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Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungskühler und mit einer elektrischen Kühlmittelpumpe, deren Drehzahl zur Einstellung eines gewünschten Volumenstromes eines Kühlmittels steuerbar ist.
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Konventionell enthält ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug eine Pumpe zum Fördern eines flüssigen Kühlmittels, beispielsweise Wasser, durch das System, einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels und einen Ölkühler zum Kühlen des im Verbrennungsmotor verwendeten Öles. Außerdem ist typischerweise ein Ventilator zum Ansaugen von Umgebungsluft durch den Kühler vorgesehen, um so die Kühlwirkung des Kühlers zu verbessern.
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Das Kühlmittel wird außerdem typischerweise durch einen Heizerkern geleitet, um erforderlichenfalls Wärme für den Fahrgastinnenraum zur Verfügung zu stellen, sowie gegebenenfalls auch durch einen Abgasrückführungskühler.
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Aus der
DE 103 32 949 A1 ist eine mit einem Kühlkreislauf ausgestattete Brennkraftmaschine insbesondere zum Kühlen und Vorwärmen von Getriebeöl bekannt, durch die eine bessere Erwärmung der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ermöglicht werden soll. Das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlmittel fließt ausgehend von der beispielsweise als elektrische Pumpe ausgeführten Hauptkühlmittelpumpe durch mehrere Baugruppen. Die Drehzahl ist von Null bis zur Maximaldrehzahl regelbar und von der Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängig ansteuerbar. Die Pumpe lässt sich so ansteuern, dass diese genau den erforderlichen Bedarf an Kühlmittel liefert. Gemäß einer Variante ist in der Heizkreisleitung ein Abgasrückführungskühler stromabwärts nach der Brennkraftmaschine angeordnet. Das rückgeführte Abgas durchströmt den Wärmetauscher für die Abgasrückführung, der seinerseits von dem Kühlmittel durchströmt wird, wodurch das Abgas gekühlt ist, bevor es in den Brennraum strömt. In dem Abgasrückführungskühler übertragen die mit hoher Temperatur durchströmenden Abgase Wärmeenergie auf das Kühlmittel. Die Kühlung des rückgeführten Abgases reduziert den Stickoxidanteil der Emissionen der Brennkraftmaschine.
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Die
DE 196 33 190 A1 betrifft ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine. Über elektrische Ventile wird eine regelbare Aufteilung des flüssigen Kühlstromes auf eine Brennkraftmaschine und einen Abgasrückführkühler vorgenommen. Über die Ventile lässt sich das Kennfeld bezüglich der Wirksamkeit der Kühleinrichtung regeln. Durch die Kühlung mit dem Abgasrückführkühler kann dem Frischluftstromkreis für die Brennkraftmaschine mehr Ladungsmasse zugeführt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass von einer Abgasleitung vor der Turbine des Abgasturboladers eine Abgasrückführleitung zu der Kühleinrichtung geführt und nach einer entsprechenden Kühlung in der Kühleinrichtung an dem Abgasrückführventil der Frischluftzufuhrleitung beigemischt wird. Es ist jedoch auch eine Regelung der elektrischen Umwälzpumpe möglich.
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Die
DE 103 34 919 A1 bezieht sich auf ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors. Ein einziges Ventil steuert selektiv die Größe des Kühlmittelstromes durch einen Kühler, beispielsweise einen Abgasrückführungskühler und andere Wärmetauscher. Dadurch wird der Kühlmittelvolumenstrom durch den Kühler geregelt, wodurch eine genauere Regelung der Kühlmitteltemperatur und damit der Motortemperatur ermöglicht wird.
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Die
WO 2006/091 330 A2 offenbart ein Fahrzeug-Thermomanagementsystem, in welchem mittels einer Pumpe Kühlmittel durch einen Wärmetauscher gefördert wird. Ein Lüfter verbessert die Wärmeabfuhr über den Wärmetauscher. Mittels eines Steuerungssystems wird dabei der Betrieb der Pumpe und des Lüfters optimiert.
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Die
DE 10 2011 053 419 A1 offenbart ein Abgassystem eines Dieselmotors mit einem Abgasstrang, in dem ein Partikelfilter angeordnet ist, der in einer Regenerationsphase durch Erhöhung der Abgastemperatur gesäubert wird, sowie Verfahren zur Steuerung eines derartigen Abgassystems, in dem ein Sensorelement angeordnet ist, mit welchem eine Rußbelastung im Abgasstrom festgestellt wird, in deren Abhängigkeit eine Regeneration eines Partikelfilters durchgeführt wird. Dabei ist in einer Steuereinheit ein Kennfeld hinterlegt, über welches eine Rußbelastung des Partikelfilters in Abhängigkeit der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors und des Abgasmassenstroms bestimmbar ist. Aus der Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors wird auf eine Rußbelastung des Partikelfilters geschlossen, worüber der Zeitpunkt zum Durchführen der Regeneration des Partikelfilters festgelegt wird.
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Die
DE 103 02 170 A1 zeigt einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine und ein mit der Brennkraftmaschine verbundenes Getriebe. Diese weisen einen Hauptkreislauf, in dem die Brennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung, ein Kühlmittelkühler und eine Kühlmittelpumpe angeordnet sind, und einen Getriebeölkühler auf, der über Ölleitungen mit dem Getriebe verbunden ist. Dem Getriebeölkühler ist in Abhängigkeit der Stellung der an der Austrittsseite der Brennkraftmaschine angeordneten Steuereinrichtung über den Hauptkreislauf und/oder über einen Kurzschlusskreislauf und/oder über einen Heizungskreislauf von der Brennkraftmaschine erwärmtes Kühlmittel zuführbar.
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Die
FR 2 953 889 A1 zeigt einen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher, welcher stromab einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, in welchem das Abgas der Verbrennungskraftmaschine ein Kühlmittel und eine Heizeinheit erwärmt, welche stromab des Wärmetauschers angeordnet sind. Parallel zum Heizer befindet sich ein Kühlmittel-Abzweig mit Dreiwege-Ventilen, mittels welcher der Kühlmittelstrom entweder durch den Abzweig oder durch den Heizer geleitet werden kann.
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Die
DE 10 2010 035 174 A1 zeigt ein Kühlsystem für ein Fahrzeug mit einem Abgasrückführungssystem, umfassend - einen von einer ersten Kühlmittelpumpe betreibbaren ersten Kühlkreislauf, der durch einen Motorblockkühlmantel verläuft, und - einen von dem ersten Kühlkreislauf abgezweigten zweiten Kühlkreislauf, der einen Kühler eines Abgasrückführungssystems sowie eine Heizung einer Fahrgastzelle und eine schaltbare zweite Kühlmittelpumpe umfasst, wobei der Kühler des Abgasrückführungssystems stromabwärts von der Heizung der Fahrgastzelle angeordnet ist und eine aus dem ersten Kühlkreislauf abgezweigte Bypassleitung zwischen dem Kühler des Abgasrückführungssystems und der Heizung der Fahrgastzelle in den zweiten Kühlkreislauf (6) mündet.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bedarfsgerechte Kühlung des rückgeführten Abgases wesentlich zu verbessern. Insbesondere sollen dadurch geringe Emissionen insbesondere auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen sichergestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Abgasrückführungskühler und mit einer elektrischen Kühlmittelpumpe, deren Drehzahl zur Einstellung eines gewünschten Volumenstromes eines Kühlmittels steuerbar, bevorzugt regelbar ist, vorgesehen. In dem Kühlkreislauf ist hinter dem Abgasrückführungskühler ein Temperatursensor zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur angeordnet. Aufgrund oder auf Basis der erfassten Kühlmitteltemperatur ist der Volumenstrom des Kühlmittels, insbesondere durch den Abgasrückführungskühler, einstellbar, insbesondere veränderbar. Die Einstellung kann durch eine Veränderung oder Einstellung der Drehzahl der Kühlmittelpumpe erfolgen. Indem die Kühlmittelpumpe elektrisch gesteuert oder bevorzugt geregelt, insbesondere die Drehzahl in Abhängigkeit des erfassten Kühlmittelbedarfs entsprechend verändert wird, gelingt es erstmals, die Temperatur des rückgeführten Abgases innerhalb enger Grenzwerte im Wesentlichen konstant einzustellen. Hierdurch werden in überraschend effizienter Weise die beiden vermeintlichen Zielkonflikte der Beaufschlagung des Abgasrückführungskühlers mit einem maximalen Kühlmittelstrom zur optimalen Reduzierung der Emissionen einerseits und der Vermeidung der Versottung und Verlackung von Bauteilen, insbesondere des Kühlers, aufgrund niedriger Abgastemperaturen andererseits erfüllt. Indem nämlich die Kühlmittelzufuhr bei geringen Umgebungstemperaturen wesentlich verringert oder unterbunden ist, wird zugleich das Risiko eines Thermoschockes und dadurch verursachter Bauteilschäden vermindert. Mehr noch kann das Kühlmittel auch derart mittels der Kühlmittelpumpe unter Umgehung eines Kühlmittelkühlers insbesondere zirkulierend oder reversierend gefördert werden, dass die Erwärmung des rückgeführten Abgases begünstigt wird. Das Kühlmittel ist bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel.
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Eine besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Kühlmittelpumpe getaktet und/oder intermittierend ansteuerbar ist. Durch die regelmäßige oder unregelmäßige Unterbrechung der elektrischen Stromversorgung der Kühlmittelpumpe kann die Drehzahl gezielt angepasst werden und dabei können die im Betrieb der Kühlmittelpumpe auftretenden elektrischen Verluste gering gehalten werden. Zudem kann auf diese Weise eine schnelle Reaktionszeit zur Anpassung an geänderte Betriebsbedingungen erreicht werden.
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Aufgrund der Temperatur und des Volumenstromes des zugeführten Kühlmittels kann insbesondere auf der Basis der in einer Datenbank einer Steuereinheit der Brennkraftmaschine, insbesondere des Kühlkreislaufs hinterlegten Daten die Temperatur des aus dem Abgasrückführungskühler austretenden Abgases näherungsweise bestimmt werden. Besonders genau kann die notwendige Anpassung des Kühlmittelstromes dann vorgenommen werden, wenn die Temperatur des rückgeführten Abgases vor/hinter, insbesondere unmittelbar vor/hinter dem Abgasrückführungskühler erfasst und dadurch regelbar ist, dass die Abgastemperatur zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert einstellbar ist. Hierdurch wird die Abgastemperatur innerhalb des durch den minimalen und den maximalen Abgastemperaturwert liegenden Betriebsbereiches zuverlässig eingehalten, indem bei einer Abweichung der Kühlmittelvolumenstrom mittels der Pumpensteuerung entsprechend angepasst wird. Der Temperatursensor hinter dem Abgasrückführungskühler dient dabei der Messwerterfassung, um mittels der Steuereinheit eine Plausibilitätsprüfung durchführen zu können. Insbesondere wird so bei signifikanten Schwankungen zwischen der Differenztemperatur des Abgases vor und hinter dem Abgasrückführungskühler als Istwerte gegenüber dem sich aus dem Kühlmittelvolumenstrom und seiner Temperatur ableitenden Sollwert ein Signal als Hinweis auf eine mögliche Störung generiert. Hierdurch werden unerwünschte Abweichungen von den gewünschten Betriebsparametern des Kühlkreislaufs, die insbesondere zu Emissionssteigerungen führen könnten, vermieden.
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Hierzu können gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung, bei welcher im Abgasstrom vor dem Abgasrückführungskühler ein Sensor zur Erfassung des Volumen- oder Massenstromes des rückgeführten Abgases angeordnet ist, die erforderliche Kühlmittelmenge mit hoher Genauigkeit bestimmt und der Kühlmittelstrom entsprechend geregelt werden. Hierdurch kann insbesondere bei einer deutlich von dem Abgasrückführungskühler örtlich beabstandeten Anordnung des Sensors, beispielsweise in der Nähe des Gasauslasses der Brennkraftmaschine, die Kühlmittelzufuhr vorauseilend angepasst werden.
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Darüber hinaus kann die Abgastemperatur dann besonders genau geregelt werden, wenn in dem Kühlkreislauf hinter (stromab) und/oder vor (stromauf), insbesondere unmittelbar hinter (stromab) und/oder vor (stromauf) dem Abgasrückführungskühler ein Temperatursensor angeordnet ist und aufgrund der erfassten Kühlmitteltemperatur der Volumenstrom des Kühlmittels einstellbar ist, weil aufgrund der weiteren, im Kühlkreislauf angeordneten Wärmetauscher die Kühlmittelvorlauftemperatur gegebenenfalls von einem Sollwert abweichen kann. Somit erfolgt der Ausgleich durch eine entsprechende Änderung des Kühlmittelvolumenstromes auf der Basis der gemessenen Kühlmitteltemperatur in der Nähe, bevorzugt unmittelbar hinter und/oder vor dem Abgasrückführungskühler.
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Der Kühlkreislauf kann von anderen Baugruppen getrennt als gesonderter Kreislauf mit einem eigenen Kühlmittelkühler ausgeführt sein. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn der Kühlkreislauf in einen Hauptwasserkühler aufweisenden Hauptkühlkreislauf eingebunden ist. Hierdurch kann unter Umständen, beispielsweise bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, während der Warmlaufphase auch eine Wärmezufuhr, also die Übertragung von Wärme aus dem Kühlmittel auf das Abgas vorgesehen werden. Die hierzu erforderliche Wärme kann zu diesem Zweck beispielsweise dem Schmiermittelkreislauf mittels eines Ölkühlers entnommen werden.
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Da der Kühlkreislauf erfindungsgemäß einen den Abgasrückführungskühler einschließenden Kurzschlusskühlkreislauf mit einer Kurzschlusskreislaufleitung hat, welcher von einer Hauptkühlmittelleitung trennbar ist, kann der Abgasrückführungskühler vorübergehend von der Hauptkühlmittelleitung getrennt werden und das Kühlmittel mittels der Kühlmittelpumpe in einem durch die Kurzschlusskreislaufleitung gebildeten Kurzschlusskühlkreislauf zirkulieren, um so die Kühlwirkung des Abgasrückführungskühlers wesentlich zu vermindern. Dadurch werden zu niedrige Abgastemperaturen und somit mögliche Schäden durch einen Thermoschock des Abgasrückführungskühlers vermieden, welcher beim Stand der Technik mit dem Risiko einer Rissbildung entsprechend beaufschlagter Bauelemente verbunden ist.
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Dabei ist der den Abgasrückführungskühler einschließende Kurzschlusskreislauf mittels eines passiven Schaltventils oder eines aktiven Schaltelementes mit der Hauptkühlmittelleitung verbunden. Beispielsweise kann also die leitende Verbindung der Kurzschlusskreislaufleitung mit der Hauptkühlmittelleitung durch ein Bimetallelement oder ein Wachsdehnelement als passives Schaltventil realisiert werden, ohne dass hierzu eine Steuerung erforderlich ist. Beispielsweise öffnet das passive Schaltventil die Verbindung zu der Hauptkühlmittelleitung bei Überschreiten einer Kühlmitteltemperatur von 60 °C. Alternativ kann die Verbindung durch ein elektrisch betätigbares Schaltventil realisiert werden.
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Dabei ist das Schaltventil in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter dem Abgasrückführungskühler angeordnet und verbindet so einen Kühlmittelauslass des Abgasrückführungskühlers mit einem Einlass des Abgasrückführungskühlers, um so den gewünschten Kurzschlusskreislauf zu realisieren.
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Eine weitere, ebenfalls besonders praxisgerechte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass der Abgasrückführungskühler mittels eines Rückschlagventils mit dem Hauptkühlkreislauf verbunden ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das aus der Brennkraftmaschine austretende erwärmte Kühlmittel nicht entgegen der vorgesehenen Fließrichtung in den Abgasrückführungskühler gelangen kann und es dort zu einer unkontrollierten Erwärmung des Abgases oder sogar zum Sieden des Kühlmittels kommt. Darüber hinaus kann mit einem weiteren Rückschlagventil auch erreicht werden, dass das aus dem Abgasrückführungskühler austretende erwärmte Kühlmittel entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung in den Hauptkühlkreislauf eintreten kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
- 1 allgemein einen mit einem Hauptkühlkreislauf einer Brennkraftmaschine verbundenen Kühlkreislauf mit einem Abgasrückführungskühler und einer Kühlmittelpumpe;
- 2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Kühlkreislaufes mit einem durch ein passives Schaltventil verbundenen Kurzschlusskühlkreislauf;
- 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Kühlkreislaufes mit einem durch ein aktives Schaltelement verbundenen Kurzschlusskühlkreislauf.
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Die Ausgestaltung des Kühlkreislaufes 1 gemäß dem Stand der Technik in 1 bzw. die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kühlkreislaufes 1 gemäß den 2 und 3 werden nachstehend jeweils in einer Prinzipdarstellung näher erläutert. Der Kühlkreislauf 1 ist mit einem einen Luftkühler 2 zwischen einem Kühlmittelvorlauf 3 und einem Kühlmittelrücklauf 4 aufweisenden Hauptkühlkreislauf 5 einer Brennkraftmaschine 6 verbunden, wobei auf die Darstellung weiterer Funktionselemente zum besseren Verständnis verzichtet wurde.
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Der Kühlkreislauf 1 ist mit einer Zuführleitung 7 mit dem Kühlmittelvorlauf 3 und mit einer Rücklaufleitung 8 alternativ mittels eines Stellgliedes 9 durch einen ersten Zweig 8a mit dem Kühlmittelrücklauf 4 oder durch einen zweiten Zweig 8b mit dem Kühlmittelvorlauf 3 verbunden. Das Rückströmen des Kühlmittels aus dem Kühlmittelvorlauf 3 oder dem Kühlmittelrücklauf 4 in die Rücklaufleitung 8 des Kühlkreislaufes 1 wird jeweils durch ein Rückschlagventil 10 verhindert.
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In der Zuführleitung 7 sind ein Abgasrückführungskühler 11 einer nicht dargestellten Abgasrückführung sowie eine elektrische Kühlmittelpumpe 12 vorgesehen. In Strömungsrichtung hinter dem Abgasrückführungskühler 11 ist ein Temperatursensor 13 angeordnet, sodass aufgrund der erfassten Kühlmitteltemperatur der Volumenstrom des Kühlmittels durch eine intermittierende Ansteuerung der Kühlmittelpumpe 12 steuerbar ist. Auf diese Weise ist die Förderleistung an den Kühlmittelbedarf gezielt anpassbar. Zusätzlich kann in der Zuführleitung vor dem Abgasrückführungskühler 11 ein weiterer, lediglich gestrichelt dargestellter Temperatursensor 14 zur Kontrolle der entnommenen Wärmemenge vorgesehen sein oder aus einem weiteren im Kühlkreislauf 1 der Brennkraftmaschine 6 angeordneten Temperatursensor wird die Kühlmitteltemperatur vor dem Abgasrückführungskühler 11 abgeleitet.
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In den 2 und 3 ist jeweils eine Variante dargestellt, bei welcher der Kühlkreislauf 1 einen den Abgasrückführungskühler 11 einschließenden Kurzschlusskühlkreislauf 15 mit einer Kurzschlusskreislaufleitung 16 hat, welcher von einem Hauptkühlkreislauf 5 mittels eines in 2 gezeigten, beispielsweise als Wachsdehnelement ausgeführten passiven Schaltventils 17 oder eines in 3 gezeigten aktiven Schaltelementes 18, welches beispielsweise bei einer Temperatur des Kühlmittels von zumindest 60 °C geöffnet wird, mit dem Kühlmittelrücklauf 4 verbunden ist. Indem also der Abgasrückführungskühler 11 vorübergehend von dem Hauptkühlkreislauf 5 getrennt wird und die Kühlmittelzirkulation auf den Kurzschlusskühlkreislauf 15 beschränkt ist, wird die Kühlwirkung des Abgasrückführungskühlers 11 wesentlich vermindert. Dadurch werden zu niedrige Abgastemperaturen und somit mögliche Schäden durch einen Thermoschock innerhalb des Abgasrückführungskühlers 11 vermieden, welcher beim Stand der Technik mit dem Risiko einer Rissbildung entsprechend beaufschlagter Bauelemente verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkreislauf
- 2
- Luftkühler
- 3
- Kühlmittelvorlauf
- 4
- Kühlmittelrücklauf
- 5
- Hauptkühlkreislauf
- 6
- Brennkraftmaschine
- 7
- Zuführleitung
- 8
- Rücklaufleitung
- 9
- Stellglied
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Abgasrückführungskühler
- 12
- Kühlmittelpumpe
- 13
- Temperatursensor
- 14
- Temperatursensor
- 15
- Kurzschlusskühlkreislauf
- 16
- Kurzschlusskreislaufleitung
- 17
- Schaltventil
- 18
- Schaltelement
