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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für
Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten
Kühlmittels gekühlt wird, mit einer Temperaturregelvorrichtung 6,
welche zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz
durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt
und einer bevorzugt von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren
Absperrvorrichtung 6bv, welche den Kühlmitteldurchsatz
durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren
Kühlbedarf temporär unterbindet und/oder variiert.
Dabei stehen insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen
mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Kühlerthermostaten 6 im Mittelpunkt
des Interesses. Darüber hinaus sind auch zahlreiche Anwendungen
mit beliebigen Kühlmitteltemperaturregelvorrichtungen,
insbesondere mit frei ansteuerbaren Kühlerthermostaten 6,
betroffen.
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Es
ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen
den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine schnelle Erwärmung
des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch
der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur
in der Teillast sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen
zu realisieren.
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Zukünftige
Strategien zur Erzielung des vollen Kraftstoffeinsparpotenzials
mittels derartiger Maßnahmen beinhalten insbesondere Möglichkeiten, den Öffnungszeitpunkt
des Thermostaten mittels der Motorsteuerung frei zu wählen
und den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor im Warmlauf
in weiten Bereichen zu variieren. Hierfür sind verschiedene
Lösungen verfügbar, von der magnetischen Schaltkupplung
zur Abschaltung der Kühlmittelpumpe des Motors über
pumpeninterne Kurzschlussventile bis hin zur voll variablen el.
Wasserpumpe als Ersatz für die riemengetriebene Kühlwasserpumpe.
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Allen
bekannten Lösungen zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Motor ist gemeinsam, dass erhebliche Kosten für
die erforderlichen Zusatzkomponenten anfallen. Neben den Maßnahmen
zur Regelung des Durchflusses durch den Motor ist bei den meisten
bekannten Optimierungsstrategien insbesondere der Austausch des
heute üblichen Thermostaten mit Regelung des Kühlerdurchflusses mittels
Dehnstoffelement durch ein von der Motorsteuerung frei ansteuerbares
Ventil vorgesehen. Für die volle Ausnutzung des Potenzials
sind in diesem Zusammenhang insbesondere relativ aufwändige Ventile
vorgesehen, bei denen der Durchfluss durch den Kühler von
der Motorsteuerung vorgegeben und über einen Schrittmotor
feinfühlig eingestellt wird. Verschiedene Drehpositionen
des Mehrwegeventils stellen dann z. B. bevorzugte Positionen für
eine optimale Heißkühlung, eine maximale Kühlwirkung
oder eine maximale Kabinenheizleistung ein. Die Kosten für
ein derartiges Ventil, um mehrere Zu- und Abflüsse u. a.
für den Kühler-, den Bypass- und den Heizkreislauf
zu schalten bzw. stufenlos zu variieren, sind nicht unerheblich.
Hinzu kommt ein weiterer Zusatzaufwand, wenn ein hinreichendes Fail-Save-Verhalten
für alle möglichen sommerlichen und winterlichen
Betriebszustände realisiert werden soll.
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Die
Kosten sind daher bereits erheblich, selbst wenn unter Verzicht
auf das volle Kraftstoffeinsparpotential darauf verzichtet wird,
gleichzeitig mit der Einführung des Ventils auch eine Zusatzmaßnahme
zur Variation der Kühlmittelpumpendrehzahl bzw. der Kühlmittelpumpenförderleistung
vorzusehen.
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Nicht
zuletzt vor dem Hintergrund der Kosten und der Betriebssicherheit
hat sich bisher ein wesentlich einfacheres System zur Heißkühlung
am Markt durchgesetzt, bei dem ein Dehnstoff-Thermostat mit einem
el. beheizbaren Dehnstoffelement den wahlweisen Betrieb bei zwei
verschieden Kühlmitteltemperaturen ermöglicht.
Dabei wird ein Thermostat mit Dehnstoffelement eingesetzt, welcher
beispielsweise ab 100°C zwangsläufig beginnt zu öffnen,
bei el. Bestromung des Heizelements wird dieser Öffnungszeitpunkt
dann mittels der el. Wärmezufuhr zum Dehnstoffelement auf
z. B. 80°C verschoben. Die Kraftstoffverbrauchsvorteile
sind hier zwar nicht voll ausgeschöpft, u. a. weil die
Wirksamkeit des Systems auf Fahrsituationen mit Kühlmitteltemperaturen oberhalb
ca. 80°C begrenzt ist, die Mehrkosten sind aber auch wesentlich
geringer. Darüber hinaus ist sowohl jegliche Diskussion
bezüglich der Robustheit des Systems und deren Fail-Safe-Charakteristik
als auch die Frage nach der Verfügbarkeit serienreifer Bauteile
angesichts der bereits vorliegenden Serienerfahrung mit dieser Art
von el. beheizten Thermostaten weitgehend gegenstandslos.
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Dennoch
arbeiten die Systemlieferanten für KFZ-Kühlsysteme
an den eingangs beschriebenen Varianten zur vollen Ausschöpfung
des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen.
Der Erfolg dieser neuen Lösungswege ist jedoch einerseits
in erheblichem Maße an die Entwicklung der Emissionsvorschriften
und der Kraftstoffpreise gekoppelt, andererseits auch sehr stark
an die Bereitstellung wesentlich preiswerterer Hardware als bisher
verfügbar. Umgekehrt erschwert gerade der ausbleibende
Großserienanlauf fallende Hardwarepreise für das
el. Mehrwegeventil als Thermostatersatz und gegebenenfalls die schalt-
bzw. regelbare Kühlwasserpumpe.
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Auch
wenn inzwischen ein namhafter Kfz-Hersteller für eine ganze
Motorfamilie den hohen Aufwand für ein Kühlsystem
mit elektrisch angetriebener Motorkühlwasserpumpe betreibt,
um möglichst viel Kraftstoff zu sparen, so verhindern doch
die hohen Kosten vielerorts die Einführung eines derartigen Systems.
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Nicht
zuletzt deshalb sind in jüngster Zeit preiswertere Systeme,
wie z. B. der el. Thermostat in Drei-Teller-Ausführung
in die Serienanwendung gelangt. Bei derartigen Systemen verschließt
einer der drei Teller- der sogenannte Schließteller- den
kleinen Kühlmittelkreislauf in der frühen Warmlaufphase
und öffnet mit zunehmender Motorerwärmung. Mittels
el. Bestromung des Dehnstoffelementes bei hoher thermischer Belastung
des Motors wird bei Bedarf der Bypasszweig weiter geöffnet
bzw. bei sehr hohem Kühlbedarf und weit geöffnetem
Kühlerkreislauf wieder geschlossen. Die el. Bestromung
hilft insbesondere, früheren Problemen des Dreitellerthermostaten beim
schnellen Umschalten von Teillast auf Volllast speziell bei kaltem
Motor zu begegnen. Die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei kaltem
Kühlwasser lässt den Einsatz des Dreitellerthermostaten
jedoch nach wie vor nicht bei jedem Motor ohne konstruktive Zusatzmaßnahmen
zu.
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Auch
Systeme mit frei ansteuerbarem Bypassventil, z. B. als stufenlos
angesteuerter Drehschieber, sind bekannt, die diese Problem nicht
aufweisen, allerdings bezüglich der Kosten wieder ungünstiger
liegen.
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Allen
bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten
ist gemeinsam, dass spezielle Eingriffe im Heizkreislauf nötig
sind, um zu verhindern, dass sich die im Heizkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge
negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Um innerhalb des Motors
im Warmlauf möglichst kleine wasserseitige Wärmeübergangskoeffizienten
zu erzielen, sowie um die wärmeaktiven Massen und Wärmeverluste
des Heizkreislaufs zu minimieren, sind bei den bisher bekannten
Wärmemanagement-Systemen separate Vorrichtungen vorgesehen,
die es erlauben den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig
im Warmlauf zu unterbinden oder zumindest stark zu drosseln. Speziell
bei luftseitiger Regelung der Kabinenheizung fallen damit i. a.
zusätzliche Kosten für Kühlmittelventile
oder sonstige Bauteile zur Unterbindung/Drosselung des Heizungsvolumenstroms
an.
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In
der
DE 10 2004 058 864.3 wird
in diesem Umfeld u. a. beschrieben, wie mittels kostengünstiger
Zweiwegeventile die gleiche Kraftstoffverbraucheinsparung erzielt
werden kann, wie mit wesentlich teureren Wettbewerbsprodukten. In
dieser Anmeldung und zahlreichen ähnlichen Anmeldungen
des gleichnamigen Erfinders werden die Kosten insbesondere dadurch
gesenkt, dass die Funktionalität ”Stehendes Kühlmittel
im Motor” mittels einfacher Zweiwegeventile dargestellt
wird und dass zusätzliche Synergien, insbesondere mit besonderen
Erfordernissen der Heizung und/oder der Ölkühler und/oder
EGR-Kühler, genutzt werden.
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In
der
EP 1 657 446 A2 ist
im gleichen Umfeld eine schaltbare Hauptmotorkühlmittelpumpe
beschrieben, die die Funktionalität ”Stehendes
Kühlmittel im Motor” ebenfalls auf sehr elegante
Weise liefert, indem ein Absperrzylinder axial über das
Pumpenlaufrad geschoben wird und das Ausströmen von Kühlwasser
erhöhten Drucks über die Pumpenspirale in den
Motor unterbindet und/oder temporär drosselt.
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Auch
bei dieser Anwendung mit temporär stehendem oder gedrosseltem
Kühlmittel, bestimmt die Motorsteuerung 20 i.
a. in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motortemperatur,
ob und in welchem Ausmaß die Kühlmittel- und Motorbauteiltemperatur
mittels stehenden Wassers oder gedrosseltem Kühlmitteldurchsatz
angehoben wird.
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Pumpen
gemäß der
EP
1 657 446 A2 bieten im Vergleich zu Zweiwegeschaltventilen
insbesondere Vorteile bezüglich des Bauraums und der Einbauflexibilität
bei bereits bestehenden Grundmotorstrukturen. Bei guter Dichtwirkung
ist zusätzlich ein gewisser Vorteil dadurch gegeben, dass
zusätzlich die wärmeaktive Masse des Pumpengehäuses
und des Pumpenlaufrades bei stehendem Kühlmittel vom Motorkühlwassermantel
abgekoppelt ist.
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Hauptnachteil
dieser Art von Kühlmittelabschaltvorrichtung sind im Gegenzug
die höheren Kosten und die Tatsache, dass zur optimalen
Ausgestaltung eines Kühlsystems für Kühl-
und Kabinenheizzwecke in der Regel eine ganze Reihe von teuren Zusatzkomponenten
erforderlich sind, die sicherstellen, dass die jeweiligen Wärmetauscher
und der Wassermantel des Motorzylinderblocks und des Motorzylinderkopfes
für die jeweiligen Belange der kraftstoffverbrauchsorientierten
Heißkühlung ohne Heizung und optimale Heizleistung
bei dennoch geringem Kraftstoffverbrauch im geeigneten Maße
durchströmt werden.
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Analoges
gilt für ähnliche bekannte Anwendungen, bei denen
ein separates Ventil oder eine Klappe den Kühlmittelübertritt
von der Pumpe in den Wassermantel des Zylinderkopfes und/oder des
Zylinderblocks unterbindet.
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Demgegenüber
liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Kühl-
und Heizsystem mit einer Kühlmittelabschaltvorrichtung
durch einen Zusatznutzen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder
der Kabinenheizleistung kosteneffizienter zu machen und insbesondere,
bei Verwendung einer Kühlmittelabschaltvorrichtung zwischen
Hauptmotorkühlmittelpumpe und Kühlwassermantel
der Brennkraftmaschine und insbesondere mit den beschriebenen Vorzügen
der Kühlmittelpumpe gemäß
EP 1 657 446 A2 , so auszugestalten
und/oder anzusteuern, dass die Kostennachteile aufgrund des spezifischen Einbauortes
zwischen Pumpenlaufrad und dem Kühlwassereintritt in den
Wassermantel der Brennkraftmaschine und/oder der Pumpenbauweise
gemäß
EP 1
657 446 A2 zumindest teilweise über diesen Zusatznutzen
bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Kabinenheizleistung
kompensiert werden.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Kühl- und Heizsystem gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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In
ganz wesentlichem Maße tragen hierbei die von der Motorsteuerung 20 angesteuerte
el. Zusatzkühlmittelpumpe 2 und die Verzweigung
des Rücklaufs der el. Zusatzpumpe 2 in die Kühlmittelzweige 4am und/oder 4ak an
eine Stelle stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und
die Verzweigung 4at an eine Stelle stromauf der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und
stromauf des Pumpeneintritts der Hauptkühlmittelpumpe 7 dazu
bei, einen Zusatznutzen zu generieren.
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Diese
Anordnung ermöglicht es insbesondere, dass es genügt,
die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und die el,
Zusatzpumpe 2 von der Motorsteuerung 20 ansteuerbar
zu machen, um in Verbindung mit ansonsten passiven Bauteilen/Ventilen
fast alle vorteilhaften Funktionalitäten bezüglich
optimalen Kraftstoffverbrauchs und optimaler Heizleistung darzustellen.
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So
genügt im einfachsten Fall z. B. ein Rückschlagventil 6rv,
das eine Rückströmung in einem Kühlerbypass 6b unterbindet,
um einen Kühl- und Heizkreislauf realisierbar zu machen,
der mit besonders kleinem Kühlmitteldurchfluss und/oder
besonders kleinen Heizungsschlauchquerschnitten arbeitet. Dies ist – bei
entsprechend ausgelegtem Heizungswärmetauscher – vielfach
von besonderem Interesse, um die thermische Spreizung am Motor zwecks
Verbesserung der Kabinenheizleistung zu erhöhen. Im einfachsten
Fall wird damit jedoch nur das Ziel verfolgt, die Schlauchquerschnitte
und damit die Wärmeverluste und die wärmeaktive
Masse des Heizkreislaufs zu minimieren, was bei passender el. Pumpenleistung
bei Heizleistungsentnahme von Vorteil ist, aber auch im MVEGA, insbesondere
wenn ohne Heizleistungsentnahme nach anfänglich stehendem
Wasser – bei noch geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung – ein
Temperaturausgleich innerhalb des Motors angestrebt wird, z. B.
um eine lokale Überhitzung zu vermeiden.
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Bei
einer derartigen Vorgehensweise kann die Motorsteuerung 20 bei
hohem Kühlbedarf durch ein einfaches Öffnen der
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zumindest bei
geschlossenem oder teilgeöffnetem Fahrzeugkühlerzweig 6a sicherstellen, dass
das Rückschlagventil 6bv durch das damit einhergehenden Druckgefälle
der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 öffnet
und der Bypass-Pfad 6b durchströmt wird.
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Eine
derartige Vorgehensweise mit relativ großem Bypassvolumenstrom
im Zweig 6b sorgt einerseits bei Motorvolllast mit geschlossenem
oder teilgeöffnetem Kühlerthermostaten 6 für
einen sicheren Motorbetrieb.
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Andererseits
sorgt die Zusatzpumpe 2 dafür, dass im Heizungszweig 4a der
Durchfluss nicht auf für den Heizbetrieb unzulässige
Werte abfällt, weil ein sehr großer Bypassvolumenstrom
oder ein sehr kleiner Druckverlust im Fahrzeugkühlerzweig 6a das am
Heizungswärmetauscher verfügbare Druckpotential
zu sehr absenkt.
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Eine
ganz besonders vorteilhafte Situation mit vielseitiger Nutzung ergibt
sich, wenn zusätzlich in den Zweig 4am ein Motorölkühler 40 integriert
ist:
Bei geschlossene Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und
Heizleistungsdefizit wird das Kühlmittel – in
Verbindung mit einem Hochleistungswärmetauscher und durch
eine geeignete Einstellung des Kühlmitteldurchflusses – am
Heizungswärmetauscher weit unter die Motoröltemperatur
abgesenkt und nutzt somit das Motoröl als Wärmequelle.
Bei hohem Kühlbedarf, d. h. bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung,
wird der Motorölkühler 40 dann in umgekehrter Richtung
durchströmt und die Reihenschaltung von Motorölkühler 40 und
Heizungswärmetauscher 4 wird aufgehoben. Als Endresultat
stellt sich unter dem Druckpotential der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 ein
hoher Kühlmitteldurchfluss durch den Motorölkühler 40 ein,
so wie er bei Heißlandtests auch benötigt wird.
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Um
die im Heizungsbetrieb am Ölkühler 40 gewonnene
Wärme zu maximieren, ist es bei entsprechend effizientem
Heizungswärmetauscher ganz besonders hilfreich, wenn der
Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher
bei Heizbetrieb deutlich kleiner ist als dies bei maximaler Motorkühlung
notwendig wäre. Deshalb ist die der Strömungsumkehr
im Motorölkühler 40, verbunden mit der
Kühlmitteldurchflusserhöhung so sehr von Interesse.
Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn durch die Strömungsumkehr
im Motorölkühler 40 bei Öffnen
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv der Kühlmitteldurchsatz
durch den Motorölkühler 40 – zumindest
bei mittleren und hohen Motordrehzahlen – um mehr als 100%
zunimmt. Dies ist nicht zuletzt auch deshalb wichtig, weil bei den
hohen Öltemperaturen von 140–150°C im
Heißlandtest bei zu geringem Kühlmitteldurchsatz
eine Kühlmittelüberhitzungsgefahr besteht.
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Mit
anderen Worten, es ist mit einer derartigen Ausgestaltung ohne Mehraufwand
möglich, den Ölkühler 40 wahlweise
heizleistungsoptimal mit geringem Kühlmitteldurchfluss
und in der Anordnung stromab des Heizungswärmetauschers
oder kühlungsoptimal mit hohem Kühlmitteldurchfluss
zu betreiben. Zusätzlich eröffnen sich ganz neue
Möglichkeiten, um mit Heizungswärmetauschern 4 höheren Druckverlustes
und kleineren Kühlmitteldurchflusses zu arbeiten.
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Ein
ganz besonderer Zusatznutzen ergibt sich, wenn das Rückschlagventil 6rv gleichzeitig
eine Rückströmung im Bypasszweig 6b und
im Kühlerzweig 6a in Richtung Motor unterbindet.
In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn mittels einer Kühlmittelentnahmestelle 7a zwischen
der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv gearbeitet
wird, von welcher Kühlmittel über einen Wärmetauscher
und temporär ohne Durchströmung des Wassermantels
des Motorzylinderblocks und/oder des Motorzylinderkopfes zum Pumpeneintritt
der Hauptkühlmittelpumpe 7 gefördert wird.
In den später noch gezeigten Konfigurationen kann auf diesem
Weg insbesondere ein EGR-Kühler auch bei stehendem Wasser
im Motor gekühlt werden. Im einfachsten Fall wird hierbei
ein Getriebeölkühler 60 und/oder ein
Motorölkühler 40 und/oder ein Niedertemperatur-Kühlmittel-Luft-Kühler
zur Absenkung der EGR-Temperatur in diesen Zweig eingebunden werden.
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In
einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird (werden) hierbei
nur der Getriebeölkühler 60 oder der
Getriebeölkühler 60 und der EGR-Kühler 50 von
der Entnahmestelle 7a aus versorgt und der Motorölkühler 40 bleibt
in der weiter oben beschriebenen Vorgehensweise in den Kreislauf
der Zusatzpumpe 2 eingebunden. Dies liefert ein Abkopplung
des i. a. mit der geringsten Priorität von Motorkühlwasser
zu erwärmenden Getriebeölkühlers 60 im
Warmlauf und kommt sowohl dem Kraftstoffverbrauch in der frühen
Warmlaufphase als auch der Kabinenheizleistung bei Heizleistungsdefizit
zu Gute.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird hierbei nur der
EGR-Kühler 50 von der Entnahmestelle 7a aus
versorgt, und das Kühlmittel strömt rückwärts
durch den Fahrzeugkühler 8, so das bei geschlossener
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine Niedertemperatur-EGR-Kühlung
erreicht wird. Bisher bekannte Systeme benötigen hierzu
bisher eine separate el. Niedertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe 2z.
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Ein
analoger Zusatznutzen, wie bei der obigen Variante, bei der ein
Rückschlagventil 6rv, welches gleichzeitig eine
Rückströmung im Bypasszweig 6b und im
Kühlerzweig 6a in Richtung Motor unterbindet,
zum Einsatz kommt, liefert ein von der Motorsteuerung 20 frei
ansteuerbares Ventil 6ev, welches die Leitung 4at abschaltet,
solange die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv geschlossen
ist. Ein derartiges Ventil hat den besonderen Vorteil, dass es nicht
nur einen kleineren Kanalquerschnitt absperren muss als ein Rückschlagventil
für die Zweige 6a und 6b und deshalb
neu entwickelt werden muss, sondern bereits als Serienteil verfügbar
ist. Im Vergleich zu einer separaten el. Niedertemperatur-EGR-Pumpe
liefert das Ventil 6ev in Verbindung mit der Entnahmestelle 7a für
den Niedertemperatur-EGR-Zweig eine erhebliche Kostenersparnis.
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Um
beim Einleiten der Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler
mittels Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung
und gegebenenfalls mittels Öffnen der Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6 Thermoschockeffekte
am Motor sicher zu vermeiden, ist eine gewisse Sorgfalt bei der
Gesamtsystemauslegung geboten. Dabei ist es insbesondere sehr hilfreich, wenn
der Kühlmittelmassenstrom im EGR-Zweig nur ein Viertel
oder weniger des Motorkühlmitteldurchflusses durch die
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv beträgt.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Mischung warmen Kühlmittels
vom Motor und kalten Kühlmittel vom EGR-Zweig auch in der Übergangsphase
zur Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler und/oder bei
einem, z. B. vollastbedingten, Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv bei
noch geschlossener Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6 immer
zu einer Mischungskühlmitteltemperatur stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv führt, die
für die Motorstruktur mit Sicherheit kein Thermoschockproblem
liefert. Größere Kühlmitteltemperatursprünge
als 30 K durch Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung sind
ohne entsprechende Dauerhaltbartests bei manchen Motoren mit gewissen
Unsicherheiten bezüglich der Motorlebensdauer behaftet.
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Gegebenfalls
kann mittels entsprechenden Ventilen im EGR-Zweig sichergestellt
werden, dass die Temperatursprünge in vorgegebenen Grenzen gehalten
werden. Besonders einfach und effizient sind hier thermostatische
Ventile mit Leckage, die bevorzugt stromab des EGR-Kühlers
und stromauf des Fahrzeugkühlers angeordnet werden, und
bei kaltem Kühlmittel wenig Kühlmittel im EGR-Zweig
strömen lassen und bei warmer Kühlmittel mehr.
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Auch
wenn zur feinmaschigen Absicherung des Motors gegen Thermoschock
neben einem relativ großen Rückschlagventil 6rv mit
Querschnitten passend zum Kühlerschlauch bzw. einem kleineren elektrisch
von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Kühlmittelschaltventil 6ev im
Heizungsrücklauf zusätzlich ein Schlauchthermostatventil
stromab des EGR-Kühlers eingesetzt wird, ergibt sich im
Vergleich zu bekannten Serienlösungen mit einer separaten
el. Nierdertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe nicht nur eine
signifikante Kostenersparnis, sondern es wird auch die el. Antriebsleistung
für eine permanent laufende el. Hilfspumpe eingespart.
Diese Aussage gilt für Niedertemperatur-EGR-Systeme mit Kühlmitteabsperrvorrichtung 6bv zwischen
Kühlmittelpumpe 7 und Motorkühlwassermantel
ganz allgemein, also auch ohne die besonders vorteilhafte Einbindung
einer el. Zusatzpumpe 2 stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung
zur optimalen Temperaturregelung für die Motorstruktur
und/oder Kabinenheizzwecke.
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Zur
weiteren Vertiefung des erfindungsgemäßen Gedankenguts
werden nachfolgend einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen
anhand von exemplarischen Kühl- und Heizkreisläufen
beschrieben.
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Hierzu
zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf,
bei dem neben der von der Motorsteuerung 20 angesteuerten
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine ebenfalls
von der Motorsteuerung 20 angesteuerte el. Hilfspumpe 2 stromab
der Kühlmittelabsperrvorrichtung einen motorinternen Kühlmittelstrom
einstellen kann, der in Verbindung mit dem Rückschlagventil 6rv bei
geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv in
der Motorteillast sowohl für einen optimierten Warmlauf
ohne Heizleistungsentnahme oder für verbesserte Kabinenheizleistung
bei hohem Heizbedarf sorgt. Gleichzeitig ist hierbei ein besonders
kostengünstiger Niedertemperatur-EGR-Kreislauf realisiert.
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Bei
geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv wird
das Kühlmittel gemäß 1 von
der Motorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert
und strömt über das Rückschlagventil 6rv in
den Bypasszweig 6b und von dort zur Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6,
die aus Kostengründen bevorzugt aus einem konventionellen
Dehnstoffthermostaten 6 besteht. Während des Warmlaufs verschließt
der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten 6 den
Kühlerkreislauf während der bypassseitige Teller
geöffnet ist, so das der Zweig 6b durchströmt
wird. Die Entlüftungsleitung 9a führt
zum Ausgleichsbehälter 9. Ein Durchströmen
des Ausgleichsbehälters 9 ist durch den Anschluss
stromab des Fahrzeugkühlers 8 mittels des Kühlerthermostaten 6 und
des Rückschlagventils 9rv unterbunden, solange der
Kühlerthermostat 6 geschlossen ist.
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Hier
ist es insbesondere vorteilhaft, dieses Rückschlagventil 9rv mit
einer geringen Federvorspannkraft zu beaufschlagen, so dass sich
ein Öffnungsdruckdifferenz ergibt, die besonders bevorzugt in
der Größenordnung von 1–2 mbar liegt.
Damit wird das Rückschlagventil besonders dicht und weniger abhängig
von der Einbaulage bzw. Schwerkraft.
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Ebenfalls
am Motoraustritt wird auch das Kühlwasser für
den Heizungskreislauf 4a entnommen. Der Heizungswärmetauscher 4 ist
bei dieser Einstellung in herkömmlicher Weise durchströmt,
gegebenenfalls unterstützt von der el. Zusatzpumpe 2. Wie
bei vielen Motoren üblich, wird am Motorzylinderblock oder
gegebenenfalls auch am Motorzylinderkopf ein Teilstrom für
den Motorölkühler 40 entnommen, der nicht
den ganzen Motor durchströmt, dieser strömt dann
durch den Zweig 4am zur Mischungsstelle mit dem Heizungszweig 4a.
Von hier aus gelangt das gemischte Kühlmittel aus dem Motorölkühler
und der Heizung zum Thermostaten 6 und bestimmt gemeinsam
mit dem Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b die
Mischtemperatur am Dehnstoffelement, welches ab einer Mischtemperatur
von beispielsweise 90°C den Kühlerzweig 6a öffnet.
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Zwischen
der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv wird
bei offener wie bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung
Kühlmittel für den EGR-Kühler 50 entnommen.
Bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 strömt
das EGR-Kühlmittel rückwärts durch den Fahrzeugkühler 8 zum
Bypasszweig 6b und von dort über den offenen Bypassteller
zum Dehnstoffelement. Dies ist bei offener wie bei geschlossener
Kühlmittelabsperrvorrichtung der Fall solange der Thermostat 6 geschlossen
ist.
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Dabei
begrenzt die Dimensionierung der Kühlmitteldruckverluste
im EGR-Zweig den Kühlmitteldurchsatz im Vergleich zum bei
geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv im
Motor vorliegenden, relativ hohen, Kühlmitteldurchsatz
so, dass mittels der Motorsteuerung 20 sichergestellt werden
kann, dass sich die Kühlmittelmischtemperatur stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung
unabhängig von der Stellung des Kühlerthermostaten 6 durch
ein plötzliches Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv nur
vergleichsweise wenig ändert, auf jeden Fall aber nicht
mehr als 30 K.
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Besonders
vorteilhaft ist es hier, zur Vereinfachung der Abstimmung, ein Thermostatventil 50tv stromab
des EGR-Kühlers 50 einzusetzen welches bei geringen
Kühlmitteltemperaturen nur vergleichsweise wenig Kühlmittel
durch den EGR-Kühler strömen lässt und
mit zunehmender Kühlmitteltemperatur mehr und mehr. Das
liefert nicht nur eine gute Absicherung gegen Thermoschock, sondern
passt auch die EGR-Kühlerleistung an.
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Zur
Optimierung des Motorwarmlaufs in Richtung beste Emissionen und
besten Kraftstoffverbrauch in der Motorteillast ohne Kabinenheizleistungsentnahme,
insbesondere im gesetzlichen Abgastest, bietet die Konfiguration
gemäß 1 eine ganze Reihe von hilfreichen
Optionen.
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Bevorzugt
wird dabei zunächst die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv geschlossen
und die el. Kühlmittelpumpe 2 bleibt ausgeschaltet.
Damit liegt im besonders reibleistungs- und kraftstoffverbrauchsrelevanten
Bereich des Motors, d. h. innerhalb des Kühlwassermantels
abgesehen von etwas Leckage bzw. natürlicher Konvektion weitgehend
ruhendes Kühlmittel vor, verbunden mit entsprechenden Vorteilen
bezüglich des Kraftstoffverbrauchs.
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Im
weiteren Verlauf des Warmlaufs wird des Kühlmittel im Zylinderkopf
i. a. eine Temperatur erreichen, die ein Einschalten der el. Pumpe 2 erforderlich macht
und/oder es ist deshalb besonders vorteilhaft die el. Pumpe einzuschalten,
um den Zylinderkopf zu kühlen und auch um Wärme
aus dem heißen Zylinderkopf in die besonders reibleistungsrelevanten
Bereiche des Zylinderblocks bzw. Zylinderlaufbahn zu transportieren.
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Neben
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ist das Rückschlagventil 6rv in 1 ganz
maßgeblich dafür, dass dies ohne Durchmischung
mit der kalten Seite stromauf der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 erfolgen
kann. Insbesondere ist es aber auch extrem hilfreich, dass es die
el. Hilfspumpe 2 im Heizungszweig ermöglicht,
den Querschnitt des Bypasszweigs 6b besonders groß zu
machen, so dass die potentiellen Temperatursprünge beim Öffnen
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv minimal werden.
Konvenzionelle Kühl- und Heizsysteme ohne el. Hilfspumpe 2 erfordern
hier i. a. einen nicht zu vernachlässigenden Mindestdruckverlust
im Bypasszweig 6b, um ein hinreichendes Kühlmitteldruckpotential
für den Heizungswärmetauscher bereitzustellen.
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Im
Vergleich zu bekannten Systemen hat das System gemäß 1 den
zusätzlichen Vorteil, dass der besonders hohe Bypassvolumenstrom
im Zweig 6b gleichbedeutend ist mit einer hohen Kühlreserve für
das schnelle Umschalten vom Heißbetrieb in der Motorteillast
auf abgesenkte Bauteiltemperaturen bei Volllast. Die besonders hohe
Kühlreserve beruht dabei u. a. auf der spontanen Erhöhung
des kühlmittelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten
bei Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses. Diese
ist für Systeme mit und ohne Nierdertemperatur-ERG-Kühlung relevant
und auch mit und ohne teilgeöffneten Kühlerthermostaten 6.
Ein einfaches Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv liefert
gemäß 1 eine spontane Umschaltung
von Heißkühlung auf volle Kühlleistung.
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In 1 wird
das Kühlmittel bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv von
der el. Hilfspumpe 2 über den Motorölkühler 40 in
den Wassermantel stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung eingespeist.
Das hat den besonderen Vorteil, dass beim ersten Aktivieren der
el. Zusatzpumpe 2 und entsprechend reduzierter el. Pumpenleistung,
das trotz ausgeschalteter Kabinenheizung zunächst noch kalte
Kühlmittel zumindest annähernd mit der Öltemperatur
in den Motor strömt. In der dieser Frühphase des
Einschaltens wirkt dabei der Ölkühler als Wärmequelle
für das kalte Wasser aus dem Heizungswärmetauscher,
zugunsten der Zylinderlaufbahntemperatur.
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Ganz
grundsätzlich ermöglicht es die Anordnung gemäß 1,
in Verbindung mit einer variablen el. Leistung der el. Zusatzpumpe 2,
mittels der Motorsteuerung 20 eine Priorisierung der Wärmeströme vom
Kühlmittel ins Öl und umgekehrt vorzunehmen.
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So
ist es insbesondere i. a. vorteilhaft, sobald die Durchwärmung
des Heizungswärmetauscherzweigs 4a im Fall ohne
Heizleistungsentnahme abgeschlossen ist, den Kühlmitteldurchfluss
im Heizungszweig 4a zu erhöhen. Dies hilft in
der Regel in der Motorteillast dabei, den Zeitpunkt bis zum Öffnen der
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zu verzögern. Dabei
spielt nicht nur die Verbesserung des Wärmeübergangs
und der Temperaturhomogenisierung im Motor eine maßgebliche
Rolle, sondern in der Regel auch der verbesserte Wärmeübergang
zwischen Kühlmittel und Motoröl.
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Speziell
im gesetzlichen Abgastest (MVEGA) ist in diesem Zusammenhang das
Kühlmittel bei den meisten Motoren warmer als das Motoröl,
so dass dem Wärmeübergang im Ölkühler 40 eine
große Rolle dabei zu kommt, die Motorabwärme durch ein
Geschlossenhalten der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglichst
lange zugunsten der Erhöhung der Bauteil- und der Öltemperatur
zu verteilen und nicht über den Fahrzeigkühler 8 abzugeben.
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Insbesondere
ist es mit dieser Vorgehensweise möglich, auch mit einem
ganz konventionellen Kühlerthermostaten in der Motorteillast
erhöhte Kühlmitteltemperaturen weit oberhalb der
Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 110°C
anstelle der 90°C Thermostatöffnungstemperatur
zu fahren.
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Dies
ist zum einen dann der Fall, wenn im Warmlauf durch Schließen
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv das Dehnstoffelement
einfach nicht mit einer hinreichenden Menge warmen Kühlmittels
angeströmt wird.
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Zum
anderen kann aber auch durch ein getaktetes oder teilweises Öffnen
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv auch ein
getaktetes Öffnen und wieder Schließen des Kühlerthermostaten 6 induziert werden.
In Verbindung mit der Zusatzpumpe 2 ist somit eine Erhöhung
der motorinternen Kühlmittel-, Bauteil- und Öltemperatur
mit und ohne Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 von
der Motorsteuerung 20 aktivierbar und deaktivierbar, was
eine erhebliche Verbesserung der Kosteneffizienz bedeutet.
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Einen
ganz besonderen Vorteil des Systems gemäß 1 stellt
es dar, dass es bei entsprechender Gestaltung der el. Heizungspumpe 2 auch
auch bei ausgeschalteter el. Heizungspumpe 2 noch Heizleistung
liefern kann. Hieran ist die Verbindungsleitung 4at maßgeblich
beteiligt, die es ermöglicht, mittels Öffnen der
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv die Kabineheizung
jederzeit zu aktivieren. Im Gegensatz zu bisher bekannten Systemen
mit autarker Heizung und temporär deaktiviertem Motorkühlmitteldurchsatz
seitens der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 liefert dies
eine Reihe von ganz erheblichen Vorteilen.
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So
wird u. a. die Sicherheit gegen Heizungsausfall im Winter erhöht,
es wird etwas Kraftstoff durch die temporäre Einsparung
an Lichtmaschinenlast für den el. Pumpenstrom eingespart
und es reduzieren sich die Lebensdaueranforderungen der el. Hilfspumpe.
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Ein
weiterer Vorteil des Systems gemäß 1 besteht
darin, dass es auch bei Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 noch
Kraftstoffersparnisse liefern kann, u. a. über die reduzierte
wärmeaktive Masse, den reduzierten kühlmittelseitigen Wärmeübergang
an der Zylinderlaufbahn bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz,
die zielgerichtete Priorisierung des Kühlmittels durch
Abkühlung des Kühlmittels am Heizungswärmetauscher 4 unter
die Motoröltemperatur und Rückerwärmung
des Kühlmittels am Ölkühler 40 und
gegebenenfalls durch die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur über
die Thermostatöffnungstemperatur hinaus.
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Die
spezifische Einbindung des Motorölkühlers 40 mit
den Anschlüssen 4am und 4at in 1 stellt
darüber hinaus sicher, dass auch bei sehr hohem Kühlbedarf
bezüglich des Motoröls die best möglichen
Reserven verfügbar sind: In diesem Fall öffnet
die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und der Ölkühler 40 wird
nun in umgekehrter Richtung durchströmt, d. h. so wie bei
konventionellen Serienkühlsystemen üblich. Der
Kühlmittelstrom durch den Motorölkühler 40 ist
nun nicht nur relativ hoch, sondern er liefert auch eine hohe Kühlwirkung.
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Ein
ganz wesentlicher Zusatznutzen des Systems gemäß 1 ergibt
sich auch dadurch, dass es im Vergleich zu bekannten Systemen eine erheblich
verbesserte Kabinenheizleistung liefert. Dies gilt angesichts der
reduzierten wärmeaktiven Massen im Warmlauf mit geschlossener
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ganz grundsätzlich
und insbesondere im Leerlauf, wo bekannte Heizsysteme ohne el. Zusatzpumpe
und insbesondere ohne dem Heizungswärmtauscher 4 nachgeschalteten
Motorölkühler 4 deutliche Nachteile aufweisen.
Dieser Vorteil wird dadurch noch erhöht, dass es mittels
der el. Zusatzpumpe 2 im Warmlauf mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglich
ist, den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig sehr
präzise auf eng begrenzte Werte einzustellen, so wie sie zur
Optimierung der Kabinenheizleistung unter Berücksichtigung
der Wärmetauscherwirkungsgradkennlinien des Heizungswärmetauschers 4 einerseits
und des Motorölkühlers 4 andererseits
erforderlich sind.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft wenn die Möglichkeit der präzisen
Einstellung des Kühlmitteldurchflusses im Heizungszweig
unabhängig von der Motordrehzahl dafür genutzt
wird, dass die Kühlmitteltemperatur am Eintritt in den
Motorölkühler 40 deutlich unterhalb der
Motoröltemperatur liegt und somit das Motoröl
indirekt als Wärmequelle zur Erhöhung der Kabinenheizleistung
genutzt wird.
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Diese
Vorgehensweise ist in gewissen Grenzen bereits mit heutigen Serienheizungswärmetauschern
und Serienmotorölkühlern realisierbar. Ganz besonders
vorteilhaft ist es aber, wenn Heizungswärmetauscher mit
vergrößertem Bauraum und/oder erhöhter
Wärmetauschermatrixdichte zum Einsatz kommen und hier insbesondere
auch zur Mehrfach-Kreuzgegenstrombauweise übergegangen wird.
Entsprechende Hochleistungsheizungswärmetauscher sind z.
B. in der
PCT/DE 2008/000613 beschrieben.
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In
einem weiterführenden Schritt ist es hierbei zur Maximierung
der Kabinenheizleistung und auch zur Verbesserung des Gesamtsystems
ohne Heizleistungsentnahme sehr hilfreich, wenn auch bei den Motorölkühlern
40 auf
eine Gegenstrombauweise und bevorzugt eine Mehrfach-Kreuzgegenstrombauweise übergegangen.
Eine bevorzugte analoge Übertragung basierend auf den Erkenntnisse
in der
PCT/DE 2008/000613 ergibt
sich bei gleicher Vorgehensweise, wenn das Motoröl an die
Stelle der Luft tritt und das Kühlwasser die Umlenkungen
zur Bildung des Mehrfachkreuzgegenstroms durchläuft.
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Der
gegebenenfalls erhöhte kühlwasserseitige Druckverlust
ist hierbei angesichts der Motorölkühlereinbindung
gemäß 1 i. a. kein Problem, da bei
dieser Einbauart und geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv der Ölkühlerdurchfluss
ohnehin so gedrosselt werden muss, dass der Hauptkühlmittelstrom
durch den Motor strömt und nicht durch den Ölkühler.
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Diese
Aussage gilt ganz besonders deshalb, weil die Zusatzpumpe 2 in
jeder Betriebssituation mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv einen
definierten Durchfluss liefert und da dieser Durchfluss – zumindest
bei Heizleistungsdefizit – bevorzugt ohnehin in Richtung
wesentlich kleinerer Kühlmitteldurchflüsse durch
den Heizungszweig erfolgt als dies heute serientypisch ist.
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Dass
bei Verwendung eine Hochleistungsheizungswärmetauschers,
insbesondere gemäß
PCT/DE 2008/000613 , nicht nur
die Kühlmitteldurchflüsse zumindest im Fahrbetrieb
bevorzugt deutlich kleiner sind als heute üblich ermöglicht
es, in einem weiterführenden Schritt, auch die Kühlmittelleitung
im Heizungszweig
4a mit wesentlich kleineren Strömungsquerschnitten
zu versehen. Dies kommt wiederum der wärmeaktiven Masse
und den Oberflächenwärmeverlusten zugute. Beides
ist vorteilhaft für den Warmlauf mit und ohne Heizung.
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Im
Vergleich zu 1 zeigt 2 ein ähnliches
System unter Entfall des Ölkühlers 40.
Da das Ventil 50tv bei entsprechend sorgfältiger
Auslegung des Systems zumeist entfallen kann, ist es in 2 nicht
mehr enthalten.
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Auch
hier sind das Rückschlagventil 6rv, die el. Zusatzpumpe 2 und
die Leitungen 4am und 4at ganz maßgeblich
daran beteiligt, dass auch hier fast alle oben beschriebenen Betriebsarten
mittels der Motorsteuerung 20 eingestellt werden können.
Ohne den Motorölkühler vereinfacht sich hierbei
die optimale Betriebsstrategie beim Übergang von weitgehend
ruhendem Kühlmittel etwas. In den meisten Fällen
ist es bezüglich des MVEGA am günstigsten dafür
zu sorgen, dass der Heizungszweig möglichst spät
aktiviert wird und dabei möglichst schnell eine homogene
Temperatur erreicht.
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Das
Rückschlagventil 6rv in 1 und 2 muss
prinzipbedingt relativ groß sein, da es die Kühlerleitung
absperrt. Ein derartiges Ventil nimmt somit relativ viel Platz ein
und muss insbesondere auch den Ansprüchen bei hohem Kühlmitteldurchsatz
gerecht werden. Die Entwicklung eines derartigen Rückschlagventils
ist aber kein grundsätzliches Problem.
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Schneller
umsetzbar und etwas risikoärmer für eine schnelle
Serienanwendung ist es, wenn anstelle des Rückschlagventils 6rv in 1 und 2 ein
von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Ventil 6ev dessen
Hauptaufgabe übernimmt, indem es den Strömungszweig 4at in
der in 3 gezeigten Einbauposition absperrt.
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Auch
in dieser Konfiguration kann die Motorsteuerung 20 sicherstellen,
dass es nicht zu einer unbeabsichtigten Durchmischung von kaltem
Kühlmittel stromauf und warmer Kühlmittel stromab
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv kommt, sobald
die el. Heizungspumpe 2 in Betrieb ist.
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Auch
wenn die Systeme nach 1–3 nur
in Richtung Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission getrimmt
werden sollen und die heizungsspezifischen Vorteile bei einer spezifischen
Fahrzeuganwendung unwichtig sind oder der Heizungswärmetauscher 4 gar
nicht vorhanden ist, z. B. weil die Heizung auf anderem Wege völlig
separat erfolgt, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise
nach 1–3 noch kosteneffektiv.
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Das
erfindungsgemäße Gedankengut ist nicht auf Systeme
mit Niedertemperatur-EGR-Kreislauf begrenzt. So zeigt 4 beispielhaft
ein System ohne Niedertemperatur-EGR-Kreislauf. Auch hier hat die
Motorsteuerung 20 die Freiheitsgrade, wie sie für einen
kraftstoffverbrauchsoptimalen Motorbetrieb mit und/oder Heizleistungsentnahme
am Heizungswärmetauscher 4 besonders vorteilhaft
sind. Der EGR-Kühler-Zweig wird in dieser Anwendung einfach
an den Pumpeneintritt der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 geführt.
Dies bewirkt, dass der EGR-Kühler 40 einerseits
im Warmlauf erst sich selbst und den internen EGR-Kurzschlusszweig
erwärmt. Die EGR-Kühlung ist hierbei zunächst
im Warmlauf reduziert, was bei manchen Motoren im frühen
Warmlauf durchaus nicht unerwünscht ist. Die Rückleitung
des EGR-Zweigs stromab des Kühlerthermostaten stellt sicher,
dass die Motorsteuerung 20 mittels der Vorrichtungen 6bv, 6ev und
gegebenenfalls 2 bestimmt, ab wann und in welchem Ausmaß Wärme über
den Fahrzeugkühler 8 an die Umgebung abgegeben
wird. Wenn eine etwas frühere Wärmeabgabe des EGR-Zweigs
am Fahrzeugkühler 8 gewünscht ist, so erfolgt
die Rückleitung des EGR-Kühlers gegebenenfalls
in die Leitung 4at.
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Gelegentliches
Takten von 6bv stellt bei beiden Varianten im Verlauf des
Warmlaufs bei Bedarf sicher, dass der EGR-Zweig nicht überhitzt.
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Besonders
kostengünstig wird das System nach 4. wenn
anstelle des von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Ventils 6ev ein
Rückschlagventil 6rv in den Bypasszweig 6b integriert
wird und ein Rückströmen durch den Bypasszweig 6b bei
geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und eingeschaltete
Heizungspumpe 2 unterbindet. Ein solches System ist in 5 exemplarisch
gezeigt.
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Dieses
System bietet bei vergleichsweise geringen Kosten fast alle Freiheitsgrade,
die für ein kraftstoffverbrauchsoptimales Wärmemanagement mit
und ohne Kabinenheizleistungsentnahme und für die Maximierung
des Kabinenheizpotenzials wünschenswert sind. Dies gilt
ganz besonders, wenn auch der Heizungswärmetauscher und
die Heizungskühlmittelleitungen in Richtung Hochleistungsheizsystem
optimiert sind.
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Der
Entfall des Niedertemperatur-EGR-Kreislaufs kann hierbei in vielen
Fällen dadurch zumindest teilweise kompensiert werden,
dass zusätzlich ein Getriebeölkühler 60 oder
ein anderer Kühler vergleichsweise geringer Temperatur
in den EGR-Zweig eingebunden wird. Ein Beispiel hierzu zeigt 6,
wo ein Getriebeölkühler 60, der im MVEG
normalerweise relativ kaltes Öl aufweist und somit hilft
die EGR-Temperatur niedrig zu halten ohne den Fahrzeugkühlerzweig
zu öffnen.
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Ganz
analog kann in 6 anstelle des Getriebeölkühlers 60 auch
ein Motorölkühler oder gleichzeitig ein Motorölkühler 40 und
ein Getriebeölkühler 60 vorteilhaft in
den EGR-Zweig eingebunden werden oder auch ohne EGR-Kühler
in analoger Weise vom Motor thermisch abgekoppelt werden. Dies kostet
zwar etwas an Kraftstoffeinsparpotential doch in Verbindung mit
der Einfachheit und den geringen Kosten ist dies durchaus in vielen
Fällen kosteneffektiv und zielführend.
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Besonders
bei Motoren, die keinen EGR-Kühler im Kühlkreislauf
aufweisen, kann ein Getriebeölkühler in der gemäß 6 gezeigten
Vorgehensweise kostengünstig in der frühen Warmlaufphase
vom motorinternen Kühlsystem abgekoppelt werden.
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Dies
ist insbesondere zur Verbesserung der Kabinenheizleistung hilfreich,
je nach Öffnungstemperatur des Kühlerthermostaten 6 bzw.
bei frei von der Motorsteuerung ansteuerbarer Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6,
aber auch zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.
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Auch
bei Systemen ohne EGR-Kühler und ohne Motorölkühler
und ohne Getriebeölkühler bietet die erfindungsgemäße
Vorgehensweise gemäß 5 und 6 noch
ausreichend Vorteile um kosteneffizient zu sein. Ein entsprechendes
Beispiel ist in 7 gezeigt.
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Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise
auch durchaus mit bereits bekannten Niedertemperatur-EGR-Kühlsystemen
kompatibel, bei denen eine separate el. Niedertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe 2z Kühlmittel
eines EGR-Zweigs mit EGR-Kühler 50 bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 rückwärts
durch den Fahrzeugkühler 8 fördert. Ein
entsprechendes Beispiel ist in 8 gezeigt,
wo wiederum ein besonders kosteneffektives Rückschlagventil 6rv im
Bypasszweig 6b sicherstellt, dass keine unerwünschte
Rückwärtsdurchströmung des Bypasszweigs 6b erfolgt,
so dass die Motorsteuerung 20 insbesondere die Hoheit darüber
hat, ab wann wirklich eine Durchmischung von Kühlmittel
stromauf und stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv erfolgt
bzw. ab wann eine Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 eingestellt
wird.
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Wie
bereits mehrfach beschrieben, spielt hier das relativ einfache und
durch die Anordnung im Bypasszweig 6b auch vergleichsweise
kleine Rückschlagventil 6rv eine maßgebliche
Rolle. Solange Temperaturregelvorrichtungen 6 zum Einsatz
kommen, die den Bypasszweig 6b bei voll geöffnetem Kühlerzweig
schließen, kann hierbei der Druckverlust im Bypasszweig 6b angesichts
der spezifischen Einbindung der Heizungspumpe 2 sehr klein
und der Durchfluss sehr hoch eingestellt werden: Wenn der Kühlerzweig
völlig offen ist, ist der Bypasszweig 6b dann
durch die Temperaturregelvorrichtung 6, insbesondere durch
den Bypassteller des Kühlerthermostaten 6, geschlossen,
zugunsten einer maximalen Wirkung des Fahrzeugkühlers 8.
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Ist
diese Funktionalität ”Bypasszweig 6b schließen” des
Kühlmitteltemperaturreglers 6 nicht vorhanden
und somit der Bypasszweig bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 2 stets
geöffnet, so ist es besonders vorteilhaft, die Strömungsquerschnitte im
Bypasszweig 6b etwas geringer zu gestalten und/oder den
Druckverlust im Fahrzeugkühlerzweig 6a abzusenken.
Bei manchen Anwendungen, insbesondere ohne Niedertemperaur-EGR-Kühler
gemäß 1–4 kann
es dann insbesondere auch vorteilhaft sein, das Rückschlagventil 6rv mit
einer geringen Federkraft zu beaufschlagen, so dass es erst bei Motordrehzahlen
20% oberhalb der Leerlaufdrehzahl öffnet.
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9–17 tragen
der Tatsache Rechnung, dass es bei vielen Motoren besonders vorteilhaft
ist, nach anfänglich stehendem Kühlwasser zunächst
lediglich für Kühlung der besonders heißen Zonen
zu sorgen, welche sich in der Regel im Kühlwassermantel
des Zylinderkopfes befinden und dies insbesondere mit einer minimalen
wärmeaktiven Masse im Bereich der Kühlmittelleitungen
zwischen Kühlmittelentnahmestelle und Rückleitungszweig 4am zum
Wassermantel des Motorzylinderblocks und/oder des Motorzylinderkopfes
einschließlich der el. Zusatzpumpe 2 zu bewerkstelligen.
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Die
Einbindung eines gegebenenfalls vorhandenen Motorölkühlers 40 in
der ersten Phase des Warmlaufs bevorzugt unter Umgehung des Motorölkühlers 40.
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In 9 wird
diesem Sachverhalt dadurch Rechnung getragen, dass der in den 1–8 mit 4am bezeichnete
Zweig nun in die Zweige 4ab und 4ak aufgeteilt
wird. Der Zweig 4ab führt über den Motorölkühler 40 in
den Motorzylinderblock und der Zweig 4ak führt
unter Umgehung des Motorölkühlers in den Motorzylinderkopf 1K oder
wahlweise auch in den Motorzylinderblock 1B.
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Die
Einleitung in den Motorzylinderkopf ist bevorzugt, weil sie gewisse
Vorteile dadurch liefert, dass an der besonders reibleistungsrelevanten
Zylinderlaufbahn in der Regel etwas höhere Temperaturen
resultieren. Die Einleitung in den Motorblock hat den Vorteil, dass
bei vielen Motoren kein zusätzlicher Kühlmittelanschluss
am Grundmotor erforderlich ist, sondern ein einfaches T-Stück
genügt.
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In 9 nimmt
das von der Motorsteuerung 20 angesteuerte Umschaltventil 40ev die
oben beschriebene Priorisierung vor, d. h. zunächst wird
der Ölkühler 40 umgangen und später
im Warmlauf zugeschaltet, damit die Zeitdauer bis zum ersten Öffnen der
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglichst
lange dauert. Die Zuschaltung des Ölkühlers kann
hierbei als einfache Umschaltung vorgenommen werden oder es erfolgt
eine Aktivierung beider Zweige 4ak und 4ab, so
dass insbesondere der Zweig 4ak sicherstellt, dass eine
angesichts der Einströmung über den Zweig 4ab weniger
angeströmte Zone auch bei kleinem Gesamtkühlmitteldurchsatz
noch ausreichend gekühlt wird und/oder als Wärmequelle
für Heizzwecke genutzt.
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Bei
Maximierung der Kabinenheizleistung wird in einer weiteren Verfeinerung
bevorzugt zunächst der Ölkühler für
einige Minuten umgangen und dann aber viel früher eingebunden
als beim Betrieb ohne Heizleistungsentnahme. Die Einbindung des Ölkühlers 40 erfolgt
hierbei bevorzugt so, dass so lange gewartet wird, bis die Kühlmitteltemperatur im
Heizungsrücklauf kleiner ist als die Motoröltemperatur
am Eintritt in den Motorölkühler 40.
Auf diese Weise wird das Motoröl und indirekt auch die
Motorstruktur als Wärmequelle zur Heizleistungssteigerung
herangezogen und insbesondere werden die effektive wärmeaktive
Gesamtmasse und die Oberflächenwärmeverluste an
die Umgebungsluft reduziert.
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Auch
hier ist insbesondere ein für relativ geringe Kühlmitteldurchflüsse
ausgelegter Hochleistungswärmetauscher das Mittel der Wahl
um für Kabinenheizzwecke möglichst viel Wärme
vom Motoröl ins Kühlmittel zu übertragen.
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Um
die Kosten etwas zu senken ist in 10 ist
im Vergleich zu 9 anstelle eines Umschaltventils 40ev ein
einfaches Schaltventil 40eV vorgesehen. Dabei ist es zur
Optimierung der Kabinenheizleistung besonders vorteilhaft, wenn
die Dimensionierung der Druckverluste in den Zweigen 4ab und 4ak derart
erfolgt, dass sich bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und
geöffnetem Ventil 40ev und eingeschalteter Zusatzpumpe 2 im
Zweig 4ab ein Kühlmitteldurchfluss einstellt,
der mehr als doppelt so groß ist als der Kühlmitteldurchfluss
im Zweig 4ak, welcher nicht durch den Motorölkühler 40 führt.
Dadurch wird insbesondere sichergestellt, dass bei vielen Anwendungen
bzw. Betriebsituationen eine für die Kabinenheizleistung
zwingend benötigte Wärmemenge vom Motoröl
ins Kühlmittel übertragen wird.
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Unter
Verzicht auf etwas Kraftstoffersparnis und/oder etwas Kabinenheizleistung
ist ein System nach 10 auch dann immer noch sehr
attraktiv und vor allem sehr kosteneffektiv, wenn das Ventil 40ev komplett
entfällt.
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Für
Systeme mit variabler el. Heizungspumpe 2 zeigt 11 eine
weitere Möglichkeit, die Kosten zu senken: Anstelle des
direkt von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Ventils 40ev in 9 und 10 übernimmt
die Variation des Förderdrucks bzw. der el. Leistung der
el. Zusatzpumpe 2 in Verbindung mit dem Überdruckventil 40pv die
bedarfsgerechte Aktivierung des Motorölkühlers 40.
Das Überdruckventil 40pv hat hierbei bevorzugt
einen Druck zwischen 10 und 40 mbar, so dass es bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv von
der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 zumindest im Fahrbetrieb überdrückt
wird und somit auch bei Ausfall der el. Heizungspumpe 2 noch
Heizleistung verfügbar ist.
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In 11 sorgt
ein erster Druckbereich der el. Heizungspumpe 2 bei geschlossener
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv dafür,
dass nur der Zweig 4ak durchströmt wird. Das Rückschlagventil 4ak sorgt
dafür, dass es nicht zu unerwünschter Rückströmung
unter Umgehung des Heizungszweigs und/oder der Motordurchströmung
kommt, bei entsprechend kleiner Dimensionierung der Leitung 4ak kann
es in manchen Anwendungen aber auch entfallen.
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Wird
eine Einbindung des Ölkühlers 40 bei geschlossener
Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv gewünscht,
so stellt die Motorsteuerung 20 eine erhöhte Fördermenge
der Heizungspumpe 2 ein und aktiviert durch Überschreiten
des Öffnungsdrucks des Überdruckventils 40pv dem
Motorölkühler 40.
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Diese
Vorgehensweise funktioniert grundsätzlich auch mit heutigen
Serienheizungswärmetauschern. Speziell bei Hochleistungswärmetauschern mit
geringerem Durchfluss ist es aber besonders gut möglich
mit Überdruckventilen 40pv zu arbeiten und die
Pumpenantriebsleistung beizubehalten oder gar abzusenken. Dieser
Sachverhalt resultiert aus dem bekannten Zusammenhang, dass sich
die Pumpenleistung multiplikativ aus dem Volumenstrom und der Druckdifferenz
ergibt.
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Die
Weiterentwicklung in 12 zeigt eine Verlegung der
Heizungspumpe 2 an eine Position stromauf des Heizungswärmetauschers 4.
Heraus resultiert ein noch geringerer Öffnungsdruck des Überdruckventils 40pv und
die Möglichkeit, die wärmeaktive Masse im Zweig 4ak noch
weiter herabzusetzen.
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In 13 ist
gezeigt, dass das Rückschlagventil 40rv auch entfallen
kann. Speziell bei sehr kleinen Strömungsquerschnitten
im Zweig 4ak ist das durchaus vertretbar. Speziell in 13 kommt
hinzu, dass es hierdurch nicht zu einer unerwünschten Umgehung
des Heizungswärmetauschers 4 kommt.
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14 zeigt,
dass das System natürlich auch ohne Niedertemperatur-EGR-Pumpe 2z vorteilhaft
ist und insbesondere, dass auch hier ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes
Ventil 6ev die Aufgaben des Rückschlagventils 6rv in
z. B. 13 übernehmen kann.
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15 zeigt
eine besonders einfache und kosteneffektive Variante mit Getriebeölkühler 60 in Reihe
zum EGR-Kühler 40, so dass fast die gleich Wirkung
erzielbar ist, wie mit einem Niedertemperatur-EGR-Kühlerzweig.
In dieser Konfiguration genügt wieder ein einfaches und
relativ kleines und auch besonders kostengünstiges Rückschlagventil 6rv.
Zusätzlich ist im Zweig 4ak ein optionales Durchflussbegrenzungsventil 40sv integriert,
so dass bei Erhöhung der el. Pumpenantriebsleistung die
Hauptkühlmittelmenge durch den Motorölkühler 40 strömt.
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16 zeigt
als kostengünstige Alternative ein einfaches Thermostatventil 40tv zur
bereits beschriebenen Priorisierung des Ölkühlers 40.
Hierbei ist naturgemäß im Vorfeld der Thermostatauswahl
in der Regel eine Entscheidung notwendig, ob die Auslegung in Richtung
beste Heizleistung erfolgt oder in Richtung besten Kraftstoffverbrauch
ohne Heizleistungsentnahme. Die Variante mit maximalem Heizpotential
benötigt hierbei in der Regel ein früheres Öffnen
des Ölkühlerzweigs 4ab. Bei manchen Motoren ist
es bezüglich der Heizleistung und auch der Motorkühlung
am besten, wenn das Thermostatventil 40tv den Zweig 4ak bei
geöffnetem Zweig 4b schließt.
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17 zeigt
ein erfindungsgemäßes System mit besonders hoher
Flexibilität der Ansteuerung der Zweige 40ab und 40ak.
Durch die Anordnung eines von der Motorsteuerung 20 angesteuerten
Umschaltventils 40ev stromauf des Heizungswärmetauschers lassen
sich insbesondere die wärmeaktiven Massen im Zweig 4ak als
auch die Druckverluste minimieren. Auch die Anpassung an einen heizleistungsoptimalen
Betrieb bzw. eine verbrauchsoptimalen Betrieb ohne Heizung ist hiermit
vereinfacht.
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Die
bisherigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen
Gedankengut zeigen, dass speziell die von der Motorsteuerung 20 ansteuerbare
Zusatzpumpe 2 mit und ohne Einbindung des Heizungswärmetauschers 4 so
viele Vorteile liefert, dass die mit ihr verbundenen Bauteilkosten
durchaus gerechtfertigt sind.
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Anhand
der erfindungsgemäßen Systemdarstellungen gemäß 1–17 ist
aber bei genauem Hinsehen durchaus auch zu erkennen, dass hierin
vereinfachte Systeme enthalten sind, die auch ohne el. Zusatzpumpe
eine ganze Reihe von Vorteilen liefern.
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Vor
diesem Hintergrund betrifft diese Anmeldung auch Kühl-
und Heizungskreisläufe für Kraftfahrzeuge mit
einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels
gekühlt wird mit einer Temperaturregelvorrichtung 6,
welche zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz
durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt
und einer von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren
Absperrvorrichtung 6bv, welche den Kühlmitteldurchsatz
durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren
Kühlbedarf temporär unterbindet und/oder variiert,
insbesondere eine Vorrichtung zum Betrieb von Brennkraftmaschinen
mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Kühlerthermostaten 6,
die dadurch gekennzeichnet sind, dass
- • die
Absperrvorrichtung 6bv zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und
dem Wassermantel des Motorzylinderblocks 1b und/oder Motorzylinderkopfes 1k angeordnet
ist und
- • den Motorkühlmitteldurchsatz der Hauptkühlmittelpumpe 7 temporär
in Richtung von Werten nahe Null reduziert und
- • dass keine el. Zusatzpumpe 2 im Heizungszweig 4a zum
Einsatz kommt und
- • dass das Kühlsystem eine Kühlmittelentnahmestelle 7a zwischen
dem Hochdruckteil der Kühlmittelpumpe und der Kühlmittelabsperrvorrichtung
aufweist von der im Warmlauf bei Motorteillast zumindest temporär
Kühlmittel über einen EGR-Kühler gefördert
wird und auf einen Getriebeölkühler 60 und/oder
einen Motorölkühler 40 oder in einem
separaten Niedertemperatur-EGR-Kühler oder in einem rückwärts
durchströmten Fahrzeugkühler 8 übertragen
und dann ohne Durchströmung des motorseitigen Kühlwassermantels
stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zur
Hauptkühlmittelpumpe 7 zurückströmt.
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Zur
Veranschaulichung zeigen 18–22 entsprechende
Beispiele ohne el. Zusatzpumpe 2, die aus 1–17 abgeleitet sind.
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In 18 liefert
eine derartige Anwendung ohne el. Heizungspumpe 2 mittels
der spezifischen Einbindung des EGR-Kühlers 50 und
des Motorölkühlers 40 die Möglichkeit,
ohne Überhitzen des EGR-Kühlers, ganz besonders
lange mit ruhendem Kühlmittel im Motor zu fahren. Ein federbelastetes Rückschlagventil 6rvd dient
hier exemplarisch der Aufrechterhaltung eines hinreichenden Kühlmitteldrucks
für den Heizungswärmetaucher im Heizbetrieb. Bei
entsprechend klein dimensioniertem Bypasszweig 6b oder
gar Entfall des Bypasszweigs 6b kann das Ventil 6rv aber
vielfach auch entfallen.
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19 und 20 zeigen
einen entsprechenden Erkenntnistransfer aus 1–17 auf ein
Niedertemperatur-EGR-System ohne el. Heizungspumpe 2. Die
Systemauslegung ist hier durchaus etwas sensibler und liefert auch
einen reduzierten Gesamtnutzen, dennoch bleiben die Systeme nach 19 und 20 angesichts
der reduzierten Kosten hochattraktiv.
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Analoges
gilt für 21 und 22. Dabei wird
es in 21 durch die Durchströmung
des EGR-Kühlers 50 und des Motorölkühlers 40 ermöglicht,
dass möglichst lange mit stehendem Wasser gefahren werden
kann. Dabei ist es natürlich nicht zwingend, die beiden
Kühler 40 und 50 in Reihe zu schalten,
es kann auch eine Parallelschaltung gewählt werden,
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In 22 ist
keine Kühlung eines EGR-Zweigs gegen Überhitzung
erforderlich. Dennoch liefert die Deaktivierung des Getriebeölkühlers 60 und/oder
des Motorölkühlers 40 zumindest in der frühen
Warmlaufphase Vorteile. Speziell wenn der Kühlmitteltemperaturregler
prinzipbedingt erst bei sehr hohen Kühlmitteltemperaturen öffnet
oder frei angesteuert werden kann, kann ein System gemäß 22 durchaus
ein gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis liefern. Dabei hat die
spezifische Einbindung gemäß 21 und 22 den
nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass durch die Wegdämpfung
von Temperaturspitzen im Zweig mit den Kühlern 40/50/60 vor dem
Einströmen in den Motor erheblich weniger Anforderungen
bezüglich des Temperaturreglers 6 und der Variation/Taktung
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv erforderlich
sind als bei bisher bekannten Systemen ähnlicher Art.
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Die
bisherigen Ausführungen und die Beschreibungen zu 1–22 haben
sich auf Kühl- und Heizkreislauf für Kraftfahrzeuge
mit einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 bezogen, bei der die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zwischen
der Hauptmotorkühlmittelpumpe und dem Eintritt in den Wassermantel
liegt. Speziell die beschriebenen Funktionalitäten bezüglich
der Kühlmittelleitungen 4at, 4am und
ganz besonders 4ak und 4ab lassen sich aber auch
durchaus vorteilhaft nutzten, wenn die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv nicht
explizit zwischen der Pumpe und dem Wassermantel sitzt. Stellvertretend
für die Vielzahl an bereits gezeigten Kreisläufen
zeigen 23 und 24, ausgehend
von 15, entsprechende Kühlkreisläufe
mit einer geänderten Position der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv.
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In 23 ist
die Funktionalität ”Stehendes Kühlmittel
im Motor” exemplarisch durch das von der Motorsteuerung 20 betätigte
Kühlmittelabsperrventil 6bv im Bypasszweig 6b realisiert,
in Verbindung mit dem Druckventil 40pv und abgeschalteter
Pumpe 2.
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Noch
kostengünstiger ist die Lösung gemäß
24,
bei welcher ein auf den Kühlmitteldruck relativ zum Umgebungsdruck
reagierendes Kühlmittelabsperrventil
6bv zum Einsatz
kommt. Ein derartiges Ventil wird bevorzugt so ausgelegt, dass bei
Erreichen eines Kühlmittelsystemdrucks von beispielsweise
0,5 bar der Kühlmittelsystemdruck bereits ausreicht um
die Öffnung herbeizuführen und insbesondere, dass
unterhalb dieses Systemdruckes eine Öffnung nur bei relativ
hoher Motordrehzahl von beispielsweise 2000–3000 l/min
erfolgt. Ein entsprechendes Ventilbeispiel ist in
25 gezeigt.
Dieses __ ist identisch mit
12 der
DE 10 2004 058 864.3 .
Der Druck des Kühlmittels am Eintritt in das Ventil selbst
setzt hierbei eine Druckdose in Bewegung und öffnet gegen
eine Vorspannung der Membran
101, sobald der Kühlmitteldruck
relativ zum Umgebungsdruck bzw. der Kühlmittelabsolutdruck
zu groß ist.
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Mit
einer solchen autarken Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv verliert
man zwar den Vorteil, dass das Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung frei
wählbar ist und somit insbesondere auch der Zeitpunkt der Ölkühlerströmungsrichtungsumkehr,
doch es lässt damit sich bei geeigneter Abstimmung der Druckverluste
im Bypasszweig 6b und im Fahrzeugkühlerzweig 6a ein
betriebssicheres und ganz besonders kosteneffizientes System aufbauen.
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Ganz
grundsätzlich ist es bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv – und
damit bei zunächst stehendem oder stark durchflussreduziertem Kühlmittel
im Motor – besonders vorteilhaft, wenn mindestens 2 Zweige 4ab und 4ak mittels
einer el. Zusatzpumpe 2 Kühlmittel von einer besonders
heißen Stelle des Kühlkreislaufs stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv beziehen,
insbesondere vom Wassermantel nahe des Kühlmittelaustritts
aus dem Motor oder auf der Zylinderkopfsseite der Auslassventile
des Ladungswechsel-Ventilsystems, und dieses Kühlmittel
bei motoreinlassseitiger Kühlmittelabsperrung 6bv stromab
oder bei auslassseitiger Absperrvorrichtung 6bv stromauf
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zum Wassermantel
des Motorzylinderkopfes 1k und/oder des Motorzylinderblocks 1b zurückfördern,
wenn hierbei zumindest ein Zweig 4ab und/oder 4ak einen
Heizungswärmetauscher 4 und/oder einen Motorölkühler 40 und/oder
einen anderen Wärmetauscher enthält.
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Die
damit beschrieben Vorteile und Möglichkeiten bezüglich
der Maximierung der Kabinenheizleistung wurden bereits ausführlich
beschrieben. Ganz besonderes Interesse kommt hierbei dem Motorölkühler 40 zu,
der bei dem Beispiel gemäß 15 ebenso
wie bei den Beispielen gemäß 23 und 24 zumindest
bei entsprechender Auslegung des Heizungszweigs 4a und
des Heizungswärmetauschers 4 als wichtige Wärmequelle für
Kabineheizzwecke aktiviert werden kann.
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15, 23 und 24 zeigen
insbesondere die besonders vorteilhafte Option auf, den Getriebeölkühler 60 und/oder
den EGR-Kühler 50 durch Unterbindung der Durchströmung
des Heizungszweigs oder durch eine Heizleistungsentnahme vom eigentlichen
Warmlauf des Motors zumindest teilweise abzukoppeln, insbesondere
wenn die Leitung 4am besonders nahe am druckseitigen Austritt
der Hauptkühlmittelpumpe 7 beginnt.
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Dies
liefert speziell im winterlichen Warmlauf, aufgrund der sich einstellenden
thermischen Spreizung bei Wärmeentnahme, bei gegebenenfalls abgasseitig
deaktiviertem EGR-Kühler eine signifikante Reduktion der
wärmeaktiven Masse und der Oberflächenwärmeverluste,
verbunden mit einer Verbesserung der Heizleistung.
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Der
Entfall der Ventile 40pv und/oder 40sv, z. B.
in 15, 24 und 25 ist
aus Kostengründen in vielen Fällen durchaus ohne
unvertretbare Einbußen an Heizleistung möglich.
Und auch die damit in der Regel verbundenen Kraftstoffverbrauchsnachteile
verglichen mit dem Optimalsystem lassen sich bei geeigneter Durchflussabstimmung, insbesondere
mit stufenlos regelbarer Zusatzpumpe 2, auf relativ niedrigem
Niveau halten.
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Dennoch
ist es zur Maximierung der Vorteile bezüglich der Kabinenheizwirkung
besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Ventil, insbesondere ein Überdruckventil 4pv und/oder
ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Ventil 4ev und/oder
ein Thermostatventil 4tv und/oder ein Rückschlagventil 4rv und/oder
ein Durchflussbegrenzungsventil 4sv bei eingeschalteter
el. Kühlmittelpumpe 2 und geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv den
Durchfluss durch den Motorölkühler 40 und/oder
andere Kühler in einer ersten Phase unterbindet oder drosselt
und in einer zweiten Phase freigibt, und insbesondere, dass eine
Variation der Fördermenge der el. Pumpe die Umschaltung
zwischen der ersten und zweiten Phase vornimmt.
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Speziell
wenn mit relativ geringem Heizungskühlmitteldurchfluss
für maximale Kabinenheizleistung gearbeitet wird, ist es
insbesondere im Heißlandtest extrem hilfreich, dass durch
das Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine
Umkehrung der Kühlmittelströmungsrichtung im den Ölkühler 40 und/oder
in der einen anderen Wärmetauscher enthaltenden Zweig 4ab oder 4ak erfolgt
und dass das Kühlmittel dieses Zweigs nach Öffnen
der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zur Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 strömt.
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Wie
bereits erwähnt, ist es besonders kostengünstig,
wenn als Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ein
von der Motorsteuerung 20 ansteuerbares Ventil 6bv oder
ein unter dem Kühlmitteldruck relativ zum Umgebungsdruck
autark öffnendes Ventil 6bv stromauf der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und stromab
des Wassermantels des Zylinderblocks und/oder Zylinderkopfes angeordnet
ist. Dabei ist es zwar vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig,
die EGR-Kühlereinbindung und/oder die Getriebeölkühlereinbindung
gemäß 23 oder 24 auszugestalten,
andere Lösungswege sind in 1–22 zumindest
ansatzweise enthalten.
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Ganz
grundsätzlich gilt für die hier beschriebenen
Funktionalitäten mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung
6bv,
dass es besonders vorteilhaft ist, zur Kabinenheizleistungssteigerung
einen Hochleistungsheizungswärmetauscher
4, insbesondere
ein Hochleistungswärmetauscher gemäß
PCT/DE 2008/000613 ,
zu verwenden und dass bei geschlossener Kühlmittelabschaltvorrichtung
6bv das
Kühlmittel am Hochleistungsheizungswärmetauscher
mittels moderat gewählter Kühlmitteldurchflüsse
sehr stark abgekühlt wird um die thermische Spreizung am
Motor bzw. im Heizkreislauf dazu zu verwenden, die effektive wärmeaktive
Masse und die Oberflächenwärmeverluste zu reduzieren.
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Dies
gilt mit und ohne Motorölkühler 40.
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Ganz
besonders effektiv ist es darüber hinaus bei Kühlsystemen
mit Motorölkühler 40, wenn zumindest
im Verlauf des Warmlaufs der Heizungswärmetauscher 4 am
Kühlmittel eine so große Temperaturabsenkung herbeiführt,
dass vor dem Kühlmittelwiedereintritt in den Motor am Motorölkühler 40 bereits
sehr früh im Warmlauf Wärme vom Öl ins
Kühlmittel übertragen wird.
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Wie
exemplarisch in 15, 24 und 25 gezeigt
wird, ist für die Umsetzung des erfindungsgemäßen
Gedankenguts in den Fällten mit el. Zusatzpumpe 2 eine
Vorrichtung besonders wirksam und gleichzeitig sehr kosteneffektiv,
bei der im Heizungszweig 4a ein Druckventil 40pv angeordnet
ist, welches erst ab einem Mindestdruck der el. Kühlmittelpumpe 2 öffnet
und bei der die el. Kühlmittelpumpe 2 bei geringerem
Förderdruck dazu verwendet wird, bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ohne
Durchströmung des Heizungswärmetauschers 4 und/oder
des(der)Motorölkühler(s) für einen motorinternen
Temperaturausgleich zu sorgen.
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Die
Anordnung der Zusatzpumpe 2 stromauf des Heizungswärmetauschers
hat hier den ganz besonderen Vorteil, dass sich damit der Temperaturausgleich
im Zweig 4ak mit einer besonders geringen wärmeaktiven
Masse realisieren lässt. Dies gilt mit und ohne Durchflussbegrenzungsventil 40sv im Zweig 4ak.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004058864 [0012, 0114]
- - EP 1657446 A2 [0013, 0015, 0018, 0018]
- - DE 2008/000613 [0062, 0063, 0066, 0124]