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Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches zumindest zwei Kühlkreisläufe aufweist, von denen ein Blockkühlkreislauf mit Motoröl durchströmt ist, und ein Kopfkühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium durchströmt ist, wobei beide Kühlkreisläufe einen gemeinsamen Wärmetauscher aufweisen.
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Der
DE 10 2006 019 086 A1 ist kein Hybrid-Kühlsystem im Sinne der Erfindung entnehmbar. Die DE 10 2006 019 086 A1 befasst sich überwiegend damit, in einem Ölkreislauf, also wohl in einem Schmierölkreislauf eine sorgfältige Dimensionierung der Motorölpumpe in Abstimmung mit dem für Schmierungs- und Kühlungszwecken benötigten Schmierölbedarf vorzunehmen. Weiter werden in der DE 10 2006 019 086 A1 lediglich ohnehin bekannte Kolbenspritzdüsen offenbart, welche Schmieröl zu Kühlungszwecken an die Kolben spritzen. Hierzu offenbart die DE 10 2006 019 086 A1, dass der Druck in dem Hauptölkanal zunächst oberhalb des Öffnungsdruckes der Ölspritzdüssen zu halten ist.
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Die
US 5,220,891 offenbart ebenfalls kein Hybrid Kühlsystem im Sinne der Erfindung. Vielmehr offenbart die US 5,220,891 lediglich einen Schmierölkreislauf, welcher selbstverständlich einen hinlänglich bekannten Ölkühler aufweist.
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Die
DE 600 05 872 T2 offenbart zwei komplett voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe, und zwar einen Blockkühlkreislauf und einen Kopfkühlkreislauf. Der Blockkühlkreislauf ist mit Motoröl durchströmt. Der Kopfkühlkreislauf ist mit Wasser bzw. einer Mischung daraus durchströmt. Beide Kühlmedien durchströmen einen gemeinsamen Wärmetauscher.
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Hybrid Kühlkreisläufe sind bekannt.
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Die
DE 31 39 621 A1 zum Beispiel offenbart ein Kühlsystem, bei welchem der Zylinderblock mittels Motoröl gekühlt wird (Blockkühlkreislauf), wobei das Motoröl gleichzeitig die Funktion des Schmieröls übernimmt. Das Öl, als primäres Kühlmedium, zirkuliert in einem primären Kühlkreislauf. Der Verbrennungsmotor weist einen Turbolader auf, welcher dem Verbrennungsmotor zuzuführende Frischluft verdichtet. Diese Ladeluft wird in einem Ladeluftkühler durch Wärmeübertragung von Kühlwasser auf die Ladeluft gekühlt. Das Wasser, als sekundäres Kühlmedium, zirkuliert in einem sekundären Kühlkreislauf, in welchem auch der Zylinderkopf eingebunden ist. Der primäre Kreislauf weist zusammen mit dem sekundären Kreislauf einen gemeinsamen Öl-Wasser-Wärmetauscher auf. Die
DE 31 39 621 A1 verfolgt dabei, grundsätzlich ohne spezielle Beachtung einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors, das Ziel, dass die Ladeluft bei maximalem Drehmoment des Verbrennungsmotors ihre niedrigste Temperatur und bei minimalem Drehmoment ihre höchste Temperatur annehmen kann.
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Die
EP 0 239 997 B1 offenbart ebenfalls einen Verbrennungsmotor mit einem Hybrid-Kühlkreislauf, bei welchem der Motorblock mittels Öl und der Zylinderkopf mittels Wasser gekühlt ist. Allerdings umfasst die Zylinderkopfkühleinrichtung einen um den Zylinderkopf und um den oberen Zylinderabschnitt des Blockes gebildeten Wassermantel zur Zirkulation von Kühlwasser, während der Rest des Blockes mittels Öl gekühlt wird.
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Diesen bekannten Hybrid-Kühlkreislauf, also einem mit einem Wasser/Glykol-Gemisch gekühlten Zylinderkopf und einem mit Öl gekühlten Zylinderblock liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Wärmeübergang in das Kühlmedium im Zylinderkopf sehr hoch ist, wohingegen der Wärmeübergang in das Öl, also in das Kühlmedium des Zylinderblockes, eher gering ist. Von daher sind Bestrebungen im Gange, den Wasserkreislauf des Zylinderblocks durch einen Ölkreislauf zu ersetzen.
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Mittels eines gemeinsamen Wärmetauschers, bzw. eines gemeinsamen Öl-Wasser-Wärmetauschers ist es möglich beide Kühlkreisläufe zusammen zu führen, um einen Wärmeaustausch zwischen beiden Kühlkreisläufen zu erreichen. Insbesondere wird dem im Zylinderblock zirkulierenden Öl Wärme entzogen. Dies ist insbesondere bei einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors nachteilig zu beurteilen.
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Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Hybrid-Kühlkreislauf anzugeben, wobei gleichzeitig ein Vorgehen zum Steuern, also eine Steuerstrategie des eingangs genannten Hybrid-Kühlkreislauf angegeben werden soll.
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Erfindungsgemäß wird der vorrichtungstechnische Teil der Aufgabe durch einen Hybrid-Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe mit einem Verfahren bzw. mit einer Steuerstrategie mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst wird.
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Vorgesehen ist, dass der Kopfkühlkreislauf ein Mittel zum Unterbinden einer Kühlmittelströmung aufweist, welches einen Kühlmittelstrom im Kopfkühlkreislauf zumindest in einer ersten Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors sowohl zum Wärmetauscher als auch im Kopfkühlkreislauf selbst unterbindet, und dass der Blockkühlkreislauf ein Fördermittel aufweist, welches das Motoröl druckbehaftet ständig, also auch während der zumindest ersten Phase der Warmlaufphase ständig durch den Blockkühlkreislauf und von hier druckbehaftet zu, zu schmierenden Lagern auch im Zylinderkopf fördert, und dass in einer Steuerleitung des Blockkühlkreislaufs ein Steuerelement angeordnet ist, welches die Förderkapazität des Fördermittels durch den Blockkühlkreislauf zumindest in der ersten Phase der Warmlaufphase reduziert.
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Dabei wird davon ausgegangen, dass die Warmlaufphase beendet ist, wenn das Kühlmittel seine Betriebstemperatur aufweist, also wenn ein Hauptthermostat öffnet, was bei einer Kühlmitteltemperatur am Thermostaten von z. B. 90°C der Fall sein kann, und wenn das Öl blockausgangsseitig eine Grenztemperatur von z. B. 140°C aufweist. Die erste Phase der Warmlaufphase dagegen kann bereits bei einer Kühlmitteltemperatur enden, welche einen Betrag von z. B. 120°C aufweisen kann, wobei sich hier auf eine Kühlmitteltemperatur im Zylinderkopf bezogen wird. Diese Temperatur kann gemessen werden. Denkbar ist aber auch ein Modell zu hinterlegen, welche die eingespritzte Kraftstoffmenge nachvollzieht, und abhängig von der eingespritzten Kraftstoffmenge die Warmlaufphase bzw. die erste Phase davon als beendet signalisiert. Möglich ist auch eine Bauteiltemperatur heranzuziehen, um eine Entscheidung bezüglich dem Ende der Warmlaufphase bzw. deren erster Phase zu bestimmen.
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Auch wird davon ausgegangen, dass der gemeinsame Wärmetauscher eine Ölseite und eine Wasserseite aufweist, welche einen Mediumaustausch zwischen beiden Kreisläufen vermeiden, gleichwohl aber einen Wärmeübertrag ermöglichen. Es wird vorteilhaft ein Wärmeaustausch zumindest in einer ersten Phase der Warmlaufphase im gemeinsamen Wärmetauscher unterbunden.
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Vorteilhaft kann das Mittel zum Unterbinden der Kühlmittelströmung als Absperrventil ausgeführt sein, welches im Kopfkühlkreislauf angeordnet ist. Günstiger Weise wird durch das Absperrventil im Kopfkühlkreislauf, also quasi durch eine „wasserseitige no-flow Strategie” so ein Wärmeübertrag im Wärmetauscher vermieden. Natürlich können auch andere Mittel zum Unterbinden einer Kühlmittelströmung und/oder zum vermeiden eines Wärmeübertrages im gemeinsamen Wärmetauscher vorgesehen sein. Denkbar ist zum Beispiel, eine elektrische Wasserpumpe bzw. eine schaltbare Wasserpumpe in ein Null-Förderereigneis zu schalten, so dass ebenfalls eine Kühlmitteströmung unterbunden ist, da die Wasserpumpe kein Kühlmittel fördert bzw. nicht zum Zirkulieren desselben beiträgt. Zum Vermeiden eines Wärmeaustausches kann auch ein die Wasserseite umgehender Bypass vorgesehen sein. Zudem kann auch ein Thermostatventil, z. B. in der Ausgestaltung als Wachsthermostat vorgesehen sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, das Fördermittel als variable Ölpumpe auszuführen. Der Blockkühlkreislauf mündet, ausgehend von dem Fördermittel, dabei stromab des Fördermittels in die Ölseite des Wärmetauschers. Stromab des Wärmetauschers mündet eine Verbindungsleitung aus dem Wärmetauscher herausführend im Kühlmantel des Zylinderblockes. Aus diesen gelangt das Kühlmittel bzw. das Motoröl temperiert (das Öl nimmt Wärme auf, kühlt also den Zylinderblock) zu einem Knotenpunkt, von welchem Verbindungsleitungen zu Lagerstellen im Zylinderblock aber auch im Zylinderkopf führen. Zudem können noch Kolbenspritzdüsen ausgehend von dem Kontenpunkt mit dem Motoröl versorgt werden. Von dem Knotenpunkt zweigt noch die Steuerleitung ab, in welchem das Steuerelement angeordnet ist. Die Steuerleitung mündet hier direkt in einem entsprechenden Eingang der variablen Pumpe.
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Der Knotenpunkt kann tatsächlich als Leitungsknoten, also als ein Verteiler ausgeführt sein. Natürlich kann auch vorgesehen sein, den Knotenpunkt aus mehreren T-Stücken zu bilden, welche mit einem Kanal verbunden sind.
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Stromab des Wärmetauschers ist im Blockkühlkreislauf noch eine Zweigleitung zu hydraulischen Steuereinheiten im Zylinderkopf, wie z. B. Nockenwellenversteller vorgesehen. Da die Zweigleitung stromab des Wärmetauschers, also auch stromauf des blockseitigen Kühlmantels angeordnet ist, ist das hier abgezweigte Öl nicht so temperiert, wie stromab des blockseitigen Kühlmantels.
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Der Kopfkühlkreis kann Komponenten, wie z. B. einen Kabinenwärmetauscher, das Absperrventil, ein Thermostat, einen Hauptkühler, eine Pumpe und den Kühlmantel des Zylinderkopfes umfassen, ohne dass dies beschränkend sein soll. Denkbar sind noch weitere Komponenten, welche aus Kühlsystemen bekannt sind. Ausgehend von der Pumpe (Die Pumpe kann, wie oben dargestellt, eine Null-Strömung bewirken, dann könnte auf das Absperrventil verzichtet werden) mündet eine Verbindungsleitung in dem Kühlmantel des Zylinderkopfes. Der Kühlmantel des Zylinderkopfes kann in eine Einlassseite und in eine Auslassseite aufgeteilt sein, was von der Erfindung mit umfasst sein soll. Im Folgenden wird jedoch ein einziger Kühlmittelmantel sowohl für die Einlassseite als auch für die Auslassseite bevorzugt. Das Kühlmedium, z. B. eine Wasser-Glykol-Mischung durchströmt den kopfseitigen Kühlmantel und strömt in den Kabinenwärmetauscher, und von hier in die Wasserseite des Wärmetauschers, also des Öl-Wasser-Wärmetauschers. Aus der Wasserseite des Wärmetauschers führt eine Rückführleitung zur Pumpe zurück. In der Rückführleitung ist das Absperrventil angeordnet, wobei das Thermostat stromab des Absperrventils und stromauf der Pumpe in der Rückführleitung angeordnet ist. Stromauf des Kabinenwärmetauschers zweigt eine Kühlerleitung ab, in welcher der Hauptkühler angeordnet ist. Die Kühlerleitung mündet stromab des Hauptkühlers in dem Thermostat. Das Thermostat dient vorzugsweise dazu, die Kühlerleitung zu öffnen oder zu schließen.
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Das Mittel zum Unterbinden der Kühlmittelströmung, in der bevorzugten Ausgestaltung als Absperrventil und das Steuerelement stehen erfindungsgemäß mit einer Steuereinheit, z. B. mit einer ohnehin vorhandenen zentralen Steuereinheit des Verbrennungsmotors bzw. des Kraftfahrzeuges in Verbindung. Eine Signalübertragung kann drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Der Steuereinheit werden über geeignete Messvorrichtungen zum einen eine Temperatur des Kühlmittels ausgangsseitig des Zylinderkopfkühlmantels und zum anderen der Temperatur des Öls ausgangsseitig des Blockkühlmantels zugeführt, wobei bevorzugt eine Temperaturaufnahme im Knotenpunkt des Blockkühlmantels stattfindet. Zudem können die entsprechenden Eingangstemperaturen aufgenommen werden. In der Steuereinheit sind Grenzwerte bezüglich kritischer Öltemperaturen und kritischer Kühlmitteltemperaturen, aber auch eine Öffnungstemperatur des Thermostaten (z. B. Wachselement) abgelegt. Im Folgenden wird das Kühlmedium des Kopfkühlkreislaufs der Einfachheit wegen als Kühlmittel bezeichnet, wobei das Kühlmedium des Blockkreislaufs als Öl bezeichnet wird.
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In der Steuereinheit ist ein Abgleich zwischen den entsprechenden Temperaturen möglich, so dass verschiedene Schaltzustände sowohl des Steuerelementes in der Steuerleitung aber auch des Absperrventils (Mittel zur Strömungsunterbindung) generierbar sind.
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Wird erkannt, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur (tcool) kleiner ist als die kritische Kühlmitteltemperatur (tcool, kritisch) und die tatsächliche Öltemperatur (Toil) kleiner ist als die kritische Öltemperatur (tcool, kritisch) und die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur kleiner ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten, wird das Steuerelement in der Steuerleitung des Blockkühlkreislaufs geöffnet und das Absperrventil sowie das Thermostat geschlossen. Derartige Temperaturparameter können eine erste Phase der Warmlaufphase anzeigen. In dieser Phase ist das Absperrventil vollständig geschlossen, was bedeutet, dass im Kopfkühlkreislauf kein Kühlmittel strömt (no flow Strategie). Ist das Steuerelement geöffnet, wird dem Fördermittel über die Steuerleitung ein relativ hoher Druck im Blockkühlkreislauf zugeleitet, was sich auf eine reduzierte Förderkapazität auswirkt.
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Das Fördermittel, also die variable Ölpumpe, fördert aufgrund des geöffneten Zustands des Steuerelementes Öl demnach mit einer geringen Kapazität, was einen geringen Ölvolumenstrom im Blockkühlkreislauf bewirkt. Dieser Umstand bewirkt zugleich eine geringe Leistungsaufnahme des Fördermittels. Eine Zirkulation des Kühlmittels im Kopfkühlkreislauf ist durch das geschlossene Absperrventil unterbunden, weswegen in der ersten Phase der Warmlaufphase im Wärmetauscher auch ein vernachlässigbarer bzw. im Wesentlichen unbedeutender Wärmeübertrag stattfindet. Dies führt direkt zu einer relativ schnellen Aufwärmung der Zylinderlaufbuchsen und somit zu einer hohen Öltemperatur an den Lagereingängen, da auch der Ölvolumenstrom im Blockkühlmantel gering ist. Höhere Öltemperaturen sind aber einer längeren Lebensdauer der Lager sehr zuträglich, wobei zudem die Warmlaufphase verkürzt werden kann. Zudem weist das Öl aufgrund der hohen Temperatur günstige Reibungsparameter auf, welche sich direkt auf einen reduzierten Kraftstoffverbrauch auswirken.
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Wird durch Abgleich der Temperaturen in der Steuereinheit erkannt, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur größer ist als die kritische Kühlmitteltemperatur (zweite Phase der Warmlaufphase) erhält das Absperrventil von der Steuereinheit ein Signal zum Öffnen, so dass ein minimaler Kühlmittestrom im Kopfkühlkreislauf aber auch durch die Wasserseite des Wärmetauschers bewirkt wird. Das Absperrventil kann natürlich auch pulsweitenmoduliert (Sägezahnsteuerung) gesteuert sein. In diesem Betriebzustand des Verbrennungsmotors ist das Steuerelement des Blockkreislaufs weiterhin geöffnet, wobei das Thermostat noch geschlossen ist, da dessen Öffnungstemperatur gleichwohl noch nicht erreicht ist.
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Das Fördermittel, also die variable Ölpumpe, fördert aufgrund des geöffneten Zustands des Steuerelementes Öl mit einer geringen Kapazität, was einen geringen Ölvolumenstrom im Blockkühlkreislauf bewirkt. Dieser Umstand bewirkt zugleich eine geringe Leistungsaufnahme des Fördermittels. Durch das geöffnete Absperrventil wird eine geringe Zirkulation des Kühlmittels im Kopfkühlkreislauf ermöglicht, welche aufgrund der festgestellten kritischen Temperatur des Kühlmittels zu einer genügenden Kühlung des Zylinderkopfes beiträgt. Gleichwohl findet aber noch ein im wesentlichen vernachlässigbarer Wärmeübergang im Wärmetauscher statt, da das Kühlmittel im Kopfkühlkreislauf mit einem geringen Volumenstrom strömt, was wiederum direkt zu einer relativ schnellen Aufwärmung der Zylinderlaufbuchsen und somit zu einer hohen Öltemperatur an den Lagereingängen führt, da der Ölvolumenstrom im Blockkühlmantel auch in dieser zweiten Phase der Warmlaufphase gering ist, und somit quasi ein sehr geringer Wärmeübergang zu erwarten ist.
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Wird ein normaler Betriebszustand erkannt, bei welchem festgestellt wird, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur größer als die kritische Kühlmitteltemperatur, die tatsächliche Öltemperatur aber geringer ist als kritische Öltemperatur, und die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur größer ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten, werden das Steuerelement und das Absperrventil mit dem entsprechenden Signal aus der Steuereinheit geöffnet, wobei das Thermostat (z. B. Wachselement) temperaturbedingt selbstständig öffnet. In diesem Steuerzustand wird der Wärmetauscher wasserseitig aber auch ölseitig durchströmt, so dass Wärmeübertragung stattfinden kann. So kann eine genügende Kühlung sowohl des Blockes als auch des Kopfes erreicht werden, wobei das Fördermittel einen minimalen Energieverbrauch aufweist.
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Von der Steuerstrategie mit umfasst ist noch ein kritischer Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wie dieser z. B. bei einem so genannten „crazy driver” Betrieb auftreten kann. Wird festgestellt, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur größer ist als die kritische Kühlmitteltemperatur und, dass die tatsächliche Öltemperatur größer ist als die kritische Öltemperatur und, dass die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur größer ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten, erzeugt die Steuereinheit ein Signal zum Schließen des Steuerelementes in der Steuerleitung und zum Öffnen des Absperrventils im Kopfkühlkreislauf, wobei das Thermostat temperaturbedingt (Wachselement) geöffnet ist. Dadurch wird ein hoher Öldruck generiert, da das Fördermittel Öl mit hoher Kapazität in den Blockkühlkreislauf und damit verbundene Lagerstellen aber auch zu den Kolbenkühlvorrichtungen (Ölspritzdüsen) fördert, so dass der Öldruck, welcher an den Kolbenkühleinrichtungen (Ölspritzdüsen) anliegt, größer ist als deren Öffnungsdruck, bzw. als ein in den entsprechenden Leitungen angeordnetes Rückschlagventil druckbedingt öffnet. Durch die jeweils maximale Volumenströme in beiden Kreisläufen, also auch im gemeinsamen Wärmetauscher auf dessen Wasser- und Ölseite, kann ein genügender Wärmeübertrag stattfinden, also können, auch bei einem kritischen Betriebszustand, der Zylinderkopf genügend gekühlt werden und der Zylinderblock auf der notwendig hohen Temperatur gehalten werden.
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Selbstverständlich wird durch das geschlossene Steuerelement in der Steuerleitung ein geringer Öldruck an das Fördermittel geleitet, weswegen die Kapazität des Fördermittels hoch ist.
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Die Steuerleitung dient im Sinne der Erfindung also im Wesentlichen zum Übertragen des Öldruckes. Das Fördermittel weist so quasi eine druckgeregelte Kapazität auf. Natürlich können auch geringe Ölbeträge durch die Steuerleitung fließen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
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1 prinzipiell einen erfindungsgemäßen, hybriden Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors.
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1 zeigt ein Hybrid-Kühlsystem 1 eines Verbrennungsmotors, welches zumindest zwei Kühlkreisläufe 2, 3 aufweist, von denen ein Blockkühlkreislauf 2 mit Motoröl durchströmt ist, und ein Kopfkühlkreislauf 3 mit einem flüssigen Kühlmedium durchströmt ist, wobei beide Kühlkreisläufe 2, 3 einen gemeinsamen Wärmetauscher 4 aufweisen.
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Das Kühlmedium des Kopfkühlkreislaufes 3 ist z. B. ein Wasser-Glykol Gemisch. Der Wärmetauscher 4 weist eine so genannte Wasserseite 6 und eine so genannte Ölseite 7 auf. Der Kopfkühlkreislauf 3 steht mit der Wasserseite 6 des Wärmetauschers 4 in Verbindung, wobei der Blockkühlkreislauf 2 mit dessen Ölseite 7 in Verbindung steht. In dem Wärmetauscher findet kein Austausch von Kühlmedien statt.
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Das Kühlmedium des Kopfkühlkreislaufes 3 wird im Folgenden als Kühlmittel bezeichnet.
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Der Kopfkühlkreislauf 3 weist noch eine Pumpe 8, einen Kopfkühlmantel 9, einen Kabinenwärmetauscher 11, ein Absperrventil 12, einen Thermostaten 13 und einen Hauptkühler 14 auf, wobei weitere Komponenten nicht dargestellt sind.
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In bevorzugter Ausführung dient das Absperrventil 12 als Mittel zum Unterbinden einer Kühlmittelströmung im Kopfkühlkreislauf 3. Eine Kühlmittelströmung mit einem Betrag von Null kann auch erreicht werden, indem die Pumpe 8 ausgeschaltet wird. Möglich ist auch eine Bypassleitung, welche den Wärmetauscher 4 wasserseitig umgeht, um so einen Wärmeaustausch zu vermeiden.
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Ausgehend von der Pumpe 8 mündet eine Verbindungsleitung 16 in dem Kühlmantel 9 des Zylinderkopfes 17. Das Kühlmittel durchströmt den kopfseitigen Kühlmantel 9 und strömt in den Kabinenwärmetauscher 11, und von hier in die Wasserseite 6 des Wärmetauschers 4, also des Öl-Wasser-Wärmetauschers 4.
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Aus der Wasserseite 6 des Wärmetauschers 4 führt eine Rückführleitung 18 zur Pumpe 8 zurück. In der Rückführleitung 18 ist das Absperrventil 12 angeordnet, wobei das Thermostat 13 stromab des Absperrventils 12 und stromauf der Pumpe 8 in der Rückführleitung 18 angeordnet ist. Stromauf des Kabinenwärmetauschers 11 zweigt eine Kühlerleitung 19 ab, in welcher der Hauptkühler 14 angeordnet ist. Die Kühlerleitung 19 mündet stromab des Hauptkühlers 14 in dem Thermostat 13.
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In dem Kopfkühlkreislauf 3 ist ein Sensor zur Aufnahme der Kühlmitteltemperatur angeordnet. Der Sensor ist prinzipiell als Vollkreis 15 dargestellt. Der Sensor ist bevorzugt im Kopfkühlmantel 9 angeordnet, um einen tatsächliche Kühlmitteltemperatur zu messen. Es kann noch ein weiterer Sensor vorgesehen sein, welcher die einlassseitige Kühlmitteltemperatur erfasst. Insofern könnte der weitere Sensor direkt am Ausgang der Pumpe 8, oder an geeigneter Stelle der Verbindungsleitung 16 angeordnet sein.
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Zudem ist im Zylinderkopf 17 noch eine prinzipiell dargestellte Lagerstelle 19 und prinzipiell hydraulische Steuerelemente 21 zu erkennen.
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Bei dem in 1 dargestellten Blockkühlkreislauf 2 ist ein Fördermittel 22 vorgesehen, welches bevorzugt als variable Pumpe 23 ausgeführt ist. Der Blockkühlkreislauf 2 mündet dabei stromab des Fördermittels 22 in die Ölseite 7 des Wärmetauschers 4. Stromab des Wärmetauschers 4 mündet eine Verbindungsleitung 24 aus dem Wärmetauscher 4, bzw. aus dessen Ölseite 7 herausführend im Kühlmantel 26 des Zylinderblockes 27. Aus diesen gelangt das Kühlmittel bzw. das Motoröl temperiert (das Öl nimmt Wärme auf, kühlt also den Zylinderblock 27) zu einem Knotenpunkt 28, von welchem Verbindungsleitungen 29 zu Lagerstellen 31 im Zylinderblock 27 aber auch im Zylinderkopf 17 (Lagerstelle 19) führen. Zudem können noch Kolbenkühlvorrichtungen bzw. Kolbenspritzdüsen 32 ausgehend von dem Kontenpunkt 28 mit dem Motoröl versorgt werden. Von dem Knotenpunkt 28 zweigt noch die Steuerleitung 33 ab, in welchem ein Steuerelement 34 angeordnet ist. Stromab des Steuerelementes 34 mündet die Steuerleitung 33 an einem entsprechenden Eingang des Fördermittels 22.
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Wie beispielhaft dargestellt ist an dem Kontenpunkt 28 ein Temperatursensor 36 angeordnet, um die Öltemperatur ausgangseitig des Zylinderblockes 27 aufzunehmen. Der Temperatursensor 36 ist wiederum als Vollkreis dargestellt.
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Stromauf des Blockkühlmantels 26 ist ein Abzweig 37 zu den hydraulischen Steuerelementen 21 vorgesehen. In der Kolbenkühlleitung 38 zu den Kolbenspritzdüsen 32 ist noch ein Rückschlagventil 39 angeordnet. Die dargestellten Leitungen können als Kanäle ausgeführt sein.
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In 1 sind jeweils nur die druckbehaftete Leitungen im Zylinderblock 27 aber auch im Zylinderkopf 17 dargestellt, wobei auf eine Darstellung entsprechender Rückführleitungen verzichtet wurde.
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Die mittels der Sensoren aufgenommenen Temperaturbeträge des Kühlmittels und des Öls werden einer Steuereinheit 41 zugeleitet. Dies kann drahtlos oder drahtgebunden erfolgen.
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In der Steuereinheit 41 sind Grenzwerte bezüglich vorgegebener Grenzwerte bzw. kritischer Temperaturwerte bezüglich der Öltemperatur und der Kühlmitteltemperatur abgelegt. Die Steuereinheit 41 steht mit dem Steuerelement 34 und dem Absperrventil 12 in Verbindung (gestrichelt dargestellt) um Steuersignale an diese zu übertragen, was ebenfalls drahtlos oder drahtgebunden ausgeführt werden kann.
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In der Steuereinheit 41 kann ein Abgleich der tatsächlichen, aufgenommenen Temperaturen mit vorgegebenen Temperaturgrenzwerten, also kritischen Temperaturbeträgen durchgeführt werden, um so das Absperrventil 12 und/oder das Steuerelement 34 in der Steuerleitung 33 entsprechend zu schalten.
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Zielführend ist, wenn in einer ersten Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors das Absperrventil 12 geschlossen wird, wobei das Steuerelement 34 geöffnet wird. So kann ein Volumenstrom im Kopfkühlkreislauf 3 unterbunden werden, wobei im Blockkühlkreislauf 2 ein geringer Ölvolumenstrom zirkuliert, und zwar druckbehaftet durch den Blockkühlmantel 26 zu den Lagerstellen 31 und 19, und wieder zurück (nicht dargestellte Rückleitungen, drucklos).
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Das Absperrventil 12 wird vollständig geschlossen, wobei das Steuerelement 34 geöffnet wird, wenn in der Steuereinheit 41 festgestellt wird, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur (Tcool) kleiner ist als die kritische Kühlmitteltemperatur (Tcool, krit.) und wenn die tatsächliche Öltemperatur (Toil) kleiner ist als die kritische Öltemperatur (Toil, krit.) und wenn die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur (Tcool, mot-ein) kleiner ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten 13 (Tthermos-öffnen).
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Zumindest in dieser ersten Phase der Warmlaufphase wird so ein geringer Volumenstrom durch den Blockkühlkreislauf 2 und ein unterbundener Volumenstrom durch den Kopfkühlkreislauf 3 bewirkt, was sich direkt auf eine geringe Leistungsaufnahme des Fördermittels 22 bzw. der variablen Ölpumpe 23 auswirkt, wodurch ein schnelles Aufwärmen der Laufbuchsen im Zylinderblock 27 erreicht wird. Da im Wärmetauscher 4 aufgrund des unterbundenen Kühlmittelstromes auf der Wasserseite 6 so ein Wärmeübertrag zumindest weitgehend verhindert wenn nicht gar vollständig unterbunden wird, wird so aufgewärmtes Motoröl aus dem Blockkühlmantel 26 den Lagerstellen 31 im Zylinderblock 27 aber auch den Lagerstellen 19 im Zylinderkopf 17 zugeführt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Lager aus; Denn heißes Motoröl weist wesentlich bessere Schmiereigenschaften auf als ungewärmtes bzw. kaltes. Zudem werden erhebliche Kraftstoffeinsparungen schon in der Warmlaufphase erreicht.
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Das Fördermittel 22, bzw. die variable Ölpumpe 23 ist druckgeregelt, was bedeutet, dass diese bei hohem Druck eine geringe Förderkapazität aufweist. Bei geöffneten Steuerelement 34 wird so der hohe Öldruck beispielsweise der Hauptölgalerie unvermindert über die Steuerleitung 33 an das Fördermittel 22 weitergeleitet, weswegen das Fördermittel mit einer geringen Förderkapazität fördert, so dass ein geringer Ölvolumenstrom im Blockkühlkreislauf 2 erzeugt wird. Die Steuerleitung 33 dient also im Wesentlichen nur zur Druckregelung des Fördermittels. Natürlich können auch geringe Ölmengen durch die Steuerleitung 33 fließen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Steuerstrategie, also im Wesentlichen einer „no flow Strategie” auf der Wasserseite des hybriden Kühlsystems, zumindest in der ersten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors wird das Warmlaufverhalten des Verbrennungsmotors wesentlich verbessert, was sich direkt auf eine verringerte Schadstoffemission auswirkt. Die erste Phase der Warmlaufphase, bzw. die folgende zweite Phase, also die gesamte Warmlaufphase kann so in zeitlicher Hinsicht reduziert werden.
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Wird in der Steuereinheit 41 festgestellt, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur (Tcool) größer ist als die kritische Kühlmitteltemperatur (tool, krit) (zweite Phase der Warmlaufphase) wird in der Steuereinheit 41 ein Signal zum Öffnen, bevorzugt zum geringen bzw. teilweisen Öffnen des Absperrventils 12 generiert. Das Steuerelement 34 verbleibt unverändert in der geöffneten Position.
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Ist das Absperrventil 12 gering geöffnet, wird so ein geringer Kühlmittelstrom im Kopfkühlkreislauf 3 generiert. Der Volumenstrom im Blockkühlkreislauf 2 ist unverändert gering, das das Steuerelement 34 in der Steuerleitung 33 geöffnet ist. So wird wie zuvor erreicht, dass die Laufbuchsen schnell aufwärmen und, dass heißes Motoröl zu den Lagerstellen 19 und 31 gelangt. Gleichzeitig wird aufgrund des geringen Volumenstromes im Kopfkühlkreislauf 3 eine genügende Kühlung des Zylinderkopfes 17 erreicht. Bevorzugter Weise ist der Volumenstrom im Kopfkühlkreislauf 3 dabei quasi minimal, was durch ein entsprechend geringes Öffnen des Absperrventils 12 erreicht wird.
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Die Warmlaufphase ist so nach relativ kurzer Zeitdauer abgeschlossen, wobei der Verbrennungsmotor in seinem normalen Betriebzustand betreibbar ist. Wird dabei in der Steuereinheit 41 erkannt, das die tatsächliche Kühlmitteltemperatur größer ist als die kritische Kühlmitteltemperatur und, dass die tatsächliche Öltemperatur geringer ist als die kritische Öltemperatur und dass die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur (Tcool, mot-ein) größer ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten 13 (Tthermos-öffnen), wird in der Steuereinheit 41 ein Signal zum Vollständigen Öffnen des Absperrventils 12 generiert. Das Steuerelement 34 verbleibt geöffnet, wobei das Thermostat 13 geöffnet ist, was temperaturbedingt, also losgelöst von der Steuereinheit 41 bewirkt werden kann (Waxelement).
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Bei dieser Schaltung des Steuerelementes 34 aber auch des Absperrventils 12 wird im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors bei geringem Leistungsverbrauch des Fördermittels 22 bzw. der variablen Ölpumpe 23 eine genügende Kühlung sowohl des Zylinderkopfes 17 als auch des Zylinderblockes 27 erreicht.
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Befindet sich der Verbrennungsmotor dagegen in einem kritischen Betriebsart, wie dies zum Beispiel durch den Begriff „crazy driver Betrieb” definiert ist, wird die Steuereinheit 41 feststellen, dass die tatsächliche Kühlmitteltemperatur größer ist als die kritische Kühlmitteltemperatur und, dass die tatsächliche Öltemperatur größer ist als die kritische Öltemperatur und, dass die die eingangsseitige Kühlmitteltemperatur größer ist als die Öffnungstemperatur des Thermostaten 13, so dass ein Signal zum Schließen des Steuerelementes 34 in der Steuerleitung 33 generiert wird, wobei das Absperrventil 12 und das Thermostat 13 geöffnet, bevorzugt vollständig geöffnet sind.
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Durch das Schließen des Steuerelementes 34 wird dem Fördermittel 22 bzw. der variablen Ölpumpe 23 ein geringer Öldruck zugeleitet, wodurch die Förderkapazität des druckgeregelten Fördermittels 22 erhöht wird, was sich unmittelbar auf ein Ansteigen des Öldrucks auswirkt (Allerdings erhält das Fördermittel aufgrund des geschlossenen Steuerelementes 34 nach wie vor einen geringen Steuerdruck). Der im Betrag angehobene Öldruck reicht aus, um das Rückschlagventil 39 in der Kolbenkühlleitung 38 zu öffnen, um so die Kolben mittels der Kolbenkühlvorrichtung, also den Kolbenspritzdüsen 32 zu kühlen (Kriterium: Ppcj größer als Ppcj,offen).
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Gleichzeitig ist der Volumenstrom sowohl im Kopfkühlkreislauf 3 als auch im Blockkühlkreislauf maximal, was zu einem maximalem Wärmeübertrag im Wärmetauscher 4 führt. Zylinderkopf und Zylinderkopf werden so hinreichend gekühlt.
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Zusammenfassend kann die Steuerstrategie für das in
1 dargestellte Ausführungsbeispiel mit der folgenden Tabelle 1 dargestellt werden:
Tabelle 1
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In 1 ist noch ein Ölfilter 42 im Blockkühlkreislauf gezeigt.
