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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf
für eine
Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Hauptkühlkreislauf mit zumindest einem
Kühlmittelkühler, einer
Kühlmittelpumpe
und einem Thermostat, wobei der Thermostat den Kühlmittelkühler erst bei einer definierten
Temperatur des Kühlmittels
in den Hauptkühlkreislauf
einschaltet.
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Durch
die Einführung
strengerer gesetzlicher Abgasnormen für Dieselmotoren wird eine weitere Emissionssenkung
notwendig, die beispielsweise mit einer gekühlten Abgasrückführung erreicht
werden kann. Dabei wird das zurückzuführende Abgas
zunächst
dem Hauptstrom zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader entnommen,
danach durch das Motorkühlmittel
gekühlt
und nachfolgend dem Frischluftstrom der Verbrennungsluft wieder
beigemischt. Zur Erfüllung
zukünftiger
Abgasnormen (z.B. EU 5) muss das zurückgeführte Abgas jedoch stärker als
bisher abgekühlt
werden. Die hierbei erforderlichen Abgastemperaturen am Austritt
des Abgasrückführungskühlers können erreicht
werden, indem ein leistungsstärkerer
Kühler
verwendet wird. Allerdings erfordert ein entsprechend in der Leistung
gesteigerter Abgasrückführungskühler wesentlich
größere Abmessungen
als bisher übliche
Kühler.
Dies bedingt einen größeren Material-
und Herstellungsaufwand. Problematischer als dieser primär kostenseitige
Aspekt ist jedoch, dass zwangsläufig
mehr Bauraum benötigt
wird, der im Motorraum moderner Kraftfahrzeuge oftmals nicht verfügbar ist.
Daher wird als Alternative zu größeren Abgasrückführungskühlern insbesondere
eine Absenkung der Kühlwassertemperatur am
Eintritt des Kühlers
angestrebt, die mit den bisher bekannten technischen Lösungen jedoch
nur bedingt möglich
ist.
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Aus
EP 0 861 368 B1 ist
ein Kühlkreislauf
für eine
Brennkraftmaschine bekannt, dessen Hauptkühlkreislauf aus einem Kühlmittelkühler, einer
Kühlmittelpumpe
und einem Thermostat besteht. Der Thermostat schaltet den Kühlmittelkühler bei
einer definierten Temperatur des Kühlmittels in den Hauptkühlkreislauf
ein. Weiterhin weist der Kühlkreislauf
einen Niedertemperaturkühlmittelkühler und
einen Wärmetauscher
auf. Der Niedertemperaturkühler wird
dadurch realisiert, dass in mindestens einem Wasserkasten des Kühlmittelkühlers eine
Trennwand angeordnet ist, die einen Teil des Kühlmittels zu einer U-förmigen oder
mäanderförmigen Durchströmung des
Kühlers
veranlasst. In der Vorwärmphase
erhält der
Wärmetauscher
einen Kühlmittelstrom,
der aus dem durch die Brennkraftmaschine schnell angewärmten Hauptkühlkreislauf
abgezweigt ist. In der Kühlphase
wird der Vorlaufstrom im Nebenstrom hingegen weitgehend aus dem
Niedertemperaturkühlmittelkühler gebildet.
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Demzufolge
wird sowohl eine schnelle Aufwärmung
von Betriebsmitteln in der Startphase ohne wesentliche Beeinträchtigung
der Aufheizung des Fahrgastraums als auch eine ausreichende Abkühlung dieser
Betriebsmittel im späteren
Normalfahrbetrieb erzielt. Allerdings erfordert diese technische
Lösung
stets einen Thermostat und einen ohnehin erheblichen geräte- und
regeltechnischen Aufwand. Außerdem
ist diese Ausführung
gemäß den Darlegungen
in der Druckschrift insbesondere für Getriebeöl konzipiert, während eine
Anwendung für
andere Betriebsmittel oder für
eine Abgasrückführung nicht vorgesehen
ist.
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DE 103 32 949 A1 beschreibt
einen Kühlkreislauf
für eine
Brennkraftmaschine, der jeweils zwei Steuereinheiten und Wärmetauscher
aufweist. Mit dieser aufwendigen technischen Lösung soll insbesondere für Getriebeöl eine schnelle
Vorwärmung in
der Aufheizphase und eine wirksame Kühlung im Normalbetrieb bei
erwärmter
Brennkraftmaschine erreicht werden. Hierbei ist in einer Variante
vorgesehen, dass in der Heizkreisleitung ein Abgasrückführungskühler angeordnet
wird. Einerseits durchströmt das
zurückgeführte Abgas
den Wärmetauscher
für die
Abgasrückführung, andererseits
ist der Wärmetauscher
von Kühlmittel
durchströmt.
Somit wird das Abgas gekühlt,
bevor es in den Brennraum strömt. Diese
Abgaskühlung
bewirkt zweifelsfrei eine Reduzierung der Stickoxide und somit eine
verminderte Emission. Eine zur Erfüllung künftiger Abgasnormen vorteilhafte
Absenkung der Kühlwassertemperatur am
Eintritt des Abgasrückführungskühlers wird
jedoch weder angestrebt noch erreicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Kühlkreislauf
für eine
Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung derart
zu modifizieren, dass mit einem lediglich geringen Bauteil- und
Bauraumaufwand eine wirksame Absenkung der Kühlmitteltemperatur am Eintritt
des Abgasrückführungskühlers erreicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
indem der Strömungsweg
zwischen dem Kühlmittelkühler und
dem Thermostat mit zwei separaten Strömungspfaden ausgestaltet ist,
wobei der erste Strömungspfad
von einem ersten Abschnitt des Kühlernetzes
im Kühlmittelkühler direkt
zum Thermostat führt,
wobei der zweite Strömungspfad
von einem zweiten Abschnitt des Kühlernetzes im Kühlmittelkühler über eine
Elektropumpe und einen Abgasrückführungskühler zum Thermostat
führt und
wobei die beiden Abschnitte des Kühlernetzes durch eine im Wasserkasten
des Kühlmittelkühlers angeordnete
Trennwand baulich voneinander getrennt sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche, deren
technische Merkmale und Wirkungen im Ausführungsbeispiel näher beschrieben
werden.
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Die
vorgeschlagene Ausgestaltung der gekühlten Abgasrückführung berücksichtigt,
dass niedrige Abgastemperaturen nicht während des gesamten Fahrzeugbetriebs
realisiert werden müssen.
Da in den Abgasnormen im Wesentlichen die Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine
betrachtet wird, ist es ausreichend, wenn die Steigerung der Kühlleistung
nur für
diese Betriebsphase realisiert wird. Hierfür ist die erfindungsgemäße Einbindung
des Abgasrückführungskühlers in
den Kühlkreislauf
vorteilhaft geeignet.
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Diese
technische Lösung
erfordert einen geringen Mehraufwand, weil lediglich eine zusätzliche Elektropumpe
und ein (Haupt-) Kühlmittelkühler mit einem
geänderten
Wasserkasten benötigt
werden. Mit diesem geringen Bauteilaufwand und dem somit ebenfalls
geringen Bauraumbedarf wird die Kühlmitteltemperatur am Eintritt
des Abgasrückführungskühlers wirksam
abgesenkt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen
Lösungsansätzen zur
Erfüllung
künftiger
Abgasnormen für
Dieselmotoren, die mindestens einen zusätzlichen Niedertemperaturkühler und/oder
ein zusätzliches
Umschaltventil mit der zugehörigen
Ansteuerungslogik benötigen und
folglich eine kostenintensive Umsetzung bewirken.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau der erfindungsgemäßen Abgasrückführungskühlung in
einer ersten Ausführung
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2 die
erfindungsgemäße Abgasrückführungskühlung in
einer zweiten Ausführung
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3 die
erfindungsgemäße Abgasrückführungskühlung in
einer dritten Ausführung
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In
der Zeichnung sind die im vorliegenden Sachverhalt wesentlichen
Baugruppen eines Kühlkreislaufs
für eine
Brennkraftmaschine mit einem Motorblock 6 dargestellt.
Gemäß 1 umfasst
der Hauptkühlkreislauf
zumindest einen als Hauptkühler ausgestalteten
Kühlmittelkühler 4 mit
einem als Vorlauf wirksamen Wasserkasten 4a und einem als Rücklauf wirksamen
Wasserkasten 4b, eine als Hauptpumpe wirksame Kühlmittelpumpe 5 und
einen Thermostat 1, der den Kühlmittelkühler 4 bei einer definierten
Temperatur des Kühlmittels
in den Hauptkühlkreislauf
einschaltet. Als weitere Baugruppen sind ein Getriebeölkühler 7 (optional),
ein Motorölkühler 8 (optional),
ein Heizungswärmetauscher 9 und
ein Ausgleichsbehälter 10 vorgesehen.
Die funktionelle Wirkverbindung dieser Baugruppen ist an sich bekannt,
so dass an dieser Stelle auf nähere diesbezügliche Darlegungen
verzichtet werden kann. Wesentlich im vorliegenden Sachverhalt ist
jedoch die Ausgestaltung der Strömungsverbindung
zwischen dem Kühlmittelkühler 4 und
dem Thermostat 1, die nachfolgend näher erläutert wird.
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Der
Strömungsweg
zwischen dem Kühlmittelkühler 4 und
dem Thermostat 1 weist zwei separate Strömungspfade
auf. Dabei führt
der erste Strömungspfad
ausgehend von einem ersten Abschnitt des Kühlernetzes im Kühlmittelkühler 4 direkt
zum Thermostat 1. Im zweiten Strömungspfad sind ausgehend von
einem zweiten Abschnitt des Kühlernetzes
im Kühlmittelkühler 4 in
beliebig wählbarer
Reihenfolge eine Elektropumpe 2 und ein Abgasrückführungskühler 3 angeordnet,
bevor dieser zweite Strömungspfad
zum Thermostat 1 führt.
Die beiden Abschnitte des Kühlernetzes
werden durch eine im Wasserkasten des Kühlmittelkühlers 4 angeordnete Trennwand
baulich voneinander getrennt.
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In
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ist der Thermostat 1 geschlossen.
Folglich kann die Kühlmittelpumpe 5 das
Kühlmittel
nur über
den Motorblock 6, den Getriebeölkühler 7, den Motorölkühler 8,
den parallel geschalteten Heizungswärmetauscher 9 und
den Ausgleichsbehälter 10 fördern. Der
Kühlmittelkühler 4 und
der Abgasrückführungskühler 3 erhalten
von der Kühlmittelpumpe 5 jedoch kein
Kühlmittel.
In diesem Bereich fördert
die Elektropumpe 2 separat vom Hauptkreislauf Kühlmittel über den
Abgasrückführungskühler 3 zum
Kühlmittelkühler 4 und
zurück.
Eine zusätzlich
in den Wasserkasten 4b eingefügte Trennwand gewährleistet,
dass das Kühlmittel
nicht direkt durch diesen Wasserkasten 4b zurück zur Elektropumpe 2 strömt, sondern zunächst durch
den einen Abschnitt des Kühlernetzes
in den Wasserkasten 4a gefördert wird und erst dann durch
den anderen Abschnitt des Kühlernetzes zurück zur Elektropumpe 2 strömt.
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Da
sich das Kühlmittel
aus dem von der Elektropumpe 2 bedienten Kreislauf bei
geschlossenem Thermostat 1 nicht mit dem von der Kühlmittelpumpe 5 geförderten
Kühlmittel
vermischen kann, wird in den zweiten Strömungspfad nur die Wärme des
Abgasrückführungskühlers 3 eingetragen.
Diese Wärme
wird über
den Kühlmittelkühler 4 an
die Umgebung abgeführt.
Weil der Kühlmittelkühler 4 an
sich für
wesentlich höhere
Leistungen dimensioniert ist, können
deutlich niedrigere Kühlmitteltemperaturen und
somit eine Leistungssteigerung der Abgasrückführungskühlung in der erforderlichen
Größenordnung
realisiert werden.
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Sobald
der Thermostat 1 öffnet, ändert sich die
Durchströmung
des Kühlmittelkühlers 4.
Nunmehr strömt
das Kühlmittel
vom Motorblock 6 zum Wasserkasten 4a und teilt
sich dann durch die Trennwand in dem Wasserkasten 4b in
zwei Teilmengen auf. Die eine Teilmenge gelangt über die eine Hälfte des
Kühlernetzes
direkt zurück
zum Thermostat 1. Die andere Teilmenge gelangt über die
zweite Hälfte des
Kühlernetzes, über die
Elektropumpe 2 und über den
Abgasrückführungskühler 3 zum
Thermostat 1. Die Position der Trennwand im Wasserkasten 4b beeinflusst
die Aufteilung des Volumenstroms und kann entsprechend der jeweils
konkreten thermodynamischen Anforderungen gewählt werden.
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Bei
geöffnetem
Thermostat 1 liegt die Eintrittstemperatur des Kühlmittels
in den Abgasrückführungskühler 3 höher als
bei geschlossenem Thermostat 1, da jetzt vom Kühlmittelkühler 4 auch
die Wärme
des Motorblocks 6 an die Umgebung abgeführt werden muss. Dennoch erhält der Abgasrückführungskühler 3 die
niedrigste Eintrittstemperatur, die im gesamten Kreislauf verfügbar ist,
weil er direkt aus dem Kühlerrücklauf versorgt
wird.
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In
dem für
die Erfüllung
der Abgasnorm relevanten sog. MVEG-Zyklus ist der Thermostat 1 überwiegend
geschlossen, so dass für
die Abgasrückführung die
maximale Kühlleistung
zur Verfügung
gestellt werden kann. Erst gegen Ende des Zyklus ist zu erwarten,
dass der Thermostat 1 zu öffnen beginnt. Dadurch wird
eine geringe Menge an Kühlmittel
aus dem Hauptkreislauf beigemischt. Diese Menge führt zu einer
Anhebung der Kühlmitteltemperaturen
und folglich zu einer Reduzierung der Leistung des Abgasrückführungskühlers 3.
Durch eine exakte Abstimmung des Öffnungsverhaltens vom Thermostat 1 und
der Position der Trennwand im Wasserkasten 4b kann jedoch
auch in diesem Zeitbereich noch eine ausreichende Abgaskühlung gewährleistet
werden.
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Bei
dieser Abgasrückführungskühlung könnten Probleme
auftreten, sofern das Abgas nach einem Kaltstart zu stark abgekühlt wird,
so dass sich Kondensat bildet. Dies kann jedoch vermieden werden,
indem die Elektropumpe 2 nur in Intervallen eingeschaltet
oder stufenlos geregelt wird.
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Gemäß 2 kann
alternativ in den zweiten Strömungspfad
mit Elektropumpe 2 und Abgasrückführungskühler 3 auch ein Schlauchthermostat
A mit Pilotvolumenstrom (oder auch ein Schaltventil) eingesetzt
werden, wodurch der Volumenstrom und somit die Kühlleistung solange gedrosselt
werden, bis eine vorab definierte Mindesttemperatur erreicht ist.
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2 zeigt
weiterhin zwei mögliche
Anordnungen für
einen Zusatzkühler,
der optional eingesetzt werden kann, um die Kühlleistung weiter zu steigern.
Ein derartiger Zusatzkühler
wird gemäß der Zeichnung
beispielsweise parallel zum eigentlichen Kühlmittelkühler 4 angeordnet.
Bei der mit B bezeichneten Ausführung
ist dieser Zusatzkühler
dem zweiten Strömungspfad
mit Abgasrückführungskühler 3 und
Elektropumpe 2 zugeordnet. Bei der mit C bezeichneten Ausführung ist
der Zusatzkühler
dem ersten Strömungspfad
direkt vom Thermostat 1 zum Kühlmittelkühler 4 zugeordnet.
Beide Varianten ermöglichen
grundsätzlich eine
weitere Verbesserung der Abgasrückführungskühlung. Hierbei
sind beide Varianten bei geschlossenem Thermostat 1 annähernd gleichwertig,
während
bei einem teilweise oder vollständig
geöffneten
Thermostat 1 die Ausführung gemäß B Vorteile
gegenüber
der Ausführung
gemäß C bietet.
Anstelle der beschriebenen Parallelschaltung können Zusatzkühler B oder
C auch in Reihe zum Kühlmittelkühler 4 angeordnet
werden.
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In 1 und 2 ist
jeweils ein Kühlkreislauf
mit einem I-förmig
durchströmten
Kühlmittelkühler 4 dargestellt.
Eine derartige Anordnung kann aus unterschiedlichen Gründen (verfügbarer Bauraum, Motorkonzept
usw.) jedoch nicht in sämtlichen
Fahrzeugen realisiert werden. Deshalb kann der Kühlkreislauf gemäß 3 auch
mit einem U-förmig durchströmten Kühlmittelkühler 4 ausgestaltet
werden. Auch bei einer solchen Ausgestaltung können die in 2 optional
dargestellten Baugruppen, d.h., ein Schlauchthermostat A mit Pilotvolumenstrom oder
ein Zusatzkühler
in unterschiedlichen Anordnungen B oder C, dem Kühlkreislauf zugeordnet werden.