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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der einen Kühlmittelkreislauf aufweist, in welchem eine Hauptkühlmittelpumpe und eine Hilfskühlmittelpumpe sowie ein Steuerelement angeordnet sind. Die Erfindung betrifft aber auch eine Steuerstrategie der Hauptkühlmittelpumpe und der Hilfskühlmittelpumpe des zumindest einen Kühlmittelkreislaufsmittels.
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Konventionelle Kühlsysteme weisen zumindest einen Kopfkühlmittelmantel, einen Blockkühlmittelmantel, die Hauptkühlmittelpumpe als mechanische Pumpe, die Hilfskühlmittelpumpe als elektrische Pumpe, einen Kühler, ein Thermostat, Wärmetauscher, Entgasungsbehälter, weitere Komponenten und entsprechende Verbindungsleitungen auf, wie beispielhaft in 1 dargestellt ist, auf welche noch eingegangen wird. Unterhalb einer spezifischen Kühlmitteltemperatur von z. B. 90°C strömt das Kühlmittel durch die Hauptkühlmittelpumpe, die Kühlmittelmäntel, Wärmetauscher, Ölkühler Entgasungsbehälter und dem Thermostat, also dem so genannten kleinen Kühlkreislauf. Ist die spezifische Temperatur erreicht, öffnet das Thermostat, so dass das Kühlmittel zusätzlich durch den Kühler parallel zum Wärmetauscher strömt.
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Bekannt ist, den Motorblock und den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors jeweils getrennt voneinander mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs durchströmen zu lassen. Auf diese Weise können der Zylinderkopf, der thermisch vor allem durch die Brennraum- und Kanalwände mit der Verbrennungsluft gekoppelt ist, und der Motorblock, der thermisch vor allem mit den Reibstellen gekoppelt ist, unterschiedlich gekühlt werden. Durch ein so genanntes ”Split-Cooling-Konzept” (getrennter Kühlmittelkreislauf) soll erreicht werden, daß in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors der Zylinderkopf gekühlt wird, wobei der Motorblock zunächst noch nicht gekühlt werden soll, so daß der Motorblock schneller auf die erforderliche Betriebstemperatur geführt werden kann.
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Um das Warmlaufverhalten des Verbrennungsmotors zu verbessern, kann eine so genannte „no flow Strategie” eingesetzt werden, bei welcher der Blockwassermantel nicht von Kühlmittel durchströmt wird. Hierzu wird ein zusätzliches Absperrventil vorgesehen, wobei das Thermostat durch ein Proportionalventil ersetzt wird, wobei zudem noch die mechanische Pumpe durch eine elektrische Pumpe ersetzt wird. Die mechanische Pumpe wird mittels des Verbrennungsmotors angetrieben, wobei die elektrische Pumpe durch einen ansteuerbaren Elektromotor angetrieben ist.
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Alternativ kann also zur Verbesserung des Warmlaufverhaltens das Split-Cooling-Konzept mit der no flow Strategie kombiniert werden, so dass der Zylinderblock nicht gekühlt wird, während der Zylinderkopf gekühlt wird.
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Im Stand der Technik ist aber auch bekannt, Verbrennungsmotoren mit einer Hilfskühlmittelpumpe zu versehen, um so die Dauerhaltbarkeit des Verbrennungsmotors, insbesondere seines Turboladers in so genannten „hot soak Phasen”, d. h. in Phasen nach dem Abstellen eines Motors in heißer Umgebung, zu verbessern.
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Gemäß der heute üblichen Bauweise besitzen Abgasturbolader einen Rotor mit einem Verdichterrad und einem Turbinenrad und einer zwischen Verdichter- und Turbinenrad angeordneten Welle, die turbinenseitig und verdichterseitig in entsprechenden Rotorlagern drehgelagert ist. Bei den Rotorlagern kann es sich regelmäßig um Gleitlager oder Wälzlager mit Ölschmierung handeln. Die Schmiermittelversorgung der Lager erfolgt üblicherweise durch Schmiermittel, beispielsweise Motorenöl, welches zum Beispiel über eine Druckleitung zu den einzelnen Lagerstellen geführt wird. Das Schmiermittel hat neben der Aufgabe, die Lager zu schmieren, auch die Funktion, diese zu kühlen. Die Kühlung ist insbesondere beim turbinenseitigen Lager von großer Bedeutung, da durch das heiße Turbinenrad eine bedeutende Wärmemenge in die Welle eingeleitet wird.
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Ein aus diesem Grunde besonders schwierig zu beherrschender Betriebszustand ist das schnelle Abstellen der Brennkraftmaschine aus einem Betriebszustand mit hoher Last. Die Schmiermittelzufuhr wird beim Anhalten unterbrochen und die Abfuhr der Wärme aus der Welle ist nicht mehr gewährleistet. Die Folge davon ist eine Überhitzungen des Schmieröls und eine damit einhergehende Verkokung des in den exponierten Partien der Lagerung verbleibenden Schmieröls durch das von der heißen Turbine hervorgerufene Nacherwärmen der Welle. Die Verkokung des Schmieröls führt schließlich zur Versottung der Rotorlager, was nicht selten die Ursache für einen Turboladerschaden ist.
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Der vorgenannte kritische Betriebszustand, das heißt das schnelle Abstellen der Brennkraftmaschine aus einem Betriebszustand mit hoher Last, ist besonders bei Kraftfahrzeugen mit so genannter Start-Stopp-Automatik zu beobachten, da diese die Brennkraftmaschine automatisch abschaltet, wenn zum Beispiel beim Anhalten an einer Verkehrsampel keine Antriebsenergie zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs erforderlich ist (Stopbedingung).
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Um dies zu vermeiden ist vorgesehen, das Turbinengehäuse in den Kühlmittelkreislauf einzubinden, und mittels der elektrischen Hilfskühlmittelpumpe zu kühlen, in dem ein Kühlmittelstrom in dem Turbinengehäuse bewirkt wird.
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Die elektrische Hilfskühlmittelpumpe soll aber auch den Kabinenwärmetauscher während der Stopp-Phasen des Verbrennungsmotors mit Kühlmittel versorgen. Hilfreich ist in einem solchen Fall, die quasi zusätzlichen Wärmequellen, wie Turbinengehäuse und/oder in dem Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer zu nutzen.
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Während der Warmlaufphase kann es aber vorkommen, dass die Kühlmittelgrenztemperatur (spezifische Temperatur) z. B. im Turbinengehäuse und oder des Abgaskrümmers eher erreicht wird als in anderen Bereichen, wie zum Beispiel in dem Zylinderblock, und/oder an der Frischluftseite des Zylinderkopfes. So wird z. B. die „no-flow Strategie” aufgrund der hohen Kühlmitteltemperatur aufgegeben, obwohl beispielsweise die Laufbuchsen noch nicht aufgewärmt, also quasi kalt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der Eingangs genannten Art und eine Kühlstrategie des Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, so dass die Kühlung bzw. das Warmlaufverhalten des Verbrennungsmotors mit einfachen Mitteln weiter verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei der Kühlmittelkreislauf als Kabinenwärmetauscherkreislauf ausgeführt ist, und wobei das Steuerelement als einfaches Rückschlagventil ausgeführt ist, und, dass die Hauptkühlmittelpumpe in dem Kabinenwärmetauscherkreislauf angeordnet ist, wobei eine Verbindungsleitung aus dem Kabinenwärmetauscherkreislauf abzweigt, welche eingangsseitig in einem Zylinderblockkühlmittelmantel mündet, wobei die elektrische Hilfskühlmittelpumpe in der Verbindungsleitung angeordnet ist. Zweckmäßiger Weise zweigt die Verbindungsleitung stromauf der Hauptkühlmittelpumpe aus dem Kabinenwärmetauscherkreislauf ab.
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Zweckmäßiger Weise steht der Kabinenwärmetauscherkreislauf mit dem Zylinderkopfkühlmittelmantel in Verbindung, wobei vorteilhaft noch vorgesehen ist, ausgangseitig des Zylinderkopfes eine Leitung zum Turbinengehäuse zu führen, welches mit dem Kabinenwärmetauscher verbunden ist.
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Günstig ist, wenn das Steuerelement, also das einfach wirkende Rückschlagventil ausgangsseitig des Zylinderblocks, also gegenüberliegend zur in diesem mündenden Verbindungsleitung in einer zum Kabinenwärmetauscherkreislauf führenden Leitung angeordnet ist. Es liegt durchaus im Sinne der Erfindung, das Steuerelement auch an anderen Orten anzuordnen, beispielsweise zwischen den Turbinengehäuse und dem Kabinenwärmetauscher, um z. B. den Energieverbrauch der Hilfskühlmittelpumpe zu reduzieren.
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Vorteilhaft ist die Hauptkühlmittelpumpe in bevorzugter Ausgestaltung als mechanische Pumpe, welche bevorzugt mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, so angeordnet, dass diese thermisch hoch belastete Bereiche des Verbrennungsmotors, wie zum Beispiel den Zylinderkopf, insbesondere dessen Ausgangsseite mit integriertem Abgaskrümmer aber auch das Turbinengehäuse mit einem notwendigen Kühlmittelstrom versorgt. Die Hilfskühlmittelpumpe, in bevorzugter Ausgestaltung als elektrische Pumpe, welche bevorzugt elektrisch angetrieben ist, also nicht mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, ist so angeordnet, dass diese reibungsbehaftete und thermisch gering belastete Bereiche des Verbrennungsmotors mit einem notwendigen Kühlmittelstrom versorgt.
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Der Betrieb bzw. die Steuerstrategie der Hauptkühlmittelpumpe und der Hilfskühlmittelpumpe erfolgt nun erfindungsgemäß abhängig von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors.
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So ist vorgesehen, dass während der Warmlaufphase die Hauptkühlmittelpumpe Kühlmittel fördert, wenn festgestellt wird, dass während der Warmlaufphase keine Kabinenheizung angefordert wird. Die Hilfskühlmittelpumpe ist in diesem Betriebszustand inaktiv. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Hauptkühlmittelpumpe immer fördert, wenn sich der Motor dreht. Wenn keine Heizungsanforderung besteht und der Motor sich in der Warmlaufphase befindet, soll dem Motor nicht unnötig Energie entzogen werden – die Hilfskühlmittelpumpe wird nicht aktiviert.
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Gleiches gilt, wenn festgestellt wird, dass eine moderate Anforderung der Kabinenheizung während der Warmlaufphase angefordert wird.
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Wird dagegen festgestellt, dass die Kabinenheizung extensiv, also zum Beispiel mit voller Heizleistung während der Warmlaufphase angefordert wird, wird nicht nur die Hauptkühlmittelpumpe sondern auch die Hilfskühlmittelpumpe aktiv geschaltet, wobei die Hilfskühlmittelpumpe auf ihre maximale Leistung gesteuert wird.
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Befindet sich der Verbrennungsmotor in einem Stopp-Zustand, beispielsweise aufgrund einer Stopp-Bedingung einer Start-Stopp-Automatik, und wird eine Anforderung der Kabinenheizung festgestellt, ist die Hauptkühlmittelpumpe inaktiv, fördert also keinen Kühlmittestrom, wobei die Hilfskühlmittelpumpe gleichzeitig mit maximaler Leistung betrieben wird, so dass Kühlmittel den Zylinderblock durchströmend im Kabinenwärmetauscherkreislauf zirkuliert.
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Wird ein sportlicher Betriebszustand festgestellt, der auch als „crazy driver Betrieb”, d. h. hohe Belastung für den Motor direkt nach einem Kaltstart, bezeichnet werden kann, werden sowohl die Hauptkühlmittelpumpe als auch die Hilfskühlmittelpumpe betrieben, wobei die Hilfskühlmittelpumpe mit voller Leistung betrieben wird.
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Wird festgestellt, dass der Verbrennungsmotor mit hoher Last bzw. Drehzahl betrieben wird, sind sowohl die Hauptkühlmittelpumpe als auch die Hilfskühlmittelpumpe aktiv, wobei die Hilfskühlmittelpumpe bevorzugt mit voller Leistung betrieben wird.
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Wird festgestellt, dass der Verbrennungsmotor, beispielsweise nach einer hohen Lastanforderung z. B. aufgrund der Stopp-Bedingung aufgrund der Start-Stopp-Automatik stoppt, und gleichzeitig die „hot soak Phase” detektiert wird, ist die Hauptkühlmittelpumpe inaktiv, wobei die Hilfskühlmittelpumpe mit voller Leistung betrieben wird, so dass Kühlmittel den Zylinderblock durchströmend im Kabinenwärmetauscherkreislauf zirkuliert und das Turbinengehäuse kühlt. Die aufgenommene-Wärme kann zur Kabinenaufwärmung genutzt werden.
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Wird im Unterschied zum sportlichen Betriebszustand (crazy driver) ein normaler Betriebszustand des Verbrennungsmotors, festgestellt werden die Hauptkühlmittelpumpe und die Hilfskühlmittelpumpe betrieben, wobei die Hilfskühlmittelpumpe mit maximaler Leistung oder entsprechend einer Sägezahnprofilsteuerung (pulsweitenmoduliert, PWM, An/Aus Sägezahnprofil) betrieben.
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Mit der vorteilhaften Anordnung sowohl der Hauptkühlmittelpumpe als auch der Hilfskühlmittelpumpe, aber auch durch den Einsatz des einfachen Rückschlagventils und mit der erfindungsgemäßen Steuerstrategie sind eine Vielzahl von Vorteilen erreichbar:
Vorteilhaft wird ein schnelles Aufwärmen der Laufbuchsen und des Motoröls erreicht, indem der Wärmeübergang zum Kühlmittel nach dem Start (Kaltstart) des Verbrennungsmotors (Warmlaufphase) reduziert wird (no-flow Strategie der reibungsbehafteten Komponenten). Vorteilhaft ist auch, dass der Verbrennungsmotor bzw. sein Blockkühlmittelmantel unabhängig von einer Temperaturkontrolle der reibungsbehafteten Komponenten betrieben werden kann, indem einfach die Hilfskühlmittelpumpe entsprechend angesteuert wird, um einen Kühlmittelstrom zu generieren. Auch weist der Verbrennungsmotor eine erheblich längere Lebensdauer auf, da bei hoher Last ein solcher Kühlmittelstrom an thermisch hoch belasteten Komponenten (z. B. Zylinderkopf, Turbinengehäuse) erzeugt wird, welcher die thermische Belastung, und damit ein Versagen erheblich reduziert. Bei einem Stopp des Verbrennungsmotors z. B. aufgrund der Stopp-Bedingung der Start-Stopp-Automatik wird eine genügende Heizleistung des Kabinenwärmetauschers erreicht, indem die Hilfskühlmittelpumpe aktiviert wird, und die thermische Kapazität des Verbrennungsmotors (z. B. Turbinengehäuse, Zylinderkopf) genutzt wird. Auch die Gefahr des Bauteilversagens bei der so genannten „hot soak Phase” ist ausgeschlossen, da die thermisch kritisch belasteten Bauteile (z. B. Turbinengehäuse, (integrierter) Abgaskrümmer) hinreichend gekühlt werden, indem die Hilfskühlmittelpumpe bei inaktiver Hauptkühlmittelpumpe betrieben wird. Da die Hauptkühlmittelpumpe bei Betrieb des Verbrennungsmotors ständig betrieben wird, wird noch der Energieverbrauch reduziert, da die Hilfskühlmittelpumpe mit einer geringeren Leistungsaufnahme ausgelegt werden kann.
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Erkennbar ist auch der Vorteil des wesentlich unkomplizierteren Aufbaus des erfindungsgemäßen Kühlsystems gegenüber dem Stand der Technik, wodurch auch Kosteneinsparungen erzielbar sind:
Dient die Hauptkühlmittelpumpe im Stand der Technik dazu, die Dauerhaltbarkeit von Zylinderkopf und Zylinderblock im Betrieb des Verbrennungsmotors aufrecht zu erhalten, ist mittels der Hauptkühlmittelpumpe erfindungsgemäß noch die Dauerhaltbarkeit des Turboladers, insbesondere seiner Turbinenseite verbessert.
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Dient die Hilfskühlmittelpumpe im Stand der Technik dazu, die Dauerhaltbarkeit des Turboladers in der „soak Phase” zu verbessern und eine Kühlmittelströmung durch den Kabinenwärmetauscher zu bewirken, ist mittels der Hilfskühlmittelpumpe erfindungsgemäß noch die Dauerhaltbarkeit von thermisch gering belasteten Komponenten (z. B. Zylinderblock) verbessert. Im Stand der Technik ist noch ein zusätzliches Ventil im Blockwassermantel (Split Cooling) vorgesehen. Erfindungsgemäß ist ein einfaches Rückschlagventil vorgesehen, welches eine variable Durchströmung des Blockes in der Warmlaufphase bewirken kann, so dass der Wärmeübergang quasi stufenlos gesteuert werden kann.
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1 zeigt beispielhaft ein Kühlsystem nach dem Stand der Technik. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt
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2 einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, der ein Kühlsystem 2 gemäß dem Stand der Technik aufweist. Das Kühlsystem 2 ist in einen zylinderblockseitigen Kühlmittelbereich bzw. Zylinderblockwassermantel und in einen zylinderkopfseitigen Kühlmittelbereich 3 bzw. Kopfwassermantel aufgeteilt, so dass ein Split-Cooling-System gebildet ist. Der zylinderkopfseitige Kühlmittelbereich 3 kann beispielhaft weiter in einen auslaßseitigen Kühlbereich 4 und in einen einlaßseitigen Kühlbereich 6 aufgeteilt sein.
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Das Kühlsystem 2 weist beispielhaft eine Hauptkühlmittelpumpe 7, eine Hilfskühlmittelpumpe 8, ein Blockthermostat 9, einen Entgasungsbehälter 11, einen Ölkühler 12, einen Kabinenwärmetauscher 13, einen Kühler 14 und mehrere Absperrventile 16 auf. Es sind entsprechende Leitungen vorgesehen.
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Die Hilfskühlmittelpumpe 8 versorgt einen Turbolader 17 mit Kühlmittel.
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Der Kabinenwärmetauscher 13 ist in einem Kabinenwärmetauscherkreislauf 18 angeordnet, welcher in dem Blockthermostaten 9 mündet.
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Das Kühlsystem gemäß dem Stand der Technik ist sehr kompliziert aufgebaut, um das Warmlaufverhalten des Verbrennungsmotors 1 zu verbessern.
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Hier setzt die Erfindung an, wie 2 zeigt, wobei das Kühlsystem ebenfalls nach dem Split Cooling Prinzip betreibbar ist, wobei der Zylinderkopf einen auslaßseitigen und einen einlaßseitigen Kühlbereich aufweisen kann, und wobei ein vom Zylinderkopfwassermantel getrennter Blockwassermantel vorgesehen ist, welcher aber Kontakt zum einlaßseitigen Kühlbereich des Kopfes haben kann (durch die Zylinderkopfdichtung hindurch). Allerdings sind Bauteile wie Entgasungsbehälter, Kühler, Blockthermostat, Leitungen, Bypaß und Ölkühler nicht gezeigt.
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In 2 ist lediglich der Kabinenwärmetauscherkreislauf 18 gezeigt, in welchem der Kabinenwärmetauscher 13 und die Hauptkühlmittelpumpe 7 angeordnet ist.
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Ausgehend von der Hauptkühlmittelpumpe 7 strömt das Kühlmittel in den Zylinderkopf 19, und von hier ausströmend durch ein Turbinengehäuse 21 des Turboladers 17. Von dem Turbolader 17, bzw. von dem Turbinengehäuse 21 strömt das Kühlmittel zum Kabinenwärmetauscher 13 zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 7.
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Stromauf der Hauptkühlmittelpumpe 7 zweigt eine Verbindungsleitung 22 aus dem Kabinenwärmetauscherkreislauf 18 ab, welche eingangseitig in dem Blockwassermantel mündet. In der Verbindungsleitung 22 ist die Hilfskühlmittelpumpe 8 angeordnet.
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Ausgangseitig des Zylinderblockwassermantels ist eine Leitung 23 vorgesehen, welche in dem Kabinenwärmetauscherkreislauf 18 mündet. In der Leitung 23 ist ein Steuerelement 24 in bevorzugter Ausgestaltung als einfaches Rückschlagventil 24 angeordnet.
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Ersichtlich ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Hauptkühlmittelpumpe 7 sowie der Hilfskühlmittelpumpe 8 und dem Einsatz des einfachen Rückschlagventils 24 ein wesentlich unkomplizierterer Aufbau des Kühlsystems, um das Warmlaufverhalten des Verbrennungsmotors 1 und dessen Dauerhaltbarkeit, insbesondere von thermisch hoch und gering belasteten Bauteilen zu verbessern. Auch ist eine sehr einfache Kühlstrategie durch entsprechendes Ansteuern der Hauptkühlmittelpumpe 7 und der Hilfskühlmittelpumpe 8 erreichbar.
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Die Kühlstrategie kann abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit folgender Tabelle 1 beschrieben werden:
| Betriebszustand | Hauptkühlmittelpumpe | Hilfskülhlmittelpumpe |
| armlaufphase – ohne Kabinenheizung | aktiv | Nicht aktiv |
| armlaufphasemoderate Kabinenanforderung | aktiv | Nicht aktiv |
| Warmlaufphaseextensive Kabinenanforderung | aktive | max Leistung |
| Kabinenheizung an während Motor-Stopp | Nicht aktiv | max Leistung |
| Warmlaufphase – Crazy Driver | aktiv | max Leistung |
| Hohe Last/Drehzahl | aktiv | max Leistung |
| Soak nach Motor-Stopp | Nicht aktiv | max Leistung |
| Normaler Betrieb | aktiv | max Leistung oder angepasste Leistung wenn PWM gesteuert |
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Verglichen mit dem Stand der Technik, also einem Kühlsystem nach
1 ergeben sich so erfindungsgemäß die in Tabelle 2 dargestellten Vorteile:
| Komponenten | Konventionelles Kühlsystem | erfindungsgemäß |
| Mechanische Wasserpumpe (Hauptkühlmittelpumpe) | Dauerhaltbarkeit von Kopf und Block im Betrieb | Dauerhaltbarkeit von thermisch hoch belasteten Komponenten (z. B. Kopf & Turbo) im Betrieb |
| Elektrische Zusatzpumpe (Hilfskühlmittelpumpe) | – Dauerhaltbarkeit des Turbos im „Soak”
– Durchströmung des Heizungs-WT im „(Start)-Stop-Betrieb” | – Dauerhaltbarkeit von thermisch geringer belasteten Komponenten (z. B. Block)
– Dauerhaltbarkeit des Turbos im „Soak”
– Durchströmung des Heizungs-WT im „(Start)-Stop-Betrieb” |
| Zusätzliches Ventil im Blockwassermantel (elektr. aktiviert oder Waxthermostat) | – Schnelles Aufheizen der Zylinderlaufbuchsen und damit des Ölfilms (Split-Cooling) | |
| Einfaches Rückschlagventil | | – Variable Durchströmung des Blockes in Warmlaufphase (der Wärmeübergang kann stufenlos gesteuert werden) |
