DE102013211156A1

DE102013211156A1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Nebenkreislauf

Info

Publication number: DE102013211156A1
Application number: DE102013211156.8A
Authority: DE
Inventors: Hans Günther Quix; Jan Mehring; Stefan Quiring; Bernd Brinkmann; Michael Tobergte
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-12-18
Also published as: RU155350U1; CN204126716U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinderkopf (1a), – einem Kühlmittelkreislauf (2) umfassend mindestens einen im Zylinderkopf (1a) integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung (2b) zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung (2c) zum Abführen des Kühlmittels und eine Rückführleitung (2d), welche von der Abführleitung (2c) abzweigt und in die Zuführleitung (2b) einmündet und in der ein Radiator (2e) vorgesehen ist, und – mindestens einem Nebenkreislauf (3), der eine Versorgungsleitung (3a) umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf (2) stromaufwärts des Radiators (2e) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (3b) abzweigt und stromabwärts des Radiators (2e) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3c) in den Kühlmittelkreislauf (2) einmündet und in der ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher (3e) vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher (3e) eine kühlmittelbetriebene Heizung (4) ist, wobei – in dem mindestens einen Nebenkreislauf (3) ein selbsttätig steuerndes Ventil (3f) vorgesehen ist, wobei dieses erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element (3d) aufweist und die Versorgungsleitung (3a) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur Tcoolant,valve,1 am Element (3d) entweder schließt oder öffnet, wohingegen der Kühlmittelkreislauf (2) mittels diesem Ventil (3f) nicht schaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinderkopf,
– einem Kühlmittelkreislauf umfassend mindestens einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels und eine Rückführleitung, welche von der Abführleitung abzweigt und in die Zuführleitung einmündet und in der ein Radiator vorgesehen ist, und
– mindestens einem Nebenkreislauf, der eine Versorgungsleitung umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf stromaufwärts des Radiators unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes abzweigt und stromabwärts des Radiators unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in den Kühlmittelkreislauf einmündet und in der ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher eine kühlmittelbetriebene Heizung ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Um die thermische Belastung in Grenzen zu halten, werden moderne Brennkraftmaschinen mit einer Kühlung ausgestattet, die im Folgenden auch als Motorkühlung bezeichnet wird. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Da mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können und die thermische Belastung von Brennkraftmaschinen, insbesondere infolge Aufladung, stetig zunimmt, wird in der Regel eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine, d. h. des mindestens einen Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblocks mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. den Zylinderblock führenden Kühlmittelkanälen. Häufig ist der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Zylinderblocks verbunden, wobei der Kopf über den Block mit Kühlmittel versorgt wird bzw. umgekehrt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Oberfläche geleitet werden, um abgeführt werden zu können. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks an das Kühlmittel, in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer in der Zuführleitung des Kühlmittelkreislaufs angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes via Abführleitung abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, was auf unterschiedliche Weise erfolgen kann.
Der Kühlmittelkreislauf wird durch eine Rückführleitung vervollständigt, welche von der Abführleitung abzweigt und in die Zuführleitung einmündet und über die das im Zylinderkopf erwärmte Kühlmittel auf die Kühlmitteleinlassseite zurückgeführt wird. Die Abführ- und die Zuführleitung müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinne darstellen, sondern können Teil des Kühlmittelmantels sein, d. h. integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet sein, oder in Gestalt eines Kühlmitteleintrittsgehäuses bzw. Kühlmittelaustrittsgehäuses ausgebildet werden.
In der Rückführleitung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der dem Kühlmittel Wärme wieder entzieht. Um dem Wärmetauscher unter sämtlichen Betriebszuständen, insbesondere bei stehendem Kraftfahrzeug und bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten, einen ausreichend hohen Luftmassenstrom bereitzustellen und den Wärmeübergang grundsätzlich zu unterstützen, werden die Kühlsysteme moderner Kraftfahrzeugantriebe zunehmend mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben bzw. in Drehung versetzen, weshalb der Wärmetauscher in der Rückführleitung auch als Radiator bezeichnet wird. Die Lüftermotoren werden in der Regel elektrisch betrieben und sind vorzugsweise stufenlos steuerbar mit verschiedenen Lasten bzw. Drehzahlen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Wärmetauscher in der Rückführleitung auch dann als Radiator bezeichnet, wenn dieser nicht mit einem Lüftermotor ausgestattet ist.
Dem Kühlmittel kann nach Durchströmen des Zylinderkopfes bzw. Zylinderblocks, d. h. stromabwärts des Zylinderkopfes, auch Wärme durch eine weitere Verwendung entzogen werden. So kann in einem Nebenkreislauf der Flüssigkeitskühlung eine kühlmittelbetriebene Heizung vorgesehen werden, welche das im Zylinderkopf aufgeheizte Kühlmittel nutzt, um die dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführte Luft zu erwärmen, wobei die Temperatur des Kühlmittels abnimmt. Nichtsdestotrotz muss begrifflich unterschieden werden zwischen dem Kühlmittelkreislauf einerseits, dessen primäre Funktion die Kühlung des Zylinderkopfes unter Verwendung des Radiators ist, und einem Nebenkreislauf andererseits, beispielsweise dem Heizungskreislauf, welcher der Erwärmung der dem Innenraum zugeführten Luft dient, und dies obwohl beide Kreisläufe teilweise dieselben Leitungen nutzen können bzw. nutzen, beispielsweise die Zuführleitung und die Abführleitung.
In der Regel umfasst die Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine weitere bzw. mehrere Nebenkreisläufe, in denen Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei ein im Nebenkreislauf vorgesehener Wärmetauscher dem Kühlmittel nicht immer Wärme entzieht, wie beispielsweise eine kühlmittelbetriebene Heizung, sondern vielmehr als Kühlvorrichtung fungiert und dabei zusätzlich Wärme in das Kühlmittel einträgt.
So wird auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine häufig ein kühlmittelbetriebener Ladeluftkühler angeordnet, um die komprimierte Ladeluft zu kühlen und auf diese Weise zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein kühlmittelbetriebener Ölkühler vorgesehen wird. Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, verlangen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird.
Die Flüssigkeitskühlung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt jedoch über mindestens einen Nebenkreislauf, der eine Versorgungsleitung umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf stromaufwärts des Radiators unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes abzweigt und stromabwärts des Radiators unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in den Kühlmittelkreislauf einmündet und in der als Wärmetauscher eine kühlmittelbetriebene Heizung vorgesehen ist.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich eines Fahrzeuges und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
Nach dem Stand der Technik wird der in der Rückführleitung vorgesehene Radiator auf die maximale Belastung ausgelegt, d. h. in der Art, dass die anfallenden Wärmemengen unter sämtlichen Betriebsbedingungen abgeführt werden können, um die Funktionssicherheit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Nichtsdestotrotz treten in der Praxis Fahrzustände auf, bei denen die Motorkühlung ihre Leistungsgrenze erreicht. Bei Beschleunigungs- und Bergfahrten hat der Kühler aufgrund der hohen Lasten vergleichsweise große Wärmemengen abzuführen, wobei gleichzeitig die Fahrzeuggeschwindigkeiten und damit der zur Unterstützung des Wärmeübergangs bereitgestellte Luftmassenstrom niedrig sind.
Dabei ist es nicht unbedingt die Bauteiltemperatur des Motors, d. h. die Zylinderkopftemperatur, die zuerst kritische Werte erreicht. Vielmehr kann das Kühlmittel selbst stromabwärts des Zylinderkopfes überhitzen und eine Kühlung erfordern noch bevor die Brennkraftmaschine überhitzt. Ein Überhitzen des Kühlmittels ist in jedem Fall zu verhindern, da das beim Verdampfen des Kühlmittels entstehende gasförmige Kühlmittel ein größeres Volumen beansprucht und sich ausdehnt, nahezu keine Wärme mehr aufnimmt und beim erneuten Übergang in die flüssige Phase hohe Drücke im Kühlkreislauf auftreten können, die zu Undichtigkeiten und Beschädigungen führen können.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinderkopf,
– einem Kühlmittelkreislauf umfassend mindestens einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels und eine Rückführleitung, welche von der Abführleitung abzweigt und in die Zuführleitung einmündet und in der ein Radiator vorgesehen ist, und
– mindestens einem Nebenkreislauf, der eine Versorgungsleitung umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf stromaufwärts des Radiators unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes abzweigt und stromabwärts des Radiators unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in den Kühlmittelkreislauf einmündet und in der ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher eine kühlmittelbetriebene Heizung ist,

– in dem mindestens einen Nebenkreislauf ein selbsttätig steuerndes Ventil vorgesehen ist, wobei dieses erste selbsttätig steuernde Ventil ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element aufweist und die Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} am Element entweder schließt oder öffnet, wohingegen der Kühlmittelkreislauf mittels diesem Ventil nicht schaltbar ist.

Die Flüssigkeitskühlung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt über einen Nebenkreislauf, der mit einem Thermostatventil ausgestattet ist, d. h. mit einem selbsttätig steuernden Ventil, welches ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element aufweist und die Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur schließt bzw. öffnet. Der Kühlmittelfluss durch die Brennraftmaschine via Radiator bleibt davon unberührt.
Sobald das Kühlmittel zu überhitzen droht und die Temperatur T_{coolant,valve,1} des Kühlmittels am ersten Ventil einen kritischen Wert überschreitet, wird die Versorgungsleitung mittels Thermostatventil geschlossen, d. h. der Nebenkreislauf deaktiviert, d. h. abgeschaltet. Durch diese Maßnahme erhöht sich der Kühlmittelstrom durch den Radiator des Kühlmittelkreislaufs. Die durch den Radiator geführte Kühlmittelmenge nimmt zu und damit auch die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels im Radiator, wodurch der Wärmeübergang infolge Konvektion erhöht wird. Zudem wird einer größeren Kühlmittelmenge Wärme im Radiator entzogen. Die vorstehend beschriebenen Effekte haben allesamt die technische Wirkung, dass dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durch Deaktivieren des Nebenkreislaufs eine wesentliche größere Wärmemenge entzogen wird bzw. entzogen werden kann. Überaus vorteilhaft ist dies, um die Temperatur des Kühlmittels schnell und effektiv zu senken und ein Überhitzen des Kühlmittels zu verhindern.
Im Nebenkreislauf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist als Wärmetauscher eine kühlmittelbetriebene Heizung vorgesehen, die das im Zylinderkopf bzw. im Zylinderblock aufgeheizte Kühlmittel nutzt, um die dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführte Luft zu erwärmen, wobei die Temperatur des Kühlmittels abnimmt. Somit wird dem erwärmten Kühlmittel – wie im Radiator des Kühlmittelkreislaufs – Wärme entzogen. Der Heizungskreislauf kann daher auch als kleiner Kühlkreislauf bzw. kleiner Kühlmittelkreislauf bezeichnet werden. Nichtsdestotrotz kann dem Kühlmittel deutlich mehr Wärme entzogen werden, wenn es durch den Radiator geleitet wird, weshalb eine kühlmittelbetriebene Heizung weder als Ersatz für einen Radiator noch als unterstützende Maßnahme anzusehen ist.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren Flüssigkeitskühlung optimiert ist.
Der wesentliche Vorteil des Thermostatventils gegenüber einem elektrisch gesteuerten bzw. elektrisch geregelten Ventils besteht in den niedrigen Bereitstellungskosten.
Vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das erste selbsttätig steuernde Ventil die Versorgungsleitung schließt, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} die Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des ersten selbsttätig steuernden Ventils übersteigt.
Das Schließen der Versorgungsleitung zwecks Deaktivierung des Nebenkreislaufs fördert den Wärmeentzug aus dem Kühlmittel durch eine Erhöhung des Kühlmittelstroms durch den Radiator. Die durch den Radiator geführte Kühlmittelmenge und damit auch der Wärmeübergang im Radiator werden erhöht.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Thermostatventilen öffnet das erfindungsgemäße erste Thermostatventil nicht, falls das Kühlmittel eine bestimmte Temperatur erreicht bzw. übersteigt. Vielmehr schließt das erfindungsgemäße Thermostatventil bei Erreichen einer vorgebbaren Kühlmitteltemperatur, die vorliegend auch als Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des Ventils bezeichnet wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen für die Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des ersten selbsttätig steuernden Ventils gilt: 110°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 150°C, vorzugsweise 120°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 140°C.
Die für die Schließtemperatur des ersten Ventils vorstehend angegebenen Temperaturbereiche sind vorteilhaft, wenn berücksichtigt wird, dass häufig ein zweites Thermostatventil im Kühlmittelkreislauf, vorzugsweise stromaufwärts des Zylinderkopfes bzw. Zylinderblocks auf der Einlassseite des Kühlmittelkreislaufs, vorgesehen wird, welches den Kühlmittelstrom bis zum Erreichen einer Mindestkühlmitteltemperatur unterbindet, und diese Mindesttemperatur in der Regel 80°C bis 105°C beträgt.
Es ist unvorteilhaft und es besteht auch kein Bedarf, den Nebenkreislauf durch Schließen des ersten Thermostatventils zu schließen bevor der Hauptkreislauf, d. h. der Kühlmittelkreislauf, nicht geöffnet ist. Insofern sind Schließtemperaturen des ersten Ventils deutlich oberhalb von 105°C zu bevorzugen, d. h. vorteilhaft.
Vorteilhaft sind – wie vorstehend erwähnt – Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung, welche von der Abführleitung abzweigt, via eines zweiten selbsttätig steuernden Ventils in die Zuführleitung einmündet.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das zweite selbsttätig steuernde Ventil ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element aufweist und die Rückführleitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} an diesem Element entweder mit der Zuführleitung verbunden oder von der Zuführleitung getrennt ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das zweite selbsttätig steuernde Ventil die Rückführleitung mit der Zuführleitung verbindet, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des zweiten selbsttätig steuernden Ventils übersteigt.
Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass es nicht grundsätzlich das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung ist, 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, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine in der Warmlaufphase.
Die Zielsetzung dieser Vorgehensweise ist es, den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine durch Reduzierung der Reibleistung mittels zügiger Erwärmung des Motoröls nach einem Start zu minimieren. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Motoröls, was zu einer Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle, führt.
Einer schnellen Erwärmung des Motoröls kann 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 es vorteilhaft ist, der Brennkraftmaschine möglichst wenig, idealerweise keine Wärme zu entziehen.
Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine der Wärmeentzug nach einem Kaltstart vermindert wird, kann durch ein zweites Thermostatventil realisiert werden, das die Rückführleitung von der Zuführleitung trennt bzw. den Kühlmittelstrom via Kühlmittelkreislauf unterbindet bis die Kühlmitteltemperatur eine bestimmte Mindesttemperatur erreicht, welche die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des zweiten selbsttätig steuernden Thermostatventils darstellt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen für die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des zweiten selbsttätig steuernden Ventils gilt: 80°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 105°C.
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, ist es nicht grundsätzlich ein Ziel, der Brennkraftmaschine mittels Flüssigkeitskühlung möglichst große Wärmemengen zu entziehen. Im Rahmen einer bedarfsgerechten Steuerung der Flüssigkeitskühlung kann es beispielsweise sinnvoll bzw. vorteilhafter sein, der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb weniger bzw. möglichst wenig Wärme zu entziehen, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb zu erhöhen. Da der Wärmeübergang maßgeblich von der Temperaturdifferenz zwischen dem Bauteil und dem Kühlmittel mit bestimmt wird, kann es somit sinnvoll sein, bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten zu zulassen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung via des zweiten selbsttätig steuernden Ventils in den Kühlmittelkreislauf einmündet, so dass das zweite selbsttätig steuernde Ventil am zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Diese Ausführungsform gestattet die Ausbildung von Varianten der Flüssigkeitskühlung, bei denen das temperatur-reaktive Element des zweiten selbsttätig steuernden Ventils mit Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf und mit Kühlmittel aus der Versorgungsleitung des Nebenkreislaufs beaufschlagt wird. An dem temperatur-reaktiven Element kann dabei die Mischtemperatur von Kühlmittel vorliegen, welches sich beim Mischen von Kühlmittel aus den beiden Kreisläufen ergibt.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen die Versorgungsleitung zwischen dem Radiator und dem zweiten selbsttätig steuernden Ventil in den Kühlmittelkreislauf einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das erste selbsttätig steuernde Ventil am ersten Knotenpunkt angeordnet ist.
Das zu dem mindestens einen Nebenkreislauf gehörende selbsttätig steuernde Ventil bzw. dessen temperatur-reaktives Element wird vorliegend ständig mit Kühlmittel beaufschlagt, welches im Zylinderkopf bzw. im Zylinderblock erwärmt wurde und das zu überwachen und vor Überhitzen zu bewahren ist. Vorteilhaft ist dies, da das erste Ventil genau dann selbsttätig schalten, d. h. schließen, soll, wenn das Kühlmittel zu überhitzen droht und besonders schnell zu reagieren ist. Die vorstehende Ausführungsform zeichnet sich durch ein sehr gutes Ansprechverhaltens aus.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen das erste selbsttätig steuernde Ventil in der Versorgungsleitung stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
Das aus dem Zylinderkopf bzw. dem Zylinderblock stammende Kühlmittel muss zwar einen längeren Weg bis hin zum ersten Thermostatventil zurücklegen und ein Teilstück der Versorgungsleitung durchströmen bevor es zu dem temperatur-reaktiven Element des Ventils gelangt, so dass sich das Ansprechverhalten gegenüber der vorherigen Ausführungsform etwas verschlechtert. Jedoch wird das temperatur-reaktive Element unverändert mit Kühlmittel beaufschlagt, welches eine im Wesentlichen ähnlich große Temperatur aufweist wie beim Verlassen des Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblocks, und folglich mit Kühlmittel, das die Temperatur aufweist, die zu überwachen ist bzw. relevant ist. Denn aufgrund der Anordnung des Ventils stromaufwärts des Wärmetauschers wird weder Wärme in das Kühlmittel eingetragen noch dem Kühlmittel Wärme entzogen.
Vorteilhaft können im Einzelfall nichtsdestotrotz Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen das erste selbsttätig steuernde Ventil in der Versorgungsleitung stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen im Kühlmittelkreislauf, vorzugsweise in der Zuführleitung, eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen ist.
Vorteilhaft können Ausführungsformen sein, bei denen die Kühlmittelpumpe elektrisch angetrieben ist, und Ausführungsformen, bei denen die Pumpe zur Förderung des Kühlmittels variabel steuerbar ist, da dann die zusätzliche Möglichkeit besteht, den Kühlmitteldurchsatz mittels Förderdruck zu beeinflussen bzw. zu steuern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mitsamt Kühlmittelkreislauf und Nebenkreislauf.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 1 mitsamt Kühlmittelkreislauf 2 und Nebenkreislauf 3.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Zylinderkopf 1a, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock 1b verbunden ist.
Der Kühlmittelkreislauf 2 umfasst einen im Zylinderkopf 1a integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung 2b zur Versorgung dieses Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung 2c zum Abführen des Kühlmittels und eine Rückführleitung 2d, welche von der Abführleitung 2c abzweigt und via eines Thermostatventils 2f in die Zuführleitung 2b einmündet. In der Rückführleitung 2d ist ein Radiator 2e angeordnet. Stromaufwärts des Zylinderkopfes 1a ist in der Zuführleitung 2b eine Pumpe 2a zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen.
Das zweite Thermostatventil 2f öffnet und schließt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} und verbindet die Rückführleitung 2d mit der Zuführleitung 2b bzw. trennt die Rückführleitung 2d und die Zuführleitung 2b voneinander. Die Rückführleitung 2d wird dabei mit der Zuführleitung 2b verbunden, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des Ventils 2f übersteigt.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 verfügt zudem über einen Nebenkreislauf 3, der eine Versorgungsleitung 3a umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf 2 stromaufwärts des Radiators 2e unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 3b abzweigt und stromabwärts des Radiators 2e unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 3c in den Kühlmittelkreislauf 2 einmündet. In der Versorgungsleitung 3a ist ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher 3e angeordnet, vorliegend eine kühlmittelbetriebene Heizung 4.
Das zweite Thermostatventil 2f ist am zweiten Knotenpunkt 3c angeordnet und die Versorgungsleitung 3a mündet via dieses zweiten Thermostatventils 2f in den Kühlmittelkreislauf 2 ein.
Am ersten Knotenpunkt 3b ist ebenfalls ein selbsttätig steuerndes Ventil 3f angeordnet, das als Thermostatventil 3f ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element 3d aufweist und die Versorgungsleitung 3a in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} an diesem Element 3d entweder schließt oder öffnet.
Dieses erste Thermostatventil 3f schließt die Versorgungsleitung 3a, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} die Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des Ventils 3f übersteigt. Dadurch wird der Nebenkreislauf 3 deaktiviert, d. h. abgeschaltet, und das gesamte Kühlmittel zwecks Kühlung durch den Radiator 2e geleitet bevor es überhitzt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1a: Zylinderkopf
1b: Zylinderblock
2: Kühlmittelkreislauf
2a: Pumpe
2b: Zuführleitung
2c: Abführleitung
2d: Rückführleitung
2e: Radiator
2f: zweites selbsttätig steuerndes Ventil, zweites Thermostatventil
3: Nebenkreislauf
3a: Versorgungsleitung
3b: erster Knotenpunkt
3c: zweiter Knotenpunkt
3d: temperatur-reaktives Element des ersten Thermostatventils
3e: Wärmetauscher
3f: erstes selbsttätig steuerndes Ventil, erstes Thermostatventil
4: kühlmittelbetriebene Heizung
T_coolant: Kühlmitteltemperatur
T_{coolant,valve,1}: Kühlmitteltemperatur am temperatur-reaktiven Element des ersten Thermostatventils
T_{coolant,valve,2}: Kühlmitteltemperatur am temperatur-reaktiven Element des zweiten Thermostatventils
T_{valve,1,closed}: Schließtemperatur des ersten Thermostatventils
T_{valve,2,opened}: Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinderkopf (1a), – einem Kühlmittelkreislauf (2) umfassend mindestens einen im Zylinderkopf (1a) integrierten Kühlmittelmantel, eine Zuführleitung (2b) zur Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel, eine Abführleitung (2c) zum Abführen des Kühlmittels und eine Rückführleitung (2d), welche von der Abführleitung (2c) abzweigt und in die Zuführleitung (2b) einmündet und in der ein Radiator (2e) vorgesehen ist, und – mindestens einem Nebenkreislauf (3), der eine Versorgungsleitung (3a) umfasst, die vom Kühlmittelkreislauf (2) stromaufwärts des Radiators (2e) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (3b) abzweigt und stromabwärts des Radiators (2e) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3c) in den Kühlmittelkreislauf (2) einmündet und in der ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher (3e) vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher (3e) eine kühlmittelbetriebene Heizung (4) ist, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem mindestens einen Nebenkreislauf (3) ein selbsttätig steuerndes Ventil (3f) vorgesehen ist, wobei dieses erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element (3d) aufweist und die Versorgungsleitung (3a) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} am Element (3d) entweder schließt oder öffnet, wohingegen der Kühlmittelkreislauf (2) mittels diesem Ventil (3f) nicht schaltbar ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) die Versorgungsleitung (3a) schließt, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,1} die Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des ersten selbsttätig steuernden Ventils (3f) übersteigt.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schließtemperatur T_{valve,1,closed} des ersten selbsttätig steuernden Ventils (3f) gilt: 110°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 150°C, vorzugsweise 120°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 140°C.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (2d), welche von der Abführleitung (2c) abzweigt, via eines zweiten selbsttätig steuernden Ventils (2f) in die Zuführleitung (2b) einmündet.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite selbsttätig steuernde Ventil (2f) ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element aufweist und die Rückführleitung (2d) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} an diesem Element entweder mit der Zuführleitung (2b) verbunden oder von der Zuführleitung (2b) getrennt ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite selbsttätig steuernde Ventil (2f) die Rückführleitung (2d) mit der Zuführleitung (2b) verbindet, falls die Kühlmitteltemperatur T_{coolant,valve,2} die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des zweiten selbsttätig steuernden Ventils (2f) übersteigt.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Öffnungstemperatur T_{valve,2,opened} des zweiten selbsttätig steuernden Ventils (2f) gilt: 80°C ≤ T_{valve,1,closed} ≤ 105°C.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (3a) via des zweiten selbsttätig steuernden Ventils (2f) in den Kühlmittelkreislauf (2) einmündet, so dass das zweite selbsttätig steuernde Ventil (2f) am zweiten Knotenpunkt (3c) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (3a) zwischen dem Radiator (2e) und dem zweiten selbsttätig steuernden Ventil (2f) in den Kühlmittelkreislauf (2) einmündet.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) am ersten Knotenpunkt (3b) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) stromaufwärts des Wärmetauschers (3e) in der Versorgungsleitung (3a) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste selbsttätig steuernde Ventil (3f) stromabwärts des Wärmetauschers (3e) in der Versorgungsleitung (3a) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf (2), vorzugsweise in der Zuführleitung (2b), eine Pumpe (2a) zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen ist.