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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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FR 2 883 807 A1 zeigt einen Kühlmittelkühler mit mehreren Abschnitten des Kühlernetzes und einer Trennwand, wobei in dem Kühlkreislauf des AGR-Wärmetauschers keine zusätzliche elektrische Pumpe angeordnet ist.
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FR 2 872 545 A1 betrifft eine Vorrichtung der thermischen Regelung eines Motors einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend wenigstens einen ersten Kühlkreislauf mit zumindest einen Wärmetauscher Luft stromaufwärts von einer Pumpe und nachgeschaltete Mittel zur Kühlmittelzufuhr und einen zweiten Kühlkreislauf zur Kühlung von rückgeführtem Abgas (AGR) mit zumindest einer Pumpe.
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DE 196 33 190 DE zeigt einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit 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. In der
DE 196 33 190 DE ist dabei heraus auch gezeigt, dass der Strömungsweg zwischen dem Kühlmittelkühler und dem Thermostat mit zwei separaten Strömungspfaden ausgestaltet ist. Zudem gibt es in dem Strömungspfad zu dem AGR-Kühler eine elektrische Pumpe.
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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.
