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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Temperieren einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen sind Wärmekraftmaschinen, die über einen Verbrennungsvorgang die chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umwandeln. In Kraftfahrzeugen eingesetzte Verbrennungsmotoren, bspw. Diesel- und Ottomotoren, sind weitverbreitete Ausführungen einer Brennkraftmaschine.
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Zum Abführen der erzeugten Wärme werden in Brennkraftmaschinen Kühlsysteme eingesetzt, die verhindern sollen, dass die Brennkraftmaschine durch zu hohe Temperaturen beschädigt wird. Eingesetzte Kühlsysteme kühlen den heißen Brennraum umgebende Bauteile, wie bspw. das Zylinderrohr, den Zylinderkopf, Ventile und Kolben. Damit werden insbesondere eine thermische Überbeanspruchung, eine Verbrennung des Schmieröls auf der Kolbengleitbahn und unkontrollierte Verbrennungen durch zu hohe Bauteiltemperaturen vermieden. Grundsätzlich kann eine Direktkühlung oder eine Kühlung mit Zwischenmedium vorgesehen sein. Bei letzteren sind mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen. So sind Kühlsysteme bekannt, die über einen Niedertemperaturkreis und einen Hochtemperaturkreis verfügen.
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Unter bestimmten Umgebungsbedingungen wird ebenfalls angestrebt, dass die Kühlung begrenzt wird, um ein Auskühlen der Brennkraftmaschine zu verhindern. Zu beachten ist, dass Kühlsysteme auch dazu eingesetzt werden, die Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur zu bringen und hierzu zu wärmen.
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Es ist bekannt, für aufgeladene Brennkraftmaschinen einen Hochtemperaturkreis vorzusehen, in dem die Brennkraftmaschine, ein Hochtemperaturrückkühler und eine erste Pumpe liegen. Zur Kühlung der Ladeluft dient ein zweiter sogenannter Niedertemperaturkreis, in dem ein Ladeluftkühler, ein Niedertemperaturrückkühler und eine zweite Pumpe liegen. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zum Hochtemperaturkreis im Niedertemperaturkreis niedrige Temperaturen erreicht werden können, die eine gewünschte starke Abkühlung der Ladeluft mit entsprechender Leistungssteigerung bei Volllast zulassen.
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Die Druckschrift
DE 103 17 003 A1 beschreibt ein Kühlsystem mit einem Hochtemperaturkreis und einem Niedertemperaturkreis, die über eine Thermostatanordnung miteinander verbunden sind. Beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine kann Kühlmittel aus dem Hochtemperaturkreis in den Niedertemperaturkreis übertreten.
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Es ist weiterhin bekannt, bei einem Kühlsystem mit Hochtemperaturkreis und Niedertemperaturkreis ein Vorwärmgerät zum Vorheizen und Warmhalten zu verwenden. Bei solchen Kühlsystemen kann der Hochtemperaturkreis im Bereich der Brennkraftmaschine an einen Heizkreis angeschlossen werden, der mit dem Vorwärmgerät gekoppelt ist.
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Es ist nunmehr erforderlich, die Brennkraftmaschine nicht nur vorzuwärmen und warm zu halten, sondern auch eine Vorwärmung der Anlagenteile des Niedertemperaturkreises bei Stillstand und eine Ladeluftvorwärmung bei Leerlauf und Teillast der Brennkraftmaschine bei günstigem Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 029 918 A1 beschreibt ein Kühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Dieses umfasst einen Hochtemperaturkreis, in dem die Brennkraftmaschine, ein Hochtemperaturrückkühler und eine erste Pumpe vorgesehen sind. Weiterhin umfasst das Kühlsystem einen Niedertemperaturkreis, in dem ein Ladeluftkühler, ein Niedertemperaturrückkühler und eine zweite Pumpe liegen. Weiterhin ist ein mit einem Vorwärmgerät gekoppelter Heizkreis zum Erwärmen des von zumindest einer zusätzlichen dritten elektrisch angetriebenen Pumpe geförderten Kühlmittels vorgesehen, wobei der Heizkreis an dem Hochtemperaturkreis angeschlossen ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Heizkreis an den Niedertemperaturkreis angeschlossen ist. Da über den Heizkreis der Hochtemperaturkreis und der Niedertemperaturkreis miteinander verbunden sind, kann Kühlmittel aus dem Hochtemperaturkreis in den Niedertemperaturkreis und umgekehrt übertreten.
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Zu beachten ist, dass der Niedertemperaturkreis, insbesondere beim Vorwärmen, nur bis zu einer bestimmten, vorzugebenden Temperatur gewärmt werden sollte. So ist regelmäßig ein Ventil in dem Niedertemperaturkreis vorgesehen, dass ein weiteres Erwärmen des Niedertemperaturkreises über der vorzugebenden Temperatur verhindert. Es soll nunmehr vermieden werden, dass dieses Ventil betätigt werden muss.
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Beim Vorwärmen des Motors ist dieser in der Regel stromlos. Der Heizkreis mit Vorwärmgerät und Vorwärmpumpe wird anlagenseitig, bspw. über die Loksteuerung, angesteuert. Ein elektrisches Ventil im Heizkreis müsste folglich auch anlagenseitig angesteuert werden. Es soll vermieden werden, dass komplexe Funktionen, die vom Motorhersteller definiert werden müssen, auf der Anlagenseite umgesetzt werden müssen. Daneben steht das Ausfallrisiko, eine ggf. erforderliche Fail-Safe Strategie, die anfallenden Kosten und die aufwendige Lokzulassung für solch ein System.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Kühlsystem zum Kühlen einer Brennkraftmaschine mit einem Hochtemperaturkreis, einem Niedertemperaturkreis und einem Heizkreis vorgestellt, in dem mindestens ein Vorwärmgerät angeordnet ist, wobei der Heizkreis sowohl mit dem Hochtemperaturkreis als auch dem Niedertemperaturkreis verbunden ist, wobei der Heizkreis über ein Thermoelement mit dem Niedertemperaturkreis verbunden ist, das derart eingerichtet ist, dass es ab einer vorgegebenen Temperatur die Verbindung zwischen Heizkreis und Niedertemperaturkreis schließt.
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Bei dem Heizkreislauf kann ein im Markt übliches Standardgerät, aber auch jedes andere Gerät, das die erforderliche Heizleistung und die erforderliche Pumpenleistung erbringt, eingesetzt werden.
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In den Kreisen, somit dem Hochtemperaturkreis, dem Niedertemperaturkreis und dem Heizkreis ist jeweils ein Kühlmedium bzw. ein Kühlmittel, bspw. eine Kühlflüssigkeit, geführt.
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In allen Kreisen befindet sich das identische Kühlmittel. Die Kreise sind bei Vorwärmung und Zuheizung gekoppelt. Der Wärmeaustausch erfolgt somit beim Vermischen von Hochtemperaturkreis und Niedertemperaturkreis im Heizkreis.
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Als Thermoelement dient bspw. ein Thermoelement, das ein Ventil betätigt. Sind diese in einem Bauteil integriert, spricht man auch von einem Thermostatventil.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das Thermoelement derart ausgebildet ist, dass dieses ab einer Temperatur von etwa 30°C schließt. Wichtig ist, dass das Thermoelement im Heizkreis schließt, bevor das Ventil, bspw. ein Thermostatventil, im Niedertemperaturkreis öffnet. Sobald das Thermostatventil im Niedertemperaturkreis öffnet, geht Wärme über die Kühlanlage verloren. Dies sollte verhindert werden. Ein sinnvoller Temperaturbereich für das Thermoelement im Heizkreis für ein Schließen liegt bei ca. 20°C bis 30°C. Das Thermoelement kann so ausgebildet sein, dass es bei einer Temperatur von 30°C oder gar bei genau 30°C schließt. Das im Niedertemperaturkreis vorgesehene Ventil ist regelmäßig so ausgebildet, dass es bei 38°C öffnet. Ein Öffnen des Ventils bedeutet, dass der Weg Richtung Kühlanlage freigegeben wird. Bei dem ausgeführten Ausführungsbeispiel liegt der Öffnungsbeginn bei 38°C. Es ist aber auch möglich, den Öffnungsbeginn auf ca. 30°C festzulegen. Es ist sicherzustellen, dass das Thermoelement schließt, bevor das Ventil im Niederdruckkreis betätigt wird.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass ein Abgas-Wärmetauscher in dem Hochtemperaturkreis vorgesehen ist. In dem Hochtemperaturkreis sind in Ausführungen auch ein Radiator, ein Ölwärmetauscher und/oder eine Wasserpumpe vorgesehen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Pumpe in dem Heizkreis vorgesehen ist. Sind mehr als ein Vorwärmgerät in dem Heizkreis angeordnet, bietet es sich an, auch mehrere Pumpen, insbesondere eine gleiche Anzahl an Pumpen, vorzusehen.
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In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Anzahl von Rückschlagventilen in dem Heizkreis angeordnet ist. Diese sperren den Heizkreis ab, wenn die im Heizkreis vorgesehene Pumpe abgeschaltet wird. Auch bei laufender Pumpe im Heizkreis kann es vorkommen, dass der Heizkreis vom Hochtemperaturkreis und Niedertemperaturkreis abgesperrt wird. Dies ist der Fall, wenn die Temperatur im Niedertemperaturkreis bereits so hoch ist, dass das Thermoelement im Heizkreis geschlossen ist und gleichzeitig im Hochtemperaturkreis über die laufende Pumpe im Hochtemperaturkreis ein derart hohes Druckniveau erzeugt wird, dass ein Rückschlagventil sperrt. Dann fördert die Pumpe im Heizkreis das Kühlmittel über ein Ventil im Kurzschluss. Dieser Kurzschluss ist erforderlich, um die Pumpe im Heizkreis bei ausgeschaltetem Vorwärmgerät nachlaufen zu lassen, um eine Überhitzung des Geräts zu vermeiden.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Temperieren einer Brennkraftmaschine, die mit einem Kühlsystem mit einem Hochtemperaturkreis, einem Niedertemperaturkreis und einem Heizkreis versehen ist, vorgestellt. Dieses Verfahren kann insbesondere mit einem Kühlsystem der vorstehend beschriebenen Art durchgeführt werden. Dabei wird über den Heizkreis Kühlmittel sowohl im Hochtemperaturkreis als auch im Niedertemperaturkreis erwärmt, wobei ein Thermoelement eingesetzt wird, dass ab einer vorgegebenen Temperatur eine Verbindung zwischen dem Heizkreis und dem Niedertemperaturkreis schließt, so dass das Kühlmittel des Niedertemperaturkreises ab der vorgegebenen Temperatur nicht mehr von dem Heizkreis gewärmt wird.
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Das Verfahren kann zum Vorwärmen und/oder zum Zuheizen der Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Als Vorwärmen wird ein Wärmen der Brennkraftmaschine bezeichnet, wenn diese steht, d. h. wenn diese nicht arbeitet bzw. nicht in Betrieb ist. Als Zuheizen wird ein Wärmen der Brennkraftmaschine bezeichnet, wenn diese bei Teillast oder Schwachlast in Betrieb ist und sich die Temperatur der Brennkraftmaschine unterhalb der Betriebstemperatur befindet. Beim Vorwärmen werden beide Kreise, somit der Hochtemperaturkreis und der Niedertemperaturkreis, gewärmt, wobei der Bedarf zum Wärmen im Hochtemperaturkreis höher ist. Beim Zuheizen wird vornehmlich der Niedertemperaturkreis gewärmt.
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Das beschriebene Kühlsystem zeichnet sich dadurch aus, dass keine elektrische bzw. elektronische Regelung erforderlich ist. Es ist lediglich ein Thermoelement, bspw. ein Thermostatventil, erforderlich.
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Das vorgestellte Kühlsystem ermöglicht eine Vorwärmung des Kühlsystems mit Hochtemperatur- und Niedertemperaturkreis sowie eine Zuheizung des Niedertemperaturkühlkreises mit nur einem Vorwärmgerät. Dies wird ohne elektrische Ventile oder Handschalter erreicht. Durch Verwendung eines Thermoelements, bspw. eines Kühlmittelthermostats, im Heizkreis bzw. Vorwärmstrang ist eine Vorwärmung bzw. Zuheizung universell einsetzbar, d. h. verschiedene Zylinderzahlen und Anwendungen sind möglich.
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Weiterhin ist ein geringerer Abstimmungsaufwand bei der Erstinbetriebnahme des Fahrzeugs unabhängig vom Fahrzeugtyp und den fahrzeugspezifischen Charakteristika möglich.
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Vorteile liegen in der geringeren Anforderung an die Pumpenleistung des Vorwärmgeräts, der universellen Einsetzbarkeit, dem geringeren Abstimmungsaufwand bei der Inbetriebnahme und der kostengünstigen Beschaffung und Wartung, da nur ein Vorwärmgerät erforderlich ist und keine elektrisch betätigten Ventile eingesetzt werden müssen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung eines Kühlsystems.
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1 zeigt ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kühlsystem 10 umfasst einen Hochtemperaturkreis 12, einen Niedertemperaturkreis 14 und einen Heizkreis 16. Die Strömungsrichtungen in den Kreisen 12, 14 und 16 ist jeweils mit Pfeilen verdeutlicht. In allen Kreisen 12, 14 und 16 befindet sich jeweils ein Mittel, insbesondere ein Kühlmittel.
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In dem Hochtemperaturkreis 12 sind die Brennkraftmaschine 20, ein optionaler Abgaswärmetauscher 22, ein Ventil 24, ein Hochtemperaturkreis-Radiator 26, eine Hochtemperatur-Wasserpumpe 28 und ein Ölwärmetauscher 30 vorgesehen.
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In dem Niedertemperaturkreis 14 sind eine Niedertemperatur-Wasserpumpe 40, ein Niedertemperatur-Radiator 42 und ein Ventil 44, das bei 38°C öffnet, vorgesehen. Der Öffnungsbeginn kann bei ca. 30°C bis 40°C liegen. Im ausgeführten Beispiel liegt der Öffnungsbeginn bei 38°C. Weiterhin sind ein Ladeluftkühler 46 und ein zweistufiger Zwischenkühler 48 mit einer ersten Stufe 50 und einer zweiten Stufe 52 vorgesehen. Die dargestellte Ausführung hat eine zweistufige Aufladung mit zwei Niederdruckverdichtern und einem Hochdruckverdichter. Nach jedem Verdichter ist ein Ladeluftkühler angeordnet. Ein Ladeluftkühler nach einer Niederdruckstufe wird als Zwischenkühler bezeichnet, der zweimal vorhanden ist. Jeder Zwischenkühler wird mit der Hälfte der Gesamtluftmenge beaufschlagt. Eine Ladeluftkühlung nach einer Hochdruckstufe wird als Ladeluftkühler bezeichnet. Die Art der Aufladung und die Anzahl der Ladeluftkühler sind hier nur beispielhaft genannt. Das vorgestellte Verfahren ist auch bei einem einstufig aufgeladenen Motor mit nur einem Ladeluftkühler anwendbar. Die Anzahl der Zwischenkühler in der dargestellten Ausführung ist rein konstruktiv bedingt und hat keine Auswirkung auf die Funktion des Kühlsystems 10.
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In dem Heizkreis 16 sind ein Vorwärmgerät 70, eine Pumpe 72, ein erstes Rückschlagventil 74, ein zweites Rückschlagventil 76, ein drittes Rückschlagventil 78, ein viertes Rückschlagventil 80 und als Thermoelement ein Thermostatventil 82 vorgesehen. Dieses Thermostatventil 82 ist bis etwa 30°C offen.
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Der Heizkreis 16 dient dazu, die Anlagenteile von Hochtemperaturkreis 12 und Niedertemperaturkreis 14 und das Kühlmittel vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine 20 im Rahmen eines Vorwärmens vorzuwärmen und bei niedrigen Lastzuständen, bspw. im Leerlauf oder bei Teillast, oder bei bestimmten äußeren Bedingungen im Rahmen eines Zuheizens warm zu halten, dabei aber den Kraftstoffbedarf im Vergleich zu Kühlsystemen ohne Heizkreis niedrig zu halten.
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Während des Vorwärmens, bei dem die Brennkraftmaschine 20 steht, werden das Vorwärmgerät 70 und die Pumpe 72 eingeschaltet, so dass eine Zirkulation von Kühlmittel unter gleichzeitiger Erwärmung in Gang gesetzt wird. Erwärmtes Kühlmittel gelangt in den Hochtemperaturkreis 12 und den Niedertemperaturkreis 14, wobei der Hauptbedarf für die Vorwärmung bei dem Hochtemperaturkreis 12 liegt. Sobald die Kühlmitteltemperatur im Niedertemperaturkreis 14 30°C übersteigt, schließt das Thermostatventil 82, so dass nur noch der Hochtemperaturkreis 12 erwärmt wird. Somit schließt das Thermostatventil 82, bevor das motorseitige Ventil 44 im Niedertemperaturkreis 14 öffnet.
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Beim Zuheizen ist die Brennkraftmaschine 20 in Betrieb. Insbesondere bei niedrigen Umgebungsbedingungen sind die Pumpe 72 und das Vorwärmgerät 70 eingeschaltet, so dass zusätzliche Heizenergie zu der von der Brennkraftmaschine 20 erzeugten Wärmeenergie in das Kühlmittel gelangt. Dies hat den Vorteil, dass eine Kraftstoffersparnis erreicht werden kann. In der Zuheizphase hat das Thermostatventil 82 üblicherweise keine Funktion, da nur bis 20°C bis 30°C zugeheizt werden muss. Das Thermostatventil 82 kann jedoch folgende Funktion haben: Bei höheren Drehzahlen ist der Kühlmitteldruck im Hochtemperaturkreis 12 so hoch, dass der Hochtemperaturkreis 12 über das Rückschlagventil 74 vom Heizkreis 16 abgetrennt ist. In diesem Fall ist nur der Niedertemperaturkreis 14 mit dem Heizkreis 16 verbunden. Schließt nun das Thermostatventil 82, dann fördert die Pumpe 72 bzw. Vorwärmpumpe das Kühlmittel im Kurzschluss über das Rückschlagventil 76. Das Vorwärmgerät 70 schaltet daraufhin nach kurzer Zeit über einen internen Temperatursensor automatisch ab. Um Nachhitzeffekte zu verhindern, kann die Pumpe 72 noch nachlaufen. Ohne diese Funktion des Thermostatventils 82 gestaltet sich die Ansteuerung des Abschaltvorgangs des Vorwärmgeräts 70 aufwendiger. Dann sind zwei Temperaturschwellen erforderlich, ein Vorwärmen bis ca. 40°C bis 60°C, ein Zuheizen bis ca. 20°C bis 30°C. Zwei Temperaturschwellen und das Erkennen des Motorbetriebszustands Vorwärmen oder Zuheizen ist in der Steuerung nicht vorgesehen und stellt sich als sehr aufwendig dar.
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Insbesondere die Möglichkeit, auch den Niedertemperaturkreis 14 zu wärmen, bringt neben der Entlastung der Brennkraftmaschine 20 Vorteile mit sich. So kann bspw. Weißrauch bei kalten Umgebungsbedingungen vermieden werden.
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Die Zuschaltung des Vorwärmgeräts 70 kann bspw. lastabhängig, temperaturabhängig oder drehzahlabhängig erfolgen. Als Thermostatventil 82 kann bspw. ein Wachspatronenthermostat verwendet werden.
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Die Rückschlagventile 74, 76, 78 und 80 sperren den Heizkreis 16 ab, wenn die Pumpe 72 abgeschaltet wird, da dann der von der Hochtemperatur-Wasserpumpe 28 und der Niedertemperatur-Wasserpumpe 40 erzeugte Druck in Schließrichtung anliegt. Dies hat zur Folge, dass keine weiteren Steuermittel mehr notwendig sind, um den Heizkreis 16 abzuschalten. Dies stellt somit eine kostengünstige und einfache Umsetzung dar. Insbesondere sperrt das Rückschlagventil 74, wenn im Hochtemperaturkreis 12 ein hohes Druckniveau erzeugt wird. Dann fördert die Pumpe 72 im Heizkreis 16 das Kühlmittel über das Ventil 76 im Kurzschluss.
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In einem für Kraftfahrzeuge üblichen Kühlsystem sind zwei getrennte Kühlkreisläufe, nämlich ein Hochtemperaturkreis und ein Niedertemperaturkreis, in dem die Ladeluftkühler eingebunden sind, vorgesehen. Jeder Kreislauf hat dabei eine eigene Kühlmittelpumpe, eine eigene Kühlanlage und ein eigenes Thermostatventil, das den Kreislauf vor dem Auskühlen bei Schwachlast bzw. bei kalten Umgebungsbedingungen schützen soll. Dies bezeichnet man als Absperren des Kühlsystems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10317003 A1 [0006]
- DE 102005029918 A1 [0009]
