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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, das als ein Splitkühlsystem ausgelegt, zumindest zwei Kühlkreise umfasst und zur Regelung von einem Kühlmittelstrom einer Kühlmittelpumpe ein als Drehschieber mit zugehöriger Aktuatorik bzw. Sensorik ausgeführtes Wärmemanagementmodul oder zumindest ein Thermostat eingesetzt ist, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 6.
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Nach einem Start der Brennkraftmaschine, in der Warmlaufphase umgeht der Kühlmittelstrom den Kühler, damit sich das Kühlmittel schneller erwärmt und die Brennkraftmaschine kurzfristig eine optimale Betriebstemperatur erreicht. Die schnellere Erwärmung führt zu einer Verringerung von Kaltstartemissionen und einem reduzierten Kraftstoffverbrauch. Konventionell erfolgt das Umschalten des Kühlmittelstroms zwischen einem Bypasskreislauf und dem Kühlerkreislauf mittels Thermostat. Ein typischer Thermostat nutzt einen Wachsmotor zum Schalten eines Ventils zwischen einer Stellung, in der das gesamte Kühlmittel durch den Bypass und kein Kühlmittel zum Kühler geleitet wird, und einer anderen Stellung, in der das gesamte Kühlmittel durch den Kühler und kein Kühlmittel zum Bypass geleitet wird.
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Es ist bekannt, innerhalb der Brennkraftmaschine nach erfolgtem Start stillstehendes Kühlmittel mittels eines Wärmemanagementmoduls zu erzeugen. Die sich damit einstellende schnellere Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls sowie der Bauteile der Brennkraftmaschine sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren.
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Aus der
DE 198 49 492 A1 ist ein Wärmemanagementmodul bekannt, das einen Drehschieber zum Schalten eines Bypasskreises sowie eines Kühlerkreises des Kühlsystems aufweist. Der elektromotorisch angetriebene Drehschieber kann wahlweise zwischen einer Sperrstellung für den Kühlerkreis sowie den Bypasskreis oder in eine Offenstellung verstellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Mischbetrieb durch gleichzeitige Verbindung des Kühlerkreises und des Bypasskreises mit dem Abführanschluss herzustellen, um ein Wärmemanagement innerhalb des Kühlsystems durch eine kennfeldgeregelte Kühlung zu realisieren. Weiterhin kann durch eine geeignete Schaltstellung des Drehschiebers für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine optimale Kühlmitteltemperatur erreicht werden. Damit kann eine zuvor erwähnte Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffemission bei gleichzeitiger Schonung der Brennkraftmaschine, insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, realisiert werden.
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Die
US 4 644 909 A offenbart ein weiteres Wärmemanagementmodul, das einen Ventilmechanismus umfasst, mit dem ein Kühlerkreis und/oder ein Bypasskreis eines Kühlsystems schaltbar sind. Dies erfolgt mit Hilfe eines Elektromotors, welcher durch eine elektronische Steuerung ansteuerbar ist, die eingangsseitig das Signal eines Kühlwassertemperatursensors auswertet. Abhängig von der herrschenden Kühlwassertemperatur wird der Ventilmechanismus betätigt, um damit ein Mixverhältnis des Kühlwassers zwischen den beiden Kühlkreisen anhand einer vorgegebenen Temperatur einzustellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem bereitzustellen, bei dem insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine Leckage des Thermostats funktionssicher und dauerhaft mittels einer kostengünstigen Maßnahme wirksam unterbunden wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass ein erster Kühlkreis des Kühlsystems von einem Wärmemanagementmodul geregelt wird. Die Regelung des weiteren Kühlkreises erfolgt mittels eines als Splitkühlthermostat ausgeführten Thermostats. Die Ausgänge sowie die Eingänge des Drehschiebergehäuses, einschließlich ein als Bypass ausgeführter Anschluss des Drehschiebergehäuses sowie die Leckageöffnung des Thermostats sind in einzelnen Warmlaufphasen der Brennkraftmaschine bedarfsabhängig gemeinsam oder getrennt gezielt absperrbar.
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Der gezielt absperrbare, einen Bypass bildende Anschluss des Drehschiebergehäuses vom Wärmemanagementmodul ist mit der Kühlmittelpumpe verbunden. Ein die Leckageöffnung oder Leckagebohrung des Thermostats passierender Kühlmittelstrom des zweiten Kühlkreises gelangt dabei gemeinsam mit dem Kühlmittelstrom des Kurbelgehäuses vom Thermostat in das Wärmemanagementmodul. Bei der Temperaturregelung von Brennkraftmaschinen mit einem Splitkühlsystem und Verwendung eines Wärmemanagementmoduls (WMM) zur aktiven Regelung der Kühlmittelströme in den einzelnen Kühlkreisen des Kühlsystems bietet es sich an, einen Kreislauf mittels Wärmemanagementmodul und den weiteren Kühlkreis durch ein bekanntes Thermostat zu regeln. Die getrennten Regelelemente sind erforderlich, da die aktuierte Drehschieberachse des üblicherweise im Wärmemanagementmodul eingesetzten Drehschiebers keine zwei unabhängigen Stellbewegungen ausführen kann. Das Splitkühlthermostat wird bevorzugt so positioniert, damit dieses die sich einstellenden Kühlmitteltemperaturen des betreffenden Kühlkreises erfasst. Zur exakten Temperaturbestimmung ist zumindest eine Leckageöffnung erforderlich, damit das Thermostat von dem Kühlmittel beaufschlagt wird. Bei geschlossenem Thermostat kann sich ansonsten keine relevante Kühlmitteltemperatur aufgrund des dann ruhenden bzw. stehenden Kühlmittels an dem aktuierenden Sensor oder der Temperaturmessung des Thermostats einstellen. Falls das Splitkühlthermostat im Wärmemanagementmodul integriert und damit beispielsweise entfernt von der eigentlichen Wärmequelle angeordnet ist, ist ebenfalls eine Leckageöffnung im Thermostat notwendig, welche einen definitionsgemäßen BlockNoFlow nicht zulässt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ergänzend zu dem eine Leckageöffnung einschließenden Splitkühlungsthermostat das Wärmemanagementmodul bzw. das Gehäuse des Drehschiebers einen weiteren kontrolliert absperrbaren Anschluss aufweist, der mit einer Strömungsverbindung einen Bypass mit der Kühlmittelpumpe bildet. Mit diesem Aufbau kann durch ein gezieltes Schließen des kontrolliert absperrbaren Anschlusses in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ein Kühlmittelabfluss unterbunden werden, um die Aufwärmzeit durch einen Kühlmittelabfluss nicht nachteilig zu beeinflussen. Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen kühlmittelseitigen Regelung der getrennten Kühlkreise über das Splitkühlthermostat oder das Wärmemanagement die sich einstellende Leckage in dem Thermostat im Warmlauf in zumindest einer Warmlaufphase unterbunden werden. Weiterhin bewirkt die Erfindung, dass mit dem kontrolliert absperrbaren Anschluss gemäß der Erfindung eine funktionssichere und kostengünstig durchführbare Lösung geschaffen ist, die das CO2-Einsparpotential in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine im vollen Umfang nutzt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für Brennkraftmaschinen mit einer Splitkühl-Kühlsystem-Architektur eine getrennte Regelung der Volumen- bzw. Kühlmittelströme innerhalb der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Regelung des Kühlmittelstroms in dem Kühlkreis, dem der Zylinderkopf zugeordnet ist, erfolgt mit dem Wärmemanagementmodul. Dieser Kühlmittelkreis kann bedarfsabhängig durch andere zu kühlende Verbraucher, beispielsweise dem Hauptkühler des Kühlsystems ergänzt werden. Das Splitkühlthermostat ist zur kühlmittelseitigen Regelung des Kühlkreises bestimmt, dem der Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Über den die Funktion eines Bypasses übernehmenden kontrollierten Anschluss an dem Drehschiebergehäuse des Wärmemanagementmoduls kann beispielsweise bei einer bestimmten Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine Strömungsverbindung zur Kühlmittelpumpe gezielt abgesperrt werden.
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Durch ein beispielsweise in der Nähe der Zylinderlaufbahnen platziertes Splitkühlthermostat kann die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar sensiert und der Volumen- bzw. Kühlmittelstrom entsprechend in dem Kurbelgehäuse-Kühlkreis geregelt werden. Alternativ dazu bietet es sich an, das Splitkühlthermostat den Zylinderlaufbuchsen nachgeordnet, insbesondere im Bereich zwischen dem Zylinderblockaustritt und dem Wärmemanagementmodul zu positionieren. Das erfordert, das Thermostat mit zumindest einer Leckagebohrung, vorteilhaft mit mehreren Leckagebohrungen, zu versehen. Dies ist notwendig, da ansonsten bei geschlossenem Thermostat die relevante Kühlmitteltemperatur im Bereich der Zylinderlaufbuchsen aufgrund des dann stehenden Kühlmittels nicht das aktuierte Stellglied, insbesondere ein Wachselement des Thermostats, nicht erreicht.
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Über den gezielt bzw. kontrolliert absperrbaren, mit dem Bypass verbundenen Anschluss an dem Drehschiebergehäuse in Verbindung mit einem absperrbaren Ausgang an dem Thermostat können nach einem Start der Brennkraftmaschine durch entsprechende Schaltpositionen unterschiedliche Warmlaufphasen realisiert werden. Vorteilhaft bietet es sich an, drei Warmlaufphasen vorzusehen. In einer ersten, als TotalNoFlow bezeichneten Warmlaufphase, sind alle Ausgänge und Eingänge an dem Drehschiebergehäuse geschlossen. Damit auch der mit dem Bypass des Thermostats verbundene schaltbare Anschluss sowie der Eingang nach dem Thermostat. Wegen fehlender Aktuierung ist die Funktion des Thermostats und eine Strömung durch das Wärmemanagementmodul vollständig unterbrochen. Gemäß der zweiten, auch als Block-NoFlow-Position bezeichneten Warmlaufphase ist der schaltbare Anschluss an dem Drehschiebergehäuse geöffnet, wodurch sich eine Kühlmittelströmung vom Kühlmittel des Zylinderkopfkühlkreises über den Bypass zur Kühlmittelpumpe einstellt. In der dritten Warmlaufphase, einer NoCooling-Position, ist zusätzlich zu dem geöffneten schaltbaren Anschluss das Splitkühlthermostat geöffnet, so dass sich ein Leckagestrom vom Kühlmittel des Zylinderblocks bzw. des Kurbelgehäuses über das Thermostat in das Wärmemanagement einstellt. Die Temperatur des Leckagestroms überträgt sich auf das Thermostat, das bei Bedarf öffnet, wodurch ein größerer Kühlmittelstrom und folglich Wärme aus dem Zylinderblock abgeführt werden kann.
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Durch die Erfindung wird das Kühlsystem um einen kontrolliert absperrbaren, mit dem Bypass verbundenen Anschluss an dem Drehschiebergehäuse erweitert, welcher nur in der ersten Warmlaufphase, der TotalNoFlow geschlossen ist. In allen weiteren Schaltzuständen des Wärmemanagementmoduls, insbesondere nach Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, ist der schaltbare Anschluss geöffnet. Weiterhin kann bei Bedarf der kontrolliert absperrbare Anschluss sowohl in der ersten Warmlaufphase (TotalNoFlow) als auch in der zweiten Warmlaufphase (BlockNoFlow) geschlossen sein.
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Bei einem Aufbau eines Kühlmittelkreises, der ein Splitkühlthermostat, aber keinen kontrollierbaren, schaltbaren Anschluss umfasst, stellt sich keine zweite, als BlockNoFlow-Position bezeichnete Warmlaufphase nach der ersten Warmlaufphase, der TotalNoFlow-Position, ein.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Splitkühlthermostats umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, das Anschlüsse und folglich Strömungsverbindungen aufweist, über die das Thermostat mittelbar oder unmittelbar mit dem Kurbelgehäuse bzw. dem Zylinderblock sowie dem Drehschiebergehäuse des Wärmemanagementmoduls verbunden ist. In dem Thermostatgehäuse ist vorteilhaft ein kugelförmiges, um eine Drehachse im Gehäuse drehbares Ventilelement integriert, das von einem gesteuerten Antrieb, beispielsweise einem Dehnstoffelement, wie einem Wachselement, verstellbar ist. Alternativ dazu kann das Thermostat auch ein beliebig anderes Ventilelement einschließen, beispielsweise ein tellerartiges Ventilelement.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 6, das sich auf ein als Splitkühlsystem ausgelegtes Kühlsystem einer Brennkraftmaschine bezieht, das zumindest zwei Kühlkreise umfasst, einen ersten, dem Kurbelgehäuse bzw. dem Zylinderblock, und einen zweiten, dem Zylinderkopf zugeordneten Kühlkreis. Diese Kühlkreise werden gemeinsam von einem Kühlmittelstrom einer Kühlmittelpumpe beaufschlagt. Zur Regelung der Kühlmittelströme in den Kühlkreisen sind ein Splitkühlthermostat sowie ein als Drehschieber mit zugehöriger Aktuatorik bzw. Sensorik ausgeführtes Wärmemanagementmodul vorgesehen. Das Splitkühlthermostat zur Regelung des Kühlkreises, dem das Kurbelgehäuse zugeordnet ist, schließt eine Leckagebohrung ein, die in Verbindung mit dem Wärmemanagementmodul steht. Ein Drehschiebergehäuse des Wärmemanagementmoduls umfasst einen gezielt absperrbaren Anschluss, der einen mit der Kühlmittelpumpe verbundenen Bypass bildet. In der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine kann der schaltbare Anschluss bedarfsweise geschlossen und so die Kühlmittelströmung über den Bypass gezielt gestoppt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die dargestellte Ausführungsform zeigt ein Beispiel von einer erfindungsgemäßen Lösung, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 das Kühlsystem gemäß 1, das eine erste Warmlaufphase eines Kühlkreises verdeutlicht;
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3 das Kühlsystem gemäß 1, das eine zweite Warmlaufphase eines Kühlkreises verdeutlicht; und
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4 das Kühlsystem gemäß 1, das eine dritte Warmlaufphase eines Kühlkreises verdeutlicht;
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Die 1 zeigt ein als Splitkühlsystem ausgelegtes Kühlsystem 10 einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), wobei sich die Darstellung auf erfindungswesentliche Bauelemente beschränkt. Das Kühlsystem 10 umfasst zwei Kühlkreise 11, 12 sowie eine Kühlmittelpumpe 13, die das Kühlsystem 10 mit Kühlmittel, insbesondere mit Kühlwasser, beaufschlagt. Der Kühlkreis 11 ist einem Zylinderkopf 14 und der Kühlkreis 12 einem Kurbelgehäuse 15 oder Zylinderblock der Brennkraftmaschine zugeordnet. Der jeweilige Kühlmittelstrom wird durch Kühlkanäle innerhalb des Zylinderkopfes 14 und des Kurbelgehäuses 15 geführt. Dem Kühlkreis 11 ist dazu ein als Drehschieber 16 ausgeführtes Wärmemanagementmodul 17 mit zugehöriger Aktuatorik 18 bzw. Sensorik zugeordnet. Dagegen schließt der Kühlkreis 12 ein als Splitkühlthermostat ausgebildetes Thermostat 19 ein. Mit Hilfe des Thermostats 19 und des Wärmemanagementmoduls 17 ist es möglich, das Volumen und die Temperatur des durch jeden der Kühlkreise 11, 12 strömenden Kühlmittels unabhängig voneinander zu regeln. Ein Drehschiebergehäuse 20 des Drehschiebers 16 schließt mehrere von Kühlmittel durchströmbare Ausgänge 21a, 21b ein, über die das Wärmemanagementmodul 17 direkt oder indirekt mit verschiedenen Verbrauchern verbunden ist. Weiterhin umfasst das Drehschiebergehäuse 20 einen kontrolliert absperrbaren, einen Bypass bildenden Anschluss 22, über den in einzelnen, als Warmlaufstufen bezeichneten Schaltstellungen Kühlmittel zur Kühlmittelpumpe 13 zurückströmt. Das bevorzugt direkt an dem Drehschiebergehäuse 20 angeflanschte, von dem Kühlmittel nach Durchströmung des Kurbelgehäuses 13 beaufschlagte, ein Thermostatventil bildende Thermostat 19 schließt eine gedrosselte Leckageöffnung ein, über die eine Teilmenge des Kühlmittels in das Wärmemanagementmodul 17 einströmen kann.
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Die 2 bis 4 zeigen ebenfalls das Kühlsystem 10, wobei diese Darstellungen verschiedene Warmlaufphasen des Kühlkreises 12 verdeutlichen. Dabei stimmen die Bezugszeichen für gleiche oder funktionsgleiche Komponenten bzw. Bauteile mit denen der 1 überein. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich daher weitestgehend auf erfindungswesentliche unterschiedliche Ausgestaltungen.
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Gemäß 2 ist das Kühlsystem 12 in einer ersten Warmlaufphase, d.h. unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine, gezeigt. In dieser auch als TotalNoFlow bezeichneten Phase ist sowohl das Thermostat 19 als auch die Ausgänge 21a, 21b sowie der Anschluss 22 geschlossen. Damit wird eine Kühlmittelströmung durch das Kurbelgehäuse 15 und den Zylinderkopf 14 vollständig unterbunden, wodurch die Brennkraftmaschine die Betriebstemperstur schnell erreicht. Die Darstellung in 3 zeigt die zweite Warmlaufphase (BlockNoFlow) mit einem geöffneten Anschluss 22, wodurch sich eine Strömung des den Zylinderkopf 14 passierenden Kühlmittels über den Bypass, den geöffneten Anschluss 22 einstellt. In der dritten Warmlaufphase (NoCooling-Position), gezeigt in 4, ist zusätzlich zu dem schaltbaren Anschluss 22 das Thermostat 19 geöffnet, so dass sich sowohl in dem Kühlkreis 14 des Zylinderkopfs 14 als auch im Kühlkreis 15 des Kurbelgehäuses 15 eine Kühlmittelströmung einstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlsystem
- 11
- Kühlkreis
- 12
- Kühlkreis
- 13
- Kühlmittelpumpe
- 14
- Zylinderkopf
- 15
- Kurbelgehäuse
- 16
- Drehschieber
- 17
- Wärmemanagementmodul
- 18
- Aktuatorik
- 19
- Thermostat
- 20
- Drehschiebergehäuse
- 21a, 21b
- Ausgang
- 22
- Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19849492 A1 [0004]
- US 4644909 A [0005]
