DE102012200391A1

DE102012200391A1 - Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012200391A1
Application number: DE201210200391
Authority: DE
Inventors: Johannes Schagerl; Gerald Winter; Vojin Subasic; Christian Pichler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Kurbelgehäuse (2, 2') und einem Zylinderkopf (3), mit einer von der Brennkraftmaschine (1) antreibbaren mechanischen Kühlmittelpumpe (4) und einer zuschaltbaren elektrischen Kühlmittelpumpe (5), wobei ein Kühlmittel mit der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) durch das Kurbelgehäuse (2, 2') und/oder den Zylinderkopf (3) in eine Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist und/oder parallel zur Brennkraftmaschine (1) durch einen Abgasrückführkühler (7) und/oder durch einen Kühlmittel/Öl-Wärmtauscher (8) in die Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist, wobei die Kühlmittelrückflussleitung (6) direkt in eine Kühlmittelsteuereinrichtung (9) und indirekt durch einen Kühlmittelkühler (10) in die Kühlmittelsteuereinrichtung (9) und anschließend in eine Saugseite der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) mündet, wobei eine Saugseite der elektrischen Kühlmittelpumpe (5) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Kühlmittelsteuereinrichtung (9) Kühlmittel führend mit einer Saugseite der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) verbunden ist, wobei das Kühlmittel mit. der elektrischen Kühlmittelpumpe (5) durch das Kurbelgehäuse (2, 2') und/oder den Zylinderkopf (3) direkt in die Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die mechanische Kühlmittelpumpe und die elektrische Kühlmittelpumpe kleinstmöglich dimensioniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Kühlmittelkreisläufen von Brennkraftmaschinen sind sowohl permanent über den Riementrieb angetriebene Kühlmittelpumpen mit und ohne Kupplungselement, als auch elektrische Kühlmittelpumpen bekannt. Durch die Verwendung von Kupplungselementen für eine mechanische Kühlmittelpumpe, bzw. der Verwendung einer elektrischen Kühlmittelpumpe bietet sich die Möglichkeit, die Kühlmittelpumpen z. B. beim Warmlauf der Brennkraftmaschine still stehen zu lassen. Kraftstoffverbrauchsuntersuchungen zeigen, dass sich im europäischen Verbrauchszyklus NDEC (New European Driving Cycle) durch eine stehende Kühlmittelpumpe ein deutliches Kraftstoffverbrauchspotential ergibt. Das Potential ergibt sich einerseits aufgrund der eingesparten mechanischen Kühlmittelpumpenantriebsleistung und andererseits durch die geänderten thermischen Verhältnisse, welche eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine beim Warmlauf und somit eine Verringerung der Reibleistung bewirken.
So ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 32 949 A1 , von der diese Erfindung ausgeht, eine Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen bekannt. In der DE 103 32 949 A1 wird eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Hauptkühlmittelpumpe und einer ersten Steuereinheit, die das Kühlmittel entweder über einen großen Kühlkreislauf, in dem ein Luft-Flüssigkeitskühler angeordnet ist, oder über einen kleinen Kühlkreislauf unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühlers zum Ansaugmund der Hauptkühlmittelpumpe zurückleitet. Desweiteren ist ein zweiter Wärmetauscher zur Vorwärmung oder Kühlung eines Ölstromes, insbesondere eines Getriebeölstromes, im Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet. Der Kühlmitteldurchfluss durch den zweiten Wärmetauscher ist über eine zweite Steuereinheit gesteuert. Erfindungsgemäß gibt die zweite Steuereinheit den Durchfluss durch den zweiten Wärmetauscher erst ab einer vorgegebenen Temperatur frei. Da unterhalb dieser Temperatur dem Kühlmittel keine Wärme über den zweiten Wärmetauscher entzogen wird, ist eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine gewährleistet. Zur Anwendung kommt die vorgeschlagene Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.
Der Einsatz einer mechanischen Kühlmittelpumpe mit einem Kupplungselement zur Abschaltung des Kühlkreislaufes im Warmlauf bietet die Möglichkeit, dass sich in Summe aus eingesparter Kühlmittelpumpenantriebsleistung und schnellerer Erwärmung ein sehr hohes Verbrauchspotential ergibt. Durch das Kupplungselement, z. B. im Riementrieb, ergeben sich jedoch deutliche Kostennachteile gegenüber einer konventionell über den Riementrieb dauernd angetriebenen Kühlmittelpumpe.
Eine rein elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe bietet ebenfalls die Möglichkeit während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine durch Ausschalten der Kühlmittelpumpe mechanische Antriebsleistung für eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine einzusparen. Wird jedoch ein Kühlmittelstrom zur Bauteilkühlung benötigt, dann ergibt sich aufgrund der schlechten Wirkungsgradkette zur Umwandlung mechanischer Brennkraftmaschinenleistung über den Generator in eine elektrische Leistung und diese wieder zurück in mechanische Kühlmittelpumpenförderleistung ein Verbrauchsnachteil gegenüber der mechanisch direkt angetriebenen Kühlmittelpumpe. Zusätzlich ergibt sich bei alleiniger Verwendung einer elektrischen Kühlmittelpumpe, durch die im Kühlungsfall hohen erforderlichen Kühlmitteldurchsätze, eine entsprechend große elektrische Kühlmittelpumpe, die deutliche Kostennachteile aufweist.
Weiter hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass beim Warmlauf einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, während des Verbrauchszyklus hauptsächlich der AGR-Kühler (Abgasrückführkühler) von Kühlmittel durchströmt werden muss, um die Stickoxide auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit dem Kraftstoff eingespart und gleichzeitig o. g. Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Kraftstoffverbrauchspotential durch die Kombination einer möglichst kleinen mechanischen Kühlmittelpumpe für die Grundversorgung der Brennkraftmaschine mit einer möglichst kleinen elektrischen Kühlmittelpumpe für eine bedarfsgerechte, zusätzliche Kühlung als eine Art „Hybrid-Kühlung” zu generieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter dem Abgasrückführkühler und hinter dem Kühlmittel/Ölwärmetauscher und vor der Kühlmittelrückflussleitung eine zweite Kühlmittelsteuereinrichtung angeordnet, die kühlmittelführend mit den Saugseiten der Kühlmittelpumpen verbindbar ist. Als Kühlmittelsteuereinrichtung kommt besonders bevorzugt ein Thermostatventil zur Verwendung. Hierbei kann es sich auch um ein Kennfeldthermostat handeln.
Ebenso ist bevorzugt in der Kühlmittelabflussleitung ein Heizungswärmetauscher anordenbar, der zur Aufheizung der Fahrtgastzelle eines Personenkraftfahrzeuges verwendet wird.
Weiter ist bevorzugt zwischen dem Kühlmittelkühler und der Saugseiten der Kühlmittelpumpen ein Getriebeölwärmetauscher anordenbar, um auch das Getriebe entsprechend temperieren zu können, was zu einem weiteren Kraftstoffverbrauchsvorteil führt.
Weiter ist bevorzugt zwischen der mechanischen Kühlmittelpumpe und dem Kurbelgehäuse und/oder dem Zylinderkopf ein Absperrelement für das Kühlmittel angeordnet. Hiermit kann die Durchströmung des Kurbelgehäuses und/oder des Zylinderkopfes während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine teilweise oder vollständig unterbunden werden, für eine möglichst schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine.
Weiter weist der Kühlmittelkreislauf bevorzugt einen Kühlmittelausgleichsbehälter auf, um eine Wärmeausdehnung des Kühlmittels auszugleichen.
Somit sorgt die kleine mechanische Kühlmittelpumpe für die Grundversorgung der Brennkraftmaschine und die kleine elektrische Kühlmittelpumpe sorgt für eine bedarfsgerechte, zusätzliche Kühlung. Weiter kann die elektrische Kühlmittelpumpe eine sog. „Boostfunktion” für den Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine darstellen. Weiter dient die elektrische Kühlmittelpumpe zur zusätzlichen Kühlung des Kurbelgehäuses und/oder des Zylinderkopfes. Mit Hilfe der elektrischen Kühlmittelpumpe kann weiter eine teilweise bzw. vollständige „split-cooling-Funktion”, d. h. eine getrennte Kühlung von Kurbelgehäuse und Zylinderkopf, dargestellt werden. Ferner ist keine zusätzliche elektrische Kühlmittelpumpe für den Getriebeölwärmetauscher erforderlich.
Weiter bietet die elektrische Kühlmittelpumpe die Möglichkeit für eine bedarfsgerechte Abgasturboladerkühlung im Nachlaufbetrieb. Es ist in vorteilhafter Weise eine Restwärmefunktion der Heizung in der Fahrgastzelle darstellbar. Darüber hinaus ist eine Entlüftungsunterstützung ohne eine zusätzliche Zylinderkopfentlüftungsleitung möglich.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer schematischen Darstellung für ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
1 zeigt in einem Blockdiagramm einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Kurbelgehäuse 2, 2' und einem Zylinderkopf 3. Das Kurbelgehäuse 2, 2' weist in diesem Ausführungsbeispiel einen auslassseitigen Kühlmittelmantel im Kurbelgehäuse 2 sowie einen einlassseitigen Kühlmittelmantel im Kurbelgehäuse 2' auf. Selbstverständlich kann im Kurbelgehäuse 2, 2' auch ein einstückig ausgebildeter Kühlmittelmantel vorgesehen sein.
Eine Strömungsrichtung eines Kühlmittels ist mit kleinen Pfeilen schematisch dargestellt.
Zur Kühlung der Brennkraftmaschine 1 sind eine von der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise über einen Riementrieb, mechanisch antreibbare Kühlmittelpumpe 4 und eine zuschaltbare elektrische Kühlmittelpumpe 5 vorgesehen. Mit der mechanischen Kühlmittelpumpe 4 wird das Kühlmittel durch das Kurbelgehäuse 2, 2' und/oder den Zylinderkopf 3 gepumpt und weiter in eine Kühlmittelrückflussleitung 6. Darüber hinaus können gleichzeitig oder parallel zur Brennkraftmaschine 1 ein Abgasrückführkühler 7 und/oder ein Kühlmittel/Öl-Wärmetauscher 8 mit dem Kühlmittel durchströmt und anschließend in die Kühlmittelrückflussleitung 6 rückgeführt werden.
Eine Förderrichtung der Kühlmittelpumpen 4, 5 ist mit Pfeilen in den Kühlmittelpumpen 4, 5 schematisch dargestellt.
Die Kühlmittelrückflussleitung 6 geht zweigeteilt in eine Kühlmittelsteuereinrichtung 9, beispielsweise einem Thermostatventil. Einerseits erfolgt dies auf direktem Weg und andererseits indirekt durch einen Kühlmittelkühler 10 und von der Kühlmittelsteuereinrichtung 9 zurück zu den Saugseiten der mechanischen Kühlmittelpumpe 4 und der elektrischen Kühlmittelpumpe 5.
Der erfindungsgemäße Kühlmittelkreislauf für die Brennkraftmaschine 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite der elektrischen Kühlmittelpumpe 5 in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Kühlmittelsteuereinrichtung 9 kühlmittelführend mit der Saugseite der mechanischen Kühlmittelpumpe 4 verbunden ist, wobei das Kühlmittel mit der elektrischen Kühlmittelpumpe 5 durch das Kurbelgehäuse 2, 2' und/oder den Zylinderkopf 3 (gestrichelt dargestellt) direkt in die Kühlmittelrückflussleitung 6 förderbar ist.
Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter dem Abgasrückführkühler 7 und hinter dem Kühlmittel/Öl-Wärmetauscher 8 und vor der Kühlmittelrückflussleitung 6 eine zweite Kühlmittelsteuereinrichtung 11, ebenfalls beispielsweise ein Thermostatventil, angeordnet, die kühlmittelführend mit den Saugseiten der Kühlmittelpumpen 4, 5 verbindbar ist. In der vorliegenden, bevorzugten Ausführung ist in der Kühlmittelrückflussleitung 6 zusätzlich ein Heizungswärmetauscher 12, zur Temperierung einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges, angeordnet.
Weiter ist in der bevorzugten Ausführung zwischen dem Kühlmittelkühler 10 und den Saugseiten der Kühlmittelpumpen 4, 5 ein Getriebeölwärmetauscher 13 angeordnet, zur Temperierung eines Getriebeöls eines nicht dargestellten Getriebes.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiter zwischen der mechanischen Kühlmittelpumpe 4 und dem Kurbelgehäuse 2, 2' und/oder dem Zylinderkopf 3 ein Absperrelement 14 vorgesehen, mit dem der Zufluss von Kühlmittel zur Brennkraftmaschine 1 während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unterbunden bzw. geregelt oder gesteuert gedrosselt werden kann. Dieses Absperrelement 14 kann beispielsweise elektrisch und/oder mechanisch betreibbar sein.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante, ist für den Kühlmittelkreislauf zusätzlich ein bekannter Kühlmittelausgleichsbehälter vorgesehen.
Zusammenfassung:
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, ein Kraftstoffverbrauchspotential durch die Kombination einer möglichst kleinen mechanischen Kühlmittelpumpe 4 für die Grundversorgung der Brennkraftmaschine 1 mit einer möglichst kleinen elektrischen Kühlmittelpumpe 5 für eine bedarfsgerechte, zusätzliche Kühlwirkung als eine ,,Hybrid-Kühlung” zu generieren.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2, 2': Kurbelgehäuse
3: Zylinderkopf
4: mechanische Kühlmittelpumpe
5: elektrische Kühlmittelpumpe
6: Kühlmittelrückflussleitung
7: Abgasrückführkühler
8: Kühlmittel/Öl-Wärmtauscher
9: Kühlmitteisteuereinrichtung
10: Kühlmittelkühler
11: Kühlmittelsteuereinrichtung
12: Heizungswärmetauscher
13: Getriebeölwärmetauscher
14: Absperrelement

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 10332949 A1 [0003, 0003]

Claims

Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Kurbelgehäuse (2, 2') und einem Zylinderkopf (3), mit einer von der Brennkraftmaschine (1) antreibbaren mechanischen Kühlmittelpumpe (4) und einer zuschaltbaren elektrischen Kühlmittelpumpe (5), wobei ein Kühlmittel mit der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) durch das Kurbelgehäuse (2, 2') und/oder den Zylinderkopf (3) in eine Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist und/oder parallel zur Brennkraftmaschine (1) durch einen Abgasrückführkühler (7) und/oder durch einen Kühlmit tel/Öl-Wärmtauscher (8) in die Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist, wobei die Kühlmittelrückflussleitung (6) direkt in eine Kühlmittelsteuereinrichtung (9) und indirekt durch einen Kühlmittelkühler (10) in die Kühlmittelsteuereinrichtung (9) und anschließend in eine Saugseite der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Saugseite der elektrischen Kühlmittelpumpe (5) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Kühlmittelsteuereinrichtung (9) Kühlmittel führend mit einer Saugseite der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) verbunden ist, wobei das Kühlmittel mit der elektrischen Kühlmittelpumpe (5) durch das Kurbelgehäuse (2, 2') und/oder den Zylinderkopf (3) direkt in die Kühlmittelrückflussleitung (6) förderbar ist.
Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter dem Abgasrückführkühler (7) und hinter dem Kühlmittel/Öl-Wärmtauscher (8) und vor der Kühlmittelrückflussleitung (6) eine zweite Kühlmittelsteuereinrichtung (11) angeordnet ist, die Kühlmittel führend mit den Saugseiten der Kühlmittelpumpen (4, 5) verbindbar ist.
Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlmittelrückflussleitung (6) ein Heizungswärmetauscher (12) anordenbar ist.
Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kühlmittelkühler (10) und des Saugseiten der Kühlmittelpumpen (4, 5) ein Getriebeölwärmetauscher (13) anordenbar ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mechanischen Kühlmittelpumpe (4) und dem Kurbelgehäuse (2, 2') und/oder dem Zylinderkopf (3) ein Absperrelement (14) für das Kühlmittel angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelausgleichsbehälter vorgesehen ist.