DE102010010594A1

DE102010010594A1 - Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010010594A1
Application number: DE102010010594A
Authority: DE
Inventors: Matthias Honzen; Markus Köhne; Volker Boestfleisch; Hermann Henning
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: CN102191987B; EP2375025A2; CN102191987A; EP2375025B1; EP2375025A3; JP2011185267A; DE102010010594B4; US20110214628A1; US8464669B2

Abstract

Kühlkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2, aufweisend eine Brennkraftmaschine 2 mit mindestens einem Zylinderkopf 3 und einem Kurbelgehäuse 4, eine Kühlmittelpumpe 5, einen Hauptwärmetauscher 6 und einen Wärmetauscher 7 für einen Betriebsstoff der Brennkraftmaschine 2, wobei sich der Kühlkreislauf 1 stromab der Kühlmittelpumpe 5 zwischen einer Verzweigungsstelle A und einer Verbindungsstelle B aufteilt, so dass der mindestens eine Zylinderkopf 3 in einem Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 und das Kurbelgehäuse 4 in einem Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 eingebunden ist und wobei der Wärmetauscher 7 für einen Betriebsstoff im Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 stromab des mindestens einen Zylinderkopfes 3 angeordnet ist.

Description

Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit getrennter Durchströmung von Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse, und einem Wärmetauscher zur Kühlung von Betriebsstoffen der Brennkraftmaschine.
Derartige Kühlkreisläufe werden im Kraftfahrzeugbau zur Wärmeabfuhr von der Brennkraftmaschine und zur Kühlung von Betriebsstoffen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Abgas, Frischgas oder Schmiermittel genutzt, wodurch sich der Wirkungsgrad und/oder die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine beeinflussen lässt.
Die DE 10 2004 052 137 A1 zeigt eine Zweikreiskühlung für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und einem Zylinderkopf. Das Kurbelgehäuse ist in einen Kurbelgehäuse-Kühlmittelkreislauf eingebunden, während der Zylinderkopf in einen separaten Zylinderkopf-Kühlmittelkreislauf eingebunden ist. Beide Kühlmittelkreisläufe werden von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe gespeist. Der Kurbelgehäuse-Kühlmittelkreislauf kann durch ein Stellelement verschlossen werden, wodurch sich das Kurbelgehäuse nach einem Kaltstart schneller erwärmt. Weiterhin ist es möglich die beiden Kühlmittelkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu betreiben.
Die DE 103 32 947 A1 beschreibt ebenfalls eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer Zweikreiskühlung, bei der Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse über separate Kühlmittelzweige verfügen, die über einen gemeinsamen Zulauf von einer Kühlmittelpumpe gespeist werden. Das Kühlmittel auf dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse wird nach dem Austritt aus den entsprechenden Bauteilen wieder zusammengeführt und zur Kühlmittelpumpe rezirkuliert. Dabei kann das Kühlmittel wahlweise über einen Zweig mit Abgaskühler, Heizungswärmetauscher und Ölkühler zur Kühlmittelpumpe geführt werden oder aber über einen zweiten Zweig wahlweise zum Hauptwärmetauscher oder unter Umgehung des Hauptwärmetauschers direkt zur Kühlmittelpumpe geleitet werden.
Nachteilig ist jedoch, dass der Abgaskühler bei dem gezeigten Kühlmittelkreislauf nur mit solchem Kühlmittel beaufschlagt werden kann, welches bereits den gesamten Motor, also sowohl den Zylinderkopf, als auch das Zylinderkurbelgehäuse, durchströmt hat und dementsprechend erwärmt ist. Dadurch ergeben sich Wirkungsgradverluste bei der Kühlung des Abgases. Zudem benötigt die Integration von zwei verschiedenen Zweigen zur Rückführung des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe einen großen Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, in dem ein Wärmetauscher zur Kühlung von Betriebsstoffen der Brennkraftmaschine mit geringem Bauraumbedarf angeordnet und möglichst effizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine, aufweisend eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und einem Kurbelgehäuse, eine Kühlmittelpumpe, einen Hauptwärmetauscher und einen Wärmetauscher für einen Betriebsstoff der Brennkraftmaschine, wobei sich der Kühlkreislauf stromab der Kühlmittelpumpe zwischen einer Verzweigungsstelle und einer Verbindungsstelle aufteilt, so dass der mindestens eine Zylinderkopf in einem Zylinderkopf-Zweigkreislauf und das Kurbelgehäuse in einem Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf eingebunden ist und wobei der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff im Zylinderkopf-Zweigkreislauf stromab des mindestens einen Zylinderkopfes angeordnet ist.
Indem der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff der Brennkraftmaschine stromab des Zylinderkopfes und stromauf der Verbindungsstelle in den Zylinderkopf-Zweigkreislauf eingebunden ist, wird dieser von dem im Vergleich zum Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf kühleren Kühlmittel des Zylinderkopf-Zweigkreislaufs durchströmt. Dadurch kann der Betriebsstoff in dem entsprechenden Wärmetauscher besser gekühlt werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad und/oder die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine auswirkt. Natürlich können neben den genannten Bestandteilen des Kühlkreislaufs auch noch weitere Elemente, wie ein Heizungswärmetauscher, je nach Bedarf integriert werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Absperrventil im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf stromab des Kurbelgehäuses angeordnet. Durch das Absperrventil kann der Kühlmittelvolumenstrom im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf reguliert werden. So kann durch eine Absperrung des Kurbelgehäuse-Zweigkreislaufs vorzugsweise nach dem Start der Brennkraftmaschine eine schnellere Erwärmung derselben erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Hauptwärmetauscher stromab der Verbindungsstelle angeordnet. Der Hauptwärmetauscher hat die größte Kühlkapazität und kann mit Kühlmittel aus dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse beaufschlagt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Steuerventil zwischen Kühlmittelpumpe und Hauptwärmetauscher angeordnet. Das Steuerventil reguliert den der Kühlmittelpumpe zuzuführenden Kühlmittelvolumenstrom.
In einer bevorzugten Ausführung zweigt zwischen Hauptwasserkühler und Verbindungsstelle eine Bypassleitung ab, die an dem Steuerventil angebunden ist. Die Bypassleitung dient der bedarfsweisen Umgehung des Hauptwärmetauschers, indem das Kühlmittel aus dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse stromab der Verbindungsstelle abgezweigt wird und dem Steuerventil zugeführt wird. Das Steuerventil kann temperaturabhängig zwischen der Durchströmung der Bypassleitung oder des Hauptwärmetauschers umschalten. Dazu ist das Steuerventil bevorzugt als ein Kennfeldthermostat ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführung werden zwei oder mehr Zylinderköpfe im Zylinderkopf-Zweigkreislauf parallel durchströmt und der Wärmetauscher für den Betriebsstoff ist stromab der Zylinderköpfe angeordnet. Bei Brennkraftmaschinen mit Zylinderbänken in V- oder W-Anordnung finden sich mehrere Zylinderköpfe. Diese sind parallel in den Zylinderkopf-Zweigkreislauf eingebunden, wobei das Kühlmittel aus den Zylinderköpfen vor der Zuführung in den Wärmetauscher des Betriebsstoffes wieder gesammelt wird.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff als Ladeluftkühler ausgebildet. Ein Ladeluftkühler dient der Abkühlung von durch einen Lader verdichteter Frischluft, wodurch sich Wirkungsgradgewinne erzielen lassen.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff als Abgaskühler ausgebildet. In einem Abgaskühler wird zumindest ein Teil des aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgases gekühlt, um es als Inertgas dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zuzuführen (Abgasrückführung). Die daraus resultierende Verringerung der Verbrennungstemperatur reduziert den Anteil an Stickoxiden im Abgas.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Darin zeigt die Figur eine schematische Ansicht des Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine.
Gemäß der Figur hat eine Brennkraftmaschine 2 ein Kurbelgehäuse 4, welches Zylinder in einzelnen Brennräumen beinhaltet, und einen Zylinderkopf 3, der die für den Gaswechsel der Brennräume benötigten Vorrichtungen enthält. Die Brennkraftmaschine 2 setzt bei ihrem Betrieb chemische Energie in mechanische und thermische Energie um, weshalb diese in einen Kühlkreislauf 1 zur Wärmeabfuhr eingebunden ist. Bei der dargestellten Zweikreiskühlung fördert die Kühlmittelpumpe 5 Kühlmittel zur Brennkraftmaschine 2, wobei der Kühlmittelstrom sich an einer Verzweigungsstelle A in zwei parallele Zweigkreisläufe 8 und 9 aufteilt. Der Zylinderkopf 3 ist in einen Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 und das Kurbelgehäuse 4 in einen Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 eingebunden. Durch die in den Brennräumen des Kurbelgehäuses 4 hauptsächlich stattfindende Umsetzung der Energie, erwärmt sich das Kurbelgehäuse 4 beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 schneller und stärker als der Zylinderkopf 3. Die Zweigkreisläufe 8 und 9 werden stromab des Zylinderkopfes 3 beziehungsweise des Kurbelgehäuses 4 an einer Verbindungsstelle B wieder zusammengeführt. Im Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 ist zwischen Zylinderkopf 3 und Verbindungsstelle B ein Wärmetauscher 7 für ein Betriebsstoff der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Betriebsstoffe sind in diesem Zusammenhang Gase oder Flüssigkeiten, die für die Funktion der Brennkraftmaschine 2 benötigt werden, wie beispielsweise Abgas, Frischgas oder Schmiermittel. Im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 zwischen Kurbelgehäuse 4 und Verbindungsstelle B ist ein Absperrventil 10 angeordnet, wodurch der Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 zum Zwecke einer schnelleren Erwärmung der Brennkraftmaschine 2, insbesondere des Kurbelgehäuses 4, bedarfsweise abgesperrt werden kann.
Das Absperrventil 10 ist vorzugsweise als ein unterdruckbetätigtes Drehventil auszuführen. Von der Verbindungsstelle B gelangt das Kühlmittel zu einem Hauptwärmetauscher 6 und von diesem zu einem Steuerventil 11. Der Ausgang des Steuerventils 11 ist mit der Ansaugseite 5 der Kühlmittelpumpe 5 verbunden. Zwischen der Verbindungsstelle B und dem Hauptwärmetauscher 6 zweigt an einem Bypassabzweig C eine Bypassleitung 12 ab, durch die Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine 2 unter Umgehung des Hauptwasserkühlers 6 zum Steuerventil 11 und somit zur Kühlmittelpumpe 5 gelangen kann. Das Steuerventil 11 ist zu diesem Zweck vorzugsweise als ein Kennfeldthermostat oder ein Drehschieber mit zwei Zuläufen und einem Ausgang auszuführen. Natürlich beschränkt sich der erfindungsgemäße Kühlkreislauf 1 nicht auf die dargestellten Elemente. Vielmehr können zusätzliche Heizungswärmetauscher, Ölkühler, Wasserkühler, etc. in den Kühlkreislauf 1 oder einen Teilkreislauf davon integriert werden.
Bezugszeichenliste

A: Verzweigungsstelle
B: Verbindungsstelle
C: Bypassabzweig
1: Kühlkreislauf
2: Brennkraftmaschine
3: Zylinderkopf
4: Kurbelgehäuse
5: Kühlmittelpumpe
6: Hauptwärmetauscher
7: Wärmetauscher für ein Betriebsstoff
8: Zylinderkopf-Zweigkreislauf
9: Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf
10: Absperrventil
11: Steuerventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004052137 A1 [0003]
DE 10332947 A1 [0004]

Claims

Kühlkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), aufweisend eine Brennkraftmaschine (2) mit mindestens einem Zylinderkopf (3) und einem Kurbelgehäuse (4), eine Kühlmittelpumpe (5), einen Hauptwärmetauscher (6) und einen Wärmetauscher (7) für einen Betriebsstoff der Brennkraftmaschine (2), wobei sich der Kühlkreislauf (1) stromab der Kühlmittelpumpe (5) zwischen einer Verzweigungsstelle (A) und einer Verbindungsstelle (B) aufteilt, so dass der mindestens eine Zylinderkopf (3) in einem Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) und das Kurbelgehäuse (4) in einem Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf (9) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) für einen Betriebsstoff im Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) stromab des mindestens einen Zylinderkopfes (3) angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrventil (10) im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf (9) stromab des Kurbelgehäuses (4) angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (6) stromab der Verbindungsstelle (B) angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (11) zwischen Kühlmittelpumpe (5) und Hauptwärmetauscher (6) angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hauptwasserkühler (6) und Verbindungsstelle (B) eine Bypassleitung (12) abzweigt, die an dem Steuerventil (11) angebunden ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (11) als Kennfeldthermostat ausgebildet ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Zylinderköpfe (3) im Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) parallel durchströmt werden und der Wärmetauscher (7) für einen. Betriebsstoff stromab der Zylinderköpfe (3) angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) für einen Betriebsstoff als Ladeluftkühler ausgebildet ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) für ein Betriebsstoff als Abgaskühler ausgebildet ist.