DE102013203476A1

DE102013203476A1 - Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühltem Zylinderkopf und flüssigkeitsgekühltem Zylinderblock und Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013203476A1
Application number: DE201310203476
Authority: DE
Inventors: Hans Günther Quix; Sebastiaan Lambertus van den Heuvel; Wilbert Hemink; Jan Mehring; Klaus-Peter Heinig; Anselm Hopf
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine BKM (1) mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (2) und Zylinderblock (3), bei der – der mindestens eine Zylinderkopf (2) mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel (2a) ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel (2a) einlassseitig eine erste Zuführöffnung (4a) zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung (5a) zum Abführen desselben aufweist, – der Zylinderblock (3) mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel (3a) ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel (3a) einlassseitig eine zweite Zuführöffnung (4b) zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung (5b) zum Abführen desselben vorgesehen ist, und – zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen (5a, 5b) mit den Zuführöffnungen (4a, 4b) zumindest verbindbar sind. Verbessert wird diese BKM (1) dadurch, dass – die zweite Abführöffnung (5b) via Rückführleitung (7), in der ein Wärmetauscher (7a) angeordnet ist, mit der zweiten Zuführöffnung (4b) zumindest verbindbar ist, – die zweite Abführöffnung (5b) via Bypassleitung (8) mit der zweiten Zuführöffnung (4b) zumindest verbindbar ist, – die erste Abführöffnung (5a) via Heizkreislaufleitung (6), in der eine Innenraumheizung (6a) angeordnet ist, mit der ersten Zuführöffnung (4a) zumindest verbindbar ist, und – stromaufwärts der Zuführöffnungen (4a, 4b) eine gemeinsame Pumpe (12) zur Förderung von Kühlmittel zu den beiden Zuführöffnungen (4a, 4b) vorgesehen ist, wobei die Pumpe (12) ein Gehäuse umfasst und zwischen der Pumpe (12) und der zweiten Zuführöffnung (4b) ein Absperrelement (9) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, bei der

– der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist,
– der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist, und
– zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen zumindest verbindbar sind.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art findet beispielsweise Verwendung als Kraftfahrzeugantrieb. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden können.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Daher werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, denn die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu.
Dies ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen und mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging immer mehr Komponenten in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren, d. h. der Brennkraftmaschinen, wächst. Zunehmend häufig wird der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind.
Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird einlassseitig via Zuführöffnung mit Kühlmittel versorgt, das nach Durchströmen des Zylinderkopfes auslassseitig den Kühlmittelmantel via Abführöffnung verlässt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise via Abführöffnung aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist flüssigkeitsgekühlt und verfügt über mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock.
Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs sind die auslassseitigen Abführöffnungen, aus welchen das Kühlmittel abgeführt wird, mit den einlassseitigen Zuführöffnungen, die der Versorgung der Kühlmittelmäntel mit Kühlmittel dienen, zumindest verbindbar, wozu eine Leitung oder mehrere Leitungen vorgesehen werden können. Diese Leitungen müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinn sein, sondern können abschnittsweise auch in den Zylinderkopf, den Zylinderblock oder ein anderes Bauteil integriert sein. Ein Beispiel für eine derartige Leitung ist eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen. In diesem Zusammenhang bedeutet zumindest verbindbar, dass die Abführöffnungen entweder dauerhaft via Leitungssystem mit den Zuführöffnungen verbunden sind oder aber bei Verwendung von Ventilen bzw. Absperrelementen gezielt miteinander verbunden werden können.
Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung, der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge zu entziehen. Vielmehr wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, die neben der Volllast auch den Betriebsmodi der Brennkraftmaschine Rechnung trägt, in denen es vorteilhafter ist, der Brennkraftmaschine weniger bzw. möglichst wenig Wärme zu entziehen.
Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, kann eine zügige Erwärmung des Motoröls, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Konzepte bekannt, mit denen die Reibleistung durch schnelle Erwärmung des Motoröls gemindert werden kann. Das Öl kann beispielsweise mittels externer Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden. Die Heizvorrichtung verbraucht aber zusätzlich Kraftstoff, was einer Minderung des Kraftstoffverbrauchs entgegen steht. Andere Konzepte sehen vor, das im Betrieb erwärmte Motoröl in einem isolierten Behältnis zu speichern und bei einem Neustart zu nutzen. Das im Betrieb erwärmte Öl lässt sich zeitlich aber nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur bevorraten. Gemäß einem weiteren Konzept wird ein kühlmittelbetriebener Ölkühler in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt, was aber wiederum eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels voraussetzt.
Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d. h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
Insofern ist die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ein Beispiel für einen Betriebsmodus, in dem der Brennkraftmaschine möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme entzogen werden sollte.
Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine der Wärmeentzug nach einem Kaltstart vermindert wird, kann durch Einsatz eines selbsttätig temperaturabhängig steuernden Ventils realisiert werden, welches im Stand der Technik häufig auch als Thermostatventil bezeichnet wird. Ein derartiges Thermostatventil weist ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element auf, wobei eine durch das Ventil führende Leitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element versperrt wird oder – mehr oder weniger – freigegeben wird. Auf diese Weise lässt sich Kühlmittel beispielsweise via Bypassleitung, welche einen in einer Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgeht, von der Auslassseite auf die Einlassseite des Kühlkreislaufs zurückführen.
Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte No-Flow-Strategien bekannt, bei denen der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf bzw. den Zylinderblock vollständig unterbunden wird, um der Brennkraftmaschine möglichst wenig Wärme zu entziehen.
Bei einer Brennkraftmaschine, die sowohl einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock aufweist, so wie die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wäre es vorteilhaft, den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander steuern zu können, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen.
Grundsätzlich wird eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, mit der nicht nur die zirkulierende Kühlmittelmenge bzw. der Kühlmitteldurchsatz nach einem Kaltstart vermindert bzw. unterbunden werden kann, sondern vielmehr auf den Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine im Allgemeinen Einfluss genommen werden kann.
Aus Komfortgründen kann es, insbesondere nach einem Kaltstart, vorteilhaft bzw. wünschenswert sein, eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock vorerwärmtem Kühlmittel zu versorgen. Dabei entsteht ein Zielkonflikt, nämlich einerseits Kühlmittel im Zylinderkopf bzw. Zylinderblock vorzuwärmen, um der Heizung vorerwärmtes Kühlmittel zur Verfügung zu stellen, und andererseits den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock zu unterbinden bzw. zu reduzieren, um der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme zu entziehen.
Aus dem Stand der Technik sind Kühlkonzepte bekannt, die zwei voneinander getrennte und damit unabhängige Kühlkreisläufe aufweisen. Dabei wird ein sogenannter Hauptkühlmittelkreislauf ausgebildet, der größere Kühlmittelmengen durch den mindestens einen im Zylinderblock integrierten Kühlmittelmantel leitet, und ein sogenannter Nebenkühlmittelkreislauf, der kleinere Kühlmittelmengen durch den mindestens einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel führt. Die kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung ist in den Nebenkreislauf eingebunden, d. h. wird via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf vorerwärmtem Kühlmittel versorgt. Der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock kann folglich während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unterbunden werden, während die Heizung gleichzeitig weiter mit Kühlmittel versorgt wird. Während der Kühlmittelstrom im Hauptkreislauf – wie üblich – mittels einer mechanisch angetriebenen Wasserpumpe gefördert wird, wird im Nebenkreislauf eine elektrisch betriebene Pumpe vorgesehen. Diese zusätzliche Pumpe erhöht die Kosten und den Raumbedarf der Flüssigkeitskühlung erheblich. Zudem ist man bei der Versorgung der Fahrzeuginnenraumheizung auf kleinere Kühlmittelmengen begrenzt. Werden höhere Kühlmittelmengen angefordert, können diese nicht bereitgestellt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Kühlung hinsichtlich der Kosten, des Raumbedarfs und insbesondere hinsichtlich Komfortansprüchen in Zusammenhang mit einer kühlmittelbetriebenen Fahrzeuginnenraumheizung optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, bei der

– der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist,
– der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist, und
– zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen zumindest verbindbar sind,

– die zweite Abführöffnung via Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, mit der zweiten Zuführöffnung zumindest verbindbar ist,
– die zweite Abführöffnung via einer – den in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgehenden – Bypassleitung mit der zweiten Zuführöffnung zumindest verbindbar ist,
– die erste Abführöffnung via Heizkreislaufleitung, in der eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung angeordnet ist, mit der ersten Zuführöffnung zumindest verbindbar ist, und
– stromaufwärts der Zuführöffnungen eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel zu den beiden Zuführöffnungen vorgesehen ist, wobei die Pumpe ein Gehäuse umfasst und zwischen der Pumpe und der zweiten Zuführöffnung ein Absperrelement vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, wobei der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel und der mindestens eine im Zylinderblock integrierte Kühlmittelmantel voneinander getrennt sind.
Erfindungsgemäß ist die erste Abführöffnung des ersten im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantels via Heizkreislaufleitung mit der ersten Zuführöffnung zumindest verbindbar, so dass die kühlmittelbetriebene Heizung unter sämtlichen Betriebszuständen mit im Zylinderkopf vorerwärmtem Kühlmittel versorgt werden kann. Damit wird eine Mindestversorgung der Heizung mit erwärmtem Kühlmittel sichergestellt.
Bei Bedarf kann die kühlmittelbetriebene Heizung via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf vorerwärmtem Kühlmittel versorgt werden, während der Kühlmitteldurchsatz durch den mindestens einen blockzugehörigen Kühlmittelmantel durch Schließen des Absperrelements, welches stromaufwärts der zweiten, d. h. der blockzugehörigen Zuführöffnung vorgesehen ist, unterbunden wird. Der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock kann folglich während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unterbunden werden, um der Brennkraftmaschine möglichst wenig Wärme zu entziehen, während die Heizung gleichzeitig weiter mit Kühlmittel versorgt wird.
Da beide Zuführöffnungen, d. h. sowohl der kopfzugehörige Kühlmittelmantel als auch der blockzugehörige Kühlmittelmantel, mittels einer gemeinsamen stromaufwärts der beiden Zuführöffnungen angeordneten Pumpe mit Kühlmittel versorgt werden, kann bei mittels verschlossenem Absperrelement deaktivierter zweiter Zuführöffnung das gesamte Kühlmittel der kühlmittelbetriebene Heizung zugeführt werden. D. h. eine Beschränkung auf kleinere Kühlmittelmengen, wie dies von Konzepten mit Nebenkreislauf her bekannt ist, ergibt sich erfindungsgemäß nicht. Des Weiteren entfällt das Erfordernis, eine zusätzliche, beispielweise elektrisch betriebene Pumpe vorsehen zu müssen. Die mit einer solchen zusätzlichen Pumpe verbundenen Nachteile, nämlich die erhöhten Kosten und der erhöhte Raumbedarf, entfallen mit der Pumpe.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass der Zylinderkopf thermisch höher belastet ist als der Zylinderblock, so dass der Kopf sich nach einem Kaltstart schneller aufheizt und folglich der durch den Zylinderkopf geführte Kühlmittelstrom schneller eine höhere Temperatur erreicht als ein durch den Zylinderblock geführter Kühlmittelstrom. Im Hinblick auf eine schnelle Aufheizung des Fahrgastinnenraums nach einem Kaltstart ist dies eine spürbarer Komfortvorteil.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren Kühlung hinsichtlich der Kosten, des Raumbedarfs und insbesondere hinsichtlich Komfortansprüchen in Zusammenhang mit einer kühlmittelbetriebenen Fahrzeuginnenraumheizung optimiert ist.
Das durch den Zylinderblock geleitete Kühlmittel kann nach Austritt aus der zweiten Abführöffnung wahlweise via Rückführleitung oder via Bypassleitung auf die Einlassseite zurückgeführt werden, wobei dem Kühlmittel in einem in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher Wärme entzogen werden kann, falls dies gewollt ist. Die Steuerung dieses Kühlmittelstroms kann ein stromabwärts der zweiten Abführöffnung vorgesehenes Thermostatventil übernehmen.
Die Pumpe stellt sicher, dass das Kühlmittel in den Kühlmittelkreisläufen zirkuliert und Wärme mittels Konvektion abgeführt werden kann. Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe variabel steuerbar ist, so dass der Kühlmitteldurchsatz mittels Förderdruck beeinflusst werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei wird insbesondere deutlich werden, wie die Kühlmittelströme eingestellt und geleitet werden bzw. welche Leitungen der Kreisläufe freigegeben bzw. versperrt werden und welche Effekte und Wirkungen sich daraus in vorteilhafter Weise ergeben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizkreislaufleitung in die Bypassleitung mündet.
Das durch die Heizung bzw. die Heizkreislaufleitung geführte Kühlmittel wird vorliegend via Bypassleitung auf die Einlassseite zurückgeführt, wobei der in der Rückführleitung angeordnete Wärmetauscher umgangen wird. Diese Vorgehensweise korrespondiert mit der Zielsetzung, der Heizung Kühlmittel möglichst hoher Temperatur zuzuführen, und mit der Zielsetzung, die Erwärmung des Kühlmittels zu forcieren, um die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen. Dem Kühlmittel im Wärmetauscher Wärme zu entziehen, würde diesen Zielsetzungen entgegen stehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel und der blockzugehörige Kühlmittelmantel voneinander getrennt sind. Die Verwirklichung der vorstehenden Merkmale ist erforderlich, damit die kühlmittelbetriebene Heizung via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf vorerwärmtem Kühlmittel versorgt und gleichzeitig der Kühlmitteldurchsatz durch den blockzugehörigen Kühlmittelmantel durch Schließen des Absperrelements unterbunden werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Heizkreislaufleitung stromaufwärts der Fahrzeuginnenraumheizung eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung einer Abgasrückführung vorgesehen ist.
Auf diese Weise kann dem heißen rückzuführenden Abgas Wärme entzogen und dem bereits im Zylinderkopf vorerwärmten Kühlmittel zusätzlich Wärme zugeführt werden. Die Heizleistung kann damit gesteigert werden. Gegebenenfalls senkt dies die von der Heizung angeforderte Kühlmittelmenge.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels im Zylinderblock angeordnet ist.
Die Kühlmittelkreisläufe des flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes und des flüssigkeitsgekühlten Zylinderblocks bzw. die dazugehörigen Kühlmittelmäntel sind voneinander getrennt. Es erfolgt kein Kühlmittelaustausch zwischen dem mindestens einen Zylinderkopf und dem Zylinderblock.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens zwei integrierten und voneinander getrennten Kühlmittelmänteln ausgestattet ist, wobei der zweite Kühlmittelmantel zur Versorgung mit Kühlmittel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel verbunden ist und die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorzugsweise im Zylinderkopf angeordnet ist.
Der Zylinderkopf und der Zylinderblock werden im Rahmen der Montage an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden, wodurch die Zylinder, d. h. die Brennräume der Brennkraftmaschine ausgebildet werden.
Vorliegend wird ein im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel, der als zweiter Kühlmittelmantel bezeichnet wird, via Block mit Kühlmittel versorgt, Hierzu ist der zweite Kühlmittelmantel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel verbunden. Der zweite Kühlmittelmantel wird dabei vorteilhafterweise benachbart zu Montage-Stirnseite im Zylinderkopf angeordnet, um die Versorgung mit Kühlmittel via Block zu vereinfachen.
Damit wird der Zylinderkopf teilweise von bereits im Zylinderblock vorerwärmten Kühlmittel durchströmt und im Zylinderkopf erwärmtes Kühlmittel nicht via Heizkreislaufleitung der Heizung zugeführt und zur Erwärmung des Fahrgastinnenraums genutzt, sondern via Bypassleitung bzw. Rückführleitung auf die Einlassseite zurückgeführt.
Die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung dient vorliegend dem Abführen des Kühlmittels aus dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel und dem Abführen des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement ein Ventil ist.
Während Thermostatventile eine charakteristische Öffnungstemperatur aufweisen, wird vorliegend ein – beispielsweise mittels Motorsteuerung – aktiv verstellbares Absperrelement, vorzugsweise ein stufenlos verstellbares Ventil, eingesetzt, so dass grundsätzlich eine kennfeldgesteuerte Betätigung dieses Absperrelementes möglich ist und damit auch eine an den momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Kühlmitteltemperatur, beispielsweise bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten.
Unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen für unterschiedliche Lastzustände können vorteilhaft sein, weil der Wärmeübergang in einem Bauteil nicht ausschließlich von der durchgesetzten Kühlmittelmenge, sondern maßgeblich auch von der Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Kühlmittel bestimmt wird. So ist eine höhere Kühlmitteltemperatur im Teillastbetrieb gleichbedeutend mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Zylinderblock bzw. Zylinderkopf. Die Folge ist ein geringerer Wärmeübergang bei niedrigen und mittleren Lasten. Dies erhöht den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb.
Durch ein mittels Motorsteuerung gesteuertes Absperrelement kann der Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock und damit die entzogene Wärmemenge bedarfsgerecht eingestellt, d. h. gesteuert werden. Moderne Brennkraftmaschinen verfügen in der Regel über eine Motorsteuerung, weshalb es vorteilhaft ist, diese Steuerung zu nutzen, um das Absperrelement zu verstellen bzw. zu steuern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Gehäuse der gemeinsamen Pumpe das Absperrelement aufnimmt. Dadurch verringern sich die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf. Die Anzahl der Bauteile reduziert sich, wodurch sich grundsätzlich die Bereitstellungskosten und die Montagekosten der Kühlung vermindern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Pumpe und der ersten Zuführöffnung ein zweites Absperrelement vorgesehen ist.
Mit Hilfe dieses zweiten Absperrelements kann der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf und die Heizung bedarfsgerecht eingestellt werden, insbesondere bei geschlossenem ersten Absperrelement. Vorteilhaft ist wiederum die Steuerung bzw. Betätigung mittels Motorsteuerung.
Vorteilhaft sind dabei ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Gehäuse der gemeinsamen Pumpe das zweite Absperrelement aufnimmt. Die Gründe sind die bereits vorstehend Genannten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das zweite Absperrelement ein Ventil ist. Dies gestattet eine stufenlose Einstellung des Kühlmitteldurchsatzes.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Absperrelement in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geschlossen wird. Um die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß in der Warmlaufphase eine No-Flow-Strategie hinsichtlich des Zylinderblocks realisiert, d. h. umgesetzt. Der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock wird vollständig unterbunden und zwar solange bis vorgegebene Kriterien erfüllt sind, die ein Öffnen des Absperrelementes erlauben bzw. erfordern.
Das Kühlmittel fließt nicht, sondern steht im Kühlmittelmantel des Zylinderblocks. Dadurch werden die Erwärmung des Kühlmittels und die Aufheizung der Brennkraftmaschine beschleunigt. Eine derartige Vorgehensweise forciert die Erwärmung des Motoröls, wodurch die Reibleistung der Brennkraftmaschine gesenkt und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine spürbar reduziert wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement bei Überschreiten einer vorgebbaren Zylinderblocktemperatur dieses Absperrelement geöffnet wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement bei Überschreiten einer vorgebbaren Kühlmitteltemperatur dieses Absperrelement geöffnet wird.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen zwischen der Pumpe und der ersten Zuführöffnung ein zweites Absperrelement vorgesehen ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Kühlmitteldurchsatz durch den ersten Kühlmittelmantel und die Heizung mittels dieses zweiten Absperrelementes gesteuert wird.
Das Verstellen des – ersten – Absperrelementes bzw. des zweiten Absperrelementes erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer ermittelten Zylinderkopftemperatur, Zylinderblocktemperatur und/oder Fahrzeuginnenraumtemperatur oder aber in Abhängigkeit von einer ermittelten Kühlmitteltemperatur. Auf diese Weise kann sowohl der Zylinderkopf als auch der Zylinderblock bedarfsgerecht temperiert bzw. gekühlt sowie der Fahrzeuginnenraum geheizt werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Temperatur des Zylinderblocks bzw. Zylinderkopfes rechnerisch bestimmt wird.
Die rechnerische Bestimmung der Temperatur erfolgt beispielsweise mittels Simulation, bei der aus dem Stand der Technik bekannte Modelle, beispielsweise dynamische Wärmemodelle und kinetische Modelle zur Bestimmung der während der Verbrennung generierten Reaktionswärme, verwendet werden. Als Eingangssignale für die Simulation werden vorzugsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verwendet, die schon vorliegen, d. h. in anderem Zusammenhang ermittelt werden.
Die Simulationsrechnung zeichnet sich dadurch aus, dass keine weiteren Bauteile, insbesondere keine Sensoren, vorgesehen werden müssen, um die Temperatur zu bestimmen, was hinsichtlich der Kosten günstig ist. Nachteilig hingegen ist, dass es sich bei den auf diese Weise ermittelten Temperaturen lediglich um einen Schätzwert handelt, was die Qualität der Steuerung bzw. Regelung mindern kann.
Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen die Temperatur des Zylinderblocks bzw. Zylinderkopfes messtechnisch mittels Sensor direkt erfasst wird.
Die messtechnische Erfassung der Zylinderblock.- bzw. Zylinderkopftemperatur bereitet keine Schwierigkeiten. Ein Zylinderblock bzw. Zylinderkopf weist auch bei warmgelaufener Brennkraftmaschine vergleichsweise moderate Temperaturen auf und bietet zudem eine Vielzahl von Möglichkeiten, d. h. verschiedene Stellen, zur Anordnung eines Sensors, ohne dass die Funktionstüchtigkeit der Brennkraftmaschine beeinträchtigt werden würde.
Zur Abschätzung der Zylinderkopftemperatur kann auch eine andere Bauteiltemperatur, insbesondere eine Zylinderblocktemperatur, herangezogen werden und umgekehrt, welche beispielsweise messtechnisch mittels Sensor erfasst oder mittels Simulationsrechnung rechnerisch bestimmt wird.
Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine wie der vorliegenden Brennkraftmaschine besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Zylinderblocktemperatur bzw. Zylinderkopftemperatur unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels zu ermitteln, d. h. abzuschätzen. Die umgekehrte Vorgehensweise ist ebenfalls denkbar.
Vorteilhafterweise ist das Absperrelement stufenlos verstellbar, so dass der Durchfluss durch den Zylinderkopf bzw. durch den Zylinderblock beliebig einstellbar ist.
Grundsätzlich kann das Absperrelement aber auch schaltbar ausgeführt sein und dann in Stufen geschaltet werden.
In der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, während der das erste Absperrelement geschlossen ist, kann der Zylinderkopf weiter von Kühlmittel durchströmt und gekühlt werden und Kühlmittel via Zylinderkopf und Heizkreislaufleitung zur kühlmittelbetriebenen Heizung gefördert werden, so dass die Heizung bereits während der Warmlaufphase mit im Zylinderkopf vorerwärmtem Kühlmittel versorgt und der Fahrgastinnenraum geheizt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 2 und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock 3.
Der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf 2 verfügt über zwei integrierte, voneinander getrennte Kühlmittelmäntel 2a, 2b, wobei der erste integrierte Kühlmittelmantel 2a zur Versorgung mit Kühlmittel einlassseitig eine erste Zufuhröffnung 4a und zum Abführen des Kühlmittels auslassseitig eine erste Abführöffnung 5a aufweist. Der zweite integrierte Kühlmittelmantel 2b wird via Zylinderblock 3 mit Kühlmittel versorgt (durch Pfeile dargestellt). Hierzu ist der zweite Kühlmittelmantel 2b des Zylinderkopfes 2 auf der dem Zylinderblock 3 zugewandten Seite angeordnet und mit einem im Block 3 integrierten Kühlmittelmantel 3a verbunden, der einlassseitig eine zweite Zuführöffnung 4b zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist. Zum Abführen des Kühlmittels ist auslassseitig eine zweite Abführöffnung 5b vorgesehen, die vorliegend im Zylinderkopf 2 angeordnet ist. Aus dieser zweiten Abführöffnung 5b wird das Kühlmittel des blockzugehörigen Kühlmittelmantels 3a und das Kühlmittel des zweiten im Zylinderkopf 2 integrierten Kühlmittelmantels 2b abgeführt.
Stromaufwärts der Zuführöffnungen 4a, 4b ist eine gemeinsame Pumpe 12 zur Förderung des Kühlmittels zu den beiden Zuführöffnungen 4a, 4b vorgesehen.
Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs sind die auslassseitigen Abführöffnungen 5a, 5b mit den einlassseitigen Zuführöffnungen 4a, 4b auf die nachfolgend beschriebene Weise verbindbar.
Die zweite Abführöffnung 5b ist via Rückführleitung 7, in der ein Wärmetauscher 7a angeordnet ist, und/oder via Bypassleitung 8 bei Umgehung des Wärmetauschers 7a mit der Pumpe 12 und den Zuführöffnungen 4a, 4b verbindbar. An der Stelle des Kreislaufs, an der die Bypassleitung 8 von der Rückführleitung 7 abzweigt, ist ein Thermostatventil 11 angeordnet, welches selbsttätig die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf die beiden Leitungen 7, 8 vornimmt.
Die erste Abführöffnung 5a ist via Heizkreislaufleitung 6 mit der Pumpe 12 und den Zuführöffnungen 4a, 4b verbindbar, wobei die Heizkreislaufleitung 6, in der eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung 6a angeordnet ist, in die Bypassleitung 8 mündet. Vorliegend ist in der Heizkreislaufleitung 6 stromaufwärts der Heizung 6a eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung 6b einer Abgasrückführung vorgesehen, mit der das Kühlmittel zusätzlich erhitzt wird bevor es der Heizung 6a zugeführt wird.
Zwischen der Pumpe 12 und der zweiten Zuführöffnung 4b ist ein Absperrelement 9, vorliegend ein Ventil 9a, vorgesehen, das in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 geschlossen wird, um die Aufheizung der Brennkraftmaschine 1 mittels No-Flow-Strategie zu forcieren. Der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock 3 wird dabei vollständig unterbunden.
Zwischen der Pumpe 12 und der ersten Zuführöffnung 4a ist ein zweites Absperrelement 10, vorliegend ebenfalls ein Ventil 10a, vorgesehen, mit dem der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf 2 und die Heizung 6a gesteuert und eingestellt wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinderkopf
2a: erster Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes
2b: zweiter Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes
3: Zylinderblock
3a: blockzugehöriger Kühlmittelmantel
4a: erste Zuführöffnung
4b: zweite Zuführöffnung
5a: erste Abführöffnung
5b: zweite Abführöffnung
6: Heizkreislaufleitung
6a: kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung, Heizung
6b: kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung
7: Rückführleitung
7a: Wärmetauscher
8: Bypassleitung
9: Absperrelement
9a: Ventil
10: zweites Absperrelement
10a: Ventil
11: Thermostatventil
12: Pumpe

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (2) und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock (3), bei der – der mindestens eine Zylinderkopf (2) mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel (2a) ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel (2a) einlassseitig eine erste Zuführöffnung (4a) zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung (5a) zum Abführen des Kühlmittels aufweist, – der Zylinderblock (3) mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel (3a) ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel (3a) einlassseitig eine zweite Zuführöffnung (4b) zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung (5b) zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist, und – zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen (5a, 5b) mit den Zuführöffnungen (4a, 4b) zumindest verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Abführöffnung (5b) via Rückführleitung (7), in der ein Wärmetauscher (7a) angeordnet ist, mit der zweiten Zuführöffnung (4b) zumindest verbindbar ist, – die zweite Abführöffnung (5b) via einer – den in der Rückführleitung (7) angeordneten Wärmetauscher (7a) umgehenden – Bypassleitung (8) mit der zweiten Zuführöffnung (4b) zumindest verbindbar ist, – die erste Abführöffnung (5a) via Heizkreislaufleitung (6), in der eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung (6a) angeordnet ist, mit der ersten Zuführöffnung (4a) zumindest verbindbar ist, und – stromaufwärts der Zuführöffnungen (4a, 4b) eine gemeinsame Pumpe (12) zur Förderung von Kühlmittel zu den beiden Zuführöffnungen (4a, 4b) vorgesehen ist, wobei die Pumpe (12) ein Gehäuse umfasst und zwischen der Pumpe (12) und der zweiten Zuführöffnung (4b) ein Absperrelement (9) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkreislaufleitung (6) in die Bypassleitung (8) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste im Zylinderkopf (2) integrierte Kühlmittelmantel (2a) und der blockzugehörige Kühlmittelmantel (3a) voneinander getrennt sind.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizkreislaufleitung (6) stromaufwärts der Fahrzeuginnenraumheizung (6a) eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung (6b) einer Abgasrückführung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung (5b) zum Abführen des Kühlmittels im Zylinderblock (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei integrierten und voneinander getrennten Kühlmittelmänteln (2a, 2b) ausgestattet ist, wobei der zweite Kühlmittelmantel (2b) zur Versorgung mit Kühlmittel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel (3a) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung (5b) zum Abführen des Kühlmittels im Zylinderkopf (2) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (9) ein Ventil (9a) ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der gemeinsamen Pumpe (12) das Absperrelement (9) aufnimmt.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pumpe (12) und der ersten Zuführöffnung (4a) ein zweites Absperrelement (10) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der gemeinsamen Pumpe (12) das zweite Absperrelement (10) aufnimmt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Absperrelement (10) ein Ventil (10a) ist.
Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (9) in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (1) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement (9) bei Überschreiten einer vorgebbaren Zylinderblocktemperatur dieses Absperrelement (9) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement (9) bei Überschreiten einer vorgebbaren Kühlmitteltemperatur dieses Absperrelement (9) geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Steuerung der Kühlung einer Brennkraftmaschine (1), bei der zwischen der Pumpe (12) und der ersten Zuführöffnung (4a) ein zweites Absperrelement (10) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchsatz durch den ersten Kühlmittelmantel (2a) und die Heizung (6a) mittels dieses zweiten Absperrelementes (9) gesteuert wird.