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Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit einem Hauptkühlkreislauf, der einen Hauptkühler, eine Hauptkühlmittelpumpe und ein Thermostat aufweist, welcher eine Kühlmittelzufuhr zu dem Hauptkühler in Abhängigkeit der Temperatur eines Kühlmittels steuert, und mit einem Nebenkühlkreislauf, der einen Abgasrückführungskühler sowie eine Kühlmittelpumpe aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kühlkreislaufs.
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Durch die Einführung strengerer gesetzlicher Abgasnormen für Dieselmotoren wird eine weitere Emissionssenkung notwendig, die beispielsweise mit einer gekühlten Abgasrückführung erreicht werden kann. Dabei wird das zurückzuführende Abgas zunächst dem Hauptstrom vor oder nach der Turbine des Abgasturboladers entnommen, danach gekühlt und nachfolgend dem Frischluftstrom der Verbrennungsluft vor bzw. nach dem Verdichter des Abgasturboladers wieder beigemischt.
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Bei der Ausgestaltung der gekühlten Abgasrückführung ist zu berücksichtigen, dass niedrige Abgastemperaturen nicht während des gesamten Fahrzeugbetriebs realisiert werden müssen. Da in den Abgasnormen im Wesentlichen die Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine betrachtet wird, ist es ausreichend, wenn die Steigerung der Kühlleistung nur für diese Betriebsphase realisiert wird.
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Zur Erfüllung zukünftiger Abgasnormen, insbesondere der EU 5, muss das zurückgeführte Abgas jedoch stärker als bisher abgekühlt werden. Die hierbei erforderlichen Abgastemperaturen am Austritt des Abgasrückführungskühlers können erreicht werden, indem ein leistungsstärkerer Kühler verwendet wird. Allerdings erfordert ein entsprechend in der Leistung gesteigerter Abgasrückführungskühler wesentlich größere Abmessungen als bisher übliche Kühler. Dies bedingt einen größeren Material- und Herstellungsaufwand. Problematischer als dieser primär kostenseitige Aspekt ist jedoch, dass zwangsläufig mehr Bauraum benötigt wird, der im Motorraum moderner Kraftfahrzeuge oftmals nicht verfügbar ist.
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Daher wird als Alternative zu größeren Abgasrückführungskühlern insbesondere eine Absenkung der Kühlwassertemperatur am Eintritt des Kühlers angestrebt, die mit den bisher bekannten technischen Lösungen jedoch nur bedingt möglich ist.
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Die
DE 103 32 949 A1 beschreibt einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine, der jeweils zwei Steuereinheiten und Wärmetauscher aufweist. Mit dieser aufwendigen technischen Lösung soll insbesondere für das Getriebeöl eine schnelle Vorwärmung in der Aufheizphase und eine wirksame Kühlung im Normalbetrieb bei erwärmter Brennkraftmaschine erreicht werden. Hierbei ist in einer Variante vorgesehen, dass in der Heizkreisleitung ein Abgasrückführungskühler angeordnet wird. Einerseits durchströmt das zurückgeführte Abgas den Wärmetauscher für die Abgasrückführung, andererseits ist der Wärmetauscher von Kühlmittel durchströmt. Somit wird das Abgas gekühlt, bevor es in den Brennraum strömt. Diese Abgaskühlung bewirkt eine Reduzierung der Stickoxide und somit eine verminderte Emission.
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Aufgabe der
DE 10 2006 048 527 A1 ist es, einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Hauptkühlkreislauf mit zumindest einem Hauptkühler, einer Kühlmittelpumpe und einem Thermostat, derart zu modifizieren, dass mit einem lediglich geringen Bauteil und Bauraumaufwand eine wirksame Absenkung der Kühlmitteltemperatur am Eintritt des Abgasrückführungskühlers erreicht wird. Hierzu ist der Strömungsweg zwischen dem Hauptkühler und dem Thermostat mit zwei separaten Strömungspfaden ausgestaltet, wobei der erste Strömungspfad von einem ersten Abschnitt des Kühlernetzes im Hauptkühler direkt zum Thermostat führt, wobei der zweite Strömungspfad von einem zweiten Abschnitt des Kühlernetzes im Hauptkühler über eine Elektropumpe und einen Abgasrückführungskühler zum Thermostat führt und wobei die beiden Abschnitte des Kühlernetzes durch eine im Wasserkasten des Hauptkühlers angeordnete Trennwand baulich voneinander getrennt sind.
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Aus der
DE 103 32 947 A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelzulaufanschluss, einem Kühlmittelrücklaufanschluss, einer Hauptkühlmittelpumpe und einer Steuereinheit bekannt, die in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur Kühlmittel dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs oder dem Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses zuführt. In dem Heizkreislauf ist ein Abgasrückführungskühler im Heizkreislauf stromabwärts nach der Brennkraftmaschine angeordnet, um so durch die Kühlung des der Verbrennung erneut zugeführten Abgases die Verbrennungstemperatur und damit dem NOx-Gehalt des Abgases zu reduzieren. Alternativ ist auch ein Kühlmittelkreislauf mit geänderter Anordnung offenbart, in welcher der Abgasrückführungskühler und der Motorölkühler unter Umgehung der Brennkraftmaschine direkt mit noch nicht erwärmtem Kühlmittel versorgt werden.
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Die
DE 10 2005 055 323 A1 bezieht sich ferner auf eine Kühleinrichtung, deren Auslegung nach den Erfordernissen der Extrembedingungen, beispielsweise Höchstgeschwindigkeit bei sehr hohen Außentemperaturen oder Bergfahrt mit Anhänger erfolgt. Im Normalbetrieb sind daher üblicherweise noch Kühlreserven vorhanden. Um eine überschüssig installierte Kühlleistung besser nutzen zu können, ist ein Ventil vorgesehen, das einen Niedertemperaturbereich zu einem Hauptbereich der Kühleinrichtung betriebsparameterabhängig öffnet oder schließt. Dadurch kann die im Normalbetrieb bei erreichter Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine vorhandene überschüssige Kühlleistung des für den Normalbetrieb überdimensionierten Kühlers genutzt werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kühlleistung des Kühlkreislaufs weiter zu verbessern. Weiterhin sollen unerwünscht hohe thermische Belastungen der Bauelemente vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kühlkreislauf gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 6 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Kühlkreislauf vorgesehen, bei dem der Hauptkühler und der Abgasrückführungskühler in einer Reihenschaltung in derselben Strömungsrichtung nacheinander durchströmbar in dem Hauptkühlkreislauf angeordnet sind und der Nebenkühlkreislauf eine einen Auslass des Abgasrückführungskühlers mit einem Einlass des Hauptkühlers verbindende Rücklaufleitung aufweist sowie ein Auslass des Hauptkühlers mittels eines Leitungsabzweigs mit einem Einlass des Abgasrückführungskühlers und mit einer Kühlerrücklaufleitung als Bypassleitung verbunden ist, durch die in Abhängigkeit der Betriebsphase ein Teilstrom des Kühlmittels unter Umgebung des Abgasrückführungskühlers der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Hierdurch wird zum einen durch die gleichbleibende Durchströmungsrichtung des Hauptkühlers sowie des Abgasrückführungskühlers die thermische Belastung im Vergleich zu einer Umkehrung der Strömung wesentlich reduziert. Bei geschlossenen Thermostat fördert die Kühlmittelpumpe das Kühlmittel durch den Abgasrückführungskühler zum Hauptkühler und von dort zurück zu der Kühlmittelpumpe. Die Rücklaufleitung ist in dieser Betriebsphase geöffnet und die Kühlerrücklaufleitung geschlossen. Es ergibt sich somit ein Kreislauf des Kühlmittels unter Umgehung der Brennkraftmaschine, der im Wesentlichen lediglich die Bauelemente Hauptkühler, Kühlmittelpumpe, Abgasrückführungskühler und Rücklaufleitung umfasst. In diesem Kreislauf wird die Kühlleistung ausschließlich oder zumindest weitgehend zur Kühlung des rückgeführten Abgases genutzt. Bei geöffnetem Thermostat fließt das Kühlmittel von der Brennkraftmaschine kommend über den Hauptkühler und durchströmt dann parallel den Abgasrückführungskühler und die Kühlerrücklaufleitung, welche hierzu vollständig oder zumindest teilweise geöffnet ist, während zugleich die Rücklaufleitung des Abgasrückführungskühlers geschlossen ist. Die Kühlmittelpumpe sorgt dann als Unterstützungspumpe dafür, dass der Abgasrückführungskühler immer mit einem ausreichenden Volumenstrom versorgt wird.
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Zum Schließen der Rücklaufleitung oder der Kühlerrücklaufleitung könnte jeweils ein verlustarmes Ventil, insbesondere eine Klappe, eingesetzt werden, die beispielsweise mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit erfasster Betriebsparameter betätigt werden könnte. Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Kühlkreislauf ein in der Rücklaufleitung angeordnetes Absperrorgan, insbesondere ein Rückschlagventil, und ein weiteres in der Kühlerrücklaufleitung angeordnetes Absperrorgan, insbesondere ein Rückschlagventil, aufweist, sodass das Öffnen und Schließen des Strömungsdurchlasses der jeweiligen Leitung allein aufgrund passiver Betätigung, insbesondere also der Förderleistung der Hauptkühlmittelpumpe, erfolgt. Dabei führt die während der gewöhnlichen Betriebsphase wirksame Förderleistung der Hauptkühlmittelpumpe in dem Hauptkühlkreislauf bei entsprechend geöffnetem Thermostat dazu, dass das Rückschlagventil in der Rücklaufleitung des Abgasrückführungskühlers schließt, während sich das Rückschlagventil in der Kühlerrücklaufleitung unter dem Einfluss des Fluiddrucks öffnet. Demgegenüber ist in der Warmlaufphase lediglich die Förderleistung der dem Abgasrückführungskühler zugeordneten Kühlmittelpumpe wirksam, während die Hauptkühlmittelpumpe ausgeschaltet bzw. der Hauptkühlkreislauf der Brennkraftmaschine durch das Thermostat unterbrochen ist. Dadurch öffnet sich das Rückschlagventil in der Rücklaufleitung und das Rückschlagventil in der Kühlerrücklaufleitung schließt sich, sodass der Kühlmittelkreislauf auf den Nebenkühlkreislauf beschränkt wird und die gesamte Kühlleistung des Abgasrückführungskühlers sowie des Hauptkühlers zur Kühlung des rückgeführten Abgases zur Verfügung steht.
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Die Kühlmittelpumpe könnte von der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Abwandlung der Erfindung, bei der die Kühlmittelpumpe einen elektrischen Antrieb aufweist, um so die Aufteilung des aus dem Auslass des Hauptkühlers austretenden Kühlmittestroms in Teilvolumenströme, die einerseits dem Abgasrückführungskühler, andererseits unter Umgehung desselben mittels der Kühlerrücklaufleitung unmittelbar der Brennkraftmaschine zuführbar sind, allein durch die Förderleistung der Kühlmittelpumpe einstellen zu können. Auf zusätzliche Strömungsleitelemente, beispielsweise einstellbare Drosseln, kann somit verzichtet werden, sodass sich eine Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus ergibt.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Leitungsabzweig zur Aufteilung der Volumenstromanteile variabel einstellbar ausgeführt, um so entsprechend der Betriebsphase einstellbare Volumenstromanteile der Kühlerrücklaufleitung als Bypassleitung oder dem Einlass des Abgasrückführungskühlers unabhängig von der Förderleistung der Kühlmittelpumpe zuführen zu können. Insbesondere kann die Kühlmittelpumpe dadurch in bestimmten Betriebsphasen ausgeschaltet werden, um so den Energieverbrauch zu reduzieren. Weiterhin kann die Kühlmittelpumpe entsprechend auf eine geringere Förderleistung ausgelegt werden, sodass die Herstellungskosten ebenso wie das Eigengewicht vermindert werden können.
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Weiterhin erweist es sich in der Praxis als besonders Erfolg versprechend, wenn mittels des Leitungsabzweigs zumindest ein Teilstrom dem Abgasrückführungskühler zuführbar ist und dem Kühlerrücklauf kein oder lediglich ein Teilstrom zuführbar ist, sodass also der Abgasrückführungskühler in jeder Betriebsphase von zumindest einem Teilstrom durchströmt wird, während der die Kühlerrücklaufleitung durchströmende Anteil des Kühlmittels erheblich reduziert oder die Durchströmung vollständig unterbrochen werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin noch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs gelöst, bei dem der Kühlmittelstrom zunächst einem Hauptkühler zugeführt wird und anschließend in einer ersten Betriebsphase, insbesondere in der Warmlaufphase, im Wesentlichen einem Abgasrückführungskühler und in einer zweiten Betriebsphase dem Abgasrückführungskühler sowie einer Kühlerrücklaufleitung als Bypassleitung unter Umgehung des Abgasrückführungskühlers zugeführt wird. Hierdurch wird also im Betrieb eine wesentliche Verbesserung der Kühlleistung erreicht, indem der Hauptkühler und der Abgasrückführungskühler in jeder Betriebsphase in derselben Richtung durchströmt werden, und in der zweiten, dem Normalbetrieb entsprechenden Betriebsphase zusätzlich ein Teilstrom unter Umgehung des Abgasrückführungskühlers unmittelbar der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn in einer Warmlaufphase der Kühlmittelstrom ausschließlich dem Abgasrückführungskühler zugeführt und mittels einer Rücklaufleitung in den Hauptkühler zurückgeführt wird. Hierdurch wird also in einfacher Weise ein auf den Hauptkühler und den Abgasrückführungskühler beschränkter Kreislauf als Kühler sowie für den in diesen Nebenkühlkreislauf eingebundenen Abgasrückführungskühler geschaffen, mit einer dementsprechend großen Kühlleistung. Auf diese Weise gelingt also eine auf die Warmlaufphase beschränkte maximale Kühlung des rückgeführten Abgases.
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Dabei wird eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass die Rücklaufleitung im Anschluss an die Warmlaufphase geschlossen wird oder selbsttätig schließt. Hierdurch wird das Rückströmen des mittels des Hauptkühlers gekühlten und durch den Abgasrückführungskühler fließenden Kühlmittels über die Rücklaufleitung zurück in den Hauptkühler vermieden. Aufgrund der sich dabei einstellenden Druckverhältnisse kann die Rücklaufleitung dabei in einfacher Weise durch ein selbsttätig schließendes Rückschlagventil verschlossen werden.
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Dabei erweist es sich auch als besonders zweckmäßig, wenn die in der zweiten Betriebsphase den Abgasrückführungskühler und die Kühlerrücklaufleitung jeweils durchströmenden Volumenstromanteile in Abhängigkeit der erfassten Betriebsbedingungen variabel eingestellt werden, um so auf die verschiedenen im Fahrbetrieb auftretenden Betriebsbedingungen flexibel reagieren und insbesondere das Kühlmittel jeweils bedarfsgerecht den zu kühlenden Bauelementen zuführen zu können.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 einen Kühlkreislauf in einer der Warmlaufphase entsprechenden ersten Betriebsphase;
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2 den Kühlkreislauf in einer zweiten Betriebsphase nach der Warmlaufphase.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils in einer Prinzipdarstellung einen Kühlkreislauf 1 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine. In dem Kühlkreislauf 1 ist einerseits in 2 ein Hauptkühlkreislauf 2 in einer dem Normalbetrieb entsprechenden zweiten Betriebsphase, andererseits in 1 ein Nebenkühlkreislauf 3 in einer der Warmlaufphase entsprechenden ersten Betriebsphase dargestellt. Zur Verdeutlichung ist in 1 der Nebenkühlkreislauf 3 durch eine Strichlinie hervorgehoben, wohingegen in 2 der Hauptkühlkreislauf 2 durch eine Strichlinie hervorgehoben ist.
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Wie in 1 ersichtlich wird in dem Nebenkühlkreislauf 3 in der Warmlaufphase mittels eines nicht gezeigten Thermostats die Kühlmittelzufuhr zu der Brennkraftmaschine unterbrochen, sodass sich der Kühlmitteldurchfluss auf einen Hauptkühler 4 sowie im Nebenkühlkreislauf 3 auf einen Abgasrückführungskühler 5 sowie eine Kühlmittelpumpe 6 beschränkt. Hierzu ist ein Auslass 7 des Hauptkühlers 4 mittels eines Leitungsabzweigs 8 mit der elektrisch antreibbaren Kühlmittelpumpe 6 und im weiteren Strömungsverlauf mit einem Einlass 9 des Abgasrückführungskühlers 5 verbunden, welcher der Kühlung des der Brennkraftmaschine zurückzuführenden Abgases dient. Ein Auslass 10 des Abgasrückführungskühlers 5 ist mittels einer Rücklaufleitung 11 mit einem Einlass 12 des Hauptkühlers 4 verbunden und schließt so den Nebenkühlkreislauf 3. Da in dieser Betriebsphase lediglich die Förderleistung der Kühlmittelpumpe 6 wirksam ist, schließt ein in einer hinter dem Leitungsabzweig 8 in einer Kühlerrücklaufleitung 13 als Bypassleitung zu dem Abgasrückführungskühler 5 angeordnetes Rückschlagventil 14 selbsttätig, sodass kein zusätzliches Absperrorgan erforderlich ist. Zugleich öffnet sich ein in der Rücklaufleitung 11 angeordnetes weiteres Rückschlagventil 15 und ermöglich das Rückströmen des Kühlmittels zu dem Hauptkühler 4.
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Demgegenüber zeigt 2 einen gewöhnlichen Betrieb der Brennkraftmaschine, der sich üblicherweise der Warmlaufphase anschließt. In dieser Phase erfordert die Brennkraftmaschine die Hauptkühlleistung, sodass der Hauptkühler 4 vornehmlich das der Brennkraftmaschine zuzuführende Kühlmittel kühlt. Zugleich wird die Hauptförderleistung des Kühlmittels mit dem entsprechenden Fluiddruck durch die nicht gezeigte Hauptkühlmittelpumpe erzeugt. Infolgedessen schließt das in der Rücklaufleitung 11 angeordnete Rückschlagventil 15, sodass der gesamte Kühlmittelstrom zunächst den Hauptkühler 4 durchläuft. Mittels des Leitungsabzweigs 8 wird anschließend der Kühlmittelstrom sowohl dem Abgasrückführungskühler 5 als auch der Kühlerrücklaufleitung 13 als Bypassleitung unter Umgehung des Abgasrückführungskühlers 5 zugeführt, wobei sich unter dem Einfluss des Kühlmitteldrucks das in der Kühlerrücklaufleitung 13 angeordnete Rückschlagventil 14 öffnet. Alternativ kann ein den Auslass 10 des Abgasrückführungskühlers 5 mit der Kühlerrücklaufleitung 13 verbindender Knotenpunkt 16 so mit einem Auslass eines als Klappe ausgeführten Absperrorgans verbunden sein, dass dieses in der Funktion vergleichbar mit dem Rückschlagventil 14 aufgrund einer Rückströmung aus dem Abgasrückführungskühler 5 in der in 1 gezeigten Warmlaufphase selbsttätig schließt. In Abhängigkeit der Betriebsbedingungen erfolgt dabei eine variable Aufteilung der Volumenstromanteile, sodass das Kühlmittel entsprechend dem Kühlbedarf aufgeteilt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10332949 A1 [0006]
- DE 102006048527 A1 [0007]
- DE 10332947 A1 [0008]
- DE 102005055323 A1 [0009]
