DE102008037062A1

DE102008037062A1 - Kühleinrichtung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102008037062A1
Application number: DE200810037062
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Mietschnig
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2010015294A1; EP2307678B1; EP2307678A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf mit einer Kühlmittel-Pumpe, einem Brennkraftmaschinen-Gehäuse, einem Abgasrückführ-Wärmetauscher, einem Kühlmittel-Thermostatventil und einem Kühlmittel-Wärmetauscher, wobei die Kühlmittel-Pumpe, der Abgasrückführ-Wärmetauscher und das Kühlmittel-Thermostatventil von einem ersten Kühlmittel-Teilkreislauf und die Kühlmittel-Pumpe, das Brennkraftmaschinen-Gehäuse und das Kühlmittel-Thermostatventil von einem zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf umfasst sind sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung, wobei bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten ersten Wertes ein erstes Absperrventil geschlossen ist und ein Kühlmittelumlauf im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf im Wesentlichen unterbunden ist, sodass das Kühlmittel im Wesentlichen im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf umläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf mit einer Kühlmittel-Pumpe, einem Brennkraftmaschinen-Gehäuse, einem Abgasrückführ-Wärmetauscher, einem Kühlmittel-Thermostatventil und einem Kühlmittel-Wärmetauscher sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühleinrichtung.
Bei brennkraftmaschinengetriebenen Kraftfahrzeugen mit einer derartigen bekannten Einrichtung zur Kühlung der Brennkraftmaschine wird das Kühlmittel mittels der Kühlmittel-Pumpe umgewälzt und durchströmt auch in einer Startphase oder bei geringer Last der Brennkraftmaschine nicht nur den Abgasrückführ-Wärmetauscher, sondern auch das Brennkraftmaschinen-Gehäuse. Bei erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur schaltet das Kühlmittel-Thermostatventil den Kühlmittel-Wärmetauscher zu. Damit wird eine übermäßige thermische Belastung der Brennkraftmaschine insbesondere bei hoher Last verhindert.
Allerdings ist eine Kühlmitteldurchströmung der Brennkraftmaschine bereits in der Startphase oder bei geringer Last der Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer thermischen Belastung oft gar nicht erforderlich und die von der Brennkraftmaschine in das Kühlmittel eingetragen Wärme trägt zu einer verringerten Kühlleistung im Abgasrückführ-Wärmetauscher bei.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine bereit zu stellen, bei der einen Kühlung der Brennkraftmaschine nur dann erfolgt, wenn dies insbesondere unter thermischen Gesichtspunkten erforderlich ist und ansonsten einen Wärmeeintrag in das Kühlmittel gering zu halten, um eine möglichst effiziente Kühlung des rückgeführten Abgases mittels des kühlmitteldurchströmten Abgasrückführ-Wärmetauschers zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, indem die Kühlmittel-Pumpe, der Abgasrückführ-Wärmetauscher und das Kühlmittel-Thermostatventil von einem ersten Kühlmittel-Teilkreislauf und die Kühlmittel-Pumpe, das Brennkraftmaschinen-Gehäuse und das Kühlmittel-Thermostatventil von einem zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf umfasst sind. Dadurch ist eine gesonderte Regelung der Durchströmung insbesondere des Brennkraftmaschinen-Gehäuses einerseits und andererseits insbesondere des Abgasrückführ-Wärmetauschers ermöglicht, sodass eine Durchströmung des Brennkraftmaschinen-Gehäuses und damit ein Wärmeeintrag in das Kühlmittel im Wesentlichen unterbunden werden kann und dennoch eine Durchströmung des Abgasrückführ-Wärmetauscher möglich ist.
Außerdem wird die Erfindung mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst, indem bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten ersten Wertes ein erstes Absperrventil geschlossen ist und ein Kühlmittelumlauf im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf im Wesentlichen unterbunden ist, sodass das Kühlmittel im Wesentlichen im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf umläuft.
Besonders bevorzugte Ausführungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ein erstes Absperrventil zum Öffnen oder Schließen des zweiten Kühlmittel-Teilkreislaufs vorgesehen. Damit kann eine Durchströmung des zweiten Kühlmittel-Teilkreislaufs, insbesondere des Brennkraftmaschinen-Gehäuses, im Wesentlichen unterbunden werden.
Als zweckmäßig wird es angesehen, wenn bei einer Kühleinrichtung mit einem Kühlmittel-Wärmetauscher im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf das Kühlmittel-Thermostatventil eine Kühlmitteldurchströmung des Kühlmittel-Wärmetauscher regelt, sodass eine Kühlung des Kühlmittels nur dann erfolgt, wenn dies insbesondere aufgrund der thermischen Belastung der Brennkraftmaschine und/oder der Anforderungen an die Kühlung des rückgeführten Abgases erforderlich ist.
Vorzugsweise ist bei einer Kühleinrichtung mit einem Heizungs-Wärmetauscher dieser von einem dritten Kühlmittel-Teilkreislauf umfasst und es ist ein zweites Absperrventil zum Öffnen oder Schließen des dritten Kühlmittel-Teilkreislaufs vorgesehen. Damit kann der Heizungs-Wärmetauscher dem ersten und/oder zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf bedarfsweise zugeschaltet oder davon abgeschaltet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine oberhalb eines vorbestimmten ersten Wertes das erste Absperrventil geöffnet ist und das Kühlmittel sowohl im ersten und als auch im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf umläuft. Bei diesem Betriebszustand hat die Kühlung der Brennkraftmaschine Vorrang vor der Anforderung, das rückgeführte Abgas zu kühlen.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmittel-Thermostatventil bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten zweiten Wertes eine Durchströmung des Kühlmittel-Wärmetauschers unterbindet und diese bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine oberhalb des vorbestimmten zweiten Wertes ermöglicht. Damit ist die Regelung des Kühlmittel-Thermostatventils grundsätzlich von dem vorbestimmten ersten Wert, nach dem das erste Absperrventil geregelt ist, unabhängig, jedoch können der erste und der zweite vorbestimmte Wert auch zumindest annähernd gleich sein.
Zweckmäßigerweise öffnet oder schließt das zweite Absperrventil abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Außentemperatur, einer fahrerseitigen Heizanforderung und/oder anderer Parameter, sodass ein Kühlmittelumlauf im dritten Kühlmittel-Teilkreislauf im Wesentlichen unterbunden ist oder das Kühlmittel sowohl im ersten und/oder zweiten als auch im dritten Kühlmittel-Teilkreislauf umläuft.
Nachfolgen wird ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1 eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraft-maschine in einem Kühl-Kreislauf in einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine nicht erforderlich ist,
2 eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf in einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine erforderlich ist und
3 eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf in einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine und zusätzlich eine Kühlung des Kühlmittels erforderlich ist.
1 zeigt eine Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf in einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine nicht erforderlich ist, in 2 ist diese Einrichtung in einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine und in 3 in einem Betriebszustand, in dem zusätzlich eine Kühlung des Kühlmittels erforderlich ist, dargestellt.
Die Figuren zeigen eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Kühl-Kreislauf. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein LKW oder PKW, die Brennkraftmaschine ist insbesondere eine kohlenwasserstoffbetriebene Hubkolben-Brennkraftmaschine und das Kühlmittel ist zweckmäßigerweise wasserbasiert mit Additiven zur Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung und Senkung des Gefrierpunktes.
Die Brennkraftmaschine umfasst ein Brennkraftmaschinen-Gehäuse mit Kurbelgehäuse 208 und Zylinderkopf 210, das Kanäle zur Kühlmitteldurchströmung aufweist. Zur Kühlmittel Zu- und Abströmung sind am Brennkraftmaschinen-Gehäuse mehrere Kühlmittel-Ein- und Auslässe vorgesehen. Eine Kühlmittel-Pumpe 102 dient zur Umwälzung des Kühlmittels. Vorliegend ist im Bereich des Kurbelgehäuses 208 kühlmittelpumpenseitig ein erster Kühlmittel-Einlass vorgesehen. Ein erster Kühlmittel-Auslass ist ebenfalls im Bereich des Kurbelgehäuses 208 vorgesehen und führt zu einem Abgasrückführ-Wärmetauscher 104.
Der Abgasrückführ-Wärmetauscher 104 ist einerseits kühlmittel- und andererseits abgasdurchströmt, sodass zwischen Kühlmittel und Abgas zur Kühlung des Abgases ein Wärmeübergang statt finden kann. Stromab des Abgasrückführ-Wärmetauschers 104 ist im Kühlkreislauf ein Kühlmittel-Thermostatventil 106 angeordnet, von dem ausgehend eine Kühlmittel-Leitung wieder zur Kühlmittel-Pumpe 102 führt.
Im Bereich des Zylinderkopfes 210 ist ein zweiter Kühlmittel-Auslass vorgesehen, von dem ausgehend ein Kühlmittel-Leitungszweig über einen Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 214 zur Kühlmittel-Pumpe 102 und ein anderer Kühlmittel-Leitungszweig über einen Kühlmittel-Wärmetauscher 216 zum Kühlmittel-Thermostatventil 106 führt. Der Kühlmittel-Wärmetauscher 216 ist einerseits kühlmittel- und andererseits luftdurchströmt, sodass zwischen Kühlmittel und Luft zur Kühlung des Kühlmittels ein Wärmeübergang statt finden kann.
Ein dritter Kühlmittel-Auslass im Bereich des Kurbelgehäuses 208 ist über einen Ölkühler 212 mit einem zweiten Kühlmittel-Einlass im Zylinderkopfbereich verbunden. Der Ölkühler 212 ist einerseits kühlmittel- und andererseits öldurchströmt, sodass zwischen Kühlmittel und Öl zur Kühlung des Öls ein Wärmeübergang statt finden kann. Das Öl dient beispielsweise zur Schmierung und Kühlung der Brennkraftmaschine.
Stromab des Abgasrückführ-Wärmetauschers 104 zweigt eine Kühlmittel-Leitung ab, die zunächst zu einem ersten Absperrventil 402 führt und von dort ausgehend, sich verzweigend, einerseits in die vom zweiten Kühlmittel-Auslass im Bereich des Zylinderkopfes 210 kommenden Kühlmittel-Leitung mündet und andererseits über ein zweites Absperrventil 404 und einen Heizungs-Wärmetauscher 318 führt und in die zur Kühlmittel-Pumpe 102 führende Leitung mündet. Der Heizungs-Wärmetauscher 318 ist einerseits kühlmitteldurchströmt und andererseits von einem Heizmittel zur Heizung des Kraftfahrzeug-Innenraumes durchströmt, sodass zwischen Kühlmittel und Heizungs-Heizmittel ein Wärmeübergang statt finden kann. In der zum Heizungs-Wärmetauscher 318 führenden Leitung ist eine weitere Pumpe 320 angeordnet. Die Absperrventile 402 und 404 sind vorliegend gemeinsam als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt.
In 1, die einen Betriebszustand zeigt, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine nicht erforderlich ist, das rückgeführte Abgas jedoch gekühlt wird, ist ein erster Kühlmittel-Teilkreislauf 100 mit durchgezogener Linie dargestellt, die übrigen Bereiche des Kühlmittel-Kreislaufs sind punktiert dargestellt. In 2, die einen Betriebszustand zeigt, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine erforderlich ist, ist neben dem ersten, mit durchgezogener Linie dargestellten Kühlmittel-Teilkreislauf 100 ein zweiter Kühlmittel-Teilkreislauf 200 mit gestrichelter Linie dargestellt. In 3 ist punktier ein dritter Kühlmittel-Teilkreislauf 300 dargestellt.
Der erste Kühlmittel-Teilkreislauf 100 umfasst die Kühlmittel-Pumpe 102, den Abgasrückführ-Wärmetauscher 104 und das Kühlmittel-Thermostatventil 106, der zweite Kühlmittel-Teilkreislauf 200 umfasst die Kühlmittel-Pumpe 102, das Brennkraftmaschinen-Gehäuse 208, 210 und das Kühlmittel-Thermostatventil 106.
In einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine nicht erforderlich ist, das rückgeführte Abgas jedoch gekühlt wird (1), ist das erste Absperrventil 402 geschlossen, sodass eine ein Kühlmittelumlauf im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf 200 im Wesentlichen unterbunden ist. Das Kühlmittel wird daher im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf 100 von der Kühlmittel-Pumpe 102 zum Kurbelgehäuse 208 gefördert, durchströmt dieses jedoch nur auf sehr kurzem Weg, um ohne wesentliche Wärmeaufnahme zum Abgasrückführ-Wärmetauscher 104 zu strömen. Weiter strömt das Kühlmittel zum Kühlmittel-Thermostatventil 106 und zurück zur Kühlmittel-Pumpe 102. Eine Kühlmittelströmung durch das Kurbelgehäuse 208, den Zylinderkopf 210 und den Kühlmittel-Wärmetauscher 216 ist unterbunden. Ebenfalls unterbunden ist eine Durchströmung des Heizungs-Wärmetauschers 318, indem das zweite Absperrventil 404 geschlossen ist.
In einem Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine erforderlich ist (2), ist das erste Absperrventil 402 geöffnet, sodass das Kühlmittel sowohl im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf 100 und als auch im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf 200 umläuft. Eine Durchströmung des Abgasrückführ-Wärmetauscher 104 im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf 100 erfolgt wie oben beschrieben. Zusätzlich wird der zweite Kühlmittel-Teilkreislauf 200 durchströmt. Dabei sperrt gemäß 2 das Kühlmittel-Thermostatventil 106 eine Durchströmung des Kühlmittel-Wärmetauschers 216, sodass das Kühlmittel ausgehend vom Zylinderkopf 210 zwischen den Absperrventilen 404 und 402 einströmt und nachfolgend durch das Thermostatventil 106 zur Kühlmittel-Pumpe 102 strömt.
In dem in 3 dargestellten Betriebszustand, in dem eine Kühlung der Brennkraftmaschine und zusätzlich eine Kühlung des Kühlmittels erforderlich ist, ermöglicht das Thermostatventil 106 eine Durchströmung des Kühlmittel-Wärmetauschers 216, sodass das Kühlmittel ausgehend vom Zylinderkopf 210 den Kühlmittel-Wärmetauscher 216 durchströmt und nachfolgend durch das Thermostatventil 106 zur Kühlmittel-Pumpe 102 strömt. Mittels des zweiten Absperrventils 404 wird eine Durchströmung des Heizungs-Wärmetauschers 318 geregelt.
Mit der Erfindung kann eine Verbrauchsabsenkung insbesondere auch in besonderen Fahrzyklen für Emissions- und Verbrauchsmessungen, wie dem Europäischer Fahrzyklus für Emissions- und Verbrauchsmessungen auf Rollenprüfständen (MVEG-Zyklus) erzielt werden.

Claims

Einrichtung zur Kühlung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine in einem Kühl-Kreislauf mit einer Kühlmittel-Pumpe (102), einem Brennkraftmaschinen-Gehäuse (208, 210), einem Abgasrückführ-Wärmetauscher (104), einem Kühlmittel-Thermostatventil (106) und einem Kühlmittel-Wärmetauscher (216), dadurch gekennzeichnet, dass – die Kühlmittel-Pumpe (102), der Abgasrückführ-Wärmetauscher (104) und das Kühlmittel-Thermostatventil (106) von einem ersten Kühlmittel-Teilkreislauf (100) und – die Kühlmittel-Pumpe (102), das Brennkraftmaschinen-Gehäuse (208, 210) und das Kühlmittel-Thermostatventil (106) von einem zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf (200) umfasst sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein erstes Absperrventil (402) zum Öffnen oder Schließen des zweiten Kühlmittel-Teilkreislaufs (200).
Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Kühlmittel-Wärmetauscher (216) im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf (200), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel-Thermostatventil (106) eine Kühlmitteldurchströmung des Kühlmittel-Wärmetauscher (216) regelt.
Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Heizungs-Wärmetauscher (318), dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungs-Wärmetauscher (318) von einem dritten Kühlmittel-Teilkreislauf (300) umfasst ist und ein zweites Absperrventil (404) zum Öffnen oder Schließen des dritten Kühlmittel-Teilkreislaufs (300) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten ersten Wertes das erste Absperrventil (402) geschlossen ist und ein Kühlmittelumlauf im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf (200) im Wesentlichen unterbunden ist, sodass das Kühlmittel im Wesentlichen im ersten Kühlmittel-Teilkreislauf (100) umläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine oberhalb eines vorbestimmten ersten Wertes das erste Absperrventil (402) geöffnet ist und das Kühlmittel sowohl im ersten (100) und als auch im zweiten Kühlmittel-Teilkreislauf (200) umläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel-Thermostatventil (106) bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb eines vorbestimmten zweiten Wertes eine Durchströmung des Kühlmittel-Wärmetauschers (216) unterbindet und bei einer Temperatur der Brennkraftmaschine oberhalb eines vorbestimmten zweiten Wertes eine Durchströmung des Kühlmittel-Wärmetauschers (216) ermöglicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Absperrventil (404) abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Außentemperatur, einer fahrerseitigen Heizanforderung und/oder anderer Parameter öffnet oder schließt, sodass ein Kühlmittelumlauf im dritten Kühlmittel-Teilkreislauf (300) im Wesentlichen unterbunden ist oder das Kühlmittel sowohl im ersten (100) und/oder zweiten (200) als auch im dritten Kühlmittel-Teilkreislauf (300) umläuft.