dass bei der el. Kühlmittelpumpe
aufgrund der rel. schlechten Wirkungsgradkette möglichst viel an Pumpenantriebsleistung
gespart werden muss, um nicht im Gesamtzyklus bereits bei der Pumpenantriebsleistung
wesentlich ungünstiger
zu liegen als mit der konventionellen riemengetriebenen Pumpe in 11.In addition, with the el. Coolant pump due to the rel. poor efficiency chain must be saved as much as possible to pump drive power, not to be in the overall cycle already at the pump drive power much less favorable than with the conventional belt-driven pump in 11 ,
Beide
Effekte führen
dazu, dass eine tribologisch optimale Ausnutzung der Ölkühler 30 und 40 bei
der el. Kühlmittelpumpe
nur bedingt umsetzbar ist.Both effects lead to a tribologically optimal utilization of the oil cooler 30 and 40 in the el. coolant pump is only partially feasible.
Des
weiteren ist in diesem Zusammenhang festzuhalten, dass bei der bekannten
Anwendung mit el. Kühlmittelpumpe
nicht von der besonders vorteilhaften Möglichkeit Gebrauch gemacht
wird, diese analog zu 11 einzubinden, so dass auch
bei kleinen Gesamtdurchflüssen
durch den Motor ein relativ hoher Kühlmitteldurchsatz durch den
Motorölkühler 30 bzw.
auch den Getriebeölkühler 40 resultiert.
Damit ergibt sich beim System gemäß 11 auch noch
bei sehr kleinen Kühlmitteldurchsätzen durch den
Motor ein sehr guter Wärmeübergang
in den Wärmetauschern 30 und 40.
Kleine Kühlmitteldurchsätze sind
wiederum genau das Mittel der Wahl, um in der Aufheizphase und bei
nur geringem Überangebot
an Motorabwärme, über die
Reduktion des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten
letztlich Kraftstoff zu sparen.Furthermore, it should be noted in this context that in the known application with el. Coolant pump is not made of the particularly advantageous possibility use, this analogous to 11 To integrate, so that even at low total flows through the engine, a relatively high coolant flow through the engine oil cooler 30 or also the transmission oil cooler 40 results. This results in the system according to 11 even with very small coolant flow rates through the engine a very good heat transfer in the heat exchangers 30 and 40 , Small coolant flow rates are again just the method of choice to save fuel in the heating phase and with only a slight excess of engine heat, on the reduction of the water-side heat transfer coefficient ultimately.
Mit
der erfindungsgemäßen Entkopplung zwischen
dem eigentlichen Motorkühlbedarf
und dem Wärmeübergang
in den Ölkreisläufen sowie
der Maximierung der Öltemperaturen
wird die Dauer, bis über
den Kühlkreislauf 6a Wärme abgeführt werden muss,
maximiert, d.h. der Bypass 6bv bleibt z.B. über weite
Bereiche des MVEURO komplett geschlossen. Einerseits aus diesem
Grund, andererseits auch weil bei der Ausgestaltung gemäß 11 über ein
relativ einfaches Takten des Bypassventils 6bv eine wohldosierte
Wärmeabfuhr
am Fahrzeugkühler 8 ohne große Schwankungen
der Motorkühlmitteltemperatur möglich wird,
ist insbesondere kein el. beheizter Thermostat notwendig, um die
je nach Motorlast gewünschten
Temperaturniveaus innerhalb des Motors einzustellen. Dabei würde die
Kostenanalyse selbst mit el. beheiztem Thermostaten als redundante
Absicherung immer noch zugunsten der Ausgestaltung gemäß 11 ausfallen.
Diese vermeintliche Verbesserung wäre aber nicht einmal sicherer:
Dies liegt daran, dass bei Verwendung eines Dehnstoffelementes in
Verbindung mit beispielsweise 85°C Öffnungstemperatur
ohne el. Beheizung ungleich schneller eine hohe Kühlwirkung
und Absenkung der Motorbauteiltemperatur möglich ist als über den
Umweg der Beheizung eines Dehnstoffelements mit beispielsweise 110°C Öffnungstemperatur.
Die hier relevanten Vorteile u.a. aufgrund des spontanen Ansteigens
des Wärmeübergangskoeffizienten
bei erhöhtem
Durchsatz durch den Motor und aufgrund der hohen Aufheizrate des
85°C Dehnstoffelements
bei Anströmung
mit 110°C
heißem
Kühlwasser
wurden bereits beschrieben. Dabei besteht insbesondere auch nicht
die Gefahr des internen Überhitzens
des Dehnstoffelementes bei ungeeigneten Paarungen von el. Bestromungsleistung
und kühlmittelseitigem
Wärmeübergang,
verbunden mit gewissen Risken für
die Thermostatlebensdauer und teilweise zu beobachtenden Überschwingern
beim Abkühlen
des Motors.With the decoupling according to the invention between the actual engine cooling requirement and the heat transfer in the oil circuits as well as the maximization of the oil temperatures is the duration, up to the cooling circuit 6a Heat must be dissipated, maximized, ie the bypass 6bv eg remains completely closed over large areas of the MVEURO. On the one hand for this reason, on the other hand because in the embodiment according to 11 about a relatively simple clocking of the bypass valve 6bv a well-dosed heat dissipation on the vehicle radiator 8th Without large fluctuations in the engine coolant temperature is possible, in particular no el. Heated thermostat is necessary to adjust the desired depending on the engine load temperature levels within the engine. The cost analysis would even with el. Heated thermostat as redundant protection still in favor of the embodiment according to 11 fail. This alleged improvement would not even be safer: This is because when using an expansion element in connection with, for example, 85 ° C opening temperature without el. Heating a much higher cooling effect and lowering the engine component temperature is possible than via the detour of heating a Dehnstoffelements with for example, 110 ° C opening temperature. The advantages that are relevant here include the spontaneous increase in the heat transfer coefficient with increased throughput by the engine and due to the high heating rate of the 85 ° C expansion element at An flow with 110 ° C hot cooling water have been described. In particular, there is also no danger of internal overheating of the expansion element in the case of unsuitable pairings of electric current and coolant-side heat transfer, combined with certain risks for the thermostatic life and partially observed overshoots during cooling of the motor.
Mit
Blick auf den Real-Word-Betrieb nimmt das System mit el. Kühlmittelpumpe
für sich
in Anspruch, aufgrund der Möglichkeit
den Kühlmitteldurchsatz
durch den Heizungswärmetauscher
mit hoher el. Pumpenleistung zu maximieren, eine besonders gute
Heizleistung zu liefern. Angesichts der ausführlich beschriebenen Wechselwirkungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
insbesondere den Vorteilen bei den Wärmeverlusten und den aufzuheizenden
wärmeaktiven
Massen, dürfte
jedoch offensichtlich sein, dass die Ausgestaltung gemäß 11 mit
Hochleistungswärmetauscher
und wesentlich geringerem Kühlmitteldurchsatz
in bezug auf eine schnelle Kabinenaufheizung das weitaus überlegene System
darstellt. Experimentelle Untersuchungen bestätigen dies auch. Es dürfte darüber hinaus
klar sein, dass sich die erhöhte
Antriebsleistung der el. Kühlmittelpumpe
direkt negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt, ganz zu schweigen
davon, dass dann anhand des hohen Kühlmitteldurchsatzes durch den
Motor auch eine Zunahme der Motorreibleistung und somit ein zusätzlicher
Nachteil beim Kraftstoffverbrauch resultiert.With regard to the real-word operation, the system with el. Coolant pump claims to itself because of the possibility to maximize the coolant throughput through the heater core with high el. Pump performance to provide a particularly good heating performance. However, in view of the detailed interactions of the method according to the invention, in particular the advantages in terms of heat losses and the heat-active masses to be heated, it should be apparent that the embodiment according to FIG 11 with high performance heat exchanger and much lower coolant throughput in terms of fast cabin heating, this is by far the superior system. Experimental studies confirm this as well. It should also be clear that the increased drive power of the el. Coolant pump has a direct negative effect on fuel consumption, not to mention that the high coolant throughput by the engine also results in an increase in engine friction and thus an additional disadvantage in fuel consumption ,
Noch
wichtiger erscheint es jedoch, dass das System bereits in Fahrsituationen
mit limitiertem Kabinenheizbedarf, sowohl ohne Klimaanlage als auch im
Klimabetrieb für
die Temperierung der unterkühlten
Luft, stets eine größere wärmeaktive
Masse aufheizen muss. Dabei liegen die Nachteile nicht nur in der
wärmeaktiven
Masse des Heizkreislaufs, sondern u.a. auch im Bypasszweig der selbst
bei geringer Kabinenheizleistungsentnahme mit einem vielfachen Volumenstrom
des Volumenstroms im Heizungszweig zwangsdurchströmt wird,
so dass bereits relativ kleine Volumenströme im Heizungszweig einen hohen
Gesamtvolumenstrom durch den Motor unvermeidbar machen. Dies wirkt
sich nicht nur über die
Einbuße
an Motorbauteil- und Öltemperatur nachteilig
auf den Kraftstoffverbrauch aus, sondern auch über die Antriebsleistung der
el. Pumpe mit ihrer relativ schlechten Wirkungsgradkette.Yet
However, it seems more important that the system already in driving situations
with limited cabin heating, both without air conditioning and in
Air conditioning for
the temperature of the supercooled
Air, always a larger heat-active
Must heat mass. The disadvantages are not only in the
thermally active
Mass of the heating circuit, but u.a. also in the bypass branch of the self
with low cabin heat extraction with a multiple volume flow
the volume flow in the heating branch is forced through,
so that even relatively small volume flows in the heating branch a high
Make the total volume flow through the engine unavoidable. This works
not only about the
loss
at engine component and oil temperature disadvantageous
on the fuel economy, but also about the drive power of the
el. pump with its relatively poor efficiency chain.
Darüber hinaus
weist das angesprochene System mit el. Motorkühlmittelpumpe insbesondere auch
nicht die nötigen
Freiheitsgrade auf, um die beiden Ölkühler 30 und 40 optimal
zu nutzen und insbesondere bei geringer Motorlast im teilerwärmten wie im
erwärmten
Betriebszustand des Motors, einen kleinen Kühlmitteldurchsatz durch den
Motor und den Heizkreislauf bei guter Effizienz der beiden Ölkühler zu
realisieren. Im realen Fahrbetrieb resultieren aus diesen Eigenschaften
signifikante Kraftstoffverbrauchsnachteile gegenüber dem wesentlich preiswerteren
System gemäß 11.In addition, the mentioned system with el. Engine coolant pump in particular also does not have the necessary degrees of freedom to the two oil cooler 30 and 40 to use optimally and especially at low engine load in teilerwärmten as in the heated operating condition of the engine to realize a small coolant flow rate through the engine and the heating circuit with good efficiency of the two oil cooler. In real driving result from these properties significant fuel consumption disadvantages compared to the much cheaper system according to 11 ,
Die
erheblichen Kostenvorteile bleiben selbst dann weitgehend erhalten,
wenn das Lastenheft für
ein spezifisches Fahrzeug eine Restwärmenutzung, d.h. Heizen auch
bei stehendem Motor, oder eine Nachlaufkühlung, d.h. Umwälzung des Kühlmittels
nach Abstellen des Motors, vorsieht. Bereits eine sehr kleine Zusatzpumpe
mit weniger als 10W el. Leistung kann diese Funktion bereitstellen, so
dass sich die Kosten für
eine derartige Pumpe in Grenzen halten. Darüber hinaus ist es in Verbindung mit
dem erfindungsgemäßen Drosseln
auf reduzierten Heizungsvolumenstrom sehr effizient möglich, die
Funktionalität
des Heizungsventils 2 durch eine drehzahlgeregelte Verdrängerpumpe,
insbesondere eine Zahnradpumpe, darzustellen, so dass das Ventil 2 entfallen
kann. Alternativ kann aber auch eine bereits millionenfach bewährte Low-Cost-Impeller-Pumpe
verwendet werden. Auch hier ist es insbesondere vorteilhaft, die
Schaltbarkeit des Ventils 2 über die el. Pumpe darzustellen.
Im einfachsten Fall geschieht dies über eine Drehzahlregelung der
Impellerpumpe in Verbindung mit einem Thermostatventil 2 kombiniert
mit einer reduzierten Leckage, wobei dieses im Heizungsrücklauf angeordnet
wird. Alternativ kann aber auch ein federbelastetes Ventil 2 an
einer beliebigen Stelle im Heizzweig verwendet werden, bevorzugt
ist dieses aber direkt in die Impellerpumpe integriert.The considerable cost advantages remain largely even if the specifications for a specific vehicle residual heat, ie heating even when the engine is stopped, or a follow-up cooling, ie circulation of the coolant after switching off the engine, provides. Even a very small booster pump with less than 10W el. Power can provide this function, so that the costs of such a pump are limited. In addition, it is very efficiently possible in conjunction with the throttling according to the invention to reduced heating volume flow, the functionality of the heating valve 2 represented by a variable speed positive displacement pump, in particular a gear pump, so that the valve 2 can be omitted. Alternatively, however, it is also possible to use a low-cost impeller pump that has already proven itself millions of times over. Again, it is particularly advantageous, the switchability of the valve 2 via the el. Pump represent. In the simplest case, this is done via a speed control of the impeller pump in conjunction with a thermostatic valve 2 combined with a reduced leakage, which is arranged in the heating return. Alternatively, however, a spring-loaded valve 2 be used at any point in the heating branch, but this is preferably integrated directly into the impeller pump.
Insbesondere
ist es je nach Anwendungsfall durchaus möglich, ausgehend 11 kostensenkende
Vereinfachungen vorzunehmen und dabei unter Verzicht auf einige
Vorteile, die das System mit el. Pumpe auch nicht liefern kann,
immer noch einen Kraftstoffverbrauchsvorteil sowohl beim Kunden
als auch im MVEURO zu erzielen. Potentielle Wege hierzu sind bereits
ausführlich
beschrieben, so dass nachfolgend nur ein Beispiel genügen soll.In particular, it is quite possible depending on the application, starting 11 to make cost-cutting simplifications, while still avoiding some of the benefits that the system can not deliver with the el. pump, still provide fuel economy benefits to both the customer and the MVEURO. Potential ways to do this have already been described in detail, so that only one example should suffice below.
So
bedeutet der Verzicht auf die Verwendung eines Hochleistungsheizungswärmetauschers 4 in 11 zwar
gewisse Einbußen
beim Real-World-Kraftstoffverbrauch und bei der maximalen Kabinenheizwirkung,
doch bleibt das System hier immer noch besser als das Vergleichssystem
mit el. Kühlmittelpumpe.
Im MVEURO bleiben die Vorteile vollständig erhalten und erweitern
sich sogar um einen Regelfreiheitsgrad, so dass es in 11 genügt, das
Bypassventil 6cv als einfaches Thermostatventil auszubilden.
Das Heizungsventil 2 wird dann im MVEURO erst geöffnet, wenn
das Thermostatventil 6cv geöffnet hat.So the waiver means the use of a high performance heat exchanger 4 in 11 Although certain losses in the real-world fuel consumption and the maximum cabin heating effect, but still remains the system here better than the comparison system with el. coolant pump. In MVEURO, the benefits are fully preserved and even extend to a degree of freedom, so that in 11 is enough, the bypass valve 6cv form as a simple thermostatic valve. The heating valve 2 is then opened in MVEURO only when the thermostatic valve 6cv has opened.
Die
anschließende
Taktung des Ventils 2 kann dann die gewünschte Dosierung des Gesamtkühlmitteldurchsatzes
durch den Motor im teilerwärmten
Zustand vornehmen und auch bei Wärmeabfuhr
bei gleichzeitigem Öffnen
des Bypassventils 6bv und des Heizungsventils 2 sicherstellen,
dass eine hinreichende Dosiergenauigkeit der Wärmezufuhr verfügbar ist.The subsequent timing of the valve 2 can then choose the desired dosage of the total Make coolant throughput through the engine in teilerwärmten state and also in heat dissipation with simultaneous opening of the bypass valve 6bv and the heating valve 2 Make sure that sufficient dosing accuracy of the heat supply is available.
Liegt
der Auslegungsfokus ausschließlich auf
dem MVEURO, so kann bei dieser Konstellation u.U. sogar das Thermostatventil 6dv im Ölkühlerzweig 6d entfallen.
Der Motorölkühler 40 wird
dann zeitgleich mit dem Einschalten des Zusatzbypasszweigs 6c durchströmt, was
je nach Motor durchaus kraftstoffeffizient sein kann, insbesondere
da hier der Gesamtkühlmitteldurchfluss
durch den Motor aufgrund des zunächst
noch geschlossenen Heizungsventils klein bleibt. Bei Kabinenheizbedarf
bedeutet das Weglassen des Ölkühlerventils 6dv bei
hohem Kabinenheizbedarf nun einen Nachteil, da aufgrund des Standardheizungswärmetauschers
hier mit hohem Kühlmittelstrom
gearbeitet werden muss und der Ölkühler 30 ohne
das Ventil 6dv die effektive wärmeaktive Masse erhöht. Bei
kleinem bis mittlerem Kabinenheizbedarf kann die Rücklauftemperatur
des Kühlmittels über die
erfindungsgemäße Absenkung des
Kühlmittelvolumenstroms
im Heizungszweig 4a aber auch mit einem Standardheizungswärmetauscher
soweit abgesenkt werden, dass am Ölkühler 30 keine Wärme übertragen
wird, d.h. der Entfall des Ventils 6dv kann kompensiert
werden. Bei zusätzlicher
Verwendung eines Hochleistungsheizungswärmetauschers erweitert sich
nicht nur der Spielraum für
diese Maßnahme
hin bis zur maximalem Heizbedarf, sondern es kann sogar aktiv Wärme vom
Motoröl
ins Kühlmittel übertragen
werden. Es wurde schon ausführlich
beschrieben, dass sich in der Summe aus diesen Maßnahmen
eine dramatische Verbesserung der Kabinenheizleistung erzielen lässt. Wie
Messungen zeigen, geht dies bis hin zum Entfall der Zuheizer bei
Diesel-Pkw.If the design focus is exclusively on the MVEURO, then in this constellation may even even the thermostatic valve 6dv in the oil cooler branch 6d omitted. The engine oil cooler 40 will then coincide with the activation of the additional bypass branch 6c flows through, which may well be fuel efficient depending on the engine, especially since here the total coolant flow through the engine remains small due to the first still closed heating valve. For cabin heating requirements, omitting the oil cooler valve means 6dv At high cabin heating demand now a disadvantage, since due to the standard heat exchanger must be worked here with high coolant flow and the oil cooler 30 without the valve 6dv the effective heat-active mass increases. For small to medium Kabinenheizbedarf the return temperature of the coolant on the inventive reduction of the coolant flow in the heating branch 4a but also be lowered with a standard heat exchanger so far that the oil cooler 30 no heat is transferred, ie the elimination of the valve 6dv can be compensated. With the additional use of a high-performance heat exchanger, not only the scope for this measure extends to the maximum heating demand, but it can even be actively transferred heat from the engine oil into the coolant. It has already been described in detail that in the sum of these measures, a dramatic improvement in cabin heating can be achieved. As measurements show, this goes all the way to eliminating the extra heaters in diesel cars.
Die
Ausgangsanmeldung wie die vorliegende Anmeldung sind in hohem Maße darauf
ausgereichtet, die erfindungsgemäße Umsetzung
hoher Temperaturen im Motor unter Minimierung der Temperaturen außerhalb
des Motors sowie das Umschalten zwischen den einzelnen Bereichen
mit jeweiligem Fokus auf Kraftstoffverbrauchsminimierung, Heizleistungsmaximierung
und Motorleistungs maximierung bzw. Überhitzungsschutz mit einem
konventionellen und sehr kostengünstigen
Kühlerthermostaten 6 umzusetzen.The parent application as the present application are highly geared to the implementation of high temperatures in the engine according to the invention while minimizing the temperatures outside the engine and the switching between the individual areas with respective focus on fuel consumption minimization, heating power maximization and engine power maximization or overheating protection with a conventional and very inexpensive radiator thermostats 6 implement.
Die
beschriebenen physikalischen Wirkprinzipien zur Minimierung der
Wärmeverluste
und zur Minimierung der Schwankungen der Motorbauteiltemperatur
bei begrenzter Dosiergenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des
Kühlerthermostaten 6 und
des Bypassventils 6bv lassen sich jedoch auch bei Systemen
mit von der Motorsteuerung 16 frei ansteuerbarem Ersatzventil 6 anstelle
des konventionellen Kühlerthermostaten 6 umsetzen.
Gerade die Wechselwirkungen bezüglich
der Regelgüte
ermöglichen
es hier insbesondere, mit wesentlich grobmaschigeren Komponenten
zu arbeiten, als dies bisher notwendig war. Ein Anwendungsbeispiel
ist hier z.B. das allgemein bekannte Drehschieberventil, dessen Serieneinführung bisher
nicht zuletzt an den Kosten für
die hohe Stellgenauigkeit und an der schwierigen Abstimmung gescheitert
ist.The physical principles described for minimizing heat losses and for minimizing fluctuations in the engine component temperature with limited dosing accuracy and reaction rate of the radiator thermostat 6 and the bypass valve 6bv can also be used in systems with the engine control 16 freely controllable replacement valve 6 instead of the conventional radiator thermostat 6 implement. In particular, the interactions with respect to the control quality make it possible in particular to work with components of a much coarser mesh size than was hitherto necessary. An application example is here, for example, the well-known rotary valve whose serial introduction has failed so far not least to the cost of high positioning accuracy and the difficult vote.
Einige
Schwächen
des bekannten el. beheizten Kennfeldthermostaten für sich alleine
betrachtet wurden bereits diskutiert. Auch die Tatsache, dass eine
zusätzliche
el. Beheizbarkeit u.U. eher eine Verschlechterung der Regeleigenschaften
und u.U. auch der Betriebssicherheit liefert, wurde beschrieben.
Neben dem langsameren Umschalten auf reduzierte Motorbauteiltemperatur
hat diese insbesondere Fail-Safe-Nachteile.
Da bei einem Ausfall der el. Bestromung nur die obere Regeltemperatur
verfügbar ist,
ist der Ausfall kritischer als z.B. mit einem Bypassventil 6bv mit
Magnetventil, welches mit der Einstellung „stromlos offen" bei einem Ausfall
z.B. der el. Leitung unproblematisch in Bezug auf Motorleistung und
Betriebssicherheit ist.Some weaknesses of the known el. Heated map thermostat considered on its own have already been discussed. The fact that an additional el. Heatability may also lead to a deterioration of the control properties and possibly also the operational safety has been described. In addition to the slower switching to reduced engine component temperature, this particular has fail-safe disadvantages. Since only the upper control temperature is available in the event of a failure of the el. Current supply, the failure is more critical than, for example, with a bypass valve 6bv with solenoid valve, which with the setting "normally open" in the event of a failure eg the electric line is unproblematic in terms of engine performance and operational safety.
Es
gibt Jedoch auch Anwendungsfälle,
wo zumindest ein sehr schnell öffnender
el. beheizter Thermostat, d.h. i.a. eine Bauart mit hoher el. Heizleistung,
durchaus mit dem erfindungsgemäßen Gedankengut
weitgehend in Einklang zu bringen ist. Dabei bieten die einzelnen
erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Dämpfung
potentieller Überschwinger beim Öffnen des
Kühlerzweigs
bei sehr hoher el. Bestromung nicht zu unterschätzende Vorteile. In diesem
Zusammenhang ist es wichtig, dass die Umschaltung auf hohen Kühlmitteldurchsatz
im Bypasszweig 6b mit dem el. Bypassventil 6bv sehr
schnell und insbesondere bereits bei Erkennen einer erhöhten Motorlast
seitens der Motorsteuerung erfolgen kann. Die Tatsache, dass die
nahezu totzeitfreie Erhöhung
des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Bypasszweig 6b und damit auch durch den Motor
zeitgleich auch einen Sprung in der Kühlung der Motorbauteile bewirkt,
lange bevor die el. Bestromung des Kühlerthermostaten wirksam werden
kann, bietet hier ebenfalls eine Erweiterung des Nutzungspotentials.
Im Gegensatz zur aus Kostengründen
und in Bezug auf schnellst mögliches
Umschalten i.a. günstigeren
Variante mit unbeheizbarem Standardkühlerthermostaten mit beispielsweise
85°C Öffnungstemperatur,
liefert hier die Temperaturdifferenz zwischen der Thermostatnenntemperatur
und der Kühlmitteltemperatur
am Motoraustritt nicht den maßgeblichen Beitrag
zur schnellen Reaktion des Dehnstoffelementes. Vielmehr muss dies über eine
entsprechend hohe el. Leistung der Beheizung und/oder thermische
Isolation des Dehnstoffelementes erfolgen. Die Abstimmung dieser
Parameter und insbesondere der erforderlichen el. Leistung ist bei
der relativ großen Bandbreite
der Strömungs-
und Temperaturverhältnisse
im Bypass-, Kühler-
und Heizungszweig relativ komplex, so dass es durchaus zu Überschwingern beim Öffnen kommen
kann, die ganz grundsätzlich nicht
erwünscht
sind, insbesondere bei geringem Wärmeüberschuss und kleinem Kühlmitteldurchsatz durch
den Motor aber vermieden werden sollten. Die dämpfende Wirkung der erfindungsgemäßen Zusatzzweige
ist hier sehr hilfreich.However, there are also applications where at least one very rapidly opening electr. Heated thermostat, ie a design with high el. Heating power, can be brought into harmony with the inventive concept to a large extent. In this case, the individual measures according to the invention for damping potential overshoots when opening the cooler branch at very high el. Current supply do not give rise to underestimated advantages. In this regard, it is important that switching to high coolant flow in the bypass branch 6b with the el. bypass valve 6bv can be done very quickly and in particular already on detection of an increased engine load from the engine control. The fact that the nearly dead time-free increase of the coolant flow through the bypass branch 6b And thus also by the engine at the same time causes a jump in the cooling of the engine components, long before the el. energization of the radiator thermostat can be effective, also offers an extension of the potential use. In contrast to cost reasons and in terms of fastest possible switching ia cheaper variant with unheated standard radiator thermostats with, for example, 85 ° C opening temperature, here provides the temperature difference between the Thermostatnenntemperatur and the coolant temperature at the engine outlet not the relevant contribution to the rapid response of the expansion element. Rather, this must be done via a correspondingly high el. Performance of the heating and / or thermal insulation of the expansion element. The tuning of these parameters and in particular the required el. Power is relatively complex in the relatively wide range of flow and temperature conditions in the bypass, radiator and heating branch, so that it can quite come to overshoots when opening, which are quite fundamentally undesirable, especially at low heat and small However, coolant flow through the engine should be avoided. The damping effect of the additional branches according to the invention is very helpful here.
Gelingt
es im Gegensatz hierzu, diese Problematik durch geeignete Bauteile
in den Griff zu bekommen und ist die Möglichkeit einer ultraschnellen Umschaltung
auf abgesenkte Bauteiltemperaturen nicht das maßgebliche Auslegungskriterium,
so ist die Verwendung des el. beheizten Thermostaten durchaus in
manchen Anwendungen attraktiv. Insbesondere bietet die angehobene
Regeltemperatur ohne el. Bestromung den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr
am Kühler
bei einer höheren
Kühlmitteltemperatur
erfolgt und damit noch mehr Spielraum zur Absenkung des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Motor besteht. Mit el. Teilbestromung lässt sich
hier der Spielraum zusätzlich
in Richtung etwas höheren
Motorwärmeüberschusses
verschieben. Damit ist insbesondere oftmals ein etwas sanfterer Übergang
zwischen Phasen mit und ohne Öffnung
des Bypassventils 6bv erzielbar. Ein weiterer wichtiger
Vorteil kann es hier insbesondere sein, dass die einzelnen Zweige nun
prinzipiell auch im Nahbereich des Kühlerthermostaten 6 münden können. D.h.
es kann insbesondere für
die Zweige 6c, 6d, 6e und en Heizungsrücklauf der
i.a. bereits als Heizungsrücklauf
vorgesehene Anschluss am Kühlerthermostaten
verwendet werden anstelle eines zusätzlichen Anschlussstutzens
stromab des Kühlerthermostaten.
Dies wird möglich,
da nun nicht mehr die Gefahr besteht, dass das warme Kühlmittel
den Kühlerthermostaten öffnet.By contrast, if this problem can be overcome by suitable components and if the possibility of an ultrafast switching to lowered component temperatures is not the decisive design criterion, the use of the el. Heated thermostat is certainly attractive in some applications. In particular, the raised control temperature without el. Current provides the advantage that the heat dissipation takes place at the radiator at a higher coolant temperature and thus there is more leeway to lower the coolant flow rate through the engine. With el. Teilbestromung here the margin can be additionally shifted in the direction of slightly higher engine heat surplus. This is in particular often a slightly gentler transition between phases with and without opening the bypass valve 6bv achievable. Another important advantage may be here in particular that the individual branches now in principle in the vicinity of the radiator thermostat 6 can lead. Ie it can be especially for the branches 6c . 6d . 6e and the heating return of the connection, already provided as a heating return, to the radiator thermostat is used instead of an additional connection branch downstream of the radiator thermostat. This becomes possible because there is no longer the risk that the warm coolant will open the radiator thermostat.
Auch
die Anforderungen an den Heizzweig bezüglich einer Rücklauftemperatur
unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur
werden damit unkritischer, so dass insbesondere bei noch geschlossenem
Kühlerthermostaten 6 auch
der Heizungszweig mittels eines el. Ventils stärker in die Dosierung des Motorkühlmitteldurchsatzes
eingreifen kann.The requirements of the heating branch with respect to a return temperature below the thermostatic opening temperature are thus less critical, so that in particular still closed radiator thermostats 6 Also, the heating branch by means of an el. Valve can intervene more in the metering of the engine coolant flow rate.
Um
die wärmeaktive
Masse zu minimieren aber auch um dämpfende Wirkung zu verbessern
ist es i.a. dennoch besser, die Leitungen 6c, 6d und 6e an
Positionen 7e stromab des Kühlerthermostaten 6 anzuordnen
und den erfindungsgemäß in vielen
Betriebspunkten weitgehend abgekühlten
Heizungsrücklauf
weiter stromauf zu positionieren, insbesondere an der heutigen Standardposition
am Kühlerthermostaten 6.In order to minimize the heat-active mass but also to improve damping effect, it is generally better, the lines 6c . 6d and 6e at positions 7e downstream of the radiator thermostat 6 to arrange and position the invention largely cooled at many operating points heating return further upstream, especially at today's standard position on the radiator thermostat 6 ,
Abschließend bleibt
festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Gedankengut sowohl in der
insbesondere zur Kostenoptimierung zu bevorzugenden Variante ohne
el. beheizten Thermostaten 6 sehr effizient einzusetzen
ist als auch mit el. angesteuertem Thermostaten 6, und
dass dieses Gedankengut selbst bei Anwendungen, wo eine el. Kühlmittelpumpe
die riemengetriebene Motorkühlmittelpumpe 6 ersetzt
noch Kraftstoffverbrauchsvorteile liefert.Finally, it should be noted that the inventive concept both in the particular for cost optimization to be preferred variant without el. Heated thermostat 6 is very efficient to use as well as with el. driven thermostat 6 and that this thought goes even in applications where an el. coolant pump is the belt-driven engine coolant pump 6 Replaces fuel economy benefits yet.
Dabei
ist es ein ausgesprochener Vorteil, dass die lokale Absenkung der
Kühlmitteltemperaturen
im Heizungszweig 4a aber auch im übrigen Kühlmittelsystem und ganz besonders
das sehr spontane Ansprechen der Kühlung beim Öffnen der Zusatzventile helfen,
Vorbehalte bezüglich
des konventionellen el. Thermostaten zu eliminieren. Insbesondere
bei auf hohe Fahrdynamik ausgelegten Kfz wird vor dem Hintergrund
des zu langsamen Ansprechens teilweise auf die Verwendung des el.
beheizten Thermostaten verzichtet, obwohl dieser eine einfache und
bewährte
Methode zur Kraftstoffverbrauchseinsparung darstellt. Sowohl in
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ohne el. beheiztem Thermostaten als auch mit el. Beheizung sind
hier erheblich günstigere Ansprechzeiten
der Kühlung
anzutreffen.It is a definite advantage that the local lowering of the coolant temperatures in the heating branch 4a but also in the rest of the coolant system and especially the very spontaneous response of the cooling when opening the additional valves help to eliminate reservations regarding the conventional el. Thermostats. Especially with designed for high driving dynamics car is partially dispensed against the background of too slow response to the use of el. Heated thermostat, although this represents a simple and proven method for fuel economy. Both in the procedure according to the invention without el. Heated thermostat and with el. Heating are here significantly more favorable response times of the cooling can be found.
Die
Kühlreserve
ist bei der Vorgehensweise ohne el. beheizten Thermostaten i.a.
höher als
mit el. beheiztem Thermostaten, so dass hier i.a. wenig Kühlpotential
vorgehalten werden muss, gegebenenfalls können aber die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen
auch hier entsprechend eingesetzt werden.The
cool reserve
is in the procedure without el. heated thermostat i.a.
higher than
with el. Heated thermostat, so here i.a. little cooling potential
must be held, but if necessary, the measures described below
also be used here accordingly.
Bei
der erfindungsgemäßen Anwendung
mit el. beheiztem Thermostaten ist es insbesondere bei sehr hohen
Ansprüchen
an die Kühldynamik
vorteilhaft, wenn bei Motorteillast, zumindest ab einer Mindesttemperatur
des Kühlmittels
oder der Motorbauteile, mindestens ein von der Motorsteuerung 16 ansteuerbares
Zusatzventil in einem durch den Motor führenden Kühlmittelzweig, insbesondere
ein Bypassventil 6bv im Bypasszweig 6b und/oder
ein Zusatzventil 6cv in einem Zweig 6c ohne Wärmetauscher
und/oder ein Zusatzventil 6dv in einem Zweig 6d mit
Motorölkühler 30 und/oder
einem Zusatzventil in einem Zweig 6e mit einem Getriebeölkühler 40, und/oder
ein Ventil 2 im Heizungszweig 4a, zur Bereitstellung
einer Kühlreserve
teilweise oder ganz geschlossen wird und bei einem plötzlichen Übergang auf
sehr hohe Motorlast von der Motorsteuerung 16 geöffnet wird.
Hierdurch wird unabhängig
von den lokalen Kühlmitteltemperaturen
stets ein Potential zur Erhöhung
der Kühlwirkung über die
Erhöhung
des Kühlmitteldurchflusses
bereitgestellt.When using the invention with el. Heated thermostat, it is particularly advantageous for very high demands on the cooling dynamics, if at engine part load, at least from a minimum temperature of the coolant or engine components, at least one of the engine control 16 controllable additional valve in a leading through the engine coolant branch, in particular a bypass valve 6bv in the bypass branch 6b and / or an additional valve 6cv in a branch 6c without heat exchanger and / or an additional valve 6dv in a branch 6d with engine oil cooler 30 and / or an additional valve in a branch 6e with a transmission oil cooler 40 , and / or a valve 2 in the heating branch 4a , partially or completely closed to provide a cooling reserve and in case of a sudden transition to very high engine load from the engine control 16 is opened. As a result, regardless of the local coolant temperatures, there is always a potential for increasing the cooling effect via the increase in the coolant flow.
Dabei
hängt es
von der Basisfunktion der Ventile ab, ob diese nach dem Übergang
auf hohe Kühlleistung
offen bleiben, so wie z.B. das Bypassventil 6bv oder geschlossen
werden, so wie z.B. Ventile 6cv ohne Heizungswärmetauscher
oder kühlkritische
Komponenten.It depends on the basic function of the valves, whether they remain open after the transition to high cooling capacity, such as the bypass valve 6bv or closed, such as valves 6cv without heating heat exchanger or cooling criti components.
Umgekehrt
sind die Ölkühlerventile 6dv und 6ev i.a.
bereits in der Teillast oftmals weitgehend geöffnet, so dass der Spielraum,
ein vollständiges Öffnen als
Kühlreserve
beim Übergang
zur Hochlast zu nutzen, natürlich
limitiert ist. Dennoch ist es vorteilhaft, dass diese gegebenenfalls
ausgehend vom teilgeöffneten
Zustand bei warmem oder teilerwärmten Motor
in der Teillast, komplett geöffnet
werden und zum Schutz des Öls
vor Überhitzung
auch offen bleiben.Conversely, the oil cooler valves 6dv and 6EV In general, it is often already largely open during partial load, so that the latitude to use complete opening as a cooling reserve during the transition to high load is, of course, limited. Nevertheless, it is advantageous that these optionally starting from the partially opened state with warm or teilerwärmten engine in the partial load, completely open and remain open to protect the oil from overheating.