DE102013009788A1 - Method for testing and optimizing internal combustion engine cooling systems under real conditions, and devices for carrying them out - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Prüfung und Optimierung von Kühlsystemen von Verbrennungsmotoren unter reellen Bedingungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung. Bei der Entwicklung von Kühlkreisläufen und Kühlkreislauf-Komponenten von Verbrennungsmotoren werden die Versuche auf Komponentenprüfständen durchgeführt, in den das Kühlmittel Umgebungstemperatur aufweist und dadurch nur eingeschränkt Aussagen über das Betriebsverhalten möglich sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Prüfung und Optimierung der Kühlkreisläufe von Verbrennungsmotoren mit realistischen Kühlmitteltemperaturen, die durch die Aufheizung der Brennräume und der Auslasskanäle sowie der kühlmittelführenden Räume mit einem gasförmigen Medium, bevorzugt Luft eingestellt werden. Dadurch können mit dem kostengünstigen Komponentenversuch teuere Motorprüfstands- und Fahrzeugversuche eingespart werden. Desweiteren ist durch Umschaltung von Heissluft auf Kaltluft die Untersuchung von instationären Aufheiz- und Abkühlphasen, durch die zylinderselektive Zuführung von Heiss- und Kaltluft die Untersuchung der thermischen Effekte der Zylinderabschaltung möglich. Die Anordnung des Komponentenprüfstandes auf einer Schwenkvorrichtung ermöglicht die Optimierung in realistischen Fahrzeug-Schräglagen.Method for testing and optimizing internal combustion engine cooling systems under real conditions, and devices for carrying them out. In the development of cooling circuits and cooling circuit components of internal combustion engines, the tests are carried out on component test benches, in which the coolant has ambient temperature and thus only limited statements about the performance are possible. The present invention enables the testing and optimization of the cooling circuits of internal combustion engines with realistic coolant temperatures, which are set by the heating of the combustion chambers and the outlet channels and the coolant-carrying spaces with a gaseous medium, preferably air. As a result, expensive engine test bench and vehicle tests can be saved with the cost-effective component test. Furthermore, by switching from hot air to cold air, the investigation of transient heating and cooling phases, by the cylinder-selective supply of hot and cold air, the investigation of the thermal effects of cylinder deactivation possible. The arrangement of the component test stand on a swivel device allows optimization in realistic vehicle inclinations.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur realitätsnahen Prüfung und Optimierung von Kühlsystemen von Verbrennungsmotoren sowie Vorrichtungen zur Durchführung. Die Entwicklung von modernen Fahrzeugmotoren ist sehr aufwändig und erstreckt sich auf Motoren-, Komponenten- und Fahrzeugversuche.The invention relates to a method for realistic testing and optimization of cooling systems of internal combustion engines and devices for carrying out. The development of modern vehicle engines is very complex and extends to engine, component and vehicle tests.

Bei dem Motorprüfstandsversuch werden Verbrennungsmotoren befeuert auf Motorenprüfständen betrieben. Der befeuerte Betrieb und Vermessung des Verbrennungsmotors kann auch im Fahrbetrieb mit einem Fahrzeug realisiert werden. Die Motorprüfstandsversuche sowie die Fahrzeugversuche sind nicht kostengünstig und setzen auch die Verfügbarkeit von teuren Prototypteilen, die nicht zwingend für die Entwicklung von Kühlsystemen notwendig sind, voraus.In the engine test bench trial, internal combustion engines are operated on engine test benches. The fired operation and measurement of the internal combustion engine can also be realized while driving with a vehicle. The engine test bench tests and the vehicle tests are not cost-effective and also require the availability of expensive prototype parts, which are not necessarily necessary for the development of cooling systems.

Der Komponentenversuch bietet einen Kostenvorteil sowohl durch die Einsparung von Prototypteilen als auch durch die Verkürzung der Entwicklungszeit. Dabei werden in den meisten Fällen die Randbedingungen vereinfacht dargestellt. Bei der Entwicklung von Kühlkreisläufen von Verbrennungsmotoren bedeutet das den Verzicht auf die Kühlmitteltemperaturen, die im reellen Fahrzeug- oder Motorenbetrieb charakteristisch sind (90°C bis 130°C). Die Untersuchungen werden in der überwiegenden Anzahl der Fälle auf Kühlkreislaufprüfständen mit elektrisch oder auf andere Arten angetriebene Kühlmittelpumpen durchgeführt, in den das Kühlmittel Umgebungstemperatur aufweist und dadurch nur eingeschränkt Aussagen über das Betriebsverhalten möglich sind.The component test offers a cost advantage both by saving prototype parts and shortening the development time. In most cases, the boundary conditions are simplified. In the development of cooling circuits of internal combustion engines, this means dispensing with the coolant temperatures that are characteristic in real vehicle or engine operation (90 ° C to 130 ° C). The investigations are carried out in the majority of cases on Kühlkreislaufprüfständen with electrically or other types of driven coolant pump in which the coolant has ambient temperature and thus only limited statements about the performance are possible.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Prüfung und Optimierung der Kühlkreisläufe von Verbrennungsmotoren mit erhöhten Kühlmitteltemperaturen, die den realistischen Betriebszuständen, wie sie im Fahrbetrieb auftreten, entsprechen. Dadurch können mit dem kostengünstigen Komponentenversuch teuere Motorprüfstands- und Fahrzeugversuche eingespart werden.The present invention allows the testing and optimization of the cooling circuits of internal combustion engines with increased coolant temperatures, which correspond to the realistic operating conditions, as they occur during driving. As a result, expensive engine test bench and vehicle tests can be saved with the cost-effective component test.

Desweiteren ist durch die Umschaltung von Heissluft auf Kaltluft oder von Kaltluft auf Heissluft die Untersuchung und Optimierung von instationären Abkühl- und Aufheizphasen und damit die Optimierung von neuen und zukünftigen variablen Komponenten des Kühlkreislaufs, wie z. B. regelbaren Kühlmittelpumpen oder Kennfeldthermostaten möglich.Furthermore, by switching from hot air to cold air or from cold air to hot air, the investigation and optimization of transient cooling and heating phases and thus the optimization of new and future variable components of the cooling circuit, such. B. adjustable coolant pump or map thermostat possible.

Durch die zylinderselektive Zuführung von Heissluft oder Kaltluft ist die Untersuchung und Optimierung der thermischen Effekte der für die Kraftstoffverbrauchseinsparung eingesetzten Zylinderabschaltung möglich.The cylinder-selective supply of hot air or cold air makes it possible to investigate and optimize the thermal effects of cylinder deactivation used to save fuel consumption.

Weiterhin ermöglicht die Erfindung durch Anordnung des Kühlkreislaufprüfstandes auf einer Schwenkvorrichtung auch die Untersuchung des Kühlsystems in realistischen Fahrzeug-Niveaulagen, wie Schräglagen (Bergfahrt, Talfahrt, Geländefahrt) oder die Simulation der Kurvenbeschleunigung bei höheren Geschwindigkeiten.Furthermore, by arranging the cooling circuit test bench on a swivel device, the invention also makes it possible to investigate the cooling system in realistic vehicle level positions, such as inclinations (ascent, descent, off-road driving) or simulation of the acceleration of the curve at higher speeds.

Claims (11)

Verfahren zur Durchführung von Prüfstandsuntersuchungen zur Entwicklung, Optimierung und Auslegung des Kühlkreislaufs von Verbrennungsmotoren bei nicht befeuertem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung der Brennräume (1) und der Auslasskanäle (2) durch eine Wärmezufuhr aus einer externen Quelle mit einer eingebrachten Wärmemenge erfolgt, die der durch das Kühlsystem abgeführten Wärmemenge im befeuerten Motorbetrieb entspricht.Method for carrying out test bench investigations for the development, optimization and design of the cooling circuit of internal combustion engines in non-fired internal combustion engines, characterized in that the heating of the combustion chambers ( 1 ) and the outlet channels ( 2 ) is effected by a heat supply from an external source with an introduced amount of heat that corresponds to the amount of heat dissipated by the cooling system in the fired engine operation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennräume und die Auslasskanäle durch ein extern erhitztes gasförmiges Medium aufgeheizt werden und dadurch ein vergleichbares Wärmeübergangsverhalten in die kühlmittelführenden Bauteile und in die Kühlmittelräume (3) im Zlinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf des Verbrennungsmotors erzielt wird, wie bei dem befeuerten Verbrennungsmotor. Die Kühlmittelwärme wird durch den Fahrzeug-Kühlmittelkühler abgeführt, der von einem bedarfsgerecht zu- und abgeschalteten Fahrzeuglüfter angeströmt und dadurch ein thermisches Gleichgewicht eingestellt wird, das den realistischen Fahrzeugbetriebszuständen entspricht.A method according to claim 1, characterized in that the combustion chambers and the exhaust passages are heated by an externally heated gaseous medium and thereby a comparable heat transfer behavior (in the coolant-conveying components and into the coolant space 3 ) is achieved in Zlinderkurbelgehäuse and cylinder head of the internal combustion engine, as in the fired internal combustion engine. The coolant heat is dissipated by the vehicle coolant radiator, which is supplied by a vehicle fan which is switched on and off as required, thereby setting a thermal equilibrium which corresponds to the realistic vehicle operating states. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Medium Luft verwendet wird.A method according to claim 2, characterized in that air is used as the gaseous medium. Vorrichtung zum Aufheizen der Brennräume und der Auslasskanäle von Verbrennungsmotoren durch ein gasförmiges Medium, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung ein Gebläse sowie eine Temperaturregelung aufweist, die die Einstellung der Eintrittstemperatur in die Brennräume und Auslasskanäle auf einen Wert ermöglicht, der einer mittleren, auf den Wärmeübergang bezogenen Temperaturwert des gesamten Kreisprozesses des Verbrennungsmotors entspricht.Device for heating the combustion chambers and the outlet channels of internal combustion engines by a gaseous medium, characterized in that the heating device comprises a blower and a temperature control, which allows the adjustment of the inlet temperature in the combustion chambers and outlet channels to a value of a medium, the heat transfer related temperature value of the entire cycle of the internal combustion engine corresponds. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilvolumenstrom oder der Gesamtvolumenstrom der aus den Auslasskanälen austretenden Gase auf die Einlassseite des Gebläses zurückgeführt wird und dadurch bei eingeschwungenem thermischen Zustand des Prüflings ein energiesparender Betrieb sowie eine genauere Regelbarkeit gegeben ist.Apparatus according to claim 4, characterized in that a partial volume flow or the total volume flow of the gases leaving the outlet channels is fed back to the inlet side of the blower and thereby given a steady state thermal state of the DUT energy-saving operation and a more accurate controllability is given. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Eintrittsseite eine Klappensteuerung angeordnet ist und damit eine schnelle Umschaltung zwischen Umgebungsluft mit niedriger Temperatur und zurückgeführtem Heissgas oder aufgeheiztem Heissgasmit hoher Temperatur möglich ist für die Darstellung von Betriebspunkten zur Untersuchung des Übergangsverhaltens, wie die Abkühlphase und die Aufheizphase im reellem Fahrzeugbetrieb. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Optimierung des instationären Verhaltens der neuen und zukünftigen variablen Komponenten von modernen Kühlkreisläufen, wie z. B. Kennfeld-Thermostate und Kühlmittelpumpen mit Abschaltung oder veränderlicher Drehzahl. Apparatus according to claim 4 and 5, characterized in that on the inlet side, a flap control is arranged and thus a rapid switching between low-temperature ambient air and recycled hot gas or heated hot gas at high temperature is possible for the representation of operating points to investigate the transition behavior, such as Cooling phase and the heating phase in the real vehicle operation. Of particular importance is the optimization of the transient behavior of the new and future variable components of modern cooling circuits, such. B. map thermostats and coolant pumps with shutdown or variable speed. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des erhitzten gasförmigen Mediums zu den Brennräumen und Auslasskanälen des Verbrennungsmotors durch die Kolbenunterböden (4) der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors und der Austritt durch die Auslassventile (5) erfolgt, die auf einen definierten Ventilhub eingestellt und fixiert werden, der ein gesteuertes Ausströmen und damit eine gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung der Brennraumwände ermöglicht sowie dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (6) in geschlossener Stellung fixiert werden, wodurch eine kontrollierte Ableitung und Zurückführung des erhitzten gasförmigen Mediums durch die geöffneten Auslassventile und durch die Auslasskanäle sowie durch die Auspuffsammelleitung erreicht wird.Device according to claim 4 and 5 and 6, characterized in that the supply of the heated gaseous medium to the combustion chambers and exhaust ports of the internal combustion engine by the lower piston bottoms ( 4 ) of the individual cylinder of the internal combustion engine and the outlet through the exhaust valves ( 5 ), which are adjusted and fixed to a defined valve lift, which allows a controlled outflow and thus a uniform temperature loading of the combustion chamber walls and characterized in that the inlet valves ( 6 ) in the closed position, whereby a controlled discharge and return of the heated gaseous medium through the open exhaust valves and through the exhaust ducts and through the exhaust manifold is achieved. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des erhitzten gasförmigen Mediums zu den Brennräumen und Auslasskanälen des Verbrennungsmotors durch die in den einzelnen Zylinderbohrungen angebrachten Scheiben erfolgt, die durch Hochtemperatur-Ringdichtungen am Scheibenumfang an die Zylinderwände abdichten und eine gezielte Einströmung in die Brennräume ermöglichen.Apparatus according to claim 7, characterized in that the supply of the heated gaseous medium to the combustion chambers and exhaust ports of the internal combustion engine is effected by the discs mounted in the individual cylinder bores, which seal by high-temperature ring seals on the disc periphery to the cylinder walls and a targeted inflow into the combustion chambers enable. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des erhitzten gasförmigen Mediums zu den Brennräumen und Auslasskanälen des Verbrennungsmotors durch die Kolbenunterböden der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors oder durch die in den einzelnen Zylinderbohrungen angebrachten Scheiben erfolgt, die mit schrägen Eintrittsbohrungen (7) versehen sind, die eine Tangentialströmung (8) erzeugen, die zu einer gleichmäßigen Anströmung der den Brennraum begrenzenden Wände und damit zu einem Wandwärmeübergang in den Brennräumen führt, die dem Wandwärmeübergang in den Brennräumen eines befeuerten Verbrennungsmotors sehr nahe kommt.Apparatus according to claim 8, characterized in that the supply of the heated gaseous medium to the combustion chambers and exhaust ports of the internal combustion engine through the piston bases of the individual cylinders of the internal combustion engine or through the mounted in the individual cylinder bores discs which are inclined entry holes ( 7 ) which have a tangential flow ( 8th ), which leads to a uniform flow of the walls bounding the combustion chamber and thus to a wall heat transfer in the combustion chambers, which comes very close to the wall heat transfer in the combustion chambers of a fired internal combustion engine. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zufuhr des heißen Mediums je nach Zylinder eine Klappensteuerung angeordnet ist, die es ermöglicht, die Zufuhr des heißen Mediums bei einzelnen Zylindern abzuschalten oder auf die Zufuhr von Umgebungsluft niedrigerer Temperatur unter Beibehaltung der Zufuhr von heißem Medium zu den übrigen Zylindern umzuschalten, wodurch die thermischen Effekte sowie die Auswirkungen auf einzelne Komponenten des Kühlsystems bei Nichtbefeuerung einzelner Zylinder untersucht werden können und somit die Entwicklung des Kühlsystems die Auswirkungen einer Zylinderabschaltung, die üblicherweise für die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs in ausgewählten Betriebspunkten des Motors eingesetzt wird, berücksichtigen kann.Apparatus according to claim 4, 5, 6, 7, 8 and 9, characterized in that the supply of the hot medium, depending on the cylinder, a flap control is arranged, which makes it possible to shut off the supply of hot medium to individual cylinders or to the supply from ambient air of lower temperature while maintaining the supply of hot medium to the other cylinders, whereby the thermal effects as well as the effects on individual components of the cooling system in non-firing of individual cylinders can be examined and thus the development of the cooling system the effects of cylinder deactivation, which is usually for the improvement of fuel consumption is used in selected operating points of the engine, can take into account. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auf einer Schwenkplatte oder auf einem Schwenktisch angebracht oder in miteinander kardanisch verbundene schwenkbare Rahmen eingebaut wird, die eine Schrägstellung der gesamten Prüfvorrichtung in allen vier Richtungen entsprechend den Fahrzeuglagen Bergfahrt, Talfahrt, Rechtsneigung und Linksneigung ermöglichen und damit das Verhalten des Kühlsystems in diesen Betriebszuständen simulieren, bevorzugt für die Optimierung des Kühlsystems von geländegängigen Fahrzeugen und SUV's. Desweiteren können die Kurvenbeschleunigungen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten sowie die Längsbeschleunigung und -verzögerung nachgebildet und dadurch Kühlsysteme für Fahrzeuge mit hoher Motorleistung oder für den Renneinsatz entwickelt und optimiert werden.Device according to claim 4, 5, 6, 7, 8 and 9, characterized in that the device is mounted on a swivel plate or on a swivel table or incorporated in gimbaled hinged frames corresponding to an inclination of the entire testing device in all four directions allow the vehicle uphill, downhill, right-angle and left slope and thus simulate the behavior of the cooling system in these operating conditions, preferably for the optimization of the cooling system of all-terrain vehicles and SUVs. Furthermore, the accelerations at high vehicle speeds and the longitudinal acceleration and deceleration can be modeled and thereby developed and optimized cooling systems for vehicles with high engine power or for racing use.
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