DE102008042660A1

DE102008042660A1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Ölkühler und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008042660A1
Application number: DE200810042660
Authority: DE
Inventors: Michael Forsting; Leonhard Bartsch; Christoph Boerensen; Alain Chevalier; Andreas Kuske; Uwe Spaeder; Holger Jung; Bernd Dr. Brinkmann; Frank Wunderlich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-04-15
Also published as: CN101718217A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) mit einem Kühlmittelkreislauf (17), umfassend einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung (4) zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung (3) zum Abführen des Kühlmittels und einem kühlmittelbetriebenen Ölkühler (1). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (16) der oben genannten Art. Es soll eine Brennkraftmaschine (16) der oben genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Warmlaufphase nach einem Kaltstart einen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Reibung optimierten Betrieb zuläßt. Erreicht wird dies mit einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (16) mit einem Kühlmittelkreislauf (17), umfassend einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung (4) zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel und eine Abführleitung (3) zum Abführen des Kühlmittels, bei der - die Abführleitung (3) durch einen kühlmittelbetriebenen Ölkühler (1) führt und stromaufwärts einer in der Zuführleitung (4) zur Förderung des Kühlmittels angeordneten Pumpe (2) unter Ausbildung eines Kreislaufs in die Zuführleitung (4) mündet, - eine Bypaßleitung (5) stromabwärts der Pumpe (2) aus der Zuführleitung (4) abzweigt und zwischen Ölkühler (1) und Pumpe (2) in die Abführleitung (3) mündet und - ein Drei-Zwei-Wege-Ventil (6) zwischen Bypaßleitung (5) und Abführleitung (3) ...

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf umfassend einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels und einem kühlmittelbetriebenen Ölkühler.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet. Grundsätzlich besteht dabei die Möglichkeit, die Kühlung der Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist.
Aus diesem Grunde und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die thermische Belastung der Motoren stetig zunimmt, werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
Letzteres ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend aufgeladen und – mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging – immer mehr Komponenten, beispielsweise der Abgaskrümmer, in den Zylinderkopf integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren d. h. der Brennkraftmaschinen erheblich zunimmt.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme muß nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer in der Zuführleitung des Kühlkreislaufs angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes via Abführleitung abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher oder einer anderweitigen Verwendung des Kühlmittels, bei der dem Kühlmittel Wärme entzogen wird. So kann eine kühlmittelbetriebene Heizung für den Fahrgastraum eines Fahrzeugs vorgesehen werden, welche das im Zylinderkopf aufgeheizte Kühlmittel nutzt, um die dem Fahrgastraum zugeführte Luft zu erwärmen, wobei die Temperatur des Kühlmittels abnimmt.
Das Kühlmittel kann aber grundsätzlich auch weiter zur Kühlung, beispielsweise anderer Aggregate, herangezogen werden, insbesondere zur Kühlung einer Abgasrückführung (AGR) oder zur Kühlung des in der Brennkraftmaschine aufgeheizten Motorenöls. Letzteres kann unter Verwendung eines kühlmittelbetriebenen Ölkühlers erfolgen, wie bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, weshalb im Folgenden auf die Ölkühlung im allgemeinen eingegangen werden soll.
Neben dem Kühlmittelkreislauf weist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine auch einen Ölkreislauf auf.
Zur Schmierung der beweglichen Teile einer Brennkraftmaschine, insbesondere der Kolben, der Pleuelstangen, der Kurbelwelle, der Nockenwelle, der Ventile und dergleichen, wird eine Brennkraftmaschine mit einer Ölschmierung ausgestattet. Hierzu erstreckt sich in der Regel entlang des Zylinderblocks eine Hauptölversorgungsleitung, von der aus unter anderem die Kurbelwellenhauptlager mit Öl versorgt werden.
Mittels sogenannter Ölablauf- und Ölrückführleitungen wird das an verschiedenen Stellen der Brennkraftmaschine gesammelte Öl in das Kurbelgehäuse d. h. in die Ölwanne bzw. den in der Ölwanne befindlichen Ölsumpf zurückgeführt. Die Ölwanne dient als Speicherbehältnis und zur Beruhigung, wobei sich das Öl in der Ölwanne auch abkühlen soll.
Die Abkühlung des Öls kann mittels Luftkühlung erfolgen. Die Ölwanne ist dabei zur Verbesserung des Wärmeabtransports vorzugsweise mit Kühlrippen auszustatten, wodurch die Oberfläche vergrößert wird. Der Wärmeabtransport erfolgt primär durch Konvektion mittels des an der Wanne vorbeigeführten Luftstroms infolge der Fahrtbewegung des Fahrzeuges. Die Auswahl des zur Herstellung der Ölwanne verwendeten Werkstoffes kann im Hinblick auf einen verbesserten Wärmeabtransport erfolgen.
Falls erforderlich kann das Öl zur Abführung größerer Wärmemengen einem Ölkühler zugeführt werden, wobei der Ölkühler als solcher dem Öl die Wärme entweder mittels Luftkühlung oder mittels Flüssigkeitskühlung entzieht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein kühlmittelbetriebener Ölkühler, der dem Öl Wärme unter Verwendung des Kühlmittels der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine entzieht, also ein flüssigkeitsgekühlter Ölkühler.
Nach dem Stand der Technik wird zur Versorgung des Ölkühlers Kühlmittel von der Zuführleitung abgezweigt und dem Ölkühler zugeführt, wo es die Temperatur des den Ölkühler durchströmenden Öls absenkt.
Grundsätzlich ist man bemüht, die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart möglichst schnell zu erwärmen d. h. auf Betriebstemperatur zu bringen. Hierdurch sollen zum einen die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) reduziert werden. Zum anderen erfordern gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme häufig eine Mindesttemperatur zur Konvertierung der Schadstoffe.
Eine Kühlung des Motorenöls in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine steht dem Ziel einer möglichst schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine eigentlich entgegen. Vielmehr sollte auch das Motorenöl nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine möglichst zeitnah eine bestimmte Mindesttemperatur erreichen, damit die Viskosität des Öls einen hinsichtlich der Reibung vorteilhaften Wert annimmt und die Reibung zwischen und an den ölgeschmierten und sich bewegenden Komponenten der Brennkraftmaschine vermindert wird.
Die Reibung hat maßgeblichen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine und vermindert die durch die chemische Umsetzung des Kraftstoffes gewonnene Leistung, wodurch der Wirkungsgrad sinkt. Daher ist eine Reduzierung der Reibleistung grundsätzlich zielführend bei der Absenkung des Kraftstoffverbrauchs.
Andererseits sollte das Öl eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigen, da mit zunehmender Temperatur die Viskosität weiter abnimmt und sich das Reibverhalten wieder verschlechtert. Eine zu hohe Öltemperatur beschleunigt zudem die Alterung des Öls, wobei sich die Schmiereigenschaften des Öls verschlechtern.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die hinsichtlich der Warmlaufphase nach einem Kaltstart einen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Reibung optimierten Betrieb zuläßt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf umfassend einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel und eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels, bei der

– die Abführleitung durch einen kühlmittelbetriebenen Ölkühler führt und stromaufwärts einer in der Zuführleitung zur Förderung des Kühlmittels angeordneten Pumpe unter Ausbildung eines Kreislaufs in die Zuführleitung mündet,
– eine Bypaßleitung stromabwärts der Pumpe aus der Zuführleitung abzweigt und zwischen Ölkühler und Pumpe in die Abführleitung mündet, und
– ein Drei-Zwei-Wege-Ventil zwischen Bypaßleitung und Abführleitung vorgesehen ist, welches in einem ersten Schaltungszustand die Pumpe via Bypaßleitung und Abführleitung mit dem Ölkühler verbindet und die Abführleitung von der Zuführleitung trennt und in einem zweiten Schaltungszustand die Bypaßleitung von der Abführleitung trennt und dabei den Ölkühler via Abführleitung mit der Zuführleitung stromaufwärts der Pumpe verbindet.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Strömungsrichtung des durch den Ölkühler geführten Kühlmittelstromes umkehrbar, so dass das Motorenöl je nach Bedarf im Ölkühler unter Verwendung des Kühlmittels sowohl gekühlt als auch erwärmt werden kann.
Dabei wird entweder Kühlmittel von niedriger Temperatur der Zuführleitung stromabwärts der Pumpe entnommen und dem Ölkühler zur Kühlung des Motorenöls zugeführt oder aber Kühlmittel höherer Temperatur zur Erwärmung des Öls mittels Abführleitung in den Ölkühler eingeleitet. Der Ölkühler und zumindest Teile der Abführleitung werden erfindungsgemäß in beide Richtungen durchströmt und zwar in Abhängigkeit vom Schaltungszustand des Ventils.
Um die Umkehr der Strömungsrichtung zu realisieren, wird erfindungsgemäß ein Drei-Zwei-Wege-Ventil eingesetzt d. h. ein Ventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltzuständen.
In einem ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils wird das Motorenöl im kühlmittelbetriebenen Ölkühler gekühlt. Hierzu wird Kühlmittel stromabwärts der Pumpe mittels Bypaßleitung aus der Zuführleitung entnommen, in die Abführleitung eingeleitet und via Abführleitung durch den Ölkühler geführt. In diesem Schaltungszustand ist die Abführleitung von der Zuführleitung getrennt, so dass dem Kühlmittel nur der Weg durch den Kühler freisteht. Das Kühlmittel kann stromabwärts des Ölkühlers unterschiedlichen Verwendungen zugeführt oder direkt wieder in die Zuführleitung eingeleitet werden. Das durch den Ölkühler hindurchgeführte Öl wird nach Durchlaufen eines wie auch immer gearteten Kreislaufs stromaufwärts der Pumpe wieder in die Zuführleitung eingespeist.
In einem zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils wird das Motorenöl im Ölkühler mittels des in der Brennkraftmaschine erhitzten Kühlmittels erwärmt. Hierzu wird Kühlmittel nach Durchlaufen der Brennkraftmaschine mittels Abführleitung durch den Ölkühler geführt und weiter via Abführleitung stromaufwärts der Pumpe in die Zuführleitung eingeleitet. Im zweiten Schaltungszustand ist die Bypaßleitung von der Abführleitung getrennt und der Ölkühler via Abführleitung mit der Zuführleitung verbunden.
Während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine dient das Kühlmittel – bei im zweiten Schaltungszustand befindlichen Ventil – der beschleunigten Erwärmung des Motorenöls, wodurch auch die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart schneller ihre Betriebstemperatur erreicht. Die Reibleistung und der Kraftstoffverbrauch können in vorteilhafter Weise reduziert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich der Warmlaufphase nach einem Kaltstart einen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Reibung optimierten Betrieb zuläßt.
Zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind – ausgehend von einer herkömmlichen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine – lediglich zwei weitere Bauteile erforderlich, nämlich ein Drei-Zwei-Wege-Ventil und eine Bypaßleitung, mit der Kühlmittel der Zuführleitung entnommen und in die Abführleitung eingeleitet werden kann. Insofern eignet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme auch zur Nachrüstung bereits auf dem Markt befindlicher Brennkraftmaschinen.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird ein kostengünstiges Konzept vorgeschlagen, um das Warmlaufverhalten einer Brennkraftmaschine zu optimieren. Das prinzipbedingt bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bereits vorhandene Kühlmittel wird nicht nur – wie aus dem Stand der Technik bekannt – zur Kühlung des Motorenöls, sondern auch zur Erwärmung des Öls während der Warmlaufphase genutzt.
Insbesondere auch aufgrund der wenigen zusätzlichen Bauteile, die selbst nur ein vergleichsweise geringes Bauteilvolumen aufweisen, stehen die erfindungsgemäß erforderlichen Modifikationen des Kühlmittelkreislaufs einer kompakten Bauweise der Brennkraftmaschine nicht entgegen, so dass ein möglichst dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit unverändert realisiert werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenführen, vorzugsweise zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung.
Eine Brennkraftmaschine, bei der die Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes zusammenführen, ist thermisch höher belastet, weshalb das durch die Brennkraftmaschine bzw. den Zylinderkopf hindurchgeführte Kühlmittel beim Austritt in die Abführleitung eine höhere Temperatur aufweist d. h. eine größere Wärmemenge speichert, welche zur Erwärmung des Motorenöls nutzbar gemacht werden kann d. h. zur Verfügung steht, was die Erwärmung des Motorenöls im Ölkühler während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine weiter unterstützt d. h. forciert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest Teile des Kühlmittelkreislaufs d. h. insbesondere die Abführleitung, die Zuführleitung und/oder die Bypaßleitung zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert sind. Zum einen gewährleistet dies eine möglichst kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine. Zum anderen können dadurch auch Kühlmittelleckagen in vorteilhafter Weise vermieden werden.
Das Gehäuse der Kühlmittelpumpe kann beispielsweise direkt an den Zylinderkopf angeflanscht werden oder auch mit dem Zylinderkopf ein monolithisches Bauteil bilden. Beide Ausführungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Zuführleitung eine voll integrierte Leitung darstellt und vom Pumpengehäuse und/oder Zylinderkopf mit ausgebildet wird.
In analoger Weise kann der Ölkühler unmittelbar an der Brennkraftmaschine d. h. dem Zylinderblock bzw. Zylinderkopf befestigt werden und zumindest Teile der durch den Ölkühler geführten Abführleitung in den angrenzenden Bauteilen integriert sein.
Das erfindungsgemäß vorzusehende Drei-Zwei-Wege-Ventil kann am Zylinderkopf befestigt werden oder – wie auch die dazugehörige Bypaßleitung – in den Zylinderkopf integriert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen parallel zum Ölkühler eine kühlmittelbetriebene Heizung vorgesehen ist. Eine kühlmittelbetriebene Heizung kann zur Aufheizung des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeugs dienen und entzieht dem Kühlmittel Wärme. Die für den Fahrgastraum vorgesehene Heizung sollte ständig verfügbar sein, so dass vorzugsweise keine Absperrelemente im Kühlkreislauf zur Deaktivierung der Heizung vorgesehen werden.
Die Heizung sollte aus dem gleichen Grund nicht in Reihe mit dem Ölkühler angeordnet sein, sondern parallel zum Ölkühler, damit die Heizung nicht wie der Ölkühler von Kühlmittel geringer Temperatur durchströmt wird.
Vorteilhaft sind diesbezüglich Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die kühlmittelbetriebene Heizung in einer Versorgungsleitung angeordnet ist, die von der Abführleitung abzweigt und zwar ausgehend vom ersten Schaltungszustand des Ventils stromabwärts des Ölkühlers. Das Kühlmittel wird nach Durchströmen der Heizung stromaufwärts der Pumpe in die Zuführleitung geleitet.
Alternativ kann die Versorgungsleitung auch direkt als separate Leitung vom Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine oder einer anderen Leitung abzweigen, die Kühlmittel höherer Temperatur führt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein kühlmittelbetriebener AGR-Kühler vorgesehen ist, der ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils stromaufwärts des Ölkühlers in der Abführleitung angeordnet ist.
Die Abgasrückführung (AGR) d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine ist eine Maßnahme, zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, insbesondere die Grenzwerte für Stickoxidemissionen. Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden.
Um eine ausreichende Reduzierung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Die Kühlung des rückgeführten Abgases unterstützt die Realisierung hoher Rückführraten. Die Absenkung der Temperatur im Abgas führt zu einer Zunahme der Dichte und einem geringeren Abgasvolumen bei gleicher Abgasmasse.
Aufgrund der hohen Abgastemperaturen kann zur Kühlung des rückzuführenden Abgases sowohl kühleres Kühlmittel von niedriger Temperatur als auch in der Brennkraftmaschine erhitztes Kühlmittel höherer Temperatur verwendet werden, so dass der AGR-Kühler in der Abführleitung zusammen mit dem Ölkühler in Reihe angeordnet werden kann und zwar grundsätzlich stromaufwärts oder stromabwärts des Ölkühlers. In beiden Schaltungszuständen des Ventils wird das rückgeführte Abgas dann gekühlt – unabhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmittels.
Im Hinblick auf den Ölkühler ist es aber vorteilhaft, wenn der AGR-Kühler ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils stromaufwärts des Ölkühlers in der Abführleitung angeordnet ist. Im zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils, in welchem das Öl unter Verwendung des in der Brennkraftmaschine erhitzten Kühlmittels erwärmt wird, kann der AGR-Kühler dann nämlich in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, das Kühlmittel vor Eintritt in den Ölkühler zusätzlich zu erhitzen d. h. die Kühlmitteltemperatur weiter zu steigern, was die Erwärmung des Motorenöls im Ölkühler begünstigt.
Im ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils, in welchem das Öl unter Verwendung des Kühlmittels gekühlt wird, wird durch die gewählte Anordnung des AGR-Kühlers sichergestellt, dass das Kühlmittel nicht durch die heißen rückzuführenden Abgase erwärmt wird bevor es in den Ölkühler zur Kühlung des Motorenöls eintritt, was kontraproduktiv wäre.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Kurzschlußleitung vorgesehen ist, welche von der Abführleitung abzweigt und zu einem Thermostat führt. Die Kurzschlußleitung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ausschließlich der Rückführung von Kühlmittel zum Thermostat dient, also keine Aggregate in der Kurzschlußleitung angeordnet sind, auf die bei der Leitungsführung und -anordnung Rücksicht genommen werden muß. Aus diesem Grund bietet sich die Kurzschlußleitung auch für eine zumindest teilweise Integration in den Zylinderkopf und/oder angrenzende Bauteile an.
Alternativ kann die Kurzschlußleitung auch direkt als separate Leitung vom Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine oder einer anderen Leitung abzweigen, die Kühlmittel höherer Temperatur führt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Wärmetauscher vorgesehen ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen. Zwar kann dem Kühlmittel grundsätzlich auch Wärme mittels geeigneter Verwendungen entzogen werden, beispielsweise mittels einer kühlmittelbetriebenen Heizung. Zur Abfuhr größerer Wärmemengen ist aber das Vorsehen eines Wärmetauschers unumgänglich.
Für Kraftfahrzeugantriebe werden Wärmetauscher mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben bzw. in Drehung versetzen, um den Wärmetauschern des Kühlmittelkreislaufs auch im Stillstand d. h. bei stehendem Kraftfahrzeug oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen ausreichend hohen Luftmassenstrom bereitstellen zu können. Die Lüftermotoren werden in der Regel elektrisch betrieben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Wärmetauscher ein Radiator ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Wärmetauscher in einer Rückführleitung angeordnet ist, die ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils stromaufwärts des Ölkühlers von der Abführleitung abzweigt und zu einem Thermostat führt.
Alternativ kann die Rückführleitung auch direkt als separate Leitung vom Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine oder einer anderen Leitung abzweigen, die Kühlmittel höherer Temperatur führt.
Das Thermostat, beispielsweise ein auf einem Wachselement basierendes Thermoelement, kann die ankommenden Kühlmittelströme unterschiedlicher Temperatur in der Weise dosieren und mischen, dass der aus dem Thermostat austretende Kühlmittelstrom, der in der Regel anschließend der Kühlmittelpumpe zugeführt wird, eine vorgegebene d. h. gewünschte Temperatur aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Ladeluftkühler im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Das Kühlmittel dient dazu, die Temperatur in der angesaugten und gegebenenfalls komprimierten Ladeluft zu senken und dadurch die Dichte der Luft zu erhöhen. Im Rahmen des Ladungswechsels können dann größere Luftmassen in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingebracht werden. Der Ladeluftkühler trägt folglich zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft bei, ähnlich wie die Aufladung einer Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Entlüftungsleitung vorgesehen ist, die ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils stromaufwärts des Ölkühlers von der Abführleitung abzweigt und zu einem Kühlmittelbehälter führt.
Alternativ kann die Rückführleitung auch direkt als separate Leitung vom Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine oder einer anderen Leitung abzweigen, die Kühlmittel höherer Temperatur führt. Die Rückführleitung führt vorzugsweise vom Behälter zum Thermostat.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer zuvor genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, bei dem die Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart in der Warmlaufphase mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil im zweiten Schaltungszustand betrieben wird.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Befindet sich das Drei-Zwei-Wege-Ventil im zweiten Schaltungszustand wird zumindest ein Teil des Kühlmittels nach Austreten aus dem Kühlmittelmantel mittels Abführleitung durch den Ölkühler geführt, wobei das Motorenöl im Ölkühler mittels des in der Brennkraftmaschine erhitzten Kühlmittels erwärmt wird. Nach Durchströmen des Ölkühlers wird das Kühlmittel weiter via Abführleitung zur Kühlmittelpumpe in die Zuführleitung geführt.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Drei-Zwei-Wege-Ventil ausgehend vom zweiten Schaltungszustand in den ersten Schaltungszustand überführt wird, sobald die Brennkraftmaschine eine vorgebbare Mindesttemperatur erreicht. In diesem Schaltungszustand wird das Motorenöl im Ölkühler mittels Kühlmittel von niedriger Temperatur gekühlt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Teil des Kühlmittelkreislaufs und dem Drei-Zwei-Wege-Ventil im ersten Schaltungszustand,
2 schematisch die in 1 dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil im zweiten Schaltungszustand,
3 schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf und dem Drei-Zwei-Wege-Ventil im ersten Schaltungszustand, und
4 schematisch die in 3 dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil im zweiten Schaltungszustand.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 16 mit einem Teil des Kühlmittelkreislaufs 17 und dem Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 in einem ersten Schaltungszustand.
Die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine 16 umfaßt einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung 4 zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel und eine Abführleitung 3 zum Abführen des Kühlmittels.
Das Kühlmittel wird mittels einer in der Zuführleitung 4 angeordneten Pumpe 2 gefördert, wobei die Abführleitung 3 durch einen kühlmittelbetriebenen Ölkühler 1 führt und stromaufwärts der in der Zuführleitung 4 angeordneten Pumpe 2 unter Ausbildung eines Kreislaufs in die Zuführleitung 4 mündet. Eine Bypaßleitung 5 zweigt stromabwärts der Pumpe 2 aus der Zuführleitung 4 ab und mündet zwischen dem Ölkühler 1 und der Pumpe 2 in die Abführleitung 3. Zwischen der Bypaßleitung 5 und der Abführleitung 3 ist ein Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 vorgesehen.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 ist die Pumpe 2 bzw. die Zuführleitung 4 via Bypaßleitung 5 und Abführleitung 3 mit dem Ölkühler 1 verbunden und die Abführleitung 3 von der Zuführleitung 4 getrennt. Das in diesem Schaltungszustand deaktivierte Teilstück der Abführleitung 3 ist gepunktet dargestellt.
Im ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 wird das Motorenöl im kühlmittelbetriebenen Ölkühler 1 gekühlt. Das Kühlmittel wird vor Eintritt in den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 16 stromabwärts der Pumpe 2 mittels Bypaßleitung 5 aus der Zuführleitung 4 entnommen, in die Abführleitung 3 eingeleitet und via Abführleitung 3 durch den Ölkühler 1 geführt. Infolge der Trennung der Abführleitung 3 von der Zuführleitung 4 steht dem Kühlmittel nur der Weg durch den Kühler 1 frei. Das Kühlmittel kann stromabwärts des Ölkühlers 1 weiteren Verwendungen zugeführt werden. Die Schnittstellen der Leitungen 3, 4 sind mit Wellenlinien gekennzeichnet.
2 zeigt schematisch die in 1 dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 16 mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 in einem zweiten Schaltungszustand. Es sollen nur die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten Schaltungszustand beschrieben werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im zweiten Schaltungszustand trennt das Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 die Bypaßleitung 5 von der Abführleitung 3 und verbindet den Ölkühler 1 via Abführleitung 3 mit der Zuführleitung 4 stromaufwärts der Pumpe 2. Die Bypaßleitung 5 und die Abführleitung 3 sind voneinander getrennt. Die in diesem Schaltungszustand deaktivierte Bypaßleitung 5 ist gepunktet dargestellt.
In diesem zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 wird das Motorenöl im Ölkühler 1 mittels des in der Brennkraftmaschine 16 erhitzten Kühlmittels erwärmt. Hierzu wird Kühlmittel nach Durchlaufen der Brennkraftmaschine 16 mittels Abführleitung 3 durch den Ölkühler 1 geführt und weiter via Abführleitung 3 stromaufwärts der Pumpe 2 in die Zuführleitung 3 eingeleitet.
3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 16 mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf und dem Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 im ersten Schaltungszustand. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Ausgehend von dem in 3 dargestellten ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 ist stromabwärts des Ölkühlers 1 ein kühlmittelbetriebener AGR-Kühler 9 in der Abführleitung 3 angeordnet.
Im ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6, in welchem das Öl unter Verwendung des Kühlmittels gekühlt wird, wird durch die gewählte Anordnung des AGR-Kühlers – stromabwärts des Ölkühlers 1 – sichergestellt, dass das Kühlmittel nicht durch die heißen rückzuführenden Abgase erwärmt wird bevor es im Ölkühler 1 zur Kühlung des Motorenöls genutzt wird.
Parallel zum Ölkühler 1 ist eine kühlmittelbetriebene Heizung 7 vorgesehen, die dem Kühlmittel Wärme entzieht und in einer Versorgungsleitung 8 angeordnet ist, die von der Abführleitung 3 abzweigt und stromaufwärts der Pumpe 2 in die Zuführleitung 4 mündet. Die für den Fahrgastraum vorgesehene Heizung 7 soll ständig verfügbar sein, weshalb keine Absperrelemente im Kühlkreislauf 17 zur Deaktivierung der Heizung 7 vorgesehen sind.
Eine Kurzschlußleitung 10, die von der Abführleitung 3 abzweigt und zu einem Thermostat 11 führt, dient der Rückführung von Kühlmittel zum Thermostat 11, ohne dass Aggregate vom Kühlmittel gespeist oder durchströmt werden müssen.
Eine Entlüftungsleitung 19 führt Kühlmittel zu einem Kühlmittelbehälter 18, wo im Kühlmittel befindliche Gase ausgeschieden werden, und leitet anschließend das Kühlmittel vom Behälter 18 zum Thermostat 11.
Ein als Wärmetauscher 13 dienender Radiator 14 ist in einer Rückführleitung 12, die ausgehend vom ersten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 stromabwärts des Ölkühlers 1 von der Abführleitung 3 abzweigt und zum Thermostat 11 führt, angeordnet, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen.
Das Thermostat 11 mischt die via Rückführleitung 12, Kurzschlußleitung 10 und Entlüftungsleitung 19 ankommenden Kühlmittelströme unterschiedlicher Temperatur. Der aus dem Thermostat 11 austretende Kühlmittelstrom wird unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils 15 der Kühlmittelpumpe 2 zugeführt.
4 zeigt schematisch die in 3 dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 16 mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil 6 im zweiten Schaltungszustand.
Bezüglich des gegenständlichen Aufbaus der dargestellten Ausführungsform der Brennkraftmaschine 16 wird Bezug genommen auf 3. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Hinsichtlich des Drei-Zwei-Wege-Ventils 6 im zweiten Schaltungszustand wird Bezug genommen auf 2.

1: Ölkühler
2: Pumpe
3: Abführleitung
4: Zuführleitung
5: Bypaßleitung
6: Drei-Zwei-Wege-Ventil
7: Heizung
8: Versorgungsleitung
9: AGR-Kühler
10: Kurzschlußleitung
11: Thermostat
12: Rückführleitung
13: Wärmetauscher
14: Radiator
15: Rückschlagventil
16: Brennkraftmaschine
17: Kühlmittelkreislauf
18: Kühlmittelbehälter
19: Entlüftungsleitung

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) mit einem Kühlmittelkreislauf (17) umfassend einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung (4) zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel und eine Abführleitung (3) zum Abführen des Kühlmittels, bei der – die Abführleitung (3) durch einen kühlmittelbetriebenen Ölkühler (1) führt und stromaufwärts einer in der Zuführleitung (4) zur Förderung des Kühlmittels angeordneten Pumpe (2) unter Ausbildung eines Kreislaufs in die Zuführleitung (4) mündet, – eine Bypaßleitung (5) stromabwärts der Pumpe (2) aus der Zuführleitung (4) abzweigt und zwischen Ölkühler (1) und Pumpe (2) in die Abführleitung (3) mündet, und – ein Drei-Zwei-Wege-Ventil (6) zwischen Bypaßleitung (5) und Abführleitung (3) vorgesehen ist, welches in einem ersten Schaltungszustand die Pumpe (2) via Bypaßleitung (5) und Abführleitung (3) mit dem Ölkühler (1) verbindet und die Abführleitung (3) von der Zuführleitung (4) trennt und in einem zweiten Schaltungszustand die Bypaßleitung (5) von der Abführleitung (3) trennt und dabei den Ölkühler (1) via Abführleitung (3) mit der Zuführleitung (4) stromaufwärts der Pumpe (2) verbindet.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Ölkühler (1) eine kühlmittelbetriebene Heizung (7) vorgesehen ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmittelbetriebene Heizung (7) in einer Versorgungsleitung (8) angeordnet ist, die ausgehend vom ersten Schaltungszustand des Ventils (6) stromabwärts des Ölkühlers (1) von der Abführleitung (3) abzweigt.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kühlmittelbetriebener AGR-Kühler (9) vorgesehen ist, der ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils (6) stromaufwärts des Ölkühlers (1) in der Abführleitung (3) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschlußleitung (10) vorgesehen ist, welche von der Abführleitung (3) abzweigt und zu einem Thermostat (11) führt.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (13) vorgesehen ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) ein Radiator (14) ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (16) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) in einer Rückführleitung (12) angeordnet ist, die ausgehend vom zweiten Schaltungszustand des Drei-Zwei-Wege-Ventils (6) stromaufwärts des Ölkühlers (1) von der Abführleitung (3) abzweigt und zu einem Thermostat (11) führt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (16) nach einem Kaltstart in der Warmlaufphase mit dem Drei-Zwei-Wege-Ventil (6) im zweiten Schaltungszustand betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Zwei-Wege-Ventil (6) ausgehend vom zweiten Schaltungszustand in den ersten Schaltungszustand überführt wird, sobald die Brennkraftmaschine (16) eine vorgebbare Mindesttemperatur erreicht.