DE102005055323A1

DE102005055323A1 - Kühleinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung und Kühlkreislauf

Info

Publication number: DE102005055323A1
Application number: DE200510055323
Authority: DE
Inventors: Hermann Henning
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: DE102005055323B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung in einem Kühlkreislauf eines Fahrzeugs zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine (23), mit einem eintrittseitigen Sammelkasten (15) und einem austrittseitigen Sammelkasten (19) sowie einem zwischen den Sammelkästen (15, 19) angeordneten Kühlbereich (12, 13), der in einen Hauptbereich (12) und Niedertemperaturbereich (13) unterteilt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens in dem eintrittseitigen Sammelkasten (15) ein Ventil (18) vorgesehen ist, das den Niedertemperaturbereich (13) zum Hauptbereich (12) betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 sowie einen Kühlkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 11.

Die Auslegung des Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug erfolgt in der Regel nach den Erfordernissen der Extrembedingungen, z.B. Höchstgeschwindigkeit bei sehr hohen Außentemperaturen, Bergfahrt mit Anhänger etc. Im Normalbetrieb sind daher üblicherweise noch Kühlreserven vorhanden.

Die DE 10 301 564 A1 offenbart einen Kühlkreislauf für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Niedertemperaturkühler, der in einen Kühler integriert ist. Der Niedertemperaturbereich und der Hauptbereich des Kühlers werden parallel vom Kühlmittel durchströmt. In der Warmlaufphase wird der Kühler durch einen Bypass umgangen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkreislauf zu schaffen, bei dem überschüssige installierte Kühlleistung besser genutzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 des Patentanspruchs 7 und des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine sowie der erfindungsgemäße Kühlkreislauf sieht neben ihren gattungsgemäßen Merkmalen vor, dass wenigstens in einem eintrittseitigen Sammelkasten ein Ventil vorgesehen ist, das einen Niedertemperaturbereich zu einem Hauptbereich der Kühleinrichtung betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt. Dadurch kann die im Normalbetrieb bei erreichter Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine vorhandene überschüssige Kühlleistung des für den Normalbetrieb überdimensionierten Kühlers genutzt werden. In norma len Betriebszuständen kann die überschüssige Kühlleistung als Niedrigtemperaturkühlleistung z.B. für eine Kühlung bei der Abgasrückführung, zur Saugrohrkühlung, zur Kühlung elektrischer Hochleistungsmaschinen etc. genutzt werden. Die Kühleinrichtung ist zweigeteilt, wobei der größere Anteil, insbesondere mindestens 50%, vorzugsweise 55 bis 90% der Kühlleistung für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine unter normalen, durchschnittlichen Betriebsbedingungen zur Verfügung steht und der restliche Anteil für eine Niedertemperaturkühlung genutzt werden kann. Unter Extrembedingungen, bei denen die Niedertemperaturkühlung nicht benötigt wird, z.B. die Kühlung in der Abgasrückführung, oder auf die Niedertemperaturkühlung verzichtet werden kann, wird die ganze Kühlleistung der Kühleinrichtung mit einem Ventil, insbesondere einem Thermostatventil, zum Hauptbereich zugeschaltet, womit die Zuschaltung besonders einfach wird.

In einer günstigen Ausgestaltung ist in dem austrittseitigen Sammelkasten ein Ventil vorgesehen, das den Niedertemperaturbereich zum Hauptbereich betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt. Vorzugsweise ist das Ventil ein Rückschlagventil. Dieses sorgt dafür, dass der gesamte Massenstrom, der in die Kühleinrichtung eintritt, der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung steht, wenn das eintrittseitige Thermostatventil geöffnet ist.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist der eintrittseitige Sammelkasten in seinem dem Niedertemperaturbereich zugeordneten Bereich einen Medieneingang für eine Niedertemperatur-Medienleitung und in seinem dem Hauptbereich zugeordneten Bereich einen Medieneingang für eine Motorkühlung-Medienleitung auf. Der Niedertemperaturbereich kann so vollständig bezüglich des Niedertemperaturkreislaufs vom Hauptbereich mit seinem Hauptkreislauf getrennt werden.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weisen der Hauptbereich und der Niedertemperaturbereich der Kühleinrichtung zusammengenommen eine Kühlkapazität auf, die für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine in Extremsituationen ausgelegt ist. Damit kann eine kompakte Kühleinrichtung bereitgestellt werden, bei der Überkapazitäten vorteilhaft genutzt werden können.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung in einem Kühlkreislauf eines Fahrzeugs zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine wird neben en gattungsgemäßen Verfahrensschritten in einem eintrittseitigen Sammelkasten ein Ventil betriebsparameterabhängig geöffnet oder geschlossen, um einen Niedertemperaturbereich mit einem Hauptbereich der Kühleinrichtung zu verbinden oder zu trennen.

In einem günstigen Verfahrensschritt wird in dem austrittseitigen Sammelkasten ein Rückschlagventil betriebsparameterabhängig geöffnet oder geschlossen, um den Niedertemperaturbereich mit dem Hauptbereich zu verbinden oder zu trennen.

In einem weiteren günstigen Verfahrensschritt wird das Ventil geöffnet, sobald die Verbrennungskraftmaschine betriebswarm ist und eine zusätzliche Kühlleistung benötigt wird.

In einem weiteren günstigen Verfahrensschritt wird bei geöffnetem Ventil ein Niedertemperaturkreislauf abgeschaltet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Kühlkreislaufs sieht vor, dass der Niedertemperaturkreislauf separat vom Hauptkreislauf zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine geführt ist. Eine Kopplung erfolgt nur über die Kühleinrichtung. Vorteilhaft ist der Niedertemperaturkreislauf nicht an einen Bypass-Kreislauf angekoppelt, mit dem die Kühleinrichtung ganz oder teilweise umgangen werden kann und Kühlmittel vom Ausgang der Verbrennungskraftmaschine praktisch ungekühlt dieser wieder zugeführt wird oder mit gekühltem Kühlmittel aus der Kühleinrichtung gemischt wird. Durch die Abkopplung des Niedertemperaturkreislaufs verbleibt im Bypass-Kreislauf deutlich weniger Masse, z.B. an Kühlmittel, Abgasrückführungskühler, Rohrleitungen etc., die aufgeheizt werden müssen. Dadurch wird die Warmlaufphase verkürzt mit einer vorteilhaften Verbrauchsreuzierung der Verbrennungskraftmaschine. Wird eine vorteilhafte doppelwandige Saugrohrausführung mit diesem Niedertemperaturkreislauf beaufschlagt, steht bei einer Abgasrückführung eine zusätzliche Kühlwirkung für die Zylinderladung der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Wird die Verbrennungskraftmaschine ohne Abgasrückführung betrieben, wird eine zusätzliche Kühlung der Ladeluft erreicht.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Prinzipskizze eines bevorzugten Kühlkreislaufs mit einer Kühleinrichtung nach der Erfindung;
2 ein Schaubild mit kühllastabhängiger Temperatur und einem Massenstromverhältnis.
1 zeigt einen bevorzugten Kühlkreislauf 10 eines Fahrzeugs zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine 23 mit einer Kühleinrichtung 11.
Die Kühleinrichtung 11 weist einen eintrittseitigen Sammelkasten 15 und einem austrittseitigen Sammelkasten 19 sowie einem zwischen den Sammelkästen 15, 19 angeordneten Kühlbereich 12, 13 auf, der in einen Hauptbereich 12 und Niedertemperaturbereich 13 unterteilt ist. Der Hauptbereich 12 ist vom Niedertemperaturbereich 13 durch eine Trennwand 14 getrennt.
In dem eintrittseitigen Sammelkasten 15 ist ein als Thermostatventil ausgebildetes Ventil 18 vorgesehen, das den Niedertemperaturbereich 13 zum Hauptbereich 12 betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt. In dem austrittseitigen Sammelkasten 19 ein als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 22 vorgesehen, das dafür sorgt, dass sich Kühlmittel des Niedertemperaturbereichs 13 mit dem des Hauptbereichs 12 vermischt, wenn der Niedertemperaturkreislauf 38 in Betrieb ist. Der Niedertemperaturbereich 13 versorgt einen Niedertemperaturkreislauf 38, der Hauptbereich 12 einen Hauptkreislauf 40 mit einem Bypass-Kreislauf 39.
Der eintrittseitige Sammelkasten 15 weist in seinem dem Niedertemperaturbereich 13 zugeordneten Bereich 17 einen Medieneingang 33a für eine Niedertemperatur-Medienleitung 33 auf und in seinem austrittseitigen Sammelkasten 19 im Bereich 21 einem dem Niedertemperaturbereich 13 zugeordneten Medienausgang 32a. Zwischen dem Medienausgang 32a und dem Medieneingang 33a ist der Niedertemperaturkreislauf 38 ausgebildet, bei dem das Kühlmittel am Medienausgang 32a in die Leitung 32 und von dort in die Leitung 33 zum Medieneingang 33a gelangt.
Das Kühlmittel, z.B. Wasser, wird mit einer Pumpe 29, die bevorzugt elektrisch angetrieben ist, im Niedertemperaturkreislauf 38 gefördert. Beispielhaft sind ein Abgasrückführkühler 27, eine Kühlung eines doppelwandigen Saugrohrs 26 mit dem Kühlmittelraum 26a, mit dem der Verbrennungskraftmaschine 23 Verbrennungsluft 23a zugeführt wird, und ein sonstiger Kühler 25 hinsichtlich des Kühlmittels hintereinander in Reihe geschaltet. Optional ist auch eine Parallelschaltung möglich. Es sind keine Details der an sich bekannten Abgasrückführung angegeben. Bei Bedarf können auch Absperrventile im Kühlmittelkreislauf zu- oder abgeschaltet werden. Der Kühler 27 ist in einer Abgasrückführleitung 28 (AGR) angeordnet, das mit dem Kühlmittel gekühlt wird. Der Niedertemperaturkreislauf 38 ist stromaufwärts vor der Kühleinrichtung 11 zwischen dem Kühler 25 und dem Medieneingang 33a mit einem Rückschlagventil 24 ausgestattet. Dieses sorgt dafür, dass der ganze Massenstrom m3 des Kühlmittels nur durch die Kühleinrichtung 11 und nicht durch den Niedertemperaturkreislauf 38 fließt, wenn das Ventil 18 geöffnet ist.
Der Niedertemperaturkreislauf 38 erlaubt eine sehr effiziente Kühlung des rückgeführten Abgases, die über eine Messung der Abgastemperatur t_AGR, in gewissen Grenzen sogar vorteilhaft über den elektrischen Antrieb der Pumpe 29 geregelt werden kann.
In ihrem dem Hauptbereich 12 zugeordneten Bereich 16 des eintrittseitigen Sammelkastens 15 der Kühleinrichtung 11 ist ein Medieneingang 34a für eine Medienleitung 34 angeordnet, die erwärmtes Kühlmittel von der Verbrennungskraftmaschine 23 zur Kühleinrichtung 11 führt. Am austrittseitigen Sammelkasten 19 ist im zugeordneten Bereich 20 ein Medienausgang 37a mit einer Leitung 37 angeordnet, mit der gekühltes Kühlmittel über ein Thermostatventil 30 und eine Pumpe 31 über eine Leitung 36 zur Verbrennungskraftmaschine 23 geleitet wird. Dieser Kreislauf bildet den Hauptkreislauf 40 der Verbrennungskraftmaschine 23.
Von der Leitung 34 zweigt eine Abzweigleitung 35 zum Thermostatventil 30 ab, so dass in einem dadurch gebildeten Bypass-Kreislauf 39 warmes Kühlmittel mit kaltem Kühlmittel t₃ auf eine Betriebstemperatur t₁ geregelt werden kann. Mit dieser Temperatur t₁ wird der Massenstrom m₁ des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine 23 zugeführt. In der Leitung 37 verlässt ein Massenstrom m₃ des Kühlmittels die Kühleinrichtung 11 mit einer Temperatur t₃. In der Abzweigleitung 35 wird ein Massenstrom m₂ des erwärmten Kühlmittels mit der Temperatur t₂ abgezweigt, mit der das restliche Kühlmittel des Hauptkreislaufs der Kühleinrichtung zugeführt wird.
Der Hauptbereich 12 und der Niedertemperaturbereich 13 weisen zusammengenommen eine Kühlkapazität auf, die für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 23 in Extremsituationen ausgelegt ist.
2 zeigt anhand von Kennlinien die Funktionsweise bei betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Kennlinien A, B zeigen den Verlauf der Temperatur t₃ über der Kühllast, z.B. abhängig von einer Motorbelastung der Verbrennungskraftmaschine 23 und/oder geringerem Fahrtwind und/oder höherer Fahrtwindtemperatur. Die Kennlinien C, D stehen für das Massenstromverhältnis m₂/m₃. Die durchbrochenen Linien entsprechen dem Stand der Technik, die durchgezogenen Linien dem Zustand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die senkrechte Linie E zeigt an, wann das Ventil 18 öffnet und die gesamte Kühlkapazität der Kühleinrichtung für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 23 eingesetzt wird. Nach rechts erstreckt sich der Bereich mit geöffnetem Ventil 18. Die senkrechte Linie F zeigt die Leistungsgrenze der Kühleinrichtung 11 an, bis zu der die Temperatur t₁ (waagrechte Linie bis Punkt G) noch eingehalten werden kann.
Die Pumpe 31 versorgt die Verbrennungskraftmaschine 23 mit dem Massenstrom m₁. Das Thermostatventil 30 sperrt in der Warmlaufphase den Massenstrom m₃ des Hauptkreislaufs 40 ab. Sobald die Betriebstemperatur t₁ erreicht ist, z.B. 90°C, gibt das Thermostatventils 30 den Hauptkreislauf 40 frei und ein Teil des Kühlmittels fließt durch den Hauptbereich 12 der Kühleinrichtung 11. Dadurch wird die Temperatur t₁ eingeregelt. Im konventionellen Fall wird nun bei Erreichen der Kühlleistung der Massenstrom m₂ durch das Thermostatventil 30 geschlossen. Bei noch höherer Leistung steigen t₃ und t₁ gemeinsam an (ab Punkt G).
Erfindungsgemäß wird dieser Anstieg früher erreicht (Punkt H). Das Ventil 18 wird geöffnet bei einer Öffnungstemperatur, die vorzugsweise etwa der regulären Betriebstemperatur t₁ entspricht. Die gesamte Kühlleistung der Kühleinrichtung 11 steht jetzt zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 23 zur Verfügung. Das Rückschlagventil 24 sorgt dafür, dass der ganze Massenstrom m₃ des Kühlmittels jetzt direkt durch die Kühleinrich tung zur Verbrennungskraftmaschine 23 fließt. Das Thermostatventil 30 regelt die Temperatur jetzt wieder auf t₁ ein. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise sind neben dem Verlauf von t₁ und t₃ auch das Verhältnis der Massenströme k = m₂/m₃ abgebildet, das mit zunehmender Kühllast abnimmt. Wenn k gegen Null geht, ist der Bypass-Kreislauf 39 geschlossen.

10: Kühlkreislauf
11: Kühler
12: Hauptbereich
13: Niedertemperaturbereich
14: Trennwand
15: eintrittseitiger Sammelkasten
16: Bereich
17: Bereich
18: Ventil (Thermostat)
19: austrittseitiger Sammelkasten
20: Bereich
21: Bereich
22: Ventil
23: Verbrennungskraftmaschine
23a: Verbrennungsluft
24: Ventil
25: Kühler
26: Saugrohr
26a: Kühlmittelraum
27: AGR-Kühler
28: Abgasrückführleitung
29: Pumpe
30: Thermostat
31: Pumpe
32: Leitung
32a: Medienausgang
33: Leitung
33a: Medieneingang
34: Leitung
34a: Medieneingang
35: Abzweigleitung
36: Leitung
37: Leitung
37a: Medienausgang
38: Niedertemperaturkreislauf
39: Bypasskreislauf
40: Hauptkreislauf
A, B ,C, D: Kennlinien
E: Thermostat öffnet
F: Leistungsgrenze der Kühleinrichtung
t₁: Betriebstemperatur
t₂: Temperatur am Ausgang der Verbrennungskraftmaschine
t₃: Temperatur am Ausgang der Kühleinrichtung im Hauptbereich
t_AGR: Temperatur des rückgeführten Abgases
m₁: Massenstrom am Eingang der Verbrennungskraftmaschine
m₂: Massenstrom abgezweigt zum Bypass-Kreislauf
m₃: Massenstrom am Ausgang der Kühleinrichtung im Hauptbereich

Claims

Kühleinrichtung in einem Kühlkreislauf eines Fahrzeugs zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine (23), mit einem eintrittseitigen Sammelkasten (15) und einem austrittseitigen Sammelkasten (19) sowie einem zwischen den Sammelkästen (15, 19) angeordneten Kühlbereich (12, 13), der in einen Hauptbereich (12) und Niedertemperaturbereich (13) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in dem eintrittseitigen Sammelkasten (15) ein Ventil (18) vorgesehen, das den Niedertemperaturbereich (13) zum Hauptbereich (12) betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem austrittseitigen Sammelkasten (19) ein Ventil (22) vorgesehen ist, das den Niedertemperaturbereich (13) zum Hauptbereich (12) betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eintrittseitige Sammelkasten (15) in seinem dem Niedertemperaturbereich (13) zugeordneten Bereich (17) einen Medieneingang (33a) für eine Niedertemperatur-Medienleitung (33) aufweist und in seinem dem Hauptbereich (12) zugeordneten Bereich (16) einen Medieneingang (34a) für eine Medienleitung (34) zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine (23) aufweist.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im eintrittseitigen Sammelkasten (15) ein Thermostatventil (18) vorgesehen ist.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im austrittseitigen Sammelkasten (19) ein Rückschlagventil (22) vorgesehen ist.
Kühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbereich (12) und der Niedertemperaturbereich (13) zusammengenommen eine Kühlkapazität aufweisen, die für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine (23) in Extremsituationen ausgelegt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung in einem Kühlkreislauf eines Fahrzeugs zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine (23), mit einem eintrittseitigen Sammelkasten (15) und einem austrittseitigen Sammelkasten (19) sowie einem zwischen den Sammelkästen (15, 19) angeordneten Kühlbereich (12, 13), der in einen Hauptbereich (12) und Niedertemperaturbereich (13) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem eintrittseitigen Sammelkasten (15) ein Ventil (18) betriebsparameterabhängig geöffnet oder geschlossen wird, um den Niedertemperaturbereich (13) mit dem Hauptbereich (12) zu verbinden oder zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem austrittseitigen Sammelkasten (19) ein Rückschlagventil (22) betriebsparameterabhängig geöffnet oder geschlossen wird, um den Niedertemperaturbereich (13) mit dem Hauptbereich (12) zu verbinden oder zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (18) geöffnet wird, sobald die Verbrennungskraftmaschine (23) betriebswarm ist und eine zusätzliche Kühlleistung benötigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Ventil (18) ein Niedertemperaturkreislauf (38) abgeschaltet wird.
Kühlkreislauf mit einer Kühleinrichtung (11) zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine (23), mit einem eintrittseitigen Sammelkasten (15) und einem austrittseitigen Sammelkasten (19) sowie einem zwischen den Sammelkästen (15, 19) angeordneten Kühlbereich (12, 13), der in einen Hauptbereich (12) und Niedertemperaturbereich (13) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in dem eintrittseitigen Sammelkasten (15) ein Ventil (18) vorgesehen, das den Niedertemperaturbereich (13) zum Hauptbereich (12) betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt.
Kühlkreislauf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niedertemperaturkreislauf (38) separat von einem Hauptkreislauf (40) der Verbrennungskraftmaschine (23) geführt ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Niedertemperaturkreislauf (38) eine doppelwandiges Saugrohr (26) angeordnet ist.